Расчет материального баланса производства глинозема способом Байера. Оценка распределения в нем органических примесей

 

Курсовой проект

Расчет материального баланса производства глинозема способом Байера. Оценка распределения в нем органических примесей

1. Способ Байера. Общие сведения

 

Промышленные способы получения глинозема

Из различных алюминиевых руд глинозем можно получать щелочными и кислотными способами вследствие наличия у него амфотерных свойств. В промышленности применяются пока только щелочные способы; чисто кислотные и кислотно-щелочные способы находятся в стадии лабораторных и полузаводских исследодваний.

Промышленные щелочные способы производства глинозема из бокситов, нефелинов и алунитов подразделяют на:

1.      гидрохимический (способ Байера);

2.      способ спекания;

3.      комбинированный способ (сочетание способа Байера со способом спекания в параллельном или последовательном варианте).

Для нефелиновых руд применяется только способ спекания с известняком или с известняком и содой. выбор же способа переработки бокситов определяется следующими основными факторами:

1.      кремневым модулем;

2.      содержанием Fe₂O₃;

.        содержанием вредных примесей: карбонатов, сульфидов и органических веществ;

.        минералогическим составом сырья.

При прочих благоприятных условиях бокситы с кремневым модулем >6-7 целесообразно перерабатывать по способу Байера, бокситы с кремневым модулем <6 и с умеренным содержанием оксида железа (не более 20% Fe₂O₃) - по последовательному варианту комбинированного способа Байер-спекание и, наконец, бокситы с модулем <6, но с повышенным содержанием Fe₂O₃ - по способу спекания. Под благоприятными условиями имеется в виду малое содержание в бокситах карбонатов и сульфидов (особенно FeCO₃ и FeS₂). Из-за повышенного содержания этих примесей может оказаться невыгодным способ Байера для бокситов с кремневым модулем >6-7 вследствие больших потерь каустической щелочи (переход ее в соду и сульфат натрия), плохого отстаивания красного шлама и загрязнения алюминатных растворов двухвалентным железом.

Способ Байера - самый дешевый и самый распространенный, однако лдя его осуществления требуются высококачественные бокситы. Способ спекания - наиболее дорогой, но более универсальный и может применяться к любому высококремнистому алюминиевому сырью. С большим успехом применяются комбинированные щелочные способы. Параллельный вариант используют для термической каустификации соды и компенсации потерь дорогой каустической щелочи более дешевой содой; для спекательной ветви этого варианта может применяться как высококачественный байеровский боксит, так и спекательный. Последовательный вариант комбинированного способа по технико-экономическим показателям занимает промежуточное положение между способом Байера и способом спекания и применяется для высококремнистых бокситов для максимального извлечения из них глинозема.

Основы способа Байера

Способ Байера основан на свойстве алюминатных растворов находится в устойчивом состоянии при повышенных температурах и концентрациях и на самопроизвольном их разложении (гидролизе) с выделением в осадок гидроксида алюминия при понижении температуры и концентрации. В основу этого способа положены патенты К. Байера (Германские патенты №43977 от 3 августа 1889 г. и №65604 от 3 сентября 1892 г.), работавшего в России на химическом заводе в Санкт-Петербурге. Согласно этим патентам получение глинозема из бокситов заключается в выщелачивании их оборотными алюминатно-щелочными растворами, отделении красного шлама и разложении насыщенных алюминием алюминатных растворов при перемешивании с затравкой - свежеосажденным гидроксидом алюминия.

Принципиальная схема способа Байера представлена на рис. 1. В зависимости от состава боксита и местных условий могут быть различные варианты этой схемы.

Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим оъемом оборотного щелочного раствора (ж:т = 0,8-1,2) и направляют в мельницу мокрого размола. Такое низкое отношение ж:т в мельнице обеспечивает максимальную ее производительность. К диаспоровому бокситу добавляют 3-5% извести. Мельницы обычно работают в замкнутом цикле с реечными или спиральными классификаторами, которые иногда заменяют или дополняют гидроциклонами. Пульпа из мельниц собирается в сборниках, куда подают остальное количество оборотного раствора. Здесь ее нагревают паром сепарации до 90-100°С и выдерживают несколько часов при перемешивании для предварительного обескремнивания боксита, т.е. перевода большей части кремнезема из боксита в раствор и далее в осадок в виде гидроалюмосиликата натрия. Этим достигается меньшее зарастание алюмосиликатной накипью трубок подогревателей, через которые проходит пульпа в автоклавы.

Далее пульпа нагревается в системе подогревателей и подается в автоклавную батарею для выщелачивания боксита. Из последнего автоклава батареи «варения» пульпа перетекает в систему сепараторов (пароотделителей), где от самоиспарения алюминатного раствора образуется пар, используемый для предварительного нагрева пульпы в подогревателях перед автоклавами. из последнего сепаратора охлажденная пульпа поступает в мешалки для разбавления промывной водой и далее на отделение и промывку красного шлама в систему сгустителей, работающих по принципу противотока.

