Участок карбонизации алюминатных растворов в аппаратах с механическим перемешиванием глиноземного цеха

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

 

 

 

 

 

	«УТВЕРЖДАЮ»
	Зав.кафедрой ___________________
	«_____» _________________ 2013 г.

 

 

 

 

Задание №_________________

на курсовую работу

 

 

 

 

Студент гр.____________ спец. ЭУП-080502

Трибунская Екатерина Олеговна

Руководитель работы  – Корюков В.Н. – доцент, к.т.н.

Срок проектирования с ___________ по ____________

 

1. Тема:

Участок карбонизации алюминатных растворов в аппаратах с механическим перемешиванием глиноземного цеха

2. Содержание:

Введение. 1.Описание аппаратурно-технологической схемы и параметров процесса. 2. Расчет материального баланса цеха. 3. Расчет количества основного оборудования. Заключение.

3. Особые сведения:

Производительность цеха – 600 тыс.т глинозема в год;

Состав боксита: Al2O3 – 47,9 %; Fe2O3 – 29,8 %; SiO2 – 9,8 %; и т.д.;

Производство Al2O3 по способу спекания бокситов с содой и известняком.

 

 

4. Курсовая работа закончена: _____________
5. Оценка работы _____________

Руководитель __________________

 

 

Екатеринбург, 2013 г.

План выполнения курсовой работы:

Таблица 1 – План выполнения курсовой работы

№ п/п	Наименование элементов работы	Сроки	Примечания	Отметка о выполнении
1.	Описание аппаратурно-технологической схемы процесса спекания бокситов

 

 

1. О спекании:

Способ спекания - наиболее дорогой, но более универсальный, и может применяться к любому высококремнистому алюминиевому сырью. Сущность способа спекания заключается в переводе кремния из сырья в малорастворимое в щелочных растворах соединение - ортосиликат кальция, а алюминия и железа - в алюминат и феррит натрия при обжиге алюминиевого сырья с содой и известняком.

Основной задачей способа является грамотное составление исходной для спекания шихты и ведение процесса спекания для получения в спеке хорошо растворимого алюмината натрия (калия) и гидролизуемого в водных растворах феррита натрия (калия), а также очень малорастворимого ортосиликата кальция.

Способ спекания включает следующие основные переделы:

1) приготовление  шихты (мокрой или сухой);

2) спекание шихты;

3) дробление и  выщелачивание алюминатного спека;

4) отделение промывку  шлама;

5) обескремнивание алюминатного раствора;

6) карбонизацию  раствора, отделение и промывку  гидроокиси алюминия;

7) упарку маточного содового раствора;

8) обжиг известняка, гашение извести, каустификацию соды и получение раствора каустика,

9) кальцинацию гидроокиси  алюминия.

Принципиальная технологическая схема способа спекания приведена на рисунке 2.2.

Нефелины в отличие от бокситов содержат щелочь в достаточном или в близком к достаточному для спекания количестве. Поэтому нефелины спекают только с известняком. Недостающее количество щелочи вводится в шихту в виде оборотных промывных вод и содощелочного раствора.

В нефелиновом производстве нефелин и известняк размалывают раздельно, а затем домалывают вместе, это обусловлено большой разницей в твердости нефелина и известняка.

Подготовка шихты для спекания сводится к дроблению сырья, мокрому размолу его, смешению и корректировке шихты. Особое внимание обращается на тонину помола и тщательное смешение точно сдозированных компонентов шихты. Дробление боксита, известняка и нефелиновой руды ведут в несколько стадий (две - три) в щековых, конусных и молотковых дробилках. Мокрый размол осуществляют в трубных мельницах. Бокситы, как правило, измельчают вместе с известняком в содовом растворе.

После размола шихта закачивается в коррекционные бассейны (большие емкости с аэролифтным перемешиванием), где окончательно доводится до требуемого химического состава. Влажность шихты должна быть минимальной (27 - 29% для нефелиновой и 35 - 38% для бокситовой шихт).

Откорректированную шихту спекают: бокситовую при 1200 - 1250оС, нефелиновую - при 1250 - 1300оС. Для спекания применяют трубчатые вращающиеся печи длиной 50 - 100 м. Передел оборудован установкой для пылеулавливания, состоящей из циклонов, электрофильтров и мокрых скрубберов. Далее спек пересыпается в холодильник, где охлаждается до 100 - 150о С. В настоящее время для охлаждения глинозем содержащих спеков применяют в основном барабанные вращающиеся холодильники.

