СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ ИЗ БОКСИТА ИЛИ ЕГО ШЛАМА
METHOD OF PRODUCING ALUMINIUM FROM BAUXITE OR ITS SLUDGE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу получения алюминия из алюминиевой руды. В частности, настоящее изобретение относится к способу получения алюминия из бокситовой руды, бокситового шлама или глины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Алюминий представляет собой легкий, высокопрочный и конструкционный металл, пригодный для повторного использования. Он играет важную роль в общественном прогрессе и вносит решающий вклад в развитие транспорта, упаковки для пищевых продуктов и напитков, объектов инфраструктуры, строительства, электроники и электрификации, аэрокосмической и оборонной отраслей. Предполагается, что потребность в алюминии будет продолжать возрастать на 4,1% в год.
Для промышленной добычи алюминия используется бокситовая руда, отличающаяся наиболее высоким содержанием глинозема, а также присутствием минеральных оксидов кремния, железа, титана, кальция, ванадия, магния и других примесей в незначительных или следовых количествах.
Получение элементарного алюминия из алюминиевой руды является, как правило, электрохимическим процессом. Он включает первое химическое отделение глинозема (оксида алюминия) от нежелательных составляющих, например, оксидов железа, титана, кремния, кальция, ванадия, магния и т.д. в боксите, с последующим электролизом глинозема для получения элементарного алюминия.
При химическом разделении глинозема образуются значительные количества отходов красного шлама или остатков боксита, представляющие собой серьезную и волнующую проблему в плане защиты окружающей среды. На этапе электролиза при получении алюминия используют аноды фторида и углерода алюминия, что приводит к выделению перфторуглеродных газов (PFC) и двуокиси углерода соответственно. Кроме того, электролиз глинозема требует больших затрат электроэнергии: более 12 кВт-ч/кг. Еще одной проблемой является необходимость использования дорогостоящего анода, который расходуется со скоростью 0,4 тон анода/тонну алюминия. Таким образом, производство алюминия является дорогостоящим процессом.
В прошлом было предпринято несколько попыток преодолеть один или несколько из упомянутых недостатков. Ниже представлены некоторые примеры существующих способов получения алюминия.
В документе US 4308113 описывается способ получения алюминия с помощью модифицированных графитовых электродов с уменьшенной интенсивностью изнашивания, при изготовлении которых использовались соединения титана и/или алюминия. Подобные электроды используют для контроля зольности, а также для уменьшения скорости изнашивания прикатодного электрода в ячейке для электролиза.
В документе US 4396482 описывается ячейка для электролиза для получения металла, такого как алюминий. Составной катод ячейки для электролиза содержит основной катод и накладные катодные поверхности, состоящие из графита и по меньшей мере из 90% тугоплавкого твердого металла, такого как диборида титана и углеродистого связующего материала.
В документе US 4151061 идет речь о ячейке для электролиза герметичного типа. В верхней части данной ячейки для электролиза находится патрубок подачи хлорида алюминия и патрубки отвода газообразного хлора, а в нижней - резервуар с расплавленным металлом.
В документе US 3725222 описывается способ непрерывного получения алюминия путем электролиза хлорида алюминия. Ячейка для электролиза, используемая в этом способе, содержит хлорид алюминия, растворенный в расплавленном растворителе, имеющем более высокий потенциал электрического разложения, чем хлорид алюминия.
В документе US 3785941 описывается ячейка для электролиза для получения алюминия с помощью электролиза хлорида алюминия. Ячейка содержит электролитную камеру, где находится ванна расплавленного электролита на основе хлорида металла, при этом в камере имеется непроводящая граница между ванной или парами и газами, испаряющимися с поверхности этой ванны. Непроводящая граница выполнена из тугоплавкого материала, преимущественно из нитрида и/или оксида кремния, бора или алюминия.
Еще одной предпосылкой настоящего изобретения служит документ US 4252774, который описывает способ получения хлорида алюминия из материалов, содержащих алюминий, с соединениями железа, титана и кремния. Данный способ включает вступление в реакцию материалов, содержащих алюминий, с углеродом и газом с содержанием хлора при температуре приблизительно 900°K с образованием газообразной смеси, после чего нагретые газы вступают в непосредственный контакт с сульфидом алюминия для получения твердого осадка сульфида железа и образования дополнительного газообразного хлорида алюминия с последующим отделением газообразного хлорида алюминия от твердого сульфида железа.
