» » Упаривание маточного раствора
03.12.2015

Для подготовки маточного раствора после декомпозиции к выщелачиванию новой порции боксита из процесса должна быть выведена вода, добавленная ранее для разбавления вареной пульпы. Количество воды, которую надо выпарить, примерно соответствует разности между объемами алюминатного и оборотного растворов. Кроме сведения баланса по воде, в ходе процесса выпарки попутно решается задача очистки алюминатных растворов от примесей: соды, органики, кремнезема (гидроалюмосиликата натрия) и сульфата натрия. Сода образуется в основном в результате декаустификации щелочи карбонатами, присутствующими в боксите и извести:
RCO2 + 2NaОН ⇔ Na2CO3 + R(OH)2, R = Са2+, Mg2+, Fe2+,

а также при поглощении щелочно-алюминатным раствором углекислого газа из воздуха:
СO2возд + 2NaOHр-р → Na2CО3р-р + Н2Ор-р.

Упариванием (или выпариванием) называют процесс концентрирования жидких растворов путем частичного удаления растворителя (воды) испарением при кипении жидкости.
Для упаривания растворов обычно используют тепло водяного пара, который называют первичным или «острым» паром. Пар, образующийся при выпаривании кипящего раствора, называют вторичным или паром самоиспарения. Для процесса используют выпарные аппараты (см. рис. 9.3—9.9).
В процессе выпаривания воды из маточного раствора с увеличением концентрации щелочи в растворе с 155-165 до 300-305 г/л Na2Oк кристаллизуется и выделяется в осадок сода, содосульфатные соединения и органические примеси.
Часть солей отлагается на теплообменной поверхности, тем самым резко снижая теплопередачу. Выделившиеся на греющих трубках соли периодически растворяют в слабых маточных растворах или промводах.
Растворимость соды в щелочно-алюминатных растворах резко снижается с повышением концентрации растворов. Для синтетического раствора с концентрацией ~ 300 г/л Na2O растворимость Nа2СO3 составляет ~ 8 % от Na2Oобщ(см. рис. 9.1). В производственных растворах растворимость соды выше на 1,5—2,0 %, поскольку она содержит органические примеси, повышающие вязкость растворов и мешающие отделению солей.
Органические вещества отделяют от раствора вместе с содой в составе так называемой «рыжей соды» — моногидрат соды — Nа2СO3*H2O. Органические вещества окрашивают соду в характерный рыжий цвет. Органические примеси поступают в процесс в основном с бокситом. Часть органических веществ выводится из процесса с красным шламом и при кальцинации глинозема, большая же часть их удаляется при выпарке, так как увлекается из раствора с кристаллами соды.
Упаривание маточного раствора

При переработке бокситов, содержащих серу, происходит постепенное обогащение оборотных растворов сульфатом натрия NaSO4. Растворимость сульфата натрия близка к растворимости соды — падает с ростом концентрации щелочи; на заключительной стадии выпарки создаются условия для кристаллизации содосульфатной смеси с преобладающим количеством сульфата.
При выпарке также происходит выделение кремнезема в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия, который, осаждаясь на стенках трубок, снижает коэффициент теплопередачи выпарных аппаратов. Вредное влияние кремнезема может быть в значительной степени уменьшено обескремниванием маточного раствора.
Выпарка маточных растворов проводится в многокорпусных выпарных батареях (см. рис. 9.2), работающих под вакуумом и позволяющих многократно использовать вторичный пар.
Выпарка растворов под вакуумом имеет следующие преимущества:
- снижается температура кипения раствора, что увеличивает полезную разность температур и количество тепла, идущего от греющего пара к раствору;
- вторичный пар из аппарата с повышенным давлением можно использовать как греющий в аппаратах с низким давлением и в результате уменьшить расход свежего пара;
- возможность уменьшить поверхность нагрева раствора и таким образом применять более компактные и дешевые выпарные аппараты.
К недостаткам можно отнести то, что применение вакуума увеличивает стоимость выпарной установки, т. к. требуются дополнительные затраты на устройства, обеспечивающие разрежение в системе: конденсаторы, ловушки, вакуум-насосы, пароэжекторные установки, и соответственно увеличиваются эксплуатационные расходы.
Если пренебречь потерями тепла в окружающую среду, расход свежего пара сокращается по мере увеличения числа корпусов (кратности выпарки) в батарее. Одновременно при отсутствии потерь число корпусов не влияет на производительность батареи по выпаренной воде, определяемую переданным раствору количеством тепла Q:
Q = F * k * Δt,

где F — поверхность теплообмена, м2; k — коэффициент теплопередачи, кВт/ (м2*К); Δt — полезная разность температур (между t1 — температурой греющего пара и t2 — температурой раствора), °С.
Выбор t ограничивается условиями выделения гидроалюмосиликата натрия и возрастающей коррозией греющих трубок: t1 ≤ 150 °С. Выбор t2 ограничивается возрастающей с понижением температуры вязкостью раствора и затратами на создание вакуума. При разрежении в последнем корпусе 0,08 МПа t2 составляет 60 °С, что соответствует значению Δt = 150—60 = 90 °С. Однако реальное значение Δt ниже расчетного на величину полной температурной депрессии θ:
θ = θ1 + θ2 + θ3,

где θ1 — физико-химическая температурная депрессия, определяемая как разность в температурах кипения раствора и чистого растворителя при постоянном давлении; θ2 — гидростатическая депрессия, определяемая как разность в температурах кипения в верхнем и нижнем слоях раствора в выпарном аппарате; θ3 — гидравлическая депрессия, обусловленная снижением давления вторичного пара из-за гидравлических сопротивлений в паропроводах между корпусами.
Разность между температурой кипения раствора и температурой кипения воды при том же давлении называют физико-химической температурной депрессией. Величина этой депрессии (θ1) зависит от природы растворенного вещества, концентрации раствора и давления, при котором происходит его кипение. С повышением концентрации температурная депрессия возрастает; для раствора, содержащего Nа2Ообщ = 300 г/л, она достигает 15-10 °С. Таким образом, температура кипения такого раствора при атмосферном давлении равна 115-110 °С. Температура же образующегося пара практически равна температуре кипения воды, т. е. 100 °С.
Суммарная величина θ составляет величину не менее 40 °С, а оставшаяся разность температур не превышает 50 °С. Реальный удельный расход пара уменьшается с ростом выпарных аппаратов в выпарной установке до какого-то определенного предела (как правило, для отечественных заводов при значении кратности не выше 5). Поэтому с ростом числа корпусов в батарее растет величина потерь, производительность батареи снижается при одновременном увеличении капитальных затрат. Вопрос об оптимальном числе корпусов в батарее должен решаться после детальных технико-экономических расчетов, учитывающих влияние всех перечисленных выше факторов.