То есть модуль показывает, сколько молей щёлочи в растворе приходится на каждый моль глинозёма

;

Различают общий и каустический модули:

;

.

Тема3.3 Диаграмма равновесных состояний системы .

1) − обратная реакция;

2) − прямая реакция.

Реакция образования алюмината натрия и реакция его с водой (гидролиз) протекают в зависимости от концентрации реагирующих веществ и температуры с разной скоростью (если скорость прямой реакции больше скорости обратной реакции, то образуется и наоборот).

Высокая концентрация щелочи, и высокая температура провоцируют снижение концентрации раствора. Понижение температуры процесса увеличивает скорость прямой реакции и в осадок выпадает . Наступает такой момент, когда скорость прямой и скорость обратной реакции будут равны, то есть наступает химическое равновесие.

Если в системе координат: нанести точки химического равновесия растворов при определённых температурах, то образуются кривые изотермы, состоящие из двух ветвей.

Растворы, концентрация которых находятся выше левой ветви изотермы, содержат избыточный глинозём (пересыщены по глинозёму) и здесь скорость обратной реакции будет меньше скорости прямой реакции, то есть в осадок выпадает .

Между ветвями изотермы находятся растворы, не насыщенные глинозёмом, и в этой области преобладает скорость обратной реакции.

Выше правой ветви изотермы находятся растворы, пересыщенные по щёлочи .

Рассмотрим раствор при температуре , соответствующей по концентрации точке а. Этот раствор находится между ветвями изотермы и в нём преобладает скорость обратной реакции, то есть идет образование .

Образование алюмината натрия будет идти до тех пор, пока концентрация раствора не станет равновесной, то есть до точки m.

Раствор в точке а при является пересыщенным по глинозёму, так как находится выше левой ветви изотермы 30^о. Здесь преобладает скорость прямой реакции.

Значит, чтобы спровоцировать гидролиз алюмината натрия, то есть прямую реакцию, необходимо снизить температуру раствора.

Раствор в точке а имеет каустический модуль .

Тема 3. 4 Стойкость алюминатных растворов

Стойкость алюминатных растворов – это способность растворов находится длительное время без видимого разложения при концентрациях близких или равных равновесным.

Различают теоретическую и практическую стойкость.

Теоретически стойкие – это растворы, концентрация глинозема в которых ниже или равна равновесной, то есть расположенные между ветвями изотерм и на левых их ветвях.

Практически стойкие растворы находятся без видимого разложения даже при пересыщенных концентрациях, так как алюминатный раствор разлагается очень медленно благодаря примесям, оказывающим стабилизирующее действие.

Для характеристики стойкости раствора вводится понятие коэффициент пересыщения:

.

Для определения степени пересыщения раствора точку, соответствующую состоянию раствора, соединяют прямой линией с точкой гидраргилита (гиббсита) и продолжают эту линию до пересечения с левой ветвью изотермы равновесия. Концентрация равновесного раствора соответствует точке на изотерме.

На стойкость раствора влияет ряд факторов: температура, концентрация раствора, каустический модуль, наличие в растворе примесей и осадка .

1. Понижение температуры провоцирует реакцию гидролиза, то есть снижение стойкости раствора. Однако снижение температуры ниже приводит к дальнейшему повышению стойкости. Это объясняется увеличением вязкости раствора и как следствие замедление реакции.

2. Снижение концентрации раствора при постоянной температуре тоже снижает стойкость.

3. Чем выше каустический модуль , тем больше стойкость.

4. Примеси присутствующие в растворе действуют не одинаково:

− органические вещества, повышающие стойкость: , (сода);

− вещества, снижающие резко стойкость: , .

5. Присутствующие в растворе кристаллы являются готовыми центрами кристаллизации. Вокруг них быстрее формируются кристаллы из растворов.

6. Другие свойства растворов, такие как электропроводность, плотность, вязкость, значительно зависят от температуры концентрации, и в каждом отдельном случае определяется экспериментальным и теоретическим путём.

Тема 3. 5. Классификация способов производства глинозёма

Все способы производства глинозёма в зависимости от состава и свойств исходного сырья, делят на:

− кислотные;

− щёлочные;

− комбинированные.

1) щёлочные делят на: гидрохимические, комбинированные, термические.

1.1.Гидрохимический (способ Байера) заключается в обработке высококачественных, низкокремнистых бокситов растворами щёлочей.

Процесс Байера.

При этом глинозем, растворяясь в щелочи, переходит в раствор, который отделяют от нерастворившегося остатка и разлагают, осаждая гидроксид алюминия ().

1.2Термическим способом перерабатывают различные виды алюминесодержащего сырья. Суть этого способа заключается в термической обработке алюминиевого сырья со щёлочными доставками (спекание).

1.3.Комбинированный способ. Существует двух видов и осуществляется по параллельной и последовательной схеме.

2.Кислотный способ. Алюминиевую руду обрабатывают различными кислотами (соляная, азотная и другие). В растворе получают раствор алюминиевой соли, из которой выделяют глинозём. Этот способ имеет ограниченное применение.

3. Комбинированный (кислотно-щёлочной). Состоит из двух ветвей кислотной и щёлочной.

Тема 3. 6. Характеристика глинозёма

Глинозём является конечным продуктом в производстве. Он представляет собой белый кристаллический порошок, состоящий из α и γ модификаций. Как любая конечная продукция глинозём должен соответствовать определённым требованиям, регламентируемым ГОСТом. Глинозем, используемый в электролизе алюминия должен иметь ограниченное содержание примесей более электроположительных, чем алюминий, так как эти примеси ухудшают свойства алюминия.

Кроме наличия примесей важную роль играет также насыпная масса глинозёма и угол естественного откоса. Эти факторы влияют на способность глинозёма образовывать термоизоляционный слой на корке электролита.

Глинозём выпускается двух видов: мучнистый и песчаный.

Мучнистый: мелкокристаллический, сильно пылящий при обработке.

Песчаный: более крупный, но медленнее растворяется в электролите. Это необходимо учитывать при обработке ванн.

