Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

  • Способ Байера

    Способ Байера – это гидрохимический способ получения глинозема из бокситов. Этот способ был открыт в России Карлом Иосифовичем Байером в 1895-1898 гг.

    Большой вклад в разработку способа, особенно для выщелачивания бокситов диаспор-бемитового типа, внесли ученые Д.П.Манойлов, Ф.Н.Строков, Ф.Ф. Вольф, И.С. Лилеев, С.И. Кузнецов и др.
    В настоящее время более 95 % глинозема получают способом Байера.
  • Глинозём -

    Глинозем – это технический оксид алюминия Al2O3 – белый кристаллический порошок, состоящий из модификаций α-Al2O3 и γ-Al2O3. Нерастворим в воде; содержит небольшое количество примесей: SiO2, Fe2O3, TiO2, V2O5, Сr2O3, MnO, ZnO, P2O5, Na2O, K2O, H2O – в сумме не более 0,95-1,88 %
  • Способ Байера основан на свойстве алюминатных растворов находиться в метастабильном (относительно устойчивом) состоянии при повышенных температурах и концентрациях (Na2OK и Al2O3) и на самопроизвольном разложении (гидролизе) растворов с выделением в осадок гидроксида алюминия с понижением температуры и концентрации Na2OK.

    Суть способа Байера состоит в выщелачивании предварительно измельченного боксита щелочно-алюминатным раствором и дальнейшем выделении из раствора гидроксида алюминия. Алюминийсодержащие минералы взаимодействуют с раствором каустической щелочи (NaOH), в результате чего алюминий переходит в раствор в виде алюмината натрия.

  • В основе способа лежат реакции

    Al2O3·nH2Oтв + 2NaOHр-р + (3-n)H2Oр-р→ 2NaAl(OH)4р-р ;

    (1)



    NaAl(OH)4р-р ↔ Al(OH)3тв + NaOHр-р .

    (2)

    По реакции (1) происходит растворение минералов боксита (гиббсита, бёмита, диаспора) в щелочном растворе. Реакция (2) соответствует процессу разложения насыщенного алюминатного раствора.

    В зависимости от состава боксита и местных условий могут быть различные варианты этой схемы.

    Технологические параметры способа Байера (температуры, концентрации растворов и т.д.) могут колебаться в относительно большом диапазоне, в зависимости от типа и качества боксита.
  • Схема в высоком разрешении

  • Технология способа Байера.

    Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим объемом оборотного щелочного раствора (ж:т = 0,8‑1,9) 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 классификаторами, которые иногда заменяют или дополняют гидроциклонами. Пульпа из мельниц – «сырая» пульпа –собирается в сборниках, куда подают остальное количество оборотного раствора с Na2OK = 300 г/л. Здесь ее нагревают паром сепарации до 90-100 °С и выдерживают 4-8 часов при перемешивании для предварительного обескремнивания боксита, т. е. перевода большей части активного кремнезема из боксита в раствор:

    SiO2тв + 2NaOHр-р = Na2SiO3р-р + H2Oр-р

    (3)

    и далее в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия (ГАСН):

    1,7Na2SiO3р-р+2NaAl(OH)4р-р= Na2O·Al2O3·1,7SiO2·nH2O↓тв+3,4NaOHр-р+1,3H2Oр-р.

    (4)



    Этим достигается меньшее зарастание алюмосиликатной накипью трубок подогревателей, через которые пульпа проходит в автоклавы.

  • Далее «сырая» пульпа поршневыми насосами подается в систему подогревателей, где пульпа сепараторным паром (или вареной пульпой) нагревается до 140-160 °С. Такое ограничение нагрева пульпы связано с тем, что при более высокой температуре на внутренних поверхностях греющих трубок интенсифицируется процесс выделения осадков, содержащих соединения титана, хрома, кальция, фосфора, в результате чего существенно снижается теплопередача.

    После нагрева «сырая» пульпа поступает в батарею автоклавов колонного типа для выщелачивания боксита по реакции (1). В первые два автоклава, называемые греющими, поступает «острый» пар с ТЭЦ (Рпар= 28-30 атм/2,8-3 МПа, t = 300 °С), нагревающий пульпу до 230-240 °С. В последующих реакционных автоклавах (8-10 шт.) батареи производится выдержка пульпы, в зависимости от типа боксита, в течение 1,5-2,5 часов. Автоклавы работают в режиме, близком к идеальному вытеснению. Продуктом выщелачивания является так называемая «вареная» пульпа, которая состоит из взвеси: раствора алюмината натрия и нерастворимого остатка боксита – красного шлама.

  • Из последнего автоклава батареи «вареная» пульпа (Na2O = 290-295 г/л, Al2O3 = 250-270 г/л) перетекает в систему сепараторов (пароотделителей) последовательно – сначала в сепаратор I ступени, затем в сепаратор II ступени, где от самоиспарения «вареной» пульпы образуется пар – процесс дросселирования. Высокотемпературный пар сепаратора I ступени (Р = 2,25→0,6-07 МПа, t = 165-170 °С) используется для предварительного нагрева «сырой» пульпы в подогревателях перед автоклавным выщелачиванием, пар сепаратора II ступени (Р = 0,6-0,7→0,16-0,2 МПа, t = 125-130 °С) используется для подогрева «сырой» пульпы или нагрева промводы. (Для более эффективного использования тепловой энергии сепараторного пара рекомендуется использовать 3- , 4- и т.д. кратную сепарацию.)

