Проект участка получения чернового галлия в условиях АО «Алюминий Казахстана»

- Na₂O_ky – 350 г/л;

- % соды в исходной пульпе до 6;

- % соды в фильтрате – 2,8¸3,0;

- α_ky – 2,9 ÷ 3,0.

Вторая стадия упаривания пульпы. Раствор с мешалки № 518, насосом подаётся на выпарной аппарат № 3,(2) на 2-ую стадию упаривания (F = 430 м²). Количество раствора поступающего на 2-ую  стадию упаривания составляет – 35 м³/час. Упаривание ведётся в выпарном аппарате с двумя кипятильниками № 1 (2), обогреваемым паром ТЭЦ с температурой 220 ⁰С и с давлением 0,8 МПа. Площадь греющей поверхности аппарата составляет 430 м². Процесс упаривания осуществляется следующим образом: раствор поступает в нижнюю часть греющей камеры на всас ОХГ– 6 и далее насосом № 530, 531 в нагнетательный контур аппарата (нагнетание насоса  ОХГ– 6): В/А работает по схеме: мешалка № 518® насос № 530, 531 ® выпарной аппарат F=420 м²® буферная ёмкость раствора® насос № 858, 859 ® мешалка № 519.

Параметры второй стадии упарки:

- давление в аппарате – 0,3 ÷ 0,4мПа (3 ¸ 4 ати);

- температура   раствора   на  выходе  из  аппарата  ~ 140 ÷ 142 ⁰С;

- плотность упаренного раствора – 1,57¸ 1,59 г/см³;

- коэффициент упарки – 1,27;

- количество выпариваемой воды – 4,5 т/ч;

- удельный расход пара на количество выпаренной воды 2,0;

- коэффициент использования аппарата – 0,8–0,85;

- количество  упаренного  раствора  второй стадии упарки – 16,4 м³/час;

- концентрация упаренного раствора по Nа₂О_ky – 440 г/л;

- содержание твердого в растворе 30 г/л.

Пуск аппарата под  тепловую нагрузку производится аналогично аппарату первой стадии упаривания раствора. Вторичный пар, образовавшийся при  вскипании раствора в сепараторе выпарного аппарата, отводится по трубопроводу Т–2 в контактный подогреватель, где используется для подогрева воды. Туда же поступает и пар из сепаратора конденсата, выходящего из греющих камер. Контроль за упариванием раствора ведется по его плотности на выходе из гидрозатвора ареометром. При достижении плотности r=1,570¸1,600 г/см³ по ареометру, на трубопроводе Т–11открывается клапан выпуска упаренного раствора в мешалку № 519 и закрывается клапан на трубопроводе Т–11 циркуляции раствора в 518 мешалку. Аппарат введен в рабочий режим. Упаренный раствор поступает в мешалку № 519 (V – 400 м³), оттуда насосом подаётся на кристаллизацию ГАН.

Кристаллизация   и  фильтрация  ГАН. Упаренный раствор из мешалки № 519 с концентрацией Nа₂О_ky – 440 г/л, % соды 2,8¸3,0 и α_ky – 2,9 ÷ 3,0 в количестве 15,4 м³/ч насосами ПБ 63/22,5 № 532, 533 подается в кристаллизаторы ГАН № 904, 905, 906, 907, 908, 909 (V–90м³). Кристаллизаторы работают в периодическом режиме, каждый из которых поочередно является приемным, а расходным № 909. Раствор в кристаллизаторах перемешивается при помощи перемешивающего устройства, приводимого во вращение электродвигателем через редуктор ЦСН–45. На каждом кристаллизаторе установлена своя пара насосов ГрАТ(К) 85/40 № 880, 881, 882, 883, 884, 885, 886, 887, 888, 889, 890, 891 нагнетательные трубопроводы которых, объединены в коллектор. Для предотвращения кристаллизации трубопроводов клапаны, рассекающие насосы устанавливаются непосредственно у коллектора, а участки трубопроводов от насоса до клапана при остановке насоса обязательно опорожняются и промываются горячей водой в дренаж. Температура поступающего раствора на кристаллизацию 105–115 ⁰С.

