Создание эффективной химико-технологической схемы (ХТС) производства алюминия

24

Создание эффективной химико-технологической системы

производства алюминия

ВВЕДЕНИЕ

Впервые металлический алюминий был получен в 1825 году Эрстедом химическим методом восстановлением хлорида алюминия амальгамой калия. В 1856 году этот метод был усовершенствован, и алюминий стали получать восстановлением двойной соли металлическим натрием. Н.Н. Бекетов в 1865 году предложил метод получения алюминия восстановлением криолита магнием. Производство алюминия химическим методом просуществовало до 1890 года, и за 35 лет его использования было получено всего около 200 тонн алюминия.

В 1886 году Н. Эру во Франции и Ч. Холи в США разработали метод производства алюминия электролизом расплава глинозема в криолите, который до настоящего времени является единственным методом промышленного производства алюминия.

Теоретической основой производства явились исследования отечественных ученых (конец XIX - начало XX вв.) П.П. Федотьев изучил и разработал теоретические основы электролиза системы "глинозем - криолит", в том числе растворимость алюминия в электролите, анодный эффект и другие условия процесса. В 1882 - 1892 гг. К.И. Байер разработал "мокрый" метод получения глинозема выщелачиванием руд, а в 1895 году Д. Н. Пеняков предложил метод производства глинозема из бокситов спеканием с сульфатом натрия в присутствии угля. А.И. Кузнецов и Е.И. Жуковский разработали в 1915 году способ получения глинозема методом восстановительной плавки низкосортных алюминиевых руд.

Алюминий относится к числу важнейших легких цветных металлов. По масштабам производства и потребления он занимает второе место среди всех металлов (после железа) и первое место среди цветных металлов. Поэтому в цветной металлургии производство этого металла выделено в отдельную специализированную подотрасль "Алюминиевая промышленность", включающую добычу сырья для алюминиевой промышленности, производство алюминия, глинозема и фтористых солей.

Алюминий - твердый серебристо-серый металл. Легко поддается ковке, прокатке, волочению и резанию. Пластичность алюминия возрастает с повышением его чистоты. Плотность алюминия , температура плавления 660,2°С, температура кипения 2520°С. В расплавленном состоянии жидкотекуч и легко поддается литью.

Алюминий имеет высокие тепло- и электропроводность, которые зависят от его чистоты. Для алюминия высокой чистоты электропроводность составляет 65% от электропроводности меди.

Алюминий химически активен, легко окисляется кислородом воздуха, образуя прочную поверхностную пленку оксида , что обуславливает его высокую коррозионную стойкость. В мелкораздробленном состоянии при нагревании на воздухе воспламеняет и сгорает. Алюминий реагирует с серой и галогенами. При нагревании образует с углеродом карбид и с азотом нитрид . Как амфотерный металл алюминий растворяется в сильных кислотах и щелочах. Нормальный электродный потенциал алюминия равен 1,66 В при рН< 7 и 3,25 при рН>7.

Вследствие комплекса ценных свойств (малая плотность, пластичность, высокие тепло- и электропроводность, нетоксичность, немагнитность, коррозионная стойкость в атмосфере), а также недефицитности сырья и относительно низкой стоимости. Алюминий в чистом виде и в сплавах широко применяется в различных отраслях техники и народного хозяйства.

Алюминий высокой степени чистоты используют в ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, для изготовления отражающих поверхностей рефлекторов и зеркал. В металлургической промышленности алюминий применяется в качестве восстановителя при получении ряда металлов, раскисления стали, для сварки деталей.

Алюминий используют главным образом для получения алюминиевых сплавов. Покрытия из алюминия наносят на стальные изделия для повышения их коррозионной стойкости.

Алюминий - в виде порошка и гранул - раскислитель чугуна и стали, восстановитель оксидов при получении металлов и сплавов методом алюмотермии, компонент твердых ракетных топлив, пиротехнических составов. Алюминиевая пудра и паста - пигменты лакокрасочных материалов; пудра используется также как газообразователь в производстве ячеистых бетонов.

В строительстве и транспортном машиностроении расходуется приблизительно по 24% чистого алюминия и его сплавов, в производстве упаковочных материалов и консервных банок - около 17%, в электротехнике - около 10%, в производстве потребительских товаров - около 8%.

