CN110639463A - 一种生产干法氟化铝的集约式氟化反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，由Ⅰ段氟化反应器和与之连接的Ⅱ段氟化反应器组成，氢氧化铝高位料仓依次通过第一氮气密封室、螺旋给料机、密封室连接所述Ⅰ段氟化反应器的入口；所述Ⅰ段氟化反应器通过流态化逆向输送管连接Ⅱ段氟化反应器。氟化铵高位料仓通过第二氮气密封室、氟化铵螺旋给料热解器连接所述Ⅱ段氟化反应器，所述Ⅱ段氟化反应器的出料口连接氮封卸料器。本发明是针对我国目前干法氟化铝、无水氟化铝生产工艺所存在的不足而开发的一种新型氟化反应器。该反应器缩短了干法氟化铝生产流程、有利亍保障产品质量、确保生产过程无害化，适合于以氢氧化铝和氟化铵/氟化氢铵为原料生产干法氟化铝产品。
Description
技术领域
本发明属于氟化铝制备设备技术领域，具体涉及一种生产干法氟化铝的集约式氟化反应器。
背景技术
氟化铝是一种重要的无机化工原料，主要用做电解铝助剂、陶瓷助溶剂、酒精发酵抑制剂、非金属冶炼溶剂等。无水氟化铝为砂状粉末，湿法氟化铝为白色粉末，系针晶状结晶。目前我国氟化铝生产中常见的工艺包括干法和湿法两种，其中干法又分为传统工艺和无水工艺。不同生产方法生产的氟化铝化学物理性质差别很大，直接影响电解生产的操作、指标、产品质量和环境。
湿法氟化铝以30%氢氟酸为氟源，以工业氢氧化铝或硫酸铝、氯化铝为铝源反应生成AlF3·3H2O，再经分离、洗涤、干燥制备氟化铝产品。该工艺虽生产流程短，但存在着处理成本高、产品杂质含量高、流动性差、附加值低以及环保性差的缺点。因此该工艺已于2004年被《国家产业结构调整指导目录》列入淘汰的工艺方法序列。
干法氟化铝以由萤石与硫酸反应制得的80~99%氟化氢气体和工业氢氧化铝为原料，在流化床反应器中经高温气固反应生成氟化铝产品。该工艺因为产品质量好，并且在制备过程中不会造成二次污染，使其具有较为明显的竞争优势，因此在我国一些大型的炼铝厂中的应用最为普遍。该工艺过程生产设备包括氟化氢发生器、硫酸调配系统、洗气系统、流化床反应器、紧急吸收系统、正负压系统等，生产过程核心设备是氟化氢发生器和流化床反应器。生产过程需先制得氟化氢气体，再将氟化氢气体净化后送入流化床反应器与氢氧化铝反应制得氟化铝。该工艺对氢氧化铝的流动性有较高要求且反应条件苛刻，存在着工艺流程长、设备投资高、生产成本高等缺点。
无水氟化铝是在干法的基础上发展起来的，该工艺将含量80~99%的氟化氢气体液化后气化，脱除其中的水等杂质，制得含量在99.9%的以上的无水氟化氢，再以无水氟化氢与工业氢氧化铝在流化床反应器中进行反应制得无水氟化铝产品。该工艺过程生产设备包括氟化氢发生器、硫酸调配系统、洗气系统、氟化氢气体液化装置、氟化氢气化装置、流化床反应器、紧急吸收系统、正负压系统等，虽然所得产品质量优于湿法工艺、干法工艺所得氟化铝产品，而且深受电解铝行业欢迎，但同样存在着工艺流程长、设备投资高、生产成本高等缺点。
发明内容
