Производство AlF3

Производство AlF3

1. Характеристика химического продукта

трифторид алюминий производство

Техническое наименование продукта — трифторид алюминия малокремнистый технический.

Трифторид алюминия по внешнему виду представляет собой мелко кристаллический порошок от слабо-розового до серовато-белого цвета.

Насыпной вес — 0,87 т/м³;

Плотность — 2,71 т/м³;

Молекулярная масса — 83,98 у.е.;

Формула — А1F3.

Температура плавления химически чистого вещества — 1040 °C.

Теплота образования трифторида алюминия из элементов равна 1392,3 кДж/моль.

Безводный трифторид алюминия химически устойчив и является очень стабильным. Он не восстанавливается водородом, не реагирует с хлористым водородом. Кипящая серная кислота или кипящий раствор гидроксида калия почти не действует на трифторид алюминия; он разлагается длительным сплавлением с кальцинированной содой, оксидом кальция или борной кислотой.

При сильном нагревании трифторид алюминия возгоняется без плавления. Разлагается гидратом аммиака. Переводится в раствор действием фтороводородной кислоты и щелочей. При температуре от 150 до 200 °C протекает следующая реакция:

А1F3· Н2O = А1F3+3НF (1.1)

При Т = 400 °C фторид алюминия гидролизуется. Этот процесс можно описать уравнением:

АlF3+3Н2O (пар) =А1(ОН)3+ 3Н2O (1.2)

Также известны следующие реакции:

А1F3+3НF (конц.) = H3 [AlF6] (1.3)

А1Fз+3NаF (конц.) = Na3 [AlF6] (1.4)

Известны следующие гидраты: А1F3· 9Н2О; А1F3· 3,5Н2О; А1F3· 3Н2O; АlF3· Н2O; А1F3· 0,5Н2O.

Трифторид алюминия — вещество слабо растворимое в воде. Зависимость его растворимости от температуры приведена в табл. 1.1.

Растворимость А1F3, в воде Таблица 1.1

Растворимость увеличивается в присутствии фтороводородной кислоты (табл. 1.2)

Растворимость А1F3 во фтороводородной кислоте

По физико-химическим показателям продукт должен соответствовать требованиям и нормам ТУ 48−0117−6-89 с изм. №1, приведенными в табл. 1.3.

Химический состав трифторида алюминия

2. Методы получения трифторида алюминия

Все многообразие способов получения трифторида алюминия прежде всего можно поделить на две основные группы, различающиеся по виду фторсодержащегося сырья. Основными источниками фтора являются плавиковый шпат, в котором фтор находится в виде СаF2 и фторапатит, из которого фтор извлекается в виде SiF4, входящего в состав отходящих газов при сернокислотном разложении фторапатита.

Способы, основанные на переработке флюорита, различаются фазовым состоянием фтороводорода. «Сухие» методы предусматривают использование газообразного НF, в свою очередь, «мокрые» гидрохимические методы базируются на фтороводородной кислоте и различаются степенью чистоты последней.

Способы, основанные на переработке тетрафторида кремния, различаются методом извлечения фтора и могут быть представлены тремя группами:

— высокотемпературная обработка водяным паром с получением НF;

— абсорбция SiF4 водой с получением Н2SiF6;

— абсорбция SiF4 аммиаком с получением NH4 F.

«Сухой» метод заключается в непосредственном взаимодействии газообразного НF с порошкообразным А12О3. «Сухой» метод более удобен для крупномасштабного производства и постепенно приобретает все большее значение.

«Сухой» метод позволяет получать от 4,0 до 5,0 т/ч продукта при работе по непрерывной схеме. По этому методу обезвоживают А1 (ОН) 3 и проводят реакцию образующегося А12O3 с НF при одновременной отгонке воды при температуре от 400 до 600 °C по реакциям:

2А1 (ОН) з = А12Oз + 3Н2 O (2.1)

6НF + А120з = 2А1F3 + 3Н20 (2.2)

Достоинствами сухого адсорбционного метода являются:

— устранение водооборотного хозяйства;

— исключение потерь за счет каплеуноса;

— уменьшение коррозии аппаратуры.

При «сухом» методе обеспечивается улавливание и возврат в производство от 98 до 99% мас. фторидов.

Более широкое практическое применение имеет «мокрый» метод, когда реакция проводится в водном растворе:

3НF+Аl (ОН) 3 = 3А1FЗ + 3Н2O (2.3)

При осуществлении «мокрого» метода к 15% мас. водному раствору НF добавляют Аl (ОН) 3 он постепенно растворяется, образуя кристаллы А1F3*3Н20, которые отделяют и сушат при температуре 600 °C.

