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1、年产700吨氧化铝的车间工艺设计 摘要：本设计为年产700吨氧化铝的车间工艺设计，介绍了含氧化铝量为28%的高岭土类矿石在盐酸的作用下浸出，在萃取分离后经与氨水反应生成氢氧化铝，后经煅烧生成氧化铝。根据设计要求，对生产原理和工艺流程进行了选择和论证，对整个装置进行了物料衡算和热量衡算，对主要设备进行了设计和选型，同时对本装置的安全生产与三废治理做了相关的探讨。关键词：高岭土; 盐酸; 氧化铝The Technical Contrivance of 700ton Alumina Factory Ract Abstract:This design is focused on the product
2、 of 700 tons alumina technical contrivance. The production procedure of kaolinite solution is presented. The kaolinite are containing alumina 28% and react with hydrochloric acid to produce the aluminium solution. The solution is treated by extraction system and react with ammonia water ,aluminium h
3、ydroxide will be precipitated out. Using roaster calcing it and alumina is produced. according to the design, the produce principle and craft production way of formaldehyde are selected with the techonology also investigated. The calculating mass balance and the heat balance of the subordination equ
4、ipments; Right for the major equipment design and selection, on the devices safety production and waste management have done a related study.Key words:kaolinite; hydrochloric acid; alumina目录1 总论51.1 世界铝土矿的情况61.2 国内铝土矿的情况61.3 国内氧化铝工业现状71.4 国内氧化铝工业的发展前景82 主要反应物与产品性质92.1 矿石资料92.2 氧化铝的性质92.3 铝的性质102.4盐酸
5、的性质102.5 氨水的性质113 生产工艺的选择5 15 14 13123.1 氧化铝的生产方法4123.1.1 酸法生产氧化铝123.1.2 碱法生产氧化铝123.1.3 电热法生产氧化铝133.2 生产工艺的选择酸法工艺133.2 1 选择依据133.2.2 工艺的技术创新性133.2.3 盐酸法工艺流程详述143.3 影响反应的因素153.4 除杂164 工艺流程物料和能量的计算164.1 物料衡算164.1.1 盐酸浸取的反应164.1.2 过滤工段1184.1.3 萃取11194.1.4 氨水用量的计算204.1.5 过滤工段2214.1.6 蒸发水量224.1.7包装224.2
6、能量衡算234.2.1 物料条件234.2.2物料衡算与能量衡算235 主要设备的计算与选型12245.1 泵的选型245.1.1 输送30%的盐酸245.1.2 浸取矿浆从反应器到板框过滤机245.1.3 滤液从板框过滤机到萃取段245.1.4 萃取水相进入中和反应器245.1.5.氨水输送至反应器255.1.6 过滤氢氧化铝得到的滤液输送至蒸发器255.2 主要管道的计算与选型255.2.1 盐酸管道的选择7255.2.2 自来水管255.2.3 浸取矿浆从反应器到板框过滤机265.2.4 从过滤机1到萃取槽265.2.5 氨水输送至中和反应池265.2.6 滤液输送至蒸发器265.3 板
