Теоретические сведения

Суть способа Байера (рис.1) состоит в выщелачивании предварительно раздробленного и измельченного боксита щелочно-алюминатным раствором с каустическим модулем _к = 3,54,0.

Основные достоинства способа Байера – небольшое количество технологических операций, относительно простое аппаратурное оформление процессов, невысокие расходные показатели по затратам энергии и материалов и, как следствие, низкая себестоимость продукции.

Главные недостатки – применимость способа только к высококачественным бокситам и значительные невосполнимые потери дорогостоящей каустической щелочи (гидроксида натрия).

Подготовка к работе

Измельчение боксита выполняется в фарфоровых ступках. Взвешивание твердых материалов (дозировка) производится на технических весах с точностью до 0,1-0,01 г. Необходимые объемы растворов отмеряют мерными цилиндрами с точностью 0,5 мл.

Выщелачивание исходной шихты ведут в лабораторных автоклавах объемом 75-100 мл. Автоклавы – толстостенные стальные сосуды с герметично закрывающейся крышкой и фторопластовой уплотнительной прокладкой. Автоклавы позволяют нагревать пульпы до высоких температур (более 200 С), что обеспечивает интенсивное ведение процесса выщелачивания. При работе с автоклавами необходимо тщательно соблюдать правила техники безопасности, следить за исправностью сосудов и правильностью сборки. Нагрев автоклавов в воздушном термостате и их изотермическая выдержка проводится в присутствии и под наблюдением преподавателя или сотрудника кафедры.

Контроль регулировки температуры выщелачивания выполняется по температуре в термостате с помощью пирометрического регулирующего милливольтметра группы ХК с одновременным контролем температуры ртутным термометром.

Отделение алюминатного раствора от шлама и его промывка выполняются на вакуум-фильтровальной установке с использованием фарфоровой воронки Бюхнера и стеклянной колбы Бунзена. Оборудование для химического анализа содержит все необходимое для проведения объемного титриметрического анализа и фотоколориметрического анализа.

Исходные данные

Боксит:m_б=15г; Al₂O₃= 47,5%; SiO₂=1,8%; Fe₂O₃=19,5%

Каустик: NaOH=90%;

mCaO=0,75г; _из= 1,2 ^г/_мл;

=1,7; [NaOH]=300 ^г/_л

Ход работы

1. По показателям _Si и из уравнений и определить пригодность пробы боксита для переработки способом Байера.

где А, S – соответственно содержание Al₂O₃ и SiO₂ в боксите.

Так как кремниевый модуль высокий, следовательно можно перерабатывать боксит способом Байера.

2. Методом дробления и измельчения подготовить пробу к шихтовке. Крупность боксита должна соответствовать 100 % фракции –80 мкм по ситовому анализу.

3. На заданную навеску боксита рассчитать требуемое для выщелачивания количество каустической щелочи m_к, объем воды V_Н2О и количество извести m_изв.

3.1. Масса щелочи:

m_к =[0,785_к(А^б– 0,85S^б) + 0,667S^б]m^б =[0,785*1,7(47,5-0,85*1,8) + 0,667*1,8]*15/90= 0,43г

где _к – каустический модуль раствора в конце выщелачивания; А^б, S^б – содержание Al₂O₃ и SiO₂ в боксите, %; 0,785; 0,85; 0,667 – расходные коэффициенты согласно стехиометрии уравнений:

Al(OH)₃ + NaOH = NaAl(OH)_{4 ,} AlOOH + NaOH + H₂O = NaAl(OH)₄

Al₂O₃2SiO₂2H₂O + 2NaOН = Na₂OAl₂O₃2SiO₂2H₂O + H₂O.

3.2. Объем исходного раствора для выщелачивания навески боксита:

мл

где [Na₂O_к] – концентрация каустической щелочи в исходном растворе, равная примерно 300 г/л; [NaOH]^к – содержание NaOH в техническом каустике, %.

3.4. Необходимый для приготовления щелочного раствора объем воды:

мл

где _Н2О, _щ – плотность воды и щелочного раствора заданной концентрации, г/мл.

