Расчет материального баланса производства глинозема способом Байера.
Оценка распределения в нем органических примесей
Способ Байера — самый дешевый и самый распространенный, однако лдя его осуществления требуются высококачественные бокситы. Способ спекания — наиболее дорогой, но более универсальный и может применяться к любому высококремнистому алюминиевому сырью. С большим успехом применяются комбинированные щелочные способы. Параллельный вариант используют для термической каустификации соды и компенсации… Читать ещё >
Расчет материального баланса производства глинозема способом Байера. Оценка распределения в нем органических примесей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Курсовой проект
Расчет материального баланса производства глинозема способом Байера. Оценка распределения в нем органических примесей
1. Способ Байера. Общие сведения
Промышленные способы получения глинозема
Из различных алюминиевых руд глинозем можно получать щелочными и кислотными способами вследствие наличия у него амфотерных свойств. В промышленности применяются пока только щелочные способы; чисто кислотные и кислотно-щелочные способы находятся в стадии лабораторных и полузаводских исследодваний.
Промышленные щелочные способы производства глинозема из бокситов, нефелинов и алунитов подразделяют на:
1. гидрохимический (способ Байера);
2. способ спекания;
3. комбинированный способ (сочетание способа Байера со способом спекания в параллельном или последовательном варианте).
Для нефелиновых руд применяется только способ спекания с известняком или с известняком и содой. выбор же способа переработки бокситов определяется следующими основными факторами:
1. кремневым модулем;
2. содержанием Fe2O3;
3. содержанием вредных примесей: карбонатов, сульфидов и органических веществ;
4. минералогическим составом сырья.
При прочих благоприятных условиях бокситы с кремневым модулем >6−7 целесообразно перерабатывать по способу Байера, бокситы с кремневым модулем <6 и с умеренным содержанием оксида железа (не более 20% Fe2O3) — по последовательному варианту комбинированного способа Байер-спекание и, наконец, бокситы с модулем <6, но с повышенным содержанием Fe2O3 — по способу спекания. Под благоприятными условиями имеется в виду малое содержание в бокситах карбонатов и сульфидов (особенно FeCO3 и FeS2). Из-за повышенного содержания этих примесей может оказаться невыгодным способ Байера для бокситов с кремневым модулем >6−7 вследствие больших потерь каустической щелочи (переход ее в соду и сульфат натрия), плохого отстаивания красного шлама и загрязнения алюминатных растворов двухвалентным железом.
Способ Байера — самый дешевый и самый распространенный, однако лдя его осуществления требуются высококачественные бокситы. Способ спекания — наиболее дорогой, но более универсальный и может применяться к любому высококремнистому алюминиевому сырью. С большим успехом применяются комбинированные щелочные способы. Параллельный вариант используют для термической каустификации соды и компенсации потерь дорогой каустической щелочи более дешевой содой; для спекательной ветви этого варианта может применяться как высококачественный байеровский боксит, так и спекательный. Последовательный вариант комбинированного способа по технико-экономическим показателям занимает промежуточное положение между способом Байера и способом спекания и применяется для высококремнистых бокситов для максимального извлечения из них глинозема.
Основы способа Байера
Способ Байера основан на свойстве алюминатных растворов находится в устойчивом состоянии при повышенных температурах и концентрациях и на самопроизвольном их разложении (гидролизе) с выделением в осадок гидроксида алюминия при понижении температуры и концентрации. В основу этого способа положены патенты К. Байера (Германские патенты № 43 977 от 3 августа 1889 г. и № 65 604 от 3 сентября 1892 г.), работавшего в России на химическом заводе в Санкт-Петербурге. Согласно этим патентам получение глинозема из бокситов заключается в выщелачивании их оборотными алюминатно-щелочными растворами, отделении красного шлама и разложении насыщенных алюминием алюминатных растворов при перемешивании с затравкой — свежеосажденным гидроксидом алюминия.
Принципиальная схема способа Байера представлена на рис. 1. В зависимости от состава боксита и местных условий могут быть различные варианты этой схемы.
Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим оъемом оборотного щелочного раствора (ж:т = 0,8−1,2) и направляют в мельницу мокрого размола. Такое низкое отношение ж: т в мельнице обеспечивает максимальную ее производительность. К диаспоровому бокситу добавляют 3−5% извести. Мельницы обычно работают в замкнутом цикле с реечными или спиральными классификаторами, которые иногда заменяют или дополняют гидроциклонами. Пульпа из мельниц собирается в сборниках, куда подают остальное количество оборотного раствора. Здесь ее нагревают паром сепарации до 90−100°С и выдерживают несколько часов при перемешивании для предварительного обескремнивания боксита, т. е. перевода большей части кремнезема из боксита в раствор и далее в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия. Этим достигается меньшее зарастание алюмосиликатной накипью трубок подогревателей, через которые проходит пульпа в автоклавы.
Далее пульпа нагревается в системе подогревателей и подается в автоклавную батарею для выщелачивания боксита. Из последнего автоклава батареи «варения» пульпа перетекает в систему сепараторов (пароотделителей), где от самоиспарения алюминатного раствора образуется пар, используемый для предварительного нагрева пульпы в подогревателях перед автоклавами. из последнего сепаратора охлажденная пульпа поступает в мешалки для разбавления промывной водой и далее на отделение и промывку красного шлама в систему сгустителей, работающих по принципу противотока.
Промытый и сгущенный в последнем сгустителе красный шлам откачивается в отвал на шламовое поле, а алюминатный раствор (слив) из первого (основного) сгустителя подается на контрольную фильтрацию для полного отделения взвеси шлама. Чистый алюминатный раствор охлаждается до 55−60°С в теплообменниках и поступает вместе с затравочным гидроксидом на разложение (декомпозицию) в батарею декомпозеров.
