Минералы играли огромную роль на протяжении всей истории человеческой деятельности. Каждая ступень цивилизации отвечает определенному уровню развития человеческой деятельности с точки зрения преобразования, обработки и практического использования минеральных ресурсов.
Первоначальные жизненные потребности человека в минеральных ресурсах удовлетворялись применением кремня и обсидиана и таких самородных металлов, как золото и медь. Эти первые шаги в использовании природных богатств исторически привели к одному из крупнейших достижений в области технического прогресса и культуры — к умению извлекать металлы из минеральных залежей. Первым металлом, добытым из руд, была медь. Наряду с дальнейшим совершенствованием технологических методов добычи и обработки минерального сырья неуклонно возрастали потребности в нем. Промышленная революция привела к резкому расширению потребностей в минеральном сырье. Самое интересное, что за последние пол столетия было израсходовано больше сырья, чем за всю предыдущую историю человечества. Развитие горнодобывающей промышленности шло параллельно с фундаментальными изменениями структуры мировой экономики. До промышленной революции разработка недр носила небольшие масштабы. Промышленная революция в европейских странах привела к существенному возрастанию потребностей в широком ассортименте минерального сырья. Спрос не удовлетворялся внутренними и региональными источниками полезных ископаемых.
Развитие горной промышленности во многих странах и увеличение ее объема продукции в международной торговле способствовали двум важным моментам. Крупные страны-импортеры получили необходимое сырье для создания многоотраслевой промышленной базы. Страны-экспортеры помимо дохода приобрели технологию добычи и обработки руды, которые послужили для дальнейшего развития их экономики.
В ближайшем будущем человечеству не угрожает перспектива полного истощения основных запасов минерального сырья. Огромные его потенциальные запасы сосредоточены в доступном для разработки приповерхностном слое земли. По оценкам специалистов, 1 км3 пород среднекорового состава содержит 250 млн. тонн алюминия, свыше 125 млн. тонн железа, 250 тыс. тонн цинка и 150 тыс. тонн меди. Однако в настоящее время, при имеющихся материальных залежах, еще не наступил момент для добычи полезных ископаемых из обычных коровых пород. Степень концентрации полезных компонентов контролируется их относительной распространенностью в земной коре и комплексом действующих физико-химических процессов. Целесообразность промышленной разработки разведанных месторождений определяется такими факторами, как уровень развития экономики и технический прогресс. Новые достижения в области техники открыли возможность извлечения полезных компонентов из истощенных руд. Разработка таких месторождений показывает, что понятие «запасы минерального сырья» не является какой-то застывшей категорией. Технический прогресс, ведущий к снижению затрат на добычу, или экономические факторы, способствующие поднятию цен на определенный вид минерального сырья, позволяют отнести минеральные ресурсы, ранее считавшиеся не промышленными, к категории промышленных.
Нефть. Минерально-сырьевой потенциал и его освоение в Сибири
... крупнейших нефтяных месторождений Западной Сибири, которая в короткий срок превратилась в главный топливно-энергетический центр. Объем добываемой нефти за период с 1960 по 1988 годы возрос со 118 млн. тонн ... развития геолого-разведочных работ и воспроизводству минерально-сырьевой базы. К этому времени было расширено изучение перспективных районов Сибири, Тимано-Печорского района, Дальнего Востока, ...
Под минеральными ресурсами понимают природные скопления минеральных образований, твердых, жидких или газообразных, которые могут служить промышленным источником минерального сырья. При оценке совокупных (валовых) запасов минерального сырья следует разграничивать понятие «общие ресурсы» и «установленные на настоящий момент запасы полезных ископаемых». В минерально-сырьевую базу входит достоверно установленная часть общих минеральных ресурсов, промышленная добыча которых возможна и экономически целесообразна. Увеличение производства алюминия и глинозема в России будет происходить за счет интенсификации действующих технологических процессов, внедрения новых технологий, повышения степени использования оборудования и сырья, а также в результате строительства новых предприятий. Под повышением степени использования сырья подразумевается прежде всего его комплексная переработка. Расширение глиноземного производства в России, необходимое для обеспечения алюминиевых заводов глиноземом, приведет к увеличению расхода используемых, изученных видов сырья и к вовлечению в сферу производства новых руд. Многолетний отечественный опыт переработки диаспор-бемитовых и глинистых гидраргиллитовых бокситов и нефелинов по разработанным в Советском Союзе технологическим схемам показал большую экономическую эффективность производства глинозема на высоком техническом уровне. В настоящее время в сферу производства глинозема все больше вовлекается низкокачественное сырье, содержащее значительное количество примесей. Поэтому повышение экономической эффективности использования такого сырья может быть достигнуто извлечением наряду с глиноземом других основных его составляющих, а также получением новых видов продукции на глиноземных заводах.
