氧化铝制取课程设计任务

.氧化铝生产概述氧化铝及其主要化合物的物理化学性质和用途氧化铝：氧化铝外观为白色粉末，结晶状态为六方晶体结构，分子式通常写为A1203，分子量为101.96。氧化铝是典型的两性氧化物，不溶于水，可溶于无机酸和碱性溶液，由于其结晶形式不同，在酸、碱溶液中的溶解度及溶解速度也不同。氧化铝有多种同素异构体，如：a-A1203、0-A1203、y-A1203、6-A1203、0-A1203、K-A1203、6-A12O3。而常见稳定结构的氧化铝主要是a-A1203、y-A1203。a-A12O3性质稳定，熔点2050°C，沸点2900r，比重3.9-4.0g/cm3。Y-A12O3是将各种Al(0H)3加热脱水获得的，Y-A12O3呈立方晶系。晶格常数a=7.91A。氧化铝水合物是由0H-、02-、A13+构成的化合物，其中并不含水分子，是人们对该种化合物的俗称。氧化铝水合物是铝土矿中的主要矿物。自然界中0H-、02-、A13+构成的化合物主要有三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石和刚玉。其分子式为：三水铝石：Al(OH)3、一水软铝石：Y-A100H、一水硬铝石：a-AlOOH、刚玉：A1203。氧化铝水合物的化学性质也由于其结构不同而有很大差别。化学活性按下列次序递减：三水铝石化学活性最大、一水软铝石次之、一水硬铝石较弱、刚玉则是非常稳定的氧化铝氧化铝及其水合物是两性化合物,均不溶于水,而溶于酸和碱液中.用途(1)氧化铝是电解铝的主要原料。 (2).红宝石、蓝宝石的主成份皆为氧化铝，因为其它杂质而呈现不同的色泽。红宝石含有氧化铬而呈红色，蓝宝石则含有氧化铁及氧化钛而呈蓝色。(3)在铝矿的主成份铁铝氧石中，氧化铝的含量最高。工业上，铁铝氧石经由Bayerprocess纯化为氧化铝，再由Hall-Heroultprocess转变为铝金属。(4)氧化铝是金属铝在空气中不易被腐蚀的原因。纯净的金属铝极易与空气中的氧气反应，生成一层薄的氧化铝薄膜覆盖在暴露于空气中铝表面。这层氧化铝薄膜能防止铝被继续氧化。这层氧化物薄膜的厚度和性质都能通过一种称为阳极处理(阳极防腐)的处理过程得到加强。(5)铝为电和热的良导体。铝的晶体形态金刚砂因为硬度高，适合用作研磨材料及切割工具。(6)氧化铝粉末常用作色层分析的媒介物。1.2.氧化铝生产方法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。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)状态结晶析出。烧结法3是将铝矿石配入石灰石(或石灰)、苏打(含有NaCO的碳分母液)，在高温下烧结得到含固体铝酸钠的物23料，用稀碱溶液溶出熟料便得到铝酸钠溶液。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。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。1.3拜耳法原理及其工艺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)状态结晶析出。种分母液经蒸发后返回用于浸出3另一批铝矿石。矿石中的主要杂质SiO是以水合铝硅酸钠(NaO・AlO・1.7SiO•nHO)的形式进入赤泥，造2 2 23 2 2

成AlO和NaO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。232拜耳法生产氧化铝的基本原理是：（1）用NaOH溶液溶出铝土矿，所得到的铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。交替使用这两个过程，就能够每处理一批矿石便得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。用反应方程式表示如下：Al2O3（1或3）H2O＋2NaOH＋aq2NaAl（OH）4＋aq。拜耳法的生产工艺流程图如图。