Aliuminio gavybos sudėtingumas

Aliuminio gavyba iš boksitų yra vienas sudėtingiausių pramoninių procesų pasaulyje, apimantis didžiulę mokslinę ir inžinerinę kompetenciją, užtikrinančią nenutrūkstamą šio būtino metalo tiekimą.

Rūgštiniame procese kaip tirpikliai naudojamos sieros, druskos arba azoto rūgštys, kad iš boksito būtų išplautos tokios priemaišos kaip geležies ir titano oksidai. XRD modeliai parodė, kad didėjant šarmų koncentracijai, didėjo ir aliuminio oksido išskyrimo santykis.

Virškinimas

Aliuminis yra vienas gausiausių metalų Žemėje, tačiau grynos jo formos gamtoje nerandama. Vietoj to, norint išgauti galutinį produktą, reikia daugybės etapų, apimančių skaidymą, skaidrinimą, nusodinimą ir kalcinavimą, todėl aliuminis yra vienas iš daugiausiai energijos reikalaujančių pramonės produktų pasaulyje.

Skaidymas yra pagrindinis Bayerio proceso etapas išgaunant aliuminį iš boksito rūdos. Daug veiksnių turi įtakos jo veikimui, įskaitant suspensijos temperatūrą, kaustinės sodos koncentraciją ir kaustinės sodos santykį; norint optimizuoti skaidymo greitį, galima sumažinti temperatūrą, padidinti kaustinės sodos santykį arba naudoti didesnę kaustinės sodos koncentraciją, tačiau šios priemonės naftos perdirbimo įmonėms greičiausiai būtų brangesnės ir nepatogesnės nei būtina.

Vykstant skaidymo procesui, didžioji dalis boksito geležies virsta nepriklausomos fazės ilmenitu, o nemagnetinė medžiaga lieka kaip diaoyudaoitas ir natrio aliumosilikatas. Nemagnetinių medžiagų atskyrimas pagerina aliuminio oksido skaidymą, tačiau dėl savo struktūroje esančių uždarų mineralų diaoyudaoitas gali būti sunkiai skaidomas esant žemesnei skaidymo temperatūrai.

Vidutinės energijos sąnaudos, susijusios su aliuminio oksido gamyba, įvairiose šalyse labai skiriasi dėl tokių veiksnių, kaip naudojamos technologijos tipas, naudojamas boksitas ir skaidymo procesai, kurie labai skiriasi vieni nuo kitų. Vis dėlto yra tam tikrų bendrų veiksnių, kurie lemia didesnį energijos suvartojimą, pvz:

Daugiausia energijos sunaudojama gaminant aliuminio oksido oksidą, nes reikia elektros energijos ir vandens srutoms šildyti ir maišyti bei molio priemaišoms plauti. Kad virškinimas vyktų optimaliai ir sumažėtų energijos švaistymas, mokslininkai turi ištirti dabartines jo naudojimo sąlygas. Mokslininkai tai gali pasiekti surinkę duomenis ir informaciją iš dokumentų centro ir apklausę gamybos linijos ekspertus, tada palyginę dabartinę virškinimo proceso būklę su jo pirminiu projektu, kad nustatytų pagrindinius nukrypimus.

Paaiškinimas

Aliuminio gavyba gali būti sudėtingas ir daug energijos reikalaujantis procesas, tačiau labai svarbus daugeliui komercinių ir pramoninių paskirčių. Todėl labai svarbu suprasti šią sudėtingą procedūrą, kad ji būtų sėkminga - diagramos gali padėti atskleisti gamybos metu vykstančias chemines reakcijas, kurios sudaro šią sudėtingą procedūrą, ir jų reikšmę jos įgyvendinimui.

Vienas iš pagrindinių etapų - boksito perdirbimas į aliuminio oksidą ir galiausiai į aliuminio metalą, taikant elektrolizę arba Bayerio procesą. Abu šie procesai užtikrina patikimą aliuminio metalo tiekimą. Abu jie priklauso nuo elektrolizės kaip gamybos šaltinio.

Boksito rūda yra gausus aliuminio šaltinis, tačiau norint ją paversti į kitam etapui paruoštą aliuminio oksido turtingą tirpalą, jį reikia gerokai perdirbti. Skaidymas apima boksito rūdos smulkinimą prieš maišant ją su karštais koncentruotais natrio hidroksido tirpalais, kad ištirptų joje esantis aliuminio oksidas ir susidarytų skaidrus skystis. Toliau seka skaidrinimas, kurio metu atskiriamos priemaišos (bendrai vadinamos raudonuoju dumblu) prieš nuskaidrinto skysčio nusodinimą ir kalcinavimą.

Norint aliuminio oksidą paversti grynu aliuminiu, reikia lydymo elektrolizės būdu. Tada aliuminio oksido ir natrio hidroksido mišinys patalpinamas į kriolito (natrio aliuminio fluorido) tirpalą, kuriam palaikyti turi būti sunaudojama labai daug energijos; vienai tonai aliuminio oksido pagaminti reikia 14 000-16 000 kilovatvalandžių.

Šio proceso metu išsiskirianti šiluma skatina elektrocheminę reakciją. Elektros srovei tekant per sistemą, anode susidaro deguonis, kuris susijungia su anglimi ir sudaro anglies dioksido dujas; likęs išlydytas aliuminis kaupiasi katode, kuris išklotas grafitu arba anglimi; jis periodiškai išsiurbiamas ir gabenamas į laikymo krosnis; toliau rafinuojamas ir, jei reikia, papildomas legiruojančiais elementais, liejamas į luitus, kurie bus naudojami ateityje.

