Получение аллюминия

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ

1. ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ГЛИНОЗЕМА
2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ГЛИНОЗЕМА
3. ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА СПОСОБОМ БАЙЕРА
4. ОТХОДЫ ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА
1. Красные шламы

4.2 Пылевые выбросы

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Глиноземом называется кристаллическая  окись алюминия. Она является основным сырьем для получения алюминия путем электролиза. Глинозем используется также и в других отраслях промышленности (например, для отбеливания бумаги, производства специальных сортов цемента, цеолитов – веществ, поглощающих определенный сорт молекул в присутствии других молекул и пр.). Кроме того, иногда бывает рентабельно в состав производства глинозема включать производство редких металлов, сопутствующих алюминию в руде (таких, как галлий, ванадий и пр.).

Глинозем получают в основном из бокситов. Они имеют сложный химико-минералогический состав. Основной и полезной их частью являются различные модификации гидрата окиси алюминия (Аl(ОН)₃, AlOОН). В состав бокситов обычно входят окислы железа, кремния, в малом количестве - серы, титана, галлия, хрома, ванадия и пр., а также карбонатные соли кальция, магния, железа, органические вещества (остатки древних растений и животных). 

Алюминиевая промышленность во всём мире с каждым годом ощущает  всё большую потребность в  высококачественном бокситовом сырье, запасы которого ограничены. Поэтому вместе с бокситами применяются также менее качественные руды – высококремнистые бокситы, каолиновые глины, лейциты, алуниты, сланцы, нефелины и другие.

В зависимости от применяемых  руд различают различные способы  получения глинозема, отличающиеся сложностью, ресурсоемкостью и эффективностью.

Производство глинозема – экологически вредный процесс, в результате которого образуется большое количество отходов. Их утилизация является актуальной проблемой современной металлургии.

 

 

1. ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ГЛИНОЗЕМА

 

Глинозем является основным исходным материалом в производстве алюминия электролитическим путем. К глинозему в этом случае предъявляется  ряд требований, которые должны учитываться  при разработке технологии методов, применяемых для извлечения его  из тех или иных алюминиевых руд.

Он, прежде всего, должен отличаться высокой степенью чистоты, так как примеси окислов элементов более электроположительных, чем алюминий (Fe₂O₃, SiO₂, TiO₂), будут в первую очередь разлагаться при электролизе, загрязняя получаемый алюминий. Примеси же соединений более электроотрицательных металлов (например, Na₂O и СаО) будут вызывать изменение состава электролита, нарушая процесс электролиза.

Глинозем должен содержать минимальное количество влаги и получаться в такой форме, которая обеспечивала бы его негигроскопичность при длительном хранении. Присутствие значительного количества влаги в глиноземе приводит к разложению расплавленного электролита (криолита), а также вызывает разбрызгивание последнего при его соприкосновении с влажным глиноземом.

  Глинозем должен получаться в кристаллах такой крупности, которые обеспечивали бы достаточно быстрое растворение его в электролите и малое распыливание при загрузке в ванну. Крупнокристаллический глинозем медленно растворяется в электролите, образуя осадки на поде ванны; очень мелкий — сильно распыливается, что является причиной его механических потерь.

 

 

 

 

 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ГЛИНОЗЕМА

 

К настоящему времени предложено весьма большое число различных  методов для извлечения чистого  глинозема из алюминиевых руд. Однако практическое применение в промышленности получили лишь немногие из них.

Амфотерный характер окиси  алюминия позволяет осуществлять ее извлечение из руд как с помощью  щелочей, так и с помощью кислот. В основном известные в настоящее время методы получения глинозема могут быть разбиты на три группы: методы щелочные, кислотные и электротермические.

В современной алюминиевой промышленности для производства глинозема наиболее широкое применение получили щелочные методы. В этих методах путем обработки руды щелочами (NаОН, Na₂CO₃) глинозем связывается в алюминат натрия, растворимый в воде. Затем он разлагается с выделением в осадок чистой гидроокиси алюминия, которая отфильтровывается, а щелочной раствор возвращается обратно в процесс. Гидроокись алюминия подвергается прокалке при высокой температуре (кальцинации) с целью полного удаления из него воды и превращении в сухую чистую и негигроскопическую окись алюминия (α-Al₂O₃); годную к использованию для получения металлического алюминия.

