CN105776296B - 一种工业硫酸铝生产工艺改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业硫酸铝生产工艺方法，铝土矿粉碎后填充反应床，加热至80‑150℃，浓度c₁为50‑60％硫酸从反应器顶部喷淋；将部分反应器流出液返回塔顶，从喷淋器进入反应器，控制单元根据流出液中硫酸浓度C₂调整反应器流出液返回比例P，当C₂≥35％时停止反应并分离反应混合物，得到滤液A和滤渣B；滤渣B加热煅烧活化1～4小时后冷却至常温；滤渣B加入到反应器中，一次性加入20‑45％硫酸进行反应，硫酸与氧化铝的质量比为2‑4：1，加热温度为80‑150℃，反应10‑30min后停止；反应混合物冷却后进行压滤，得到滤液D和滤渣C；滤液D与A混合后减压蒸馏并冷却后得到固体硫酸铝。本发明的制备硫酸铝生产工艺提高硫酸铝的反应率，并将反应废渣制得白炭黑。

Description

一种工业硫酸铝生产工艺改进方法

技术领域

本发明涉及一种工业硫酸铝生产工艺的改进技术。

背景技术

工业生产硫酸铝是以铝土矿和硫酸为原料，在一定温度和压力下(通常反应温度为135±5℃，压强约为0.3MPa)，铝土矿中的氧化铝与硫酸反应生成硫酸铝。反应后，在硫酸铝溶液中加入聚丙烯酰胺沉降剂沉降残渣(残渣的主要成分是二氧化硅)。沉降后，上清液为一定浓度硫酸铝溶液，与残渣分离后，将其置于蒸发器中加热蒸发到一定浓度，冷却、结晶得到固体硫酸铝。残渣经过洗涤、压滤后废弃。而残渣主要成分二氧化硅没有得到利用。

白炭黑是白色粉末状X-射线无定形硅酸和硅酸盐产品的总称，主要是指沉淀二氧化硅、气相二氧化硅和超细二氧化硅凝胶，也包括粉末状合成硅酸铝和硅酸钙等。白炭黑是多孔性物质，其组成可用SiO₂·nH₂O表示，其中nH₂O是以表面羟基的形式存在。能溶于苛性碱和氢氟酸，不溶于水、溶剂和酸(氢氟酸除外)。耐高温、不燃、无味、无嗅、具有很好的电绝缘性。

发明内容

本发明目的是提供一种工业硫酸铝生产工艺改进方法，控制单元根据反应流出液中的硫酸浓度控制流出液的返回反应器的比例，提高硫酸利用率。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种工业硫酸铝生产工艺方法，包括：

步骤1、将铝土矿粉碎至40～120目后填充反应床，利用反应床底部的加热板加热至80-150℃，浓度为50-60％硫酸从反应器顶部喷淋，喷淋速度为v₁，反应液流出速率为v₂；

步骤2、将部分反应器流出液返回塔顶，从喷淋器进入反应器，控制单元根据流出液中硫酸浓度C₂调整反应器流出液返回比例P：

当C₂＜15％时，返回比例P＝0，流出液直排入储液罐；

当15％≤C₂＜25％时，流出液返回比例P为：

当25％≤C₂＜35％时，流出液返回比例P为：

其中，κ₁为第一回流影响因子，κ₁为第二回流影响因子，v₁为硫酸喷淋速度，v₂为反应液流出速率，c₁为硫酸质量浓度，c₂为流出液中硫酸质量浓度，m₁为铝土矿中氧化铝质量分数；

当C₂≥35％时，停止反应并分离反应混合物，得到滤液A和滤渣B；

步骤3、将滤渣B加热至200～700℃，煅烧活化1～4小时后冷却至常温；

步骤4、将滤渣B加入到反应器中，再一次性加入20-45％硫酸进行反应，硫酸与氧化铝的质量比为2-4：1，加热温度为80-150℃，反应10-30min后停止；反应混合物冷却后进行压滤，得到滤液D和滤渣C；

步骤5：滤液D与A混合后，中和至中性，减压蒸馏并冷却后得到固体硫酸铝。

优选的是，所述滤渣B和滤渣C用酸清洗，再用去离子水清洗直至没有硫酸根离子存在，固体烘干后得到白炭黑。

优选的是，所述步骤1中铝土矿粉碎至40-80目。

优选的是，所述步骤1中加热板加热至80-120℃。

优选的是，所述步骤2中加热温度为450-650℃。

优选的是，所述步骤3中硫酸浓度为20-40％。

优选的是，所述步骤3中硫酸与氧化铝的质量比为2.2-3.3：1。

优选的是，所述步骤3中反应温度为90-110℃。

本发明至少包括以下有益效果：1、铝土矿进行粉碎处理并用喷淋法加入硫酸，增大反应接触面积、提高反应速率；2、将反应器的流出液进行回流，将硫酸再次利用，并根据反应程度调整回流比，提高硫酸的利用率，反应进行的更充分；3、铝土矿进行二次利用，铝土矿煅烧活化后，在常压下与硫酸反应制备硫酸铝，对生产设备要求低，并能够同时制备硫酸铝和白炭黑，残渣得到利用，无废渣产生4、用较低浓度硫酸与活化后滤渣反应，生产成本低，铝土矿煅烧活化后，氧化铝转化率高5、制备固体硫酸铝时，溶剂蒸发量小，节约能量6、洗涤白炭黑的洗涤液可用于配制硫酸溶液，无废液排放7、煅烧后的铝土矿在冷却时，释放的热量可用于给二次反应提供热能，能量得到充分利用。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

具体实施方式

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

步骤1、用粉碎机粉碎铝土矿(氧化铝含量为32.6％、SiO₂含量为65.81％)，过60目筛子后将500kg粉碎的铝土矿填充进反应床，利用反应床底部的加热板加热至120℃，浓度c₁为50％的硫酸从反应器顶部喷淋至反应床，喷淋速度v₁为0.27kg/s，硫酸溶液与铝土矿在反应床充分接触并反应后，反应液以v₂为0.3kg/s的流出速率流出反应床；对流出液中的硫酸浓度进行在线检测，流出液管道中接入硫酸浓度检测仪，并在硫酸浓度检测仪前接入过滤装置将溶液中杂质进行过滤后再进入硫酸浓度检测仪，硫酸浓度检测仪每间隔5分钟检测硫酸浓度C₂，并将硫酸浓度C₂传输至控制单元；

步骤2、控制单元根据流出液中硫酸浓度C₂实时调整流量泵的流量，通过流量泵调整流出液返回比例P，其中，返回比例P定义为流出液中返回反应器的质量与流出液总质量的比值。

5分钟时，检测到硫酸浓度C₂＝3.2％，控制单元控制流出液返回比例P＝0，流出液直排入储液罐；

10分钟时，检测到硫酸浓度为8.09％，控制单元控制流出液返回比例P＝0，流出液直排入储液罐；

15分钟时，检测到硫酸浓度C₂＝13.3％，控制单元控制流出液返回比例P＝0，流出液直排入储液罐；

第20分钟，检测到硫酸浓度C₂＝16.89％，控制单元利用公式(1)计算返回比例P：

其中，κ₁为第一回流影响因子，取值为1.13；v₁为硫酸喷淋速度，单位为kg/s；v₂为反应液流出速率，单位为kg/s；c₁为硫酸质量浓度，％；m₁为铝土矿中氧化铝质量分数，％；c₂为流出液中硫酸质量浓度，％；

此时控制单元通过调节流量泵的流量使返回比例P为16.98％。

第25分钟，检测到硫酸浓度C₂＝23.19％，控制单元利用公式(1)计算返回比例P＝36.8％，此时控制单元通过调节流量泵的流量使返回比例P为36.8％。

第30分钟，检测到硫酸浓度C₂＝27.49％，控制单元利用公式(2)计算返回比例P＝46.7％，此时控制单元通过调节流量泵的流量使返回比例P为46.7％。

其中，κ₂为第二流影响因子，取值为0.97，v₁为硫酸喷淋速度，单位为kg/s；v₂为反应液流出速率，单位为kg/s；c₁为硫酸质量浓度，％；m₁为铝土矿中氧化铝质量分数，％；c₂为流出液中硫酸质量浓度，％；

第35分钟，检测到硫酸浓度C₂＝29％，控制单元利用公式(2)计算返回比例P＝50.8％，此时控制单元通过调节流量泵的流量使返回比例P为50.8％。

第40分钟，检测到硫酸浓度C₂＝31.8％，控制单元利用公式(2)计算返回比例P＝55.6％，此时控制单元通过调节流量泵的流量使返回比例P为55.6％。

第45分钟，检测到硫酸浓度C₂＝33.02％，控制单元利用公式(2)计算返回比例P＝57.8％，此时控制单元通过调节流量泵的流量使返回比例P为57.8％。

第50分钟，检测到硫酸浓度C₂＝34.5％，控制单元利用公式(2)计算返回比例P＝60.4％，此时控制单元通过调节流量泵的流量使返回比例P为60.4％。

第55分钟，检测到硫酸浓度C₂＝35.79％，停止反应并分离反应混合物，得到约为935KG滤液A和约375kg滤渣B。

步骤3、将滤渣B加热至550℃，煅烧活化2小时后冷却至常温；

步骤4、将滤渣B加入到反应器中，再一次性加入20％硫酸进行反应，硫酸与氧化铝的质量比为2.2：1，加热温度为110℃，反应30min后停止；反应混合物冷却后进行压滤，得到滤液D和滤渣C；

步骤5：滤液D与A混合后，中和至中性，减压蒸馏并冷却后得到固体硫酸铝498kg。

步骤6：滤渣B和滤渣C用酸清洗，再用去离子水清洗直至没有硫酸根离子存在，固体烘干后得到白炭黑。

对比例1

步骤1、用粉碎机粉碎铝土矿(氧化铝含量为32.6％、SiO₂含量为65.81％)，过60目筛子后将500kg粉碎的铝土矿填充进反应床，利用反应床底部的加热板加热至120℃，浓度c₁为50％的硫酸从反应器顶部喷淋至反应床，喷淋速度v₁为0.27kg/s，硫酸溶液与铝土矿在反应床充分接触并反应后，反应液以v₂为0.3kg/s的流出速率流出反应床；对流出液中的硫酸浓度进行在线检测，流出液管道中接入硫酸浓度检测仪，并在硫酸浓度检测仪前接入过滤装置将溶液中杂质进行过滤后再进入硫酸浓度检测仪，硫酸浓度检测仪每间隔5分钟检测硫酸浓度C₂，并将硫酸浓度C₂传输至控制单元；

步骤2、控制单元将整个反应过程的流出液返回比例P固定为50.8％，在反应过程中检测的流出液中硫酸浓度C₂汇总于表一：

表一 流出液硫酸浓度汇总表

步骤3、将滤渣B加热至550℃，煅烧活化2小时后冷却至常温；

步骤4、将滤渣B加入到反应器中，再一次性加入20％硫酸进行反应，硫酸与氧化铝的质量比为2.2：1，加热温度为110℃，反应30min后停止；反应混合物冷却后进行压滤，得到滤液D和滤渣C；

步骤5：滤液D与A混合后，中和至中性，减压蒸馏并冷却后得到固体硫酸铝498kg。

步骤6：滤渣B和滤渣C用酸清洗，再用去离子水清洗直至没有硫酸根离子存在，固体烘干后得到白炭黑。

比较实施例1和对比例1：实施例1反应开始时，因硫酸与上层氧化铝充分接触，硫酸溶液中硫酸的反应率较高使流出液中硫酸浓度较低，但随着反应进行，硫酸与下层氧化铝接触面积减小，导致硫酸溶液中硫酸的反应率变低，流出液中硫酸浓度逐渐升高，当达到15％时将部分流出液按一定比例返回至喷淋器，进一步降低喷淋器中硫酸浓度，当反应率相同的条件下提高硫酸的利用率，并通过控制器智能调整返回比例，返回比例随着流出液中的硫酸浓度增大而增大，进一步提高硫酸的利用率。在对比例1中，将整个反应过程的硫酸返回比例固定为一定数值，在反应开始时，流出液的硫酸浓度低，部分返回的流出液大大降低了喷淋器中硫酸浓度，低浓度的硫酸使反应速率降低，硫酸的利用率也降低，而随着反应的进行，流出液中的硫酸浓度有所增高，反应率有所增高，但较之实施例1中的增高幅度小，并导致反应时间延长，硫酸的用量增大而利用率降低。

如上所述，本发明具有如下有益效果：1、采用粉碎后的铝土矿和用喷淋法加入硫酸，增大反应接触面积、提高反应速率；2、进一步将反应液回流，将反应液中硫酸再次利用，并用回流比计算公式计算回流比，提高硫酸的利用率，反应进行的更充分；3、铝土矿进行二次利用，铝土矿煅烧活化后，在常压下与硫酸反应制备硫酸铝，对生产设备要求低，并能够同时制备硫酸铝和白炭黑，残渣得到利用，无废渣产生4、用较低浓度硫酸与活化后滤渣反应，生产成本低，铝土矿煅烧活化后，氧化铝转化率高5、制备固体硫酸铝时，溶剂蒸发量小，节约能量6、洗涤白炭黑的洗涤液可用于配制硫酸溶液，无废液排放7、煅烧后的铝土矿在冷却时，释放的热量可用于给二次反应提供热能，能量得到充分利用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (6)

1.一种工业硫酸铝生产工艺方法，其特征在于，包括：

步骤1、将铝土矿粉碎至40～120目后填充反应床，利用反应床底部的加热板加热至80-150℃，浓度c₁为50-60％硫酸从反应器顶部喷淋，喷淋速度为ν₁，反应液流出速率为ν₂；

步骤2、将部分反应器流出液返回塔顶，从喷淋器进入反应器，控制单元根据流出液中硫酸浓度C₂调整反应器流出液返回比例P：

当C₂＜15％时，返回比例P＝0，流出液直排入储液罐；

当15％≤C₂＜25％时，流出液返回比例P为：

$P={\mathrm{\κ}}_{1}ln(\frac{v_1}{v_2}+0.357)\×\frac{c_2}{m_1\×c_1}$

当25％≤C₂＜35％时，流出液返回比例P为：

$P={\mathrm{\κ}}_{2}ln(\frac{v_1}{v_2}+0.643)\×\frac{c_2}{m_1\×c_1}$

其中，κ₁为第一回流影响因子，κ₂为第二回流影响因子，ν₁为硫酸喷淋速度，ν₂为反应液流出速率，c₁为硫酸质量浓度，c₂为流出液中硫酸质量浓度，m₁为铝土矿中氧化铝质量分数；

当C₂≥35％时，停止反应并分离反应混合物，得到滤液A和滤渣B；

步骤3、将滤渣B加热至200～700℃，煅烧活化1～4小时后冷却至常温；

步骤4、将滤渣B加入到反应器中，再一次性加入20-45％硫酸进行反应，硫酸与氧化铝的质量比为2-4：1，加热温度为80-150℃，反应10-30min后停止；反应混合物冷却后进行压滤，得到滤液D和滤渣C；

步骤5：滤液D与A混合后，中和至中性，减压蒸馏并冷却后得到固体硫酸铝。

2.如权利要求1所述的工业硫酸铝生产工艺方法，其特征在于，所述滤渣B和滤渣C用酸清洗，再用去离子水清洗直至没有硫酸根离子存在，固体烘干后得到白炭黑。

3.如权利要求1或2所述的工业硫酸铝生产工艺方法，其特征在于，所述步骤1中铝土矿粉碎至40-80目。

4.如权利要求3所述的工业硫酸铝生产工艺方法，其特征在于，所述步骤1中加热板加热至80-120℃。

5.如权利要求4所述的工业硫酸铝生产工艺方法，其特征在于，所述步骤2中加热温度为450-650℃。

6.如权利要求5所述的工业硫酸铝生产工艺方法，其特征在于，所述步骤4中硫酸浓度为20-40％。