Способы производства глинозема

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Глиноземом называется кристаллическая окись алюминия. Она является основным сырьем для получения алюминия. Алюминий получают из глинозема электролизом. Глинозем используется также и в других отраслях промышленности (например, для отбеливания бумаги, производства специальных сортов цемента, цеолитов - веществ, поглощающих определенный сорт молекул в присутствии других молекул и пр.). Кроме того, иногда бывает рентабельно в состав производства глинозема включать производство редких металлов, сопутствующих алюминию в руде (таких, как галлий, ванадий и пр.).

Глинозем получают из руды, содержащей горную породу - боксит. Бокситы имеют сложный химико-минералогический состав. Основной и полезной их частью являются различные модификации гидрата окиси (гидроокиси) алюминия (Al(OH)3 , AlOOH и др.). В состав бокситов входят обычно окислы железа, кремния, в малом количестве - серы, титана, галлия, хрома, ванадия и пр., а также карбонатные соли кальция, магния, железа, органические вещества (остатки древних растений и животных) и пр.

При равном содержании алюминия ценность боксита в основном зависит от следующих факторов (расположенных примерно по степени важности):

- от сорта гидроокиси алюминия, входящей в состав боксита; по возрастанию трудностей переработки бокситы в этом отношении можно расположить в ряд: а) гиббситовые (или гидраргилитовые), содержащие гидроокись алюминия в виде Al(OH)3; б) гиббсит - бемитовые; в) бемитовые AlOOH; г) бемит - диаспоровые; д) дисапоровые (перекристаллизованная AlOOH);

- от содержания кремнезема (SiO2), при удалении которого из боксита определенная часть гидрата окиси алюминия вместе с ней уходит в отвал и теряется;

- от содержания окиси титана (TiO2), образующей очень твердые осадки на теплообменных поверхностях аппаратуры и, тем самым, увеличивающих энергетические затраты;

- от содержания карбонатов CaCO3 , MgCO3, FeCO3 на удаление которых расходуется часть нужного для производства глинозема едкого натра (NaOH);

- от геологического возраста бокситов: древние бокситы имеют более высокую твердость и требуют при переработке больших затрат энергии, чем геологически молодые бокситы; как говорят они являются более трудно вскрываемыми.

Чрезмерное содержание любых других примесей также является вредным и приводит к повышению затрат на производство глинозема.



1. Общие сведения по технологии производства глинозема

1.1 Классификация способов производства глинозема

Глинозем можно извлекать из руд, как с помощью щелочей, так и с помощью кислот, потому что свойства его амфотерны. Известно много разных способов получения глинозема, однако лишь немногие из них применяются.

Имеющие способы извлечения глинозема из руд можно разделить на четыре группы: щелочные, кислотные, комбинированные и термические.

В современном производстве глинозема пользуются главным образом щелочными способами - мокрым (способ Байера) или сухим (способ спекания). Способ Байера успешно применяется при переработке малокремнистых бокситов с кремневым отношением не ниже 7 - 8. Полученный этим способом глинозем обычно дешевле, чем извлеченный другими известными способами, поэтому около 90% глинозема во всем мире издавна получают по способу Байера.

Если кремневое отношение в боксите ниже 7, то для получения глинозема обычно применяют способ спекания. Раньше юокситы и другие глиноземистые породы, в которых много кремнезема, считали вообще не пригодными для производства глинозема щелочным способом. Практика показала, что щелочной способ спекания может применяться даже для таких руд, в которых выше 40% кремнезема (каолины, глины, золы и другие алюмосиликаты). Хотя с увеличением содержания кремнезема в руде увеличивается удельный грузопоток в переделах, уменьшается производительность оборудования по глинозему, ухудшаются все технико-экономические показатели процесса и себестоимость глинозема повышается, щелочной способ спекания может оказаться вполне выгодным при использовании отходов, например шлама в цементной промышленности, и получении побочных продуктов, например соды и поташа. Следовательно, большое достоинство щелочного способа спекания в его пригодности для переработки на глинозем всяких алюмосиликатов, т.е. в его универсальности.

В последние годы с большим успехом применяют комбинированные щелочные способы производства глинозема: способ Байера дополняют способом спекания. При удачном сочетании этих способов можно получать глинозем дешевле, чем только по способу Байера.

Кислотные способ не имеют широкого практического применения в настоящее время, так как у них много недостатков по сравнению со щелочными.

Вот основные из них:

Необходимость оборудовать завод стойкой к кислотам аппаратурой

которая в несколько раз дороже железной, пригодной для щелочных способов производства глинозема. Это увеличивает капиталовложения и тем удорожает себестоимость глинозема.

- Оборот кислоты, если возможен, то обычно требует дополнительных установок. Затраты на это большие, чем в щелочных способах на возврат щелочи.

