Щелочные способы получения глинозема

Оглавление.

      Введение  ……………………………………………..…..…………………....    3

   1. Основы глинозёмного  производства ………………………. ………….    3

                  

        1.1. Щелочные способы производства  глинозёма ……………………...    3

              1.2. Аппаратурно-технологическое оформление процесса спекания …    4

                  

      2. Особенности тепловой  работы печи …………………………………...    5 

              2.1. Основные химические реакции  процесса спекания ……………….    6

             

      3. Устройство и работа  вращающихся печей ………………………..…..    7 

      4. Расчёт горения  топлива ………………………………………………….  12 

      5. Технологический  расчёт ………………………………………………..... 13 

      5.1. Материальный баланс ……………………………………………….. 13

      5.2. Расчёт вращающейся печи ………………………………………….. 16

      5.3. Тепловой баланс печи ………………………………………………. 20 

      6. Очистка отходящих  газов от пыли ……………………………...………. 22 

      Список  литературы ………………………………………………………….. 24 

      Спецификация ………………………………………………………………...25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

     Al – один из наиболее распространённых элементов в природе, по содержанию в земной коре он уступает только кислороду и кремнию. (7.45 %).

     Впервые металлический алюминий  получил датский физик Г. Эрени  в 1825 году, восстановив хлористый  алюминий амольгамом калия.

     Быстрое развитие производства  алюминия во всём мире обусловлено весьма ценными свойствами этого металла: малая плотность, высокая электропроводность, пластичность, устойчивость к коррозии.

     Важнейшие области применения  алюминиевых сплавов – машиностроение, электромеханическая, автомобильная, химическая, металлургическая промышленность, водный и железнодорожный транспорт и т.д. Алюминий заменяет многие ценные металлы, особенно медь на ЛЭП и в производстве разнообразной аппаратуры. В качестве заменителя свинца применяется при производстве защитных оболочек кабелей, тюбиков и др.

     Промежуточный продукт при получении  алюминия – глинозём.

     Из различных алюминиевых руд  глинозём можно получить либо  щелочным, либо кислотным способами,  вследствие  наличия у него  аморфных свойств. В промышленности  на сегодняшний момент применяются только щелочные способы, кислотные и кислотно-щелочные способы находятся на стадии разработки.

     Промышленные щелочные способы  производства глинозёма из бокситов, нефелинов и алунитов подразделяют  на: гидрохимический (способ Байера), способ спекания, комбинированный способ – сочетание способа Байера со способом спекания в последовательном или параллельном варианте.

    Выбор способа переработки бокситов  определяется следующими факторами:  кремневым модулем, содержанием оксида железа III, содержанием вредных примесей: карбонатов, сульфидов, органических веществ, минералогическим составом сырья. 
 

1. Основы  глинозёмного производства.

 

     Производство алюминия начинается с производства глинозёма. Глинозём – Al₂O₃ белое кристаллическое вещество. Известен в виде двух модификаций альфа (корунд) и гамма глинозёма. Корунд встречается в горных породах в виде бесцветных кристаллов. Однако чаще всего природный корунд загрязнён магнетитом, гематитом, кварцем и др. Кристаллы альфа Al₂O₃ окрашены в красный цвет (рубин), в синий (сапфир), являющихся драгоценными минералами. Глинозём гамма модификации в природе не встречается и образуется при обезвоживании гидроокисей в температурном интервале 500 – 900 градусов Цельсия. При нагревании от 900 – 1200 он превращается в альфа Al₂O₃. 

1. Щелочные  способы производства глинозёма.

 

     Способы получения глинозёма,  заключающиеся в обработки руды  щелочами, связывающими глинозём  в растворимый алюминат натрия, наиболее просты и экономичны. Для перевода глинозёма в алюминат натрия руду непосредственно обрабатывают щёлочью (способ Байера), либо спекают с солями щелочных и щелочноземельных металлов, получая твёрдые алюминаты, которые затем выщелачивают водными растворами.

