论文部分内容阅读
[摘 要]本文叙述了氢氧化铝的种分分解机制和目前的生产工艺，并结合新的技术对现有的生产技术工艺做了相应的增加和调整，对工业生产有一定的指导作用。[关键词] 铝酸钠溶液 晶种 分解率 磁场
前言
拜耳法生产氧化铝中铝酸钠溶液的分解是一个非常重要的工序。因其用时长，效率低，经常制约着氧化铝的生产。分解的目的在于得到量大质优的氢氧化铝和苛性比值较高的种分母液。分解率是衡量种分作业好坏的一个关键指标，它直接影响到氧化铝产量的高低及循环母液苛性比值的大小，进而影响拜耳法的循环效率。因此，在拜耳法生产氧化铝过程中，采取什么措施，在保证产品质量和产量的情况下大幅度提高种分分解率，具有非常重要的意义。
1、 铝酸钠溶液中氢氧化铝的晶种分解机制
铝土矿经过被苛性碱溶出后溶出浆液被洗涤过滤，得到过饱和的铝酸钠溶液，即精液。虽然过饱和的铝酸钠溶液在降温后能自发分解析出 AL（0H）3，但速度慢，粒度细。为了满足工业生产的要求，过饱和的铝酸钠溶液的分解必须有晶种参加才能快速进行，其反应式可表示如下：
铝酸钠溶液与自身析出的氢氧化铝晶体之间的界面张力达d=1.250×10-2N/cm，且此时的氢氧化铝晶核的比表面积极大，不能提供足够大的表面能，因此也就难以成核。只有外加现成晶种才能使氢氧化铝迅速析出。添加AL（OH）3 晶种的作用机理是把前一批已经分解析出的较细的氢氧化铝作为现成的结晶核心。在分解氢氧化铝晶体的过程中还伴有其他的物理化学反应，包括次生晶核的形成、氢氧化铝晶体破裂与磨蚀、氢氧化铝晶体长大和氢氧化铝颗粒的附聚等。
2、 分解率及其相关的因素
分解率是指铝酸钠溶液中析出的氢氧化铝折算成氧化铝的量占分解前的氧铝量的百分比，用？A表示，计算公式为：
从计算公式可以看出，要提高分解产出率，可以通过降低分解原液的苛性比和提高分解母液苛性比来实现。通俗的讲，降低原液的苛性比就是要溶出更多的氧化铝，使得溶出液中的苛性碱和氧化铝的摩尔比值降低。而提高分解母液的苛性比就是要析出更多的氧化铝，对应的分解母液的苛性碱和氧化铝的摩尔比值就会升高。分解率是直接影响产量的指标，然而单方面的提高分解率将使产品的质量下降，其中影响最大的质量指标是氢氧化铝的粒度和机械强度。这两项指标是冶金级氧化铝重要的质量指标。我们都知道，常压下影响溶液的稳定性的最基本指标是浓度和温度。浓度越高，稳定性越差，反之越低。温度越高溶解性能月好，反之越差。然而铝酸钠溶液是一个特殊的溶体，因为它不能被我们理解为氢氧化钠和氢氧化铝各自单独地溶解于水中，而是他们之间还相互溶解和制约彼此进入溶液。反应氢氧化钠和氢氧化铝之间的相互作用的重要参数是分子比，也称为苛性比，就是溶液中氢氧化钠和氢氧化铝的摩尔比值。为了研究这种氢氧化钠和氢氧化铝的相互作用机制，研究者发明并构建了Na2O-AL2O3-H2O系相图，意在测试和绘制出外界条件如温度和压力一定时，铝酸钠溶液的液相成分即苛性碱Na2O、氢氧化铝折成氧化铝AL2O3和水H2O在溶液中的饱和含量百分比。它为我们提供了控制和分析铝酸钠溶液的可查的经验值。
3、 采取合理的降温机制提高分解率
提高温度会使铝酸钠溶液中的氢氧化铝的平衡浓度增加，使铝酸钠溶液过饱和度降低，稳定性增强，不易析出氢氧化铝。而降低温度将使铝酸钠溶液中氢氧化铝浓度降低，溶液处于过饱和状态，稳定性降低，易于分解析出氢氧化铝。因此在分解前应保持溶液较高的温度，而分解的有效的基本措施就是降低温度。一般采用板式热交换器对溶液进行降温。然而，如果温度太低又会增加二次成核的速度，使产品氢氧化铝细化，而且还会使溶液的粘度增大，进而使分解更加困难。国内外降温机制恰好相反。国外一般采用较高的初温75℃，而大幅度降温是在分解后期，末期温度为55℃至60℃，而国内则采用整体大幅度降温的机制，一般首槽温度是57～63℃，末槽温度是46～54℃。这种差别可能是在产品的质量和产量之间取舍不同造成的。