Сложность очистки растворов от примесей, особенно от железа и титана.

Трудности в получении глинозема надлежащего дисперсного состава.

Однако руды с 40 - 50% кремнезема перерабатывать кислотным способами не только труднее, а иногда легче, чем, например, железистые бокситы с 10 - 20% SiO2. При щелочных же способах спекания чем больше кремнезема в руде, тем больше нужно известняка на его связывание.

Вполне возможны крупные усовершенствования известных кислотных способов, а также изыскания новых. При выщелачивании глинозема из алюмосиликатов с помощью кислот можно получать рассеянные в них многие редкие металлы. Вот почему этими способами занимаются усиленно во всем мире.

В последнее время разрабатывали кислотно-щелочные способы производства глинозема. Суть их состоит в том, что кремнистые руды сначала обрабатывают кислотами, получая глинозем с примесями окисей железа, титана и др. Такой глинозем, своего рода концентрат, идет на переработку щелочным способом.

Термические способы, для которых обычно используются электропечи, основаны на восстановительной плавке с выдачей из печи более или менее богатого кремнием ферросплава и шлака, из которого глинозем извлекается щелочными способами. Промышленное применение этого способа мыслимо лишь при обилии дешевой электроэнергии.

1.2 Современная схема производства глинозема по способу Байера

Современная схема производства глинозема по способу Байера представлена на рисунке 1. Возможны, конечно, разные варианты ее сообразно составу боксита и местным условиям.

Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим количеством извести (если боксит диаспоровый) и направляют в мельницу мокрого размола вместе с оборотным раствором по расчету. Мельницы работают обычно в замкнутом цикле с реечными или спиральными классификаторами. Пульпа собирается в сборниках нагревается паром до 1000 и выдерживается там несколько часов при непрерывной циркуляции, чтобы возможно большую часть кремнезема в бокситах (аморфного или в составе глины) действием щелочи и алюмината обратить в нерастворимый алюмосиликат.

В результате этого трубки подогревателей, через которые проходит - пульпа на пути из сборников в автоклавы меньше зарастают алюмосиликатной массой.

При непрерывном выщелачивании пульпа нагнетается поршневым насосом через подогреватели в головной из 7 - 8 автоклавов, соединенных последовательно. Из последнего автоклава батареи пульпа перетекает в - пароотделитель, где от самоиспарения образуется пар, используемый для предварительного нагревания пульпы в подогревателях. Из пароотделителя пульпа стекает в мешалки для разбавления промывной водой.

В системе противоточных уплотнителей и промывателей, которые на современных заводах обычно делают многоярусными, красный шлам отделяется и отмывается от алюминатного раствора. Сгущенный промытый красный шлам перекачивают в отвал (шламовое поле), а промывная вода из первого промывателя, в которой много Na2O и Al2O3, служит для разбавления автоклавной пульпы.

Слив из уплотнителей проходит через фильтры для полного отделения взвеси красного шлама, охлаждается до ~700 в теплообменниках и поступает на выкручивание в декомпозеры периодического или непрерывного действия. На выкручивание направляют также затравочный гидрат в количестве, зависящем от содержания Al2O3 в растворе. Обычно затравочное отношение, т.е. отношение Al2O3 затравки к Al2O3 в растворе, составляет ~1,4 - 1,8.

Выкручивание длится 70 - 100 час по заданной температурной кривой охлаждения. Затем гидратную пульпу сгущают, отделяют маточный раствор и гидроокись алюминия после классификации по крупности или без нее делят на две части: одну часть (крупная фракция в случае применения классификации) тщательно отмывают от щелочи и подают на кальцинацию, другая же часть (около ѕ всего гидрата) служит затравкой. В некоторых случаях затравочную гидроокись также предварительно промывают, но не так тщательно, как для выдачи готового гидрата.

Маточный раствор и воду от промывки гидрата направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, где концентрация Na2Ok повышается приблизительно до 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 выпаркой выделяется столько же соды, сколько 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. Получающимся при этом разбавленный раствор каустической щелочи упаривают вместе с маточным раствором или же в отдельных выпарных аппаратах. К упаренному маточному раствору добавляют свежею едкую щелочь для возмещения химических и механических потерь ее и направляют в мельницы со свежим бокситом.

Рисунок 1 - Схема производства глинозема по способу Байера

Готовый гидрат обезвоживается и «прокаливается при температуре около 12000 во вращающихся барабанных печах, топочные газы которых тщательно очищаются от глинозема».



2. Описание технологии процесса сгущения и промывки красного шлама

2.1 Теоретические основы сгущения

Основная масса красного шлама состоит из очень мелких частиц размером 1 - 10 мкм и даже меньше, которые осаждаются очень медленно. Поэтому при сгущении красного шлама значение имеет агрегация, т.е. слияние мелких частиц между собой и образование более крупных хлопьев (агрегатов).

