欢迎光临网上百家为何总是输-官方网站~
网站地图  |  XML地图

氧化铝生产工艺及计算

更新时间:2020-06-18 22:09

  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)3 碱处理 分离 铝矿石───→铝酸钠──→ 浆液 铝酸钠 分解 溶液 分离 母液 赤泥 蒸发 循环母液 Al2O3 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 N+6.589×10 A+5.176×10 NC -3.242×10 T 式中 ρ-铝酸钠溶液密度,g/cm ; 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。 3 -4 -4 -4 -4 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×ρ t(℃) 30 40 50 60 70 80 90 100 K 0.995 0.991 0.986 0.981 0.976 0.971 0.966 0.960 2、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 N-2.45×10 A-1.70×10 NC+5.65×10 T 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: -4 -4 -3 -4 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/cm ; V-铝酸钠溶液的体积,m ; 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: △H lgK=———— +C 4.575T 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/l CN—原始溶液中氧化钠浓度,g/l 3 3 T—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+aq 2NaAL(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 原矿浆。 溶出 稀释 在高温、高压的条件下,使铝土矿中的氧化铝水合物从 溶出后的浆液用赤泥洗液加以稀释,进一步脱除溶液中 稀释后的浆液进入沉降槽处理,以使铝酸钠溶液和 沉降分离出来的赤泥浆液,用水洗涤,以回收有用 浆分离了赤泥的铝酸钠溶液(精液)送入分解槽, 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。 的硅,为沉降分离和晶种分解创造必要的条件。 沉降分离 赤泥分离开来。 赤泥洗涤 晶种分解 母液。 成分(碱和氧化铝) 。洗涤次数越多,有用成分损失越少。 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 将铝土矿按配料要求配入石灰和循环母液磨制成合格的 煅烧 蒸发 在高温下将氢氧化铝的附着水、结晶水除去,并使其晶 种分母液经过浓缩,以提高其碱浓度,保持循环体系中 型转变,以获得适合要求的氧化铝。 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 V = η实 × A + M (S1 + S 2 ) × Rp + 1.41 × C × Rp + X × Rp N k (Rp ? Rp母 ) 3 式中:V—每吨铝土矿应配入的循环母液体积 m /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 W = 1.4 × Ti Ca 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) V = 8.2 × 62.2 × t N K母 ? A母 3 式中:V—每小时所需母液量,m /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 η理 = A? S × 100% A 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: η实 = ( A / S )矿 ? ( A / S )泥 × 100% ( A / S )矿 ②以铁为标准计算: η实 = ( A / F )矿 ? ( A / F )泥 × 100% ( A / F )矿 3、相对溶出率 η相 = η实 × 100% η理 ①以硅为标准计算: η相 = ( A / S )矿 ? ( A / S )泥 × 100% ( A / S )矿 ? 1 ( A / F )矿 ? ( A / F )泥 ) × A /( A ? S ) × 100% ( A / F )矿 ②以铁为标准计算: η相 = ( 4、净溶出率 ①以硅计算: η净 = ( A / S )矿 ? ( A / S )末泥 × 100% ( A / S )矿 ②以铁计算: η净 = ( A / F )矿 ? ( A / F )末泥 × 100% ( A / F )矿 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 η泥 = S矿 × 1000 S泥 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 η泥 = F矿 × 1000 F泥 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 Na2O损失 = 608 A/ S ?1 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 N 化 = t矿 × η泥 × Na2O × 0.01 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 N赤附 = t矿 × η泥 × Na2O × 0.01 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 N AH = 1529.41 × ( Na1 + Na2 ) × 0.01 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 种子比 = A种 V × A精 3 式中:V—精液(分解原液)的体积,m ; 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 η种 = ?1 ? 母 ? × 100% ? Rp ? 原 ? ? ? Rp ? 式中:η种—氧化铝的分解率,%; Rp 母、Rp 原—分别为分解原液和种分母液的 Rp 值。 3、产出率的计算 产出率 = N K (Rp精 ? Rp母 ) 式中:NK—分解原液中苛性氧化钠的浓度,kg/m ; 产出率—分解原液(精液)的产出率,kg/m .精液。 六、循环效率的计算 E = N K (Rp溶 ? Rp0 ) 3 3 式中:E—循环效率,g.Al2O3/l.母液 NK—循环母液苛性碱浓度,g/l; Rp 溶、Rp0—分别为溶出液和循环母液的 Rp 值。 七、石灰分解率的计算 η石灰 = Ca f CaT × 100% 式中:η石灰—石灰分解率,%; Caf—石灰中的有效钙,%; CaT—石灰中的全钙,%。 八、沉降过程氧化铝损失的计算 ? ? S S A损失 = ? t矿 × 矿 × A末 ? t矿 × 矿 × A稀 ? × 0.01 ? ? S末 S稀 ? ? 式中:A 损失—沉降过程中氧化铝的损失,kg/t.Al2O3; t 矿—生产一吨氧化铝的矿耗,kg/t.Al2O3; S 矿、S 末、S 稀—分别为矿石、末次赤泥和稀释赤泥中 SiO2 的 含量,% A 末、A 稀—分别为末次赤泥和稀释赤泥中 Al2O3 的含量,%。 九、蒸发水量的计算 W = V × ( N K母 ? N K原 ) N K原 3 式中:W—每生产一吨氧化铝需蒸发的水量,m /t.Al2O3; V—每生产一吨氧化铝需循环母液量,m3/t.Al2O3; NK 原、NK 母—分别为蒸发原液和循环母液的苛性碱浓度,g/l。 十、综合能耗的计算 综合能耗 = 高压蒸汽量 + 低压蒸汽量 + 焦炭量 + 电量 + 煤气量 + 压缩空气量 式中:综合能耗—每吨氧化铝的综合能耗,kg 标煤/t.Al2O3; 高压蒸汽量=高压蒸汽单耗(t)×77,kg 标煤/t.Al2O3; 低压蒸汽量=低压蒸汽单耗(t)×73.67,kg 标煤/t.Al2O3; 焦炭量=焦炭单耗(kg)×0.9714, kg 标煤/t.Al2O3; 电量=电单耗(kwh)×0.404,kg 标煤/t.Al2O3; 煤气量=煤气单耗(m )×0.1786,kg 标煤/t.Al2O3; 压缩空气量=压缩空气单耗(m )×0.038,kg 标煤/t.Al2O3。 3 3