氧化铝生产工艺及计算

氧化铝生产工艺及计算第一章氧化铝生产方法简介氧化铝生产方法大致可分为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法和热法。但目前用于工业生产的几乎全属于碱法。碱法生产氧化铝的基本过程如下：焙烧Al(OH)3Al2O3铝酸钠分解碱处理分离溶液分离蒸发铝矿石───→铝酸钠──→母液循环母液浆液赤泥图1：碱法生产氧化铝基本过程碱法生产氧化铝又分为拜耳法、烧结法和联合法等多种流程。拜耳法是直接用含有大量游离NaOH的循环母液处理铝矿石，以溶出其中的氧化铝而获得铝酸钠溶液，并用加晶种搅拌分解的方法，使溶液中的氧化铝以Al(OH)3状态结晶析出。种分母液经蒸发后返回用于浸出另一批铝矿石。矿石中的主要杂质SiO2是以水合铝硅酸钠（Na2O••••••Al2O3•1.7SiO2•nH2O）的形式进入赤泥，造成Al2O3和Na2O的损失。因此，拜耳法适合处理高品位铝矿，铝硅比A/S大于9。烧结法是将铝矿石配入石灰石（或石灰）、苏打（含有Na2CO3的碳分母液），在高温下烧结得到含固体铝酸钠的物料，用稀碱溶液溶出熟料便得到铝酸钠溶液。经脱硅后的纯净铝酸钠溶液用碳酸化分解法使溶液中的氧化铝呈Al(OH)3析出。碳分母液经蒸发后返回用于配制生料浆。矿石中的主要杂质SiO2是以原硅酸钙（2CaO•SiO2）的形式进入赤泥，不会造成Al2O3和Na2O的损失。因此，烧结法适合处理高硅铝矿，铝硅比A/S可以为3-5。拜耳－烧结联合法兼有拜耳法和烧结法流程，兼收了两个流程的优点，获得更好的经济效果。它适合处理A/S为6-8的中等品位铝矿。由于流程较复杂，只有生产规模较大时，采用联合法才是可行和有利的。酸法是用硝酸、硫酸、盐酸等无机酸处理含铝原料而得到相应的铝盐的酸性水溶液。然后使这些铝盐成水合物晶体（蒸发结晶）或碱式铝盐（水解结晶）从溶液中析出，亦可用碱中和这些铝盐的水溶液，成氢氧化铝析出，煅烧后得无水氧化铝。酸法适合处理高硅低铁铝矿，如粘土、高岭土等。但它的缺点是耐酸设备昂贵，酸的回收困难，从溶液中除铁也困难。酸碱联合法是先用酸法从高硅铝矿中制取含铁、钛等杂质的不纯氢氧化铝，再用碱法（拜耳法）处理。这一流程的实质是用酸法除硅，碱法除铁。热法适合处理高硅高铁铝矿，其实质是在电炉或高炉内还原熔炼矿石，同时获得硅铁合金（或生铁）与含氧化铝的炉渣，二者借比重差分开后，再用碱法从炉渣中提取氧化铝。第二章铝酸钠溶液一、铝酸钠溶液的Al2O3与Na2O比值铝酸钠溶液的Al2O3与Na2O比值，可以用来表示铝酸钠溶液中氧化铝的饱和程度以及溶液的稳定性，是铝酸钠溶液的一个重要特征参数。对此参数有两种表示方法。铝酸钠溶液中所含苛性碱与氧化铝的摩尔比叫做铝酸钠溶液的苛性比值，符号为MR。铝酸钠溶液中所含氧化铝与苛性碱的质量比用Rp表示。MR与Rp之间的关系如下：MR=1.645/Rp二、铝酸钠溶液的稳定性所谓铝酸钠溶液的稳定性，是指从过饱和的铝酸钠溶液开始分解析出氢氧化铝所需时间的长短。铝酸钠溶液过饱和程度越大，其稳定性也越低，影响铝酸钠溶液稳定的主要因素是：⑴铝酸钠溶液的Rp值。在其他条件相同时，溶液的Rp值越大，其过饱和程度越大，溶液的稳定性越低。⑵铝酸钠溶液的温度。当其他条件不变时，溶液的过饱和程度随温度的降低而增大，因而溶液的稳定性减少，但是在30℃以下再降低温度，溶液的稳定性反而有所增大。⑶铝酸钠溶液的浓度。