氧化铝生产工艺教学(拜耳法)

赤泥沉降
赤泥洗涤
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
溶出矿浆的稀释及赤泥的分离洗涤
赤泥堆场
赤泥堆场
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
晶种分解 是拜耳法生产氧化铝的主要工序之一。对产品的质 量、产量以及全厂的技术经济指标有着重大影响。
衡量分解过程效率的技术经济指标：种分分解率、分解槽单
位产能，Al(OH)3的质量。砂状氧化铝要求的物理性能主要取决于种分 过程的控制。
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
晶种分解
分解槽
分解槽
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
铝土矿类型 三水铝石 一水软铝石 一水硬铝石 温度（℃） 145 230 250 Na2O(g/L) 110 110 120 Al2O3(g/L) 130 120 120 分子比MR 1.40 1.50 1.65
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第五章 铝土矿中氧化铝的溶出
铝土矿溶出动力学 液固多相反应
第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程 原料堆取
翻车机：主要用于原料的装卸
斗轮式堆取料机： 主要用于原料的混合。
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
湿磨：从母液蒸发工序送来的蒸发母液，通过碱液泵送到管磨与按
比例分配下料的铝土矿，石灰及干燥的碱粉一道进入磨机桶体进行湿磨， 管磨产出的原矿浆通过输送系统输送到料浆槽。
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第五章 铝土矿中氧化铝的溶出
铝土矿溶出动力学 一水硬铝石型铝土矿
V K C N K C N K (C N C A / K E )
K+—正反应的速率常数 K-—逆反应的速率常数 KE—铝土矿溶出反应的平衡常数 CA—AlO2-浓度 CN—OH-浓度
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第五章 铝土矿中氧化铝的溶出
氧化铝溶出率 拜耳循环
氧化铝实际溶出率：铝土矿与NaOH反应实际溶出到溶液中的
用NaOH溶液溶出铝土 矿所得到的铝酸钠溶液 在添加晶种，不断搅拌 的条件下，溶液中的氧
发浓缩后在高温下可用
来溶出新的一批铝土矿
化铝便呈氢氧化铝析出
实质： Al2O3(1或3)H2O+2NaOH+aq
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溶出 分解
2NaAl(OH)4+aq
第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
赤泥分离洗涤的目的
高压溶出后得到的是铝酸钠溶液和赤泥的混合浆液，为了获得纯 碱的铝酸钠溶液，必须从溶液中分离出赤泥。 分离后的赤泥附带有一部分铝酸钠溶液，为了减少Al2O3和Na2O 的损失，需要对赤泥进行洗涤。
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
溶出矿浆的稀释及赤泥的分离洗涤
200℃ MR=1.65
C D
A
AB线：溶出线 CD线：分解线
BC线：稀释线 DA线：蒸发线
拜耳循环：ABCDA
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
拜耳循环 拜耳循环
实际生产中与拜耳法循环的理想过程有差别
实际生产过程存在Na2O和Al2O3的化学损失和机械损失
拜耳法的循环效率 循环效率是分析拜耳法的作业效果 和改革途径的重要指标
循环效率E是指一吨Na2O 在一次拜
耳循环中所产出的Al2O3的量（吨）
( MR ) m ( MR ) a E 1.645 [ ](t / t Na O ) ( MR ) m ( MR ) a
2
循环碱量N是指生产一吨Al2O3 在循环母
物理性能都符合溶出要求的原矿浆。
原矿浆制备要求：
参与化学反应的物料要有一定细度 参与化学反应的物质之间要有一定 的配比和均匀混合
