Złożoność wydobycia aluminium

Wydobycie aluminium z boksytów jest jednym z najbardziej złożonych procesów przemysłowych na świecie, obejmującym ogromne zadanie doskonałości naukowej i inżynieryjnej, które zapewnia nieprzerwane dostawy tego niezbędnego metalu.

Proces kwasowy wykorzystuje kwasy siarkowy, solny lub azotowy jako rozpuszczalniki do wymywania zanieczyszczeń, takich jak tlenki żelaza i tytanu z boksytu. Wzory XRD wykazały, że wraz ze wzrostem stężenia alkaliów wzrastał współczynnik ekstrakcji tlenku glinu.

Trawienie

Aluminium jest jednym z najobficiej występujących metali na Ziemi, ale jego czysta forma nie występuje naturalnie. Zamiast tego jego wydobycie wymaga wielu etapów obejmujących trawienie, klarowanie, wytrącanie i kalcynację w celu osiągnięcia statusu produktu końcowego - to sprawia, że aluminium jest jednym z najbardziej energochłonnych produktów przemysłowych na świecie.

Trawienie jest kluczowym etapem procesu Bayera w celu wydobycia aluminium z rudy boksytu. Wiele czynników wpływa na jego wydajność, w tym temperatura zawiesiny, stężenie sody kaustycznej i stosunek kaustyczny; aby zoptymalizować szybkość trawienia, można obniżyć temperaturę, zwiększyć stosunek kaustyczny lub użyć wyższych stężeń kaustycznych, ale środki te prawdopodobnie okazałyby się bardziej kosztowne i niewygodne dla rafinerii niż to konieczne.

W ramach procesu trawienia większość żelaza w boksytach jest przekształcana w niezależną fazę ilmenitu, podczas gdy materiał niemagnetyczny pozostaje jako diaoyudaoit i glinokrzemian sodu. Oddzielenie materiałów niemagnetycznych poprawia trawienie tlenku glinu; jednak ze względu na zamknięte minerały obecne w jego strukturze diaoyudaoit może nie być łatwo trawiony w niższych temperaturach trawienia.

Średnie koszty energii związane z produkcją tlenku glinu różnią się znacznie w poszczególnych krajach ze względu na takie czynniki, jak rodzaj zastosowanej technologii, wykorzystany boksyt i procesy trawienia, które znacznie się od siebie różnią. Istnieją jednak pewne wspólne czynniki, które przyczyniają się do zwiększonego zużycia energii, w tym:

Proces trawienia odpowiada za większość zużycia energii podczas produkcji tlenku glinu, ponieważ wymaga energii elektrycznej i wody do podgrzewania i mieszania zawiesiny, a także zmywania z niej zanieczyszczeń gliniastych. Aby zapewnić optymalną fermentację i zmniejszyć straty energii, naukowcy muszą zbadać obecne warunki związane z jej wykorzystaniem. Naukowcy mogą to osiągnąć, zbierając dane i informacje z centrum dokumentacji i przeprowadzając wywiady z ekspertami linii produkcyjnej, a następnie porównując obecny stan procesu trawienia z jego pierwotnym projektem, aby wskazać główne odchylenia.

Wyjaśnienie

Ekstrakcja aluminium może być złożonym i energochłonnym procesem, ale ma zasadnicze znaczenie dla wielu zastosowań komercyjnych i przemysłowych. Dlatego zrozumienie tej złożonej procedury w celu zapewnienia jej sukcesu jest niezwykle ważne - diagramy mogą pomóc rzucić światło na reakcje chemiczne zachodzące podczas produkcji, które składają się na tę złożoną procedurę i ich znaczenie dla jej wdrożenia.

Jednym z kluczowych etapów jest rafinacja boksytu do tlenku glinu i ostatecznie aluminium metalicznego, poprzez elektrolizę lub proces Bayera. Oba procesy zapewniają niezawodne dostawy aluminium metalicznego. Obie zależą od elektrolizy jako źródła produkcji.

Ruda boksytu jest bogatym źródłem aluminium i wymaga znacznego przetworzenia, aby przekształcić ją w roztwór bogaty w tlenek glinu, gotowy do następnego etapu. Trawienie obejmuje kruszenie rudy boksytu przed zmieszaniem jej z gorącymi stężonymi roztworami wodorotlenku sodu w celu rozpuszczenia zawartego w niej tlenku glinu, co prowadzi do uzyskania klarownego roztworu. Następnym etapem jest klarowanie, w którym zanieczyszczenia (znane jako czerwony szlam) są oddzielane przed wytrąceniem i kalcynacją klarownej cieczy.

Aby przekształcić tlenek glinu w czyste aluminium, konieczne jest wytapianie za pomocą elektrolizy. Mieszanina tlenku glinu i wodorotlenku sodu jest następnie umieszczana w roztworze kriolitu (fluorku glinowo-sodowego), przy czym utrzymanie tego stanu wymaga zużycia ogromnej ilości energii; wyprodukowanie jednej tony tlenku glinu wymaga 14 000-16 000 kilowatogodzin.

Ciepło generowane podczas tego procesu napędza reakcję elektrochemiczną. Gdy prąd elektryczny przepływa przez system, tlen jest wytwarzany na anodzie i łączony z węglem, tworząc gazowy dwutlenek węgla; pozostałe stopione aluminium gromadzi się na katodzie, która jest wyłożona grafitem lub węglem; jest okresowo odsysany i transportowany do pieców podtrzymujących; po dalszej rafinacji i dodaniu pierwiastków stopowych w razie potrzeby jest odlewany do wlewków do przyszłych zastosowań.

