Proceso Bayer

O proceso Bayer é un proceso industrial de obtención de alúmina a partir da bauxita mediante a utilización dunha disolución de sosa. Consta fundamentalmente de tres subprocesos: dixestión, precipitación e calcinación. A dixestión realízase poñendo en contacto a bauxita moída cunha disolución de sosa concentrada para extraer o aluminio do mineral:
Al2O3nH2O(s) + 2NaOH(aq) 2NaAlO2(aq) + (n+1)H2O
Posteriormente na precipitación arrefríase e dilúese a disolución procedente da dixestión, realizando unha sementación con grans de hidróxido de aluminio, Al(OH)3, para favorecer a formación do trihidrato de alúmina:
2NaAlO2(aq) + 4H2O Al2O3. 3H2O(s) + 2NaOH(aq)
Finalmente, o trihidrato de alúmina sométese a calcinación a alta temperatura para obter a alúmina coma produto final:
Al2O3. 3H2O(s) Al2O3 + 3H3O Historia
O proceso Bayer foi desenvolto por Karl J. Bayer entre os anos 1886 e 1892, xurdindo coma unha alternativa ao método de Le Chatelier de obtención de alúmina a partir da bauxita. O proceso de Le Chatelier consistía en mesturar a bauxita con carbonato sódico e someter á mestura a calcinación nun forno a 1000-1100 °C para obter aluminato sódico, o cal se lixiviaba a 80 °C para conseguir unha disolución de aluminio saturada que logo se poñía en contacto co dióxido de carbono procedente do forno para precipitar a alúmina. A alúmina resultante, en forma de trihidrato, calcinábase posteriormente nun forno a alta temperatura (1100-1200 °C). As seguintes reaccións ilustran o proceso: Al2O3. 3H2O + Na2CO3(aq) 2NaAlO2(aq) + CO2 + 3H2O
2NaAlO2(aq) + CO2 + 3H2O Na2CO3(aq) + Al2O3. 3H2O. [2Al(OH)3]
O principal problema do método de Le Chatelier era que, xunto con aluminato sódico, orixinábanse silicatos e titanatos, o que daba lugar a impurezas no produto final.
As primeiras fábricas de tecnoloxía Bayer comezaron a operar en Europa na década de 1890. Aínda que durante un tempo os dous métodos de obtención de alúmina se empregaron simultaneamente, o perfeccionamento do proceso Bayer e os maiores custos de operación do método de Le Chatelier fixeron que este último desaparecera, ocasionando que se utilizara unicamente o proceso Bayer a partir da década dos 60.
En canto á capacidade das plantas de produción de alúmina, despois da segunda guerra mundial non superaba as 100. 000 toneladas por ano, incrementándose ata acadar 800. 000 toneladas por ano na década dos 80. Hoxe en día nalgunhas plantas pódese chegar a producir preto de 1. 200. 000 por ano. Descrición das partes do proceso
Moenda da bauxita e preparación da polpa
Antes de procesala, a bauxita procedente do xacemento sométese a trituración para obter un material cun tamaño menor de 1 centímetro de diámetro (independentemente de cal sexa o seu tamaño inicial). A bauxita xa triturada pasa posteriormente por unha serie de muíños de barras e de bolas, nos que se moe ata tamaños de entre 2 milímetros e 300 micrómetros. Esta moenda realízase en húmido engadindo licor pobre quente para preparar a polpa que pasará á dixestión (o licor pobre é a disolución que queda despois da etapa de precipitación unha vez precipitada a alúmina; este licor recircúlase á etapa de moenda para preparar a polpa; o fluxo do licor é polo tanto un circuíto cerrado). Unha vez lista a polpa, pasa por unha serie de tanques de retención nos que se homoxeneíza e se mantén quente en suspensión mediante a inxección de vapor. A densidade da polpa é da orde de 50% de sólidos.
Dixestión da polpa
A polpa aliméntase mediante bombas a unha liña de dixestores en serie (normalmente 3 en disposición vertical) provistos de axitación e cunha capacidade de entre 500 e 1000 m3. Nos dixestores inxéctase licor recirculado (parte do licor pobre que se retorna da saída da etapa de precipitación) ao que se lle engade sosa para ter unha proporción adecuada de cáustico que permita levar a cabo a dixestión. Asemade, engádese unha leitada de cal para estabilizar a mestura e axudar á extracción da alúmina.
Os valores dos parámetros de operación nesta etapa dependen da bauxita empregada. Para bauxitas gibbsíticas ou trihidrato (Al2O3. 3H2O) a temperatura necesaria é de 145 °C e a presión sitúase en torno a 4 atmosferas; con bauxitas monohidrato (Al2O3. H2O, tanto boehmíticas coma diásporas)cómpre traballar a 250 °C e 40 atmosferas. Isto é debido a que a bauxita trihidrato se disolve máis rapidamente en sosa. Normalmente as bauxitas son unha mestura das diferentes variedades, polo que os parámetros de proceso poden ser modificables dependendo da porcentaxe real de cada un dos tipos de bauxita.
