Материал: Расчет процесса получения алюминия

Расчет процесса получения алюминия

Министерство образования и науки РФ

Новосибирский государственный технический университет

Механико-технологический факультет

Курсовая работа

по дисциплине "Общая химическая технология"

по теме

"Расчет процесса получения алюминия"

Факультет: энергетики

Преподаватель: Крутский Ю.Л.

Группа: ЭХТ-11

Студент: Гнидан К.А.

Новосибирск 2014

Содержание

Введение

Аналитический обзор

Получение глинозема

Физико-химические основы процесса Байера

Технология процесса электролиза

Расчетная часть

Расчет числа электролизеров и производительности серии

Конструктивный расчет электролизера

Материальный расчет электролизера

Энергетический расчет электролизера

Список литературы

Приложение

Введение

Алюминий - мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C. По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место - среди металлов.

К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло - и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.

Наряду с чистым алюминием большое значение имеют и алюминиевые сплавы, в которых сохраняется основное свойство алюминия - малый удельный вес и имеются новые ценные для целей практического применения свойства, отсутствующие или недостаточно развитые у чистого алюминия. Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:

Деформируемые алюминиевые сплавы - предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т.д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки.

а) Упрочняемые термической обработкой:

Дуралюмины, "дюраль" (Д1, Д16, Д20*, сплавы алюминия меди и марганца [Al-Cu-Mg]) - удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях, но плохо в отожженном состоянии. Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова автомобилей.

Сплав авиаль (АВ) удовлетворительно обрабатывается резанием после закалки и старения, хорошо сваривается аргонодуговой и контактной сваркой. Из этого сплава изготовляются различные полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованные детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии.

Высокопрочный сплав (В95) имеет предел прочности 560-600 Н/мм2, хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Сплав применяется в самолетостроении для нагруженных конструкций (обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны) и для силовых каркасов в строительных сооружениях.

Сплавы для ковки и штамповки (АК6, АК8, АК4-1 [жаропрочный]). Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки. Алюминиевые сплавы этой группы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой.

б) Не упрочняемые термической обработкой:

Сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6) легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), хорошо свариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена, поэтому для получения резьбы используют специальные бесстружечные метчики (раскатники), не имеющие режущих кромок.

Литейные алюминиевые сплавы - предназначенные для фасонного литья (как правило, хорошо обрабатываются резанием).

Сплавы алюминия с кремнием (силумины) Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью. Силумины сравнительно легко обрабатываются резанием.

Сплавы алюминия с медью Al-Cu (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием.

Сплавы алюминия с магнием Al-Mg (АЛ8, АЛ27) имеют хорошую коррозионную стойкость, повышенные механические свойства и хорошо обрабатываются резанием. Сплавы применяют в судостроении и авиации.

Жаропрочные алюминиевые сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) хорошо обрабатываются резанием.

С точки зрения обработки фрезерованием, нарезания резьбы и токарной обработки, алюминиевые сплавы также можно разделить на две группы. В зависимости от состояния (закаленные, состаренные, отожженные) алюминиевые сплавы могут относиться к разным группам по легкости обработки:

Мягкие и пластичные алюминиевые сплавы, вызывающие проблемы при обработке резанием: а) Отожженные: Д16, АВ. б) Не упрочняемые термической обработкой: АМц, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6.

Сравнительно твердые и прочные алюминиевые сплавы, которые достаточно просто обрабатываются резанием (во многих случаях, где не требуется повышенная производительность, эти материалы могут обрабатываться стандартным инструментом общего применения, но если требуется повысить скорость и качество обработки, необходимо применять специализированный инструмент): а) Закаленные и искусственно состаренные: Д16Т, Д16Н, АВТ.

б) Ковочные: АК6, АК8, АК4-1.

в) Литейные: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ8, АЛ27, АЛ1, АЛ21, АЛ33.

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде, изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.). Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий, благодаря комплексу свойств, широко распространен в тепловом оборудовании.

Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство - из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять.

Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении.

Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала.