Opady

Jednym z kluczowych etapów ekstrakcji tlenku glinu jest strącanie. Reakcje strącania występują w różnych formach; w celu ekstrakcji kryształów wodorotlenku glinu ze strumieni odpadów. Karl Bayer wykorzystał drobnoziarniste kryształy jako materiał siewny w swoich pierwotnych pracach rozwojowych; podejście to zwiększa wydajność, ale może skutkować wyższym stężeniem węglanów i zwiększa produkcję zanieczyszczeń, takich jak krzemionka, co zmniejsza szybkość odzyskiwania aluminium.

Aby sprostać tym wyzwaniom, kilka projektów badawczych ocenia obecnie skuteczność różnych żywic jonowymiennych w poprawie wydajności wytrącania. Żywice jonowymienne to materiały polimerowe o wysokiej masie cząsteczkowej, zawierające liczne jonowe grupy funkcyjne w każdej cząsteczce, zazwyczaj obejmujące grupy kwasu sulfonowego lub grupy kwasu karboksylowego do wymiany. Oba rodzaje żywic mogą być wykorzystywane do ekstrakcji sody z roztworów żrących, co prowadzi do zmniejszenia zarówno całkowitej zawartości substancji żrących (TC), jak i całkowitej zawartości alkaliów (TA). Co więcej, żywice kationowymienne mogą neutralizować jony sodu obecne w zużytym roztworze Bayera, powodując wzrost przesycenia w stosunku do rozpuszczalności tlenku glinu.

W różnych warunkach karbonatyzacji zaobserwowano, że obecność tlenu miała korzystny wpływ na szybkość wytrącania. Dokładniej mówiąc, temperatura, w której rozpoczęło się wytrącanie, znacznie wzrosła, podczas gdy analiza XRD osadu wykazała, że zawiera on dawsonit, zgodnie z przewidywaniami obliczeń termodynamicznych.

Wytrącanie tlenku glinu jest jednym z najbardziej krytycznych i trudnych etapów produkcji aluminium z boksytu. Wytrącanie musi nastąpić w celu wytworzenia wodorotlenku glinu do zużycia przez piece do kalcynacji w hutach aluminium; w związku z tym urządzenia filtrujące i separujące stosowane w zakładach przetwórczych muszą działać w niezwykle rygorystycznych warunkach.

Urządzenia do filtracji i separacji znajdujące się w zakładach produkcji tlenku glinu muszą być solidne, trwałe, niezawodne i długotrwałe, aby zapewnić prawidłowe działanie w trudnych warunkach, w tym w wysokich temperaturach i ciśnieniach, jednocześnie usuwając wysoce ścierne pozostałości boksytu, które mogą uszkodzić inne urządzenia, takie jak pompy, mieszalniki i mieszadła. W związku z tym w takich zakładach można znaleźć jedne z najlepszych na świecie urządzeń do filtracji i separacji.

Kalcynacja

Kalcynacja jest ostatnim etapem syntezy w procesie i ma wiele wpływów na morfologię, skład fazowy i skład chemiczny tlenku glinu. Temperatura i czas trwania reakcji mają zazwyczaj największy wpływ; temperatura powinna być ustawiona w zależności od pożądanej morfologii / składu, a także produkcji lub innych zastosowań tego materiału z tlenku glinu; czas potrzebny do osiągnięcia tego wyniku będzie dyktował jego długość.

Najczęściej stosowana metoda kalcynacji obejmuje ługowanie glinek kaolinowych kwasem solnym przed wytrąceniem kryształów heksahydratu chlorku glinu kwasem solnym, a następnie kalcynację w wysokiej temperaturze z powietrzem w celu wytworzenia tlenku glinu. Podejście to ma wiele zalet w porównaniu z procesami wykorzystującymi kwas siarkowy lub azotowy, ponieważ łatwiej jest zregenerować kwas solny niż jego alternatywy.

Wcześniejsze procesy kalcynacji zużywały znaczną ilość energii do podniesienia kryształów heksahydratu powyżej 500-1 100 stopni Celsjusza do produkcji tlenku glinu, ale większość tej energii była zużywana podczas etapów niskotemperaturowych do ekstrakcji połączonej wody i podnoszenia pośrednich form krystalicznych heksahydratu. Co więcej, każdy etap zużywał tylko część całkowitej dostępnej energii.

Opracowano innowacyjny proces kalcynacji, który znacznie zmniejsza zużycie energii zarówno na etapie wysokiej temperatury, jak i chłodzenia, znacznie obniżając całkowite zapotrzebowanie na energię do produkcji tlenku glinu. Jego sercem jest system wymiany ciepła, który wykorzystuje stopniowe ogrzewanie heksahydratu poprzez wiele etapów wymiany ciepła do coraz wyższych temperatur zbliżonych do temperatury kalcynacji przed podaniem go do kalcynatora w celu ostatecznej konwersji do tlenku glinu. Heksahydrat jest dalej chłodzony przez różne etapy wymiany ciepła, przy czym ciepło jawne jest przenoszone z etapów chłodzenia do etapów ogrzewania w temperaturach tylko nieznacznie wyższych niż te, w których jest zużywane na danym etapie.