Вторая группа методов предполагает использование фтора, содержащегося в фосфатных рудах в концентрации от 3 до 5% мас. От 20 до 30% мас. этого фтора уходит с отходящими газами в процессе получения фосфорной кислоты сернокислотным разложением фторапатита. Количество фтора, переходящего в газовую фазу, зависит от температурного режима и в промышленно внедренных способах максимально в полугидратном процессе получения экстракционной фосфорной кислоты. Отходящие газы в данном процессе содержат фтор в виде тетрафторида кремния — SlF4. Существует метод получения НF из этих газов реакцией с водяным паром при температуре около 800 °C с последующим взаимодействием НF с А1 (ОН) 3 по реакциям:

SiF3 + 2Н2 O= 4НF + SiO2 (2.4)

3НF + Аl (ОН) 3= А1F3*3Н2O. (2.5)

По другому методу отходящие газы абсорбируют водой с переводом SiF4 в кремнефтористоводородную кислоту.

В одном из способов H2SiF6 при взаимодействии с А1 (ОН) 3 дает трифторид алюминия. Это можно описать уравнениями:

3SiF4 + 2H2O =2H2SiF6 + 3SiO2 (2.6)

Н2SiF6 + 2А1 (ОН) з+2Н2O=2А1Fз*3Н2 O + SiO2 (2.7)

Более рациональным является кислотный способ, разработанный УНИХИМом, по которому вначале получают из Н2SiF6 трифторид алюминия, а затем криолит.

Для этого в полученной из фтористых газов кремнефтористоводородной кислоте, содержащей от 12 до 13% мас. H2SiF6 и кремнегель, нагретой до 85 «С, растворяют в течение 15-ти минут при перемешивании гидрат окиси алюминия по реакции:

Н2SiF6 + 2А1 (ОН) з = 2А1Fз + SiO2* 2Н2O+ Н2O (2.8)

Это взаимодействие идет в две стадии:

3H₂SiF₆ +2Al (OH)₃ =Al₂(SiF)₆+H₂O (2.8.1)

Al₂(SiF)₆+12H₂O =2AlF₃+ 3SiO₂*2H₂O+12HF (2.8.2)

Образующийся HF не выделяется, а нейтрализуется гидроксидом алюминия:

12НF+4А1 (ОН) з = 4А1Fз+12 H₂O (2.9)

Образование в качестве промежуточного продукта кремнефторида алюминия завершается при температуре от 50 до 90 «С в течение 1−3 минут, разложение же его в растворе и образование А1F3 идет в десятки раз медленнее. Благодаря способности А1F3 образовывать стойкие пересыщенные растворы, из них возможно выделить SiO2, и выпустить его в виде побочного продукта — активного наполнителя. Для получения достаточно хорошо фильтрующегося осадка кремнегеля свободная кислотность пульпы после завершения реакции должна быть около 5 г/л H2SiF6. Активность кремнегеля возрастает с увеличением скорости введения гидроксида алюминия и интенсивности перемешивания. При переработке кислоты с концентрацией до 8% мас. H2SiF6 может быть получен аморфный кремнезем с малым содержанием кристаллической фазы с очень развитой удельной поверхностью, около 50 /г. Получение такого кремнезема из кислоты большей концентрации затруднительно. Содержание в кремнеземе до 0,3% мас. фтора и до 15% мас. Al (OH) 3 существенно не влияет на активные свойства кремнегеля.

Раствор, получаемый после отделения фильтрацией кремнегеля, содержит до 14% мас. AlF3 и остается пересыщенным. При низкой температуре он не кристаллизуется в течение длительного времени. Для кристаллизации А1F3 · 3Н2O в раствор вводят затравку и перемешивают при в течение четырех часов. Первые кристаллы выделяющегося фторида представляют собой твердый раствор А1F3· 3Н2O и А1F3*3,5Н2О, лишь затем образуется устойчивый тригидрат. Его кристаллизация ускоряется с увеличением концентрации исходного раствора. Нагревая тригидрат фторида алюминия до, получают безводный фтористый алюминий. При температуре выше начинается заметный гидролиз А1F3 с потерей HF.

Известно, что себестоимость фторида алюминия на предприятиях по производству минеральных удобрений примерно в 1,2 (а криолита в 1,7) раза ниже, чем при производстве этих солей из плавикового шпата. Окупаемость капитальных вложений ниже в 2−3 раза. Затраты на сырье в производстве фторида алюминия составляют около 40% мас., топливо и энергозатраты — 10% мас., расходы на содержание и эксплуатацию оборудования — около 25% мас. На производство 1 тонны фторида алюминия и криолита затрачивается соответственно от 0,75 до 0,85 т и от 0,6 до 0,7 т кремнефтористоводородной кислоты в пересчете на 100% мас. F.

