毕业设计年产700吨氧化铝的车间工艺设计

1、年产 700 吨氧化铝的车间工艺设计 摘要：本设计为年产 700 吨氧化铝的车间工艺设计，介绍了含氧化铝量为 28%的高岭土类矿石在盐酸的作用下 浸出，在萃取分离后经与氨水反应生成氢氧化铝，后经煅烧生成氧化铝。根据设计要求，对生产原理和工艺流程进行 了选择和论证，对整个装置进行了物料衡算和热量衡算，对主要设备进行了设计和选型，同时对本装置的安全生产与 三废治理做了相关的探讨。 关键词：高岭土; 盐酸; 氧化铝 the technical contrivance of 700ton alumina factory ract abstract:this design is focused on t

2、he product of 700 tons alumina technical contrivance. the production procedure of kaolinite solution is presented. the kaolinite are containing alumina 28% and react with hydrochloric acid to produce the aluminium solution. the solution is treated by extraction system and react with ammonia water ,a

3、luminium hydroxide will be precipitated out. using roaster calcing it and alumina is produced. according to the design, the produce principle and craft production way of formaldehyde are selected with the techonology also investigated. the calculating mass balance and the heat balance of the subordi

4、nation equipments; right for the major equipment design and selection, on the devices safety production and waste management have done a related study. key words:kaolinite; hydrochloric acid; alumina 目录 1 总论.5 1.1 世界铝土矿的情况 .6 1.2 国内铝土矿的情况 .6 1.3 国内氧化铝工业现状 .7 1.4 国内氧化铝工业的发展前景 .8 2 主要反应物与产品性质.9 2.1 矿石

5、资料 .9 2.2 氧化铝的性质 .9 2.3 铝的性质 .10 2.4 盐酸的性质 .10 2.5 氨水的性质 .11 3 生产工艺的选择5 5 1515 1414 1313.12 3.1 氧化铝的生产方法4 4.12 3.1.1 酸法生产氧化铝.12 3.1.2 碱法生产氧化铝.12 3.1.3 电热法生产氧化铝.13 3.2 生产工艺的选择酸法工艺 .13 3.2 1 选择依据.13 3.2.2 工艺的技术创新性.13 3.2.3 盐酸法工艺流程详述.14 3.3 影响反应的因素 .15 3.4 除杂 .16 4 工艺流程物料和能量的计算.16 4.1 物料衡算 .16 4.1.1 盐酸

6、浸取的反应.16 4.1.2 过滤工段 1 .18 4.1.3 萃取11 11 .19 4.1.4 氨水用量的计算.20 4.1.5 过滤工段 2 .21 4.1.6 蒸发水量.22 4.1.7 包装 .22 4.2 能量衡算 .23 4.2.1 物料条件.23 4.2.2 物料衡算与能量衡算 .23 5 主要设备的计算与选型12 12 .24 5.1 泵的选型 .24 5.1.1 输送 30%的盐酸 .24 5.1.2 浸取矿浆从反应器到板框过滤机.24 5.1.3 滤液从板框过滤机到萃取段.24 5.1.4 萃取水相进入中和反应器.24 5.1.5.氨水输送至反应器.25 5.1.6 过滤

7、氢氧化铝得到的滤液输送至蒸发器.25 5.2 主要管道的计算与选型 .25 5.2.1 盐酸管道的选择7 7.25 5.2.2 自来水管.25 5.2.3 浸取矿浆从反应器到板框过滤机.26 5.2.4 从过滤机 1 到萃取槽.26 5.2.5 氨水输送至中和反应池.26 5.2.6 滤液输送至蒸发器.26 5.3 板框过滤机的选择 .27 5.3.1 过滤盐酸浸取矿浆.27 5.3.2 过滤氢氧化铝.27 5.3.3 过滤氢氧化铁.27 5.4 储罐选择 .27 5.4.1 盐酸储罐.27 5.4.2 氨水贮罐.28 5.5 反应器 .28 5.5.1 盐酸浸取反应器 1 .29 5.5.2

8、 中和反应器 1 .29 5.5.3 中和反应器 2 .29 5.6 氧化剂贮槽 .30 5.7 萃取槽 .30 5.8 蒸发器 .30 5.9 离心机 .30 5.10 干燥器 .31 5.11 粉碎机 .31 5.12 管道涂色 .32 5.13 泵的选型 .32 5.13.1 泵的选型原则.32 5.13.2 泵的造型依据.33 5.14 阀门的选择 .33 6 管路布置设计应考虑的问题.33 6.1 物料因素 .33 6.2 管路布置 .34 7 安全生产及三废处理.35 7.1 安全生产 .35 7.2 “三废”治理 .36 7.2.1 化工污水的一般处理方法.36 7.2.2 废渣

9、的处理.36 7.2.3 废气的处理.36 结论.37 致谢语.38 参考文献.39 附 录.40 前言 铝是地壳中分布最广泛的元素之一，属亲石亲氧元素。铝在自然界中多成氧化物、氢氧化物和含 氧的铝硅酸盐存在，极少发现铝的自然金属，工业用铝一般是由电解氧化铝得到的。世界铝土矿资 源丰富，资源保证度高，按世界铝土矿产量（1.31.5 亿吨/年）计算，静态保证年限在 200 年以上。 2002 年世界上已经探明的铝土矿储量约为 250 亿吨，储量基础约为 340 亿吨。主要分布在南美洲 （33%0，非洲（27%），亚洲（17%），大洋洲（13%）和其他地区（10%）。 随着金属铝用量的不断扩大，铝

