年产1万吨硫酸铝车间工艺设计.docx
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年产1万吨硫酸铝车间工艺设计
年产1万吨硫酸铝车间工艺设计
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]；硫酸铝生产中存在的问题是，设计不合理，设备不配套，产量质量都无法达到初衷要求以及部分生产厂家规模较小，经济效益差导致产品积压严重、投资无法收回，使部分企业背上沉重的经济包袱；生产工艺主要有铝灰、铝渣法、活性氢氧化铝法、铝矾土常压法、煤矸石加压法等，对各个工艺的优缺点进行对比，发现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。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
高岭土生产硫酸铝，使高岭土经过预处理过程，排除高岭土中的粗石英砂、杂质，用于生产水泥玻璃，得到高岭土精矿，经过煅烧活化，粉碎，过筛送致生产车间，与55%的硫酸容易混合送至反应釜，经过反应的酸浸，沉降，分离和中和处理，得到合格的硫酸铝容易，送至浓缩结晶槽中，进行浓缩结晶，并通过成品粉碎机将硫酸铝晶体粉碎，包装。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
关键词：
硫酸铝；现状；生产工艺；高岭土
Abstract
Theplantshaving10,000tonsofannualoutputofaluminumsulfateinChinahavbeingupto29,andtheplantshaving3000tto10000t,beingupto85.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
Thealuminumsulfateproductioncapacityhasreached1.15milliont,yieldbreakthroughs950,000t,aftertheUnitedStatesandJapan,thethirdintheworldlive;Aluminumsulfateproductionintheproblemisthattheunreasonabledesign,equipmentisnotsupporting,yieldandqualityareunabletomeetitsmindandrequestedsomesmallermanufacturers,leadingtopooreconomicreturnsseriousbacklogofproducts,investmentisnotpossible,sothatsomeenterprisesbackheavyTheeconomicburdenofproductionofamajorAlGrey,AlJardine,ofaluminumhydroxide,bauxiteatmosphericpressure,suchascoalganguecompressionmethod,alloftheadvantagesanddisadvantagescomparedtothatofrawmaterialsfortheproductionofkaolinAluminumsulfate,alow-costrawmaterials,highyield,goodqualityproducts,process-controladvantages,inthecourseofpreparationofthehigh-activitywasteresiduecanbeusedasthehigh-siliconmaterial,butalsoasafineofpaintandsheetmetalproductsfill,soastoachieveacomprehensiveUseandnowasteresidueemissions,haveapositiveenvironmentalsignificanceofrawmaterialsusedfortheproductionofkaolinaluminumsulfate,withthedesignofpurposeandguidingideology.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
Kaolinproductionofaluminumsulfate,kaolinAfterpretreatmentprocess,ruleoutthepossibilityofkaolinintheroughquartzsand,impurities,theglassusedintheproductionofcement,byKaolinconcentrate,aftercalcinationactivated,crushing,screeningsenttotheproductionworkshop,with55percentofthesulfuricacidMixedeasilysenttothereactor,thereactionofacidleaching,settlement,andintheseparationandprocessingofaluminumsulfatebequalifiedeasily,andsenttoconcentrationcrystallizationtank,concentratedfruitandrefinedthroughthegrinderwillcrushaluminumsulfatecrystals,Packaging.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
