拜耳法的原理和基本流程

關(guān)于拜耳法的原理和基本流程第1頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三回顧：氧化鋁的主要生產(chǎn)方法：堿法、酸法、熱法第2頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三堿處理分解煅燒鋁土礦鋁酸鈉溶液Al(OH)3Al2O3第3頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三第三章拜耳法生產(chǎn)氧化鋁3.1拜耳法原理和基本流程3.1.1拜耳法的基本原理和實(shí)質(zhì)

拜耳法是澳大利亞化學(xué)家拜耳（KarlJosefBayer）在1889~1892年間所發(fā)明的。拜耳法用在處理低硅鋁土礦，特別是處理三水鋁石型鋁土礦時(shí)，流程簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量好，因而得到廣泛的應(yīng)用。第4頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三1拜耳法的基本原理（1）用NaOH溶液溶出鋁土礦所得到的鋁酸鈉溶液在添加晶種，不斷攪拌的條件下，溶液中的氧化鋁便呈氫氧化鋁析出。（2）分解得到的母液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后在高溫下可用來(lái)溶出新的一批鋁土礦。交替使用這兩個(gè)過(guò)程就能夠每處理一批礦石，便得到一批氫氧化鋁，構(gòu)成所謂的拜耳法循環(huán)。第5頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三拜耳法的實(shí)質(zhì)就是使下一反應(yīng)在不同的條件下朝不同的方向交替進(jìn)行：Al2O3(1或3)H2O+2NaOH(aq)====2NaAl(OH)4(aq)溶出>140℃分解<70℃第6頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三首先是在高溫下在壓煮器中以NaOH溶液溶出鋁土礦，將其中氧化鋁水合物溶浸出來(lái)；使反應(yīng)向右進(jìn)行，得到鋁酸鈉溶液，雜質(zhì)則進(jìn)入殘?jiān)?。往徹底分離赤泥后的鋁酸鈉溶液中添加晶種，在不斷攪拌的條件下進(jìn)行晶種分解，使反應(yīng)向左進(jìn)行析出氫氧化鋁。分解后的母液（循環(huán)母液）再返回用以溶出下一批礦石。氫氧化鋁經(jīng)煅燒后便得到產(chǎn)品氧化鋁。第7頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的工藝有許多個(gè)工序組成，其中主要有：鋁土礦的溶出、溶出漿液的稀釋、晶種分解和分解母液蒸發(fā)等四個(gè)工序。鋁土礦的溶出溶出漿液的稀釋分解母液蒸發(fā)晶種分解鋁酸鈉溶液的溫度、濃度、苛性比值等各不相同2Na2O-Al2O3-H2O系中的拜耳法循環(huán)圖第8頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三051015202530354045Na2O%(質(zhì)量)403530252015105Al2O3,%(質(zhì)量)至Al2O3·3H2O點(diǎn)至Al2O3·H2O點(diǎn)200℃60℃30℃αk=1.65

αk=3.40

ABDCB’

D’

第9頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三

溶解度等溫曲線1.溶解度等溫曲線包括兩個(gè)段，交點(diǎn)是該溫度下最大點(diǎn)。2.在所有溫度下，氧化鋁的溶解度都是隨堿濃度增加而增大，當(dāng)超過(guò)某一值，隨著堿濃度增大而降低。3、過(guò)飽和度越大，溶液的穩(wěn)定性越低。4、當(dāng)溶液冷卻或稀釋時(shí)，溶液都是處于飽和狀態(tài)。第10頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三從以上的分析可見(jiàn)，在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過(guò)程中，最重要的是在不同的工序控制一定的溶液組成和溫度，使溶液具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。第11頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三

兩種表示方法：

A、采用物質(zhì)的摩爾比n(Na2O)/n(Al2O3),其中的Na2O是按苛性堿NaOH濃度計(jì)算，叫苛性比，符號(hào)K

。中國(guó)與俄羅斯

B、采用物質(zhì)的質(zhì)量比m(Na2O)/m(Al2O3),符號(hào)為A/C，其中的Na2O按當(dāng)量Na2CO3計(jì)算。美國(guó)

鋁土礦的配入量K＝1.5-1.7按所溶出溶液苛性計(jì)算,循環(huán)性堿液的K＝3.1-3.4第12頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三