Целью курсовой работы является изучение технологического процесса производства глиноземов. Задачей же будет углубленное изучение теоретического материала по выбранной теме — дадим характеристику сырья и готового продукта, подробно разберем технологическую схему производства глинозема по 2 способам: способу Байера и способу спекания, детально рассмотрим все составляющие производственного процесса: технологии всех машин, устройств и аппаратов, которые в нем задействованы. Практическое значение данной работы заключается в том, что эти знания можно использовать в хозяйственной деятельности человека, а также в охране его труда и здоровья.
1. Характеристика сырья и готового продукта
боксит глинозем алюминиевый руда
Важнейшей алюминиевой рудой в глиноземном производстве России и в мировой практике являются бокситы. Бокситы как сырье впервые были обнаружены во Франции в 1821 г. около города Бо, откуда и возникло их название. Боксит — это сложная горная порода, состоящая из оксидов и гидроксидов алюминия, железа, кремния и титана. В качестве примесей в них присутствуют карбонаты кальция, гидросиликаты, сульфиды и органические соединения.
Производство творога раздельным способом
... способа сквашивания молока при выработки творога: кислотный и кислотно-сычужный. Оба эти способа сохранились до сих пор. При кислотно-сычужном способе производство творога ... виды сметаны на сорта не делятся. 1. Технология производства 1.1 Начальные технологические операции Охлаждение, по ... молока. В процессе охлаждения качество исходного сырья не изменяется. Цель охлаждения заключается в ...
Основными глинозем содержащими минералами бокситов являются гиббсит (гидраргиллит), бемит и диаспор. Однако мономинеральные бокситовые руды в природе встречаются редко, гораздо чаще встречаются руды смешанного типа — гиббсит-бемитовые или диаспор-бемитовые. По внешнему виду бокситы напоминают глину, хотя от нее отличаются существенно, т.к. в их основе находятся гидроксиды алюминия. В пересчете на Al2O3 в боксите содержится Al2O3 от 30 до 80 %, Fe2O3 — от 0 до 50 %, SiO2 — от 0 до 20 %, TiO2 — от 0 до 10 %. Выделяют два генетических типа месторождений боксита:
остаточно-хемогенный
осадочно-хемогенный
Остаточные образуются из различных алюмосиликатных пород в процессе их выветривания. Они легко подвергаются обогащению промывкой. Основные мировые залежи бокситов являются остаточно-хемогенными.
Осадочные месторождения образуются в результате накопления продуктов химического и механического выветривания, в котлованах различного происхождения. К этому типу бокситов относят большинство месторождений бокситов в России. Залежи бокситов осадочного типа более сложные. Они часто состоят из одного или нескольких слоев, отличающихся по качеству. Часть бокситов в них может быть замещена бокситовыми или обычными глинами. Такие бокситы более трудно поддаются механическому обогащению. Производство глинозема во всем мире осуществляется преимущественно из высококачественных бокситов гиббситового или гиббсит-бемитового типа, которые перерабатываются по способу Байера. Качество боксита и способ его дальнейшей переработки определяется следующей характеристикой (кремневый модуль): MSi = Al2O3/SiO2
Если мSi ? 8, то данный боксит перерабатывается по способу Байера. Если мSi < 8, то по способу спекания. В нашей стране запасы высококачественных бокситов ограничены, они находятся на Урале и относятся к наиболее трудно вскрываемым бокситам диаспорового и диаспор-бемитового типа. Эти бокситы добываются на Североуральском бокситовом руднике (СУБР) с глубины около 1000 метрови добывались на Южно-Уральском бокситовом руднике (ЮУБР) с глубины от 500 метров. Руды этих месторождений представлены следующими минералами: диаспор, бемит, каолинит, шамозит, гематит, кальцит, сидерит, пирит, мельниковит, рутил, анатаз, хлориты. Боксит — масса непластичная, может быть плотной с землистым изломом, может быть пористой с ячеистым изломом, удельный вес колеблется от 1,2 до 3,5 г/см3, твердость — от 2 до 7, цвет — от белого до кирпичного. В бокситах содержится в различных сочетаниях до 100 элементов таблицы Менделеева. Количество минералов также приближается к 100. С технологической точки зрения все минералы боксита можно разделить на три группы:
Алюминий содержащие минералы — гиббсит, бемит, диаспор.
Минералы, затрудняющие или нарушающие технологию получения глинозема. Это кремнеземсодержащие минералы, разнообразные силикаты и алюмосиликаты, карбонаты, сульфиды, органические вещества.
Расчет процесса получения алюминия
... бывает рентабельно в состав производства глинозема включать производство редких металлов, сопутствующих алюминию в руде (таких, как ... глинозем, который содержится в бокситах. Данный способ имеет такие главные стадии: Подготовка боксита, ... Байером и называемый Байер-процессом. Суть метода заключается в том, что алюминиевые растворы очень быстро начинают разлагаться при введении гидроокиси алюминия, ...
Балластные соединения, которые в процессе технологической обработки не претерпевают изменения и удаляются из технологического цикла в виде шлама. К ним относятся различные оксиды железа и титансодержащие соединения. Следует заметить, что это деление условно, так как оно не учитывает всех качеств минералов, а также то обстоятельство, что в различных производственных условиях поведение минералов может быть прямо противоположным. Так, например, минерал кальцит, являющийся вредной примесью в процессе Байера, превращается в полезный компонент в способе спекания.