Keywords：
aluminum sulfate；thepresentsituation；ProductionProcess；kaolin謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
前言
硫酸铝化学名（Aluminiumsulfate）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。
厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
1.物料衡算
1.1工艺流程框图
（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。
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。
茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
图3硫酸铝粗高岭土矿预处理方块图
1.3 设计生产能力
年产硫酸铝 10000吨
年生产日 300天
日产硫酸铝
每小时生产
产品质量：
Al2（SO4）3含量54.31%
浓缩后要求硫酸铝浓度达到54.31%
每次生产硫酸铝中Al2（SO4）3的含量是：
4.17×54.31%=2.27吨。
Al2O3溶出率89.4%
根据反应式:
Al2O3+3H2SO4=Al2（SO4）3+3H2O
每次投入的Al2O3的含量是：
原高岭土投入量为：
分子量：
H2SO4 98H2O18Al2O3102Al2（SO4）3342鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
1.4各工序的物料衡算
1.4.1高岭土煅烧（起到活化作用）
高岭土煅烧过程的反应方程式：
Al2O3·2SiO2·2H2O→Al2O3+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。
（1）流程示意图籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
（2）反应式
Al2O3·2SiO2·2H2O→Al2O3+2SiO2+2H2O↑
（3）计算过程
流股1是未活化的高岭土矿
表3．原料组成表
成分
含量（%）
成分
含量
成分
含量（%）
Al2O3
39.50
TiO2
1.60
S
0.21
SiO2
43.02
Fe2O3
0.90
C
0.21
CaO
0.24
MgO
0.35
焙烧损失
13.97
1Al2O3：
1.99×39.50%=0.7580吨
2SiO2：
1.99×43.05%=0.8300吨
3TiO2：
1.99×1.60%=0.0307吨
4其他杂质含量：
1.99×1,91%=0.0367吨
5焙烧损失：
1.99×13.97%=0.2682吨
流股2是活化后的高岭土矿
1Al2O3：
39.50%×13.97%+39.50%=45.01%
2SiO2：
43.02%×13.97%+43.05%=49.03%
3TiO2：
1.60%×13.97%+1.60%=1.82%
4其他杂质：
4.14%
表4．焙烧段物料衡算表
1.4.2酸浸段：
加酸分解
高岭土加酸分解过程的反应方程式：
Al2O3·2SiO2·2H2O+3H2SO4+13H2O→Al2（SO4）3·18H2O+2SiO2預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
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。
渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
（1）流程示意图
（2）反应式
Al2O3·2SiO2·2H2O+3H2SO4+13H2O→Al2（SO4）3·18H2O+2SiO2铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
（3）计算过程
设转化率为96%
①流股1为高岭土中的氧化铝
F（Al2O3）=6.91Kmol/h=0.705吨
②流股2为硫酸
F（H2SO4）=20.74Kmol/h=2.03吨
③流股3为硫酸铝
F（Al2（SO4）3）=6.91×96%=6.637Kmol/h
4流股4为水
F（H2O）=19.91Kmol/h=0.36吨
使2.03吨的98%硫酸稀释成为55%硫酸的用水量1.63吨
表5 酸解段物料衡算表
入料
组成（%）
质量（吨）
出料
含量（%）
质量（吨）
浓硫酸
98
2.03
硫酸铝
100
2.27
高岭土
39.50
1.99
水
100
1.99
水
100
1.63
杂质
100
0.9
合计
5.65
合计
5.16
表6 不同百分比浓度硫酸铝溶液在25℃下密度[15]
密度（×103kg/m3）
百分比浓度（%）
密度（×103kg/m3）
百分比浓度（%）
1.1062
10
1.1293
12
1.1529
14
1.1770
16
1.2017
18
1.2272
20
1.2534
22
1.2803
24
1.3079
26
1.3204
28
1.4.3加热浓缩段：
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。
（1）流程示意图
（2）计算过程
流股1为未浓缩的硫酸铝和水
1Al2（SO4）3：
2.27吨
2通过饱和溶液得出此时需要H2O：
11.5吨
流股2为浓缩后的硫酸铝和水
①Al2（SO4）3：
4.17吨
浓缩后要求硫酸铝浓度为54.31%，则浓缩前料液浓度为：
②可求得浓缩过程需蒸发掉的水量为:
W=F（1－X0/X1）
W 水蒸发量, 吨
F 料液加入量, 吨
X0料液初始浓度
X1 完成液浓度
W=F（1－X0/X1）
=13.77（1﹣
）
=13.77×0.687
=9.46吨
表7 浓缩段物料衡算表
入料
组成（%）
质量（吨）
出料
含量（%）
质量（吨）
硫酸铝
100
2.27
硫酸铝（成品）
>54.31%
4.17
水
100
11.5
水（蒸发）
100
9.46
合计
13.77
合计
13.63
2.能量衡算[16]
2.1计算依据
由公式：
D（Hs－ hs）+ Fh0= Lh + WH + Q
D 加热蒸汽消耗量， ㎏/h
Hs 加热蒸汽的焓, kJ/㎏
F 料液的进料量, ㎏/h
h0 料液的焓， kJ/㎏
L 完成液流量， ㎏/h
h 完成液的焓， kJ/㎏
W 水分蒸发量， ㎏/h
H 二次蒸汽（温度为t的过热蒸汽）的焓， kJ/㎏
hs 加热器中冷凝水的焓， kJ/㎏
Q 热损失， kJ/h
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
2.1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9.46吨
Q=9.46×103×2702.5
=25565.65×103kJ
求得在浓缩过程中。
蒸发水吸收的热量为25565.65×103kJ。
Al2（SO4）3溶液吸收得热量：
Al2（SO4）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%）
=175.16 J/mol
=923.6J/㎏
=0.9236KJ/㎏
Al2（SO4）3溶液温度为115℃，质量为4.17吨。
由公式h = Ct得：
Q=MCt
=4.17×103×0.9236×115
=442.91×103kJ
求得Al2（SO4）3溶液的吸热量为442.91×103kJ。
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%
=（25565.65×103+442.91×103）×3%
=780.26×103kJ
在反应釜中。
蒸发水吸热25565.65×103kJ，Al2（SO4）3溶液吸热量442.91×103kJ，热量损失780.26×103kJ。
擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
2.2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h0= C0t0得：
C0=C水×83%+C硫酸铝×17%
=75.295×83%+259.14×17%
=106.5J/mol
=1457.31J/kg
=1.45731kJ/kg
由于料液温度为25℃
Q=MC0t
=13.77×103×25×1.45731
=501.68×103kJ
加热蒸汽释放的热量:
采用4.0Kgf/cm2蒸汽加热，
求得：
汽化热即Hs－ hs为2139.87kJ/Kg
12.2×103×2139.87=26287.14×103kJ
将以上计算结果汇总在表8 中。
表8 热量衡算表
入料
吸热（×103kJ）
出料
放热（×103kJ）
蒸发水
25565.65
加热蒸汽
26287.14
Al2（SO4）3溶液
442.91
料液
501.68
损失
780.26
合计
26788.82
合计
26788.82
3.设备技术参数计算与选型
3.1反应釜
反应设备在化工、医药、食品、染料、生化等工业生产中被广泛应用。
尤其是化工工艺过程的各种化学变化，是以参加反应物质的充分混合为前提，对于加热、冷却、和液体萃取以及气体吸收等物理变化过程均需要采用搅拌才能得到好的效果，并可为客户设计，加工外盘管反应锅。
贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
对反应釜来说,基本物料为液相,加入物料为固相,要保证固液物料充分均匀混合,搅拌形式必须满足传质要求,搅拌器要具有合适的剪切、循环比。
因搅拌器的混合性能与桨叶的排出性能、剪切性能有关,排出性能高可以造成液体的快速循环流动,而剪切性能高又能造成液体强烈的湍流扩散,这些都是混合过程所需要的。
搅拌器反应罐就具有合适的剪切、循环比特性好,能满足过程搅拌的需要。
坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
搅拌式反应釜：
硫酸浸取高岭土中氧化铝的反应可表示为：
Al2O3+3H2SO4=Al2（SO4）3+3H2O
为方便起见，以下用A表示H2SO4，用B表示Al2O3。
酸浸连续搅拌反应釜，如上图所示。
硫酸浸取高岭土中氧化铝的反应是典型的液固反应，物料在反应过程中的体积基本不变。
由于搅拌速度较大，反应物料在反应器内的流动状况可视为呈全混流，在定态时，在等温等容条件下对整个反应器作A的物料衡算：
蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
VR
（1）
t
（2）
VR，反应器容积，L；
Q0，物料体积流量，L/s；
CA0，A的初始浓度，mol/L；
XAf，A的最终反应率；
rAf，按A出口浓度计算的反应速率，mol/（L/s）；
t，物料在反应器内的平均反应时间，s
硫酸浸取高岭土中氧化铝的反应速率为：
rA=kCA0.5=k（CA0－CA0XAf）0.5
即 rA=k[CA0（1－XAf）]0.5（3）
rA，反应速率，mol/（L·s）；
k，反应速率常数，（mol/L）0.5/s；
CA，A的浓度，mol/L。
将式（3）代入式
（2）得：
t=CA00.5XAf／[k（1-XAf）0.5]（4）
反应速率常数和温度的关系为：
k=k0exp（-EA/RgT）
=2.03×109exp（-61450/RgT）
=2.03×109exp（-7394.7/T）（5）
k0，频率因子，（mol/L）0.5/s；
EA，反应活化能，J/mol；
Rg，气体常数，8.31〔J/mol·K〕；
T，反应温度，K。
将式（5）代入式（4）得：
CA00.5XAf/（1-XAf）0.5=2.03×109exp（-7394.7/T）·t（6）
当A和B按化学计量关系配料时，氧化铝浸出率XB和XAf相等，将XB代入式（6）得：
CA00.5XB/（1-XB）0.5=2.03×109exp（-7394.7/T）·t（7）
式（7）是反应器容积计算的基础公式，其中有CA0、XB、T和t，4个操作参数，其大小决定反应器的容积。
一般说来，在满足工艺要求的CA0和XB时，通过式（7）计算平均反应时间和反应温度的关系，然后综合考虑设备投资和操作费用，选择适宜的反应温度和平均反应时间，再计算反应器容积。
買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
反应器容积按下式计算：
VR
（8）
Q0=QA+QB（9）
式中：
QA和QB，分别为硫酸和高岭土的体积流量。
QA=6WαXB/（MBCA0）（10）
式中：
W，单位时间处理的高岭土质量；α，高岭土内氧化铝的质量分数；MB，氧化铝分子量。
QB=W/ρ（11）
式中ρ：
高岭土密度。
每8h处理高岭土51吨，高岭土中Al2O3占39.50%，培烧后为45.91%。
反应温度115℃，溶出率89.1%。
綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
由（9）、（10）、（11）得：
Q0=QA+QB
=129.2m3
VR
=16.15m3
设装填系数为75%，则反应器计算体积为：
V=VR/0.75=21.533m3≈22m3
由计算得反应器体积为22m3，反应器H/Di=1.3，平均搅拌功率取1.32Hp/m3=735.499W[13]驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
反应釜的高度与底面直径关系：
H=1.3Di
底面直径：
反应釜高：
H=1.3Di=2.8×1.3=3.64m
设计温度：
115℃+20℃＝135℃
设计压力：
反应釜内溶液最高为反应釜高的75%，Al2O3密度1.20g/cm3，
则工作压力：
设计压力为工作压力的110%，则设计压力为：
Pc=1.1PT=1.1×4.28MPa=4.71MPa
设备选材：
16MnR低碳钢
厚度计算：
Pc=4.71MPa，T=135℃，Di=2800mm，[δt]=157MPa，φ=1.0（双面焊对接，100%探伤），腐蚀裕量C2=2mm猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
Sd=44.64，则负偏差C1=1.2mm
Sd+C1=45.84mm圆整后取46mm
水压校验：
根据
有：
由此得：
，其强度满足要求。
表9反应釜的主要技术特性
序号
名称
指标
1
工作压力MPa
4.71
2
工作温度℃
115
3
物料名称
稀硫酸，高岭土
4
全容积M3
22
5
搅拌速度r/min
62.5
6
平均搅拌功率W
735.499
由于釜内介质的强腐蚀性,要求对釜体及釜盖内表面进行搪铅处理（铅层厚6—8）并衬耐酸瓷板二层。
考虑到搪铅工艺的实施和搪铅时的铅中毒，釜体和釜盖须采用法兰连接。
此外，还考虑到釜内介质的反应速度难以控制以及介质的强腐蚀性。
设备不宜采用安全阀作超压泄放装置，故设置了一泄放口径为200mm的爆破片（厚3mm的铅制平板型爆破片内衬厚2mm的耐酸橡胶板）作为设备的超压泄放装置。
锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
3.2颚式破碎机
3.2.1简摆颚式破碎机工作原理：
动颚悬挂在心轴上，可作左右摆动，偏心轴旋转时，连杆做上下往复运动。
带动两块推力板也做往复运动，从而推动动颚做左右往复运动，实现破碎和卸料。
此种破碎机采用曲柄双连杆机构，虽然动颚上受有很大的破碎反力，而其偏心轴和连杆却受力不大，所以工业上多制成大型机和中型机，用来破碎坚硬的物料。
此外，这种破碎机工作时，动颚上每点的运动轨迹都是以心轴为中心的圆弧，圆弧半径等于该点至轴心的距离，上端圆弧小，下端圆弧大，破碎效
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