Сложность добычи алюминия

Добыча алюминия из бокситов - один из самых сложных промышленных процессов в мире, требующий огромного научного и инженерного мастерства для обеспечения бесперебойных поставок этого важнейшего металла.

В кислотном процессе в качестве растворителей используются серная, соляная или азотная кислоты для выщелачивания из бокситов таких примесей, как оксиды железа и титана. На рентгенограммах видно, что с увеличением концентрации щелочи увеличивается и коэффициент извлечения глинозема.

Пищеварение

Алюминий - один из самых распространенных металлов на Земле, однако его чистая форма не встречается в природе. Для его добычи требуется множество этапов, включающих сбраживание, осветление, осаждение и прокаливание, чтобы достичь состояния конечного продукта, что делает алюминий одним из самых энергоемких промышленных продуктов в мире.

Сбраживание является ключевым этапом процесса Байера по извлечению алюминия из бокситовой руды. На его эффективность влияет множество факторов, включая температуру шлама, концентрацию каустической соды и соотношение каустика; для оптимизации скорости сбраживания можно снизить температуру, увеличить соотношение каустика или использовать более высокую концентрацию каустика, но эти меры, скорее всего, окажутся более дорогостоящими и неудобными для заводов, чем необходимо.

В процессе сбраживания большая часть железа в бокситах превращается в самостоятельную фазу ильменита, а немагнитный материал остается в виде диаоюдаоита и алюмосиликата натрия. Отделение немагнитных материалов улучшает разваривание глинозема, однако из-за наличия в его структуре закрытых минералов диаоюдаоит может плохо развариваться при более низких температурах разваривания.

Средние затраты на энергию, связанные с производством глинозема, сильно различаются в разных странах из-за таких факторов, как тип применяемой технологии, используемый боксит и процессы сбраживания, которые сильно отличаются друг от друга. Тем не менее существуют некоторые общие факторы, которые способствуют увеличению энергопотребления, в том числе:

На процесс сбраживания приходится большая часть энергопотребления при производстве глинозема, так как он требует электроэнергии и воды для нагрева и перемешивания суспензии, а также для вымывания из нее глинистых примесей. Чтобы процесс сбраживания был оптимальным и снизил потери энергии, ученым необходимо изучить текущие условия его использования. Для этого ученые могут собрать данные и информацию из центра документации и опросить специалистов производственной линии, а затем сравнить текущее состояние процесса сбраживания с его первоначальным проектом, чтобы выявить основные отклонения.

Разъяснение

Добыча алюминия - сложный и энергозатратный процесс, но при этом важный для многих коммерческих и промышленных применений. Поэтому понимание этой сложной процедуры для обеспечения ее успеха имеет огромное значение - диаграммы помогут пролить свет на химические реакции, происходящие в процессе производства, которые составляют эту сложную процедуру, и их значение для ее осуществления.

Одним из ключевых этапов является переработка бокситов в глинозем и, в конечном счете, в металлический алюминий с помощью электролиза или процесса Байера. Обе технологии обеспечивают надежные поставки металлического алюминия. В обоих случаях источником производства является электролиз.

Бокситовая руда - богатый источник алюминия, но для превращения ее в богатый глиноземом раствор, готовый к следующей стадии, требуется значительная обработка. Сбраживание подразумевает дробление бокситовой руды перед смешиванием с горячим концентрированным раствором гидроксида натрия для растворения глинозема, в результате чего образуется прозрачный раствор. Затем происходит осветление, в ходе которого отделяются примеси (известные как красный шлам), после чего в осветленной жидкости происходит осаждение и кальцинирование.

Чтобы превратить глинозем в чистый алюминий, необходимо провести плавку с помощью электролиза. Смесь глинозема и гидроксида натрия помещается в криолитовый раствор (фторид натрия), где на поддержание этого состояния затрачивается огромное количество энергии; для производства одной тонны глинозема требуется 14 000-16 000 киловатт-часов.

Выделяющееся при этом тепло приводит в движение электрохимическую реакцию. При прохождении электрического тока через систему на аноде образуется кислород, который соединяется с углеродом и образует углекислый газ; оставшийся расплавленный алюминий собирается на катоде, который выложен графитом или углеродом; его периодически отсасывают и транспортируют в печи; после дальнейшего рафинирования и добавления легирующих элементов он отливается в слитки для дальнейшего применения.

