Декомпозиция алюминатных растворов

1. Декомпозиция алюминатных растворов

Декомпозиция (или выкручивание) представляет собой процесс самопроизвольного разложения алюминатного раствора с выделением в осадок гидроксида алюминия:

NaA1O2+2H2O⇆Al(OH)3+ NaOН

Чтобы эта реакция шла слева направо, необходимо алюминатный раствор перевести в область пересыщенных глиноземом растворов, что достигается разбавлением автоклавной пульпы после выщелачивания и снижением температуры раствора.

По мере разложения раствор приближается к равновесному состоянию и при достижении этого состояния его разложение прекращается. На практике процесс декомпозиции прекращают значительно раньше, так как разложение раствора по мере приближения к равновесному состоянию все более и более замедляется.

Для ускорения декомпозиции применяют затравку, которая представляет собой гидроксид алюминия, полученный в предыдущем цикле. Затравку вводят в алюминатный раствор для создания в нем центров кристаллизации.

Каустический модуль раствора при декомпозиции непрерывно возрастает, и по величине изменения этого модуля во времени сулят о скорости разложения алюминатного раствора, а но конечному модулю раствора — о глубине его разложения. Скорость разложения раствора определяет продолжительность процесса декомпозиции, глубина разложения – выход глинозема при декомпозиции. Под выходом глинозема при декомпозиции (степенью 
разложения раствора) понимают выраженное в процентах отношение количества глинозема, выпавшего в осадок, к количеству глинозема, содержащемуся в исходном растворе. Выход глинозема при декомпозиции (b, %) можно определить, зная каустические  
модули исходного алюминатного раствора (αа) и конечного маточного раствора (αм) по формуле:

Выход глинозема при декомпозиции составляет 40—55 %, т. е. только примерно половина глинозема переходит из раствора п осадок, а остальной глинозем остается в маточном растворе н является оборотным. 13 зависимости от концентрации каустический модуль конечного раствора составляет 3,1—3,7, что на 0,7—1 ед. ниже равновесного каустического модуля.

Кроме достаточно высокой скорости декомпозиции н глубины разложения алюминатного раствора, условия декомпозиции должны обеспечивать получение гидроксида алюминия определенной крупности и с минимальным содержанием примесей. Механизм образования н роста кристаллов гидроксида алюминия при декомпозиции окончательно не выяснен. Ряд исследователей рассматривают декомпозицию как гидролиз алюмината натрия с последующей кристаллизацией выделяющегося гидроксида алюминия. Другие исследователи считают, что при декомпозиции происходит распад комплексных анионов Аl(ОН)4— или А1(ОН)6— (в виде которых глинозем находится в растворе), а затем полимеризация остатков распада, приводящая к образованию гидроксида алюминия.

Кристаллооптические исследования показывают, что продуктом разложения алюминатных растворов является гидраргиллит в виде зерен сферолитоподобного (шарообразного) строения. Эти зерна состоят из деформированных кристаллов, расположенных радиально вокруг начальных центров кристаллизации. Такими центрами являются частицы затравки. Кроме того, в процессе разложения появляются новые центры кристаллизации в результате 
гидролитического разложения алюмината натрия, а также разрушения зерен гидроксида и отщепления от них мельчайших частиц.

С понижением температуры раствор становится все более пересыщенным и выход глинозема, который можно достичь при его разложении, увеличивается. Однако понижение температуры вызывает образование мелкозернистого гидроксида алюминия, который плохо фильтруется и отмывается от щелочи, а полученный из 
него глинозем сильно пылит при кальцинации, что приводит к его потерям. На практике разложение алюминатного раствора ведут при постепенно понижающейся температуре, что даст возможность получить осадок необходимой крупности при достаточно высоком выходе глинозема и заданной продолжительности процесса декомпозиции. На рис. 28 показаны кривые изменения температуры раствора и степени его разложения в зависимости от продолжительности декомпозиции (з.о.=2,3; αобщ=1,94; Na2O==163 г/л).

Каустический модуль алюминатного раствора при прочих равных условиях характеризует степень его насыщения глиноземом:

чем меньше каустический модуль раствора, тем более он насыщен глиноземом. Поэтому с уменьшением исходного каустического модуля раствора скорость его разложения, а также степень разложения увеличиваются.

Поэтому при снижении концентрации раствора скорость его разложения увеличивается. Однако при снижении концентрации раствора уменьшается производительность аппаратуры для разложения (декомпозеров).

Большое влияние на скорость декомпозиции и крупность получаемого гидроксида алюминия оказывает количество и качество затравки. Количество поступающей на декомпозицию затравки характеризуют затравочным отношением, под которым понимают отношение количества глинозема в затравке к его количеству в исходном алюминатном растворе (по массе). Качество затравки характеризуется прежде всего удельной поверхностью затравочного гидроксида, которая зависит от его крупности п формы частиц.

