В результате диссоциации основных компонентов системы

и

а также добавок фтористых солей, расплавленный электролит представляет сложную многокомпонентную систему, содержащую ионы:

.

Таблица 4.1. Первичные процессы при электролизе

Следовательно, при электролизе криолитоглиноземного расплава разряжаются ионы .

Вторичные процессы при электролизе криолитоглиноземного расплава протекают как в анодном, так и в катодном пространствах.

В анодном пространстве при температуре электролиза происходит непрерывное окисление угольных анодов с образованием смеси оксида углерода (II) и оксида углерода (IV):

Суммируя реакции первичных и вторичных процессов, получаем суммарные уравнения реакций электролиза:

Основным аппаратом в процессе электролитического получения алюминия является электролизер или алюминиевая ванна.

Рис. 4.3. Схема электролизера: а - ванна с самообжигающимися анодами, б - блок с предварительно обожженным анодом 1-кожух, 2-огнеупорная футеровка, 3-футеровка из угольных плит, 4-глинозем, 5-слой расплавленного электролита, 6-гарнисаж, 7-слой алюминия, 8-рабочий блок обожженного электрода, 9-токоподводы, 10-наращиваемый блок, 11-кожух анодной массы, 12-анодная масса.

Электролизер состоит из катодного и анодного устройств. Катодное устройство представляет металлический кожух прямоугольной формы с огнеупорной изоляцией, футерованный изнутри угольными плитами и блоками. Нижние блоки являются одновременно токоподводами для расплавленного алюминия, играющего роль катода. Электролизер снабжен системой газоулавливания и дожигания оксида углерода (II), устройством для непрерывной подачи глинозема и системой откачивания металлического алюминия.

Анодное устройство состоит из угольных анодов, частично погруженных в расплавленный электролит, и запрессованных в них токоподводов. Применяют непрерывные аноды различной конструкции. В современных электролизерах используют непрерывные аноды двух типов: самообжигающиеся и предварительно обожженные. Самообжигающийся анод состоит из алюминиевого кожуха, в который помещена брикетированная анодная масса с запрессованными в нее токоподводами.

В современных электролизерах высокой мощности применяют предварительно обожженные аноды, которые состоят из блоков, наращиваемых сверху по мере их обгорания. Токоподводы впрессованы сбоку в готовые блоки.

Вследствие разности плотностей жидкий алюминий отделяется от криолит-глиноземного расплава и собирается на дне ванны. В процессе электролиза в результате охлаждения ванны наружным воздухом на поверхности расплава образуется твердый слой электролита (гарнисаж), который утепляет ванну и снижает расход энергии. Для извлечения из ванны расплавленного алюминия используют вакуумные ковши или сифоны, засасывающая труба которых вводится в жидкий алюминий через слой гарнисажа.

Глинозем непрерывно подается в электролизер с помощью пневматического штокового устройства, позволяющего пробивать корку гарнисажа и дозировать глинозем.

Система газоулавливания электролизера предназначена для сбора выделяющихся при электролизе газов и удаления их в газоочистную систему.

2. ОЧИСТКА И РАФИНИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЯ

Примеси значительно ухудшают механические, электрические и литейные свойства алюминия и снижают его коррозионную стойкость. Для очистки от механических примесей и растворенных газов алюминий, выкаченный из ванны, хлорируют в вакуум-ковшах. При этом хлорируются водород и некоторые металлы, а образовавшиеся хлориды и механические примеси, всплывают на поверхность металла и удаляются:

Рис. 4.4. Схема электролитического рафинирования алюминия: 1-слой рафинируемого (верхний слой) - очищенный алюминия, содержащего медь, 2-слой электролита, 3-слой чистого алюминия.

После хлорирования алюминий выдерживают в электрических печах для удаления остатков примесей и усреднения состава, после чего отливают в слитки. После такой очистки получают алюминий марки А85, который содержит не менее 99,85% металла. Для получения алюминия высокой и особой чистоты его подвергают дополнительному рафинированию. В промышленности применяют два метода рафинирования: электролитический и с помощью субсоединений алюминия.

В основе электролитического трехслойного метода рафинирования лежит процесс анодного окисления и последующего катодного восстановления алюминия. Анодом электролизера является рафинируемый алюминий, содержащий для увеличения

Между катодом и анодом располагается расплавленный электролит, состоящий из смеси хлоридов бария и натрия и фторидов алюминия и натрия. В процессе рафинирования алюминий растворяется на аноде:

,

ионы его, вследствие разности плотностей слоев загрязненного алюминия и электролита, проходят через слой последнего и восстанавливаются на катоде:

В то же время примеси с большим потенциалом остаются в слое рафинируемого металла и накапливаются в слое электролита. По мере накопления примесей анодный сплав и электролит периодически заменяют. Полученный этим методом рафинирования алюминий имеет чистоту 99,99%.

Рафинирование с помощью субсоединений основано на возгонке легколетучих субсоединений одновалентного алюминия, образующихся при высокотемпературной обработке рафинируемого алюминия хлоридом алюминия (III). Примеси при этом не перегоняются и остаются в остатке от рафинирования.

