Контрольная работа: Технология алюминия

Процесс кальцинации осуществляется во вращающихся печах диаметром 4,5 м и длиной до 110 м. Печь выложена изнутри шамотным кирпичoм. В качестве топлива для нагревания шихты могут быть использованы мазут и природный газ. Движение шихты в печи осуществляется навстречу горячим газам от горения топлива.

Выходящие из печи дымовые газы уносят до 50-60% глинозёма. Пыль улавливается системой пылеулавливания, смешивается с сырым глинозёмом и возвращается на кальцинацию. Горячий глинозём после выгрузки из печи попадает в холодильник, представляющий собой наклонную вращающуюся трубу, орошаемую снаружи водой. Готовый глинозём выгружается из холодильника и транспортируется в цех электролиза глинозёма. Упрощённая схема переработки по способу Байера приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Упрощённая технологическая схема производства глинозёма по способу Байера

3. Получение глинозёма способом спекания

Способ спекания основан на переводе оксида алюминия из боксита в водорастворимый алюминат. В качестве реагента служит сода, которая значительно дешевле щёлочи, но менее активна. Поэтому для образования алюмината натрия требуется значительно более высокая температура, которая недостижима в водных растворах. Упрощённая схема производства глинозёма способом спекания приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 Упрощённая технологическая схема производства глинозёма по способу спекания

Шихта для процесса спекания состоит из боксита, соды, известняка или извести. После крупного дробления боксит и известняк измельчают в шаровых мельницах в среде оборотного содового раствора. Сюда же добавляют свежую соду. Из мельниц пульпу выпускают в бассейны с мешалками, где корректируется и контролируется её состав. Шихта в печь подаётся в виде пульпы, содержащей 40% влаги. За счёт сгорания топлива в горячей зоне печи температура поддерживается в пределах 1200-1300оС.

При 900оС энергично разлагается известняк по реакции:

CaCO3 = CaO + CO2                                                                     (14)

При нагревании до 1100оС оксид кальция взаимодействует с кремнезёмом, связывая его в силикат:

СaO + SiO2 = Ca2SiO4                                                                           (15)

Основная реакция спекания - образования алюмината натрия начинается примерно при 700 оС и завершается при температуре 1200 оС:

Al2O3 + Na2CO3 = 2NaAlO2 + CO2                                            (17)

Одновременно сода реагирует с оксидом железа и кремнезёмом:

Na2CO3 + Fe2O3 = 2NaFeO2 + CO2                                            (18)CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2                                                 (19)

Спекание боксито- содо - известковой шихты осуществляют в трубчатых вращающихся печах(Рисунок 6).

-трубчатая печь; 2-форсунка для разбрызгивания пульпы; 3-холодильник для охлаждения спека

Рисунок 6 Печь для мокрого спекания бокситов

В качестве топлива могут быть использованы мазут, природный газ или каменноугольная пыль. В зависимости от температуры горячих топочных газов и физико-химических превращений, происходящих в шихте, по длине печь может быть условно разделена на четыре зоны.

Зона сушки и обезвоживания находится в верхней холодной части печного барабана. Здесь температура топочных газов составляет 200-700оС, а температура шихты 20-300оС. В этой зоне из шихты удаляется влага.

Зона кальцинации имеет температуру топочных газов от 700 до 1250оС, а шихты - 300-900оС. Здесь происходит полное разложение известняка.

Зона спекания имеет наивысшую температуру газов порядка 1600-1650оС, а шихта -1200-1250оС. В этой зоне завершается процесс спекания шихты и полностью разлагается сода Na2CO3. Эта зона находится в пределах огневого факела от сжигания топлива.

Последняя зона - зона охлаждения расположена в нижней части печи. Здесь температура газов составляет порядка 1500-1550оС, а шихты 1100оС.

После охлаждения спечённая шихта поступает на выщелачивание.

Предварительно измельчённый спек подвергается выщелачиванию горячей водой.

В процессе выщелачивания алюминат натрия хорошо растворяется в горячей воде по реакции:

Na2AlO4 + 4H2O = 2NaAl(OH)4                                                  (20)

Феррит натрия в водной среде подвергается гидролизу с высвобождением щёлочи:

2NaFeO2 + (n+1)H2O = 2NaOH + Fe2O3·nH2O                                   (21)

Выщелачивание осуществляется в трубчатых выщелачивателях проточным методом. (Рисунок 7)

-вращаюаяся труба; 2 спираль; 3- устройство для загрузки спека; 4-устройство для выгрузки шлама

Рисунок 7 Трубчатый выщелачиватель

Трубчатый выщелчативатель представляет собой стальную трубу длиной 60 м и диаметром 3,6 м. В трубе укреплена дырчатая спираль, которая передвигает спек вверх по трубе, а через отверстия в спирали навстречу спеку сверху вниз движется вода или алюминатный раствор. При растворении алюмината натрия выделяется тепло, в результате чего раствор может сильно разогреться. Поэтому труба охлаждается водяными холодильниками и просасывемым через трубу воздухом.

