» » Аппаратурно-технологическое оформление способа Байера на современных заводах
24.04.2015

Подготовка сырья в процессе Байера сводится к его дроблению, осуществляемому в молотковых дробилках с подвижной щекою, и к тонкому измельчению в шаровых мельницах мокрого помола, работающих в замкнутом цикле с классификатором. В последнее время в качестве классифицирующих аппаратов стали успешно применяться гидроциклоны.
На отечественных глиноземных заводах, перерабатывающих бемито-диаспоровые бокситы Северо-Уральских месторождений, требуемая тонина помола контролируется ситом 0,061 мм, через которое проходит 70—75% материала, и ситом 0,15 мм, остаток на котором составляет 2—3%.
При боксите с влажностью 11%, содержащем 53% Al2Os, 23% Fe2O3, 5% SiO2, 2,5% CaO, и при оборотном растворе, содержащем 294 г/л Na2ОK, 20 г/л Na2Oy и 145 г/л Al2O3 (уд. в. 1,435), весовое отношение ж:т в пульпе, поступающей на размол, составляет 5,5:1.
При переработке такой пульпы в надлежащих условиях автоклавного выщелачивания можно получить раствор после выщелачивания с каустическим модулем, равным 1,65.
С целью активизации процесса выщелачивания в мельницу вводят также и известь в количестве 3% от веса боксита, расходуемую в основном на образование титаната кальция. Добавки CaO применяются также и при выщелачивании хорошо вскрывающихся бокситов при наличии в них фосфорнокислых соединений в целях предупреждения загрязнения алюминатного раствора фосфорнокислым натрием.
При переработке гидраргиллитовых бокситов допускается более грубый помол Некоторые виды отечественных и зарубежных гидраргиллитовых бокситов, например Ямайские, обладают способностью самодиспергироваться в жидкой среде. Измельчать такие бокситы можно в смесильных машинах, куда одновременно с бокситом поступает и нагретый оборотный раствор.
В первые годы существования алюминиевой промышленности в России выщелачивание бокситов осуществлялось в автоклавах периодического действия. Крупным достижением советских ученых и техников является разработка и осуществление системы непрерывного высокотемпературного выщелачивания отечественных бемито-диаспоровых бокситов.
Современная автоклавная установка непрерывного действия состоит из следующих аппаратурных звеньев, работающих в последовательной цепи (рис. 13): насоса для нагнетания сырой пульпы в систему 1; подогревателей для пульпы 2; батареи последовательно соединенных автоклавов 3,4 и системы последовательно соединенных сепараторов (самоиспарителей) для разгрузки и охлаждения автоклавной пульпы 5. Пар, образующийся в самоиопарителях, используется для предварительного подогрева сырой пульпы и для других целей.
Аппаратурно-технологическое оформление способа Байера на современных заводах

При выщелачивании отечественных бемито-диаспоровых бокситов оборотными растворами указанной выше концентрации сырую пульпу необходимо подавать на выщелачивание под давлением 25—30 ат. Для этой цели служат тихоходные поршневые насосы специальной конструкции.
В качестве подогревателей для сырой пульпы на заводах России сложат двухходовые трубчатые теплообменники, соединенные последовательно в батарею из нескольких работающих аппаратов. В США применяются восьмиходовые теплообменники.
Чтобы избежать выделения натриевого алюмосиликата на греющих поверхностях, практикуется выдерживать пульпу в мешалке при температуре 95—100°. Выделение соды, если таковая образовалась в результате декаустификации, предотвращается предварительным разбавлением пульпы до концентрации насыщения содой.
В трубчатых подогревателях пульпа нагревается до температуры 140—150° (при переработке бемито-диаспоровых бокситов), для чего используется сепараторный пар с температурой 165° (давление 7 ата). При более высокой температуре нагрева, равно как и при большей разности температур, на греющей поверхности выделяется осадок сложных алюмотитанокальциевых соединений, в состав которого входит частично и Fe2O3. Окончательный нагрев пульпы до требуемой температуры осуществляется путем ввода острого пара (25—30 ат) непосредственно в автоклав.
В отечественной алюминиевой промышленности нашли применение автоклавы, устанавливаемые вертикально (рис. 14), емкостью 24 м3 каждый (высота 13,6 м, диаметр 1,6 м).
При переработке бемито-диаспоровых бокситов начальная температура выщелачивания составляет 225—230°, а требуемая продолжительность пребывания пульпы в автоклаве 2,0—2,5 часа. Этот режим обеспечивается при наличии в батарее 10 последовательно соединенных автоклавов, из числа которых первые два являются «греющими», а остальные — «реакционными». Температура пульпы в последнем автоклаве снижается за счет теплопотерь до 210—215°.
