聚合硫酸铝年产量万吨概要设计说明
项目名称： 10000（5000）T/n-(聚合)硫酸铝项目
建议单位：巩义市佰科水处理材料有限公司
地 址：中国巩义
项目负责：佰科公司工程部
编 制：张固涛
编制日期：2010年12月18日
巩义市佰科水处理材料有限公司
目 录
0.摘要………………………………………………………………1
1.总论………………………………………………………………1
2.生产方法概述及选择……………………………………………4
3.工艺生产流程……………………………………………………4
4.设计依据…………………………………………………………5
5.工艺计算…………………………………………………………6
6设备选型…………………………………………………………11
7.安全生产与工厂选址及车间布置………………………………14
8.三废处理及副产品的综合利用…………………………………17
9.除铁工艺…………………………………………………………18
10.经济核算…………………………………………………………19
11.参考文献…………………………………………………………20
0.【摘 要】
本文概述并简单介绍了(聚合)硫酸铝的生产方法，对(聚合)硫酸铝生产工艺中的重要环节及工序进行了设计，同时介绍了车间厂房的布置依据以及(聚合)硫酸铝除铁的方法
关键词：(聚合)硫酸铝 生产方法 工艺设计 除铁技术
1 总论[1]
1.1(聚合)硫酸铝概述
化学品中文名称： (聚合)硫酸铝
分子式： Al2(SO4)3
分子量： 342.20
熔点(℃)： 770(分解)
相对密度(水=1)： 2.71
外观与性状：白色晶体, 有甜味。
溶解性： 溶于水，不溶于乙醇等。
危险性：对眼睛、粘膜有一定的刺激作用。误服大量(聚合)硫酸铝对口腔和胃产生刺激作用。
皮肤接触： 脱去污染的衣着，用流动清水冲洗。
眼睛接触： 提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。就医。
吸入： 脱离现场至空气新鲜处。如呼吸困难，给输氧。就医。
食入： 饮足量温水，催吐。就医。
储存注意事项：储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。应与氧化剂分开存放，切忌混储。储区应备有合适的材料收容泄漏物。
1.2 作用与用途
(聚合)硫酸铝的D1大用途是在造纸中，大约占(聚合)硫酸铝总产量的50％。它在这里有四种用途：即施胶、调pH值、澄清加工过程中用水及做媒染剂。由于(聚合)硫酸铝施胶为酸性施胶，纸张长期贮存易变黄、变脆，故只能用于低档纸。目前国外造纸技术由酸性施胶向中性施胶及碱性施胶转变，而不用或少用(聚合)硫酸铝，中性及碱性施胶剂已开始大量进入市场；国内已有少数城市能生产中性及碱性施胶剂。因此，尽管国内造纸产量有待增加，但未来造纸用(聚合)硫酸铝消耗量增加不会太大。
(聚合)硫酸铝的第二大用途是在饮用水、工业用水和工业废水处理中做絮凝剂，大约占(聚合)硫酸铝总产量40％。当向这类水中加入(聚合)硫酸铝后，可以生成胶状的、能吸附和沉淀出细菌、胶体和其他悬浮物的氢氧化铝絮片，用在饮用水处理中可控制水的颜色和味道。但近年来，随着聚合氯化铝、聚合(聚合)硫酸铝、聚合硫酸铁、聚合硅酸(聚合)硫酸铝、有机高分子絮凝剂等的不断出现，占领了净水剂不少市场。尤其是近年来关于饮用水中存在铝离子会损害健康的观点流行，如人为(聚合)硫酸铝残留在水中的高浓度残余可溶性铝是骨质疏松和早老性痴呆的诱发剂，所以使其在饮用水中用量受到了限制。
