CN101023029A - 对生产三水氧化铝的拜耳法的改进，该改进涉及铝酸盐溶液与不溶残渣的分离 - Google Patents

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Abstract

一种按照拜耳法通过铝土矿的碱侵蚀生产三水氧化铝的方法，其中铝酸盐溶液和不溶残渣的分离使用一个固/液分离设备(E；W2；DC)进行，其特征在于，该悬浮液(21a；41；230’)的至少一部分通过一个水力旋流器(H1；H21；H22：H3)以在包含铝酸钠溶液与不溶残渣的、供给或从该液/固分离设备引出的悬浮液(21a；41；230’)中，改进和加速该溶液和该残渣的分离。在一种实施方案中，至少一个水力旋流器用于沉淀器－稠化器的上游，用作过饱和液澄清器。在另一种实施方案中，至少一个水力旋流器用作不溶残渣的泥浆稠化器。在第三种实施方案中，将一个水力旋流器与苛化沉淀器组合使用。

Description

对生产三水氧化铝的拜耳法的改进， 该改进涉及铝酸盐溶液与不溶残渣的分离
技术领域
本发明涉及对按照拜耳法通过铝土矿的碱侵蚀而生产三水氧化铝的方法的改进。本发明尤其涉及用于提取侵蚀所产生的、以小颗粒形态(D50明显小于100μm，典型地小于20μm)存在的不溶残渣的不同液/固分离方法。
背景技术
拜耳法在专业文献中已有广泛描述，是生产氧化铝的基本方法，生产的氧化铝可经熔浴电解(électrolyse ignée)转化为铝，或在多种涉及工业氧化铝领域的多种应用中用于水合物、过渡态氧化铝、煅烧氧化铝、烧结或熔融态氧化铝。根据该方法，将铝土矿研磨，而后用适宜浓度的氢氧化钠水溶液热侵蚀，从而使氧化铝溶解，获得一种由未侵蚀的残余颗粒浸泡于称为“铝酸盐溶液”的铝酸钠溶液中所形成的悬浮液。然后将该悬浮液进行稀释和处理，以使未侵蚀的残渣与铝酸盐溶液分离——通常采用沉淀的方法。该分离过程产生的溶液处于过饱和态，从而造成三水氧化铝的沉淀——一种公知的称为“结晶”的现象。结晶之后，由于沉淀作用之故，铝酸钠溶液中的水合氧化铝被耗费，在浓缩后循环回矿石的侵蚀过程。
侵蚀和稀释后，悬浮液中包含了铝土矿中的全部不溶残渣。不溶残渣中大部分以一种极细的泥(赤泥)的形态存在，这种极细的泥源自铝土矿中铝-铁组分在侵蚀过程中的碎解作用(désagr égation)，其粒度几乎与之前的铝土矿的研磨条件无关；主要颗粒的大小介于0.1-20μm的范围。有时，使用某些等级的铝土矿，尤其是如果研磨进行得不彻底时，也会含有一定量的较粗的残渣(典型地，直径超过106μm)，称其为“沙粒”，与赤泥相比，沙粒中较为富含Fe2O3而较少富含SiO2。这些沙粒源自，例如，用碱对某些等级的铝土矿中含量非常高的铁豆石(pisolithesferrugineux)进行消耗的过程。当这些沙粒所占比例超出几个百分点时，采用采矿业的常规设备，如镰耙式分级机、螺旋分离器，或如DE 199 03011所示的与震动脱水筛结合的水力旋流器，将其分离不存在任何特殊困难。本发明不涉及这些沙粒的分离。
相对而言，赤泥却由于组成其的颗粒的粒度细小得多，更难于分离和洗涤。目前，氧化铝工业使用的主要方法为沉降，该过程在连续操作的沉淀器-稠化器中进行。沉降过程与两种现象有关：沉淀本身，或澄清过程，用来分离溶液使其不含泥浆，以及对沉积的泥浆进行稠化，该过程影响后续洗涤过程的效率。
有几方面的因素影响沉淀速率：控制颗粒在悬浮液中下降的单纯物理因素(颗粒直径、液体的密度和粘度等)及絮凝现象(颗粒积聚)，该现象复杂而且依被侵蚀的铝土矿矿源的不同变化极大。添加絮凝剂可显著提高沉淀速率。例如，这方面的例子如，EP 0618882(ALCAN)提出添加一种基于丙烯酰胺和/或丙烯酸钠的絮凝剂，WO97/41065(CYTEC)提出使用一种大分子量(大于10000，优选大于1000000)的异羟肟酸盐，WO99/30794(NALCO)提出使用一种基于甲基丙烯酸盐和丙烯酸的大分子量聚合物，WO99/61129(NALCO)提出一种由葡聚糖+淀粉的混合物组成的絮凝剂。尽管使用添加剂需要额外的开支，而且有时一些这类添加剂还存在不想要的副作用，但目前应用仍很广泛。
泥浆的稠化性能，即通过沉降作用使悬浮液中的固含量最大化的能力，是泥浆、并且因此也是泥浆所源自的铝土矿的一种特有性质。正常条件下，通常正是该稠化性能，是沉淀器运行状况的最为重要的因素，其中沉淀器的一个运行特性定义为比例K：即由沉淀器输出的清液的体积与浸渍于所提取出的泥浆中的液体体积之比。