Промытый и сгущенный в последнем сгустителе красный шлам откачивается в отвал на шламовое поле, а алюминатный раствор (слив) из первого (основного) сгустителя подается на контрольную фильтрацию для полного отделения взвеси шлама. Чистый алюминатный раствор охлаждается до 55-60°С в теплообменниках и поступает вместе с затравочным гидроксидом на разложение (декомпозицию) в батарею декомпозеров.

После разложения в течении 40-100 ч полученная пульпа гидроксида алюминия поступает на сгущение, отделяется маточный раствор (слив), а сгущенный гидроксид алюминия после классификации по крупности (или без нее) делят на две части: одну часть (крупная фракция в случае классификации) тщательно отмывают от щелочи и отправляют на кальцинацию; другую часть (около ¾ всего гидроксида) используют в качестве затравки. Иногда затравочный гидроксид также предварительно промывают, но не так тщательно, как товарый (для кальцинации).

Маточный алюминатный раствор с  и воду от промывки гидроксида (промводу) направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, где концентрацию Na₂O_к в растворе повышают до 200-300 г./л. Так как растворимость соды уменьшается с повышением содержания каустической щелочи в растворе, то часть соды выпадает в виде одноводной по мере выпаривания маточного раствора. При установившемся процессе выпариванием выделяется столько же соды, сколько ее накапливается за весь процесс. Этим предотвращается накопление соды в растворе, и концентрация ее поддерживается в определенных пределах.

Для уменьшения удельного расхода свежей каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют в воде для каустификации известковым молоком. Получающийся при этом разбавленный раствор каустической щелочи упаривают вместе с маточным раствором или же в отдельных выпарных аппаратах. К упаренному маточному раствору добавляют свежую едкую щелочь для возмещения химических и механических потерь ее, и раствор направляют на выщелачивание боксита.

Готовый гидроксид алюминия фильтруют и прокаливают при температуре около 1200°С во вращающихся трубчатых печах, топочные газы которых тщательно очищают от глинозема.

Взаимодействие органических веществ с растворами NaOH

Помимо основных составляющих - Al2O3, Fe2O3, SiO2 и TiO2, входящих в состав различных минералов, в бокситах могут содержаться многочисленные примеси органических веществ, соединений серы, фосфора, ванадия, хрома, галлия, фтора и др. в малых или незначительных количествах.

В производстве глинозема по способу Байера маточные растворы - оборотные, поэтому даже незначительные примеси в боксите постепенно могут накапливаться в процессе, осложняя его и загрязняя Al(OH)₃.

Органические вещества содержатся в бокситах в форме гуминов и битумов. Гуминовые вещества состоят главным образом из гуминовых кислот - продукта превращения лигина. Они хорошо реагируют с растворами щелочей, образуя различные соединения щелочных гуматов, превращающихся в легко растворимый оксалат натрия и в разные смолистые вещества, дающие с едкой щелочью коллоидные растворы.

Гумины имеют сложный состав, химическая формула которых до настоящего времени не установлена. Элементарный состав гуминов может быть выражен следующими средними цифрами: 58% С, 36% О₂, 4% Н₂, 2% N₂ и некоторых др.

Битумы отличаются от гуминов большим содержанием углерода и водорода, они мало растворяются в щелочных растворах. Следовательно, не вся органика, содержащаяся в бокситах, должна рассматриваться как одинаково вредная примесь.

Хотя содержание органических веществ в бокситах составляет только сотые доли процента, а в раствор переходит только гуминовая доля и то лишь часть ее, но, как показала практика, через определенное число циклов в растворах накапливаются значительные количества этих веществ. Многие органические вещества оказывают вредное влияние на выщелачивание бокситов, на сгущение и промывку красного шлама вследствие заметного повышения вязкости алюминатных растворов, причем гидроксид алюминия получается более мелкий. Наконец, эти вещества ухудшают работу выпарных аппаратов и кристаллизацию соды из оборотных растворов.

Основной источник органических веществ - боксит; кроме того, они попадают в растворы в результате взаимодействия их с фильтровальным полотном и органическим флокулянтом (ржаной мукой). Органические вещества частично удаляются на разных переделах, больше всего с красным шламом, готовым гидроксидом алюминия, моногидратом соды (рыжей содой), выделяющимся при выпарке маточных растворов, и с известковым шламом от каустификации рыжей соды. Чем больше органических веществ, тем больше их выходит из цикла этими путями.

По достижении в цикле определенного количества органических веществ наступает равновесие между их поступлением и выводом. При таком равновесии содержание этих веществ должно оставаться ниже предельного, в противном случае нужны дополнительные меры для очистки растворов. Обжиг, а в некоторых случаях и промывка бокситов могут снизить предельную концентрацию органических веществ в алюминатных растворах.

Среди упомянутых выше поглотителей органических веществ из алюминатных растворов на разных переделах наилучшая адсорбционная способность у моногидрата соды. Из-за адсорбции быстро прекращается рост кристалликов моногидрата; выпадающий осадок состоит из мельчайших частиц, следовательно, имеет большую удельную поверхность, а концентрация органических веществ в выпарном растворе до начала кристаллизации соды наибольшая. Моногидрат соды окрашен органикой, поэтому на заводах его называют «рыжей содой». Гидроксид алюминия, полученный декомпозицией, тоже окрашен органическими веществами: он розоватый в отличие от белоснежного гидроксида, получаемого по способу спекания.