7、框过滤机的选择275.3.1 过滤盐酸浸取矿浆275.3.2 过滤氢氧化铝275.3.3 过滤氢氧化铁275.4 储罐选择275.4.1 盐酸储罐275.4.2 氨水贮罐285.5 反应器285.5.1 盐酸浸取反应器1295.5.2 中和反应器1295.5.3 中和反应器2295.6 氧化剂贮槽305.7 萃取槽305.8蒸发器305.9 离心机305.10干燥器315.11 粉碎机315.12管道涂色325.13 泵的选型325.13.1 泵的选型原则325.13.2 泵的造型依据335.14 阀门的选择336 管路布置设计应考虑的问题336.1 物料因素336.2 管路布置347 安全生
8、产及三废处理357.1 安全生产357.2 “三废”治理367.2.1 化工污水的一般处理方法367.2.2 废渣的处理367.2.3 废气的处理36结论37致谢语38参考文献39附 录40前言铝是地壳中分布最广泛的元素之一，属亲石亲氧元素。铝在自然界中多成氧化物、氢氧化物和含氧的铝硅酸盐存在，极少发现铝的自然金属，工业用铝一般是由电解氧化铝得到的。世界铝土矿资源丰富，资源保证度高，按世界铝土矿产量（1.31.5亿吨/年）计算，静态保证年限在200年以上。2002年世界上已经探明的铝土矿储量约为250亿吨，储量基础约为340亿吨。主要分布在南美洲（33%0，非洲（27%），亚洲（17%），大洋
9、洲（13%）和其他地区（10%）。随着金属铝用量的不断扩大，铝土矿的开采量也在不断增加。到了20世纪60年代，铝在全世界有色金属产量上超过了铜而位居首位，这时的铝已不单属于皇家贵族所有，它的用途涉及到许多领域，大至国防、航天、电力、通讯等，小到锅碗瓢盆等生活用品。它的化合物用途非常广泛, 不同的含铝化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面发挥着重要的作用。1990年，世界铝土矿的产量为11285万吨，主要的铝土矿生产国有澳大利亚，几内亚，巴西和牙买加等。2001年，以上四国的铝土矿产量约占全球产量的70%。自然界已知的含铝矿物有258种，其中常见的矿物约43种。实际上，由纯矿物组成的铝矿床是没有
10、的，一般都是共生分布，并混有杂质。从经济和技术观点出发，并不是所有的含铝矿物都能成为工业原料。当前主要用于提炼金属铝的主要是由一水硬铝石、一水软铝石或三水铝石组成的中高品位铝土矿。铝土矿的化学成分主要为Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、H2O，五者总量占成分的95%以上，一般98%，次要成分有S、CaO、MgO、K2O、Na2O、CO2、MnO2、有机质、碳质等，微量成分有Ga、Ge、Nb、Ta、Co、Zr、V、P、Cr、Ni等。Al2O3主要存在于铝矿物水铝石、一水软铝石、三水铝石中，其次存在于硅矿物中(主要是高岭石类矿物)。 氧化铝的生产方式可分为三种：1、碱法生产氧化铝。2、酸
11、法生产氧化铝。3、电热法生产氧化铝。本设计采用酸法中的盐酸法，处理品位为28%的低品位高岭土类矿物以生产氧化铝。在获得氧化铝产品的同时，针对矿石含铁元素的特点，对铁进行了回收。由于生产中用到氨水等含氮物，设计了从废水中提取副产化肥的工艺流程。在这三个月的毕业设计中，查阅了当前国内外氧化铝生产的工艺资料，按照毕业设计的要求，根据当前国内学者对我国酸法生产氧化铝的工艺研究，采用盐酸浸取矿石，用氨水反应合成，经煅烧生产氧化铝，并绘制了生产工艺流程图，重要设备的装配图。1 总论1.1 世界铝土矿的情况世界铝土矿资源丰富，资源保证度高，世界再生铝产量近年来,工业化国家愈来愈重视能耗低、污染小、生产成本低
