Легкие металлы

Кальцинация. Гидроксид алюминия после обеих ветвей переработки алюминатного раствора подвергают промывке и фильтрации и затем направляют на кальцинацию (обезвоживание), которую проводят так же, как в способе Байера, получая глинозем.

На выщелачивание бокситов (на степень  извлечения глинозема, продолжительность) влияет ряд факторов: тонина помола боксита, температура, концентрация н каустический модуль растворов—оборотного н алюминатного, добавка извести.

Тонина помола боксита. С повышением степени измельчения увеличивается  поверхность соприкосновения частиц боксита со щелочью, что ведет  к увеличению скорости выщелачивания. При недостаточной тонине помола может значительно снизиться  извлечение глинозема при выщелачивании. Переизмельчение боксита также нежелательно как из-за увеличения затрат па его размол, так и из-за ухудшения отстаивания красного шлама при выщелачивапп.

Необходимая тонина помола боксита  при прочих равных условиях зависит  от природы боксита. Для плотных каменистых бокситов требуется более тонкое измельчение, чем для рыхлых и глинистых. Поры и трещины в рыхлых и глинистых бокситах облегчают выщелачивание. Кроме того, эти бокситы в большей степени, чем каменистые, диспергируют (измельчаются) в процессе выщелачивания. Присутствие в боксите не растворимых в щелочи примесей, например органических веществ, покрывающих тонкой пленкой глиноземсодержащие минералы, также требует более тонкого измельчения боксита. В каждом отдельном случае необходимую тонину помола находят опытным путем.

Температура выщелачивания —наиболее важный фактор, влияющий на процесс выщелачивания: с повышением температуры увеличивается скорость химического взаимодействия щелочи с минералами боксита, а также диффузия щелочи и продуктов реакции. Поэтому чем выше температура выщелачивания, тем меньше при прочих равных условиях продолжительность выщелачивания и выше извлечение глинозема из боксита.

Применяемая на практике температура  выщелачивания в основном определяется минералогическим составом боксита. Гиббситовые бокситы могут выщелачиваться при температуре порядка

105°С; для выщелачивания бемитовых бокситов необходима температура не ниже 160—170 °С, а выщелачивание диаспоровых бокситов возможно лишь при температуре выше 200 °С. На практике для повышения скорости процесса применяют более высокие температуры выщелачивания —до 240 °С и даже выше.

Концентрация и каустический модуль оборотного раствора. Согласно изотермам  системы Al2O3—Na2O—H2O, как повышение  концентрации щелочи в оборотном  растворе, так и повышение каустического  модуля делают раствор менее насыщенным глиноземом.

Поэтому чем выше концентрация щелочи в оборотных растворах и выше их каустический модуль, тем быстрее  протекает процесс выщелачивания. Для выщелачивания гиббситовых бокситов применяют оборотные растворы, содержащие Na2Oк 200—240 г/л. Диаспоровые и бемитовые бокситы выщелачивают оборотными растворами, содержащими Na2Oк до 310 г/л. Следует иметь в виду, что увеличение концентраций Na2Oк в оборотном растворе связано с увеличением затрат на переделе выпарки. Кроме того, чем выше эта концентрация, тем интенсивнее идет износ баковой аппаратуры и оборудования при размоле боксита, выщелачивании и выпарке.

 Каустический модуль оборотного  раствора обычно составляет 3,0—3,8.

Каустический модуль алюминатного раствора. При выщелачивании оборотный  раствор в результате насыщения  глиноземом превращается в алюминатный, каустический модуль которого оказывает  большое влияние как на процесс выщелачивания, так и на последующие технологические операции. В соответствии с изотермами системы Al2O3—Na2O—H2O, при снижении каустического модуля раствор становится более насыщенным глиноземом, т. е. приближается к равновесному состоянию. Поэтому чем ниже каустический модуль получаемого алюминатного раствора, тем меньше скорость выщелачивания боксита. С другой стороны, получение алюминатного раствора с низким каустическим модулем очень важно для снижения материального потока растворов во всем цикле Байера. С этой точки зрения желательно получать алюминатные растворы, насыщенные глиноземом, т.е. с низким каустическим модулем.

Холодильник кипящего слоя (рис. 54) состоит  из следующих основных частей, заключенных  в футерованный изнутри огнеупорным  материалом металлический кожух: шамотоотделителя, собственно холодильника и доохладителя.