Аналитический обзор

Получение глинозема

Глиноземом называется кристаллическая окись алюминия. Она является основным сырьем для получения алюминия. Алюминий получают из глинозема электролизом. Глинозем используется также и в других отраслях промышленности (например, для отбеливания бумаги, производства специальных сортов цемента, цеолитов - веществ, поглощающих определенный сорт молекул в присутствии других молекул и пр.). Кроме того, иногда бывает рентабельно в состав производства глинозема включать производство редких металлов, сопутствующих алюминию в руде (таких, как галлий, ванадий и пр.).

Глинозем получают из руды, содержащей горную породу - боксит. Бокситы имеют сложный химико-минералогический состав. Основной и полезной их частью являются различные модификации гидрата окиси (гидроокиси) алюминия (Аl (ОН) ₃, AlOОН и др.). В состав бокситов входят обычно окислы железа, кремния, в малом количестве - серы, титана, галлия, хрома, ванадия и пр., а также карбонатные соли кальция, магния, железа, органические вещества (остатки древних растений и животных) и пр. Чрезмерное содержание любых других примесей также является вредным и приводит к повышению затрат на производство глинозема.

Глинозем можно получить тремя методами: кислотным, щелочным и электролитическим. Самым популярным и наиболее простым является щелочной метод, предложенный Байером и называемый Байер-процессом. Суть метода заключается в том, что алюминиевые растворы очень быстро начинают разлагаться при введении гидроокиси алюминия, а раствор, который остался от разложения после выпаривания при интенсивном перемешивании при температуре 170 С, может снова растворить глинозем, который содержится в бокситах. Данный способ имеет такие главные стадии:

. Подготовка боксита, которая подразумевает его дробление и измельчение в специальных мельницах. В мельницы отправляют едкую щелочь, боксит и немного извести. Пульпу, которая получилась, направляют на выщелачивание.

. Выщелачивания боксита подразумевает его химическое разложение от соединения с водным раствором щелочи. При этом гидраты окиси алюминия при соединении со щелочью в раствор переходят в форме алюмината натрия, а кремнезем, который содержится в боксите, соединяясь со щелочью, в раствор переходит в форме силиката натрия. В растворе эти соединения: алюминат натрия и силикат натрия формируют нерастворимый натриевый алюмосиликат. В этот остаток переходят окислы железа и титана, которые предают остатку красный оттенок. Такой остаток - это красный шлам. Когда растворение полученного алюмината натрия завершается, его разводят водным раствором щелочи при понижении температуры до 100°С.

. Отделение красного шлама и алюминатного раствора друг от друга происходит благодаря промывке в сгустителях. После чего красный шлам оседает, а оставшийся алюминатный раствор фильтруют.

. Разложение алюминатного раствора. Его фильтруют и отправляют в крупные емкости с мешалками. Из данного раствора при охлаждении до 60°С и постоянном перемешивании выделяется гидроокись алюминия. Из-за того, что процесс протекает неравномерно и очень медленно, а рост кристаллов гидроокиси алюминия очень важен при дальнейшей обработке, то в эти емкости с мешалками - декомпозеры ещё добавляют много твердой гидроокиси.

. Получение гидроокиси алюминия осуществляется в вакуум-фильтрах и гидроциклонах. Большую часть гидроокиси как затравочный материал возвращают к процедуре декомпозиции. После водной промывки остаток отправляется на кальцинацию; и фильтрат тоже возвращается в процесс.

. Обезвоживание гидроокиси алюминия - завершающая стадия производства глинозема. Она проходит в трубчатых, постоянно вращающихся печах. Сырая гидроокись алюминия, когда проходит через печь, полностью высушивается и обезвоживается. (Схема 1).

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% α-Al2O3 (корунд), остальное γ-Al2O3.

Этим способом извлекается 85-87% от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ^оС.

Необходимым условием производства глинозема является контроль и соблюдение параметров веществ и процессов на всех этапах производства, начиная от подачи в него боксита и кончая выгрузкой готового глинозема. К ним, в частности, относятся: тонкость помола, концентрация щелочи, температура, давление, расход жидких и твердых веществ, расход энергоносителей и их параметры, крупность затравки и многое другое. Получают эти данные еще на стадии проектирования завода посредством многочисленных теоретических расчетов и экспериментальных проверок и корректируют их после пуска производства. Контроль за соблюдением технологии осуществляется постоянно специально лабораторией, а соблюдение условий производства является основной функцией инженерно-технического персонала и рабочих.