Количество органических веществ, адсорбируемых красным шламом, зависит от его выхода, минералогического и дисперсионного состава, т.е. от активной поверхности шлама, а так же от концентрации органических веществ в алюминатном растворе.

 

2. Материальный баланс производства глинозема из бокситов по способу Байера

 

Исходные данные

1.      химический состав боксита, %:

Al₂O₃ 54,0; Fe₂O₃ 23,6; SiO₂ 4,0; TiO₂ 2,2; CaO 2,0; CO₂ 1,6; п.п.п. 11,0; прочие 1,6 (всего 100%); влага (H₂O) 7,0;

.        химический состав извести, %:_акт 86,4; CaO_связ 2,6; SiO₂ 3,6; CO₂ 2,0; прочие 5,4 (всего 100%); влага (H₂O) 7,0;

.        товарный выход Al₂O₃ 89,0%;

4.      расход извести 3,0% от массы сухого боксита;

.        состав оборотного раствора, г/л:

Na₂O_к 300,0; Al₂O₃ 129,87; Na₂O_у 26,10; CO₂ 18,52; H₂O 945,50; плотность 1420 кг/м³; α_к=3,8;

.        состав алюминатного раствора Al₂O₃ 145,15 г./л; плотность 1240 кг/м³; α_к=1,7;

7.      потери Na₂O 62,9 кг;

.        ж:т в уплотненной пульпе со сгустителя 3,0; с последнего промывателя 2,5;

.        содержание Na₂O в жидкой фазе отвального шлама 2,145 г./л;

.        разбавление пульпы при выщелачивании с учетом самоиспарения в сепараторах составляет 1,5%;

.        затравочное отношение (З.О.) 2,0; влажность затравочной гидроокиси алюминия 20,0%; в сгущенной гидроокиси алюминия ж:т=1,0;

.        расход воды на промывку гидроокиси алюминия 1 т, влажность отфильтрованной гидроокиси 10,0%;

.        с моногидратом соды увлекается оборотного раствора 25% от массы влажного осадка;

.        количество извести при каустификации 125% от стехиометрического; степень каустификации 90%;

.        Na₂O_общ в растворе известковой пульпы 10,0%, содержание влаги в отвальном известковом шламе 25,8%.

Расчет потерь

При товарном выходе Al₂O₃ 89,0%, если в 1 т полученного глинозема содержится 990,0 кг Al₂O₃, потребуется сухого боксита кг. В нем должно содержаться кг Al₂O₃.

Следовательно, общие потери Al₂O₃ составляют  кг. Из этого количества потерь Al₂O₃ при дроблении теряется 0,2% Al₂O₃, или кг, что соответствует потере кг сухого боксита.

На размол поступает кг сухого боксита и сухой извести кг. Потери Al₂O₃ те же, что и при дроблении, т.е. в сырой пульпе, поступающей на автоклавное выщелачивание, содержится кг сухого боксита.

На выщелачивание поступает, кг:

С бокситом
Al2O3		2051,70·0,540=1107,92
Fe2O3		2051,70·0,236=484,20
SiO2		2051,70·0,040=82,07
TiO2		2051,70·0,022=45,14
CaO		2051,70·0,020=41,03
CO2		2051,70·0,016=32,83
П.п.п.		2051,70·0,110=225,68
Прочие		2051,70·0,016=32,83
Итого		2051,70
Влага		2051,70·0,07=143,62
С известью
CaO		61,67·0,89=54,89
SiO2		61,67·0,036=2,22
CO2		61,67·0,02=1,23
Прочие		61,67·0,054=3,33
Итого		61,67
Влага		61,67·0,05=3,08

Каустика необходимо ввести: м³ или кг.

С каустиком поступает, кг:

Na2Oобщ		62,90
CO2		5,1·0,141=0,72
H2O (по разности)		139,42
Итого		203,04

Примерный состав красного шлама, кг:

Al2O3		, без учета потерь от гидролиза, где 8,2 и 11,0% - потери Al2O3 с красным шламом в нерастворимой форме и общие потери (см. табл. 1)
Na2O		41,70
Fe2O3		484,20
TiO2		45,14
SiO2		82,07+2,22=84,29
CaO		41,03+54,89=95,92
Прочие		32,83+3,33=36,16
П.п.п.		63,19

В красном шламе должно содержаться Fe₂O₃, TiO₂, SiO₂, CaO и прочих столько, сколько этих компонентов в автоклавной пульпе.

Масса красного шлама без учета п.п.п. равна кг. П.п.п. подсчитываем так:

.        SiO₂ находится шламе в составе гидроалюмосиликата натрия Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O; тогда с 84,29 кг SiO₂ связаны кг Al₂O₃ и кг H₂O;

.        CaO в шламе находится в составе CaO·TiO₂·H₂O; тогда с 45,14 кг TiO₂ связанно кг H₂O;

3.      Al₂O₃, не связанный в гидроалюмосиликат натрия, находится в шламе в составе 3CaO· Al₂O₃·6H₂O; тогда с кг Al₂O₃ связанно кг H₂O;

.        примем, что 1,85 Fe₂O₃ находятся в шламе в виде Fe(OH)₃, тогда с кг Fe₂O₃ будет связанно кг H₂O.

