氧化鋁制取課程設(shè)計(jì)任務(wù)

.氧化鋁生產(chǎn)概述氧化鋁及其主要化合物的物理化學(xué)性質(zhì)和用途氧化鋁：氧化鋁外觀為白色粉末，結(jié)晶狀態(tài)為六方晶體結(jié)構(gòu)，分子式通常寫(xiě)為A1203，分子量為101.96。氧化鋁是典型的兩性氧化物，不溶于水，可溶于無(wú)機(jī)酸和堿性溶液，由于其結(jié)晶形式不同，在酸、堿溶液中的溶解度及溶解速度也不同。氧化鋁有多種同素異構(gòu)體，如：a-A1203、0-A1203、y-A1203、6-A1203、0-A1203、K-A1203、6-A12O3。而常見(jiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的氧化鋁主要是a-A1203、y-A1203。a-A12O3性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)2050°C，沸點(diǎn)2900r，比重3.9-4.0g/cm3。Y-A12O3是將各種Al(0H)3加熱脫水獲得的，Y-A12O3呈立方晶系。晶格常數(shù)a=7.91A。氧化鋁水合物是由0H-、02-、A13+構(gòu)成的化合物，其中并不含水分子，是人們對(duì)該種化合物的俗稱。氧化鋁水合物是鋁土礦中的主要礦物。自然界中0H-、02-、A13+構(gòu)成的化合物主要有三水鋁石、一水軟鋁石、一水硬鋁石和剛玉。其分子式為：三水鋁石：Al(OH)3、一水軟鋁石：Y-A100H、一水硬鋁石：a-AlOOH、剛玉：A1203。氧化鋁水合物的化學(xué)性質(zhì)也由于其結(jié)構(gòu)不同而有很大差別?；瘜W(xué)活性按下列次序遞減：三水鋁石化學(xué)活性最大、一水軟鋁石次之、一水硬鋁石較弱、剛玉則是非常穩(wěn)定的氧化鋁氧化鋁及其水合物是兩性化合物,均不溶于水,而溶于酸和堿液中.用途(1)氧化鋁是電解鋁的主要原料。 (2).紅寶石、藍(lán)寶石的主成份皆為氧化鋁，因?yàn)槠渌s質(zhì)而呈現(xiàn)不同的色澤。紅寶石含有氧化鉻而呈紅色，藍(lán)寶石則含有氧化鐵及氧化鈦而呈藍(lán)色。(3)在鋁礦的主成份鐵鋁氧石中，氧化鋁的含量最高。工業(yè)上，鐵鋁氧石經(jīng)由Bayerprocess純化為氧化鋁，再由Hall-Heroultprocess轉(zhuǎn)變?yōu)殇X金屬。(4)氧化鋁是金屬鋁在空氣中不易被腐蝕的原因。純凈的金屬鋁極易與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成一層薄的氧化鋁薄膜覆蓋在暴露于空氣中鋁表面。這層氧化鋁薄膜能防止鋁被繼續(xù)氧化。這層氧化物薄膜的厚度和性質(zhì)都能通過(guò)一種稱為陽(yáng)極處理(陽(yáng)極防腐)的處理過(guò)程得到加強(qiáng)。(5)鋁為電和熱的良導(dǎo)體。鋁的晶體形態(tài)金剛砂因?yàn)橛捕雀?，適合用作研磨材料及切割工具。(6)氧化鋁粉末常用作色層分析的媒介物。1.2.氧化鋁生產(chǎn)方法氧化鋁生產(chǎn)方法大致可分為四類，即堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法和熱法。堿法生產(chǎn)氧化鋁又分為拜耳法燒結(jié)法和聯(lián)合法等多種流程。拜耳法是直接用含有大量游離NaOH的循環(huán)母液處理鋁礦石，以溶出其中的氧化鋁而獲得鋁酸鈉溶液，并用加晶種攪拌分解的方法，使溶液中的氧化鋁以Al(OH)狀態(tài)結(jié)晶析出。燒結(jié)法3是將鋁礦石配入石灰石(或石灰)、蘇打(含有NaCO的碳分母液)，在高溫下燒結(jié)得到含固體鋁酸鈉的物23料，用稀堿溶液溶出熟料便得到鋁酸鈉溶液。拜耳－燒結(jié)聯(lián)合法兼有拜耳法和燒結(jié)法流程，兼收了兩個(gè)流程的優(yōu)點(diǎn)，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效果。