2
3
Еще одной предпосылкой настоящего изобретения является документ US 4039648, описывающий способ получения хлорида алюминия путем вступления AlO в реакцию с восстановителем и хлором в ванне галоидов металлов для получения хлорида алюминия и восстановления хлорида алюминия путем испарения.
Таким образом, авторы настоящего изобретения предусмотрели простой и рентабельный способ получения алюминия из алюминиевой руды.
ЗАДАЧИ
Ниже приведены некоторые задачи настоящего изобретения.
Одной из задач настоящего изобретения является создание простого и рентабельного способа получения алюминия из алюминиевой руды и бокситового шлама.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание двухэтапного способа карбохлорирования боксита и/или красного шлама для восстановления значений металла, например, алюминия, железа и титана.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа получения алюминия из алюминиевой руды и бокситового шлама, который уменьшит эмиссию двуокиси углерода и перфторуглеродных газов (PFC).
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа получения алюминия из алюминиевой руды и бокситового шлама, который является энергоэффективным и может выполняться при умеренной температуре.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание такого способа получения алюминия из алюминиевой руды или бокситового шлама, который уменьшит окисление и интеркалирование электродов в ячейке для электролиза.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Возгоняемое соединение - это соединение, переходящее из твердого состояния в газообразное или парообразное.
Другие задачи и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из приведенного ниже описания, при этом данное описание нельзя рассматривать как ограничивающее объем настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предусматривают способ получения алюминия из алюминиевой руды, содержащей соединение алюминия, соединение железа и соединение титана; указанный способ включает следующие этапы:
a. измельчение алюминиевой руды для получения порошка и кальцинирование указанного порошка при температуре в диапазоне от 600°С до 800°С для получения исходного кальцинированного материала, содержащего оксид алюминия, оксид титана и оксид железа;
b. перемешивание исходного кальцинированного материала с углеродистым материалом для получения смеси; карбохлорирование смеси посредством потока газообразного хлора при температуре в диапазоне от 600°С до 1000°С для получения потока газа, содержащего хлорид алюминия, хлорид железа (III) и хлорид титана;
c. конденсирование потока газа для получения конденсата хлоридов, содержащего составляющую-хлорид алюминия, составляющую-хлорид железа (III) и составляющую-хлорид титана;
d. обработку конденсата хлоридов для разделения конденсата хлоридов на его составляющие, которая включает этап нагревания конденсата хлоридов при температуре в диапазоне от 140°С до 160°С для испарения составляющей-хлорида титана и получения первой смеси, содержащей составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид трехвалентного железа, и последующего нагревания первой смеси в испарителе в присутствии восстановителя для восстановления составляющей-хлорида железа (III) до по меньшей мере одной формы, выбранной из группы, состоящей из хлорида двухвалентного железа и железа, и сбора составляющей-хлорида алюминия; при этом в испарителе поддерживают температуру в диапазоне от 185°С до 350°С; и
e. введение электролиза составляющей-хлорида алюминия в ячейке для электролиза для получения металлического алюминия.
Как правило, исходный кальцинированный материал содержит оксид алюминия, оксид железа или оксид титана, при этом этап карбохлорирования смеси включает два следующих этапа:
a. карбохлорирование смеси при температуре в диапазоне от 550°С до 900°С для выборочного разделения хлорида железа в газообразной форме и второй смеси, содержащей оксид алюминия и н оксид титана; и
b. окисление хлорида железа путем использования окислителя для отделения железа в форме оксида железа и последующего восстановления хлора.
