Процесс Байера - Bayer process

В Процесс Байера является основным промышленным средством очистки боксит производить глинозем (оксид алюминия) и был разработан Карл Йозеф Байер. Бокситы, важнейшая руда алюминий, содержит всего 30–60% оксид алюминия (Al2О3), остальное - смесь кремнезем, разные оксиды железа, и оксид титана.[1] Оксид алюминия необходимо очистить, прежде чем его можно будет рафинировать до металлического алюминия.

Процесс

В Процесс Байера

Бокситовая руда представляет собой смесь гидратированных оксидов алюминия и соединений других элементов, таких как железо. Соединения алюминия в боксите могут присутствовать в виде гиббсит 2 (Al (OH)3), бемит (γ-AlO (OH)) или диаспора (α-AlO (OH)); различные формы алюминиевого компонента и примесей определяют условия экстракции. Оксиды и гидроксиды алюминия бывают амфотерный, что означает, что они одновременно кислые и основные. Растворимость Al (III) в воде очень низкая, но существенно увеличивается как при высоком, так и при низком pH. В процессе Байера бокситовая руда нагревается в сосуд под давлением вместе с едкий натр раствор (каустическая сода) при температуре от 150 до 200 ° С. При этих температурах алюминий растворяется как алюминат натрия (в первую очередь [Al (OH)4]−) в процессе экстракции. После отделения остатка фильтрованием гиббсит осаждается при охлаждении жидкости, а затем засеянный с мелкозернистыми кристаллами гидроксида алюминия из предыдущих экстракций. Осаждение может длиться несколько дней без добавления затравочных кристаллов.[2]

В процессе экстракции оксид алюминия в руде превращается в растворимый алюминат натрия, 2NaAlO.2, согласно химическое уравнение:

Al2О3 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + H2О

Эта обработка также растворяет кремнезем, образуя силикат натрия:

2 NaOH + SiO2 → Na2SiO3 + H2О

Однако другие компоненты боксита не растворяются. Иногда[когда? ] Лайм добавляется на этой стадии для осаждения кремнезема в виде силикат кальция. Раствор осветляют, отфильтровывая твердые примеси, обычно с помощью роторной ловушки для песка и с помощью флокулянт Такие как крахмал, чтобы удалить мелкие частицы. Нерастворенные отходы после извлечения соединений алюминия, бокситовые хвосты, содержит оксиды железа, кремнезем, кальциевый, титания и некоторое количество непрореагировавшего оксида алюминия. Первоначальный процесс заключался в том, что щелочной раствор охлаждали и обрабатывали, барботируя через него диоксид углерода, метод, с помощью которого гидроксид алюминия осаждает:

2 NaAlO2 + 3 часа2O + CO2 → 2 Al (OH)3 + Na2CO3

Но позже это уступило место затравке перенасыщенного раствора гидроксидом алюминия высокой чистоты (Al (OH)3) кристалл, что исключало необходимость охлаждения жидкости и было более экономически целесообразным:

2 ч2O + NaAlO2 → Al (ОН)3 + NaOH

Часть производимого гидроксида алюминия используется в производстве химикатов для очистки воды, таких как сульфат алюминия, PAC (Полиалюминий хлорид ) или алюминат натрия; значительное количество также используется в качестве наполнителя в резине и пластмассах в качестве антипирена. Около 90% производимого гиббсита превращается в оксид алюминия, Al2О3, путем нагрева в вращающиеся печи или жидкая вспышка кальцинаторы до температуры около 1470 К.

2 Al (ОН)3 → Al2О3 + 3 ЧАС2О

Оставшийся «отработанный» раствор алюмината натрия затем рециркулирует. Помимо повышения экономичности процесса, рециклинг накапливает галлий и ванадий примесей в ликерах, чтобы их можно было извлечь с выгодой.

Органические примеси, которые накапливаются во время осаждения гиббсита, могут вызывать различные проблемы, например высокие уровни нежелательных материалов в гиббсите, обесцвечивание жидкости и гиббсита, потери каустического материала и повышенную вязкость и плотность рабочей жидкости.

Для бокситов, содержащих более 10% кремнезема, процесс Байера становится неэкономичным из-за образования нерастворимых силикат натрия и алюминия, что снижает урожайность, поэтому необходимо выбрать другой процесс.

Для производства 1 тонны оксида алюминия требуется 1,9–3,6 тонны бокситов. Это связано с тем, что большая часть алюминия в руде растворяется в процессе.[2] Потребление энергии составляет от 7 ГДж / тонну до 21 ГДж / тонну (в зависимости от процесса), большая часть из которых приходится на тепловую энергию.[3][4] Более 90% (95-96%) производимого оксида алюминия используется в Процесс Холла-Эру производить алюминий.[5]

Напрасно тратить

Красная грязь это отходы, образующиеся при сбраживании бокситов гидроксидом натрия. Он имеет высокое содержание гидроксида кальция и натрия со сложным химическим составом и, соответственно, является очень едким и потенциальным источником загрязнения. Количество производимого красного шлама является значительным, и это побудило ученых и переработчиков искать ему применение. Одно из таких применений - производство керамики. Красный шлам при высыхании превращается в мелкий порошок, содержащий железо, алюминий, кальций и натрий. Когда некоторые предприятия используют отходы для производства оксидов алюминия, это становится опасным для здоровья.[6]

