Технология декомпозиции алюминатных растворов

Декомпозиция – это процесс кристаллизации гидроксида алюминия при разложении пересыщенного алюминатно-щелочного раствора в присутствии большого количества кристаллических зерен затравки.

Схематично процесс может быть выражен реакцией

Для протекания реакции слева направо состав разлагаемого раствора должен находиться в поле 1 системы Na₂O-Al₂O₃-H₂O. Это может быть достигнуто для исходного раствора (полученного после выщелачивания)разбавлением, понижением температуры либо одновременным действием обоих факторов. В связи с необходимостью получения такого значения каустического модуля маточного раствора (α_м=3,4), которое обеспечит высокую скорость выщелачивания, а также с тем, что при t ≤ 40 °С резко увеличивается вязкость растворов, степень разложения алюминатных растворов не поднимается выше 50-55 %. В процессе декомпозиции получают гидроксид алюминия и маточный раствор. Часть гидроксида алюминия (наиболее крупная фракция) используют в качестве продукционного гидроксида алюминия (массовая доля фракции «+ 63 мкм» – не менее 30 %, фракция «- 45 мкм» – до 25 %), который направляют на участок кальцинации, другую (более мелкую фракцию) – возвращают в технологический процесс в качестве затравки (массовая доля фракции «+ 63 мкм» – 8-12 %). Осветлённый маточный раствор направляют на упаривание и далее – на выщелачивание боксита. Декомпозиция является наиболее важной стадией при производстве глинозема по способу Байера, поскольку от физико-химических свойств полученного гидроксида алюминия непосредственно зависит качество глинозема, а производительность этой стадии определяет экономику всего глиноземного производства. При кристаллизации гидроксида алюминия из пересыщенного алюминатного раствора в присутствии затравочных зерен происходят следующие явления:

-образование центров кристаллизации (вторичное зародышеобразование);

-агломерация кристаллических зерен затравки;

-линейный рост кристаллов и их разрушение,

каждое из которых доминирует в определенных условиях ведения процесса. Вторичным зародышеобразованием называют процесс образования новых кристаллов, происходящий в присутствии затравочных зерен кристаллизуемого вещества. Агломерация – это срастание сближающихся кристаллов в процессах их зарождения и роста. В отличие от процессов зародышеобразования, агломерации и роста, процесс разрушения кристаллов является чисто механическим и происходит в основном за счёт соударений кристаллов гидроксида алюминия в центробежных насосах при перекачках пульп и при кальцинации. Кинетика кристаллизации гидроксида алюминия из пересыщенных алюминатно-щелочных растворов и качество получаемого осадка определяются многими факторами. Важнейшими из них являются степень пересыщения и состав раствора. Значительное влияние оказывают температура, количество затравки(площадь поверхности затравочных кристаллов), воздействие различных физических факторов. Особо следует отметить влияние примесей (как растворимых, так и нерастворимых), которое проявляется на всех этапах кристаллизации. Для получения крупнокристаллического осадка необходимо в процессе декомпозиции поддерживать небольшое пересыщение (т.е. при политермической кристаллизации охлаждать раствор медленно).

Эффективность работы участка декомпозиции глиноземного цеха следует оценивать нижеследующими показателями. 1. Степень разложения алюминатного раствора или выход глинозема – относительный показатель ε, %:

где  (α_K)_o –  каустический модуль исходного раствора;  (α_K)_τ – каустический модуль раствора в момент времени τ. В придельном случае (α_K)_o=(α_K)_a  – каустический модуль алюминатного раствора;  (α_K)_τ=(α_K)_М  – каустический модуль маточного раствора.

Выход глинозема показывает отношение количества глинозема, выпавшего в осадок из раствора, к количеству глинозема, содержащемуся в исходном растворе.