鋁土礦的溶出率計(jì)算公式

鋁土礦中的含硅礦物在苛性堿溶液中有不同的溶解度，其中卵白石（SiO2·H2O)化學(xué)活性最大，最易溶解，在100℃以下，生成硅酸鈉：

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

此硅酸鈉與鋁酸鈉溶液起反應(yīng)生成含水鋁硅酸鈉沉淀。在高壓溶出的條件下，進(jìn)入赤泥中的含水鋁硅酸鈉的組成大致相當(dāng)于Na2O*Al2O3*1.7SiO2*nH2O（n可以大于2）。從式可知，每1kg的SiO2要結(jié)合1kg的Al2O3和0.6kg的Na2O。第13頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三

鋁土礦中氧化鋁的理論溶出率：

n=[w(Al2O3)–w(SiO2)]/w(Al2O3)×100%={[A/S]–1}/[A/S]×100%=[1-1/(A/S)]×100%式中A/S為鋁土礦的鋁硅比（質(zhì)量比）

∴

A/S越高，礦石越容易溶解，理論溶出率越高。第14頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三

3.1.2．拜耳法的基本流程步驟：溶出：得到鋁酸鈉溶液，使氧化鋁與雜質(zhì)分離稀釋?zhuān)航档弯X酸鈉溶液的濃度，便于晶種分解，便于赤泥分離分解：使鋁酸鈉溶液中的氧化鋁以氫氧化鋁的形式析出蒸發(fā)：排出多余的水分，保持水量平衡，使蒸發(fā)母液達(dá)到濃度要求煅燒：除去氫氧化鋁的附著水和結(jié)晶水，并得到吸濕性較差的氧化鋁以滿足電解需求。第15頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.1.2．拜耳法的基本流程破碎鋁土礦濕磨溶出稀釋沉降分離葉濾溶出礦漿精液粗液稠濃赤泥漿稀釋漿液赤泥洗滌洗液赤泥堆場(chǎng)熱水石灰補(bǔ)充苛性堿晶種分解晶種氫氧化鋁漿液氫氧化鋁沉降分離洗滌氫氧化鋁煅燒氧化鋁母液洗液蒸發(fā)蒸發(fā)母液石灰乳分離Na2CO3·H2O結(jié)晶溶解苛化第16頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三從礦山運(yùn)來(lái)的鋁土礦經(jīng)破碎后，與石灰和種分蒸發(fā)母液（循環(huán)母液）磨制成原礦漿，然后在高溫下將礦石中的Al2O3溶出，得到鋁酸鈉溶液和不溶殘?jiān)ǔ嗄啵┙M成的溶出料漿。料漿用赤泥洗液進(jìn)行稀釋?zhuān)僭诔两挡壑袑X酸鈉溶液和赤泥分離，赤泥經(jīng)洗滌后排往赤泥堆場(chǎng)。凈化后的鋁酸鈉溶液加入氫氧化鋁種子進(jìn)行分解，析出氫氧化鋁。氫氧化鋁與母液分離后，洗凈煅燒即得成品氧化鋁。母液和洗液通過(guò)蒸發(fā)濃縮。在蒸發(fā)時(shí)有一定數(shù)量的Na2CO3·H2O從母液結(jié)晶析出。將其分離出來(lái)用Ca(OH)2苛化成NaOH溶液與蒸發(fā)母液一同送往濕磨配料。第17頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.2

鋁土礦溶出過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)3.2.1氧化鋁水合物在溶出過(guò)程中的行為、

溶劑：循環(huán)母液中的主要成分有：NaOH、NaAlO2、Na2CO3、Na2SO4等。Al2O3(1或3)H2O+2NaOH(aq)==2NaAlO2(aq)第18頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三溶出的目的在于將其礦石中的氧化鋁充分溶解成為鋁酸鈉溶液而與其它雜質(zhì)分離。溶出條件與方式：由于氧化鋁在鋁土礦中的存在形態(tài)不同所以要求的溶出條件也不相同。溶出方式通常是在加壓的情況下進(jìn)行的，所以稱(chēng)為“高壓溶出”。不同狀態(tài)的氧化鋁水合物的溶出順序:三水鋁石最易溶解、一水軟鋁石次之、一水硬鋁石難溶，而剛玉在300度以下實(shí)際是不溶的進(jìn)入赤泥。第19頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三三水鋁石型溶出反應(yīng)式也有寫(xiě)成下式的三水鋁石典型的主要溶出條件：溶出溫度140～145℃溶出壓力4kg/cm2溶出堿濃度120～140g/L溶出后液苛性比（α）1.50～1.65第20頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三

