拜耳法氧化铝生产中结晶热对分解中间降温的影响

鄢 艳，丁志英

（1.东北大学设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110013;2.西安西北有色地质研究院有限公司，陕西 西安 71054）

目前国内各大氧化铝厂的分解工序采用平底机械搅拌槽，其单位体积料浆所占的散热面积小，自然降温困难，尤其我国某些氧化铝厂处于气候炎热，空气湿度大的南方地区，夏季分解槽的首末温差靠自然降温仅有1～2℃，有时甚至出现“恒温”，严重影响分解率和产品质量。但是要得到符合产品级要求的氢氧化铝，分解过程的降温至少满足6℃～10℃的温差，因此设计中引入宽流道板式换热器、套管换热器或者槽内列管换热器等设备将分解料浆与循环冷却水进行强制换热，称为中间降温过程。设计院和设备厂家在进行分解中间降温的设计以及换热器的选型时，往往只考虑分解槽的首末槽温度，而忽略掉生成Al（OH）3所带来的结晶热，故现场实际的循环水使用量通常比设计或者设备厂家提供的量少。

1 原理介绍

1.1 结晶原理

结晶是形成晶格的过程。晶体变成液体的时候是需要破坏晶格的，这个过程需要能量，大小即晶格能，所以结晶过程是要放热的。结晶热是指溶液结晶过程中，单位溶质晶体所放出的热量。

1.2 分解工作原理

分解是拜耳氧化铝生产技术的重要组成部分，在晶种分解过程中，精液经降温后与晶种混合并进行搅拌，过饱和的铝酸钠溶液析出Al(OH)3晶体，同时获得苛性比值（Rp）较低的种分母液作为溶出下一批铝土矿的循环碱液。分解过程的化学反应如下：

NaAl(OH)4+aq＝Al(OH)3+NaOH+aq

上式是相互转化的，尽量创造低温、高苛性比值（Rp）和低碱浓度的条件时，反应向右进行，即过饱和的铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝结晶体，这是铝酸钠溶液分解过程的实质。

2 工厂实例

以某年产100万吨氧化铝的工厂为例，单位时间分解进料的质量流量m1=4500t/h,分解首槽温度t1=60℃，末槽温度t2=50℃，单位时间析出的产品Al（OH）3（干）m2=188t/h,Al203的结晶热q结=143.9kcal/kgAl2O3，分解料浆的比热C=0.6kcal/kg.℃，氧化铝的分子量M1=102，氢氧化铝的分子量为M2=78。

Al（OH）3（干）m2=188t/h折合成等量的Al2O3质量m3=m2×M1/(M1×2)=122.96t/h,结晶热Q结晶=m3×1000×q结=122.96×1000×143.9=17693394kcal,对分解物料的整体温升Δt1=Q结晶/m1/c/1000=17693394/4500/0.6/1000=6.55℃。

下面分别对考虑结晶热与否的两种工况进行中间降温计算，设有6级降温。

单位时间换热器的进料量是分解进料量的30%，则进入换热器的料浆质量流量m4=0.3m1=0.3×4500=1350t/h,通过换热器降温后的料浆回到该分解槽，冷却水上水总管温度为35℃，冷却水回水总管温度要求48℃。

假设采用宽流道板式换热器作为传热设备，其传热系数为1000kcal/m2.h.℃。

计算结果如下，两种情况均未考虑自然降温。

2.1 未考虑结晶热

中间降温共需降Δt=t1-t1=60-50=10℃

每级分解槽需降温Δt2=Δt/6=(60-50)/6=1.67℃，换算到每级宽流道板式换热器则需要降温Δt3=Δt2/0.3=5.56℃

换热后分解槽内料浆温度单位 ℃ t/h ℃ ℃ ℃ m2第一级 54 237 60 54.4 58.3 354第二级 52 265 58.3 52.8 56.7 374第三级 50 300 56.7 51.1 55 396第四级 48 346 55 49.4 53.3 421第五级 46 409 53.3 47.8 51.7 449第六级 43.5 530 51.7 46.1 50 468合计 48 2087 2462回水温度冷却水 料浆 传 热面积冷却水量进换热器料浆温度出换热器料浆温度

2.2 考虑结晶热

加上结晶热后中间降温共需降Δt’=t1-t2+Δt1=60-50+6.55=16.55℃

每级分解槽需降温Δt2’=Δt’/6=16.55/6=2.76℃，换算到每级宽流道板式换热器则需要降温Δt3’=Δt2/0.3=9.2℃,因结晶析出多发生在分解初期，为简化计算，将结晶热温升计入开始降温的分解槽。

换热后分解槽内料浆温度单位 ℃ t/h ℃ ℃ ℃ m2第一级 54 392 66.6 57.4 63.8 427第二级 52 438 63.8 54.6 61 475第三级 50 497 61 51.8 58.3 535第四级 48 573 58.3 49.0 55.5 612第五级 46 677 55.5 46.3 52.8 716第六级 43.5 877 52.8 43.6 50 837合计 48 3454 3602回水温度冷却水 料浆 传 热面积冷却水量进换热器料浆温度出换热器料浆温度

3 结语

由上述计算可以看出，在自然降温效果不明显的情况下，结晶热温升使冷却水量增加了近40%，换热器的传热面积增大了约32%，占相当大比重。所以计算尤其是气候炎热，湿度大地区的分解中间降温，必须考虑结晶热的因素。

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