10、土矿的开采量也在不断增加。到了 20 世纪 60 年代，铝在全世界 有色金属产量上超过了铜而位居首位，这时的铝已不单属于皇家贵族所有，它的用途涉及到许多领 域，大至国防、航天、电力、通讯等，小到锅碗瓢盆等生活用品。它的化合物用途非常广泛, 不同 的含铝化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面发挥着重要的作用。1990 年，世界铝土矿的产量 为 11285 万吨，主要的铝土矿生产国有澳大利亚，几内亚，巴西和牙买加等。2001 年，以上四国的 铝土矿产量约占全球产量的 70%。 自然界已知的含铝矿物有 258 种，其中常见的矿物约 43 种。实际上，由纯矿物组成的铝矿床是 没有的，一般都是共生分布，

11、并混有杂质。从经济和技术观点出发，并不是所有的含铝矿物都能成 为工业原料。当前主要用于提炼金属铝的主要是由一水硬铝石、一水软铝石或三水铝石组成的中高 品位铝土矿。铝土矿的化学成分主要为 al2o3、sio2、fe2o3、tio2、h2o，五者总量占成分的 95%以 上，一般98%，次要成分有 s、cao、mgo、k2o、na2o、co2、mno2、有机质、碳质等，微量 成分有 ga、ge、nb、ta、co、zr、v、p、cr、ni 等。al2o3主要存在于铝矿物水铝石、一水 软铝石、三水铝石中，其次存在于硅矿物中(主要是高岭石类矿物)。 氧化铝的生产方式可分为三种：1、碱法生产氧化铝。2、酸法

12、生产氧化铝。3、电热法生产氧化 铝。本设计采用酸法中的盐酸法，处理品位为 28%的低品位高岭土类矿物以生产氧化铝。在获得氧 化铝产品的同时，针对矿石含铁元素的特点，对铁进行了回收。由于生产中用到氨水等含氮物，设 计了从废水中提取副产化肥的工艺流程。 在这三个月的毕业设计中，查阅了当前国内外氧化铝生产的工艺资料，按照毕业设计的要求，根 据当前国内学者对我国酸法生产氧化铝的工艺研究，采用盐酸浸取矿石，用氨水反应合成，经煅烧 生产氧化铝，并绘制了生产工艺流程图，重要设备的装配图。 1 总论 1.1 世界铝土矿的情况 世界铝土矿资源丰富，资源保证度高，世界再生铝产量近年来,工业化国家愈来愈重视能耗低、

13、 污染小、生产成本低的再生铝工业。按世界铝土矿产量（1.31.5 亿吨/年）计算，静态保证年限在 200 年以上。2002 年世界上已经探明的铝土矿储量约为 250 亿吨，储量基础约为 340 亿吨。主要分 布在南美洲（33%），非洲（27%），亚洲（17%），大洋洲（13%）和其他地区（10%）。2004 年 世界再生铝产量最多的国家是美国,产量为 297.7 万吨,占世界总产量的 39.38%;其次是日本,产量为 101.48 万吨,占世界总产量的 13.42%;再次就是德国和意大利,它们的年产量分别为 65.52 万吨和 61.9 万吨,占世界总产量的 8.67%和 8.19%。1 随着

14、金属铝用量的不断扩大，铝土矿的开采量也在不断增加。1990 年，世界铝土矿的产量为 11285 万吨，主要的铝土矿生产国有澳大利亚，几内亚，巴西和牙买加等。2001 年，以上四国的铝 土矿产量约占全球产量的 70%。世界铝土矿储量的国家分布见表 1。 表 1 世界铝土矿储量的国家分布 国 家 几内亚巴西澳大利亚牙买加印度圭亚那苏里南中国 委内瑞 拉 其他 储 量 30.8%16.2%13.3%8.3%6.2%2.9%2.4%1.5%1.3%17% 1.2 国内铝土矿的情况 中国铝土矿资源具有以下几个特点：1：储量集中与煤或水电丰富的地区，有利于开发利用。山 西，贵州，广西，河南等省份储量最高，

15、占全国总储量的 85.5%，这几个省份有着优越的煤炭或水 电资源，具有发展铝工业的有利条件。2：矿床类型以沉积型为主，坑采比重教大。在这些储量中适 合坑采的占全国总量的 45.49%。完全露天开采的占 24.32%。适合露天开采和坑采的占 29.79%。3： 一水硬铝石型铝土矿占绝对优势。已经探明的储量中，一水硬铝石型铝土矿占全国总储量的 98.46%，三水铝时矿占 1.54%。 表 2 国内各省区的铝土矿平均品位表 地区三氧化二铝二氧化硅三氧化二铁a/s 山西62.3511.585.785.38 贵州65.759.045.487.27 河南65.3211.783.445.54 广西54.83

16、6.4318.928.53 山东55.5315.88.783.61 国内铝土矿资源并不十分丰富，约占全世界总储量的 1.5%。2005 年，加工产品从净进口变为净 出口，净出口达到 35.5 万吨，去年净出口又增至 55.4 万吨。铝材产能的迅速扩张，使我国铝材市场 供大于求，依靠出口平衡市场。按目前对氧化铝产量的需求程度与铝土矿开采，利用中的浪费，即 使考虑到远景储量，国内的铝土矿的保证年限也难以达到 50 年。所以，加快海外资源的开发将是解 决国内铝矿资源不足问题的一种有效途径。积极进行国内铝土矿资源的勘察并合理开采和利用，特 别是对贫铝土矿的开采利用，是保证国内氧化铝工业可持续发展的重要

17、途径。2 1.3 国内氧化铝工业现状 中国的铝工业起步于 20 世纪 50 年代，经过 50 多年的建设、发展，目前已有一批有一定规模、 生产技术较为先进铝企业。在生产技术上，根据国内铝资源的特点，发展了碱石灰烧结法处理铝硅 比只有 3.5 的纯一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的方法。在此基础上，经过不断改进和创新，发展 了混联法生产氧化铝的生产技术，形成了拜尔烧结联合法、拜尔烧结串联法、选矿拜尔法生 产氧化铝等多种工艺流程。随着高品位铝土矿储量的日渐减少，氧化铝企业的总供矿品位也在下降， 引起产量减少、消耗增加、成本上升。 氧化铝 2006 年产量见表 3。 表 3 氧化铝 2006 年产量表

