Главная | Обратная связь

УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ РАБОТЫ

 

Ряд лабораторных работ для магистрантов, специализирующихся в области производства легких металлов, выделяется в самостоятельную группу. Их выполнение связано с дальнейшим развитием навыков постановки экспериментов, углубленным изучением теории и технологии производства глинозема. При этом значительное внимание уделяется самостоятельной методической проработке всех видов лабораторных исследований на основе и с использованием имеющихся примеров и опыта их выполнения. Данные работы носят индивидуальный характер и могут стать существенной базой для наработки материалов магистерской диссертации, а также серьезной подготовкой к самостоятельной работе при обучении в аспирантуре.

Работа 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА БАЙЕР-СПЕКАНИЕ (ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ)

[9, c.196-274, 264-274; 9, c.163-174]

 

Цель работы – знакомство с теоретическими и технологическими основами переработки низкокачественных бокситов комбинированным способом путем лабораторного моделирования ряда технологических операций. Определение удельных материальных потоков производства и важнейших технико-экономических показателей.

 

 

Основные определения, теория и технология

 

Последовательный вариант комбинированного способа применяется для переработки высококремнистых бокситов по схеме, приведенной на рис.15, что повышает извлечение глинозема из боксита, снижает удельный расход сырья и топлива. Наиболее сложной операцией схемы является спекание шламовой шихты, так как при ее стехиометрическом насыщении образуются трудновскрываемые фазы (2Na₂O×8CaO×5SiO₂ и 4CaO×Al₂O₃×Fe₂O₃), которые при выщелачивании почти не переходят в раствор (заштрихованная область на рис.16). Кроме того, такая шихта характеризуется малой температурной площадкой спекообразования и низкой температурой начала плавления, которая в основном определяется содержанием Na₂O×Fe₂O₃ в шихте. При переработке высокожелезистых бокситов с содержанием 16-20 % Fe₂O₃ известняк дозируют в шихту из расчета образования СаО×Fe₂O₃ и 2СаО×Fe₂O₃ в соотношении 1:1 при содержании Na₂O×Fe₂O₃ в спеке не более 14 %.

 

 

Подготовка к работе

 

Лабораторное оборудование, необходимое для знакомства с данной технологией, подробно описано в работах 1 и 2.

Задание на выполнение экспериментальной части должно содержать все необходимые сведения по химическому и фазовому составу используемых материалов, количеству перерабатываемого боксита, а также основные рекомендации по режиму исследуемых технологических операций, наиболее интересными из которых являются выщелачивание боксита, приготовление шламовой шихты, спекание и выщелачивание спека.

 

Ход работы

 

1. Вывести уравнения, обеспечивающие расчет шихты для выщелачивания боксита и последующего спекания красного шлама.

2. Приготовить указанное количество бокситовой шихты и провести ее выщелачивание с последующим определением показателей по извлечению Al₂O₃ и отмывке Na₂O, что позволяет рассчитать состав красного шлама.

3. Приготовить шламовую шихту с учетом соответствия состава спека области первичной кристаллизации Na₂O×Al₂O₃, 2CaO×SiO₂ при контролируемом содержании Na₂O×Fe₂O₃ вне заштрихованной пунктиром зоны рис.16.

4. Провести спекание шламовой шихты и выщелачивание спека с учетом получения устойчивых алюминатных растворов. По ходу экспериментов необходимо устанавливать количество всех материалов и образующихся продуктов, составы растворов по Al₂O₃ и Na₂O.

5. Рассчитать основные технико-экономические показатели выполненных операций: расход материалов и выход продуктов, извлечение Al₂O₃ и оборот щелочи. Дать сравнительный анализ результатов.

Работа 9. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ БОКСИТОВ

[7, c.94-175; 9, c.83-108]

 

Цель работы – определение оптимального температурного режима выщелачивания бокситов при их переработке способом Байера.

 

Основные определения, теория и технология

 

Температура, при которой ведется выщелачивание боксита, оказывает исключительно большое влияние на показатели процесса. При прочих равных условиях с повышением температуры извлечение глинозема возрастает и сокращается продолжительность выщелачивания.