Глинозёмные заводы наряду с глинозёмом выпускают товарный (гидрат) который используется для производства криолита, фтористого алюминия и для других целей. Он содержит до 12% влаги, поэтому его зимой подсушивают.

Раздел № 4. Подготовка сырья.

Тема 4.1. Складирование.

Подготовка алюминиевой руды к переработке может состоять из следующих операций:

− усреднение;

− дробление;

− измельчение;

− обогащение;

− сушка;

− обогащение руды.

Руда. С рудника алюминиевая руда поступает на склад глинозёмного завода, где осуществляется приём, хранение и усреднение сырья. Разгрузка вагонов осуществляется с помощью вагоноопрокидывателей, которые представляют собой устройство позволяющее поворачивать вагон вместе с рудой на угол .

Руду из вагона выгружают в бункер, из которого подаётся на расходный склад. Вагоноопрокидыватели применяются при очень большом устойчивом грузообороте. При меньшем грузообороте руда подаётся на грейферный склад в думпкарах или полувагонах, выгрузка происходит через люки.

Усреднение. Руда, поступающая на склад, имеет различный состав, но для производства необходим постоянный состав руды, поэтому необходимо смешивать партии руды различного состава, получая средний состав.

Известняк необходим для производства глинозёма, разгружают и складируют аналогично руде на специальных складах.

Кальцинированная сода поступает на завод в бумажных мешках, цементовозах, цистернах. Её хранят в башнях-силосах, загружая с помощью пневмотранспорта.

Едкий натр твёрдым поступает в стальных барабанах, ёмкостью до 170 литров, жидкий в цистернах. Слив осуществляется с помощью вакуум-установки через верхние люки цистерн или через нижние сливные устройства самотёком. Хранение осуществляется в баках рассчитанных на 20-30 суток.

Тема 4. 2. Дробление и измельчение.

Цель дробления и измельчения заключается в увеличении поверхности сырьевых материалов для быстрого и полного протекания необходимых химических реакций между компонентами шихты.

Различают крупное, среднее и мелкое дробление, которое осуществляется в щёковых и конусных дробилках (для твёрдых алюминиевых руд) и молотковых и щёковых (для хрупких руд).

Для отделения кусков руды, которые не требуется дробить на данной стадии, устанавливают грохоты (колосниковые: подвижные и неподвижные).

Для тонкого измельчения в глинозёмном производстве применяют шаровые мельницы мокрого помола, которые работают в замкнутом режиме с классифицирующими аппаратами (спиральный, реечный и другие), которые делят выходящий из мельницы материал на пески (возвращающиеся на домол) и слив.

Всё вышеперечисленное оборудование связано между собой системой транспортёров, питателей, трубопроводных коммуникаций в единую транспортную сеть.

Раздел № 5. Получение глинозёма по способу Байера.

Тема 5. 1. Общая схема процесса.

Способ Байера является основным в мировом производстве глинозёма. На ряду с бокситами в качестве исходного сырья применяют щёлочь и известняк. Если берётся известняк, то его обжигают до извести.

Бокситы, в зависимости от химического и минералогического состава имеют разную твёрдость и вскрываемость, поэтому их дробят в две, три стадии (крупное, среднее дробление), а затем их подвергают сухому или мокрому помолу. Размельчают его вместе с известью в среде оборотного щёлочного раствора. Полученную пульпу качают на выщелачивание раствором едкого натра. Выщелачивание проводят в автоклавах – аппаратах работающих под давлением, так как присутствующие в боксите минералы при температуре до не вскрываются, а для достижения высоких температур необходимо поднимать давление, то есть использовать автоклавы.

После выщелачивания получается пульпа, состоящая из крепкого алюминатного маточного раствора и шлама (не растворимый осадок боксита). Шлам приобретает краснокирпичный цвет из-за присутствующих здесь оксидов железа. Шлам отстаивают (сгущают) затем промывают водой и сбрасывают в отвал, а промывной водой разбавляют алюминатный раствор после выщелачивания.

При разбавлении концентрация раствора снижается, стойкость его падает и раствор готов к разложению. Разлагают его методом декомпозиции (выкручивание в баках декомпозёрах). Раствор разлагается за счёт постепенного понижения температуры, что приводит к гидролизу алюмината натрия: .

Гидроксид алюминия выпадает в осадок и остаётся маточный раствор. Ускорению этого процесса способствует введение свежеосаждённой затравки (мелкие кристаллы) и перемешивание раствора (операция выкручивания). Осадок отделяют сгущением, а затем фильтруют на вакуум-фильтрах.

Гидроксид алюминия промывается и классифицируется по крупности. Более мелкая часть возвращается на декомпозицию в качестве затравки, а крупные кристаллы прокаливаются в печах кальцинации, и получается (глинозём).

Промывная вода от промывки гидроксида алюминия и маточный раствор не соответствующий по щёлочи нужной концентрации для выщелачивания, выпаривают, при этом в осадок выпадает и ряд других примесей. Соду отделяют от раствора и каустифицируют. Щёлочной раствор возвращают на мокрый размол.

Тема 5. 2. Цикл процесса Байера в системе

Основной химической реакцией в способе Байера является

Для выщелачивания боксита применяется щёлочной раствор, соответствующий точке А. В процессе выщелачивания концентрация раствора меняется в нём увеличивается содержание глинозёма и уменьшается концентрация исходной щёлочи. Состав раствора после выщелачивания соответствует точке Б, то есть линия АБ – линия выщелачивания.

В процессе выщелачивания происходит конденсация пара в автоклавах и раствор частично разбавляется до точки В, далее на производстве следует дальнейшее разбавление пульпы промывными водами (точка Г). Линия БГ – линия разбавления. В растворах резко снижается концентрация глинозёма и щёлочи.

Для более быстрого разложения в алюминатный раствор вводится затравка, с которой попадает некоторая часть оборотного щёлочного раствора, за счёт которого повышается концентрация щёлочи в растворе по линии ГД – линия смешения с затравкой.

В точке Д начинается разложение раствора, то есть уменьшение концентрации глинозёма и появление свободной щёлочи. ДЕ – линия декомпозиции.