Глинозем — это технический оксид алюминия Al2O3 — белый кристаллический порошок, состоящий из модификаций б-Al2O3 и г-Al2O3. Нерастворим в воде; содержит небольшое количество примесей: SiO2, Fe2O3, TiO2, V2O5, Сr2O3, MnO, ZnO, P2O5, Na2O, K2O, H2O — в сумме не более 0,95-1,88 %. Состоит из двух разновидностей (модификаций) окисла: (альфа-глинозем) и (гамма-глинозем).
Альфа-окись алюминия — наиболее устойчивая форма, встречается в природе в виде минерала корунда. Он имеет прочную структуру, большую твердость и химическую стойкость: температура плавления корунда (20546)С. Гамма-глинозем получается при обезвоживании гидроокиси алюминия, хорошо взаимодействует с растворами щелочей и кислот, обладает высокой гигроскопичностью. Даже нагретый до 1000С гамма глинозем удерживает около 1% воды, и лишь продолжительная выдержка при 1200С полностью его обезвоживает. Гамма-глинозем при этом превращается в корунд.
Спеченный глинозем — это современный материал высокого качества, нашедший применение в изготовлении особо термостойких изделий. Наряду с ним в промышленности применяются глинозем табулярный и реактивный, которые отличаются технологией изготовления и рядом характеристик. Глинозем спеченный, он же кальцинированный — это оксид алюминия, повергшийся дополнительной температурной обработке — кальцинаций. При кальцинации глинозем нагревают до высоких температур, но, не позволяя кристаллам оксида алюминия отправиться. За счет подобной дополнительной температурной обработки глинозем получает ряд ценных и полезных свойств. От плавленого глинозема этот вид материала отличается тем, что имеет в своей структуре микропоры, и поэтому намного лучше формируется и связывается. Спеченный вид искусственного глинозема обладает следующими отличительными свойствами:
Электроизоляция
Повышенная огнеупорность
Улучшенная механическая прочность
Повышенная стойкость к износу и истиранию
Способность придания точных размеров и форм готовым изделиям.
Кальцинированный глинозем используется при производстве следующих изделий:
Свечи зажигания
Фарфоровые изделия
Керамические фильтры
Износостойкая керамика
Высоковольтные изоляторы
Санитарно-технические изделия
Керамические изделия для электроники
Изделия технической и инженерной керамики
Керамическая плитка и т.д.
Кальцинированный глинозем может выпускаться в различных фракциях, в зависимости от степени измельчения и размеров кристаллов. Различные сорта этого материала выполняют различные функции в составе огнеупорных материалов и придают им дополнительные свойства. Наиболее важные из них:
Реферат получение алюминия
... в 1886 году и основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, ... алюминия является компания «Российский алюминий», на которую приходится около 13 % мирового рынка алюминия и 16 % глинозёма [10] . Мировые запасы бокситов ... производство алюминия совершенствовалось. Заметный вклад в развитие производства глинозема внесли русские ученые К. И. Байер, ...
Увеличение ресурса и общего срока службы изделий за счет увеличения содержания оксида алюминия
Высокая плотность частиц за счет их небольшого размера и как результат повышение механической прочности и устойчивости к истиранию и износу
Высокая огнеупорность и стойкость к термическим ударам за счет взаимодействия материала со связующими элементами как глиноземистый цемент или глина.
Может изготавливаться и применяться как в свободном, неформованном виде, так и в виде связанных, монолитных изделий.
Кальцинированный глинозем нашел применение в следующих отраслях: производство корунда, огнеупорная, стекольная, химическая промышленность, производство бытовой, электротехнической, технической и износостойкой керамики.
2. Теоретические основы технологического процесса
2.1 Технология получения глинозема. Способ Байера
Способ Байера — это гидрохимический способ получения глинозема из бокситов. Этот способ был открыт в России Карлом Иосифовичем Байером в 1895-1898 гг. Большой вклад в разработку способа, особенно для выщелачивания бокситов диаспор-бемитового типа, внесли ученые Д.П.Манойлов, Ф.Н.Строков, Ф.Ф. Вольф, И.С. Лилеев, С.И. Кузнецов и др. В настоящее время более 95 % глинозема получают способом Байера.
Способ Байера основан на свойстве алюминатных растворов находиться в метастабильном (относительно устойчивом) состоянии при повышенных температурах и концентрациях (Na2OK и Al2O3) и на самопроизвольном разложении (гидролизе) растворов с выделением в осадок гидроксида алюминия с понижением температуры и концентрации Na2OK. Суть способа Байера состоит в выщелачивании предварительно измельченного боксита щелочно-алюминатным раствором и дальнейшем выделении из раствора гидроксида алюминия. Алюминийсодержащие минералы взаимодействуют с раствором каустической щелочи (NaOH), в результате чего алюминий переходит в раствор в виде алюмината натрия, т.е происходит растворение минералов боксита в щелочном растворе и разложение насыщенного алюминатного раствора. Технологические параметры способа Байера (температуры, концентрации растворов и т.д.) могут колебаться в относительно большом диапазоне, в зависимости от типа и качества боксита. Боксит поступает на предприятие железнодорожным транспортом. Крупность кусков боксита определяется техническими условиями (ТУ) или по договору поставки и составляет порядка ?300 мм. Разгрузка боксита осуществляется роторным вагоноопрокидывателем.