Кристаллизация проводится до каустического  модуля жидкой фазы пульпы  8,0 – 9,0 в  течение 13–15 часов с охлаждением  пульпы до 80–85 ⁰С которое достигается парой регистров, в которые подается промышленная вода. Для обеспечения достижения заданного каустического модуля жидкой фазы пульпы ГАН, концентрация исходного раствора должна быть не менее 435 – 445 г/л Nа₂О_ky.

Полученная пульпа ГАНа в количестве 14,5м³/ч перекачивается в расходную мешалку № 909 и подается на   фильтры БОУ – 5 № 1, 2 насосами № 890 и № 891. Пульпа из кристаллизатора перекачивается не полностью, оставляется 1м пульпы для затравки следующей кристаллизации ГАНа.  

Фильтрат ГАН в количестве Q = 5,8 м³/ч откачивается в мешалку № 903 (V–60м³), оттуда насосом подаётся в мешалку приготовления хлор–галлатной пульпы № 5. Кек БОУ–5 в количестве ~ 10–12 т ГАН /ч поступает на приготовление алюминатного раствора ГАН.

Приготовление алюминатного раствора ГАН. Кек (ГАН), состава: N_ky ~ 25,8 %; AL₂O₃ ~ 20,4 %; влага 25 %, в количестве ~ 10 т/час репульпируется, и по трубе гидротранспорта поступает в мешалки алюминатного раствора № 898, 899. Приготовление алюминатного раствора производится до плотности 1,21–1,25 г/см³ и содержания AL₂О₃ –92–102 г/л. Далее раствор ГАН с расходом не более 80 м³/ч откачивается насосами № 868, № 869 и № 870 в цех спекания.

Параметры приготовления алюминатного раствора:

- Nа₂О_ку – 115–130 г/л;

- AL₂О₃ –92–102 г/л ;

- α_ку – не более 2,2 ед;

- t = 80–85 ⁰С.

Кристаллизация  и  фильтрация  концентрата  галлия. Фильтрат ГАН в количестве Q = 5,8 м³/ч с мешалки № 903 подаётся в мешалку приготовления хлор-галлатной пульпы № 5. Сюда же в качестве затравки подаётся сгущённая пульпа с мещалки № 30 насосом № 15 после 1 стадии упарки. Содержание CL в сгущенной пульпе 280–320 г/л. Дозировка затравки производится из расчёта получения в пульпе отношения Cl/AL₂O₃ – 0,7 ÷ 0,8.

 Кристаллизация галлиевого  концентрата проводится в кристаллизаторах (6 шт, V_общ.–270 м³) № 131, 388, 350, 351, 410, 411 с коническими днищами, оборудованными змеевиками–регистрами для охлаждения раствора и перемешивающими устройствами. Для предотвращения образования донных осадков (в связи с большой скоростью осаждения крупнокристаллического осадка галлиевого концентрата), кристаллизаторы имеют днища выполненное в виде двойного конуса и перемешивающее устройство специальной конфигурации, т.к. обычная цепная мешалка не способна удерживать полученные осадки во взвешенном состоянии. Кристаллизаторы работают в периодическом режиме: заполнение ® кристаллизация ® выгрузка. 

 Концентрация Nа₂О_ку в пульпе ХГК должна быть в пределах 360–380 г/л. Для улучшения перемешивания пульпы в вертикальной плоскости возможна циркуляция раствора в кристаллизаторе “сам на себя” насосом ПБ–63/22,5       № 320. Кристаллизация ведётся до остаточного содержания Ga не выше 0,2 г/л в жидкой фазе пульпы ХГК.

Режим кристаллизации концентрата:

- начальная температура – 75 ⁰С;

- конечная температура  – 37 ⁰С– 40 ⁰С;

- общее время кристаллизации – 18– 20 часов.

Кристаллизация проводится до достижения каустического модуля жидкой фазы пульпы  14 – 17 единиц. Отделение  концентрата галлия осуществляется на центрифугах № 1, 2, 3. Количество влажного осадка              ~ 2,7 т/час. Влага концентрата ~ 15–18 %. Содержание галлия  во влажном концентрате 0,17 – 0,19 %.