В кислотных методах руда обрабатывается раствором минеральных  кислот (H₂SO₄, HCl, HNO₃, и т.д.), в результате чего содержащийся в ней глинозем превращается в соответствующую алюминиевую соль (Al₂(SO₄)₃, AlCl₃ и т. д.) разложением которой выделяется гидрат окиси алюминия; прокаливанием последнего получается безводный глинозем.

В электротермических методах глинозем получается плавкой руды с углем в электропечах с целью восстановления примесей и получения плавленого глинозема (способы Холла и Хаглунда).

Большое число методов, предложенных для получения чистого глинозема, и их разнообразие вызваны, во-первых, наличием различных видов руд (бокситы, нефелины, алуниты, каолины) и, во-вторых, большим или меньшим содержанием  тех или иных примесей в этих рудах.

Так, например, в глиноземе как исходном материале при электролитическом получении алюминия наиболее вредны примеси соединений элементов более электроположительных, чем алюминий; такими примесями являются кремнезем, а также окислы железа и титана. В щелочных методах очистка глинозема от примесей железа и титана достаточно проста, так как их окислы практически нерастворимы в щелочных растворах и легко удаляются с твердым остатком. Поэтому окислы железа и титана в глиноземе являются преимущественно механическими загрязнениями вследствие неполного удаления красного шлама при фильтрации алюминатных растворов, ржавчины из трубопроводов, баков и пр. Кремнезем, напротив, легко реагирует с щелочами, и значительное содержание его в руде при переработке ее щелочными методами, помимо ухудшения качества алюминия при электролизе, приводит к потерям мак щелочи, так и глинозема в красный шлам. Поэтому для щелочных методов обычно требуется руда с низким содержанием кремнезема, количество же окислов железа и титана в данном  случае не играет существенной роли.  В кислотных методах всегда в большей или меньшей степени имеет место растворение окислов железа и титана, но кремнезем с кислотами почти не реагирует и может быть практически полностью отделен от раствора алюминиевой соли механическим путем. Поведение же солей железа в кислотных растворах чрезвычайно близко к поведению солей алюминия. Полное удаление железа представляет в этом случае весьма трудную операцию, и для кислотных методов, поэтому применимы руды с низким содержанием железа, такие, как каолины, белые бокситы и др. Количество же кремнезема в них несущественно.

Кислотные методы в настоящее  время почти не применяются для  производства глинозема, предпочтение отдается щелочным методам. Этому препятствуют особенности самих кислотных методов, которые делают их более дорогими, нежели щелочные способы:

• кислоты по сравнению со щелочами являются обычно более дорогими продуктами;
• полная очистка глинозема от примеси железа в кислотных методах представляет значительную сложность;
• вся аппаратура должна быть кислотоупорной (свинцовой, керамической), а следовательно, является более дорогой, чем в щелочных методах, при которых аппаратура преимущественно железная;
• регенерация кислот связана со значительными затруднениями и потерями, тогда как щелочи сравнительно легко и с достаточной полнотой могут быть снова возвращены в процесс.

Однако применение кислотных методов более целесообразно, например, при переработке сырья, дающего ряд ценных побочных продуктов. Основное достоинство кислотных методов заключается также в том, что они позволяют перерабатывать на глинозем сырье с высоким содержанием кремнезема. Это относится к каолинам, запасы которых представляют собой неисчерпаемую рудную базу для алюминиевой промышленности.

Что касается электротермических методов, то основным условием для возможности  их промышленного осуществления  является наличие дешёвой электрической  энергии.

 

 

 

 

 

3. ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА СПОСОБОМ БАЙЕРА

 

Способ Байера – производство глинозема из боксита, основан на выщелачивании, цель которого растворить содержащийся в боксите оксид алюминия Al₂О₃, избежав перевода в раствор остальных составляющих боксита (SiO₂, Fe₂O₃ и др.). В основе способа лежит обратимая химическая реакция:

Al₂O₃ • n Н₂O + 2NaOH = Na₂O • Al₂O₃ + (n + l)·H₂O

При протекании реакции вправо глинозем в виде алюмината натрия переходит в раствор, а при  обратном течении реакции образующийся гидратированный Al₂O₃ выпадает в осадок.