18、氧化铝产量报告（单位：千吨） 周期氧化铝等级氧化铝产量 化工用氧化铝361 冶金用氧化铝2,1392005 年第四季度 总计2,500 化工用氧化铝991 冶金用氧化铝7,5192005 年全年 总计8,510 化工用氧化铝178 冶金用氧化铝2,5902006 年第一季度 总计2,768 化工用氧化铝199 冶金用氧化铝2,9602006 年第二季度 总计3,159 化工用氧化铝201 冶金用氧化铝3,3082006 年第三季度 总计3,509 化工用氧化铝200 冶金用氧化铝4,0602006 年第四季度 总计4,260 2006 年全年化工用氧化铝778 由于受铝土矿特性的限制，国内的氧

19、化铝厂大都采用混联法或烧结法生产，致使工艺流程长、能 耗高、生产成本偏高。在产品质量上，国内目前冶金级氧化铝产品绝大部分为中间状氧化铝，不能 适应和满足铝电解工业的需求。国内冶金级氧化铝产品与国外产品相比较，差别较大的是平均粒度 小、细粒子含量高、强度差,同时硅、铁含量高。因此，改进氧化铝产品的均一性、提高产品强度、 降低产品中的氧化硅含量、优化产品的物理性能,实现产品砂状化，应作为氧化铝行业目前和将来的 主攻方向。 1.4 国内氧化铝工业的发展前景 中国加入 wto 后,氧化铝关税将从目前的 18%降为 5%左右。由于国内外氧化铝市场早已融通,目 前执行的优惠税率为 6%。入关后,国内外市场

20、进一步融通,国内氧化铝企业将与发达国家站在同一起 跑线上竞争。国外氧化铝质量好，价格低,而且是砂状,会对国内市场造成较大的冲击。但是国内的氧 化铝工业有些企业还是发展不错，例如中国铝业中州公司依靠科技创建资源节约型企业成绩显著； 广西铝工业发展突飞猛进 2005 销售收入达 160 亿；宁波铝材出口量快速增长；贵州北部地区发现储 量超过 1 亿吨的大型铝土矿区。3 从规模上比较,国内氧化铝企业规模小。全世界有 29 个国家生产氧化铝,生产企业有 68 个。到 2010 年将达到 5700 万吨。目前,年产量 100 万吨以上的企业有 12 家,占总产量的 30%。其中澳洲有 6 家,牙买加有

21、2 家,美国有 2 家,加拿大 1 家,国内只有山西铝厂 1 家。可见,国内氧化铝企业在规模上 处于劣势。 从成本看,国内氧化铝企业竞争力弱。据国际原铝协会报道,目前全世界平均生产成本为每吨 150 美元左右。而国内的氧化铝成本普遍较高除平果铝厂外。 主要原因在于以下几个方面： 1.铝土矿资源不同。国外铝土矿多为三水软铝石,容易浸出,而国内大多为一水硬铝石,处理成本较 高。 2.职工人数相差大。国外氧化铝厂由于自动化程度高,操作较为简单,所以人员较少,如美国在澳大 利亚的昆士兰氧化铝厂年产 330 万吨,只有 140 人,而国内氧化铝厂如长铝公司氧化铝厂年产 80 多万 吨,职工 3000 多

22、人。 1998 年国际冶金级氧化铝的产量达到 3627 万吨,比上年增长 3.3%,而消费量为 3226 万吨,仅比上 年增加 2.3%。扣除向亚洲国家净出口 354 万吨,国际市场氧化铝的供应过剩 47 万吨,加上上年的供应 过剩 27 万吨,国际氧化铝库存增加合计 74 万吨。由于国际市场的供应充分,而入关后,进口氧化铝的 数量将不再受限制,过剩的产量必然对国内整个氧化铝的市场供应造成根本性的影响。随著国内国民 经济的迅速发展内氧化铝供应缺口将进一步加剧,国内氧化铝的大量缺必将导致国外迅速进行大规模 的扩大再生产。这样,由于供需关系的变化,导致氧化铝销售价格也将一降再降,国内六大氧化铝厂必

23、 将难以在这场价格大战中处于劣势。国内企业有可能出现大面积的亏损而可能濒临破产。 3.设备自动化程度不同。国外大型氧化铝厂的设备自动化程度高,设备比较先进,而国内设备大多 比较陈旧,自动化程度较低,维修费用高。 4.工艺流程不同。国外为全拜尔法工艺,流程比较简单,氧化铝能耗低,而国内多为烧结法或联合法, 流程复杂,氧化铝能耗高。 氧化铝供求关系见表 4。 表 4 氧化铝供求关系 种类/时间20042005200620072008 氧化铝产量（千吨）5824161289746608320585745 氧化铝消费5856162627717507687680432 缺口-320-1338291063

24、295313 中国氧化铝产量69858609138302050024500 中国氧化铝消费1330015612188401940021000 现货价404452445270270 相应对策： 1.尽快解决几大氧化铝厂的债务问题。使其尽早摆脱债务负担,轻装上阵。再加上后期的投入,帮 助中州铝厂达到规模,实现成本的大幅度下降,增强抵御市场风险的能力。 2.为了大幅度降低成本,和国际上的氧化铝竞争,必须实现强强联合,加强氧化铝厂统一协调和运作。 加强内部合作,减少内耗,相互交流生产经验,共同进步。 3.全面加强企业管理,向内挖潜,减少消耗,降低成本,增加产量。 4.狠抓科技兴企和企业技术改造。科技是