Рис.1 Технологическая схема производства глинозема по способу Байера
Выгруженный боксит попадает в приемные бункера, откуда пластинчатыми питателями тяжелого типа подается на молотковые дробилки крупного и щековые дробилка среднего дробления — происходит дробление боксита. Дробленый материал системами транспортеров распределяется по закрытым складам. Поступающий на склад боксит смешивают с небольшим объемом оборотного щелочного раствора (ж:т = 0,8_1,9 — такое низкое отношение обеспечивает максимальную ее производительность), добавляют 3-5 % извести и направляют в мельницу мокрого размола. В промышленности применяют сухой и мокрый размол. Плюсы мокрого размола в том, что исключается необходимость сушки материала, повышается производительность, облегчается загрузка/разгрузка, упрощается транспортировка готовой пульпы по трубопроводам, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. При мокром размоле помимо измельчения боксита в оборотном растворе также осуществляется начальное растворение минералов боксита и начинают протекать реакции обескремнивания, которые продолжаются в мешалках готовой пульпы.
Производство сульфата алюминия из гидроксида алюминия и серной кислоты
... в пересчете на алюминий. 1. Характеристика сульфата алюминия ГОСТ 12 966–85 Безводный сульфат алюминия представляет собой белые кристаллы. Из водного раствора кристаллизуется Al 2 ... выщелачиванию; после фильтрования получается сравнительно чистый раствор сульфата алюминия, содержащий лишь небольшое количество соединений железа и сульфатов щелочных металлов. Вследствие термической диссоциации Fe ...
Рис. 2 Устройство мельницы [7]
Рассмотрим устройство мельницы, она состоит из барабана, крышек, и зубчатого венца. Внутреннюю поверхность футеруют плитами. Через горловину руда или пульпа поступает в мельницу, при вращении мельницы шары, находящиеся внутри, центробежной силой прижимаются к стенкам барабана, поднимаются на некоторую высоту, а затем под действием собственного веса падают, оказывая на материал ударное и истирающее действие, этому способствует также профильная футеровка. Слив осуществляется через горловину. Скорость вращения барабана составляет 20-30 оборотов в минуту. Объем шаров (шаровая нагрузка) мельницы составляет 40-50 % от объема барабана. После измельчения получается бокситовая пульпа, которую отправляют на следующую операцию выщелачивания. Но прежде продукционная, сырая пульпа перед подачей в автоклавные отделения выдерживается в мешалках сырой пульпы от 40 минут до 8часов, где происходит усреднение ее состава и частичное обескремнивание при t = 100-105 °С. Этим достигается меньшее зарастание накипью трубок подогревателей, через которые пульпа проходит в автоклавы. Также в этих мешалках, при необходимости, производится обработка пульпы воздухом для окисления сульфидной серы, при содержании последней сверх установленных количеств.
Выщелачивание боксита — одна из основных операций способа Байера, целью которой является перевод соединений алюминия в раствор в виде алюмината натрия. Это достигается обработкой измельченного боксита оборотным щелочным раствором. Автоклав — сосуд для проведения химико-физических превращений, происходящих при высоких температуре и давлении.
Рис.3 Автоклав [8]
Рассмотрим автоклав, который применяется в глиноземном производстве с перемешиванием и обогревом греющим паром. Автоклавы делают сварными из углеродистой стали. Снизу в автоклав через барбатер подается греющий пар под давлением 28-30 атм. и t = 300 °С. Пар конденсируется и нагревает бокситовую пульпу до 220-240 °С, при такой t пульпа выщелачивается в течение 2 — 2,5 часов. Пульпа нагнетается в автоклав с помощью насосов, проходит процесс выщелачивания, за счет перепада давления пульпа выдавливается из автоклава по внутренней трубе и подается в следующий автоклав для продолжения процесса выщелачивания. Обычно используют батарею состоящую из 8-12 последовательно соединенных автоклавов, первые два обогреваются паром, остальные реакционные, без барбатера. Наличие крупных частиц, движущихся с относительно низкой скоростью, приводит к забиванию автоклавов песками. Необходимость дополнительного измельчения руды усложняет аппаратурно-технологическую схему ее переработки. Поэтому требуется технико-экономический анализ основных переделов цикла Байера применительно к обращенному потоку, чтобы сделать окончательный вывод о целесообразности применения этой технологии.
Способы очистки газообразных выделений при электролизе алюминия
... процесс был модернизирован для работы на металлургическом глиноземе. Традиционно используемая технология описывается способами, применяемыми для поглощения из газовой фазы фтористого водорода. Мокрая очистка является методом, когда ... сера, ее оксиды также уносятся анодными газами, и их количество эквивалентно 3-15 кг серы на тонну произведенного алюминия. Становится очевидным, что промышленность не ...
