Разработка методов интенсификации автоклавного выщелачивания моногидроксидных бокситов

В производстве глинозема из моногидроксидных бокситов по способу Байера одним из основных переделов, в значительной степени определяющим технико-экономическую эффективность всего производства, является выщелачивание боксита. В настоящее время уральские глиноземные заводы по техническому уровню автоклавного передела заметно уступают лучшим зарубежным предприятиям.

Улучшение процесса автоклавного выщелачивания включает в себя прежде всего усовершенствование аппаратурного оформления и на этой основе изменение технологических параметров выщелачивания. Опыт работы зарубежных заводов указывает на то, что с экономической точки зрения целесообразно повышать реакционную температуру выщелачивания против применяемой 230 °C — 235 °C, а также стремиться к максимальному увеличению рекуперативного нагрева, исключающему разбавление пульпы в процессе выщелачивания конденсатом греющего пара.

При этом необходимо стремиться к снижению материального потока пульпы автоклавного отделения за счет использования высокомодульного оборотного раствора и пониженного дозировочного каустического модуля, это требует дополнительных усовершенствований технологии производства глинозема по получению высокомодульного оборотного раствора и по разделению алюминатного раствора и красного шлама.

При нагреве бокситовой пульпы через металлические поверхности со стороны пульпы происходит зарастание греющих поверхностей осадками. С ростом температуры интенсивность отложений возрастает. Одной из причин того, что до последнего времени в отечественной глиноземной промышленности не проектировались промышленные схемы с температурой глухого нагрева выше 150 °C, было отсутствие опыта работы промышленных автоклавных батарей выше указанной температуры нагрева пульпы.

Промышленные испытания, проведенные в 1975 г. на действующих автоклавных батареях УАЗа, где нагрев пульпы в одном случае производили паром ТЭЦ (28ат), а в другом за счет дополнительной ступени сепарации, показали практически достижимые результаты при работе на промышленном оборудовании и промышленных бокситовых пульпах.

В ходе испытаний установлена и математически оценена зависимость изменения коэффициента теплопередачи, при различных температурах, от продолжительности работы теплообменников.

Учитывая затруднения нагрева пульпы в поверхностных подогревателях, связанные с инкрустацией из раствора осадков, в лабораторных условиях была проведена работа по синтезированию твердых фаз из алюминатно-щелочных растворов в интервале температур 90 — 275 °C.

Определена температурная последовательность образования твердых фаз, в частности, установлена температурная последовательность образования титанистых осадков.

Поскольку присутствующий в пульпе кальций играет активную роль при выщелачивании боксита и образует в алюминатно-щелочном растворе различные кальциевые соединения, в чем мы еще раз убедились при синтезировании твердых фаз, то в данной работе изучен вопрос начальной стадии ввода СаО в процессе Байера. Здесь обращено внимание на процесс гашения СаО и возможность образования и взаимного преобразования трехкальциевого алюмината и гидрограната. Кроме того, уточнено поведение кальцита в щелочном растворе.

Полученный в ходе промышленных испытаний на трубках теплообменника высокотемпературный осадок использовали в лабораторных исследованиях для подбора растворителя этого осадка с целью очистки греющих трубок. Исследования на опытной установке показали, что осадок на трубках толщиной 2 мм при циркуляции используемых в качестве травильного раствора разбавленных кислот, растворяется полностью за 3−4 часа. Проведено промышленное испытание по очистке теплообменников от высокотемпературного осадка.

Разработанные контактные теплообменники позволяют эффективно использовать низкопотенциальный соковый пар для нагрева пульпы, что способствует глубокому обескремниванию и в конечном итоге снижает интенсивность зарастания теплообменников. Эффективным способом интенсификации процесса обескремнивания, наряду с повышением температуры, является добавка красного шлама в пределах 10 н- 30% от количества боксита в пульпе.

