Участок сгущения и промывки красных шламов в однокамерных аппаратах глиноземного цеха

Федеральное агентство по  образованию

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический  университет – УПИ  имени первого  Президента России Б.Н.Ельцина» 
 
 

                                                        Кафедра металлургии легких металлов

                                                              Оценка работы______________________

Члены комиссии_____________________

__________________________________ 
 
 

Участок сгущения и промывки красных шламов в  однокамерных аппаратах  глиноземного цеха. 
 
 

Курсовая  работа

Пояснительная записка  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург

2010 
 
 
 
 
 

     Содержание 

     Введение…………………………………………..…………………….3

     1.Получение глинозема………………………..……………………….6

     2.Состав  боксита………………………………………………………..7

     3.Подготовка боксита…………………………………………….…....9

     4.Общая схема процесса……………………………………………....11

     5.Цикл процесса Байера в системе Al₂O₃ —Na₂O H₂O  …………….16

     6.Описание процесса сгущение и промывки красного шлама в однокамерных аппаратах глиноземного цеха,,…………………………….18

     7.Теоретические основы сгущения…..…………,……………...........18

     8.Отделение алюминатного раствора от красного шлама..…………………...…………………………………………………..18

     9.Минералогический состав шлама……..………………..…………20

     10.Отделение и промывка красного шлама…………..…………….27

     10.1.Обслуживание сгустителей и промывателей..……….………..32

     10.2Факторы влияющие на сгущение…………..…..……………….34

     11.Материальный баланс…………………………………………….36

     12.Расчет количества основного оборудования …………………....83

     13.Заключение…………………………………………………………85

     14.Список  литературы……...………………………………………..86

     Введение

     Курсовая  работа посвящена основам производства глинозема из бокситов по параллельному варианту комбинированной схемы Байер - спекание, предназначена для рабочих и техников глиноземной промышленности, но может быть полезна и для инженерного персонала, не имеющего химико-технологической подготовки в области производства глинозема.

     В курсовой работе присутствует диаграммно-табличный метод изложения материала, позволяющий быстрее охватить все связи производства и линии процессов.

     С тем, чтобы не перегружать текст  формулами, приведены только самые  необходимые из них, позволяющие  производить расчеты, ограниченные потребностями производства. Для  более подробного ознакомления с  вопросами химии и физики процесса, следует обратиться к специальным  монографиям.

     В моей работе мы рассматриваем участок  сгущения и промывки красных шламов в однокамерных аппаратах глиноземного цеха.

     Уменьшение  концентрации и увеличение Ж:Т облегчает сгущение красного шлама. В мешалке разбавления, пульпа выдерживают в течение 2-4 часов и при этом происходит дальнейшее обескремнивание пульпы.

     2Na₂SiO₃+2NaAl(OH)₄ - > Na₂O *Al₂O₃*2SiO₂*2H₂O+4NaOH↓

     В результате обескремнивание модуль пульпы изменяется от 150(100) до 300 единиц.

     В мешалку разбавления вводят флокулянт  для ускорения процесса осаждения  красного шлама. Разбавленную пульпу подают в сгуститель, где происходит отделение  красного шлама от раствора.

     В сгустителе верхний слив – это  алюминатный раствор, в виде песка  – красный шлам. Ж:Т=2,5:3,5.

     Для сгущения применяют однокамерные или  многокамерные сгустители. Красный  шлам из под конусов отправляется на промывку (5раз на противоточную). Промытый красный шлам разбавляют до Ж:Т=10:10,5 и отправляют по трубопроводам на шламовые поля. Шламовая пульпа отстаивается, и раствор переходит в подшламовую воду.