 

Рисунок 1 - Принципиальная блок-схема способа спекания

 

 

Охлажденный спек дробят до крупности 6 - 7 мм в короткоконусных дробилках, работающих в замкнутом цикле с грохотами и выщелачивают. Различают проточный и агитационный методы выщелачивания спека. Бокситовый спек обычно выщелачивают водой проточным методом в диффузорах, перколяторах и трубчатых выщелачивателях. На проточное выщелачивание должен поступать кусковой спек. Для выщелачивания мелких фракций бокситового спека применяют агитационный метод. Агитационное выщелачивание осуществляется в мельницах и мешалках.

Нефелиновый спек выщелачивают агитационным методом в мельницах. Применяется также двухстадийная схема выщелачивания с использованием на первой стадии трубчатых аппаратов и на второй стадии - мельниц.

Нерастворившаяся часть спека (шлам) идет в отвал, а алюминатный раствор - на обескремнивание. В способе Байера обескремнивание совмещается с операциями выщелачивания боксита, разбавления автоклавной пульпы и сгущения красного шлама, так как условия проведения этих операций (продолжительность, высокая температура, сравнительно низкая концентрация алюминатных растворов) благоприятны для обескремнивания. В способе спекания такие условия отсутствуют. Широко применяют двухстадийное обескремнивание. Для первой стадии могут быть применены автоклавы и мешалки, вторая стадия осуществляется только в мешалках. В последнее время применяют автоклавные батареи, работающие в так называемом режиме кипения с продолжительностью обескремнивания 2-2,5 ч при 150-170оС либо последовательно соединенные мешалки при атмосферном давлении с продолжительностью 4 - 5 ч при 95 - 100оС.

При переработке нефелиновых руд и концентратов алюминатный раствор требует глубокого обескремнивания продолжительностью 1,5 - 2 ч при 90 - 95оС.

Выделившийся при обескремнивании осадок (белый шлам) наряду с кремнеземом содержит глинозем и щелочь, поэтому его возвращают на приготовление шихты для спекания.

Из обескремненного раствора выделяют гидроокись алюминия. Для этого применяют карбонизацию - обработку раствора газами, содержащими СО2 10 - 14%, которая позволяет одновременно получить маточный содовый раствор. Карбонизация может быть осуществлена в одну или две стадии в цилиндрических или цилиндроконических карбонизаторах и может быть периодической и непрерывной. Температура раствора 70 - 80оС поддерживается за счет тепла газов.

Выпавшую в осадок гидроокись алюминия отделяют от содового раствора, промывают и кальцинируют.

Получающийся при карбонизации раствор содержит соду и должен быть возвращен в процесс. Для удаления из процесса избыточной воды маточный раствор предварительно упаривают.

Выпарка маточных растворов осуществляется в многокорпусных выпарных батареях обычно в две стадии: сначала без выделения соды в аппаратах с естественной циркуляцией, затем с выделением соды в аппаратах с принудительной циркуляцией или вынесенной зоной кипения.

Способ спекания имеет определенные недостатки, это - ограниченность применения, высокий расход дорогостоящей каустической щелочи, большие материальные потоки, высокий расход топлива.

2. Про обескремнивание:

Сущность процесса обескремнивания алюминатных растворов

При выщелачивании бокситов и глиноземсодержащих спеков наряду с алюминием и щелочью в раствор переходит кремний. В алюминатных растворах кремний существует в виде иона и алюмокремниевых комплексов, которые образуются по реакции

При прочих равных условиях в алюминатных растворах содержится тем больше кремнезема, чем выше в них концентрация алюмината натрия. Если такие растворы подвергать разложению без предварительной их очистки от кремнезема, то выделится гидроокись алюминия с высоким содержанием кремнезема, который является вредной примесью и допускается лишь в ограниченных количествах, определяемых ГОСТом. Поэтому алюминатные растворы перед разложением подвергают очистке от соединений кремния - обескремниванию. Сущность процесса обескремнивания заключается в связывании кремнезема раствора в малорастворимые соединения и отделение их от раствора. Содержание кремнезема в алюминатных растворах обычно характеризуется кремниевым модулем, равным отношению : (по массе).

В способе спекания такие условия отсутствуют, и для получения достаточно чистого глинозема необходима специальная операция обескремнивания. Требуемая степень обескремнивания определяется условиями проведения последующей операции -- карбонизации, так как от глубины карбонизации зависит степень выделения кремнезема из растворов в осадок вместе с гидроксидом алюминия.

