CC BY
53
© Н.В. Головных, В.А. Бычинский, А.А. Тупицын, К.В. Чудненко, 2009
УДК 66.011;669.712:669.054.83;669.713.7
Н.В. Головных, В.А. Бычинский, А.А. Тупицын,
К.В. Чудненко
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ АЛЮМИНИЯ
Для оптимизации технологических процессов получения алюминия предлагаются физико-химические модели, позволяющие уменьшить переход примесей в готовый продукт и сократить количество отходов и вредных выбросов. Ключевые слова: моделирование технологических процессов, производство глинозема, переработка шлама, получение алюминия.
настоящее время достигнуты значительные успехи в раз-
-Я-М витии теории моделирования физико-химических равновесий и создан мощный арсенал программных средств. Физикохимическое моделирование - математическое моделирование физико-химических равновесий средствами химической термодинамики
- позволяет исследовать физико-химические процессы, протекающие в сложных системах (мульти- и мегасистемах), связанных между собой потоками вещества и энергии. Расчет компонентного состава системы и её параметров в состоянии полного или метастабильного равновесия сводится к задаче минимизации термодинамических потенциалов. Физико-химическая модель формируется как совокупность автономных подсистем (резервуаров), химически взаимодействующих друг с другом. Вся совокупность подсистем, как единый объект - мегасистема, находится в динамическом равновесии. Неравновесные в целом процессы описываются за счет разделения системы на резервуары, которые обмениваются между собой потоками вещества и энергии, оставаясь в состоянии полного или мета-стабильного равновесия. Модель структурирована таким образом, что каждый резервуар соответствует либо определенной зоне, либо стадии технологического процесса.
В процессе моделирования определяются химические составы шихтовых материалов и коэффициенты переноса между частями
системы, позволяющие обеспечить максимальное извлечение ценного вещества (выход продукта). За счет подбора оптимальных физико-химических условий уменьшается переход примесей в готовый продукт и сокращается количество отходов и вредных выбросов.
Физико-химическое моделирование получило широкое применение в металлургии цветных металлов. В частности, на основе физико-химических моделей отдельных металлургических переделов
- производства глинозема, электролитического получения алюминия, регенерации фтористых солей - разработан метод анализа технологических процессов в производстве алюминия с целью комплексного использования сырья и переработки отходов производства.
Образование большого количества отходов характерно для отечественного производства глинозема, поскольку Россия, не располагающая собственными запасами качественных бокситов Байера, использует высококремнистое сырье. Применяемый при этом способ спекания характеризуется большими материальными потоками, особенно при переработке нефелинов, образованием алюмосиликатов, снижающих извлечение глинозема. Минералогический состав шламов, полученных по способу спекания, представлен белитом Са^Ю4 (80...90%). Чтобы осуществить консервацию шламов в условиях существующих гидротехнических объектов, исследованы возможные пути реструктуризации белито-вого шлама в технологически хорошо сохраняемый и экологически безвредный продукт. Физико-химическая модель показала, что техногенная система вода-порода подвержена необратимой эволюции, которая приводит, в зависимости от степени протекания реакции гидратации, к частичному замещению Са^Ю4 другими минералами. Несмотря на тенденции к цементации, шлам не формирует водонепроницаемых структур при увеличении дисперсности (измельчения). Необходимо дополнительное образование основной цементообразующей фазы - тоберморита, что возможно только при добавлении SiO2. При этом количество реагирующего шлама достигает 10 г/кг Н2О, начинается образование тоберморита, формирование же других фаз прекращается. Для цементации шлама требуется более высокая степень полимеризация частиц, которую можно обеспечить за счет введения в пульпу специальных минерализаторов - кольматантов.
