WMN Metalurgia rok III data wykonania ćwiczenia: 23.10.2014

data oddania sprawozdania: 6.11.2014

Ćwiczenie 1

Otrzymywanie tlenku glinowego metodą Grzymka

Grupa I, Zespół 2

Kacper Bojda

Jarosław Kasprzyk

Robert Janica

Wstęp teoretyczny

Wyróżniamy dwie metody otrzymywania tlenku glinu:
Metoda Grzymka – otrzymywanie tlenku glinowego z boksytów niskiej jakości z dużą zawartością krzemionki i żelaza.

Etapy: spiekanie, ługowanie, odkrzemianie, karbonizacja

I Spiekanie (temp. 1375-1400⁰C) związków z Al₂O₃ : 5CaO 3Al₂O₃, CaO Al₂O₃, związków z Si­O­­₂ : CaO SiO₂, związków z Fe₂O_3, związków z TiO_{2 .} Następuje ochłodzenie. Powstaje spiek samorozpadowy (w temperaturze mniejszej od 675⁰C faza ɣ 2CaO SiO_2­ ,a w temperaturze 675-1420⁰C faza β 2CaO SiO₂). Nastepuje przebudowa sieci krystalicznej i wzrost objętości o 10% co powoduje rozpad spieku. Jest to istotne, gdyż nie ma procesu rozdrobnienia.

II ługowanie (Na₂CO₃ o stężeniu 3-30g Na₂O/l)

5CaO 3Al₂O₃ + 5Na₂CO₃ + 2 H_­2O=> 6NaAlO_{2 ­}+ 5 CaCO_3↓+ 4 NaOH

Szkodliwymi reakcjami są reakcje wtórne wiążące Al. W związki nierozpuszczalne. Aby zapobiec reakcjom niepożądanym stosuje się proces ługowania w temperaturze ok. 70⁰C w czasie 30-60 min. i szybkim oddzieleniu roztworu od osadu.

CaO 3Al­₂O₃ + 2NaOH + H₂O=>Ca(OH)₂+2NaAlO₂ + H_2­O

2NaAlO₂ + Ca(OH)₂ + H₂O=> 3CaO 3Al₂O₃ 6H₂O_↓ +2NaOH + H₂O

III odkrzemianie

W ługowaniu część krzemionki przechodzi do roztworu jako Na₂SiO₃ dlatego stosuje się proces odkrzemiania poprzez dodanie mleka wapiennego (Ca(OH)­₂)

Na₂SiO₃ + Ca(OH)₂ + 2 H₂O=> CaO Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O+2NaOH

IV karbonizacja to przepuszczenie gazowego CO₂ w celu wytrącenia czystego wodorotlenku glinkowego

Etap I (neutralizacja) 2NaOH + CO₂ => Na₂CO­₃ + H₂O

Etap II (hydroliza) NaAlO₂ + H₂O=> Al(OH)_3↓+ NaOH

Osad powstały po ługowaniu zawiera 2CaO SiO₂ i CaCO₃ przemywa się i otrzymujemy surowiec do produkcji cementu

Metoda Bayera
Jest to najbardziej rozpowszechniona metoda dla boksytów dobrej jakości. Uwodniony tlenek glinu rozpuszcza się selektywnie w stężonym roztworze NaOH

Al₂O₃ xH_2­O + 2NaOH=> 2NaAlO₂ + (x+1)H­₂O

Krzemiona zawarta w boksycie reaguje z wodorotlenkiem tworząc krzemian sodowy, który przechodzi do roztworu. W wyniku reakcji z rozpuszczonym glinianem sodowym powstanie nierozpuszczalny uwodniony glinokrzemian sodowo-glinowy – Na₂O Al₂O₃ 2SiO₂ 2H_2­O.

Oczyszczanie roztworu z tego związku powoduje stratę Al₂O₃ oraz NaOH. Powinno być zatem w rudzie mało krzemionki. Większość tlenków obecnych w boksycie pozostaje nierozpuszczona przy ługowaniu. Ługowanie prowadzi się w serii autoklawów podgrzewanych bezpośrednio parą o ciśnieniu do 3MPa oraz w temperaturze 220-230⁰C. Po oddzieleniu części nierozpuszczalnych roztwór jest chłodzony, co powoduje jego rozpad na NaOH i Al(OH)_3.Dla zwiększenia szybkości rozpadu dodaje się kryształy Al(OH)₃.

