CN102583474B - 过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法，该方法仅在晶种分解槽的底部进行局部搅动，搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态为准，以促进晶种分解槽底部高固含、高分子比铝酸钠溶液的扩散传质，并使晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒不产生沉积。本发明打破了以往在晶种分解过程中需要全混流搅拌的传统工艺技术路线，提出了“局部搅动+平推流”的新工艺方法，具有节能降耗效果好、分解产出率高、产品质量好等特点。

Description

过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种生产氧化铝的工艺方法，特别是一种过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法，属于冶金技术领域。
背景技术
拜耳法生产氧化铝具有流程简单、作业方便、产品质量高的特点。目前全世界生产的氧化铝90％以上是用拜耳法生产的。在拜耳法生产氧化铝的过程中，过饱和铝酸钠溶液添加晶种进行分解反应是重要的工序之一，通常称为“晶种分解工序”，简称“种分工序”，是在过饱和铝酸钠溶液中添加大量的氢氧化铝作为晶种，进行氢氧化铝晶体的诱导结晶和长大，使过饱和铝酸钠溶液分解，分解反应持续35～75h后得到的氢氧化铝浆料，进行液固分离并按颗粒大小进行分级，分解后所得的粗颗粒氢氧化铝经洗涤、脱水后即获得氧化铝产品；细颗粒的氢氧化铝返回分解流程继续用做晶种。因此，晶种分解是控制氧化铝产品技术经济指标的关键工序之一。过饱和铝酸钠溶液晶种分解工序中所采用的设备称为“晶种分解槽”，简称“种分槽或分解槽”，生产过程通常是由几个至十几个种分槽串联在一起进行。
长期以来，在铝酸钠溶液晶种分解工序中，一直采用的是在每个种分槽内整体搅动浆液，即全混流的分解工艺方法。目前普遍应用的是空气全混搅拌分解和机械全混搅拌分解两种方式。采用空气全混搅拌方式的种分槽结构简洁、制造成本低，维护费用少，然而，该方式也存在一些不足之处：a)动力消耗大。由于种分槽槽体高度一般在30米左右，浆液静压很大，因此为满足全混搅拌所需压缩空气的消耗动力也较大。b)种分槽内容易产生结疤，特别槽顶结疤严重，脱落后易堵塞出料管，造成沉槽重大生产事故。c)易产生浆液“短路”、“返混”现象，使刚进入种分槽的低分子比浆液的分解动力下降。d)用空气搅拌时精液吸收其中的CO2使部分苛性碱变为碳酸碱，不利于晶种分解。机械全混搅拌分解方式是在种分槽中竖立设置一个带有多层特殊设计桨叶的机械搅拌装置不间断地进行搅拌。这种强力搅拌虽然可以防止结晶体在分解槽底部沉淀堆积，但铝酸钠溶液流场内产生的剪切力一方面会使氢氧化铝结晶长大过程遭到破坏，造成已结晶长大的氢氧化铝颗粒被破碎、磨蚀、细化，使产品质量下降，不利于砂状氧化铝产品的产出。另外，由于分解槽体积庞大、机械搅拌装置也长达几十米，搅拌负荷较大，因此不仅对搅拌系统的搅拌轴、搅拌桨叶等构件的制造要求较高，而且能耗也较大，制造安装成本昂贵，运行维护费用高。一台直径14米、高35米的种分槽需配置一台75千瓦的搅拌电机和变速箱，成本比较昂贵；而且电机连续运转，不停产、不停止，需要消耗大量电能。多年的生产实践证明，不论是空气全混搅拌还是机械全混搅拌，都会造成上、下层液体之间相互混杂(俗称“短路”)，降低了输送到种分槽内的铝酸钠溶液过饱和度，使反应效率下降；同时强烈的全混流搅动也造成了产品粒度下降。法国皮奇尼铝公司在1985年发明了“无搅拌情况下分解铝酸钠溶液制造氧化铝的方法和设备”(CN85108251A或US4666687)，其采用完全取消搅拌的方法实现了节能，同时减弱了结疤现象，但该发明只适用于圆柱-圆锥形的小型种分槽(1500M3左右)，无法用于大型的平形底、圆弧形底或其他种分槽，而且对铝酸钠溶液的固含也限制在600-700g/l以内，浆料流速也有特别要求，因此，其适用范围受到很大的局限，根本无法满足当前晶种分解技术发展对大容量(4000M3以上)、高固含(800-1000g/l)分解装备的要求，并且由于该发明完全取消了搅拌，在种分槽的底部易产生大量积料，引发沉槽事故，中断生产流程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种节能降耗效果好、分解产出率高、产品质量好的过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法，从而克服上述现有技术的不足。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法。该工艺方法仅在晶种分解槽的底部进行局部搅动，搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态为准，以促进晶种分解槽底部高固含、高分子比铝酸钠溶液的扩散传质，并使晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒不产生沉积。
