化工设计：年产10万吨硫酸铝

安徽建筑工业学院
大作业
题目：年产10万吨硫酸铝工艺设计学院：材料与化学工程学院
专业：08化学工程与工艺
姓名：李小磊
学号：08206040213
指导教师：葛业军
完成日期：2011年3月25号
目录
摘要 (3)
前言 (3)
1 设计概述 (3)
1.1设计的目的和意义 (3)
1.2 生产能力 (3)
1.3 设计指导思想 (3)
1.4 设计原则 (4)
1.5 设计重点 (4)
2.生产工艺的选择 (4)
2.1原料 (4)
2.2生产工艺：高岭土常压反应法 (4)
3. 工艺计算 (6)
3.1生产流程 (6)
3.1.1工艺流程方块图 (7)
3.1.2预处理 (7)
3.2物料衡算 (7)
3.2.1设计生产能力 (7)
3.2.2原料组成 (7)
3.2.3酸浸段 (8)
3.2.4加热浓缩段 (8)
3.3 能量衡算 (9)
3.3.1吸热 (9)
3.3.2放热 (9)
4.三废处理及副产品的综合利用 (10)
5. 总结 (10)
参考文献 (11)
摘要
我国硫酸铝的生产现状，年产量万吨以上的企业已达29个，3000t至10000t 的企业达85个。

全国硫酸铝生产能力已达115万t，产量突破95万t，仅次于美国和日本，而居世界第三位[1]以高岭土为原料生产硫酸铝，具有原料成本低，产量高，产品质量好，过程易控制等优点，制备过程中产生的废渣可作为高活性的高硅材料，也可作为优良的涂料及板材制品填料，从而实现了综合利用和无废渣排放，具有积极的环保意义；采用高岭土为原料生产硫酸铝，符合设计的目的和指导思想。

关键词：硫酸铝；生产工艺；高岭土
前言
硫酸铝化学名（Aluminium sulfate）Al2(SO4)3，无色单斜结晶，在空气中长期存放易吸潮结块。

易溶于水，水溶液显酸性，难溶于醇，是无机盐基本品种之一，应用十分广泛。

加热至770度是开始分解为氧化铝、三氧化铝、二氧化铝、二氧化硫和水蒸气。

水解后生成氢氧化铝。

工业品为白色或灰白色粉立状晶体。

主要用于净水与造纸[2]。

在造纸工业中可作纸的填料和处理造纸工业废水。

在净水方面，作为城市用水和废水处理的絮凝剂，可以除去水中的磷酸盐、锌、铬等杂质，以及除菌、控制水的颜色和气味。

硫酸铝还可以用来生产其他铝盐、硫酸铝衍生物，无机高分子絮凝剂及铵明矾、钾明矾等。

本设计以高岭土为原料，拟设计一套年产10万吨硫酸铝的生产车间。

1.设计概述
1.1设计的目的和意义
通过具体的年产10万吨硫酸铝的工艺设计，我们可以很大程度上将在大学中所学的基础化学以及化工专业基础课程应用到实践中。

这样不仅对我们的理论知识是一次深化，更能陪样我们理论联系实际, 将理论应用到实践中去的能力, 更重要的是可以通过此工艺的设计对现有硫酸铝生产工艺进行全面深入的调查研究，对比不同工艺，取各工艺技术之优点融合为一合理先进的工艺设计。

通过完成本设计，基本掌握过年产10万吨硫酸铝车间的工艺流程设计、基本工艺计算等设计理论和设计技能；对通用工程设计有一个系统的了解和整体的把握，达到大学工科本科生应具备的专业设计能力。

1.2生产能力
生产能力：年产10万吨硫酸铝
原料：高岭土（含硫酸铝39.50 %）、98%硫酸
成品质量标准：GB2942-92标准
年生产日：300天（全天候）
日产硫酸铝 100000/300=333.33吨
每小时生产 333.33/8=41.666吨/小时
1.3 设计指导思想
为适应我国硫酸铝生产工业发展的需要，在硫酸铝工艺设计中巩固和应用所学的基础理
论和专业知识，通过收集资料加以整体设计。

加强理论联系实际，扩大知识面；培养独立思考、独立工作的能力。

整个设计应贯彻节省基建投资，充分重视技术进步，节约能源和降低原料消耗等角度出发，同时积极治理三废和综合利用副产物，充分重视环保以利于生活，生产和提高经济效益为原则进行设计，尽量采用定型原料，生产高质量的硫酸铝。

1.4设计原则
根据原料的特性，参考工业生产中成功的经验和科研最新成果，对所收集的文献、资料进行分析比较，设计适宜的工艺流程和操作条件，选择合适的生产设备，并进行科学、合理的配置。