Krituliai

Vienas iš pagrindinių aliuminio oksido gavybos etapų yra nusodinimas. Nusodinimo reakcijos būna įvairių formų; jos skirtos aliuminio hidroksido kristalams iš atliekų išgauti. Karlas Bayeris, atlikdamas pirminius kūrimo darbus, kaip sėklą naudojo smulkiagrūdžius kristalus; šis metodas padidina išeigą, tačiau dėl jo gali padidėti karbonatų koncentracija ir padidėti priemaišų, pavyzdžiui, silicio dioksido, susidarymas, o tai sumažina aliuminio išgavimo lygį.

Sprendžiant šiuos uždavinius, šiuo metu keliuose mokslinių tyrimų projektuose vertinamas įvairių jonų mainų dervų veiksmingumas didinant nusodinimo efektyvumą. Jonų mainų dervos yra didelės molekulinės masės polimerinės medžiagos, kurių kiekvienoje molekulėje yra daug jonų funkcinių grupių, paprastai įskaitant sulfonrūgščių grupes arba karboksirūgščių grupes mainams. Abiejų tipų dervos gali būti naudojamos sodai išgauti iš kaustinių tirpalų, todėl sumažėja tiek bendras kaustinių (TC), tiek bendrų šarmų (TA) kiekis. Be to, katijonų mainų dervos gali neutralizuoti natrio jonus, esančius panaudotame bajoro tirpale, todėl padidėja persotinimas, palyginti su aliuminio oksido tirpumu.

Pastebėta, kad įvairiomis karbonizacijos sąlygomis deguonies buvimas turėjo teigiamos įtakos nusodinimo greičiui. Tiksliau, temperatūra, kuriai esant prasidėjo nuosėdų susidarymas, gerokai padidėjo, o nuosėdų XRD analizė parodė, kad nuosėdose yra dawsonito, kaip numatyta termodinaminiais skaičiavimais.

Aliuminio oksido nusodinimas yra vienas svarbiausių ir sudėtingiausių aliuminio gamybos iš boksitų mineralų etapų. Nusodinimas turi vykti tam, kad susidarytų aliuminio oksido hidroksidas, kuris naudojamas aliuminio lydymo krosnyse; todėl perdirbimo įmonėse naudojama filtravimo ir atskyrimo įranga turi veikti itin griežtomis sąlygomis.

Aliuminio oksido gamyklose naudojama filtravimo ir separavimo įranga turi būti tvirta, patvari, patikima ir ilgaamžė, kad tinkamai veiktų atšiauriomis sąlygomis, įskaitant aukštą temperatūrą ir slėgį, ir kartu šalintų labai abrazyvines boksito liekanas, kurios gali pažeisti kitą įrangą, pavyzdžiui, siurblius, maišytuvus ir maišykles. Todėl tokiose gamyklose galima rasti geriausią pasaulyje filtravimo ir separavimo įrangą.

Kalcinavimas

Kalcinavimas yra paskutinis sintetinimo proceso etapas, turintis daug įtakos aliuminio oksido morfologijai, fazinei sudėčiai ir cheminei sudėčiai. Temperatūra ir reakcijos trukmė paprastai turi didžiausią įtaką; temperatūra turėtų būti nustatyta atsižvelgiant į norimą morfologiją ir sudėtį, taip pat į šios aliuminio oksido medžiagos gamybos ar kitus naudojimo būdus; reakcijos trukmę lemia laikas, reikalingas šiam rezultatui pasiekti.

Plačiausiai naudojamas kalcinavimo metodas apima kaolino molio išplovimą druskos rūgštimi prieš nusodinant aliuminio chlorido heksahidrato kristalus druskos rūgštimi ir po to kalcinavimą aukštoje temperatūroje su oru, kad susidarytų aliuminio oksidas. Šis metodas turi daug privalumų, palyginti su procesais, kuriuose naudojamos sieros arba azoto rūgštys, nes druskos rūgštį lengviau regeneruoti nei jos alternatyvas.

Ankstesniuose kalcinavimo procesuose buvo sunaudojama daug energijos heksahidrato kristalams pakelti virš 500-1 100 laipsnių C temperatūros, kad būtų galima gaminti aliuminio oksidą, tačiau didelė šios energijos dalis buvo sunaudojama žemos temperatūros etapuose kombinuotam vandeniui išgauti ir tarpinėms heksahidrato kristalinės formos kristalų formoms pakelti. Be to, kiekviename etape buvo sunaudojama tik dalis visos turimos energijos.

Sukurtas naujoviškas kalcinavimo procesas, kuris gerokai sumažina energijos sąnaudas kalcinavimo aukštoje temperatūroje ir aušinimo etapuose, todėl gerokai sumažėja bendras energijos poreikis aliuminio oksido gamybai. Jo esmė - šilumos mainų sistema, kurioje heksahidratas laipsniškai kaitinamas per kelis šilumos mainų etapus iki vis aukštesnės temperatūros, artėjančios prie kalcinavimo temperatūros, ir tik tada tiekiamas į kalcinatorių galutiniam pavertimui aliuminio oksidu. Heksahidratas toliau aušinamas per įvairias šilumos mainų pakopas, o juntamoji šiluma iš aušinimo pakopų į šildymo pakopas perduodama tik šiek tiek aukštesnėje temperatūroje, nei ta, kurioje ji sunaudojama konkrečioje pakopoje.