Alúmina: Filtración en el proceso de producción de alúmina.

Dec 03, 2023

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

El aluminio es un material extraordinariamente versátil y económicamente importante. Aunque abunda en la corteza de nuestro planeta, la Tierra no quiere renunciar fácilmente a este metal plateado, ligero, fuerte y resistente a la corrosión. Si bien su mineral (bauxita) se extrae con relativa facilidad, generalmente mediante minería a cielo abierto, 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, esto se ve compensado en cierta medida por la reducción de los gases de efecto invernadero emitidos por coches, 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 hasta obtener óxido de aluminio o alúmina [Al2O3], que es un polvo cristalino de color blanco. Luego, este polvo se funde para formar aluminio metálico. Como regla general, se necesitan cuatro toneladas de bauxita seca para producir dos toneladas de alúmina, que a su vez proporciona una tonelada de aluminio metálico 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 estar ubicadas cerca de donde se necesita el aluminio, las plantas de alúmina suelen estar más cerca de la fuente de bauxita o en camino a la fundición de aluminio. Cabe señalar también que también se requieren grandes cantidades de combustible e hidróxido de sodio y su ubicación y costos de transporte también son factores a la hora de decidir la ubicación de las plantas de alúmina.

La producción de alúmina a partir de bauxita es una industria de enorme importancia 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 utilizar aproximadamente entre 500 y 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 aproximadamente se ha duplicado 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 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 estadounidense 515.895 Proceso de fabricación de alúmina, Karl Bayer], para refinar la bauxita hasta obtener 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 varios procesos, se extrae la alúmina de la corriente. Los principales pasos del proceso incluyen:

1) Disolución de los minerales que contienen aluminio mediante 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 pura [Al(OH)3], en condiciones de enfriamiento controlado.

4) Calcinación del hidróxido de alúmina para eliminar el agua de cristalización y dejarlo 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 enfrentan 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:

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

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

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

Como ocurre 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 seguridad, la salud y el medio ambiente (SHE). Para un productor de alúmina, algunas de las consideraciones más importantes son:

• Uso eficiente del calor, cáusticos, capital empleado y agua.

• Eliminación de compuestos distintos del aluminio (por ejemplo, la presencia de compuestos de hierro o titanio afecta negativamente a la producción de aluminio).

• Distribución consistente del tamaño de partículas de alúmina; las partículas demasiado finas provocarán formación de polvo, las demasiado gruesas e interrumpirán el proceso de fundición electrolítica.

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

• Operar 24 horas al día, 7 días a la semana durante la mayor cantidad de días posible al año.

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

• Gestionar 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. De hecho, existen otros posibles procesos de filtración sólido-líquido, así como muchas etapas 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 en licor

3) Filtración de semillas por precipitación.

4) Lavado y filtración del producto.

El cabezal de control, o válvula rotativa, es la pieza fundamental de tecnología en cada uno de los filtros de vacío analizados 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, se trata de un colector de tuberías conmutable, con un lado fijo, segmentado en regiones. En contra de esto están las conexiones de tubería de cada uno de los paneles del filtro, de modo que cada panel experimenta 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 lubricado este componente: la grasa y la sosa cáustica no son una buena combinación, especialmente dada la presencia de un excelente abrasivo.

Los principales objetivos en este paso del proceso son:

• producir una solución clarificada que pueda entregarse al proceso de precipitación.

• producir un lodo residual, que contenga una cantidad mínima de licor de proceso, que pueda almacenarse o eliminarse de forma segura mediante apilamiento.

Esta clarificación se logra normalmente a través de clarificadores de sedimentación por gravedad, con un paso final de filtración pulidora para el rebose del clarificador final y lavado y filtración para el rebose (el lodo rojo). Las zonas de eliminación de lodo rojo en las plantas de alúmina son inconfundibles. Las zonas 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, existe una cierta ventaja en refinar la alúmina cerca de la actividad minera de bauxita, ya que el lodo rojo se puede utilizar para rellenar la mina. Sin embargo, es importante que se minimice la cantidad de sosa cáustica en el lodo y que el área de eliminación esté sellada para evitar la lixiviación de soda 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 la eliminación del licor del lodo rojo antes de enviarlo a un área de desechos. En este proceso, los sólidos son residuos y el licor es valioso. Las razones para utilizar filtros de tambor son su confiabilidad y capacidad para descargar tortas finas y pegajosas.

