Способ выделения сульфата натрия из растворов газоочистки электролитического производства алюминия

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при кристаллизации сульфата натрия из производственных растворов газоочистки электролитического производства алюминия. Способ выделения сульфата натрия из растворов электролитического производства алюминия включает насыщение раствора газоочистки сульфатом натрия, охлаждение полученного раствора охлаждающим агентом и отделение образовавшегося осадка. Охлаждение сульфатсодержащих растворов до t=8-12°C осуществляют в охлаждающих устройствах через стенку, а охлаждение до t=0--2°C осуществляют путем прямого контакта с охлаждающим агентом. Предлагаемый способ позволяет увеличить срок службы охлаждающих устройств, снизить затраты на оборудование, трудо- и энергозатраты. 7 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при кристаллизации сульфата натрия из раствора газоочистки электролитического производства алюминия.

В настоящее время при электролизе алюминия в отходящих фторсодержащих газах присутствует сернистый газ, который улавливается содовым раствором в системе мокрой очистки газов, окисляется до сульфатной формы и в значительных количествах накапливается в растворах, используемых для регенерации криолита.

Следствием накопления сульфата натрия в растворах газоочистки являются потери фторида натрия, который в аппаратах мокрой газоочистки образует двойную соль NaF Na₂SО₄, выпадающую в осадок и удаляемую вместе со шламами, и снижение качества криолита за счет загрязнения его сульфатами.

Кроме того, происходит зарастание растворопроводов и газоочистных установок отложениями солей, что приводит к необходимости замены оборудования на новое.

Известен способ выделения сульфата натрия из растворов газоочистки электролитического производства алюминия, согласно которому растворы газоочистки насыщают до концентрации Na₂SО₄=40-120 г/дм³ и охлаждают через стенку до температуры 5--3°С при перемешивании в реакторе в течение не менее 2-х часов (А.с. СССР №648518, С 01 D 5/00, 1979 г.).

При охлаждении раствора через стенку реактора внутренняя поверхность его покрывается кристаллами сульфата натрия, в результате чего производительность реактора падает, и он подлежит промывке и очистке.

Известен также способ кристаллизации солей из растворов при пониженной температуре (пат. РФ №2102107, 6 В 01 D 9/02), согласно которому процесс кристаллизации солей происходит за счет контактного охлаждения исходного раствора охлаждающим агентом, в качестве которого используют частично или полностью замороженный раствор кристаллизующихся солей.

Однако этот способ сложен, трудо- и энергоемок, а также не поддается механизации и автоматизации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выделения сульфата натрия из растворов газоочистки электролитического производства алюминия (пат. РФ №2064891, опубл. 10.08.96), согласно которому охлаждение сульфатсодержащего раствора осуществляют с помощью искусственного холода в кристаллизаторах при температуре от 7 до -5°С, причем температуру каждого последующего кристаллизатора поддерживают на 4-6°С ниже предыдущего.

Недостатком известного способа являются высокий расход электроэнергии для получения искусственного холода, сложность аппаратурно-технологической схемы, инкрустация оборудования при охлаждении через стенку кристаллизатора, в результате чего оборудование также подлежит чистке.

Задачей предлагаемого изобретения является ликвидация инкрустации кристаллизаторов, используемых для кристаллизации солей.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение производительности процесса кристаллизации сульфата натрия, продолжительности использования оборудования, снижение затрат на оборудование, а также снижение энергетических затрат.

Технический результат достигается тем, что в способе выделения сульфата натрия из растворов электролитического производства алюминия, включающем насыщение раствора газоочистки сульфатом натрия, охлаждение полученного раствора охлаждающим агентом и отделение образовавшегося осадка, охлаждение сульфатсодержащего раствора до t=8-12°С осуществляют в охлаждающих устройствах через стенку, а охлаждение сульфатсодержащего раствора до t=0--2°C осуществляют прямым контактом с охлаждающим агентом, в качестве которого в период холодного времени года используют естественный холодный воздух, который контактирует с раствором путем подачи его либо в объем охлаждаемого раствора, либо противотоком к распыляемому охлаждаемому раствору и через поверхность раствора, кроме того, прямой контакт с охлаждающим агентом осуществляют одновременной подачей его в объем охлаждаемого раствора и на его поверхность, а в объем охлаждаемого раствора дополнительно подают частично или полностью замороженный раствор сульфата натрия.

Следует иметь в виду, что под холодным периодом времени года следует понимать такой период (осень, зима, весна), когда дневные и ночные показатели температуры <-2°С.