Таблица 1
Состав соединений фтора в зависимости от температуры газов (КО = 2,45)
Состав, кг/т А1
^ оС газообразные соединения конденсированные соединения
ОТ ^АШ4 AЮF2 NaF АЩ ^зАЩ ^5А^14 АІ2О3
900 2,7 11,2 0,6 0,4 2,5 2,9 0,7 2,3
800 5,3 5,5 - 0,2 0,9 4,1 3,7 3,6
700 6,1 1,6 - 0,1 0,5 1,9 9,1 5,2
600 7,2 0,1 - - 0,1 1,5 9,8 6,0
500 7,3 - - - 0,1 1,6 9,5 6,2
Примечание. Соединение AЮF2 существует выше 900 °С; в системах газоулавливания распадается, образуя тонкодисперсные фазы.
В процессе электролитического получения алюминия, согласно результатам моделирования, степень испарения расплава достигает 1,82%. В отходящих газах установлены такие соединения, как №АШ4, AЮF2, ОТ, АШ3, NaF, SiF4. Преобладающим компонентом является тетрафторалюминат натрия №АШ4. Соотношение отдельных соединений определяется криолитовым отношением (КО) электролита, рассчитываемым как мольным отношением NaF/AlF3, а также температурами зон газоочистки (табл. 1).
Снижение температуры по мере выноса соединений фтора в системы газоудаления сопровождается физико-химическими превращениями, существенно влияющими на химический и гранулометрический состав выбросов. Конечные продукты превращений -высокодисперсные натриево-алюминиевые фториды и А1203 в конденсированных фазах, в газовой фазе - фтористый водород, который в составе охлажденных газов поступает в систему очистки газа. Снижение КО < 2 приводит к резкому увеличению выбросов фтора и ухудшению растворимости глинозема в расплаве (рис. 1).
Возможность превращений, установленная физикохимическим моделированием, хорошо согласуется с производственными данными. Очевидно, устранить полностью образование фторсодержащих выбросов и эмиссию высокодисперсных частиц при электролизе невозможно, в связи с чем, необходимо повышать эффективность методов улавливания, переработки и рециклинга образующихся отходов в технологический процесс.
К
О
< £
<
<
<
£ 1,0 -
0.6
- 0,5
- 0.4
- 0,3
$ О
о; 0,2 иТ <
I- 0.1
1,0
1,5 2,0 2.5
Криолитовое отношение
3.0
3.5
Рис. 1. Состав газовой и конденсированных фаз криолит-глиноземного расплава в зависимости от КО (I = 950 °€)
0
На основании физико-химических моделей разработаны технические мероприятия и рекомендации по оптимизации технологических процессов, сокращению выбросов, очистке сточных вод, а
также переработке и утилизации отходов. Одно из перспективных направлений практического применения разработанных моделей в производстве алюминия - использование в системах автоматического управления технологическими процессами, птш
Golovnykh N.V., Bychinskii V.A., Tupitsyn A.A.,
Chudnenko K. V.
PHYSIC-CHEMICAL MODELING OF TECHNOLOGICAL PROCESSES AT ALUMINIUM RECEPTION
For optimization of technological processes at aluminium reception are offered the physic-chemical models, allowing to reduce transition of impurity in a ready product and to reduce quantity of wastes and harmful emissions.
Key words: modeling of technological processes, alumina production, slime processing, aluminium reception.
— Коротко об авторах --------------------------------------------------
Головных Николай Витальевич - кандидат химических наук, ведущий инженер, Учреждение Российской академии наук Институт геохимии СО РАН, e-mail: golovnykh@igc.irk.ru
Бычинский Валерий Алексеевич - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Учреждение Российской академии наук Институт геохимии СО РАН, e-mail: val@igc.irk.ru Тупицын Алексей Альбертович - кандидат технических наук, доцент, Учреждение Российской академии наук Институт геохимии СО РАН, email: altfr@mail.ru
Чудненко Константин Вадимович - доктор геолого-минералогических наук, зав. лабораторией физико-химического моделирования, Учреждение Российской академии наук Институт геохимии СО РАН, e-mail: chud@igc.irk.ru
