Введение к работе
Актуальность темы. Стадия выпаривания одна из основных при получении глинозёма. Выпариванию подвергают алюминатно-щелочные растворы (АЩР) после выделения из них гидроксида алюминия, концентрируют содержащуюся в них каустическую щёлочь и выделяют кристаллическую карбонатную соду (называемую далее «содой»). Сырьём для получения глинозёма на Уральских алюминиевых заводах (БАЗ и УАЗ) являются Северо-Уральские и Средне-Тиманские бокситы, являющиеся наиболее трудно вскрьшаемыми. Их переработка высокорасходна и актуальная задача - снижение затрат, в том числе и на выпаривание.
В настоящее время в глиноземных производствах и БАЗа и УАЗа для упаривания АЩР используются выпарные батареи, действующие неэффективно. Особенно плохо работают продукционные корпуса для выпаривания с выделением соды. Они определяют основные показатели эксплуатации батарей: производительность и межпромывочный период работы (МПП). Эти аппараты, вследствие кипения раствора в трубках, зарастают содой, что ведет к падению производительности их и всей батареи. Поэтому МПП не превышает 20 часов, после чего батарею промывают, потребляя пар и электроэнергию, а продукцию - не выпуская. В этих аппаратах не возможно получить достаточно крупные кристаллы соды, хорошо отделяемые от раствора. Кипение в трубках приводит к их интенсивному износу при сроке службы 10-20 месяцев, после чего их приходится менять. Также мало эффективно работают и остальные корпуса действующих батарей и вспомогательное оборудование в них. Вследствие этого производительность выпарных батарей недостаточно высока, а затраты на выпаривание велики.
Причина перечисленных недостатков - несовершенство конструкций выпарных аппаратов. Кроме того, эксплуатируемые выпарные батареи не располагают достоверными средствами автоматического контроля состава АЩР, что ведет к значительным его колебаниям. Это снижает эффективность процесса, повышает затраты на получение глинозема.
Ранее прилагались усилия по совершенствованию выпарного оборудования глинозёмных производств и укрупнению соды, однако они не позволили в полной мере выявить условия выпаривания, создать эффективные конструкции аппаратов, способные работать длительное времени без забивки содой и зарастания накипью, а также улучшить отделение соды от раствора. Эти усилия не принесли реальных плодов и не используются в производстве.
Отсутствие рационального решения перечисленных проблем увеличивает затраты на выпаривание АЩР и себестоимость глинозёма. При этом решение отмеченных задач требует комплексного подхода.
Цель работы - исследование процесса выпаривания алюминатно-щелочных растворов на различных стадиях концентрирования, определении оптимальных режимов и рациональных конструкций выпарных аппаратов, позволяющих интднстф,т^г"'УГІ- *Т работу, укрупнить
f-oc. национальная!
кристаллы соды и, в конечном итоге, снизить з пРать%ЇФЧйВт%ІбРалисг слелУЮЩие задачи:
СПстеа*у»гУ4
исследование условий и выбор оптимальных режимов работы выпарных аппаратов для предварительного и промежуточного концентрирования растворов в режиме различных корпусов; исследование условий работы продукционного корпуса; определение высоты зоны кипения в нем и влияния на нее различных факторов; исследование условий работы системы накопления твердой фазы в этом аппарате; разработка рациональных конструкций выпарных аппаратов; разработка методики определения состава компонентов при выпаривании АЩР.
Объект исследования - процесс выпаривания АЩР в технологии получения глинозёма по способу Байера на различных стадиях и его аппаратурно-технологическое оформление. Предмет исследования - выпарные аппараты с принудительной и обращенной естественной циркуляцией и с падающей пленкой, работающие в различных условиях и режимы их работы, а также система контрольно-измерительных приборов для измерения физико-химических свойств перерабатываемых растворов.
Исследования проводились на опытных выпарных установках, работающих на реальных технологических растворах различных заводов и на промышленном выпарном оборудовании этих заводов. Испытания проводились в различных режимах с целью получения максимальной информации. Их результаты составляют основу данной работы. Они получены измерением различных параметров режимов с последующим пересчетом по ним необходимых показателей оборудования. Измерения велись контрольно-измерительными приборами и химическими анализами - состава растворов и гранулометрическими - кристаллической фазы. Анализы проводилось заводскими химическими лабораториями согласно аттестованным методикам.
Испытания оборудования проводились в глиноземных цехах БАЗа и УАЗа при помощи специалистов этих заводов. Опытные аппараты для исследований и системы контроля были разработаны специалистами СвердНИИхиммаша.
На защиту выносятся следующие положения, являющиеся, по мнению автора, новыми:
- количественное определение условий интенсивной работы выпарных аппаратов с
падающей пленкой в зависимости от плотности орошения при концентрировании АЩР,
позволяет подобрать наиболее эффективные режимы действия этих аппаратов;
- определение условий устойчивой работы выпарного аппарата с обращенной
естественной циркуляцией проделано впервые и дает возможность обеспечить стабильную и
надежную работу таких аппаратов при сохранении заданного направления движения раствора,
а также гарантированный вынос зоны кипения из греющих трубок;
- впервые обнаружено и объяснено явление снижение перегрева раствора в греющих
трубках продукционного выпарного аппарата с вынесенной зоной кипения при упаривании
АЩР, определена зависимость перегрева от различных факторов, что позволяет создать
конструкцию аппарата, в которой обеспечен полный вынос кипения из трубок, вследствие чего
исключается их забивка содой, снижается коррозионный износ и удлиняется срок службы;
- разработана методика определения концентраций каустика и алюминия при выпаривании многокомпонентных алюминатно-щелочных растворов различного состава путем измерения их физико-химических свойств, включающая методики установления зависимостей этих свойств раствора от его состава и температуры, обработки результатов измерений и аппроксимации экспериментальных данных. Методика разработана впервые и создает возможность стабилизации режима выпаривания и снижения затрат.
Практическая значимость и реализация результатов. Применение изложенных положений на практике обеспечит создание совершенного, стабильно и надежно работающего оборудования для выпаривания АЩР, имеющего высокую эффективность. На основании полученных в диссертации результатов разработаны выпарные аппараты как для БАЗа, так и для УАЗа и новая выпарная батарея БАЗа.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на конференциях «Алюминий Урала» (г. Краснотурьинск, 2001-2004) и на международной научно-технической конференции «60 лет СвердНИИхиммашу» (г. Екатеринбург, 2002), были опубликованы в сборниках докладов и материалов этих конференций, а также трудах СвердНИИхиммаша. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, получены патент на изобретение и свидетельство на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи основных глав, заключения, списка из 269 использованных источников информации, приложений. Она изложена на 195 страницах, содержит 110 рисунков и 13 таблиц.