После разложения в течении 40−100 ч полученная пульпа гидроксида алюминия поступает на сгущение, отделяется маточный раствор (слив), а сгущенный гидроксид алюминия после классификации по крупности (или без нее) делят на две части: одну часть (крупная фракция в случае классификации) тщательно отмывают от щелочи и отправляют на кальцинацию; другую часть (около ѕ всего гидроксида) используют в качестве затравки. Иногда затравочный гидроксид также предварительно промывают, но не так тщательно, как товарый (для кальцинации).
Маточный алюминатный раствор с и воду от промывки гидроксида (промводу) направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, где концентрацию Na2Oк в растворе повышают до 200−300 г./л. Так как растворимость соды уменьшается с повышением содержания каустической щелочи в растворе, то часть соды выпадает в виде одноводной по мере выпаривания маточного раствора. При установившемся процессе выпариванием выделяется столько же соды, сколько ее накапливается за весь процесс. Этим предотвращается накопление соды в растворе, и концентрация ее поддерживается в определенных пределах.
Для уменьшения удельного расхода свежей каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют в воде для каустификации известковым молоком. Получающийся при этом разбавленный раствор каустической щелочи упаривают вместе с маточным раствором или же в отдельных выпарных аппаратах. К упаренному маточному раствору добавляют свежую едкую щелочь для возмещения химических и механических потерь ее, и раствор направляют на выщелачивание боксита.
Готовый гидроксид алюминия фильтруют и прокаливают при температуре около 1200 °C во вращающихся трубчатых печах, топочные газы которых тщательно очищают от глинозема.
Взаимодействие органических веществ с растворами NaOH
Помимо основных составляющих — Al2O3, Fe2O3, SiO2 и TiO2, входящих в состав различных минералов, в бокситах могут содержаться многочисленные примеси органических веществ, соединений серы, фосфора, ванадия, хрома, галлия, фтора и др. в малых или незначительных количествах.
В производстве глинозема по способу Байера маточные растворы — оборотные, поэтому даже незначительные примеси в боксите постепенно могут накапливаться в процессе, осложняя его и загрязняя Al (OH)3.
Органические вещества содержатся в бокситах в форме гуминов и битумов. Гуминовые вещества состоят главным образом из гуминовых кислот — продукта превращения лигина. Они хорошо реагируют с растворами щелочей, образуя различные соединения щелочных гуматов, превращающихся в легко растворимый оксалат натрия и в разные смолистые вещества, дающие с едкой щелочью коллоидные растворы.
Гумины имеют сложный состав, химическая формула которых до настоящего времени не установлена. Элементарный состав гуминов может быть выражен следующими средними цифрами: 58% С, 36% О2, 4% Н2, 2% N2 и некоторых др.
Битумы отличаются от гуминов большим содержанием углерода и водорода, они мало растворяются в щелочных растворах. Следовательно, не вся органика, содержащаяся в бокситах, должна рассматриваться как одинаково вредная примесь.
Хотя содержание органических веществ в бокситах составляет только сотые доли процента, а в раствор переходит только гуминовая доля и то лишь часть ее, но, как показала практика, через определенное число циклов в растворах накапливаются значительные количества этих веществ. Многие органические вещества оказывают вредное влияние на выщелачивание бокситов, на сгущение и промывку красного шлама вследствие заметного повышения вязкости алюминатных растворов, причем гидроксид алюминия получается более мелкий. Наконец, эти вещества ухудшают работу выпарных аппаратов и кристаллизацию соды из оборотных растворов.
Основной источник органических веществ — боксит; кроме того, они попадают в растворы в результате взаимодействия их с фильтровальным полотном и органическим флокулянтом (ржаной мукой). Органические вещества частично удаляются на разных переделах, больше всего с красным шламом, готовым гидроксидом алюминия, моногидратом соды (рыжей содой), выделяющимся при выпарке маточных растворов, и с известковым шламом от каустификации рыжей соды. Чем больше органических веществ, тем больше их выходит из цикла этими путями.
По достижении в цикле определенного количества органических веществ наступает равновесие между их поступлением и выводом. При таком равновесии содержание этих веществ должно оставаться ниже предельного, в противном случае нужны дополнительные меры для очистки растворов. Обжиг, а в некоторых случаях и промывка бокситов могут снизить предельную концентрацию органических веществ в алюминатных растворах.
Среди упомянутых выше поглотителей органических веществ из алюминатных растворов на разных переделах наилучшая адсорбционная способность у моногидрата соды. Из-за адсорбции быстро прекращается рост кристалликов моногидрата; выпадающий осадок состоит из мельчайших частиц, следовательно, имеет большую удельную поверхность, а концентрация органических веществ в выпарном растворе до начала кристаллизации соды наибольшая. Моногидрат соды окрашен органикой, поэтому на заводах его называют «рыжей содой». Гидроксид алюминия, полученный декомпозицией, тоже окрашен органическими веществами: он розоватый в отличие от белоснежного гидроксида, получаемого по способу спекания.
Количество органических веществ, адсорбируемых красным шламом, зависит от его выхода, минералогического и дисперсионного состава, т. е. от активной поверхности шлама, а так же от концентрации органических веществ в алюминатном растворе.
