Комплексная переработка алюминийсодержащего сырья кислотными способами

Ю.М. Лайнер

Наука, 1982 г.

При разложении нефелинов и алунитов серной кислотой образуются алюмокалиевые и алюмонатриевые квасцы, из которых термическим разложением солей в инертной атмосфере с последующим водным выщелачиванием могут быть получены оксид алюминия в твердой фазе и сульфаты натрия и калия в растворе.

Другой путь получения оксида алюминия состоит во взаимодействии квасцов в присутствии твердого и газообразного восстановителя с получением алюминатов натрия и калия, что позволяет провести очистку растворов от оксида железа в щелочной ветви и выделить гидроокись алюминия необходимого дисперсионного состава. При этом сульфаты щелочных металлов, входящие в состав квасцов, выступают в качестве заменителя соды.

Сульфат натрия пытались использовать вместо соды при спекании с бокситом [1,2], однако промышленное применение сульфатов натрия и калия в производстве глинозема практикуется при переработке алунита на переделе спекания гидратно-сульфатной шихты с твердым восстановителем [3]. При использовании твердого восстановителя, особенно в присутствии водяных паров, вводимых для интенсификации процесса, образуется некоторое количество водорода, принимающего участие в процессе. Применение газообразных восстановителей, например водорода или конверсированного газа, где основной составляющей является водород, представляет определенный интерес, так как позволяет заменить дорогостоящий беззольный коксик на дешевый газ, устранить трудоемкие операции тонкого измельчения коксика и тщательного перемешивания его с шихтой. В ближайшей перспективе намечается широкое использование водорода, получающегося в атомных реакторах, для нужд народного хозяйства, в том числе и металлургии [4, 5]. Поэтому для разработанной нами технологической схемы большой интерес представляют исследования взаимодействий в системе Na2O—К2О—А12О3—SO3—Н3—С применительно к восстановительному спеканию алюмокалиевых и алюмонатриевых квасцов. Для изучения реакций взаимодействия в указанной системе был применен термографический анализ, па основе которого выполнены исследования по кинетике разложения сульфатных соединений в различных газовых средах. При проведении термографических исследований необходимым условием является идентичность теплообмена образца и эталона. Однако в известных работах [6, 7] не дается достаточно обоснованного выбора того или иного метода подачи газа в реакционное пространство. Нами было опробовано несколько вариантов пропускания газа через эталон и образец.

Наименьшее отклонение дифференциальной кривой от горизонтального положения достигается в том случае, когда газ последовательно подастся сначала в эталон, затем охлаждается до комнатной температуры и пропускается через образец. В этом случае наиболее точно соблюдается равенство объемных скоростей и температур газов (термостатирование), входящих в эталон и образец. эталон и образец помещались в металлический реактор, специально разработанный для этой цели (рис. 57). Термограммы снимались на пирометре Курнакова ПТР-64 [12—14].

Данные по термографическому анализу были использованы для изучения кинетики процессов, происходящих в рассматриваемой системе. Большинство исследователей изучают кинетические параметры в изотермических условиях. Однако в некоторых случаях определение кинетических параметров в изотермических условиях затруднено или практически невозможно. Например, при изучении отдельных реакций, сопровождающихся значительными эндо- или экзотермическими эффектами или имеющих время протекания, близкое к установлению температуры, не удается провести эксперимент при постоянной температуре реагентов. В этом случае возможно применение так называемых неизотермических методов, основанных па определении кинетических параметров процессов при повышении температуры образца с постоянно заданной скоростью. К этим методам можно отнести и дифференциальный термический анализ. Основной предпосылкой применения термографии к изучению кинетики процессов является пропорциональность между количеством реагирующих веществ и выделяющегося при этом тепла.

В работе [8] показана возможность оценки кинетики процесса с использованием площадки пика дифференциальной кривой, соответствующей моменту протекания этого процесса, где доля прореагировавшего вещества а рассчитывается как отношение площадей а и А на дифференциальной кривой термограммы, т. е. а = а/А, где А — вся площадь пика, ограниченная дифференциальной кривой термограммы и касательной, проведенной к точкам перегиба начала и конца эффекта; а — часть площади пика от начала процесса до любого промежуточного времени т;, мин.

В работах [9, 10] предлагается метод определения энергии активации Е по одной термограмме путем измерения величины отклонения дифференциальной кривой от базисной линии через определенные промежутки времени и построения графика.

В наших работах применялись названные методы для изучения кинетики разложения сульфатных соединений алюминия, калия и натрия в различных газовых средах [11, 12].

Исследования по разложению алюмокалиевых квасцов в различных газовых средах проводились в вертикальном трубчатом реакторе из нержавеющей стали с алундовой футеровкой (рис. 58) [11, 12]. Газ подавался сверху вниз через слой квасцов. Скорость подачи газа и его количество регулировались и измерялись. Обезвоженные квасцы загружались в реактор, продувались газом и нагревались с определенной скоростью. Кинетические параметры определялись на основании дифференциально-весового метода в неизотермических условиях [15—17].

Сущность этого метода состоит в следующем. Исследуемую навеску вещества нагревают с постоянной скоростью до определенной температуры, охлаждают и полученные продукты анализируют. Затем берут новую навеску вещества и нагревают ее в тех же условиях до более высокой температуры.

Таким образом, можно получить изменение состава или свойства полученного вещества в зависимости от температуры и провести кинетический анализ. Зная Скорость нагрева образца и предположив, что температура в течение интервала, равного единице времени (1 мин, 1 с), остается постоянной и повышается скачкообразно в конце каждого интервала, по кривой зависимости состава или свойства от температуры можно определить это изменение во времени, т. е. среднюю Скорость процесса.