在常压下，当溶液的Rp一定时，中等浓度（Na2O50~60g/l）铝酸钠溶液的过饱和程度大于更稀或更浓的溶液，其表现为中等浓度的铝酸钠溶液的稳定性最小。⑷铝酸钠溶液中所含的杂质。铝酸钠溶液中的氢氧化铁和钛酸钠可以起到氢氧化铝结晶中心的作用，即晶核的作用，加快氢氧化铝的析出，降低溶液的稳定性。然而工业铝酸钠溶液中多数杂质如SiO2、Na2O、Na2S及有机物等，却使工业铝酸钠溶液的稳定性不同程度的提高。⑸晶种和搅拌。往过饱和的铝酸钠溶液中加入氢氧化铝晶种，可以降低溶液的稳定性。对过饱和的铝酸钠溶液施以搅拌，能强化扩散过程，有利于晶核的形成和结晶的成长，并能使晶核处于悬浮状态，所以搅拌能降低溶液的稳定性。三、铝酸钠溶液的物理化学性质1、铝酸钠溶液的密度铝酸钠溶液的密度主要受苛性碱浓度、氧化铝浓度、温度等的影响，随着苛性碱浓度、氧化铝浓度的升高而增大，随着温度的降低而增大。经验计算方法有两种。⑴在Na2O浓度140~230g/l，Al2O3浓度60~130g/l，Na2OC浓度10~20g/l，温度40~80℃内，常压下，铝酸钠溶液密度的计算公式如下：ρ=1.055+9.640×10-4N+6.589×10-4A+5.176×10-4NC-3.242×10-4T式中ρ－铝酸钠溶液密度，g/cm3；Ｎ－铝酸钠溶液苛性碱浓度，g/l；Ａ－铝酸钠溶液氧化铝浓度，g/l；ＮＣ－铝酸钠溶液碳酸碱浓度，g/l；Ｔ－铝酸钠溶液温度，℃。⑵先计算出20℃时铝酸钠溶液的密度，再采用系数加以换算。20℃时密度公式如下：ρ=0.5+√0.25+0.00144N+0.0009A+0.001865NC或ρ=1+0.0144N′+0.009A′+0.01865NC′式中N′、A′、NC′为对应的百分浓度，%。当计算其他温度下的密度时，公式如下：ρt℃=K×ρt(℃)30405060708090100K0.9950.9910.9860.9810.9760.9710.9660.9602、铝酸钠溶液的饱和蒸汽压铝酸钠溶液中氧化铝、氧化钠等都能降低溶液的饱和蒸汽压，使溶液沸点升高。但研究表明，主要决定于溶液中的Na2O浓度，而Al2O3浓度的影响很小。3、铝酸钠溶液的比热及热焓在Na2O浓度140~230g/l，Al2O3浓度60~130g/l，Na2OC浓度10~20g/l，温度40~80℃内，铝酸钠溶液比热的计算公式如下：CP=0.921-2.75×10-4N-2.45×10-4A-1.70×10-3NC+5.65×10-4T式中CP－铝酸钠溶液比热，Cal/(g.℃)；Ｎ－铝酸钠溶液苛性碱浓度，g/l；Ａ－铝酸钠溶液氧化铝浓度，g/l；ＮＣ－铝酸钠溶液碳酸碱浓度，g/l；Ｔ－铝酸钠溶液温度，℃。铝酸钠溶液的比热随着温度的升高而增加，随着浓度的升高而减少。铝酸钠溶液的热焓，可通过以下方程计算：H=(CP×ρ)×T×V×1000式中H－铝酸钠溶液的比热焓，KCal；CP－铝酸钠溶液比热，Cal/(g.℃)；ρ－铝酸钠溶液密度，g/cm3；V－铝酸钠溶液的体积，m3；T－铝酸钠溶液温度，℃。4、氧化铝水合物在碱溶液中的溶解热溶解反应热可用以下公司计算：△HlgK=————+C4.575T式中△H—溶解热，kJ/mol；K—反应平衡常数；C—常数；T—温度，K。由上述公式可计算出的氧化铝水合物平均溶解热：三水铝石：602.1kJ/(kg•Al2O3)拜耳石：429.7kJ/(kg•Al2O3)一水软铝石：390.2kJ/(kg•Al2O3)一水硬铝石：640.15kJ/(kg•Al2O3)。