25、企业发展的根本动力,要把科技成果转化为生产力放在科 技工作的首要位置,重点抓好氧化铝生产工艺的突破性研究。 受铝土矿特性的限制，国内的氧化铝厂大都采用混联法或烧结法生产，致使工艺流程长、能耗高、 生产成本偏高。氧化铝工业的主要原料供应日趋紧张，但目前的氧化铝生产大都采用碱法工艺，不 仅需要高压设备，而且设备庞大、工艺复杂、流程长、对生产原料铝钒土的杂质要求十分苛刻。国 内的铝土矿资源并不丰富，且多属于低品位的高硅铝钒土。此类铝土矿在国内分布广泛，遍布全国 六大区 21 个省(市、区)，目前国内高岭土矿点有 700 多处，其中 200 处矿点探明储量为 30 亿吨，其 中煤系高岭土 16.7 亿

26、吨矿点分散较为均匀。因此，研究开发新的非碱法生产工艺，对提高国内矿产 资源利用率，增加地方财政收入，促进国民经济发展有着重要意义。 2 主要反应物与产品性质 2.1 矿石资料 本设计处理的样本矿石采自国内辽宁省丹东市，属低品位高岭土类含铝矿石。 矿石资料如表 5。 表 5 矿石资料 主要元素alfemnmg 质量百分数9.5 %5.90 %0.037%1% 2.2 氧化铝的性质 氧化铝,俗称刚玉，在自然界广泛存在。 氧化铝等级标准见表 6。 表 6 yst 2741998氧化铝等级标准 化学成分% 杂质含量 不大于牌 号 al2o3 不小于sio2fe2o3na2o灼减 ao-198.60.0

27、20.020.501.0 ao-298.40.040.030.601.0 ao-398.30.060.040.651.0 ao-498.20.080.050.701.0 物理性质：氧化铝是一种白色的熔点较高的粉末状物质，可用作耐火材料。 化学性质：氧化铝是一种典型的两性氧化物，既可以溶于强酸 ，又可以溶于强碱。 目前已知的晶型有六、七种，其中最稳定的是 -al2o3。纯氧化铝为无色或白色晶体，烧结致密 的 al2o3陶瓷硬度大、耐高温、抗氧化，耐急冷急热，可使用温度高达 1980，机械强度高，化学 稳定性好，且有高绝缘性，因此，用途极广。 2.3 铝的性质 铝是银白色的轻金属，较软，密度 2.

28、7g/cm3，熔点 660.4，沸点 2467，铝和铝的合金具有许 多优良的物理性质，得到了非常广泛的应用。 铝对光的反射性能良好，反射紫外线比银还强，铝越纯，它的反射能力越好，常用真空镀铝膜的 方法来制得高质量的反射镜。真空镀铝膜和多晶硅薄膜结合，就成为便宜轻巧的太阳能电池材料。 铝粉能保持银白色的光泽，常用来制作涂料，俗称银粉。 纯铝的导电性很好，仅次于银、铜，在电力工业上它可以代替部分铜作导线和电缆。铝是热的良 导体，在工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和民用炊具等。 铝有良好的延展性，能够抽成细丝，轧制成各种铝制品，还可制成薄于 0.01mm 的铝箔，广泛地 用于包装香烟、糖果等。

29、 铝合金具有某些比纯铝更优良的性能，从而大大拓宽了铝的应用范围。例如，纯铝较软，当铝中 加入一定量的铜、镁、锰等金属，强度可以大大提高，几乎相当于钢材，且密度较小，不易锈蚀， 广泛用于飞机、汽车、火车、船舶、人造卫星、火箭的制造。当温度降到-196时，有的钢脆如玻 璃，而有些铝合金的强度和韧性反而有所提高，所以是便宜而轻巧的低温材料，可用来贮存火箭燃 料液氧和液氢。 2.4 盐酸的性质 分子式：hcl 分子量：36.46 性质：本品为无色有刺激性臭的透明液体，属挥发性酸，在空气中发烟，触及氨的蒸汽会生成白 色烟雾。 盐酸的质量标准见表 7 表 7 盐酸的质量标准 检验项目标准要求 盐酸(hcl

30、)含量,%36-38 外观合格 灼烧残渣(以硫酸盐计),%0.0005 游离氯,%0.0001 硫酸盐,%0.0002 亚硫酸盐,%0.0002 铁(fe),%0.00005 铜(cu),%0.00001 砷(as),%0.000005 锡(sn),%0.0002 铅(pb),%0.00002 用途：该产品广泛用于医药、生物制药、电子、微电子等行业，在食品工业中用于味精、酱油、 葡萄糖、汽水等。 包装：塑料桶包装，净重 25kg/桶、33kg/桶、250kg/桶，10-15 吨槽车运输 盐酸是氯化氢的水溶液，可看做是酸类化合物。纯的浓盐酸是无色液体，通常浓盐酸约含 37hcl，密度约为 1.1

31、9g/cm3，易挥发有氯化氢刺激气味，逸出的氯化氢遇潮湿空气形成白色酸雾。 工业盐酸因含铁盐杂质，因而呈黄色，有腐蚀性。盐酸是强酸，具有酸类通性：可使石蕊、甲基橙 变红，可跟比氢活泼的金属发生置换反应，可跟金属氧化物（碱性氧化物） 、碱发生中和反应。 2.5 氨水的性质 分子式：nh4oh 分子量：35.05 表 8 工业氨水的标准 检验项目标准要求实测结果 色度，号，%8080 氨（nh3），%1820 残渣,g/l,%0.30.3 外观清晰透明合格 性质：本品为无色液体，有刺激性臭味，密度随浓度增加而减少，浓度 15%时，密度为 0.93 g/cm3。呈弱碱性，易挥发，有毒。有腐蚀性，特别