Фугат галлиевого концентрата  через мешалки фугата (V – 6м³) № 20, 27, откачивается насосами № 222, 223, 207, 208 в мешалку возврата № 557. Концентрация фугата по N_ky ~ 360 – 380 г/л;  α_ky  14 –17 единиц. Промывка центрифуг производится промывной водой из мешалки № 3 насосом № 41, которая используется в дальнейшем для приготовления богатого раствора. По мере откачки промывной воды на приготовление богатого раствора в мешалку № 3 подаётся горячий конденсат.

Приготовление  “богатого” раствора. Галлиевый концентрат (Р ~            2,7 т/час) растворяется в промывной воде центрифуг № 2, 3, в мешалках №415, 32 (V–6м³), при температуре 80 ⁰С. Дозировка концентрата устанавливается исходя из расчёта получения раствора с содержанием N_ky ~ 190 – 200г/л;   Ga ~ 1,5–1,8 г/л. Репульпированный раствор откачивается насосами № 65, 64 в сборную мешалку «сырого» богатого раствора № 7, откуда поступает на приготовление богатого раствора в мешалку № 503 насосам № 394, 395. Для корректировки концентрации и каустического модуля богатого раствора в мешалку подаётся промывная вода центрифуг № 2, 3, крепкий каустик насосами № 624, 625 и слив сгустителя № 2 (1) насосом № 36. Раствор с мешалки № 503, откачивается насосом № 659, 649 в мешалки № 504, 507, 508, 505 (V–60м³) для кристаллизации V₂O₅.

Параметры приготовления богатого раствора:

- Nа₂О_ку – 180–185 г/л;

- α_ky – 2,8–2,9 ед;

- Ga ~ 0,8–1,0 г/л.

Кристаллизация  солей  ванадия. Кристаллизация V₂O₅ ведётся в мешалках № 504, 507, 508, 505 мешалка – расходная на фильтрацию. Кристаллизаторы оборудованы перемешивающими устройствами и змеевиками–регистрами для охлаждения раствора. Кристаллизация ванадиевых солей основана на уменьшении растворимости при снижении температуры. Охлаждение раствора ведется до конечной температуры 10 ⁰С. Скорость охлаждения  до 1,5 ⁰С/час. Подача воды в регистры регулируется клапанами с пневматическими мембранными исполнительными механизмами, управляемыми контроллером. В каждом кристаллизаторе установлена пара регистров. В регистры охлаждения подведена вода: в зимнее время от заводского водооборота промышленной воды, в летнее время при повышении температуры промышленной воды  выше 15 ⁰С охлаждение переводится на водооборот через градирню.

Для интенсификации процесса кристаллизации солей ванадия в мешалку № 503 при приготовлении раствора добавляется  слив сгустителя № 2 (1) в количестве не более 3 % от общего объёма мешалки. Охлаждение раствора производится регистрами. Остаточное содержание V₂O₅ в жидкой фазе пульпы менее 0,2 г/л. Откристаллизованная ванадий содержащая пульпа насосами ПБ 100/31,5 № 548, 549 В 505 мешалку и далее по трубопроводу Т–102 подается для отделения твердой фазы от раствора на фильтр ЛВАЖ–125 №7, 8, 9 (на период ремонта фильтра, замены полотен и т.д. в работу включается фильтр №8, который является резервным.

 В режиме “мутного”  фильтрата раствор циркулирует  через фильтр на 505 мешалку до  набора дополнительного фильтрующего  слоя осадка и достижения требуемого  качества раствора, в течение  20–30мин.,по получении анализа содержания ванадия 0,15 г/л после чего открывается клапан выпуска фильтрата в мешалку №506 по линии Т–105. По окончании рабочего цикла фильтр опорожняется насосами К290/18 № 536, 537 в мешалку № 505 по линии Т–104.

 Промывка фильтров производится  холодной водой  из мешалки  № 665 и откачивается после 5–ти кратной  промывки насосами № 544, 545 в мешалку   № 13.Фильтры экипированы двойным капроном. Фильтрат после фильтрации ванадиевого кека собирается в мешалке № 506 (V–60м³). Промывные воды после намывки откачиваются на участок выпарки в бак слабого раствора или на схему вывода оксалатов.

Режим кристаллизации концентрата:

- начальная температура – 45 – 55 ⁰С;

- конечная температура  – 10 ⁰С – 15 ⁰С;

- общее время кристаллизации – 18 – 20 часов.

