NO800009L - Fremgangsmaate til utfelling av aluminiumhydroksyd - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår fremstilling av Al(OH)^ og nærmere bestemt utfelling av Al(OH)^ fra en "grønn" Bayer væske.

Ved gjenvinning av Al(OH)^ i Bayer-prosessen blir råmate-rialer så som bauxitt konvensjonelt oppsluttet i kaustisk soda, med påfølgende fjerning av rød slam-residuet fra den resulte-rende grønne væske før utfelling. Kimpartikler blir så tilsatt til den grønne væske i utfellingstanker under omrøring slik at kimpartikler og væske holdes i kontakt, hvor utfelling utføres ved hydrolyse i henhold til den følgende reaksjonsligning:

Hydrolysereaksjonen forløper langsomt, normalt over et tids-rom på 20-60 timer, idet hastigheten er en funksjon av temperaturen, kim-overflatearealet og konsentrasjonene av natrium-hydroksyd, alumina og forurensninger. Aluminiumhydroksydet blir så klassifisert ved hydraulisk elutriering, og produkt-■størrelsesfraksjonen sendes til kalsinering, hvor det kjemisk bundne vann avdrives ved høye temperaturer. Finere partikler resirkuleres som kim. Den brukte væske som erholdes etter utfellingen, inndampes og resirkuleres til oppslutningsapparatet.

Denne prosess har vært utført med godt resultat gjennom mange år under oppnåelse av Al(OH)^ av høy kvalitet og egnet for påfølgende kalsinering og.anvendelse for fremstilling av metallisk aluminium, men prosessen har visse ulemper.. På grunn av den lave reaksjonshastighet, jfr. ovenfor, trenges det et antall utfellingstanker for å behandle det store volum av grønn væske. Prosessen krever også et påfølgende klassifiseringstrinn,

i hvilket større produktstørrelsespartikler gjenvinnes for endelig bruk i enten smelte- eller kjemiske anvendelser, mens de mindre kimpartikler returneres til utfellings tankene. Alternativt anvendes filtrering for å skille aluminahydrat fra væske.

Alternative eller modfiserte utfellingsmetoder er kjent. Eksempelvis suspenderes i henhold til U.S. patent nr. 1 943 786 partikler av aluminahydrat i en utfellingstank ved tilførsel av væske til bunnen av tanken. Væsken blir også tilført på toppen av tanken og blir så uttatt for å pumpes inn ved bunnen av tanken, hvilket resulterer i blanding og hovedsakelig ensartede

konsentrasjoner overalt i tankene.

I U.S. patent.nr. 4 049 773 er det beskrevet en fler-trinns utfellingsprosess i hvilken moderlut eller grønn væske inrimates i motstrøm til innmatningsretningen for aluminiumhydroksyd-krystallene gjennom i det minste to trinn. Patenthaverne viser turbulente soner i de forskjellige utfellingstanker, hvilke kan oppnås ved anvendelse av en røreinnretning.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse blir et skikt av kim av Al(OH)2~partikler i Bayer-prosessvæsken anbragt i en utf ellingsbeholder. Prosessv.æske, mettet med hensyn til NaAl(0H)4, tilføres ved bunnen av utfellingsbeholderen med en slik hastighet at kimskiktet ekspanderes og suspenderes, men ikke turbulent eller fluidisert. Væskestrømmen gjennom kimskiktet er tilnærmet en plugg-strømning, og ved det tilveiebringes en konsentrasjonsgradient for NaAl(OH)4som avtar fra bunnen til toppen av beholderen. Den oppoverrettede strøm tjener også til langsomt å klassifisere de faste stoffer bestående av kim og utfelt A1(0H)^/slik at grove partikler kan uttas fra bunnen av beholderen. Fine kim tilsettes til toppen av utfellingsbeholderen for opprettholdelse av skiktet av faste stoffer etterhvert som grovt produkt uttas.

Det vises nå til tegningen.

