» » Цикл Байера в системе Na2O-Al2O3-H2O
03.12.2015

В качестве иллюстрации практического применения диаграммы равновесных состояний системы Na2O-Al2O3-H2O покажем, как изменяется состав алюминатных растворов в цикле Байера (см. рис. 3.5). В основе способа Байера лежат физико-химические процессы, протекающие в данной системе Na2O-Al2O3-H2O, а также в системе Na2O-Al2O3-SiO2-H2O. В случае ввода в процесс выщелачивания бокситов CaO необходимо учитывать взаимодействие и в системе Na2O-Al2O3-CaO-SiO2-H2O. Первая система определяет области возможности изменения концентраций и каустических модулей раствора на каждом переделе способа Байера.
В системе Na2O-Al2O3-SiO2-H2O во всем диапазоне изменения технологических параметров способа Байера устойчивым соединением является гидроалюмосиликат натрия (ГАСН), а в системе Na2O-Al2O3-CaO-SiO2-H2O — гидрогранат кальция (алюминиевый, алюможелезистый и железистый). Таким образом, окончательный выбор технологических параметров процесса производства по способу Байера определяется системой Na2O-Al2O3-H2O. Как известно, цикл Байера начинается с выщелачивания боксита щелочно-алюминатным раствором с большим избытком свободной щелочи. Необходимая концентрация раствора определяется главным образом минералогическим составом исходного боксита и температурой выщелачивания.
При производстве глинозема по способу Байера щелочно-алюминатные растворы проходят следующие переделы технологического цикла: выщелачивание → разбавление → отделение и промывка красного шлама → декомпозиция → выпарка.
Все процессы разбавления и упаривания полученных растворов в изученной системе идут с постоянным модулем раствора (т. е. по лучу постоянного каустического значения). Причем на диаграмме равновесного состояния Na2О-Al2O3-Н2O разбавление по лучу идет влево, а упаривание растворов — вправо.
Линия выщелачивания. Выщелачивание боксита осуществляется раствором с большим избытком свободной щелочи (αк = 3,5—4,1). Необходимая концентрация раствора определяется главным образом исходя из минералогического состава боксита и температуры выщелачивания. Диаспоровые и диаспор-бемитовые бокситы выщелачиваются крепкими растворами с концентрацией Na2О = 290—310 г/л при Т = 220—230 °С, такому раствору на диаграмме соответствует т. А. Каустическое отношение раствора к концу выщелачивания понижается до 1,8 и точка пересечения луча, направленного при выщелачивании к Л100Н с линии каустического модуля, и дает нам верхний предел выщелачивания т. В. На практике данная точка смещена влево — т. В1. Это объясняется потерей полезных компонентов при выщелачивании с ГАСНом и также за счет разбавления раствора конденсатом острого пара при контактном способе нагрева пульпы.
Цикл Байера в системе Na2O-Al2O3-H2O

Таким образом, линия выщелачивания проходит через точки А-В1 и показывает, что во время выщелачивания уменьшается каустическое отношение раствора за счет насыщения его глиноземом и в т. В1 он становится ненасыщенным по отношению к соответствующей высокотемпературной изотерме растворимости и имеет каустический модуль, равный 1,8 ед. Предельный модуль раствора в данном случае равняется 1,45 ед., но на практике выщелачивание бокситов до таких модулей не ведут в связи с обеспечением необходимой стойкости раствора при разбавлении и отделении красного шлама.
Линия разбавления. Автоклавная пульпа после выщелачивания охлаждается до 95 °С, разбавляется 1-й промводой от промывки красного шлама и по лучу каустического модуля опускается до т. Д1 (при разбавлении происходит небольшой гидролиз раствора и модуль раствора увеличивается до 1,81). Специальная операция разбавления автоклавной пульпы нужна только на тех заводах, где бокситы выщелачиваются крепкими растворами. Из представленного рис. 3.5 видно, что разбавление отдаляет раствор от равновесного состояния, т. е. делает его более пересыщенным гиббситом, что в дальнейшем создает более благоприятные условия для его разложения. Наиболее удаленными от изотерм растворимости гиббсита при температурах 60 °С и 40 °С являются щелочно-алюминатные растворы с содержанием Nа2Ок не более 130-145 г/л. Разбавление раствора уменьшает вязкость пульпы и способствует сгущению красного шлама при температуре не ниже 95 оС. Разбавленные растворы отделяются от красного шлама в сгустителях.
Линия декомпозиции. После отделения от красного шлама алюминатный раствор охлаждают и направляют на операцию декомпозиции. Линия декомпозиции строится следующим образом: проводится линия через точку Д1 в направлении к Аl(ОН)3 на диаграмме, продолжение данной линии в другую сторону до пересечения с изотермой соответствующей температуры и будет линией декомпозиции, т. е. пересекается с т. Д" (t = 60 оС) и Д'" (t = 30 °С). (До т. Д'" обычно процесс не ведут, т. к. степень разложения раствора уже существенно не увеличивается.). Процесс декомпозиции обычно заканчивается в т. К на пересечении линии разложения раствора с лучом исходного каустического модуля раствора 3,9. Полученный при этом раствор называют маточным. По своему каустическому модулю он соответствует исходному оборотному раствору. Для ускорения процесса разложения раствора алюминатный раствор перед операцией разложения предварительно смешивают с затравочной пульпой, которая содержит до 12 % маточного раствора, что в конечном итоге несколько повышает модуль алюминатного раствора и в первых головных декомпозерах он может достигнуть величины 1,9-2,1. Для пересыщения раствора по гидроксиду алюминия его с 95 °С охлаждают до температуры 70-55 °С. Конечная температура процесса разложения щелочно-алюминатного раствора поддерживается в пределах 50-40 °С.
В общем виде декомпозиция (с затравкой) описывается следующим выражением: xAl(ОН)3 + NаАl(ОH)4 → (х+1) Аl(ОН)3 + NaОН.
Выход Al2О3 при декомпозиции (процентное разложение раствора при декомпозиции) определяется по формуле
Цикл Байера в системе Na2O-Al2O3-H2O

Скорость выделения гидроксида алюминия из щелочно-алюминатного раствора убывает по мере приближения его состава к равновесному. Учитывая это, раствор разлагают на 45-53 %, т. к. дальнейшее более глубокое разложение раствора требует значительного увеличения продолжительности процесса и экономически себя не окупает.
При декомпозиции раствор остается все время пересыщенным по отношению к равновесной концентрации Al2О3 при 30 °С.
Линия выпарки. Для построения этой линии важно знать, что при выпаривании изменяется только концентрация раствора, а каустический модуль его остается постоянным. При выпарке удаляется привнесенная в систему вода (при разбавлении) до концентрации Nа2Ок в оборотном растворе ~ 290 г/л. Всегда в конце выпарки к оборотному раствору добавляют небольшое количество каустика для возмещения всех потерь щелочи (т. М), и цикл процесса Байера замыкается в т. А.