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拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝技術(shù)流程及原理

   日期:2010-09-07     瀏覽:7334    評論:0    
核心提示:拜耳(1835~1917)Baeyer,Adolf von,德國化學(xué)家。1835年10月31日生于柏林,1917年8月20日卒于斯特爾堡。曾在海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)化學(xué),是R.W.本生和F.A.凱庫勒的學(xué)生。1858年在柏林大學(xué)獲博士學(xué)位,1860年任該?;瘜W(xué)講師。數(shù)年后任柏林工業(yè)研究所化學(xué)研究室主任。1872年任斯特拉斯堡大學(xué)化學(xué)教授。1875年任慕尼黑大學(xué)教授。他的第1項(xiàng)成就是1863年發(fā)現(xiàn)了巴比土酸——巴比妥類安眠藥的母體。1865年,他開始了靛藍(lán)染料的研究工作,1880年合成了靛藍(lán),1883年確定其結(jié)構(gòu)。
  所謂“拜耳法”系奧地利化學(xué)家K·J·Bayer于1887年發(fā)明的處理優(yōu)質(zhì)鋁土礦制取氧化鋁的一種方法。拜耳法就是用含有大量游離苛性堿的循環(huán)母液處理鋁土礦,溶出其中的氧化鋁得到鋁酸鈉溶液,往鋁酸鈉溶液中添加氫氧化鋁晶種,經(jīng)過一定時間的攪拌分解就可以析出氫氧化鋁,分解母液經(jīng)蒸發(fā)后用于溶出下一批鋁土礦。

    拜耳法生產(chǎn)中經(jīng)常用到苛性比、硅量指數(shù)、循環(huán)效率、晶種系數(shù)等概念。拜耳法就是用堿溶出鋁土礦中的氧化鋁。工業(yè)上把溶液中以NaAlO2和NaOH形式存在的Na2O叫做苛性堿(記作Na2Ok),以Na2CO3形式存在的Na2O叫做碳酸堿(記作Na2Oc),以Na2CO4形式存在的Na2O叫做硫酸堿(記作Na2O),所有形態(tài)的堿的總和稱做全堿(記作Na2Ot)。

    苛性比就是鋁酸鈉溶液中的Na2Ok與Al2O3的摩爾比,記作αko。美國習(xí)慣用鋁酸鈉溶液中的Al2O3與Na2Ok的質(zhì)量比表示,符號A/N。

    硅量指數(shù)指鋁酸鈉溶液中的Al2O3與SiO2含量的比,符號A/S。

    循環(huán)效率指鋁酸鈉溶液中的1t Na2O在一次拜耳法循環(huán)中產(chǎn)出的Al2O3的量(t),用E表示。它表明堿的利用率的高低。

    晶種系數(shù)(種子比)指添加晶種氫氧化鋁中的Al2O3數(shù)量與分解原液中的Al2O3數(shù)量之比。

分解離指分解出氫氧化鋁中的Al2O3數(shù)量占精液中所含Al2O3數(shù)量之比。計(jì)算式為:

η=(1-αam)×100%

式中  αa,αm-分別表示分解精液和分解母液的苛性比值。

    拜耳法生產(chǎn)包括四個過程:(1)用αk=3.4的分解母液溶出鋁土礦中的氧化鋁,使溶出液的αk=1.6~1.5;(2)稀釋溶出液,洗滌分離出精制鋁酸溶液(精液);(3)精液加晶種分解;(4)分解母液蒸發(fā)濃縮至苛性堿的濃度達(dá)到溶出要求(230~280g/L)。拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程如圖1所示。
圖1  拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝流程圖

    在這四個過程中,鋁土礦的溶出是拜耳法的關(guān)鍵工序。鋁土礦中的三水鋁石在140℃就很快地溶入苛性堿液,一水軟鋁石在180℃也就很快地溶入苛性堿液,而一水硬鋁石在240℃以上才較快地溶入苛性堿液,剛玉根本就不溶。為了使苛性堿溶液的溫度達(dá)到溶出所需溫度,就要用壓力釜給苛性堿液加熱。溶出氧化鋁的漿液的溫度和壓力都很高,需要取出其所含的能量,采用自蒸法產(chǎn)出二次蒸汽來預(yù)熱進(jìn)入高壓釜前的漿液,同時降低了溶出液的溫度和壓力,流出高壓釜進(jìn)入敞開容器洗滌、分離出鋁酸鈉精液?,F(xiàn)代生產(chǎn)都是把一系列預(yù)熱器、高壓釜和自蒸發(fā)器串聯(lián)為溶出器組織進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。漿液靠高壓泵打入奪力釜,對于一水硬鋁石需達(dá)到3.33MPa/cm2以上的壓力。所以把高壓溶出車間比喻為氧化鋁生產(chǎn)過程的心臟。