一水軟鋁石的主要溶出條件：對(duì)于一水鋁石和一水硬鋁石型鋁土礦：其溶出條件主要取決于一水硬鋁石的含量，當(dāng)以一水硬鋁石形態(tài)存在的三氧化二鋁含量在5%以上時(shí)，實(shí)際上上必須采取適宜于一水硬石溶出的條件，這樣才能保證得到滿意的三氧化二鋁溶出率。溶出溫度200～240℃溶出壓力12～34kg/cm2溶出堿濃度140～240g/L溶出后液苛性比（α）1.5～1.75一水鋁石溶出反應(yīng)方程式：第21頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三一水硬鋁石的主要溶出反應(yīng)方程式：反應(yīng)式中的石灰的加入量，一般為鋁土礦石總重量的3～7%。含水鋁酸鈣：3CaO·Al2O3·6H2O水合鋁硅酸鈣（水化石榴石）：3CaO·Al2O3·3SiO2鈦酸鈣：CaO·TiO2第22頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三一水硬鋁石主要溶出條件溶出溫度220～260℃溶出壓力28～34kg/cm2溶出堿濃度250～280g/L溶出后液苛性比（α）1.65～1.71第23頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.2.2含硅礦物在溶出過(guò)程中的行為SiO2是鋁土礦中最常見(jiàn)的雜質(zhì)，也是堿法生產(chǎn)氧化鋁最有害的雜質(zhì)。鋁土礦中的含硅礦物有無(wú)定形的蛋白石、石英等一類(lèi)的氧化硅及其水合物以及高嶺石等。第24頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三所有含硅礦物與鋁酸鈉溶液反應(yīng)后，都有SiO2進(jìn)入溶液。以高嶺石為例，它與鋁酸鈉母液發(fā)生如下反應(yīng)：Al2O3·2SiO2·2H2O+6NaOH(aq)==2NaAl(OH)4+2Na2SiO3(aq)第25頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三反應(yīng)生成的鋁酸鈉和硅酸鈉都進(jìn)入溶液。當(dāng)硅酸鈉濃度達(dá)到最大值（2-10g/L）之后，兩者相互反應(yīng)生成水合鋁硅酸鈉逐漸析出，這一反應(yīng)使溶液的SiO2含量降低，因而稱(chēng)為脫硅反應(yīng)：1.7Na2SiO3+2NaAl(OH)4=Na2O·Al2O3·1.7SiO2·H2O↓+3.4NaOH+1.3H2O脫硅反應(yīng)第26頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三行為各種形式的含硅礦物與苛性堿反應(yīng)，均有硅酸鈉進(jìn)入溶液，然后與溶液中的鋁酸鈉反應(yīng)，生成溶解度很小的水合鋁硅酸鈉沉淀，造成Al2O3和Na2O的損失。第27頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.2.3含鐵礦物在溶出過(guò)程中的行為鋁土礦中含鐵的礦物有氧化物、硫化物、硫酸鹽、碳酸鹽以及硅酸鹽。最常見(jiàn)的是氧化物，其中包括赤鐵礦α–Fe2O3、水赤鐵礦α–Fe2O3等。在拜耳法溶出過(guò)程中，赤鐵礦實(shí)際上不溶于堿，全部進(jìn)入沉淀中，成為赤泥的重要組成。第28頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三TiO2在溶出過(guò)程中的行為3.2.4TiO2在溶出過(guò)程中的行為T(mén)iO2在鋁土礦中通常以金紅石、銳鈦礦和板鈦礦的形態(tài)存在。TiO2先于一水硬鋁石與堿反應(yīng)生成鈦酸鈉，其呈膠態(tài)包圍在礦粒表面，阻止一水硬鋁石與堿反應(yīng)，導(dǎo)致氧化鋁不能溶出，加石灰，生成鈦酸鈣，破壞鈦酸鈉的膜。消除TiO2的有害作用。第29頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.2.5含鈣、鎂的礦物在溶出過(guò)程中的行為在鋁土礦中有少量的方解石CaCO3和白云石CaCO3·MgCO3。碳酸鹽是鋁土礦中常見(jiàn)的有害雜質(zhì)它們?cè)趬A溶液中容易分解，使苛性鈉轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕c。第30頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.2.6有機(jī)物和某些微量雜質(zhì)在溶出過(guò)程中的行為

