氧化鋁生產(chǎn)工藝及計(jì)算

氧化鋁生產(chǎn)工藝及計(jì)算第一章氧化鋁生產(chǎn)方法簡(jiǎn)介氧化鋁生產(chǎn)方法大致可分為四類，即堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法和熱法。但目前用于工業(yè)生產(chǎn)的幾乎全屬于堿法。堿法生產(chǎn)氧化鋁的基本過(guò)程如下：焙燒<A1(OH)3 Al2O3堿處理 分離鋁礦石一一-鋁酸鈉 堿處理 分離鋁礦石一一-鋁酸鈉 漿液—?赤泥圖1：堿法生產(chǎn)氧化鋁基本過(guò)程堿法生產(chǎn)氧化鋁又分為拜耳法、燒結(jié)法和聯(lián)合法等多種流程。拜耳法是直接用含有大量游離NaOH的循環(huán)母液處理鋁礦石以溶出其中的氧化鋁而獲得鋁酸鈉溶液，并用加晶種攪拌分解的方法，使溶液中的氧化鋁以Al(OH)3狀態(tài)結(jié)晶析出。種分母液經(jīng)蒸發(fā)后返回用于浸出另一批鋁礦石。礦石中的主要雜質(zhì)SiO2是以水合鋁硅酸鈉(Na2O?A12O3?1.7SiO2?nH2O)的形式進(jìn)入赤泥，造成Al2O3和Na2O的損失。因此，拜耳法適合處理高品位鋁礦，鋁硅比A/S大于9。燒結(jié)法是將鋁礦石配入石灰石(或石灰)、蘇打(含有Na2CO3的碳分母液)，在高溫下燒結(jié)得到含固體鋁酸鈉的物料，用稀堿溶液溶出熟料便得到鋁酸鈉溶液。經(jīng)脫硅后的純凈鋁酸鈉溶液用碳酸化分解法使溶液中的氧化鋁呈Al(OH)3析出。碳分母液經(jīng)蒸發(fā)后返回用于配制生料漿。礦石中的主要雜質(zhì)SiO2是以原硅酸鈣（2CaO?SiO2）的形式進(jìn)入赤泥，不會(huì)造成A12O3和Na2O的損失。因此，燒結(jié)法適合處理高硅鋁礦，鋁硅比A/S可以為3-5。拜耳－燒結(jié)聯(lián)合法兼有拜耳法和燒結(jié)法流程，兼收了兩個(gè)流程的優(yōu)點(diǎn)，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效果。它適合處理A/S為6-8的中等品位鋁礦。由于流程較復(fù)雜，只有生產(chǎn)規(guī)模較大時(shí)，采用聯(lián)合法才是可行和有利的。酸法是用硝酸、硫酸、鹽酸等無(wú)機(jī)酸處理含鋁原料而得到相應(yīng)的鋁鹽的酸性水溶液。然后使這些鋁鹽成水合物晶體（蒸發(fā)結(jié)晶）或堿式鋁鹽（水解結(jié)晶）從溶液中析出，亦可用堿中和這些鋁鹽的水溶液，成氫氧化鋁析出，煅燒后得無(wú)水氧化鋁。酸法適合處理高硅低鐵鋁礦，如粘土、高嶺土等。但它的缺點(diǎn)是耐酸設(shè)備昂貴，酸的回收困難，從溶液中除鐵也困難。酸堿聯(lián)合法是先用酸法從高硅鋁礦中制取含鐵、鈦等雜質(zhì)的不純氫氧化鋁，再用堿法（拜耳法）處理。這一流程的實(shí)質(zhì)是用酸法除硅，堿法除鐵。熱法適合處理高硅高鐵鋁礦，其實(shí)質(zhì)是在電爐或高爐內(nèi)還原熔煉礦石，同時(shí)獲得硅鐵合金（或生鐵）與含氧化鋁的爐渣，二者借比重差分開后，再用堿法從爐渣中提取氧化鋁。第二章鋁酸鈉溶液第二章鋁酸鈉溶液一、鋁酸鈉溶液的Al2O3與Na2O比值鋁酸鈉溶液的A12O3與Na2O比值，可以用來(lái)表示鋁酸鈉溶液中氧化鋁的飽和程度以及溶液的穩(wěn)定性，是鋁酸鈉溶液的一個(gè)重要特征參數(shù)。對(duì)此參數(shù)有兩種表示方法。鋁酸鈉溶液中所含苛性堿與氧化鋁的摩爾比叫做鋁酸鈉溶液的苛性比值，符號(hào)為MR。鋁酸鈉溶液中所含氧化鋁與苛性堿的質(zhì)量比用Rp表示。MR與Rp之間的關(guān)系如下：MR=1.645/Rp二、鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性所謂鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性，是指從過(guò)飽和的鋁酸鈉溶液開始分解析出氫氧化鋁所需時(shí)間的長(zhǎng)短。