После отделения выпавшего гидроксида, раствор выпаривают, в нём повышается концентрация щёлочи по линии ЕЖ – линия выпаривания. Однако выпаренный раствор не достаточно концентрирован для выщелачивания новых порций боксита, так как часть щёлочи прореагировала с другими компонентами боксита и вышла из цикла со шламом, содой, поэтому для восстановления концентрации вводят свежую щёлочь по линии ЖА. Таким образом, в способе Байера цикл по щёлочи замкнут, эта щёлочь используется неоднократно.

Тема 5. 3. Дробление и размол боксита.

Боксит, размер кусков которого до 500 мм, из железнодорожных вагонов разгружают роторным вагоноопрокидывателем 1 в приёмные бункера 2. из бункеров боксит пластинчатым питателем 3 подаётся на крупное дробление в молотковую дробилку 4, где дробится до крупности 100-150 мм. Среднее дробление боксита до крупности 40 мм осуществляется в конусной дробилке 5. Перед конусной дробилкой установлен грохот 6 для отделения мелких кусков руды.

Размол боксита в шаровой мельнице, работающей в замкнутом цикле с гидроциклонами. Из бункера 1, расположенного над мельницей 4, боксит пластинчатым питателем 2 подаётся на ленточный весоизмеритель 3 и далее в загрузочную точку мельницы. Сюда же поступает оборотный раствор, а также известь. Из мельницы размолотый боксит в виде пульпы поступает в мешалку 5, а из неё насосом перекачивается на классификацию в гидроциклоны 6. Пески гидроциклонов возвращаются в мельницу на доизмельчение, а слив направляется на выщелачивание.

Мельница первой стадии размола работает на боксите в открытом цикле с классификацией размолотого материала в гидроциклоне, а мельница второй стадии работает на песках в замкнутом цикле с гидроциклонами. Классификация пульпы после второй стадии размола проходит в две стадии в последовательно соединённых гидроциклонах.

Пульпой называется смесь твёрдой и жидкой фаз, например в производстве глинозёма – смесь размолотого боксита с оборотным щелочным раствором или смесь гидроксида алюминия со щелочным маточным раствором.

Тема 5. 4. Выщелачивание боксита.

Тема 5. 4. 1. Химизм процесса.

Выщелачивание является основным процессом в способе Байера и заключается в обработке боксита оборотным щелочным раствором.

Цель: перевод глинозёма из боксита в раствор в виде алюмината натрия.

;

.

1). Минералы ведут себя по-разному при выщелачивании. Наиболее легко растворяется гиббсит, чуть хуже бемит, ещё труднее диаспор и очень плохо корунд (ГБДК).

Процесс растворения зависит также и от структуры боксита. Плотные бокситы растворяются медленнее, чем пористые. Чем мельче кристаллы минералов, тем больше их поверхность контакта и тем больше скорость протекания выщелачивания.

Форма минералов в боксите может быть жильной, игольчатой, пластинчатой. Пластинчатые легче всего растворяются в растворе, другие требуют более мелкого помола.

2). Соединения железа в боксите присутствуют в виде гематита и магнетита . Со щёлочью они не реагируют, но реагируют с водой, образуя гидратированную форму железа , что приводит к набуханию красного шлама и затруднению его отстаивания и отмывки от щёлочи.

3). Кремний в боксите присутствует в виде кристаллического и аморфного опала (кремнезем), а так же в виде камленита и при легко растворяется с образованием силиката натрия .

Силикат натрия в растворе вступает в реакцию с алюминатом натрия с образованием плохо растворимого гидроалюмосиликата натрия (ГАСН):

.

ГАСН выпадает в осадок, таким образом, раствор очищается от кремнезёма как от вредной примеси, но как видно из формулы теряется глинозём и щёлочь. Эти потери тем выше, чем выше содержание кремнезёма в боксите, по этому способом Байера целесообразно перерабатывать только низкокремнистые бокситы.

4). Соединения титана присутствуют в виде двуокиси титана .

метатитанат натрия – это плотный осадок, препятствующий растворению алюминиевых минералов, поэтому добавляют известь, которая образует титанат кальция – это рыхлый, пористый осадок который легко разрушается в процессе перемешивания.

5). Сера в бокситах присутствует в виде пирита . При выщелачивании сера накапливается в оборотном растворе, переходя из цикла в цикл в виде различных соединений . Соединения серы ухудшают размол боксита, затрудняют отстаивание красного шлама. Сульфид-ионы разрушают стальную баковую аппаратуру, особенно декомпозёры. Поэтому для очистки оборотных растворов от серы вводится цинк, который образует с серой выпадающий в осадок.

6). Карбонаты в боксите присутствуют в виде (сидерит), (магнезит), (кальцит). При выщелачивании боксита карбонаты разлагаются щёлочью с образованием соды, которая переходит в раствор (декаустификация) .

Сода затрудняет процесс выпарки и приводит к перерасходу щёлочи. Необходимо каустифицировать соду чтобы превратить её снова в каустическую щёлочь и возвратить в процесс. Карбонаты вредная примесь

7). Органические вещества в боксите присутствуют в виде битумов и гуминов. Битумы в щелочах не растворяются, а гуминовые кислоты реагируют со щёлочью образуя соответствующую соль (оксалат натрия). Из цикла в цикл органические вещества накапливаются, часть их выводится содой из процесса, а часть приводит к интенсивному вспениванию. Поэтому растворы очищают от органики.

8). Фосфор содержится в бокситах в приделах 0.5 – 0.6%. в щёлочах фосфор растворяется, образуя . При снижении температуры оборотные растворы забивают трубки теплообменников и трубопроводов.

9). Галлий . Соединения галлия в боксите составляют от 0.05 до 0.2 килограмм на одну тонну глинозёма. Галлий по свойствам очень близок к алюминию, поэтому легко переходит в алюминатный раствор в виде галата натрия . Алюминатные растворы глинозёмного производства являются основными источниками получения галлия.

10). Ванадий находится в боксите в виде оксида и составляет 0.1%. примеси ванадия снижают электропроводность алюминия, поэтому загрязнение им не допустимо. При охлаждении из раствора выпадает ванадиевый шлам, который является источником получения ванадия.