12、的再生铝工业。按世界铝土矿产量（1.31.5亿吨/年）计算，静态保证年限在200年以上。2002年世界上已经探明的铝土矿储量约为250亿吨，储量基础约为340亿吨。主要分布在南美洲（33%），非洲（27%），亚洲（17%），大洋洲（13%）和其他地区（10%）。2004年世界再生铝产量最多的国家是美国,产量为297.7万吨,占世界总产量的39.38%;其次是日本,产量为101.48万吨,占世界总产量的13.42%;再次就是德国和意大利,它们的年产量分别为65.52万吨和61.9万吨,占世界总产量的8.67%和8.19%。1随着金属铝用量的不断扩大，铝土矿的开采量也在不断增加。1990年，世界铝
13、土矿的产量为11285万吨，主要的铝土矿生产国有澳大利亚，几内亚，巴西和牙买加等。2001年，以上四国的铝土矿产量约占全球产量的70%。世界铝土矿储量的国家分布见表1。表1 世界铝土矿储量的国家分布国家几内亚巴西澳大利亚牙买加印度圭亚那苏里南中国委内瑞拉其他储量30.8%16.2%13.3%8.3%6.2%2.9%2.4%1.5%1.3%17%1.2 国内铝土矿的情况中国铝土矿资源具有以下几个特点：1：储量集中与煤或水电丰富的地区，有利于开发利用。山西，贵州，广西，河南等省份储量最高，占全国总储量的85.5%，这几个省份有着优越的煤炭或水电资源，具有发展铝工业的有利条件。2：矿床类型以沉积型为
14、主，坑采比重教大。在这些储量中适合坑采的占全国总量的45.49%。完全露天开采的占24.32%。适合露天开采和坑采的占29.79%。3：一水硬铝石型铝土矿占绝对优势。已经探明的储量中，一水硬铝石型铝土矿占全国总储量的98.46%，三水铝时矿占1.54%。 表2 国内各省区的铝土矿平均品位表地区三氧化二铝二氧化硅三氧化二铁A/S山西62.3511.585.785.38贵州65.759.045.487.27河南65.3211.783.445.54广西54.836.4318.928.53山东55.5315.88.783.61国内铝土矿资源并不十分丰富，约占全世界总储量的1.5%。2005年，加工产品
15、从净进口变为净出口，净出口达到35.5万吨，去年净出口又增至55.4万吨。铝材产能的迅速扩张，使我国铝材市场供大于求，依靠出口平衡市场。按目前对氧化铝产量的需求程度与铝土矿开采，利用中的浪费，即使考虑到远景储量，国内的铝土矿的保证年限也难以达到50年。所以，加快海外资源的开发将是解决国内铝矿资源不足问题的一种有效途径。积极进行国内铝土矿资源的勘察并合理开采和利用，特别是对贫铝土矿的开采利用，是保证国内氧化铝工业可持续发展的重要途径。21.3 国内氧化铝工业现状中国的铝工业起步于20世纪50年代，经过50多年的建设、发展，目前已有一批有一定规模、生产技术较为先进铝企业。在生产技术上，根据国内铝资
16、源的特点，发展了碱石灰烧结法处理铝硅比只有3.5的纯一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的方法。在此基础上，经过不断改进和创新，发展了混联法生产氧化铝的生产技术，形成了拜尔烧结联合法、拜尔烧结串联法、选矿拜尔法生产氧化铝等多种工艺流程。随着高品位铝土矿储量的日渐减少，氧化铝企业的总供矿品位也在下降，引起产量减少、消耗增加、成本上升。氧化铝2006年产量见表3。表3 氧化铝2006年产量表氧化铝产量报告（单位：千吨）周期氧化铝等级氧化铝产量2005年第四季度化工用氧化铝361冶金用氧化铝2,139总计2,5002005年全年化工用氧化铝991冶金用氧化铝7,519总计8,5102006年第一季度化工用氧
17、化铝178冶金用氧化铝2,590总计2,7682006年第二季度化工用氧化铝199冶金用氧化铝2,960总计3,1592006年第三季度化工用氧化铝201冶金用氧化铝3,308总计3,5092006年第四季度化工用氧化铝200冶金用氧化铝4,060总计4,2602006年全年化工用氧化铝778由于受铝土矿特性的限制，国内的氧化铝厂大都采用混联法或烧结法生产，致使工艺流程长、能耗高、生产成本偏高。在产品质量上，国内目前冶金级氧化铝产品绝大部分为中间状氧化铝，不能适应和满足铝电解工业的需求。国内冶金级氧化铝产品与国外产品相比较，差别较大的是平均粒度小、细粒子含量高、强度差,同时硅、铁含量高。因此，