На некоторых заводах выщелачивание проводят в диффузорах (Рису- нок 8).

- корпус; 2 - люк для загрузки спека; 3-откидная крышка люка для разгрузки спека; 4-колосниовая решётка; 5- гидравлический привод крышки; 6- патрубок для выхода раствора

Рисунок 8 Диффузор для выщелачивания спека

Загрузка спека осуществляется сверху и он слоем высотой до 5 м ложится на колосниковую решётку. Снизу под решётку под некоторым давлением подают горячую воду, которая поднимается вверх по слою спека и выщелачивает его. Раствор после выщелачивания вытекает из диффузора через верхний патрубок.

На практике 12-14 диффузоров соединяют в последовательную цепь. В головной диффузор подают горячую воду, а их последнего диффузора вытекает концентрированный раствор алюмината натрия. Все диффузоры соединены трубопроводами, снабжёнными кранами, которые позволяют отключить любой из них, не нарушая процесса.

Разгрузка твёрдого остатка осуществляется через нижний люк диффузора.

Выщелачивание в диффузорах исключает необходимость отделения от раствора красного шлама.

Растворы полученные, в процессе выщелачивания содержат от 80 до 280 г/л Al2O3. Независимо от способа выщелачивания в растворах всегда присутствует силикат натрия, содержащий кремний. Загрязнённость кремнием раствора характеризуется кремниевым модулем. Кремниевый модуль после выщелачивания перемешиванием составляет порядка 35-50, а после выщелачивания в диффузорах 18-20. и нуждается в очистке до величины кремниевого отношения 450-500.

Обескремнивание заключается в связывании растворённого в алюминатном растворе кремнезёма в нерастворимые соединения и перевод их в осадок.

Удаление кремния осуществляется нагреванием алюминатного раствора до 160-170 оС в автоклавах. Процесс очистки основан на взаимодействии силиката натрия с алюминатом:

NaAl(OН)4 + 2Na2SiO3 = Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O + 4NaOH (22)

Второй способ обескремнивания алюминатных растворов заключается в нагревании их с добавкой извести:

2NaAl(OН)4+2Na2SiO3+Ca(OH)2=CaO·Al2O3·2SiO2·2H2O+6NaOH (22)

Образующиеся в результате протекания реакций (22) и (23) кристаллы гидроалюмосиликатов натрия и кальция выпадают в осадок и таким образом выводят кремнезём из алюминатного раствора.

Осадок алюмосиликатов, называемый белым шламом, после сгущения и фильтрования направляют в шихту спекания.

Очищенный от кремния алюминатный раствор направляют на карбонизацию. Карбонизация - это процесс разложения алюминатных растворов под действием углекислого газа с целью получения кристаллического гидрооксида алюминия.

Для этих целей алюминатный раствор продувают предварительно очищенными от пыли дымовыми газами из печей спекания, которые содержат 10-14 % СО2. Продувка осуществляется при температуре 70-80оС в течение 8-10 часов при постоянном перемешивании.

Процесс карбонизации протекает в две стадии.

Первая стадия заключается в нейтрализации присутствующей в растворе свободной едкой щёлочи с образованием соды:

NaOH + CO2 = Na2CO3 +H2O                                                     (23)

Вторая стадия заключается в выделении гидрооксида алюминия за счёт разложения алюмината натрия в следствие сильного снижения каустического модуля, вызванного уменьшением концентрации свободной щёлочи в растворе:

NaAl(OH)4 = Al(OH)3+ NaOH                                                      (24)

Разложение алюминатного раствора осуществляют в карбонизаторах. Карбонизатор представляет собой стальной цилиндрический бак высотой до 8 м и диаметром до 6м, снабжённый барботёром для подачи углекислого газа и цепной мешалкой (Рисунок 9).

-стальной бак; 2-цепная мешалка; 3-дарботёр для подачи углекислого газа; 4-сливной патрубок Рисунок 9 Карбонизатор

Продолжительность процесса карбонизации составляет 12-14 часов. Наиболее рациональна и удобна для эксплуатации непрерывная карбонизация, которую проводят в нескольких карбонизаторах последовательно соединённых между собой.

Выгрузку гидратной пульпы осуществляют через предусмотренное в днище отверстие. Слив содового раствора производят через патрубок в стенке карбонизатора на высоте порядка 1,3 м от днища.

Отделенный от содового раствора гидрооксид алюминия фильтруют, промывают и направляют на кальцинацию, которая осуществляется точно так же, как и в способе Байера. Оборотный содовый раствор выпаривают и и направляют на приготовление шихты для мокрого спекания.

Способ спекания является достаточно универсальным и может применяться для извлечения глинозёма из различных алюминиевых руд.

Этим способом могут быть переработаны на глинозём нефелины, глины а также зола от сжигания каменных углей на электростанциях.