Как правило, конденсат хлоридов содержит составляющую-хлорид алюминия, составляющую-хлорид железа (III) и составляющую-хлорид титана, а этап разделения конденсата хлоридов на его составляющие включает этап нагревания конденсата хлоридов при температуре в диапазоне от 140°С до 160°С для возгонки составляющей-хлорида титана и получения первой смеси, содержащей составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид двухвалентного железа, и последующего нагревания первой смеси в испарителе совместно с восстановителем для восстановления составляющей-хлорида железа (III) до по меньшей мере одной формы, выбранной из группы, состоящей из хлорида двухвалентного железа и железа, и сбора составляющей-хлорида алюминия, при этом температуру в испарителе поддерживают в диапазоне от 185°С до 350°С. Восстановитель представляет собой порошок алюминия и по меньшей мере одну металлическую соль в тетрахлоралюминате.
Как правило, конденсат хлоридов содержит составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид железа (III), и этап разделения конденсата хлоридов на его составляющие включает этап нагревания конденсата хлоридов в испарителе в присутствии восстановителя для восстановления составляющей-хлорида железа (III) до составляющей-хлорида двухвалентного железа и сбора составляющей-хлорида алюминия, при этом температуру в испарителе поддерживают в диапазоне от 185°С до 350°С. Восстановитель представляет
собой порошок алюминия и по меньшей мере одну металлическую соль в тетрахлоралюминате.
Как правило, конденсат хлоридов содержит составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид титана, и этап разделения конденсата хлоридов на его составляющие включает этап нагревания конденсата хлоридов при температуре в диапазоне от 140°С до 160°С для возгонки составляющей-хлорида титана и сбора составляющей-хлорида алюминия.
Как правило, алюминиевая руда, содержащая соединение алюминия, представляет собой по меньшей мере одну смесь, выбранную из группы, состоящей из красного шлама, боксита, карстового боксита, латеритного боксита и глины.
Как правило, соотношение количества кальцинированного исходного материала и углеродистого вещества составляет в диапазоне от 4:1 до 10:1.
Как правило, углеродистое вещество представляет собой по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, состоящей из растительного или животного угля, нефтяного кокса, растительного или животного угля, получаемого пиролизом угля, древесного угля, угарного газа и газовой сажи.
Температуру потока газообразного хлора поддерживают в диапазоне от 600°С до 900°С
Как правило, ячейка для электролиза содержит электроды и расплавленный электролит, состоящий из хлоридов щелочных металлов, при этом температуру ячейки для электролиза поддерживают в диапазоне от 600°С до 800°С.
Как правило, хлорид щелочных металлов представляет собой по меньшей мере один, выбранный из группы, состоящей из хлорида натрия, хлорида калия и хлорида лития.
Как правило, окислитель представляет собой по меньшей мере одно, выбранное из группы, состоящей из кислорода, воздуха и обогащенного кислородом воздуха.
Как правило, восстановитель представляет собой порошок алюминия и по меньшей мере одну металлическую соль в тетрахлоралюминате.
Как правило, металлическая соль представляет собой по меньшей мере одну соль, выбранную из группы, состоящей из солей лития, натрия, магния, железа, цинка, кальция, алюминия и калия.
Как правило, количество составляющей-хлорида алюминия, подаваемой в ячейку для электролиза, составляет в диапазоне от 2% до 10% общей массы электролита.
2
2
2
2
Как правило, в ячейке для электролиза поддерживают расстояние между катодом и анодом равным 1-1,5 см, напряжение на электродах одной ячейки - в диапазоне от 2,7 до 2,8 В, температуру - в диапазоне от 600°С до 850°С, давление - в диапазоне от 1,0 кг/см до 2,5 кг/см и плотность тока в диапазоне от 0,1 А/дм до 100 А/дм.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение предусматривает способ получения алюминия из алюминиевой руды. Для получения алюминия используют такие алюминиевые руды, как красный шлам, расплавленный шлак, боксит, карстовый боксит, латеритный боксит, глины и их комбинации. Как правило, данные алюминиевые руды характеризуются наличием соединения алюминия. Кроме того, эти алюминиевые руды могут содержать или не содержать соединение железа и титана.
На первом этапе алюминиевую руду измельчают для получения порошка с тонкозернистыми частицами размером менее 74 микрон, а затем нагревают при температуре в диапазоне от 600°С до 800°С для получения кальцинированного
исходного материала. После этого кальцинированный исходный материал смешивают с углеродистым материалом в соотношении в диапазоне от 4:1 до 10:1 для получения смеси.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения кальцинированный исходный материал содержит исключительно оксид алюминия.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения кальцинированный исходный материал содержит оксид алюминия, оксид титана и оксид железа.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения кальцинированный исходный материал содержит оксид алюминия, а также оксид титана или оксид железа.
