Промышленный способ получения глинозема

Получение глинозема

Оновной составляющей глинозема является оксид алюминия Al₂O₃. Технические разновидности глинозема служат сырьем для производства промышленных абразивных, износостойких и огнеупорных материалов.

Глинозем встречается в чистом виде в форме корунда, также входит в состав минералов и горных пород – бокситов, алунитов, каолинов, нефелинов.

Получение глинозема из различных типов сырья

С целью получения глинозема широко используют руду с содержанием бокситов – глинистой горной породы, состоящей из различных модификаций гидроксида алюминия, оксидов железа, кремния, титана, серы, галлия, хрома, ванадия, карбонатных солей кальция, железа и магния. Произведенный технический глинозем имеет вид кристаллического белого порошка с однородной структурой.

Получение глинозема может выполняться электролитическим, щелочным и кислотным способами. Наиболее распространенным методом является щелочная технология Байера, подходящая для выделения оксида алюминия из высококачественных бокситов с невысоким содержанием оксида кремния SiO₂.

Для переработки других видов пород может использоваться метод спекания, позволяющий получить глинозем из бокситов различных типов, нефелиновых концентратов и руд, байеровских шламов, каолинов, алюмокальциевых шлаков и других материалов.

Технологии производства глинозема

Процесс производства глинозема гидрохимическим способом Байера заключается в разложении (гидролизе) щелочно-алюминатных растворов при высоких температурах с последующим выделением гидроксида алюминия. Примеси, содержащиеся в бокситах, остаются в нерастворенном остатке.

Последовательность операций, выполняемых при получении глинозема методом Байера:

• подготовка бокситовой руды путем дробления и измельчения в мельницах;
• добавление в перерабатываемый материал извести и едкой щелочи;
• обработка бокситов раствором щелочи;
• разделение шлама и алюминатного раствора методом промывки;
• разложение полученного водного раствора алюмината;
• получение готового гидроксида алюминия путем выделения из раствора;
• прокаливание и кальцинация (обезвоживание) гидрооксида алюминия.

Получение глинозема с применением данного метода характеризуется стабильным химическим соединением. Полученный оксид алюминия отличается тугоплавкостью (температура плавления составляет 2050°C).

Технология производства глинозема методом спекания включает выполнение спекания руды в печах до появления твердого алюмината. Полученный алюминат выщелачивается с использованием воды или раствора соды. Раствор алюмината разлагается с применением углекислоты для получения гидроксида алюминия.

Качество, характеристики и возможности применения полученного глинозема определяются маркой материала и использованными для его получения технологиями и сырьем. Компания «МИКРОИНТЕК» предлагает заказчикам купить глинозем различного назначения и в любых необходимых объемах.

Источник

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. Раствор алюмината натрия отделяется от осадка, так на­зываемого красного шлама, состоящего в основном из окисей и гидроокисей кремния, железа и титана. Далее раствор алюми­ната натрия разлагается с выделением в осадок чистой гидро­окиси алюминия, которая отфильтровывается, а щелочной рас­твор возвращается обратно в процесс. Гидроокись алюминия за­тем подвергается прокалке при высокой температуре (кальцинации) с целью полного удаления из него воды и превращении в сухую чистую и негигроскопическую окись алюминия (a—Al2O3); годную к использованию для получения металличес­кого алюминия.

Превращение глинозема, содержащегося в руде, алюминат натрия может осуществляться различными путями. Для этого применяется или так называемый мокрый способ (способ Байера), при котором первоначальная обработка руды (выщела­чивание) осуществляется непосредственно раствором едкой щелочи, или сухие способы, при которых руда с солями щелочных и щелочно-земельных металлов (обычно углекислы­ми, как NaСО₃ СаСО₃) сначала спекается во вращающихся пе­чах (способы Ле-Шателье, Мюллера-Яковкина) или подвергается плавке в электропечах (способы Педерсена, Кузнецова-Жуков­ского) и доменных печах с целью получения алюмината в твер­дом виде. Затем этот алюминат выщелачивается водой или рас­твором соды для получения водного раствора алюмината нат­рия, который и подвергается разложению.

