способ получения трехкальциевого гидроалюмината

Формула изобретения

Способ получения трехкальциевого гидроалюмината, включающий нагрев щелочно-алюминатного раствора и обработку его известковым молоком, перемешивание образовавшейся смеси, отделение готового продукта, отличающийся тем, что обработку щелочно-алюминатного раствора ведут известковым молоком с концентрацией (в пересчете на СаО) 50-205 г/л при температуре 85-97°С, скорости подачи известкового молока, не превышающей 70 л/мин на 1 м³ щелочно-алюминатного раствора, до соотношения по массе Al ₂О₃:СаО, равного 1:(1-1,6).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при производстве глинозема для получения трехкальциевого гидроалюмината с крупными кристаллами из промышленных алюминатных растворов, содержащих соли NaCl, Na₂CO₃ и Na₂ SO₄.

Известен способ получения трехкальциевого гидроалюмината (далее ТКА) повышенной крупности при взаимодействии негашеной извести (СаО) и алюминатного раствора, содержащего соли NaCI, Na₂СО₃, Na₂SO ₄ (Whittington B.I., Fallows Т.М., Willing M.J. Tricalcium aluminate hexahydrate (TCA) filter aid in the Bayer industry: factors affecting TCA preparation and morphology. Int. J. Miner. Process. 1997, v.49, p.1-29). По этому способу к предварительно нагретому алюминатному раствору, содержащему соли NaCI, Na ₂CO₃, Na₂SO₄, добавляется негашеная известь, и полученная суспензия выдерживается при температуре 100°С в течение 240 минут. В результате в растворе образуются кристаллы ТКА размером около 12 мкм.

Недостатки известного способа, прежде всего, связаны с длительностью процесса кристаллизации ТКА (240 мин), а также низким массовым выходом реакции. Так, расчет показывает, что при осуществлении данного процесса из одного литра алюминатного раствора будет получено примерно 33 г кристаллов ТКА (см. опыт №15 цитируемой работы).

В качестве ближайшего аналога выбран способ получения трехкальциевого гидроалюмината (Сажин B.C. Новые гидрохимические способы комплексной переработки алюмосиликатов и высококремнистых бокситов. М.: Металлургия, 1988 г., с.151), который включает в себя обработку щелочно-алюминатного раствора известковым молоком при температуре 80-90°С с перемешиванием смеси и при кратности дозировки оксида кальция к оксиду алюминия равной 3. При этом реакция завершается практически за час.

Недостатком известного способа является то, что при его использовании не удается получить крупные кристаллы ТКА.

В основу создания заявляемого изобретения положена задача получения крупных кристаллов трехкальциевого гидроалюмината с высоким массовым выходом реакции.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе получения трехкальциевого гидроалюмината, включающем предварительный нагрев щелочно-алюминатного раствора и его обработку известковым молоком, перемешивание образовавшейся смеси, отделение готового продукта, согласно изобретению, обработку щелочно-алюминатного раствора ведут известковым молоком с концентрацией (в пересчете на СаО) 50-205 г/л, при температуре 85-97°С, скорости подачи известкового молока, не превышающей 70 л/мин на 1 м³ щелочно-алюминатного раствора, до соотношения по массе Al₂О₃ :СаО

равного 1:(1-1,6).

В предлагаемом способе возможность получения крупных кристаллов трехкальциевого гидроалюмината (ТКА) с высоким массовым выходом реакции реализована за счет обработки щелочно-алюминатного раствора известковым молоком, проводимой до соотношения по массе между взаимодействующими реагентами (в пересчете на Al₂O₃ и СаО) - Al₂ О₃:СаО=1:(1-1,6). Авторы предлагаемого изобретения опытным путем установили указанное соотношение по массе между взаимодействующими реагентами. Результаты экспериментов, проводимых в лабораторных условиях, представлены в таблице.

Таблица Технологические параметры способа получения трехкальциевого гидроалюмината
Опыт	t, °C	Отношение Al2O 3:СаО	CaO, г/л	q, л/мин·м3	C тв, г/л	, мкм	Q<3 , %
1	2	3	4	5	6	7	8
1	95	1:0,9	50	20	48.2	10,6	2,5
2	96	1:0,7	50	17	39,4	9,2	3,1
3	96	1:1,6	90	13	79,2	12,6	0,4
4	96	1:1	53	20	52,4	14,9	0,3
5	96	1:1,6	90	15	77,5	13,8	0,4
6*	70	1:1,6	90	15	-	-	-
7	85	1:1,6	90	15	76,6	10,8	3
8	97	1:1,2	180	17	60,5	11,1	0,3
9	97	1:1,6	205	17	80	12,7	0,8
10	97	1:1,6	180	70	66,8	9,3	1,5

В столбцах таблицы приведены значения следующих параметров:

графа 1; опыт 6* - в этом опыте в осадке образовались кристаллы карбоната кальция СаСО₃ , а не трехкальциевого гидроалюмината Ca₃Al₂ (OH)₁₂;

графа 2: t - температура проведения опыта;

графа 4: CaO - концентрация извести (в пересчете на CaO) в известковом молоке;

графа 5: q - скорость дозирования известкового молока;

графа 6: С_тв - содержание кристаллов ТКА в растворе в конце опыта;

графа 7: - средний размер образовавшихся кристаллов;

графа 8: Q_<3 - массовая доля в осадке кристаллов размером менее 3 мкм.

