авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Технология получения высокодисперсного гидроксида алюминия карбонизационным методом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЦЫБИЗОВ Алексей Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ КАРБОНИЗАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.16.02 Металлургия чёрных,

цветных и редких металлов

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2007

Работа выполнена на кафедре металлургии цветных металлов Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета)

Научный руководитель

доктор технических наук,

профессор В М.Сизяков

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор В.А.Утков

кандидат технических наук,

доцент М.В.Никитин

Ведущее предприятие ОАО СУАЛ, филиал «Волховский алюминиевый завод – СУАЛ».

Защита состоится “13” ноября 2007 г. в 16 час.30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.2205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан “12” октября 2007г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., доцент В.Н.БРИЧКИН

общая характеристика работы

Актуальность работы. Выпуск спецмарок оксидов-гидроксидов алюминия в мире непрерывно растёт и в настоящее время их номенклатура составляет более 60 наименований. Россия существенно отстаёт по этим показателям, что сдерживает развитие ряда современных производств.

Опыт зарубежных глинозёмных заводов показывает, что частичная или полная модернизация производства с переходом на выпуск продукции неметаллургического назначения позволяет решить комплекс производственных проблем и значительно повысить экономическую эффективность предприятий. Более того, с учётом возрастающей потребности в спецмарках оксида и гидроксида алюминия у химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, строительной и др. отраслей промышленности выпуск такой продукции становится высокорентабельным.

Высокие требования к качеству спецмарок оксида-гидроксида алюминия существенно затрудняют организацию их независимого производства или производства на предприятиях, перерабатывающих бокситы по способу Байера; в то же время в выпуске отечественного глинозёма значительную долю (до 40%) составляет продукция комплексной переработки щелочных алюмосиликатов с применением технологий глубокой очистки алюминатных растворов от соединений Si(IV), что создаёт предпосылки для разработки эффективных технологических решений производства спецмарок оксидов-гидроксидов высокого качества. Отсутствие глубокой технологической проработки в этой области ставит приоритетные задачи научных исследований, решение которых осуществлялось в рамках научной школы СПГГИ(ТУ) под руководством профессора В.М.Сизякова.





Исследования выполнялись в соответствии с грантом РФФИ “Поддержка ведущих научных школ” (проект №00-15-9907л), грантом “Металлургия” Т02-053-3579 Министерства образования РФ “Создание наукоёмких и технологических основ металлургических процессов получения новых продуктов на базе лёгких и редких металлов”, НИР-госбюджет 1.8.06 “Разработка научных основ ресурсосберегающих экологически безопасных технологий в области комплексной переработки рудного и техногенного сырья цветной металлургии”.

Цель работы. Повышение эффективности способа комплексной переработки нефелинов на основе выпуска новой продукции – тонкодисперсного гидроксида алюминия с высокими потребительскими свойствами.

Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований, физические, химические и физико-химические методы изучения свойств и составов твердых, жидких, газообразных веществ и технологических продуктов. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторном и укрупнено-лабораторном масштабах, в том числе на основе методов математического планирования, математической статистики, аналитической и графоаналитической обработки данных. Теоретические исследования выполнялись с применением методов термодинамического анализа многокомпонентных систем, кинетического анализа массопереноса в многокомпонентных системах, научно-технического анализа технологических систем и производств. Определение химического состава выполнялось методами классического количественного анализа, а также методом атомной абсорбции. Фазовый анализ выполнялся рядом физических и физико-химических методов, включая кристаллооптический, дериватографический и рентгенодифрактометрический. Физические и физико-химические характеристики твердых материалов изучались с помощью лазерного микроанализатора частиц, микрооптического анализа и принятых в заводской практике методов технологического контроля.

Научная новизна:

  • теоретически обосновано и практически установлено изменение кристалломорфологии осадков гидроксида алюминия при разложении алюминатных растворов методом декомпозиции и карбонизации; показано, что увеличение пересыщения растворов вызывает образование термодинамически менее вероятных форм роста, но кинетически предпочтительных для достижения стационарного во времени процесса;
  • экспериментально установлено явление самоизмельчения затравочного гидроксида алюминия в равновесных и пересыщенных по содержанию алюминия алюминатных растворах и дано его научное обоснование с позиций кинетической независимости прямой и обратной реакций;
  • установлена определяющая роль в формировании реальной структуры осадка гидроксида алюминия явления расщепления гиббсита-байерита в направлении оси симметрии при повышенных температурах и в плоскости симметрии при пониженных температурах, что приводит к образованию сферокристаллов и их агрегатов;
  • термодинамически обоснована возможность перекристаллизации с укрупнением осадка гидроксида алюминия в равновесных и неравновесных условиях, как результата пространственной дифференциации состава растворов при участии газовой фазы;
  • показана лимитирующая роль стадий образования двухмерных зародышей в механизме осаждения гидроксида алюминия на начальных этапах карбонизации алюминатных растворов, ведущая роль температуры процесса и коэффициента пересыщения для достижения однородного по гранулометрическому составу осадка;
  • по материалам экспериментальных исследований дано математическое описание осаждения гидроксида алюминия методом карбонизации, что позволило выявить условия процесса вызывающие механическую нестабильность агрегатов гиббсита и осаждение не однородных по гранулометрии осадков, а также стабилизацию их гранулометрического состава, ведущую роль в которой играет температура среды кристаллизации.