11). Фтор содержится в небольших количествах. При выщелачивании фтор переходит в раствор в виде фтористого натрия. Отрицательного влияния на процесс не оказывает.

12). Хром содержится в небольших количествах от 0.02 до 0.04 в виде . Хромиты могут накапливаться в алюминатных растворах, окрашивая их в зеленоватый цвет.

Тема 5. 4. 2. Влияние различных факторов на выщелачивание бокситов.

1. Крупность помола боксита определяется размером минеральных зёрен, его рыхлостью. Чем плотнее боксит, тем мельче помол. Скорость выщелачивания с течением времени не равномерная. За 3 часа выход глинозёма в раствор достигает 90% из них 60% переходит в течении первого часа, 25% в течении второго, 5% в течении третьего часа.

Не равномерность во времени перехода глинозёма в раствор объясняется тем, что в начале процесса в боксите присутствует максимальное количество глинозёма, а в оборотном растворе максимальное количество свободной щёлочи. Трёхводная модификация (гиббсит, гидраргилит) легко растворяется при температуре , а моноводные (диаспор, бемит) требуют более высокой температуры .

2. Концентрация щёлочи. Чем выше концентрация щёлочи в оборотном растворе, тем быстрее идёт процесс выщелачивания . При превышении концентрации до щёлочи приводит к увеличению вязкости раствора, что затруднит процесс выпарки.

3. Каустический модуль . Чем меньше каустический модуль, тем он более насыщен по глинозёму. Однако малый не желателен, так как он становится не стойким и может разлагаться при сгущении красных шламов.

4. Добавка извести на выщелачивание способствует более интенсивному процессу так как связывает титан в титанат кальция. Однако передозировка извести может привести к образованию гидроалюмината трёхкальциевого труднорастворимого соединения, что приводит к потерям глинозёма. Поэтому известь вводят в количестве 3-5% от массы бокситов.

Тема 5. 4. 3. Расчётные формулы выщелачивания боксита.

Отношение количества глинозёма, перешедшего за определённый промежуток времени в раствор, к его количеству в исходном боксите, называется степенью извлечения или химическим выходом глинозёма при выщелачивании. Прирост же извлечения глинозёма за единицу времени характеризует скорость выщелачивания.

Различают теоретически и практически достижимый выход глинозёма при выщелачивании. Теоретически можно из боксита перевести в раствор весь глинозём за вычетом неизбежных химических потерь, происходящих в результате перехода части глинозёма в нерастворимый гидроалюмосиликат натрия.

Теоретический выход оксида алюминия при выщелачивании можно рассчитать следующим образом. В гидроалюмосиликат натрия указанного состава отношение глинозёма к кремнезёму (по массе) составляет , то есть на каждый процент кремнезёма в боксите теряется процент глинозёма. Следовательно, теоретический выход глинозёма составляет, %:

.

Понятие “теоретический выход” используют при оценке новых видов боксита, а так же для сравнения фактически достигнутых показателей с теоретически возможными.

На каждые 100 килограмм сухого боксита при выщелачивании со шламом теряется , кг:

Следовательно, химический выход , %

где и - содержание в боксите и в шламе, %.

Тема 5. 4. 4. Аппаратурно-технологическая схема выщелачивания.

Пульпа с передела размола поступает в приёмную мешалку 1 отделения выщелачивания, где перемешивается в течении 6-8 часов с целью обезкремнивания пульпы. Далее поршневым насосом высокого давления 2 пульпа подаётся в трубчатые подогреватели 3,4 обогреватели подогреваются сепараторным паром первой ступени до нагрев до более высоких температур не допускается, так как при и выше образуется ГАСН, который приводит к зарастанию трубок подогревателей и к нарушению теплообмена. Подогретая пульпа подаётся в греющие автоклавы 5, нагревание пульпы в автоклавах происходит острым паром высокого давления, который получают с ТЭЦ. Пульпа подогревается до рабочей температуры , давление 27-37 атмосфер, и поступает в реакционные автоклавы 5'. Всего в батарее 10-12 штук автоклавов, они соединены последовательно и процесс выщелачивания в них идёт не прерывно.

Для того чтобы пульпа самотёком поступала из аппарата в аппарат создаётся перепад давления по батареям 1.5-2 атмосферы. Обогрев осуществляется резким паром, то есть пульпа нагревается прямым открытым контактом, в процессе нагревания пар конденсируется в пульпе. В реакционных автоклавах 5' протекают все необходимые химические реакции, продолжительность выщелачивания два часа.

После пульпа поступает в сепаратор первой ступени 6. Давление в сепараторах 6-7 атмосфер, за счёт резкого перепада давления происходит самовскипание пульпы. При этом образуется сепараторный пар и используется на нагревание пульпы в подогревателях. Пульпа с сепаратора первой ступени поступает в сепаратор второй ступени 7, где давление снижается до 0.7-0.8 атмосфер и снова происходит вскипание пульпы.

Пар второй стадии сепарации идёт на подогревание воды в подогреватель 8, а варёная пульпа поступает в репульпатор 10, откуда берётся на разбавление и промывку шлама.

Тема 5. 4. 5. Оборудование для выщелачивания боксита.

1. Подогреватель.

Для подогрева бокситовой шихты применяются трубчатые подогреватели с плавающей головкой. Стальной корпус 1, закрыт сверху и снизу крышками 2. Внутри кожуха в трубных решётках закреплены трубы. Одна из решёток жёстко соединена с кожухом, другая может перемещаться в вертикальной плоскости “плавать” так как при высокой температуре происходит удлинение труб, поэтому это предупреждает их деформацию.

Пульпа в подогревателе делает два хода (подогреватель разделён перегородкой 4) – сначала она опускается по трубам, затем поднимается. Греющий (сепараторный пар) подаётся между трубок, где конденсирует при этом выделяется тепло, которое через стенки трубок передаётся пульпе.

2. Автоклавы с обогревом острым и глухим паром.

Обогрев острым паром.

