攪拌對氫氧化鋁晶種分解率的影響*

雷玉辦， 蘇向東，丁元法，李　勇，張弘梨

(1貴州大學(xué)　材料與冶金學(xué)院，貴州　貴陽　550025；2貴州省新材料研究開發(fā)基地，貴州　貴陽　550002；3貴州科學(xué)院，貴州　貴陽　550001)

?

攪拌對氫氧化鋁晶種分解率的影響*

雷玉辦1， 蘇向東2，3▲，丁元法3，李勇2，張弘梨1

(1貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州貴陽550025；2貴州省新材料研究開發(fā)基地，貴州貴陽550002；3貴州科學(xué)院，貴州貴陽550001)

摘要：研究了高濃度高固含條件下攪拌強度對氫氧化鋁晶種分解率的影響。在NK175 g/L，固含800 g/L，ak1.45，反應(yīng)溫度53 ℃，種分24 h工藝條件下的鋁酸鈉溶液晶種分解反應(yīng)實驗表明：在漿料循環(huán)流動條件下，提高攪拌強度，氫氧化鋁晶種分解率沒有隨之明顯提高；180天工業(yè)試驗證明，降低攪拌強度對分解率無影響，可降低攪拌能耗。

關(guān)鍵詞：攪拌；氫氧化鋁；晶種分解；分解率

0引言

鋁酸鈉溶液晶種分解是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序之一[1]，對生產(chǎn)變化的周期、產(chǎn)率、粒度分布等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)具有重要影響[2]，是一個伴隨復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和物理變化的過程，整個過程伴隨著氫氧化鋁晶體的長大、附聚、次生晶核的形成、以及氫氧化鋁晶粒的破裂，磨損等[3]。目前多數(shù)研究工作主要從反應(yīng)溫度，精液分子比，固含，苛堿濃度，種子比，活性晶種，結(jié)晶助劑等角度研究其對鋁酸鈉溶液晶種分解過程的影響[4]，較少從機械攪拌混合程度的角度研究其對鋁酸鈉溶液晶種分解率的影響。本文研究了高濃度高固條件下微擾動攪拌分解對鋁酸鈉溶液晶種分解率的影響，并進行180天的工業(yè)試驗，試驗結(jié)果與實驗室研究結(jié)果基本一致。

1實驗

1.1實驗裝置

本實驗使用的晶種分解反應(yīng)器是自行設(shè)計的雙層智能玻璃微擾動晶種分解反應(yīng)器(3 L，種分槽上部密封蓋留有加料口，取樣口，下部留有放料口)內(nèi)層放反應(yīng)液，外層通循環(huán)的恒溫水浴(圖1)，恒溫精度在±0.5 ℃，很好的解決了較大反應(yīng)器難以精確恒溫的問題，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)計有內(nèi)循環(huán)裝置。

圖1　實驗裝置示意圖

1.2實驗方法

用一定量的工業(yè)氫氧化鋁和工業(yè)氫氧化鈉加水加熱至完全溶解，過濾得到分子比較低，濃度較高的鋁酸鈉溶液[5]。經(jīng)水和母液調(diào)配成苛性堿濃度Na2OK=175 g/L，分子比=1.45左右的鋁酸鈉溶液。取三份體積為2L的鋁酸鈉溶液放入相同型號微擾動晶種分解反應(yīng)器，加入晶種使其進行分解反應(yīng)。晶種分解反應(yīng)24 h，每隔一定時間從相應(yīng)的反應(yīng)器中取出反應(yīng)液，進行固液分離，用滴定分析法測定溶液中氧化鋁和苛性堿的濃度。

2結(jié)果與分析

2.1鋁酸鈉溶液晶種反應(yīng)活化能

本實驗通過四組不同溫度(45 ℃，55 ℃，65 ℃，75 ℃)下測定鋁酸鈉溶液晶種分解反應(yīng)不同時刻下的苛堿和氧化鋁濃度。

表1　45 ℃下的計算數(shù)據(jù)

表2　55 ℃下的計算數(shù)據(jù)

表3　65 ℃下的計算數(shù)據(jù)

表4　75 ℃下的計算數(shù)據(jù)

表5　不同溫度下的分解速率常數(shù)

利用動力學(xué)方程，根據(jù)分解過程溶液過飽和度隨時間的變化關(guān)系，求出不同分解溫度下的速率常數(shù)，再根據(jù)阿倫尼烏斯公式可求出分解過程的表觀活化能。

(1)

