Декомпозиция (разложение) алюминатного раствора, выпаривание маточного раствора и каустификация соды

29.01.2017

После контрольного осветления алюминатный раствор подвергается разложению (декомпозиции) с выделением в осадок гидроокиси алюминия по реакции
NaAlO2 + 2H2O ⇔ NaOH + Al(OH)3.

Протекание этой реакции слева направо обеспечивается разбавлением пульпы после ее выхода из автоклавов, снижением температуры алюминатного раствора и введением так называемой затравки.
Затравка представляет собой кристаллическую гидроокись алюминия, полученную в предыдущем цикле и вводимую в алюминатный раствор для создания в нем центров кристаллизации. Благодаря присутствию затравки скорость разложения алюминатного раствора значительно возрастает. До ввода затравки даже разбавленные растворы являются практически стойкими.
Скорость разложения алюминатного раствора можно характеризовать величиной изменения его каустического модуля во времени, который в процессе декомпозиции возрастает.
Кроме достаточно высокой скорости, которая определяет продолжительность процесса декомпозиции, при разложении алюминатного раствора должно быть обеспечено:
1) получение гидроокиси алюминия с минимальным содержанием примесей и определенной крупности;
2) получение маточного раствора с определенным каустическим модулем, так как последний оказывает влияние как на процесс декомпозиции, так и на процесс выщелачивания.
Важное значение для производства имеет выход глинозема при декомпозиции, под которым понимают выраженное в процентах отношение количества глинозема, выпавшего в осадок, к количеству глинозема, содержавшемуся в исходном растворе. Выход глинозема при декомпозиции можно определить, зная каустические модули исходного алюминатного раствора (αа) и маточного раствора (αо), по формуле
Декомпозиция (разложение) алюминатного раствора, выпаривание маточного раствора и каустификация соды

На процесс декомпозиции оказывает влияние целый ряд факторов: температура, каустический модуль и концентрация алюминатного раствора, количество и качество затравки.
Влияние температуры на процесс декомпозиции носит сложный характер. С понижением температуры раствор становится все более пересыщенным глиноземом и выход глинозема, которого можно достичь при его разложении, увеличивается. С другой стороны, с понижением температуры уменьшается скорость разложения раствора. Кроме того, понижение температуры вызывает образование мелкозернистой гидроокиси алюминия. На практике разложение алюминатного раствора ведут при постепенно понижающейся температуре (примерно от 60 до 40°С), что дает возможность получить осадок необходимой крупности при достаточно высоком выходе глинозема и заданной продолжительности процесса декомпозиции.
Каустический модуль раствора, при прочих равных условиях, характеризует степень его пересыщения: чем ниже каустический модуль раствора, тем более пересыщен он глиноземом. Поэтому с понижением каустического модуля алюминатного раствора скорость его разложения увеличивается. При снижении концентрации стойкость алюминатного раствора понижается и скорость его разложения увеличивается.
Большое влияние на скорость декомпозиции и крупность полученной гидроокиси оказывает количество и качество затравки. Последняя, как указывалось выше, вводится в раствор для создания в нем центров кристаллизации. Количество затравки, поступающей на декомпозицию, характеризуется так называемым затравочным отношением, под которым понимают отношение количества глинозема в затравке к его количеству в алюминатном растворе. С увеличением затравочного отношения, а также с уменьшением крупности затравки, возрастает число центров кристаллизации в растворе и, следовательно, скорость разложения последнего увеличивается.
Так как в качестве затравки целесообразнее использовать наиболее дисперсную (мелкую) часть гидроокиси, то иногда получаемую гидроокись алюминия подвергают классификации по крупности в гидросепараторах.
При выборе оптимальных условий процесса декомпозиции необходимо учитывать все факторы, влияющие на процесс. Ниже приводятся примерные условия этого процесса.
Декомпозиция (разложение) алюминатного раствора, выпаривание маточного раствора и каустификация соды

Процесс декомпозиции осуществляется в цилиндрических баках — декомпозерах. На практике применяются декомпозеры с механическим и воздушным перемешиванием. Перемешивание алюминатного раствора с затравкой необходимо для поддержания затравки во взвешенном состоянии и выравнивания концентрации раствора,
Декомпозер с механическим перемешиванием представляет собой стальной бак высотой и диаметром 8 м, внутри которого вращается цепная мешалка со скоростью 8—10 об/мин.
Декомпозиция является непрерывным процессом и осуществляется в серии последовательно соединенных (9—10 шт.) и каскадно расположенных аппаратов. Декомпозеры в серии соединены между собой с помощью сифонов,
Алюминатный раствор вместе с затравкой, после предварительного смешения в мешалках для приготовления гидратной пульпы, поступает в головные декомпозеры каждой серии на разложение. Пройдя последовательно все аппараты серии, гидратная пульпа отводится из хвостовых декомпозеров и поступает в сгустители на уплотнение. Часть сгущенного гидрата возвращается обратно на декомпозицию в виде затравки. Другая часть, так называемый продукционный гидрат, поступает в промыватели.
Декомпозер с воздушным перемешиванием (рис. 13) состоит из стального бака с коническим дном. Диаметр, его — 7—8 м, высота — 25—28 м Перемешивание здесь осуществляется с помощью воздушного подъемника (аэролифта). Последний состоит из двух труб, вставленных одна в другую. По внутренней трубе сверху подастся сжатый воздух, который, выходя из трубы, образует воздушно жидкостную смесь Благодаря малому удельному весу эта смесь поднимается по внешней трубе и выходит через верхний открытый конец трубы. В противоположность декомпозерам с механическим перемешиванием, декомпозеры с воздушным перемешиванием работают изолированно друг от друга, что благоприятствует лучшему протеканию процесса декомпозиции.
Сгущение и промывка гидроокиси алюминия производится обычно в системе сгустителей и промывателей, аналогично сгущению и промывке красного шлама. После промывки гидроокись алюминия подвергается фильтрации. Маточный раствор из сгустителей поступает в сборники маточного раствора, а оттуда — на выпаривание (с целью повышения в нем концентрации щелочи) .
Фильтрация гидроокиси алюминия обычно производится на барабанных вакуум-фильтрах непрерывного действия.
Барабанный вакуум-фильтр состоит из барабана, поверхность которого покрыта фильтровальной тканью. Нижняя часть барабана погружена в корыто. В последнее подается гидратная пульпа. Для поддержания пульпы во взмученном состоянии в корыто подается воздух под давлением 0,2—0,3 ат через специальную трубку с отверстиями.
Декомпозиция (разложение) алюминатного раствора, выпаривание маточного раствора и каустификация соды