5、一水硬铝石在碱溶液中的溶解度在较高温度下，溶出一水硬铝石得到的饱和铝酸钠溶液中，氧化铝浓度与温度和氧化钠浓度有近似于直线的关系，可用下式表示：CA=1.268CN+0.7673T-278.35式中CA—平衡溶液中氧化铝浓度，g/lCN—原始溶液中氧化钠浓度，g/lT—溶出温度，℃。第三章拜耳法的原理和基本流程一、拜耳法的原理及实质1、拜耳法的原理拜耳法的基本原理有两条：⑴用NaOH溶液溶出铝土矿所得到的铝酸钠溶液在添加晶种，不断搅拌和逐渐降温的条件下，溶液中的氧化铝便呈Al(OH)3析出；⑵分解得到的母液（主要含NaOH），经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的一批铝土矿。交替使用这两个过程就能够连续地处理铝土矿，从中不断析出纯的Al(OH)3产品，构成所谓的拜耳法循环。拜耳法的实质就是使下一反应在不同的条件下朝不同的方向交替进行：溶出Al2O3•xH2O+2NaOH+(3-x)H2O+aq2NaAL(OH)4+aq分解式中当溶出一水铝石和三水铝石时x分别为1和3；当分解铝酸钠溶液时x=3。2、Na2O-Al2O3-H2O系中的拜耳法循环图拜耳法生产氧化铝的工艺流程是由许多工序组成的，其中主要有铝土矿的溶出、溶出浆液的稀释、晶种分解和分解母液的蒸发四个工序。将四个工序铝酸钠溶液的组成分别标记在Na2O-Al2O3-H2O系等温图上并将各点依次连接，就构成了一个封闭的拜耳法循环图（如图）。图中，四边形ABCD表示循环过程，其中AB称溶出线，BC称稀释线，CD称分解线，DA称蒸发线，它们分别反映了溶出、稀释、分解、蒸发过程中溶液组成的变化。在实际生产过程中，由于存在氧化铝和氧化钠的损失，溶出时使溶液稀释或浓缩，添加晶种带入母液使溶液苛性比值有所提高等原因，因此，实际过程与理想过程有所区别，各个线段都会偏离图中位置。在每一次作业循环后，都必须补充损失的碱，才能使母液的组成恢复到循环开始的A点。3、拜耳法的循环效率和循环碱量循环效率是指1tNa2O在一次拜耳法循环中所产出的氧化铝的量（t），用E表示。循环碱量是指生产1tAl2O3在循环母液中所必须含有的碱量（不包括碱损失），它是E的倒数，用N表示。假定在生产过程中不发生Al2O3和Na2O的损失，1m3循环母液中苛性碱含量为n(t)，氧化铝含量为A1(t)，Rp1；溶出后溶液的氧化铝含量为A2(t)，Rp2。则经过一次拜耳法循环后产出的氧化铝量A应为：A=A2-A1=nRp2-nRp1则循环效率E为：E=A/n=Rp2-Rp1循环碱量N为：N=1/E=1/(Rp2-Rp1)由此可见，溶出时循环母液的Rp愈小，溶出液Rp愈大，循环效率就愈高，而生产1t氧化铝所需的循环碱量越小。在实际生产中，由于存在碱损失，生产1t氧化铝所需的循环碱量应更大一些。二、拜耳法的基本流程拜耳法的工艺流程如图。其主要工序有破碎、湿磨、溶出、稀释、沉降分离、赤泥洗涤、晶种分解、煅烧、蒸发和苛化等。破碎通常分粗碎、中碎、细碎三段。湿磨将铝土矿按配料要求配入石灰和循环母液磨制成合格的原矿浆。溶出在高温、高压的条件下，使铝土矿中的氧化铝水合物从矿石中溶浸出来，制得铝酸钠溶液，而铁、硅等杂质则进入赤泥中。稀释溶出后的浆液用赤泥洗液加以稀释，进一步脱除溶液中的硅，为沉降分离和晶种分解创造必要的条件。沉降分离稀释后的浆液进入沉降槽处理，以使铝酸钠溶液和赤泥分离开来。