(聚合)硫酸铝的其他用途包括染色的媒染剂、净化脂肪和油类、药物化妆品、灭火剂、鞣革以及生产各种复式铝盐。在美国(聚合)硫酸铝在绝热材料、绝缘材料方面正得到越来越广泛的应用。
综述：
①(聚合)硫酸铝是优良的、净化剂，大约有一半以上的(聚合)硫酸铝产品用作造纸工业的水处理剂。还可用作白色皮革的鞣剂、雨衣的上浆剂、医药的收敛剂、油脂的澄清剂、防火材料、石油精制的除臭脱色剂，在化学工业中用于制造催化剂等。
②聚氯化铝是优良的絮凝剂、水处理剂。
③(聚合)硫酸铝钾（钾明矾即明矾）、(聚合)硫酸铝铵（铵明矾）是重要的净水剂，(聚合)硫酸铝钾还可用作造纸的上浆剂、印染的媒染剂和医药。
④硅酸铝、硝酸铝、碘化铝均可作化学工业的催化剂，硅酸铝还可作涂料的。
⑤磷酸二氢铝是的，电气绝缘材料等。
⑥偏磷酸铝用作高温绝缘粘合剂、釉药和用来制特种玻璃。
⑦氢氧化铝是制造其他铝化合物的原料，还可作医药。
1.3 发展前景及存在的问题
目前(聚合)硫酸铝产品的品种结构尚不能满足国内外市场的需求，特别是高氧化铝产品和高效聚合产品。例如，(聚合)硫酸铝已大于市场需求，而其他附加值较高、市场增长较快的聚合(聚合)硫酸铝、聚合硅酸(聚合)硫酸铝、无铁(聚合)硫酸铝等产品的产量还有待于提高，有些尚在实验阶段。尤其值得注意的是聚合硅酸(聚合)硫酸铝（PASS），其化学式为：AlA(OH)B(SO4)C(SiOX)D(H2O)E,它是(聚合)硫酸铝的更新换代产品。在造纸工业中，由于它酸性小，不腐蚀设备，即可以用于中性或碱性施胶，还可以增加阳离子淀粉或碳酸钙的滞留能力，同时提供大量的填充形Al2O3和SiO2，提高纸浆白度和施胶度。在净水工业中，特别适合高浊水和低温，低浊水的处理和脱色，而且被处理水中残留铝量低。此产品美、日在九十年代初开始大批量进入市场，我国1994年开始研制，拥有着广阔的发展前景。此外，在(聚合)硫酸铝的应用方面国外已广泛将其应用于绝热材料及绝缘材料当中，国内尚需对其应用进行开发和研究。
(聚合)硫酸铝工业存在良好发展前景的同时也存在着许多问题。首先，近年来一些企业盲目仓促上马导致规划欠周到，设计不合理，设备不配套，产量质量都无法达到初衷要求。而由于(聚合)硫酸铝生产设备的一次性投入比较大无法按期收回成本进行技术改造革新导致低水平发展现象严重。此外由于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，使企业背上沉重的经济包袱。产量快速增长，应用开发滞后，竞相压价也是目前(聚合)硫酸铝工业存在的严重问题之一。
2. 生产方法概述及选择
2.1铝土矿化学加工方法概述
铝土矿是冶金工业、的重要原料，用化学方法可将铝土矿加工成一系列的铝化合物。已发现的含铝矿物约有250种，（其中硅铝酸盐矿约占40％）,工业价值较大的是铝土矿,主要成分是,还含有二氧化硅、氧化铁、水等。铝土矿有一水硬铝石( -Al2O3-H2O)、一水软铝石(γ-Al2O3-H2O)和三水铝石(Al2O3-3H2O)等类型。世界铝土矿储量超过20Gt,澳大利亚、几内亚、巴西、印度、牙买加和喀麦隆的储量占世界总储量的3/4以上。中国的铝土矿储量也十分丰富,而且品位高。铝土矿主要开采国有澳大利亚、几内亚、牙买加、巴西、苏里南、南斯拉夫、希腊、圭亚那、印度、法国、美国等。1981年，世界开采量为77.5Mt。