18、改进氧化铝产品的均一性、提高产品强度、降低产品中的氧化硅含量、优化产品的物理性能,实现产品砂状化，应作为氧化铝行业目前和将来的主攻方向。1.4 国内氧化铝工业的发展前景中国加入WTO后,氧化铝关税将从目前的18%降为5%左右。由于国内外氧化铝市场早已融通,目前执行的优惠税率为6%。入关后,国内外市场进一步融通,国内氧化铝企业将与发达国家站在同一起跑线上竞争。国外氧化铝质量好，价格低,而且是砂状,会对国内市场造成较大的冲击。但是国内的氧化铝工业有些企业还是发展不错，例如中国铝业中州公司依靠科技创建资源节约型企业成绩显著；广西铝工业发展突飞猛进2005销售收入达160亿；宁波铝材出口量快速增长；贵
19、州北部地区发现储量超过1亿吨的大型铝土矿区。3从规模上比较,国内氧化铝企业规模小。全世界有29个国家生产氧化铝,生产企业有68个。到2010年将达到5700万吨。目前,年产量100万吨以上的企业有12家,占总产量的30%。其中澳洲有6家,牙买加有2家,美国有2家,加拿大1家,国内只有山西铝厂1家。可见,国内氧化铝企业在规模上处于劣势。从成本看,国内氧化铝企业竞争力弱。据国际原铝协会报道,目前全世界平均生产成本为每吨150美元左右。而国内的氧化铝成本普遍较高除平果铝厂外。主要原因在于以下几个方面：1.铝土矿资源不同。国外铝土矿多为三水软铝石,容易浸出,而国内大多为一水硬铝石,处理成本较高。2.职
20、工人数相差大。国外氧化铝厂由于自动化程度高,操作较为简单,所以人员较少,如美国在澳大利亚的昆士兰氧化铝厂年产330万吨,只有140人,而国内氧化铝厂如长铝公司氧化铝厂年产80多万吨,职工3000多人。 1998年国际冶金级氧化铝的产量达到3627万吨,比上年增长3.3%,而消费量为3226万吨,仅比上年增加2.3%。扣除向亚洲国家净出口354万吨,国际市场氧化铝的供应过剩47万吨,加上上年的供应过剩27万吨,国际氧化铝库存增加合计74万吨。由于国际市场的供应充分,而入关后,进口氧化铝的数量将不再受限制,过剩的产量必然对国内整个氧化铝的市场供应造成根本性的影响。随著国内国民经济的迅速发展内氧化铝
21、供应缺口将进一步加剧,国内氧化铝的大量缺必将导致国外迅速进行大规模的扩大再生产。这样,由于供需关系的变化,导致氧化铝销售价格也将一降再降,国内六大氧化铝厂必将难以在这场价格大战中处于劣势。国内企业有可能出现大面积的亏损而可能濒临破产。3.设备自动化程度不同。国外大型氧化铝厂的设备自动化程度高,设备比较先进,而国内设备大多比较陈旧,自动化程度较低,维修费用高。4.工艺流程不同。国外为全拜尔法工艺,流程比较简单,氧化铝能耗低,而国内多为烧结法或联合法,流程复杂,氧化铝能耗高。氧化铝供求关系见表4。表4 氧化铝供求关系种类/时间20042005200620072008氧化铝产量（千吨）5824161
22、289746608320585745氧化铝消费5856162627717507687680432缺口-320-1338291063295313中国氧化铝产量69858609138302050024500中国氧化铝消费1330015612188401940021000现货价404452445270270相应对策：1.尽快解决几大氧化铝厂的债务问题。使其尽早摆脱债务负担,轻装上阵。再加上后期的投入,帮助中州铝厂达到规模,实现成本的大幅度下降,增强抵御市场风险的能力。2.为了大幅度降低成本,和国际上的氧化铝竞争,必须实现强强联合,加强氧化铝厂统一协调和运作。加强内部合作,减少内耗,相互交流生产经验,
23、共同进步。3.全面加强企业管理,向内挖潜,减少消耗,降低成本,增加产量。4.狠抓科技兴企和企业技术改造。科技是企业发展的根本动力,要把科技成果转化为生产力放在科技工作的首要位置,重点抓好氧化铝生产工艺的突破性研究。受铝土矿特性的限制，国内的氧化铝厂大都采用混联法或烧结法生产，致使工艺流程长、能耗高、生产成本偏高。氧化铝工业的主要原料供应日趋紧张，但目前的氧化铝生产大都采用碱法工艺，不仅需要高压设备，而且设备庞大、工艺复杂、流程长、对生产原料铝钒土的杂质要求十分苛刻。国内的铝土矿资源并不丰富，且多属于低品位的高硅铝钒土。此类铝土矿在国内分布广泛，遍布全国六大区21个省(市、区)，目前国内高岭土矿