Резкая граница между осветленным раствором и осадком (сгущенным шламом) в сгустителе отсутствует. По высоте столб пульпы в сгустителе можно разделить на несколько зон. Верхняя зона - это осветленный раствор, из которой он непрерывно выводится в виде слива. Ниже находится зона сгущения, в которой частицы опускаются под действием силы тяжести. Еще ниже находится зона уплотнения, в которой под действием веса вышележащих слоев из шлама вытесняется алюминатный раствор и осадок уплотняется. Самая нижняя зона - это слой уплотненного шлама, который непрерывно выводится из сгустителя.

Основными показателями процесса сгущения являются степень уплотнения шлама и удельная производительность по сливу. Степень уплотнения характеризуется отношением ж:т в сгущенном шламе, а под удельной производительностью понимают объем осветленного раствора (в кубических метрах), выводимого из сгустителя на каждый квадратный метр площади осаждения за один час.

На процесс сгущения шлама наряду с крупностью его частиц влияет целый ряд факторов: минералогический состав шлама, вязкость алюминатного раствора, его концентрация, температура пульпы, присутствие коагулянтов и др.

Минералогический состав шлама определяется минералогическим составом бокситов, из которых шлам получен; поэтому можно говорить о влиянии на осаждаемость красных шламов минералогического состава боксита. Уплотняемость красных шламов ухудшается при наличии в боксите гидратированных минералов, например гидратированных форм окиси железа и каолинита. Эти минералы имеют высокую степень гидрофильности, чем объясняется их затрудненная агрегация и образование плохо уплотняющихся осадков. Отрицательное влияние на Уплотняемость красных шламов оказывает также сидерит.

Кварц по сравнению с каолинит гораздо меньше замедляет процесс отстаивание шлама, хотя при выщелачивании также образует гидроалюмосиликат натрия. Это можно объяснить тем, что разложение каолинита происходит при пониженных температурах с образованием тонкодисперсного алюмосиликата, который при отстаивании удерживает много воды. Взаимодействие же кварца с раствором происходит медленно и при высокой температуре. В этих условиях образуется крупнозернистый алюмосиликат, который хорошо уплотняется.

Повышение температуры выщелачивания боксита до 250 - 2600 С резко улучшает отстаивание шлама, так как при высокой температуре в автоклавах происходит необратимый процесс дегидратации окиси железа.

С повышением вязкости алюминатного раствора скорость осаждения шлама и степень его уплотнения. Вязкость же зависит от концентрации раствора и его температуры. С понижением концентрации вязкость раствора уменьшается, поэтому разбавление пульпы перед сгущением значительно ускоряет процесс сгущения. В системе промывки концентрация раствора постепенно уменьшается от первого промывателя к последнему, что способствует более высокой степени уплотнения шлама в последних промывателях.

С повышением температуры вязкость раствора также уменьшается. Кроме того, повышенная температура необходима для предотвращения гидролиза алюмината натрия. По этим причинам в системе сгущения и промывки поддерживается максимально высокая температура.

Степень уплотнения шлама возрастает также с увеличением длительности пребывания шлама в зоне уплотнения: чем выше эта зона, тем больше длительность пребывания в ней шлама.

Во многих случаях сгущение шлама значительно ускоряется при добавке в пульпу коагулянтов - веществ, способствующих укреплению частиц шлама. В качестве коагулянта широко используют ржаную муку, которую вводят в разбавленную пульпу в количестве 0,15 - 0,25% от массы шлама. Для этого могут быть использованы также синтетические флокулянты - полиакриламид, сепаран и др.

Действие коагулянтов, очевидно, состоит в снятии с частиц шлама одноименного (положительного) заряда. Будучи в алюминатном растворе одноименно заряженными, частицы шлама взаимно отталкиваются, что препятствует их слиянию и образованию более крупных хлопьев. Под влиянием крахмала (ржаной муки) частицы шлама теряют заряд и становятся электронейтральными.

Действие флокулянтов основано на их адсорбции на поверхности частиц шлама. Взаимные силы сцепления между адсорбированными молекулами или ионами флокулянта создают условия для слипания шлама в более крупные агрегаты. Долгое время ведутся исследования по замене муки- ценного продукта питания - синтетическими высокополимерными флокулянтами.

Сгуститель представляет собой металлический цилиндрический бак с коническим дном. В центре бака на ферме подвешен вертикальный вал, на нижнем конце которого закреплено гребковое устройство, состоящее из крестовины с гребками. Гребки установлены таким образом, что при вращении вала они перегребают осевший материал от периферии к центру.