其中，A為指前因子；Ea為表觀活化能；R：氣體常數(shù)；T：熱力學(xué)溫度。

對式(1)，兩邊取對數(shù)得：

2.2攪拌對鋁酸鈉溶液晶種分解率的影響

本文將自行設(shè)計的雙層玻璃晶種分解反應(yīng)器(平底柱形)從上到下分為三個區(qū)域：上部區(qū)，中部區(qū)，底部區(qū)；本文著重研究中部區(qū)和底部區(qū)攪拌對鋁酸鈉晶種分解率的影響，本文自行設(shè)計的攪拌裝置可無極調(diào)速。在苛堿濃度175 g/L，固含800 g/L，精液分子比1.45，反應(yīng)溫度53 ℃，種分24小時下底部區(qū)內(nèi)設(shè)置攪拌對鋁酸鈉溶液晶種分解率的影響見圖2。

圖2　底部區(qū)內(nèi)分解率隨攪拌強度的變化

在苛堿濃度175 g/L，固含800 g/L，精液分子比1.45，反應(yīng)溫度53 ℃，種分24小時下在中，底部區(qū)混合設(shè)置攪拌，分解率隨攪拌強度的變化見圖3。

圖3　中部區(qū)，底部區(qū)內(nèi)分解率隨攪拌強度的變化

鋁酸鈉溶液晶種分解率在反應(yīng)器的底部區(qū)和中、底部混合區(qū)內(nèi)相同分解時間24 h及工藝條件下，分解率隨著攪拌強度的變化見圖4。

圖4　底部區(qū)和中、底部混合區(qū)內(nèi)設(shè)置攪拌對分解率變化

由圖2可知，在底部區(qū)內(nèi)，攪拌速度由140 r/min提高到230 r/min時，鋁酸鈉溶液晶種分解速率并沒有隨著攪拌速度的提高而提高。圖3，圖4可以看出，雖然在中部區(qū)加強了攪拌，但是在攪拌速度由140 r/min逐級提高到230 r/min時，鋁酸鈉溶液晶種分解的分解率也沒有隨之明顯提高。原因可能鋁酸鈉溶液晶種分解反應(yīng)的控制步驟是化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)，本次實驗測得鋁酸鈉溶液晶種分解反應(yīng)的活化能為74.81 kJ/mol，也驗證了這一結(jié)論，同時該晶種反應(yīng)器中設(shè)置有內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)，反應(yīng)器中的溶液實現(xiàn)上下循環(huán)，溶液中的晶種能夠較好的流動，雖然提高底部區(qū)攪拌強度及增加中部區(qū)的攪拌，但是沒有增加溶液中晶種的數(shù)量，所以鋁酸鈉溶液晶種分解率沒有得到提高；但確切的機理還有待進一步深入的研究。

3工業(yè)試驗

利用微擾動分解技術(shù)在國內(nèi)某氧化鋁廠40萬噸分解流程上進行技改，并開展為期6個月的工業(yè)試驗，僅在底局部進行微擾動攪拌分解槽與同期全混攪拌的分解槽進行對比。系列1(全混合攪拌)，系列2(局部攪拌)，系列3(全混合攪拌)，均為14個大型分解反應(yīng)槽在相同工藝條件下同時反應(yīng)，運行時間為6個月后分解率對比數(shù)據(jù)如表6。

表6　微擾動改造系列與未改造系列晶種分解率對比數(shù)據(jù)

從表6中可以看出系列1，系列 2，系列3分解率基本上差異很?。灰虼藦墓I(yè)試驗說明：實驗室研究結(jié)果與工業(yè)試驗結(jié)果是一致的。

4結(jié)論

1) 在苛堿濃度175 g / L，固含800 g / L，精液分子比1.45，反應(yīng)溫度53 ℃下測得鋁酸鈉溶液晶種分解反應(yīng)的活化能達到74.81 kJ / mol，表明鋁酸鈉溶液晶種分解反應(yīng)的控制步驟是化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)。

2) 實驗室研究說明在高濃度和高固含范圍內(nèi)漿液循環(huán)條件下鋁酸鈉溶液晶種分解率隨攪拌強度變化率很小。

3) 工業(yè)試驗說明采用微擾動晶種分解在一段式分解工藝流程上的試驗結(jié)果與實驗室相符，可實現(xiàn)大幅降低分解裝備能耗。

參考文獻【REFERENCES】

[1]李小斌，趙東峰，等.鋁酸鈉溶液分解過程的理論及技術(shù)研究進展[J].中國有色金屬學(xué)報，2011，21(10)：2577-2593.