24、点有700多处，其中200处矿点探明储量为30亿吨，其中煤系高岭土16.7亿吨矿点分散较为均匀。因此，研究开发新的非碱法生产工艺，对提高国内矿产资源利用率，增加地方财政收入，促进国民经济发展有着重要意义。2 主要反应物与产品性质2.1 矿石资料本设计处理的样本矿石采自国内辽宁省丹东市，属低品位高岭土类含铝矿石。矿石资料如表5。表5 矿石资料主要元素ALFeMnMg质量百分数9.5 %5.90 %0.037%1%2.2 氧化铝的性质氧化铝,俗称刚玉，在自然界广泛存在。氧化铝等级标准见表6。表6 YST 2741998氧化铝等级标准牌号化学成分%Al2O3不小于杂质含量 不大于SiO2Fe2O3N
25、a2O灼减AO-198.60.020.020.501.0AO-298.40.040.030.601.0AO-398.30.060.040.651.0AO-498.20.080.050.701.0物理性质：氧化铝是一种白色的熔点较高的粉末状物质，可用作耐火材料。化学性质：氧化铝是一种典型的两性氧化物，既可以溶于强酸 ，又可以溶于强碱。目前已知的晶型有六、七种，其中最稳定的是-Al2O3。纯氧化铝为无色或白色晶体，烧结致密的Al2O3陶瓷硬度大、耐高温、抗氧化，耐急冷急热，可使用温度高达1980，机械强度高，化学稳定性好，且有高绝缘性，因此，用途极广。2.3 铝的性质铝是银白色的轻金属，较软，密度
26、2.7g/cm3，熔点660.4，沸点2467，铝和铝的合金具有许多优良的物理性质，得到了非常广泛的应用。铝对光的反射性能良好，反射紫外线比银还强，铝越纯，它的反射能力越好，常用真空镀铝膜的方法来制得高质量的反射镜。真空镀铝膜和多晶硅薄膜结合，就成为便宜轻巧的太阳能电池材料。铝粉能保持银白色的光泽，常用来制作涂料，俗称银粉。纯铝的导电性很好，仅次于银、铜，在电力工业上它可以代替部分铜作导线和电缆。铝是热的良导体，在工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和民用炊具等。铝有良好的延展性，能够抽成细丝，轧制成各种铝制品，还可制成薄于0.01mm的铝箔，广泛地用于包装香烟、糖果等。铝合金具有某些比纯铝
27、更优良的性能，从而大大拓宽了铝的应用范围。例如，纯铝较软，当铝中加入一定量的铜、镁、锰等金属，强度可以大大提高，几乎相当于钢材，且密度较小，不易锈蚀，广泛用于飞机、汽车、火车、船舶、人造卫星、火箭的制造。当温度降到-196时，有的钢脆如玻璃，而有些铝合金的强度和韧性反而有所提高，所以是便宜而轻巧的低温材料，可用来贮存火箭燃料液氧和液氢。2.4盐酸的性质分子式：HCl分子量：36.46性质：本品为无色有刺激性臭的透明液体，属挥发性酸，在空气中发烟，触及氨的蒸汽会生成白色烟雾。盐酸的质量标准见表7表7 盐酸的质量标准检验项目标准要求盐酸(HCl)含量,%36-38外观合格灼烧残渣(以硫酸盐计),%
28、0.0005游离氯,%0.0001硫酸盐,%0.0002亚硫酸盐,%0.0002铁(Fe),%0.00005铜(Cu),%0.00001砷(As),%0.000005锡(Sn),%0.0002铅(Pb),%0.00002用途：该产品广泛用于医药、生物制药、电子、微电子等行业，在食品工业中用于味精、酱油、葡萄糖、汽水等。包装：塑料桶包装，净重25kg/桶、33kg/桶、250kg/桶，10-15吨槽车运输盐酸是氯化氢的水溶液，可看做是酸类化合物。纯的浓盐酸是无色液体，通常浓盐酸约含37HCl，密度约为1.19g/cm3，易挥发有氯化氢刺激气味，逸出的氯化氢遇潮湿空气形成白色酸雾。工业盐酸因含铁盐