Итого п.п.п.кг. Всего масса шлама кг, а с учетом потерь 7,79 кг Al₂O₃ от гидролиза масса шалма составит кг.

Химические потери Na₂O несколько ниже, чем то количество, которое должно быть связанно в составе Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O с 84,29 кг SiO₂ т.е. в гидроалюмосиликате натрия часть Na₂O замещена оксидом кальция.

Вследствие неполной отмывки с отвальным шламом теряется кг Na₂O, в том числе 4,69 кг Na₂O_к, где 2,5 это ж:т в отвальном шламе; 2,145 - содержание Na₂O в жидкой фазе отвального шлама, г/л.

При  в жидкой фазе отвального шлама потери Al₂O₃ составят 4,45 кг, или 0,40%. Остальные потери Al₂O₃ по переделам принимаем по данным практики.

Составляем таблицу потерь (табл. 1).

Таблица 1. Потери Al₂O₃ и Na₂O

Статьи потерь	Al2O3		Na2O, кг
	% от содержания в боксите	кг
При хранении и дроблении	0,2	2,22	-
При размоле	0,2	2,22	0,5
В красным шламом:
в нерастворимой форме	8,2	91,21	41,7
в растворимой форме	0,4	4,45	5,19
за счет гидролиза	0,7	7,79	-
При декомпозиции	0,2	2,23	3,8
При выпарке и выделении соды	0,2	2,23	4
С известковым шламом	0,2	2,22	3,8
При кальцинации (и с итоговой продукцией)	0,7	7,79	4
Всего	11	122,36	62,9

Расчет состава и количества оборотного раствора

Выход Al₂O₃ при декомпозиции

.

Следовательно, в составе алюминатного раствора, поступающего на декомпозицию, содержится Al₂O₃, кг:

,

где 7,79 - потери Al₂O₃ на кальцинации, кг;

,0 - содержание Al₂O₃ в 1 т глинозема, кг.

Если бы отсутствовали механические потери на декомпозиции, то в маточном растворе осталось Al₂O₃, кг:

.

С учетом потерь Al₂O₃ на декомпозиции, выпарке и каустификации соды получим, что в оборотном растворе содержится Al₂O₃, кг:

 (см. табл. 1).

При  в нем содержится Na₂O_к ;

₂O_у = 8% от Na₂O_общ, т.е. .

 г/л.

Объем оборотного раствора, м³: ;

Масса оборотного раствора, кг: ;

 кг;

 кг;

 кг.

Масса сырой пульпы = масса влажного боксита + масса влажной извести + масса каустической щелочи + масса оборотного раствора.

Масса сырой пульпы, кг: , где 0,50 - потери Na₂O при размоле, кг.

Разбавление пульпы при выщелачивании с учетом самоиспарения в сепараторах составляет 1,5%, или  кг.

На основании полученных данных составляем баланс автоклавного выщелачивания (табл. 2).

Разбавление и уплотнение пульпы. Промывка красного шлама

Принимаем, что концентрация Na₂O_к в жидкой фазе разбавленной пульпы (или в алюминатном растворе) 150,0 г/л; тогда при  концентрация Al₂O₃ 145,15 г./л.

При  концентрация Na₂O_у в алюминатном растворе будет  г/л, а концентрация CO2  г/л. При плотности раствора 1240 кг/м³ концентрация H₂O составит, г/л:

.

Состав алюминатного раствора приведен в табл. 3.

Со шламом увлекается алюминатного раствора  кг,

где 937,69 - масса красного шлама без учета потерь с ним Al₂O₃ в составе Al(OH)₃, кг;

Таблица 2. Баланс автоклавного выщелачивания

Введено, кг			Получено, кг
Боксит:			Автоклавная пульпа:
Al2O3		1107,92	Al2O3		1909,08
Fe2O3		484,20	Na2Oобщ		2073,90*
SiO2		82,07	Fe2O3		484,20
TiO2		45,14	SiO2		84,29
CaO		41,03	TiO2		45,14
CO2		32,83	CaO		95,92
прочие		32,83	CO2		149,02
п.п.п.		225,68	прочие		36,16
H2O		143,62	п.п.п.		225,68
Итого		2195,32	H2O		6286,09
			Итого		11389,48
Известь:
CaO		54,89
SiO2		2,22
CO2		1,23
прочие		3,33
H2O		3,08
Итого		64,75
Каустик:
Na2Oк		61,89
Na2Oу		1,01
CO2		0,72
H2O		139,42
Итого		203,04
Оборотный раствор:
Al2O3		801,16
Na2Oк		1850,52
Na2Oу		160,98
CO2		114,24
H2O		5831,66
Итого		8758,56
Конденсат		168,31
Всего		11389,98	Всего		11389,98*
*За вычетом потерь (0,5 кг Na2O) на размоле.