2. Материальный баланс производства глинозема из бокситов по способу Байера
Исходные данные
1. химический состав боксита, %:
Al2O3 54,0; Fe2O3 23,6; SiO2 4,0; TiO2 2,2; CaO 2,0; CO2 1,6; п.п.п. 11,0; прочие 1,6 (всего 100%); влага (H2O) 7,0;
2. химический состав извести, %:
CaOакт 86,4; CaOсвяз 2,6; SiO2 3,6; CO2 2,0; прочие 5,4 (всего 100%); влага (H2O) 7,0;
3. товарный выход Al2O3 89,0%;
4. расход извести 3,0% от массы сухого боксита;
5. состав оборотного раствора, г/л:
Na2Oк 300,0; Al2O3 129,87; Na2Oу 26,10; CO2 18,52; H2O 945,50; плотность 1420 кг/м3; бк=3,8;
6. состав алюминатного раствора Al2O3 145,15 г./л; плотность 1240 кг/м3; бк=1,7;
7. потери Na2O 62,9 кг;
8. ж: т в уплотненной пульпе со сгустителя 3,0; с последнего промывателя 2,5;
9. содержание Na2O в жидкой фазе отвального шлама 2,145 г./л;
10. разбавление пульпы при выщелачивании с учетом самоиспарения в сепараторах составляет 1,5%;
11. затравочное отношение (З.О.) 2,0; влажность затравочной гидроокиси алюминия 20,0%; в сгущенной гидроокиси алюминия ж: т=1,0;
12. расход воды на промывку гидроокиси алюминия 1 т, влажность отфильтрованной гидроокиси 10,0%;
13. с моногидратом соды увлекается оборотного раствора 25% от массы влажного осадка;
14. количество извести при каустификации 125% от стехиометрического; степень каустификации 90%;
15. Na2Oобщ в растворе известковой пульпы 10,0%, содержание влаги в отвальном известковом шламе 25,8%.
Расчет потерь
При товарном выходе Al2O3 89,0%, если в 1 т полученного глинозема содержится 990,0 кг Al2O3, потребуется сухого боксита кг. В нем должно содержаться кг Al2O3.
Следовательно, общие потери Al2O3 составляют кг. Из этого количества потерь Al2O3 при дроблении теряется 0,2% Al2O3, или кг, что соответствует потере кг сухого боксита.
На размол поступает кг сухого боксита и сухой извести кг. Потери Al2O3 те же, что и при дроблении, т. е. в сырой пульпе, поступающей на автоклавное выщелачивание, содержится кг сухого боксита.
На выщелачивание поступает, кг:
С бокситом | |||
Al2O3 | 2051,70· 0,540=1107,92 | ||
Fe2O3 | 2051,70· 0,236=484,20 | ||
SiO2 | 2051,70· 0,040=82,07 | ||
TiO2 | 2051,70· 0,022=45,14 | ||
CaO | 2051,70· 0,020=41,03 | ||
CO2 | 2051,70· 0,016=32,83 | ||
П.п.п. | 2051,70· 0,110=225,68 | ||
Прочие | 2051,70· 0,016=32,83 | ||
Итого | 2051,70 | ||
Влага | 2051,70· 0,07=143,62 | ||
С известью | |||
CaO | 61,67· 0,89=54,89 | ||
SiO2 | 61,67· 0,036=2,22 | ||
CO2 | 61,67· 0,02=1,23 | ||
Прочие | 61,67· 0,054=3,33 | ||
Итого | 61,67 | ||
Влага | 61,67· 0,05=3,08 | ||
Каустика необходимо ввести: м3 или кг.
С каустиком поступает, кг:
Na2Oобщ | 62,90 | ||
CO2 | 5,1· 0,141=0,72 | ||
H2O (по разности) | 139,42 | ||
Итого | 203,04 | ||
Примерный состав красного шлама, кг:
Al2O3 | без учета потерь от гидролиза, где 8,2 и 11,0% - потери Al2O3 с красным шламом в нерастворимой форме и общие потери (см. табл. 1) | ||
Na2O | 41,70 | ||
Fe2O3 | 484,20 | ||
TiO2 | 45,14 | ||
SiO2 | 82,07+2,22=84,29 | ||
CaO | 41,03+54,89=95,92 | ||
Прочие | 32,83+3,33=36,16 | ||
П.п.п. | 63,19 | ||
В красном шламе должно содержаться Fe2O3, TiO2, SiO2, CaO и прочих столько, сколько этих компонентов в автоклавной пульпе.
Масса красного шлама без учета п.п.п. равна кг. П.п.п. подсчитываем так:
1. SiO2 находится шламе в составе гидроалюмосиликата натрия Na2O· Al2O3·2SiO2·2H2O; тогда с 84,29 кг SiO2 связаны кг Al2O3 и кг H2O;
2. CaO в шламе находится в составе CaO· TiO2·H2O; тогда с 45,14 кг TiO2 связанно кг H2O;
3. Al2O3, не связанный в гидроалюмосиликат натрия, находится в шламе в составе 3CaO· Al2O3· 6H2O; тогда с кг Al2O3 связанно кг H2O;
4. примем, что 1,85 Fe2O3 находятся в шламе в виде Fe (OH)3, тогда с кг Fe2O3 будет связанно кг H2O.
Итого п.п.п.кг. Всего масса шлама кг, а с учетом потерь 7,79 кг Al2O3 от гидролиза масса шалма составит кг.
Химические потери Na2O несколько ниже, чем-то количество, которое должно быть связанно в составе Na2O· Al2O3·2SiO2·2H2O с 84,29 кг SiO2 т. е. в гидроалюмосиликате натрия часть Na2O замещена оксидом кальция.
Вследствие неполной отмывки с отвальным шламом теряется кг Na2O, в том числе 4,69 кг Na2Oк, где 2,5 это ж: т в отвальном шламе; 2,145 — содержание Na2O в жидкой фазе отвального шлама, г/л.
При в жидкой фазе отвального шлама потери Al2O3 составят 4,45 кг, или 0,40%. Остальные потери Al2O3 по переделам принимаем по данным практики.
Составляем таблицу потерь (табл. 1).