酸法是用硝酸、硫酸、鹽酸等無(wú)機(jī)酸處理含鋁原料而得到相應(yīng)的鋁鹽的酸性水溶液。然后使這些鋁鹽成水合物晶體(蒸發(fā)結(jié)晶)或堿式鋁鹽(水解結(jié)晶)從溶液中析出，亦可用堿中和這些鋁鹽的水溶液，成氫氧化鋁析出，煅燒后得無(wú)水氧化鋁。酸堿聯(lián)合法是先用酸法從高硅鋁礦中制取含鐵、鈦等雜質(zhì)的不純氫氧化鋁，再用堿法(拜耳法)處理。這一流程的實(shí)質(zhì)是用酸法除硅，堿法除鐵。熱法適合處理高硅高鐵鋁礦，其實(shí)質(zhì)是在電爐或高爐內(nèi)還原熔煉礦石，同時(shí)獲得硅鐵合金(或生鐵)與含氧化鋁的爐渣，二者借比重差分開(kāi)后，再用堿法從爐渣中提取氧化鋁。1.3拜耳法原理及其工藝流程拜耳法是直接用含有大量游離NaOH的循環(huán)母液處理鋁礦石，以溶出其中的氧化鋁而獲得鋁酸鈉溶液，并用加晶種攪拌分解的方法，使溶液中的氧化鋁以Al(OH)狀態(tài)結(jié)晶析出。種分母液經(jīng)蒸發(fā)后返回用于浸出3另一批鋁礦石。礦石中的主要雜質(zhì)SiO是以水合鋁硅酸鈉(NaO?AlO?1.7SiO?nHO)的形式進(jìn)入赤泥，造2 2 23 2 2

成AlO和NaO的損失。因此，拜耳法適合處理高品位鋁礦，鋁硅比A/S大于9。232拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本原理是：（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（2）分解得到的母液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后在高溫下可用來(lái)溶出新的鋁土礦，即溶出過(guò)程。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)。用反應(yīng)方程式表示如下：Al2O3（1或3）H2O＋2NaOH＋aq2NaAl（OH）4＋aq。拜耳法的生產(chǎn)工藝流程圖如圖。其主要工序有破碎、濕磨、溶出、稀釋晶種分解破碎碎三段。沉降分離、赤泥洗滌、煅燒、蒸發(fā)和苛化等。通常分粗碎、中碎、細(xì)將鋁土礦按配料要求配濕磨入石灰和循環(huán)母液磨制成合格的原礦漿。沉降分離、赤泥洗滌、煅燒、蒸發(fā)和苛化等。通常分粗碎、中碎、細(xì)將鋁土礦按配料要求配溶出在高溫、高壓的條件下使鋁土礦中的氧化鋁水合物從礦石中溶浸出來(lái)，制得鋁酸鈉溶液，而鐵、硅等雜質(zhì)則進(jìn)入赤泥中。稀釋溶出后的漿液用赤泥洗液加以稀釋，進(jìn)一步脫除溶液中的硅，為沉降分離和晶種分解創(chuàng)造必要的條件。沉降分離稀釋后的漿液進(jìn)入沉降槽處理，以使鋁酸鈉溶液和赤泥分離開(kāi)來(lái)。赤泥洗滌沉降分離出來(lái)的赤泥漿液，用水洗滌，以回收有用成分（堿和氧化鋁）。洗滌次數(shù)越多，有用成分損失越少。晶種分解漿分離了赤泥的鋁酸鈉溶液（精液）送入分解槽，加入晶種，不斷攪拌并逐漸降溫，分解析出氫氧化鋁，并得到分解母液。煅燒在高溫下將氫氧化鋁的附著水、結(jié)晶水除去，并使其晶型轉(zhuǎn)變，以獲得適合要求的氧化鋁。蒸發(fā)種分母液經(jīng)過(guò)濃縮，以提高其堿濃度，保持循環(huán)體系中水量平衡，使母液達(dá)到拜耳法溶出的要求?？粱谡舭l(fā)時(shí)有一定的NaCO?HO結(jié)晶析出，將其分離出來(lái)用石灰乳苛化成NaOH溶液，與蒸發(fā)母液232一同送往濕磨配料。1.4高壓溶出高壓溶出的目的就是用苛性堿溶液將鋁土礦中的氧化鋁溶出，生成鋁酸鈉溶液，有效地提取鋁土礦的氧化鋁。使溶液充分脫硅，避免過(guò)量的SiO2影響，把苛性堿的消耗減至最少。工業(yè)生產(chǎn)中一般采用循環(huán)母液來(lái)溶出鋁土礦。為了加快氧化鋁水合物（特別是一水硬鋁石）的溶出速度，添加石灰，并且把鋁土礦、石灰、循環(huán)母液磨制成礦漿后在溶出設(shè)備中完成溶出過(guò)程。