Fig. 1 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom tett-masse-utfellingsbeholderen som anvendes, ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er en grafisk fremstilling som viser parametere i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

På fig. 1 er det vist en utfellingsbeholder 2, hvilken

kan omfatte en vertikal sylinder 4 med et konisk utformet eller, f latt bunnparti 6, som munner ut i et utløp. 10. Ved toppen av den vertikale sylinder er der et overløpsutløp 20.

Inne i sylinderen 4 er det montert en roterende fordeler 30 omfattende en vertikal ledning 32 og horisontale fordelings-armer 34. Fordeleren 30 roteres ved hjelp av en innretning 36 montert på den vertikale ledning 32.

Ved utførelsen blir grønn væske fra en Bayer-oppslutnings- - prosess innmatet fra ledning 40 til utfellingsbeholderen 2, idet den føres nedover gjennom den vertikale ledning 32 og inn i fordelerarmene 34 og ut hullene 38 i fordelerarmene. Samtidig blir kim-oppslemning innført på toppen av utfellingsbeholderen 2.

Fordelerarmene roteres langsomt slik at den grønne væske

fordeles jevnt i beholderen 2. Den grønne væske som kommer inn i beholderen 2, suspenderer aluminiumhydroksydpartiklene og tilveiebringer samtidig en kilde for aluminiumhydrdksyd som utfelles på partiklene. Kimpartiklene som. kommer inn på toppen av skiktet av partikler, vokser langsomt ved kontakt med væsken, fra hvilken ytterligere aluminiumhydroksyd utfelles. Etterhvert som partikkelen vokser, synker den i skiktet, og etterhvert som den synker, kommer den i kontakt med grønn væske som er mer konsentrert. Til slutt blir partikkelen så stor at den faller ned på bunnpartiet 6 i beholderen, fra hvilket den så kan fjernes gjennom utløpet 10. Samtidig taper den grønne væske, etterhvert som den beveger seg oppover i utfellingsbeholderen 2, gradvist sine oppløste aluminiumverdier via.utfelling. Over partikkelskiktet danner væsken en sone 22 som er nesten fullstendig fri for partikler. Væsken strømmer deretter gjennom overløpet og forlater utfellingsbeholderen 2 via utløpsåpningen 20. Den brukte væske kan så resirkuleres tilbake til oppslutningsbeholderen.

I henhold til oppfinnelsen er konsentrasjonen av kimpartikler i utfellingsbeholderen meget høyere enn det man finner i kon-vensjonelle utfellingsbeholdere. For eksempel, mens en typisk utfellingsbeholder kan ha en kim-chargekonsentrasjon på ca. 150-200 g/l, bør tettfase-utfellingsbeholderen som anvendes ifølge oppfinnelsen, ha en konsentrasjon av kimpartikler på ca. 500-1100 g/l. Konsentrasjonen avhenger av partikkelstørrelsen og væskens strømningshastighet. Noen av partiklene med kimstørrelse vil dannes i skiktet under utfellingen. Ytterligere kimoppslemning bør imidlertid stadig tilføres skiktet for opprettholdelse av den ønskede høye konsentrasjon av. kimpartikler. Mens den mengde som behøves for å supplere den virkelige utfelling vil variere i overensstemmelse med andre parametere ved den spe-sielle utfellingsbeholder, for eksempel størrelse, temperatur, strømningshastighet for den grønne væske etc, bør ytterligere kimoppslemning tilsettes, hvorunder den nødvendige mengde be-stemmes ved overvåkning av konsentrasjonen og dybden av oppslem-ningen i utfellingsbeholderen.

Den grønne væske som kommer inn i utfellingsbeholderen, er en overmettet aluminat-væske som fortrinnsvis, har et væske-forhold på ca. 0,560-0,680 g/l A^O^/g/l samlet kaustisk soda (uttrykt som Na^CO^), men ikke begrenset til dette område. Tilførselshastigheten for den grønne væske vil variere med utfellingsparametrene. Tilførselsstrømmen bør imidlertid være tilstrekkelig til å tilveiebringe en overflatisk hastighet som er høy nok til å suspendere kimpartiklene. Normalt vil dette si fra 1,0 til 3,0 cm pr. minutt. Videre kan denne strøm de-fineres som tilstrekkelig til å bevege væsken blant partiklene i tilnærmet plugg-strømnihg i stedet for å skape et turbulent fluidisert skikt, slik at det opprettholdes en konsentrasjonsgradient gjennom hele beholderen.