最后，该沉降方法中，对泥浆的充分洗涤是通过连续的稀释和沉降过程进行的，该过程由泥浆与洗涤水通过逆流循环实现。洗涤效率取决于使用水量、所经过的沉淀器-洗涤器的稠化常数K，以及连续的洗涤过程进行的次数。由于泥浆的夹带，洗涤水中碱和铝酸钠逐渐变浓。当洗涤水到达洗涤流程的行程终点时，已是用于洗涤过由侵蚀后的悬浮液所沉淀产生的泥浆之后了，呈一种稀的铝酸钠溶液形式(第一沉淀器-洗涤器的清液)，通常被导引至侵蚀过程的出口以稀释悬浮液：由此回收赤泥中夹带的部分碱。但是，稀释切不可太过，因为在结晶之后，溶液还需进行蒸发浓缩，以便作为侵蚀液循环。因此，尽可能减少返回稀释过程的洗涤水量是有利的。最经济的解决方案一定是对于所使用的水量、所采用的洗涤次数及洗涤流程中每一沉淀过程所获得的稠化度的折中结果。要减少水量消耗(及因此而所需的蒸发其的能量)，就必需寻求使泥浆有效稠化的方法，而由于赤泥的粒度很小这总是难于实现。
另外，一直在开发可替代沉降过程的分离方法。已进行的一种尝试是用一种能将固体和液体更快地进行分离的系统，如离心沉淀器，来代替沉淀器-稠化器。通过一种特殊的悬浮液制备方法，也可以通过过滤实现分离，如申请人在专利申请FR 2 846 319中所披露的方法，该方法中，将研碎的铝土矿与温度已接近沸点的铝酸盐溶液混合，该方法具有可极大提高所生成悬浮液的过滤性能的惊人效果。因而，通过使用这样一种方法，可望将沉淀器-增浓器用一系列在真空或加压下操作的常规过滤器取代。
技术问题
申请人已尝试在不考虑所具体采用的铝土矿以及不增加絮凝剂用量的情况下，加速及改进含铝酸盐溶液和不溶残渣的悬浮液的液/固分离。
加速分离包括提高所述铝土矿侵蚀后产生的固体残渣的提取速率，尤其是提高以难于分离的颗粒形式存在的残渣——即粒度小于100μm的残渣——的提取速率。提高这些残渣的提取速率可以减少过饱和的铝酸盐溶液在稀释和结晶过程之间的停留时间。减少该过饱和溶液在稀释和结晶过程之间的停留时间则可以避免一种经济上极不利的现象：返原现象，即三水氧化铝颗粒不适时的沉淀，即三水氧化铝颗粒在不溶残渣分离之前产生；三水氧化铝沉淀得早，与赤泥紧密混合，从而随着赤泥除去而不能再利用。减少停留时间还可在同等的返原风险条件下提高铝酸盐溶液的过饱和程度，从而通过更有效地提取氧化铝，获得更高的总循环收率。
改进分离包括获得更清的溶液或更稠的泥浆。增大泥浆的稠度或致密性意味着可以用更少的水对其进行更有效地洗涤。
尽管本发明下文给出的描述是基于使用一个沉淀器-稠化器的沉降分离方法，但该改进也可用于前面提到的其他分离方法。
发明内容
本发明的第一个目的为一种按照拜耳法通过对铝土矿进行碱侵蚀而生产三水氧化铝的方法，包括研磨，而后将研碎的铝土矿与一种铝酸钠溶液接触而将其侵蚀，侵蚀过程形成一种悬浮液，将其处理以使不溶残渣与铝酸钠溶液分离，由此获得的铝酸盐溶液而后结晶，并在分离出结晶过程沉淀出的三水氧化铝之后作为一种侵蚀溶液进行循环，该方法特征在于，含所述不溶残渣的悬浮液的至少一部分通过一个水力旋流器，以改进及加速铝酸盐溶液与粒度小于100μm(粒度大于100μm的不溶残渣，如果有的话，已使用矿业的常规设备在较早时候分离)的不溶残渣的分离。
常规地，将不溶残渣与铝酸盐溶液分离的处理过程基于一种沉降方法：侵蚀后，悬浮液流过一个沉淀器-稠化器，提取底流(sousverse)然后用水逆流洗涤，水中碱含量逐渐提高，可方便地将其用于稀释侵蚀后的悬浮液。本发明的方法呈对于沉降方法的改进，然而，尤其是对于本发明的第一实施方案，传统使用的沉淀器-稠化器可由另一种可更有效地处理更稠的悬浮液中的更小物流的其他装置——如离心沉淀器或过滤器——方便地取代。
本发明并不关注拜耳流程中所使用的分离设备，不是建议用一个或几个水力旋流器替代该设备，而是将该现有设备与至少一个水力旋流器结合使用，将其置于该设备的上游(进料)或下游(底流和/或溢流(surverse))。
本发明的方法不关注对于含有粒度大于约100μm，典型地大于或等于106μm的沙粒(事实上，取决于所用装置，沙粒被一个106μm或315μm的滤网截留)的不溶残渣的脱沙，这种脱沙通过传统方法进行，但其不适合高效地分离尺寸(D50)小于10μm的颗粒。换句话说，本发明的方法可加速或改进在悬浮液中铝酸钠溶液与粒度严格小于106μm的残渣的分离。除脱沙之外，在拜耳流程中使用水力旋流器迄今为止也只是用于分离大于50μm的氧化铝水合物颗粒(分粒)。起初，使用水力旋流器分离赤泥中的细颗粒(D50＜10μm)似乎是不可能的，但本发明人经过对控制水力旋流器运行的不同参数进行研究，已经能够确定适于快速分离这些残渣的操作条件，从而能够在本方法的不同步骤使用所述的水力旋流器，或甚至并行操作数量相当高的(典型地为几十个或几百个)这类水力旋流器。
根据本发明，悬浮液可流过位于现有分离设备(沉淀器-稠化器，离心沉淀器或过滤器)上游或下游的至少一个水力旋流器。由此：
●在第一种实施方案中，将至少一个水力旋流器用于现有的固/液分离设备的上游，置于该设备的进料流程中，用作过饱和溶液的澄清器，该一个或多个水力旋流器的底流供给所述设备；