32、对铜的腐蚀性更大，能和酸和酸性氧化物作用生 成盐和水。氨水碳化后挥发性减少，碳化度越高，这种作用越明显。 用途：该产品主要用于农业施肥。另外还用于化学、纺织印染等工业。医药上用稀释氨水对呼吸和 循环起反射性刺激，医治晕倒和昏厥；还用作皮肤刺激药和消毒药。 包装：塑料桶装或槽车运输。 3 生产工艺的选择5 15 14 13 3.1 氧化铝的生产方法4 氧化铝的生产方法有碱法、酸法，电热法。国内氧化铝的生产方法是以碱法为主，这是因为目前 用于工业生产的铝土矿资源系高品位含铝矿石，平均品位在 50%以上。随着资源的不断开采，高品 位矿藏日渐枯竭，碱法生产氧化铝的能耗不断升高，且工艺上存在很多问题，因

33、此研究应用于低品 位铝土矿的生产工艺势在必行。经过许多专家学者的不懈努力，已开发出适合于处理低品位铝土矿 的酸法工艺，尤其以盐酸法的研究最为广泛。 3.1.1 酸法生产氧化铝 酸法生产氧化铝的原理是用适当的无机酸处理矿石，生产相应的铝盐，矿石中的氧化硅不与酸作 用而残留于渣中；将铝盐进一步净化除铁后，使之分解得到氧化铝。 酸法按照使用酸的不同可分为盐酸法，硫酸法和硝酸法。其中尤以盐酸法研究最为广泛。 3.1.2 碱法生产氧化铝 碱法的基本原理是使矿石中的氧化铝与碱在一定条件下生成铝酸钠，进入溶液而与二氧化硅和氧 化铁等杂质分离，然后再使纯净的铝酸钠溶液分解出氢氧化铝，氢氧化铝经高温锻烧制得成品

34、氧化 铝。 碱法生产氧化铝又可分为拜尔法、烧结法、联合法。 （1）拜尔法原料制备过程包括：铝矿石的破碎、磨矿和配料。拜尔法生产工艺对原料制备的要 求：参与化学反应的物料要有一定的细度；参与化学反应的物料之间要有一定的配比和均匀的 混合。直接以苛性钠溶液处理铝土矿，使矿石中氧化铝生成铝酸钠，而矿石中的二氧化硅则成为不 溶性残渣赤泥，与铝酸钠溶液分离，将净化后的铝酸钠溶液进行搅拌分解，再经过滤分离得 到氢氧化铝，经洗涤后焙烧成氧化铝，分离所得的大量苛性碱溶液称为母液，母液经蒸发再用于处 理下一批矿石。含有部分二氧化硅的溶液经脱硅后得到铝酸钠溶液精制液通入二氧化碳气体使分解 得到氢氧化铝及母液。母液

35、经蒸发后补充适当的碱粉与下批矿石及石灰配料烧结。洗涤后的氢氧化 铝经焙烧得到氧化铝。一般来说，拜尔法具有流程简单，投资较少，产品质量高，生产成本较低的 优点。但处理低品位矿石时其优越性较差，而且还要消耗价格昂贵的苛性碱。6 （2）烧结法的优点是可以处理品位较低矿石，而且只消耗价格便宜的碳酸钠，与拜尔法相比， 在同样的条件下处理低品位矿时，烧结法的碱耗较低，氧化铝总回收率较高，但流程复杂，投资较 大，产品氧化铝质量较差，成本较高。因此含硅很低的优质铝土矿就采用拜尔法，含硅高，铝硅比 较低的铝矿石，一般采用烧结法。为了充分利用矿产资源，综合两种方法的优点，以提高氧化铝总 回收率，提高产品质量，降低

36、生产成本，将两种方法联合起来使用，这样就产生了联合法。 （3）联合法又分为串联、并联、混联法。并联法是用拜尔法处理高品位矿，烧结法处理低品位 矿；串联法中烧结法只处理拜尔法赤泥；将拜尔法赤泥同时配一些低品位矿石可改善大窑的操作， 这种将串联和并联结合起来的方法即为混联法。 3.1.3 电热法生产氧化铝 电热法用来处理高铁铝矿，将矿与碳还原剂配成炉料在电弧炉内高温下进行还原熔炼。矿石中的 氧化硅和氧化铁被还原成硅铁合金，而氧化铝则呈熔融状态的铝酸钙渣上浮，由于比重不同而分层。 所得氧化铝渣再用碱法处理，从中提取氧化铝，所得硅铁合金为成品。 目前电热法生产氧化铝还处于研究阶段。到目前为止，已经提出

37、了很多从铝矿石或其它含铝原料 中提炼氧化铝的方法，但由于技术上和经济上的种种原因，有的已被淘汰，有的属于试验阶段，由 于现在处理的矿石均为高品位矿石，所以现在工业上几乎全部采用碱法生产氧化铝。 3.2 生产工艺的选择酸法工艺 3.2 1 选择依据 国内铝土矿储量约为 23 亿吨,主要分布在山西、河南、贵州、广西 4 省。除广西矿的铝硅比为 10 左右外，其它地区矿石的铝硅比都比较低。随着高品位铝土矿储量的日渐减少，氧化铝企业的总供 矿品位也在下降，引起产量减少、消耗增加、成本上升。 由于受铝土矿特性的限制，国内的氧化铝厂大都采用混联法或烧结法生产，致使工艺流程长、能 耗高、生产成本偏高。氧化铝