Mens den grønne væske strømmer gjennom fordeleren og ut fordelerhullene 38, roteres fordelerarmene langsomt, slik at det oppnås hovedsakelig ensartet fordeling av den grønne væske over hele tverrsnittet av utfellingsbeholderen. Mens dette vil variere med beholderens dimensjoner, er en hastighet som tilveiebringer ny væske til hvert område i det minste ca. 20 ganger pr. minutt funnet å være utilfredsstillende. I henhold til den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen er fordelerarmene forsynt med hull 38 plassert på fordelerarmene i den retning som fordelerarmene roterer i. Det er blitt funnet at dette tillater den grønne væske som kommer ut av fordelerarmene gjennom hullene 38 å faktisk klarere en vei gjennom de partikler som omgir fordelerarmene, hvorved det vrimoment som behøves for å rotere fordelerarmene, nedsettes.

Temperaturen i tettfase-utfellingsbeholderen holdes fortrinnsvis mellom 50 og 80°C.

Tilførselshastigheten for.kimoppslemningen bør være tilstrekkelig til å opprettholde en densitet i utfellingsbeholderen på 500-1500 gram faststoff pr. liter faststoff-oppslemning-blanding. Kimpartiklene bør være minst ca. 20 ym og fortrinnsvis mindre enn 150 ym i diameter, avhengig av den ønskede p.rodukt-størrelse og andre parametere. Kim-materialet kan tilsettes dis-pergert i brukt væske>det vil si en væske som har et forhold mellom alumina (A^O^) og kaustisk soda (Na2C03) på typisk 0, 360, eller kim-materia let kan tilføres som filterkake.

Den grønne væske har en konsentrasjon på ca. 110-140 gram A^O^ pr..liter, en konsentrasjon av kaustisk soda (som Na2C03). på ca. 150-200 g/l og én karbonatkonsentrasjon (Na^O^) på 35-70 g/l. Forholdet mellom alumina og kaustisk soda er typisk ca. 0,6 30, men kan variere i området 0,560-0,6 80.

Partikkelstørrelsen til det produkt som uttas, kan

reguleres ved egnet valg av parametere så som kimstørrelse, kim-mengde og strøm av grønn væske. Det foretrukne, størrelses-område for produktet er mellom 50 og 150 ym.

Den grønne væske innmates i skiktet med en hastighet som

er tilstrekkelig til å tilveiebringe.en overflatisk hastighet på 1-3 cm/minutt og fortrinnsvis 1,6-2 cm/minutt. Denne hastighet vil gi en væskestrøm som er tilstrekkelig til å bringe skiktet til å ekspandere i noen grad, slik at det oppnås en plugg-strømningstilstand uten turbulent fluidisering av partikler. Under disse betingelser vil de individuelle partikler som suspenderes av den oppoverret.tede væskestrøm, bevege seg på til-feldig måte innenfor et område begrenset av nabopartikler. Skiktet får utseende av et fluidum som er i ro og som ikke opp-viser noen større turbulens og heller ikke regulære mønstre av partikkelbevegelse. I motsetning til et fluidisert skikt av ensartet konsentrasjon vil det således opprettholdes gradienter. De minste partikler på toppen av skiktet vil være i kontakt med væske av lav konsentrasjon og vil bevege seg nedover etterhvert som de vokser ved utfelling, mens væsken er mest konsentret med hensyn til Al2°3 vec^ innløpet nær bunnen av tanken, med gradvis avtagende A^O^ konsentrasjon etterhvert som den beveger seg oppover. Motstrømsbevegelsen av grønn væske og kim tilveiebringer således det største overflateareal av kim ved den laveste konsentrasjon av væske, hvorved utfellingshastigheten maksimeres.

