氧化铝生产过程高压溶出部分

图2.1 直接加热高压溶出设备流程

A- 原矿浆分料箱；B-原矿浆槽；C-泵进口空气室；D-泵出口空气室；E-油压泥浆泵 F-双程预热器；H-自蒸发器；I-溶出矿浆缓冲器；J-赤泥洗液高位槽；K-冷凝水自蒸发器；P、Q-去加热赤泥滤液；L-高压蒸汽缓冲器；N-不凝性气体排出管；G-原矿浆道；M-乏气管道；S-减压阀；1、2-加热溶出器；3~10-反应溶出器 2.2 数学模型的建立

2.2.1 高压溶出的技术条件目前规定如下：

矿浆预热温度为140～150℃； 1溶出器压力28±0.5公斤/厘米2； 3溶出器温度241±1℃；

蒸汽缓冲器和1#溶出器压力差3～5公斤/厘米 首尾溶出器压力差应低于2.0公斤/厘米； 溶出后溶出液苛性比值不大于1.62； 第一自蒸发器工作压力8～12公斤/厘米；

第二自蒸发器工作压力0.8～1.0公斤/厘米。其中溶出压力、温度和溶出时间为主要技术条件。

2.2.2 溶出质量的指标

溶出的质量指标主要是溶出率和溶出液的苛性比值。这些指标的好坏取决于高压溶出技术操作和配料的正确程度。

222

2

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原矿浆是由一定量的矿石配以适量的苛性碱（循环母液）和石灰组成，配料的目的就是要在溶出过程中，使铝土矿中的氧化铝尽可能充分地溶出成为铝酸钠溶液，并使溶出的铝酸钠溶液具有要求的苛性比值；以保持必要的稳定性。

前面已经说明，在高压溶出过程中，氧化硅转变为不溶性的铝硅酸钠和铝硅酸钙，氧化钛转变为不溶性的钛酸钙，而碳酸根（CO3）与苛性钠结合成碳酸钠（即发生反苛化反应），配入的苛性碱数量和石灰数量都必须满足这些反应的需要。

溶出后的铝酸钠溶液的苛性比值（αk）可按下式计算：

NK （1） A102式中： 1.645 — Al2O3和Na2O苛的分子量比值，即

62?K?1.645?NK — 溶出液中的苛性氧化钠浓度，克/升； A — 溶出液中的氧化铝浓度，克/升。

如果要求溶液的稳定性越打，就应该使溶出液的苛性比值越高，配入的苛性碱量也就应该越多。

溶出液苛性比值是拜耳法生产的一项重要技术经济指标。此值由工厂根据具体生产条件确定。它不能太低，否则不能防止溶出液中的氧化铝的水解损失；但它也不能太高，不然就会使后来的分解作业困难，循环效率降低。

由于氧化硅和碱生成铝硅酸钠，矿石中有1公斤的氧化硅就要配入M（M值是根据溶出赤泥实际成份确定的）公斤的苛性氧化钠。此外，在溶出过程中由于反苛化反应和机械损失的苛性碱，也应该在配料时加入。

当矿石中有1个分子的氧化钛就需要配入2个分子的氧化钙，即按钙钛分子比添加石灰。 由于配料时加入的苛性碱不是纯苛性氧化钠，而是生产中的循环母液――经过蒸浓的种分母液，循环母液中本来就含有一定数量的氧化铝（α），如果要求溶出液的苛性比值为α

k，那么这一部分氧化铝就要求有

a??K的苛性氧化钠与之配合，剩下的苛性氧化钠才可

1.645以用来处理矿石的。在生产中将前者称为惰性碱，后者称为有效碱（以符号n表示）。循环母液中的有效的苛性氧化钠可以用下式计算：

n?NK??K?式中

a 1.645 n — 循环母液中有效的苛性氧化钠，克/升； NK — 循环母液中苛性氧化钠浓度，克/升； αK — 技术规程规定的溶出液苛性比值； a — 循环母液中氧化铝浓度，克/升。

配碱的目的，就是要在一定的溶出技术条件下达到技术规程规定的氧化铝溶出率和溶出液苛性比值。检查配碱的准确程度，就是看溶出液苛性比值是否在规定的控制范围以内。配碱正常时，溶出率达到规定指标，而苛性比值偏高时，则说明配碱量过多；当溶出技术操作条件正常，但溶出率低于控制指标，苛性比值却不高则说明配碱量不足。