针对我国目前干法氟化铝、无水氟化铝生产工艺所存在的不足，为缩短生产流程、保障产品质量、确保生产过程无害化，本发明提出了一种生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，该反应器适合于以氢氧化铝和氟化铵/氟化氢铵为原料生产干法氟化铝产品。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，其特征为：由Ⅰ段氟化反应器和与之连接的Ⅱ段氟化反应器组成，氢氧化铝高位料仓依次通过第一氮气密封室、螺旋给料机、密封室连接所述Ⅰ段氟化反应器的入口；所述密封室与Ⅰ段氟化反应器为一体结构， 所述氮气密封室连接第一氮气输入管道，Ⅰ段氟化反应器首端设有反应尾气出口；所述Ⅰ段、Ⅱ段氟化反应器的筒体为滚筒式结构，所述筒体内腔为氟化反应室，筒体内壁设有扬板，筒体外壁设有加热室，所述加热室具有加热气体入口和出口，筒体由驱动装置驱动其旋转；所述Ⅰ段氟化反应器通过流态化逆向输送管连接Ⅱ段氟化反应器的密封室，流态化逆向输送管与密封室之间设有机械密封结构，所述Ⅱ段氟化反应器的加热室内设有加热器和热气出口，所述热气出口通过管道连接Ⅰ段氟化反应器加热室的加热气体入口；氟化铵高位料仓通过第二氮气密封室、氟化铵螺旋给料热解器连接所述Ⅱ段氟化反应器，所述第二氮气密封室连接第二氮气输入管道；所述Ⅱ段氟化反应器的进料口侧也设有密封室，通过密封室连接氮封卸料器，所述氮封卸料器通过控制阀连通有第三氮气输入管道。
所述Ⅰ段氟化反应器的倾角角度为1~5°。
所述密封室的密封方式为动力密封、机械密封、水封或油封结构。
所述螺旋给料机变频调速，通过调整输送机运转速度，对加料速度进行调整；所述氟化铵螺旋给料热解器为变频调速，其出口伸入到Ⅱ段氟化反应器的氟化反应室1/3~2/5处。
所述扬板在反应室内壁按15~36°角等距均布，扬板具有直板段和折板段，折板与扬板呈90~120°角。
所述加热器为燃气加热器或电加热器，以燃气或电为热源对Ⅱ段氟化反应器进行加热。
Ⅰ段氟化反应器和Ⅱ段氟化反应器筒体转速为0.5~5r/min，反应系统压力-0.01~-0.09MPa。
该干法氟化铝的集约式氟化反应器，结合生产使用过程对其结构的说明：
启动Ⅱ段氟化反应器，用燃烧器（也可以电加热管加热）对Ⅱ段氟化反应器窑体进行加热，其他配套设施同步启动。当Ⅱ段、Ⅰ段氟化反应器反应室内的温度达到预定值时，分别启动Ⅰ段氟化反应器进料口的螺旋给料机和Ⅱ段氟化反应器加料口的氟化铵螺旋给料热解器，按照化学计量以特定流速、流量将经干燥的、不含游离水的氢氧化铝和氟化铵分别加入到Ⅰ段氟化反应器和Ⅱ段氟化反应器中。
进入到Ⅰ段氟化反应器的氢氧化铝与来自Ⅱ段氟化反应器的气体（反应启动后为氟化氢和氨的混合气体，以下简称混合气体）接触，首先利用高温使氢氧化铝脱水转化为氧化铝，再与混合气体中的氟化氢反应生成氟化铝。此阶段氟化率约为总反应量的60%，即有60%的氢氧化铝/氧化铝转化为氟化铝。
进入到Ⅱ段氟化反应器的氟化铵，在氟化铵螺旋给料热解器推进过程部分受热分解为氟化氢和氨的混合气体，部分仍然维持氟化铵固相。所述氟化铵固相和混合气体走出氟化铵螺旋给料热解器的出口后，混合气体中的氟化氢与来自Ⅰ段氟化反应器的固体反应物接触，继续进行氟化反应。氟化铵固相与来自Ⅰ段氟化反应器的固体反应物混合，并在500~600℃条件下进行热解反应，生成氟化氢和氨的混合气体，混合气体中的氟化氢也迅速与固体反应物中的氧化铝/氢氧化铝反应，生成氟化铝。
Ⅱ段氟化反应器未充分反应的氟化氢气体连同氨气经流态化逆向输料管进入到Ⅰ段氟化反应器中，与由螺旋给料机加入的氢氧化铝/氧化铝反应，使所加入的氢氧化铝大部分（约60%）转化为氟化铝。
