Alúmina: Filtración en el proceso de producción de alúmina

La producción de alúmina a partir de bauxita es un primer paso vital en la producción de aluminio. Los equipos de filtración y separación juegan un papel importante en este proceso, en condiciones particularmente difíciles. explica Trevor Sparks.

El aluminio es un material extraordinariamente versátil y económicamente importante. Aunque es abundante en la corteza de nuestro planeta, la Tierra no quiere renunciar fácilmente a este metal de color plateado, ligero, fuerte y resistente a la corrosión. Si bien su mineral (bauxita) se extrae con relativa facilidad, generalmente con minería de superficie, el proceso de refinación del metal requiere un gran esfuerzo. Se estima que la producción de aluminio representa alrededor del 1% de las emisiones de gases de efecto invernadero provocadas por el hombre. Sin embargo, estos se compensan en cierta medida por la reducción de los gases de efecto invernadero emitidos por automóviles, camiones y trenes fabricados con aluminio en lugar de acero [www.world-aluminium.org/About+Aluminium/Story+of].

La ruta de producción normal que se sigue es refinar la bauxita a óxido de aluminio, o alúmina [Al2O3], que es un polvo cristalino blanco. Este polvo luego se funde para formar aluminio metálico. Como regla general, se requieren cuatro toneladas de bauxita seca para producir dos toneladas de alúmina, que a su vez proporciona una tonelada de aluminio primario. Si bien existen otras aplicaciones para la alúmina, por ejemplo, como abrasivo o en cerámica, la gran mayoría de la producción mundial de alúmina se convierte en aluminio metálico. Si bien las fundiciones tienden a ubicarse cerca de donde se necesita el aluminio, las plantas de alúmina suelen estar más cerca de la fuente de bauxita o en ruta hacia la fundición de aluminio. También se debe tener en cuenta que también se requieren grandes cantidades de combustible e hidróxido de sodio y su ubicación y los costos de transporte también son factores para decidir la ubicación de las plantas de alúmina.

La producción de alúmina a partir de bauxita es una industria muy importante por derecho propio, pero también es uno de los usuarios mundiales más importantes de tecnología de filtración y separación. Una planta típica de alúmina puede usar aproximadamente 500–1000 m2 de área de filtración por millón de toneladas de producción (así como muchos cientos de metros cuadrados de área de espesador/clarificador por gravedad).

La producción de alúmina se ha duplicado aproximadamente en los últimos 20 años a más de 80 millones de toneladas. Una proporción significativa de este aumento provino de exprimir más capacidad de las plantas existentes o de agregar flujos adicionales a estas plantas. Los productores más importantes de alúmina son Australia, China y Brasil (ver Tabla 1).

Casi todas las plantas de alúmina del mundo utilizan el proceso Bayer, patentado hace más de 120 años [Patente de EE. UU. 515.895 Proceso de fabricación de alúmina, Karl Bayer], para refinar bauxita a alúmina. En este proceso, un gran volumen de licor cáustico circula continuamente por la planta. La bauxita se introduce en la corriente cáustica y, después de una serie de procesos, la alúmina se extrae de la corriente. Los principales pasos del proceso incluyen:

1) Disolución de los minerales que contienen aluminio utilizando licor cáustico a alta temperatura y presión.

2) Eliminación del residuo sólido: la parte que no contiene aluminio suele ser una mezcla de minerales ricos en hierro.

3) Precipitación de hidróxido de alúmina puro [Al(OH)3], en condiciones de enfriamiento controlado.

4) Calcinación del hidróxido de alúmina para eliminar el agua de cristalización y que esté listo para la fundición de aluminio.

Este es un proceso que utiliza un licor cáustico concentrado a alta temperatura y que produce un producto extremadamente abrasivo, no ideal para equipos de filtración. De hecho, los equipos de filtración en las plantas de alúmina se enfrentan a algunas de las condiciones más duras que se encuentran en la industria de procesos.

Otro aspecto interesante de este proceso es que depende de cada una de las motivaciones básicas para los tipos de filtración sólido-líquido:

• separación de líquidos valiosos de sólidos menos valiosos (separación de residuos).