Основными направлениями по совершенствованию методов переработки кремнефтористоводородной кислоты на фтористые соединения являются:

— создание непрерывного процесса производства фторида алюминия в сочетании с кондуктивным методом сушки продукта, что позволит снизить энергозатраты и повысить его качество;

— разработка и внедрение методов гранулирования фторида алюминия;

— сокращение потерь фтора с маточными растворами производства фтористых солей путем внедрения замкнутых схем водооборота;

— решение проблем утилизации кремнегеля, образующегося при производстве фторида алюминия.

К сожалению, до настоящего времени переработка фосфатного сырья с получением минеральных удобрений сопровождается сравнительно низким уровнем использования фтора. Это обстоятельство не является следствием отсутствия методов его извлечения, а обусловлено нерациональным подходом к данной проблеме, не учитывающим, что уменьшение безвозвратных потерь фтора с минеральными удобрениями может в гораздо большей степени способствовать сохранению собственных ресурсов плавикового шпата и уменьшению объемов флюоритового концентрата, закупаемого за рубежом. Кроме того, нет уверенности в том, что фтор, входящий в состав минеральных удобрений, не оказывает отрицательного влияния на человека и окружающую среду.

Представляет интерес улавливание фтора из отходящих газов с получением фтористого аммония, легко перерабатываемого в другие фтористые соединения. Причем, получаемые аммиачным методом фтористые соли содержат меньшее количество примесей. Кроме того, этот метод позволяет избежать применения соды, использование которой неизбежно приводит к загрязнению маточных растворов и сточных вод соединениями натрия и значительно осложняет их обезвреживание с целью выведения части сточных вод из водооборотного цикла. С другой стороны, в этом методе не будет выхода фтора в виде менее ценного кремнефтористого натрия, являющегося побочным продуктом при получении фтористых солей сернокислотным разложением плавикового шпата. Аммиачный метод позволяет с успехом перерабатывать на только отходящие газы, но и низкосортный необогащенный шпат, содержащий от 40 до 50% мас. CaF2, с предварительным получением из него кремнефтористоводородной кислоты. Повышенное содержание кремнезема в шпате благоприятно, так как дает возможность увеличить выход побочного продукта — белой сажи.

При нейтрализации аммиаком или аммиачной водой кремнефтористоводородной кислоты, полученной из отходящих фтористых газов, а также неочищенной плавиковой кислоты из плавикового шпата, идут следующие реакции:

НF+NHз = NH4 °F (2.10)

Н2SiF6+2NH3= (NH4) 2 SiF6 (2.11)

(NH4) 2 SiF6 +4NH3+(n+2) H2O=6NH4F+SiO2 · nH2O (2.12)

При улавливании фтористых газов аммиачной водой протекает реакция:

SiF4 +4NH4OH + H2O = 4NH4 F + SiO2*nН2O (2.13)

При абсорбции SiF4 6−10% мас. растворами NH4OH образуется кремниевая кислота, которая хорошо отстаивается и сравнительно легко отделяется от жидкости. Более слабые или более крепкие растворы аммиака дают или хлопьевидный труднофильтрующий, или студневидный осадок.

Осадок аморфной кремниевой кислоты после промывки, сушки и разрыхления выпускается в виде побочного продукта — белой сажи. Чистые растворы фторида аммония перерабатываются на различные фтористые соли.

Трифторид алюминия может быть получен нагреванием раствора фторида аммония с гидроокисью алюминия в течение 6−8 часов. При этом осаждается легко фильтрующий аммониевый криолит (NH4) 3AlF6 или 3NH4F*AlF3.

За счет диссоциации NH4 °F и удаления NH3 в растворе образуется бифторид аммония и протекает реакция:

3NH4F*HF2+Al (OH) 3 = (NH4) 3AlF6+3H2O (2.14)

Осадок отфильтровывают и прокаливают при температуре, при этом происходит разложение комплексной соли с образованием А1F3. Выделяющиеся газы (NH3+НF) могут быть уловлены и возвращены в производство.

Можно получать фторид алюминия при нагревании окиси алюминия с бифторидом аммония выше 130 °C по реакции:

А12O3 +3NH4HF2=2А1F3 + 3NHз +3H2O (2.15)

которая идет в две стадии:

А12O3+6NH4HF2=2А1F3+6NH4 °F + 3H2O (2.15.1)

причем в газовую фазу выделяется водяной пар и небольшое количество NH3.