При получении глинозема способом спекания из бокситов алюминатный раствор при карбонизации разлагается не полностью, 
в растворе после карбонизации остается Al2O3 3-5 г/л. В этих условиях обескремнивание раствора до кремневого модуля 400-500 обеспечивает получение глинозема марок Г-3 и Г-4. Для получения глинозема марок Г-1 и Г-2 необходимо глубокое обескремнивание алюминатного раствора - до кремневого модуля не менее 1000. Кремневый модуль раствора перед обескремниванием зависит от концентрации раствора и обычно не превышает 20-50.

Для очистки алюминатных растворов от соединения кремния практически используют два способа:

1) обескремнивание с выделением в осадок соединений, значительно менее растворимых, чем ГАСН, с помощью различных химических добавок, в основном извести (способ применяется для получения растворов с высоким кремниевым модулем).

2) обескремнивание с выделением в осадок гидроалюмосиликата натрия (ГАСН) (в промышленных условиях таким путем получают растворы, у которых кремниевый модуль обычно 250ч450).

Первый способ очистки состоит в нагревании алюминатного раствора вместе с небольшим количеством извести. Обескремнивание в присутствии извести идет с образованием соединения с очень незначительной растворимостью (гидрогранат), где m = 0,1-0,2 моля. Химизм взаимодействия извести с алюминатным раствором можно представить следующим образом

ЗСа (ОН)2 +2NaA1О2 +4H2O ? ЗСаО?Al2O3 ?6H2O +2NaOH

ЗCаО?Al2O3 ?6H2O +mNa2SiO3 ? 3CaO?Al2O3 ?mSiO2? (6--2m)H2O+

+2mNaOH+mH2O

С увеличением дозировки извести степень обескремнивания раствора увеличивается. Однако обескремнивание в присутствии извести связано со значительными потерями Al2O3, вызываемыми образованием гидрогранатов. Эти потери возрастают с увеличением концентрации SiO2 в исходном алюминатном растворе, одновременно возрастает и расход извести. Если коэффициент m в гидрогранате равен 0,2, то на каждый моль SiO2, переходящего при обескремнивании в осадок, теряется 5 молей Al2O3, в то время как в гидроалюмосиликате натрия каждый моль SiO2 связывает только 0,5 моля Al2O3 .

Для уменьшения потерь Al2O3 и расхода извести широко применяют двустадийное обескремнивание. На первой стадии из раствора выделяют основную часть кремнезема (не менее 90 %) в виде натриевого гидроалюмосиликата. Вторую стадию с целью глубокого обескремнивания раствора до кремневого модуля не менее 1000 проводят с добавкой извести.

Вторую стадию обескремнивания проводят при атмосферном давлении, температуре 90-95°С и интенсивном перемешивании. 
Максимальная скорость обескремнивания наблюдается в течение первого-второго часов. Раствор, поступающий на вторую стадию обескремнивания, не должен содержать твердых частиц гидроалюмосиликата натрия (белого шлама), так как по мере осаждения кремнезема в виде гидрогранатов раствор становится ненасыщенным гидроалюмосиликатом натрия. Это приводит к растворению гидроалюмосиликата натрия и снижению кремневого модуля раствора.

Шлам первой стадии обескремнивания состоит в основном из натриевого гидроалюмосиликата. Так как, кроме кремнезема, шлам содержит глинозем и щелочь, то его возвращают на приготовление шихты. Шлам второй стадии обескремнивания содержит до 26-27 % Al2O3 и для регенерации из него оксида алюминия подвергается содовой обработке. Под действием содового раствора гидрогранаты разлагаются по реакции

ЗСаО · Al2O3 · mSiО2 · (6 - 2т) H2O + З Nа2СО3 + тH2O 2NaAlO2 +

+ m Na2SiO3 + 2 (2 - т) NaOH + ЗCаСО3 + 4H2O

Оксид алюминия при этом переходит из шлама в раствор в виде алюмината натрия, одновременно происходит каустификация соды и превращение ее в NaOH. Полученный раствор используют для повышения каустического модуля при выщелачивании спека, а шлам, содержащий около 85% СаСО3, идет на приготовление шихты для спекания. Часть его может быть использована на второй стадии обескремнивания вместо извести. Содержание Al2O3 в шламе после регенерации 2-3 %. При производстве глинозема по комбинированным схемам Байер- спекание, где гидроокись алюминия из растворов извлекается при декомпозиции, кремниевый модуль раствора может ограничиваться значением 250 - 300 и нет необходимости в двухстадийном обескремнивании.