29、杂质，因而呈黄色，有腐蚀性。盐酸是强酸，具有酸类通性：可使石蕊、甲基橙变红，可跟比氢活泼的金属发生置换反应，可跟金属氧化物（碱性氧化物）、碱发生中和反应。2.5 氨水的性质分子式：NH4OH 分子量：35.05表8 工业氨水的标准检验项目标准要求实测结果色度，号，%8080氨（NH3），%1820残渣,g/L,%0.30.3外观清晰透明合格性质：本品为无色液体，有刺激性臭味，密度随浓度增加而减少，浓度15%时，密度为0.93 g/cm3。呈弱碱性，易挥发，有毒。有腐蚀性，特别对铜的腐蚀性更大，能和酸和酸性氧化物作用生成盐和水。氨水碳化后挥发性减少，碳化度越高，这种作用越明显。用途：该产品主要用
30、于农业施肥。另外还用于化学、纺织印染等工业。医药上用稀释氨水对呼吸和循环起反射性刺激，医治晕倒和昏厥；还用作皮肤刺激药和消毒药。包装：塑料桶装或槽车运输。3 生产工艺的选择5 15 14 133.1 氧化铝的生产方法4氧化铝的生产方法有碱法、酸法，电热法。国内氧化铝的生产方法是以碱法为主，这是因为目前用于工业生产的铝土矿资源系高品位含铝矿石，平均品位在50%以上。随着资源的不断开采，高品位矿藏日渐枯竭，碱法生产氧化铝的能耗不断升高，且工艺上存在很多问题，因此研究应用于低品位铝土矿的生产工艺势在必行。经过许多专家学者的不懈努力，已开发出适合于处理低品位铝土矿的酸法工艺，尤其以盐酸法的研究最为广泛
31、。3.1.1 酸法生产氧化铝酸法生产氧化铝的原理是用适当的无机酸处理矿石，生产相应的铝盐，矿石中的氧化硅不与酸作用而残留于渣中；将铝盐进一步净化除铁后，使之分解得到氧化铝。酸法按照使用酸的不同可分为盐酸法，硫酸法和硝酸法。其中尤以盐酸法研究最为广泛。3.1.2 碱法生产氧化铝碱法的基本原理是使矿石中的氧化铝与碱在一定条件下生成铝酸钠，进入溶液而与二氧化硅和氧化铁等杂质分离，然后再使纯净的铝酸钠溶液分解出氢氧化铝，氢氧化铝经高温锻烧制得成品氧化铝。碱法生产氧化铝又可分为拜尔法、烧结法、联合法。（1）拜尔法原料制备过程包括：铝矿石的破碎、磨矿和配料。拜尔法生产工艺对原料制备的要求：参与化学反应的物
32、料要有一定的细度；参与化学反应的物料之间要有一定的配比和均匀的混合。直接以苛性钠溶液处理铝土矿，使矿石中氧化铝生成铝酸钠，而矿石中的二氧化硅则成为不溶性残渣赤泥，与铝酸钠溶液分离，将净化后的铝酸钠溶液进行搅拌分解，再经过滤分离得到氢氧化铝，经洗涤后焙烧成氧化铝，分离所得的大量苛性碱溶液称为母液，母液经蒸发再用于处理下一批矿石。含有部分二氧化硅的溶液经脱硅后得到铝酸钠溶液精制液通入二氧化碳气体使分解得到氢氧化铝及母液。母液经蒸发后补充适当的碱粉与下批矿石及石灰配料烧结。洗涤后的氢氧化铝经焙烧得到氧化铝。一般来说，拜尔法具有流程简单，投资较少，产品质量高，生产成本较低的优点。但处理低品位矿石时其优
33、越性较差，而且还要消耗价格昂贵的苛性碱。6（2）烧结法的优点是可以处理品位较低矿石，而且只消耗价格便宜的碳酸钠，与拜尔法相比，在同样的条件下处理低品位矿时，烧结法的碱耗较低，氧化铝总回收率较高，但流程复杂，投资较大，产品氧化铝质量较差，成本较高。因此含硅很低的优质铝土矿就采用拜尔法，含硅高，铝硅比较低的铝矿石，一般采用烧结法。为了充分利用矿产资源，综合两种方法的优点，以提高氧化铝总回收率，提高产品质量，降低生产成本，将两种方法联合起来使用，这样就产生了联合法。（3）联合法又分为串联、并联、混联法。并联法是用拜尔法处理高品位矿，烧结法处理低品位矿；串联法中烧结法只处理拜尔法赤泥；将拜尔法赤泥同时
34、配一些低品位矿石可改善大窑的操作，这种将串联和并联结合起来的方法即为混联法。3.1.3 电热法生产氧化铝电热法用来处理高铁铝矿，将矿与碳还原剂配成炉料在电弧炉内高温下进行还原熔炼。矿石中的氧化硅和氧化铁被还原成硅铁合金，而氧化铝则呈熔融状态的铝酸钙渣上浮，由于比重不同而分层。所得氧化铝渣再用碱法处理，从中提取氧化铝，所得硅铁合金为成品。目前电热法生产氧化铝还处于研究阶段。到目前为止，已经提出了很多从铝矿石或其它含铝原料中提炼氧化铝的方法，但由于技术上和经济上的种种原因，有的已被淘汰，有的属于试验阶段，由于现在处理的矿石均为高品位矿石，所以现在工业上几乎全部采用碱法生产氧化铝。3.2 生产工艺的