1. ОБОСНОВАНИЕ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ХТС

1.1 СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Алюминий входит в состав многих металлов, однако в качестве алюминиевых руд используются только бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Они различаются составом и концентрацией оксида алюминия. Важнейшей алюминиевой рудой являются бокситы, содержащие гидратированный оксид алюминия . В зависимости от степени гидратации алюминиевый компонент в бокситах может находиться в форме диаспора (или ) или в форме гидроаргелита (или ). Помимо оксида алюминия в состав бокситов входит оксид кремния и различные соединения железа, кальция и магния. Основная характеристика бокситов, от которой зависит выбор метода их переработки - отношение содержания в них оксида алюминия к содержанию оксида кремния . Для бокситов, используемых в алюминиевой промышленности, модуль должен быть не ниже 2,6; для бокситов среднего качества он составляет 5-7, чему соответствует содержание оксида алюминия 46-48%.

Нефелины представляют собой сложную тройную соль состава и входят как составная часть в апатит-нефелиновую руду, содержащую кроме нефелина апатит . Для производства алюминия используют нефелиновый конденсат с содержанием оксида алюминия 20-30%.

Алуниты представляют двойную основную сернокислую соль алюминия и калия состава . Содержание оксида алюминия в алунитах не превышает 20%.

1.2 ОБЩАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ

Технология получения металлического алюминия из руд очень сложна и состоит из четырех производств, связанных между собой технологической цепочкой и производными продуктами. Она включает:

- производство глинозема;

- производство фтористых солей и криолита;

- производство угольных изделий (электродов и блоков футеровки);

- производство электролитического алюминия.

Основными производствами, составляющими технологическую цепочку

Руда Глинозем Алюминий,

являются производства глинозема и алюминия. Территориально они обычно разделены. Вследствие высокой энергоемкости процесса электролитического восстановления алюминия алюминиевые заводы располагаются в районах с дешевой электроэнергией ГЭС. Производства глинозема, наоборот, базируются в местах добычи алюминиевых руд с тем, чтобы сохранить расходы на перевозку сырья.

Производство фтористых солей и криолита ставит целью получение растворителя для глинозема и добавок, снижающих температуру плавления электролита.

Организация отдельного производства угольных изделий вызвана тем, что в процессе электролиза угольные аноды и футеровка электролизеров расходуются и требуют непрерывного пополнения.

24

Рис. 4.1. Принципиальная схема производства алюминия.

1.3 ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА

Исходный материал для электролитического производства алюминия - это чистый оксид алюминия - глинозем. Для выделения глинозема из алюминиевых руд его переводят в растворимую соль (алюминат натрия), которую отделяют от остальных компонентов руды, осаждают из ее раствора гидроксид алюминия и кальцинацией последнего получают глинозем.

Метод выделения глинозема из руды зависит от ее состава. Эти методы подразделяются на химико-термические (пирометаллургические), кислотные и щелочные (гидрометаллургические). К пирометаллургическим методам относится метод спекания; к гидрометаллургическим методам - щелочной метод Байера.

МЕТОД БАЙЕРА (мокрый метод, метод выщелачивания) является наиболее распространенным методом производства глинозема. В основе метода лежит обратимый процесс взаимодействия гидратированного оксида алюминия с водным раствором гидроксида натрия с образованием алюмината натрия. Метод применяется для выделения глинозема из бокситов с малым (менее 5%) содержанием оксида кремния. При большем содержании метод становится экономически невыгодным вследствие высокого расхода дорогой щелочи на взаимодействие с оксидом кремния.

МЕТОД СПЕКАНИЯ. В основе лежит процесс образования алюминатов натрия в результате взаимодействия при высокой температуре оксида алюминиевой руды с карбонатами металлов, с последующим выщелачиванием алюминатов водой и разложением их оксидом углерода (IV).

Процесс производства глинозема методом спекания универсален и пригоден для переработки всех видов алюминиевого сырья. На практике его применяют для нефелинов и бокситов с высоким (более 5%) содержанием оксида кремния.