   Способ  спекания применяется для переработки высококремнистого боксита. Приготовленная шихта из тонко измельчённого боксита, известняка, соды, оборотных продуктов нагревается и спекается при температуре 1100-1300 ⁰С в трубчатых вращающихся печах. Полученный спёк в виде кусков различного размера и определённого минералогического состава обрабатывается оборотными щелочными растворами слабых концентраций или водой  для перевода глинозёма и щелочей в алюминатный раствор. После очистки раствора от твёрдых примесей и кремнезёма его разлагают методом карбонизации или декомпозиции для получения в осадке гидроокиси алюминия. Гидроокись алюминия после промывки и фильтрации направляется на кальцинацию при высокой температуре в трубчатых вращающихся печах. После охлаждения глинозём отправляется потребителю.

 

2. Аппаратурно-технологическое оформление процесса спекания.

 

Принципиальная  аппаратурно-технологическая схема  процесса спекания бокситов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1. Аппаратурно-технологическая  схема: 

1.  устройство  для подачи шихты;
2. вращающаяся печь;
3. горячая головка печи;
4. топливосжигающие устройство;
5. секционный питатель;
6. пылевой бункер;
7. вентиляторы первичного воздуха;
8. вентилятор горячего воздуха;
9. циклон;
10. нанос для возврата уловленной пыли;
11. отводящий водосборник;
12. водяной коллектор;
13. барабанный холодильник;
14. конвейер для транспортировки спёка;
15. холодная головка печи;
16. батарейный циклон;
17. дымосос;
18. электрофильтр;
19. элеватор возврата грубой пыли;

КВ  – компрессорный воздух;

В –  вода. 

     При спекании бокситов в шихте  содержится много свободной соды, приводящей к окомкованию материала при сушке, поэтому боксито-содо-известняковая шихта подаётся в печь через пульповую форсунку под большим давлением. Такая подача обеспечивает предварительную подсушку в газовом потоке капелек суспензии, которые подают на поверхность сухого материала и постепенно перемещающейся в зону высоких температур. 
 

2. Особенности тепловой работы печи.

 

     При движении шихты в рабочем пространстве печи навстречу горячим газам материал термически обрабатывается и образуется спёк, который поступает далее в холодильник.

     Нагрев материала производится  продуктами горения топлива, основное  требование к которому – низкое  содержание серы. С горячего конца  печи вдувается технологическая  пыль, поступающая через питатель  и служащая для регулирования температурного режима в зоне спекания.

     Из общего количества пыли 65 % образуется в цепной зоне на  участке подсушивания материала, 10 % - в зоне подогрева, 25 – 30 % в  зоне кальцинации. В цепной  зоне на участке влажного материала  50 % общего количества образовавшейся пыли задерживается. Примерно 25 % пыли, возвращается в горячий конец печи, осаждается в зоне спекания, 40 % в зоне кальцинации и около 30 % в цепной зоне.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2. Кривые изменения температуры газов (1) и  шихты (2) по длине печи. 

     В зависимости от температуры  горячих топочных газов, нагревающих  шихту, и изменений, происходящих  в шихте, печь по длине можно  разделить на четыре зоны (рис. 2.).

     Первая зона – сушки и обезвоживания  – в верхней части печи и  имеет температуру топочных газов 200 – 1250 ⁰С, шихты – от 20 до 700 ⁰С. В данной зоне удаляется вся влага.

    Вторая зона – кальцинации  (разложения) – имеет температуру  топочных газов 1250 – 1400 ⁰С и шихты от 700 до 1000 ⁰С. В этой зоне происходит полное разложение СаСО₃.

     Третья зона – спекание –  имеет наивысшую температуру   газов 1600 – 1650 ⁰С  и температуру шихты 1200 – 1250 ⁰С. Здесь завершается процесс спекания и полностью разлагается Na₂CO₃. Эта зона находится в пределах факела горения топлива.

