Bài tập lớn Trình bày về quá trình điện phân sản xuất nhôm và thiết bị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC Bộ môn: Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học - Thực phẩm BÀI TẬP LỚN Trình bày về quá trình điện phân sản xuất nhôm và thiết bị 20109738TẠ BÁ TRƯỜNG 20109705NGUYỄN THÀNH CHUNGSVTH: TS. NGUYỄN THỊ DIỆU VÂNGVHD: NỘI DUNG CHÍNH 1. Tổng quan về nhôm. 2. Ứng dụng của nhôm. 3. Nguyên liệu sản xuất nhôm. 4. Sản xuất nhôm. 5. Phương hướng công nghiệp sản xuất nhôm 1. Tổng quan về nhôm - Nhôm (Al) là kim loại nhẹ - Khối lượng riêng là 2,7 g/cm3, tonc =659 oC, tos=2500 oC - Nhôm có độ dẫn nhiệt và có độ dẫn điện cao - Trong môi trường oxy hóa và không khí trên bề mặt nhôm tạo màng oxyt giúp cho nhôm khỏi bị rỉ. - Al bền với axit nitric và axit hữu cơ. Khi nấu chảy Al với các kim loại khác sẽ làm tăng độ bền cơ học, tăng chất lượng đúc. - Phổ biến nhất là hợp kim của nhôm với Cu, Mn, Mg gọi là đura. 2. Ứng dụng của nhôm. 3. Nguyên liệu sản xuất nhôm. - Nguyên liệu chính là oxit nhôm Al2O3. Oxit nhôm nhận từ các khoáng khác nhau: 37K2SO4.Al2(SO4)3.4Al(OH) 3 Alunit 71Al2O3. MgO Spinel 39,5Al2O3. 2SiO2.2H2O Caolinit 85Al2O3. H2O (AlOOH) Diaspo,bơmit 100Al2O3 Corundum % Al2O3 CTHHTên khoáng vật - Nguyên liệu chính là boxit có chứa Al(OH)3 hoặc là AlOOH cùng với các tạp chất oxit sắt, oxit silic,... - Sản xuất oxit nhôm phức tạp. Trong đó gồm các chuyển hóa hóa học kèm theo các quá trình lý học như nghiền mịn nguyên liệu, đun nóng và làm lạnh, để lắng kết tủa, lọc,... - Tóm lại bản chất của quá trình sản xuất nhôm là tách hydroxit nhôm khỏi các khoáng khác. - Hydroxit nhôm khi tác dụng với xôđa(nung) hay với NaOH( hòa tách) thì sẽ chuyển thành aluminatnatri NaAlO2. Sau đó NaAlO2 hòa tan trong nước và sẽ tách được các oxit sắt không hòa tan trong điều kiện này. - Nhưng SiO2 cũng hòa tan phần nào ở dạng Na2SiO2. Có thể kết tủa nó từ dung dịch theo dạng CaO.Al2O3.2SiO2 hoặc Na2O.Al2O3. 2SiO2 rồi lọc bỏ. - Từ dung dịch sạch aluminat người ta dùng nhiều cách khác nhau như tiến hành cacbon hóa- sủi bọt dioxit cacbon qua dung dịch aluminat, khi đó CO2 sẽ liên kết với ion Na + ở dạng xôđa - Hydroxit nhôm sau khi tách khỏi dung dịch đem nung, nhận được sản phẩm chứa đến 99% Al2O3. - Năng suất oxit nhôm thành sản phẩm không quá 60%. 4. Sản xuất nhôm - Sản xuất nhôm được tiến hành từ oxit nhôm hòa tan trong criolit Na3AlF6: + Nó hòa tan đủ tốt Al2O3, + Không chứa những ion dương điện hơn nhôm, + Dẫn điện tốt, đồng thời tăng sự tỏa nhiệt cần thiết để nóng chảy. + Tạo thành với oxit nhôm hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thất hơn nhiệt độ nóng chảy của oxit nhôm nguyên chất( 2052oC). - Trên thực tế điện phân được tiến hành trong dung dịch điện ly có chứa 10%Al2O3 ở nhiệt độ 950-1000OC. - Quá trình điện phân