1. Получение глинозема

     Глиноземом  получают из руды, содержащей горную породу - боксит. Бокситы имеют сложный  химико-минералогический состав. Ценность боксита в основном зависит от следующих факторов:

     1) от содержания кремнезема SiO₂,

     2) от содержания окиси титана  TiO₂,

     3) от сорта гидроокиси алюминия

     а.) гиббситовые, Al(OH)₃

     б) гиббсит - бемитовые;

     в) бемитовые AlООН;

     г) бемит - диаспоровые;

     д) диаспоровые (перекристаллизованная AlООН);

     4) от содержания органических веществ,  замедляющих рост кристаллов  гидроокиси алюминия

     5) от геологического возраста бокситов

     6) от содержания карбонатов СаСО₃ , MgСО₃, FeСО₃ для удаления которых NаОН

     7) от содержания серы, загрязняющей  глинозем и понижающей, тем самым,  качество алюминия;

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

2. Состав  боксита

     В бокситы входит до 100 минералов в которых содержится более 40 химических элементов:

     1.Глинозём – основной минерал боксита

     по  осносному минералу бокситы делятся на  4 группы

     1.1 Корундовые (глинозём в виде корунда)

     1.2 Диаспордемитовые (AlOOH) самые трудно вскрываемые бокситы

     1.3 Гиббситовые (преобладает минерал гиббсит)  самые легко вскрываемые бокситы

4. Смешанные бокситы (гиббситдемитовые)

     2.Диоксид кремния

     3.Железосодержащие минералы

     3.1 Карбонаты

     3.2 Силикаты

     3.3 В виде оксидов и гидроксидов

4. Сульфиды и сульфаты

     4.Диоксид титана

     4.1 анатаз

     4.2 брукит

     4.3 рутил

     5.Углекислота

     5.1 доломит

     5.2 кальцид

     5.3 магнезит

     6.Органические вещества

     6.1 битумы

     6.2 гумины

     7.Минералы серы

     7.1 халькозин

     7.2 гипс

     8.Минералы фосфора

     8.1 апатит

     9.Минеральные щелочи

     9.1 NaOH

     9.2 KOH

     10.Малые примеси

     10.1 литий

     10.2 берилий

     10.3 ванадий

     10.4 хром

     10.5 кобальт

     10.6 никель

     10.7 цинк

     10.8 скандий

     10.9 галий 

     3. Подготовка боксита

     Подготовка  боксита в способе Байера включает в себя следующие основные операции: дробление боксита, его усреднение и измельчение. В зависимости  от необходимой степени измельчения  бокситов и их размалываемости на практике применяют различные схемы дробления и измельчения.

     Боксит, размер кусков которого до 500 мм, из железнодорожных  вагонов разгружают роторным вагоноопрокидывателем  в приемные бункера . Из бункеров боксит пластинчатым питателем подается па крупное дробление в молотковую дробилку , где дробится до крупности 100—150 мм. Среднее дробление боксита до крупности 40 мм осуществляется в конусной дробилке.

     Перед конусной дробилкой установлен грохот для отделения мелких кусков руды, не требующих дробления на второй стадии.

     После среднего дробления системой транспортеров  боксит подается для хранения и усреднения на оперативный склад .

     В способе Байера применяют мокрый размол боксита в шаровых мельницах, работающих совместно с гидроциклонами или механическими классификаторами. Размол ведут в среде оборотного щелочного раствора.

     Описание  одностадийного размола боксита  в шаровой мельнице, работающей в  замкнутом цикле с гидроциклонами. Из бункера , расположенного над мельницей , боксит пластинчатым питателем подается на ленточный весоизмеритель и далее в загрузочную течку мельницы. Сюда же поступает оборотный раствор, а также известь. Из мельницы размолотый боксит в виде пульпы поступает в мешалку , а из нее насосом перекачивается на классификацию в гидроциклоны. Пески гидроциклонов возвращаются в мельницу на доизмельчение, а слив направляется на выщелачивание.