●在第二种实施方案中，将至少一个水力旋流器用于现有的固/液分离设备的上游或下游，用作不溶残渣的泥浆的稠化器；
●在第三种实施方案中，将一个水力旋流器与用于苛化(caustification)的液/固分离设备(通常为一个沉淀器-稠化器)组合使用，用以改进苛化泥浆的液/固分离。
根据本发明的第一实施方案，至少一个水力旋流器用作过饱和铝酸盐溶液的澄清器。在侵蚀和稀释过程之后，引出悬浮液的至少一部分并使其通过至少一个具有如下特征的具体的水力旋流器：其底流嘴(buse desousverse)直径大于其溢流嘴(buse de surverse)直径的90％，优选介于该溢流嘴直径的90-110％。
根据该第一实施方案，在将悬浮液加入水力旋流器之前，优选在其中加入絮凝剂，该水力旋流器中底流可在现有的分离设备中稠化而无需添加大量的絮凝剂。当在该水力旋流器上游的稀释悬浮液中加入一种絮凝剂时，发现该水力旋流器的溢流被澄清，因此其固含量一般降到原来的十分之一以下，该量已足够低至可直接地、或与现有分离设备的溢流相混后再输送到安全过滤和结晶管线。而且可观察到该水力旋流器的溢流中含有很大的薄片状物(flocons)，因而可很容易过滤掉。
因此，根据该第一实施方案的一种优选实施方式，将絮凝剂加到导入至一个或多个水力旋流器的那部分稀释悬浮液中。来自所述一个或多个水力旋流器溢流的过饱和溶液不经由沉淀器-稠化器而送入结晶管线，而来自所述一个或多个水力旋流器底流的泥浆则送入沉淀器-稠化器中，在沉淀器-稠化器中在不使用任何絮凝剂、或在仅使用很少量额外絮凝剂的情况下将其澄清和稠化。
第一实施方案中，将水力旋流器和现有分离设备组合，换句话说，将侵蚀过程出口处的悬浮液的至少一部分通过一个水力旋流器，其优点在于分离过程特别迅速地进行(停留时间数秒)；大部分的铝酸盐溶液物流无需通过现有的分离设备，从而使现有分离设备要处理的悬浮液量明显降低(如果全部悬浮液都通过水力旋流器的话，约为30％)。因此，不改变装置即可增大悬浮液流量。事实上，大部分的固体残渣是由水力旋流器处理的，因而，可明显减少现有分离设备所需的絮凝剂量。由于输入现有分离设备的液体量也减少了，因此，通过这些方法可消除瓶颈现象和/或增加该现有分离设备的产量。
尽管按照传统沉降方法溶液在稀释和进入结晶管线之间的平均停留时间中是以小时计的，但是，在本发明的第一实施方案中，该停留时间下降到几秒。由此，实际上不再有任何返原的危险，即不再有下列危险：三水氧化铝颗粒在不溶残渣分离之前发生过早沉淀。减少停留时间也可以——在同等的返原风险条件下——提高铝酸盐溶液的过饱和程度，从而可从总体上获得更高的循环总产率。但是，另外也可以降低溶液中不经由水力旋流器的溢流的那部分溶液在稀释和结晶过程之间的停留时间，在这种情况下，需要将传统使用的沉淀器-稠化器用另一种能更快地分离更稠的悬浮液的设备——如离心沉淀器或过滤器——代替。
另外，在沉淀器-稠化器的上游引入一个水力旋流器使得可以进行更小程度的稀释，由此可降低拜耳法的总能耗。
根据本发明的第二实施方案，将至少一个水力旋流器用作不溶残渣泥浆的稠化器，要么在现有分离设备的上游、用于处理来自侵蚀过程的至少一部分悬浮液，要么用于稠化现有分离设备输出的泥浆，尤其位于洗涤管线的上游或端头(tête)。
根据该第二实施方案的第一种实施方式，将至少一个水力旋流器用于稠化来自侵蚀过程的至少一部分悬浮液，以改善现有的分离设备。抽取侵蚀过程后的至少一部分悬浮液，优选在稀释(例如使用来自第一洗涤器的清液降低苛性物的浓度)后和/或添加絮凝剂后。将这部分悬浮液通过至少一个水力旋流器。该水力旋流器的几何参数定义为有效地稠化其底流，该底流直接引至现有分离设备底流的泥浆中。而其溢流引至现有分离设备，以稀释直接导入现有设备的另一部分悬浮液(换句话说，即降低了固含量)。由此，改善了现有设备的操作，消除了其瓶颈效应并提高了其效率，液/固分离过程因稀释作用而得以改进。
根据该第二实施方案的第二种实施方式，将至少一个水力旋流器用于稠化现有分离设备输出的至少一部分赤泥。典型地，当赤泥中的固含量高于400g/l时，即将其从拜耳流程提取出来。在通过沉降而分离的技术中，悬浮液在侵蚀和稀释之后通入一个沉淀器-稠化器，沉淀器-稠化器的使用条件确定为使该沉淀器-稠化器的底流的固含量达到或超过这一数值。不溶残渣的泥浆被提取出，用于在一系列沉淀器-洗涤器中用水进行逆流洗涤，洗涤水中碱含量逐渐增大，第一洗涤器的清液输入拜耳流程，用于侵蚀过程之后的稀释过程。从每一个洗涤器-沉淀器出来的底流中所含碱逐渐消耗，从最后的洗涤器出来的底流，常称作“赤泥”，可通过例如曝气或干式堆叠(lagunage ou dry-stacking)排出。
