Павлодар Алюминий зауытының жағдайында бокситтан алюминатты ерітіндіні алу - сілтілеу цехының жобасы

Сазбалшық алудың сілтілі  әдісі  былайша бөлінеді:

1. гидрохимиялық (Байер әдісі);
2. пісіру әдісі;
3. Байер әдісі мен пісіру әдісінің  паралелді және тізбекті әдісі.

Бокситті өңдеудің әдісін таңдау келесі факторлармен анықталады:

1. кремнилі модульмен;
2. Fe₂O₃ мөлшерімен;
3. зиянды заттардың, карбиттердің, сульфидтер мен органикалық заттардың мөлшерімен;
4. шикізаттың минералогиялық құрамымен.

Кремнийлі модуль ≥ 6-7 бар боксит Байер әдісімен өңделсе, кремнийлі модуль ≤ 6 тең  және темірдің орташа мөлшері (20%-дан көп емес) бар боксит құрастырмалы Байер-пісіру әдісімен өңделеді, ал кремнийлі модуль ≤ 6 тең, бірақ Fe₂O₃ көп болған жағдайда бокситті пісіру әдісімен өңдейді. Бұл тек қолайлы шарт кезінде ғана мүмкін болады. Карбонаттар мен сульфидтердің мөлшері жоғары болғанда кремнийлі модулі ≥ 6-7 тең бокситтерді өңдеу тиімсіз болады. Ол каустикалық сілтінің үлкен шығынынан, қызыл шламның жеткіліксіз тұнбауы мен алюминатты ерітіндінің екі валентті темірмен ластануынан болады [9]. (2.1-сурет)

Байер әдісі ең арзан  және ең таралған әдіс болып табылады, бірақ ол жоғары сапалы бокситтерді қажет етеді. Пісіру әдісі қымбат болғанымен, Байер әдісіне қарағанда анағұрлым әмбебап – жоғары кремнийлі алюминий шикізаттарын өңдей алады. Соңғы жылдары үлкен жетістікпен құрастырмалы сілтілі әдіс қолданылуда. Тізбекті нұсқасында соданың термиялық каустификациясын жүргізеді және жоғалған қымбат каустикалық соданың орнына арзан соданы қолдануға болады. Бұл нұсқаның пісіру тармағы үшін жоғары сапалы байерлік бокситті те, пісіру әдісіне жарамды бокситтерді де қолдана алады. Құрастырмалы әдістің тізбекті нұсқасы технико-экономикалық көрсеткіштер жөнінен гидрохимиялық Байер әдісі мен пісіру әдісінің арасында орналасқан, және жоғары кремнийлі бокситтерден сазбалшықты барынша көп алу үшін қолданылады.

 

 

6. Негізгі технологиялық процесстердің суреттемесі

 

Байер мен пісіру әдістерінде бірнеше белгілі кемшіліктер бар. Бұл – қымбат каустикалық сода мен будың шығыны (Байер әдісі), қаражат пен жанармайдың үлкен шығыны (пісіру әдісі) [1].

Тізбекті нұсқаның схемасы  бойынша Al₂O₃ мен Na₂O бай қызыл шлам сілтілеуден кейін пісіру процессіне жіберіледі. Бұл процессте оған сода мен әктас қосып пісіреді. Пісіріндіні сілтілеуден кейін алынған кремнийсізденген алюминатты ерітіндіні Байер процессінің ерітіндісімен қосады.

Пісіру алдында негізгі ерітіндіні буландырудан алған сары суды шламмен араластырады. Қызыл шламды пісіру үшін пісіріндіні сілтілеу кезінде алюминий оксиді алюминатты ерітіндіге түгелдей өтіп кететіндей етіп шихтаның құрамын дұрыс таңдау қажет. Алюминатты ерітіндіні декомпозициялау нәтижесінде сазбалшықтың үлкен бөлігі Байер тармағынан алынады.

Бокситтен сазбалшықты  алудың тізбекті нұсқасы 1 т сазбалшыққа шаққанда үлкен қаражат шығындарымен сипатталады және құрамындағы Fe₂O₃ мөлшері аз шамада болған бокситтерге ғана қолданыла алады. Өйткені Fe₂O₃ мөлшері үлкен болған жағдайда шихтаның оңай балқу есебінен, пісіру процессі қиын жүреді, немесе мүлдем жүре алмайды [1].

 

 

 

 

 

Каустикалық сода                Боксит                    Су

                                            Ұсақтау

                                           

                                    Ылғалды ұнтақтау

                                    

                               Шикі пульпаны сақтау

 

                       Жылытқыштарда жылытылған пульпа  

 

                                          Сілтілеу

                                         

                                            Пульпа

 

                                           Сұйылту     1-ші жуғыш су

                                            Қойылту

   

                   Алюминатты ерітінді        Қызыл шлам

                                                              1-ші жуу

                           Сүзу             1-ші жуғыш су            

                                                              2-ші жу у

                           Декомпозиция       3-ші жуғыш су              

                                                                       3-ші жуу

                                                       4-ші жуғыш су             

                                                                        4-ші жуу

                                                       5-ші жуғыш су

                                                                        5-ші жуу

                                            Пісіруге арналған шлам

2.2-сурет. Сілтілеу үрдісінің принципиалды схемасы

2.7 Бокситтерді сілтілеу

 

Сілтілеу алдында бокситті кен орында ірі ұсақтайды және ары қарай металлургиялық зауытта  оны орташа және майда ұсақтайды да, ылғалды ұнтақтауға жібереді. Қатты бокситтерді зауытта екі-үш ұсақтау кезеңінен, ал борпылдақ бокситті бір-екі ұсақтау кезеңінен өткізеді.

