Диплом выщелачивание боксита

     Сода      Боксит    Вода

       каустическая

           Грубое дробление

          Мокрый размол

                                         Выдержка сырой пульпы

 в сборниках

                               

      Нагревание  пульпы в 

         подогревателях

                                

 Выщелачивание

                Крепкая  пульпа

            Разбавление 1-я промвода

                   Сгущение

            алюминатный     сгущенный

       раствор      красный шлам

         1-я промывка 

            контрольная  1-я промвода   

       фильтрация       2-я промывка

      3-я промвода

  Декомпозиция     3-я промывка

                   4-я промвода

               4-я промывка

            5-я промвода

               5-я промывка

                                    шлам на спекание 
 

Рисунок 2. Принципиальная схема выщелачивания 

      Рыжую соду от упарки маточного раствора смешивают со шламом перед спеканием. При переработке красного шлама  спека-нием состав шихты должен быть таким, чтобы получить в спеке  алюминат натрия, двухкальциевый силикат и феррит натрия (кальция). Связывание окиси железа только в феррит натрия или в ферриты кальция зависит от содержания Fe₂O₃ в боксите. В этом процессе окись железа является каустифицирующим реагентом.

      Если  Fe₂O₃ в боксите (шламе) много, то часть Fe₂O₃ связы-вается в моно- или двухкальциевые ферриты, на что дозируют соответствующее количество известняка. В этом заключается прин-ципиальная особенность спекания красных шламов по сравнению со спеканием бокситов [9].

      Последовательный  вариант пригоден для переработки высо-кокремнистых бокситов и имеет следующие достоинства:

1. потери каустической щелочи возмещаются эквивалентным количеством соды;
2. высокое суммарное извлечение глинозема из сырья;
3. меньший поток шихты на спекание, чем при способе спекания боксита, так как большая часть глинозема из сырья извлекается в ветви Байера.

      Вместе  с тем этот вариант характеризуется  большими капи-тальными затратами на 1 т глинозема и может применяться  только для бокситов с умеренным  содержанием Fe₂O₃, так как высокое содержание окиси железа в красном шламе затрудняет и даже может сделать невозможным спекание шлама из-за легкоплавкости такой шихты [1].

3.6.1. Выщелачивание бокситов

 

      Боксит  перед выщелачиванием подвергают крупному дроб-лению на руднике и затем  усредняют, среднему и мелкому дроб-лению и мокрому помолу – на металлургическом заводе. Твердый боксит дробят на заводе в две-три стадии, а рыхлый – в одну-две стадии.

      Выщелачивание боксита должно осуществляться в  условиях максимального извлечения окиси алюминия в раствор при мини-мальных затратах. На скорость и степень выщелачивания бокситов оказывают влияние следующие основные факторы: температура, концентрация щелочи и каустический модуль оборотного раствора, крупность измельченного боксита, скорость перемешивания пульпы.

      Основным фактором, влияющим на этот процесс, является температура. Вскрытие гиббситовых бокситов с приемлемой для практики скоростью осуществляется в настоящее время при 95-100^о С.

      Легковскрываемые  гиббситовые бокситы измельчают перед выщелачиванием до крупности менее 0,2-0,5 мм (иногда до – 1 мм); трудновскрываемые измельчают до зерен менее 0,07-0,08 мм.

      Процесс выщелачивания в зависимости  от условий протекает в кинетическом и диффузионных областях [1].

      Выщелачивание – это процесс извлечения Al из боксита раст-вором щелочи с получением алюминатного раствора. Основная реакция выщелачивания получение алюминатного раствора. 

Al(OH)₃ + NaOH ––– NaAl(OH)₄ 
 

      Основная  примесь Fe. Соединение Fe, содержащееся в боксите, не взаимодействует с раствором щелочи и остается в твер-дом виде. Однако с повышением содержания железа в бокситах увеличивается количество воды, подаваемой на промывку красного шлама, что ведет к дополнительным потерям щелочи.

      Соединения  Si, содержащиеся в боксите, взаимодействуют с раствором щелочи с образованием силиката натрия. 

SiO₂ +2NaOH ––– Na₂SiO₃ + H₂O 

      В результате этой реакции кремний  переходит из боксита в раствор  загрязняя его. Образующийся силикат  натрия взаимо-действует с алюминатным  раствором с образованием мало раство-римого соединения гидроалюмосиликата натрия: 

2NaAl(OH)₄ +2Na₂SiO₃ ––– Na₂O + Al₂O₃ +

+ 2SiO₂ + 4 NaOH 

      Эта реакция называется обескремниванием раствора. В результате этой реакции  происходит очистка раствора от кремния, но в то же время теряется глинозем и щелочь.

      Карбонаты Са и Mg взаимодействуют с раствором щелочи с образованием кальцинированной соды. 

СаСО₃ +2NaOH ––– Na₂CO₃ + Ca(OH)₂

MgCO₃ +2NaOH ––– Mg(OH)₂ + Na₂CO₃ 

      Соединения  Ti, содержащиеся в боксите, взаимодействуют с раствором щелочи с образованием метатитаната натрия.

TiO₂ + NaOH ––– NaHTiO₃

      В бокситах содержится незначительное количество ценных металлов – галлия и ванадия. В бокситах галлий содержится в виде одноводного оксида. При взаимодействии с раствором щелочи образуется в  растворе галлат натрия.