赤泥洗涤沉降分离出来的赤泥浆液，用水洗涤，以回收有用成分（碱和氧化铝）。洗涤次数越多，有用成分损失越少。晶种分解浆分离了赤泥的铝酸钠溶液（精液）送入分解槽，加入晶种，不断搅拌并逐渐降温，分解析出氢氧化铝，并得到分解母液。煅烧在高温下将氢氧化铝的附着水、结晶水除去，并使其晶型转变，以获得适合要求的氧化铝。蒸发种分母液经过浓缩，以提高其碱浓度，保持循环体系中水量平衡，使母液达到拜耳法溶出的要求。苛化在蒸发时有一定的Na2CO3•H2O结晶析出，将其分离出来用石灰乳苛化成NaOH溶液，与蒸发母液一同送往湿磨配料。第四章拜尔法氧化铝生产的一些基本计算一、配料计算1、处理一吨铝矿应配入的母液量式中：V—每吨铝土矿应配入的循环母液体积m3/t.矿；A—铝土矿带入的氧化铝重量kg/t.矿；η实—氧化铝的实际溶出率；M—溶出赤泥中氧化钠和氧化硅的重量比值；S1、S2—分别为铝土矿和石灰所带入氧化硅量kg/t.矿；1.41—Na2O与CO2分子量的比值；C—矿石和石灰带入的CO2量kg/t.矿；X—磨矿和溶出过程中苛性氧化钠的机械损失kg/t.矿；NK—循环母液中的苛性氧化钠浓度g/l；Rp—配料Rp值；Rp母—循环母液的Rp值。2、处理一吨矿应配入的石灰量式中：W—每吨铝土矿需配入的石灰量t/t.矿；Ti—每吨铝土矿所带入的氧化钛量t/t.矿；Ca—石灰中所含有效钙的含量。3、每小时下矿所需配入母液量（经验公式）式中：V—每小时所需母液量，m3/h；8.2—经验常数；62.2—矿石中氧化铝含量，%；NK母、A母—循环母液中苛性碱和氧化铝浓度，g/l；t—小时下矿量，t。二、溶出率的计算1、理论溶出率式中：η理—理论溶出率，%；A—铝土矿中Al2O3的含量，%；S—铝土矿中SiO2的含量，%。2、实际溶出率①以硅为标准计算：②以铁为标准计算：3、相对溶出率①以硅为标准计算：②以铁为标准计算：4、净溶出率①以硅计算：②以铁计算：注：实际溶出率的计算中赤泥指的是溶出赤泥，净溶出率的计算中赤泥指的是末次赤泥。三、赤泥的产出率1、以硅计算式中：η泥—处理1吨铝土矿所产生的赤泥量，kg/t.矿；S矿、S泥—铝土矿和赤泥中SiO2的含量，%。2、以铁计算式中：η泥—处理1吨铝土矿所产生的赤泥量，kg/t.矿；F矿、F泥—铝土矿和赤泥中Fe2O3的含量，%。四、碱耗的计算1、赤泥带走的最小碱损失式中：Na2O损失—赤泥中碱的化学损失，kg.Na2O/t.Al2O3；A/S—矿石中的铝硅比。2、生产中碱耗的计算①化学损失的计算式中：N化—氧化钠的化学损失，kg.Na2O/t.Al2O3；t矿—每吨氧化铝的矿耗，t.矿/t.Al2O3；η泥—每吨铝土矿所产生的赤泥量，kg/t.Al2O3；Na2O—末次赤泥中Na2O的含量，%。②赤泥附损的计算式中：N赤附—赤泥中氧化钠的附着损失，kg.Na2O/t.Al2O3；t矿—每吨氧化铝的矿耗，t.矿/t.Al2O3；η泥—每吨铝土矿所产生的赤泥量，kg/t.Al2O3；Na2O—末次赤泥中附碱含量，%。③氢氧化铝带走碱损失式中：NAH—氢氧化铝中带走的碱损失，kg.Na2O/t.Al2O3；1529.14—1吨氧化铝折合氢氧化铝量，kg；Na1、Na2—氢氧化铝中化合碱及附着碱含量，%。五、分解指标的计算1、种子比的计算式中：V—精液（分解原液）的体积，m3；A精—精液的氧化铝浓度，kg/m3；A种—氢氧化铝晶种中氧化铝的重量，kg。2、分解率的计算式中：η种—