Бокситтерді сілтілеу процессі алюминий оксидін барынша көп алу және шығынды барынша азайту бағытында өткізілуі тиіс. Бокситтерді сілтілеудің жылдамдығы мен дәрежесіне келесідей факторлар әсер етеді: температура, сілтінің концентрациясы мен айналмалы ерітіндінің каустикалық модулі, ұсақталған бокситтің ірілігі, пульпаны араластыру жылдамдығы.

Бұл процесске негізгі ықпал  ететін факторға температура жатады. Гиббситті бокситтердің ашуын 95-100^оС температурада өткізеді.

Сілтілеу алдында жеңіл ашылатын гиббситті бокситтерді ірілігі 0,2-0,5 мм-ге (кей кезде 1 мм) дейін ұнтақтаудан  өткізеді, ал қиын ашылатын гиббситті  бокситтерді 0,07-0,08 мм ірілікке дейін ұнтақтайды.

Сілтілеу процессі жағдайларға сәйкес кинетикалық және диффузиондық облыстарда өтеді [1].

Сілтілеу бұл – бокситті сілті  ерітінді арқылы өңдеп, алюминатты ерітінді алу процессін атайды. Бокситтің құрамындағы алюминий оксиді гидроксид түрінде натрий гидроксидімен өзара әрекеттесіп, натрий моноалюминат ерітіндісіне өтеді:

 

Al(OH)₃ + NaOH ↔ NaAl(OH)₄                                                                                                            (1)

 

Негізгі қоспа Fe. Темір қоспасы сілті ерітіндімен әрекеттеспей қатты күйде қалады. Бірақ боксит құрамындағы темірдің мөлшері көбейген сайын, кызыл шламды жууға арналған судың мөлшері көбейеді және сілтінің көп мөлшерде жоғалуына себепші болады.

Боксит құрамындағы Si қоспасы сілті  ерітіндімен әрекеттесіп, натрий силикатын түзеді:

 

SiO₂ +2NaOH ↔ Na₂SiO₃ + H₂O                                                                    (2)

 

Реакция бойынша кремний  бокситтен ерітінді құрамына өтіп, оны ластайды. Пайда болған натрий силикаты алюминатты ерітіндімен реакцияға түсіп, аз еритін натрийдің гироалюмосиликатын түзеді:

 

2Na₂SiO₃ + 2NaAl(OH)₄ ↔ Na₂O∙Al₂O₃∙2SiO₂∙2H₂O + 4NaOH   (3)

 

Бұл реакция ерітіндіні кремнийсіздендіру деп аталады. Реакция нәтижесінде ерітіндіден кремний бөліп алынады, бірақ сол уақытта сазбалшық пен сілті жоғалады.

Са және Mg карбонаттары сілті ерітіндімен  реакцияға түсіп, кальцинирленген  сода түзеді:

 

СаСО₃ +2NaOH ↔ Na₂CO₃ + Ca(OH)₂                                                                                           (4)

 

MgCO₃+2NaOH↔Mg(OH)₂ + Na₂CO₃                                                                                            (5)

 

Боксит құрамындағы Ti қоспалары сілті ерітіндімен  әрекеттесіп, натрий метатитанатын  түзеді:

 

TiO₂+NaOH↔ NaHTiO₃                                                                                                                              (6)

 

Боксит құрамында аз мөлшерде галлий мен ваннадий қосылыстары түрінде  асыл металдар да кездеседі. Галлий бокситта оксид түрінде болады. Сілті ерітіндімен әрекеттесіп, натрий галлатын түзеді.

Алюминатты ерітіндінің бөліну уақытында натрий галлаты бөлінбейді, ол негізгі ерітінді және айналмалы  ерітінді құрамында жиналады. Бұл  ерітінділер галлий алу үшін ХМЦ (химика-металлургиялық цехқа) түседі.

 

GaOOH + NaOH + H₂O ↔ NaGa(OH)₄                                                                                          (7)

 

Сазбалшықты Байер әдісімен алу кезінде процесс келесідей  негізгі үрдістерден өтеді: сілтілеу, сұйылту, декомпозиция және буландыру. Әрбір үрдісте алюминатты ерітіндінің температурасы, концентрациясы, каустикалық қатынасы өзгеріп тұрады және құрамындағы сазбалшықпен қанығуына тікелей әсерін тигізеді. Алюминатты ерітіндінің қанығуын дұрыс талдау – сазбалшық алу өнеркәсібінің негізгі шарттарының бірі болып келеді [1].