高壓溶出用高壓蒸汽加熱,分為直接加熱和間接加熱兩種。直接加熱高壓溶出就是把制好的原礦漿(經(jīng)95℃預(yù)脫硅)壓入雙程預(yù)熱器,加熱到160℃,流到溶出器,在頭兩個或三個高壓釜直接通入新蒸汽加熱至溶出溫度,然后依次進(jìn)入后面的溶出器保溫溶出。蒸汽直接加熱溶出沒有機(jī)械攪拌,結(jié)構(gòu)簡單。但也有許多缺點(diǎn),礦漿一進(jìn)入高壓釜就受到稀釋,要求循環(huán)母液苛性堿濃度高,從而增加了母液蒸發(fā)的負(fù)荷。間接加熱用十級自蒸發(fā)的二次蒸汽把礦漿預(yù)熱至200℃,在高壓釜中用新蒸汽間接加熱到溶出溫度,蒸汽冷凝水不進(jìn)入礦漿,高壓釜中需要機(jī)械攪拌,流出礦漿經(jīng)過十一級自蒸發(fā)回收熱量,熱利用率高。但間接加熱高壓溶出器組比直接加熱器復(fù)雜,投資大。

    拜耳法溶出時,為了減少結(jié)疤結(jié)瘤通常要進(jìn)行脫硅,有在的原礦漿槽中于90℃以下的低溫脫硅和在150℃下進(jìn)行的中溫脫硅,后者的脫硅效果較好,溶出液的硅量指數(shù)也較高。拜耳法溶液中Al2O3和SiO2濃度變化如圖2所示。
圖2  拜耳法生產(chǎn)氧化鋁時溶液中Al2O3和SiO2的質(zhì)量濃度

    拜耳法要求鋁土礦中的Al2O3含量達(dá)55%以上,A/S越大越好。A/S從11降至7,生產(chǎn)成本將增加14.5%。我國的鋁土礦大多為A/S=5~7(占所有礦的59.3%),拜耳法不能經(jīng)濟(jì)地處理。對這部分鋁土礦就要用堿石灰燒結(jié)法來處理。

由均化堆場送來的鋁土礦、石灰燒制工序送來的石灰,送入磨頭倉。鋁土礦、石灰和蒸發(fā)來的循環(huán)母液按一定配比進(jìn)入由棒、球二段磨和水力旋流器組成的磨礦分級系統(tǒng)。水力旋流器溢流為合格原礦漿進(jìn)入原礦漿槽。原礦漿經(jīng)單套管預(yù)熱器送入預(yù)脫硅槽經(jīng)8小時預(yù)脫硅后補(bǔ)入適當(dāng)?shù)难h(huán)堿液,達(dá)到正常堿配比由GEHO隔膜泵送入壓煮溶出多套管預(yù)熱系統(tǒng)。

  礦漿經(jīng)GEHO隔膜泵送入四套管預(yù)熱器,在壓煮器內(nèi)加熱至250~260℃進(jìn)行1小時溶出,溶出后礦漿經(jīng)十一級自蒸發(fā)器閃蒸降溫,溶出礦漿用赤泥洗液稀釋。

  稀釋礦漿在常壓脫硅槽進(jìn)行4小時的常壓脫硅。脫硅后的稀釋礦漿在沉降槽內(nèi)進(jìn)行液固分離,底流進(jìn)入洗滌沉降槽和深錐沉降槽組成的赤泥洗滌系統(tǒng)進(jìn)行四次赤泥反向洗滌。制備好的絮凝劑經(jīng)計(jì)量后分別加入分離和洗滌沉降槽,熱水加入末次洗滌槽。末次洗滌槽底流經(jīng)泵送到赤泥堆場進(jìn)行堆存,一次洗滌沉降槽溢流送至壓煮溶出稀釋槽。

  分離沉降槽溢流經(jīng)泵送粗液槽,再用粗液泵送往立式葉濾機(jī)喂料槽,在槽中加入定量的石灰乳作為助濾劑。含助濾劑的粗液用泵送到立式葉濾機(jī)進(jìn)行控制過濾,濾餅送分離洗滌沉降槽,精液送板式熱交換器。