Осадки

Одним из ключевых этапов извлечения глинозема является осаждение. Реакции осаждения протекают в различных формах, в том числе и для извлечения кристаллов гидроксида алюминия из отходов. Карл Байер использовал мелкозернистые кристаллы в качестве исходного материала для своей первоначальной разработки; такой подход повышает выход, но может привести к увеличению концентрации карбонатов и увеличению образования примесей, таких как кремнезем, что снижает степень извлечения алюминия.

Для решения этих проблем в настоящее время в рамках нескольких исследовательских проектов проводится оценка эффективности различных ионообменных смол для повышения эффективности осаждения. Ионообменные смолы - это высокомолекулярные полимерные материалы, содержащие множество ионных функциональных групп в каждой молекуле, обычно включающие группы сульфоновых кислот или карбоновых кислот для обмена. Оба типа смол могут быть использованы для извлечения соды из каустических растворов, что приводит к снижению общего содержания каустика (TC) и общей щелочи (TA). Кроме того, катионообменные смолы могут нейтрализовать ионы натрия, присутствующие в отработанном байеровском щелоке, что приводит к увеличению пересыщения по отношению к растворимости глинозема.

При различных условиях карбонизации было замечено, что присутствие кислорода благотворно влияет на скорость выпадения осадка. В частности, температура начала осаждения значительно повысилась, а рентгеноструктурный анализ осадка показал, что он содержит доусонит, как и предсказывали термодинамические расчеты.

Осаждение глинозема - один из самых ответственных и сложных этапов производства алюминия из бокситов. Осаждение должно происходить с целью получения гидроксида глинозема для использования в печах кальцинации алюминиевых заводов; следовательно, фильтровальное и сепарационное оборудование, используемое на перерабатывающих предприятиях, должно работать в чрезвычайно жестких условиях.

Фильтрационное и сепараторное оборудование, используемое на глиноземных заводах, должно быть прочным, надежным и долговечным для правильной работы в суровых условиях, включая высокие температуры и давление, и при этом очищаться от высокоабразивных бокситовых остатков, которые могут повредить другое оборудование, например насосы, смесители и мешалки. Поэтому в таких установках используется лучшее в мире оборудование для фильтрации и сепарации.

Кальцинация

Кальцинирование является заключительным синтетическим этапом процесса и оказывает разнообразное влияние на морфологию, фазовый состав и химический состав глинозема. Температура и продолжительность реакции обычно оказывают наибольшее влияние; температура должна быть установлена в зависимости от желаемой морфологии/состава, а также от производственных или других целей использования данного глиноземного материала; время, необходимое для достижения результата, будет определять его продолжительность.

Наиболее распространенный метод кальцинирования включает в себя выщелачивание каолиновых глин соляной кислотой с последующим осаждением кристаллов гексагидрата хлорида алюминия соляной кислотой и последующим прокаливанием при высокой температуре на воздухе для получения глинозема. Этот подход имеет много преимуществ перед процессами, в которых используются серная или азотная кислоты, поскольку регенерировать соляную кислоту легче, чем ее альтернативы.

Предыдущие процессы кальцинирования потребляли значительное количество энергии для поднятия кристаллов гексагидрата выше 500-1 100 градусов Цельсия для производства глинозема, но большая часть этой энергии расходовалась на низкотемпературных стадиях извлечения комбинированной воды и поднятия промежуточных форм кристаллов гексагидрата. Кроме того, каждая стадия потребляла лишь часть всей доступной энергии.

Разработан инновационный процесс кальцинирования, который значительно снижает энергопотребление как на высокотемпературных, так и на охлаждающих стадиях кальцинирования, что значительно снижает общие энергозатраты на производство глинозема. В основе процесса лежит система теплообмена, которая использует поэтапный нагрев гексагидрата через несколько ступеней теплообмена до постепенно повышающихся температур, близких к температуре кальцинирования, перед подачей его в кальцинатор для окончательного превращения в глинозем. Гексагидрат далее охлаждается через различные стадии теплообмена, при этом разумное тепло передается от стадий охлаждения к стадиям нагрева при температурах лишь немного выше, чем те, при которых оно потребляется на данной стадии.