При дальнейшем нагревании окись алюминия реагирует с фторидом аммония:

А12O3+6NH4F=2А1F3+3NHз+3H2O (2.15.2)

В качестве побочных промежуточных продуктов образуется аммониевый криолит (NH4) 3AlF6 и комплексная соль NH4AlF4 которые при температуре свыше 440 °C полностью разлагаются. При этом в газовую фазу удаляется некоторое количество NH4F

3. Основной метод получения

3.1 Характеристика основного и вспомогательного сырья

В основе получения трифторида алюминия лежит гидрохимический процесс, базирующийся на использовании очищенной фтороводородной кислоты, получаемой сернокислотным разложением флюоритового концентрата.

Техническая фтороводородная кислота представляет собой раствор газообразного фтороводорода в воде и содержит примеси H2SO4 и H2SiF6.

По внешнему виду — бесцветная жидкость с резким запахом.

Химический состав технической фтороводородной кислоты

Исходным сырьем для получения фторида алюминия является гидроксид алюминия марок ГД00, ГД0, ГД1 по ТУ 48−5-128−89 «Гидроксид алюминия».

Формула Al (OH) 3. Внешний вид — мелкокристаллический порошок белого цвета. Гидроксид алюминия нерастворим в воде, но легко растворяется как в кислотах, так и сильных основаниях, то есть проявляет амфотерный характер. Гидроксид алюминия хорошо растворим во фтороводородной кислоте. Процесс растворение носит экзотермический характер.

В настоящее время трифторид алюминия производится на двух технологических линиях с суммарной производственной мощностью — 35 000 тонн трифторида алюминия технического в год в пересчете на стандартный продукт с содержанием основного вещества 88% мас. AlF3.

3.2 Физико-химические характеристики основных стадий процесса

Сырьем для получения трифторида алюминия являются очищенная фтороводородная кислота и гидроксид алюминия.

Процесс получения трифторида алюминия основан на нейтрализации фтороводородной кислоты гидроксидом алюминия по уравнению:

Аl (ОН) 3+3НF= А1F3+3Н2O+Q (3.1)

где Q — теплота реакции образования трифторида алюминия, равная 329 ккал / моль.

В очищенной фтороводородной кислоте и пульпе гидроксида алюминия присутствуют примеси Nа2SiF6, NаF, SiO2, Fe2O3, Na2O, К2О, которые в процессе варки частично переходят в готовый продукт в виде криолита и других соединений, тем самым снижается содержание основного вещества — трифторида алюминия. Имеющаяся во фтороводородной кислоте H2SO4 реагирует с гидроксидом алюминия по реакции:

2Аl (ОН) 3+3H2SO4= А12 (SO4) 3+6Н2O (3.2)

Так как, образующиеся по реакциям соли — А12 (SO4) 3, Al2 (SiF6) 3 — хорошо растворимы в воде, то, взаимодействуя с НF, образуются трифторид алюминия, серная и кремнефтороводородная кислоты:

А12 (SO4) 3+6НF = 2А1F3+З H2SO4 (3.3)

Al2 (SiF6) 3 +6НF = 2А1F3+ЗH2SiF6 (3.4)

При этом H2SO4, H2SiF6 и другие растворимые соединения частично удаляются с маточным раствором в процессе фильтрования пульпы трифторида алюминия.

Основная реакция (3.1) осложнена взаимодействием образующегося А1F3, с гидроксидом алюминия, которое с учетом комплексообразования в растворах фторида алюминия протекает в две стадии:

1) гидролиз фторида алюминия в растворе:

2А1F3+Н2O=А1F2OH + HAlF4 (3.5)

2) нейтрализация образующейся фторалюминиевой кислоты Аl (ОН) 3:

3HAlF4 + Аl (ОН) 3 = 4А1F3 + 3Н2O (3.6)

Лимитирующей стадией процесса является гидролиз А1F3. Увеличение температуры реакционной среды ведет к разрушению гидратных оболочек, облегчению образования активированного комплекса и повышению скорости реакции.

Равновесие реакции гидролиза А1F3, смещается вправо вследствие выпадения нерастворимого осадка А1 (ОН) F2 и взаимодействия образующейся кислоты с Аl (ОН) 3. Вследствие равенства скоростей данных реакций рН сохраняется постоянной и равна 4,6.

Стабильность рН обеспечивает постоянство относительной концентрации А1F2 АlF4 за счет диссоциации А1F3 по реакции

2А1F3 = (3.7)

Раствор H2SO4 значительно медленнее реагирует с. Аl (ОН) 3. Скорость нейтрализации H2SO4 значительно повышается присутствии алюминийфторидных комплексов в растворе. Это обусловлено одновременным протеканием реакций:

2 () + H2SO4 = 2HAlF4 + (AlF2) 2SO4 (3.8)

Образующаяся фторалюминиевая кислота быстро взаимодействует с Аl (ОН) 3 по реакции (3.8).