Unha vez dixerida a polpa, a disolución resultante faise pasar por unha serie de tanques de evaporación, onde por expansión se produce vapor. Este vapor envíase a unha serie de intercambiadores de calor onde quenta o licor recirculado que se inxectará na dixestión. Deste xeito aprovéitase a enerxía presente na polpa dixerida reducindo os custos de operación.
A etapa de dixestión pode durar entre 30 e 60 minutos. Así a todo hoxe en día existen procesos de dixestión en continuo.
Decantación e separación de lodos
Despois da dixestión, a mestura de polpa e licor, denominada "licor rico", necesita pasar por un proceso de separación para retirarlle as areas e os lodos que contén. As areas sepáranse antes da decantación nun clasificador (que pode ser tipo hidrociclón). Posteriormente, o licor rico lévase a uns decantadores nos que na parte inferior se depositan os lodos que poida ter e pola parte superior sae por rebordo o propio licor rico (a decantación favorécese coa adición de pequenas cantidades de floculantes sintéticos). Este licor rico, xa libre de areas e lodos, faise pasar por uns filtros de area para eliminar calquera impureza e posteriormente bombéase á etapa de precipitación.
Os lodos recollidos da parte inferior dos decantadores (cun 25% de sólidos aproximadamente), pasan por unha liña de lavado, onde se lavan en contracorrente e posteriormente transpórtanse a un filtro onde se recupera a sosa que poidan conter (a cal se reincorporará noutras etapas do proceso). Obtéñense así os denominados "Lodos Vermellos", que son o principal residuo do proceso Bayer. Os lodos vermellos conteñen óxidos de ferro, sílice e titanio, así coma distintos compostos de silicio, calcio e sodio; presentan ademais porcentaxes importantes de NaOH que lles confire un pH básico, o que supón un risco ambiental xa que estes lodos normalmente se almacenan en encoros ao aire libre.
Precipitación
Para precipitar o trihidrato de alúmina cómpre sementar o licor rico procedente da dixestión. Esta sementación faise engadindo grans dun tamaño determinado e nunha cantidade controlada, para conseguir a granulometría desexada. A precipitación pódese levar a cabo de diferentes maneiras (por exemplo, de forma descontinua nun ou dous pasos), pero hoxe en día a técnica máis utilizada é a precipitación en continuo.
Na precipitación en continuo trabállese cunha ou con varias liñas de precipitación. Cada liña conta normalmente cun número elevado de precipitadores (entre 12 e 16) e cunha serie de tanques de clasificación do hidrato precipitado (clasificadores primarios, secundarios e espesadores).
Así, o licor rico entra á liña de precipitadores e ao remate da mesma pasa a un clasificador primario. Neste clasificador, o hidrato precipitado de maior tamaño decanta e lévase directamente á etapa de calcinación; o licor sobrenadante, que contén hidrato de menor tamaño, lévase a un segundo clasificador (clasificador secundario). No clasificador secundario, o hidrato que decanta retórnase ao principio da liña de precipitadores, onde se utiliza coma sementación grosa do novo licor rico que entra á liña; o licor sobrenadante do clasificador secundario bombéase aos espesadores. Nos espesadores, do hidrato que decanta parte vólvese a recircular ao espesador e parte lévase ao principio da liña de precipitadores, onde se utiliza coma sementación fina do novo licor rico que entra á liña. O líquido que reborda dos espesadores, practicamente libre de hidrato, é o que se coñece coma licor pobre.
Calcinación
O hidrato de alúmina, unha vez lavado, sométese a secado e a calcinación. O secado realízase aproveitando os gases quentes que proveñen do calcinador, e unha vez finalizado ten lugar a calcinación nun forno a 900-1200 °C, obténdose coma produto final a alúmina, Al2O3. Dependendo da temperatura de calcinación obterase coma produto alúmina alpha (1200 °C) ou alúmina gamma (1000 °C). A vantaxe da alúmina alpha radica en que ao estar máis calcinada presenta menos auga estrutural, co cal ao alimentarse ás cubas electrolíticas dará lugar a menos emisións de ácido fluorhídrico (xa que a auga residual da alúmina combínase cos fluoruros do baño electrolítico). Non obstante, a alúmina gamma ten a capacidade de quimiadsorber os gases fluorados e disólvese mellor no baño electrolítico; as perdas de gases fluorados debido ao seu maior contido en auga poden ser recollidas mediante un sistema de captación.