在Ⅰ段、Ⅱ段氟化反应器中，固体物料由安装于反应器内的扬板通过扬散实现物料的流态化，并与混合气体中的氟化氢充分接触并发生氟化反应。在Ⅰ段、Ⅱ段氟化反应器中，与固体物料（氢氧化铝或氧化铝）发生反应的是氟化氢，混合气体中的氨不与所述物料发生反应。所述氨以气态依次由Ⅱ段氟化反应器进入Ⅰ段氟化反应器，再由Ⅰ段氟化反应器的反应尾气出口通过管道依次经过冷却、除尘后进入氟硅酸氨化反应器，作为氟硅酸氨化过程的氨化剂使用。由Ⅰ段氟化反应器进入的固体物料（氢氧化铝/氧化铝）经脱水及初步氟化反应后进入Ⅱ段氟化反应器，经充分氟化转化为氟化铝，再由安装于Ⅱ段氟化反应器尾部的充氮卸料器排出，经冷却、包装制得氟化铝产品。
由于Ⅰ段氟化反应器中的氟化氢气体与氢氧化铝/氧化铝之间的反应是放热反应，反应过程所释放的热量足以满足此段氟化反应对热量的需要，因此在正常运行情况下，无需利用Ⅱ段氟化反应器加热室所产生的高温尾气进行加热。但在生产启动时，由于Ⅱ段氟化反应器加热室的热气出口连接Ⅰ段氟化反应器加热室的加热气体入口，可将Ⅱ段氟化反应器加热室所产生的高温尾气引入到Ⅰ段氟化反应器加热室中，作为热源引发Ⅰ段氟化反应。反应进入正常状态后，Ⅱ段氟化反应器加热室所产生的高温尾气引入氢氧化铝和氟化铵干燥工序用作热源。
在物料进出口加装有氮气密封装置，在反应器的进料口和出料口位置及与筒体连接部位加装有密封室，可有效避免气体(氨与空气)混合，防止氨气爆炸事故的发生。Ⅱ段氟化反应器出料口安装有充氮卸料器12，以避免在氟化铝出料过程因空气进入而与反应室内的氨气形成混合，使氨浓发生变化造成爆炸危险。
在Ⅰ段氟化反应器和Ⅱ段氟化反应器之间安装有流态化逆向输料管，在输料管中Ⅰ段氟化反应器排出的物料由Ⅰ段氟化反应器流向Ⅱ段氟化反应器，Ⅱ段氟化反应器所产生的氟化氢和氨的混合气体逆向进入Ⅰ段氟化反应器反应室。所述流态化逆向输料管在Ⅱ段氟化反应器入口端安装有机械密封，以避免运转过程空气混入。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1、将氢氧化铝和氟化铵固体将入到所述集约式氟化反应器中，在同一装置中完成氟化反应，实现了氟化铝生产过程的集约化、简短化，缩短了工艺流程，节约了设备投资。
2、因实现了氢氧化和氟化铵固体间的直接反应，因此无需再进行氟化氢气体的制备，不需再另行投资建设氟化氢气体生产装置、硫酸调配装置、气体净化化装置等。
3、避免了硫酸的使用。
4、通过所述装置，实现了对氨气的循环利用，以氨气为氨化剂处理氟硅酸，所得氟化铵返回所述集约式氟化反应器用作氟化剂，极大的降低的生产成本，实现了生产过程氨的全封闭循环利用。
5、所述集约式氟化反应器，解决了以氟化铵为氟源生产氟化铝过程氨浓度控制技术难题，避免了氨爆事故的发生，提高了生产过程的安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为扬板的布置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示的一种生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，由Ⅰ段氟化反应器和与之连接的Ⅱ段氟化反应器组成，氢氧化铝高位料仓1依次通过第一氮气密封室2、螺旋给料机3、密封室4连接所述Ⅰ段氟化反应器的入口。所述密封室4与Ⅰ段氟化反应器为一体结构，Ⅰ段氟化反应器首端设有反应尾气出口，生产氟化铝所需要的氢氧化铝从Ⅰ段氟化反应器加料口加入。