      При разложении алюминатного раствора галлат натрия не разлагается, он накапливается в маточных и оборотных растворах. Эти растворы используются ХМЦ (химико-металлургическим цехом) для получения из них галлия. 

GaOOH + NaOH + H₂O ––– NaGa(OH)₄ 

      При производстве глинозема по способу Байера алюминатно-щелочной раствор проходит следующие основные переделы: выщелачивание, разбавление, декомпозицию и выпарку. На каждом переделе у алюминатных растворов изменяется температура, концентрация и иногда каустическое отношение, что существенно влияет на насыщенность их глиноземом и на стойкость. Умелое управление насыщением алюминатных растворов – важнейшее условие успешного ведения процесса производства глинозема [1].

      Линия выщелачивания или изменение  состава раствора изобразится прямой АВ (см. рис. 3).

      Линия разбавления: пульпа после выщелачивания  проходит через точки ВД. И она  охлаждается до 95^о С и разбавляется 1-й промывной водой – от промывки красного шлама. Стойкость алю-минатного раствора от этого уменьшается, так что возможно выде-ление из него Al(OH)₃ вследствие гидролиза. Линия разбавления является и линией постоянных каустических отношений. 

Na₂O, %

Рисунок 3 – Цикл способа Байера в системе

Na₂O – Al₂O₃ – H₂O 
 

      Линия разложения. На практике растворы обычно разлагаются до каустического отношения – 3,3, после чего маточный раствор направляют на выпарку. Следовательно, состав заводских маточных растворов находится на линии ДС. Раствор остается все время пере-насыщенным по отношению к равновесной концентрации Al₂O₃ при 30^о С, причем степень пересыщения тем больше, чем выше конеч-ная температура разложения.

      Линия выпарки. Для построения этой линии  важно, что при выпаривании изменяется только концентрация растворов, а каусти-ческое отношение остается постоянным. После  добавления свежей щелочи для возмещения ее потерь состав раствора будет соответ-ствовать точке А [9].

3.6.2. Обескремнивание  алюминатного раствора

 

      Условия выщелачивания боксита должны обеспечивать не только максимальное извлечение окиси  алюминия из сырья в алюминатный раствор, но и необходимую степень его обескремни-вания, чтобы получить в дальнейшем хорошего качества гидро-окись алюминия.

      При выщелачивании боксита кремнезем  переходит в раствор в виде силиката натрия, а затем осаждается в форме гидроалюмо-силиката натрия.

      Кривые  изменения содержания Al₂O₃ и SiO₂ в растворе (см. рис. 4) совсем не похожи одна на другую.

      Кривая  для Al₂O₃ сначала круто поднимается, поскольку глинозема больше всего растворяется за первый час варки, а через 2-3 ч его содержание в растворе становится почти постоянным. Содержание SiO₂ за первый час варки нарастает еще резче, чем Al₂O₃, но до некоторого максимума, а затем почти также быстро убывает, после чего кривая медленно приближается к горизонтали. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 4 – Изменение содержания Al₂O₃ (1) и SiO₂  
в растворе при выщелачивании боксита 

      По  достижении некоторой предельной метастабильной кон-центрации SiO₂ обескремнивание раствора идет значительно быст-рее растворения кремнезема, а к концу выщелачивания в растворе кремневый модуль ( _Si)увеличивается до 100-150, оставаясь в 1,5-2 раза меньше, чем допустимо для декомпозиции. При разбавлении пульпы растворимость алюмосиликата уменьшается и _Si повы-шается до 200-250 [1].

3.6.3. Отделение и промывка  красного шлама

 

      Пульпа  после выщелачивания бокситов разбавляется первой промводой от промывки красного шлама до концентрации Al₂O₃ 120-150 г/л. Разбавление необходимо для завершения обескремни-вания алюминатного раствора и снижения вязкости раствора до величин, обеспечивающих отделение красного шлама с приемли-мыми для практики скоростями.

      При переработке бокситов по последовательному  способу Байер-спекания красный  шлам сначала фильтруют, а затем  направ-ляют на спекание.

      Скорость  осаждения и фильтрации зависит  в основном от вязкости жидкой фазы (т.е. от температуры и концентрации) и от кристаллической структуры  шлама. Как правило, скорость возрас-тает с повышением содержания окислов  железа и снижается при увеличении содержания ГСН в шламе. Поэтому в большинстве случаев бокситы с большим кремневым модулем образуют после выщелачивания красные шламы с лучшими седиментационными свойствами.

      При прочих равных условиях гиббситовые  и гиббсит-беми-товые бокситы  дают более тонкое и лучше откристаллизованные шламы (особенно частицы ГСН). При медленном их отстаивании значительно снижается производительность передела, увеличива-ется число промывок и объем промывочной воды, а также теряется больше глинозема и щелочи с отвальным шламом.

      Тонкие  частицы красного шлама практически  не оседают без предварительной  их агрегации (флокуляции с образованием хлопьев). Для этого применяют  флокулянты: в основном ржаную муку.

      Очень сильно снижается скорость отстаивания (фильтрации) в присутствии в бокситах перита, сидерита и некоторых органичес-ких веществ. При повышенном их содержании шламы зависают и практически не отстаиваются. В таких случаях целесообразно применять предварительный обжиг боксита.