铝土矿的加工方法主要有酸法、碱法和氯化法。酸法主要用来制取相应酸的铝盐（主要是(聚合)硫酸铝），碱法主要用来制取氢氧化铝，从氧化铝、氢氧化铝可进一步加工成各种铝化合物和金属铝
（见图[铝土矿化学加工产品衍生关关系] ）
铝土矿化学加工产品衍生关关系图
一、酸法：主要用来制(聚合)硫酸铝。要求铝土矿中氧化铝的含量高于56％,氧化铁含量低于3％。硫酸分解铝土矿常用的方法有：
①焙烧酸解法：将焙烧（使铝土矿脱水和活化）过的铝土矿粉加入带有搅拌的酸解槽中酸解，硫酸活化）过的铝土矿粉加入带有搅拌的酸解槽中酸解，硫酸浓度控制在55％～60％，反应式为：
Al2O3+3H2SO4─→Al2 (SO4)3 +3H2O
将酸解浆液放入沉降槽中进行固液分离，再经浓缩熔融，得到含18个分子结晶水的固体(聚合)硫酸铝。如将熔融的(聚合)硫酸铝流入结片机则得片状(聚合)硫酸铝。
②加压酸解法：与焙烧酸解法的区别在于铝土矿粉无需进行焙烧，直接装入带搅拌的、压力为0.3MPa左右的加压釜中,反应6～8h，浆液送入沉降槽。加压酸解法能耗低、工艺简单，被广泛采用。为了制取适于造纸用的无铁(聚合)硫酸铝，可采用无铁氢氧化铝原料或用萃取法除铁。
二、碱法： 碱法分为加压碱解法、烧结法和联合法等多种。
①加压碱解法（或称拜耳法）：用来制取氢氧化铝。该法要求铝土矿中氧化铝含量大于40％，二氧化硅小于5％,通常Al2O3:SiO2≥7～8。将铝土矿粉加入压力釜中与烧碱液反应，生成偏铝酸钠，反应式为：
Al2O3+2NaOH─→2NaAlO3+H2O
原料为三水铝石型时，反应温度为120～140℃，原料为一水硬铝石型时，反应温度为240～260℃，以获得较高的转化率。若铝土矿中含有少量的二氧化硅，则需加入少量石灰以减少碱的消耗。将生成的偏铝酸钠与残渣分离，进一步精制，将精制后的偏铝酸钠液加酸水解即可得到氢氧化铝。此法工艺简单、投资少、成本低、产品质量好，是广泛采用的方法，但矿石的适应性稍差，特别是含硅量高的矿石难以加工。
②烧结法: 可将含硅量高的铝土矿加工成偏铝酸钠。将铝土矿粉与纯碱、石灰石混合后在回转窑内焙烧，使铝土矿中的氧化铝与纯碱反应生成偏铝酸钠，加入的石灰石与二氧化硅生成硅酸钙,以减少钠的损失,反应式为：
Al2O3+Na2CO3─→2NaAlO3+CO
SiO2+CaCO3─→CaSiO2+CO
经浸取、过滤、洗涤得偏铝酸钠溶液，进一步加工的方法与碱解法相同。
③联合法: 将加压碱解法与烧结法并联、串联或混联来加工铝土矿，以使工艺更为合理。
三、氯化法：用以制备无水三氯化铝，此法对铝土矿的质量要求高，矿中硅、铁的含量越低越好。将铝土矿粉焙烧后与高质煤混合，加入粘结剂造粒、干燥，在氯化塔中于850～950℃下，通入氯气和空气进行氯化，反应式为：
Al2O3+3C+3Cl2─→2AlCl3+3CO
氯化塔用固定床或沸腾床。氯化铝呈气态逸出，其中夹有少量杂质，经冷却、精制可得无水三氯化铝。
2.2 生产工艺及设备概述