根据本发明该第二实施方案的第二种实施方式，洗涤管线更改如下：将至少一个水力旋流器引入到以逆流方式将洗涤水从一个沉淀器-洗涤器引导到位于其上游的另一个沉淀器-洗涤器的流程中。如将洗涤管线中的沉淀器-洗涤器用W1、W2、......、Wn表示，下标增加的方向对应于泥浆的循环方向，且如果Wi对应于引入水力旋流器所相关的洗涤器，则将从其下游的沉淀器-洗涤器Wi+1来的洗涤水的一部分与从其上游的沉淀器-洗涤器Wi-1的底流来的泥浆相混合。由此得到的混合物加入到至少一个水力旋流器中，水力旋流器的溢流输入到沉淀器-洗涤器Wi，而其底流中的稠化泥浆与来自同一个沉淀器-洗涤器Wi的底流泥浆混合，混合物送入下游的沉淀器-洗涤器Wi+1。优选地，在第一洗涤器附近引入一个或多个水力旋流器，以便从洗涤管线的开始即将泥浆稠化。在下面的实施例B.3中，将至少一个水力旋流器安装于输入到第二洗涤器(i＝2)的洗涤水流程中。
引入一个或多个水力旋流器可通过提高泥浆浓度而提高洗涤效率。洗涤管线中洗涤器的个数可减少，或所用洗涤水的量可以降低。
本发明的第一和第二实施方案可进行方便的组合。
根据本发明的第三实施方案，将苛化沉淀器(décanteur decaustification)与至少一个水力旋流器组合。苛化作用通常以赤泥的洗涤水进行，该洗涤水逆流返回洗涤管线，其中所含铝酸钠逐渐变浓。这样变浓的洗涤水为一种稀的铝酸盐溶液，用于稀释侵蚀过程输出的悬浮液：由此回收赤泥中夹带的一部分碱。该稀溶液的苛化作用使得可通过添加石灰而将溶液中所含的碳酸钠转化，从而增大溶液中苛性碱的含量，并使碳酸钙沉淀。碳酸钙沉淀的尺寸也很小，通常使用一个称为沉淀器-澄清器的沉淀器将其与溶液分离。由于颗粒的尺寸小，因此该分离过程很慢且很难进行，而且处在被引出用于苛化的阶段的洗涤水为一种稀的铝酸盐溶液，因此，本发明该第三实施方案的目的也是改进铝酸盐溶液和不溶残渣的分离。
根据该第三实施方案，将苛化沉淀器的底流导向水力旋流器。如果被苛化的清液是来自第二(或第三)沉淀器-洗涤器的溢流，则该水力旋流器的溢流导入第一(或第二)沉淀器-洗涤器。该水力旋流器的底流全部、或者部分地与来自最后的沉淀器-洗涤器之一的底流相混合。如果该水力旋流器的底流只是部分地与来自最后的沉淀器-洗涤器之一的底流相混合，则将其其余部分循环回苛化反应器，以提高其反应效率。
传统地，苛化沉淀器的溢流输入洗涤管线中位于待苛化的清液引出点上游(泥浆流程方向)的一点处。例如，如果待苛化的溶液为第二(或第三)沉淀器-洗涤器的溢流，则苛化沉淀器的溢流导向第一(或第二)沉淀器-洗涤器。
具体实施方式
附图说明
图1为一个水力旋流器的示意图。
图2的曲线示例说明在所试验的水力旋流器中，分别存在于进料(I)、底流(II)及溢流(III)中的颗粒的粒度分布(累积百分比，为以微米为单位的直径(D)的函数)。
图3图示说明一种现有技术的典型拜耳流程。
图4示例说明本发明的第一实施方案的一种特定实施方式(澄清器水力旋流器)。
图5a和5b示例说明本发明第二实施方案的两种特定实施方式(稠化器水力旋流器)。
图6示例说明用于图1所示的拜耳法的洗涤管线中水苛化流程的一种典型实施例。
图7示例说明本发明第三实施方案的特定实施方式，用于对图6示例方法的改进。
A.试验
A.1：水力旋流器特征(图1和2)
水力旋流器(下文也称旋液器)的主要操作参数有：
·水力旋流器直径(dc)，进料压力(P)，
·溢流嘴直径(dsr)，
·底流嘴直径(dss)，
旋液器的分离界限粒径为以100％的几率存在于底流中的颗粒的最小直径。它与旋液器的几何结构(进料嘴、底流嘴及溢流嘴的直径，进料螺旋(colimacond’alimentation)的形状及高度，底部构件的锥度及高度)及使用条件(压力，进料点固含量MSA)有关。
在已将水力旋流器用于现有技术(水合物分级)的拜耳法中，对于50～100mm的水力旋流器，分离界限粒径在40～50μm范围变化。由于构成由侵蚀过程输出的悬浮液的颗粒粒度小，因而，使用典型的几何结构及常规的水力旋流器操作参数对所述悬浮液进行液/固分离，即稠化底流中粒径(D50)小于约10μm的颗粒和/或澄清溢流中的悬浮液，几乎是不可能的。尽管如此，发明人还是本着下列想法而试验将水力旋流器用于更好地分离泥浆：粒度较小为不利的指标更多的是源于一种先入之见而不是一种广泛确认的现象，而且，实际上，泥浆中的细颗粒具有水合物所不具备的特定性质，而这些性质很可能可以更好地利用，尤其是可利用其形成介于单个颗粒和聚集物之间的具有水力流动轨迹(trajectoireshydrodynamiques)的颗粒簇中间体的倾向。
通过对拜耳法侵蚀过程的悬浮液进行初步试验，即可确定一些参数的影响：
●底流嘴直径dss
底流嘴直径越小，则分离界限粒径越大，而且底流粒度(D50)也越大，而溢流粒度基本维持不变。物理解释为，当底流嘴直径增大时，流入底流中的液体流量增加，从而增大了底流中夹带细颗粒的几率。