     Описание  двустадийного размола боксита. Здесь мельница первой стадии размола  работает на боксите в открытом цикле  с классификацией размолотого материала  в гидроциклоне, а мельница второй стадии работает на песках в замкнутом цикле с гидроциклонами. Классификация пульпы после второй стадии размола проходит в две стадии в последовательно соединенных гидроциклонах. Неизбежные потерн щелочи в процессе компенсируются добавками свежего каустика.

     Пульпой называют смесь твердой и жидкой фаз, например в производстве глинозема—смесь размолотого боксита с оборотным щелочным раствором или смесь гидроксида алюминия со щелочным маточным раствором. Пульпа характеризуется химическим составом ее составляющих, отношением жидкой и твердой фаз по массе (ж : т) или содержанием твердого в одном литре пульпы

     При известном ж :т легко найти содержание твердого в 1 л. пульпы:

     b= 1000р_тр_ж /[ж(р_т + р_ж)], т

     где b—содержание твердого в 1 л. пульпы, г; р_т и p_ж—плотность соответственно твердой и жидкой фаз пульпы, г/см³.

     Для обеспечения лучших условий измельчения  боксита в пульпе, выходящей из мельницы, должно поддерживаться определенное ж:т. Поэтому расход оборотного раствора следует распределять таким образом, чтобы получать требуемое соотношение между жидкой и твердой фазами в мельницах Остаток оборотного раствора поступает в мешалку, из которой пульпа подается на классификацию. С помощью систем автоматического регулирования возможно автоматически поддерживать необходимое соотношение расходов боксита и оборотного раствора, поступающих на размол, а также соотношение расхода оборотного раствора на измельчение и классификацию.

     Необходимая степень измельчения зависит  от природы боксита и условий  его выщелачивания. Так, в измельченном североуральском боксите при принятом в настоящее время температурном режиме выщелачивания (240 °С) содержание фракции +150 мкм не должно превышать 2%, а содержание фракции —56 мкм должно быть не ниже 75%. Такое измельчение достигается при двустадийном размоле.Примерный режим измельчения- ж:т в мельницах 1-й стадии 1,2—1,8, в мельницах 2-й стадии 0,6—1,0; температура оборотного раствора около 100 °С, диаметр шаров, загружаемых в мельницу 1-й стадии 80— 120 мм, в мельницу 2-й стадии 40—60 мм. Для гвинейского боксита оптимальным является более грубый размол, который достигается при измельчении в одну стадию.

     Кроме боксита и щелочною раствора, в состав шихты при переработке бокситов, содержащих диаспор и бемит, входит добавка извести. Чистая известь состоит в основном из СаО и представляет собой кусковой материал белого цвета, малорастворимый в воде (0,13% при 20°С). Известь добавляют к бокситу либо в бункера мельниц в виде кускового материала, либо непосредственно в мельницы в виде известкового молока. Для получения известкового молока известь гасят большим количеством воды или оборотного раствора и размалывают в мельницах. При взаимодействии СаО с водой образуется гидроксид кальция Са(ОН)2. 

4. Общая схема процесса

     Способ  Байера наиболее распространен в  мировой алюминиевой промышленности. Этим способом перерабатывают высококачественные бокситы с относительно невысоким  содержанием растворимого в щелочном растворе кремнезема. Байеровский боксит должен иметь высокий кремневый модуль (не менее 6—7) и не содержать больших количеств серы и двуокиси углерода, которые осложняют переработку боксита по этому способу. Примерная технологическая схема производства глинозема no способу Байера показана на рис. 1.

     Боксит, поступающий со склада, дробят, после  чего размалывают в среде концентрированного щелочного раствора. Этим раствором  боксит затем выщелачивают, чтобы  перевести оксид алюминия в раствор. Для более полного перевода оксида алюминия в раствор выщелачивание  часто ведут в присутствии  небольших количеств извести. Полученная в результате выщелачивания пульпа состоит из раствора алюмината натрия и нерастворимого остатка боксита  — красного шлама. Шлам отделяют от алюминатного раствора отстаиванием (сгущением), после чего промывают водой и  направляют в отвал, а промывные  воды используют для разбавления  пульпы.

