» » Карбонизация алюминатных растворов
03.12.2015

Для разложения алюминатных растворов в спекательных схемах применяют карбонизацию — способ разложения алюминатных растворов при барботировании через них газов, содержащих СО2. Технологические предпосылки такого способа — наличие отходящих газов печей спекания, содержащих 12-14 % СО2; получение карбонатных растворов, которые могут быть эффективно использованы для различных целей.
Химизм процесса можно отразить тремя следующими реакциями:
Карбонизация алюминатных растворов

По реакции (13.1) происходит нейтрализация каустической щелочи и соответствующее снижение αк алюминатного раствора. В результате алюминатный раствор становится нестойким, и идет гидролитическое разложение алюмината по реакции (13.2). Образующаяся в результате едкая щелочь сразу же связывается в соду вновь поступающей углекислотой (13.1), создавая условия для дальнейшего разложения алюминатного раствора. Поэтому процесс разложения алюминатного раствора может быть доведен до желаемой глубины. На заключительных стадиях процесса при низких концентрациях Na2Oк и Аl2O3 образовавшийся раствор с высокой концентрацией Na2Oугл находится в контакте с выделившейся Аl(ОН)3, что приводит к образованию новой фазы — гидроалюмокарбоната натрия по реакции (13.3).
Изменение концентрации алюминатного раствора в процессе карбонизации в системе Nа2O-Аl2O3-Н2O показано на рис. 13.1.
Карбонизация алюминатных растворов

Исходный раствор, поступающий на карбонизацию, является равновесным или ненасыщенным Аl(ОН)3, его состав отвечает области I. Для начала процесса разложения необходимо перевести их в область II — область пересыщенных Аl(ОН)3 растворов с помощью реакции (13.1). Это изменение содержания Nа2Oк в растворе отражается переходом из точки А в точку В и соответствует первому периоду карбонизации. Затем начинается второй период карбонизации — выделение образующегося по реакции (13.2) Аl(ОН)3 из пересыщенного раствора. Состав раствора при этом изменяется по линии ВС. При последовательном осуществлении каждой из этих стадий процесс карбонизации будет представлять ломаную линию, состоящую из участков кристаллизации Аl(ОН)3 (ВС, В’С» и т. д.) и образования Nа2СO3 (В’С, »ѻ и т. д.). Так как оба процесса происходят одновременно, то суммарному изменению концентрации раствора будет отвечать линия ВО, расположенная несколько выше равновесной кривой ОМ.
В конце процесса карбонизации, когда в растворе остается менее 2—3 г/л Аl2O3, начинается третий период — образование гидроалюмокарбоната натрия.
Если сравнить кинетику процессов карбонизации и декомпозиции, то в первом случае разложение идет в несколько раз быстрее. Как и при декомпозиции, лимитирующей является стадия, определяемая внешнедиффузионным подводом вещества к поверхности кристаллизации или в объем раствора, где наблюдается образование ассоциатов и поликонденсация с выделением [Аl(ОН)3] Более высокая скорость процесса карбонизации в сравнении с декомпозицией объясняется тем, что она идет при более высоких температурах (80—90 °С).
На эффективность карбонизации (чистота и крупность получаемого гидроксида, производительность отделения и другие показатели) влияют многие факторы.
Основной из них — температура. Карбонизацию ведут при 80—90 °С. С понижением температуры возрастает количество тонких фракций. Необходимая для процесса температура достигается в результате хорошей теплоизоляции баковой аппаратуры и тепла нейтрализации, а также тепла, вносимого с газами.
Концентрация СO2 в очищенных топочных газах колеблется от 12 до 14 %. Чем выше их концентрация, тем ниже их расход, меньше тепла теряется с отходящими газами, выше производительность карбонизаторов. В связи с уменьшением дисперсного состава гидроксида в конце процесса скорость газации к концу процесса должна быть снижена. В промышленных условиях продолжительность карбонизации составляет 6—8 ч.
На фракционный состав получаемого гидроксида существенное влияние оказывает перемешивание пульпы. Перемешивание за счет барботажа С02 оказывается недостаточным и дополняется аэролифтным или механическим. При правильно подобранных режимах перемешивания получаемый гидроксид содержит заметно меньше щелочи и имеет равномерный гранулометрический состав.
На качество гидроксида алюминия при карбонизации заметное влияние оказывает степень разложения алюминатного раствора. При карбонизации без затравки в начальный период выпадает тонкодисперсный гидроксид с определенным количеством ГАСНа на его поверхности. Затем идет период наиболее продуктивной карбонизации, когда выделяется наиболее чистый и крупнозернистый гидроксид. На заключительной стадии процесса вновь выделяется тонкодисперсный гидроксид с резко увеличенным (если не было глубокого обескремнивания) содержанием SiO2. Улучшение качества гидроксида на начальном этапе может быть достигнуто использованием затравки. Исключить или свести к минимуму вредные последствия от резкого ухудшения качества на заключительном этапе можно двумя путями — применив глубокое обескремнивание или неполную карбонизацию.
Для алюминатных растворов в спекательных схемах применяют различные способы разложения. Один из них — так называемая полная карбонизация, когда разложение раствора ведут до конца. Она применяется для слабых растворов при переработке нефелинов, в которых маточник от карбонизации поступает затем на производство соды и поташа. Для растворов более высоких концентраций (при переработке бокситов) используется неполная карбонизация. При ней подачу газов прекращают при еще заметном содержании Аl2O3 в растворе. Это позволяет получить относительно равномерно-зернистый гидроксид с низким содержанием SiO2. Карбонизация осуществляется непрерывно в одну, реже в две стадии, в батарее соединенных карбонизаторов. Основным типом применяемых в настоящее время карбонизаторов является цилиндроконический аппарат с аэролифтным перемешиванием, представленный на рис. 13.2. В нем пульпа перемешивается газом, поступающим через систему радиальных сопел в коническую часть аппарата. Для подъема гидроксида, осаждающегося в объеме, расположенном ниже сопел, установлен циркуляционный аэролифт.
Одним из направлений совершенствования конструкции карбонизаторов является применение верхнего газоподвода (под небольшим слоем раствора) с обменом между зоной кристаллизации и зоной газации с помощью аэролифта. В таком аппарате резко сокращается расход электроэнергии (в 2 раза) в результате существенного снижения мощности турбогазодувок.
Карбонизация алюминатных растворов