Производства алюминия. Строение алюминатных растворов

Диаграмма равновесных состояний системы Al₂O₃ -Na₂O-H₂O

Реакция гидролиза алюмината натрия обратима, т. е. протекает одновременно в противоположных направлениях. Если скорость прямой реакции больше скорости обратной, то происходит разложение алюмината натрия с образованием кристаллического гидроксида алюминия Al(OH)₃ , если же наоборот, скорость обратной реакции больше скорости прямой, то происходит растворение гидроксида алюминия с образованием алюмината натрия. Как увеличение концентрации едкой щелочи, так н повышение температуры приводит к сдвигу равновесия справа налево, т. е. к растворению Al(OH)₃; разбавление же растворов и охлаждение их способствуют разложению алюминатного раствора н выпадению гидрокснда алюминия в осадок.

При равенстве скоростей обеих реакций устанавливается химическое равновесие, которое характеризуется тем, что концентрация реагирующих веществ при неизменных условиях не изменяется. Полученный при этом алюминатный раствор называют равновесным. Каждому равновесному раствору при данной температуре соответствует совершенно определенная концентрация Na₂O и Al₂O₃ в нем. Отложив эти концентрации на осях координат и соединив полученные точки, мы получим изотерму равновесия алюминатного раствора.На рис. показаны изотермы равновесия в системе Na₂O--Al₂O₃--H₂O для температур 30, 60, 95, 150 и 200°С. Каждая изотерма имеет вид кривой, состоящей из двух пересекающихся ветвей. Вся диаграмма может быть разделена на ряд областей. Выше .левых ветвей изотерм находится область пересыщенных растворов. Концентрация глинозема в них превышает равновесную. Поэтому растворы, находящиеся в этой области, нестойки и разлагаются с выделением гидроксида алюминия. Точки, расположенные непосредственно на левых ветвях изотерм, отвечают равновесию алгоминатных растворов с гиббситом (для 30, 60 и 95 °С) и с бемитом (для 150 и 200 °С). Между ветвями изотерм находится область ненасыщенных растворов. Концентрация глинозема в этих растворах ниже равновесной, поэтому они стойки при данной температуре. Выше правых ветвей находится область пересыщенных растворов алюмината натрия в едком натре, а точки, расположенные на этих ветвях, отвечают равновесию растворов едкой щелочи с алюминатом натрия состава Na₂O.Al₂O₃.2,5H₂O. При высоком содержании щелочи в растворе (не менее 38%) в равновесии с жидкой фазой находится алюминат натрия другого состава--3Na₂O.Al₂O₃.6H₂O.Точка пересечения правой и левой ветвей изотермы отвечает раствору, который одновременно является равновесным

Рис.№1Изотермы системы Al₂O₃ --Na₂O --H₂O

как но отношению к гидроксиду алюминия, так и по отношению к алюминату натрия. Па лучах (пунктирные линии) располагаются растворы с одинаковым каустическим модулем.

Изотермы системы Na₂O--Al₂O₃--H₂O имеют большое теоретическое значение. Они позволяют судить о поведении алюминатных растворов в зависимости от их концентрации и температуры. Например, алюминатный раствор, отвечающий по своему составу точке я (б_к=2,47) при 30 ?С пересыщен гиббситом и будет разлагаться с выделением в осадок Al(OH)₃ .

Концентра ция Al₂O₃ в растворе при этом будет уменьшаться, а концентрация Na₂O возрастать, т. е. состав раствора будет изменяться по прямой бk. Разложение данного раствора должно продолжаться до тех пор, пока концентрация Al₂O₃ в нем не станет равновесной. Этой концентрации отвечает точка k на левой ветви изотермы для 30 °С. Тот же самый раствор, т. е. раствор, отвечающий по своему составу точке б , при 60 °С уже насыщен гиббситом. Поэтому при 60°С в нем можно растворить некоторое количество гидроксида алюминия, пока его концентрация не станет равновесной (точка т на левой ветви зотермы для 60°С).

Чтобы вызвать гидролиз того или иного алюминатного раствора, необходимо его перевести в область пересыщенных растворов. Этого можно достичь или снижением температуры раствора, или разбавлением раствора водой. Так, мы уже видели, что если раствор, отвечающий по своему составу точке а и имеющей температуру 60 °С, охладить до 30 єС, то он перейдет в область пересыщенных растворов и будет разлагаться. Если тот же самый раствор разбавить водой, то концентрация Al₂O₃ и Na₂O в нем уменьшится, но каустический модуль останется прежним, . Изотермы cистемы Al₂O₃ -К₂O -H₂O : 1- 30 єC; 2- 60 єC; 3- 95 єC.

Следовательно, состав раствора переместится вдоль луча 2,47 но направлению к началу координат. Положим, что он переместится в точку b. Раствор, отвечающий по своему составу точке b и имеющий температуру 60 °С, находится в области пересыщенных растворов и будет разлагаться.