高压溶出操作供应定时查看原矿浆的成分。根据原矿浆的固体和液体分析结果——主要是矿石铝硅比、苛性氧化钠浓度、CaO成分、液固比，来判断配碱和配钙的情况，以便及时调整溶出的技术操作条件。

氧化铝的溶出率按下式计算：

??AS?赤泥B???1??AS?矿石?式中：

???100% （2） ??B — 氧化铝溶出率，%；

赤泥的铝硅重量比； 铝土矿的铝硅重量比。

?AS?赤泥 — ?AS?矿石 —

将溶出后的赤泥A/S值代入上式算得出溶出率；将洗涤后的赤泥A/S值代入上式算得净溶出率；将硅渣中理论的铝硅比（A/S=1.0）值代入则得理论溶出率。

按照A/S计算的初溶出率比实际的要低（差值与溶出条件有关），因为铝土矿中的氧化硅有部分已转入溶液，使赤泥铝硅比偏高，但经过稀释和分离工序进一步脱硅后，铝土矿中的氧化硅实际已全部进入赤泥，故按A/S计算的净溶出率是很接近实际情况。如果铝土矿含铁较高时，应该用铝铁重量比代替铝硅比来计算溶出率。

相对溶出率按下式计算：

?相?2.2.3 溶出速度

B实B理?100% （3）

拜耳法铝土矿溶出属于多相反应。其特征是反应过程发生于两相（矿粒与碱液）的界面上。两相接触界面上的OH，由于不断反应而逐渐消耗，在靠近矿粒表面的溶液中的OH浓度显著降低。同时，在这一层中的反应产物Al(OH)4或AlO(OH)2的浓度则近于饱和，形成扩散层。因而新的Na及OH不断地通过扩散层向固相（矿粒）表面移动，与氧化铝水合物反应；而反应产物Al(OH)4或AlO(OH)2则不断地通过扩散层向外移动（离开矿粒），使反应能继续进行。

因此，铝土矿的溶出过程可以分为下列几个步骤。 1.循环母液湿润矿粒的表面； 2.与氧化铝水合物反应；

--+

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3.形成NaAl(OH)4或NaAlO(OH)2的扩散层；

4. Al(OH)4或AlO(OH)2从扩散层扩散出来，而OH则从溶液中扩散到固相接触面上。 对于铝土矿溶出来说，第二步骤（化学反应）和第四个步骤（扩散）在一定条件下起主导作用。

搅拌矿浆可以使铝土矿粒子周围的扩散层的厚度减小，从而使扩散速度加快。当搅拌十分强烈时，扩散步骤也就可能不再是限制溶出速度的因素。

温度升高使扩散速度和化学反应速度都加快，但常温下的试验结果表明：温度增加10，扩散速度提高不过30%，而化学反应速度可以提高一倍或二倍。

至于多项反应，当温度升高时，多相反应的速度常常比扩散速度增加的更快，从而反应处在这种情况下扩散过程不是限制性步骤。但是，当温度进一步升高，化学反应速度已经超过扩散速度，这时只有提高扩散速度才能提高多相反应的速度，例如在管道化溶出中就是这种情况。

溶出速度可以用下式表示：

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Vt?P式中

T?S?C饱?C溶? ???Vt — 某一瞬间的溶出速度；

T — 绝对温度； P — 常数； μ — 粘度； δ — 扩散层厚度；

S — 两相接触表面的大小（即矿粒的比表面积）；

C饱 — 氧化铝在碱液中的饱和浓度（即氧化铝于循环母液中的溶解度）； C溶 — 该一瞬间溶液的氧化铝浓度。

溶出过程中每一瞬间的溶出速度都不相同，许多个瞬间溶出速度（Vt）之和的平均值就是平均溶出速度V，在溶出时间t内溶出的氧化铝数量a按下式计算：

a?V?t

高压溶出过程是一个复杂的反应过程，影响反应速度的因素有一些还没有研究清楚。上列方程式只能反应溶出过程的一般规律。溶出速度影响着溶出过程的三个重要指标：氧化铝溶出率，溶出器生产能力及溶出液的苛性值（αK）。所以，如何提高溶出速度是氧化铝生产中的一个重要技术问题。 2.3 控制系统组成 2.3.1 检测仪表