Повышение химического извлечения глинозема из боксита, как показали исследования по доизвлечению глинозема из промышленных шламов, связано прежде всего с ростом реакционной температуры. Поэтому разработан способ верхнего нагрева пульпы в греющем автоклаве, позволяющий повысить реакционную температуру на 4 — 6 °C. Для этой j (ke цели разработаны погружной теплообменник и паропульповой инжектор. Обе разработки проверены в 1979 — 1980 гг в процессе длительных промышленных испытаний. Продолжая разработку темы по повышению реакционной температуры, исследовали электрический разряд в алюминатно-щелочном растворе. Эти исследования показали возможность использования электрогидравлического насоса для перекачки пульпы и разработку на основе электрогидравлического насоса двухстадийной (по давлению) подачи пульпы в реакционные автоклавы.

Для быстрого отделения красного шлама от алюминатного раствора и его промывки проведены исследования, испытания и разработка технической документации напорного фильтра непрерывного действия для фильтрации красного шлама.

Часть проведенных исследований и разработок прошла проверку в промышленных условиях, несколько разработок внедрены в производство, что подтверждено актами с экологическим эффектом. Практически все разработки выполнены на уровне изобретений и защищены авторскими свидетельствами и патентами.

1. Литературный обзор.

Выводы к главе 5.

1. Установлено, что обработкой шлама после промышленного автоклавного выщелачивания боксита каустическими и содовыми растворами при температуре 230 °C достигается в первом случае увеличение извлечения глинозема на 2,2%, во втором — на 3,2%. Добавка СаО в содовый раствор с концентрацией 7 5ч-120 г/л ИагОу способствует росту извлечения глинозема.

2. При повышенных температурах (290°С) обработка шлама каустическими растворами повышает общее извлечение до 99,3% от теоретического, обработка содовыми растворами до 96,5%. Дозировка в содовый раствор СаО снижает процент извлечения глинозема.

3. При совместном выщелачивании боксита и промышленного красного шлама каустический модуль снижается на 0,03−4-0,07, что указывает на увеличение извлечения глинозема в раствор.

4. Исследование выщелачивания боксита СУБРа, перерабатываемого на уральских заводах, показало, что при температурах 240,280 и 300 °C для максимального извлечения глинозема оптимальным является весовое соотношение Ca0: Si02 близкое к величине 2,05- 1,37 и 0,68 соответственно. В отсутствии СаО в боксите при температурах 280 и 300 °C достигается извлечение 40% и 90% соответственно.

5. Разработан и проверен в промышленных условиях способ «верхнего» нагрева пульпы в автоклаве погруженым подогревателем, позволяющим ликвидировать гидростатическое давление пульпы на входе пара в автоклав.

6. Разработан и проверен в промышленных условиях паропульповой инжектор, позволяющий повысить реакционную температуру на 3−4°С и давление на 0,4 — 0,5 ат.

7. В ходе промышленных испытаний автоклавной батареи с измененной схемой нагрева реакционная температура повысилась на 6,5°С и извлечение глинозема возросло на 1,2%.

8. Проведены лабораторные исследования по электрическому разряду в щелочном растворе и бокситовой пульпе. Определена величина пробиваемого межэлектродного расстояния в зависимости от напряжения на электродах, а также оптимальное межэлектродное расстояние.

9. Разработана конструкция электрогидравлического насоса для укрупненных промышленных испытаний.

10. Разработана и проверена в промышленных условиях конструкция напорного трубчатого фильтра непрерывного действия для фильтрации красного шлама, который позволит проводить автоклавное выщелачивание при пониженных дозировочных модулях и практически исключить при этом потери глинозема в системе промывки шлама.

Заключение

.

1 .Литературный обзор и анализ теплотехнических характеристик различных схем автоклавных батарей показал необходимость усовершенствовать аппаратурное оформление действующих на уральских заводах автоклавных батарей и на этой основе проводить изменение технологических параметров выщелачивания.

2.Проведенные промышленные испытания на действующих автоклавных батареях увеличенного глухого нагрева пульпы, позволили получить уравнения связи, характеризующие изменение коэффициентов теплопередачи от продолжительности работы промышленных теплообменников при нагреве бокситовой пульпы УАЗа в интервале температур до 180 °C. Кроме того, осадок с греющих трубок теплообменников использовался для его детального изучения.