鋁酸鈉溶液過(guò)飽和程度越大，其穩(wěn)定性也越低，影響鋁酸鈉溶液穩(wěn)定的主要因素是：⑴鋁酸鈉溶液的Rp值。在其他條件相同時(shí)，溶液的Rp值越大其過(guò)飽和程度越大，溶液的穩(wěn)定性越低。⑵鋁酸鈉溶液的溫度。當(dāng)其他條件不變時(shí)，溶液的過(guò)飽和程度隨溫度的降低而增大，因而溶液的穩(wěn)定性減少，但是在30°C以下再降低溫度，溶液的穩(wěn)定性反而有所增大。⑶鋁酸鈉溶液的濃度。在常壓下，當(dāng)溶液的Rp一定時(shí)，中等濃度（Na2O50?60g/l）鋁酸鈉溶液的過(guò)飽和程度大于更稀或更濃的溶液，其表現(xiàn)為中等濃度的鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性最小。⑷鋁酸鈉溶液中所含的雜質(zhì)。鋁酸鈉溶液中的氫氧化鐵和鈦酸鈉可以起到氫氧化鋁結(jié)晶中心的作用，即晶核的作用，加快氫氧化鋁的析出，降低溶液的穩(wěn)定性。然而工業(yè)鋁酸鈉溶液中多數(shù)雜質(zhì)如SiO2、Na2O、Na2S及有機(jī)物等，卻使工業(yè)鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性不同程度的提高。⑸晶種和攪拌。往過(guò)飽和的鋁酸鈉溶液中加入氫氧化鋁晶種，可以降低溶液的穩(wěn)定性。對(duì)過(guò)飽和的鋁酸鈉溶液施以攪拌，能強(qiáng)化擴(kuò)散過(guò)程，有利于晶核的形成和結(jié)晶的成長(zhǎng)，并能使晶核處于懸浮狀態(tài)，所以攪拌能降低溶液的穩(wěn)定性。三、鋁酸鈉溶液的物理化學(xué)性質(zhì)1、鋁酸鈉溶液的密度鋁酸鈉溶液的密度主要受苛性堿濃度、氧化鋁濃度、溫度等的影響，隨著苛性堿濃度、氧化鋁濃度的升高而增大，隨著溫度的降低而增大。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法有兩種。⑴在Na2O濃度140?230g/l,Al2O3濃度60?130g/l,Na2OC濃度10?20g/l，溫度40?80°C內(nèi)，常壓下，鋁酸鈉溶液密度的計(jì)算公式女口下：P=1.055+9.640X10-4N+6.589X10-4A+5.176X10-4NC-3.242X10-4T式中P—鋁酸鈉溶液密度，g/cm3；N—鋁酸鈉溶液苛性堿濃度，g/l；A—鋁酸鈉溶液氧化鋁濃度，g/l；N—鋁酸鈉溶液碳酸堿濃度，g/l；CT—鋁酸鈉溶液溫度，C。⑵先計(jì)算出20C時(shí)鋁酸鈉溶液的密度，再采用系數(shù)加以換算。20°C時(shí)密度公式如下：P=0.5+J0.25+0.00144N+0.0009A+0.001865NC或P=l+0.0144N‘+0.009A'+0.01865N'C式中N'、A'、N'為對(duì)應(yīng)的百分濃度，％。C當(dāng)計(jì)算其他溫度下的密度時(shí)，公式如下：P=KXptCt(C)30 40 50 60 70 80 90 100K0.995 0.991 0.986 0.981 0.976 0.971 0.9660.9602、 鋁酸鈉溶液的飽和蒸汽壓鋁酸鈉溶液中氧化鋁、氧化鈉等都能降低溶液的飽和蒸汽壓，使溶液沸點(diǎn)升高。但研究表明，主要決定于溶液中的Na2O濃度，而A12O3濃度的影響很小。3、 鋁酸鈉溶液的比熱及熱焓在Na2O濃度140~230g/l，Al2O3濃度60~130g/l，Na2OC濃度10?20g/l，溫度40?80C內(nèi)，鋁酸鈉溶液比熱的計(jì)算公式如下：CP=0.921-2.75X10-4N-2.45X10-4A-1.70X10-3N+5.65X10-4TPC式中Cp—鋁酸鈉溶液比熱，Cal/(g.C)；N—鋁酸鈉溶液苛性堿濃度，g/l；A—鋁酸鈉溶液氧化鋁濃度，g/l；N—鋁酸鈉溶液碳酸堿濃度，g/l；CT—鋁酸鈉溶液溫度，C。