Чистота алюминия, полученного через субсоединения равна 99,9995%.

Алюминий сверхвысокой чистоты (99,9999%) может быть получен методом зонной плавки.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОПОЛОГИИ ХТС

Определение видов связи между аппаратами в технологической схеме производства глинозема по методу Байера.

В этой схеме в основном используется последовательный тип соединения аппаратов.

Смеситель пульпы, подогреватель пульпы, греющие автоклавы и реакционные автоклавы имеют последовательное соединение, таким образом, бокситовая пульпа проходит через эти аппараты последовательно, где происходит ее дробление, мокрый размол и выщелачивание. Реакционные автоклавы соединены с сепаратором пара и жидкости и с разбавителем последовательно-обводной связью. Сепаратор пара соединен с подогревателем обратной связью, так как образовавшийся в сепараторе пар возвращается в подогреватель для его обогрева. Пульпа из сепаратора подается последовательно в разбавитель, далее в сгуститель шлама, а затем на отделение красного шлама в вакуум-фильтр. Вакуум-фильтр параллельно соединен с промывателем шлама и декомпозером, так как отделившийся на фильтре шлам поступает на промывание, а раствор алюмината натрия поступает в декомпозер, где перемешивается воздухом. Далее декомпозер, сепаратор глинозема, бункер, трубчатая печь и трубчатый холодильник соединены между собой последовательно.

Так как в схеме существует обратная технологическая связь, то схема является замкнутой.

В методе выщелачивания Байера осуществляется замкнутый технологический цикл по щелочи. В результате чего реализуется принцип организации малоотходного производства.

4. УСТАНОВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ХТС, ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА И ПОТОКОВ

Реакционный автоклав для выщелачивания боксита представляет вертикально расположенный сварной сосуд диаметром до 2,5 м и высотой 14 - 18 м. степень разложения сырья до 0,9 долей ед.

Наиболее совершенный декомпозер с воздушным перемешиванием представляет собой стальной бак с коническим дном диаметром 9 м и высотой до 35 м.

Таблица 4.2. Расходные коэффициенты на 1 т глинозема.

Таблица 4.3. Характеристики электролизеров для производства алюминия с непрерывными предварительно обожженными анодами.

Производительность подобных электролизеров составляет от 0,5 до 1,2 тонны алюминия в сутки и может быть рассчитана по формуле:

где П - производительность электролизера, т/сут;

J - Сила тока, А;

- время электролиза, ч;

- выход по току, долей ед.

Таблица 4.4. Расходные коэффициенты на 1 тонну алюминия.

5. ИЗОБРАЖЕНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ХТС

Химическая схема

Функциональная схема

Структурная схема

1 - смеситель пульпы

2 - подогреватель пульпы

3 - греющие автоклавы

4 - реакционные автоклавы

5 - сепаратор пара и жидкости

6 - разбавитель

7 - сгуститель шлама

8 - промыватель шлама

9 - вакуум-фильтр

10 - декомпозер

11 - сепаратор глинозема

12 - бункер

13 - трубчатая печь

14 - трубчатый холодильник

Технологическая схема

1-смеситель пульпы,

2-подогреватель пульпы,

3-греющие автоклавы (два),

4-реакционные автоклавы (6),

5-сепаратор пара и жидкости,

6-разбавитель,

7-сгуститель шлама,

8-промыватель шлама,

9-вакуум-фильтр,

10-декомпозер,

11-сепаратор глинозема,

12-бункер,

13-трубчатая печь,

14-трубчатый холодильник.

Технологический процесс производства глинозема по методу Байера организуется следующим образом. Бокситовая пульпа из смесителя 1 подается в подогреватель 2, обогреваемый паром из сепаратора 5. Из подогревателя пульпа поступает в батарею греющих автоклавов 3 и затем в батарею реакционных автоклавов 4, где протекает процесс выщелачивания, откуда направляется в сепаратор 5. В сепараторе давление снижается от 3 МПа до атмосферного, вследствие чего пульпа вскипает и образовавшийся пар направляется в подогреватель 2. После этого пульпа, состоящая из щелочного раствора алюмината натрия и красного шлама, разбавляется в разбавителе 6 и поступает в сгуститель пульпы 7 и, далее, для отделения красного шлама на фильтр 9. Отделившийся шлам промывается водой в промывателе 8, а раствор алюмината натрия поступает в декомпозер 10, где перемешивается барботирующим воздухом. Из декомпозера гидратная пульпа, состоящая из кристаллов гидроксида алюминия и маточная раствора, направляется в сепаратор кристаллов 11, где кристаллы отделяются от маточного раствора и, пройдя бункер 12, поступают в трубчатую печь кальцинации 13, после чего охлаждаются в трубчатом холодильнике 14. Отделенный маточный раствор соединяется с раствором из промывателя шлама 8 и направляется на упаривание.

Основные аппараты: реакционный автоклав и декомпозер.

Страницы: 1, 2