Шамотоотделитель служит для отделения oт глинозема шамотной крошки и боя, образующихся в результате разрушения футеровки печи. Одновременно шамотоотделитсль является гидравлическим затвором, который препятствует проходу воздуха из холодильника в печь. Поступающий из печи глинозем проходит в шамотоотделителе две классификационные камеры, которые разделены перегородкой, имеющей внизу отверстие для прохода глинозема. В нижней части классификационных камер установлены решетки с отверстиями для прохода воздуха и создания кипящего слоя, а также вертикальные трубы с секторными затворами для выпуска шамотного боя и крошки в приемный бункер. Крупные куски шамота задерживаются в бункере наклонной колосниковой решеткой и выгружаются через люк. Шамотная крошка в смеси с небольшим количеством глинозема выгружается через отверстиев конусном днище бункера.

Через отверстие в верхней части  в горой классификационной камеры глинозем из шамотоотделителя поступает в собственно холодильник, в котором осуществлено направленное движение материала, а также перекрестный ток материала и нагреваемого воздуха. Холодильник представляет собой камеру, которая в горизонтальном направлении разделена на секции вертикальными перегородками, высота которых соответствует высоте кипящегослоя. В перегородках имеются отверстия для перехода глинозема из одной секции в другую. Для создания кипящего слоя в нижней части камеры установлена беспровальная колпачковая воздухораспределительная решетка, выполненная в виде металлической плиты с отверстиями для прохода воздуха, перекрытыми колпачками. В холодильнике глинозем пocтепеннo охлаждается с 1000 °C до 400—350 °С. При этом охлаждающий воздух нагревается до температуры не ниже 500 °С.

Дальнейшее охлаждение глшкиема до 100—80 °С происходит в доохладителе, расположенном в разгрузочном конце холодильника. В доохладтеле глинозем охлаждается водой, циркулирующей в трубчатых теплообменниках, которые погружены в слой кипящего глинозема. Нагретый в холодильнике воздух очищается от пыли в циклонах и поступает в печь для сжигания топлива; пыль из циклонов возвращается в холодильник.

Холодильник кипящего слоя производителыюстыо 40 т/ч глинозема имеет длину 41 м, ширину 4,9 м и высоту 6 м. В воздухораспределительной решетке установлено 5760 колпачков, живое сечение решетки 0,15 %; уровень кипящего слоя 0,7 м.

Кальцинация глинозема в кипящем  слое Кальцинация глинозема в  трубчатых вращающихся печах  нмеег ряд существенных недостатков: а) большой расход топлива на кальцинацию; б) малый удельный съем глинозема (~0,6 т с 1 м3 печи в сутки), обусловленный низким коэффициентом заполнения печи, который составляет 4—5 % от объема печи; в) большой пылеунос и необходимость в громоздких газоочистных устройствах.

Весьма эффективно применение для  кальцинации глинозема стационарных печей кипящего слоя, обеспечивающих снижение

Печь кипящего слоя представляет собой  вертикальную шахту, сообщающуюся как  в верхней, так и в нижней части  с циклоном рециркуляции. В нижней части шахты установлена воздухораспределительная решетка, через которую цостунаег нагретый воздух для создания кипящего слоя и сжигания топлива. Прокаленный

 глинозем выносится топочными  газами в циклон печи, где отделяется  от газов и через гидравлический  затвор в значительной своей  части возвращается в шахту  печи. Топочные газы из циклона  поступают в подогреватель Вентурн. Благодаря большой внутреннeй циркуляции глинозема обеспечивается постоянство температуры в печи.

Кальцинированный глинозем охлаждается  сначала в циклоне холодильника кипящего слоя, затем в самом холодильнике. При выгрузке из печи глинозем подхватывается воздухом, поступающим из холодильника, и но газоходу выносится в циклон. Горячий воздух из циклона подается в печь, где используется для сжигания

 топлива в качестве вторичного, а глинозем разгружается из  циклона в холодильник для  дальнейшего охлаждения. В холодильнике  кипящего слоя часть охлаждающего  воздуха поступает в слон глинозема через воздухораспределительную решетку и также используется для сжигания топлива в печи в качестве вторичного.

 Другая часть охлаждающего  воздуха проходит через погруженные  в слой кипящего глинозема  змеевики. Эта часть нагретого  воздуха используется в печи  для сжигания топлива в качестве  первичного. Окончательное охлаждение  глинозема происходит в последних  камерах холодильника с помощью  водяных теплообменников

Физико-химические процессы, происходящие в печи спекания

Трубчатая вращающаяся печь спекания работает по принципу противотока, т. с. подаваемая в печь шихта движется навстречу горячим топочным газам, испытывая при этом сложные физикохимические изменения. Прежде всего из нее удаляется гигроскопическая и химически связанная вода, а также разлагается известняк. Затем происходят химические взаимодействия между отдельными компонентами шихты. При температуре порядка 700 ºС глинозем и оксид железа шихты начинают взаимодействовать с содой, образуя алюминат и феррит натрия. При пониженных температурах преобладает образование феррита натрия, по с повышением температуры до 900 °С количество образующегося алюмината натрия быстро увеличивается за счет прямого вытеснения оксида железа из феррита оксидом алюминия.