Таблица 1. Потери Al2O3 и Na2O
Статьи потерь | Al2O3 | Na2O, кг | ||
% от содержания в боксите | кг | |||
При хранении и дроблении | 0,2 | 2,22 | ; | |
При размоле | 0,2 | 2,22 | 0,5 | |
В красным шламом: | ||||
в нерастворимой форме | 8,2 | 91,21 | 41,7 | |
в растворимой форме | 0,4 | 4,45 | 5,19 | |
за счет гидролиза | 0,7 | 7,79 | ; | |
При декомпозиции | 0,2 | 2,23 | 3,8 | |
При выпарке и выделении соды | 0,2 | 2,23 | ||
С известковым шламом | 0,2 | 2,22 | 3,8 | |
При кальцинации (и с итоговой продукцией) | 0,7 | 7,79 | ||
Всего | 122,36 | 62,9 | ||
Расчет состава и количества оборотного раствора
Выход Al2O3 при декомпозиции
.
Следовательно, в составе алюминатного раствора, поступающего на декомпозицию, содержится Al2O3, кг:
где 7,79 — потери Al2O3 на кальцинации, кг;
990,0 — содержание Al2O3 в 1 т глинозема, кг.
Если бы отсутствовали механические потери на декомпозиции, то в маточном растворе осталось Al2O3, кг:
.
С учетом потерь Al2O3 на декомпозиции, выпарке и каустификации соды получим, что в оборотном растворе содержится Al2O3, кг:
(см. табл. 1).
При в нем содержится Na2Oк ;
Na2Oу = 8% от Na2Oобщ, т. е. .
г/л.
Объем оборотного раствора, м3: ;
Масса оборотного раствора, кг: ;
кг;
кг;
кг.
Масса сырой пульпы = масса влажного боксита + масса влажной извести + масса каустической щелочи + масса оборотного раствора.
Масса сырой пульпы, кг:, где 0,50 — потери Na2O при размоле, кг.
Разбавление пульпы при выщелачивании с учетом самоиспарения в сепараторах составляет 1,5%, или кг.
На основании полученных данных составляем баланс автоклавного выщелачивания (табл. 2).
Разбавление и уплотнение пульпы. Промывка красного шлама
Принимаем, что концентрация Na2Oк в жидкой фазе разбавленной пульпы (или в алюминатном растворе) 150,0 г/л; тогда при концентрация Al2O3 145,15 г./л.
При концентрация Na2Oу в алюминатном растворе будет г/л, а концентрация CO2 г/л. При плотности раствора 1240 кг/м3 концентрация H2O составит, г/л:
.
Состав алюминатного раствора приведен в табл. 3.
Со шламом увлекается алюминатного раствора кг,
где 937,69 — масса красного шлама без учета потерь с ним Al2O3 в составе Al (OH)3, кг;
Таблица 2. Баланс автоклавного выщелачивания
Введено, кг | Получено, кг | |||||
Боксит: | Автоклавная пульпа: | |||||
Al2O3 | 1107,92 | Al2O3 | 1909,08 | |||
Fe2O3 | 484,20 | Na2Oобщ | 2073,90* | |||
SiO2 | 82,07 | Fe2O3 | 484,20 | |||
TiO2 | 45,14 | SiO2 | 84,29 | |||
CaO | 41,03 | TiO2 | 45,14 | |||
CO2 | 32,83 | CaO | 95,92 | |||
прочие | 32,83 | CO2 | 149,02 | |||
п.п.п. | 225,68 | прочие | 36,16 | |||
H2O | 143,62 | п.п.п. | 225,68 | |||
Итого | 2195,32 | H2O | 6286,09 | |||
Итого | 11 389,48 | |||||
Известь: | ||||||
CaO | 54,89 | |||||
SiO2 | 2,22 | |||||
CO2 | 1,23 | |||||
прочие | 3,33 | |||||
H2O | 3,08 | |||||
Итого | 64,75 | |||||
Каустик: | ||||||
Na2Oк | 61,89 | |||||
Na2Oу | 1,01 | |||||
CO2 | 0,72 | |||||
H2O | 139,42 | |||||
Итого | 203,04 | |||||
Оборотный раствор: | ||||||
Al2O3 | 801,16 | |||||
Na2Oк | 1850,52 | |||||
Na2Oу | 160,98 | |||||
CO2 | 114,24 | |||||
H2O | 5831,66 | |||||
Итого | 8758,56 | |||||
Конденсат | 168,31 | |||||
Всего | 11 389,98 | Всего | 11 389,98* | |||
*За вычетом потерь (0,5 кг Na2O) на размоле. | ||||||
Таблица 3. Состав алюминатного раствора
Компоненты | Концентрация | ||
г/л | % | ||
Al2O3 | 145,15 | 11,71 | |
Na2Oк | 150,00 | 12,10 | |
Na2Oу | 12,95 | 1,04 | |
CO2 | 9,19 | 0,74 | |
H2O | 922,71 | 74,41 | |
Всего | 1240,0 | 100,0 | |
В этом растворе содержится, кг:
Al2O3 | 2813,07· 0,1171=329,41 | ||
Na2Oк | 2813,07· 0,121=340,38 | ||
Na2Oу | 2813,07· 0,0104=29,26 | ||
CO2 | 2813,07· 0,0074=20,82 | ||
H2O | 2813,07· 0,7441=2093,20 | ||
С жидкой фазой отвального шлама теряется 4,45 кг Al2O3 и 5,09 кг Na2Oобщ, в том числе 4,69 кг Na2Oк и 0,40 кг Na2Oу. Потери за счет гидролиза составляют 7,79 кг Al2O3 и 4,12 кг H2O.
Тогда с 1-й промводой возвращается на разбавление, кг:
Al2O3 | 329,41−4,45−7,79=317,17 | ||
Na2Oк | 340,38−4,69=335,69 | ||
Na2Oу | 29,26−0,40=28,86 | ||
CO2 | 20,82−0,28=20,54 | ||
H2O (по разности) | 7129,91 | ||
Итого | 7832,17 | ||
С промводой на разбавление автоклавной пульпы поступает вода, количество которой определяется как разность между количествами воды в алюминатном растворе, красном шламе и автоклавной пульпе.