С увеличением затравочного отношения, а также удельной поверхности затравки возрастает число центров кристаллизации и их суммарная поверхность, при этом скорость разложения раствора повышается. Однако с ростом затравочного отношения возрастает нагрузка на оборудование —декомнозеры, сгустители, фильтры. Кроме того, вместе с затравкой на декомпозицию поступает некоторое количество маточного раствора, имеющего высокий 
каустический модуль. При смешении с затравкой каустический модуль алюминатного раствора повышается, что приводит к снижению скорости декомпозиции и степени разложения раствора.

Свежеосажденный гидроксид алюминия как затравка значительно активнее, чем старый. На практике в качестве затравки применяют оборотный гидроксид алюминия, в котором наряду со свежеосажденным присутствует гидроксид, полученный в предыдущих циклах н обладающий меньшей активностью по сравнению 
со свежеосажденным. На большинстве заводов применяют высокие затравочные отношения, достигающие 4 — 4,5, что наряду с достаточно высокой скоростью декомпозиции способствует стабилизации качества гидроксида алюминия по крупности. Высокие затравочные отношения наиболее целесообразны при декомпозиции растворов повышенной концентрации Al2O3 .

В поступающем на декомпозицию алюминатном растворе всегда присутствуют примеси кремнезема, органических веществ, соды и др. В присутствии кремнезема увеличивается стойкость алюминатного раствора и, следовательно, снижается скорость его разложения. Кроме того, кремнезем загрязняет выделяющийся при декомпозиции гидроксид алюминия. Интенсивное выделение кремнезема в осадок наблюдается из раствора с кремневым модулем меньше 100. Поступающий на декомпозицию раствор обычно имеет кремневый модуль 250—300.

Присутствие органических веществ в растворе также нежелательно, так как они снижают скорость разложения и замедляют рост кристаллов гидроксида. Сода (Na2Oy) при содержании ее в растворе до 30 г/л практически не оказывает влияния на скорость и степень разложения раствора при декомпозиции. В присутствии сернокислых солей натрия и калия, а также сернистого натрия Na2S н .хлор-нона скорость разложения алюминатного раствора уменьшается.

Установлено, что скорость разложения алюминатных растворов резко возрастает при добавке сухих солей алюминия, коллоидного гидроксида алюминия, байерита и ряда других веществ, но при этом значительно увеличивается количество тонких фракций в получаемом гидроксиде, поэтому промышленного применения эти добавки не нашли.

Интенсивность перемешивания при декомпозиции мало влияет на разложение раствора. Перемешивание необходимо в основном для предупреждения осаждения гидроксида при декомпозиции и поддержания его во взвешенном состоянии.

Декомпозиция — это сложный процесс, па который, как мы видели, оказывает влияние целый ряд факторов, что необходимо иметь в виду при выборе оптимальных условий разложения н аппаратурно-техиологической схемы процесса. Однако одновременно необходимо учитывать влияние этих факторов и на другие переделы способа Байера — сгущение и промывку гидроксида, выпарку.

При указанных показателях декомпозиции получается глинозем мучнистого типа. Глинозем песчаного типа, получаемый на американских заводах, выделяют из растворов пониженной концентрации (Al2O3 90—120 г/л) и с низким каустическим модулем (1,5—1,6). Начальная температура разложения порядка 75 °С, 
затравочное отношение не выше 1,5. Применение такой технологии возможно только при переработке легко вскрывающихся гиббситовых бокситов, для выщелачивания которых не требуются оборотные щелочные растворы высокой концентрации.

Аппаратурно-технологическая схема декомпозиции люминатный раствор охлаждается в пластинчатом теплообменнике (рис. 31) до температуры начала декомпозиции и поступает в головной аппарат батареи непрерывно работающих декомпозеров, сюда же подается затравочный гидроксид. По мере движения от головного декомиозсра к хвостовому алюминатный раствор разлагается и охлаждается. Охлаждение достигается с помощью водяных теплообменников и вытяжных труб, которыми 
оборудованы декомпозеры, а также за счет потерь тепла через стенки декомнозеров. Из хвостового дскомнозсра батареи пульпа поступает на дальнейшую переработку.

Рис.1. Схема декомпозиции:1- пластинчатый теплообменник; 2- декомпозеры

Рассмотренная схема декомпозиции называется непрерывной.

На некоторых зарубежных заводах применяются декомнозсры периодического действия. Непрерывная декомпозиция имеет определенные преимущества перед периодической, основные из которых—более простое обслуживание декомнозсров п повышение их производительности за счет ликвидации операции периодической 
загрузки н разгрузки, а также более легкая автоматизация процесса. Существенный недостаток непрерывной декомпозиции состоит в том, что исходный алюмпнатпый раствор, наступающий в головной дскомпозер, смешивается в нем с раствором, который частично уже разложился и имеет более высокий каустический модуль. Это снижает скорость разложения раствора.