●水力旋流器进料处压力P的影响
当进料压力增大而所有其它量维持不变时，分离界限粒径增大，且底流的粒度(D50)亦增大。
但当底流嘴直径严重堵塞时，压力对选择性的影响较不明显。
●进料入口处固含量(MSA)
旋液器进料处MS增加而所有其它量保持不变时，分离界限粒径增大，底流的粒度(D50)亦增大。
与进料处的压力相似，MSA对选择性的影响在底流嘴直径dss大时更为明显。
在拜耳法工艺条件下，可考虑使用dc为24-250mm的水力旋流器提取不溶残渣：如果dc变小，水力旋流器处理的流体太少，在拜耳生产线中所使用水力旋流器的个数使其经济性受限；如果dc变大，则分离界限粒径会变得完全不合适。
A.2：稠化器型水力旋流器
试验所用水力旋流器直径为dc＝75mm，其溢流嘴直径为dSR＝26mm。结果数据及操作点如表1所示。
表1
    dSSmm     Pbar     MSAg/l     QAm3/h     QSSm3/h     QSRm3/h     MSssg/l     MSsrg/l
    810     1.81.6     144116     6.346.00     0.340.40     6.005.60     1030792     9770
其中，QA、QSS、QSR分别表示进料流量、底流及溢流流量，MSSS及MSSR分别表示溢流及底流中固含量。
从水力旋流器流出的添加有絮凝剂的溢流引入一个中间沉淀器，稳定工况下该沉淀器的操作点如表2所示：
表2
    QAm3/h     MSAg/l     QSRm3/h     MSSRg/l     QSssm3/h     MSSssg/l
    5.6     70     5     0     0.6     498
从这些试验可得出如下信息：
-用一个水力旋流器处理侵蚀后的悬浮液的一部分，无需使用絮凝剂即可使水力旋流器底流中密实泥浆的含量高于750g/l，这一数值是相当可观的，做到这点也是非常可能的。
-从水力旋流器出来的溢流可在沉淀器中进行成功处理，换句话说，絮凝作用发生恰当，沉淀器底流具有很好的致密性且澄清作用发生得极好(事实上，溢流的粒度曲线与进料的粒度曲线非常相似)。
-在现有装置中使用水力旋流器，可消除沉淀器、洗涤器或整个沉淀/洗涤管线的瓶颈效应。
图2中曲线分别示例说明底流嘴直径dSS为8mm的水力旋流器的进料(I)、底流(II)及溢流(III)中颗粒的粒度分布。
A.3：澄清器型水力旋流器
为了获得尽可能清的溢流，所用水力旋流器的底流嘴直径dSS几乎与溢流嘴直径dSR一样大，甚至比溢流嘴直径dSR大。这一条件可概括为dSS＞0.9*dSR。当进料中国含量MSA为90-140g/l时，对于dc等于50mm的水力旋流器，可给出尽可能清的溢流的操作参数已定义。
试验旋液器的特征如下：
dc＝50mm，dsr＝15mm，dss＝14mm，进料压力P等于1.8bar。
旋液器底流可通过自重补充到一个中间沉淀器的回路中。我们测定了在添加和不添加絮凝剂的情况下不同的溢流QSR和底流流量QSS，并记录了这两股物流中的固含量。结果如表3所示。
表3
絮凝剂      P(bar)     MSA(g/l)     QA(m3/h)     QSS(m3/h)    QSR(m3/h)     MSss(g/l)     MSsr(g/l)
    没有有     1.81.8     133136     3.63.6     2.32.3    1.31.3     170210     708
在添加及不添加絮凝剂情况下，均将旋液器底流供给该沉淀器。
在不添加絮凝剂的情况下，从旋液器底流出来的泥浆在该沉淀器中不稠化，或者说几乎不稠化。
当添加有絮凝剂时(即使使用的剂量极低)会发生澄清作用，从而可使沉淀器底流中的泥浆变得更为密实。因此，水力旋流器进料悬浮液中固含量为90-140g/l时，通过在旋液器分离器进料中添加一种絮凝剂，可获得固含量低于10g/l的溢流。如果在该沉淀器的入口处额外添加很少量的絮凝剂，则旋液器底流可在该沉淀器中被澄清及稠化。
最后，水力旋流器溢流为一种絮状的悬浮液(可观察到有大块薄片状物)，当与沉淀器溢流混合后，具有非常好的过滤性能。
B.在工业装置中的应用
B.1现有技术的典型拜耳生产线(图3)
将研碎后的铝土矿10用适宜浓度的氢氧化钠水溶液4热侵蚀(A)，从而使氧化铝溶解获得一种由未侵蚀的残渣颗粒悬浮于称为“铝酸盐溶液”的一种铝酸钠溶液中所组成的悬浮液20。然后将该悬浮液稀释并处理以——通过沉降作用(E)——使未被侵蚀的残渣40从该铝酸盐溶液1中分离。一旦来自沉淀器-稠化器E的溢流1通过过滤(F)而“被净化”，铝酸盐溶液1即冷却到一个温度，在该温度下，该悬浮液呈高度不平衡的过饱和态(溶液2)，使三水氧化铝100在所谓的“晶化”步骤(P)结晶出来。结晶作用后，铝酸钠溶液3由于沉淀作用而消耗其中的氢氧化铝，可经蒸发(B)浓缩后循环返回用于矿石10的侵蚀(A)。一般而言，会在铝酸盐溶液中加入一种絮凝剂75，如在沉淀器-稠化器E上游一点。