应本着“工艺先进、技术可靠、系统科学、经济合理、安全环保”的原则，取得良好的社会效益和经济效益。

1.5设计重点
设计重点：年产10万吨硫酸铝车间生产工艺流程、主要生产设备设计和工艺技术指标设计。

2.生产工艺的选择
2.1原料
生产硫酸铝的含铝原料种类繁多，大概有如下几种：铝矾土、明矾石、氢氧化铝、铝灰、煤矸石等[6]。

我国主要是采用铝矾土为含铝原料，有部分厂家采用煤矸石和铝灰为原料。

氢氧化铝是最理想的用于生产硫酸铝的含铝原料，但只有生产特种硫酸铝才会利用它。

以高岭土为原料生产硫酸铝，具有原料成本低，产量高，产品质量好，过程易控制等优点，制备过程中产生的废渣可作为高活性的高硅材料，也可作为优良的涂料及板材制品填料，从而实现了综合利用和无废渣排放，具有积极的环保意义；采用高岭土为原料生产硫酸铝，符合设计的目的和指导思想。

2.2生产工艺：高岭土常压反应法
我国非煤建造型高岭土，资源储量居世界第五位。

利用高岭土生产硫酸铝，不仅可以产生很好的社会效益和环境效益，而且也有很好的经济效益[11]。

高岭土中含有丰富的氧化铝，通过酸浸反应提取氧化铝是利用高岭土生产铝盐产品及其深加工产品的基础反应，反应过程较为复杂。

目前开发利用高岭土的首要任务是揭示反应过程的动力学规律，从而选择适宜的操作条件，提高氧化铝的浸出率，同时为设计计算酸浸反应器提供动力学方程。

研究高岭土酸浸反应动力学，对于高岭土的开发利用具有重要理论意义[3]。

其工艺过程分为高岭土粉碎、焙烧、制浆、配料（一级反应）、调整溶出（二级反应）、过滤、调沉、蒸发、冷却结晶、粉碎包装十个工序。

用高岭土制取硫酸铝成本低廉但生产方法相对较复杂，这是由于矿物中的铝一般不能被酸直接溶出，必须经一系列加工处理之后，才能使铝溶出。

制备过程中会产生大量的酸浸废渣，若加以利用，可作为高活性的高硅材料，也可作为优良的涂料及板材制品填料。

若进一步用偶联剂处理以提高其吸油值，还可以作为塑料和橡胶的填料，从而实现了综合利用和无废渣排放。

因此，高岭土是一种廉价且附加值较高的硫酸铝的原料。

流程如下图：
高岭土在510—800℃发生分解，其反应方程式为： Al 2O 3·2SiO 2·nH 2O →Al 2O 3+2SiO 2+nH 2O ↑
上述温度中煅烧后的高岭土为无定形的A l 2O 3和SiO 2，此时无定形A l 2O 3容易被分解。

如果温度大于800℃时，高岭土生成新的不溶化合物硅线石Al 2O 3·SiO 2和富铝红柱石。

因此，制取硫酸铝，煅烧高岭土温度不宜超过800℃。

[12]
铝的溶出率是其反应是否完全的主要标志，也是提高产品质量、降低生产成本的关键工序。

影响铝的溶出率的主要因素有酸浓度、固液比、反应温度和反应时间。

[13]
400 500 600 700 800 900 1000
图1 Al 2O 3转化率与温度的关系
然后对产品进行多次过滤，使液态低浓度的硫酸铝与固体杂质分离。

过滤得到的液态硫酸铝经过浓缩，烘干，从而得到相应结晶水的硫酸铝最终产品。

由于工业的需求不同，硫酸铝也分为两类，即精致硫酸铝和粗制硫酸铝。

精致硫酸铝下图所示：
Al 2O 3转化率%
温度℃
10
20
30
3.工艺计算
3.1生产流程
生产工艺过程主要分4个工段：
（1）高岭土煅烧
高岭土煅烧过程的反应方程式：
A l2O3·2SiO2·2H2O→A l2O3+2SiO2+2H2O↑
煅烧过程的目的是为了活化，通过煅烧使高岭土的氧铝八面体中的OH脱去，使铝的配位数由6变成5或者4，同时使得原有有序结构的高岭土变成无序结构的高岭土，获得活性。

从热力学角度来说，温度是决定反应能否进行的关键因数，所以活化的关键是控制煅烧温度，温度过高会使高岭土石化，使其活性大大降低甚至消失；温度过低，不能脱水或脱水太少，从而高岭土没有活性或者活性太低，达不到目的。

（2）加酸分解
高岭土加酸分解过程的反应方程式：
A l2O3·2SiO2·2H2O+3H2SO4+13H2O→Al2(SO4)3·18H2O+2SiO2
分解反应是关键点，为使反应加快，分解彻底，必须加入过量的硫酸来反应，铝的溶出率是其反应是否完全的主要标志，也是提高产品质量、降低生产成本的关键。