Физико-химическая сущность влияния температуры на скорость выщелачивания бокситов, сопровождающегося химической реакцией (2), может быть установлена на основе анализа потока выщелачивания для гетерогенного химического взаимодействия:

, (87)

где С₀ и – концентрация щелочи и алюмината натрия в растворе; K_р – константа равновесия реакции (2); d₁, d₂ – толщина внешне- и внутреннедиффузионного слоя; D₁, D₂ и , – коэффициенты диффузии щелочи и алюмината натрия через слои с различным сопротивлением; K – константа скорости реакции (2).

Из уравнения (87) видно, что j является сложной функцией температуры, от которой зависят K_р, K, D₁, D₂, и . С учетом диффузионно-кинетического ограничения роль температуры будет определяться лимитирующей стадией процесса, т.е. скоростью химического взаимодействия, диффузии или смешанной кинетикой.

 

Подготовка к работе

 

Лабораторное оборудование полностью отвечает используемому в работе 1.

Задание на выполнение экспериментальной части также включает все основные положения работы 1, которые дополнены еще двумя значениями температуры для построения соответствующих кинетических кривых.

 

 

Ход работы

 

1. Построить кинетические кривые зависимости извлечения Al₂O₃ от продолжительности выщелачивания при заданных изотермических условиях согласно работе 1.

2. Определить кажущуюся энергию активации согласно известным методикам [7] в начале процесса и при высоких степенях превращения.

3. Дать кинетический и технологический анализ полученных зависимостей с установлением оптимального температурного режима и продолжительности выщелачивания боксита.

 

 

Работа 10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛОЩАДКИ СПЕКООБРАЗОВАНИЯ

[8, с.274-336; 9, c.193-218; 19, c.130-136]

 

Цель работы – экспериментальное определение температурного интервала спекообразования бокситовых шихт и установление оптимального температурного режима спекания.

 

 

Основные определения, теория и технология

 

Разница между значениями температуры начала спекания и заметного плавления смеси называется температурной площадкой спекообразования. Температура начала спекания зависит от природы спекаемых веществ и энергии активации, необходимой для образования центров новой фазы. Поскольку температура плавления вещества определяется прочностью связи элементарных частиц в кристалле (энергией кристаллической решетки), существует зависимость между температурами спекания и плавления любого вещества: чем выше температура плавления вещества, тем больший нагрев нужен для спекания его порошка. По Тамману, между абсолютной температурой спекания Т_сп и абсолютной температурой плавления Т_пл силикатных систем наблюдается зависимость: Т_сп = (0,8¸0,9)Т_пл. Согласно современным представлениям о механизме твердофазных реакций, определяющей стадией этого процесса является диффузионный массоперенос вещества в область взаимодействия, скорость которого значительно увеличивается при участии определенного количества легкоплавкой составляющей. Таким образом, каждому составу бокситов шихты (см. рис.16) отвечает оптимальный температурный интервал, обеспечивающий как наилучшие условия спекания, так и качество образующегося продукта. Определение этого температурного интервала выполняется экспериментально.

В зависимости от температуры спекания меняется не только скорость этого процесса, но и фазовый и химический состав спека, его пористость и удельная поверхность, крупность, твердость и некоторые другие характеристики. Таким образом, в полной мере оценить качество спека и интервал оптимальных температур спекообразования можно только по показателям стандартного выщелачивания (см. лабораторную работу 3).

 

 

Подготовка к работе

 

Лабораторное оборудование полностью отвечает используемому в работах 2 и 3.

Задание на выполнение экспериментальной части содержит необходимые указания по химическому и фазовому составу исходных материалов, фазовому составу спека, температуре спекания шихт и режиму стандартного выщелачивания.

 

Ход работы

 

1. Приготовить шихты одинакового состава для данной пробы низкокачественного боксита (см. лабораторную работу 2) и провести их спекание в заданном температурном режиме.

2. Подготовить пробу и выполнить стандартное выщелачивание (см. работу 3), по результатам которого оценить качество спека и правильность выбора температуры спекания.

3. Дать анализ полученных результатов в соответствии с представлениями о механизме процессов спекания и выщелачивания.

