Технология выщелачивания боксита в автоклавах   

   В промышленном производстве глинозема разложение бок­сита щелочными растворами может быть осуществлено в авто­клавах двух видов: 1) с поверхностным нагревом и механиче­ским перемешиванием и 2) с применением для нагревания и пе­ремешивания острого пара.

   Помимо различия в конструктивном отношении, способ на­гревания и перемешивания пульпы в автоклаве оказывается не­безразличным и для кинетики процесса выщелачивания. В ав­токлаве с применением острого пара, процесс выщелачивания протекает более интенсивно, нежели в автоклаве с механиче­ской мешалкой и поверхностным нагревом. Это может быть объяснено, во-первых, тем, что острый пар является более энергичным средством перемешивания, чем механическая ме­шалка, и во-вторых, тем, что в результате непосредственно его воздействия пара на боксит имеют место значительное дис­пергирование последнего и облегчающее выщелачивание. Дру­гим важным моментом, которым характеризуется процесс вы­щелачивания бемита в автоклаве с остры паром, является то, что алюминатные растворы, полученные таким образом, обла­дают меньшим содержанием кремнезема по сравнению с раство­рами, полученными в автоклаве с поверхностным нагре­вом. Более глубокое обескремнивание в автоклавах с примене­нием острого пара обусловливается, по-видимому, некоторым разбавлением пульпы конденсатом (образующиеся из острого пара, вводимого внутрь автоклава), так как растворимость SiO₂ в алюминатном растворе понижается с уменьшением концен­трации последнего. В настоящее время в промышленной прак­тике для выщелачивания боксита преимущественно применяются автоклавы с острым паром, так как автоклавы с поверхностным нагревом и механическим перемешиванием имеют ряд сущест­венных конструктивных и технологических недостатков, важ­нейшими из которых являются следующие:

   1. поверхностный нагрев (с подачей греющего пара в ру­башку с двойными ставками) значительно усложняет и удоро­жает конструкцию автоклава;

   2. такой автоклав обладает пониженным коэффициентом теплопередачи;

   3. с поверхностным нагревом неизбежно связано образова­ние корки шлама, нарастающей на внутренней поверхности; ав­токлава;

   4. механическое перемешивание связано с дополнительным расходом электроэнергии, а также с трудностью уплотнения сальника вала мешали.

   Осуществление же нагрева пульпы путем непосредственного ввода в автоклав острого пара, используемого одновременно и как средство перемешивания пульпы, дает возможность устра­нить эти недостатки и удешевить операцию выщелачивания.

   Автоклавы, применяемые на практике для выщелачивания боксита, представляют собой клепаные стальные цилиндры большой механической прочности. Автоклавы с механической мешалкой и поверхностным нагревом обычно расположены горизонтально (фиг. 23), а с применением острого пара — вертикально (фиг. 24).

   В последнем случае автоклав имеет сферическое верхнее и коническое нижнее днища. В верхнем днище автоклава распо­ложены отверстия для подачи щелочного раствора, загрузки боксита или пульпы, манометр и предохранительный клапан. Через верхнее днище пропущена вертикальная труба, доходя­щая почти до низа автоклава, по которой производится раз­грузка (выдавливание) пульпы по окончании операции выщелачивания. Нижнее днище оканчивается патрубком, через кото­рый осуществляется подача острого пара.

   Для установки автоклава верти­кальном положении к корпусу ци­линдра приварены четыре диамет­рально расположенные лапы, кото­рыми автоклав опирается на поддер­живающую конструкцию. С целью устранения значительных тепловых потерь на наружную поверхность корпуса автоклава нанесен слой теп­ловой изоляции.

   Промышленные автоклавы, приме­няемые для выщелачивания боксита, могут быть охарактеризованы, например, такими размерами: рабочий объ­ем 27 м³, высота 9,6 м и диаметр 2,3 м.

   Цикл процесса выщелачивания боксита в автоклаве складывается из ряда следующих операций: а) загруз­ки боксита и щелочи (или пульпы), б) подъема давления в автоклаве до максимального, в) выщелачивания при максимальном давлении и г) раз­грузки автоклава (выдавливание пульпы).

   Боксит и щелочной раствор могут поступать в автоклав раздельно, часто же автоклавы наполняются подогретой (до 85—90⁰ ) пуль­пой, состоящей из тонкоизмельченного боксита и щелочного раствора, которая поступает из мельниц мокрого помола. По окончании операции загрузки в автоклав (при тщательно закры­тых вентилях на питательном и разгрузочных трубопроводах) подается острый пар. При помощи последнего осуществляются нагревание пульпы до требуемой температуры и ее перемеши­вание.

   После подъема температуры (давлении) до необходимой величины содержимое автоклава выдерживается в этих условиях в течение определенного промежутка времени, требуемого тех­нологическим режимом. Этот момент соответствует собственно выщелачиванию или варке боксита. Так как непрерывный ввод пара внутрь автоклава связан с неизбежным повышением давления, то из парового пространства автоклава во время варки отбирается определенное количество пара, барботирующего че­рез толщу пульпы. Поддерживать постоянство давления в ав­токлаве, за счет сильного сокращения подачи пара не представ­ляется возможным из-за необходимости энергичного переме­шивания пульпы в течение всего времени варки. Поэтому весь пар, поступающий в автоклав в процессе варки (за исключени­ем небольшой части, расходуемой на компенсацию тепловых потерь), барботирует через толщу пульпы, перемешивая ее; после этого барботажный пар выводится через штуцер, распо­ложенный в верхней части автоклава.