В алюминатном растворе на 117,10 кг Al2O3 приходится 744,10 кг H2O (см. табл. 3), а на кг Al2O3 приходится H2O
кг,
где 1909,08 — содержание Al2O3 в автоклавной пульпе, кг;
91,21 — то же, Al2O3 в красном шламе, кг;
317,17 — то же, Al2O3 в 1-й промводе, кг.
H2O в промводе содержится:
кг,
где 13 578,49 — H2O в алюминатном растворе;
63,19 — п.п.п. в красном шламе;
225,68 — п.п.п. а автоклавной пульпе (см. табл. 2);
6286,09 — H2O в автоклавной пульпе (см. табл. 2).
На основании расчетов составляем балансы разбавления, уплотнения и промывки красного шлама (табл. 4−6).
Таблица 4. Баланс разбавления
Введено, кг | Получено, кг | |||||
Автоклавная пульпа (см. табл. 2): | Разбавленная пульпа | 19 034,38 | ||||
Al2O3 | 1909,08 | Красный шлам: | ||||
Na2Oобщ | 2073,90 | Al2O3 | 91,21 | |||
Fe2O3 | 484,20 | Na2O | 41,70 | |||
SiO2 | 84,29 | Fe2O3 | 484,20 | |||
TiO2 | 45,14 | TiO2 | 45,14 | |||
CaO | 95,92 | SiO2 | 84,29 | |||
CO2 | 149,02 | CaO | 95,92 | |||
прочие | 36,16 | Прочие | 36,16 | |||
п.п.п. | 225,68 | П.п.п. | 59,07 | |||
H2O | 6286,09 | Итого | 937,69 | |||
Итого | 11 389,48 | |||||
Промвода (см. с. 7): | Алюминатный раствор (по разности): | |||||
Al2O3 | 317,17 | Al2O3 | 2135,04 | |||
Na2Oк | 335,69 | Na2Oк | 2157,83 | |||
Na2Oу | 28,86 | Na2Oу | 238,92 | |||
CO2 | 20,54 | CO2 | 169,56 | |||
H2O | 7129,91 | H2O | 13 582,61 | |||
Итого | 7832,17 | Итого | 18 283,96 | |||
Всего | 19 221,65 | Всего | 19 221,65 | |||
Таблица 5. Баланс уплотнения
Введено, кг | Получено, кг | |||||
Разбавленная пульпа: | Красный шлам | 937,69 | ||||
красный шлам (см. табл. 4) | 937,69 | Алюминатный раствор (в красном шламе): | ||||
алюминатный раствор: | Al2O3 | 329,41 | ||||
Al2O3 | 2135,04 | Na2Oк | 340,38 | |||
Na2Oк | 2157,83 | Na2Oу | 29,26 | |||
Na2Oу | 238,92 | CO2 | 20,82 | |||
CO2 | 169,56 | H2O | 2093,20 | |||
H2O | 13 582,61 | Итого | 2813,07 | |||
Итого | 18 283,96 | |||||
Алюминатный раствор на декомпозицию (по разности): | ||||||
Al2O3 | 1805,63 | |||||
Na2Oк | 1817,45 | |||||
Na2Oу | 209,66 | |||||
CO2 | 148,74 | |||||
H2O | 11 489,41 | |||||
Итого | 15 470,89 | |||||
Всего | 19 221,65 | Всего | 19 221,65 | |||
Таблица 6. Баланс промывки красного шлама
Введено, кг | Получено, кг | ||||
Красный шлам (без учета гидролиза) (см. табл. 5) | 937,69 | Отвальный шлам (с учетом гидролиза) | 949,60 | ||
Алюминатный раствор (в красном шламе) (см. табл. 5): | Жидкая фаза отвального шлама: | ||||
Al2O3 | 329,41 | Al2O3 | 4,45 | ||
Na2Oк | 340,38 | Na2Oк | 4,69 | ||
Na2Oу | 29,26 | Na2Oу | 0,40 | ||
CO2 | 20,82 | CO2 | 0,27 | ||
H2O | 2093,20 | H2O | 2364,19 | ||
Итого | 2813,07 | Итого | 2374,00 | ||
Свежая вода на промывку | 7405,01 | Промвода на разбавление (по разности): | |||
Al2O3 | 317,17 | ||||
Na2Oк | 335,69 | ||||
Na2Oу | 28,86 | ||||
CO2 | 20,54 | ||||
H2O | 7129,91 | ||||
Итого | 7832,17 | ||||
Всего | 11 155,77 | Всего | 11 155,77 | ||
Разложение алюминатного раствора (декомпозиция)
Из 1805,63 кг Al2O3, поступающих на декомпозицию, в оборотном растворе остается 801,16 кг (см. табл. 2). Теряется на декомпозиции, выпарке и каустификации 6,68 кг Al2O3 (см. табл. 1). Следовательно, с гидроксидом алюминия выпадает кг Al2O3. Выход при декомпозиции. В маточном растворе остается кг Al2O3, а щелочи — такое же количество, что и в алюминатном растворе за вычетом потерь Na2O на декомпозиции (см. табл. 1), кг:
Na2Oк | 1817,45−3,41=1814,04 | |
Na2Oу | 209,66−0,39=209,27 | |
CO2 | 148,74−0,28=148,46 | |
H2O | 11 489,41−528,24*=10 961,17 | |
Итого | 13 938,55 | |
* С 997,79 кг Al2O3 в Al (OH)3 связанно 528,24 кг H2O. | ||
Общая масса гидроксида алюминия кг Al (OH)3.