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原矿浆制备是氧化 铝生产的第一道工 序，也是重要的工 序，影响着氧化铝 的溶出率、赤泥沉 降性能、种分分解 率以及氧化铝产量 等技术经济指标。
溶出过程的表观活化能83.8kJ/mol，逆反应的活化能
为54.6kJ/mol。溶出过程处于表面化学反应控制阶段
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第五章 铝土矿中氧化铝的溶出
铝土矿溶出 铝土矿溶出过程的要求
尽可能高的Al2O3溶出率
Na2O化学损失尽可能低 溶出液具有足够的硅量指数 溶出液具有低的分子比 循环母液具有高的分子比和Na2O浓度
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
高压溶出
是拜耳法生产氧化铝的主要工序之一。影 响拜耳法生产氧化铝的技术经济指标。
溶出目的：将铝土矿中的氧化铝水合物溶解成铝酸钠溶液，并使
溶液充分脱硅，避免过量SiO2影响产品质量，且把苛性碱的消耗减至 最少。
2 原矿浆制备 高压溶出 溶出矿浆的稀释及 赤泥的分离洗涤 晶种分解 氢氧化铝的分离与洗涤 氢氧化铝煅烧 种分母液的蒸发及 一水碳酸钠的苛化
3
4 5 6 7
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
原矿浆制备 拜耳循环
原矿浆制备：是把拜耳法生产氧
化铝所用的原料，如铝土矿、石灰、循 环母液等按一定的比例配制出化学成分、
溶出时因水分的蒸发和凝聚使溶液浓度改变 晶种分解过程添加的晶种带入母液使溶液的分子比有所提高
因此实际生产过程的拜耳循环各线段偏离理想位臵， 每次循环后必须补充所损失的碱，才能使母液的组成回复 到循环开始点A点，然后继续进行下一次循环。
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
技术经济指标：氢氧化铝洗水量、料浆液固比，成品氢氧化铝含
水率、过滤机产能等。
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
氢氧化铝的分离与洗涤
平盘过滤机 转鼓过滤机
转鼓过滤机
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
氢氧化铝煅烧 拜耳循环
V K A C NaOH
K—常数 A—表面积，m2 CNaOH—苛性碱浓度,% T—溶出温度,K 表观活化能71.48kJ/nol
17100 exp( ) 1.987T
反应物变成活化状态比活化状态变成生成物要快得多，即活化能越小，反应速 度越快，活化能越大，反应速度越慢，因此活化能可以作为判断多相反应控制步骤 的一个重要参数，一般扩散控制活化能小于13kJ/mol，混合控制为20-34kJ/mol， 而化学反应控制活化能大于40kJ/mol，这是因为化学反应需要在反应物化学键完全 断裂和形成新化学键的情况下发生，反应速度慢，需要较大活化能。
流体反应物在固体表面的吸附 在固体表面上发生的化学反应 流体产物由固体表面上的解吸，并通过固体产物层向流体的扩散 反应的控制步骤：由最慢的步 骤决定着整个反应过程的速度
流体反应物在主流体中通过固体颗粒表面的扩散层的传质
铝土矿的溶出过程：铝土矿与碱液的反应属于复杂的液-固多相反应
含氧化铝矿物的表面被含大量游离NaOH的循环母液所浸润 含氧化铝矿物与OH-相互作用生成铝酸钠 铝酸根离子通过在矿物表面上生成的扩散层扩散到整个溶液中 去，而OH-通过扩散层扩散到矿物的表面上来，使反应继续下去
拜耳循环 拜耳循环
至Al2O3· H2O 至Al2O3· 3H2O 60℃ B 30℃ MR=3.40
拜耳法生产Al2O3的四个组要工序 铝土矿的溶出 铝酸钠溶液的稀释 晶种分解 分解母液蒸发 拜耳法循环从铝土矿的溶出开始， 溶出初温为30℃，终温为200℃。 在此温度范围内实现溶出、稀释分 解、蒸发过程。 A点：循环母液的组成点
工业生产中一般采用循环母液来溶出铝土矿，且添加石灰以加快
氧化铝水合物（特别是一水硬铝石）的溶出速度。
溶出过程的主要技术条件和经济指标：溶出温度、溶出时间、
Al2O3溶出率、碱耗、热耗等。
溶出工艺及技术条件的确定取决于铝土矿的化学成分和 铝土矿类型
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