При повышении рН ускоряются реакции гидролиза (3.5) и (3.9).

(AlF2) 2SO4 + Н2O = А1 (ОН) F2 + H2SO4 (3.9)

За счет реакции (3.9) в растворе накапливается сильная H2SO4, которая медленно взаимодействует с Аl (ОН) 3 в отсутствии комплекса, поэтому величина рН раствора снижается. Процесс извлечения фтора и алюминия из раствора замедляется. Большая остаточная концентрация F и Al в растворах, содержащих H2SO4 связана, очевидно, с образованием фторсульфатных комплексов алюминия в виде А1FSO2 и (AlF2) 2SO4.

В результате взаимодействия фтороводородной кислоты с гидроксидом алюминия образуются относительно стабильные пересыщенные растворы трифторида алюминия, хотя растворимость кристаллического А1F3 при 25 °C составляет 0,5% мас.

Стойкость этих растворов объясняется значительной гидратацией молекул А1F3 в водных растворах и уменьшается с повышением концентрации и температуры исходных растворов.

На скорость кристаллизации влияет интенсивность перемешивания, концентрация раствора, присутствие затравочных кристаллов.

Из растворов трифторида алюминия при температуре от 85 до 90 °C в твердую фазу выделяется устойчивая модификация AlF3· 3H2O. На физико-химические свойства осадка AlF3· 3H2O влияют, присутствие гидроксида алюминия и величина кислотности пересыщенного раствора AlF3. Для получения более крупных кристаллов необходимо поддерживать общую остаточную кислотность в растворе трифторида алюминия от 0,1 до 0,4% мас. HF, время загрузки алюминийсодержащего материала должно быть минимально.

Варка и кристаллизация трифторида алюминия осуществляется в реакторах периодического действия и подразделяется на три этапа:

1 этап: Производится набор фтороводородной кислоты в реактор и промешивается (от 15 до 20 мин.) с целью растворение оставшегося от предыдущей варки трифторида алюминия для улучшения последующего кристаллообразования.

2 этап: Из репульпаторов по кольцевому трубопроводу производится подача пульпы гидроксида алюминия (от 15 до 20 мин.) в реакторы, в результате чего происходит бурная реакция нейтрализации фтороводородной кислоты до образования пересыщенного раствора трифторида алюминия с остаточной кислотностью от 3 до 6 г/л.

Процесс образования трифторида алюминия происходит с выделением тепла, при этом температура реакционной массы повышается от 85 до 95 °C, что способствует успешному окончанию реакции.

Во избежание сильного вспенивания и выбросов реакционной массы необходимо вести равномерную загрузку пульпы гидроксида алюминия при работающей системе газоочистки.

3 этап: Кристаллизация трифторида алюминия происходит из пересыщенного раствора в течении 2,0−2,5 часов при непрерывном перемешивании с образованием кристаллов AlF3· 3H2O. Процесс кристаллизации трифторида алюминия сопровождается выделением тепла, за счет которого в реакторе поддерживается температура .

Процесс сушки заключается в удалении влаги из материала с целью улучшения качества продукта, предохранения его от порчи и слеживаемости, снижения веса, придания транспортабельности.

На сушку поступает паста кристаллогидрата трифторида алюминия, содержащая как свободную, так и связанную в кристаллической решетку воду. Процесс сушки гидратированного трифторида алюминия проводится конвективно-кондуктивным способом, при этом, на начальной стадии, в зоне конвективной сушки (перенос теплоты, обусловленный движением среды) процесс дегидратации AlF3· 3H2O следует вести при температуре не более 300 °C с образованием полугидрата, т. е. AlF3· 0,5H2O по реакции:

2 AlF3· 3H2O = AlF3· 0,5H2O + 2,5H2O (3.10)

Для полного обезвоживания трифторида алюминия его необходимо прокаливать при 400−550°С в аппарате с кондуктивным способом подвода тепла, т. е. в тепловом агрегате, где теплообмен между продуктом и теплоносителем происходит через разделяющую их металлическую стенку.