(聚合)硫酸铝整个生产过程已基本定型，工艺已进入成熟期。国内外(聚合)硫酸铝生产原料主要以铝土矿、氢氧化铝为主。国外主要以生产液体(聚合)硫酸铝为主，国内主要以生产固体(聚合)硫酸铝为主。(聚合)硫酸铝生产工艺分为连续法和间歇法。美国、日本用连续法生产的厂家占多数，国内全部采用间歇法生产，并在间歇法生产的单元工序上加以改进。在生产水平上，原料由焙烧常压反应发展到一步加压反应，在浓缩工序蒸发器由搪铅排管发展到钛管阳极保护，使设备使用寿命由原来的一年延长到十年。1997年山东淄博制酸厂的科技人员又提出了外加热式钛管蒸发器用于(聚合)硫酸铝生产的开发实验，这将为(聚合)硫酸铝浓缩工序连续化生产开辟光明的前景。另外有的厂使用铜制蒸发器，其使用寿命也在一年以上，且换热器表面无结垢现象。在结晶工序许多企业用滚筒结晶机、钢带结晶机代替了原来的结晶池，即减轻了工人的劳动强度，又提高了产品质量。在沉降工序采用逆流增浓倒槽洗涤，在计量包装工序实行自动计量包装。在设备防腐方面，原来搪铅的毒害作业逐渐被耐酸瓷板防腐、铸石材料防腐所取代，另外一些廉价的耐腐蚀设备配件，如铸石阀门、管路陶瓷泵、搪玻璃管、衬四氟塑料阀门等也在该行业得到广泛的开发利用，并受到显著效果。在三废治理方面，通过多年努力，产品废渣在水泥工业得到了广泛的应用，并取得了较好的经济效益和社会效益。[1]
2.2 生产工艺选择
根据现有的工艺成熟条件，我建议选用以铝土矿为主要原料，采用酸法生产固体(聚合)硫酸铝产品。由于不同矿区铝土矿的品位不同，所以生产前对(聚合)硫酸铝制备的工业条件也不同，我国(聚合)硫酸铝工业通常采用煅烧型，水蒸气加压型，加压加热型等。由于本设计主要考虑本地区的工艺生产条件，所以采用高温且在一定压力下的反应工艺。
硫酸与铝土矿反应制备(聚合)硫酸铝的反应式为：
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O
此法铝土矿在高温高压下反应，产品收率较高。
3 工艺生产流程
3.1 反应原理
化学反应方程式：
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O
3.2 生产流程
详情见《铝土矿-硫酸生产(聚合)硫酸铝工艺流程图》
1.铝土矿的粉碎
原矿经过鳄式破碎机的D1次破碎后，再经过球磨机的第二次破碎，使其矿粉的颗粒大约在80～90目之间。
2.铝土矿的酸解
在反应釜中投入矿体粉末，并注入98％的浓硫酸及水使硫酸浓度降低到55％，同时不断搅拌，并控制压力在2kgf/cm2左右使之反应。
3.(聚合)硫酸铝溶液的沉降
使用真空压缩机将反应釜中的液体压出，引入沉降锅中使之沉降，且加入聚丙烯酰胺作为沉降剂。经过五次沉降后，将沉降合格清液抽至中和锅。
使用真空压缩机将反应釜中的液体压出，引入沉降锅中使之沉降，且加入聚丙烯酰胺作为沉降剂。经过五次沉降后，将沉降合格清液抽至中和锅。
4.(聚合)硫酸铝溶液的中和
准确分析清液的酸碱度和盐基度后。准确中和酸性铝液和碱性铝液，使中和后的Al2(SO4)3溶液不溶物≤0.25％，盐基度（按Al2O3g/l）保持在0.1～0.4，然后抽入浓缩高位槽。
5.浓缩
采用水蒸汽加热法，将水蒸汽通入列管换热器。加热浓缩时，需使溶液浸没换热管。
6.结晶
当浓缩后的(聚合)硫酸铝溶液浓度达到53％时，即可出料，将溶液放入结晶池结晶。
7.破碎、包装
将(聚合)硫酸铝通过破碎机破碎后，即可包装成产品。