Производство глинозема из нефелинов и алунитов связано с получением растворов, которые наряду с алюминатом натрия содержат алюминат калия КAlO₂. Он также содержится в раство- рах при получении глинозема из бокситов, когда для компенсации потерь щелочи в процессе используют кальцинированную соду из нефелинового сырья .

Изотермы равновесия в системе К₂O--Al₂O₃--H₂O для 30, 60 и 95 °С показаны на рис. Как и для системы Na₂O--Al₂O₃--H₂O, каждая изотерма этой системы состоит из двух ветвей, пересекающихся в остром максимуме. Для левых ветвей изотерм равновесной твердой фазой является гиббсит, для правых-алюминат калия состава К₂O.Al₂O₃.3H₂O. С повышением температуры максимальные концентрации Al₂O₃ в равновесных растворах алюмината калия возрастают, но они ниже, чем в растворах алюмината натрия:

Температура раствора, °С . . . 30 60 95 150 200

Максимальная концентрация

Al₂O₃ в растворе, %:

NaAlO₂ .......... 25,59 23,34 29,25 35,34 39,20

KAlO₂ ........... 16,90 21,10 25,80 32,80 36,60

4. Факторы стойкости алюминатных растворов

Следует различать теоретически стойкие и практически стойкие алюмнинатные растворы. Теоретически стойкими являются растворы, концентрация глинозема в которых ниже или равна равновесной (т. е. расположенные между ветвями изотерм и на левых их ветвях). Практически стойкими называют такие растворы, которые могут существовать без видимого разложения в течение достаточного для производственных целей времени, хотя концентрация глинозема в них может быть и выше равновесной. Обусловлено это тем, что алюминатный раствор, даже будучи пересыщенным, разлагается очень медленно.

Стойкость алюминатного раствора можно характеризовать степенью его пересыщення, под которой понимают отношение концентрации Al₂O₃ в пересыщенном растворе к концентрации Al₂O₃ в соответствующем равновесном растворе:

- ?- (Al₂O₃ ) _перес/ (Al₂O₃ ) _равн.

Степень пересыщения раствора легко определить по диаграмме равновесных состояний системы Na₂O--Al₂O₃--H₂O. Для этого необходимо через точку, отвечающую составу данного раствора, и точку гиббсита провести прямую и продолжить ее до пересечения с изотермой растворимости гиббсита при данной температуре.

Рис №2. Изотерма системы Al₂O₃ -Na₂O -H₂O при 60 °С.

Точка пересечения прямой с изотермой покажет состав равновесною раствора, после чего легко рассчитать степень пересыщения интересующего пас раствора.

Па стойкость алюминатных растворов оказывает влияние ряд факторов: концентрация и температура алюминатного раствора, его каустический модуль, наличие в растворе осадка гидроксида алюминия и некоторых примесей, перемешивание раствора и др.

Рассматривая изотермы системы Na₂O--Al₂O₃--H₂O, мы установили, что стойкость алюминатных растворов с понижением температуры раствора, а также с его разбавлением уменьшается. Однако очень сильное разбавление раствора (до содержания Al₂O₃) (8--25 г/л) вновь приводит к повышению его стойкости.

Проследим, например, как изменяется стойкость алюминатного раствора, температура которого 60 °С, по линии постоянного каустического модуля 1,65 . Разбавленные растворы с таким каустическим модулем находятся недалеко от изотермы равновесия н, следовательно, степень их пересыщения невелика. Поэтому разбавленные растворы должны быть стойкими. По мере удаления от начала координат (с повышением концентрации) на участке ОН растворы сначала удаляются от изотермы равновесия, а затем приближаются к ней. Следовательно, стойкость их на этом участке сначала уменьшается, а затем по мере приближения к изотерме равновесия увеличиваются. В точке Н раствор становится равновесным, а на участке НР ненасыщенным, т.е. способным растворять глинозем. Выше точки Р растворы вновь становятся пересыщенными, но уже алюминатом натрия.

С повышением каустического модуля стойкость алюминатных растворов возрастает. Так, алюминатные растворы с б_к?1,2 при 6O°C находятся в области пересыщенных глиноземом растворов . С увеличением каустического модуля растворы переходят в область ненасыщения глиноземом. При значительной величине каустического модуля они оказываются в этой области (до правой ветви изотермы) к в области растворов, пересыщенных алюминатов натрия (за правой ветвью изотермы).

Большинство присутствующих в алюминатных растворах примесей не оказывает влияния на стойкость алюминатных растворов.

Однако некоторые примеси, такие, как органические вещества, кремнезем н сода, повышают стойкость алюминатных растворов, т. е. оказывают на них стабилизирующее действие. Установлено также, что такие примеси, как Fe₂O₃ , Р₂O₅, снижают стойкость алюминатных растворов. Плотность, вязкость, электропроводность, температура кипения и другие физические свойства алюминатных растворов изменяются в широких пределах в зависимости от их концентрации, температуры и наличия примесей. Поэтому при оценке того или иного алюминатного раствора приходится обращаться к экспериментальным или практическим данным.