2. Факторы, влияющие на процесс декомпозиции

1) температурный режим  декомпозиции; 
2) каустические модули исходного и конечного алюминатного раствора; 
3) продолжительность процесса декомпозиции; 
4) концентрация исходного алюминатного раствора; 
5) пересыщение раствора; 
6) количество и качество затравки; 
7) вторичное зародышеобразование; 
8) растворимые примеси в алюминатном растворе; 
9) процесс агломерации; 
10) эффект модификатора роста кристаллов (МРК); 
11) перемешивание.

3. Устройство декомпозеров

Для циркуляции затравки в декомпозера служит, аэролифт (воздушный подъемник), состоящий из двух труб, вставленных одна в другую. По внутренней трубе в коническую часть дискомнозера, где оседающий гидроксид алюминия стекает к вершине конуса, подастся сжатый воздух, который, выходя из трубы, образует воздушно-пулыювую смесь. Имея меньшую плотность, чем пульпа, эта смесь поднимается по внешней трубе и выходит через верхний открытый конец.

Аэролифт устанавливают таким образом, чтобы верхний срез его находился на расстоянии 400—500 мм от крышки дскомпозера, а нижний заходил в его конусную часть. Аэролифт может быть закрыт сверху съемной крышкой. В этом случае в верхней части аэролифта предусматривается распределитель, состоящий из отводов, врезанных в трубу аэролифта, и распределяющих поднимающуюся пульпу по всему сечению декомпозера. Верхний конец внутренней (воздушной) трубы аэролифта соединен с коллектором сжатого воздуха, а нижний не доходит до нижнего среза аэролифта. Необходимое давление воздуха зависит от высоты декомпозера и плотности иульны н составляет 0,5—0,6 MПa.

Кроме циркуляционного аэролифта, имеется транспортный аэролифт, с номошыо которого осуществляется перетек пульпы из одного декомиозера в другой. Расход сжатого воздуха на перемешивающий и транспортный аэролифты 0,2—0,5 м3 * на 1 м3 пульпы. Чтобы сократи расход сжатого воздуха, вместо транспортного аэролифта применяют переток пульпы между декомпозерами самотеком по желобам, для чего устанавливают в батарее декомпозеры разной высоты. С этой же целью для декомпозеров одинаковой высоты применяют совмещение перемешивающего и транспортного аэролифтов с желобами между дскомиозерами.

Аэролифт для перемешивания, а часто н транспортный аэролифт имеют “водяную рубашку” в виде трубы, надетую на внешнюю трубу аэролифта. В кольцевом пространстве между трубами циркулирует охлаждающая вода.

При эксплуатации дскомнозеров регистрируют и контролируют расход алюминатного раствора и затравочной иульиы на каждую батарею, давление и расход воздуха, начальную и конечную температуру разложения, расход и температуру охлаждающей воды, каустический модуль алюминатного и маточного растворов, круп

После контрольной фильтрации алюмннатный раствор имеет температуру до 100 ºС. Для охлаждения его до температуры начала декомпозиции применяются пластинчатые теплообменники, 
вакуум-охладительные установки и скруббер-охладители. ность частиц гидроксида алюминия, содержание твердого в одном литре пульпы для каждого декомпозера, плотность пульпы. С учетом конкретных условии для каждого предприятия устанавливают нормативы удельного расхода воздуха и охлаждающей воды, затравочного отношения, степени разложения алюминатного раствора и удельной производительности декомпозеров.

Под удельной производительностью декомпозеров понимают количество оксида алюминия в килограммах (в пересчете на глинозем), получаемого за сутки рабочего времени с 1 м3объема декомнозеров. Эту величину обычно называют удельным съемом глинозема при декомпозиции. В зависимости от условии декомпозиции (степени разложения раствора, затравочного отношения, продолжительности процесса и др.) удельный съем глинозема па 
большинстве заводов составляет 15—20 кг/м3.сут). Широко применяют автоматическое управление декомпозицией, состоящее в стабилизации давления воздуха, поступающего в аэролифты, и температуры алюмннатпого раствора перед головными декомпозерами, поддержании соотношения потоков алюминатного раствора и затравочной пульпы (автоматическая дозировка затравки), а также уровня пульпы в декомнозерах.

В процессе работы стенки дскомпозеров, особенно конусной части, постепенно зарастают осадком гидроксида алюминия. Для очистки от осадков декомпозеры промывают оборотным щелочным раствором, в котором гпдроксид алюминия растворяется. Более интенсивно зарастают головные декомпозеры, которые приходится чистить примерно два раза в год, остальные декомпозеры чистят реже—один раз каждые 1—2 года.