Вал приводится во вращение от двигателя через редуктор. Сверху сгуститель закрыт металлической крышкой, снаружи для уменьшения потерь тепла в окружающую среду имеет тепловую изоляцию. Пульпа поступает в центр сгустителя через воронку. Здесь скорость движения пульпы резко падает, и твердые частицы постепенно оседают на дно сгустителя, а осветленный раствор сливается в желоб и выводится из сгустителя. Осевший шлам перегребается к разгрузочному отверстию, через которое и выпускается. Схема однокамерного сгустителя представлена на рисунке 2.

1 - бак; 2 - крестовина с гребками; 3 - разгрузочное отверстие; 4 - желоб; 5 - воронка; 6 - редуктор.

Рисунок 2 - Схема однокамерного сгустителя

Наряду с однокамерным применяются многокамерные сгустители, состоящие из 2-5 отстойных камер, расположенных одна над другой. По высоте сгуститель коническими диафрагмами разделен на пять камер равной высоты. В центральной части сгустителя каждая диафрагма заканчивается переточным стаканом, нижняя часть которого опущена в слой сгущенного шлама и образует гидравлический затвор. В центре сгустителя находится общий для всех камер вал с пятью ярусами гребковых устройств.

Днище сгустителя в центральной части переходит в разгрузочный конус, через который выгружается шлам. Разгрузка шлама - общая для всех камер. Оседающий в каждой камере шлам гребковых устройств перегребается к центру диафрагм и по переточным стаканам поступает в разгрузочный конус. Питание же пульпой и отъем осветленного раствора осуществляется в каждой камере независимо, пульпа между камерами распределяется с помощью питающей коробки. Слив из каждой камеры отбирается одновременно в четырех точках. Для этого служат четыре сливные коробки, расположенные на равном расстоянии друг от друга по периферии сгустителя. Высоту уровня слива в сливных трубах можно изменять с помощью специального телескопического устройства и этим регулировать уровни шлама в камерах сгустителя.

Основными преимуществами многокамерных сгустителей перед однокамерными является сокращение производственных площадей в цехе на установку сгустителей и экономия материалов на их сооружение. Однако в многокамерных сгустителях высота камер ниже, чем в однокамерных, отчего уменьшается время пребывания шлама в зоне уплотнения и, следовательно, снижается степень его уплотнения. Это в свою очередь требует увеличенного ввода воды в систему на промывку шлама. Более низкая степень уплотнения шлама - основной недостаток многокамерных сгустителей. Кроме того, многокамерные сгустители более сложны в обслуживании, чем однокамерные. Поэтому в последние годы вновь стали широко применять однокамерные сгустители диаметром до 30 - 40 м, но с увеличенной высотой бака. Схема пятикамерного сгустителя представлена на рисунке 3.

1 - цилиндрический резервуар; 2 - питающие трубы; 3 - питающая коробка; 4 - гребковое устройство; 5 - вал; 6 - переточные стаканы; 7 - разгрузочный конус; 8 - коническое дно; 9 - конические диафрагмы; 10 - сливная коробка; 11 - сливные трубы.

Рисунок 3 - Схема пятикамерного сгустителя

В районах с холодным и умеренным климатом сгустители и промыватели красного шлама следует устанавливать в здании, в районах с теплым климатом возможна установка под открытым небом (вне здания).

Отношение площади сгущения к площади промывки обычно составляет (2 - 3) : 1.

Промыватели, как сгустители, имеют тепловую изоляцию. Кроме того, для повышения температуры в промывной системе применяют промежуточный нагрев пульпы паром в гидросмесителях.

Гидросмеситель (репульпатор) служит для смешивания шлама с промводой. Он представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 2 - 3 м с коническим днищем. Промвода поступает в Гидросмеситель через сопло, которое тангенциально врезано в его корпус. Шлам вводится в Гидросмеситель сверху, полученная пульпа откачивается снизу.

Обслуживание сгустителей и промывателей в основном сводится к контролю за их бесперебойной работой и поддержанию определенных технологических параметров. Ниже приводятся некоторые технологические показатели работы сгустителей и промывателей на отечественных заводах.

Отношение ж:т в шламе при сгущении 2,5 - 4, при промывке 2 - 3; температура пульпы в сгустителях и промывателях около 1000С; содержание твердых частиц в сливе сгустителей не более 0,1 г/л; удельная производительность по сливу при сгущении 0,13 - 0,2 м3/м2·ч), при промывке 0,2 - 0,3 м3/(м2·ч). Высоту слоя осветленного раствора стремятся поддерживать по возможности наименьшей, так чем она меньше, тем выше степень уплотнения шлама. В верхнем ярусе пятиярусных сгустителей высоту осветленной зоны поддерживают 40 - 60 см, в промывателях поддерживают до одного метра. Чрезмерное уплотнение шлама может вызвать перегрузку и поломку гребкового механизма. Поэтому приводной механизм сгустителей и промывателей имеет световой и звуковой сигнализатор перегрузки вала. При перегрузке прекращают подачу пульпы, и в случае необходимости вал вместе с гребковым устройством на некоторое время поднимают на необходимую высоту.