35、选择酸法工艺3.2 1 选择依据国内铝土矿储量约为23亿吨,主要分布在山西、河南、贵州、广西4省。除广西矿的铝硅比为10左右外，其它地区矿石的铝硅比都比较低。随着高品位铝土矿储量的日渐减少，氧化铝企业的总供矿品位也在下降，引起产量减少、消耗增加、成本上升。由于受铝土矿特性的限制，国内的氧化铝厂大都采用混联法或烧结法生产，致使工艺流程长、能耗高、生产成本偏高。氧化铝工业的主要原料供应日趋紧张，但目前的氧化铝生产大都采用碱法工艺，不仅需要高压设备，而且设备庞大、工艺复杂、流程长、对生产原料铝钒土的杂质要求十分苛刻。国内的铝土矿资源并不丰富，且多属于低品位的高硅铝钒土。而国内高岭土类铝土矿分布广泛，
36、遍布全国六大区21个省(市、区)，目前国内已发现此类矿点有700多处，其中200处矿点探明储量为30亿吨，其中煤系高岭土16.7亿吨矿点分散较为均匀。通过盐酸，硫酸，硝酸分别浸取低品位铝土矿的正交实验研究，盐酸法浸取率在三种酸中是最高的，且使用盐酸法生产，价格低廉，甚至可以用废盐酸代替工业盐酸以降低成本。综上所述，使用盐酸法处理低品位铝土矿，对提高国内矿产资源利用率，促进国民经济的发展有着重要意义。3.2.2 工艺的技术创新性本工艺结合各种酸法工艺制备氧化铝的研究，开发了粉碎浸出萃取反应煅烧的新工艺来生产氧化铝。其优点如下：（1）矿石采用储量丰富的高岭土类铝土矿石，价格低廉，盐酸甚至可用废盐酸
37、代替，可大大降低成本。（2）该工艺能够在常压下进行铝土矿的酸分解，除硅简单，工艺流程较碱法短，投资少。（3）萃取段中有机相与无机相均实现了循环利用，节省了资源，且对环境无污染。（4）解决了非碱法工艺除铁困难的缺点，对铝盐溶液的除铁工艺进行了新探索，新工艺使溶液中铁的含量大大降低，并对铁进行了回收，使得产品中Fe2O3/Al2O3达到或低于国家标准。（5）针对生产中用到氨水等含氮物，设计了从废水中提取副产化肥的工艺流程。经处理后的废水基本不含对环境有害的物质，废水可以直接排放到生态环境中去。各工艺技术指标均说明酸法氧化铝生产工艺具有很好的应用前景。3.2.3 盐酸法工艺流程详述从矿场运来的矿石经
38、过粉碎机粉碎、用200目的球磨机研磨后送入已加水的搅拌式反应器，然后向反应器加入盐酸对矿粉进行浸取，反应期间加入氧化剂氯酸钾与矿粉一同反应，氧化剂可将矿粉中二价铁离子氧化成三价铁离子，对后续工段回收铁作好准备。浸取完毕后的矿浆用离心泵直接泵入板框过滤机进行过滤，滤渣经水洗后送至砖厂或弃去，滤液送入萃取段进行有机萃取。萃取得到的水相送入中和反应器1，加入氨水进行中和、反应完毕后经过滤、得到氢氧化铝。氢氧化铝经煅烧炉煅烧，生成主产品氧化铝，氧化铝后经干燥机干燥，粉碎机粉碎，送至包装车间。萃取后的有机相含有大量三价铁离子，用水进行反萃取后，有机相留在萃取槽内继续循环使用，反萃取得到的水相送至中和反应
39、器2，经氨水中和后生成氢氧化铁沉淀，待反应完全后进行过滤，得到的滤饼通过煅烧炉煅烧、粉碎机粉碎，得到副产品铁红。过滤中和反应器2中的物料得到的滤液与主干工艺过滤中和反应器1中的物料得到的滤液一起送至蒸发段，浓缩后经过滤、干燥处理，得到副产品化肥。此法工艺流程方框图见图1。球磨反应釜氧化铝萃取过滤储酸罐水相有机相有机相反萃取包装干燥中和1过滤水相滤渣过滤干燥蒸发包装中和2化肥过滤滤液粉碎干燥铁红滤饼氨水滤液滤饼矿石破碎氨水滤液粉碎 水包装氧化剂水图1 盐酸法制取氧化铝及副产品生产工艺流程图3.3 影响反应的因素（1）反应体系的温度温度是影响化学反应的主要因素，一般来说温度高可以加速反应的进行，但
40、温度不能太高，对于本设计最佳反应温度应控制在130左右。（2）反应固体颗粒的外表面及氯化铝溶液的浓度该反应为流固相反应，且无固相生成，则随着反应的进行，颗粒将不断的缩小，最终完全消失。按照实验条件知浸取过程为化学反应控制的颗粒缩小时的缩芯模型，即浸取速率取决于反应固体颗粒的外表面积和溶液中的氯化铝浓度。（3）搅拌情况搅拌可以使矿粉与盐酸和氧化剂充分接触，加快传质速率,有利于铝离子和铁离子浸出，因而可以加速反应的进行。3.4 除杂(1)除杂在盐酸与矿粉反应的过程中，矿粉中其他金属氧化物也与盐酸发生反应，以氯酸盐的形态不同程度地进入铝浸出液：Me代表金属。这些杂质进入铝浸出液，对产品质量影响很大，