Практическая значимость работы:

  • показана ведущая роль таких технологических факторов, как температура, состав, скорость и длительность газации в получении однородных по гранулометрическому составу осадков гидроксида алюминия;
  • определён оптимальный технологический режим карбонизации и смежных технологических операций по показателям выхода тонкодисперсного гидроксида алюминия высокой чистоты, что позволило разработать технологический регламент его синтеза;
  • разработана технологическая схема и определены принципы аппаратурного оформления отдельных операций для производства тонкодисперсного гидроксида алюминия при комплексной переработке кольских нефелиновых концентратов;
  • по материалам экспериментальных исследований в лабораторном и укрупнено-лабораторном масштабах показана высокая воспроизводимость технологических показателей, что позволяет говорить о хорошей модельности процесса и экстраполяции полученных результатов на промышленный масштаб.

Апробация работы. Основные результаты диссертации освещались на научных конференциях студентов и молодых ученых СПбГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова “Полезные ископаемые России и их освоение” 2003-2006 г.г.; научных семинарах кафедры металлургии цветных металлов СПбГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова 2003-2007г.г.; международной конференции “Металлургические технологии и экология”, выставочное объединение “РЕСТЕК” 2003г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 статьях и 2 тезисах докладов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 64 рисунка. Библиография включает 185 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы идеи работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены материалы научно-технического анализа существующих методов получения тонкодисперсного гидроксида алюминия и основных направлений его использования. Поставлены основные научные и практические задачи диссертации.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы процесса массовой кристаллизации и физико-химические особенности кристаллизации из растворов при химическом взаимодействии. Дан термодинамический и кинетический анализ процессов, сопровождающих массовую кристаллизацию на этапе зародышеобразования, роста и перекристаллизации применительно к системам Na2O(K2O)-Al2O3-H2O; Na2O-Al2O3-H2O-CO2 и ряду других.;

Третья глава представляет экспериментальные исследования по кинетике гомогенного зародышеобразования и осаждения гидроксида алюминия из щелочных алюминатных растворов методом карбонизации. Приводится математическое описание выхода продукта и показателей распределения по крупности в осадке, как функции технологически значимых факторов. Приведены данные по кристалломорфологии индивидов. Изложены материалы лабораторных исследований по оценке роли процессов перекристаллизации и рекристаллизации, сопровождающих осаждение гидроксида алюминия.

В четвёртой главе изложены результаты исследований по оптимизации синтеза тонкодисперсного гидроксида алюминия и смежных технологических операций. Представлены результаты отработки технологических режимов в укрупненно-лабораторном масштабе. Приведен технологический регламент, материалы разработки аппаратурно-технологической схемы и расчеты по оценке экономической эффективности принятых технических решений при производстве тонкодисперсного гидроксида алюминия.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Химическое пересыщение алюминатного раствора за счёт взаимодействия с углекислым газом при пониженной температуре 10-250С обеспечивает интенсивное зародышеобразование по гомогенному механизму, что в сочетании с реальным процессом кристаллообразования гиббсита-байерита, обеспечивает формирование однородного тонкодисперсного осадка сферолитовой структуры.

К настоящему времени вопросы теории кристаллизации разработаны достаточно полно с фундаментальных позиций различных областей знаний. В то же время разнообразие механизмов кристаллизации и условий реального кристаллообразования значительно затрудняет применение теоретических положений к прогнозированию конечных результатов, а для сложных физико-химических систем в условиях химического осаждения делает практически невозможным. Особые затруднения встречает анализ процессов кристаллизации на наноуровне, т.е. в момент возникновения кристаллической фазы, или иначе зародышеобразования, математическое описание которого носит в значительной степени качественный характер. Применительно к синтезу гидроксида алюминия вопросы зародышеобразования и роста кристаллической фазы имеют первостепенное значение для формирования потребительских свойств конечного продукта.

В соответствии с кластерной теорией в процессе кристаллизации можно предполагать одновременное существование потока двухмерных зародышей и питающего материала. В стационарных условиях разложения алюминатных растворов эти потоки имеют устойчивую связь, которая отвечает следующей стехиометрии:

[Al(OH)3]m + nNaAl(OH)4 = (m + n)Al(OH)3 + nNaOH, (1)

т.е. один двухмерный зародыш обеспечивает встраивание в кристаллическую решетку n молекул Al(OH)3. При лимитирующей роли диффузии двухмерных зародышей предельный поток кристаллизации составит:

(2)

где m – число ассоциированных молекул в двухмерном зародыше; D – коэффициент диффузии; – толщина диффузного слоя; С, Сн  соответственно концентрации пересыщенного раствора и равновесного.

