Техника разложения алюминатных растворов представляет собой один из ключевых моментов в формировании продукционных свойств гидроксида алюминия. Качество полученного гидроксида алюминия напрямую влияет на качество глинозема. Высокая чувствительность выхода гидроксида алюминия требуемого гранулометрического состава к условиям разложения алюминатных растворов вызывает необходимость исследования данного процесса в лабораторных условиях. Для моделирования процесса предлагается следующая методика.
Установка для разложения алюминатных растворов состоит из реактора объёмом 1,2л, термостатирование которого осуществляется за счёт погружения в водяной термостат (водяную баню) без принудительного перемешивания заполняющей его дистиллированной воды. Термостат выполнен из металлического алюминия с толщиной стенок 1,2мм. Общая высота водяной бани 75мм. Реактор вводится в термостат через алюминиевые уплотнительные кольца и резиновый уплотнитель, облегающий реактор, что минимизирует испарение воды из термостата и сохраняет её объём постоянным при проведении длительных опытов. Глубина погружения реактора 70мм. Нагрев термостата осуществляется через днище, при его установке на электрическую плитку с закрытым нагревательным элементом. Диаметр нагревателя – 180мм. Диаметр водяного термостата – 200мм.
Электрическая плитка трёх позиционная с установкой потребляемой мощности величиной 200, 400 или 600Вт. Электрическая плитка запитана от теристорного регулятора мощности, позволяющего плавно регулировать выходное напряжение в диапазоне от 0 до 220В. Максимально допустимая мощность теристорного регулятора составляет 2500Вт. Поддержание постоянной температуры реактора выполняется по температуре воды в термостате, что обеспечивается с помощью ртутного контактного термометра, в качестве первичного регулирующего прибора, стационарно установленного в термостате и включённого в схему теристорного регулятора мощности. Контроль температуры раствора в реакторе производится путём периодических измерений с помощью переносного термометра. Для уменьшения тепловой инерции нагревателя, за счёт перегрева при высокой потребляемой мощности, нами был отработан режим, обеспечивающий поддержание температуры с высокой точностью при включении нагревателя на максимальную потребляемую мощность 400Вт и снижения питающего напряжения подаваемого от теристорного регулятора на нагреватель до 120В.
Реактор для декомпозиции алюминатных растворов выполнен из нержавеющей стали, с толщиной стенок 3мм. Герметичность аппарата обеспечивается резиновым уплотнителем, размещённым на верхнем фланце реактора, и установкой съёмной крышки, имеющей конические прижимы. Толщина крышки 4мм. Толщина верхнего фланца реактора 3мм. В крышке имеется центральное отверстие диаметром 10,5мм для ввода мешалки, оборудованное гидрозатвором, что исключает упарку раствора находящегося в реакторе. Дополнительно в периферийной части крышки имеется отверстие диаметром 14мм для введения контрольного термометра и отбора проб. Отверстие постоянно закрыто резиновой пробкой. Наружный диаметр реактора 100мм, внутренний диаметр – 94мм. Высота реактора от днища до верхней кромки 179мм (по внутренним измерениям). Объём заполнения реактора при проведении стандартного разложения составляет 800мл по алюминатному раствору. Высота заполнения реактора раствором – 117мм.
Перемешивание растворов и пульп, находящихся в реакторе, осуществляется с помощью механической мешалки. Привод мешалки электрический, а регулировка режима перемешивания осуществляется с помощью электронной схемы управления, обеспечивающей стабилизацию числа оборотов мешалки. Во всех проведённых нами опытах скорость вращения мешалки составляла 150 оборотов в минуту. Диаметр вала мешалки 10мм. Мешалка двухлопастная с общей шириной лопастей 60мм и высотой – 60мм. В каждой лопасти имеется по три вертикально расположенных отверстия диаметром 10мм. В рабочем состоянии промежуток между нижней гранью мешалки и дном реактора составляет 5-10мм. Мешалка с валом изготовлены из нержавеющей стали и на их поверхность нанесено заводское антикоррозионное покрытие (следов коррозии мешалки и реакторов в алюминатном щелочном растворе не наблюдается). Общий вид трёх однотипных установок приведён на рисунке 1.