2.2 Противоточная промывка шлама в системе сгустителей

Сгустители, применяемые для промывки красного шлама, по своему технологическому назначению называются, иногда промывателями.

Промывка ведется по противоточному методу, которая показана на рисунке 4. Сгущенный шлам из сгустителя подается шламовым насосом в первый промыватель, куда из второго промывателя одновременно подается промывная вода, смешивающаяся со шламом и разбавляющая увлеченный шламом крепкий раствор. В первом промывателе происходит рассмотренный уже выше процесс сгущения разбавленного шлама и отделения его от осветленной жидкости. Последняя, представляющая собой промывную воду окончательной концентрации (так называемая первая промывная вода), отправляется по назначению (например, на разбавление автоклавной пульпы), а уплотненный шлам из первого промывателя перекачивается во второй. В этот же промыватель поступает менее крепкая промывная вода из третьего промывателя. Во втором промывателе происходит тот же процесс, что и в первом; этот процесс повторяется вплоть до последнего промывателя, куда подается чистая вода для окончательной отмывки шлама. Окончательно отмытый шлам удаляется в отвал.

Противоточная промывка шлама сводится, таким образом, к последовательной обработке сгущенного шлама все более и более слабыми жидкостями (промывными водами и водой), причем каждый раз этой операции предшествует отделение шлама от главной массы раствора (т. е. сгущение шлама). При этом происходит последовательное, все возрастающее при переходе от одного промывателя к другому, разбавление раствора, увлекаемого сгущенным шламом. Отсюда становится понятным, почему нужно стремится получать в сгустителе и в промывателях максимально уплотненную шламовую пульпу, т. е. пульпу с возможно большим отношением Т:Ж; в этом случае в сгущенном шламе будет содержаться меньше раствора и последний будет легче отмываться.

Обычно шламовая пульпа и раствор, служащий для промывки, прежде чем поступить в загрузочный цилиндр промывателя, направляются либо в смесительный желоб, либо в бак-репульпатор, где и происходит их предварительное смещение. Если такой репульпатор устанавливается внизу, т сгущенный шлам выпускается в него непосредственно, без помощи диафрагмового насоса, а разбавленная смесь подается в следующий промыватель центробежным насосом.

2.3 Факторы, влияющие на сгущение красного шлама

1) Тонина помола, химический состав боксита. Отстаивание (сгущение) - это процесс осаждение частиц под действием силы тяжести. Частицы размерами до 100 мкм подчиняются законом Стокса и скорость их осаждения может быть определяться по формуле (1)

(1)

где w - скорость осаждения, м/с;

Р - плотность твердой и жидкой фазы, кг/м3;

м - вязкость среды, кг/м2.

Из формулы видно, что осаждение в основном зависит от вязкости жидкой фазы (т.е. от температуры и концентрации) и от кристаллической структуры красного шлама (крупности частиц).

Как правило, скорость осаждения возрастает с повышением содержания окислов железа и снижается с увеличением содержания гидроалюмосиликата натрия (ГАСН) в шламе, поэтому бокситы с высоким кремневым моделем, как правило, образуют после выщелачивания шламы с лушими седиментационными свойствами. Гибситовые и гибсит-бемитовые бокситы дают более тонкие и хуже откристаллизованные шламы (особенно частицы ГАСН). Тонкие частички шлама практически не оседают без их предварительной агрегации (флокуляции с образованием хлопьев). Для этого используются коагулянты и флокулянты.

2) Температура. Для уменьшения вязкости среды процесс сгущения проводят при максимальной температуре. Для снижения потерь тепла в окружающую среду процесс ведут в теплоизолированной аппаратуре. Температура сгущения принимается 95-100 0С.

3) Содержание твердого в пульпе питания. Так же как формула Стокса описывает свободное осаждение частиц, а фактически частицы при осаждении проходят несколько зон, которые условно можно разделить на:

- зона осветленного раствора;

- зона свободного осаждения;

- зона стесненного осаждения;

- зона уплотнения;

- зона сгущения шлама.

При прохождении этих зон происходит соударение частиц из-за чего теряется скорость осаждения частиц. Поэтому фактическая скорость осаждения частиц определяется по формуле (2)

(2)

где 0,5 - коэффициент стесненного слоя.