В ходе одностадийной сушки трифторида алюминия проходит побочная реакция, что не позволяет получить продукт с высоким содержанием основного вещества:

2 AlF3· 0,5H2O +2H2O = Al2O3 + 6HF (3.11)

Увеличение парциального давления паров HF над продуктом достигается за счет специальной конструкции теплового агрегата (2-я стадия сушки), в котором процесс дегидратации полугидрата происходит непрерывно в замкнутом пространстве и при повышенной температуре, с получением качественного продукта по реакции:

AlF3· 0,5H2O = AlF3 + 0,5H2O (3.12)

В указанных условиях обеспечивается получение мелкокристаллического трифторида алюминия.

Производство тонкоизмельченного порошка приводит к его значительным потерям (до 15−25% мас. по различным источникам) в производстве металлического алюминия. Устранение этого недостатка затруднено плохой брикетируемостью безводного AlF3· хH2O, получаемого традиционными методами.

3.3 Описание технологической схемы производства

Технологическая схема производства представлена на рис. 1. Технологический процесс производства трифторида алюминия состоит из следующих стадий:

1) подготовка исходного сырья;

2) варка и кристаллизация трифторида алюминия;

3) фильтрование трифторида алюминия;

4) сушка трифторида алюминия;

5) очистка отходящих газов;

6) упаковка и транспортирование трифторида алюминия.

3.3.1 Подготовка исходного сырья

Фтороводородная кислота, очищенная от примеси — кремнефтороводородной кислоты в отделении очистки, поступает из сгустителей по кольцевому трубопроводу в реакторы трифторида алюминия 2.

Пульпу гидроксида алюминия готовят периодическим способом согласно аппаратурно-технологической схеме (рис. 2).

Для чего в репульпатор 1, снабженный цепной мешалкой для перемешивания, подают воду 1-го оборотного цикла и подогревают ее «острым» паром до 40−60°С. Гидроксид алюминия из склада грейферным краном 4 подаётся в расходный бункер 3, откуда с помощью пластинчатого питателя 2 загружается в репульпатор гидроксида алюминия до достижения удельного веса пульпы в пределах 1,45−1,46 г./см³.

Приготовленная пульпа гидроксида алюминия центробежными насосами 5, 6 по трубопроводу транспортируется в репульпаторы 1 загрузочного отделения.

По окончании перекачки пульпы, во избежание забивки, трубопроводы пропариваются.

3.3.2 Варка и кристаллизация трифторида алюминия

Варка и кристаллизация AlF3 осуществляется в реакторах периодического действия 2. Сначала в реакторы подается фтороводородная кислота, затем через 15−20 минут производится подача гидроксида алюминия также в течение 15−20 минут. Процесс протекает при постоянном перемешивании до остаточной кислотности от 3 до 6 г/л с повышением температуры реакционной среды до 85−95°С.

После окончания процесса кристаллизации, последующей проверки пробы пульпы на остаточную кислотность, скорость осаждения осадка и прозрачность раствора, пульпа трифторида алюминия при температуре от 90 до 95 °C по сливному желобу или спускным трубам подаётся в буферную ёмкость 3, откуда центробежными насосами перекачивается на барабанные вакуум-фильтры.

3.3.3 Фильтрование трифторида алюминия

Фильтрование пульпы трифторида алюминия осуществляется на барабанных вакуум-фильтрах 4, принцип работы которых основан на создании перепада давлений между фильтруемой средой и внутренней камерой аппарата, разделенных фильтрационной перегородкой. В качестве фильтровального полотна используется техническое сукно или лавсан.

Образующийся на полотне слой пасты трифторида алюминия с поверхностной (свободной) влажностью не более 22% мас. срезается при вращении барабана фильтра ножом, поступает в тарельчатый дозатор 6 и подаётся шнеком 7 в барабанную сушильную печь.

Полученный при фильтровании маточный раствор трифторида алюминия, проходя через вакуум-котёл 13, поступает в сборник маточных растворов 15 и центробежным насосом направляется на периодическую варку криолита. Пары и газы из верхней части вакуум-котла отводятся в барометрический конденсатор-ловушку 14, откуда образующийся конденсат сливается в сборник 20, а оставшаяся парогазовая смесь отсасывается вакуум-насосом 16 и выбрасывается в атмосферу.

3.3.4 Описание аппаратурной схемы двухстадийной сушки

1-я стадия сушки

При сушке на двухстадийной установке процессы обезвоживания продукта разделены аппаратурно: удаление свободной и части связанной воды производится в барабанной сушильной печи 8. В барабане, за счёт угла наклона его и вращения, продукт перемещается к разгрузочному концу. Горячие топочные газы, образующиеся при сжигании природного газа в топке печи, движутся навстречу пасте, при этом продукт высушивается: удаляется свободная и, частично, кристаллизационная вода. Высушенный таким образом продукт при работе:

— 2-й сушильной печи транспортируется на 2-ю стадию сушки скребковым конвейером;

— 1-й сушильной печи транспортируется на 2-ю стадию сушки шнеком 9.