38、工业的主要原料供应日趋紧张，但目前的氧化铝生产大都采用碱法工 艺，不仅需要高压设备，而且设备庞大、工艺复杂、流程长、对生产原料铝钒土的杂质要求十分苛 刻。国内的铝土矿资源并不丰富，且多属于低品位的高硅铝钒土。而国内高岭土类铝土矿分布广泛， 遍布全国六大区 21 个省(市、区)，目前国内已发现此类矿点有 700 多处，其中 200 处矿点探明储量 为 30 亿吨，其中煤系高岭土 16.7 亿吨矿点分散较为均匀。 通过盐酸，硫酸，硝酸分别浸取低品位铝土矿的正交实验研究，盐酸法浸取率在三种酸中是最高 的，且使用盐酸法生产，价格低廉，甚至可以用废盐酸代替工业盐酸以降低成本。 综上所述，使用盐酸法处理低

39、品位铝土矿，对提高国内矿产资源利用率，促进国民经济的发展有 着重要意义。 3.2.2 工艺的技术创新性 本工艺结合各种酸法工艺制备氧化铝的研究，开发了粉碎浸出萃取反应煅烧的新工艺来 生产氧化铝。其优点如下： （1）矿石采用储量丰富的高岭土类铝土矿石，价格低廉，盐酸甚至可用废盐酸代替，可大大降 低成本。 （2）该工艺能够在常压下进行铝土矿的酸分解，除硅简单，工艺流程较碱法短，投资少。 （3）萃取段中有机相与无机相均实现了循环利用，节省了资源，且对环境无污染。 （4）解决了非碱法工艺除铁困难的缺点，对铝盐溶液的除铁工艺进行了新探索，新工艺使溶液 中铁的含量大大降低，并对铁进行了回收，使得产品中 f

40、e2o3/al2o3达到或低于国家标准。 （5）针对生产中用到氨水等含氮物，设计了从废水中提取副产化肥的工艺流程。经处理后的废 水基本不含对环境有害的物质，废水可以直接排放到生态环境中去。 各工艺技术指标均说明酸法氧化铝生产工艺具有很好的应用前景。 3.2.3 盐酸法工艺流程详述 从矿场运来的矿石经过粉碎机粉碎、用 200 目的球磨机研磨后送入已加水的搅拌式反应器，然后 向反应器加入盐酸对矿粉进行浸取，反应期间加入氧化剂氯酸钾与矿粉一同反应，氧化剂可将矿粉 中二价铁离子氧化成三价铁离子，对后续工段回收铁作好准备。浸取完毕后的矿浆用离心泵直接泵 入板框过滤机进行过滤，滤渣经水洗后送至砖厂或弃去，

41、滤液送入萃取段进行有机萃取。萃取得到 的水相送入中和反应器 1，加入氨水进行中和、反应完毕后经过滤、得到氢氧化铝。氢氧化铝经煅 烧炉煅烧，生成主产品氧化铝，氧化铝后经干燥机干燥，粉碎机粉碎，送至包装车间。萃取后的有 机相含有大量三价铁离子，用水进行反萃取后，有机相留在萃取槽内继续循环使用，反萃取得到的 水相送至中和反应器 2，经氨水中和后生成氢氧化铁沉淀，待反应完全后进行过滤，得到的滤饼通 过煅烧炉煅烧、粉碎机粉碎，得到副产品铁红。过滤中和反应器 2 中的物料得到的滤液与主干工艺 过滤中和反应器 1 中的物料得到的滤液一起送至蒸发段，浓缩后经过滤、干燥处理，得到副产品化 肥。此法工艺流程方框图

42、见图 1。 球磨反应釜 氧化铝 萃取 过滤 储酸罐 水相 有机相 有机相 反萃取 包装 干燥 中和 1 过滤 水相 滤渣 过滤 干燥 蒸发 包装 中和 2 化肥 过滤 滤液 粉碎干燥 铁红 滤饼 氨水 滤液 滤饼 矿石破碎 氨水 滤液 粉碎 水 包装 氧化剂 水 图 1 盐酸法制取氧化铝及副产品生产工艺流程图 3.3 影响反应的因素 （1）反应体系的温度 温度是影响化学反应的主要因素，一般来说温度高可以加速反应的进行，但温度不能太高，对于 本设计最佳反应温度应控制在 130左右。 （2）反应固体颗粒的外表面及氯化铝溶液的浓度 该反应为流固相反应，且无固相生成，则随着反应的进行，颗粒将不断的缩小

43、，最终完全消失。 按照实验条件知浸取过程为化学反应控制的颗粒缩小时的缩芯模型，即浸取速率取决于反应固体颗 粒的外表面积和溶液中的氯化铝浓度。 （3）搅拌情况 搅拌可以使矿粉与盐酸和氧化剂充分接触，加快传质速率,有利于铝离子和铁离子浸出，因而可 以加速反应的进行。 3.4 除杂 (1)除杂 在盐酸与矿粉反应的过程中，矿粉中其他金属氧化物也与盐酸发生反应，以氯酸盐的形态不同程 度地进入铝浸出液： me+hclmecl+ h+ me 代表金属。这些杂质进入铝浸出液，对产品质量影响很大，故必须予以除去。 铝浸出液中的铁主要以离子形式存在，后续工段将其回收。 3 fe （2）除重金属 在浸出液中添加一定

44、的，使重金属转化为难溶物质 cuspbscdsnis 沉淀，从而达到snh 24) ( 消除重金属的目的。在此过程设置了搅拌装置，加快了除杂速度，且清除率较高。 （3）除硅 反应在 130下进行，sio2生成成白色絮状硅酸而沉淀： h2sio3+h o 2 h sio 44 同时，铝浸出液中的镁盐也会以白色硅酸镁粉沉淀物的形式析出,板框过滤时将其除去。 (4) 除钙 过多的钙离子带入溶液中会影响产品的质量，工业上用静置的方法除去钙离子。 4 工艺流程物料和能量的计算 4.1 物料衡算 4.1.1 盐酸浸取的反应 （1）年产 700 吨氧化铝，以 300 天计算，则每天生产氧化铝量 700/30