Рис.4 Подогреватель (теплообменник) [9]
Процесс переработки глиноземсодержащих руд связан с большим потреблением пара, поэтому для экономии пара решающее значение имеет регенерация тепла. В схемах применяемых для регенерации тепла используют теплообменники, соединенные последовательно или параллельно.
Кожухотрубный теплообменник состоит из: корпуса, крышек, подводящих и отводящих патрубков, пучков труб и трубных решеток. В глиноземном производстве для подогрева сырой пульпы применяются подогреватели (теплообменники): трубчатые, кожухотрубные с неподвижными трубными решетками. Греющий пар из сепараторов подается в межтрубное пространство подогревателя и конденсируется, пульпа движется по трубкам, выделяющееся при конденсации тепло через стенки трубок передается пульпе. Таким образом, происходит нагрев пульпы. Сепараторы служат для снижения давления выщелоченной пульпы, выходящей из последнего автоклава батареи.
После выщелачивания бемитовых и диаспоровых бокситов автоклавную пульпу (Na2OК ? 280 г/л, бк = 1,6-1,7 и ж:т = 10:1) необходимо разделить на алюминатный раствор и твердую фазу — красный шлам (то, что не растворилось при выщелачивании + ГАСН).
Процесс осуществляется за счет сгущения (отстаивания) красного шлама в непрерывно действующих аппаратах — сгустителях.
Сгуститель представляет собой металлический, цилиндрический чан с коническим дном. В центре чана смонтирован грибковый механизм, с помощью которого осевший шлам перемещается к разгрузочному отверстию, расположенному в центре днища сгустителя. Грибковый механизм состоит из вертикального вала, а вал приводится во вращение с помощью привода. Исходная пульпа поступает в загрузочный стакан и с убывающей скоростью растекается к стенкам аппарата, происходит оседание частиц шлама на дно сгустителя в нижней части аппарата. Красный шлам грибками перемещается к центру и разгружается через центральный патрубок, осветленный раствор перетекает через внутренний борт и по кольцевому желобу, между ним и стенками чана стекает в трубу и отводится из аппарата.
Рис.5 Сгуститель [10]
Алюминатные растворы после контрольной фильтрации с концентрацией Al2O3 120-150 г/л и бК = 1,5-1,75 охлаждают до 50-75 °С и направляют на декомпозицию. Декомпозиция — это процесс кристаллизации гидроксида алюминия при разложении пересыщенного алюминатно-щелочного раствора. В процессе декомпозиции получают гидроксид алюминия и маточный раствор. 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. Рассмотрим устройство и принцип работы декомпозера. Декомпозеры предназначены для операции разложения алюминатного раствора в присутствии затравки с выделением в твердую фазу дисперсного гидроксида алюминия, с получением жидкой фазы определенного химического состава. Корпусом декомпозера с воздушным перемешиванием служит цилиндрический стальной резервуар с коническим днищем, плоской крышкой и вытяжной трубой. Для перемешивания пульпы в декомпозере устанавливается центральный аэролифт (воздушный подъемник) расположенный на одной оси с декомпозером. Внутри аэролифта размещается центральная воздушная труба, верхний конец которой соединен с коллектором сжатого воздуха. Перемешивание пульпы в декомпозере производится при помощи сжатого воздуха. В декомпозере расположен транспортный аэролифт представляет из себя вертикально опущенную трубу, внутри которой находится труба меньшего диаметра, для подачи сжатого воздуха. Верхний конец аэролифта, в отличие от центрального выходит на крышку декомпозера и соединен с транспортным трубопроводом. Количество воздуха подаваемое на аэролифт регулируется в автоматическом режиме в зависимости от уровня пульпы в декомпозере.
Алюминий и его сплавы
... таможенные пошлины на оксид алюминия (глинозем) – основное сырье для производства первичного алюминия; с 29 августа 2005 г. отменены вывозные таможенные пошлины на алюминий первичный и сплавы алюминиевые; средний уровень цен на первичный алюминий на Лондонской ...
Рис.6 Декомпозер с воздушным перемешиванием [11]
Воздушно-пульповая смесь поднимается вверх, в пространстве между трубами циркулирует вода, для охлаждения пульпы. Воздушное охлаждение осуществляется естественным путем как через стенки декомпозера, так и с помощью вытяжной трубы, врезанной в крышку декомпозера, через которую отводят избыточный воздух. Движение пульпы обозначено стрелками, обработанная пульпа выходит по трубе, а часть пульпы по центральному аэролифту продолжает циркулировать в аппарате.Для подготовки маточного раствора после декомпозиции к выщелачиванию новой порции боксита из процесса должна быть выведена вода, добавленная ранее для разбавления вареной пульпы. Количество воды, которую надо выпарить, примерно соответствует разности между объемами алюминатного и оборотного растворов.