При рассмотрении этих методов получения глинозема был выбран метод Байера, так как он является основным и наиболее распространенным методом производства глинозема.

Процесс выделения глинозема по методу Байера состоит из следующих операций:

1. Дробление боксита и мокрый размол его в среде оборотного щелочного раствора с образованием пульпы.

2. Выщелачивание оксида алюминия оборотным раствором гидроксида натрия по реакциям:

 (диаспор)

(гидроаргелит)

Одновременно протекает реакция образования силиката натрия, на что расходуется часть реакционной щелочи:

Выщелачивание представляет гетерогенный процесс насыщения водного щелочного раствора оксидом алюминия, скорость которого зависит от дисперсности твердой фазы, концентрации раствора гидроксида натрия и температуры. Режим процесса выщелачивания определяется степенью гидратации оксида алюминия в боксите: диаспор выщелачивают при 240°С и р=3МПа; гидроаргелит - при 100°С и р=0,1МПа. Степень извлечения оксида алюминия достигает 0,92% за три часа и в дальнейшем практически не изменяется; концентрация гидроксида натрия в растворе щелочи при этом падает.

3. Разбавление-самоочищение при добавлении к пульпе воды с образованием нерастворимого гидратированного алюмината натрия:

В результате этой реакции часть алюминиевого компонента теряется, при этом тем больше, чем выше содержание оксида кремния в боксите. Осадок алюмосиликата, окрашенный оксидом железа (III) в красно-бурый цвет, получил название красного шлама.

4. Фильтрование раствора алюмината натрия, отделение и промывка красного шлама.

5. Декомпозиция раствора алюмината натрия при понижении температуры и интенсивном перемешивании пульпы:

Декомпозиция - это самопроизвольный протекающий процесс гидролиза алюмината натрия. Он ускоряется введением кристаллического гидроксида алюминия, что одновременно способствует образованию крупных кристаллов гидроксида алюминия за счет создания в системе центров кристаллизации.

6. Сгущение пульпы с последующим отделением гидроксида алюминия на вакуум-фильтре и классификация полученного продукта с выделением основной фракции.

7. Упаривание маточного раствора до образования оборотного щелока и его подкрепление гидроксидом натрия.

8. Каустификация образовавшегося карбоната натрия гидроксидом кальция и возвращение образовавшегося белого шлама в технологический процесс:

9. Кальцинация гидроксида алюминия при 1200°С:

Полученный по методу Байера глинозем представляет смесь -модификации (корунд) и -модификации оксида алюминия. Технический продукт представляет белое кристаллическое вещество и выпускается нескольких марок, различающихся чистотой. Наиболее вредными примесями в глиноземе являются оксид кремния, оксид железа (III) и оксид титана (IV).

24

Рис. 4.2. Принципиальная схема производства глинозема по методу Байера

Из принципиальной схемы процесса следует, что в методе выщелачивания Байера осуществляется замкнутый технологический цикл щелочи. Щелочь, затраченная на выщелачивание оксида алюминия из боксита, регенерируется на стадиях декомпозиции и каустификации и возвращается в процесс на обработку новых порций боксита. Таким образом, в методе Байера реализуется принцип организации малоотходного производства.

1.4 ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Единственным промышленным методом получения металлического алюминия из его оксида является электролиз его расплава.

Температура плавления чистого оксида алюминия в его -модификации, устойчивой выше 900°С, равна 2053°С. Электролиз его расплава связан с весьма высоким расходом электроэнергии на расплавление и поддержание высокой температуры ванны и приводит к низкому выходу по энергии. Поэтому в производстве алюминия применяют не чистый оксид алюминия, а систему, состоящую из оксида алюминия и криолита , то есть криолит-глиноземный расплав.

Криолит плавится при 1100°С. Он образует с оксидом алюминия при содержании последнего около 15% мас. эвтектику с температурой плавления 938°С. Дальнейшее увеличение содержания глинозема в расплаве приводит к резкому повышению температуры плавления системы.

Для снижения температуры плавления электролита, увеличения его электропроводности, улучшения смачиваемости им анода в расплав вводятся добавки фторидов алюминия, магния, лития и кальция. Промышленный электролит имеет состав:

Страницы: 1, 2