Таблица 3. Состав алюминатного раствора

Компоненты	Концентрация
	г/л	%
Al2O3	145,15	11,71
Na2Oк	150,00	12,10
Na2Oу	12,95	1,04
CO2	9,19	0,74
H2O	922,71	74,41
Всего	1240,0	100,0

В этом растворе содержится, кг:

Al2O3		2813,07·0,1171=329,41
Na2Oк		2813,07·0,121=340,38
Na2Oу		2813,07·0,0104=29,26
CO2		2813,07·0,0074=20,82
H2O		2813,07·0,7441=2093,20

С жидкой фазой отвального шлама теряется 4,45 кг Al₂O₃ и 5,09 кг Na₂O_общ, в том числе 4,69 кг Na₂O_к и 0,40 кг Na₂O_у. Потери за счет гидролиза составляют 7,79 кг Al₂O₃ и 4,12 кг H₂O.

Тогда с 1-й промводой возвращается на разбавление, кг:

Al2O3		329,41-4,45-7,79=317,17
Na2Oк		340,38-4,69=335,69
Na2Oу		29,26-0,40=28,86
CO2		20,82-0,28=20,54
H2O (по разности)		7129,91
Итого		7832,17

С промводой на разбавление автоклавной пульпы поступает вода, количество которой определяется как разность между количествами воды в алюминатном растворе, красном шламе и автоклавной пульпе.

В алюминатном растворе на 117,10 кг Al₂O₃ приходится 744,10 кг H₂O (см. табл. 3), а на  кг Al₂O₃ приходится H₂O

 кг,

где 1909,08 - содержание Al₂O₃ в автоклавной пульпе, кг;

,21 - то же, Al₂O₃ в красном шламе, кг;

,17 - то же, Al₂O₃ в 1-й промводе, кг.

H₂O в промводе содержится:

 кг,

,19 - п.п.п. в красном шламе;

,68 - п.п.п. а автоклавной пульпе (см. табл. 2);

,09 - H₂O в автоклавной пульпе (см. табл. 2).

На основании расчетов составляем балансы разбавления, уплотнения и промывки красного шлама (табл. 4-6).

Таблица 4. Баланс разбавления

Введено, кг			Получено, кг
Автоклавная пульпа (см. табл. 2):			Разбавленная пульпа		19034,38
Al2O3		1909,08	Красный шлам:
Na2Oобщ		2073,90	Al2O3		91,21
Fe2O3		484,20	Na2O		41,70
SiO2		84,29	Fe2O3		484,20
TiO2		45,14	TiO2		45,14
CaO		95,92	SiO2		84,29
CO2		149,02	CaO		95,92
прочие		36,16	Прочие		36,16
п.п.п.		225,68	П.п.п.		59,07
H2O		6286,09	Итого		937,69
Итого		11389,48
Промвода (см. с. 7):			Алюминатный раствор (по разности):
Al2O3		317,17	Al2O3		2135,04
Na2Oк		335,69	Na2Oк		2157,83
Na2Oу		28,86	Na2Oу		238,92
CO2		20,54	CO2		169,56
H2O		7129,91	H2O		13582,61
Итого		7832,17	Итого		18283,96
Всего		19221,65	Всего		19221,65

Таблица 5. Баланс уплотнения

Введено, кг			Получено, кг
Разбавленная пульпа:			Красный шлам		937,69
красный шлам (см. табл. 4)		937,69	Алюминатный раствор (в красном шламе):
алюминатный раствор:			Al2O3		329,41
Al2O3		2135,04	Na2Oк		340,38
Na2Oк		2157,83	Na2Oу		29,26
Na2Oу		238,92	CO2		20,82
CO2		169,56	H2O		2093,20
H2O		13582,61	Итого		2813,07
Итого		18283,96
			Алюминатный раствор на декомпозицию (по разности):
			Al2O3		1805,63
			Na2Oк		1817,45
			Na2Oу		209,66
			CO2		148,74
			H2O		11489,41
			Итого		15470,89
Всего		19221,65	Всего		19221,65

Таблица 6. Баланс промывки красного шлама

Введено, кг		Получено, кг
Красный шлам (без учета гидролиза) (см. табл. 5)	937,69	Отвальный шлам (с учетом гидролиза)			949,60
Алюминатный раствор (в красном шламе) (см. табл. 5):		Жидкая фаза отвального шлама:
Al2O3	329,41	Al2O3		4,45
Na2Oк	340,38	Na2Oк		4,69
Na2Oу	29,26	Na2Oу		0,40
CO2	20,82	CO2		0,27
H2O	2093,20	H2O		2364,19
Итого	2813,07	Итого		2374,00
Свежая вода на промывку	7405,01	Промвода на разбавление (по разности):
		Al2O3		317,17
		Na2Oк		335,69
		Na2Oу		28,86
		CO2		20,54
		H2O		7129,91
		Итого		7832,17
Всего	11155,77	Всего		11155,77

Разложение алюминатного раствора (декомпозиция)

Из 1805,63 кг Al₂O₃, поступающих на декомпозицию, в оборотном растворе остается 801,16 кг (см. табл. 2). Теряется на декомпозиции, выпарке и каустификации 6,68 кг Al₂O₃ (см. табл. 1). Следовательно, с гидроксидом алюминия выпадает  кг Al₂O₃. Выход при декомпозиции . В маточном растворе остается  кг Al₂O₃, а щелочи - такое же количество, что и в алюминатном растворе за вычетом потерь Na₂O на декомпозиции (см. табл. 1), кг:

Na2Oк	1817,45-3,41=1814,04
Na2Oу	209,66-0,39=209,27
CO2	148,74-0,28=148,46
H2O	11489,41-528,24*=10961,17
Итого	13938,55
* С 997,79 кг Al2O3 в Al(OH)3 связанно 528,24 кг H2O.

