Складність видобутку алюмінію

Видобуток алюмінію з бокситів - один з найскладніших промислових процесів у світі, що вимагає величезної наукової та інженерної досконалості, яка забезпечує безперебійне постачання цього важливого металу.

Кислотний процес використовує сірчану, соляну або азотну кислоти як розчинники для вилуговування домішок, таких як оксиди заліза і титану, з бокситів. Дані рентгенографії показали, що зі збільшенням концентрації лугу зростає і коефіцієнт вилучення глинозему.

Травлення

Алюміній - один з найпоширеніших металів на Землі, проте в чистому вигляді він не зустрічається в природі. Натомість, його видобуток вимагає багато етапів, що включають травлення, очищення, осадження та прожарювання, щоб досягти статусу кінцевого продукту - це робить алюміній одним з найбільш енергоємних промислових продуктів у світі.

Травлення є ключовим етапом процесу Байєра для вилучення алюмінію з бокситної руди. Багато факторів впливають на його продуктивність, включаючи температуру пульпи, концентрацію каустичної соди і каустичне співвідношення; для оптимізації швидкості травлення можна знизити температуру, збільшити каустичне співвідношення або використовувати більш високі концентрації каустичної соди, але ці заходи, швидше за все, виявляться більш дорогими і незручними для металургійних заводів, ніж це необхідно.

У процесі збагачення більша частина заліза, що міститься в бокситах, перетворюється на самостійну фазу ільменіту, тоді як немагнітні матеріали залишаються у вигляді діаоюдаоїту та алюмосилікату натрію. Відокремлення немагнітних матеріалів покращує зброджуваність глинозему; однак, через закриті мінерали, присутні в його структурі, діаоюдаоїт не може легко зброджуватися при низьких температурах зброджування.

Середні витрати на енергію, пов'язані з виробництвом глинозему, значно відрізняються в різних країнах через такі фактори, як тип використовуваної технології, боксити, що використовуються, та процеси травлення, які сильно відрізняються один від одного. Однак існують певні загальні фактори, які сприяють підвищеному використанню енергії, в тому числі

На процес зброджування припадає більша частина енергоспоживання під час виробництва глинозему, оскільки він потребує електроенергії та води для нагрівання і перемішування суспензії, а також для вимивання з неї глинистих домішок. Для того, щоб досягти оптимального процесу зброджування і зменшити втрати енергії, вченим необхідно вивчити поточні умови, пов'язані з її використанням. Вчені можуть досягти цього, збираючи дані та інформацію з центру документації та опитуючи експертів виробничої лінії, а потім порівнюючи поточний стан процесу зброджування з його початковим проектом, щоб точно визначити основні відхилення.

Роз'яснення

Екстракція алюмінію може бути складним і енергоємним процесом, проте необхідним для багатьох комерційних і промислових застосувань. Тому розуміння цієї складної процедури для забезпечення її успіху є надзвичайно важливим - діаграми можуть допомогти пролити світло на хімічні реакції, що відбуваються під час виробництва, які складають цю складну процедуру, і їх значення для її реалізації.

Одним із ключових етапів є переробка бокситів на глинозем і, зрештою, металевий алюміній за допомогою електролізу або процесу Байєра. Обидві процедури забезпечують надійне постачання металевого алюмінію за допомогою цих процесів. Обидва вони залежать від електролізу як джерела виробництва.

Бокситна руда є багатим джерелом алюмінію і потребує значної обробки для перетворення на багатий на глинозем розчин, готовий до наступного етапу. Збагачення передбачає дроблення бокситної руди перед змішуванням її з гарячими концентрованими розчинами гідроксиду натрію з метою розчинення глинозему, що міститься в ній, і отримання прозорого розчину. Далі відбувається освітлення, де домішки (відомі як червоний шлам) відокремлюються перед осадженням і прожарюванням освітленої рідини.

Щоб перетворити глинозем на чистий алюміній, необхідна виплавка за допомогою електролізу. Суміш глинозему та гідроксиду натрію поміщають у розчин кріоліту (фторид алюмінію натрію), де для підтримання цього стану необхідно витратити надзвичайну кількість енергії: для виробництва однієї тонни глинозему потрібно 14 000-16 000 кіловат-годин.