（3）过滤
采用板式过滤机，将硫酸铝溶液于其他固体杂质分离。

（4）浓缩结晶
硫酸铝经过浓缩蒸发掉多余水分，从而结晶得到相应的结晶水硫酸铝最终产
品。

3.1.1工艺流程方块图
高领土先经过破碎，研磨，过筛等一系列预处理过程，然后通过煅烧，酸容，过滤的过程，除去原料中的杂质，将得到的容易通过浓缩，结晶，破碎，得到硫酸铝产品。

3.1.2预处理：
粗高岭土矿先经过破碎，研磨，等一系列处理过程，使其变成颗粒粉末状，方便反应，节约耗能，然后通过水洗筛分的过程，除去原料中的杂质，从而得到高岭土精矿，高岭土精矿再经过焙烧活化的过程。

使内部杂质再度去除，最后将其粉碎，过筛送进生产车间。

3.2物料衡算
3.2.1 设计生产能力
年产硫酸铝 100000吨 年生产日 300天
日产硫酸铝
吨＝33.333300
100000 每小时生产
吨＝666.418
33.333
产品质量：Al 2(SO 4)3含量54.31%
分子量：H 2SO 4 98 H 2O 18 Al 2O 3 102 Al 2(SO 4)3 342
3.2.2原料组成
表1．原料组成表
成分 含量(%) 成分 含量 成分 含量(%) Al 2O 3 39.50 TiO 2 1.60 S 0.21 SiO 2 43.02 Fe 2O 3 0.90 C 0.21 CaO
0.24
MgO
0.35
焙烧损失
13.97
浓缩后要求硫酸铝浓度达到54.31%
每次生产硫酸铝中Al 2(SO 4)3的含量是：41.666×54.31%=22.63吨。

Al 2O 3溶出率89.4% 根据反应式:
Al 2O 3+3H 2SO 4=Al 2(SO 4)3+3H 2O 每次投入的Al 2O 3的含量是：
吨＝745.6102342
63.22⨯
原高岭土投入量为：
吨＝1.19%
4.89%
5.39745.6⨯
硫酸的投入量为：
吨＝5.19398342
63.22⨯⨯
98%的硫酸投入量为：
吨＝9.19%
985.19
以1h 计，投入原料：高岭土 19.1吨
表2．焙烧段物料衡算表 入料 含量(%) 质量(吨) 出料 含量(%) 质量(吨) Al 2O 3 39.50 7.5445 Al 2O 3 45.91 7.5445 SiO 2 43.02 8.2168 SiO 2 50.01 8.2168 TiO 2 1.60 0.3057 TiO 2 1.86 0.3057 Fe 2O 3 0.90 0.1719 Fe 2O 3 1.05 0.1719 CaO 0.24 0.0458 CaO 0.28 0.0458 MgO 0.35 0.0668 MgO 0.41 0.0668 S 0.21 0.0401 S 0.24 0.0401 C 0.21 0.0401 C 0.24 0.0401
焙烧损失 13.97 2.6683 合计
100
19.1
合计
100
16.4317
3.2.3酸浸段：
Al 2O 3溶出率89.4%，则反应掉：7.5445×89.4%=6.745吨 酸浸反应式：Al 2O 3+3H 2SO 4=Al 2(SO 4)3+3H 2O
Al 2O 3 —— 3H 2SO 4 —— Al 2(SO 4)3
102
745.6 ＝
98
3⨯x ＝
342
y
解得：Al 2(SO 4)3 22.63吨 H 2SO 4 19.44吨
使51.9吨的98%硫酸稀释成55%硫酸的用水量15吨。

3.2.4加热浓缩段：
(1) 进料量：硫酸铝：22.63吨 水：110.5吨 (2) 出料量
浓缩后要求硫酸铝浓度达到54.31%，浓缩前料液浓度为：
%17%1005
.11063.2263.22＝⨯+
可求得浓缩过程需蒸发掉的水量为:
W=F(1－X 0/X 1)
W 水蒸发量,吨；F 料液加入量,吨； X 0料液初始浓度；X 1完成液浓度 得W=91.464吨
3.3 能量衡算[16]
本生产工艺每1小时为一个间歇，所以以下计算以1小时记
3.3.1 吸热:
蒸发水吸收热量：
查得115℃蒸汽的焓H=2702.5kJ/kg ，水蒸发量为91.464吨 Q=91.464×103×2702.5 =247181.46×103kJ
求得在浓缩过程中。