Углеродистый материал, используемый в настоящем изобретении, включает без ограничений растительный или животный уголь, нефтяной кокс, растительный или животный уголь, получаемый пиролизом угля, древесный уголь, угарный газ и газовую сажу.
Затем смесь, содержащую оксид алюминия, подвергают карбохлорированию в присутствии потока газообразного хлора для получения потока газа, содержащего хлорид алюминия. Кроме того, если смесь содержит оксид железа и оксид титана, то поток газа также будет содержать, помимо хлорида алюминия, хлориды титана и железа, поскольку в ходе реакции карбохлорирования из оксидов железа и/или титана получают соответствующие хлориды. Температуру потока газообразного хлора поддерживают в диапазоне от 600°С до 900°С для получения из оксидов алюминия, титана и железа соответствующих хлоридов.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения смесь подвергают карбохлорированию в реакторе карбохлорирования.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения смесь подвергают карбохлорированию с помощью газообразного хлора в двухступенчатом реакторе с псевдоожиженным слоем. Процесс карбохлорирования первой ступени выполняют при температуре в диапазоне от 550°С до 900°С для выборочного получения хлорида железа (III) в газообразной форме. Полученный таким образом хлорид железа (III) окисляют с помощью одного или нескольких окислителей, которые включают без ограничений кислород, воздух и обогащенный кислородом воздух, для отделения железа в форме оксидов железа и восстановления хлора. Восстановленный хлор вновь подают во вторую ступень процесса карбохлорирования при температуре в диапазоне от 600°С до 1000°С для выборочного получения потока газа, содержащего хлорид алюминия и хлорид титана.
В одном из вариантов осуществления восстановленный хлор используют в следующем цикле первой ступени карбохлорирования.
В соответствии с настоящим изобретением кальцинированный исходный материал и углеродистое вещество либо смешивают перед добавлением его в реактор, либо подают в реактор по отдельности, после чего перемешивают для получения смеси.
На втором этапе поток газа конденсируют на конденсаторах поверхностного и/или смешивающего типа для получения конденсата хлоридов. В одном из приводимых в качестве примера вариантов осуществления настоящего изобретения конденсат хлоридов содержит любую одну или несколько составляющих, которые могут включать хлорид алюминия, хлорид титана и хлорид железа (III).
В еще одном приведенном в качестве примера варианте осуществления настоящего изобретения конденсат хлоридов содержит составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид титана.
В другом приведенном в качестве примера варианте осуществления настоящего изобретения конденсат хлоридов содержит составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид железа (III).
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения конденсат хлоридов, содержащий составляющую-хлорид алюминия, подают непосредственно в ячейку для электролиза для получения металлического алюминия.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения выполняют фракционное разделение конденсата хлоридов, содержащего составляющую-хлорид алюминия, составляющую-хлорид титана и/или составляющую-хлорид железа (III), для получения их соответствующей составляющей-хлорида.
В еще одном приведенном в качестве примера варианте осуществления настоящего изобретения конденсат хлоридов содержит составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид титана, и его подвергают фильтрации и/или центрифугированию. Затем конденсат хлоридов/остаток от фильтрования/остаток от центрифугирования нагревают до температуры в диапазоне от 140°С до 160°С для возгонки составляющей-хлорида титана от составляющей-хлорида алюминия.
В другом приведенном в качестве примера варианте осуществления настоящего изобретения конденсат хлоридов содержит составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид железа (III). Затем конденсат хлоридов помещают в испаритель/восстановитель для отделения составляющей-хлорида железа (III) в форме хлорида двухвалентного железа и/или железа и последующего отделения составляющей-хлорида алюминия.