粒度小于100μm(实际为小于106μm或315μm，取决于所使用的铝土矿)的赤泥通过沉降作用分离出来。侵蚀及稀释后产生的悬浮液21导入一个沉淀器-稠化器E，其底流40引出以便随后在一系列沉淀器-洗器涤(W1，W2，W3，...Wn-1，Wn)中用水进行逆流洗涤，洗涤水中碱含量逐渐增多(60，61，69，70)，从第一洗涤器W1出来的清液70导入拜耳回路，用于侵蚀后的稀释(D)。而从不同的洗涤器-沉淀器(W1，W2，W3，...Wn-1，Wn)出来的底流(41，42，49，50)中所含碱逐渐消耗，从最后的洗涤器Wn出来的底流50，常称作“赤泥”，经过例如曝气或干式堆叠排出。
典型的固含量为：
●稀释前的悬浮液20中为每升悬浮液120-160g；
●稀释后的悬浮液21中为每升悬浮液40-80g；
●沉淀器-稠化器E的溢流1中小于1g/l，典型地0.2g/l；从安全过滤(F)输出的过饱和液2中该值下降到接近零的一个数值；
●沉淀器-稠化器E的底流40中为每升悬浮液300-500g；这一量在该洗涤管线中基本维持不变，因而最后的洗涤器Wn出口处的赤泥50中的固含量约为400g/l。
B.2第一实施方案：水力旋流器用作过饱和溶液的澄清器(图4)
图4示例说明本发明第一实施方案的一种具体实施方式。
所用回路与图1所示的传统的拜耳法相类似，其不同之处在于本发明是将稀释后的悬浮液21的最大可能的一部分21a，优选全部稀释后的悬浮液21，导入如前面A.3.节所述的作为澄清器使用的至少一个水力旋流器H1。该水力旋流器入口处的固含量可高达140g/l，可望进行比现有技术稀释程度小的稀释D’，例如只使用洗涤清液的一部分70’a进行稀释，甚至可通过例如将洗涤清液的另一部分70’b加到水力旋流器H1的溢流81中，和/或通过例如将洗涤清液的另一部分70’c加到水力旋流器H1的底流82中达到。
正如A.3.中所示，添加絮凝剂可以有效地澄清水力旋流器H1的溢流81，以便可将其直接地、或与该沉淀器-稠化器E的溢流1’相混后送入安全过滤F和结晶P管线。因此，在水力旋流器H1上游的稀释的悬浮液的一部分21a中加入絮凝添加剂75。作为本实施例的一个特例，在水力旋流器H1的底流82中也加入第二批少量的絮凝剂76。
典型的固含量为：
●稀释前的悬浮液20中为每升悬浮液120-160g；
●稀释后的悬浮液21a中为每升悬浮液110g；
●由水力旋流器H1的溢流81与沉淀器-稠化器E的溢流1’相混产生的过饱和液1”中低于5g/l；因水力旋流器的溢流81絮凝很好，该过饱和液具有极佳的过滤性能。安全过滤(F)后输出的过饱和液中的固含量下降到接近零的一个数值。
●沉淀器-稠化器E的底流40’中为750g/l；这一量在该洗涤管线中基本维持不变，因而可减少洗涤管线中洗涤器的个数P。最后一个洗涤器Wp的出口处的赤泥50’中的固含量约为750g/l。在侵蚀管线的出口处采用水力旋流器+程度器的组合的优点在于，实际上该分离发生得很快(停留时间等于几秒)：大部分的该铝酸盐溶液物流无需通过该沉淀器-稠化器，这就意味着待处理的悬浮液流量明显降低了(如果全部悬浮液都通过水力旋流器的话，约为30％)。
当稀释后的悬浮液流量21a等于1000m3/h，依所侵蚀的铝土矿的性质，可使用如下条件：
-340个直径为50mm的水力旋流器，如A.3所述(dSS＝14mm；dSR＝15mm)
-125个直径为75mm的水力旋流器，其dSS＝21mm；dSR＝22.5mm
-85个直径为100mm的水力旋流器，其dSS＝28mm；dSR＝30mm
-50个直径为150mm的水力旋流器，其dSS＝38mm；dSR＝40mm
-30个直径为200mm的水力旋流器，其dSS＝42mm；dSR＝44mm
B.3第二实施方案
B3.1水力旋流器用作侵蚀后的悬浮液稠化器
图5a表示所用流程，其与图1所示的传统的拜耳流程类似，其不同之处在于本发明是将悬浮液的最大可能的一部分21c，优选全部悬浮液，导入至少一个作为稠化器使用的水力旋流器H21该部分悬浮液取自用第一洗涤器的清液70稀释并加入絮凝剂75之后的悬浮液。该部分悬浮液通过至少一个水力旋流器H21。
水力旋流器H21的几何参数根据可有效地稠化其底流23定义，该底流之后直接送入沉淀器-稠化器E的底流泥浆40”中。其溢流22送入沉淀器-稠化器E的进料中，以稀释直接倒入该沉淀器-稠化器E中的其它部分21d(如果有的话)悬浮液。
B3.2水力旋流器用作赤泥稠化器(图5b)
图5b示例说明本发明的第二实施方案的另一具体实施方式。