Он представляет собой вертикальный цельносварной сосуд со сферическими днищами, к корпусу автоклава приварены лапы, которыми он опирается на поддерживающую конструкцию. Поверхность автоклава покрыта теплоизоляцией. В верху имеются отверстия (бобышки) для:

− ввода и вывода пульпы;

− для отводов газов;

− для подключения манометра и термометра.

У греющих автоклавов в днище вмонтированы сопла для подачи греющего пара. Для выгрузки пульпы служит разгрузочная труба 4. В верхней и нижней части автоклава предусмотрены люки для проведения ремонтных работ и чистки автоклава. В батарее от 6 до 12 автоклавов. Эти автоклавы просты в обслуживании и по конструкции.

Недостаток: разбавление пульпы конденсатом греющего пара, в результате чего снижается концентрация щёлочи в растворе (линия БВ).

Автоклавы с нагревом пульпы глухим паром.

В нутрии установлены греющие трубки 1, в которые подаётся пар. При конденсации пара выделяется тепло, которое через стенки трубок передаётся пульпе. Для перемешивания пульпы установлена механическая мешалка 2.

Преимущество перед обогревом с острым паром. Не происходит разбавление пульпы конденсатом греющего пара.

Недостаток: более сложная конструкция, так как приходится устанавливать механическую мешалку.

3. Сепаратор.

Сепаратор второй ступени представляет собой цилиндрический сосуд. Пульпа поступает по загрузочной трубе 1. Для защиты днища от действия струи пульпы поступающей с меньшей скоростью имеется отбойное броневое устройство 2. Охлаждённая пульпа выпускается через патрубок 3. Пар самоиспарения проходит через металлическую сетку 4 и выводится через верхнее днище. Для улавливания капель пульпы увлечённых паром служит ловушка 5 (каплеотделитель). Сепаратор первой ступени имеет размер и форму автоклава. Ловушка для улавливания капель пульпы установлена внутри сепаратора в остальном соответствует сепаратору второй ступени.

4. Насосы.

Насос высокого давления.

Насосы высокого давления служат для подачи сырой пульпы в автоклавные батареи. Производительность при давлении . Поршень 1 с помощью кривошипно-шатунного механизма 2 непрерывно совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре 3. При движении поршня вправо в левой части рабочей камеры насоса создаётся разряжение, а в правой давление. Нагнетательный клапан 4 при этом закрыт, всасывающий клапан 5 открыт, и пульпа через всасывающий трубопровод 6 поступает в левую часть рабочей камеры. Одновременно из правой части камеры, где клапан 7 закрыт, а клапан 8 открыт, пульпа под действием создаваемого поршнем давления через нагнетательный штуцер 9 поступает в воздушный компенсатор.

Основной недостаток поршневых насосов – быстрый износ деталей (поршней, штоков, клапанов), находящихся в непосредственном соприкосновении с абразивной и щёлочной пульпой.

Этот недостаток устранён в мембранных насосах.

Мембранный насос.

Состоит из двух цилиндров и четырёх корпусов (по два на каждый цилиндр). Каждый корпус 2 цилиндра мембранной 3 разделён на две камеры, одна из которой заполнена водой и сообщается с цилиндром, а другая заполнена пульпой и сообщается со всасывающими и нагнетательным трубопроводами. Производительность .

Мембраной служат автомобильные покрышки. Возвратно-поступательные движения создаваемые в цилиндре вызывают попеременное изменение давления на мембрану и её колебания. Пульпа при этом также попеременно засасывается в камеру и выталкивается из неё.

Тема 5. 4. 6. Разбавление автоклавной пульпы.

Кроме двухстадийной сепарации паром можно использовать и многостадийную сепарацию, то есть пульпа с автоклава проходит 4-5 сепараторов, в которых давление снижается постепенно по 1.5-2 атмосферы.

На каждой стадии сепарации образуется пар, который постепенно нагревает сырую пульпу. Чем больше стадий сепарации, тем эффективнее используется вторичный пар.

В этом случае нагрев пульпы происходит от высокотемпературного теплоносителя (). Все автоклавные батареи работают непрерывно. Передача пульпы и её уровень регулируется игольчатым регулятором, который включается по импульсу от манометра.

Варёная пульпа представляет собой алюминатный раствор концентрацией и красный шлам. Эту пульпу после выщелачивания разбавляют промывными водами. При разбавлении концентрация раствора снижается до , состав его по линии модуля (см. схему) перемещается к началу координат, то есть становится пересыщенным по и готовым к разложению.

Вязкость раствора уменьшается и в нём легче осаждается чистый красный шлам. Снижение концентрации раствора приводит к ограничению растворимости гидроалюмосиликата натрия (ГАСН) в нём и он выпадает в осадок обезкремнивая раствор. Температура процесса разбавления .

Раздел № 6. Сгущение и промывка шлама.

Тема 6. 1. Аппаратурно-технологическая схема сгущения.

Разбавленная пульпа поступает в распределительную коробку 1 сгустителя 4, где разделяется на алюминатный раствор и красный шлам в сгустителе.

Алюминатный раствор содержит до 0.1 г/л твёрдого шлама, поэтому собираются в мешалке 2, откуда насосами подаётся на контрольную фильтрацию.

Сгущённый шлам в репульпаторе 6 смешивается с промводой второй стадии промывки. Полученная пульпа качается в первый промыватель 5 (Гидросмеситель) в котором она разделяется на крепкую промводу и шлам. Эта крепкая Промвода собирается в сборнике 3 и идёт на разбавление автоклавной пульпы, а шлам с первого промывателя собирается на первой стадии репульпации, где смешивается с промводой от третей стадии промывки. Полученная пульпа качается во второй промыватель и так далее.

В 4 репульпатор подаётся горячая свежая вода, которая перемешивается с почти промытым шламом. Пульпа на 5-й стадии промывки разделяется и шлам через мешалку 2 удаляется на шламовое поле, а осветлённый раствор качается в репульпатор 3-й стадии промывки.

Схема работает по принципу противотока: вода движется от последнего промывателя к первому, а шлам от первого к последнему.

Тема 6. 2. Теоретические основы сгущения.