       Рис. 1. Схема производства глинозема  по способу Байера 

     Алюминатный раствор для более полного  отделения от него частиц шлама фильтруют. Чистый алюминатный раствор поступает  на разложение (декомпозицию), которое  достигается длительным перемешиванием алюмннатного раствора со значительным количеством затравочного гндроксида алюминия. Полученная в результате декомпозиции пульпа состоит из выпавшего в осадок гидроксида алюминия и маточного щелочного раствора. Гидроксид алюминия отделяют от маточного раствора сгущением. Часть полученного гидроксида алюминия возвращают в виде затравки в следующие порции раствора, идущего на декомпозицию, остальной гидроксид после фильтрации и промывки 'прокаливают (кальцинируют) при высокой температуре. При прокаливании гидроксид алюминия обезвоживается и превращается и глинозем.

     Маточный  щелочной раствор упаривают, чтобы  повысить его концентрацию, и используют для выщелачивания новых порции боксита. Выпаривание маточного раствора может сопровождаться выделением в осадок некоторого количества соды. Выкристаллизовавшуюся соду отделяют от раствора, а чтобы снопа перевести в каустическую щелочь, обрабатывают известью (каустифицируют). 

Процесс Байера со спекательной ветвью (параллельно – комбинированная схема) 

Боксит  высокосортный                                                    Боксит низкосортный

                                                             Сода кальцинированная            Известняк

                                             Сода оборотная

Оборотный                                                                                 Спекание

раствор 
 

                  Гидрохимическая                                                 Гидрохимическая

                  обработка боксита                                                  обработка спека

Упарка -                                                                  Красный шлам

отделение соды                                                                    
 
 
 

                        Алюминатный раствор                           Алюминатный раствор 

 Выкручивание  – промывка гидрата 
 
 

                                     Кальцинация

Сущность комбинирования двух процессов заключается в  том, что щелочь, безвозвратно потерянная в гидрохимическом цикле (главная  ветвь), а также связанная в  карбонат, восполняется щелочью алюминатного раствора, полученного способом спекания (вспомогательная ветвь).

Особенности производственного  процесса :

1. Потери щелочи в гидрохимическом цикле компенсируются кальцинированной содой, вводимой на спекание; каустическая сода не расходуется
2. В гидрохимическом цикле отсутствует операция известковой каустификации оборотной соды
3. Органические вещества выгорают в процессе спекания
4. Производственный цикл спекательной ветви не замкнут, в нем отсутствуют операции главной ветви
5. В случае необходимости  введения дополнительной щелочи на выщелачивание спека используется маточный раствор после выкручивания
6. Образующаяся в процессе спекания сульфат натрия  проходит через гидрохимический цикл, в случае необходимости избыток сульфата можно вывести из цикла.

Основные предпосылки  экономически эффективного применения параллельно комбинированной схемы:

1. Структура сырьевой базы : наличие высококремнистых бокситов при преобладании низкокремнистых бокситов.
2. Достаточно большая мощность предприятия
3. Преобладание производства кальцинированной соды и более низкая ее цена по сравнению с каустической.

5. Цикл  процесса Байера в  системе Al₂O₃ —Na₂O —H₂O

     В основе способа Байера лежит химическая реакция Al(OH)₃+NaOH ⇄ NaA1(OH)₄ .

     В условиях выщелачнвания равновесие этой реакции сдвинуто вправо, т. е. гидроксид алюминия из боксита 'переходит в раствор в виде алюмината натрия. В условиях декомпозиции равновесие сдвигается в обратную сторону, т. е. происходит гидролиз алюминатного раствора с выделением в осадок гидроксида алюминия.