4、 采用合理的分解原液浓度与分子比值来提高分解率
一般说来说采用分解原液的浓度越高，即溶出的氧化铝越浓，循环效率越高，越有利于生产，但是由于前文已经说过铝酸钠溶液是一个特殊的溶液体系，除了具备一般溶液的性质特征外，还存在着氢氧化铝和氢氧化钠之间的相互溶解和抑制的机制。研究发现铝酸钠溶液中苛性碱Na2O的浓度在25至264g/L之间时，稀的溶液和浓的溶液的稳定性能都很好，而中间的浓度50至160g/L的溶液的稳定性能最差，最有利于分解的进行。所以工业上，应用了将高浓度的铝酸钠溶液进行稀释，使苛性碱Na2O浓度控制在165～175g/l之间，而分子比值控制在1.5左右。
5、 采用添加晶种来提高分解率
铝酸钠溶液自发成核速度非常慢，分解率不高。为了适应工业生产，添加晶种是行之有效的办法。添加的晶种的数量和质量也是需要考量的因素。所添加的晶种的数量一般用种子比来表示，它是所添加晶种中氢氧化铝的含量与溶液中氢氧化铝的含量的比值。其质量是指晶种的活性，一般来说粒度越细，比表面积越大的氢氧化铝颗粒的活性相对越大，新沉淀出来的氢氧化铝颗粒比长期循环的氢氧化铝颗粒的活性大。晶种的质量当然是越高的活性越有利于生产高质量的氢氧化铝颗粒，而添加晶种的数量却不是越大越好。原则上添加量越多越有利于生产，而如果添加量过大，又使有限的分解槽的有效容积降低，亦不利于分解率的提高，而且过量的添加晶种还会使氢氧化铝的附聚性能降低，不利于粗颗粒的生成。因此，实际生产中也是要通过调整种子比来对氢氧化铝的粒度进行干预。
6、 加强搅拌来提高分解率
分解槽中的搅拌能够防止溶液出现沉积而成为死槽，又能使溶液保持悬浮状态，从而增加了氢氧化铝颗粒的附聚，将直接影响氢氧化铝颗粒的机械强度。分解速度也随搅拌速度的增大而显著提高，但是过高的速度会使氢氧化铝颗粒受到机械碰撞破损而产生细颗粒氢氧化铝。因此氢氧化铝颗粒的变化也是一定程度上受搅拌速度的影响，只能根据实际情况进行调整。
7、运用磁场来提高分解率
在强度为8.0～23.9KA/m 的磁场中将分解原液进行磁化处理可以明显提高分解速度，并且磁场强度为23.9kA/m时效果最明显。而当磁场强度一定时，溶液在磁场中的停留时间越长，效果越明显。但当磁化时间大于0.34s时，对分解率的影响不明显；采用磁化技术处理种分原液时，随着溶液流速增大，种分分解率增值减小。对种分分解原液进行磁性处理具有较大工业应用价值，且工艺流程及设备简单，易于实施。
8、添加表面活性剂
国内外采用表面活性剂来强化分解，其作用是促使氢氧化铝颗粒附聚和长大，优化产品粒度，间接增加了对分解率的影响。
结束语
氧化铝生产过程中，分解工序时间最长，运转的液量最大，所生产的氢氧化铝产品要达到一定的质量要求才能为之后的焙烧氧化铝做准备，分解率是分解工序的最重要的指标之一。随着工业化生产的要求不断提高，产品的产量和质量两个方面都在追求更科学、经济的水准，这就要我们不断的探索和实践，在前人的经验中总结出一套适合本身需求的途径，这样才能让工业技术不断进步。
参考文献
谢雁丽 吕子剑 铝酸钠溶液晶种分解 冶金工业出版社
李旺兴 氧化铝生产理论与工艺 中南大学出版社
韩颜卿 姚静武 张学英 磁场对铝酸钠溶液种分分解的影 矿产保护与利用第二期