4 Переработка нефелинов

В нефелинах помимо оксида алюминия содержатся щелочные металлы натрий и калий. Часто их содержания вполне хватает для образования алюмината натрия в достаточном количестве. Попутно из нефелинов получают поташ и соду.

Нефелиновый концентрат и известняк измельчают до крупности 0,1 мм и спекают во вращающихся трубчатых печах сухим способом при температуре 1250-1300оС. В основе процесса спекания лежит химическая реакция:

Na,K2ОAl2O32SiO2+4СаСО3=(Na,K)2ОAl2O3+22CaO·SiO2+4CO2(25)

Спек измельчают и выщелачивают оборотным раствором в мешалках при температуре 70-80оС. После отделения шлама раствор обескремнивают и подвергают полной карбонизации. Полученный осадок гидрооксида алюминия промывают и прокаливают. Около половина раствора от выщелачивания направляется в оборот, а остальная часть направляется на выпаривание. Из выпаренного раствора сначала кристаллизуют соду Na2CO3·H2O, а затем после дополнительного выпаривания выделяют поташ K2CO3.

.1 Получение криолита

Электролит для элекролиза алюминия состоит из трёх основных компонентов: криолита 3NaF·AlF3 или Na3AlF6, фтористого натрия NaF и фтористого алюминия AlF3.

Основной составляющей электролита является криолит. Месторождения этого минерала редки и они не в состоянии обеспечить криолитом алюминиевую промышленность. Поэтому криолит производится искусственным путём. Сырьём для получения криолита служит природный минерал флюорит (полевой шпат) CaF2. Получение криолита из полевого шпата может производиться двумя способами: кислотным и щелочным. Щелочной способ пока не получил широкого развития. Поэтому в настоящее время криолит получают в основном кислотным способом.

По этому способу флюорит измельчают, обогащают процессом флотации и обрабатывают крепкой серной кислотой при температуре 200оС. В результате протекает химическая реакция:

CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HF                                                    (26)

При протекании реакции выделяется газообразный фтористый водород.

Присутствующий в полевом шпате кремнезём в состоянии реагировать с фтористым водородом с образованием летучего соединения SiF4:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O                                                           (27)

Образующуюся смесь газов HF и SiF4 поглощают водой, получая в результате плавиковую кислоту, загрязнённую кремнефтористой кислотой H2SiF6, которая образуется по реакции:

SiF4 + 2HF = H2SiF6                                                                    (28)

Загрязнённая плавиковая кислота подвергается обескремниванию, путём добавления к ней соды, которая реагирует с кремнефтористой кислотой с образованием малорастворимого соединения кремнефтористого натрия Na2SiF6:

H2SiF6 + Na2CO3 = Na2SiF6 + H2O + CO2                               (29)

Осадок соли Na2SiF6 отфильтровывают, а очищенный от кремния раствор обрабатывают стехиометрическим количеством гидрооксида алюминия для получения фтороалюминиевой кислоты:

6HF + Al(OH)3 = H3AlF6 + 3H2O                                                (30)

Полученный раствор фтороалюминиевой кислоты обрабатывают содой для получения криолита:

2H3AlF6 + 3Na2CO3 = 2Na3AlF6 + 3СО2 + 3Н2О                    (31)

Криолит практически не растворим в воде и выпадает в осадок. Осадок криолита отфильтровывают и сушат.

Фтористый алюминий получают нейтрализацией плавиковой кислоты избыточным количеством Al(OH)3:

3HF + Al(OH)3 = AlF3 + 3H2O                                                    (32)

Действую содой на плавиковую кислоту, получают фтористый натрий:

2HF + Na2CO3 = 2NaF + CO2 + H2O                                          (33)

4.2 Физико-химические свойства криолитно- глинозёмных расплавов

Для получения алюминия используется криолитно- глинозёмный расплав, который должен отвечать следующим требованиям:

должен хорошо растворять глинозём;

являться относительно легкоплавким ;

его плотность должна быть меньше плотности алюминия, для исключения контакта жидкого алюминия с кислородом воздуха;

он должен быть жидкотекучим, что благоприятствует выделению газов и выравниванию состава расплава;

он не должен взаимодействовать с углеродистой футеровкой, анодом и катодом;

он должен обладать достаточно высокой электропроводностью;

он не должен быть гигроскопичен;

он должен обладать малой летучестью при температуре процесса электролиза.

Этим требованиям отвечает расплав криолита с содержанием 3-5% СаF2, 4-5% MgF2, 1,3 -8% Al2O3.

Одной из основных характеристикой состава расплава является его криолитное отношение, характеризующее молярное отношение  в расплаве. Для чистого криолита это отношение равно 3. Такой расплав считается нейтральным. Если криолитное отношение < 3, то такой расплав считается кислым, если  > 3, то такой расплав называют щелочным. В промышленных электролизёрах криолитное отношение поддерживается в пределах 2,6-2,8.