Общая масса гидроксида алюминия  кг Al(OH)₃.

При затравочном отношении (отношение массы Al₂O₃ в затравке к массе Al₂O₃ в алюминатном растворе)  с затравкой вносится 3611,26 кг Al₂O₃ и 1911,84 кг H₂O. Итого 5523,10 кг Al(OH)₃. При влажности затравочного гидроксида 20% с ним поступает  кг маточного раствора.

В 1380,77 кг маточного раствора содержится, кг:

Al2O3
Na2Oк	0,009061·1814,04=179,70
Na2Oу	0,009061·209,27=20,73
CO2	0,009061·148,46=14,71
H2O	0,009061·10961,17=1085,83
Всего	1380,77

На основании расчетов составляем баланс декомпозиции (табл. 7).

Таблица 7. Баланс декомпозиции

Введено, кг			Получено, кг
Алюминатный раствор (см. табл. 5):			Пульпа гидроксида алюминия:
Al2O3		1805,63	Al(OH)3		7049,13*
Na2Oк		1817,45	Al2O3		4609,05*
Na2Oу		209,66	H2O		2440,08
CO2		148,74
H2O		11489,41	Маточный раствор (по разности)		15319,32
Итого		15470,89	Al2O3		885,41
			Na2Oк		1993,74
Затравка (гидроксид алюминия)		5523,10	Na2Oу		230,00
			CO2		163,17
Маточный раствор (в затравке):			H2O		12047,06
Al2O3		79,80	Итого		22368,45
Na2Oк		179,70
Na2Oу		20,73	Потери (см. табл. 1):
CO2		14,71	Al2O3		2,23
H2O		1085,83	Na2Oк		3,41
Итого		1380,76	Na2Oу		0,39
			CO2		0,28
			Итого		6,31
Всего		22374,76	Всего		22374,76
* Количество Al2O3 определяется как сумма Al2O3, выпадающей с гидроксидом алюминия (997,79 кг) и Al2O3, выносимой с затравкой (3611,26 кг); H2O.

Сгущение пульпы гидроксида алюминия

При сгущении пульпы гидроксида алюминия образуются сгущенная пульпа с ж:т=1,0 и маточный раствор, поступающий на выпарку. Одна часть сгущенной пульпы фильтруется и гидроксид влажностью 20,0% поступает на затравку; другая часть - продукционный гидроксид, в котором содержится 1526,03 кг Al(OH)₃, также фильтруется до влажности 10%, репульпируется водой, промывается водой и поступает на кальцинацию (на прокаливание). С продукционным гидроксидом увлекается  кг маточного раствора:

;  кг.

В этом маточном растворе содержится, кг:

Al2O3
Na2Oк	0,00996·1993,74=19,86
Na2Oу	0,00996·230,00=2,29
CO2	0,00996·163,17=1,63
H2O (по разности)	120,00

По полученным результатам составляем баланс сгущения пульпы гидроксида алюминия (табл. 8).

Таблица 8. Баланс сгущения пульпы гидроксида алюминия

Введено, кг		Получено, кг
Пульпа гидроксида алюминия (см. табл. 7):		Затравочный гидроксид (см. табл. 7)	5523,10
Al(OH)3	7049,13
		Маточный раствор затравки (см. табл. 7):
Маточный раствор (см. табл. 7)	15319,32	Al2O3	79,80
(Al2O3	885,41	Na2Oк	179,70
Na2Oк	1993,74	Na2Oу	20,73
Na2Oу	230,00	CO2	14,71
CO2	163,17	H2O	1085,83
H2O	12047,00)	Итого	1380,77
Итого	22368,45
		Продукционный гидроксид (см. с. 10)	1526,03
		Маточный раствор (в продукционном гидроксиде, см. с. 11):
		Al2O3	8,82
		Na2Oк	19,86
		Na2Oу	2,29
		CO2	1,63
		H2O	120,00
		Итого	152,60
		Маточный раствор на выпарку (по разности):
		Al2O3	796,79
		Na2Oк	1794,18
		Na2Oу
		CO2	146,83
		H2O	10841,17
		Итого	13785,95
Всего	22368,45	Всего	22368,45

Промывка продукционного гидроксида алюминия и кальцинация

Для составления баланса промывки гидроксида алюминия (табл. 9) условно принимаем, что во влаге промытого и отфильтрованного гидроксида алюминия содержится такое количество щелочи, которое соответствует потере Na₂O на кальцинации и с глиноземом, т.е. 4,0 кг Na₂O_общ, в том числе 3,6 кг Na₂O_к и 0,4 кг Na₂O_у. С этим количеством Na₂O связанно 1,6 кг Al₂O₃ и 0,28 кг CO₂.