赵继华 陈启元 超声场参数对强化铝酸钠溶液种分分解过程的影响研究 兰州大学学报第三十八卷第四期
前言
拜耳法生产氧化铝中铝酸钠溶液的分解是一个非常重要的工序。因其用时长，效率低，经常制约着氧化铝的生产。分解的目的在于得到量大质优的氢氧化铝和苛性比值较高的种分母液。分解率是衡量种分作业好坏的一个关键指标，它直接影响到氧化铝产量的高低及循环母液苛性比值的大小，进而影响拜耳法的循环效率。因此，在拜耳法生产氧化铝过程中，采取什么措施，在保证产品质量和产量的情况下大幅度提高种分分解率，具有非常重要的意义。
1、 铝酸钠溶液中氢氧化铝的晶种分解机制
铝土矿经过被苛性碱溶出后溶出浆液被洗涤过滤，得到过饱和的铝酸钠溶液，即精液。虽然过饱和的铝酸钠溶液在降温后能自发分解析出 AL（0H）3，但速度慢，粒度细。为了满足工业生产的要求，过饱和的铝酸钠溶液的分解必须有晶种参加才能快速进行，其反应式可表示如下：
铝酸钠溶液与自身析出的氢氧化铝晶体之间的界面张力达d=1.250×10-2N/cm，且此时的氢氧化铝晶核的比表面积极大，不能提供足够大的表面能，因此也就难以成核。只有外加现成晶种才能使氢氧化铝迅速析出。添加AL（OH）3 晶种的作用机理是把前一批已经分解析出的较细的氢氧化铝作为现成的结晶核心。在分解氢氧化铝晶体的过程中还伴有其他的物理化学反应，包括次生晶核的形成、氢氧化铝晶体破裂与磨蚀、氢氧化铝晶体长大和氢氧化铝颗粒的附聚等。
2、 分解率及其相关的因素
分解率是指铝酸钠溶液中析出的氢氧化铝折算成氧化铝的量占分解前的氧铝量的百分比，用？A表示，计算公式为：
从计算公式可以看出，要提高分解产出率，可以通过降低分解原液的苛性比和提高分解母液苛性比来实现。通俗的讲，降低原液的苛性比就是要溶出更多的氧化铝，使得溶出液中的苛性碱和氧化铝的摩尔比值降低。而提高分解母液的苛性比就是要析出更多的氧化铝，对应的分解母液的苛性碱和氧化铝的摩尔比值就会升高。分解率是直接影响产量的指标，然而单方面的提高分解率将使产品的质量下降，其中影响最大的质量指标是氢氧化铝的粒度和机械强度。这两项指标是冶金级氧化铝重要的质量指标。我们都知道，常压下影响溶液的稳定性的最基本指标是浓度和温度。浓度越高，稳定性越差，反之越低。温度越高溶解性能月好，反之越差。然而铝酸钠溶液是一个特殊的溶体，因为它不能被我们理解为氢氧化钠和氢氧化铝各自单独地溶解于水中，而是他们之间还相互溶解和制约彼此进入溶液。反应氢氧化钠和氢氧化铝之间的相互作用的重要参数是分子比，也称为苛性比，就是溶液中氢氧化钠和氢氧化铝的摩尔比值。为了研究这种氢氧化钠和氢氧化铝的相互作用机制，研究者发明并构建了Na2O-AL2O3-H2O系相图，意在测试和绘制出外界条件如温度和压力一定时，铝酸钠溶液的液相成分即苛性碱Na2O、氢氧化铝折成氧化铝AL2O3和水H2O在溶液中的饱和含量百分比。它为我们提供了控制和分析铝酸钠溶液的可查的经验值。
3、 采取合理的降温机制提高分解率
提高温度会使铝酸钠溶液中的氢氧化铝的平衡浓度增加，使铝酸钠溶液过饱和度降低，稳定性增强，不易析出氢氧化铝。而降低温度将使铝酸钠溶液中氢氧化铝浓度降低，溶液处于过饱和状态，稳定性降低，易于分解析出氢氧化铝。因此在分解前应保持溶液较高的温度，而分解的有效的基本措施就是降低温度。一般采用板式热交换器对溶液进行降温。然而，如果温度太低又会增加二次成核的速度，使产品氢氧化铝细化，而且还会使溶液的粘度增大，进而使分解更加困难。国内外降温机制恰好相反。国外一般采用较高的初温75℃，而大幅度降温是在分解后期，末期温度为55℃至60℃，而国内则采用整体大幅度降温的机制，一般首槽温度是57～63℃，末槽温度是46～54℃。这种差别可能是在产品的质量和产量之间取舍不同造成的。