上述的过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法中，所述的在晶种分解槽底部进行局部搅动可以是采用空气在晶种分解槽的底部进行局部搅动，或者是采用机械装置在晶种分解槽的底部进行局部搅动。但不限于空气搅动、机械搅动等，其目的是让沉降下来的氢氧化铝固体颗粒悬浮起来以及加强对反应后期高分子比浆料的扩散传质和不沉积。
前述的过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法中，所述晶种分解槽的底部形状可以是平形底或锥形底或圆弧形底或多种形状组合形底或其它异形底。其目的是为适合不同容积和几何外形种分槽底部物料的汇集收拢、集中搅动传质后输送出去。
前述的过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法中，所述的在晶种分解槽底部进行局部搅动，具体说是采用空气在晶种分解槽的底部进行局部搅动，即在晶种分解槽的底部区域吹入压缩空气进行搅动。
前述的过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法中，所述的在晶种分解槽底部进行局部搅动，具体说还可以是采用机械装置在晶种分解槽的底部进行局部搅动，即在晶种分解槽的底部区域采用旋转桨叶进行搅动。
前述的过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法中，所述的采用机械装置在晶种分解槽的底部进行局部搅动，准确说，是在每台种分槽的底部区域采用一层旋转桨叶进行局部搅动，搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态，不在晶种分解槽底部产生沉积为准。
本发明的技术原理：本发明采用基于过程特征的方法，通过实验对铝酸钠溶液晶种分解化学反应动力学过程进行研究，并测试计算氢氧化铝晶体长大的表观活化能，分析了搅拌传质作用对反应过程的影响。测得的氢氧化铝长大的表观活化能在60.920kJ/mol。实验结果表明，氢氧化铝晶体长大反应的活化能较高。该结果说明结晶反应以表面反应控制为主导，因此适用于扩散过程的方法(如加强搅拌力度等)对氢氧化铝晶体的结晶反应过程无明显促进作用。相反，提高搅拌强度的结果只能造成已长大晶粒的破碎和磨蚀，从而影响产品质量和浪费能量。总体而言，在溶液分解动力不足的时候，如分子比高时，采用一定的搅拌和适宜的搅拌强度有助于铝酸根阴离子的扩散传质；而在分子比低时，溶液分解动力大，可以减弱或取消搅拌。因此，在反应的过程中，合理配置搅拌位置和采用不同的搅拌方式，将对提高产品产率与质量、减少能耗、降低生产成本有很大帮助，更能提高氧化铝生产企业的经济效益和产品竞争力。特别地，在晶种分解过程的氢氧化铝晶体长大阶段取消或减弱搅拌是可行的。
本发明通过对铝酸钠溶液晶种反应动力学过程和浆料流动特性的研究，提出了在晶种分解过程中无须全混流搅拌浆料，而采用局部搅动平推流分解方式来实现节能的工艺技术路线。一般认为，搅拌能使氢氧化铝晶体颗粒在铝酸钠溶液中保持悬浮状态，保证晶种与溶液有良好的接触，使溶液均匀，加速溶液的分解并使氢氧化铝晶体均匀地长大。本发明通过测定铝酸钠溶液晶种分解的表观活化能发现：工业铝酸钠溶液的晶种分解反应过程是以表面化学反应控制占主导，提高搅拌力度对晶种分解效率影响不大，说明分解效率主要不是取决于扩散过程。因此对于传统的空气全混搅拌、机械全混搅拌以及导流筒全混搅拌等种分过程，可以通过改变整体全混流搅拌为局部搅动平推流分解来实现节能。
本发明的重要突破就是打破了以往在晶种分解过程中需要全混流搅拌的传统工艺技术路线，提出了“局部搅动+平推流”的新工艺方法，即将整体全混流搅拌模式变为局部搅动模式(在晶种分解槽底部)，使晶种分解过程从整个全混流的模式变为近于“平推流”模式。本发明在不采用全混流搅拌方式(不限于空气搅拌和机械搅拌)的前提下，通过在每个晶种分解槽底部区域内采用局部搅动的方式彻底解决了积料，并通过设计合理的空间结构、高效的集料系统和匹配的提料速度实现浆料的正常传输，进而实现整个种分系统的串联反应过程。本发明可减少设备投资、实现节能降耗、有效延长清槽周期、降低维护费用，同时，在一定程度上提高了拜耳法种分产出率和产品质量。
本发明的局部搅动平推流种分槽是一种常压液流操作，液流缓慢、平稳。这种液流不引起搅动，因而可在种分槽中建立起稳定的动力平衡，整个晶种分解过程连续、稳定地进行，晶种分解的两相流动可以看作是稳态过程。浆料在此状态下，在垂直于轴向的每一水平截面上保持恒定的重量比，并沿轴向从上至下逐渐增大，结晶反应的动力学条件完全不同于传统的整体全混搅拌式结晶分解工艺技术，反应状态更接近于间歇反应的理论动力学性质。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下特点：(1)本发明不采用传统整体搅拌的全混流方式，仅在晶种分解槽底部区域采用局部搅动，使在垂直于流动方向上同一横截面内溶液的性质基本保持一致，使溶液的固含、过饱和度沿流动方向呈梯度分布，反应过程中固-液悬浮浆料近似于“平推流”，这样不仅完全避免了返混现象，也完全改变了铝酸钠溶液结晶反应的动力学条件，有利于提高晶种分解反应效率。(2)本发明在晶种分解槽底部区域采用局部搅动的方式，可有效避免积料、瘀堵，为料浆的正常流动传输生产提供保证，实现种分系统多个分解槽的串联反应过程。同时，对于进入晶种分解槽底部反应后期、过饱和度较低的溶液(其分子比αk较高)进行适度的搅动，有利于分解反应过程中的扩散传质，有利于分解率的提高。(3)本发明由于没有强烈的全混流搅拌运动，晶种分解槽内的铝酸钠溶液流场中不存在强力搅拌引起的剪切力，溶液结晶反应能够以似近“平推流”的方式平稳、连续进行而不会引起任何搅动，为晶体的长大、附聚提供了良好的反应条件，因此氢氧化铝晶体长大过程不会遭到破坏，减少了产品颗粒的破碎、磨蚀现象，易于得到粒度较大的氧化铝产品。(4)本发明无需强烈搅动翻滚溶液即可实现结晶反应的连续平稳进行，大大节约了能耗，节省了反应装置的制作和安装成本，减少设备投入和运行成本并改善了产品粒度分布，同时还消除了分解反应槽顶部由于液体剧烈翻滚而造成结垢的弊端，延长了清理周期，具有突出的优点。大型平形底机械搅拌式铝酸钠溶液晶种分解槽目前已成为国内外的主流工艺技术，其中电机和搅拌浆费用高，还需日常维护保养。采用本发明将会使一个设计产能80万吨的氧化铝生产企业节约几千万元的设备投资。
本发明的显著特点是节能降耗，该技术在不影响产品的质量和产量前提下可以实现大幅度降低能耗的目的。与现有喷射空气全混流搅拌分解技术相比，本发明可降低压缩空气耗量达80-90％，与现有机械搅拌全混流搅拌分解技术相比，节约直接电耗30-40％，技术经济指标良好。
本发明的主要技术特点：与现有技术比较，本发明能够满足铝酸钠溶液在固含1000g/l以下N个晶种分解槽串联生产所需的工艺条件。本发明中的铝酸钠溶液以“平推流”流型在种分槽中流动时，每一微元体积里的溶液以相同的速度向前移动，在溶液的流动方向上不存在返混且沿种分槽径向每一个截面上溶液组成在时间进程中变化很小，αk不会被打乱，分解结晶反应连续稳态进行，氢氧化铝结晶颗粒随流动溶液通过集料板时被均匀地分散到底部一个小的面积内后被搅动扬起，再通过提料管道输送出去。由于经过集料后，固体颗粒被集中到底部小范围内，能被有效地输送出去，使底部不易产生物料堆积。同时，这种局部搅拌对底部高分子比的铝酸钠溶液起到了促进局部区域扩散传质的作用，但不影响种分槽上部低分子比铝酸钠溶液的近平推流状态和结晶反应的动力学条件。此外，铝酸钠的分解率和产品质量可得到提高。一方面，反应是在种分槽内等同于活塞加压液流条件下进行的，其反应动力要比充分搅拌成均一介质情况为好；另一方面，种分槽内流场内仅为低剪切力，增加了小粒度氢氧化铝的集聚，有助于得到含小粒子最少的粒度分布。
为验证本发明的技术效果，申请人进行了以下工业试验：在国内某氧化铝厂40万吨种分生产线上采用本发明技术制作了14台锥形底Φ8.2m×29.7m种分槽串联形成一条完整的生产线作为实验组，同时平行的两条采用全混搅拌技术的生产线作为对比组。
统计结果：(1)压缩空气消耗。
经省级节能监测中心测定认证压缩空气消耗量为：实验组压缩空气消耗量平均14.82m3/h，对比组压缩空气消耗量平均205.3m3/h。实验组可节约风量190.48m3/h，节能92.78％。
(2)αk和分解率变化
表1统计分析了各组之间分解率的差别。结果显示，试验组的平均分解率比平行的两个对比组的平均值高出1.55个百分点。
表1本发明与全混搅拌工艺分解率比较
同比条件下，采用本发明的试验组比采用以往整体搅拌、全混流的对比组(1组、2组)的分解率稍高，导致分解率提高的主要因素为：
a)本发明的局部搅动平推流分解方式使种分槽内浆液的αk没有混乱，由上至下有序排布。同时液流缓慢、平稳，不引起剧烈搅动，因而可在种分槽中建立起稳定的动力平衡，使整个晶种分解过程连续、稳定地进行。
b)本发明的平推流种分槽保证了浆液的有效反应路径或时间。由于平推流分解完全避免了浆液的“短路”与“返混”，使进入种分槽中的浆液能充分反应。
c)本发明的平推流分解方式使槽内的有效反应容积增大。平推流种分槽中整个浆液向同一方向流动，槽内没有死区，全部容积均被利用；而在传统的喷射压缩空气全混搅拌式种分槽内，生成乳化状浆液的空气体积没有被利用。
(3)氢氧化铝的粒度分布
在粒度分布方面，采用本发明的局部搅动平推流种分槽(试验组)与传统喷射压缩空气全混搅拌种分槽(对比1组、对比2组)相比在各个分段上的晶粒结晶形貌比较接近，但细粒度晶粒分布减低。
以上试验结果表明，采用本发明的过饱和铝酸钠溶液的分解率有了提高，粒度也得到了改善，得到的氢氧化铝晶体颗粒结晶规整，形状规则，表面细碎粒子黏附较少。而采用传统喷射压缩空气整体搅拌的全混流方式分解产出的延长六边形晶体则棱角破损，边缘折断，表面有大量细碎粒子黏附。这些细碎粒子一方面是由于流场内存在较大剪切力致使晶体破损所致；同时也可能是次生晶核生长黏附于其上。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1。采用圆柱-平形底结构机械搅拌种分槽，每台种分槽直径为14m，高35m，槽体容积4500m3。在每台种分槽的底部区域(或出料末端)采用一层旋转桨叶进行局部搅动，搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态、不在晶种分解槽底部产生沉积为准，其余按氧化铝厂日常生产操作规程要求执行。种分槽出料端的提料速度大于溶液中固体颗粒的干涉沉降末速。提料的方式可采用但不限于压缩空气、机械泵或制造液位差等方式。与原来沿搅拌轴设置多层桨叶(一般五层)的全混搅拌方式相比，该实例仅在靠近种分槽底部的位置配置一层浆叶，不仅减轻了电动机的负荷，降低了用电消耗，而且还降低了旋转轴、轴承等构件的制造难度。
实施例2。采用圆柱-圆锥形底结构空气搅拌种分槽，每台种分槽直径为8.2m，高29.7m，槽体容积1300m3。在每台种分槽的底部区域(或出料末端)吹入压缩空气进行局部搅动，搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态、不在晶种分解槽底部产生沉积为准，其余按氧化铝厂日常生产操作规程要求执行。种分槽出料端的提料速度大于溶液中固体颗粒的干涉沉降末速。提料的方式可采用但不限于压缩空气、机械泵或制造液位差等方式。
实施例3。采用圆柱-多锥底组合空气搅拌种分槽，每台种分槽直径为15m，高35m，槽体容积5500m3；在每台种分槽底部区域的每个锥底(或出料末端)吹入压缩空气进行局部搅动，搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态、不在晶种分解槽底部产生沉积为准，其余按氧化铝厂日常生产操作规程要求执行。种分槽出料端的提料速度大于溶液中固体颗粒的干涉沉降末速。提料的方式可采用但不限于压缩空气、机械泵或制造液位差等方式。
本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1. 一种过饱和铝酸钠溶液晶种分解生产氢氧化铝的工艺方法，其特征在于：仅在晶种分解槽的底部进行局部搅动，使在垂直于流动方向上同一横截面内溶液的性质基本保持一致，使溶液的过饱和度沿流动方向呈梯度变化，反应过程中固-液悬浮浆料近似于“平推流”；搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态为准，以促进晶种分解槽底部高固含、高分子比铝酸钠溶液的扩散传质，并使晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒不产生沉积，进而通过设计合理的提料方式和匹配的提料速度，实现铝酸钠溶液在固含1000g/L以下、N个晶种分解槽串联生产作业，提料的方式采用压缩空气、机械泵或制造液位差，种分槽出料的提料速度大于溶液中固体颗粒的干涉沉降末速；在晶种分解槽底部进行的局部搅动是采用空气在晶种分解槽的底部进行局部搅动，即在晶种分解槽的底部区域吹入压缩空气进行搅动，搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态、不在晶种分解槽底部产生沉积为准；
或者采用机械装置在晶种分解槽的底部进行局部搅动，是在每台种分槽的底部区域采用一层旋转桨叶进行局部搅动，搅动强度以晶种分解槽底部的氢氧化铝颗粒能保持悬浮状态、不在晶种分解槽底部产生沉积为准；
晶种分解槽的底部形状为平形底、锥形底、圆弧形底、多种形状组合形底。
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