La alimentación a los filtros en esta etapa puede tener un contenido de sólidos de alrededor del 40% peso/peso y el licor contiene una cantidad de sosa cáustica y aluminio disuelto. El tambor, con paneles cubiertos con tela y al vacío, gira en una cubeta agitada 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 del canal, 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, después de continuar por una zona de secado, donde se drena el licor de la torta, el lodo llega a un sistema de descarga (a menudo usando 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 de filtración (la filtrabilidad) y a través del filtro mismo (la capacidad hidráulica del equipo). Aumentar 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; ver 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 dio como resultado una concentración cáustica promedio de 17,7 g/L, frente a 23,6 g/L cuando se operaba 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, págs. 117-119]

La capacidad de un filtro de vacío giratorio de alimentación es un poco menor que proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad. Entonces, duplicar la velocidad (×2), en igualdad de condiciones, daría un aumento de capacidad de alrededor de la raíz cuadrada de 2 -1,41. Por 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 tendrían que 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 filtrante es más vulnerable cuando el rodillo de descarga retira la torta (o la descarga mediante aire de retorno) y la tela entra en el canal para ser golpeada por el lodo fresco, podríamos suponer que la tela se desgasta. es proporcional al número de descargas de torta. Entonces la vida útil será la inversa de esto. También es probable que el desgaste de algunas otras piezas de los filtros (por ejemplo, el cabezal de control) aumente drásticamente con la velocidad a medida que se acercan a sus límites de diseño. Por ejemplo, pensemos en un coche que circula por la autopista en velocidad máxima a 2.500 rpm y otro que circula a la misma velocidad en segunda velocidad a 5.500 rpm. Además, en un entorno altamente cáustico, la corrosión por 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 utilizan siete filtros (sólo 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 espesor de la torta por encima de su mejor punto para la descarga de la torta? Además, ¿qué pasará 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 los residuos de lodo rojo podrían utilizarse en la producción de hierro. Sin embargo, hasta ahora ha habido muy pocos éxitos en este esfuerzo. Actualmente, existen algunas iniciativas que persiguen 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 de la cáustica y otros licores del lodo.

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 de Aluminio de Saint Nicolas en Grecia y en la planta de Alcan en Gardanne en Francia. Sin embargo, todavía no hay señales de una migración significativa hacia esta tecnología.

Bokela GmbH ha sugerido 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 reboses acumulados por la sedimentación por gravedad aún pueden contener una pequeña cantidad de materia sólida fina en suspensión. Si se permite que estas partículas pasen al proceso de precipitación, contaminarían el producto, por ejemplo, con compuestos de hierro y titanio. Esto afectará luego las propiedades de la alúmina y, en última instancia, afectará a las fundiciones de aluminio. Por esta razón, el licor se pasa por filtros pulidores 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 hojas 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 de alúmina, la filtración de seguridad parece estar recibiendo actualmente la mayor atención por parte de los proveedores de equipos. La industria busca constantemente equipos automáticos, fiables y autolimpiantes para esta aplicación. Muchos filtros instalados en esta aplicación requieren mucha atención. Esto se debe principalmente a la incrustación (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 utiliza hoy en día, en una escala de 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 impregnado 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 hace viento y llueve, la productividad de un circuito de precipitación del Proceso Bayer puede aumentar significativamente. Sin embargo, esto también puede introducir una alteración en el control de la distribución del tamaño de 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 partículas cuidadosamente controlada que requiere el proceso de fabricación del 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 (generalmente en grandes tanques de sedimentación) y se devuelve al comienzo del circuito de Bayer, donde se recupera. calentado y reconcentrado, listo para recibir 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 de tamaño inferior se devuelven a la parte superior de la cadena de precipitación para actuar como semilla para la precipitación.

Existe una ventaja en eliminar el licor gastado de la suspensión de semillas que regresa 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 aumento 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, para esta aplicación se utiliza la filtración al vacío y, ocasionalmente, filtros de tambor o, más habitualmente, 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 de manejar grandes cantidades de torta pesada y abrasiva en un licor madre altamente cáustico. Otro desafío es el manejo de cantidades muy grandes 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 mencionados en este artículo normalmente utilizan telas filtrantes tejidas hechas de hilos poliméricos 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. Las telas operan en condiciones severas en términos de temperatura, pH y abrasión. El nailon tiene fama de ser especialmente adecuado para aplicaciones abrasivas y de alta temperatura, mientras que normalmente se cree que el polipropileno es adecuado para lodos de pH alto.

El producto sólido clasificado y clasificado procedente de la precipitación debe lavarse para eliminar el licor de 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 como para alimentarla al calcinador.

• Lavar la torta libre de licor de proceso.

Lo más común es que para esta aplicación se utilicen filtros de bandeja. Se utilizan por su relativa compacidad y su capacidad para lavar la torta. Los filtros de plato se parecen a los filtros de disco, pero con los discos dispuestos horizontalmente. En este caso, el rendimiento del filtro está determinado enteramente por la cantidad de suspensión entregada al filtro, independientemente de la velocidad del filtro. La suspensión se vierte sobre la bandeja del filtro (que está bajo vacío) y, a medida que la bandeja gira, se lava y se aspira aire a través de la torta para desplazar el licor. La torta de filtración generalmente se retira usando un tornillo, colocado justo por encima de la tela filtrante, para transportarla lateralmente desde la bandeja hacia un conducto de descarga. Finalmente, se le puede dar al paño un impulso de aire comprimido para mantenerlo limpio. La humedad de la torta suele estar 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 fina en la que el aire fluya durante un período corto o una torta más espesa en la que el aire fluya durante más tiempo.

En la práctica, la velocidad de rotación del filtro se ajusta para garantizar que el revoque sea lo suficientemente espeso 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 filtrantes y telas filtrantes han respondido y continúan haciéndolo, produciendo productos de filtración robustos.