• separación de sólidos valiosos de líquidos menos valiosos (filtración del producto final).

• separación de sólidos valiosos de líquidos valiosos (filtración de semillas).

Al igual que con todos los procesos de producción, hay cuatro formas de considerar el éxito: el costo de producción, la calidad del producto final, la productividad y la seguridad, la salud y el medio ambiente (SHE). Para un productor de alúmina, algunas de las consideraciones más importantes son:

• Uso eficiente del calor, sosa cáustica, capital empleado y agua.

• Eliminación de compuestos que no son de aluminio (por ejemplo, la presencia de compuestos de hierro o titanio afecta negativamente a la producción de aluminio).

• Distribución uniforme del tamaño de las partículas de alúmina; las partículas demasiado finas generarán polvo, las demasiado gruesas interrumpirán el proceso de fundición electrolítica.

• Minimizar las pérdidas de producto al medio ambiente y los residuos.

• Operando 24/7 por tantos días al año como sea posible.

• Gestión de los riesgos asociados con la sosa cáustica: temperatura y presión muy altas.

• Gestión de la gran cantidad de residuos producidos.

Ahora veremos algunos de los procesos de filtración sólido-líquido más importantes, con referencia a las cuatro dimensiones del éxito del procesamiento especificadas. Hay, de hecho, una serie de otros posibles procesos de filtración sólido-líquido, así como muchos pasos de separación sólido-gas. Sin embargo, los cuatro pasos de interés en este artículo son:

1) Separación de residuos – Filtración de lodo rojo

2) Separación de residuos – Pulido con licor

3) Filtración de semillas por precipitación

4) Lavado y filtración del producto.

El cabezal de control, o válvula rotativa, es la pieza tecnológica crítica en cada uno de los filtros de vacío que se analizan en este artículo: bandeja, disco y tambor. Proporciona el sello móvil que contiene el vacío y el aire presurizado (para el retroceso y la descarga de la torta).

En efecto, es un colector de tubería conmutable, con un lado fijo, segmentado en regiones. Girando contra esto están las conexiones de tubería de cada uno de los paneles en el filtro, de modo que cada panel experimente vacío, "espacio muerto" o retroceso a su vez, dependiendo de su punto en el ciclo de rotación.

El entorno de una planta de alúmina presenta dificultades particulares para mantener este componente lubricado: la grasa y el cáustico no son una buena combinación, particularmente dada la presencia de un excelente abrasivo.

Los objetivos principales en esta etapa del proceso son:

• para producir una solución clarificada que pueda ser entregada al proceso de precipitación.

• para producir un lodo residual, que contenga una cantidad mínima de licor de proceso, que se pueda almacenar o desechar de forma segura mediante apilamiento.

Esta clarificación normalmente se logra a través de clarificadores de sedimentación por gravedad, con un paso final de filtración de pulido para el rebose del clarificador final y lavado y filtración para el subdesbordamiento (el lodo rojo). Las áreas de eliminación de lodo rojo en las plantas de alúmina son inconfundibles. Las áreas al sureste de San Petersburgo en Rusia y alrededor de Perth en Australia Occidental son buenos ejemplos de esto.

Dada la composición de la bauxita, por cada tonelada de alúmina producida hay aproximadamente otra tonelada de lodo rojo. Naturalmente, hay una cierta ventaja en la refinación de alúmina cerca de la actividad minera de bauxita, ya que el lodo rojo se puede usar para rellenar la mina. Sin embargo, es importante que se minimice la cantidad de soda cáustica en el lodo y que el área de eliminación esté sellada para evitar la lixiviación de sosa cáustica al suelo circundante.

En la mayoría de las circunstancias, las plantas utilizan filtros de vacío, generalmente filtros de tambor, para el lavado final y eliminación de licor del lodo rojo antes de enviarlo a un área de desechos. En este proceso, los sólidos son desechos y el licor valioso. Las razones para usar filtros de tambor son su confiabilidad y capacidad para descargar tortas delgadas y pegajosas.