Фильтрующий барабан радиальными стенками разделен на большое количество ячеек, которые с помощью лобовой шайбы и распределительной головки при вращении барабана последовательно соединяются с линией вакуума и линией сжатого воздуха.
Под влиянием вакуума внутри барабана жидкая фаза пульпы переходит через фильтровальную ткань, а гидроокись алюминия отлагается на ее поверхности.
Примерная схема фильтрации показана на рис. 14. Каждая ячейка при вращении барабана последовательно проходит зону фильтрации (в корыте), просушки, промывки, снова просушки и разгрузки.
Просушка гидрата происходит за счет воздуха, который просасывается через осадок. Для промывки осадка через него просасывается вода, которая подается на барабан с помощью брызгал.
Разгрузка (снятие) осадка с барабана производится с помощью ножа, укрепленного на чугунном брусе. При переходе ячеек барабана в зону разгрузки происходит отключение их от вакуума и присоединение к линии сжатого воздуха. Последнее необходимо для отдувки осадка и прочистки пор фильтровальной ткани.
Полученная гидроокись алюминия всегда содержит примеси SiO2, Fe2O3, щелочи и др., количество которых не должно превышать норм, установленных стандартом.
Кремнезем присутствует в гидроокиси алюминия в основном в виде натриевого алюмосиликата, выпадающего в осадок из раствора в процессе его декомпозиции.
Окись железа, содержащаяся в алюминатном растворе, при декомпозиции целиком переходит в гидроокись алюминия, поэтому содержание ее в продукте зависит исключительно от чистоты исходного раствора.
Щелочь может присутствовать в гидроокиси в виде так называемой неотмываемой щелочи, нерастворимой и отмываемой. Heотмываемая щелочь находится в пространствах между сросшимися кристаллами гидроокиси алюминия. Удалить ее можно только путем нагрева гидроокиси до высокой температуры. Нерастворимая щелочь присутствует в гидроокиси алюминия в виде натриевого алюмосиликата. Отмываемая щелочь является следствием недостаточной отмывки гидроокиси. Из трех перечисленных видов щелочи основным источником загрязнения гидроокиси является неотмываемая щелочь.
Маточный раствор, от которого отделена гидроокись алюминия, затем поступает на выпаривание, целью которого является повышение в растворе концентрации щелочи. Одновременно при этом происходит очистка раствора от соды и органических примесей, которые вносятся в него бокситом, щелочью и другими материалами в процессе производства. Некоторое количество соды образуется также в результате поглощения алюминатно-щелочным раствором углекислоты воздуха.
Выпаривание маточного раствора осуществляется в выпарных батареях с помощью пара.
С увеличением концентрации щелочного раствора растворимость в нем соды резко падает и она выкристаллизовывается из раствора. Вместе с кристаллами соды увлекается некоторое количество органических примесей.
Отделение выпавшей соды от концентрированного оборотного раствора производится в сгустителях. Оборотный щелочной раствор возвращается обратно в процесс на выщелачивание боксита, а сода после дополнительной фильтрации подвергается каустификации.
Каустификация производится с целью превращения соды в каустическую щелочь, которая также возвращается в процесс. Для этого соду растворяют в веде и обрабатывают в баках с мешалками известковым молоком при температуре 100° С; при этом протекает реакция
Na2CO3 + Ca (OH)2 = 2 NaOH + CaCO3.

Образующийся при этом карбонат кальция выпадает в осадок в виде известкового (белого) шлама.
Отделение раствора каустической щелочи от известкового шлама производится путем сгущения и фильтрации. Регенерированная щелочь возвращается в процесс, а известковый шлам идет в отвал.
С целью уменьшения потерь щелочи с известковым шламом последний подвергают смешению (репульпации) с горячей водой, а затем повторной фильтрации. Фильтрат, полученный от фильтрации репульпированного шлама и содержащий некоторое количество щелочи, можно использовать для приготовления известкового молока вместо воды.