Разработка электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты - сырья для производства лейкосапфиров

• Автор: Серёдкин, Юрий Георгиевич
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Аналитический обзор литературы.

1.1 Способы получения оксида алюминия

1.1.1 Получение оксида алюминия из минерального сырья

1.1.1.1 Щелочные способы.

1.1.1.2 Кислотные способы.

1.1.1.3 Термические способы.

1.1.2 Получение оксида алюминия из металла

1.1.2.1 Способы химического окисления алюминия

1.1.2.2 Способ искрового разряда

1.1.2.3 Способ образования и гидролиза алюминийорганического соединения
1.1.2.4 Способ синтеза и гидролиза алкоксисоединсний алюминия
1.1.2.5 Электрохимические способы.
1.2 Способы выращивания монокристаллов
1.2.1 Выращивание из раствора в расплаве спонтанная кристаллизация
1.2.2 Метод Вернейля
1.2.3 Метод Бриджмена.
1.2.4 Метод Чохральского
1.2.5 Метод зонной плавки.
1.2.6 Гидротермальное выращивание.
1.2.7 Метод твердофазной рекристаллизации.
2 Электрохимический способ получения гидроксида алюминия
2.1 Изучение поляризации электродных процессов в хлоридных растворах и выяснение механизма образования гидроксида алюминия.
2.1.1 Анодная поляризация.
2.1.2 Катодная поляризация
2.1.3 Взаимодействия в электролите
2.1.4 Выводы
2.2 Изучение влияния плотности тока на выход продукта.
2.2.1 Анодный выход продукта
2.2.2 Катодный выход продукта.
2.2.3 Общий выход продукта
2.2.4 Выводы
2.3 Изучение старения раствора и кинетики укрупнения частиц гидроксида
алюминия
2.3.1 Образование защитной пленки на аноде
2.3.2 Старение раствора.
2.3.3 Выводы
2.4 Определение удельного электросопротивления гетерогенной смеси электролита и гидроксида алюминия
3 Разработка электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты
3.1 Описание установки для получения гидроксида алюминия
3.2 Разработка конструкции и расчет электролизера.
3.2.1 Назначение электролизера
3.2.2 Конструкция электролизера.
3.2.2.4 Конструкция и внешний вид ванны.
3.2.2.3 Расчет гидравлического контура
3.2.3 Электрический расчет электролизера
3.2.4 Тепловой расчет электролизера.
3.2.4.1 Боковые стенки
3.2.4.2 Продольные наклонные стенки.
3.2.4.3 Поперечные наклонные стенки.
3.2.4.4 Дно.
3.2.4.5 Тепловой поток от поверхностей ванны
3.2.5 Расчет испарения воды.
3.3 Разработка конструкции и расчет сборной емкости.
3.3.1 Назначение сборной емкости.
3.3.2 Конструктивный расчет сборной емкости
3.3.2.1 Расчет габаритов сборной емкости.
3.3.2.2 Конструкция и внешний вид сборной емкости
3.3.2.3 Расчет поверхностей сборной емкости
3.3.3 Тепловой расчет сборной емкости.
3.3.3.1 Крышка
3.3.3.2 Боковые стенки
3.3.3.3 Тепловой поток от емкости.
3.4 Составление теплового баланса электролизной установки.
3.4.1 Приход тепла
3.4.2 Расход тепла
3.4.3 Тепловой баланс.
3.5 Принципиальная аппаратурнотехнологическая схема получения оксида
алюминия высокой чистоты
3.5.1 Описание технологической схемы
3.5.1.1 Подготовка сырья, материалов, энергоресурсов
3.5.1.2 Электролитическое получение и отделение гидроксида алюминия .
3.5.1.3 Термическое получение оксида алюминия
3.5.2 Расчет материального баланса.
3.6 Опытнопромышленные испытания технологии
Выводы.
Список использованных источников


В настоящее время производство искусственного корунда является востребованным на мировом рынке. Искусственные кристаллы корунда используются в медицине, а также в ювелирной и часовой промышленности. Основной проблемой при получении искусственного корунда является дороговизна сырья для его производства (оксида алюминия чистотой ,-,9 %), которая связана со сложностью аппарату рного оформления многочисленных переделов. Химическая очистка глинозема от примесей реализована за рубежом. В России в настоящее время не существует промышленного производства оксида алюминия необходимой чистоты. Предлагаемый способ заключается в получении оксида алюминия высокой чистоты, пригодного для производства лейкосапфиров, из металла, заранее очищенного от примесей при помощи электролитического рафинирования и имеющего чистоту' ,-,5 % и выше [2]. Такое сырье не нуждается в дополнительной очистке, к тому же, после окисления алюминия до оксида содержание исходных примесей снижается вдвое за счет увеличения массы продукта. Поэтому работа по созданию электрохимической технологии получения оксида алюминия высокой чистоты является актуальной. Для этого необходимо разработать научные и технологические основы нового способа получения сырья для производства лейкосапфиров, который должен стать экономичным, эффективным и позволил бы получать чистый конечный продукт. Необходимо также создать установку для его получения и разработать аппаратурнотехнологическое оформление процесса производства. Все перечисленное является целыо данной работы. Поскольку алюминий является одним из наиболее электроотрицательных элементов, то он не встречается в природе в самородном состоянии, а производится из алюминиевых руд. Поэтому, строго говоря, вторая группа способов является продолжением первой, но имеет принципиальное отличие — сырьем является металл, а не сложные оксидные соединения с другими элементами. Основным критерием оценки возможности использования оксида алюминия, полученного тем или иным способом, в качестве сырья для выращивания монокристаллов корунда является содержание в нем примесей металлов. Требования по чистоте сырья существенно разнятся в зависимости от способа выращивания монокристаллов и формы нахождения примесей в сырье. Но в среднем, если примеси представлены в оксидной форме, то суммарное содержание примесей металлов для получения окрашенных корундов не может превышать 0 ppm, а для получения лейкосаифиров (прозрачных кристаллов) — не более ppm, при этом максимальная концентрация каждой примеси не может быть более ppm. Оксид алюминия — наиболее распространенный компонент минерального сырья и основная форма представления алюминия в рудах. В природе отмечается более 0 минералов алюминия [1], основные из которых — бокситы, нефелины, алуниты, глины, каолиниты и кианиты. Учитывая амфотсрные свойства и высокое сродство алюминия к кислороду, получить оксид алюминия из руд можно различными способами: щелочными, кислотными, термическими. А1(ОН)з = А + ЗН2ОТ. Способ Байера был открыт более 0 лет назад и является основным способом производства оксида алюминия из бокситов. Выщелачивание бокситов по реакции (1) проводят в автоклавных батареях — непрерывно действующих автоматизированных установках, включающих подогреватели, автоклавы и сепараторы пара. Автоклавы применяют с нагревом острым паром или с глухим нагревом и перемешиванием. Снаружи автоклав покрыт слоем теплоизояции. С, а затем поступает на выщелачивание в автоклав через загрузочную трубу 5. Греющий пар, поступающий с ТЭЦ, подается в автоклав через сопло 3, за счет чего пульпа постоянно перемешивается и нагревается, проходя через автоклавную батарею, до реакционной температуры 5-5 °С, при этом в аппаратах создается избыточное давление 2, МПа (примерно атм). Автоклав с глухим нагревом пульпы и перемешиванием показан на рисунке 2. Пар подается в автоклав через штуцер 5, проходит по нагревательным трубкам 1 и выходит через штуцер 6, за счет чего реализуется косвенный нагрев пульпы, а ее перемешивание осуществляется при помощи механической мешалки 2.