Упариванием (или выпариванием) называют процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя (воды) испарением при кипении жидкости. Для упаривания растворов обычно используют тепло водяного пара, который называют первичным или «острым» паром. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным или паром самоиспарения. Для процесса используют выпарные аппараты. Рассмотрим одну из конструкций выпарного аппарата пленочного типа. Исходный раствор подается сверху через патрубок в верхнюю растворную камеру, для равномерного распределения раствора применяют форсунки. Для создания пленочного движения раствора по трубам используются различные оросительные устройства и специальные насадки в каждой трубе.
Раствор распределяется таким образом чтобы он стекал в виде тонкой пленки по внутренней поверхности стенок труб. Греющий пар подается в межтрубное пространство греющей камеры, нагревает через стенки трубок раствор, конденсируется. Конденсат отводят из аппарата. Пленка раствора внутри труб закипает и частично испаряется, образуя вторичный пар, который движется вдоль труб вниз. Из трубок в нижнюю растворную камеру выходит парожидкостная смесь, состоящая из капелек раствора и вторичного пара, часть выпаренного раствора отводится из нижней растворной камеры. Далее парожидкостная смесь поступает в сепаратор, Капельки раствора оседают на поверхности стенок, стекают в нижнюю часть и отводятся, вторичный пар выводится через верхний патрубок сепаратора. Важно чтобы вся поверхность нагрева особенно нижней части трубок равномерно смачивалась раствором.
Рис.7 Выпарной аппарат [12]
Заключительным переделом всех технологических схем глиноземного производства является кальцинация. Цель кальцинации — перевод исходного гидроксида алюминия в товарную продукцию — металлургический глинозем для электролитического производства алюминия и неметаллургический — для различных отраслей промышленности (электротехнической, керамической и др.).
Производство алюминия, цветных металлов
... А.А. Яковкина был разработан способ получения глинозема из тихвинских бокситов спеканием их с содой и известняком. В ... столетия химические способы производства алюминия были вытеснены электролитическим. Основоположниками электролитического способа производства алюминия являются Поль Эру ... времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются ...
Процесс кальцинации заключается в термическом воздействии на гидроксид алюминия, в результате последовательно протекают процессы: при 110-120 °С из гидроксида начинается удаление внешней влаги, при 200-250 °С гиббсит теряет молекулы кристаллизационной воды и превращается в бемит; при температуре около 500 °С бемит превращается в безводный г-Al2O3 и при температуре выше 850 °С происходит превращение г-Al2O3 в б-Al2O3. Все эти превращения идут с поглощением значительного количества тепла (эндотермический процесс), кроме превращения г-Al2O3 в б-Al2O3 (экзотермический процесс).
Основное количество тепла затрачивается при нагревании материала до 500-600 °С, когда происходит испарение выделяющейся влаги и разложение гиббсита.
2.2 Технология получения глинозема. Способ спекания
Отличительной особенностью способа спекания от чисто гидрометаллургического является операция спекания -пирометаллургический передел. Цель этой операции — связать кремний в малорастворимые при последующей гидрометаллургической переработке соединения, чтобы затем на стадии выщелачивания спека вывести кремний из процесса. С увеличением содержания SiO2 переработка боксита по способу Байера становится экономически невыгодной, т.к. значительно увеличиваются потери щелочи и алюминия с красным шламом.
Бокситы с кремневым модулем меньше 6-7 единиц экономически целесообразнее перерабатывать по способу спекания. Способом спекания перерабатывают бокситы (с получением бокситового спека), нефелиновые концентраты и руды (нефелиновый спек), байеровские шламы последовательного способа Баер-спекание (шламовый спек) и каолины или алюмокальциевые шлаки (алюмокальциевый саморассыпающийся спек).
Суть способа спекания заключается в термической обработке шихты с получением спека, с образованием алюмината натрия Na2O·Al2O3, феррита натрия Na2O·Fe2O3 и двухкальциевого силиката 2CaO·SiO2 (ортосиликата кальция).
Идеи связать минералы алюминия в растворимую форму — алюминат натрия (Ле-Шателье), а основную наиболее вредную примесь SiO2 — в малорастворимый силикат (Мюллер) имеют более чем 150-летнюю историю. Эти идеи лежат в основе способа переработки глиноземсодержащего сырья — бокситов, нефелинов, каолинов — спеканием. Получаемый спек выщелачивают, и в раствор переходят полезные компоненты Al2O3 и Na2O. Однако в связи с тем, что ортосиликат кальция, частично взаимодействуя с алюминатным раствором, разлагается и загрязняет алюминатный раствор кремнеземом SiO2, требуется передел двухстадииного обескремнивания с удалением из раствора: на первой стадии — гидроалюмосиликата натрия и на второй — гидрограната кальция. Очищенный от кремния раствор подвергается разложению карбонизацией (или декомпозицией), в ходе которой образуются А1(ОН)3 и раствор карбонатов. Гидроксид алюминия направляется на кальцинацию с получением оксида алюминия, а карбонатный маточник после выпарки идет в начало процесса на приготовление шихты (для бокситов) или на глубокую выпарку с получением соды и поташа как конечных продуктов. Также применяется и остающийся после выщелачивания белитовый шлам, который идет на получение цемента, что создает условия для создания комплексной безотходной технологии переработки нефелинов. Способ спекания включает в себя следующие технологические операции:
- приготовление шихты;
- спекание шихты с получением спека;
- измельчение и выщелачивание спека — состоит в извлечении из спека алюмината натрия и щелочи;
- обескремнивание выщелоченной пульпы;
- отделение алюминатного раствора от красного шлама и промывка красного шлама;
- разложение алюминатного раствора;
- отделение маточного раствора от гидроксида алюминия;
- упаривание спекового раствора и выделение содосульфатной смеси;
- прокалка гидроксида алюминия с получением глинозема;
- узел выгрузки, хранения и ввода в процесс кальцинированной соды.