 

 

2.3- сурет. Na₂O – Al₂O₃ – H₂O жүйесіндегі Байер тәсілінің циклы

                                                    

Сілтілеу сызығы немесе ерітінді құрамының өзгеруі АВ сызығында көрсетілген. (2.3-сурет қараңыз).

Сұйылту сызығы: пульпа сілтілеуден кейін ВД нүктелері арқылы өтеді. 95^оС дейін суытылып, қызыл шламды жуудан келген 1-ші жуғыш сумен сұйылтады. Осыдан алюминатты ерітіндінің тұрақтылығы төмендейді де, одан гидролиз арқылы Al(OH)₃ бөлінуі мүмкін.

Бөліну сызығы. Тәжірибеде ерітінділер негізінен ~3,3 тең каустикалық қатынасқа дейін бөлінеді. Содан кейін негізгі ерітіндіні буландыруға жібереді. Осыдан зауыттағы негізгі ерітіндінің құрамы ДС сызығында орналасқан.

Буландыру сызығы. Буландыру  сызығын тұрғызу үшін келесі шарттарды  ескерген жөн: буландыру кезінде ерітіндінің тек концентрациясы ғана өзгереді, каустикалық қатынас тұрақты қалады. Жоғалтуларды өтеу үшін берілген жаңа сілтіден кейін ерітіндінің құрамы А нүктесінде болады [9].

 

 

2.7.1 Алюминатты  ерітініділерді кремнийсіздендіру

 

Сілтілеудің басты шарты  алюминий оксидін барынша алюминатты ерітінді құрамына өткізу ғана емес  оның кремнийсіздену дәрежесі де үлкен рөл атқарады. Бұл шарттардың орындалуы нәтижесінде жоғары сапалы алюминий гидроксидін алуын қамтамасыз етеді.

Бокситті сілтілегенде кремнезем ерітіндіге натрий силикаты түрінде өтеді, ал содан кейін натрий гироалюмосиликаты түрінде тұнады.

Ерітінді құрамындағы Al₂O₃ және SiO₂ қисықтарының ауысуы бір-біріне мүлдем ұқсамайды. (2.4-сурет қараңыз)

Al₂O₃ қисығы басында лезде көтеріледі. Ол сазбалшықтың көп бөлігі пісірудің бастапқы 1 сағат ішінде еруіне байланысты, ал қалған 2-3 сағатта ерітінді құрамындағы оның мөлшері тұрақты болып қалады. SiO₂ пісірудің бастапқы 1 сағат ішінде еруі сазбалшыққа қарағанда анағұрлым жоғары болады, бірақ озіндік максимумға жетер кезде тез арада төмендейді.

              

2.4- сурет. Бокситті сілтілеу кезіндегі ерітінді құрамындағы Al2O3 (1) пен SiO2 (2) өзгеруі

 

SiO₂ шекті метатұрақты концентрацияға жеткен кезде, ерітіндінің кремнийсізденуі кремнеземның еруіне қарағанда тезірек жүреді, ал сілтілеудің соңында кремнийлі модуль (μ_Si) 100-150-ге дейін көтеріледі. Бұл көрсеткіш декомпозицияға қажетті шектен 1,5-2 есе аз. Пульпаны сұйылтқан кезде алюмосиликаттың ерігіштігі төмендеп, μ_Si  200-250-ге дейін көтеріледі [1].

 

 

2.7.2 Қызыл шламды  алу және оны жуу

 

Сілтілеуден алынған  пульпа Al₂O₃ концентрациясы 120-150 г/л жетуі үшін 1-ші жуғыш сумен сұйылтады. Сұйылту алюминатты ерітіндінің кремнийсізденуін аяқтау үшін және ерітінді тұтқырлығын төмендету үшін қажет. Ал тұтқырлық дәрежесі қызыл шламның бөлінуі кезіндегі тәжірибені қажетті жылдамдықпен жүргізуін қамтамасыз ететіндей болуы қажет.

Бокситті өңдеудің тізбекті Байер-пісіру нұсқасында қызыл шламды ең алдымен сүзу үрдісінен өткізіп, содан кейін ғана оны пісіруге жібереді.

Сүзу және тұну жылдамдығы сұйықтың тұтқырлығына (температура  мен концентрациясына) және шламның  кристаллдық құрылымына байланысты. Шламның құрамында темір оксидтерінің мөлшері жоғары болса, жылдамдық жоғарылайды, ал шлам құрамындағы НГАС мөлшері жоғары болса, сәйкесінше ерітіндінің сүзу және тұну жылдамдығы төмендейді. Сондықтан кремнийлі модулі жоғары бокситтер сілтілеуден кейін седиментационды қасиеті жақсы қызыл шламдарды түзеді.

Басқа тең жағдайларда  гиббситті және гиббситті-бемитті бокситтер нәтижесінде жіңішке және жақсы кристаллданған шламдар береді. Шламдардың тұну жылдамдығы баяу болған кезде процесстің жалпы өнімділігі төмендейді, жууға қажетті жуғыш судың мөлшері жоғарылайды және үйіндіге кеткен сазбалшық пен сілтінің үлесі көбейеді.