В еще одном приведенном в качестве примера варианте осуществления настоящего изобретения конденсат хлоридов содержит составляющую-хлорид алюминия, составляющую-хлорид титана и составляющую-хлорид железа (III). При этом конденсат хлоридов сначала нагревают при температуре в диапазоне
от 140°С до 160°С для возгонки составляющей-хлорида титана, а затем подают оставшиеся составляющую-хлорид алюминия и составляющую-хлорид железа (III) в испаритель/восстановитель для отделения хлорида железа (III) в форме хлорида двухвалентного железа и/или железа и последующего сбора составляющей-хлорида алюминия.
Испаритель/восстановитель, используемый для фракционирования составляющей-хлорида железа (III) от составляющей-хлорида алюминия, содержит алюминиевый порошок и расплавленную массу металлических солей в тетрагалогеналюминате для восстановления хлорида железа (III) до хлорида двухвалентного железа и/или железа с помощью металла-восстановителя. Данный металл включает без ограничений литий, натрий, магний, железо, цинк, кальций, алюминий и калий, при этом температуру в испарителе поддерживают в диапазоне от 185°С до 350°С.
Тетрагалогеналюминат, используемый в настоящем изобретении, представляет собой тетрахлоралюминат.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения тетрахлоралюминат содержит расплавленную массу солей натрия и калия.
На третьем этапе составляющую-хлорид алюминия подают в ячейку для электролиза в количестве в диапазоне от 2 до 5% от общей массы электролита для получения металлического алюминия.
Газообразный хлор, отделенный в ячейке для электролиза, повторно используют в следующем цикле процесса карбохлорирования. Как вариант, восстановленный газообразный хлор сохраняют в сжатой или сжиженной форме.
В другом приведенном в качестве примера варианте осуществления настоящего изобретения производят периодическое извлечение металлического алюминия (Al), полученного в ячейке для электролиза. Железо, полученное в испарителе, фильтруют и отделяют путем магнитной сепарации.
2
2
Описанная в настоящем изобретении ячейка для электролиза содержит электроды, погруженные в расплавленный электролит на основе хлоридов щелочных металлов, температуру в ячейке для электролиза поддерживают в диапазоне от 600°С до 750°С, напряжение на электродах одной ячейки составляет в диапазоне от 2,7 до 2,8 В, давление - в диапазоне от 1,0 кг/см до 2,5 кг/см.
2
3
2
3
В процессе электролиза хлорида алюминия на диссоциацию затрачивают намного меньше энергии, чем в традиционном процессе электролиза оксида алюминия (AlO). Однако применение AlO в процессе электролиза для получения элементарного алюминия в данный момент ограничено в связи с проблемами коррозии и высокими затратами на обслуживание вследствие повышенных рабочих температур. Хотя по своей природе хлорид алюминия является возгоняемым и не проводит электрический ток, при рабочих температурах в диапазоне от 600°С до 850°С и напряжении на электродах одной ячейки от 2,7 В до 2,8 В он становится менее летучим и приобретает высокую проводимость благодаря образованию низколетучих соединений (солей) с солями щелочных металлов.
Хлориды щелочных металлов, используемые в ячейке для электролиза, включают без ограничений хлорид натрия, хлорид калия, хлорид лития и т.п.
Аноды, используемые в процессе электролиза, выбирают из алюминия с примесями, углерода, графита, карбида кремния и любых композитных материалов на их основе или материалов, покрытых ими. Предпочтительным является использование угольных анодов из возобновляемых источников. Как вариант, в процессе электролиза используют обычные угольные электроды. Как вариант, угольные электроды используют в качестве биполярных электродов.
2
2
Значение плотности тока поддерживают в пределах от 0,1 А/дм до 100 А/дм, а расстояние между анодом и катодом составляет от 1 см до 10 см.
2
3
Реактор карбохлорирования, как и ячейку для электролиза, облицовывают кирпичами с содержанием AlO 70-90%, эту облицовку окружают изоляционными кирпичами.
Далее для понимания настоящего изобретения приводятся примеры, которые предусмотрены исключительно для иллюстрирования сути изобретения и не могут рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения.