Аппаратурно-технологическое оформление способа Байера на современных заводах

Характерной особенностью устройства автоклавов, применяемых в России, является отсутствие специальных перемешивающих приспособлений, что значительно упрощает конструкцию автоклавов и облегчает их эксплуатацию. Гидродинамический режим работы батареи, составленной из такого рода автоклавов, характеризуется как промежуточный между идеальным смешением и идеальным вытеснением Поддержание твердой фазы во взвешенном состоянии обеспечивается при этом достаточно тонким ее измельчением и соблюдением жесткого соотношения между диаметром единичного автоклава, с одной стороны, и суммарной длиной всех автоклавов в батарее, с другой
Согласно имеющимся литературным данным, в практике глиноземных заводов США нашли применение автоклавы горизонтального типа емкостью до 120 м3 (длина 18,3, диаметр 3 м), снабженные механически действующей мешалкой и работающие при давлении 16 ат.
Наиболее эффективное использование вторичного пара, выделяющегося при самоиспарении, обеспечивается «при организации процесса самоиспарения в несколько последовательных ступеней Это позволяет получать пар самоиспарения разных температур, области применения которого шире, чем низкотемпературного пара, получающегося при самоиспарении в одну ступень. Оптимальное число ступеней самоиспарения и давления пара на каждой из них, обеспечивающее практически полную регенерацию пара, затрачиваемого на проведение автоклавной операции (за исключением безвозвратных теплопотерь через стенки аппаратов), зависит от материального потока и от температурного режима на отдельных теплопотреблягощих переделах. В частности, при выщелачивании бемито-диаспоровых бокситов Северо-Уральских месторождении самоиспарение проводится в две ступени в первой пульпа охлаждается до 180°, а полученный пар самоиспарения давлением 6 ата используется для подогрева пульпы в теплообменниках; во второй пульпа охлаждается до 105—108°, а полученный тар используется для нагревания воды, идущей на промывку шлама.
Важной деталью устройства самоиспарителя является установленный на входном штуцере игольчатый регулятор. Регулирование входной кольцевой щели на первом сепараторе поддерживает требуемое давление в автоклавах, на втором сепараторе — требуемый уровень пульпы в первом сепараторе.
Окончательное снижение давления автоклавной пульпы до атмосферного и установление отвечающей этому давлению температуры 105—108° осуществляется в баковой аппаратуре, где производится разбавление автоклавной пульпы промывными водами, полученными при промывке красного шлама.
Бокситы гидраргиллитового типа могут выщелачиваться и в открытых сосудах. Однако вследствие значительных преимуществ выщелачивания в автоклавах непрерывного действия (ускорение процесса и снижение каустического модуля алюминатного раствора при практически неизменном удельном расходе пара, более глубокое обескремнивание алюминатных растворов и пр.) существует тенденция проводить выщелачивание гидраргиллитовых бокситов также при повышенных давлениях.
Так, легко вскрывающиеся гидраргиллитовые гвианские бокситы выщелачиваются на заводах США при температуре 145° (5,6 ат) Пульпу после выщелачивания разбавляют промывными водами до концентрации 130 г/л Na2Oк, после чего направляют в многоярусные сгустители и промыватели гребкового типа с числом камер до пяти и диаметром до 20 м для отделения раствора от шлама и для промывки последнего.
В процессе выщелачивания боксита через стадию растворения про ходят, помимо окиси алюминия, также SiO2 и, возможно, TiO2, и лишь железная составляющая, присутствующая в боксите в основном в коллоидно-дисперсном состоянии, остается неизменной. Свойствами этой составляющей и объясняется невысокая, в общем, скорость отстаивания красных шламов процесса Байера и плохая их уплотняемость. Так, скорость слива сгустителей, равная 0,12—0,13 м/час, считается удовлетворительной; равным образом считается удовлетворительным уплотнение шлама после промывки до отношения ж:т = 2,0/1,8:1.
Для ускорения осветления растворов применяется крахмал в виде ржаной муки в количестве 0,5 кг на тонну глинозема, либо крахмал в чистом виде (США). Для некоторых бокситов, например для венгерских из отдельных месторождений, существенное улучшение отстаивания шламов достигается в результате предварительного низкотемпературного обжига боксита (порядка 350—400°).
В процессе выщелачивания боксита происходит также и обескремнивание алюминатного раствора, завершающееся в сгустителях разбавленной пульпы Динамику этого процесса иллюстрируют следующие усредненные производственные данные изменения кремневого отношения в растворе, полученные при выщелачивании бемито-диаспоровых бокситов непосредственно после выщелачивания — 150, после разбавления (спустя 20 мин.) — 210, после уплотнения разбавленной пульпы (т.е. в растворе, направленном на выкручивание) — 340—360.
