Bài giảng Luyện và tái sinh nhôm

Chia sẻ: Năm Tháng Tĩnh Lặng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

Thêm vào BST

Báo xấu

109
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Luyện và tái sinh nhôm nhằm cung cấp những kiến thức về những nguyên liệu luyện nhôm, phương pháp sản xuất nhôm và phương pháp tái sinh nhôm. Tham khảo bài giảng để có những kiến thức tổng hợp về luyện và tái sinh nhôm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Luyện và tái sinh nhôm

LUYỆN VÀ TÁI SINH NHÔM
Nguyên liệu luyện nhôm và phương pháp sản xuất nhôm  Quặng nhôm  Các khoáng vật nhôm quan trọng Tên khoáng vật Công thức hoá học Hàm lượng Al2O3, % Corunđum Al2O3 100,0 Diaspo,bơmit Al2O3.H2O 85,0 Hyđragilit,gipxit Kianit, anđaluzit, silimanit Al2O3.3H2O 71,0 Caolinit Al2O3.SiO2 63,0 Alunit Al2O3.2SiO2.2H2O 39,5 Nefelin K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH)3 37,0 (Na,K)2O.Al2O3.2SiO2 32,3-35,9
 Bôxit là nham thạch, chủ yếu chứa các oxit ngậm nước của nhôm, sắt, silic, titan và vài nguyên tố khác. Bôxit có thể chứa canxi cacbonat và mage cacbonat, các hợp chất của lưu huỳnh, phốtpho, crôm và cả các hợp chất của các nguyên tố hiếm: vanađi, gali, ziriconi, niobi v.v…Trong thành phần bôxit có 42 nguyên tố đã được phát hiện.  Thành phần hoá học của bôxit dao động trong phạm vi khá lớn: • Al2O3: 35-60%; • SiO2: vài phần nghìn đến 25%; • Fe2O3: 2-40%; • TiO2: từ vết đến 11%.  Chỉ tiêu để đánh giá quặng bôxit là môđun silic. Đó là tỷ số hàm lượng Al2O3 trên hàm lượng SiO2 trong quặng. Môđun silic (MSi) càng cao thì quặng nhôm càng tốt.
Trữ lượng và sự sử dụng 4 kim kim loại phổ biến (triệu tấn) Trữ lượng được Trong thập niên 1966-1975 Trữ lượng xác nhận năm được xác 1966 nhận năm Tiêu thụ Trữ lượng 1976 mới Đồng Nhôm 195 -63 +324 456 Chì 5964 -605 +11913 17272 Kẽm 93 -33 +115 175 75 -54 +164 185 Nguồn: United States Bureau of Mines, Washington, D.C., Federal Department for Geologycal Science and Raw Materials, Hannover
 Khái quát về phương pháp sản xuất nhôm
Sản xuất nhôm oxit  Yêu cầu đối với nhôm oxit dùng để điện phân.  Tính chất của nhôm oxit  -Al2O3 còn gọi là corunđum, ở dạng không màu hoặc màu của các tạp chất. Nhôm oxit nguyên chất khi nóng chảy cũng tạo thành -Al2O3. tất cả các lọai nhôm hyđroxit khi nung đến 1200oC đều biến thành -Al2O3. • Corunđum có tính bền hóa học rất lớn, không hòa tan trong axit cũng như không hòa tan trong kiềm; ngoài ra nó không hút ẩm. Chính do tính chất này nên -Al2O3 có giá trị trong điện phân nhôm  Không gặp -Al2O3 trong thiên nhiên. Khi khử nước của hyđragilit hoặc của bơmit sẽ được -Al2O3. -Al2O3 dễ hòa tan trong axit cũng như trong kiềm và dễ hút ẩm.
Phương pháp Bayer