 

 

Работа 11. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОГО ПЕРИОДА ПРИ КАРБОНИЗАЦИИ АЛЮМИНАТНЫХ РАСТВОРОВ

[7, c.395-417; 9, c.254-263; 15, с.284-307; 20, с.25-76]

 

Цель работы – знакомство с теоретическими основами гомогенного образования твердой фазы и экспериментальное определение поверхностной энергии на границе алюминатного раствора и синтетического гиббсита.

 

 

Основные определения, теория и технология

 

Период кристаллизации, в течение которого концентрация раствора по выделяемому компоненту не меняется, называется индукционным (латентным или скрытым). Длительность периода индукции зависит от степени пересыщения раствора, природы кристаллизуемого вещества и растворителя, способа создания пересыщения, интенсивности перемешивания, наличия примесей и других факторов. Изучение периода индукции не только интересно с точки зрения проведения самого процесса кристаллизации, но и открывает большие возможности для установления его механизма, раскрытия природы отдельных этапов, а также позволяет определить некоторые физические величины, характеризующие свойства кристаллического вещества.

С позиций производства глинозема требуемого качества, основополагающими являются физико-химические закономерности возникновения и последующего роста кристаллов гидроксида алюминия при декомпозиции и карбонизации алюминатных растворов. Поскольку последние имеют широкую область метастабильной устойчивости (см. рис.13), для гомогенного образования Al(OH)₃ необходимы высокие пересыщения. Это приводит к резкому увеличению скорости образования зародышей (их количества), уменьшению размеров зародышевых кристаллов и в конечном итоге снижению крупности конечного продукта.

Из теории Фольмера – Гиббса, объясняющей образование твердой фазы и ее рост с помощью двумерных зародышей, вытекает связь между продолжительностью индукционного периода t_i и скоростью образования зародышей I:

. (88)

Из уравнения (88) следует, что изменение индукционного периода существенно влияет на скорость зародышеобразования, а следовательно, и свойства кристаллического продукта.

С учетом работы образования зародышей и допущения, что в индукционный период l << I (l – линейная скорость роста кристаллов), получено следующее выражение [20]:

, (89)

где N_A – число Авогадро; s – поверхностная энергия; М, r – молекулярный вес и плотность твердой фазы; n_к – число молекул в кристаллическом зародыше; Т – температура процесса, К; g – коэффициент пересыщения, равный С/С₀; С – текущая концентрация кристаллизирующегося вещества в раствор; С₀ – его растворимость.

Согласно уравнению (89) механизм двумерного зародышеобразования характеризуется линейной зависимостью от . Эта зависимость может быть использована для косвенного определения поверхностной энергии (s) на границе раздела фаз кристалл – раствор. Различное пересыщение технологических растворов к моменту зародышеобразования может быть обеспечено при одинаковом начальном составе за счет изменения скорости создания пересыщения, что оказывает влияние на ширину метастабильной области (рис.17).

 

Подготовка к работе

 

Лабораторное оборудование включает специальную установку для исследования процесса карбонизации (см. рис.8), а также оборудование для выполнения анализов алюминатных растворов (см. работу 7).

Задание на выполнение экспериментальной части включает указания по используемым в работе материалам, режиму карбонизации, методам технологического и аналитического контроля.

 

 

Ход работы

 

1. Подготовить и провести необходимое количество опытов по карбонизации алюминатных растворов с различной скоростью подачи углекислого газа, визуально фиксируя момент окончания индукционного периода и измеряя его продолжительность.

2. Выполнить анализ растворов, отвечающих завершению скрытого периода, на содержание Na₂O_к, Na₂O_угл, Al₂O₃ с использованием известных равновесных составов алюминатных растворов в граммах на литр как функции Na₂O_у, Na₂O_к и температуры раствора в градусах Цельсия типа

вычислить коэффициент пересыщения g. Построить зависимость = f( ) и определить постоянный множитель в уравнении (89).

3. Вычислить s и построить зависимость s = f(n_к).

4. Проанализировать полученные результаты с позиций механизма кристаллизации и технологии карбонизации.

 

РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