При переработке боксита по способу спекания используют двух- и трехкомпонентную шихту — боксит + сода + известь или боксит + сода. Спекание — высокотемпературный обжиг шихты при t = 1200-1300 °С. Соединения алюминия при спекании связываются в растворимый в воде алюминат натрия, железо переходит в феррит натрия, кремнезем переходит в малорастворимое соединение — двухкальциевый силикат. Спеки, по физическому признаку, делят на плав, частично оплавленный, пористый и недопек. Факторы влияющие на качество спека:
Температура спекания
Крупность частиц бокситовой шихты
Дозировка содовой составляющей шихты
Наличие соединений серы
Газовый поток, проходя по печи со скоростью 3,0-4,0 м/сек (расчетная), уносит из печи до 50 % подаваемой в печь оборотной пыли. Улавливание вынесенной из печи пыли (шихты) производится системой газоочистки и пылевозврата, в состав которой входят следующие агрегаты: пылевая камера 6; батарея циклонов 7 (по 2 батареи из 6-8 циклонов); электрофильтр 8; скруббер двухступенчатой очистки газов — 1 на каждую печь. Транспортировка газов через печь и систему газоочистки осуществляется дымососом. Отходящие газы выбрасываются в атмосферу. Уловленная в пылевой камере, батарейных циклонах и электрофильтрах пыль шнеками подается в приемный бункер элеватора и с его помощью возвращается в холодную головку печи. Контроль за процессом спекания, как правило, осуществляют по температуре и составу отходящих газов. Температура отходящих газов в образе печи — 320-420 °С; содержание в отходящих газах О2 — 1,5-2,5 %, СО ? 0,4-0,6 %, СО2 — 25-27 %. Количество воздуха, необходимого для горения, определяется по содержанию О2 в отходящих газах.
Трубчатая вращающаяся печь (ТВП) представляет собой стальной барабан толщиной от 20-70 мм, изнутри печь футерована огнеупорным кирпичом, основным материалом служит шамод, высокотемпературные зоны печей выкладывают из хромомагнезитового и магнезитового огнеупорного кирпича толщина футеровки от 230-250 мм, диаметр барабана одинаков, уклон от 1°до 5°. На корпусе печи укреплены бандажи (стальные отточенные кольца), которыми он опирается на опорные ролики. Вал каждого ролика установлен в подшипниках, укрепленных в стальной раме, которая связана с массивным железобетонным фундаментом. Печь приводится во вращение от электродвигателя, скорость вращения барабана 1-2 оборота в минуту. Нижним горячим концом печной барабан входит в топливную головку печи. Верхним холодным концом в загрузочную головку, которая имеет устройство для загрузки гидроксида и отверстие для выхода топочных газов. Топливная головка спереди имеет отверстия для форсунок или горелок, а также смотровые и рабочие окна. В нижней части топливной головки расположена печка, через которую проколенный глинозем пересыпается в холодильник. В качестве топлива для ТВП используют мазут и природный газ. Мазут подается нагретым до 90-110°С. ТВП работает по принципу противотока — нагреваемый материал вследствие наклона печного барабана и его вращения движется на встречу горячим топочным газам, которые при этом охлаждаются, а материал нагревается.
Рис.8 Трубчатая вращающаяся печь (ТВП) [13]
Зоны печи ТВП:
Первая зона, которую называют зоной сушки, характеризуется полным испарением гигроскопической влаги гидроксида алюминия, причем температура материала здесь не превышает 200 °С. Температура газов в пределах зоны сушки снижается с 600 до 300 °С.
Во второй зоне — зоне кальцинации — удаляется химически связанная влага, и гидроксид превращается в безводный г-Al2O3. Для этого материал необходимо нагреть до температуры 950 °С. Поток движущихся газов в этой зоне охлаждается на 450 °С — с 1050 до 600 °С.
Третья зона — зона прокаливания — располагается в области горящего факела, что обеспечивает максимально высокую температуру газов — 1400 °С. Это позволяет нагреть шихту до 1250 °С, обеспечивающих переход глинозема из г модификации в б модификацию (г-Al2O3 > б-Al2O3).