41、故必须予以除去。铝浸出液中的铁主要以离子形式存在，后续工段将其回收。（2）除重金属在浸出液中添加一定的，使重金属转化为难溶物质CuSPbSCdSNiS沉淀，从而达到消除重金属的目的。在此过程设置了搅拌装置，加快了除杂速度，且清除率较高。（3）除硅反应在130下进行，SiO2生成成白色絮状硅酸而沉淀：同时，铝浸出液中的镁盐也会以白色硅酸镁粉沉淀物的形式析出,板框过滤时将其除去。(4) 除钙 过多的钙离子带入溶液中会影响产品的质量，工业上用静置的方法除去钙离子。4 工艺流程物料和能量的计算4.1 物料衡算4.1.1 盐酸浸取的反应（1）年产700吨氧化铝，以300天计算，则每天生产氧化铝量700/
42、300=2.33 t/d（2）金属铝量2.33 /10254=1.23 t/d（3）设矿石浸取率为80%，反应产率为80%，则理论需纯铝量为1.23 /（0.800.80）=1.92 t/d（4）原矿平均品位为28%，则矿石需要量为1.92102/54/28%=12.95t/d（5）原矿含水率为14%，则原矿需要量为12.95/86%=15.06 t/d（6）设原矿的密度为2.3t/ m，则原矿体积为15.06/2.3=6.5 m/d（7）原矿纯固体体积为6.5-15.060.14=4.39 m/d（8）原矿配成料浆中矿石的质量分数为60%，则料浆量为12.95/0.6=21.58t/d体积量
43、6.5+（21.58-15.06）/1=13.02 m/d（9）实际需要盐酸与铝的摩尔比为5 ：1，则纯盐酸用量为1.92/2736.55= 12.98 t/d（10）设盐酸浓度为30%，则30%盐酸耗用量为12.98/30%=43.27t/d（11）30%盐酸密度为1.19g/cm3，则体积量为43.27/1.19=36.36 m/d（12）设氧化剂体积为矿石的5%，则氧化剂的体积为6.55%=0.325 m/d（13）设在操作条件下氯化铝溶解度为40，则应补充水总量为1.92/27133.5100/40=23.73t/d=23.73 m/d配铝料浆已加水21.580.4=8.63t/d，则
44、还需加水量为23.73-8.63=15.10t/d=15.10m/d（14）设有80%铝进入滤液中，滤渣含铝量为1.9220%=0.38 t/d铝离子的溶解度为6.5，则洗渣水量0.38100/6.5=5.85 t/d（15）设反应过程中水损失10%，洗涤液返回，则损失水量为（23.73+5.85）10%=2.96 t/d3.38 t/d所以不需因水损失在再向反应器中加水（16反应器中参与反应物料总量为6.5+0.325+36.36+23.73+5.85-15.060.1=71.26 m/d（17）分成三班，每班加料量71.26/3=23.75 m/班其中：原矿量：15.06/3=5.02 m
45、/班氧化剂量0.325/3=0.108 m/班盐酸量36.36/3=12.12 m/班水量15.10/3=5.03 m/班（18）由于物料反应时总体积膨胀，因此设反应器体积为反应物总体积2.4倍，则反应器总体积为23.752.4=57 m/d拟取2个反应器，每个反应器容积为57/2=28.5 m，取29 m每个反应器内实际物料量为23.75/2=11.88 m（19）物料送到反应器内所需时间为1小时，则流速为11.88/1=11.88 m/h湿法浸取的时间为2小时，输出料液所用时间为1小时，4.1.2 过滤工段1进入板框过滤机的物料总量为71.26-1.97+3.38=72.67 m3/d总纯滤渣量为 15.060.7=10.54m3/d总滤液量为72.67-10.54=62.13 m3/d=2.59 m3/h设滤渣密度为2t/m3，则滤渣体积量约为10.542=5.27 m3/d设过滤后滤饼含水量为40%，则滤饼中水量为10.54/