 Phương pháp Bayer về thực chất là phương pháp dùng dung dịch NaOH để hòa tách bôxit ở nhiệt độ và áp suất cao, do Karl Josef Bayer, người Aùo, phát minh vào năm 1887. Hình 3.2. trình bày sơ đồ tóm tắt phương pháp Bayer sản xuất nhôm oxit. Các khâu chủ yếu của lưu trình này gồm: hòa tách bôxit; khuấy phân hóa dung dịch natri aluminat; nung nhôm hyđroxit; cô đặc dung dịch cái và costic hóa.  Cơ sở của phương pháp Bayer là phản ứng thuận nghịch: • Al(OH)3 + NaOH ⇄NaAlO2 + 2H2O (3.1) • Trong điều kiện hòa tách quặng bôxit bằng dung dịch natri hyđroxit, phản ứng xảy ra theo chiều từ trái sang phải, tức là nhôm chuyển vào dung dịch ở dạng natri aluminat. Khi phân hóa dung dịch thu được, cân bằng phản ứng dịch chuyển theo chiều ngược lại và xảy ra phản ứng thủy phân dung dịch aluminat tạo thành nhôm hyđroxit kết tủa dạng tinh thể.
Hòa tách bôxit  Nhôm oxit trong bôxit phần lớn ở dạng ngậm nước (hyđroxit) khi hòa tách sẽ tác dụng với NaOH để tạo thành natri aluminat theo các phản ứng sau: • Al2O3.H2O + 2NaOH = 2NaAlO2 + 2H2O (3.2) • Al2O3.3H2O + 2NaOH = 2NaAlO2 + 4H2O (3.3)  Sắt oxit trong bôxit không tác dụng với NaOH nên nằm lại trong bã.  Silic oxit tác dụng với NaOH tạo thành natri silicat hòa tan vào dung dịch theo phản ứng: • SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O (3.4)  Natri silicat lại tác dụng với natri aluminat tạo thành natri alumosilicat: • 2NaAlO2 + 2Na2SiO2 + 4H2O  Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O + 4NaOH (3.5)  Khi hòa tách, caolinit trong bôxit tác dụng với NaOH theo phản ứng: • Al2O3.2SiO2.2H2O + 2NaOH = Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O + H2O (3.6)  Hợp chất natri alumosilicat ngậm nước (Na2O.Al2O3.2SiO2.2H2O) không hòa tan trong dung dịch NaOH, ở dạng rắn, lẫn vào cặn đỏ. Hàm lượng SiO2 trong bôxit càng lớn thì lượng mất mát kiềm và nhôm càng nhiều. Vì vậy phương pháp Bayer chỉ áp dụng được với các lọai quặng có hàm lượng SiO2 thấp (thông thường áp dụng khi môđun silic  10).
• Hình 3.3. Otôcla dùng để hòa tách bôxit • 1- Thùng hình trụ; 2- Ong nạp; 3- Ong tháo; 4- Ong để thổi khí; 5- Ong nối để gắn các dụng cụ đo lường; 6- Cửa để làm sạch và sửa chữa; 7- Ong cấp hơi nước; 8-Vấu tai
Điều kiện hòa tách Ñieàu kieän hoøa taùch Loïai boâxit Hyñragilit Bômit – diaspo Ñoä haït sau khi nghieàn -270 maét saøng -270 maét chieám 65% saøng chieám Nhieät ñoä hoøa taùch, oC 95-105 70% Bômit: 150-230 Aùp suaát hoøa taùch, at 1 Diaspo:230-245 Thôøi gian hoøa taùch, giôø 1 1,3 Noàng ñoä NaOH trong dung 200-300 3-3,5 dòch, g/l 290-300
• Hình 3.4. Thiết bị phân ly bùn ôtôcla • 1. Vỏ thiết bị; 2. Oáng nạp bùn; 3. Oáng tháo bùn; 4. Oáng thóat hơi; 5. Bộ phận ngưng đọng dung dịch; 6. Bộ phận chắn