各組分在溶出過(guò)程中的行為氧化鋁水合物在溶出過(guò)程中的行為鋁土礦所含氧化鋁水合物在溶出條件下與循環(huán)母液中的NaOH作用生成鋁酸鈉進(jìn)入溶液中。三水鋁石型鋁土礦中的Al(0H)3與Al(0H)3在常壓下即可反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：Al(0H)3+Al(0H)3+aq=NaAl(0H)4+aq而一水軟鋁石型或一水硬鋁石型鋁土礦中的AlOOH在相應(yīng)的高溫(高壓)及高堿濃度下發(fā)生下列反應(yīng)：A1OOH+NaOH+aq=NaAl(OH)4+aq含在某些一水硬鋁石型鋁土礦中的剛玉在一般工業(yè)高壓溶出條件下與苛性鈉不發(fā)生作用而殘留于赤泥中。氧化鋁水合物與苛性鈉發(fā)生的反應(yīng)是溶出過(guò)程的主反應(yīng)。氧化硅水合物在溶出過(guò)程中的行為鋁土礦中的氧化硅一般以石英(Si02),蛋白石(SiO2.nH2O)、高齡石(Al2O3.2SiO2.2H2O)、葉臘石(Al2O3.4SiO2.H2O)等形式存在。SiO2在溶出過(guò)程的行為取決于它的礦物組成、溶出溫度和溶出過(guò)程的時(shí)間。無(wú)定形的蛋白石，不僅易溶于苛性堿溶液，而且還能溶于碳酸鈉溶液，其反應(yīng)方程式如下：SiO2.nH2O+2NaOH+aq=Na2SiO3+aqSiO2.nH2O+2Na2CO3+aq=Na2SiO3+CO2+aq游離狀態(tài)的SiO2和石英只有在較高溫度下，才開(kāi)始和鋁酸鈉溶液起反應(yīng)。在低溫下溶出三水鋁石時(shí)，礦石中以石英形態(tài)存在的那部分SiO2將轉(zhuǎn)移到赤泥中被分離出去，不會(huì)引起氧化鋁和氧化鈉的損失。氧化鐵水合物在溶出過(guò)程中的行為鋁土礦中主要含有赤鐵礦(a—Fe2O3)，菱鐵礦(Fe?C03)針鐵礦(a—FeOOH)和水赤鐵礦(Fe2O3-0.5H2O)。鋁土礦溶出時(shí)所有赤鐵礦全部殘留在赤泥中，成為赤泥的重要組成部分。赤泥中以針鐵礦形式存在的Fe2O3，通常都具有不良的沉降和過(guò)濾性能。因此，在溶出時(shí)添加石灰促進(jìn)了針鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦。可以提高氧化鋁的溶出率，也改善了赤泥的沉降性能。氧化鐵含量越多，赤泥量越大，則洗滌用水越多，因此水的蒸發(fā)量大，相應(yīng)赤泥分離設(shè)備、洗滌設(shè)備及蒸發(fā)設(shè)備相應(yīng)增多，提高了產(chǎn)品成本。在生產(chǎn)溶液中往往含有2~3毫克/升以鐵酸鈉形態(tài)溶解的鐵，還含有細(xì)度在3微米以下的含鐵礦物微粒，這些微粒很難濾除，則成為氫氧化鋁被鐵污染的來(lái)源氧化鈦水合物在溶出過(guò)程中的行為鋁土礦含鈦礦物多以金紅石和銳鈦礦物存在。不加石灰時(shí)，含鈦礦物能引起氧化鋁溶出率降低和氧化鈉損失，還導(dǎo)致赤泥沉降性能變壞以及在加熱設(shè)備表面形成結(jié)疤。在溶出一水硬鋁石型鋁土礦時(shí)，不添加石灰，氧化鈦與堿作用生成不溶性的鈦酸鈉3Ti02+2Na0H+aq=Na20?3Ti02?2.5H2O+aq鈦酸鈉結(jié)晶致密，在礦粒表面形成一致密薄膜，把礦粒包裹起來(lái)，阻礙一水硬鋁石的溶出。由于三水鋁石易溶解，在鈦酸鈉生成之前已經(jīng)溶解完畢，所以TiO2不影響三水鋁石的溶出。一水軟鋁石型鋁土礦，則受到一定程度的影響。生產(chǎn)中為了消除氧化鈦在溶出過(guò)程中的危害，一般采用添加石灰的辦法，使TiO2與CaO作用生成不溶解的鈦酸鈣：2CaO+TiO2十2H2O=2CaO?TiO2?2H2O由于鈦酸鈣結(jié)晶粗大松脆，易脫落，所以氧化鋁溶出不受影響，并且消除了生成鈦酸鈉所造成的堿損失。影響溶出過(guò)程的因素主要的影響因素如下：（1）溶出溫度（2）保溫