При затравочном отношении (отношение массы Al2O3 в затравке к массе Al2O3 в алюминатном растворе) с затравкой вносится 3611,26 кг Al2O3 и 1911,84 кг H2O. Итого 5523,10 кг Al (OH)3. При влажности затравочного гидроксида 20% с ним поступает кг маточного раствора.
В 1380,77 кг маточного раствора содержится, кг:
Al2O3 | ||
Na2Oк | 0,9 061· 1814,04=179,70 | |
Na2Oу | 0,9 061· 209,27=20,73 | |
CO2 | 0,9 061· 148,46=14,71 | |
H2O | 0,9 061· 10 961,17=1085,83 | |
Всего | 1380,77 | |
На основании расчетов составляем баланс декомпозиции (табл. 7).
Таблица 7. Баланс декомпозиции
Введено, кг | Получено, кг | |||||
Алюминатный раствор (см. табл. 5): | Пульпа гидроксида алюминия: | |||||
Al2O3 | 1805,63 | Al (OH)3 | 7049,13* | |||
Na2Oк | 1817,45 | Al2O3 | 4609,05* | |||
Na2Oу | 209,66 | H2O | 2440,08 | |||
CO2 | 148,74 | |||||
H2O | 11 489,41 | Маточный раствор (по разности) | 15 319,32 | |||
Итого | 15 470,89 | Al2O3 | 885,41 | |||
Na2Oк | 1993,74 | |||||
Затравка (гидроксид алюминия) | 5523,10 | Na2Oу | 230,00 | |||
CO2 | 163,17 | |||||
Маточный раствор (в затравке): | H2O | 12 047,06 | ||||
Al2O3 | 79,80 | Итого | 22 368,45 | |||
Na2Oк | 179,70 | |||||
Na2Oу | 20,73 | Потери (см. табл. 1): | ||||
CO2 | 14,71 | Al2O3 | 2,23 | |||
H2O | 1085,83 | Na2Oк | 3,41 | |||
Итого | 1380,76 | Na2Oу | 0,39 | |||
CO2 | 0,28 | |||||
Итого | 6,31 | |||||
Всего | 22 374,76 | Всего | 22 374,76 | |||
* Количество Al2O3 определяется как сумма Al2O3, выпадающей с гидроксидом алюминия (997,79 кг) и Al2O3, выносимой с затравкой (3611,26 кг); H2O. | ||||||
Сгущение пульпы гидроксида алюминия
При сгущении пульпы гидроксида алюминия образуются сгущенная пульпа с ж: т=1,0 и маточный раствор, поступающий на выпарку. Одна часть сгущенной пульпы фильтруется и гидроксид влажностью 20,0% поступает на затравку; другая часть — продукционный гидроксид, в котором содержится 1526,03 кг Al (OH)3, также фильтруется до влажности 10%, репульпируется водой, промывается водой и поступает на кальцинацию (на прокаливание). С продукционным гидроксидом увлекается кг маточного раствора:
; кг.
В этом маточном растворе содержится, кг:
Al2O3 | ||
Na2Oк | 0,996· 1993,74=19,86 | |
Na2Oу | 0,996· 230,00=2,29 | |
CO2 | 0,996· 163,17=1,63 | |
H2O (по разности) | 120,00 | |
По полученным результатам составляем баланс сгущения пульпы гидроксида алюминия (табл. 8).
Таблица 8. Баланс сгущения пульпы гидроксида алюминия
Введено, кг | Получено, кг | |||
Пульпа гидроксида алюминия (см. табл. 7): | Затравочный гидроксид (см. табл. 7) | 5523,10 | ||
Al (OH)3 | 7049,13 | |||
Маточный раствор затравки (см. табл. 7): | ||||
Маточный раствор (см. табл. 7) | 15 319,32 | Al2O3 | 79,80 | |
(Al2O3 | 885,41 | Na2Oк | 179,70 | |
Na2Oк | 1993,74 | Na2Oу | 20,73 | |
Na2Oу | 230,00 | CO2 | 14,71 | |
CO2 | 163,17 | H2O | 1085,83 | |
H2O | 12 047,00) | Итого | 1380,77 | |
Итого | 22 368,45 | |||
Продукционный гидроксид (см. с. 10) | 1526,03 | |||
Маточный раствор (в продукционном гидроксиде, см. с. 11): | ||||
Al2O3 | 8,82 | |||
Na2Oк | 19,86 | |||
Na2Oу | 2,29 | |||
CO2 | 1,63 | |||
H2O | 120,00 | |||
Итого | 152,60 | |||
Маточный раствор на выпарку (по разности): | ||||
Al2O3 | 796,79 | |||
Na2Oк | 1794,18 | |||
Na2Oу | 206,98 | |||
CO2 | 146,83 | |||
H2O | 10 841,17 | |||
Итого | 13 785,95 | |||
Всего | 22 368,45 | Всего | 22 368,45 | |
Промывка продукционного гидроксида алюминия и кальцинация
Для составления баланса промывки гидроксида алюминия (табл. 9) условно принимаем, что во влаге промытого и отфильтрованного гидроксида алюминия содержится такое количество щелочи, которое соответствует потере Na2O на кальцинации и с глиноземом, т. е. 4,0 кг Na2Oобщ, в том числе 3,6 кг Na2Oк и 0,4 кг Na2Oу. С этим количеством Na2O связанно 1,6 кг Al2O3 и 0,28 кг CO2.