所述螺旋给料机3变频调速，通过调整输送机运转速度，对加料速度进行调整。所述氮气密封室2连接第一氮气输入管道，在设备运行过程应连续不断地通入适量氮气，以避免空气进入与反应室内所产生的氨气混合，使氨浓进入爆炸限。所述Ⅰ段氟化反应器的筒体为滚筒式结构，倾角角度为1~5°，所述筒体内腔为氟化反应室7，筒体内壁设有扬板14，如图2所示，所述扬板14在反应室内壁按15~36°角等距均布，扬板具有直板段和折板段，折板与扬板呈90~120°角。进入到Ⅰ段氟化反应器的氢氧化铝与来自Ⅱ段氟化反应器的气体（反应启动后为氟化氢和氨的混合气体，以下简称混合气体）接触，首先利用高温使氢氧化铝脱水转化为氧化铝，再与混合气体中的氟化氢反应生成氟化铝。此阶段氟化率约为总反应量的60%，即有60%的氢氧化铝/氧化铝转化为氟化铝。Ⅰ段氟化反应器所排出的反应尾气在密闭和负压条件下被依次引入冷却器、除尘器，并最终进入氟硅酸氨化反应器。筒体外壁设有加热室6，所述加热室6具有加热气体入口和出口，筒体由驱动装置5驱动其旋转。运行时，Ⅰ段氟化反应器筒体转速为0.5~5r/min，反应系统压力-0.01~-0.09MPa。所述Ⅰ段氟化反应器通过流态化逆向输送管8连接Ⅱ段氟化反应器的密封室4，所述密封室4的密封方式为动力密封、机械密封、水封或油封结构。流态化逆向输送管8将输料管中Ⅰ段氟化反应器排出的物料由Ⅰ段氟化反应器流向Ⅱ段氟化反应器，Ⅱ段氟化反应器所产生的氟化氢和氨的混合气体逆向进入Ⅰ段氟化反应器反应室。所述流态化逆向输料管8在Ⅱ段氟化反应器入口端安装有水冷保护的机械密封，以避免运转过程空气混入。
Ⅱ段氟化反应器的筒体为滚筒式结构，所述筒体内腔为氟化反应室7，筒体内壁设有扬板14，如图2所示，所述扬板14在反应室内壁按15~36°角等距均布，扬板具有直板段和折板段，折板与扬板呈90~120°角。筒体外壁设有加热室6，所述Ⅱ段氟化反应器的加热室6内设有加热器13和热气出口，所述加热器为燃气加热器13或电加热器，以燃气或电为热源对Ⅱ段氟化反应器进行加热。Ⅱ段氟化反应器的筒体作为反应室，所述氟化铵固相和混合气体走出氟化铵螺旋给料热解器10的出口后，混合气体中的氟化氢与来自Ⅰ段氟化反应器的固体反应物接触，继续进行氟化反应。氟化铵固相与来自Ⅰ段氟化反应器的固体反应物混合，并在加热温度条件下进行热解反应，生成氟化氢和氨的混合气体，混合气体中的氟化氢也迅速与固体反应物中的氧化铝/氢氧化铝反应，生成氟化铝。所述热气出口通过管道连接Ⅰ段氟化反应器加热室的加热气体入口，Ⅱ段氟化反应器加热时所产生的高热尾气通过管道被引入到Ⅰ段氟化反应器加热室6中，在反应启动阶段作为Ⅰ段氟化反应器的引发热源；设备正常运行后，Ⅰ段氟化反应器依靠反应室内氟化反应所产生的反应热维持并满足该段氟化反应所需要的热量。Ⅱ段氟化反应器燃烧所产生的高温尾气被引入到氟化铵、氢氧化铝干燥系统用作干燥热源。氟化铵高位料仓9通过第二氮气密封室、氟化铵螺旋给料热解器10连接所述Ⅱ段氟化反应器。所述氟化铵螺旋给料热解器10为变频调速，其出口伸入到Ⅱ段氟化反应器的氟化反应室1/3~2/5处。生产反应所需的氟化铵从氟化铵高位料仓9送入至Ⅱ段氟化反应器加料口。氟化铵螺旋给料热解器10采用蒙乃尔合金、因科镍合金及其它高镍合金制作，采用变频调速。