Таблица 9. Баланс промывки гидроксида алюминия

Введено, кг		Получено, кг
Продукционный гидроксид алюминия	1526,03	Промытый гидроксид алюминия	1523,60*
В том числе:		В том числе:
Al2O3	997,79	Al2O3	996,19
H2O	528,24	H2O	527,41
Маточный раствор в продукционном гидроксиде (см. табл. 8):		Промвода (в гидроксиде) (см. табл. 1):
Al2O3	8,82	Al2O3	1,60
Na2Oк	19,86	Na2Oк	3,60
Na2Oу	2,29	Na2Oу	0,40
CO2	1,63	CO2	0,28
H2O	120,00	H2O	146,48
Итого	152,60	Итого	152,36
Свежая вода (см. исходные данные)	1000,0	Промвода на выпарку (по разности):
		Al2O3	8,82
		Na2Oк	16,26
		Na2Oу	1,89
		CO2	1,35
		H2O	974,35
		Итого	1002,67
Всего	2678,63	Всего	2678,63
* Условно принимаем, что вымывается кг Al(OH)3, в том числе 1,6 кг Al2O3 и 0,83 кг H2O.

Таблица 10. Баланс кальцинации гидроксида алюминия

Введено, кг		Получено, кг
Промытый гидроксид алюминия	1523,60	Глинозем:
Провода (в гидроксиде) (см. табл. 9):		Al2O3	990,0
Al2O3	1,60	п.п.п. + примеси	6,5
Na2Oк	3,60	Na2O	3,5
Na2Oу	0,40	Итого	1000,0
CO2	0,28
H2O	146,48	Потери (см. табл. 1):
Итого	152,36	Al2O3	7,79
		Na2Oу	0,40
		CO2	0,28
		H2O	667,56
		Итого	675,96
Всего	1675,96	Всего	1675,96

Каустификация соды

Так как растворимость соды с повышением концентрации щелочи понижается, то при упаривании маточного раствора часть соды выкристаллизовывается в виде моногидрата, который затем растворяют в воде и подвергают каустификации.

Количество соды, выпадающей из раствора за каждый цикл процесса Байера, равно количеству соды, перешедшему в раствор за тот же период. В оборотном растворе после упаривания маточного раствора должно содержаться (с учетом потерь на выпарке) (см. табл. 1 и 2), кг:

Na2Oк		1850,52
Na2Oу		160,98
CO2		114,24
Al2O3		801,16
H2O		5831,66
Итого		8758,56,

а в маточном растворе (и в промводе) содержится (см. табл. 8 и 9), кг:

Na2Oк		1794,18+16,26=1810,44
Na2Oу		206,98+1,89=208,87
CO2		146,83+1,35=148,18
Al2O3		796,79+8,82=805,61

Следовательно, на выпарке в составе моногидрата соды выделяется  кг Na₂O_у. С этим количеством Na₂O_у связанно 37,76 кг CO₂ и 15,45 кг H₂O:

Na₂CO₃ кг;  кг Na₂CO₃·H₂O.

Общая масса моногидрата соды 106,42 кг; с ним увлекается 25% (от массы влажного осадка) оборотного раствора , т.е. .

Отсюда  кг, или  м³; в оборотном растворе содержится (см. состав оборотного раствора), кг:

Na2Oк		0,025·330=7,5
Na2Oу		0,025·129,87=3,25
CO2		0,025·26,10=0,65
Al2O3		0,025·18,52=0,46
H2O		0,025·945,50=23,61
Итого		35,47

В соответствии с реакцией каустификации

Na₂CO₃ + CaO + H₂O → CaCO₃ + 2NaOH

при условии, что извести берется 125% от стехиометрического (см исходные данные) количества, ее потребуется:  кг СаО или  кг технической извести, в которой содержится 60,07 кг СаО (0,864 - содержание СаО_акт в извести, кг); 9,46 кг примесей, в том числе 1,81 СаО_св, 1,39 кг СО₂ и  кг H₂O (см. состав извести).

При степени каустификации 90% прореагирует  кг СаО_акт, а  кг СаО перейдет в шлам вместе с 9,46 кг примесей.

В результате взаимодействия 43,25 кг СаО образуется  кг CaCO₃, в том числе  кг СО₂ и  кг Na₂O_к.

Для растворения моногидрата соды берется такое количество воды, чтобы получить 10%-ный раствор Na₂O_общ, т.е.  кг. Общее количество H₂O  кг.

Известь гасят промводой известкового шлама из расчета получения известкового молока с содержанием 300 г./л СаО (ρ=1250 кг/м³).

На 60,07 кг СаО потребуется  кг H₂O.

Следовательно, в содоизвестковую пульпу поступает вода из следующих источников, кг:

С моногидратом соды	15,45
С оборотным раствором	23,61
С известковым молоком	190,22
Итого	229,28

Отсюда на растворение соды должно быть подано свежей воды  кг. Отвальный известковый шлам содержит, кг:

СаО		43,25+16,82+1,81=61,88
Na2Oу		3,80
Al2O3		2,22
Примеси		9,46 - (1,81+1,39)=6,26
СО2		33,98+1,39=35,37
П.п.п.		2,35
Итого		108,08

С ним увлекается  кг щелочного раствора.

На основании полученных расчетных данных составляем баланс каустификации соды (табл. 11).