được tiến hành với sự tách nhôm lỏng trên catot và cháy anot grafit do oxy hóa tách ra trên đó Giản đồ trạng thái hệ Al2O3-Na3AlF6 Sơ đồ bể điện phân với anot tự cháy 5. Phương hướng phát triển công nghiệp sản xuất nhôm 5.1. Trên thế giới. Tình hình sản xuất 8 tháng đầu năm 2008 - Công nghệ sản xuất nhôm bằng bất kỳ phương pháp nào cũng tiêu tốn nhiều điện năng. Phụ thuộc vào vị trí đặt lò nhôm mà năng lượng điện chiếm khoảng 20-40% giá thành sản xuất. - Tiêu tốn năng lượng cho một vài ngành sản xuất hóa chất. 3000-3500Tổng hợp NH3 13000-20000Photpho 2700-3200Cacbua canxi 80% 2-10Supe photphat 17500-18000Magie 18000-20000Nhôm Tiêu tốn năng lượng kwh/ tấn Sản phẩm - Do tiêu tốn nhiều năng lượng nên các lò luyện nhôm có xu hướng đặt tại các khu vực mà nguồn cung cấp điện dồi dào với giá điện giá rẻ như: Nam Phi, Trung Quốc, Trung Đông, Nga, Quêbec ở Canada, đảo miền Nam New Zealand. - Năm 2004 Trung Quốc là nhà sản xuất nhôm lớn nhất thế giới. 5.2. Việt Nam - Kết quả thăm dò địa chất đã phát hiện trên lãnh thổ nước ta có trữ lượng quặng boxit phong phú ở cả Miền Bắc và Miền Nam Việt Nam. Tổng trữ lượng quặng boxit của Việt Nam ước tính khoảng 8 tỷ tấn, trong đó có 7,6 tỷ tấn ở các tỉnh Tây Nguyên. Với trữ lượng như vậy, nước ta đứng trong số các nước có trữ lượng boxit lớn trên thế giới. - Quặng boxit là nguồn tài nguyên lớn của nước ta, là cơ sở để hình thành ngành công nghiệp luyện nhôm, là nguồn lực quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. - Tổ hợp boxit-nhôm Lâm Đồng nằm ở địa bàn huyện Bảo Lâm (khu khoáng sàng Tân Rai), có tổng vốn đầu tư hơn 667 triệu USD. Dự án boxit Lâm Đồng bao gồm hai giai đoạn: - Giai đoạn đầu từ 2003 đến 2013, dự kiến tổ hợp boxit - nhôm sẽ đạt công suất hàng năm là 72.300 tấn nhôm điện phân, 300.000 tấn alumin (trong đó 141 nghìn tấn để điện phân nhôm, còn lại sẽ xuất khẩu), khai thác mỏ 1.980.000 tấn quặng nguyên khai.  Giai đoạn hai (giai đoạn mở rộng) từ 2013 trở đi, công suất sẽ được nâng lên gấp 2 lần, đạt 146.100 tấn nhôm điện phân, 600.000 tấn alumin (trong đó 284 nghìn tấn để điện phân nhôm, còn lại sẽ xuất khẩu) và khai thác mỏ 3.960.000 tấn quặng nguyên khai.  Về công nghệ sản xuất nhôm, tổ hợp boxit- nhôm Lâm Đồng áp dụng công nghệ điện phân tiên tiến của tập đoàn nhôm Pechiney theo phương thức chuyển giao công nghệ, sử dụng điện cực thiêu sẵn, nạp liệu điểm tự động, dòng điện 185 kA, bể điện phân AP-18.  Đây là phương pháp điện phân nhôm nóng chảy theo công nghệ Hall-Heroult, tức là điện phân alumin hòa tan trong dung dịch muối nóng chảy criolit ở nhiệt độ 950-960oC. Phương pháp này là công nghệ sản xuất nhôm công nghiệp duy nhất, đã tồn tại hơn 100 năm nay. Sản xuất alumin được thực hiện theo phương pháp hoà tách ở 105oC và áp suất khí quyển. Phối cảnh dự án tổ hợp Bô xít Nhôm Lâm Đồng