Таблица 9. Баланс промывки гидроксида алюминия
Введено, кг | Получено, кг | |||
Продукционный гидроксид алюминия | 1526,03 | Промытый гидроксид алюминия | 1523,60* | |
В том числе: | В том числе: | |||
Al2O3 | 997,79 | Al2O3 | 996,19 | |
H2O | 528,24 | H2O | 527,41 | |
Маточный раствор в продукционном гидроксиде (см. табл. 8): | Промвода (в гидроксиде) (см. табл. 1): | |||
Al2O3 | 8,82 | Al2O3 | 1,60 | |
Na2Oк | 19,86 | Na2Oк | 3,60 | |
Na2Oу | 2,29 | Na2Oу | 0,40 | |
CO2 | 1,63 | CO2 | 0,28 | |
H2O | 120,00 | H2O | 146,48 | |
Итого | 152,60 | Итого | 152,36 | |
Свежая вода (см. исходные данные) | 1000,0 | Промвода на выпарку (по разности): | ||
Al2O3 | 8,82 | |||
Na2Oк | 16,26 | |||
Na2Oу | 1,89 | |||
CO2 | 1,35 | |||
H2O | 974,35 | |||
Итого | 1002,67 | |||
Всего | 2678,63 | Всего | 2678,63 | |
* Условно принимаем, что вымывается кг Al (OH)3, в том числе 1,6 кг Al2O3 и 0,83 кг H2O. | ||||
Таблица 10. Баланс кальцинации гидроксида алюминия
Введено, кг | Получено, кг | |||
Промытый гидроксид алюминия | 1523,60 | Глинозем: | ||
Провода (в гидроксиде) (см. табл. 9): | Al2O3 | 990,0 | ||
Al2O3 | 1,60 | п.п.п. + примеси | 6,5 | |
Na2Oк | 3,60 | Na2O | 3,5 | |
Na2Oу | 0,40 | Итого | 1000,0 | |
CO2 | 0,28 | |||
H2O | 146,48 | Потери (см. табл. 1): | ||
Итого | 152,36 | Al2O3 | 7,79 | |
Na2Oу | 0,40 | |||
CO2 | 0,28 | |||
H2O | 667,56 | |||
Итого | 675,96 | |||
Всего | 1675,96 | Всего | 1675,96 | |
Каустификация соды
Так как растворимость соды с повышением концентрации щелочи понижается, то при упаривании маточного раствора часть соды выкристаллизовывается в виде моногидрата, который затем растворяют в воде и подвергают каустификации.
Количество соды, выпадающей из раствора за каждый цикл процесса Байера, равно количеству соды, перешедшему в раствор за тот же период. В оборотном растворе после упаривания маточного раствора должно содержаться (с учетом потерь на выпарке) (см. табл. 1 и 2), кг:
Na2Oк | 1850,52 | ||
Na2Oу | 160,98 | ||
CO2 | 114,24 | ||
Al2O3 | 801,16 | ||
H2O | 5831,66 | ||
Итого | 8758,56, | ||
а в маточном растворе (и в промводе) содержится (см. табл. 8 и 9), кг:
Na2Oк | 1794,18+16,26=1810,44 | ||
Na2Oу | 206,98+1,89=208,87 | ||
CO2 | 146,83+1,35=148,18 | ||
Al2O3 | 796,79+8,82=805,61 | ||
Следовательно, на выпарке в составе моногидрата соды выделяется кг Na2Oу. С этим количеством Na2Oу связанно 37,76 кг CO2 и 15,45 кг H2O:
Na2CO3 кг; кг Na2CO3· H2O.
Общая масса моногидрата соды 106,42 кг; с ним увлекается 25% (от массы влажного осадка) оборотного раствора, т. е. .
Отсюда кг, или м3; в оборотном растворе содержится (см. состав оборотного раствора), кг:
Na2Oк | 0,025· 330=7,5 | ||
Na2Oу | 0,025· 129,87=3,25 | ||
CO2 | 0,025· 26,10=0,65 | ||
Al2O3 | 0,025· 18,52=0,46 | ||
H2O | 0,025· 945,50=23,61 | ||
Итого | 35,47 | ||
В соответствии с реакцией каустификации
Na2CO3 + CaO + H2O > CaCO3 + 2NaOH
при условии, что извести берется 125% от стехиометрического (см исходные данные) количества, ее потребуется: кг СаО или кг технической извести, в которой содержится 60,07 кг СаО (0,864 — содержание СаОакт в извести, кг); 9,46 кг примесей, в том числе 1,81 СаОсв, 1,39 кг СО2 и кг H2O (см. состав извести).
При степени каустификации 90% прореагирует кг СаОакт, а кг СаО перейдет в шлам вместе с 9,46 кг примесей.
В результате взаимодействия 43,25 кг СаО образуется кг CaCO3, в том числе кг СО2 и кг Na2Oк.
Для растворения моногидрата соды берется такое количество воды, чтобы получить 10%-ный раствор Na2Oобщ, т. е. кг. Общее количество H2O кг.
Известь гасят промводой известкового шлама из расчета получения известкового молока с содержанием 300 г./л СаО (с=1250 кг/м3).
На 60,07 кг СаО потребуется кг H2O.
Следовательно, в содоизвестковую пульпу поступает вода из следующих источников, кг:
С моногидратом соды | 15,45 | |
С оборотным раствором | 23,61 | |
С известковым молоком | 190,22 | |
Итого | 229,28 | |
Отсюда на растворение соды должно быть подано свежей воды кг. Отвальный известковый шлам содержит, кг:
СаО | 43,25+16,82+1,81=61,88 | ||
Na2Oу | 3,80 | ||
Al2O3 | 2,22 | ||
Примеси | 9,46 — (1,81+1,39)=6,26 | ||
СО2 | 33,98+1,39=35,37 | ||
П.п.п. | 2,35 | ||
Итого | 108,08 | ||
С ним увлекается кг щелочного раствора.
На основании полученных расчетных данных составляем баланс каустификации соды (табл. 11).