5.Экспериментальная часть

Найдём расход боксита ,известняка и соды ,на одну тонну товарного глинозёма.

а) Молярный состав шихты

Na2O/Al2O3+Fe2O3-1.0 CaO/SiO2+TiO2-2.0

б) Товарный выход глинозёма 84.6% Содержание оксида алюминия 99%

в) Химический состав продуктов.

Боксит Al2O3-48.8% Fe2O3-24.0% SiO2-8.14% TiO2-2.6% CaO-2.8% ппп-13% прочие 1.46%

Известняк CaO-54.2% SiO2=1.3% ппп-42.6% прочие 1.9%

Сода Na2O-57.66% ппп-40.92% прочие 1.42%

Расчёт на 100кг боксита (Потом пересчитаем на глинозём)

а) Масса Na2O на 100кг боксита m=(62х48.8)/102=29.66кг

m=(62х24)/160=9.3кг m(Na2O)=29.66+9.3=38.96кг

б) Масса CaO на 100кг боксита m=(112х8.14)/60=15.19кг

m=(112х2.6)/80=3.64кг m(CaO)=15.19+3.64=18.83кг

(Оксид кремния из известняка будет взаимодействовать с оксидом кальция из боксита , там их соотношения эквамолярны 1:2 и мы их в расчёт не вводим.)

а)Для получения 1 тонны товарного глинозёма нам понадобиться боксита :

m=(84.6х48.8)/100=41.2848кг поправка на товарный выход глинозёма.

m=(41.2848х100)/99=41.7кг поправка на чистоту глинозёма 99%

m(боксита)= (100х1000)/41.7=2398.08кг

б) Для получения 1 тонны товарного глинозёма нам понадобиться соды

m(Na2O)=(2398.08х38.96)/100=934.292кг Пересчитаем на соду

m(сода)=(934.292х100)/57.66=1620.34кг

в)Известняка нам понадобиться на получения 1 тонны товарного глинозёма

m(CaO)=(2398.08х18.83)/100=451.56кг пересчитаем на известняк

m(известняк)=(451.56х100)/54.2=833.13кг

Вывод

Собранные литературные данные позволили проанализировать ключевую роль алюминатных растворов в цикле производства алюминия, от их свойств зависит процент выхода алюминия из бокситных руд. Наиболее широкое применение нашел в промышленности щелочной гидрохимический способ Байера. Способом Байера перерабатывают высококачественные бокситы с низким содержанием кремнезема. Боксит обрабатывают щелочным раствором; при этом образуется растворимый в воде алюминат натрия. Из раствора алюмината после отделения ею от нерастворимыx соединении (железа, кремния н др.) выделяют гидроксид алюминия. Щелочной гидрохимический способ применяется также для переработки восстановленной алунитовой руды. Другой состав бокситов не позволяет прибегнуть к способу Байера в нём применим термический способ . К термическим относятся следующие способы производства глинозема: щелочное спекание, бесщелочное спекание, восстановительная плавка. По способу щелочною спекания оксид алюминия руды переводят в щелочной алюминат спеканием руды с необходимыми добавками. Полученный твердый алюминат далее переводят в раствор. При сесщeлочном спекании оксид алюминия руды переводят в алюминат кальция: полученный алюмокальциевый спек перерабатывают на глинозем. Восстановительная планка основана на восстановлении в электропечи или доменной печи оксидов железа и части других оксидов руды с получением ферросилиция или чугуна (побочный продукт) н шлака, в который переходнг оксид алюминия в виде алюмината кальция. Из шлака затем получают глинозем. Термические способы производства глинозема разработаны применительно к самым различным видам сырья.

Список литературы

1. Алюминиевая промышленность мира// География. - 2001. - № 10. - С. 21.

2. Ивановский Л.Е. Физическая химия и электрохимия хлоралюминиевых расплавов. - М.: Наука, 1993.

3. Кац Я. Российский алюминий 2000// Рынок ценных бумаг.- 2000. - № 8. - С. 35.

4. Козаренко А.Е. Апатит-нефелиновые месторождения Хибин// География. 2001. - № 4. - С. 4.

5. Ломако П. Крылатый металл// Правда. - 1982. - 13 июня. - С. 6.

6. Перспективы развития технологических процессов глиноземного производства.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

7. Проблемы производства алюминия, магния и электродных материалов.- СПб: АО «ВАМИ», 1992.

8. Производство алюминия Литейное производство. - 1992. - №9.- С. 84.

9. Сухарев И.Р. Бокситы - глинозем - алюминий География. - 1998. - № 17. С. 6.

10. Фридляндер И. Алюминиевые сплавы в авиаракетной и ядерной технике Вестник Российской Академии наук. - 2004. - Т. 74. - № 12. - С.1076.

11.Троицкий И.А., Железнов В.А. “Металлургия алюминия”, 1977.

12. Терентьев В.Г., Школьников Р.М., Гринберг И.С., Черных А.Е., Зельберг Б.И., Чалых В.И. “Производство алюминия”, 1998.

Размещено на Allbest.ru