Отстой и фильтрация богатого раствора. Фильтрат из мешалки № 506 насосами № 653, 654 перекачивается в отстойники № 4, 6, 8, 10. Минимальное время отстоя 7 суток. Из отстойников насосами № 53, 54 раствор перекачивается в мешалку № 502 для подачи раствора на контрольную фильтрацию насосами № 561, 562. Раствор фильтруется на фильтрах ЛВАЖ-125 № 5, 6. Фильтры экипированы двойным капроном. Фильтрат поступает в мешалку фильтрата № 501 , оттуда насосом № 560 перекачивается в мешалку № 11, где нагревается до ~ 60–70 ⁰С. Далее из мешалки № 11 раствор подаётся в расходную мешалку цементации № 14.

Проведение  цементации  из  “богатого” раствора. Раствор  с концентрацией Ga ~ 0,8–1,0 г/л, α_ку–2,8¸2,9 в количестве ~ 3,5–3,7 м³/час с мешалки № 14 с t = 65–70 ⁰С поступает на цементацию. Цементация проводится на 15 нитках по 3 аппарата в каждой, до остаточного содержания Ga в отработанном растворе ~ 0,15 ÷ 0,17 г/л.

Нагретый раствор в 14 мешалке до температуры от 62 до 63°С раствор поступает в дозаторные коробки, распределяющие раствор по цементаторам. Дозаторная коробка (дозатор истечения)  разделена на секции по количеству, питающихся от нее. На каждый цементатор проложен свой трубопровод питания. В каждой секции установлено два клапана. Один клапан используется для заполнения нитки цементаторов перед пуском в работу на большом потоке, второй клапан для заполнения цементаторов на малом потоке.

 Для процесса цементации  в проточном режиме, под клапаном во фланцевом соединении питающего стакана установлена диафрагма с калиброванным отверстием, обеспечивающая стабильный поток от 0,3 м³/час, за счет постоянного уровня раствора над ней. Уровень раствора над диафрагмой ограничен высотой сливного порога из секции, через который переливаются излишки раствора. Излишки раствора самотеком сливаются в мешалки № 14 (11).

 Нагрев раствора в мешалке осуществляется через регистры, в которые подается горячая вода с бака № 281. В каждой мешалке №14(11) установлены три секции регистров Æ76´2,5. Регулирование расхода горячей воды на каждую секцию регистров осуществляется индивидуальным регулирующим клапаном с пневматическим исполнительным механизмом с пульта оператора. Регулирование температурного режима ведут изменением количества воды, подаваемой на нагрев в каждую секцию регистров.

Параметры цементации:

- количество галлиевой основы 50 кг;

- дозировка гранулированного алюминия в 1–ом, 2–ом и 3–ем цементаторах – 190; 170; 150 соответственно;

- температура цементации 60–62 ⁰С;

- среднечасовой поток на одну нитку ~0,3 м³/час;

- режим цементации непрерывно – периодический.

Цементация  галлия ведется в проточном режиме, с разгрузкой по установленному графику.

 

3 Влияние некоторых физико – химических факторов на процесс цементации ионов галлия галламой алюминия

 

 

3.1 Перемешивание раствора и галламы алюминия

 

Цементацию галлия галламой алюминия из щелочного раствора осуществляют путем периодического введения металлического алюминия в виде гранул при перемешивании раствора в реактор – цементатор, содержащий алюминатный раствор и на дне – жидкий галлий. Под действием силы тяжести алюминий проходит столб раствора, способствующий снятию с алюминия оксидной пленки, что обеспечивает смачивание алюминия при контакте его гранул с галлием и образованием галламы [3].

Перемешивание раствора и увлекаемой им в движение галламы благоприятно сказывается на ходе цементации, так как приводит не только к ускорению межфазного обмена, но и к изменению соотношения скоростей конкурирующих процессов восстановления ионов галлия и водорода в пользу выхода целевого продукта.

Главной причиной, препятствующей интенсификации перемешивания, является диспергирование жидкого цементирующего сплава в растворе. Мелкие изолированные частицы галламы не подпитываются алюминием, что приводит к их растворению.