     Затраченная при выщелачивании щелочь освобождается  при декомпозиции и возвращается в голову процесса—на выщелачивание  новых порций боксита. Таким образом, в способе Байера цикл по щелочи замкнут.

     Цикл  начинается с выщелачивания боксита  оборотным щелочным раствором. При  выщелачивании глинозем из боксита  переходит в раствор. Каустический модуль раствора при этом понижается.

     После выщелачивания раствор (пульпу) разбавляют. Разбавление конденсатом в зависимости  от способа нагрева пульпы может  начинаться еще в процессе выщелачивания. Далее следует разбавление пульпы промывными водами. При разбавлении  каустический модуль не изменяется. Раствор  температуру порядка 95—100°С; он практически стойкий.

     Смешение  алюминатного раствора с затравкой  ведет к изменению его каустического  модуля, так как вместе с затравкой  вносится некоторое количество маточного  раствора, имеющего высокий каустический модуль.

     При декомпозиции раствор охлаждается  до температуры порядка 50 ºС и оказывается в области пересыщенных глиноземом растворов. Пересыщенный раствор гидролитически разлагается, что сопровождается снижением концентрации глинозема в нем и повышением каустического модуля.

     Далее следует выпаривание маточного  раствора. При выпаривании концентрация раствора повышается, каустический же модуль остается постоянным После добавки свежей щелочи цикл заканчивается и начинается новый.

6. Описание  процесса сгущения и промывки красного шлама в однокамерных аппаратах глиноземного цеха.
7. Теоретические основы сгущения
8. Отделение алюминатного раствора от красного шлама.

     Алюминатный раствор отделяют от красного шлама  обычно сгущением, которое основано на оседании твердых частиц пульпы в непрерывно действующих аппаратах, называемых сгустителями.

     Выгружаемый из сгустителей красный шлам содержит некоторое количество алюминатного раствора, поэтому его промывают  водой. Операция промывки сводится к смешению шлама с водой и последующему отделению полученной промводы от шлама отстаиванием в промывателях, которые по конструкции 
не отличаются от сгустителей. Так как одна промывка не обеспечивает достаточной отмывки шлама от алюминатного раствора, то на практике используют метод многократной (методической) промывки в системе промывателей с промежуточной репульпацией шлама.

     Алюминатный раствор после отстаивания в  сгустителях содержит до 0,1 г/л взвешенных частиц шлама, поэтому его подвергают контрольной фильтрации на фильтрах. 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 большое значение имеет явление агрегации, т. е. слияния  мелких частиц между собой н 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 стесненного  осаждения частиц шлама, еще ниже—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 ж:т в сгущенном шламе, а под удельной производительностью понимают количество кубических метров осветленного раствора, выводимого из сгустителя на каждый квадратный метр площади осаждения за одни час (скорость слива).

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

9. Минералогический  состав шлама

     Определяется минералогическим составом боксита, из которого 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 оксида железа и каолинита. Эти минералы имеют высокую степень гидрофильности¹, чем объясняется их затрудненная агрегация и образование плохо уплотняющихся осадков. Отрицательное влияние на уплотняемость красных шламов оказывают сидерит и пирит.

     Кварц по сравнению с каолинитом гораздо  меньше замедляет процесс отстаивания  шлама, хотя при выщелачнваннн 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 при высокой температуре. В этих условиях происходит образование крупнозернистого алюмосиликата, который хороню уплотняется.

     С повышением вязкости алюминатного раствора скорость осаждения шлама н степень его уплотнения заметно уменьшаются. 
Вязкость же в свою очередь 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 сгустителях, а также  в промывателях первой и второй стадий промывки поддерживают высокую температуру (около 100 °С).

     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 укрупнению частиц шлама. В качестве коагулянта широко используют ржаную муку, которую вводят в разбавленную пульпу в количестве 0,15—0,25 % от массы шлама. Для этой цели могут быть 
использованы также синтетические флокулянты — полиакриламид, сепаран н др.