鋁酸鈉溶液的比熱隨著溫度的升高而增加，隨著濃度的升高而減少。鋁酸鈉溶液的熱焓，可通過(guò)以下方程計(jì)算：H=(CXp)XTXVX1000P式中H—鋁酸鈉溶液的比熱焓，KCal；Cp—鋁酸鈉溶液比熱，Cal/(g.°C)；P—鋁酸鈉溶液密度，g/cm3；V—鋁酸鈉溶液的體積，m3；T—鋁酸鈉溶液溫度，C。4、 氧化鋁水合物在堿溶液中的溶解熱溶解反應(yīng)熱可用以下公司計(jì)算：△H

lgK=————+C

4.575T式中AH—溶解熱，kj/mol；K—反應(yīng)平衡常數(shù)；C—常數(shù)；T—溫度，Ko

由上述公式可計(jì)算出的氧化鋁水合物平均溶解熱：三水鋁石：602.1kJ/(kg?AlO)23拜耳石：429.7kJ/(kg?AlO)23一水軟鋁石：390.2kJ/(kg?AlO)23一水硬鋁石：640.15kJ/(kg?AlO)o235、 一水硬鋁石在堿溶液中的溶解度在較高溫度下，溶出一水硬鋁石得到的飽和鋁酸鈉溶液中，氧化鋁濃度與溫度和氧化鈉濃度有近似于直線的關(guān)系，可用下式表示CA=1.268CN+0.7673T-278.35式中cA—平衡溶液中氧化鋁濃度，g/lcN—原始溶液中氧化鈉濃度，g/lT—溶出溫度，°C。第三章拜耳法的原理和基本流程一、拜耳法的原理及實(shí)質(zhì)1、拜耳法的原理拜耳法的基本原理有兩條：⑴用NaOH溶液溶出鋁土礦所得到的鋁酸鈉溶液在添加晶種，不斷攪拌和逐漸降溫的條件下，溶液中的氧化鋁便呈Al(OH)析出；3⑵分解得到的母液(主要含NaOH),經(jīng)蒸發(fā)濃縮后在高溫下可用來(lái)溶出新的一批鋁土礦。交替使用這兩個(gè)過(guò)程就能夠連續(xù)地處理鋁土礦，從中不斷析出純的Al(OH)產(chǎn)品，構(gòu)成所謂的拜耳法循環(huán)。3拜耳法的實(shí)質(zhì)就是使下一反應(yīng)在不同的條件下朝不同的方向交替進(jìn)行：溶出A12O3?xH2O+2NaOH+(3-x)H2O+aq 2NaAL(OH)4+aq式中當(dāng)溶出一水鋁石和三水鋁石時(shí)x分別為1和3；當(dāng)分解鋁酸鈉溶液時(shí)x=3。2、Na2O-Al2O3-H2O系中的拜耳法循環(huán)圖拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程是由許多工序組成的，其中主要有鋁土礦的溶出、溶出漿液的稀釋、晶種分解和分解母液的蒸發(fā)四個(gè)工序。將四個(gè)工序鋁酸鈉溶液的組成分別標(biāo)記在Na個(gè)工序。將四個(gè)工序鋁酸鈉溶液的組成分別標(biāo)記在Na2O-Al2O3-H2O系等溫圖上并將各點(diǎn)依次連接，就構(gòu)成了一個(gè)封閉的拜耳法循環(huán)圖如圖)。圖中，四邊形ABCD表示循環(huán)過(guò)程，其中AB稱溶出線，BC稱稀釋線，CD稱分解線，DA稱蒸發(fā)線，它們分別反映了溶出、稀釋、分解、蒸發(fā)過(guò)程中溶液組成的變化。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于存在氧化鋁和氧化鈉的損失，溶出時(shí)使溶液稀釋或濃縮，添加晶種帶入母液使溶液苛性比值有所提高等原因，因此，實(shí)際過(guò)程與理想過(guò)程有所區(qū)別，各個(gè)線段都會(huì)偏離圖中位置。在每一次作業(yè)循環(huán)后，都必須補(bǔ)充損失的堿，才能使母液的組成恢復(fù)到循環(huán)開始的A點(diǎn)。3、拜耳法的循環(huán)效率和循環(huán)堿量循環(huán)效率是指ltNa2O在一次拜耳法循環(huán)中所產(chǎn)出的氧化鋁的量(t),用E表示。