4 设计依据
4.1 设计生产能力
年产(聚合)硫酸铝 10000吨
年生产日 300天
日产(聚合)硫酸铝 5000/250=33.33吨
采用3班间歇式生产 33.33/3=11.11吨/次
4.2 原料组成
4.2.1硫酸
俗称：98酸
分子式：H2SO4 分子量：98.08
物化性质：浓硫酸是一种无色、无臭、透明的油状液体，20ºC时的密度为1.836g/cm3，结晶温度为0.7ºC，它可以与水任 何比例混合并放出大量热。它具有强烈的腐蚀性、氧化性、吸水性，能与多种金属和非金属发生作用。
质量标准：GB 534—89
|
指标名称
|
指 标
|
||
|
优等品
|
一等品
|
合格品
|
|
|
硫酸(H2SO4)含量，%≥
|
98.0
|
98.0
|
98.0
|
|
灰分，%≤
|
0.03
|
0.03
|
0.10
|
|
铁(Fe)含量%≤
|
0.010
|
0.010
|
—
|
|
砷(As)含量%≤
|
0.0001
|
0.005
|
—
|
|
铅(Pb)含量%≤
|
0.01
|
—
|
—
|
|
透明度，mm≥
|
50
|
50
|
-
|
|
色度，ml≤
|
2.0
|
2.0
|
-
|
包装及储运：
1、应装于专用的槽车(船)内运输，并定期清洗；
2、也可装入瓷坛 (或其他耐酸包装容器内)运输、酸坛置于木箱内、坛周围衬草、刨花或细炉渣等物，坛盖用耐酸材料密封；
3、包装容器上应贴有腐蚀性物品标志；
4、装运硫酸的容器，应按硫酸浓度与温度选用适当的材质。
4.2.2铝土矿
铝土矿（质量百分组成如下）
Al2O3 39.5％
杂质 60.5％
溶出率 89.4%
铝矾土
1、概述：
铝矾土是用来生产氧化铝和铝的一种自然界存在的不均匀的物质。铝矾土的主要成份包括三水铝矿、薄水铝矿和水铝石。
2、用途：
全球开采出来的铝矾土，超过85％是用来生产氧化铝，继而生产金属铝。10％用于生产非金属使用的氧化铝，剩余的用于非冶练铝矾土应用。
3、分布：
澳大利亚是世界上拥有铝矾土资源较多的国家，其次是几内亚，巴西，牙买加，中国，印度。我国山西省铝矾土资源较多，其储量占全国储量的41%，贵州、广西、河南次之；生产铝矾土熟料主要在山西、河南和贵州，次为湖南、广西等地区。
4、铝矾土熟料：
耐火材料行业所称的铝矾土通常是指煅烧后Al2O3>=48%、而含Fe2O3较低的铝土矿，高铝矾土熟料是经过煅烧的铝矾土矿。熟料为灰白浅黄及深灰色，它主要用于高铝质耐火材料，也可用来制作电熔棕刚玉。 高铝矾土熟料是按AL2O3含量及Fe2O3、TiO2、CaO+MgO、K2O+Na2O等杂质含量和熟料体积密度与吸水等项指标来分级的。
5、铝土矿及铝矾土熟料标准:
铝土矿石YB/T5057-93
本标准适用于供生产氧化铝、刚玉型研磨材料和高铝水泥等用的由
含水氧化铝、氧化镁与氧化硅等所组成的铝土矿石。
1）、产品按其化学成分分为七个品级，各级应符合表的规定：表11
铝矾土是用来生产氧化铝和铝的一种自然界存在的不均匀的物质。铝矾土的主要成份包括三水铝矿、薄水铝矿和水铝石。
2、用途：
全球开采出来的铝矾土，超过85％是用来生产氧化铝，继而生产金属铝。10％用于生产非金属使用的氧化铝，剩余的用于非冶练铝矾土应用。
3、分布：