   Барботажный пар обладает давлением, равным давлению в автоклаве, и используется обычно для первоначального нагре­вания пульпы (в другом автоклаве) до температуры, близкой к температуре варки. Свежий же пар, несколько более высоко­го давления, расходуется для окончательного подогрева пуль­пы и барботажа в процессе варки. Если, например, процесс вы­щелачивания боксита требует поддержания 12 ат (195°) то свежий острый пар, вводимый в автоклав, должен обладать давлением не ниже 15 ат.

   По окончании выщелачивания пульпа из автоклава выгру­жается (вытесняется) через вертикальную разгрузочную трубу давлением пара, заполняющего свободное пространство над пульпой. В этот момент подача пара в автоклав и отбор его из автоклава прекращаются, а затем открывается вентиль, рас­положенный на разгрузочной трубе, по которой Пульпа и вы­тесняется в самоиспаритель (сепаратор пара). Последний пред­ставляет собой полый цилиндр со сферическим верхним и ко­ническим нижним днищами. Посредине цилиндрической части самоишаригеля приварена труба, по которой поступает пульпа из автоклава. Выпуск пульпы из самоиспарителя осуществляет­ся через нижнее коническое днище, а отбор пара — по паро­проводу, присоединенному в центре верхнего сферического Днища.

   В результате резкого снижения давления (например с 12 до З ат) пульпа в самоиспарителе бурно вскипает с выделением больших количеств пара. Пар из соамоиспарителя используется для нужд производства с целью подогрева растворов, пульпа же поступает на дальнейшую обработку.

   Ниже приведены примерные данные, характеризующие сос­тав пульпы, поступающей в автоклаву на выщелачивание и вы­гружаемой из самоиспарителя после операции варки. До выщелачивания:

После выщелачивания:

Извлечение Al₂O₃ из боксита при выщелачивании составляет обычно не меньше 80—85%.

   Автоклав в процессе выщелачивания бокіситов по Байеру является, таким образом, периодически действующим аппара­том, работа которого складывается из ряда следующих один за другим циклов.

   Цех (или отделение) выщелачивания на глиноземном заводе, работающем по способу Байера, оборудуется обычно серией автоклавов, производительность каждого из которых может быть рассчитана по формуле:

q=V/T*γ*η т/час,

где V — рабочий объем автоклава, м³;

Т — длительность полного цикла операции выщелачивания боксита в час;

γ  — удельный вес пульпы, загружаемой в автоклав;

η — коэффициент использования автоклава (т. е. отношение количества рабочих часов автоклава в году к общему числу часов в году).

   Если, например, примем рабочий объем типового автоклава V = 27 м³, общую продолжительность цикла выщелачивания Т = 5 час., удельный вес γ — 1,62 и коэфициент использова­ния автоклава η = 0,95, то продолжительность автоклава по­лучим равной 8,3 т/час.

   Производительность автоклавов периодического действия зависит, таким образом, прежде всего от продолжительности его рабочего цикла, т. е. периода времени от момента одной загрузки до следующей. Продолжительность рабочего цикла, в свою очередь, складывается из продолжительности отдельных операций

T=t₁+ t₂+ t₃+ t₄;

где, соответственно

t₁ — продолжительность загрузки автоклава,

t₂ — продолжительность нагрева содержимого автоклава до

заданной температуры,

t₃ — продолжительность варки и

t₄ — продолжительность разгрузки автоклава.

   Длительность первой и последней операций t₁ + t₂ зависит от диаметров трубопроводов, их состояния и мощности насо­са. Поэтому для максимального сокращения продолжительности этих операций необходимо следить за состоянием питающих и разгрузочных линий и периодически производить очистку их от осадков.

   Значительного увеличения производительности автоклава можно достигнуть при организации непрерывного процес­са выщелачивания в батарее последовательно соединенных автоклавов, так как в этом случае будут отсутствовать затраты времени на загрузку и выгрузку автоклава.

Производительность непрерывно действующей батареи авто­клавов может быть определена по формуле:

Q=n*V/t γ*η т/час,

где n — число автоклавов в батарее и t  = t₂ + t₃ и — продолжительность технологических операций (предварительного нагрева и варки).

   Осуществление непрерывного автоклавного процесса являет­ся одним из наиболее радикальных мероприятий по увеличению производительности операции выщелачивания в способе Бай­ера.

   Подобного рода процесс получил практическое разрешение на новом американском алюминиевом заводе в Листерхилл (штат Алабама) где выщелачивание бокситовой пульпы осу­ществляется в двух длинных горизонтальных непрерывно действующих автоклавах (диаметром 2,4 м и длиной 21,6 м).

   Для удержания твердых частиц во взвешенном состоянии каждый из автоклавов снабжен перемешивающим механизмом. Впускное отверстие для бокситовой пульпы расположено в верх­ней части цилиндрического корпуса автоклава, а выпускное — в нижней его части, что облегчает перемешивание и ускоряет выделение грубых частиц из красного шлама.

   Для обеспечения необходимой продолжительности выдержки пульпы в автоклавах два из них соединены последовательно ме­жду собой. В первый из этих автоклавов вводится острый пар. что имеет целью достигнуть внутри автоклавов температуры равной 143° при которой осуществляется выщелачивание.

   Пар под давлением 8,8 кг/с м² подастся через четыре сопла, расположенные на стороне впуска бокситовой пульпы. Третий автоклав является резервным.

   Продолжительность выщелачивания в указанных условиях составляет 3/4 часа. Пульпа после выщелачивания непрерывно выпускается из второго автоклава и под собственным давлением, как обычно, поступает в самоиспаритель.