Таблица 11. Баланс каустификации соды
Введено, кг | Получено, кг | |||
Моногидрат соды (см. с. 14−15): | Известковый шлам (см. с. 15): | |||
Na2Oу | 53,21 | СаО | 61,88 | |
СО2 | 37,76 | Al2O3 | 2,22 | |
H2O | 15,45 | примеси | 6,26 | |
Итого | 106,42 | СО2 | 35,37 | |
п.п.п. | 2,35 | |||
Оборотный раствор с моногидратом соды (см. с. 14): | Итого | 108,08 | ||
Al2O3 | 3,25 | |||
Na2Oк | 7,50 | Отвальная вода с известковым шламом (см. табл. 1): | ||
Na2Oу | 0,65 | Na2Oк | 3,78 | |
CO2 | 0,46 | Na2Oу | 0,02 | |
H2O | 23,61 | CO2 | 0,02 | |
Итого | 35,47 | H2O | 32,45 | |
Итого | 36,27 | |||
Известковое молоко (см. с. 14−15): | ||||
СаО | 61,88 | Щелочной раствор на выпарку (по разности): | ||
СО2 | 1,39 | Al2O3 | 1,03 | |
примеси | 6,26 | Na2Oк | 51,61 | |
H2O | 190,22 | Na2Oу | 5,95 | |
Итого | 259,75 | CO2 | 4,22 | |
H2O | 517,44 | |||
Вода на расторение соды (см. с. 14−15) | 322,96 | Итого | 580,25 | |
Всего | 724,60 | Всего | 724,60 | |
Выпарка и отделение соды
Для составления баланса выпарки (табл. 12) следует учитывать, что в результате упаривания маточного раствора, промводы гидроксида алюминия и щелочного раствора с каустификации получается оборотный раствор, который по составу должен отвечать расчетным данным, и моногидрату соды.
Разница между составом полученного раствора (см. табл. 12) и составом раствора в табл. 2 0,03 Na2Oк — 0,03 Na2Oу + 0,006 СО2, что в пределах точности расчета.
Таблица 12. Баланс выпарки
Введено, кг | Получено, кг | |||
Маточный раствор с декомпозиции (см. табл. 8): | Моногидрат соды (см. табл. 11) | |||
Al2O3 | 796,79 | Na2Oу | 53,21 | |
Na2Oк | 1794,18 | CO2 | 37,76 | |
Na2Oу | 206,98 | H2O | 15,45 | |
CO2 | 146,83 | Итого | 106,42 | |
H2O | 10 841,17 | |||
Итого | 13 785,95 | Оборотный раствор с моногидратом соды (см. табл. 11): | ||
Al2O3 | 3,25 | |||
Промвода после промывки гидроксида (см. табл. 9): | Na2Oк | 7,50 | ||
Al2O3 | 8,82 | Na2Oу | 0,65 | |
Na2Oк | 16,26 | CO2 | 0,46 | |
Na2Oу | 1,89 | H2O | 23,61 | |
CO2 | 1,35 | Итого | 35,47 | |
H2O | 974,35 | |||
Итого | 1002,67 | Потери (см. табл. 1): | ||
Al2O3 | 2,23 | |||
Щелочной раствор с каустификации (см. табл. 11): | Na2O | 4,00 | ||
Al2O3 | 1,03 | Итого | 6,23 | |
Na2Oк | 51,61 | |||
Na2Oу | 5,95 | Оборотный раствор на мокрый размол (по разности): | ||
CO2 | 4,22 | Al2O3 | 801,16 | |
H2O | 517,44 | Na2Oк | 1850,52 | |
Итого | 580,25 | Na2Oу | 160,98 | |
CO2 | 114,24 | |||
H2O | 5831,66 | |||
Итого | 8758,56 | |||
Конденсат пара | 6462,19 | |||
Всего | 15 368,87 | Всего | 15 368,87 | |
Распределение органических примесей
Баланс органических примесей может быть составлен только путем практического анализа производственных растворов, продуктов и полупродуктов цикла Байера. Данные о распределении и процентном содержании органики представлены в табл. 13.
Таблица 13. Баланс распределения органических веществ в цикле Байера
Статьи баланса | Баланс органических веществ, кт/т глинозема | Доля органических веществ от Уприхода, % | |
Приход: | |||
Боксит | 1,110 | 42,55 | |
Мука | 1,020 | 39,10 | |
Синтетический флоккулянт | 0,009 | 0,34 | |
Кристаллический модификатор роста | |||
Оборотная вода | 0,470 | 18,01 | |
Уприхода | 2,609 | 100,00 | |
Обедненный раствор | 96,46 | ||
Расход: | |||
Красный шлам в озеро | 1,893 | 72,56 | |
Продукционный гидроксид алюминия | 0,609 | 23,34 | |
Промывная вода мелкой затравки | |||
Из-за каустификации раствора | |||
Урасхода | 2,502 | 95,90 | |
Разница (Уприхода — Урасхода) | 0,107 | 4,10 | |
Список используемой литературы
1. Лайнер А. И. Производство глинозема/ А. И. Лайнер, Н. И. Еремин, Ю. А. Лайнер, И. З. Певзнер. М.: Металлургия, 1978. 344 с.
2. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство глинозема/ А. А. Аграновский, В. И. Берх, В. А. Кавина и др. Под редакцией Ю. В. Баймакова, Я. Е. Контровича. М.: Металлургия, 1970. 320 с.
3. Самарянова Л. Б. Технологические расчеты в производстве глинозема/ Л. Б. Самарянова, А. И. Лайнер. М.: Металлургия, 1981. 280 с.
4. Еремин Н. И. Процессы и аппараты глиноземного производства/ Н. И. Еремин, А. Н Наумчик, В. Г. Казаков. Под редакцией Н. И. Еремина. М.: Металлургия, 1980. 360 с.
5. Dr. Kбroly Solimбr. Determination and evolution of organic balances of alumina refineries/ Dr. Kбroly Solimбr, Mrs. Mбrta Gimpel-Kazбr, Mrs. Elenуra Molnбr // Light Metals, 1996. p. 29−35.