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.

Наконец, в электротермических методах глинозем получается плавкой руды (обыкновенно боксита) 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.

Выше мы уже отмечали, что 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 алюминиевой промышленностью для производства глинозе­м, предпочтение отдается щелочным методам. Этому препят­ствуют особенности самих кислотных методов, которые делают их более дорогими, нежели щелочные способы. Назовем важней­шие из этих особенностей:

1. кислоты по сравнению со щелочами являются обычно более дорогими продуктами;

2. полная очистка глинозема от примеси железа в кислот­ных методах представляет значительную сложность;

3.вся аппаратура должна быть кислотоупорной (свинцовой, керамической и пр.), а следовательно, является более дорогой, чем в щелочных методах, при которых аппаратура преимуще­ственно железная;

4. регенерация кислот связана со значительными затрудне­ниями и потерями, тогда как щелочи сравнительно легко и с достаточной полнотой могут быть снова возвращены в процесс.

Применение кислотных методов может оказаться, однако, целесообразным, 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, очевидно, прежде всего 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. Указанное обстоятельство ограничивает применение электротермических ме­тодов для производства глинозема в алюминиевой промышлен­ности только немногими, единичными случаями.

Источник

Производство глинозема

Технология производства алюминия сос­тоит из двух стадий: первая — производства глинозема и вторая — электролитическое получение алюминия из глино­зема. За рубежом практически весь глинозем 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. Способ Байера экономически целесообразно использовать для переработки бокситов с небольшим содержанием SiO₂ (с кремниевым модулем Al₂O₃/SiO₂ более 5—7), поскольку при росте количества SiO₂ все больше Al₂O₃ и используемой в процессе щелочи теряются из-за образования химического соединения Na₂O • Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O.

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.

Способ Байера

Способ Байера — способ выделения глинозема из боксита — основан на выщелачивании, цель которого растворить содер­жащийся в боксите оксид алюминия Al₂O₃, избежав перевода в раствор остальных составляющих боксита (SiO₂, Fe₂O₃ и др.). В основе способа лежит обратимая химическая реак­ция:

При протекании реакции вправо глинозем в виде алюмината натрия переходит в раствор, а при обратном течении реак­ции образующийся гидратированный Al₂O₃ выпадает в осадок. Упрощендая схема производства глинозема по способу Байера показана на рис. 244. Ниже описаны основные операции этого способа.

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 NaОН, добавляют также немного извести, активизирующей выщелачивание.

2. Выщелачивание. Полученную при помоле пульпу направляют на выщелачивание. Для полного протекания приведенной выше реакции вправо (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 (рис.245) стальной цилиндрический сосуд диаметром 1,6—2,5 и высотой 13,5—17,5 м. Давление в автоклаве 2,5—3,3 МПа, пульпу подают сверху, снизу через патрубок 2 с барботером 3 — пар, который нагревает и перемешивает ее. Из автоклава пульпа выдавливается через трубу 1.

Автоклав для выщелачивания боксита

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 (реакция приведена выше), 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 алюми- натного раствора (содержащего Na₂O • Al₂O₃) и шлама (осадка, в который выпадают остальные примеси боксита).

3. Разделение алюминатного раствора и шлама после раз­бавления пульпы водой производят в сгустителях (отстойни­ках) — сосудах диаметром 15—50 м, 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, %: Al₂O₃ 12—18, SiO₂ 6—11, Fe₂O₃ 44-50, CaO 8-13.

4. Разложение алюминатного раствора, называемое также декомпозицией или выкручиванием проводят с целью перевес­ти алюминий из «раствора в осадок в виде Al₂O₃ • 3Н₂O, для чего обеспечивают течение приведенной выше реакции выще­лачивания влево, в сторону образования Al₂O₃ • 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 Al₂O₃ • 3Н₂O перемешивать в течение 50—90 ч.