循環(huán)堿量是指生產(chǎn)1tAl2O3在循環(huán)母液中所必須含有的堿量(不包括堿損失)，它是E的倒數(shù)，用N表示。假定在生產(chǎn)過(guò)程中不發(fā)生Al2O3和Na2O的損失，1m3循環(huán)母液中苛性堿含量為n(t),氧化鋁含量為A](t),Rp]；溶出后溶液的氧化鋁含量為A鋁含量為A2(t)，Rp2。則經(jīng)過(guò)一次拜耳法循環(huán)后產(chǎn)出的氧化鋁量A應(yīng)為：A=A2-A1=nRp2-nRp則循環(huán)效率E為:E=A/n=Rp2-Rp1循環(huán)堿量N為：N=1/E=1/（Rp2-Rp1）由此可見，溶出時(shí)循環(huán)母液的Rp愈小，溶出液Rp愈大，循環(huán)效率就愈高，而生產(chǎn)It氧化鋁所需的循環(huán)堿量越小。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于存在堿損失，生產(chǎn)1t氧化鋁所需的循環(huán)堿量應(yīng)更大一些。二、拜耳法的基本流程拜耳法的工藝流程如圖。其主要工序有破碎、濕磨、溶出、稀釋、沉降分離、赤泥洗滌、晶種分解、煅燒、蒸發(fā)和苛化等。破碎通常分粗碎、中碎、細(xì)碎三段。濕磨將鋁土礦按配料要求配入石灰和循環(huán)母液磨制成合格的原礦漿。溶出在高溫、高壓的條件下，使鋁土礦中的氧化鋁水合物從礦石中溶浸出來(lái)，制得鋁酸鈉溶液，而鐵、硅等雜質(zhì)則進(jìn)入赤泥中稀釋溶出后的漿液用赤泥洗液加以稀釋，進(jìn)一步脫除溶液中的硅，為沉降分離和晶種分解創(chuàng)造必要的條件。沉降分離稀釋后的漿液進(jìn)入沉降槽處理，以使鋁酸鈉溶液和赤泥分離開來(lái)。赤泥洗滌沉降分離出來(lái)的赤泥漿液，用水洗滌，以回收有用成分（堿和氧化鋁）。洗滌次數(shù)越多，有用成分損失越少。晶種分解漿分離了赤泥的鋁酸鈉溶液（精液）送入分解槽，加入晶種，不斷攪拌并逐漸降溫，分解析出氫氧化鋁，并得到分解母液。

煅燒在高溫下將氫氧化鋁的附著水、結(jié)晶水除去，并使其晶型轉(zhuǎn)變，以獲得適合要求的氧化鋁?？粱舭l(fā)種分母液經(jīng)過(guò)濃縮，以提高其堿濃度，保持循環(huán)體系中水量平衡，使母液達(dá)到拜耳法溶出的要求?？粱谡舭l(fā)時(shí)有一定的Na2CO3?H2O結(jié)晶析出，將其分離出來(lái)用石灰乳苛化成NaOH溶液，與蒸發(fā)母液一同送往濕磨配料。第四章拜爾法氧化鋁生產(chǎn)的一些基本計(jì)算一、配料計(jì)算1、處理一噸鋁礦應(yīng)配入的母液量耳xA+M（S+S）xRp+1.41xCxRp+XxRpV二 1——2（ ） 匕 -N（Rp—Rp丿

k 母式中：V一每噸鋁土礦應(yīng)配入的循環(huán)母液體積ms/t.礦；A—鋁土礦帶入的氧化鋁重量kg/1.礦；

n、一氧化鋁的實(shí)際溶出率；實(shí)M—溶出赤泥中氧化鈉和氧化硅的重量比值;S「S2一分別為鋁土礦和石灰所帶入氧化硅量kg/1.礦；1.41—Na0與CO分子量的比值；22C—礦石和石灰?guī)氲腃O量kg/1.礦；2x—磨礦和溶出過(guò)程中苛性氧化鈉的機(jī)械損失kg/1.礦；nk—循環(huán)母液中的苛性氧化鈉濃度g/l;Rp一配料Rp值；Rp昇一循環(huán)母液的Rp值。母2、處理一噸礦應(yīng)配入的石灰量w=些Ca式中：W—每噸鋁土礦需配入的石灰量1/1.礦;T—每噸鋁土礦所帶入的氧化鈦量1/1.礦;iCa—石灰中所含有效鈣的含量。