4) Влияние примесей. Присутствие в бокситах пирита, сидерита, некоторых органических соединений и коаленита (глина) имеющего пластинчатую структуру ухудшают процесс сгущения. При их повышенном содержании шламы зависают и практически не отстаиваются.

5) Скорость слива. Производительность сгустителей характеризуется скорость слива, под которой принимают: объем осветленного раствора получаемого с одного метра кв. площади осаждения:

(3)

где G - скорость слива, м/ч;

Q - объем осветленного раствора, м3;

F - площадь осаждения, м2;

Т - время работы, час.

Промывная система - противоточная и оборудована аппаратами d 20м. Нитки промывки 3-х кратные. Нитка промывки питается шламом одного сгустителя d 40м или двумя сгустителями d 20м.



3. Описание технологической схемы

глинозем сгущение промывка шлам

Разбавленная пульпа через питающие коробки поступает в сгуститель. Осветленный алюминатный раствор (слив) из сгустителя через сливные коробки самотеком поступает в мешалку нефильтрованного раствора. Сгущенный шлам из конуса сгустителя также самотеком поступает в первый гидросгуститель, где смешивается с промывной водой второго промывателя. Полученная в первом гидросмесителе пульпа насосом подается в первый промыватель, где вновь подвергается сгущению. Из первого промывателя сгущенный шлам поступает во второй гидросмеситель, где смешивается с промводой из третьего промывателя. Отсюда пульпа перекачивается во второй промыватель и т.д.

На схеме показана четырехкамерная промывка шлама. Промыватели работают по принципу противотока, что позволяет более полно отмыть красный шлам и получить промводу более высокой концентрации. Сущность противотока состоит в том, что шлам при своем движении от первого промывателя к последнему обрабатывается все более слабой промывной водой и в четвертом промывателе он встречается со свежей водой, которая подается в последний гидросмеситель.

Промвода из первого промывателя отбирается в бак промводы, а из него перекачивается на разбавление автоклавной пульпы. Промытый шлам из последнего промывателя поступает в мешалку шламоудаления, из которой после дополнительного разбавления водой перекачивается на спекание.



4. Расчет процесса сгущения и промывки красного шлама

4.1 Материальный баланс

Исходные данные: на сгущение подается разбавленная пульпа количеством V = 638 м3/час, содержание твердой фазы в пульпе Cтв.пульпе = 90 г/л, содержание твердой фазы в шламе первого ряда промывателя Ств.фазы1 = 254 г/л, в промывателе второго ряда Ств.фазы2 = 340 г/л, в промывателе третьего ряда Ств.фазы3 = 360 г/л; плотность твердой фазы во всех стадиях одинакова ств.фазы = 2700 кг/м3; пульпа репульпируется горячей водой, содержание Na2O в горячей воде СNa2O = 5 г/л; химический состав пульпы поступающей на первую стадию промывки СAl2O3 = 135 г/л, СNa2O = 145 г/л, химический состав пульпы поступающей на вторую стадию СAl2O3 = 63 г/л, СNa2O = 63 г/л, химический состав пульпы поступающей на третью стадию СAl2O3 = 26 г/л, СNa2O = 20 г/л.

Находим массу поступающей разбавленной пульпы по формуле (4), определяем твердую и жидкую фазы

кг

Определим массу твердой фазы в разбавленной пульпе поступающей на сгущение по формуле (5)

Находим массу жидкой фазы в разбавленной пульпе поступающей на сгущение по формуле (6)



Составим систему уравнений для определения объема алюминатного раствора Vалюм.р-р - м3, и объема шлама Vшлам1 - м3, который выводится из-под конуса сгустителя

Vалюм.р-р = 502,694 м3

Vшлам1 = 135,306 м3

где 0,1 - содержание твердого в сливе сгустителя и промывателя, г/л;

424 - содержание твердого в разгрузке сгустителя, г/л.

По формуле (5) определяем содержание твердого материала в алюминатном растворе

Определяем объем твердой фазы в алюминатном растворе по формуле (7)

По формуле (8) вычисляем объем жидкой фазы в алюминатном растворе

Масса жидкой фазы в алюминатном растворе определяется по формуле (2)

Вычисляем по формуле (9) массу алюминатного раствора

Составляем системы уравнений для определения объема репульпированного шлама, который подается в первый гидросмеситель Vреп.шлам1 - м3, и объема слива со второго промывателя, который подается в первый гидросмеситель - х, м3.

х = 502,694 м3

Vреп.шлам1 = 638 м3

По полученным данным составляем систему уравнений для определения объема промывной воды Vпр.воды - м3, и объем шлама, выходящего из-под конуса первого промывателя Vшлам2 - м3

Vпр.воды = 412,099 м3

Vшлам2 = 225,901 м3

где 254 - содержание твердого в шламе первого ряда, г/л.