Выделение затравки требуемой крупности производится с помощью вибро-ситового анализатора крупности частиц заводского изготовления. Рассев сухой. Диаметр сит 200мм. Имеющийся у нас в наличии набор сит позволял выделить для стандартного разложения затравку крупностью -63(60)+40мкм. Общий вид вибро-ситового анализатора с пробами рассеянного гидроксида алюминия приведён на рисунке 2.
Рисунок 1 - Общий вид трёх однотипных установок для декомпозиции
Рисунок 2 - Общий вид вибро-ситового анализатора в вытяжном шкафу
Сушка затравочного гидроксида алюминия и полученного в результате декомпозиции алюминатных растворов выполняется в воздушном термостате заводского изготовления не оборудованном системой принудительной вентиляции. Во всех проведённых опытах сушка материалов осуществлялась в однотипных условиях при температуре 60ºC. При сушке материал размещается в фарфоровых чашках диаметром 210мм.
Фильтрация растворов и пульп осуществляется под вакуумом на лабораторной установке, состоящей из фарфоровой воронки Бюхнера и стеклянной колбы Бунзена. В качестве фильтрующего материала используется химически стойкую фильтровальную ткань (первый слой), позволяющую равномерно распределить вакуум по поверхности фильтрования; узкопористый беззольный бумажный фильтр – синяя полоса (второй слой); широкопористый беззольный фильтр – белая полоса (верхний – третий слой). При необходимости, регулировка разряжения в колбе Бунзена осуществляется за счёт подсоса атмосферного воздуха в ресивер, расположенный между вакуумным насосом и колбой Бунзена.
Обязательным элементом приготовления растворов технологических концентраций пригодных для разложения в лабораторных условиях является получение растворов с концентрацией NaOH в пересчете на Na2O около 300 г/л и aк = 1,45÷1,60. Такие растворы близки по составу к равновесным и, обладая высокой вязкостью, даже в пересыщенном состоянии имеют высокую метастабильную устойчивость относительного самопроизвольного разложения. В качестве реагентов использовали гидроксид натрия (NaOH) марки ЧДА и заводской гидроксид алюминия марки Г-00 с содержанием SiO2 < 0,013%; Fe2O3 < 0,02%; S(Na2O+K2O) < 0,26%.
Для приготовления двух литров раствора в реактор из нержавеющей стали наливается холодная дистиллированная вода в количестве около 1500 мл. В нее порционно, при перемешивании раствора механической мешалкой из нержавеющей стали, вносится расчетное количество NaOH (содержание NaOH в реактиве не менее 90%):
масса NaOH = 
.
После растворения NaOH в раствор вводится расчетное количество Al(OH)3 (содержание Al(OH)3 не менее 98,5%):
масса Al(OH)3 = 
.
Раствор доводится дистиллированной водой примерно до 2000 мл, нагревается до 100÷105оС и выдерживается при постоянном перемешивании до полного растворения Al(OH)3. Затем в горячем состоянии при температуре около 60°С фильтруется под вакуумом через плотный узкопористый фильтр №90 (синяя полоса). Фильтрат переливают в полипропиленовую колбу и охлаждают до комнатной температуры. Раствор хранится в закрытой полипропиленовой бутыли при температуре в лаборатории около 20°С.
По результатам анализа концентрированных растворов определяется истинное содержание Na2O и Al2O3.
Для приготовления разбавленных растворов рассчитывают необходимый для этого объем концентрированного раствора, содержащего эквивалентное количество Na2O и Al2O3. Например, для приготовления 1л раствора с концентрацией Al2O3 90 г/л потребуется следующий объем концентрированного раствора:
,
где 300 – концентрация Al2O3 г/л, определенная по результатам анализа.