3.5. Количество извести:

m^изв = (0,030,05)m^б = 0,05*15 = 0,75 г

4. Приготовить необходимое количество одинаковых по составу шихт (3 шихты). Для этого в автоклав залить расчетный объем воды, с соблюдением необходимых предосторожностей внести навеску каустической щелочи и при перемешивании стеклянной палочкой добиться ее растворения. Добавить соответствующие количества боксита и извести, репульпировать их в объеме раствора. Собрать автоклавы и установить в заранее разогретый до температуры выщелачивания (150-200 С) воздушный термостат.

5. Включить привод механизма вращения автоклавов, обеспечивающего интенсивное перемешивание пульпы. Произвести необходимую изотермическую выдержку. При снятии кинетической кривой с тремя автоклавами время выщелачивания составляет 15; 30 и 45 мин.

6.  После заданной временнόй выдержки остановить привод перемешивающего устройства, соответствующий автоклав достать из термостата и поместить на охлаждение проточной холодной водой (5-10 мин). Продолжить выщелачивание оставшихся проб.

7.  Произвести разборку охлажденного автоклава. Температура поверхности автоклава при этом не должна значимо отличаться от температуры окружающей среды. Пульпу вылить в фарфоровый стакан и добавить 150-200 мл горячей воды (70-90 С), используя ее также для промывки автоклава, с присоединением промывных вод к основному объему пульпы.

8.  Отфильтровать пульпу под вакуумом, а затем промыть осадок красного шлама на фильтре 50-80 мл горячей воды. Фильтровать без защитного кожуха на колбе Бунзена запрещено.

Полученные объемы фильтратов V_ф,i измерить с помощью мерного цилиндра на 250 или 500 мл, результаты записать. Пробу шлама для максимального времени выщелачивания перенести с фильтра в фарфоровую чашку и просушить на песчаной бане или в воздушном термостате. После сушки взвесить и записать (m_к.ш):

V_ф1 = 250 мл, V_ф2 = 275 мл, V_ф3 = 250 мл, m_к.ш. = 14,25 г

9.  Приготовить пробы разбавленных растворов для химического анализа. Для этого от имеющихся фильтратов отобрать пипеткой аликвотную часть V_ал = 1025 мл и перенести в мерную колбу на 100-250 мл (V_к), разбавить и довести до метки дистиллированной водой, перемешать. При этом разбавление исходного фильтрата n = V_к/V_ал. Рекомендуемое в условиях опыта разбавление 10-12.

n = V_к/V_ал = 200/20 = 10

10. Рассчитать ожидаемые концентрации анализируемых компонентов в щелочно-алюминатных растворах и определить оптимальную в условиях анализа аликвотную часть разбавленного раствора.

10.1. С учетом близости [Na₂O_общ] и [Na₂O_к], потери части щелочей за счет образования ГАСН и недоотмывки шлама их ожидаемые концентрации:

^г/_л

^г/_л

^г/_л

где – ожидаемое извлечение щелочей в фильтрат, обычно равное 85-95 %.

10. 2. Ожидаемые концентрации :

= ^г/_л

^г/_л

^г/_л

где – ожидаемое в условиях опыта извлечение Al₂O₃ из боксита в раствор для i-й пробы с заданным временем выщелачивания, %.

_{10. 3. Оптимальные аликвотные части разбавленного раствора для анализа щелочей и Al2O3:}

_N1 = мл

_N2=11,73 мл

_N3= мл

где – аликвотная часть разбавленного раствора, отбираемая для анализа на содержание общей и каустической щелочи; – рекомендуемый объем титранта при определении щелочей,  = 10-15 мл; – титр щелочей по разбавленной HCl, г/мл.

_A1 = мл

_A2=13,3мл

_A3 = мл

где V_ТрБ – объем трилона-Б (комплексона) для проведения анализа, обычно V_ТрБ = 20 мл; – ожидаемый объем титранта Zn(NO₃)₂ или Zn(CН₃COO)₂,  = 10÷15 мл; Т_А – титр Al₂O₃ по разбавленному раствору трилона-Б, г/мл.

11.  Ознакомиться с порядком проведения анализов объемно-титрометрическим методом на содержание общей [Na₂O_общ] и каустической щелочи [Na₂O_к], [Al₂O₃]. Провести анализ и при необходимости выполнить параллельные определения. Рассчитать концентрации компонентов в растворе [Na₂O_к]_i, [Al₂O₃]_i и углекислой щелочи [Na₂O_угл] = [Na₂O_общ] – [Na₂O_к].

Результаты анализа сведены в табл.1, 2.

Таблица 1