Процесс сгущения основан на естественном осаждении частиц красного шлама в алюминатном растворе. Этот процесс идёт в сгустителях по высоте сгустителя можно различить четыре зоны: самая верхняя (1) зона осветленного раствора, из неё непрерывно раствор выводится с процесса. Вторая зона – зона сгущения, сюда подаётся пульпа. Третья зона – зона уплотнения, здесь из осевшего слоя шлама выдавливается раствор под весом вышележащих слоёв. Четвёртая зона – зона уплотнённого осадка, из которого непрерывно выводится сгущённый шлам. На процесс сгущения влияет ряд факторов:

− температура пульпы;

− концентрация;

− размер твёрдых частиц;

− вязкость раствора;

− наличие коагулянтов.

Процесс сгущения протекает при , то есть чем выше температура пульпы, тем меньше вязкость раствора и тем легче оседают частицы шлама.

В зависимости от минералогического состава шлама скорость сгущения разная: гидрофильные минералы (способные смачиваться водой), такие как соединения железа, приводят к набуханию красного шлама, что затрудняет процесс сгущения и уплотнения шлама. В пульпу при сгущении подаются коагулянты – вещества способствующие укрупнению частиц.

В качестве коагулянтов используются высокомолекулярные синтетические смолы типа полиакриламида, также широко используют ржаную муку, но так как это продукт питания, то ведут исследования по замене её синтетическими флокулянтами.

Тема 6. 3. Оборудование для сгущения и промывки шлама.

Сгуститель представляет собой металлический цилиндрический чан с коническим или плоским дном. В центре механический гребковый механизм 2, с помощью которого осевший шлам перемещается к разгрузочному отверстию. Гребковый механизм состоит из вертикального вала подвешенного на ферме или опирающегося на центральную колонну. Вал приводится во вращение приводом (двигатель с редуктором). Собственно гребковое устройство состоит из граблин с гребками; граблины крепятся к валу жестко или на шарнирах. Успешно применяется гребковая система, состоящая из волокуш, которые изготовлены из рельсов и подвешены с помощью тросов на граблинах. Граблины вынесены из зоны уплотнения шлама и жестко прикреплены к вертикальному валу. Это позволяет значительно уменьшить обрастание граблин шламом.

Сверху сгуститель закрыт металлической крышкой, снаружи для уменьшения потерь тепла в окружающую среду имеет тепловую изоляцию. Пульпа поступает в центр сгустителя через питающую воронку, которая неподвижно прикреплена к крышке сгустителя или вращается вместе с валом. В сгустителе скорость движения пульпы резко падает, и твёрдые частицы оседают на дно, где гребковым устройством перемещаются к разгрузочному отверстию. Крупные хлопья шлама, удерживающие много раствора, при этом разрушаются, что способствует отделению раствора и уплотнению шлама. Осветленный раствор непрерывно переливается в жёлоб или в воронки, расположенные по окружности в верхней части сгустителя.

Наряду с однокамерными применяются многокамерные сгустители, состоящие из двух, трёх или пяти отстойных камер, расположенных одна над другой.

Основными преимуществами многокамерных сгустителей перед однокамерными являются сокращение производственных площадей в цехе на установку сгустителей и экономия материалов на их сооружение, от чего уменьшается время пребывания шлама в зоне уплотнения и следовательно снижается степень его уплотнения.

Гидросмеситель (репульпатор) служит для смешения шлама с промводой. Одна из конструкций гидросмесителя представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 2-3 метра с коническим днищем. Промвода поступает в Гидросмеситель через сопло, которое тангенциально врезано в его корпус. Шлам вводится в Гидросмеситель сверху, полученная пульпа откачивается снизу.

Тема 6. 4. Контрольная фильтрация.

Твёрдые частицы красного шлама, увлечённые сливом сгустителей отделяют от алюминатного раствора фильтрацией на непрерывно действующих фильтрах. Для контрольной фильтрации широко применяются листовые вертикальные фильтры типа ЛВАЖ.

Цилиндрический корпус фильтра 1 имеет коническое днище и откидную крышку 3. Необходимая герметичность между корпусом и крышкой достигается байонетным кольцом 4 с уплотнительным шлангом. Открывается крышка при помощи пневмоцилиндра 2. в корпусе фильтра установлены фильтровальные плиты 5, каждая из которых представляет собой металлическую рамку с натянутой дренажной сеткой. По обе стороны дренажной сетки крепится фильтровальная ткань или сетка.

В качестве фильтрующего слоя используется так же слой целлюлозно-бумажной массы, которая наносится на металлическую сетку. Раствор проходит через фильтровальную ткань и очищается. Осевший на плитах шлам промывается водой. После окончания промывки шлам смывают с помощью механизма гидросмыва 6. Смытый осадок выгружается из фильтра через патрубок 10. Диаметр 3.2 метра, высота 5.4 метра, 32 фильтровальные плиты. Так же бывают и песочные фильтры.

Тема 6. 5. Шламовое хозяйство.

Промытый красный шлам поступает в мешалки шламоудаления, из которых после дополнительного разбавления водой перекачивается на шламовое поле, которое состоит из нескольких отстойных прудов.

На шламовом поле шлам осаждается и постепенно уплотняется. Отстоявшаяся жидкая часть называется подшламовой водой, которая содержит (3-5%) раствора и возвращается в цикл глинозёмного производства. Часть этой воды используется для гидротранспорта, то есть она является оборотной.

Кроме прудов-отстойников для шлама шламовое хозяйство включает в себя:

− шламонасосные станции;

− шламопроводы;

− пруд вторичного отстоя подшламовой воды;

− насосную станцию и так далее.

С отвальным шламом теряется значительное количество глинозёма и щёлочи, большая часть которых находится в нерастворимой форме (ГАСН), меньшая часть теряется с жидкой частью отвального шлама. Отвальные шламы могут использоваться другими отраслями народного хозяйства (шифер).

Раздел № 7. Декомпозиция алюминатных растворов.

Тема 7. 1. Теоретические основы процесса.

Декомпозиция заключается в их самопроизвольных разложениях при постоянном перемешивании и постоянном понижении температуры раствора с выделением в осадок гидроксида алюминия при этом идёт реакция гидролиза алюмината натрия: .

Для того чтобы процесс протекал быстро и выпадающий в осадок гидроксид алюминия был более равномерным по крупности, в раствор вводят затравку, полученную на предыдущей стадии. Количество затравки вводимой в процесс характеризуется затравочным отношением:

.

Выход глинозёма при декомпозиции (степень разложения раствора) определяется по формуле:

.

Выход продукционного гидроксида составляет 40-60%, а остальной глинозём остаётся в маточном растворе и является оборотным.

Каустический модуль конечного раствора составляет .

На процесс декомпозиции оказывает влияние целый ряд факторов: температура, концентрация раствора, количество и качество затравки, каустический модуль, наличие примесей и другие.

1. Температура. С понижением температуры с 55-65 до 43-50 раствор всё более пересыщенным и выход глинозёма увеличивается. На практике разложение ведут при постепенно понижающейся температуре, что даёт возможность получить осадок необходимой крупности. При быстром снижении температуры происходит образование мелкокристаллического осадка, который пылит при кальцинации.

2. Каустический модуль . Чем меньше каустический модуль , тем больше алюминатный раствор насыщен глинозёмом.

3. С понижением концентрации алюминатный раствор переходит в область более насыщенных глинозёмом растворов и стойкость понижается.

4. Количество и качество затравки оказывает большое влияние декомпозиции и крупности получаемого глинозёма. Количество затравки характеризуется затравочным отношением. Качество затравки характеризуется крупностью и формой частиц с ростом затравочного отношения возрастает нагрузка на оборудование.

5. Примеси: кремнезем - загрязняет гидроксид, то есть снижает скорость его разложения, органические вещества в растворе не желательны, так как они снижают скорость разложения и замедляют скорость роста кристаллов гидроксида.

Сода при содержании в растворе до 30 граммов на литр практически не оказывает влияния на скорость и степень разложения.

6. Интенсивность перемешивания при декомпозиции мало влияет на разложение раствора, оно необходимо в основном для предупреждения осаждения гидроксида и поддержания его во взвешенном состоянии.

Тема 7. 2. Аппаратурно-технологическая схема декомпозиции.

Алюминатный раствор охлаждается в пластинчатом теплообменнике до температуры начала декомпозиции и поступает в головной аппарат батареи, непрерывно работающий в декомпозёрах, сюда же подаётся затравочный гидроксид. По мере движения к последнему алюминатный раствор разлагается и охлаждается. Охлаждение достигается с помощью водяных теплообменников и вытяжных труб, а так же за счёт потерь тепла через стенки декомпозёров. Эта схема называется непрерывной.

Преимущества: высокая производительность, лёгкая автоматизация, лёгкость в обслуживании.

Недостатки: исходный алюминатный раствор смешивается в главном декомпозёре с раствором, который частично разложился и имеет большой каустический модуль, что снижает скорость разложения.

Тема 7. 3. Устройство декомпозёров.

1. Декомпозёр с механическим перемешиванием.

Представляет собой стальной бак высотой и диаметром 8 метров, в нутрии которого вращается цепная мешалка со скоростью 8-10 оборотов в минуту. Эта мешалка состоит из вертикального вала с лопастями, на которых свободно подвешены цепи с волокушами. Волокуши взмучивают осаждающуюся гидроокись алюминия.

Чтобы при остановке мешалки волокуши не завязли в уплотнённой гидроокиси предусмотрены тяги, которыми волокуши поднимаются к поперечине перед остановкой вала и медленно опускаются, когда вал начинает вращаться, постепенно взмучивая осевшую гидроокись.

Недостатки: эта мешалка громоздка, маленький КПД, механизм привода сложен, дорог и быстро изнашивается. Декомпозёры соединены между собой сифонами. Декомпозёры расположены каскадно.

2. Декомпозёры с воздушным перемешиванием.

Представляют собой стальной бак с коническим дном. Объём до . Для перемешивания пульпы обеспечивающей хорошую циркуляцию затравки, служит циркуляционный аэролифт.

Он состоит из двух концентрически установленных (друг в друга) труб по внутренней трубе с верху. Также в декомпозёре имеется транспортный лифт с помощью которого осуществляется перетек пульпы из одного декомпозёра в другой. Аэролифты имеют водяную рубашку в виде трубки надетой на трубу аэролифта. В кольцевом пространстве между трубками циркулирует охлаждающая вода.

Тема 7. 3. 1. Объём алюминатного и маточного растворов.

Необходимый объём алюминатного раствора при декомпозиции на получение 1 тонны глинозёма можно определить, зная концентрацию исходного раствора и выход глинозёма (степень разложения):

.

Объём маточного раствора можно определить, если допустить что оксид натрия полностью перейдёт в маточный раствор:

.

Тема 7. 4. Охлаждение пульпы.

После контрольной фильтрации алюминатный раствор имеет температуру до . Для охлаждения его до температуры начала декомпозиции применяются пластинчатые теплообменники, вакуум-охладительные установки и скруббер-охладители.

Скруббер-охладитель представляет собой бак высотой примерно 30 метров и диаметром 7 метров. Алюминатный раствор вводится в верхнюю часть аппарата с помощью брызгал равномерно распределяется по всему сечению. Охлаждается раствор воздухом, который подаётся вентилятором.

Пластинчатый теплообменник.

Охлаждение в вакуум-охладительной установке основано на понижении температуры кипения раствора с понижением давления. В вакуум-охладительном аппарате (самоиспарителе) поддерживается давление значительно ниже атмосферного, поэтому раствор, поступающий в него, вскипает. Образующийся при самоиспарении пар используется для нагрева маточного раствора.

Раздел № 8. Отделение гидроксида алюминия от маточного раствора.

Тема 8. 1. Аппаратурно-технологическая схема.

Пульпа после декомпозиции состоит из щелочного маточного раствора и кристаллов гидроксидов. В производстве эту пульпу называют гидратной. Размер кристаллов гидроксида различный, поэтому перед сгущением проводят классификацию.

Гидратная пульпа поступает в гидросепаратор, где разделяется на более крупные и мелкие частицы, а слив направляется в сгуститель 2, где смешивается с фильтратом мешалки 4^′. Нижний продукт гидросепаратора подаётся на фильтрацию через мешалку 4 в барабанные вакуум-фильтры 3.

Часть гидрата после фильтрации смешивается с алюминатным раствором и качается на декомпозицию, а фильтрат собирается в мешалке 4^′. Остальная часть пульпы фильтруется промывкой и затем отправляется в сгуститель для дополнительного осветления. Промывку осуществляют на трёх барабанных вакуум-фильтрах горячей водой. Промвода от промывки гидроксида качается на выпарку, так как содержит отмываемую щёлочь. Чистый промытый гидроксид отправляется на кальцинацию.

Тема 8. 2. Оборудование для отделения гидроксида от маточного раствора.

1. Сгустители. Для сгущения гидроксида применяются одно-, двух- и трёхкамерные сгустители. В отличие от сгустителей красного шлама они характеризуются большим углом наклона днища (20°), а так же большой скоростью вращения гребкового вала.

2. Гидросепаратор представляет собой бак с коническим дном (уклон 70°), высотой 10-20 метров и диаметром 6-10 метров. В отличие от сгустителя здесь нет перегребающего устройства, а оседающий гидроксид перемещается в нижнюю часть под действием собственного веса. Скорость подачи пульпы регулируется таким образом, что успевают оседать только крупные частицы, а более мелкие уходят в слив.

3. Барабанный вакуум-фильтр представляет собой горизонтальный барабан, нижняя часть которого погружена в корыто, куда поступает фильтруемая пульпа. Под влиянием вакуума в нутрии барабана жидкая фаза пульпы (фильтрат) проходит через фильтровальную ткань, а гидроксид алюминия задерживается не её поверхности. Далее осадок гидроксида просушивается воздухом, который через него просасывается, затем сжатым воздухом осадок отдувается и прочищает поры ткани. Размер: диаметр 3 метра, длина 4.4 метра.

Тема 8. 3. Качество гидроксида.

Качество гидроксида алюминия определяется содержанием в нём примесей: кремнезем , , и зависит от степени чистоты алюминатного раствора поступающего на декомпозицию.

Кремнезём попадает в гидроксид с кристаллами гидроалюмосиликата натрия, который может образовываться при декомпозиции, особенно в конце процесса.

попадает из алюминатного раствора, где содержится в количестве 0.01-0.05%. при декомпозиции практически весь переходит в гидроксид.

Щёлочь (). Различают растворимую и не растворимую, а растворимая бывает отмываемая и не отмываемая.

Отмываемая щёлочь это часть маточного раствора, попадающая с гидроксидом. При фильтрации в процессе промывки она отмывается (удаляется).

Не отмываемая щёлочь содержится в виде кристаллов гидроалюмосиликата натрия и части маточного раствора находящегося в межкристаллическом пространстве. Этот раствор, как правило, удаляется при кальцинации.

Крупность гидроксида: содержание фракции от 0 до 10 мкм – 2-6%, а крупность до 50 мкм – 50-60%. Кроме перечисленных примесей в гидроксид попадает галлий, фосфор, медь, барий и другие. Содержание всех примесей регламентируется ГОСТом.

Раздел № 9. Выпарка маточных растворов.

Тема 9. 1. Сущность процесса.

Концентрация получаемого после декомпозиции маточного раствора значительно ниже необходимой концентрации для выщелачивания свежей порции боксита. Для удаления избыточной воды и повышения концентрации маточного раствора их выпаривают.

Вода вводится на промывку красного шлама и гидроксида, так же поступает в виде влаги боксита и конденсата пара (в автоклавах при нагреве пульпы). Выводится вода с красным шламом идущем в отвал при кальцинации гидроксида, с паром самоиспарения автоклавной пульпы.

Однако приток воды больше её расхода, поэтому избыток воды выпаривают. Одновременно с выпариванием избыточной влаги из раствора выводится сода и органические вещества, попадающие из боксита.

При упаривании раствор становится пересыщенным, и сода выпадает в осадок, а вместе с содой выводятся органические вещества.

Тема 9. 1. 1. Основы процесса выпаривания.

Для выпаривания могут быть применены аппараты, соединённые в батареи.

Каждый аппарат называется корпусом. Расход пара с учётом всех потерь при однократном выпаривании и при атмосферном давлении составляет 1.1 кг на 1 кг выпаренной воды. Использование многокорпусных установок позволяет значительно снизить расход пара.

Однако чем больше корпусов батареи, тем меньше эффективность, так как для нагревания следующего корпуса используется пар с предыдущего. Для того чтобы этот пар имел температуру выше температуры кипения раствора во втором корпусе должно быть ниже давление, таким образом, по всей батареи от корпуса к корпусу уменьшается давление.

Для нагревания раствора в первом корпусе давление составляет 5-6 атмосфер, что соответствует температуре корпуса равной 150°C. В последнем аппарате разряжение составляет 0.5-0.6 атмосфер (60°C). Общий перепад температур по батареям составляет 90°C.

Температура, поступающая в корпус раствора должна быть равной или выше температуры его кипения в этом корпусе. Если же она, то выпарной аппарат работает не только как испаритель, но и как подогреватель. Для нагрева устанавливается подогреватель.

Тема 9. 2. Аппаратурно-технологическая схема выпарки.

В зависимости от направления движения пара и раствора различают выпарные установки: прямоточного, противоточного, смешанного типа.

В прямоточной схеме греющий пар и раствор подаётся в первый аппарат батарей, для перехода раствора из корпуса в корпус создаётся разность давлений.

В противоточной схеме исходный раствор подаётся в последний корпус батарей, а пар в первый корпус. Для подачи раствора с корпуса с меньшим давлением в корпус с большим давлением используются насосы. Такую схему применяют для выпарки вязких растворов.

Преимущества. Повышение температуры затрудняет осаждение ГАСНа.

Недостатки. Необходимость применения насоса и быстрое разрушение греющих трубок в первом корпусе (высокая температура и концентрация раствора).