Stosuje się również ługowanie w temperaturze 280⁰C, przy ciśnieniu 12-15 MPa. Uzysk jest wtedy wyższy i można przerabiać gorsze gatunki boksytów.
Do wiązania tlenku tytanu używa się CaO –zamiast tytanianu sodu powstaje słabiej rozpuszczalny tytanian wapnia. Odfiltrowany i przemyty gorącą wodą osad suszy się, a następnie wypala się w piecu obrotowym przy temperaturze 1200⁰C. Produkt zawiera 99,3-99,6% Al₂O_3, 0,4-0,55% Na₂O, 0,005-0,04% Fe₂O₃ i 0,01-0,05 % SiO_2.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się procesem otrzymywania tlenku glinowego metodą prof. J.Grzymka.

Przebieg ćwiczenia

Należy odmierzyć 60 ml r-ru wodnego sody (Na₂CO₃-2,8g/l ) i ługu sodowego (NaOH-2g/l) i przelać do zlewki 250 ml. Następnie podgrzać zlewke na palniku gazowym do 75 ⁰C. Odważyć 3 próbki po około 10 g spieku samo-rozpadowego (o zawartości Al₂O₃ 14,5% wag.), wsypać do zlewki i poddać procesowi ługowania, używając mieszadła mechanicznego i utrzymując temperaturę 75⁰C. Ługować należy przez odpowiednio 15, 25 i 35 min, kolejno przesączyć gęstwę przez sączek do kolby próżniowej Erlenmayera przy użyciu pompki wodnej (na sączku pozostanie nierozpuszczalny ortokrzemian wapniowy 2CaO SiO₂). Należy ostudzić przesączony roztwór (NaAlO₂) do temperatury pokojowej po czym przeprowadzić proces karbonizacji za pomocą CO₂ z butli, przepuszczając gaz przez roztwór umieszczony w kolbie przez 5 minut. Kolejnym etapem jest przesączenie roztworu przez sączek do próżniowej kolby Erlenmayera za pomocą pompki wodnej (osad na sączku to wydzielony Al(OH)₃), przepłukanie pozostałości na sączku wodą destylowaną, a dalej wyjąć sączek z lejka i osuszenie go w suszarce w temperaturze poniżej 100⁰C. Na koniec zważyć ilość otrzymanego Al(OH)_{3 .}

Opracowanie wyników

zawartość Al₂O₃ w spieku = 14,5 %

M_Al2O3=102g

M_Al(OH)3=78g

M₁= 10,641g t₁= 15min m₁=1,486g

M₂ =10,891 g t₂= 25 min m₂=1,499g

M₃=10,214g t₃= 35min m₃=1,494g

10,641g*0,145=1,54g- tyle Al₂O₃ zawiera się w 10,641g spieku

10,891g*0,145=1,58g- tyle Al₂O₃ zawiera się w 10,891g spieku

10,214g*0,145=1,48g- tyle Al₂O₃ zawiera się w 10,214g spieku

2Al(OH)₃=Al₂O₃+3H_2­O

2*78g=156g

Zawartość Al₂O₃ w Al(OH)₃ otrzymanego po procesie ługowania

156g - 102g

1,486g - X

X=0,971g

156g - 102g

1,499g - Y

Y= 0,98g

156g - 102g

1,494g - Z

Z= 0,977g

Wydajność procesu:
η=$\frac{0,971}{1,54}*100\% = \ $63%

η=$\frac{0,98}{1,56}*100\% =$ 62,8%

η=$\frac{0,977}{1,48}*100\% =$66%

Tabela 1. przedstawiająca zestawienie wyników

Czas ługowania [min]	15	25	35
Masa próbki spieku [g]	10,641	10,891	10,214
Masa otrzymanego po ługowaniu Al(OH)3 [g]	1,486	1,499	1,494
Zawartość Al2O3 w Al(OH)3 po procesie ługowania [g]	0,971	0,98	0,977
Zawartość Al2O3 w próbce [g]	1,54	1,58	1,48
Wydajność procesu η [%]	63	62,8	66

Wykres 1. Przedstawiający wydajność procesu.

Wnioski

Otrzymane wyniki uniemożliwiły poprawne wykonanie wykresu wydajności ługowania (wykres 1.). Wydajność powinna wzrastać, ale tylko do pewnego momentu, po ok. 25min powinna spadać. Spadek wydajności związany byłby jest z reakcją glinianu sodu z np. ortokrzemianem wapnia w wyniku czego powstałby osad 3CaO 3Al₂O₃ 6H₂O. Aby osiągnąć najlepszą wydajność procesu należy ługować nie dłużej niż 25 min, utrzymując także odpowiednią temperaturę

Źródła

home.agh.edu.pl/~zmsz/pl/pliki/mmn/MMN_W11_ALU.pdf

notatki własne