3.Проведенные лабораторные исследования позволили изучить образование твердых фаз в интервале температур 90−275°С. В частности, определена температурная последовательность образования титанистых соединений: кассит, перовскит, ферротитанат натрия. Установлено, что.

1 диаксид титана при отсутствии в пульпе СаО остается инертен, т. е. не переходит в раствор и не образует новых соединений до температуры 210 °C включительно. Это дает основание утверждать, что при переработке низкокарбонатных бокситов дозировка извести непосредственно в реакционные автоклавы позволит уменьшить зарастание теплообменников титанистым осадком.

4.Изучен процесс гашения извести водой и алюминатно-щелочными растворами в том числе оборотным раствором. В процессе гашения обожженной извести алюминатно-щелочными растворами наряду с ЗСа0хА120'зх6Н20 образуется и ЗСаОх А^ОзхСаСОзх 1IH2O, количество которого с ростом температуры процесса гашения уменьшается.

5.Установлено, что образование гидрограната из трехкалыдаевого алюмината возможно только при разложении последнего при повышенных температурах. Образование высокотемпературного гидрограната с п=0,5 из гидрограната, полученного при температуре 90 °C, происходит через разложение последнего, т. е. через образование промежуточной фазы Са (ОН)2.

6. Установлено, что активизирующее действие извести, дозируемой i при выщелачивании боксита в форме СаОЗСаО х AI2O3 х 6Н20, и.

I л гидрограната, полученного при температуре 90 С, одинаково, а кальцита несколько ниже.

7.Разложение кальцита в щелочном растворе с концентрацией 150−250 ! г/л Na20k протекает в две стадии. В первой стадии с образованием Са (ОН)2, а во второй с образованием СаСОз х Na2C03 х Н20. Образованию двойной соли предшествует пересыщение раствора по СО~. Константа скорости первой реакции 0,0025дм3моль" 1мин" 1, второй — 0,0002 дм3моль" 1мин" 1. Реакция разложения кальцита с образованием Са (ОН)2 протекает в кинетическом режиме, кажущаяся энергия активации 5,3 кдж моль" 1 или 22,4 ккал. моль" 1.

8.Полученный при промышленных испытаниях на греющих трубках, высокотемпературный осадок использован для подбора химического растворителя. Проведенные испытания на опытной установке и на промышленном теплообменнике показали, что при циркуляции разбавленной соляной и серной кислот (с температурой 90°С) осадок на трубках толщиной 2 мм растворяется за 3−5 часов.

9. Для снижения интенсивности зарастания трубчатого теплообменника алюмосиликатом натрия и экономии пара ТЭЦ разработан циклонно-пленочный контактный теплообменник и на его основе эффективная схема нагрева бокситовой пульпы с использованием низкопотенциального пара с одновременным увеличением глубины обескремнивания пульпы перед выщелачиванием. Лабораторные исследования показали, что повышение температуры с 93 до 112 °C равнозначно по своему действию дозировке красного шлама в пульпу до 30% от веса боксита.

10.Разработана схема автоклавной батареи выщелачивания с верхней подачей пара в греющие автоклавы и догрева пульпы на двух последних автоклавах. Проведенные длительные промышленные испытания такой автоклавной батареи с погруженными подогревателями и паропульповыми инжекторами позволили повысить реакционную температуру на действующей автоклавной батарее на 6,5°С, химическое извлечение возросло более чем на один процент.

11 .Проведенные лабораторные исследования показали возможность применения электрогидравлического насоса для перекачки бокситовой пульпы и осуществления схемы двухстадийного высокотемпературного выщелачивания боксита.

12.Проведены исследования и разработан напорный фильтр непрерывного действия для фильтрации красного шлама позволяющий проводить выщелачивание на пониженный каустический модуль автоклавной пульпы без больших потерь глинозема в системе промывки шлама.

13.Кроме лабораторных исследований по данной работе проведено четырнадцать промышленных испытаний. Шесть работ завершены актом внедрения с общим экономическим эффектом 281,8 тыс. руб/год в ценах 1980;1986 г.

14.Проведенные исследования и разработки обладают новизной, выполнены на уровне изобретений и защищены десятью авторскими свидетельствами, одним патентом РФ. к к.