     Четвёртая зона – охлаждения  – расположена в самой нижней  части печного барабана, за огневым  факелом. Здесь температура составляет 1500 – 1550 ⁰С, а у шихты 110 ⁰С. Спёк  поступает в холодильник через бункер, и он охлаждается до 60 –70 ⁰С.

    Процесс спекания характеризует температура отходящих газов, состав данных газов, движение материалов в печи и внешний вид, получаемого спёка. При нормальной работе температура отходящих газов в борове печи 180 – 200 ⁰С, что обеспечивает правильный режим спекания.

В отходящих  газах количество СО и О₂ не должно превышать 0.4 – 0.6 %, а СО₂ должно быть в пределах 25 – 27 %. 

1. Основные  химические реакции  процесса спекания.

 

    Спекание – важнейшая операция  в технологической схеме сухого  щелочного способа. При проведении этой операции необходимо создать такие условия, которые способствовали бы образованию растворимых соединений алюминия, сводили бы к минимуму возможность перехода в раствор кремнезёма, а также исключили бы протекание реакций, вызывающих потери Al₂O₃ и щёлочи с красным шламом.

    В процессе спекания участвуют  Al₂O₃, Na₂O, Fe₂O₃, SiO₂, CaO, а также TiO₂, и примеси некоторых силикатов. При нагреве до 550 ⁰С происходит обезвоживание гидроокиси алюминия, входящей в состав боксита. При температурах выше 700 ⁰С две параллельные реакции: взаимодействие окиси железа с содой и окиси алюминия с содой. Причём сначала преобладает первая реакция, при повышение же температуры до 900 ⁰С начинается образование алюмината натрия  в результате прямого вытеснения окисью алюминия окиси железа из феррита натрия. Образование алюмината завершается при температуре 1150 ⁰С.

    При температуре 800⁰С энергично протекает реакция между кремнезёмом и содой с образованием силиката натрия, который с повышением температуры до 1200 ⁰С взаимодействует с алюминатом  натрия, давая алюмосиликат натрия. Однако в присутствии извести большая часть его разлагается.

    В температурном интервале 1000 – 1100⁰С при малых количествах соды в шихте оксид алюминия взаимодействует с оксидом кальция, образуя метаалюминат кальция, оксид кальция взаимодействует с оксидом железа (3), что приводит к образованию некоторых количеств феррита кальция.

    При температуре 1100⁰С начинается реакция между оксидом кальция и кремнезёмом, в результате которой при дальнейшем нагревании образуется двукальциевый силикат.

     Спёк при температуре 1200⁰С, состоит из метаалюмината натрия Na₂O*Al₂O₃, метаферррита натрия Na₂O*Fe₂O₃ и двукальциевого силиката 2CaO*SiO₂. Количество соды в шихте должно обеспечивать превращения всех окислов в соответствующие метасоединения. На практике соду вводят в шихту с избытком (около 5 %).

      Соотношение компонентов будет  следующим:

                  1 молекула Na₂CO₃ на 1 молекулу Al₂O₃;

                  1молекула Na₂CO₃ на 1 молекулу Fe₂O₃;

                  2 молекулы Na₂CO₃ на 1 молекулу SiO₂;

     Шихта, в которой количество  соды берётся из расчёта полного  связывания глинозёма с окисью  железа в алюминат и феррит  натрия, называется сиехиометрически  насыщенной содо-известковой шихтой. Если количество соды в шихте  не обеспечивает полного превращения в алюминат и феррит натрия глинозёма и окиси железа, то это ненасыщенная шихта. Преимущество насыщенной шихты перед не насыщенной – в наиболее полном превращении глинозёма в алюминат натрия, в большем диапазоне спеккообразования (150 – 200 ⁰С) и в получении пористого спёка. Однако при выщелачивании спека, полученного из ненасыщенной шихты, потери щёлочи будут ниже.