45、0=2.33 t/d （2）金属铝量 2.33 /10254=1.23 t/d （3）设矿石浸取率为 80%，反应产率为 80%，则理论需纯铝量为 1.23 /（0.800.80）=1.92 t/d （4）原矿平均品位为 28%，则矿石需要量为 1.92102/54/28%=12.95t/d （5）原矿含水率为 14%，则原矿需要量为 12.95/86%=15.06 t/d （6）设原矿的密度为 2.3t/ m ，则原矿体积为 3 15.06/2.3=6.5 m /d 3 （7）原矿纯固体体积为 6.5-15.060.14=4.39 m /d 3 （8）原矿配成料浆中矿石的质量分数为 60%，

46、则料浆量为 12.95/0.6=21.58t/d 体积量 6.5+（21.58-15.06）/1=13.02 m /d 3 （9）实际需要盐酸与铝的摩尔比为 5 ：1，则纯盐酸用量为 1.92/2736.55= 12.98 t/d （10）设盐酸浓度为 30%，则 30%盐酸耗用量为 12.98/30%=43.27t/d （11）30%盐酸密度为 1.19g/cm3，则体积量为 43.27/1.19=36.36 m /d 3 （12）设氧化剂体积为矿石的 5%，则氧化剂的体积为 6.55%=0.325 m /d 3 （13）设在操作条件下氯化铝溶解度为 40，则应补充水总量为 1.92/271

47、33.5100/40=23.73t/d=23.73 m /d 3 配铝料浆已加水 21.580.4=8.63t/d，则还需加水量为 23.73-8.63=15.10t/d=15.10m /d 3 （14）设有 80%铝进入滤液中，滤渣含铝量为 1.9220%=0.38 t/d 铝离子的溶解度为 6.5，则洗渣水量 0.38100/6.5=5.85 t/d （15）设反应过程中水损失 10%，洗涤液返回，则损失水量为 （23.73+5.85）10%=2.96 t/d3.38 t/d 所以不需因水损失在再向反应器中加水 （16 反应器中参与反应物料总量为 6.5+0.325+36.36+23.73

48、+5.85-15.060.1=71.26 m /d 3 （17）分成三班，每班加料量 71.26/3=23.75 m /班 3 其中：原矿量：15.06/3=5.02 m /班 3 氧化剂量 0.325/3=0.108 m /班 3 盐酸量 36.36/3=12.12 m /班 3 水量 15.10/3=5.03 m /班 3 （18）由于物料反应时总体积膨胀，因此设反应器体积为反应物总体积 2.4 倍，则反应器总体积 为 23.752.4=57 m /d 3 拟取 2 个反应器，每个反应器容积为 57/2=28.5 m ，取 29 m 33 每个反应器内实际物料量为 23.75/2=11.8

49、8 m 3 （19）物料送到反应器内所需时间为 1 小时，则流速为 11.88/1=11.88 m /h 3 湿法浸取的时间为 2 小时，输出料液所用时间为 1 小时， 4.1.2 过滤工段 1 进入板框过滤机的物料总量为 71.26-1.97+3.38=72.67 m3/d 总纯滤渣量为 15.060.7=10.54m3/d 总滤液量为 72.67-10.54=62.13 m3/d=2.59 m3/h 设滤渣密度为 2t/m3，则滤渣体积量约为 10.542=5.27 m3/d 设过滤后滤饼含水量为 40%，则滤饼中水量为 10.54/0.60.4=7.03 m3/d 滤饼体积 v 约为 v

50、=10.54+7.03=17.57 m3/d 拟取 2 台板框过滤机，过滤 1h，卸渣所用时间 1h。 反应完的料浆进入每台板框过滤机的速率为 72.67/3/2/1=12.11m3/ h 每班每台过滤机处理的料液量为 12.111=12.11 m3 所含固体体积量为 12.115.27/72.67=0.878 m3 质量为 10.5412.11/72.67=1.756 t 设滤液密度为 1，则每台一小时所获得的滤饼体积为 vc=0.878+1.756/0.60.4/1=2.05 m3 每班每台过滤机获得滤液的体积 v 为 v=12.11-2.05=10.06 m3 以 q 表示单位过滤面积获

51、得的滤液体积，以表示过滤时间，则恒压过滤方程为 +2qeq=k 2 q 其中 k=0.23m2/h，=1h。代入上式可得012 . 0 e q q=0.47 m3 过滤面积 a 为 a=10.06/0.47=21.40 m2 4.1.3 萃取11 萃取操作在常温常压下进行，由于处理滤液选用的萃取剂的稀释剂为柴油，属易燃品，因而所用 萃取装置为封闭的四方槽式萃取设备。该设备处理量大，操作简单方便，不易损坏。其外部采用碳 钢制造，内层采用耐酸树脂进行涂层处理，可最大程度上保证设备使用寿命。 有机相采用磷酸三丁酯（tbp）为萃取剂，260#煤油为稀释剂，选择萃取剂与煤油比为 15：85，滤液与有机相

52、相比为 1：2，混合后调节 ph 值为 1.5。为最大限度保证产品产率，萃取三次， 反萃取三次。 本工段采用三台萃取设备串联使用。 每天处理的滤液量为 62.13 m3/d 每台萃取槽内有机相体积为 62.13/32=41.42 m3 萃取槽内物料总体积为 62.13/3+41.42=62.13 m3 所以有机相总体积量为 41.423=124.26 m3 萃取后水相体积量约为 62.130.9=55.92 m3/d 反萃取三次，每次萃取用水量为有机相体积的 25%，则得到水相总体积为 62.13225%33=279.59 m3/d 萃取槽内物料总体积为 62.13 m3，槽体积取物料体积的