Техническая сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

Общим условием массовой кристаллизации солей из растворов является их перенасыщение. Для получения перенасыщенного раствора сульфата натрия был использован метод кристаллизации, основанный на охлаждении растворов.

В настоящее время для реализации этого способа на алюминиевых заводах применяют кристаллизаторы с использованием искусственного холода, представляющие собой закрытые реакторы, боковые стенки которых снабжены "рубашкой". Для охлаждения раствора в пространство, образованное наружной стенкой реактора и внутренней стенкой "рубашки", подают раствор хлорида кальция, температуру которого поддерживают искусственным холодом.

При охлаждении сульфатсодержащего раствора по прототипу на теплопередающей поверхности кристаллизатора со стороны охлаждаемого раствора образуются со временем кристаллические отложения солей (инкрустация). При этом теплопередача поверхности постепенно снижается, а производительность кристаллизатора падает.

Предлагаемый способ за счет прямого контакта охлаждаемого раствора с охлаждающим агентом позволяет избежать появление инкрустации.

Производственные сульфатсодержащие растворы поступают на кристаллизацию сульфата натрия с температурой ~40°С. В состав сульфатсодержащих растворов входят, г/дм³: Na₂SО₄ 60-120, NaF 5-25, NаНСО₃ 6-36, Na₂CO₃ 5-32.

Предлагаемый способ первоначально предусматривает охлаждение раствора до 8-12°С.

Исследованиями установлено, что промышленные сульфатсодержащие растворы при охлаждении до ~8°С не образуют кристаллического покрытия на теплопередающей поверхности со стороны охлаждаемого раствора. Поэтому данная температура является предельной для охлаждения через стенку.

Дальнейшее охлаждение раствора по предлагаемому способу осуществляют без контакта с холодной поверхностью, а предусматривает прямой контакт сульфатсодержащего раствора с охлаждающим агентом. Причем в качестве охлаждающего агента в период холодного времени года используют естественный холодный воздух.

Подача холодного воздуха, а также частично или полностью замороженного раствора сульфата натрия в объем охлаждаемого раствора позволяет равномерно распределить температуру, при которой происходит образование кристаллических зародышей соли.

Известно, что чем быстрее происходит теплообмен, тем интенсивнее образование зародышей кристаллов.

Наиболее интенсивный теплообмен происходит при прямом контакте холодного воздуха с сульфатсодержащим раствором, подаваемым, например, противотоком к распыляемому раствору.

Кинетика кристаллизации солей наряду с образованием кристаллических зародышей включает также рост кристаллов, т.е. окончательное их формирование, которое происходит при t=0--2°C.

При этом понижение температуры ниже заявляемого предела приводит к замерзанию (кристаллизации) воды, что отражается на производительности процесса.

Этап формирования кристалла осуществляют в емкости, верхняя часть которой является открытой с большой поверхностью зеркала раствора.

В связи с тем, что в процессе массовой кристаллизации сульфата натрия происходит скачкообразное повышение температуры до ~2°С, зеркало раствора кристаллизатора-сгустителя обдувают холодным воздухом с помощью вентилятора.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что заявляемое решение отличается от известного тем, что:

- охлаждение сульфатсодержащих растворов до температуры 8-12°С осуществляют в охлаждающих устройствах через стенку;

- охлаждение сульфатсодержащих растворов до температуры 0--2°С осуществляют прямым контактом с охлаждающим агентом;

- в качестве охлаждающего агента в период холодного времени года используют естественный холодный воздух;

- контакт холодного воздуха с раствором осуществляют путем подачи его противотоком к распыляемому раствору;

- контакт холодного воздуха с раствором осуществляют через поверхность раствора;

- контакт с охлаждающим агентом осуществляют одновременной подачей его в объем охлаждаемого раствора и на его поверхность;

- в качестве охлаждающего агента используют частично или полностью замороженный раствор сульфата натрия;

- дополнительно при контакте холодного воздуха с раствором через его поверхность в объем охлаждаемого раствора подают частично или полностью замороженный раствор сульфата натрия.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности изобретения "новизна".

Анализ известных технических решений, содержащихся в общедоступных источниках информации, показал, что в уровне техники обнаружена информация о кристаллизации сульфата натрия при охлаждении до температуры 5--3°С (а.с. СССР №648518, 2 С 01 D, 1979 г.).

Известной является также информация об использовании хладагента в виде частично или полностью замороженных кристаллизуемых солей (пат. РФ №2102107, 6 В 01 D 9/02, от 20.01.98 г.).

Однако известные признаки, сходные с отличительными заявляемого изобретения, в совокупности с неизвестными ранее позволяют ликвидировать инкрустацию используемого оборудования, увеличить продолжительность использования оборудования, снизить дополнительные затраты на оборудование, а также снизить энерго- и трудозатраты, т.е. получить новый технический результат.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности изобретения "изобретательский уровень".