La alimentación a los filtros en esta etapa puede tener un contenido de sólidos de alrededor del 40% p/p y el licor contiene una cantidad de sosa cáustica y aluminio disuelto. El tambor, con paneles cubiertos con tela y bajo vacío, gira en un canal agitado que contiene el flujo inferior del último decantador/lavador por gravedad. A medida que pasa a través del canal, se forma una torta en la tela, normalmente esta torta tendrá menos de 5 mm de espesor. A medida que la torta emerge de la cubeta, ingresa a una zona inundada con agua de lavado caliente, alimentada a través de una barra de lavado en la parte superior del tambor (aunque algunos filtros pueden usar un sistema de rociado). Finalmente, luego de continuar a través de una zona de secado, donde se drena el licor de la torta, el lodo llega a un sistema de descarga (usando a menudo un rodillo para despegar la torta de la tela).

La capacidad del filtro está determinada por la fuerza de deshidratación aplicada y la velocidad a la que el filtrado puede pasar a través de la torta del filtro (la filtrabilidad) ya través del filtro mismo (la capacidad hidráulica del equipo). El aumento de la velocidad de rotación aumentará el rendimiento. Sin embargo, debe recordarse que la capacidad teórica es, en el mejor de los casos, proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad de rotación (por lo que duplicar la velocidad daría un aumento en el rendimiento de alrededor del 40 %, pero un aumento potencial significativo en el desgaste de los componentes; consulte El efecto de la velocidad de rotación). También es necesario verificar la capacidad de licor del sistema de filtrado de su filtro y los tanques y tuberías asociados en la instalación.

Otro incentivo para reducir la velocidad es el mayor tiempo de residencia del lodo en la zona de lavado. Borges y Aldi informaron que 'una rotación de 1,4 rpm resultó en una concentración cáustica promedio de 17,7 g/L, contra 23,6 g/L cuando se opera a 3,1 rpm'. [Uso de un modelo estadístico en la filtración de lodo rojo para predecir la concentración cáustica en el lodo rojo Borges A. y Aldi J. Alunorte Light Metals 2009, pp. 117–119]

La capacidad de un filtro de vacío rotativo de alimentación a través es un poco menos que proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad. Por lo tanto, duplicar la velocidad (×2), con todo lo demás en igualdad de condiciones, daría un aumento de capacidad de alrededor de la raíz cuadrada de 2 -1.41. Por lo tanto, el mejor aumento posible sería alrededor de 1,4 veces la capacidad anterior, un aumento del 40 %.

Por supuesto, si la capacidad es limitada, es posible que no haya otra opción, y los filtros deberán funcionar tan rápido como sea necesario para alcanzar la capacidad. Sin embargo, si hay diez filtros, pero haciendo funcionar cinco a su velocidad máxima alcanzable se puede alcanzar la capacidad requerida, ¿cuál sería un régimen operativo sensato?

Dada la relación entre velocidad y capacidad, es posible tabular los escenarios de capacidad. Dado que la tela del filtro es más vulnerable cuando el rodillo de descarga despega la torta (o la descarga el aire de retorno) y la tela entra en la canaleta para ser golpeada por la suspensión fresca, podemos suponer que la tela se desgasta. es proporcional al número de descargas de torta. Entonces el tiempo de vida será el inverso de esto. También es probable que el desgaste de algunas otras partes de los filtros (por ejemplo, el cabezal de control) aumente considerablemente con la velocidad a medida que se acercan a sus límites de diseño. Por ejemplo, piense en un automóvil que circula por la autopista en la marcha más alta a 2.500 rpm y otro que circula a la misma velocidad en la carretera en segunda a 5.500 rpm. Además, en un entorno altamente cáustico, la corrosión bajo tensión podría ser un problema, por lo que es una buena idea reducir la tensión en los componentes del filtro que se encuentran en la suspensión.

La siguiente tabla proporciona la velocidad de rotación aproximada requerida. Curiosamente, si se operan siete filtros (solo dos más), la velocidad requerida es aproximadamente la mitad de la del escenario original de cinco filtros. Además, el número total de rotaciones de filtros se reduce drásticamente, con una reducción de casi el 30 % con siete filtros.