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第五章 铝土矿中氧化铝的溶出
铝土矿溶出动力学 三水铝石型铝土矿
V K A C NaOH
K—常数 A—表面积，m2 CNaOH—苛性碱浓度,% T—溶出温度,K 表观活化能81.93kJ/nol
19600 exp( ) 1.987T
一水软铝石型铝土矿
煅烧目的：是在一定温度下把氢氧化铝的附着水和结合水脱除，
并发生分解反应，形成氧化铝，再进行晶型转变，得到具有一定物理 和化学性能的氧化铝产品。
煅烧产品的质量指标：化学纯度、灼减、а-Al2O3含量、粒度、
安息角等。
煅烧过程的技术经济指标：煅烧温度、燃料消耗量、产量等。
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
氢氧化铝煅烧 拜耳循环
生产现场焙烧炉
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焙烧炉平面图
第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
种分母液的蒸发及一水碳酸钠的苛化
母液蒸发的目的：排除流程中多余的水分，保持循环系统中液量
的平衡，使母液蒸发浓缩到符合拜耳法溶出铝土矿配制原矿浆的要求。 同时排除溶液中的杂质盐类，进行苛化回收。
高压溶出
管道化溶出
高压釜溶出
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
溶出矿浆的稀释及赤泥的分离洗涤
溶出矿浆稀释的目的
赤泥是溶出铝土矿 后得到的泥渣
降低铝酸钠溶出的浓度，便于晶种分解 降低铝酸钠溶液的黏度，加速赤泥沉降分离。 促使铝酸钠溶液进一步脱硅 有利于稳定沉降槽的操作
氢氧化铝的分离与洗涤
分离目的：经种子分解或碳酸化分解得到的氢氧化铝浆液，用过
滤设备将氢氧化铝和母液分离，分离得到的氢氧化铝一部分直接返回 生产流程，作种子分解的晶种，其余部分经进一步洗涤生产氢氧化铝 成品。
洗涤目的：氢氧化铝浆液经分离所得的氢氧化铝滤饼仍含有一定
量的分解母液，必须加以洗涤，以回收Na2O和Al2O3，并保证氢氧化 铝产品中Na2O含量符合质量标准要求。
液中所必须含有的碱量（不包括碱损失）
E
1
N
( MR ) m ( MR ) a N 0.608 [ ](t / t AO ) ( MR ) m ( MR ) a
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循环效率和循环碱量 呈互为倒数关系
第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
拜耳法的基本流程 1
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第五章 铝土矿中氧化铝的溶出
氧化铝的溶出行为：铝土矿所含氧化铝水合物在溶出条件下与循
环母液中的NaOH作用生成铝酸钠进入溶液中。是铝土矿溶出过程的 主要反应
Al2O3(1或3)H2O+2NaOH+aq
溶出 分解
2NaAl(OH)4+aq
铝土矿类型不同溶出条件不同
晶种分解：就是将铝酸钠溶液降温，增大其过饱和度，再加入氢
氧化铝作晶种，并进行搅拌，使其析出氢氧化铝的过程。
晶种分解除得到氢氧化铝外，同时得到分子比较高种分母液，作为
溶出铝土矿的循环母液，从而构成拜耳法生产氧化铝的闭路循环。
晶种分解过程的主要技术指标：氧化铝浓度、分子比、分解初
温、终温、种子比、分解时间等。
L/O/G/O
氧化铝生产工艺
金会心
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第四章 拜耳法的原理和基本工艺流程
拜耳法的原理
拜耳法是由K.J.拜耳1889-1892年提出而命名。用 于处理高铝硅比铝土矿，特别是三水铝石型铝土 矿，流程简单，产品质量好，得以广泛应用
溶出过程 分解得到的母液，经蒸
晶种分解过程
一水碳酸钠的苛化：铝土矿中含有少量的碳酸盐（如石灰石、菱
铁矿等）和铝土矿溶出时加入的石灰中含有的少量石灰石(因煅烧不完 全)与苛性碱作用生成的碳酸钠，以及铝酸钠溶液中的NaOH吸收空气 中的CO2也生成碳酸钠，它们在种分母液蒸发过程中以一水碳酸钠结 晶析出。为减少苛性碱的消耗，需将这些碳酸钠用石灰乳进行苛化处 理以回收苛性碱： Na2CO3· H2O + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3 + H2O