拜耳法氧化鋁生產中結晶熱對分解中間降溫的影響

鄢 艷，丁志英

（1.東北大學設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110013;2.西安西北有色地質研究院有限公司，陜西 西安 71054）

目前國內各大氧化鋁廠的分解工序采用平底機械攪拌槽，其單位體積料漿所占的散熱面積小，自然降溫困難，尤其我國某些氧化鋁廠處于氣候炎熱，空氣濕度大的南方地區，夏季分解槽的首末溫差靠自然降溫僅有1～2℃，有時甚至出現“恒溫”，嚴重影響分解率和產品質量。但是要得到符合產品級要求的氫氧化鋁，分解過程的降溫至少滿足6℃～10℃的溫差，因此設計中引入寬流道板式換熱器、套管換熱器或者槽內列管換熱器等設備將分解料漿與循環冷卻水進行強制換熱，稱為中間降溫過程。設計院和設備廠家在進行分解中間降溫的設計以及換熱器的選型時，往往只考慮分解槽的首末槽溫度，而忽略掉生成Al（OH）3所帶來的結晶熱，故現場實際的循環水使用量通常比設計或者設備廠家提供的量少。

1 原理介紹

1.1 結晶原理

結晶是形成晶格的過程。晶體變成液體的時候是需要破壞晶格的，這個過程需要能量，大小即晶格能，所以結晶過程是要放熱的。結晶熱是指溶液結晶過程中，單位溶質晶體所放出的熱量。

1.2 分解工作原理

分解是拜耳氧化鋁生產技術的重要組成部分，在晶種分解過程中，精液經降溫后與晶種混合并進行攪拌，過飽和的鋁酸鈉溶液析出Al(OH)3晶體，同時獲得苛性比值（Rp）較低的種分母液作為溶出下一批鋁土礦的循環堿液。分解過程的化學反應如下：

NaAl(OH)4+aq＝Al(OH)3+NaOH+aq

上式是相互轉化的，盡量創造低溫、高苛性比值（Rp）和低堿濃度的條件時，反應向右進行，即過飽和的鋁酸鈉溶液分解析出氫氧化鋁結晶體，這是鋁酸鈉溶液分解過程的實質。

2 工廠實例

以某年產100萬噸氧化鋁的工廠為例，單位時間分解進料的質量流量m1=4500t/h,分解首槽溫度t1=60℃，末槽溫度t2=50℃，單位時間析出的產品Al（OH）3（干）m2=188t/h,Al203的結晶熱q結=143.9kcal/kgAl2O3，分解料漿的比熱C=0.6kcal/kg.℃，氧化鋁的分子量M1=102，氫氧化鋁的分子量為M2=78。

Al（OH）3（干）m2=188t/h折合成等量的Al2O3質量m3=m2×M1/(M1×2)=122.96t/h,結晶熱Q結晶=m3×1000×q結=122.96×1000×143.9=17693394kcal,對分解物料的整體溫升Δt1=Q結晶/m1/c/1000=17693394/4500/0.6/1000=6.55℃。

下面分別對考慮結晶熱與否的兩種工況進行中間降溫計算，設有6級降溫。

單位時間換熱器的進料量是分解進料量的30%，則進入換熱器的料漿質量流量m4=0.3m1=0.3×4500=1350t/h,通過換熱器降溫后的料漿回到該分解槽，冷卻水上水總管溫度為35℃，冷卻水回水總管溫度要求48℃。

假設采用寬流道板式換熱器作為傳熱設備，其傳熱系數為1000kcal/m2.h.℃。

計算結果如下，兩種情況均未考慮自然降溫。

2.1 未考慮結晶熱

中間降溫共需降Δt=t1-t1=60-50=10℃

每級分解槽需降溫Δt2=Δt/6=(60-50)/6=1.67℃，換算到每級寬流道板式換熱器則需要降溫Δt3=Δt2/0.3=5.56℃

換熱后分解槽內料漿溫度單位 ℃ t/h ℃ ℃ ℃ m2第一級 54 237 60 54.4 58.3 354第二級 52 265 58.3 52.8 56.7 374第三級 50 300 56.7 51.1 55 396第四級 48 346 55 49.4 53.3 421第五級 46 409 53.3 47.8 51.7 449第六級 43.5 530 51.7 46.1 50 468合計 48 2087 2462回水溫度冷卻水 料漿 傳 熱面積冷卻水量進換熱器料漿溫度出換熱器料漿溫度

2.2 考慮結晶熱

加上結晶熱后中間降溫共需降Δt’=t1-t2+Δt1=60-50+6.55=16.55℃

每級分解槽需降溫Δt2’=Δt’/6=16.55/6=2.76℃，換算到每級寬流道板式換熱器則需要降溫Δt3’=Δt2/0.3=9.2℃,因結晶析出多發生在分解初期，為簡化計算，將結晶熱溫升計入開始降溫的分解槽。

換熱后分解槽內料漿溫度單位 ℃ t/h ℃ ℃ ℃ m2第一級 54 392 66.6 57.4 63.8 427第二級 52 438 63.8 54.6 61 475第三級 50 497 61 51.8 58.3 535第四級 48 573 58.3 49.0 55.5 612第五級 46 677 55.5 46.3 52.8 716第六級 43.5 877 52.8 43.6 50 837合計 48 3454 3602回水溫度冷卻水 料漿 傳 熱面積冷卻水量進換熱器料漿溫度出換熱器料漿溫度

3 結語

由上述計算可以看出，在自然降溫效果不明顯的情況下，結晶熱溫升使冷卻水量增加了近40%，換熱器的傳熱面積增大了約32%，占相當大比重。所以計算尤其是氣候炎熱，濕度大地區的分解中間降溫，必須考慮結晶熱的因素。

[1]畢詩文,于海燕.氧化鋁生產工藝[M].化學工業出版社.2006.(2)：182-186.

[2]楊重禹.氧化鋁生產工藝學[M].冶金工業出版社.1993：134-140.

[3]王熙慧，于海燕，程濤等.高濃度鋁酸鈉溶液生產砂狀氧化鋁的新工藝[J].輕金屬.2007.(8)：5-12.