Parametrene for strømningshastigheter og kontakttider er selvsagt avhengig av tverrsnittet og høyden av den aktuelle utfellingstank. Tabell I nedenfor viser sammenhengen mellom tankdiameter, overflatisk hastighet og strøm av grønn væske.

Valget av klmskiktsnøyde béstemmes stort sett av partikkel-størrelsen av det ønskede produkt og den mengde A^O^ som skal utfelles fra hvert volum av væske. Etterhvert som produkt-størrelsen øker, vil den oppoverrettede hastighet som er påkrevet for oppnåelse av det ekspanderte skikt, øke. Overflatearealet pr. vekteneht av kim som er tilgjengelig for utfelling, avtar etterhvert som partiklene blir grovere. For å øke produktstørrelsen må man derfor øke kimskiktsdybden både for å opprettholde kontakttiden mellom væske og kim og for å tilveiebringe tilstrekkelig kimareal. Ved en gitt produktstørrelse vil en økning i kimskiktsdybden dessuten øke mengden av A^O^ som utfelles, da væské/kim-kontakttiden vil bli øket.

Fig. 2 illustrerer relasjonene mellom kimskiktsdensitet, overflatisk hastighet, væske/kim-kontakttid og kimskiktshøyde. De to strekprikkede linjer viser at en kimskiktsdybde på 18 m vil gi en væske/kim-kontakttid på 10 timer når kimskiktet inne-holder ca. 900 g/l faste stoffer og den overflatiske hastighet er 2,0 cm/minutt. Det bemerkes at den virkelige væskehastighet overstiger den overflatiske hastighet på grunn av det volum som opptas av det faste kim-materiale.

For å tilveiebringe denønskede suspensjon av partiklene via tilførsel av den grønne væske til bunnen av utfellingstanken uten å bevirke uønsket turbulens som kan forstyrre de ønskede konsentrasjonsgradienter for partikler og væskemetning, er det nødvendig å tilveiebringe en ensartet fordeling av den grønne væske i bunnen av tanken. Dette kunne sannsynligvis gjøres ved anvendelse av en fordelingsplate utformet slik at den muliggjør fjerning av de store partikler, men en slik plate ville være utsatt for beleggavsetning. En foretrukken tilfør-selsmetode er innføring via en roterende spreder eller fordeler. Denne forsynes med i det minste to radiale armer anordnet med samme innbyrdes vinkelavstand og forsynt med hull på frontsiden under rotasjonen. Størrelsen og antallet av hullene velges med sikte på oppnåelse av den ønskede strømningshastighet uten for stort trykkfall og oppnåelse av den ønskede oppoverrettede ha-, stighet på 1-3 cm/minutt i. en tank av gitt størrelse. Hullav-standen, rotasjonshastigheten og det samlede antall armer som behø<y>es på fordeleren, vil også variere med tankens diameter. Rotasjonshastigheten og antall armer bør imidlertid være til strekkelig til å gi en strøm av væske hvert 3. sekund til hvert arealelement (area element) av utfellingstanken.

Hullene i fordelerarmene er plassert slik at de munner ut

i fordelerarmenes rotasjonsretning, hvorved strømmen av grønn væske kan vaske aluminapartiklene bort fra den vei armene følger, hvorved rotasjonsmotstanden og dreiemomentet reduseres, hvilket i sin tur nedsetter energibehovet for fordelerens rotasjon og også reduserer tendensen til at fordelerarmene fryser fast i tilfelle det inntreffer en avbrytelse i rotasjonen og/eller strømmen av grønn væske. En nedsettelse i det nødvendige dreiemoment vil også muliggjøre en mer lettvektig konstruksjon, av fordelerarmene, idet kravene til mekanisk styrke kan reduseres. Den innbyrdes avstand mellom hullene avpasses med sikte på oppnåelse av omtrentlig like stor væskestrømning til hvert arealelement av utfellingstankens tverrsnitt.