Пример 1
1000 г бокситового сырья измельчали для получения тонкозернистых частиц размером менее 74 микрон (прохождение через сито в 200 меш) и нагревали до температуры 700°С для получения кальцинированного боксита. Основными составляющими кальцинированного боксита были оксид алюминия (массовая доля 65%), оксид железа (массовая доля 20%), оксид титана (массовая доля 5,5%) и диоксид кремния (массовая доля 6,5%), а также другие незначительные оксиды. Затем кальцинированный боксит смешивали с 250 г тонкозернистого порошка угля и подавали в кварцевый реактор с газораспределителем. Смесь в псевдоожиженном состоянии подвергали реакции с потоком газообразного хлора с расходом 50 л/ч при температуре 850°С для получения газообразного потока, содержащего смесь хлорида алюминия, хлорида железа (III) и хлорида титана. Газообразный поток пропускали через ряд парциальных конденсаторов. Основные продукты, хлорид алюминия и хлорид титана, конденсировали и собирали на соответствующих конденсаторах. Основной примесью в обоих продуктах являлся хлорид железа (III), также присутствовали другие незначительные примеси, поэтому продукты подвергали очистке перед началом электролиза. Хлорид алюминия, полученный на описанном выше этапе карбохлорирования, содержал хлорид железа (III) (массовая доля 5%), хлорид титана (массовая доля 0,1%) и другие оксиды (массовая доля 0,2%). Твердый хлорид алюминия подавали в испаритель, содержащий расплавленную металлическую соль в тетрахлоралюминате при температуре 250°С, с расходом 600 г/ч в течение 5 часов. Испарение хлорида алюминия проводили в
восстановительной среде с добавлением порошка алюминия с расходом 25 г/ч и перемешиванием для восстановления хлорида железа (III) до низшего хлорида, хлорида двухвалентного железа, отличающегося высокой температурой кипения. Чистый пар хлорида алюминия подавали непосредственно в ячейку для электролиза. Массовая доля хлорида железа (III) в очищенном паре хлорида алюминия составляла менее 0,05%, при этом отсутствовали хлорид титана и другие примеси оксидов. Железо, низшие хлориды и примеси оксидов периодически отводили из испарителя и обрабатывали отдельно с целью получения ценных продуктов.
2
2
Пар хлорида алюминия подавали непосредственно в ячейку для электролиза, содержащую расплавленный электролит на основе хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов при температуре 700°С. Ячейку облицовывали изоляционными огнеупорными кирпичами с высоким содержанием глинозема (массовая доля 98,2%). Состав основного электролита был следующим: хлорид натрия (мольная доля 48,5%), хлорид калия (мольная доля 48,5%) и хлорид кальция (мольная доля 3%). Во время электролиза концентрацию хлорида алюминия в электролизной ванне поддерживали в диапазоне от 2 до 5% общей массы электролита. Электролиз проводили в установках с биполярными электродами с углеродным катодом, центральным биполярным электродом (также углеродным) и графитовым анодом, при этом активная площадь электродов составляла 225 см (15 см × 15 см), а расстояние между электродами - 1,2 см. Электролиз выполняли путем пропускания постоянного тока силой 180 А и плотностью 0,8 А/см в течение 5 ч. Общее напряжение на электродах биполярной ячейки составляло 5,6 В, при этом среднее напряжение на электродах одной ячейки составляло 2,8 В. Расплавленному металлическому алюминию позволяли собираться в емкость, предусмотренную в ячейке, а промывку газа Cl2 производили в скруббере NaOH. В конце процесса электролиза из ячейки извлекли 583 г металлического алюминия. Коэффициент полезного действия тока ячейки в течение 5 ч работы составлял 97%.
Пример 2
Шлак бокситового шлама в количестве 600 г после расплавления и удаления большей части железа измельчали для получения тонкозернистых частиц размером менее 74 микрон (прохождение через сито в 200 меш). Основными составляющими шлака были оксид алюминия (массовая доля 45%), оксид железа (массовая доля 8%), диоксид титана (массовая доля 15%) и диоксид кремния (массовая доля 19,5%), а также 6% углерода и других незначительных оксидов. Затем шлак смешивали с 120 г тонкозернистого порошка угля и подавали в кварцевый реактор с газораспределителем. Смесь в псевдоожиженном состоянии подвергали реакции с потоком газообразного хлора с расходом 30 л/ч при температуре 880°С для получения газообразного потока, содержащего смесь хлорида алюминия, хлорида железа (III) и хлорида титана. Газообразный поток пропускали через ряд парциальных конденсаторов. Основные продукты, хлорид железа (III), хлорид алюминия и хлорид титана, конденсировали и собирали на соответствующих конденсаторах. Основной примесью в хлоридах алюминия и титана являлся хлорид железа (III), также присутствовали другие незначительные примеси, поэтому продукты подвергали очистке перед началом электролиза.