LI X B，ZHAO D F，WANG D Q，YAN L. Research progress in theory and technology of gibbsite precipitation from sodium aluminate solution[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2011，21(10)：2577-2593.

[2]畢詩文，趙福輝，等.拜耳法生產(chǎn)氧化鋁[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007：224-225.

BI S W，ZHAO F H.Bayer process alumina production[M].Metallurgical Industry Press， 2007：224-225.

[3]張江峰.鋁酸鈉溶液種分附聚過程研究[D].長沙：中南大學(xué)，2005.

ZHANG J F.Research on seed crystal decomposition agglomerative process[D]. Central South Univwesity ，2005.

[4]吳曉華，陳濱，李小斌，等.鋁酸鈉溶液晶種分解過程的研究進展[J].山東冶金，2006，28(2)：56-60.

WU X H，CHEN B，LI X B，et al.Research and development of macroscopic kinetics in the process of seeded precipi-tation from caustic aluminate solutions[J]. Shandong Metallur-gy，2006，28(2)：56-60.

[5]成瓊文，李小斌.鋁酸鈉溶液的粘度[D].長沙：中南大學(xué)，2004.

CHENG Q W，LI X B. Viscosity of aluminate solutions[D].Central South Univwesity，2004.

[6]權(quán)昆.高濃度鋁酸鈉溶液晶種分解過程的研究[D].長沙：中南大學(xué)，2006.

QUAN K.Research on seed decomposition from sodium concentration of Sodium Aluminate Solutions[D].Central South University，2006.

[7]丁元法， 蘇向東， 胡大喬， 柳健康， 何力， 李丹寧. 無攪拌氫氧化鋁晶種分解槽中的固相分散研究(英文)[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2014， 39(1)： 5-10 .

DING Y F，SU X D，HU D Q，LIU J K，HE L，LI D N.Solid dispersion in an unstirred seeded precipitation tank for gibbsite crystallization[J].Journal of Kunming University of Science and Technology(Natural Science Edition)，2014，39(1)：5-10.

[8]DASH B， TRIPATHY B C， BHATTACHARYA I N， DAS S C，MISHRA C R， PANI B S. Effect of temperature andalumina/caustic ratio on precipitation of boehmite in syntheticsodium aluminate liquor [J]. Hydrometallurgy， 2007， 88：121-126.

[9]DING Y F，SU X D，HU D Q，HE L，WANG F.Flow field study of sodium aluminate solution slurry in an unagitated precipitation tank by CFD simulation.Applied Mechanics and Materials， 2013， 331：16-20.

[10]ZENG J S， YIN Z L， CHEN Q Y. Intensification of precipitation of gibbsite from seeded caustic sodium aluminate liquor by seed activation and addition of crown ether[J]. Hydrometallurgy， 2007，89： 107-116.

Influence of agitation on precipitation ratio of seed decomposition for aluminium hydroxide

LEI Yuban1，SU Xiangdong2，3▲，DING Yuanfa3，LI Yong2，ZHANG Hongli1

(1CollegeofMaterialsandMetallurgy，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China；2GuiZhouResearchandDevelopmentBaseofNewMaterials，Guiyang550002，China；3GuizhouAcademyofSciences，Guiyang550001，China)

Abstract：In this paper，the influence of stirring intensity of aluminium hydroxide crystal seed decomposition rate on high precipitation ratio and high solid content of were investigated.The experimental results show that precipitation ratio of seed decomposition from aluminium hydroxide will not obviously increase with the increased strength of stirrer under the following conditions：circulating and flowing of reaction liquid，caustic concentration175 g/L，solid content800 g/L，ak 1.45，reaction temperature53 ℃ and reaction time24 h.The industrial test for 180 days proves that it has no effect on precipitation ratio of seed decomposition to reduce stirring intensity.Therefore，it can drop energy saving of stirrer.

Keywords：agitation；aluminium hydroxide；precipitation ratio；seeded precipitation

通訊作者：▲蘇向東(1966-)，男，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向：材料物理與化學(xué)。

作者簡介：雷玉辦(1988-)，男，在讀碩士。研究方向：資源與環(huán)境物理化學(xué)。

*基金項目：國家科技支撐計劃項目資助(2013BAC15B02)。

收稿日期：2015-11-23；修回日期：2015-11-25

中圖分類號：TF 19

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-6563(2016)01-0091-04