При температуре около 800 °С в результате взаимодействия соды с кремнеземом образуется некоторое количество силиката натрия, который с дальнейшим повышением температуры взаимодействует с алюминатом натрия, образуя натриевый алюмосиликат. В присутствии извести большая часть Na2O.Al2O3.SiO2 разлагается по реакции Na2O.Al2O3.2SiO2+4CaO=Na2О.Al2O3+(CaO. SiO2).

При температурах выше 1100°С идет реакция между оксидом кальция и кремнеземом с образованием двухкальциевого силиката, в который и переходит большая часть кремнезема.

Одновременно в зоне высоких  температур расплавляются легкоплавкие компоненты шихты (в основном эвтектика: двухкальциевый силикат—феррит натрия) и образуется спек.

В зависимости от температуры газового потока и тех физикохимических превращений, которые испытывает шихта при спекании, печь по длине можно разделить на четыре температурные зоны: обезвоживания, кальцинации, спекания и охлаждения.

Технологический режим спекания

Качество спека прежде всего характеризуется относительным количеством глинозема и щелочи, которые при спекании переводятся в растворимые соединения. Чем полнее глинозем и щелочь переводятся в растворимые соединения, тем выше извлечение в раствор этих компонентов при выщелачивании спека. Кроме этого, на извлечение Al2O3 и Na2O при выщелачивании оказывают влияние физические свойства опека: пористость, кристаллическая структура двухкальциевого силиката и др.

Па ход процесса спекания н качество спека влияет тонина номола составляющих шихты: с уменьшением крупности зерен шихты увеличивается суммарная поверхность контакта компонентов шихты между собой, н необходимые химические реакции протекают в более короткий срок. При заданной продолжительности процесса недостаточная тонина помола приводит к тому, что химические реакции не успевают пройти полностью. Это влечет за собой понижение извлечения Al2O3 и Na2O при выщелачивании спека.

На процесс выщелачивания влияет целый ряд факторов: качество спека, степень его дробления, температура и продолжительность процесса, концентрация получаемого алюминатного раствора.

Качество спека характеризуется величиной извлечения полезных компонентов при стандартном выщелачивании и пористостью спека. Стандартным называется лабораторное выщелачивание спека в строго определенных условиях, регламентируемых технологической инструкцией. Величина извлечения при стандартном выщелачивании показывает, насколько полно Al2O3 и Na2O переводятся при спекании в растворимые соединения.

Чем выше пористость спека, тем больше, поверхность контакта между твердой и жидкой фазами при выщелачивании. Поэтому с увеличением пористости спека скорость выщелачивания и извлечение глинозема и щелочи из спека повышаются.

Отрицательно влияет на выщелачивание  присутствующий в спеке сульфат натрия: с ростом содержания Na2SO4 в спеке извлечение Al2O3 и Na2O из него уменьшается.

Целью обескремнивания является очистка алюминатного раствора от содержащегося в нем кремнезема.

Аппаратурно-технологическая схема  обескремнивания. Для первой стадии обескремнивания могут быть применены автоклавы и мешалки, для второй стадии — мешалки.

Автоклавное обескремнивание осуществляют в батарее последовательно соединенных автоклавов с активизирующими добавками или без них. Подлежащий обескремниванию раствор из мешалки I поршневым насосом 2 подается в первый автоклав 3 батареи. Из одного автоклава в другой раствор перетекает по переточным трубам.

Острый пар для нагревания раствора подается в первые два—три греющих  автоклава, остальные автоклавы  являются реакционными. Из последнего автоклава пульпа, состоящая из обескремненного раствора и белого шлама, разгружается в самоиспари-тель. На схеме показано двухстадийное самоиспарение раствора:первая стадия — в циркуляционном гидростатическом самоиспарителе 4, вторая — в буферном баке 8. Пар самоиспарения используется для подогрева раствора перед обескремниванием, воды, а также для других целей. Охлажденная пульпа из буферного бака поступает в сгуститель 7; сгущенный белый шлам фильтруется па барабанном вакуум-фильтре 6, репульпируется оборотным содовым раствором и возвращается на приготовление шихты для спекания. Осветленный алюминатный раствор после контрольной фильтрации на листовых фильтрах 5 поступает на дальнейшую переработку.

Влияние различных факторов на карбонизацию

На чистоту получающегося при  карбонизации гидроксида алюминия, его крупность и па продолжительность самого процесса оказывает влияние целый ряд факторов: температура, концентрация СО2 в газах, интенсивность перемешивания, полнота карбонизации и др. Карбонизацию осуществляют в аппаратах, которые называют карбонизаторами.