搅拌对氢氧化铝晶种分解率的影响*

雷玉办， 苏向东，丁元法，李　勇，张弘梨

(1贵州大学　材料与冶金学院，贵州　贵阳　550025；2贵州省新材料研究开发基地，贵州　贵阳　550002；3贵州科学院，贵州　贵阳　550001)



搅拌对氢氧化铝晶种分解率的影响*

雷玉办1， 苏向东2，3▲，丁元法3，李勇2，张弘梨1

(1贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳550025；2贵州省新材料研究开发基地，贵州贵阳550002；3贵州科学院，贵州贵阳550001)

摘要：研究了高浓度高固含条件下搅拌强度对氢氧化铝晶种分解率的影响。在NK175 g/L，固含800 g/L，ak1.45，反应温度53 ℃，种分24 h工艺条件下的铝酸钠溶液晶种分解反应实验表明：在浆料循环流动条件下，提高搅拌强度，氢氧化铝晶种分解率没有随之明显提高；180天工业试验证明，降低搅拌强度对分解率无影响，可降低搅拌能耗。

关键词：搅拌；氢氧化铝；晶种分解；分解率

0引言

铝酸钠溶液晶种分解是拜耳法生产氧化铝的关键工序之一[1]，对生产变化的周期、产率、粒度分布等技术经济指标具有重要影响[2]，是一个伴随复杂化学反应和物理变化的过程，整个过程伴随着氢氧化铝晶体的长大、附聚、次生晶核的形成、以及氢氧化铝晶粒的破裂，磨损等[3]。目前多数研究工作主要从反应温度，精液分子比，固含，苛碱浓度，种子比，活性晶种，结晶助剂等角度研究其对铝酸钠溶液晶种分解过程的影响[4]，较少从机械搅拌混合程度的角度研究其对铝酸钠溶液晶种分解率的影响。本文研究了高浓度高固条件下微扰动搅拌分解对铝酸钠溶液晶种分解率的影响，并进行180天的工业试验，试验结果与实验室研究结果基本一致。

1实验

1.1实验装置

本实验使用的晶种分解反应器是自行设计的双层智能玻璃微扰动晶种分解反应器(3 L，种分槽上部密封盖留有加料口，取样口，下部留有放料口)内层放反应液，外层通循环的恒温水浴(图1)，恒温精度在±0.5 ℃，很好的解决了较大反应器难以精确恒温的问题，反应器内设计有内循环装置。

图1　实验装置示意图

1.2实验方法

用一定量的工业氢氧化铝和工业氢氧化钠加水加热至完全溶解，过滤得到分子比较低，浓度较高的铝酸钠溶液[5]。经水和母液调配成苛性碱浓度Na2OK=175 g/L，分子比=1.45左右的铝酸钠溶液。取三份体积为2L的铝酸钠溶液放入相同型号微扰动晶种分解反应器，加入晶种使其进行分解反应。晶种分解反应24 h，每隔一定时间从相应的反应器中取出反应液，进行固液分离，用滴定分析法测定溶液中氧化铝和苛性碱的浓度。

2结果与分析

2.1铝酸钠溶液晶种反应活化能

本实验通过四组不同温度(45 ℃，55 ℃，65 ℃，75 ℃)下测定铝酸钠溶液晶种分解反应不同时刻下的苛碱和氧化铝浓度。

表1　45 ℃下的计算数据

表2　55 ℃下的计算数据

表3　65 ℃下的计算数据

表4　75 ℃下的计算数据

表5　不同温度下的分解速率常数

利用动力学方程，根据分解过程溶液过饱和度随时间的变化关系，求出不同分解温度下的速率常数，再根据阿伦尼乌斯公式可求出分解过程的表观活化能。

(1)

其中，A为指前因子；Ea为表观活化能；R：气体常数；T：热力学温度。

对式(1)，两边取对数得：

2.2搅拌对铝酸钠溶液晶种分解率的影响

本文将自行设计的双层玻璃晶种分解反应器(平底柱形)从上到下分为三个区域：上部区，中部区，底部区；本文着重研究中部区和底部区搅拌对铝酸钠晶种分解率的影响，本文自行设计的搅拌装置可无极调速。在苛碱浓度175 g/L，固含800 g/L，精液分子比1.45，反应温度53 ℃，种分24小时下底部区内设置搅拌对铝酸钠溶液晶种分解率的影响见图2。