Потери Al2O3 при выщелачивании боксита слагаются из химических потерь, из потерь за счет недоизвлечеиия окиси алюминия и из потерь за счет разложения растворов в промывной системе и в сгустителях. Так, при выщелачивании в производственных условиях бемито-диаcпорового боксита, состав которого был приведен выше, потери Al2O3 от недоизвлечения составляли 2,5%, в промывной системе 2,1% и химические потери 9,1%. Обычной причиной недоизвлечеиия Al2O3 является недостаточная продолжительность выщелачивания для принятых температуры и крупности измельчения боксита или слишком низкая температура для данных продолжительности выщелачивания и крупности измельчения. Встречаются, однако, отдельные бокситы, упорно удерживающие, часть своего глинозема в нерастворенном состоянии.
Природа этого явления еще недостаточно ясна. Что же касается потерь Al2O3, обусловленных разложением алюминатных растворов в промывной системе и при сгущении, то одним из средств борьбы с ними является надежная теплоизоляция отстойной аппаратуры, предохраняющая находящиеся в ней растворы от охлаждения. Имеются предложения использовать для этой цели добавку к растворам промывной системы маточного раствора или промывной воды после промывки гидроокиси алюминия, обладающих высоким каустическим модулем.
Перед направлением на выкручивание алюминатный раствор подвергают контрольному осветлению и дополнительному охлаждению Осветление производится на листовых фильтрах типа Келли через бумажную массу, наносимую при зарядке фильтра в виде тонкого слоя на металлическую сетку. Имеются указания, что на некоторых зарубежных заводах для этого используется нанесенный на подкладку из грубой парусины слои CaCO3, получаемый на установке для каустификации соды.
Охлаждение алюминатного раствора производится путем вакуум-испарения, иногда в несколько ступеней с использованием выделяющегося при этом пара для производственных нужд, а окончательное охлаждение до температуры начала выкручивания — воздухом, путем вбрызгивания раствора в скрубберные башни, работающие под атмосферным давлением.
Выкручивание алюминатных растворов осуществляется на современных заводах в аппаратах (декомпозерах) с воздушным перемешиванием (рис. 15). Общепринятый тип такого аппарата представляет собой цилиндрический резервуар с днищем, выполненным в виде конуса с углом 90° (высота цилиндрической части 22 м, диаметр 7,3 м, емкость 1000 м3), куда загружается алюминатный раствор и затравочная пульпа. По центральной осевой линии аппарата расположен аэролифт, обеспечивающий требуемое перемешивание кристаллов гидроокиси алюминия и алюминатного раствора.
Аппаратурно-технологическое оформление способа Байера на современных заводах

Температурный режим выкручивания зависит от концентрации исходного алюминатного раствора, его каустического модуля, содержания в нем соды На заводах России температура лежит в пределах 68—70° в начале процесса и 42—45° в конце его Для поддержания температурного режима в требуемых пределах независимо от температуры окружающей среды используется теплообмен от фонтанирующей под крышкой декомпозера пульпы к воздуху, тяга которого усиливается в нужной степени вытяжной трубой, устанавливаемой на крышке декомпозера. Общая продолжительность выкручивания, обеспечивающая разложение алюминатного раствора на 50—51%, равна в настоящее время на отечественных заводах 56—57 час На заводах же США благодаря более низкому исходному каустическому модулю алюминатного раствора (1,55—1,60), более низкой его концентрации (100—105 г/л Na2ОK) и значительно более высокому содержанию соды (35—30 г/л Na2Oy) процесс выкручивания идет несколько быстрее и продолжается в течение 35—48 час. Требуемая крупность гидроокиси алюминия обеспечивается на заводах США несколько более высокой температурой выкручивания (до 77° в начале процесса и соответственно выше в конце его).
На некоторых заводах России и в большинстве зарубежных стран, в том числе и США, декомпозеры указанного типа работают при периодической загрузке и выгрузке На некоторых заводах сохранились значительно менее емкие (до 400 м3) декомпозеры старого типа с механическим перемешиванием, соединенные по 8—10 штук в батареи непрерывного действия. Продолжительность выкручивания в этих батареях больше, чем при периодическом процессе. Это объясняется отчасти тем, что в батарее непрерывного действия выкручивание алюминатного раствора происходит не при том каустическом модуле, с которым он поступает в декомпозер, а при более высоком, при котором находится раствор в декомпозере. Несмотря на указанный недостаток, непрерывный процесс распространяют также и на мощные декомпозеры современного типа, так как в этом случае наиболее просто решается задача автоматического управления технологическим процессом.