  • Из последнего сепаратора пульпа поступает в агитатор «вареной» пульпы, где давление снижено до атмосферного, а температура – до 95-100 °С. Пар с агитатора используется для подогрева в полочном подогревателе барометрической воды до 90 °С, используемой при промывке красного шлама.

    «Вареная» пульпа из агитатора насосом подается в мешалки для разбавления промывной водой c Na2Oобщ = 45-50 г/л и αК = 1,7-1,8 до состава Na2Oобщ = 140-150 г/л, Al2O3 = 125-135 г/л, αК = 1,6-1,7 и µSi = 250-300 и далее на отделение и промывку красного шлама в систему 4-5 сгустителей, работающих по принципу противотока при t = 100-105 °С. Разбавление «вареной» пульпы осуществляют для уменьшения вязкости и дополнительного обескремнивания раствора. Процесс сгущения красного шлама очень медленный, обусловлен осаждением очень мелких частиц и наличием одноименных электрических зарядов на их поверхности. Для ускорения сгущения добавляются специальные вещества – коагулянты и/или флокулянты, которые обеспечивают укрупнение мелких частиц с образованием более крупных агрегатов. Промытый и сгущенный в последнем сгустителе красный шлам откачивается в отвал на шламовое поле; промывные воды используют для разбавления «вареной» пульпы.

    Алюминатный раствор (слив) из первого (основного) сгустителя с содержанием твердого 1-5 г-тв/л подается на контрольную фильтрацию для отделения взвеси шлама, полученный раствор должен содержать не более 0,01 г-тв/л. Чистый алюминатный раствор (Na2Oобщ = 150-160 г/л, Al2O3 = 125-135, αК = 1,65-1,7, µSi = 250-300) охлаждается до 60-75 °С в теплообменниках и поступает вместе с затравочным гидроксидом алюминия на декомпозицию (разложение) в батарею декомпозеров; температура в «хвостовом» декомпозере – 47-55 °С.

  • Для ускорения процесса декомпозиции вводят свежеосажденные кристаллы гидроксида алюминия – затравочный гидроксид. Происходит разложение по реакции

    NaAl(OH)4(р-р) + хAl(OH)3(затравка) ↔ (х+1)Al(OH)3(осадок) + NaOH(р-р)

    (5)

    После декомпозиции, по реакции (5) в течение 40-100 часов, получается пульпа, состоящая из выпавшего в осадок гидроксида алюминия и маточного щелочного раствора. Пульпу направляют 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 3/4 всего гидроксида) используют в качестве затравки. Иногда затравочный гидроксид также предварительно промывают, но не так тщательно, как товарный (для кальцинации).
  • Маточный алюминатный раствор с αК = 3,4-3,65 и Na2Oобщ = 155-165 г/л и воду от промывки гидроксида (промводу) направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, чтобы удалить лишнюю воду и повысить концентрацию Na2OK. Концентрацию Na2OK в растворе повышают до 300 г/л. Поскольку растворимость соды уменьшается с повышением содержания каустической щелочи в растворе, то часть соды выпадает в виде моногидрата (Na2CO3·H2O) 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. Кроме того, кристаллы соды увлекают из раствора с собой органические соединения, удаляемые с оборотной содой, – происходит очистка раствора от органических веществ.

  • При работе предприятия только по способу Байера для уменьшения удельного расхода свежей каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют в воде для каустификации известковым молоком (раствор + взвесь Ca(OH)2) по реакции

    Na2CO3 + Ca(OH)2 ↔ 2NaOH + CaCO3

    (6)


    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 (гидроксид натрия – NaOH) для возмещения химических и механических потерь NaOH, и полученный оборотный раствор вновь направляют на выщелачивание новых порций боксита – схема Байера работает в замкнутом цикле по щелочи.

    Готовый гидроксид алюминия Al(OH)3 прокаливают при температуре около 1200 °С во вращающихся барабанных печах или в печах «кипящего слоя» при температуре 1050 °С, топочные газы печей тщательно очищают от глинозема.

    Процесс кальцинации можно описать выражением:

    (гидроксид алюминия) Al(OH)3 → Al2O3 (глинозём)

    (7)

    Способ Байера – самый дешевый и распространенный в мире. Однако для его осуществления необходимо использовать высококачественные бокситы с относительно невысоким содержанием кремнезема – SiO2. Байеровский боксит должен иметь высокий кремневый модуль µSi ≥ 6-8 и не содержать больших количеств серы и CO2, которые осложняют переработку боксита по этому способу.

    В настоящее время способ Байера – основной способ производства глинозема во всем мире.

  • Вопросы для самопроверки

    Используя значение кремневого модуля боксита для выбора способа переработки верно будет
  • Способ Байера по сравнению с другими способами производства глинозема характеризуется
  • Основные операции способа Байера это
  • В процессе Байера выщелачивание описывается выражением
  • Для получения 1 т глинозема необходимо боксита
  • Наличие соединений кремния в боксите приводит к
  • Зачем необходимо выдерживать бокситовую пульпу перед выщелачиванием
  • Способ Байера относится к
  • Важнейшие реакции способа Байера это
  • Диаспоровые бокситы выщелачивают при

Вход через learn.urfu.ru