Причинно-следственный анализ №2
Конкурс Международной ассоциации ТРИЗ
По решению творческих задач «ТРИЗ-2004».
Новый способ получения алюминия
Автор: Михайленко Павел
Ученик школы №22
11 «Б» класса.
Научные руководители:
Дмитриев С.А.
специалист по ТРИЗ,
Дмитриев В.А.
специалист по ТРИЗ,
Карпель Л.Ю.
учитель химии.
Красноярск 2004
Автор: Михайленко Павел
Ученик школы №22
11 «Б» класса г. Красноярск
Новый способ получения алюминия
Краткая аннотация
Существующий способ получения алюминия основан на проведении электролиза расплава глинозема - природного сырья. При этом для снижения температуры плавления глинозема до 10000 t в шихту добавляют криолит - фторосодержащее вещество. Электролиз сопровождается выделением в атмосферу газообразных отходов - угарного газа, двуокиси углерода, фтористого водорода. Существующие способы очистки газов улавливают значительную часть (до 90%) СО, HF. Однако, все равно выбросы газов составляют сотни тысяч тонн в год. Фторсодержащие выбросы наносят вред здоровью работающим на предприятии и жителям близлежащих населенных пунктов. Выбросы разрушают и экологию.
|
|
|
В работе предложена новая технология получения алюминия, основанная на восстановлении алюминия с помощью водорода, получаемого в пароводяном плазматроне. Использование предложенной технологии позволит сделать производство алюминия экологически чистым и увеличить объём производства.
.
Описание существующего положения
8,80% массы земной коры составлены алюминием – третьим по распространенности на нашей планете элементом. Мировое производство алюминия постоянно растет. Сейчас оно составляет около 2% от производства стали, если считать по массе. А если по объему, то 5...6%, поскольку алюминий почти втрое легче стали. Алюминий уверенно оттеснил на третье и последующие места медь и все другие цветные металлы, стал вторым по важности металлом продолжающегося железного века. К концу прошлого столетия доля алюминия в общем выпуске металлов достигла 4...5% по массе.
Причин тому множество, главные из них – распространенность алюминия, с одной стороны, и великолепный комплекс свойств – легкость, пластичность, коррозионная стойкость, электропроводность, универсальность в полном смысле этого слова – с другой.
|
|
|
Алюминий поздно пришел в технику потому, что в природных соединениях он прочно связан с другими элементами, прежде всего с кислородом и через кислород с кремнием, и для разрушения этих соединений, высвобождения из них легкого серебристого металла нужно затратить много сил и энергии.
Первый металлический алюминий в 1825 г. получил известный датский физик Ганс Христиан Эрстед, известный в первую очередь своими работами по электромагнетизму. Эрстед пропускал хлор через раскаленную смесь глинозема (окись алюминия Аl2О3) с углем и полученный безводный хлористый алюминий нагревал с амальгамой калия. Затем, как это делал еще Дэви, которому, кстати, попытка получить алюминий электролизом глинозема не удалась, амальгаму разлагались нагреванием, ртуть испарялась, и – алюминий явился на свет.
В 1827 г. Фридрих Вёлер получил алюминий иначе, вытеснив его из того же хлорида металлическим калием. Первый промышленный способ получения алюминия, был разработан лишь в 1855 г., а технически важным металлом алюминий стал лишь на рубеже XIX...XX вв. Почему?
Далеко не всякое природное соединение алюминия можно рассматривать как алюминиевую руду. В середине и даже в конце XIX в. в русской химической литературе алюминий часто называли глинием, его окись до сих пор называют глиноземом. В этих терминах – прямое указание на присутствие элемента №13 в повсеместно распространенной глине. Но глина – достаточно сложный конгломерат трех окислен – глинозема, кремнезема и воды (плюс разные добавки); выделить из нее глинозем можно, но сделать это намного труднее, чем получить ту же окись алюминия из достаточно распространенной, обычно красно-бурого цвета горной породы, получившей свое название в честь местности Ле-Бо на юге Франции.
|
|
|
Эта порода – боксит содержит от 28 до 60% Al2О3. Главное ее достоинство в том, что глинозема в ней по меньшей мере вдвое больше, чем кремнезема. А кремнезем – самая вредная в этом случае примесь, от нее избавиться труднее всего. Кроме этих окислов, боксит всегда содержит окись железа Fe2О3, бывают в нем также окислы титана, фосфора, марганца, кальция и магния.
В годы второй мировой войны, когда многим воюющим странам не хватало алюминия, полученного из боксита, использовали по необходимости и другие виды сырья: Италия получала алюминий из лавы Везувия, США и Германия – из каолиновых глин, Япония – из глинистых сланцев и алунита. Но обходился этот алюминий в среднем впятеро дороже алюминия из боксита, и после войны, когда были обнаружены колоссальные запасы этой породы в Африке, Южной Америке, а позже и в Австралии, алюминиевая промышленность всего мира вернулась к традиционному бокситовому сырью.
|
|
|
У нас, в России есть бокситы в Западной и Восточной Сибири, на северо-западе европейской части страны. На базе Тихвинского бокситового месторождения и энергии Волховской ГЭС начинал в 1932 г. свою работу первенец отечественной алюминиевой промышленности Волховский алюминиевый завод. Дешевая электроэнергия огромных сибирских ГЭС и ГРЭС стала важным «компонентом» развивающейся высокими темпами алюминиевой промышленности Сибири.