Khuấy phân hóa dung dịch natri aluminat  Quá trình khuấy phân hóa dựa trên phản ứng (3.1): • NaAlO2 + 2H2O ⇄ Al(OH)3 + NaOH • Mục đích khuấy phân hoá là kết tinh Al(OH)3 từ dung dịch.  Để thực hiện quá trình khuấy phân hóa dung dịch aluminat, tức là dịch chuyển phản ứng trên từ trái sang phải, cần pha loãng, làm nguội dung dịch, cho thêm “mầm kết tinh” (tinh thể nhôm hyđrôxit nhận được từ trước) vào dung dịch và khuấy trộn dung dịch trong vòng 50-90 giờ để các tinh thể tăng trưởng đủ lớn. Khi pha loãng dung dịch cần tính đến chi phí cô đặc sau đó và dung tích của thiết bị. Chế độ làm nguội phải được quy định chặt chẽ. Giảm nhiệt độ quá trình phân hóa xảy ra nhanh, nhưng các hạt Al(OH)3 kết tinh sẽ nhỏ, không có lợi cho việc lọc rửa sau này. Ở đầu quá trình, nhiệt độ khoảng 52-56oC, cuối quá trình nhiệt độ còn 44-46oC.
Hình 3.5. Thiết bị khuấy phân hóa Hình 3.6. Thiết bị khuấy phân hóa bằng cơ học không khí nén 1. Trục khuấy; 2. Cánh khuấy; 3. 1. Thùng thép; 2. Ong vận nâng bằng không Xích khuấy; 4. ván lết; 5. Ong khí nén để khuấy trộn; 3. Ong vận nâng để xiphông vận chuyển bùn; 4. Ong sủi bọt bên hông; 5. Ao nước; 6. Cửa; 7. Van tháo; 8. Ong hút khí
Nung nhôm hyđrôxit  Mục đích của nung là làm mất nước của nhôm hyđrôxit và thu được nhôm oxit thực tế không hút nước. Nhôm hyđroxit bị khử nước ở 550oC nhưng chỉ được -Al2O3 : • 2Al(OH)3  -Al2O3 + 3H2O (3.7)  Vì vậy phải nâng nhiệt độ lên 1200oC để có chuyển biến sau: • -Al2O3  -Al2O3 (3.8) • -Al2O3 không hút ẩm, đáp ứng yêu cầu thực tế của quá trình điện phân nhôm
• Hình 3.7. Lò ống quay để nung nhôm hyđroxit • 1. Thân lò; 2. Bánh đai; 3. Ổ lăn; 4. Cữ chặn; 5. Cơ cấu dẫn động; 6. Đầu nạp liệu; • 7. Đầu tháo liệu; 8. Mỏ đốt; 9, 10. Đệm kín; 11. Máng nạp liệu
Cô đặc dung dịch cái và costic hóa • Sau khi lọc, lấy Al(OH)3 ra, dung dịch cái còn lại chủ yếu chứa NaOH nhưng nồng độ thấp (khỏang 130- 140 g/l), không đáp ứng yêu cầu của dung dịch tuần hoàn. Vì vậy phải đem cô đặc để nâng nồng độ lên 300 g/l để dùng lại. Trong quá trình vận hành, một số CO2 trong không khí tác dụng với NaOH trong dung dịch, tạo thành Na2CO3. Khi cô đặc sẽ kết tinh ra Na2CO3. Đem lọc, tách Na2CO3 ra. Sau đó dùng Ca(OH)2 để costic hóa, tái sinh NaOH. Quá trình costic hóa xảy ra theo phản ứng sau: • Na2CO3 + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3 (3.9)
Phương pháp thiêu kết • Thực chất của phương pháp thiêu kết là đem hỗn hợp bôxit- Na2CO3- đá vôi nung ở nhiệt độ cao (xem hình 3.8). Kết quả là nhận được sản phẩm thiêu kết (thiêu kết phẩm) chứa natri aluminat. Sau đó hòa tách thiêu kết phẩm trong nước, natri aluminat hòa tan ở dạng dung dịch, các hợp chất khác nằm lại trong bã. Lọc tách bã thu được dung dịch natri aluminat thô. Sau khi khử silic sẽ thu được dung dịch aluminat sạch. Đem cacbonat hóa, bằng cách dùng khí CO2 tác dụng với dung dịch aluminat sạch, sẽ được Al(OH)3. Sau khi nung Al(OH)3 ở 1200oC sẽ được Al2O3. Lưu trình sản xuất nhôm oxit bằng phương pháp thiêu kết gồm các khâu chủ yếu sau: Thiêu kết; hòa tách thiêu kết phẩm; khử silic; cacbonat hóa; nung. Khâu nung tương tự như trong phương pháp Baye, các khâu còn lại là đặc thù của phương pháp thiêu kết.