Esto no quiere decir que lo óptimo sea hacer funcionar los diez filtros a 1,3 rpm. Es necesario considerar otras cuestiones. Por ejemplo, ¿aumentará el grosor de la torta por encima de su mejor punto para la descarga de la torta? Además, ¿qué sucederá con la capacidad general de la bomba de vacío y el consumo de energía?

Una sugerencia sería hacer funcionar uno de los filtros a un ritmo más lento y monitorear de cerca su rendimiento (rendimiento, resultado de lavado y descarga de torta), repuestos (particularmente tela) y consumo de energía para optimizar la instalación.

Ha habido numerosos intentos de encontrar usos para el barro rojo. La patente original de Karl Bayer sugiere que el residuo de lodo rojo podría usarse en la producción de hierro. Sin embargo, hasta ahora, ha habido muy pocos éxitos en este esfuerzo. Actualmente, existen algunas iniciativas para perseguir la idea de explotar el barro rojo como material de construcción, por ejemplo (ver www.redmud.org). Algunas de estas aplicaciones dependerían de la eliminación completa del lodo de cáustico y otros licores.

En algunos casos, también se pueden utilizar tecnologías de filtración distintas de los filtros de tambor de vacío, por ejemplo, filtros prensa en la planta Saint Nicolas de Aluminium of Greece y en la planta Gardanne de Alcan en Francia. Sin embargo, todavía no hay señales de una migración significativa a esta tecnología.

Bokela GmbH sugirió que su filtro de presión continua Hi-Bar podría usarse para la filtración de lodo rojo, lo que daría la ventaja de reducir las pérdidas cáusticas y producir un lodo con un mayor contenido de sólidos.

Los desbordamientos acumulados de la sedimentación por gravedad aún pueden contener una pequeña cantidad de materia sólida suspendida fina. Si se permite que estas partículas pasen al proceso de precipitación, contaminarían el producto con, por ejemplo, compuestos de hierro y titanio. Esto afectará las propiedades de la alúmina y, en última instancia, afectará a las fundiciones de aluminio. Por este motivo, el licor se pasa por filtros de pulido para eliminar esta materia.

En términos generales, el tipo de filtro más común utilizado para la filtración de seguridad es el filtro de presión de hoja vertical: filtros Kelly.

Una guía aproximada para dimensionar los filtros de hoja es asumir una tasa de flujo de aproximadamente 1 m3m−2h−1 (1 metro cúbico de licor por metro cuadrado de tela por hora). De todas las aplicaciones de filtración en alúmina, la filtración de seguridad parece estar recibiendo la mayor atención de los proveedores de equipos en la actualidad. La industria busca constantemente equipos automáticos, confiables y autolimpiantes para esta aplicación. Muchos filtros instalados en esta aplicación requieren mucha atención. Esto se debe principalmente a la formación de incrustaciones (precipitación sobre las superficies internas y los medios dentro de los filtros).

Durante el trabajo de desarrollo original de Karl Bayer, mezcló una dosis de cristales de hidróxido de aluminio en la solución de aluminato de sodio para proporcionar una semilla para la precipitación. Esta técnica todavía se usa hoy en día, en una escala varios órdenes de magnitud mayor que la cristalería utilizada en San Petersburgo durante la década de 1880.

En la interpretación moderna del Proceso Bayer, se utilizan grandes tanques para dar al licor preñado un largo tiempo de residencia en presencia de partículas de semillas y bajo un enfriamiento cuidadosamente controlado, de modo que la solución pueda ceder su producto a la fase sólida. En un día particularmente frío, especialmente cuando también hay viento y lluvia, la productividad de un circuito de precipitación de Bayer Process puede aumentar significativamente. Sin embargo, esto también puede introducir una interrupción en el control de la distribución del tamaño de las partículas. En otro proceso de precipitación muy explotado, la fabricación de carbonato de calcio precipitado (PCC), el tiempo necesario para que se formen los cristales es casi nulo. En el caso de la alúmina, pueden ser necesarias varias decenas de horas para producir la distribución del tamaño de partícula cuidadosamente controlada que requiere el proceso de fabricación de aluminio metálico.