В США отходы утилизируются крупными водохранилища, своего рода водохранилище, созданное плотиной. Водохранилища обычно облицованы глиной или синтетической облицовкой. США не одобряют использование отходов из-за опасности, которую они представляют для окружающей среды. EPA обнаружило высокие уровни мышьяка и хрома в некоторых образцах красного шлама.[7]

Авария на глиноземном заводе на Айке

4 октября 2010 г. на глиноземном заводе Айка в Венгрии состоялся инцидент где обрушилась западная плотина резервуара с красной грязью. Водохранилище было заполнено на 700000 м3.3 смеси красной грязи и воды с pH 12. Смесь была выброшена в долину реки Торна и затопила части города Девечер и деревни Колонтар и Сомловашархей. В результате инцидента 10 человек погибли, более ста получили ранения, а реки и озера были загрязнены.[8]

История процесса Байера

Процесс Байера был изобретен в 1888 г. Карл Йозеф Байер.[9] Работая в Санкт-Петербурге, Россия, над разработкой метода поставки глинозема для текстильной промышленности (он использовался как едкий при крашении хлопка), Байер обнаружил в 1887 году, что гидроксид алюминия, выпавший из щелочного раствора, был кристаллическим и его можно было легко фильтровать и промывать, в то время как гидроксид алюминия, выпавший из кислой среды путем нейтрализации, был студенистым и его трудно отмыть.[9] Промышленный успех этого процесса заставил его заменить процесс Ле-Шателье, который использовался для производства глинозема из бокситов.[9]

Инженерные аспекты процесса были улучшены, чтобы снизить стоимость, начиная с 1967 г. Германия и Чехословакия.[9] Это было сделано за счет увеличения рекуперации тепла и использования большого автоклавы и отстойники.[9] Чтобы более эффективно использовать энергию, теплообменники использовались расширительные баки, а реакторы большего размера снижали количество потерянного тепла.[9] Эффективность была увеличена за счет подключения автоклавов для повышения эффективности работы.[9]

Несколькими годами ранее Анри Этьен Сент-Клер Девиль во Франции разработали метод получения глинозема путем нагревания бокситов в карбонате натрия, Na2CO3, при 1200 ° C, выщелачивание образовавшегося алюмината натрия водой с последующим осаждением гидроксида алюминия путем углекислый газ, CO2, который затем фильтровали и сушили. Этот процесс (известный как Девильский процесс ) был оставлен в пользу процесса Байера.

Этот процесс начал приобретать значение в металлургии вместе с изобретением процесса электролитического алюминия Холла-Эру, изобретенного всего за год до этого, в 1886 году. процесс цианирования изобретенный в 1887 году процесс Байера знаменует рождение современной области гидрометаллургия.

Сегодня этот процесс производит почти все мировые запасы глинозема как промежуточный этап в производстве алюминия.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Харрис, Крис; Маклахлан, Р. (Розали); Кларк, Колин (1998). Микрореформа - влияние на фирмы: пример из алюминия. Мельбурн: Промышленная комиссия. ISBN  978-0-646-33550-6.
  2. ^ а б Хинд, Эндрю Р .; Бхаргава, Суреш К .; Грокотт, Стивен С. (январь 1999 г.). "Химия поверхности твердых тел процесса Байера: обзор". Коллоиды и поверхности A: физико-химические и инженерные аспекты. 146 (1–3): 359–374. Дои:10.1016 / S0927-7757 (98) 00798-5.
  3. ^ Алессио Анджело Скарселла, Соня Ноак, Эдгар Гасафи, Корнелис Клетт, Андреас Кошник (2015). «Энергия при рафинировании глинозема: устанавливая новые границы». Легкие металлы 2015. С. 131–136. Дои:10.1007/978-3-319-48248-4_24. ISBN  978-3-319-48610-9.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  4. ^ "Энергоэффективность". Энергия, необходимая для процесса Байера, во многом зависит от качества сырья. средний удельный расход энергии составляет около 14,5 ГДж на тонну глинозема, включая электрическую энергию около 150 кВтч / т Al2O3.
  5. ^ «Процесс плавки алюминия». Производство алюминия. aluminumproduction.com. Получено 12 апреля 2018.
  6. ^ Хинд, Эндрю Р .; Бхаргава, Суреш К .; Грокотт, Стивен С. (1999). "Химия поверхности твердых тел процесса Байера: обзор". Коллоиды и поверхности A: физико-химические и инженерные аспекты. 146 (1–3): 359–374. Дои:10.1016 / S0927-7757 (98) 00798-5.
  7. ^ «ТЕНОРМ: отходы производства бокситов и глинозема». www.epa.gov. Агентство по охране окружающей среды США. 2015-04-22. Получено 12 апреля 2018.
  8. ^ Руйтерс, Стефан; Мертенс, Джелле; Васильева, Эльвира; Дехандшуттер, Борис; Поффиджин, Андре; Smolders, Эрик (2011). «Авария с красной грязью в Айке (Венгрия): токсичность растений и биодоступность следов металлов в почве, загрязненной красной грязью». Экологические науки и технологии. 45 (4): 1616–1622. Дои:10.1021 / es104000m. PMID  21204523.
  9. ^ а б c d е ж грамм «Процесс Байера для производства глинозема: историческое производство» (PDF). scs.illinois.edu. Фатхи Хабаши, Университет Лаваля. Получено 6 апреля 2018.