Хлорид алюминия, полученный на описанном выше этапе карбохлорирования, содержал хлорид железа (III) (массовая доля 1,5%), хлорид титана (массовая доля 0,5%) и другие оксиды (массовая доля 0,25%). Твердый хлорид алюминия подавали в испаритель, содержащий расплавленную металлическую соль в тетрахлоралюминате при температуре 250°С, с расходом 750 г/ч в течение 20 часов. Испарение хлорида алюминия проводили в восстановительной среде с добавлением порошка алюминия с расходом 20 г/ч и перемешиванием для восстановления хлорида железа (III) до главным образом железного порошка и еще низшего хлорида, хлорида двухвалентного железа, отличающегося высокой температурой кипения. Чистый пар хлорида алюминия подавали непосредственно в ячейку для электролиза. Массовая доля хлорида железа (III) в очищенном паре хлорида алюминия составляла менее 0,02%, при этом отсутствовали хлорид титана и другие примеси оксидов. Железо, низшие
хлориды и примеси оксидов периодически отводили из испарителя и обрабатывали отдельно с целью получения ценных продуктов.
2
2
Пар хлорида алюминия подавали непосредственно в ячейку для электролиза, содержащую расплавленный электролит на основе хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов при температуре 700°С. Ячейку облицовывали изоляционными огнеупорными кирпичами с высоким содержанием глинозема (массовая доля 98,2%). Состав основного электролита был следующим: хлорид натрия (мольная доля 48,5%), хлорид калия (мольная доля 48,5%) и хлорид кальция (мольная доля 2%). Во время электролиза концентрацию хлорида алюминия в электролизной ванне поддерживали в диапазоне от 2 до 5% общей массы электролита. Электролиз проводили в установках с биполярными электродами с углеродным катодом, центральным биполярным электродом (также углеродным) и графитовым анодом, при этом активная площадь электродов составляла 225 см (15 см × 15 см), а расстояние между электродами - 1,2 см. Электролиз выполняли путем пропускания постоянного тока силой 225 А и плотностью 1 А/см в течение 20 ч. Общее напряжение на электродах биполярной ячейки составляло 5,8 В, при этом среднее напряжение на электродах одной ячейки составляло 2,9 В. Расплавленный металлический алюминий собирался в емкость, предусмотренную в ячейке, а промывку газа Cl2 производили в скруббере NaOH. В конце процесса электролиза из ячейки извлекали 2892 г металлического алюминия. Коэффициент полезного действия тока ячейки в течение 20 ч работы составлял 96,2%.
По всему объему данного описания слово «содержать» или его варианты, такие как «содержит» или «содержащий», следует понимать как включение указанного элемента, целого или части, или группы элементов, целых или частей, однако не как исключение любого другого элемента, целого или части, или группы элементов, целых или частей.
Использование выражений «по меньшей мере» или «по меньшей мере один» предполагает использование одного или нескольких элементов, или
ингредиентов, или количеств, поскольку их использование может обуславливаться вариантом осуществления настоящего изобретения для достижения одного или нескольких желаемых целей или результатов.
«Там, где указывается диапазон значений, значение в пределах 10% ниже или выше, соответственно, самого низкого и самого высокого числового значения указанного диапазона, входит в объем данного изобретения».
Хотя в данном документе значительным образом подчеркиваются конкретные особенности настоящего изобретения, следует понимать возможность различных модификаций и внесения множества изменений в предпочтительные варианты осуществления, не выходя за рамки принципов данного изобретения. Исходя из приведенного выше раскрытия специалистам в данной области очевидны эти и иные модификации в рамках настоящего изобретения или предпочтительные варианты осуществления, поэтому следует четко понимать, что предшествующее описание должно толковаться только как иллюстративная часть изобретения, а не как ограничительный признак.