Чтобы гарантировать полное завершение процесса прокаливания, время пребывания материала в этой зоне стремятся увеличить за счет большего, чем в других зонах, диаметра печного барабана.
Четвертая зона — зона охлаждения — здесь происходит охлаждение готового глинозема до 1000 °С. При нормальной работе печи кальцинации температура покидающих ее газов не должна быть выше 300 °С, что служит надежным критерием обеспечения оптимальной температуры материала в зоне прокалки ? 1250 °С. При хорошем сжигании топлива и отсутствии лишних подсосов воздуха в системе обычно в отходящих газах содержится 13-15 % СО2. Содержание СО не должно превышать 0,8 %.
Заключение
В настоящее время способ Байера — основной способ производства глинозема во всем мире, т.к. его экономически целесообразно использовать для переработки высококачественных бокситов с относительно невысоким содержанием кремнезема — SiO2, должен иметь высокий кремневый модуль µSi ? 6-8 и не содержать больших количеств серы и CO2, поскольку при росте количества SО2 все больше Al2O3 и используемой в процессе щелочи теряются. За рубежом практически весь Al2O3 получают из бокситов в основном способом Байера (К.И.Байер — австрийский инженер, работавший в России), на отечественных заводах глинозем получают из бокситов способом Байера и из бокситов и нефелинов способом спекания. Оба эти способа относятся к щелочным методам выделения глинозема из руд. Для переработки бокситов с кремниевым модулем менее 5—7 более экономичным является способ спекания. В связи с истощением богатых глиноземом месторождений боксита и вовлечением в производство более бедных бокситов, доля способа Байера в производстве глинозема снижается и возрастает доля способа спекания. Большинство объектов глиноземного производства, в особенности по ряду гидрохимия, переделов, характеризуется наличием высокой влажности и образованием туманов, вследствие охлаждения испаряемых щелочных растворов и аварийных проливов щелочей, поэтому предъявляются особые требования, которые в основном сводятся к увеличению плотности бетонов, к соблюдению условий трещиноустойчивости, к защите внутренней поверхности стеновых ограждений от проникновения щелочных паров и влаги. Характерной особенностью глиноземного завода является наличие галерей между цехами, по которым проходит большое количество пульпопроводов, паропроводов, ленточных конвейеров и других коммуникаций. Все печные цехи проектируются с открытыми вращающимися печами и с открытой установкой электрофильтров. Крупные емкости устанавливаются вне зданий на открытых площадках.
ТЭЦ и блок мокрой обработки — основной потребитель пара и горячей воды — а также цементное производство, передел выщелачивания, обескремнивание во избежание излишней транспортировки шлама размещаются поблизости друг от друга. Приемное устройство сырья — вагоноопрокидыватель, располагается как можно ближе к отделению крупного дробления и отделению мокрого размола. Коррекционные бассейны устраиваются около отделений мокрого размола и спекания, а отделение спекания размещают поблизости от мокрого блока (выщелачивание, сгущение» обескремнивание, карбонизация и фильтрация).
Склад гидрата и отделение кальцинации располагают рядом с отделениями фильтрации и карбонизации, а склад товарного глинозема — с отделением кальцинации. Для межцеховых перевозок используется гл. обр. автотранспорт. Ж/д транспорт необходим для доставки сырья и вывозки готовой продукции, а также для доставки материалов, запасных частей и изделий в главный магазин и ремонтным цехам. При расположении зданий на генплане учитывается направление господствующих ветров, для того чтобы исключить вредное влияние агрессивных выделений в виде капле-уноса щелочи из блока цехов мокрой обработки, а также пыли от складов угля, известняка, отделений кальцинации и спекания. Сокращение стоимости строительства глиноземного завода связано с блокировкой зданий и сооружений, установкой оборудования на открытых площадках и в полузакрытых помещениях.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/proizvodstvo-glinozema/
1. Лайнер А. И. Производство глинозема / Лайнер Ю. А. — М.: Высш. шк., 1961. — 314с.
2. Логинова И.В. Аппаратурно-технологические схемы в производстве глинозема /И.В. Логинова, А.В. Кырчиков. Екатеринбург: УрФУ, 2011. — 233с.
3. Троицкий И. А. Производство глинозема из бокситов. Технологические расчеты / И. А. Троицкий. М.: Металлургия, 1972. — 175 с.
4. Еремин Н.И. Процессы и аппараты глиноземного производства / Н.И. Еремин, А.Н. Наумчик, В.Г. Казаков. М.: Металлургия, 1980. — 360 с.
5. Никольская М.П. Технология получения глинозема из бокситов / М.П. Никольская. Каменск-Уральский, 2007. — 184 с.
6. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/files
7. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63206_VTD4NPWQ_480.mp4
8. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63205_TLXAKEN5_480.mp4
9. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63204_B759UYHC_720.mp4
10. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63202_P5UBYKS7_480.mp4
11. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63200_TLSFX6WQ_480.mp4
12. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63203_1ZWGSJPC_480.mp4
13. http://media.ls.urfu.ru/Projects/201/uploaded/video/63199_HQ2CZKJ4_480.mp4