所用流程与图1所示的传统的拜耳流程类似，但其洗涤管线使其与拜耳流程不同。
在将洗涤水逆流地从一个洗涤器导入前一个洗涤器的流程中，加入至少一个水力旋流器H22。优选地，将该水力旋流器加到流程中靠近第一个洗涤器W1处，以便在洗涤管线起始处即将泥浆稠化。在此处给出的特定实施例中，是将从洗涤器W3到洗涤器W2的洗涤水的一部分68a通过至少一个水力旋流器H22。水力旋流器H22的尺寸和操作参数的选择如A2所示。将该部分洗涤水与来自第一个洗涤器W1的底流41混合并将该混合液90加入至少一个水力旋流器H22中。其底流与从第二个洗涤器W2出来的底流42一起引入洗涤器W3，其溢流91加入洗涤器W2中。
典型的固含量为：
●稀释前的悬浮液20中为每升悬浮液120-160g；
●稀释后的悬浮液21a中为每升悬浮液60-80g；
●沉淀器-稠化器E的溢流1中小于1g/l，典型地0.2g/l；安全过滤(F)后输出的过饱和液2中该值下降到接近零的一个数值。
●沉淀器-稠化器E的底流40中为每升450g；从第一洗涤器W1出来的底流41中的固含量大致相同；
●洗涤水68a与底流41混合后产生的悬浮液90中固含量约为140g/l，该悬浮液引入H22。从水力旋流器出来的溢流91中固含量为100g/l，底流92中固含量为1000g/l。由此可看出，从洗涤器W3开始，洗涤管线中洗涤的残渣具有一更高的固含量，典型值为700-1000g/l。赤泥50”排出时的固含量为700-1000g/l。由于赤泥的浓度增加，提高了洗涤的效率，因而可减少洗涤管线中洗涤器的个数q。
当含不溶残渣的悬浮液40的流量为1000m3/h时，其典型的固含量为450g/l，依所侵蚀的铝土矿的性能，可采用下述条件：
-125个直径为75mm的水力旋流器，其dSS＝8mm；dSR＝26mm
-85个直径为100mm的水力旋流器，其dSS＝12mm；dSR＝39mm
-50个直径为150mm的水力旋流器，其dSS＝16mm；dSR＝52mm
-30个直径为200mm的水力旋流器，其dSS＝26mm；dSR＝56mm
B.4第三实施方案：水力旋流器与苛化沉淀器组合使用(图6和7)
通常，在不溶残渣洗涤管线中，将由第二或第三个洗涤器的溢流输出的洗涤水进行苛化。由此，将赤泥中夹带的部分碳酸盐形式的碱转化。图6包括了图3的示图，只将一种典型的苛化流程加入其中；在倒入第一个洗涤器W1之前，洗涤水69因在下游沉淀器-洗涤器中的洗涤过程而富含碱和碳酸钠，将其送入一个加入一定量石灰的罐C(苛化反应器)中。在苛化反应器C中，在接近95℃的反应温度下，通过搅拌进行混合。经足够石灰和碳酸钠转化为氢氧化钠和碳酸钙的长停留时间后，溢流210送入一个称为苛化沉淀器的沉淀器DC中，沉淀出的碳酸钙积聚在其底部。其溢流220送入第一洗涤器W1。其底流230与来自最后的沉淀器-洗涤器之一的底流相混(图6的示例中为Wn-2)。
根据本发明的第三实施方案(示于图7)，将苛化沉淀器的底流230’泵入至少一个水力旋流器H3。所述一个或多个水力旋流器H3的溢流240送入第一洗涤器W1。来自所述一个或多个水力旋流器H3的底流250的稠化泥浆，部分地(250a)与来自最后的沉淀器-洗涤器之一(图6的示例中为Wn-2)的泥浆相混，部分(250b)循环回苛化反应器C。
苛化沉淀器DC输出的泥浆230’中典型的固含量为200-300g/l。将一个或多个水力旋流器H3与苛化沉淀器DC组合，苛化沉淀器的底流230’供给所述一个或多个水力旋流器，其目的和优点在于：
-由于泥浆已在水力旋流器中稠化，从而减少了在泥浆所泵入的洗涤器中的清液的循环量；
-可以使这样稠化的泥浆的一部分在苛化作用开始时即进行循环(它们在苛化反应器中起到种子的作用)，由此可提高苛化作用的效率。
当进入苛化流程的来自第二洗涤器69’的清液的流量为500m3/h时，在苛化作用后在苛化沉淀器的出口可获得流量为40m3/h、固体浓度为250g/l的泥浆230’，将该泥浆物流泵入与苛化沉淀器组合的水力旋流器，水力旋流器的数量依其尺寸而变：
-5个直径为75mm的水力旋流器，其dSS＝8mm；dSR＝26mm
-4个直径为100mm的水力旋流器，其dSS＝8mm；dSR＝26mm
-2个直径为150mm的水力旋流器，其dSS＝14mm；dSR＝45mm
苛化沉淀器DC的溢流220’及一个或多个水力旋流器H3的溢流240送入第一洗涤器W1。

Claims (12)