По формуле (5) определяем содержание твердого материала в промывной воде

Определяем объем твердой фазы в промывной воде по формуле (7)

По формуле (8) вычисляем объем жидкой фазы в промывной воде

Для определения массы жидкой фазы в промывной воде найдем её плотность методом интерполяции по формуле (10). Известно что, при Ств.пульпе1 = 244 г/л плотность составляет сжид.фазы1 = 1120 кг/м3, а при Ств.пульпе2 = 279 г/л плотность составляет сжид.фазы2 = 1150 кг/м3. Необходимо определить плотность при Ств.пульпе = 254 г/л.

кг/м3

Масса жидкой фазы в промывной воде определяется по формуле (4)

Вычисляем по формуле (9) массу промывной воды

По данной системе определяем объем репульпированного шлама, подаваемого во второй промыватель и объем слива со третьего промывателя, который подается во второй гидросмеситель - у, м3.

y = 879,481 м3

Vреп.шлам2 = 1105,382 м3

По полученным данным составляем систему уравнений для определения объема слива Vслив3 - м3, и объема шлама, выходящего из-под конуса второго промывателя Vшлам3 - м3.

Vслив3 = 813,02 м3

Vшлам3 = 292,362 м3

где 340 - содержание твердого в шламе второго ряда, г/л.

По данной системе определяем объем репульпированного шлама, подаваемого в третий промыватель и объем горячей воды, подаваемой в третий гидросмеситель z - м3.

z = 812,117 м3

Vреп.шлам3 = 1104,479 м3

Найдем содержание NaOH в горячей воде

отсюда х = 6,4 г/л.

Для определения массы горячей воды найдем её плотность методом интерполяции по формуле (10). Известно что, при С1 = 6,040 г/л плотность составляет с1 = 1005 кг/м3, а при С2 = 10,56 г/л плотность составляет с2 = 1010 кг/м3. Необходимо определить плотность при С = 6,4 г/л.

г/л

Находим массу горячей воды, поступающей в третий гидросмеситель по формуле (4)

По формуле (5) находим массу твердой фазы в горячей воде

Значит, массу жидкой фазы находим по формуле (6)

Составим систему уравнений для определения объема красного шлама Vкр.шлам - м3.

Vкр.шлам = 275,889 м3

Vслив4 = 828,59 м3

По формуле (5) определяем содержание твердого материала в красном шламе

где 360 - содержание твердого в шламе третьего ряда

Определяем объем твердой фазы в красном шламе по формуле (7)

Вычисляем по формуле (9) массу красного шлама

Для определения массы жидкой фазы в красном шламе найдем её плотность методом интерполяции по формуле (10). Известно что, при Ств.пульпе1 = 295 г/л плотность составляет сжид.фазы1 = 1040 кг/м3, а при Ств.пульпе2 = 387 г/л плотность составляет сжид.фазы2 = 1060 кг/м3. Необходимо определить плотность при Ств.пульпе = 360 г/л.

кг/м3

Масса жидкой фазы в промывной воде определяется по формуле (4)

Вычисляем по формуле (9) массу красного шлама

Сводим в таблицу 1 материальный баланс узла сгущения и промывки красного шлама

Таблица 1 - Материальный баланс

Приход	Масса, кг	Расход	Масса, кг
Разбавленная пульпа	848540	Алюминатный раствор	635934,145
В том числе: жид.фаза тв.фаза	791120 57420	В том числе: жид.фаза тв.фаза	635883,875 50,27
Горячая вода	816502,432	Красный шлам	351335,656
В том числе: H2O Na2Oобщ	812441,847 4060,585	В том числе: жид.фаза тв.фаза	252015,616 99320,04
		Пром.вода	465284,045
		В том числе: жид.фаза тв.фаза	465242,836 41,209
		Раствор обескремнивание	212488,586
Итого	1665042,432	Итого	1665042,432

4.2 Тепловой баланс

Исходные данные: теплоемкость раствора С=3,68 кДж/кг·0С, теплоемкость твердого материала С=0,96 кДж/кг·0С, температура на входе и выходе равна 95 0С.

Тепловой баланс сводим на основе материального баланса.

Разница между температурой разбавленной пульпы, поступающей на узел, и температурой разгрузочных продуктов незначительна, следовательно, принимаем их одинаковыми. В расчете не учитываем теплопотери и не предусматриваем отвод тепла.