  精液經(jīng)三級板式熱交換器與分解母液和冷卻水進(jìn)行熱交換冷卻到設(shè)定溫度。降溫后的精液與種子過濾濾餅(晶種)在晶種槽內(nèi)混合,然后用晶種泵送至分解系列的首槽(1#或2#槽),經(jīng)連續(xù)分解后從15#(或16#)槽頂用立式液下泵抽取分解漿液去進(jìn)行旋流分級,分級前加入部分過濾母液稀釋,分級溢流進(jìn)15#(或16#)分解槽,底流再用部分母液沖稀后自壓至產(chǎn)品過濾。分解末槽(14#或15#)的分解漿液從槽上部出料自流至立盤種子過濾機(jī),濾餅用精液沖入晶種槽,濾液入錐形母液槽。

  經(jīng)分級底流的氫氧化鋁漿液經(jīng)飼料泵送入平盤過濾機(jī)進(jìn)行成品過濾并用蒸發(fā)送來的熱水進(jìn)行洗滌。洗滌合格后的氫氧化鋁送焙燒爐進(jìn)行焙燒,生產(chǎn)出合格氧化鋁。分離母液送種子過濾的錐形母液槽或分解槽末槽,氫氧化鋁洗液送赤泥沉降一次洗滌系統(tǒng)或分解錐形母液槽,溢流槽漿液經(jīng)泵送到分解末槽。母液槽內(nèi)的分解母液部分送氫氧化鋁分級用于稀釋水旋器進(jìn)料和底流,其余經(jīng)板式熱交換器與精液進(jìn)行熱交換后送蒸發(fā)原液槽。

  蒸發(fā)原液除少部分不經(jīng)蒸發(fā)直接送母液調(diào)配槽外,其余絕大部分在蒸發(fā)器組內(nèi)進(jìn)行蒸發(fā)濃縮后送調(diào)配。蒸發(fā)原液首先經(jīng)Ⅰ閃蒸后分別進(jìn)入Ⅳ效和Ⅴ效,其中經(jīng)Ⅳ效-Ⅲ效-Ⅱ效-Ⅰ效-Ⅱ閃-強(qiáng)制效的形式進(jìn)行濃縮作業(yè)。鹽沉降槽溢流送到強(qiáng)堿槽(化清液),部分送各化學(xué)清洗用堿點(diǎn)和分解化學(xué)清洗槽,大部分返回與蒸發(fā)器Ⅴ效出料混合,通過出料泵送到母液槽;底流用過濾機(jī)進(jìn)行過濾分離,濾液進(jìn)鹽沉降槽溢流槽,然后進(jìn)強(qiáng)堿液槽。

  生產(chǎn)過程中消耗的堿,用液體燒堿或者片堿補(bǔ)充。卸下的液堿或者片堿,先送補(bǔ)堿槽,再到母液調(diào)配槽與蒸發(fā)母液、部分不經(jīng)蒸發(fā)的原液及苛化稀液調(diào)配成符合濃度要求的循環(huán)母液

拜耳法
  系奧地利拜耳(K.J.Bayer)于 1888年發(fā)明。其原理是用苛性鈉(NaOH)溶液加溫溶出鋁土礦中的氧化鋁,得到鋁酸鈉溶液。溶液與殘?jiān)ǔ嗄啵┓蛛x后,降低溫度,加入氫氧化鋁作晶種,經(jīng)長時間攪拌,鋁酸鈉分解析出氫氧化鋁,洗凈,并在950~1200℃溫度下煅燒,便得氧化鋁成品。析出氫氧化鋁后的溶液稱為母液,蒸發(fā)濃縮后循環(huán)使用。
  拜耳法的簡要化學(xué)反應(yīng)如下:
  由于三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石的結(jié)晶構(gòu)造不同,它們在苛性鈉溶液中的溶解性能有很大差異,所以要提供不同的溶出條件,主要是不同的溶出溫度。三水鋁石型鋁土礦可在125~140℃下溶出,一水硬鋁石型鋁土礦則要在240~260℃并添加石灰(3~7%)的條件下溶出。
  現(xiàn)代拜耳法的主要進(jìn)展在于:①設(shè)備的大型化和連續(xù)操作;②生產(chǎn)過程的自動化;③節(jié)省能量,例如高壓強(qiáng)化溶出和流態(tài)化焙燒;④生產(chǎn)砂狀氧化鋁以滿足鋁電解和煙氣干式凈化的需要。拜耳法的工藝流程見圖1。

 
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