Отмеренный объем раствора разбавляется при постоянном перемешивании дистиллированной водой и доводится до 1 л.
Приготовление концентрированных растворов с концентрацией КОН в пересчете на К2О = 300 г/л и молярным отношением К2О/Al2O3 = 1,6 ведется аналогично приготовлению алюминатных растворов в системе Na2O-Al2O3-H2O. Для приготовления растворов в системе К2О-Al2O3-H2O используется КОН марки ЧДА с содержанием основного компонента около 90%, а на один литр синтетического раствора расчётные количества реактивов составят:
масса КОН =
;
масса Al(OH)3 = 
,
где 1,085 = 102/94 переходной коэффициент от молярных отношений К2О/Al2O3 к массовым.
Для приготовления разбавленного раствора с заданным молярным составом по Na2О и К2О необходимые объемы исходных концентрированных растворов определяются следующими соотношениями:
V1A1 + V2A2 = 120,
или 
,
где V1, V2 - соответственно объемы алюминатных щелочных растворов, приготовленных в системе Na2O-Al2O3-H2O и К2О-Al2O3-H2O, л;
N1, K2 - концентрации в них Na2O и К2О, г/л.;
n - мольная доля Na2O в смешанном растворе;
А1, А2 - концентрации Al2O3 соответственно;
120 - заданная концентрация Al2O3 в разбавленном растворе, г/л.
Например, для растворов с одинаковой массовой концентрацией Na2O и К2О равной 300г/л расчетные концентрации Al2O3 соответственно составят:
г/л;
г/л.
Наконец для приготовления раствора в системе Na2O-К2О-Al2O3-H2O, например, с мольной долей Na2О 90% (n = 0,9), расчетные уравнения запишутся в виде:
V1×308,4 + V2×203,4 = 120;
.
Отсюда V1 = 0,350 л, V2 = 0,059 л.
Расчетные объемы растворов сливаются в мерную колбу из полипропилена объемом 1л, при необходимости корректируются по содержанию карбонатов, доводятся до 1л дистиллированной водой, перемешиваются. От приготовленного раствора отбирается аликвота для анализа разбавленного раствора на содержания Na2Oк, Na2Oоб и Al2O3 в соответствии с отраслевой методикой анализа алюминатных растворов глинозёмного производства.
По отдельной методике выполнялась подготовка затравочного гидроксида алюминия. Эта методика, прежде всего, обеспечивала модельность условий оборота затравки в соответствии производственными технологическими схемами и стабильность её физических характеристик. При этом применялось двухстадийное виброситовое выделение фракции затравочного гидроксида алюминия крупностью -60+40 мкм с промежуточной гидрохимической обработкой затравки алюминатным раствором, отвечающим усреднённому составу раствора в конце декомпозиции с учётом молекулярного соотношения щелочей. При этом возникает необходимость в промывке гидроксида алюминия и его сушке.
Разбавленный алюминатный раствор требуемого состава заливается в реактор (рисунок 1), где обеспечивается его нагрев и термостатирование, а по достижении заданной температуры вводится расчётное количество затравки. Момент введения затравки является точкой отсчёта для начала процесса декомпозиции. В ходе процесса контролируется температурный режим, число оборотов мешалки и работа гидрозатвора. Периодически в соответствии с принятой картой производится отбор проб на анализ. Анализ алюминатных растворов на содержание оксида алюминия, общей и каустической щелочи выполнялся по отраслевой методике, включающей кислотно-основное титрование при определении щелочей и обратное комплексометрическое титрование при определении алюминия.
Данная методика была использована при проведении значительного количества опытов по декомпозиции алюминатных растворов. Она показала хорошую воспроизводимость результатов и высокую чувствительность показателей разложения к технологическим воздействиям различного характера. [1] [2] [3].
Рецензенты:
Иванов С.Л., д.т.н., профессор кафедры Машиностроения, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.
Дубовиков О.А., д.т.н., доцент кафедры Печных технологий и переработки энергоносителей, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.