2-я стадия сушки

Трифторид алюминия в виде сыпучего продукта поступает в шнек 9 теплового агрегата 10. Шнек, являющийся питателем теплового агрегата, продвигает продукт в профильные каналы на входе в тепловой агрегат, при прохождении которых продукт распределяется по зигзагообразным каналам вставки пересыпных секций.

Распределение продукта по каналам и продвижение его к разгрузочному концу происходит за счёт вращения кольцевой вставки и угла наклона её оси.

Теплоносителем на второй стадии сушки являются топочные газы, образующиеся при сжигании природного газа в топке теплового агрегата. Поток топочных газов входит в неподвижный кожух теплового агрегата по принципу противотока. Входящие газы движутся под разрежением, создаваемым вентилятором 22, и обтекают вращающуюся кольцевую вставку теплового агрегата как снаружи, так и изнутри.

Дымовые газы, выходящие из теплового агрегата, поступают по газоходу в топочную камеру барабанной печи первой стадии сушки 8.

Топочные газы первой и дымовые газы второй стадий сушки, содержащие пары воды, примеси фторида водорода и пыли трифторида алюминия, смешанные в барабанной сушильной печи, выходят из неё за счёт разрежения, создаваемого вытяжным вентилятором 22, и поступают в систему технологической газоочистки.

Высушенный продукт из агрегата шнеком 9 подаётся в бункеры 11 и далее аэрокамерами транспортируется в силосные башни склада готовой продукции.

3.4 Характеристика используемых химических реакторов

Основными аппаратами в производстве трифторида алюминия являются реактор синтеза и кристаллизации AlF3, барабанный вакуум-фильтр, сушильная печь и теплоагрегат.

3.4.1 Реактор синтеза трифторида алюминия

Варка и кристаллизация AlF3 осуществляются в емкостном изотермическом гомогенном реакторе периодического действия, снабженным перемешивающим устройством (рис. 3). Диаметр реактора — 3,6 м, высота — 4,0 м, объем — 40,0 м³. Для обеспечения непрерывного режима на последующих стадиях процесса в одной технологической нитке установлены три реактора.

Реактор изготовлен из стали СтЗ. Стенки и днище гуммированы и по гуммировке футерованы угольно-графитовыми плитами. Реактор имеет люк, крыша которого изнутри гуммирована термостойкой резиной или плакирована свинцом. В крыше имеются отверстия для перемешивающего устройства, для трубопроводов кислоты и гидроксида алюминия. Все отверстия герметизированы, а люки имеют герметичные крышки. Мешалки находятся на стальном валу. Начиная от места входа в реактор, вал гуммирован термостойкой резиной. На нижний конец вала насажен лопастной винт из латуни. Скорость вращения вала ~ 30 оборотов в минуту.

3.4.2 Барабанный вакуум-фильтр

Барабанный вакуум-фильтр (рис. 4) состоит из полого барабана, распределительной головки, приводного механизма, корыта фильтра, ножа для съема осадка с поверхности барабана, мешалки в корыте фильтра. Часть поверхности барабана фильтра погружена в корыто с фильтруемой пульпой. Поверхность барабана составлена из отдельных сеток, на которые натягивается фильтровальная ткань (сукно или лавсан). Барабан разделен на несколько разобщенных ячеек, сообщающихся с неподвижной распределительной головкой. Распределительная головка состоит из нескольких камер, которые соединены либо с линией вакуума, либо с линией сжатого воздуха. При вращении барабана в ячейках создается вакуум или давление. При вращении барабана одна из его ячеек сообщается с зоной фильтрации, в этой ячейке устанавливается вакуум. Жидкость отсасывается через фильтрующую ткань внутрь ячейки, из которой фильтрат отводится через распределительную головку и патрубок. На поверхности фильтрующей ткани образуется слой осадка, который по мере вращения барабана в фильтруемой пульпе все время увеличивается.

После выхода ячейки барабана из фильтруемой пульпы в ячейку, остающуюся еще под вакуумом, просасывается воздух и вытесняет из слоя осадка фильтрат, тем самым, просушивая этот слой (зона просушивания). Полученный осадок с влажностью не более 22% мас. снимается ножом, который подводится как можно ближе к фильтрующей поверхности. После снятия осадка ячейка вновь попадает в зону давления, и сжатым воздухом фильтровальная ткань продувается.