Таблица 11. Баланс каустификации соды

Введено, кг		Получено, кг
Моногидрат соды (см. с. 14-15):		Известковый шлам (см. с. 15):
Na2Oу	53,21	СаО	61,88
СО2	37,76	Al2O3	2,22
H2O	15,45	примеси	6,26
Итого	106,42	СО2	35,37
		п.п.п.	2,35
Оборотный раствор с моногидратом соды (см. с. 14):		Итого	108,08
Al2O3	3,25
Na2Oк	7,50	Отвальная вода с известковым шламом (см. табл. 1):
Na2Oу	0,65	Na2Oк	3,78
CO2	0,46	Na2Oу	0,02
H2O	23,61	CO2	0,02
Итого	35,47	H2O	32,45
		Итого	36,27
Известковое молоко (см. с. 14-15):
СаО	61,88	Щелочной раствор на выпарку (по разности):
СО2	1,39	Al2O3	1,03
примеси	6,26	Na2Oк	51,61
H2O	190,22	Na2Oу	5,95
Итого	259,75	CO2	4,22
		H2O	517,44
Вода на расторение соды (см. с. 14-15)	322,96	Итого	580,25
Всего	724,60	Всего	724,60

Выпарка и отделение соды

Для составления баланса выпарки (табл. 12) следует учитывать, что в результате упаривания маточного раствора, промводы гидроксида алюминия и щелочного раствора с каустификации получается оборотный раствор, который по составу должен отвечать расчетным данным, и моногидрату соды.

Разница между составом полученного раствора (см. табл. 12) и составом раствора в табл. 2 0,03 Na₂O_к - 0,03 Na₂O_у + 0,006 СО₂, что в пределах точности расчета.

Таблица 12. Баланс выпарки

Введено, кг		Получено, кг
Маточный раствор с декомпозиции (см. табл. 8):		Моногидрат соды (см. табл. 11)
Al2O3	796,79	Na2Oу	53,21
Na2Oк	1794,18	CO2	37,76
Na2Oу	206,98	H2O	15,45
CO2	146,83	Итого	106,42
H2O	10841,17
Итого	13785,95	Оборотный раствор с моногидратом соды (см. табл. 11):
		Al2O3	3,25
Промвода после промывки гидроксида (см. табл. 9):		Na2Oк	7,50
Al2O3	8,82	Na2Oу	0,65
Na2Oк	16,26	CO2	0,46
Na2Oу	1,89	H2O	23,61
CO2	1,35	Итого	35,47
H2O	974,35
Итого	1002,67	Потери (см. табл. 1):
		Al2O3	2,23
Щелочной раствор с каустификации (см. табл. 11):		Na2O	4,00
Al2O3	1,03	Итого	6,23
Na2Oк	51,61
Na2Oу	5,95	Оборотный раствор на мокрый размол (по разности):
CO2	4,22	Al2O3	801,16
H2O	517,44	Na2Oк	1850,52
Итого	580,25	Na2Oу	160,98
		CO2	114,24	5831,66
		Итого	8758,56
		Конденсат пара	6462,19
Всего	15368,87	Всего	15368,87

Распределение органических примесей

Баланс органических примесей может быть составлен только путем практического анализа производственных растворов, продуктов и полупродуктов цикла Байера. Данные о распределении и процентном содержании органики представлены в табл. 13.

Таблица 13. Баланс распределения органических веществ в цикле Байера

Статьи баланса	Баланс органических веществ, кт/т глинозема	Доля органических веществ от Σприхода, %
Приход:
Боксит	1,110	42,55
Мука	1,020	39,10
Синтетический флоккулянт	0,009	0,34
Кристаллический модификатор роста	0	0
Оборотная вода	0,470	18,01
Σприхода	2,609	100,00
Обедненный раствор	96,46
Расход:
Красный шлам в озеро	1,893	72,56
Продукционный гидроксид алюминия	0,609	23,34
Промывная вода мелкой затравки	0	0
Из-за каустификации раствора	0	0
Σрасхода	2,502	95,90
Разница (Σприхода - Σрасхода)	0,107	4,10

Список используемой литературы

1.   Лайнер А.И. Производство глинозема/ А.И. Лайнер, Н.И. Еремин, Ю.А. Лайнер, И.З. Певзнер. М.: Металлургия, 1978. 344 с.

2.      Справочник металлурга по цветным металлам. Производство глинозема/ А.А. Аграновский, В.И. Берх, В.А. Кавина и др. Под редакцией Ю.В. Баймакова, Я.Е. Контровича. М.: Металлургия, 1970. 320 с.

.        Самарянова Л.Б. Технологические расчеты в производстве глинозема/ Л.Б. Самарянова, А.И. Лайнер. М.: Металлургия, 1981. 280 с.

.        Еремин Н.И. Процессы и аппараты глиноземного производства/ Н.И. Еремин, А.Н Наумчик, В.Г. Казаков. Под редакцией Н.И. Еремина. М.: Металлургия, 1980. 360 с.

.        Dr. Károly Solimár. Determination and evolution of organic balances of alumina refineries/ Dr. Károly Solimár, Mrs. Márta Gimpel-Kazár, Mrs. Elenóra Molnár // Light Metals, 1996. p. 29-35.