Det følgende vil ytterligere illustrere oppfinnelsen: En tett-fase-utfellingsbeholder som hadde en høyde på 9,1 ni og en diameter på 5,08 cm, og som representerte en vertikal seksjon gjennom en versjon i full målestokk med langt større diameter, ble kontinuerlig gjennom bunnen matet med en industriell aluminatoppløsning av høy konsentrasjon (kaustisk soda som Na2C03 tilsiktet 170 g/l A1203tilsiktet 114 g/l og karbonat som Na2C03ca. 38 g/l). Innledningsvis ble det dannet en 8 m høy kim-skiktsuspensjon ved tilsetning av hydratisert alumina med et størrelses-område på 74-105 ym (90 ym i gjennomsnitt). Væske som strømmet oppover gjennom skiktet med en overflatisk hastighet på 1,6 cm/minutt (innmatningshastighet ca. 1,8 l/time) tjente til å tilveiebringe et ekspandert skikt med en gjennomsnittlig densitet på ca. 740 g/l faste stoffer. Temperaturen av overløps-væsken ble regulert til 65°C ved hjelp av en vannkappe og sir-kulerende temperert vann. En størrelsesfraks jon av hydrat (90 ym i gjennomsnitt) i brukt væskeoppslemning ble tilsatt på toppen av utfellingsbeholderen som kim. Kimtilsetning og uttak av produkt ble foretatt intermittent og på en slik måte at kim pluss hydrat -utbytte tilsvarte produktuttakshastigheten, hvorved høyden av kimskiktet ble opprettholdt.

Tett-fase-utfellingsbeholderen, drevet- i 5 døgn på den ovenfor beskrevne måte, viste at den hastighetsforbedrende effekt

av plugg-strømning av grønn væske gjennom et ekspandert skikt

av hydrat inneholdende et høyt faststoffinnhold, som vist i

tabell II og III. Det skal eksempelvis bemerkes at grønn væske med et forhold mellom alumina.og samlet kaustisk soda på 0,667 i løpet av Dag 2 fikk fjernet sitt A1203innhold til et forhold på 0,398 i et skikt som hadde en høyde på 7,45 m og en gjennomsnittlig faststoffdensitet på 810 g/l. Ved tradi-sjonell Bayer-utfelling ville en slik forandring ha krevet minst 3 ganger så lang reaksjonstid. Ytterligere data som er karakteristiske for driften av tett-fase-utfellingsbeholderen er også tatt med i tabell III. Forsøket ble avbrutt på grunn av driftsproblemer etter Dag 3 og startet igjen under anvendelse av det samme kimskikt. Tid på bruktvæske-innmatning ble til-delt for å re-etablere skiktet før omsjalting fra brukt-væske-til grønn-væske-innmatning.

Tabell IV viser data vedrørende hydratstørrelse om friksjons-slitasjemotstand for produkt fremstilt i løpet av 5 dagers'forsøket. Bemerk grovheten av det produkt som ble fjernet fra bunnen av utfellingsbeholderen og fraværet av finstoff,

som indikerer den indre klassifisering som finner sted i utfellingsbeholderen. I siste halvdel av forsøket vil det ses at kimtilsetningshastigheten bleøket slik at produktets grovhet ble redusert. Alternativt kunne et mindre grovt produkt vært fremstilt ved tilsetning av finere kim. Det kalsinerte hydrat-produktets motstand mot å brytes ned ble målt ved anvendelse av en modifisert Forsythe-Hertwig-test, i hvilken kalsinert produkt fluidiseres under regulerte betingelser og produksjonen av fine partikler måles. Friksjonslitasjeindekser som ble be-regnet på grunnlag av disse tester er vist, men bør betraktes med skjønsomhet. Det skal bemerkes at ved enhetens produksjonsha-stighet ville det ta ca. 80 timer å erstatte fullstendig bare det innledningsvise kimskikt. Under en stor del av dette forsøk er derfor kim-materialets relativt lave motstand mot å brytes sund gjenspeilet i produktet.