所述第二氮气密封室连接第二氮气输入管道；所述Ⅱ段氟化反应器的进料口侧也设有密封室，通过密封室连接氮封卸料器12，以避免在氟化铝出料过程因空气进入而与反应室内的氨气形成混合，使氨浓发生变化造成爆炸危险。所述氮封卸料器12通过控制阀连通有第三氮气输入管道。
本发明结构中，除设备组成中的氢氧化铝高位料仓1、第一氮气密封室2、密封室4、由驱动装置5、氟化铵高位料仓9、氮封卸料器12 、加热器13 以外的所有与物料接触的部位均采用蒙乃尔合金、因科镍合金或其它高镍合金，也可以采用304、316L、310、321不锈钢。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，其特征在于：反应器由Ⅰ段氟化反应器和与之连接的Ⅱ段氟化反应器组成；氢氧化铝高位料仓依次通过第一氮气密封室、螺旋给料机、密封室连接所述Ⅰ段氟化反应器；所述氮气密封室连接第一氮气输入管道，所述密封室与Ⅰ段氟化反应器为一体结构，Ⅰ段氟化反应器首端设有反应尾气出口；所述Ⅰ段、Ⅱ段氟化反应器的筒体为滚筒式结构，所述筒体内腔为氟化反应室，筒体内壁设有扬板，筒体外壁设有加热室，所述加热室具有加热气体入口和出口，筒体由驱动装置驱动其旋转；所述Ⅰ段氟化反应器通过流态化逆向输送管连接Ⅱ段氟化反应器的密封室，流态化逆向输送管与密封室之间设有机械密封，所述Ⅱ段氟化反应器的加热室内设有加热器和燃烧尾气出口，所述燃烧尾气出口通过管道连接Ⅰ段氟化反应器加热室的加热气体入口；氟化铵高位料仓通过第二氮气密封室、氟化铵螺旋给料热解器连接所述Ⅱ段氟化反应器，所述第二氮气密封室2连接第二氮气输入管道；所述Ⅱ段氟化反应器的进料口侧也设有密封室，通过密封室连接Ⅱ段氟化反应器筒体和氮封卸料器，所述氮封卸料器通过控制阀连通有第三氮气输入管道。
2.如权利要求1所述的生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，其特征在于：所述Ⅰ段氟化反应器的倾角角度为1~5°。
3.如权利要求1所述的生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，其特征在于：Ⅰ段氟化反应器和Ⅱ段氟化反应器筒体转速为0.5~5r/min，反应系统压力-0.01~-0.09MPa。
4.如权利要求1所述的生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，其特征在于：所述密封室的密封方式为动力密封、机械密封、水封或油封结构。
5.如权利要求1所述的生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，其特征在于：所述螺旋给料机变频调速，通过调整输送机转速对加料速度进行调整；所述氟化铵螺旋给料热解器为变频调速，其出口伸入到Ⅱ段氟化反应器的氟化反应室1/3~2/5处。
6.如权利要求1所述的生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，其特征在于：所述扬板在反应室内壁按15~36°角等距均布，扬板具有直板段和折板段，折板与扬板呈90~120°角。
7.如权利要求1所述的生产干法氟化铝的集约式氟化反应器，其特征在于：所述加热器为燃气加热器或电加热器，以燃气或电为热源对Ⅱ段氟化反应器进行加热。
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