Количество теплоты определяем по формуле (11)

Определяем количество теплоты, поступающей с разбавленной пульпой

Определяем количество теплоты, поступающей с горячей водой

Определяем количество теплоты уносимой с промывной водой

Определяем количество теплоты уносимой с красным шламом

Сводим в таблицу 2 тепловой баланс узла сгущения и промывки красного шлама

Таблица 2 - Тепловой баланс

Приход	Тепло, кДж	Расход	Тепло, кДж
Разбавленная пульпа	281812256	Алюминатный раствор	222309587,3
В том числе: жид.фаза тв.фаза	276575552 5236704	В том числе: жид.фаза тв.фаза	222305002,7 4584,624
Горячая вода	284399995,1	Красный шлам	97162647
В том числе: H2O Na2Oобщ	284029669,7 370325,352	В том числе: жид.фаза тв.фаза	88104659,35 9057987,648
		Пром.вода	162662653,8
		В том числе: жид.фаза тв.фаза	162648895,5 3758,261
Итого	566212251,1	Итого	482134888,1

4.3 Расчет основного оборудования

4.3.1 Расчет сгустителя

Определяем площадь осаждения сгустителя по формуле (12)

где ир - исг - ж:т в разбавленной и сгущенной пульпах;

с - плотность раствора, кг/м3;

Gш - масса шлама, т/сутки;

щ0 - скорость осаждения частиц, щ0 = 0,15 [13, т. 77, с. 162], м/ч;

з - коэффициент использования сгустителя, з = 0,95.

Часовое количество шлама равно Gш = 264803 кг/ч, тогда суточное количество шлама будет равно

Gш = 264803/1000 · 24 = 6355,3 т/сутки

Подставляя значения в формулу (12) находим площадь осаждения

Для сгущения используется три однокамерных сгустителей. Диаметр каждого определяется по формуле (13)

Принимаем диаметр сгустителя равный 40 м.

4.3.2 Расчет промывателей

Определяем площадь осаждения для каждой промывки по формуле (12). Скорость осаждения частиц принимаем в соответствии с [13 т. 77, с. 162]

Определим диаметр промывателя по формуле (13)

Это очень большой промыватель, поэтому принимаем к установке на каждой ступени промывки по два промывателя. Тогда диаметры каждого промывателя будут равны

На основании результатов принимаем к установке промыватели диаметром 20 м. Общее их число равно 4 шт. Высота первого яруса 2 м, каждого последующего 1,8 м.



Заключение

В данном курсовом проекте была рассмотрена основная классификация способов производства глинозема, в особенности метод Байера. На основании этого метода был произведен расчет нитки сгущения и промывки красного шлама.

Выполнены расчеты материального и теплового балансов процесса, расчеты основного оборудования. По расчетам определили тип сгустителя: ЦН-40.



Список использованной литературы

1 Доманский И. В. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи/ И. В. Доманский, В. П. Исаков, Г. М. Островский, В. Н. Соколов. - Ленинград : Машиностроение, 1982. - 384 с.

2 Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии : Учебник для вузов/ Ю. И. Дытнерский. - М. : Химия, 1995. - 440 с.

3 Еремин Н. И. Процессы и аппараты глиноземного производства/ Н. И.Еремин, А. Н. Наумчик, В. Г. Казаков. - М. : Металлургия, 1980. - 360 с.

4 Жужиков В. А. Теория и практика разделения суспензий/ В. А. Жужиков. - М. : Химия, 1971. - 440 с.

5 Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии/ А. Г. Касаткин, А. А. Вексер. - М. : Химия, 1961. - 830 с.

6 Лайнер А. И. Производство глинозема/ А. И. Лайнер. - М. : Металлургиздат, 1961. - 310 с.

7 Лощинский А. А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры/ А. А. Лощинский, А. Р. Толчинский. - М. : Машиностроение, 1963. - 360 с.

8 Малиновская Т. А. Разделение суспензий в химической промышленности/ Т. А. Малиновская, И. А. Кобринский. - М. : Химия, 1983. - 264 с.

9 Ни Л. П. Производство глинозема. Справочник/ Л. П. Ни, В. Л. Райзман, О. Б. Халяпина. - Алматы : 1998. - 356 с.

10 Павлов К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии/ К. Ф. Павлов, А. А. Носков, П. Г. Романков. - Ленинград : Химия, 1987. - 576 с.

11Ни Л. П. Физико-химия гидрощелочных способов производства глинозема/ Л. П. Ни, Л. Г. Романов. - Алматы : 1975. - 351 с.

12 Поникаров И. И. Машины и аппараты химических технологий: Учебник для вузов/ И. И. Поникаро, О. А. Перелыгин, В. Н. Доронин, М. Г. Гайнуллин. - М. : Машиностроение, 1989. - 368 с.

13 Самарянова Л. Б. Технологические расчеты в производстве глинозема/ Л. Б. Самарянова, А. И. Лайнер. - М. : Металлургия, 1981. - 280 с.

14 Флореа О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии/ О. Флореа, О. Смигельский. - М. : Химия, 1971. - 448 с.

Размещено на Allbest.ru