Тепло, що утворюється під час цього процесу, спричиняє електрохімічну реакцію. Коли електричний струм проходить через систему, на аноді утворюється кисень, який з'єднується з вуглецем і утворює вуглекислий газ; залишки розплавленого алюмінію збираються на катоді, який покритий графітом або вуглецем; періодично його відкачують і транспортують до печей для витримки; після подальшого очищення і додавання легуючих елементів, за необхідності, його розливають у злитки для подальшого застосування.

Опади

Одним з ключових етапів вилучення глинозему є осадження. Реакції осадження відбуваються в різних формах; з метою вилучення кристалів гідроксиду алюмінію з потоків відходів. Карл Байєр використовував дрібнозернисті кристали як вихідну сировину для своєї оригінальної розробки; такий підхід збільшує вихід, але може призвести до підвищення концентрації карбонатів і збільшення утворення домішок, таких як діоксид кремнію, що знижує коефіцієнт вилучення алюмінію.

Для вирішення цих проблем в рамках кількох дослідницьких проектів наразі проводиться оцінка ефективності різних іонообмінних смол у підвищенні ефективності осадження. Іонообмінні смоли - це високомолекулярні полімерні матеріали, що містять численні іонні функціональні групи в кожній молекулі, які зазвичай включають групи сульфокислот або карбонових кислот для обміну. Обидва типи смол можна використовувати для вилучення соди з їдких розчинів, що призводить до зниження загального вмісту їдких речовин (TC) і загального вмісту лугу (TA). Крім того, катіонообмінні смоли можуть нейтралізувати іони натрію, присутні у відпрацьованому розчині Байєра, що призводить до збільшення перенасичення відносно розчинності глинозему.

За різних умов карбонізації було помічено, що присутність кисню сприятливо впливає на швидкість осадження. Зокрема, температура, за якої починалося осадження, значно зростала, а рентгеноструктурний аналіз осаду показав, що він містив доусоніт, як і передбачалося термодинамічними розрахунками.

Осадження глинозему є одним з найбільш важливих і складних етапів у виробництві алюмінію з бокситів. Осадження повинно відбуватися для отримання гідроксиду глинозему, який використовується в прожарювальних печах алюмінієвих заводів; отже, фільтрувальне і сепараційне обладнання, що використовується на переробних заводах, повинно працювати в надзвичайно жорстких умовах.

Фільтраційне та сепараційне обладнання на глиноземних заводах має бути міцним, довговічним, надійним і довговічним для належної роботи в суворих умовах, включаючи високі температури і тиск, одночасно очищаючи високоабразивні залишки бокситів, які можуть пошкодити інше обладнання, наприклад, насоси, змішувачі та мішалки. Тому на таких заводах можна знайти найкраще у світі фільтрувальне та сепараторне обладнання.

Розрахунок

Кальцинування є завершальною синтетичною стадією процесу і має численні впливи на морфологію, фазовий склад і хімічний склад глинозему. Температура і тривалість реакції, як правило, мають найбільший вплив; температуру слід встановлювати залежно від бажаної морфології/композиції, а також виробничих або інших цілей використання цього глиноземного матеріалу; час, необхідний для досягнення бажаного результату, буде диктувати її тривалість.

Найпоширеніший метод прожарювання передбачає вилуговування каолінових глин соляною кислотою перед осадженням кристалів гексагідрату хлориду алюмінію соляною кислотою і подальшим прожарюванням при високій температурі на повітрі для отримання глинозему. Цей підхід має багато переваг над процесами, що використовують сірчану або азотну кислоти, оскільки соляну кислоту легше регенерувати, ніж її альтернативи.

Попередні процеси прожарювання споживали значну енергію для підняття кристалів гексагідрату вище 500-1100 градусів за Цельсієм для виробництва глинозему, але значна частина цієї енергії витрачалася на низькотемпературних стадіях для вилучення комбінованої води і підняття проміжних кристалічних форм гексагідрату до кристалічної форми. Крім того, кожна стадія споживала лише частину загальної доступної енергії.

Розроблено інноваційний процес прожарювання, який значно зменшує використання енергії як на високотемпературній стадії, так і на стадії охолодження, що значно знижує загальні потреби в енергії для виробництва глинозему. В його основі лежить система теплообміну, яка використовує поетапне нагрівання гексагідрату через кілька стадій теплообміну до поступово вищих температур, близьких до температури прожарювання, перед подачею його в кальцинатор для остаточного перетворення на глинозем. Далі гексагідрат охолоджується на різних стадіях теплообміну, причому розумне тепло передається від стадії охолодження до стадії нагрівання лише при трохи вищих температурах, ніж ті, при яких воно споживається на даній стадії.