3、每小時(shí)下礦所需配入母液量（經(jīng)驗(yàn)公式）8.2x62.2xtV二一N-AK母母式中：V—每小時(shí)所需母液量，m3/h；8.2—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；62.2—礦石中氧化鋁含量，%；N母、A母—循環(huán)母液中苛性堿和氧化鋁濃度，g/l；K母 母t—小時(shí)下礦量，to二、溶出率的計(jì)算1、理論溶出率A-Sr=一x100%理A式中：n—理論溶出率，%；理A—鋁土礦中AlO的含量，%；23S—鋁土礦中SiO的含量，%o22、實(shí)際溶出率①以硅為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：（A/s）-（A/s）r—實(shí)^礦__) 泥x100%礦②以鐵為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：GA爲(wèi)AF［泥x100%礦3、相對(duì)溶出率耳=-實(shí)x100%相r理①以硅為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算（A/s）-（A/s）—耳= 礦 泥x100%相 ⑷S丿—1礦②以鐵為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：耳相二（a/礦:計(jì)F［泥）xA/（A-S）x100%礦4、凈溶出率①以硅計(jì)算：（A/S）-（A/S）—耳= 礦 末泥x100%凈 \A/S）礦②以鐵計(jì)算：（A/F）-（A/F）耳二 礦 末泥x100%凈 ⑷F）礦注：實(shí)際溶出率的計(jì)算中赤泥指的是溶出赤泥，凈溶出率的計(jì)算中赤泥指的是末次赤泥。三、赤泥的產(chǎn)出率1、以硅計(jì)算Sn=卡x1000泥S泥式中：n—處理1噸鋁土礦所產(chǎn)生的赤泥量，kg/1.礦;泥SS泥—鋁土礦和赤泥中SiO2的含量，％。礦泥 22、以鐵計(jì)算Fn=-^x1000泥F泥式中：n—處理1噸鋁土礦所產(chǎn)生的赤泥量，kg/1.礦;泥F、、F—鋁土礦和赤泥中FeO的含量，％。TOC\o"1-5"\h\z礦泥 23四、堿耗的計(jì)算1、 赤泥帶走的最小堿損失NaO= 6082損失A/S-1式中：Na0一赤泥中堿的化學(xué)損失，kg.NaO/t.AlO；2損失 2 23A/S—礦石中的鋁硅比。2、 生產(chǎn)中堿耗的計(jì)算化學(xué)損失的計(jì)算N=txqxNaOx0.01TOC\o"1-5"\h\z化礦泥 2式中：N—氧化鈉的化學(xué)損失，kg.NaO/t.Al0；化 2 23t、一每噸氧化鋁的礦耗，t.礦/t.Al0；礦 23n一每噸鋁土礦所產(chǎn)生的赤泥量，kg/t.Al0；泥 23NaO—末次赤泥中Na0的含量，％。22赤泥附損的計(jì)算N=txqxNaOx0.01TOC\o"1-5"\h\z赤附礦泥 2式中：N赤附一赤泥中氧化鈉的附著損失，kg.Na0/t.Al0；赤附 2 23t、一每噸氧化鋁的礦耗，t.礦/t.Al0；礦 23n一每噸鋁土礦所產(chǎn)生的赤泥量，kg/t.Al0；泥 23Na20—末次赤泥中附堿含量，％。③氫氧化鋁帶走堿損失N=1529.41x（Na+Na）x0.01AH 1 2式中：N—?dú)溲趸X中帶走的堿損失，kg.Na0/t.Al0；AH 2 231529.14—1噸氧化鋁折合氫氧化鋁量，kg；Na、Na—?dú)溲趸X中化合堿及附著堿含量，％。12五、分解指標(biāo)的計(jì)算1、種子比的計(jì)算A種子比二 種一VXA精式中：V—精液（分解原液）的體積，m3；A精一精液的氧化鋁濃度，kg/m3；精A種一氫氧化鋁晶種中氧化鋁的重量，kg。種2、分解率的計(jì)算Rp耳=1母x100%種IRp原丿式中：n種—氧化鋁的分解率，%;種Rp母、Rp原一分別為分解原液和種分母液的Rp值。母原3、產(chǎn)出率的計(jì)算產(chǎn)出率二NGp-Rp）K精 母式中：NK—分解原液中苛性氧化鈉的濃度，kg/m3；產(chǎn)出率一分解原液（精液）的產(chǎn)出率，kg/m3.精液。六、 循環(huán)效率的計(jì)算E二N（RP-Rp）K溶0式中