53、1.2 倍，所以萃取槽体积为 62.131.2=74.56 m3 取 70 m3，三级萃取，拟取三台萃取装置。萃取流程简图见图 2。 滤液 萃取槽 1 含铁溶液 水 萃取槽 3萃取槽 2萃余相 图 2 萃取流程简图 4.1.4 氨水用量的计算 生成氢氧化铝的反应 实际需要 nh4oh 量与 a l3+摩尔比为 5：1，则 nh4oh 需要量为 1.23/（270.80）535=9.97 t/d 所用工业氨水浓度 15%，密度为 0.93 t/m3,则体积量为 9.97/0.15/0.93=71.47 m3 每班次中和反应的总物料量的体积为 （71.47+55.92）/3=41.11 m3 物料

54、反应时总体积膨胀，因此设反应器体积为反应物总体积 1.2 倍左右，则反应器 2 的体积为 41.111.2=49.33 m3 拟取 2 个反应器 ，每个器体积为：49.33/2=24.67 m3，取 25 m3 生成氢氧化铁的反应 矿石含铁质量分数为 5.9%，则除去反应损失量，与 nh4oh 反应的 fe3+量约为 9.151065.9%0.8/56=7.679103 mol/d 实际需要 nh4oh 与 fe3+摩尔比为 5:1，则 nh4oh 需要量为 7.679103535/103=1.34 t/d 体积量为 1.34/0.15/0.93=9.61 m3 每班次进入反应器 3 的体积量

55、为 （9.61+86.42）/3=32.01 m3 物料反应时总体积膨胀，因此设反应器体积为反应物总体积 1.2 倍左右，则反应器 3 的体积 为 32.011.2=38.41 m3 拟取 2 个反应器，每个反应器体积为：38.41/2=19.21 m3，取 20 m3 4.1.5 过滤工段 2 氢氧化铝的过滤 每班进入板框过滤机的料液总量为 41.11 m3 过滤得到氢氧化铝滤饼含水量为 5%，则滤饼量约为 1.23/3/2778/0.998/0.95=1. 25 t 设滤饼密度为 2 t/ m3，则滤饼体积为 1.25/2=0.63 m3 滤液量为 41.11-0.63=40.48 t 拟

56、取 2 台板框过滤机，过滤 1h，卸渣所用时间 1h。 料液进入每台过滤机的速率为 41.11/2/1=20.56 m3h 进入每台过滤机一小时的料液量为 20.561=20.56 m3 所含固体体积量为 20.560.63/133.71=0.10 m3 质量为 1.2520.56/133.71=0.19 t 设滤液密度为 1，则每台一小时所获得的滤饼体积为 vc=0.10+0.19/0.95*0.5/1=0.20 m3 每台过滤机一小时获得滤液的体积 v 为 v=20.56-0.20=20.36 m3 过滤面积为 a=20.36/0.47=43.32 m2 氢氧化铁的过滤 每班进入板框过滤机

57、的料液总量为 32.01 m3 设过滤得到氢氧化铁滤饼含水量为 5%，则滤饼量约为 7.679103107/3/0.998/0.95/106=0.29 t 滤饼密度为 2.5 t/ m3， ，则滤饼体积为 0.29/2.5=0.12 m3 滤液量为 32.010.12=31.89t 拟取 2 台板框过滤机，过滤 1h，卸料所用时间 1h。 料液进入每台过滤机的速率为 32.01/2=16.01 m3/h 进入每台过滤机一小时的料液量为 16.011=16.01 m3 所含固体体积量为 16.010.12/96.03=0.020 m3 质量为 0.2916.01/96.03=0.048 t 设滤

58、液密度为 1，则每台一循环所获得的滤饼体积为 vc=0.020+0.048/0.950.05/1=0.023 m3 每台过滤机一小时内获得滤液的体积 v 为 v=16.01-0.023=15.987 m3 过滤面积为 a=15.987/0.47=34.01 m2 4.1.6 蒸发水量 设氯化铵溶液通过离心机后氯化铵的产率为 70%，纯氯化铵固体量为 12.760.7/35.0553.49=13.63 t/d 设进入离心机时氯化铵的含水量为 30%，则进入离心机的料浆量为 13.63/0.7=19.47 t/d 蒸发水量为 40.48+31.89-19.47=52.90 m3/d=2204kg/

59、 h 拟取 3 台蒸发器，每台蒸发器蒸发速率为 734.7kg/ h，取 800 kg/ h。 4.1.7 包装 包装量为 2.33 t/d 按 25kg/包，则 94 包/天 4.2 能量衡算 4.2.1 物料条件 被干燥物料名称：氢氧化铝 物料进口含水量：5% 干燥操作每班耗时 5 小时，湿物料产量：2.33278/102/0.95/3/5=250kg/h 物料入口温度 125 空气温度 t0=27 热空气进口温度 t1=82 氢氧化铝的比热容=133.7 j.mol-1,k-1=0.857 kg/(kg.) 流向:逆流 物料出口含水量:0.4% 物料出口温度 2=35 空气速度 2.6k

60、g/(s.m2) 湿球温度 tw=17 干燥器出口空气温度 t2=37 4.2.2 物料衡算与能量衡算 （1）水分蒸发量 g1=250/3600=0.69410-1 kg/s w1= 8%；w2=0.4% 将湿球基含水量换成干基含水量 c1=5/（100-5）=0.053kg/kg（绝对干料） ； c2=0.4/（100-0.4）=0.004 kg/kg（绝对干料） 绝对干物料 gc= g1（1- w1）=0.69410-1(1-0.05)=0.65910-1kg/s 则水分蒸发量 w= gc (c1- c2)=0.65910-1(0.053-0.004)=0.3210-2 kg/s (2)