Пример 1.

Для экспериментов был использован раствор газоочистки с массовым составом, г/дм³: Na₂SO₄ - 73,43; NaF - 15, 98; NaHCO₃ - 24,36; Nа₂СО₃ - 9,82.

Сульфатсодержащий раствор с объемным расходом, равным 10 м³/час, поступает на охлаждение с температурой ~40°С.

Для осуществления охлаждения раствора через стенку до 10°С был использован теплообменный аппарат типа АВГ, представляющий собой полый цилиндр, внутри которого расположены пучки тонких трубок, через которые пропускают охлаждаемый раствор и на которые вентилятором подают наружный холодный воздух с объемным расходом 15000 м³/час.

Далее сульфатсодержащий раствор с температурой, равной 10°С, поступал на охлаждение до ~0°С путем прямого контакта с холодным воздухом подачей его противотоком к распыляемому раствору в полом скруббере с теплоизолированной поверхностью боковых стенок.

Для осуществления окончательного процесса кристаллизации сульфата натрия используют кристаллизатор-сгуститель, представляющий собой емкость цилиндрической или прямоугольной формы с коническим или пирамидальным днищем, которое вдоль центральной оси снабжено разгрузочным устройством для вывода сгущенной пульпы сульфата натрия.

Верхняя часть кристаллизатора-сгустителя является открытой, а в верхней боковой поверхности его расположены сливные окна для перелива обессульфаченного раствора.

Кристаллизатор-сгуститель выполнен таким образом, чтобы его боковая поверхность и коническое днище были хорошо изолированы для предотвращения теплообмена через стенку.

Процесс кристаллизации завершается уже в поверхностном слое кристаллизатора-сгустителя, в конусной части его происходит отстаивание сульфата натрия.

В процессе массовой кристаллизации сульфата натрия происходит скачкообразное повышение температуры на ~2°С, поэтому для компенсации температурного скачка зеркало раствора кристаллизатора-сгустителя обдувают холодным воздухом с помощью вентилятора.

После завершения процесса кристаллизации пульпа поступает на фильтрацию, в результате чего образуется 900 кг мирабилита с влажностью 10%, а фильтрат с концентрацией сульфата натрия ~30 г/дм³ повторно используют в процессе газоочистки.

Пример 2.

Раствор по примеру 1 также поступает на охлаждение до 10°С в теплообменный аппарат и далее в кристаллизатор-сгуститель с поверхностным обдувом холодным воздухом.

Пример 3.

Раствор по примеру 1 также поступает на охлаждение до 10°С в теплообменный аппарат и далее в кристаллизатор-сгутитель, куда для охлаждения подают замороженный раствор сульфата натрия.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Таблица
№пп	Способ	Стоимость оборудования производительностью 10000 т/год Na2SО4, тыс. руб	Расход эл/энергии на 1т Na2SО4, кВт час	КПИ оборудования в период холодного времени года, %
1	2	3	4	5
1	прототип	11500	800	82
2	предлагаемый
	1 пример	3800	250	100
	2 пример	5100	300	100
	3 пример	7800	280	100

Как следует из таблицы, в предлагаемом способе стоимость оборудования по сравнению с прототипом снижается в 1,5-3 раза, затраты электроэнергии уменьшаются в ~3 раза, а КПД оборудования повышается до 100%.

1. Способ выделения сульфата натрия из растворов электролитического производства алюминия, включающий насыщение раствора газоочистки сульфатом натрия, охлаждение полученного раствора охлаждающим агентом и отделение образовавшегося осадка, отличающийся тем, что охлаждение сульфатсодержащих растворов до t=8-12°C осуществляют в охлаждающих устройствах через стенку, а охлаждение сульфатсодержащих растворов до t=0-(-2)°C осуществляют путем прямого контакта с охлаждающим агентом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающего агента в период холодного времени года используют естественный холодный воздух.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что контакт холодного воздуха с раствором осуществляют путем подачи его в объем охлаждаемого раствора.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что контакт холодного воздуха с раствором осуществляют путем подачи его противотоком к распыляемому раствору.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что контакт холодного воздуха с раствором осуществляют через поверхность раствора.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что прямой контакт с охлаждающим агентом осуществляют одновременной подачей его в объем охлаждаемого раствора и на его поверхность.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве охлаждающего агента используют частично или полностью замороженный раствор сульфата натрия.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительно в объем охлаждаемого раствора подают частично или полностью замороженный раствор сульфата натрия.