1.按照拜耳法通过铝土矿的碱侵蚀生产三水氧化铝的方法，包括研磨，而后通过将研碎的铝土矿与一种铝酸钠溶液(4)接触而侵蚀(A)研碎的铝土矿，侵蚀过程形成一种悬浮液(20)，将其稀释(D)并处理以将不溶残渣(40)与铝酸钠溶液(2)分离(E；F)，由此得到的过饱和铝酸盐溶液而后结晶(P)并在分离出结晶过程中沉淀出的三水氧化铝(100)之后以一种侵蚀液(4)形式循环，铝酸盐溶液和不溶残渣的分离使用一个液-固分离设备，例如一个沉淀器-稠化器(E；W2；DC)、一个离心沉淀器或一个过滤器，其特征在于，所述悬浮液(21a；41；230’)的至少一部分通过一个水力旋流器(H1；H21；H22；H3)，以在含有该铝酸钠溶液和粒度严格小于106μm的不溶残渣、供给或引自所述液/固分离设备的悬浮液中，加速和改进铝酸钠溶液与该粒度严格小于106μm的不溶残渣的分离。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，侵蚀及稀释后至少引出悬浮液的一部分(21a)，而后将其通入至少一个具有如下特征的水力旋流器(H1)：其底流嘴直径(dss)大于其溢流嘴直径(dsr)的90％，优选介于该溢流嘴直径的90-110％。
3.根据权利要求2的方法，其中不溶残渣(40)与铝酸钠溶液的分离使用一个沉淀器-稠化器(E)进行，以及其中所述的侵蚀后被稀释的悬浮液部分(21a)至少通过在所述沉淀器-稠化器上游的至少一个水力旋流器(H1)。
4.根据权利要求3的方法，其中絮凝剂(75)加入所述被稀释的悬浮液部分(21a)，以及其中来自所述水力旋流器(H1)溢流的过饱和液(81)送入结晶管线(P)而不经由沉淀器-稠化器(E)，来自所述水力旋流器底流的泥浆(82)送入沉淀器-稠化器(E)。
5.根据权利要求3的方法，其中悬浮液的稀释位置转换到沉淀器-稠化器的下游，例如对安全过滤设备(F)附近的过饱和液(1”)进行稀释。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于侵蚀后至少引出悬浮液的一部分，将其导入至少一个水力旋流器(H21)，其底流(23)直接送入现有分离设备(E)的底流泥浆(40”)中，其溢流(22)引到现有分离设备(E)的输入侧，以稀释直接倒入该现有设备(E)的悬浮液的另一部分(21d)。
7.根据权利要求6的方法，其中侵蚀后引出悬浮液的一部分的操作，优选在苛性降低后和加入絮凝剂后进行。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，当不溶残渣泥浆(40)中的固含量高于400g/l时，将其提取出来，以便而后在一系列沉淀器-洗涤器(W1，W2，W3，Wq-1，..，Wq-1，Wq)中进行逆流洗涤，以及其中将至少一个水力旋流器(H22)加入到将洗涤水(68，68a)逆流地从第一沉淀器-洗涤器(W3)输送到位于该沉淀器-洗涤器上游(泥浆流程方向)的第二沉淀器-洗涤器(W2)中的流程中。
9.根据权利要求8的方法，其中从位于沉淀器-洗涤器(W2)的下游的沉淀器-洗涤器(W3)来的洗涤水(68)中的至少一部分(68a)，与从位于该沉淀器-洗涤器的上游的沉淀器(W1)来的底流泥浆(41)相混合，以及其中所述混合物(90)引入至少一个水力旋流器(H22)中，该水力旋流器的溢流(91)供给所述的沉淀器-洗涤器(W2)，其底流的稠化泥浆(92)与来自同一沉淀器-洗涤器的底流的泥浆混合，该混合物(93)送入下游的沉淀器-洗涤器(W3)。
10.根据权利要求1的方法，其中在侵蚀和稀释后至少引出悬浮液的一部分(21a)，并根据权利要求2至5中任一权利要求所述的方法使其通过至少一个水力旋流器(H1)，悬浮液的其余部分(21c)根据权利要求6或7所述的方法，可能通过至少一个水力旋流器(H21)，以及其中提取出不溶残渣泥浆(40’)，以随后将其在一系列沉淀器-洗涤器(W1，W2，W3，Wq-1，..，Wq-1，Wq)中进行逆流洗涤，根据权利要求8或9所述的方法，在该一系列沉淀器-洗涤器中加入至少一个水力旋流器(H22)。
11.根据权利要求1的方法，其中来自铝土矿侵蚀过程的不溶残渣的洗涤管线中的洗涤水经通过一个其中加入了石灰(200)的反应器罐(C)而苛化，混合保持时间足够长以形成碳酸钙沉淀，而后将其引入一个苛化沉淀器(DC)，以使所述洗涤水与所述沉淀分离，其特征在于通过将苛化沉淀器(DC)的底流泥浆(230’)供给至少一个水力旋流器(H3)而将该苛化沉淀器(DC)与该一个或多个水力旋流器相关联。
12.根据权利要求11的方法，其中从一个或多个水力旋流器(H3)来的溢流(240)引入沉淀器-洗涤器(W1)的洗涤管线中，沉淀器-洗涤器(W1)位于沉淀器-洗涤器(W2)的上游，沉淀器-洗涤器(W2)的清液被取出用于苛化，并且其中从所述一个或多个水力旋流器的底流(250)来的泥浆部分(250b)循环回苛化反应器(C)，部分(250a)与来自该洗涤管线中最后的沉淀器-洗涤器之一(Wn-2)的泥浆(48)相混合。
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