蒸发水吸收的热量为247181.46×103
kJ 。

Al 2(SO 4)3溶液吸收得热量：
Al 2(SO 4)3溶液的热容按硫酸铝与水的质量百分比计算，得： C=C 硫酸铝×54.31%+C 水×(1－54.31%)
=259.14×54.318%+75.295×(1－54.31%) =0.9236KJ/㎏
Al 2(SO 4)3溶液温度为115℃，质量为41.666吨。

由公式h = Ct 得： Q=MCt
=41.666×103×0.9236×115
=4425.5×103
kJ
求得Al 2(SO 4)3溶液的吸热量为4425.5×103kJ 。

设在蒸发过程中，热量损失为总热量的3%，得： Q 损=(Q 水+Q 完成液)×3%
=(247181.46×103+4425.5×103)×3% =7548.2×103kJ
在反应釜中。

蒸发水吸热247181.46×103kJ ，Al 2(SO 4)3溶液吸热量4425.5×103kJ ，热量损失7548.2×103kJ 。

3.3.2放热:
料液带入的热量：料液的热容以水与硫酸铝的质量百分比计算 由公式h 0= C 0t 0得：
C 0=C 水×83%+C 硫酸铝×17%
=75.295×83%+259.14×17% =1.45731kJ/kg 由于料液温度为25℃
Q= MC
t
=354.35×103×25×1.45731
=12909.9×103kJ
加热蒸汽释放的热量:
采用4.0Kgf/cm2蒸汽加热，
由公式：D（Hs－ hs）+ Fh
= Lh + WH + Q
求得：汽化热即Hs－ hs为734.5kJ/Kg
39.53×103×734.5=84524.87×103kJ
表3 热量衡算表
入料吸热(×103kJ) 出料放热(×103kJ) 蒸发水247181.46 加热蒸汽246245.26
Al
2(SO
4
)
3
溶液4425.5 料液12909.9 损失7548.2
合计259155.16 合计259155.16
4.三废处理及副产品的综合利用[7]
由于此工艺反应过程中硫酸不易挥发，所以基本不产生废气；工艺流程中酸不断的被稀释并与高岭土反应，所以最后少量酸性废水经过中和后可以直接排放；废渣则可用于制造水泥及湿法生产高模数水玻璃。

5. 总结
总结以高岭土为原料生产硫酸铝，具有原料成本低，产量高，产品质量好，过程易控制等优点，制备过程中产生的废渣可作为高活性的高硅材料，也可作为优良的涂料及板材制品填料，从而实现了综合利用和无废渣排放，具有积极的环保意义；采用高岭土为原料生产硫酸铝，符合设计的目的和指导思想，是一种较适合我国国情的生产方法。

本工艺设计与一般工艺相比，优势在于：
(1)增加了原料矿石酸化预处理步骤
原料矿石经酸化预处理后，可提高酸浸过程中Al
2O
3
的浸出率，减少酸浸时间。

(2)煅烧高岭土使其活化
煅烧高岭土，能使高岭土活化，从而形成不定形的Al
2O
3
和SiO
2
，此时Al
2
O
3
容易被酸溶
解。

Al
2O
3
的转化率也能达到一个较高点。

(3)充分利用三废
三废处理一直是化工厂的技术重点，几乎与其生产工艺具有相同的重要地位，二者必须
协调发展。

本工艺中利用产生的含酸废水处理粗矿，处理后的水中含少量H
2SO
4
及其它不溶
固体，经简单处理后排放。

废渣做为高硅原料，可生产白炭黑、水玻璃、涂料、水泥等，变废为宝，既保护了环境，又能实现效益最大化。

本设计的不足之处：各处反应的时间长短、温度高低、压力大小控制不易；同地区产的高岭土品质、成分不同，其工艺条件也有较大差异；各地区的温度、压强的差异使工艺得进行一系列的调整。

本设计属于初步设计，需要更多的讨论与研究，才能投入生产实践，使得技术得到改进，生产效率提高。

参考文献：
[1]何朝晖,易汝平. 我国硫酸铝工业现状及发展趋势[J],无机盐工业,2001,(01).
[2]杨炳轩. 铝盐及其衍生产品的应用探讨[J],无机盐工业,1984,(04).
[3]吴铁轮. 我国高岭土开发应用现状及前景预测[J].非金属矿,1994,17(02).
[4]乐志强. 硫酸铝的开发[J],无机盐工业,1992,(05).
[5]山东淄博制酸厂全国硫酸铝情报协作组[M],无机盐工业,1983,(02).
[6]何新秀, 唐祖光, 李武雄. 用含铝矿石生产硫酸铝工艺[J].矿物岩石,1996,16(02).
[7]朱晓莉. 硫酸铝渣作混合材料生产水泥的试验研究[J].国家资源综合利用,2001,(03).。