» » Процесс Байера с точки зрения равновесных состояний в системе Na2O-Al2O3-H2O
24.04.2015

Физико-химической основой процесса Байера является диаграмма равновесных состояний системы Na2O—Al2O3—H2O (рис. 3).
В настоящее время известны изотермы равновесных состояний в указанной системе для 30, 60 и 95°, отвечающие равновесию с гидраргиллитом; для 150 и 200°, отвечающие равновесию с диаспором, и частично для 203 и 220°, отвечающие равновесию с бемитом. Возможно, что и для 200° равновесной фазой является диаспор. В области температур между 95 и 150° соответствующие изотермы еще не разрабатывались. Этот пробел до известной степени заполняют полученные разными авторами политермы растворимости окиси алюминия в растворах едких щелочей различных концентраций. По этим политермам можно заключить, что по крайней мере со 120° равновесной твердой фазой в присутствии едкой щелочи является бемит.
Процесс Байера с точки зрения равновесных состояний в системе Na2O-Al2O3-H2O

Согласно известным изотермам, растворимость окиси алюминия в растворах едкого натра сначала увеличивается по мере роста концентрации щелочи, проходит через максимум, а затем вновь снижается. Наличие максимума делит каждую изотерму на две ветви — левую, равновесной твердой фазой для которой является, в зависимости от температуры, гидраргиллит, бемит или диаспор, и правую, равновесной твердой фазой для которой является гидроалюминат натрия, а в области наиболее высоких концентраций щелочи — гидроокись натрия.
Непосредственное отношение к технологии производства глинозема имеют левые ветви кривых Концентрация в растворах, составы которых лежат над этими кривыми, превышает равновесную концентрацию. Растворы этой области должны с течением времени разложиться и, выделив избыток гидроокиси алюминия в осадок, прийти к равновесному состоянию. Растворы, составы которых лежат ниже равновесных кривых, не способны к самопроизвольному разложению. При перемешивании с гидроокисью алюминия они могут растворять ее в количестве, отвечающем состоянию насыщения.
В присутствии углекислого натрия растворимость Al2O3 в растворах едкой щелочи заметно возрастает. Так, интерполируя имеющиеся для 95° экспериментальные данные, получаем, что равновесный каустический модуль насыщенных по Na2Oy алюминатных растворов, содержащих 5, 10 и 15% Na2O15 (чему отвечает 8,0; 4,3 и 2,6% Na2Oy), составляет соответственно 1,81; 1,59 и 1,47 против 2,33; 1,92 и 1,66 для алюминатных растворов, не содержащих карбонатной щелочи.
Многоугольник АБВГДЕ1ЕЖ, на рис. 3 представляет собой графическое изображение цикла одного из промышленных вариантов процесса Байера. Здесь А—оборотный раствор после введения в него едкой щелочи для компенсации потерь (311 г/л, или 21,8% Na2Ок, αк=3,55); Б — раствор после выщелачивания (252 г/л, или 18,5% Na2ОK; αк=1,65); В — тот же раствор после разбавления конденсатом греющего пара, Г — алюминатный раствор, направляемый на выкручивание (120 г/л, или 9,7% Na2Oк; αк=1,65); Д — тот же раствор после смешения с маточным раствором, вносимым с затравочной пульпой, E — маточный раствор, полученный после выкручивания (αк=3,40); E1 — смесь маточного раствора с. промывными водами после промывки гидроокиси алюминия; Ж — тот же раствор после выпарки (300 г/л, или 21,1% Na2O15; αк=3,40). Температура выщелачивания 200°, температура выкручивания — начальная 60°, конечная 40°.
Поскольку состав оборотного раствора А расположен под изотермой 200°, раствор этот способен растворять Al2O3 при указанной температуре. В процессе выщелачивания состав раствора будет изменяться вдоль линии выщелачивания АБ до тех пор, пока не будет достигнут каустический модуль 1,65. Если выщелачиванию подвергается моногид ратный боксит, линия АБ должна быть направлена к точке на оси ординат, отвечающей соединению Al2O3*H2O (85% Al2O3).
В результате разбавления раствора состав его будет перемещаться вдоль луча постоянного каустического модуля 1,65 до тех пор, пока не будет достигнута концентрация В, а затем и Г.
В результате смешения с затравочной пульпой каустический модуль раствора Г несколько повысится за счет увлеченного затравкой маточного раствора. Состав раствора переместится поэтому в точку Д, расположенную на луче более высокого каустического модуля.
По отношению к изотерме 60° точка Д находится в области пересыщенных растворов. Раствор будет поэтому разлагаться при этой температуре, выделяя избыток в твердую фазу. Состав его будет перемещаться вдоль линии выкручивания ДЕ, направленной к точке Al2O3*ЗН2О на оси ординат до тех пор, пока не будет достигнут заданный конечный каустический модуль 3,40.
Смешение маточного раствора с промывными водами после промывки гидроокиси алюминия переместит раствор в точку E1, а выпаривание смеси маточного раствора с промывной водой — в точку Ж, расположенные на том же луче каустического модуля, в первом случае — в сторону меньших, во втором — в сторону более высоких концентраций.
После смешения со свежей каустической щелочью, вводимой для компенсации потерь, состав оборотного раствора переместится в точку А, на которой и заканчивается рассматриваемый цикл.
В основе обоих главнейших переделов способа Байера лежит, как следует из изложенного, одна и та же химическая реакция:
Al2O3 * nH2O + 2NaOH ⇔ 2NaAlO2 + (n + 1)H2O,

но идущая в условиях выщелачивания слева направо, а в условиях выкручивания — справа налево.
Приведенное уравнение дает представление о суммарном итоге соответствующих взаимодействий. В зависимости от имеющихся взглядов на природу алюминатных растворов и на состав и строение ионов, образующих эти растворы, различными авторами дается различная углубленная трактовка указанных взаимодействий.