En gradering i faststoffdensitet, væskekonsentrasjon og hydratstørrelse tilveiebringes fra toppen til bunnen av tett-fase-utfellingsbeholderen ved drift under virkningen av plugg-strømning av væske gjennom et ekspandert skikt. Prøver ble tatt på den følgende måte etter at 5 dagers forsøket var stoppet. Under opprettholdelse av strømmen av grønn væske ble oppslemning hurtig uttappet inkrementelt under måling av volumet fra bunnen av utfellingsbeholderen. Væskeprøver ble hurtig tatt fra hver prøve og stabilisert før analyse. Oppslemningene ble stabilisert og senere filtrert for bestemmelse av skikt-densitet og hydratstørrelse ved et bestemt nivå i utfellingsbeholderen. Ved ovennevnte teknikk ble det antatt at uttap-pingen fra beholderen med den lille diameter skjedde ved plugg-strømning. Den hurtige prøvetagning i forbindelse med opprett-holdelsen av oppoverrettet strømning under uttapning tjente også til å forbedre prøvetagningsteknikken. Graderingene fra topp til bunn i utfelningsbeholderen vil klart fremgå av de data som er angitt i tabell V for suspens jonsdensitet, A^O^konsentras jon og hydratstørrelse. Det vil ses at aluminiumoksydets motstand mot å brytes sund er høyere for prøver tatt fra bunnen av utfellingsbeholderen. Dette forsterker den forutsetning at produktet, blir seigere etterhvert som det kommer nedover i utfellingsbeholderen mens det agglomereres og vokser under virkningen av høyere og høyere aluminakonsentrasjon (overmetning) som driv-kraft.

Det ble anvendt en enkelt kolonne i disse forsøk, og

det ser ut til at man ved industrielle utførelsesformer av oppfinnelsen fortrinnsvis vil anvende flere enkeltkolonner i parallel. Det vil være mulig å anvende et antall kolonner inneholdende mindre dype kimskikt i serie til erstatning for den foreslåtte enkeltkdlonne.

Det vil således ses at oppfinnelsen tilveiebringer en langt enklere utfellingsprosess, som krever mindre utfellings-utstyr, eliminerer behovet for klassifisering av produktet, reduserer mengden av kim som er påkrevet for et gitt produktutbytte, og resulterer i et forbedret utfellingsprodukt som har forbed-rete fysikalske egenskaper.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til utfelling av Al(OH)3 fra en overmettet grønn væske, karakterisert ved de følgende trinn: a) man innmater den overmettede grønne væske til bunnen av et utfellingskammer inneholdende en suspensjon av væske og kimpartikler b) man innmater kimpartikler av Al(OH)^ til toppen av nevnte utfellingskammer med en tilstrekkelig hastighet til å opprettholde en densitet på 500-1500 g/l i kammeret og en relativt konstant kimskiktshøyde c) man opprettholder strømmen av grønn væske til bunnen av reaksjonskammeret med tilstrekkelig hastighet til å holde nevnte kimpartikler i suspensjon under opprettholdelse av en konsentrasjonsgradient i kammeret d) man gjenvinner utfelt Al(OH)^ fra kammeret og e) man lar brukt væske overlø pe fra toppen av utfelnings-kamrene.

2. i Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at hastigheten av strømmen av grønn væske til bunnen av kammeret på forhånd velges slik at Al(OH)^ -partiklene holdes i suspensjon uten et fluidisert, skikts turbulens.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at skiktets' densitet er 500-100 g/l.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at kimpartiklene har en partikkelstør-relse over 20 ym.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at kimpartikkelstørrelsen er i området 20-150 ym.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at væskestrømmens overflatiske hastighet i kammeret er 1-3 cm/minutt.

7. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den grønne væske tilføres og fordeles ensartet over bunnarealet av kammeret.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at den nevnte ensartede tilførsel av grønn væske oppnås ved anvendelse av en roterende fordeler.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert v e d at den roterende fordeler har et tilstrekkelig antall armer, rotasjonshastighet og adekvat dimensjonerte hull i armene til at det opprettholdes en væsketilførsel til hvert segment av et tverrsnitt av kammeret i det minste hvert 3. sekund.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at hullene i fordelerarmene er plassert vendt i fordelerarmenes rotasjonsretning for å hjelpe rotasjonen av armene.