Пульпа, полученная после выкручивания, подвергается классификации с разделением на более крупную — продукционную фракцию и более мелкую — затравочную. В качестве аппарата для классификации применяются гидросепараторы, наряду с которыми на отечественных заводах успешно осваиваются и гидроциклоны. Пульпа продукционной гидроокиси алюминия подвергается перечистке, обычно совмещаемой с промывкой. При этом гидроокись алюминия дополнительно освобождается от наиболее мелких частиц (мельче 30—40 мк), присоединяемых к затравке. Продукционную гидроокись алюминия окончательно промывают на барабанных вакуум-фильтрах производительностью 2—3 т/м2*час. Гидроокись алюминия, получающаяся на отечественных заводах, в основном (на 65—70%) представлена материалом крупностью 50—100 мк при практически полном отсутствии зерен мельче 30 мк.
Затравочная пульпа подвергается последовательному уплотнению в гидросепараторах (или гидроциклонах и сгустителях), после чего содержание твердого в ней достигает 780—800 г/л. Маточный раствор, содержащийся в этой пульпе, уменьшает полезную емкость декомпозеров и повышает каустический модуль выкручиваемого раствора Поэтому перед подачей на выкручивание затравочную пульпу отжимают на барабанном фильтре и частично промывают водой методом вытеснения.
На некоторых заводах США наряду с продукционной и затравочной гидроокисью алюминия получают также и пульпу промежуточной по крупности фракции, которая используется для стабилизации технологического процесса выкручивания при его расстройствах и присоединяется, в зависимости от наличия и характера этих расстройств, либо к продукционной, либо к затравочной пульпе.
Расход воды на промывку гидроокиси алюминия 2 т/т (в пересчете на Al2O3). Обычное содержание SiO2 в гидроокиси алюминия отечественного производства (в пересчете на Al2O3) 0,03%, Fe2O3 0,02%.
На отдельных европейских глиноземных заводах выкручивание проводится в присутствии так называемой активной затравки, представляющей собой гидроокись алюминия повышенной дисперсности, специально приготовленную методом выкручивания или карбонизации при пониженной температуре. Применение активной затравки позволяет вести выкручивание при резко пониженном затравочном отношении (порядка 0,05 и ниже). Согласно имеющимся данным, этот метод является мало перспективным для крупного поточного производства, так как при нем процесс выкручивания приобретает неустойчивый характер
Кальцинация гидроокиси алюминия проводится при температуре 1100° во вращающихся печах, отапливаемых мазутом или газом, снабженных барабанным холодильником, орошаемым водой. Обычный размер печей: диаметр 2,0—3,8 м, длина 50—100 м. Проектируются печи диаметром 4,5 м, длиной 110 м, производительностью 26,5 т глинозема в час при удельном расходе топлива 1250 ккал/кг. Отходящие газы обеспыливаются в пылеулавливающей системе, состоящей из батарейных циклонов и электрофильтров.
На современных заводах США устанавливаются обогреваемые природным газом вращающиеся печи диаметром 2,9 м, длиной 76 м, снабженные револьверными или трубчатыми холодильниками, окончательное охлаждение материала до температуры 80° проводится в барабанных холодильниках, орошаемых водой.
Печи для кальцинации глинозема обычно футеруются шамотным кирпичом, что приводит к дополнительному загрязнению готового продукта кремнеземом. Более рациональной является, поэтому, футеровка из высокоглиноземистых огнеупорных материалов.
Продукционный глинозем принимается потребителем по ГОСТу, лимитирующему содержание основных примесей, в том числе и воды. На некоторых европейских заводах правила приемки включаютя требования к дисперсионному составу продукта, контролируемому объемом осадка, выделяющегося в определенных условиях из взвеси глинозема в бензоле (так называемая бензольная проба).
Выпарка маточного раствора с промводами до концентрации обо ротного раствора не представляет специфической проблемы тогда, когда выделение солей в этом процессе еще не имеет места В таких случаях применяют выпарные аппараты пленочного типа с поверхностью нагрева до 700 м2, соединенные в батареи, и с многократным (четыре и более) использованием пара, Запроектированы аппараты с поверхностью нагрева 1600 м2, рассчитанные на выпаривание 34 м3 воды в час каждый.
Специальные требования к конструкции выпарного аппарата предъявляются лишь в том случае, когда в процессе выпарки должны быть выведены сравнительно большие количества солей (сода, сульфаты) и органических веществ, например при переработке отечественных бемито-диаспоровых бокситов В этих случаях последний по раствору корпус выпарной батареи (так называемый корпус готовой продукции) конструируется в виде выпарного аппарата с вынесенной зоной кипения и с естественной циркуляцией, работающего при повышенной температуре (т. е не в вакууме) и при малой разности температур между греющим паром и раствором (рис. 16). Циркулирующая в аппарате взвесь солей играет роль затравки, обеспечивающей равномерное протекание процесса кристаллизации во всей массе раствора. Окончательная выпарка раствора, а также кристаллизация солей и выделение органических соединений производится в вакуум самоиспарителях для упаренного раствора.
Аппаратурно-технологическое оформление способа Байера на современных заводах