Этот процесс включает следующие основные операции (Рисунок 3.1):

1. Подготовка боксита к выщелачиванию. Боксит дробят и размалывают до фракций размером 0,05—0,15 мм в среде добавляемой щелочи и оборотного раствора щелочи NaOH, добавляют также немного извести, активизирующей выщелачивание.

2. Выщелачивание. Полученную при помоле пульпу направляют на выщелачивание. Для полного протекания реакции (образования алюмината натрия) необходимы щелочная среда, высокое давление (~ 3 МПа), нагрев пульпы до 100-240 °С (в зависимости от сорта боксита) и ее длительное (около 2 ч) перемешивание. Такие условия обеспечиваются в автоклавах — сосудах, работающих под давлением. Применяемые автоклавы представляют собой стальной цилиндрический сосуд диаметром 1,6-2,5 и высотой 13,5—17,5 м. Пульпу обычно пропускают через батарею из 6—10 последовательно установленных автоклавов, где в течение ~ 2 ч содержащийся в пульпе в виде Al₂O₃•Н₂O, Al₂O₃•3Н₂O и Al₂O₃ глинозем реагирует со щелочью, переходя в Na₂O•Al₂O₃. В первый автоклав пульпу подают насосом, предварительно подогрев до ~ 150 °С, из последнего автоклава пульпа попадает в два автоклава-испарителя, в которых давление снижается до атмосферного. Продуктом является автоклавная пульпа, состоящая из алюминатного раствора и шлама (осадка, в который выпадают остальные примеси боксита).

 

Рисунок 3.1 – Упрошенная схема производства глинозема по способу Байера.

 

3. Разделение алюминатного раствора и шлама после разбавления пульпы водой производят в сгустителях, на дне которых оседает шлам, а через верх сливается отстоявшийся алюминатный раствор. Его дополнительно пропускают через фильтры и направляют на следующую операцию — декомпозицию. Получаемый красный шлам (окраску ему придают частицы Fe₂O₃) идет в отвал, шлам содержит: Аl₂О₃ 12-18%, SiO₂ 6-11%, Fe₂O₃ 44-50%, CaO 8-13%.

4. Декомпозицию или выкручивание проводят с целью перевести алюминий из раствора в осадок в виде Al₂О₃•3Н₂O. Чтобы указанная реакция шла влево, необходимо понизить давление (до атмосферного), разбавить и охладить раствор, ввести в него затравки (мелкие кристаллы гидрооксида алюминия) и пульпу для получения достаточно крупных кристаллов Al₂О₃•3Н₂O и перемешивать в течение 50—90 ч. Этот процесс осуществляют в серии установленных последовательно и соединенных перепускными сифонами декомпозеров, через которые последовательно проходит пульпа. Они бывают механические, вращение происходит при помощи волокуш, и воздушные – при помощи сжатого воздуха.   

5. После декомпозиции  пульпа поступает в сгустители, где гидрооксид отделяют от раствора. Полученный гидрооксид, разделяют в гидросепараторах на фракцию с размером частиц 40—100 мкм и мелкую фракцию (размером менее 40 мкм), которую используют в качестве затравки при декомпозиции. Крупную фракцию промывают, фильтруют и направляют на кальцинацию.

6. Кальцинацию или обезвоживание  гидрооксида алюминия осуществляют  в футерованных шамотом трубчатых  вращающихся печах, отапливаемых  природным газом или мазутом.  При нагреве гидрооксида идет  реакция: Al₂О₃ • 3Н₂O = Al₂О₃ + 3Н₂O, заканчивающаяся при 900 °С. Продуктом является глинозем Al₂О₃ (порошок белого цвета).

Извлечение глинозема при использовании  описанного способа Байера составляет около 87 %. На производство 1 т глинозема  расходуют 2,0—2,5 т боксита, 70—90 кг NaOH, около 120 кг извести, 7-9 т пара, 160-180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт ч электроэнергии.

 

4. ОТХОДЫ ГЛИНОЗЕМНОГО ПРОИЗВОДСТВА

 

1.  Пылевые выбросы

 

Независимо от вида сырья  в ряде переделов глиноземных заводов выделяются большие объемы сильно запыленных газов, а при переработке алунитов еще и SO₂.