有機(jī)物可以分為腐植酸及瀝青兩大類(lèi)。后者實(shí)際上不溶解于堿溶液，全部隨同赤泥排出。腐植酸類(lèi)的有機(jī)物與堿作用生成各種腐植酸鈉，然后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹艿牟菟徕c（Na2C2O4）或蟻酸鈉，在流程中循環(huán)積累，使溶液粘度顯著升高，容易產(chǎn)出泡沫。溶液中的有機(jī)物對(duì)鋁土礦的濕磨，赤泥的沉降分離，鋁酸鈉溶液中的晶種分解，母液的蒸發(fā)等工序都是不利的。第31頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.2.7對(duì)溶出過(guò)程的工藝要求Al2O3的理論溶出率理論上礦石中可以溶出的Al2O3量與礦石中Al2O3量的比值。Al2O3的實(shí)際溶出率在溶出時(shí)，實(shí)際溶出的Al2O3量與礦石中Al2O3量的比值。第32頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三美國(guó)鋁業(yè)公司提出的溶出條件為：一水軟鋁石礦溫度235℃，苛性堿溶液Na2O濃度135g/L,時(shí)間15min一水硬鋁石礦溫度300℃，苛性堿溶液Na2O濃度200g/L,時(shí)間30min從工藝上說(shuō)，在溶出過(guò)程中，除了要求達(dá)到盡可能的Al2O3溶出率外，還要求Na2O的化學(xué)損失盡可能地減少。第33頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.2.8溶出過(guò)程的動(dòng)力學(xué)(1)含Al2O3礦物的表面被溶劑——含大量游離NaOH的循環(huán)母液所濕潤(rùn)；(2)含Al2O3礦物與OH-相互作用生成鋁酸鈉；(3)鋁酸根離子通過(guò)在礦物表面上生成的擴(kuò)散層擴(kuò)散到整個(gè)溶液中去，而OH-通過(guò)擴(kuò)散層擴(kuò)散到礦物表面上來(lái)，使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。第34頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.2.9影響鋁土礦溶出過(guò)程的因素1．溶出溫度：溶解度和速率都增大，鋁酸鈉飽和蒸汽壓急劇增大。2．循環(huán)母液堿濃度及苛性比值：增大溶出速度3．礦石磨細(xì)的程度4．石灰添加量5.攪拌強(qiáng)度第35頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.3赤泥的分離與洗滌3.3.1鋁酸鈉漿液的稀釋從自蒸發(fā)器出來(lái)的漿液，其N(xiāo)a2O濃度常在200～250g／L之間，用赤泥洗液將其稀釋的作用為：1.低鋁酸鈉溶出液的濃度，便于晶種分解，2.鋁酸鈉溶液進(jìn)一步脫硅，3.便于赤泥分離，4.有利于沉降槽的操作。第36頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.3.2拜耳法赤泥漿液1漿液的物理化學(xué)性質(zhì)

拜耳法赤泥的沉降性能和壓縮性能都比較差，原因：（1）赤泥粒子非常細(xì)（2）赤泥粒子具有極其發(fā)達(dá)的表面第37頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三2影響赤泥性能的主要因素：（1）鋁土礦的礦物組成和化學(xué)成分（2）溫度（3）礦石細(xì)磨程度（4）鋁酸鈉溶液的濃度及黏度第38頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3改善拜耳法赤泥沉降性能的途徑：（1）鋁土礦預(yù)先焙燒（2）提高溶出溫度（3）添加絮凝劑第39頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.4鋁酸鈉溶液的晶種分解3.4.1鋁酸鈉溶液分解過(guò)程的機(jī)理晶種分解是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序之一，它不僅影響產(chǎn)品氧化鋁的數(shù)量和質(zhì)量，而且直接影響循環(huán)效率及其他工序。第40頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三晶核生成過(guò)程可用以下方式表示：配合鋁酸根離子Al(OH)4-↓生成聚合鋁酸根離于Aln(OH)-3n-1↓形成締合物[Aln(OH)-3n+1]m↓析出聚合物[Al(OH)3]沉淀第41頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三同時(shí)發(fā)生一些物理化學(xué)作用：次生成核結(jié)晶長(zhǎng)大晶粒附聚晶粒破裂和磨蝕

第42頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.4.3影響晶種分解過(guò)程的主要因素1.分解原液的濃度和苛性比值2.溫度制度：3.晶種數(shù)量和質(zhì)量:4.分解時(shí)間及母液苛性比值：5.攪拌速度：6.雜質(zhì)的影響：第43頁(yè)，講稿共51頁(yè)，2023年5月2日，星期三3.5氫氧化鋁的煅燒煅燒氫氧化鋁的目的是除去其附著水和結(jié)晶水，并得到吸濕性能較差的氧化鋁以滿足電解鋁生產(chǎn)的需要，是氧化鋁生產(chǎn)的最后一道工序。3.5.1煅燒氫氧化鋁原理工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)過(guò)過(guò)濾的濕氫氧化鋁是三水鋁石(Al2O3