图2　底部区内分解率随搅拌强度的变化

在苛碱浓度175 g/L，固含800 g/L，精液分子比1.45，反应温度53 ℃，种分24小时下在中，底部区混合设置搅拌，分解率随搅拌强度的变化见图3。

图3　中部区，底部区内分解率随搅拌强度的变化

铝酸钠溶液晶种分解率在反应器的底部区和中、底部混合区内相同分解时间24 h及工艺条件下，分解率随着搅拌强度的变化见图4。

图4　底部区和中、底部混合区内设置搅拌对分解率变化

由图2可知，在底部区内，搅拌速度由140 r/min提高到230 r/min时，铝酸钠溶液晶种分解速率并没有随着搅拌速度的提高而提高。图3，图4可以看出，虽然在中部区加强了搅拌，但是在搅拌速度由140 r/min逐级提高到230 r/min时，铝酸钠溶液晶种分解的分解率也没有随之明显提高。原因可能铝酸钠溶液晶种分解反应的控制步骤是化学反应主导，本次实验测得铝酸钠溶液晶种分解反应的活化能为74.81 kJ/mol，也验证了这一结论，同时该晶种反应器中设置有内部循环系统，反应器中的溶液实现上下循环，溶液中的晶种能够较好的流动，虽然提高底部区搅拌强度及增加中部区的搅拌，但是没有增加溶液中晶种的数量，所以铝酸钠溶液晶种分解率没有得到提高；但确切的机理还有待进一步深入的研究。

3工业试验

利用微扰动分解技术在国内某氧化铝厂40万吨分解流程上进行技改，并开展为期6个月的工业试验，仅在底局部进行微扰动搅拌分解槽与同期全混搅拌的分解槽进行对比。系列1(全混合搅拌)，系列2(局部搅拌)，系列3(全混合搅拌)，均为14个大型分解反应槽在相同工艺条件下同时反应，运行时间为6个月后分解率对比数据如表6。

表6　微扰动改造系列与未改造系列晶种分解率对比数据

从表6中可以看出系列1，系列 2，系列3分解率基本上差异很小；因此从工业试验说明：实验室研究结果与工业试验结果是一致的。

4结论

1) 在苛碱浓度175 g / L，固含800 g / L，精液分子比1.45，反应温度53 ℃下测得铝酸钠溶液晶种分解反应的活化能达到74.81 kJ / mol，表明铝酸钠溶液晶种分解反应的控制步骤是化学反应主导。

2) 实验室研究说明在高浓度和高固含范围内浆液循环条件下铝酸钠溶液晶种分解率随搅拌强度变化率很小。

3) 工业试验说明采用微扰动晶种分解在一段式分解工艺流程上的试验结果与实验室相符，可实现大幅降低分解装备能耗。

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Influence of agitation on precipitation ratio of seed decomposition for aluminium hydroxide

LEI Yuban1，SU Xiangdong2，3▲，DING Yuanfa3，LI Yong2，ZHANG Hongli1

(1CollegeofMaterialsandMetallurgy，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China；2GuiZhouResearchandDevelopmentBaseofNewMaterials，Guiyang550002，China；3GuizhouAcademyofSciences，Guiyang550001，China)

Abstract：In this paper，the influence of stirring intensity of aluminium hydroxide crystal seed decomposition rate on high precipitation ratio and high solid content of were investigated.The experimental results show that precipitation ratio of seed decomposition from aluminium hydroxide will not obviously increase with the increased strength of stirrer under the following conditions：circulating and flowing of reaction liquid，caustic concentration175 g/L，solid content800 g/L，ak 1.45，reaction temperature53 ℃ and reaction time24 h.The industrial test for 180 days proves that it has no effect on precipitation ratio of seed decomposition to reduce stirring intensity.Therefore，it can drop energy saving of stirrer.

Keywords：agitation；aluminium hydroxide；precipitation ratio；seeded precipitation

通讯作者：▲苏向东(1966-)，男，博士，研究员，硕士生导师。研究方向：材料物理与化学。

作者简介：雷玉办(1988-)，男，在读硕士。研究方向：资源与环境物理化学。

*基金项目：国家科技支撑计划项目资助(2013BAC15B02)。

收稿日期：2015-11-23；修回日期：2015-11-25

中图分类号：TF 19

文献标识码：B

文章编号：1003-6563(2016)01-0091-04