4、 采用合理的分解原液浓度与分子比值来提高分解率
一般说来说采用分解原液的浓度越高，即溶出的氧化铝越浓，循环效率越高，越有利于生产，但是由于前文已经说过铝酸钠溶液是一个特殊的溶液体系，除了具备一般溶液的性质特征外，还存在着氢氧化铝和氢氧化钠之间的相互溶解和抑制的机制。研究发现铝酸钠溶液中苛性碱Na2O的浓度在25至264g/L之间时，稀的溶液和浓的溶液的稳定性能都很好，而中间的浓度50至160g/L的溶液的稳定性能最差，最有利于分解的进行。所以工业上，应用了将高浓度的铝酸钠溶液进行稀释，使苛性碱Na2O浓度控制在165～175g/l之间，而分子比值控制在1.5左右。
5、 采用添加晶种来提高分解率
铝酸钠溶液自发成核速度非常慢，分解率不高。为了适应工业生产，添加晶种是行之有效的办法。添加的晶种的数量和质量也是需要考量的因素。所添加的晶种的数量一般用种子比来表示，它是所添加晶种中氢氧化铝的含量与溶液中氢氧化铝的含量的比值。其质量是指晶种的活性，一般来说粒度越细，比表面积越大的氢氧化铝颗粒的活性相对越大，新沉淀出来的氢氧化铝颗粒比长期循环的氢氧化铝颗粒的活性大。晶种的质量当然是越高的活性越有利于生产高质量的氢氧化铝颗粒，而添加晶种的数量却不是越大越好。原则上添加量越多越有利于生产，而如果添加量过大，又使有限的分解槽的有效容积降低，亦不利于分解率的提高，而且过量的添加晶种还会使氢氧化铝的附聚性能降低，不利于粗颗粒的生成。因此，实际生产中也是要通过调整种子比来对氢氧化铝的粒度进行干预。
6、 加强搅拌来提高分解率
分解槽中的搅拌能够防止溶液出现沉积而成为死槽，又能使溶液保持悬浮状态，从而增加了氢氧化铝颗粒的附聚，将直接影响氢氧化铝颗粒的机械强度。分解速度也随搅拌速度的增大而显著提高，但是过高的速度会使氢氧化铝颗粒受到机械碰撞破损而产生细颗粒氢氧化铝。因此氢氧化铝颗粒的变化也是一定程度上受搅拌速度的影响，只能根据实际情况进行调整。
7、运用磁场来提高分解率
在强度为8.0～23.9KA/m 的磁场中将分解原液进行磁化处理可以明显提高分解速度，并且磁场强度为23.9kA/m时效果最明显。而当磁场强度一定时，溶液在磁场中的停留时间越长，效果越明显。但当磁化时间大于0.34s时，对分解率的影响不明显；采用磁化技术处理种分原液时，随着溶液流速增大，种分分解率增值减小。对种分分解原液进行磁性处理具有较大工业应用价值，且工艺流程及设备简单，易于实施。
8、添加表面活性剂
国内外采用表面活性剂来强化分解，其作用是促使氢氧化铝颗粒附聚和长大，优化产品粒度，间接增加了对分解率的影响。
结束语
氧化铝生产过程中，分解工序时间最长，运转的液量最大，所生产的氢氧化铝产品要达到一定的质量要求才能为之后的焙烧氧化铝做准备，分解率是分解工序的最重要的指标之一。随着工业化生产的要求不断提高，产品的产量和质量两个方面都在追求更科学、经济的水准，这就要我们不断的探索和实践，在前人的经验中总结出一套适合本身需求的途径，这样才能让工业技术不断进步。
参考文献
谢雁丽 吕子剑 铝酸钠溶液晶种分解 冶金工业出版社
李旺兴 氧化铝生产理论与工艺 中南大学出版社
韩颜卿 姚静武 张学英 磁场对铝酸钠溶液种分分解的影 矿产保护与利用第二期
赵继华 陈启元 超声场参数对强化铝酸钠溶液种分分解过程的影响研究 兰州大学学报第三十八卷第四期