Una vez que el licor ha cedido todo el producto que puede (y por lo tanto se ha convertido en licor gastado), se separa del producto sólido (normalmente en grandes tanques de decantación) y se devuelve al inicio del circuito de Bayer donde se renueva. calentado y reconcentrado, listo para encontrarse con la bauxita fresca entrante. Las partículas sólidas al final de la cadena de precipitación se clasifican, las que cumplen con el tamaño de producto requerido se desvían al paso de calcinación y las que tienen un tamaño inferior se devuelven a la parte superior de la cadena de precipitación para actuar como semilla para la precipitación.

Hay una ventaja en eliminar el licor gastado de la suspensión de semillas que pasa de regreso a la cadena de precipitación para mantener una alta concentración (y por lo tanto un mayor potencial de precipitación). Esto le da a la planta un impulso de productividad.

La suspensión de semillas en esta aplicación se filtra al vacío en unos pocos segundos para producir una torta muy sustancial, en algunos casos, de más de 50 mm. En la mayoría de los casos, la filtración al vacío se usa para esta aplicación, ocasionalmente, filtros de tambor o, más típicamente, filtros de disco.

Este no es un proceso de filtración desafiante en términos de la dificultad de la separación en sí, sino más bien en términos del manejo de caudales muy grandes de torta pesada y abrasiva en un licor madre altamente cáustico. Otro desafío es el manejo de grandes cantidades de filtrado, en otras palabras, el sistema de filtrado en el propio filtro y en toda la instalación debe estar bien diseñado.

Todos los tipos de filtros en este artículo normalmente usan telas filtrantes tejidas hechas de hilos de polímero como medio filtrante. Normalmente se utilizan poliamida (nylon) o polipropileno. Si no está seguro de qué es un trozo de tela, un trozo de polipropileno empapado flotará en el agua mientras que un trozo de nailon empapado se hundirá lentamente. Los paños operan en condiciones severas en términos de temperatura, pH y abrasión. El nylon tiene la reputación de ser particularmente adecuado para aplicaciones abrasivas de alta temperatura, mientras que el polipropileno normalmente se considera adecuado para lodos de pH alto.

El producto sólido graduado y clasificado de la precipitación debe lavarse para eliminar el licor del proceso que contaminaría el producto final e interferiría con el proceso de fundición. Los objetivos aquí son:

• Producir una torta de filtración que esté lo suficientemente seca para ser alimentada al calcinador.

• Lave la torta sin licor de proceso.

Más comúnmente, los filtros de bandeja se utilizan para esta aplicación. Se utilizan debido a su relativa compacidad y capacidades de lavado de tortas. Los filtros pan se parecen a los filtros de disco, pero con los discos dispuestos horizontalmente. En este caso, el rendimiento del filtro está determinado completamente por la cantidad de lodo entregado al filtro, independientemente de la velocidad del filtro. La suspensión se vierte en la bandeja del filtro (que está al vacío) y, a medida que la bandeja gira, se lava y se extrae aire a través de la torta para desplazar el licor. El revoque de filtración generalmente se retira con un tornillo, colocado apenas separado de la tela del filtro, para transportarlo lateralmente desde la bandeja hasta un conducto de descarga. Finalmente, la tela puede recibir un pulso de aire comprimido para mantenerla limpia. Las humedades de la torta están típicamente muy por debajo del 10% en peso. En realidad, la humedad de la torta no es muy sensible a la velocidad de rotación. Es necesario elegir entre una torta delgada con aire fluyendo a través de ella por un período corto o una torta más gruesa con aire fluyendo durante más tiempo.

En la práctica, la velocidad de rotación del filtro se establece para garantizar que el revoque del filtro sea lo suficientemente grueso para una descarga adecuada. Algunos operadores prefieren hacer funcionar los filtros lo más rápido posible mecánicamente, con una torta fina. Sin embargo, operar a una velocidad más lenta puede brindar algunos beneficios en términos de vida útil de la tela filtrante y resultados de lavado (aumentando el tiempo de residencia).

La alúmina es un paso vital hacia la producción de aluminio metálico. El proceso de Bayer requiere una gran capacidad de filtración, pero presenta condiciones enormemente desafiantes para los equipos de filtración.

Los proveedores de equipos de filtración y telas filtrantes han respondido y continúan haciéndolo, produciendo productos de filtración robustos.