Этот процесс осуществляют в серии установленных после­довательно и соединенных перепускными сифонами декомпозеров, через которые последовательно проходит пульпа (алюминатный раствор с выпадающими кристаллами гидроокси­да алюминия). В серии устанавливают 10—11 декомпозеров с механическим перемешиванием или 16—28 декомпозеров с воз­душным перемешиванием пульпы. Первые представляют собой баки диаметром до 8 м, в которых перемешивание осуществ­ляют вращением вокруг вертикальной оси волокуш (гребков). Декомпозеры второго типа, преимущественно применяемые в настоящее время, представляют собой цилиндрические баки высотой 25—35 м и объемом до 3000 м3; снизу в них подают сжатый воздух, перемешивающих пульпу.

5. Отделение кристаллов гидрооксида алюминия от раствора и классификация кристаллов по крупности. После декомпозиции пульпа поступает в сгустители, где гидро­оксид отделяют от раствора. Полученный гидрооксид в гид­росепараторах разделяют на фракцию с размером частиц 40—100 мкм и мелкую фракцию (размером

6. Кальцинацию или обезвоживание гидрооксида алюминия осуществляют в футерованных шамотом трубчатых вращающихся печах диаметром 2,5—5 и длиной 35—110 м, отапливаемых природным газом или мазутом. Гидрооксид медленно перемещается вдоль вращающегося барабана навстречу потоку горячих газов, температура которых повышается от 200—300 °С в месте загрузки до

1200 °С вблизи горелки у разгрузочного торца барабана. При нагреве гидрооксида идет реакция: Al₂O₃ • 3H₂O = Al₂O₃ + 3Н₂O, заканчивающая­ся при 900 °С. Продуктом является глинозем Al₂O₃ (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.

Способ спекания

Способ применяют для получения глинозема из высококрем­нистых (> 6—8 % SiO₂) бокситов с кремниевым модулем менее 5—7 и из нефелиновых руд; способ пригоден также для пере­работки любого алюминиевого сырья.

Сущность способа заключается в получении твердых алю­минатов путем их спекания при высоких (

1300 °С) темпе­ратурах и в последующем выщелачивании полученного спека.

Получение глинозема из бокситов

Основные стадии этого процесса следующие.

Подготовка к спеканию. Боксит и известняк после дроб­ления измельчают в мельницах в среде оборотного содового раствора с добавкой свежей соды Na₂CO₃, получая пульпу с влажностью 40 %.

Спекание ведут в отапливаемых трубчатых вращающихся печах диаметром до 5 и длиной до 185 м. Температура в пе­чи повышается от 200—300 °С в месте подачи пульпы до

1300 °С в разгрузочном конце у горелки. При нагреве оксид алюминия превращается в водорастворимый алюминат натрия:

а кремнезем связывается в малорастворимые силикаты: SiO₂ + 2СаО = 2СаО • Si02. С содой реагирует также Fe₂O₃ боксита, образуя NaaO • Fe203. Эти химические соединения спекаются, образуя частично оплавленные куски — спек.

После обжиговой печи спек охлаждают в холодильниках, дробят до крупности 6—8 мм и направляют на выщелачивание.

Выщелачивание ведут горячей водой проточным методом в аппаратах различной конструкции: диффузорах (цилиндрических сосудах, куда порциями загружают и выгружают спек), в конвейерных выщелачивателях и др. Наиболее совершенными являются трубчатые выщелачиватели непрерывного действия (рис. 246). Загружаемый через бункер 1 в сосуд высотой 26 м спек благодаря непрерывной выгрузке секторными разгружателями 2 движется вниз и промывается встречным потоком воды. В воде растворяется алюминат натрия, вода разлагает также феррит натрия Na₂O • Fe₂O₃ и Fe₂O₃ выпадает в осадок. Продуктами выщелачивания являются алюминатный раствор и красный шлам, содержащий Fe₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, CaO. В алюминатный раствор переходит немного кремнезема в виде гидросиликатов, в связи с чем раствор подвергают обескремниванию.