3.4.3 Барабанная сушильная печь

Сушилка предназначена для удаления свободной влаги и части кристаллизационной воды. Сушка трифторида алюминия осуществляется в сушильных печах непрерывного действия, представляющих собой вращающийся сварной барабан диаметром 3,2 м и длиной 50 м, на котором при помощи башмаков закреплены бандажи. Корпус печи опирается бандажами на опорные ролики. Внутри барабан футеруется: горячая часть печи — муллитокорундовым кирпичом, холодная часть — угольными блоками. Привод барабана печи смонтирован на отдельной сварной раме и состоит из электродвигателя, редуктора и открытой венцовой шестерни. Скорость вращения барабана печи регулируется изменением числа оборотов электродвигателя.

Разгрузочная головка печи соединена с топочной камерой, которая установлена на четырехколесной тележке, помещенной на рельсах для откатывания в случае проведения ремонта. Торцевая часть холодного конца печи оборудована загрузочной головкой, через которую паста фтористого алюминия с помощью загрузочного шнека непрерывно поступает в сушильный барабан и за счет угла наклона и вращения барабана перемещается к разгрузочному концу. Сушка трифторида алюминия осуществляется дымовыми газами, образующимися при сжигании природного газа. Горячие газы проходят вдоль сушильного барабана навстречу движущейся пасте.

Высушенный трифторид алюминия из агрегата поступает по трубе через скребковый конвейер в камерные пневматические насосы, с помощью которых транспортируется в силоса склада готовой продукции. Теплоносителем на второй стадии сушки являются дымовые газы, образующиеся при сжигании природного газа в топке теплового агрегата.

Поток горячих газов входит в неподвижный кожух теплового агрегата по принципу противотока. Входящие газы движутся под разрежением, создаваемым вентилятором, и обтекают вращающуюся кольцевую вставку как снаружи, так и изнутри.

Газы, выходящие из теплового агрегата, поступают по газоходу в «горячую» головку сушильной печи первой стадии сушки.

Дымовые газы первой и второй стадий сушки, смешанные в сушильной печи, выходят из нее за счет разрежения, создаваемого хвостовым вентилятором, и поступают в систему очистки газа.

Вода, удаляемая из трифторида алюминия в тепловом агрегате, в виде паров с примесью фтороводорода и пыли трифторида алюминия поступает в газоход дымовых газов, отходящих из теплового агрегата.

Время пребывания трифторида алюминия в тепловом агрегате приблизительно 20 минут.

Для охлаждения опорной части вала кольцевой вставки теплового агрегата в зоне роликовых опор и вентилятора ВГДН-15Б используется вода 3-го оборотного цикла.

3.5 Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования

3.5.1 Очистка отходящих газов

Очистка отходящих газов производится для уменьшения потерь продукта и охраны окружающей среды. С этой целью отходящие газы из сушильной печи подвергаются двухстадийной очистке.

1-я стадия. Отходящие дымовые газы из сушильной печи вентилятором ВМ-18А 22 протягиваются через группу циклонов НИ-ИОГАЗ, ЦН-15 17 и электрофильтр ОГП 4−16 19. Уловленная в циклонах НИИОГАЗ пыль трифторида алюминия шнеком 18 направляется в загрузочный шнек 7 сушильной печи 8. Пыль, уловленная в электрофильтре, шнеком подаётся в бак-сборник 20, репульпируется технической водой 2-го оборотного цикла и центробежным насосом 21 перекачивается в сборник маточных растворов 15.

2-я стадия. Мокрая очистка отходящих газов производится в скруббере и пенном аппарате. Пенный аппарат орошается технической водой 2-го оборотного цикла, подаваемой центробежным насосом. Оборотная вода затем подаётся в бак-сборник для орошения скруббера. Отработанные скрубберные воды отстаиваются в сгустителе. Сгущенная часть через циркуляционный бак центробежным насосом перекачивается в бак для последующей переработки в производстве криолита. Очищенные газы после пенного аппарата выбрасываются через дымовую трубу высотой 80 м и диаметром 2,7 м в атмосферу.

Вывод

В ходе данного курсовой работы изучил производство фторида алюминия. Подробно рассмотрел «сухой» метод получение фторида алюминия. В промышленности технический трифторид алюминия применяется в производстве алюминия электролитическим методом — добавка в качестве флюса в электролитические ванны вместе с криолитом и плавиковым шпатом.

1. В. И Гашкова ОАО" Полевской криолитовый завод", Комплексная переработка флюоритового концентрата. Научное издание. — Екатеринбург: УрО РАН, 2002 г. — 256 с

2. Расчет по технологии неорганических веществ / Под ред. М. Е. Позина. Л.:Химия, 1977. 494 с.

3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.:Химия, 1987. 624 с.