Важной составной частью производства является энергетическое хозяйство, поставляющее электроэнергию, тепло и пар для подогрева растворов и сухих веществ.

Глиноземное производство эксплуатирует очень большое число различных насосов и единиц запорной арматуры, и от их надежности существенным образом зависит стабильность производства.

Сегодняшнее производство глинозема в значительной мере автоматизировано.

Это существенно облегчает управление процессами, но требует более квалифицированного персонала для обслуживания.

Схема 1. Схема производства глинозёма по Байеру.

Физико-химические основы процесса Байера

В основе способа Байера лежит химическая реакция Al (OH) ₃+ +NaOH ? NaA1O₂+2H₂O. В условиях выщелачивания равновесие этой реакции сдвинуто вправо, т.е. гидроксид алюминия из боксита 'переходит в раствор в виде алюмината натрия. В условиях декомпозиции равновесие сдвигается в обратную сторону, т.е. происходит гидролиз алюминатного раствора с выделением в осадок гидроксида алюминия.

Затраченная при выщелачивании щелочь освобождается при декомпозиции и возвращается в голову процесса-на выщелачивание новых порций боксита. Таким образом, в способе Байера цикл по щелочи замкнут.

Она направлена к точке Al₂O₃*ЗH₂O при выщелачивании гиббситовых бокситов и к точке Al₂O₃*H₂O-при выщелачивании бемитовых и диаспоровых бокситов.

После выщелачивания раствор (пульпу) разбавляют. Разбавление конденсатом в зависимости от способа нагрева пульпы может начинаться еще в процессе выщелачивания. Состав раствора при этом перемещается из точки Б в точку В. Далее следует разбавление пульпы промывными водами. Так как при разбавлении каустический модуль не изменяется, то точка Г, отвечающая составу раствора после разбавления, должка лежать на линии постоянного каустического модуля. Линия БГ, характеризующая изменение концентрации раствора при разбавлении, называется линией разбавления. Раствор в точке Г имеет температуру порядка 95-100°С; он практически стойкий.

Смешение алюминатного раствора с затравкой ведет к изменению его каустического модуля, так как вместе с затравкой вносится некоторое количество маточного раствора, имеющего высокий каустический модуль. Состав раствора при этом из точки Г переходит в точку Д. Линия ГД называется линией смешения с затравкой.

Рис. 7. Цикл процесса Байера в системе Al₂O₃-Na₂O - H₂O.

При декомпозиции раствор охлаждается до температуры порядка 50 ºС и оказывается в области пересыщенных глиноземом растворов. Пересыщенный раствор гидролитически разлагается, что сопровождается снижением концентрации глинозема в нем и повышением каустического модуля. Составу маточного раствора после декомпозиции отвечает точка Е. Линия ДЕ называется линией декомпозиции. Она направлена к точке Al₂O₃*ЗH₂O. Далее следует выпаривание маточного раствора. При выпаривании концентрация раствора повышается, каустический же модуль остается постоянным, поэтому состав раствора из точки Е перемещается, но линии постоянного каустического модуля в точку Ж. Линия ЕЖ называется линией выпаривания. После добавки свежей щелочи состав оборотного раствора переходит в точку А, в которой цикл заканчивается и начинается новый.

Технология процесса электролиза

Электролитическое восстановление окиси алюминия, растворенной в расплаве на основе криолита, осуществляется при 950-970°С в электролизере. Электролизер состоит из футерованной углеродистыми блоками ванны, к подине которой подводится электрический ток. Выделившийся на подине, служащей катодом, жидкий алюминий тяжелее расплава соли электролита, поэтому собирается на угольном основании, откуда его периодически откачивают. Сверху в электролит погружены угольные аноды, которые сгорают в атмосфере выделяющегося из окиси алюминия кислорода, выделяя окись углерода (CO) или двуокись углерода (CO₂). На практике находят применение два типа анодов: