关于晶种分解与其效率的探讨

摘 要 拜耳法生产就是用苛性碱溶液在一定温度、一定压力条件下溶出铝土矿，氧化铝被溶出制得氯酸钠溶液，氯酸钠溶液净化后经降温、添加晶种、搅拌分解析出氢氧化铝，析出的氢氧化铝经分离、洗涤、焙烧后得到氧化铝。分解母液经蒸发再重新溶出新的一批铝土矿，进入下一循环。氧化硅等杂志成为赤泥，经洗涤后外排或用于烧结法配料。由于各地铝土矿的矿物成分和结构的不同以及采用的技术条件各有特点，各个工厂的具体流程也常有差异。但作为拜耳法生产氧化铝其基本的流程主要由原矿浆制备、溶出、溶出矿浆稀释及赤泥分离和洗涤、晶种分解、氢氧化铝分级和洗涤、氢氧化铝焙烧、母液蒸发及苏打苛化等工序组成。分解分级是氧化铝生产的重要工艺环节，其效率的高低直接影响氧化铝生产的效率，以下将从反应动力学角度结合微积分知识对分解分级的设备及其效率作浅层次的探讨。

关键词 氧化铝；分解；速度；苛性化系数

中图分类号TQ13 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）96-0103-02

1 搅拌分解过程的原理；种子作用

从Al2O3-Na2O-H2O系平衡状态的观点来看，搅拌分解是处于不平衡（不稳定）状态的过程和氢氧化铝的碱溶液分解过程，同时沉淀出过程的氧化铝；此时溶液接近于平衡状态，平衡状态根据上述系中氧化铝溶解度曲线上相应的点判断。这种平衡状态是溶液可能分解的限度。

可见搅拌分解过程是比氢氧化铝不平衡的（及其过饱和的）铝酸钠溶液自行分解而析出氢氧化氯沉淀的性质为基础的。过程分两阶段进行：铝酸钠溶液水解和析出氢氧化铝结晶。一方面增多晶核的数量，另一方面，更换晶核附近的溶液，均可加速结晶过程，加种子搅拌时，可以同时产生上述两种情况（种子是预先制妥的氢氧化铝）。

氢氧化铝晶体的生成和增长的机理大致如下：由于溶液分解而生成的氢氧化铝部分的在溶液中及加入种子的表面上析出，部分地成为许多单独的极小结晶核状析出。

随着溶液继续分解，这些最初成球的个别颗粒，聚集为一小团，然后形成较大的似球状颗粒，这些颗粒逐渐发生的内部变化，转变为具有氢氧化铝构造的颗粒。这些颗粒彼此连接，形成连晶体和集合体。使溶液内部的微粒运动活化，并影响微粒间撞击频率增加的因素（热运动，黏度的降低等），促进已有的氢氧化铝晶体的增长在撞击频率降低的情况下，结晶过程和新晶核产生比旧晶核的增长占优势。

2 影响溶液分解速度的因素

2.1 分解的温度

溶液组成不变时，增高搅拌分解的温度等于使其组成接衡曲线，也就是降低该曲线的溶解过饱和度，其结果应该是：过程的延续时间增长和氢氧化铝实收率的降低（母液分子比的减小）。反之，降低搅拌分解的温度，可减少过程的延续时间并增加氢氧化铝的实收率。搅拌分解在这种情况下没有用预制的种子。

这些曲线的特征是搅拌分解初期的线段较为平缓，这个线段表示所谓过程的诱导期，这时主要只是溶液内部变化（水解，结晶核的开始生成），而分解还不明显。诱导期随着温度的增高及溶液内部变化过程的加速而缩短。

2.2 铝酸钠溶液的苛性化系数

苛性化系数是决定该溶液过饱和度的因素，Na2OK浓度相同而苛性化系数不同的两种溶液中，苛性化系数较低的溶液是比较过饱和的，因而其分解也较快。所以，在搅拌分解时，低苛性化系数的溶液在相同时间内比高苛性化系数的溶液，其Al2O3的产出率高。

低苛性化系数的溶液立刻就能激烈分解，且在低的溶液黏度下进行，因此，所得氢氧化铝较粗。反之，高苛性化系数的溶液反应缓慢。

传统的分解槽采用上部进料，底部出料，中间设搅拌设备的方式进行分解作业。分解槽直径一般较大，在分解槽顶部设溜槽进料，中间有桨叶进行搅拌作业，底部通出料管，利用上部不断进料的压力使底部的氢氧化铝出料进入下一环节。这样做有两个作用：1）使溜槽进料均匀，防止局部进料分解停留时间过长，降低分级效率；2）防止生成的氢氧化铝沉淀，增加设备检修。而对于沉淀问题，根据中铝公司贵州分公司的实际生产经验可知，只要控制氢氧化铝出料速度，之意问题可以得到有效解决。虽然传统的分解工艺已被大多数氧化铝厂接受，但它仍然从在工艺上的缺点。

2.3晶种品质

晶种的品质是指它的活性和强度的大小，它取决于其制备方法、条件、贮存时间、粒度和结构，因为氯酸钠溶液的分解是从晶种表面开始，所以晶种的表面结构在很大程度上决定着它的活性。但不是所有的表面积都起作用，只有表面上的微观缺陷、晶体的棱和角是活性点。在生产中多采用循环氢氧化铝做晶种，也可以采用碳分氢氧化铝做晶种，由于碳分分解时间点，结晶析出的氢氧化铝颗粒表面新鲜，活性较大。

3 如何提高分解速度

3.1 合理控制分解温度

一定成分的氯酸钠溶液，随温度降低，其过饱和程度增加，稳定性降低因而分解速度加快，这样分解槽单位产能也提高。分解率约在30℃左右达到最大值，进一步降低温度，由于溶液粘度显著提高，溶液稳定性增加，分解速度降低而且析出细粒的氢氧化铝。

3.2控制最佳苛性化系数

铝酸钠溶液的苛性化系数，以下从铝酸钠溶液的苛性化系数的角度分析该问题。

如图所示，铝酸钠溶液的苛性化系数随分解的进行而逐渐升高。而苛性化系数较低的溶液分解也较快，随着苛性化系数的逐渐升高，分解也逐渐减慢，进而停止分解。其分解率随时间的变化如下所示：

由图可知，随着分解时间的增长，分解率逐渐降低。对应于图一，当分子比处于最小，也就是分解初期时，分解率处于最大值；当分子比处于最大，也就是分解末期时，分解率处于最小值，中间各值依次对应。分解的效果就是对曲线L积分所得值，为曲线L以下X轴以上的面积。然而，由于分解作业采用了搅拌分解的方法，这就使分解槽下部的高分子比溶液与上部的低分子比溶液混合，导致晶体分解过程不能在原有低分子比的状态下进行，使分解效率降低，如图。

其分解度为矩形部分面积，而矩）效率损失部分，为其效率损失部分.因此，本讨论建议取消搅拌设备，采用均匀布料设备，其具体作法为在布料口家均匀布料器，即解决布料均匀问题又可以减少效率的损失。对于因其带来的沉淀问题，本讨论建议在料管中通入空气，利用出料与进料的比重差来调节出料速度。就可以有效避免这一问题。

参考文献

[1]杨重愚.氧化铝生产工艺学[M].北京：冶金工业出版社，1993.

[2]郭万里.氧化铝制取工.山西人人们出版社，2006.