Обескремнивание алюминатного раствора осуществляет в батарее автоклавов длительной (

2,5 ч) выдержкой при температуре 150—170 °С. В этих условиях вырастают кристаллы нерастворимого в воде соединения Na₂O • Al₂O₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О (иногда к раствору добавляют известь, в этом случае образуются кристаллы СаО • Al₂O₃ •2SiO₂ • 2H₂O). Из автоклавов выходит пульпа, состоящая из алюминатного раствора и осадка — белого шлама. Далее раствор отделяют от белого шлама путем сгущения и фильтрации. Белый шлам идет в ших­ту для спекания, а раствор направляют на карбонизацию.

Карбонизацию проводят с целью выделения алюминия в осадок Al₂O₃ • 3Н₂O (карбонизация заменяет декомпозицию в способе Байера). Карбонизацию осуществляют в сосудах цилиндрической или цилиндроконической формы объемом до 800 м 3 пропусканием через раствор отходящих газов спекательных печей, содержащих 10—14 % СO₂. Газы перемешивают раствор, а СO₂ разлагает алюминат натрия: Na₂O • Al₂O₃ + СO₂ + 3Н₂O = Al₂O₃ • 3Н₂O + Na₂CO₃ и гидроксид алюминия выпадает в осадок.

Далее проводят те же технологические операции, что и в способе Байера: отделение Al₂O₃ • 3Н₂O от раствора и кальцинацию — обезвоживание гидроксида алюминия прокали­ванием в трубчатых печах с получением глинозема Al₂O₃.

Примерный расход материалов на получение 1 т глино­зема, т: боксита 3,2—3,6; известняка 1,35; извести 0,025; кальцинированной соды 0,19; условного топлива 1,1—1,2; электроэнергии

Получение глинозема из нефелинов

Нефелиновый концент­рат или руду и известняк после дробления размалывают в водной среде, получая пульпу для спекания. В связи с наличием в составе нефелина щелочей не требуется добавок в шихту соды.

Спекание производят в отапливаемых трубчатых вращаю­щихся печах диаметром 3—5 и длинрй до 190 м; пульпу зали­вают в печь со стороны выхода газов, где температура рав­на 200—300 °С, а в разгрузочном конце она достигает 1300 °С. В процессе нагрева нефелин взаимодействует с известняком:

В результате этой реакции входящие в состав нефелина Na₂O и К₂O обеспечивают перевод глинозема в водораствори­мые алюминаты, а СаО связывает кремнезем в малораствори­мый двухкальциевый силикат. Получаемый спек охлаждают в холодильниках и дробят.

Выщелачивание нефелинового спека совмещают с его раз­молом и проводят в шаровых или стержневых мельницах в среде горячей воды со щелочным раствором, получаемым пос­ле карбонизации. В процессе выщелачивания алюминаты раст­воряются в воде и остается известково-кремнистый шлам (называемый белитовым), который идет на производство це­мента.

Обескремнивание алюминатного раствора проходит в две стадии. Первую проводят в автоклавах в течение 1,5—2 ч при температуре 150—170 °С; при этом в осадок выпадают содержащие кремнезем алюмосиликаты, этот осадок (белый шлам) идет в шихту для спекания.

Алюминатный раствор после первой стадии обескремнивания делят на две части. Одну часть далее подвергают кар­бонизации (так, как при переработке бокситов) с последую­щей декомпозицией, после чего получают в осадке гидроок­сид алюмния и содощелочной раствор, идущий на выщелачива­ние спека.

Вторую часть алюминатного раствора дополнительно обескремнивают в мешалках с добавкой извести при

95 °С в течение 1,5—2 ч. При этом в осадок выпадает известково­силикатный шлам и обеспечивается глубокое обескремнивание алюминатного раствора. Затем этот раствор подвергают кальцинации, получая в осадке гидроксид алюминия и глубо­ко обескремненный содовый раствор, из которого далее в содовом цехе получают поташ (К₂СО₃) и кальцинированную соду (Na₂СO₃); глубокое обескремнивание необходимо для получения этих товарных продуктов.

Кальцинация. Гидрооксид 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.

Примерный расход материалов на получение 1 т глинозема из нефелинов, т: нефелина 4; известняка 7; извести 0,1; условного топлива 1,5; электроэнергии

1000 кВт • ч. При этом получают около 1 т содопродуктов и до 10 т цемента.

Источник