其主要工序有破碎、湿磨、溶出、稀释晶种分解破碎碎三段。沉降分离、赤泥洗涤、煅烧、蒸发和苛化等。通常分粗碎、中碎、细将铝土矿按配料要求配湿磨入石灰和循环母液磨制成合格的原矿浆。沉降分离、赤泥洗涤、煅烧、蒸发和苛化等。通常分粗碎、中碎、细将铝土矿按配料要求配溶出在高温、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NaCO•HO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232一同送往湿磨配料。1.4高压溶出高压溶出的目的就是用苛性碱溶液将铝土矿中的氧化铝溶出，生成铝酸钠溶液，有效地提取铝土矿的氧化铝。使溶液充分脱硅，避免过量的SiO2影响，把苛性碱的消耗减至最少。工业生产中一般采用循环母液来溶出铝土矿。为了加快氧化铝水合物（特别是一水硬铝石）的溶出速度，添加石灰，并且把铝土矿、石灰、循环母液磨制成矿浆后在溶出设备中完成溶出过程。各组分在溶出过程中的行为氧化铝水合物在溶出过程中的行为铝土矿所含氧化铝水合物在溶出条件下与循环母液中的NaOH作用生成铝酸钠进入溶液中。三水铝石型铝土矿中的Al(0H)3与Al(0H)3在常压下即可反应，反应方程式如下：Al(0H)3+Al(0H)3+aq=NaAl(0H)4+aq而一水软铝石型或一水硬铝石型铝土矿中的AlOOH在相应的高温(高压)及高碱浓度下发生下列反应：A1OOH+NaOH+aq=NaAl(OH)4+aq含在某些一水硬铝石型铝土矿中的刚玉在一般工业高压溶出条件下与苛性钠不发生作用而残留于赤泥中。氧化铝水合物与苛性钠发生的反应是溶出过程的主反应。氧化硅水合物在溶出过程中的行为铝土矿中的氧化硅一般以石英(Si02),蛋白石(SiO2.nH2O)、高龄石(Al2O3.2SiO2.2H2O)、叶腊石(Al2O3.4SiO2.H2O)等形式存在。SiO2在溶出过程的行为取决于它的矿物组成、溶出温度和溶出过程的时间。无定形的蛋白石，不仅易溶于苛性碱溶液，而且还能溶于碳酸钠溶液，其反应方程式如下：SiO2.nH2O+2NaOH+aq=Na2SiO3+aqSiO2.nH2O+2Na2CO3+aq=Na2SiO3+CO2+aq游离状态的SiO2和石英只有在较高温度下，才开始和铝酸钠溶液起反应。在低温下溶出三水铝石时，矿石中以石英形态存在的那部分SiO2将转移到赤泥中被分离出去，不会引起氧化铝和氧化钠的损失。氧化铁水合物在溶出过程中的行为铝土矿中主要含有赤铁矿(a—Fe2O3)，菱铁矿(Fe・C03)针铁矿(a—FeOOH)和水赤铁矿(Fe2O3-0.5H2O)。铝土矿溶出时所有赤铁矿全部残留在赤泥中，成为赤泥的重要组成部分。赤泥中以针铁矿形式存在的Fe2O3，通常都具有不良的沉降和过滤性能。因此，在溶出时添加石灰促进了针铁矿转变为赤铁矿。可以提高氧化铝的溶出率，也改善了赤泥的沉降性能。氧化铁含量越多，赤泥量越大，则洗涤用水越多，因此水的蒸发量大，相应赤泥分离设备、洗涤设备及蒸发设备相应增多，提高了产品成本。在生产溶液中往往含有2~3毫克/升以铁酸钠形态溶解的铁，还含有细度在3微米以下的含铁矿物微粒，这些微粒很难滤除，则成为氢氧化铝被铁污染的来源氧化钛水合物在溶出过程中的行为铝土矿含钛矿物多以金红石和锐钛矿物存在。不加石灰时，含钛矿物能引起氧化铝溶出率降低和氧化钠损失，还导致赤泥沉降性能变坏以及在加热设备表面形成结疤。在溶出一水硬铝石型铝土矿时，不添加石灰，氧化钛与碱作用生成不溶性的钛酸钠3Ti02+2Na0H+aq=Na20・3Ti02・2.5H2O+aq钛酸钠结晶致密，在矿粒表面形成一致密薄膜，把矿粒包裹起来，阻碍一水硬铝石的溶出。由于三水铝石易溶解，在钛酸钠生成之前已经溶解完毕，所以TiO2不影响三水铝石的溶出。一水软铝石型铝土矿，则受到一定程度的影响。生产中为了消除氧化钛在溶出过程中的危害，一般采用添加石灰的办法，使TiO2与CaO作用生成不溶解的钛酸钙：2CaO+TiO2十2H2O=2CaO・TiO2・2H2O由于钛酸钙结晶粗大松脆，易脱落，所以氧化铝溶出不受影响，并且消除了生成钛酸钠所造成的碱损失。影响溶出过程的因素主要的影响因素如下：（1）溶出温度（2）保温