2. Гранулометрический (дисперсионный) состав гидроксида алюминия. От него зависит гранулометрический состав и конечного продукта – глинозема. Хорошим показателем можно считать состав с преобладающей (70‑80 %) фракцией «- 50-100 мкм». Необходимость получения гидроксида алюминия определенного гранулометрического состава вызвана требованиями определенной крупности глинозема, получаемого из гидроксида. При дальнейших операциях (транспортировка, кальцинация) частицы склонны только к измельчению, т.о. крупность получаемого глинозема главным образом определяется крупностью гидроксида алюминия. Кроме того, получение тонкодисперсного гидроксида алюминия ухудшает отделение и отмывку его от маточного раствора (от щелочи). Мелкодисперсный гидроксид со сливом направляется на выпарку, где происходит его растворение, за счет этого понижается (α_K)_М. Мелкий гидроксид алюминия (< 40 мкм) при кальцинации дает мелкий глинозем – увеличиваются потери при транспортировке, загрузке и разгрузке за счет пыления, возрастает пылевынос в печах кальцинации до 60 % и более.

3. Удельная производительность декомпозера Q (средний съем Al₂O₃), кг/(м³·сут):

где Al₂O₃ – концентрация Al₂O₃ в алюминатном растворе, кг/м³;  η – выход глинозема при декомпозиции; τ_р – продолжительность разложения, ч.

При кристаллизации гидроксида происходят следующие процессы: 1) образование центров кристаллизации; 2) формирование новых кристаллов из центров кристаллизации (и распад кристаллов); 3) рост кристаллов в результате выделения гидроксида из пересыщенных алюминатно-щелочных растворов; 4) укрупнение частиц агломерацией. Каждый из этих процессов доминирует в определенных условиях. 

Факторы, влияющие на процесс декомпозиции

1)температурный режим декомпозиции;

2) каустические модули исходного и конечного алюминатного раствора; 3)продолжительность процесса декомпозиции;

4)концентрацияисх одного алюминатного раствора;

5) пересыщение раствора; 6) количество и качество затравки; 7) вторичное зародышеобразование; 8) растворимые примеси в алюминатном растворе; 9) процесс агломерации; 10) эффект модификатора роста кристаллов (МРК); 11) перемешивание травочного гидроксида.

Технологическое оформление передела декомпозиции

Отделение декомпозиции включает в себя следующие основные технологические узлы: 1) охлаждение алюминатного раствора и нагрев маточного раствора; 2) разложение алюминатного раствора с кристаллизацией гидроксида алюминия; 3) отделение кристаллов гидроксида от маточного раствора; 4) узел классификации кристаллического гидроксида алюминия; 5) приготовление затравочной пульпы – мелкодисперсного гидроксида; 6) приготовление продукционной пульпы.

Технологическая схема декомпозиции алюминатных растворов

Декомпозер с воздушным перемешиванием

1– стальной бак (корпус); 2 – воздушные трубы; 3 – аэролифт для перемешивания; 4 – транспортный и аэролифт; 5 – рубашки водяного охлаждения.

Декомпозёр с цепной мешалкой

1 – корпус; 2 – сифон для переливания пульпы; 3 – механизм вращения (редуктор, эл. двигатель); 4 – вал; 5 – цепи; 6 – волокуши; 7 – корпус подшипника

В последние годы декомпозеры с цепной мешалкой уступили место чанам с воздушным перемешиванием, которые могут быть очень большого объема. Устройство и обслуживание их стоит дешевле, чем декомпозеров с цепными мешалками. Декомпозеры с воздушным перемешиванием установлены во всех алюминиевых предприятиях и приняты для оснащения новых глиноземных заводов. Декомпозер с воздушным перемешиванием представляет собой закрытый чан диаметром 7,3 м и общей высотой 28,7 м с коническим днищем; высота конической части чана около 6,4 м. Чан собран и сварен из стальных обечаек; полезная емкость его около 1000 м³.

Аппаратурная схема узла декомпозиции и фильтрации гидроокиси алюминия

1 – теплообменник трубчатый или пластинчатый; 2 – декомпозеры с воздушным перемешиванием (а– циркуляционный аэролифт; б – транспортный аэролифт); 3 – гидросепаратор; 4 – сгуститель двух- или трехкамерный; 5 – вакуум фильтры; 6 – репульпаторы; A – алюминатный раствор; ЗП – затравочная пульпа; ДП – декомпозерная пульпа; С – слив гидросепараторов; М – маточный раствор на выпарку; Г – продукционная гидроокись алюминия; ПВ – промывочная вода; В чистая вода на промывку.