Опыты 1, 2, приведенные в таблице, показывают, что при низких значениях соотношения Al₂ O₃:СаО, выходящих за заявляемые пределы, средний размер кристаллов трехкальциевого гидроалюмината (ТКА) не превышает 11 мкм, при этом доля фракции кристаллов размером менее 3 мкм составляет около 3%.

Повышение соотношения Al₂ О₃:СаО свыше 1,6 является нецелесообразным, так как при этом нарушается стехиометрия процесса и не вся известь вступит в реакцию. В результате в осадке появится непрореагировавший гидроксид кальция Са(ОН)₂.

Проведение кристаллизации при соотношении Al₂О₃:СаО, равном 1:1-1,6, позволяет получить кристаллы ТКА средним размером 12,6-14,9 мкм с содержанием фракции размером менее 3 мкм 0,3-0,4% (опыты 3-5 в таблице).

Целесообразность осуществления предварительного нагрева щелочно-алюминатного раствора до температуры не ниже 85°С также объясняется возможностью получения крупных кристаллов ТКА с высоким массовым выходом реакции, что подтверждено экспериментально. Понижение температуры процесса приводит к тому, что в осадке вместо кристаллов ТКА образуются кристаллы карбоната кальция (опыт 6 в таблице) или увеличивается доля фракции кристаллов размером менее 3 мкм (до 3%), а также снижается до 10.8 мкм средний размер кристаллов ТКА (опыт 7 в таблице).

Что касается рекомендуемой концентрации извести и скорости подачи известкового молока, то интервал соответствующих значений дает возможность получить желаемый технический результат.

Так, повышение концентрации извести (в пересчете на СаО) в известковом молоке до 205 г/л также вызывает возрастание доли кристаллов размером менее 3 мкм (опыт 9 в таблице). Очевидно, что дальнейшее увеличение концентрации извести в известковом молоке до значения свыше 205 г/л является нецелесообразным. Аналогичный результат получается при значениях скорости дозирования известкового молока в алюминатный раствор, превышающей 70 л/мин на 1 м³ (опыт 10 в таблице).

Технических решений, совпадающих с существенными признаками заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «новизна».

Заявляемая совокупность существенных признаков изобретения, предопределяющая получение указанного технического результата, для специалиста явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Осуществление способа получения трехкальциевого гидроалюмината (ТКА) подтверждается нижеприведенным примером со значениями заявляемых параметров в числовом интервале.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Отфильтрованный щелочно-алюминатный раствор нагревают с помощью теплообменника до температуры 90°С. Затем в него при непрерывном перемешивании раствора мешалкой

добавляют известковое молоко с концентрацией негашеной извести (в пересчете на СаО) 200 г/л до соотношения по массе между взаимодействующими реагентами (в пересчете на Al₂О₃ и СаО) Al₂О₃:СаО=1:(1-1,6). Известковое молоко подают с помощью насоса, скорость подачи известкового молока в нагретый щелочно-алюминатный раствор не должна превышать 70 л/мин на 1 м³ щелочно-алюминатного раствора. Например, если в реактор, где получают суспензию крупнокристаллического ТКА, было закачано 5 м³ отфильтрованного щелочно-алюминатного раствора, то скорость подачи известкового молока не должна превышать 5·70=350 л/мин. По завершении подачи известкового молока образовавшуюся в баке суспензию трехкальциевого гидроалюмината (ТКА) выдерживают при температуре не ниже 85 °С и непрерывном перемешивании мешалкой в течение 30 мин. После окончания этого времени выдержки раствор из бака может быть подан на фильтрацию для отделения кристаллов ТКА.

Далее приведем пример, соответствующий опыту 3 таблицы настоящего описания (см. стр.3) с численными значениями концентраций основных компонентов.

100 мл отфильтрованного щелочно-алюминатного раствора, содержащего (основные компоненты) Na₂O_общ(NaOH+Na₂CO₃ ) - 152,7 г/л, Na₂O_{каустик}(NaOH) - 142,1 г/л, Al₂О₃ - 57,8 г/л, помещаются в сосуд с мешалкой и при непрерывном перемешивании нагреваются до температуры 96°С. Частота перемешивания раствора мешалкой должна быть такой, чтобы полностью поддерживать во взвешенном состоянии осадок трехкальциевого гидроалюмината, образующийся в ходе последующей химической реакции. Затем к нагретому до 96°С алюминатному раствору со скоростью 1,3 мл/мин добавляют 100 мл взболтанного раствора известкового молока с концентрацией 90 г/л СаО. После окончания ввода известкового молока образовавшаяся суспензия трехкальциевого гидроалюмината выдерживается при температуре 96°С и непрерывном перемешивании раствора мешалкой еще в течение 30 мин. В ходе этой реакции будет получено около 15,8 г трехкальциевого гидроалюмината со средним размером кристаллов 12,6 мкм и массовой долей кристаллов размером менее 3 мкм 0,4%. Таким образом, при проведении описанного выше процесса образуется суспензия с содержанием трехкальциевого гидроалюмината (в виде твердой фазы) около 79,2 г/л.

Остальные примеры конкретного исполнения предлагаемого способа приведены в таблице настоящего описания (опыты 4, 5 и 7-10).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить крупные кристаллы трехкальциевого гидроалюмината с высоким массовым выходом реакции.