Из уравнения (2) видно, что помимо пересыщения число молекул в двухмерном зародыше также приводит к росту потока, включая переход к послойному росту твердой фазы. Экспериментальные исследования латентного периода карбонизации алюминатных растворов позволили установить аналитическое соответствие интенсивности самозатравливания уравнению М.Л.Чепелевецкого, которое вытекает из лимитирующей роли образования двухмерных зародышей согласно теории Фольмера – Гиббса:

, (3)

где I – интенсивность зародышеобразования; NA – число Авогадро; n  число молекул в зародыше; K – константа; R – универсальная газовая постоянная.

Таким образом, коэффициент пересыщения и температура играют решающую роль в начальный период разложения алюминатных растворов для управления фракционным составом продукционных кристаллов.

Совокупный вклад всех этапов осаждения гидроксида алюминия методом карбонизации в формирование фракционного состава осадка оценивался по результатам экспериментальных исследований, выполненных в лабораторном масштабе с применением синтетических алюминатных растворов, близких по своему составу к производственным при переработке кольских нефелиновых концентратов. Ввиду большого числа потенциально значимых технологических факторов при постановке опытов применялось двухуровневое планирование экспериментов с оценкой воспроизводимости на нулевом уровне варьирования факторов. Обработка экспериментальных данных позволила получить следующие адекватные зависимости:

Y1 = 29,13 – 10,37X2 + 4,87X3 + 11,62X4 + 1,87X2X3; (4)

Y2 = 52,76 – 4,71X1 + 10,88X2 – 28,16X3 – 6,74X4; (5)

Y3 = 13,19 – 3,62X1 – 6,47X2 + 11,32X3 – 2,26X4 +

+ 3,34X1X3 – 6,08X2X3 + 1,5X3X4, (6)

где Y1 – выход гидроксида алюминия в % от теоретического; Y2 – содержание в % фракции –40 мкм; Y3 – содержание в % фракции +80 мкм; X1X4 = 1. В натуральном масштабе: X1 = 10 ± 5 % мас. – содержание CO2 в дутье; X2 = 6 ± 2 ч – теоретическое время полной карбонизации; X3 = 70±100С – температура раствора; X4 = 2,5 ± 0,5 ч – длительность этапа. Графическая интерпретация уравнений (4)(6) для части исследованной области математического плана представлена на рис.1, которая при выходе за рамки интервала 25  55 % по степени разложения носит гипотетический характер.

Установлена определяющая роль температуры, концентрации CO2 и скорости дутья в формировании фракционного состава гидроксида алюминия для различной степени разложения алюминатного раствора, что подтверждает вклад технологического режима начального периода в последующее распределение материала по крупности. Анализ осадков начального периода карбонизации алюминатных растворов показал значительную разницу в их кристалломорфологии и фазовом составе. С понижением температуры наблюдается первичная кристаллизация байерита (рис.2) и образование механически прочных сферолитов, обеспечивающих стабильное во времени количество растущих кристаллов, рис.3 (а,б).

Таким образом, снижение температуры алюминатного раствора и увеличение скорости его нейтрализации углекислым газом стабилизирует число образующихся зародышей, исключает гетерогенное затравливание за счет образования механически нестабильных агрегатов и увеличивает пересыщение системы с выходом за пределы метастабильной области, что представляет значимый фактор интенсификации гомогенного зародышеобразования.

Заметную роль в формирование гранулометрии и морфологии кристаллических осадков вносят также процессы перекристаллизации с укрупнением и уменьшением размеров кристаллических индивидов. Согласно современным представлениям природа этих процессов заключается в термодинамическом и кинетическом различии взаимодействия частиц, отличающихся по крупности и структуре, со средой кристаллизации.

На основе физико-химического анализа в системе Al2O3H2O-CO2-(Na2O, CaCl2) нами показана возможность пространственной дифференциации состава раствора при участии газовой фазы (табл.1), что является движущей силой перекристаллизации, установленной нами экспериментально в системе CaO – H2O – CO2.

Таблица 1

Равновесие и устойчивость системы Al2O3-H2O-CO2 в условиях пространственной дифференциации растворов

, кПа Показатели равновесных растворов и их пересыщения
pH LAl SAl Al
4,5·10-2 5,75 3,24·10-7 0,0 1,0
2,51 5,2 1,43·10-5 1,40·10-5 44,1
14,32 5,0 5,70·10-5 5,67·10-5 175,9
86,50 4,8 2,27·10-4 2,27·10-4 700,6
214,4 4,7


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.