Алюминиевое производство энергоемко. Чистая окись алюминия плавится при температуре 2050°C и не растворяется в воде, а чтобы получить алюминий, ее надо подвергнуть электролизу. Необходимо было найти способ как-то снизить температуру плавления глинозема хотя бы до 1000°C; только при этом условии алюминий мог стать технически важным металлом. Эту задачу блестяще разрешил молодой американский ученый Чарльз Мартин Холл и почти одновременно с ним француз Поль Эру. Они выяснили, что глинозем хорошо растворяется в криолите 3NaF · AlF3. Этот раствор и подвергают электролизу на нынешних алюминиевых заводах при температуре 950°C.
Общую схему получения алюминия можно изобразить следующим образом.
Откуда берётся глинозём?
Глинозём получают из различных бокситов. Наиболее употребительный щелочной способ получения окиси алюминия – способ спекания. Суть этого способа такова, боксит и известняк дробят и дозируют с раствором соды. Затем полученная таким образом мокрая шихта проходит ряд реакций и переработок. В результате получается глинозём.
Как из глинозема выделяют алюминий?
Аппарат для электролиза представляет собой железную ванну, футерованную огнеупорным кирпичом с угольными блоками, которые выполняют роль катодов. На них выделяется расплавленный алюминий, а на анодах – кислород, реагирующий с материалом анодов (обычно – углем). Ванны работают под невысоким напряжением – 4,0...4,5 В, но при большой силе тока – до 150 тыс. А. В футерованную ванну, выложенную угольными блоками и медными шинами (которые служат катодом) засыпают глинозём (Al2O3). Температура плавления глинозёма слишком высокая. Для её понижения добавляют криолит( Na 3 AlF 6 ). Сверху опускают угольный анод. К аноду и катоду подводят электрический ток, в результате чего они начинают нагреваться. При взаимодействии анода с криолитом получается высокая температура (около 1000оС), которой достаточно для получения алюминия. Над слоем алюминия образуется корка. Корку пробивают, и полученный алюминий извлекают через футерованную огнеупором стальную трубку в вакуумный ковш. Извлечение металла из ванны делается один раз в сутки. Извлечение алюминия из ванны нарушает её тепловое равновесие и поэтому делается возможно реже. По мере извлечения алюминия анод постепенно опускают. Анод сгорает, из-за чего его приходится наращивать. Наращивание электродов осуществляют его постоянной подсыпкой смесью угольного порошка и пека.
В процессе работы, уголь электродов и пек выгорают, образуя огромное количество газов. Газы отсасываются колокольным газоотсосом, дожигаются и проходят ряд фильтров (мокрых и сухих). На операции «дожигание» происходит преобразование СО в СО2, а выбросы HF проходят через завесу раствора соды, где HF превращается в раствор криолита Na 3 AlF 6, вновь возвращаемого в производство. После фильтров, газы выбрасываются в атмосферу. Современная «мокрая» технология очистки газов, существующая на крупных предприятиях, типа Красноярского алюминиевого завода, позволяет осуществить очистку газов до 90%.
В проекте модернизации КРАЗа предполагается использовать «сухой» способ очитки и электроды с меньшим количеством пека. По оценкам специалистов выбросы уменьшатся до 96 - 98 %.
Планируется сократить выбросы вредных веществ, но в то же время планируется увеличить производство алюминия на 20 - 25%.. Из чего следует, что более чистого воздуха не будет, так как в количественном соотношении в атмосферу будет выбрасываться такое же количество вредных веществ, что и до модернизации.
Традиционная технология
Современный способ получения алюминия имеет несколько недостатков.
1.Большой вред окружающей среде и людям приносят вредные выбросы в атмосферу двуокиси углерода СО2 ,окиси углерода СО, фторид водорода HF и других вредных газов.
2.Рабочие заболевают новообразованиями (злокачественные опухоли), болезнями костно-мышечной системы, кожи и подкожной клетчатки, крови, органов дыхания, бронхиальной астмы. Современное производство заранее губит своих рабочих. На такие заводы устраиваются городские парни, у которых слабое здоровье, и по этой самой причине многие уходят. Различными заболеваниями заболевают и жители близ лежащих населённых пунктов.
3. Большие затраты на производство криолита и анодов, которые нужны в огромном количестве.
4.Поглощение большого количества электрической энергии КРАЗом, которое достигает примерно 70% той энергии, которую вырабатывает Красноярская ГЭС. Для получения 1 тонны алюминия требуется 15000-17000 кВт/ч. Увеличится потребление энергии из-за модернизации КРАЗа (планируется построить около 76 дополнительных электролизёров).
| |
| ||||||||||||||
 | ||||||||||||||
 | ||||||||||||||
| ||||||||||||||
 | ||||||||||||||
| ||||||||||||||
| | ||||||||||||||
 | ||||||||||||||
| ||||||||||||||
Причинно-следственный анализ №2
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
Ключевые задачи
1.Как плавить глинозем, без введения криолита?
2.Как выделять алюминий из глинозема без применения угольных анодов?
Суть предлагаемого решения
Необходимо восстанавливать алюминий из глинозёма при помощи экологически чистого восстановителя - водорода. Для этого нужна температура 20500С. Для получения такой температуры и водорода предлагается использовать плазматрон.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 107; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!