澳大利亚是世界上拥有铝矾土资源较多的国家，其次是几内亚，巴西，牙买加，中国，印度。我国山西省铝矾土资源较多，其储量占全国储量的41%，贵州、广西、河南次之；生产铝矾土熟料主要在山西、河南和贵州，次为湖南、广西等地区。
4、铝矾土熟料：
耐火材料行业所称的铝矾土通常是指煅烧后Al2O3>=48%、而含Fe2O3较低的铝土矿，高铝矾土熟料是经过煅烧的铝矾土矿。熟料为灰白浅黄及深灰色，它主要用于高铝质耐火材料，也可用来制作电熔棕刚玉。 高铝矾土熟料是按AL2O3含量及Fe2O3、TiO2、CaO+MgO、K2O+Na2O等杂质含量和熟料体积密度与吸水等项指标来分级的。
5、铝土矿及铝矾土熟料标准:
铝土矿石YB/T5057-93
本标准适用于供生产氧化铝、刚玉型研磨材料和高铝水泥等用的由
含水氧化铝、氧化镁与氧化硅等所组成的铝土矿石。
1）、产品按其化学成分分为七个品级，各级应符合表的规定：表11
|
品级
|
化学成分
|
用途举例
|
|
|
Al2O3:SiO2
(铝硅比)
不小于
|
Al2O3 %
不小于
|
||
|
一级品
|
12
|
73
69
66
60
|
刚玉型研磨材料
高铝水泥、氧化铝
氧化铝
氧化铝
氧化铝
|
|
二级品
|
9
|
71
67
64
50
|
高铝水泥、氧化铝
氧化铝
氧化铝
氧化铝
|
|
三级品
|
7
|
69
66
62
|
氧化铝
氧化铝
氧化铝
|
|
四级品
五级品
六级品
七级品
|
5
4
3
6
|
62
58
54
48
|
氧化铝
氧化铝
氧化铝
氧化铝
|
注：一~六级品适用于一水硬铝石型矿石；七级口适用于三水铝石型矿石。
2）、根据铝土矿其他质量指标，分为不同类型，列于表2。表2
|
铝矾土类型
|
质量指标名称
|
质量指标值，%
|
|
低铁型
含铁型
中铁型
高铁型
|
Fe2O3
|
<3
3~6
6~15
>15
|
|
低硫型
中硫型
高硫型
|
S
|
<0.30
0.30~0.80
>0.80
|
3）、用作高铝水泥的铝土矿石，其中含
Fe2O3<2.5%,TiO2<3.5%,R2O<1.0%,MgO<1.0%。
4）、用作刚玉型研磨材料的铝土矿石，其中含
FeO3<5.0%,Al2O3/SiO2>=15,TiO2<5.0%,CaO+MgO<=1.0%
５）、铝土矿石块度不得大于400mm。用作刚玉型研磨材料时，其块度为20~300mm。
６）、铝土矿石中不得混入粘土、石灰岩等外来杂物优质高铝矾土熟料
YB/T5179-93本标准适用于耐火材料用的高铝矾土熟料产品。
1）、产品按理化指标分为下列牌号。
|
牌号
|
化学组成%
|
体积密度 g/cm
|
吸水率 %
|
||||
|
Al2O3
|
Fe2O3
|
Ti2O
|
CaO+MgO
|
K2O+Na2O
|
|||
|
GA1-88
|
≥88
|
≤1.5
|
≤4.0
|
≤0.4
|
<=0.4
|
≥3.15
|
≤4
|
|
GA1-85
|
≥85
|
≤1.8
|
≤4.0
|
≤0.4
|
<=0.4
|
≥3.10
|
≤4
|
|
GA1-80
|
≥80
|
≤2.0
|
≤4.0
|
≤0.5
|
≤0.5
|
≥2.90
|
≤5
|
|
GA1-70
|
>70-80
|
≤2.0
|
-
|
≤0.6
|
≤0.6
|
≥2.75
|
≤5
|
|
GA1-60
|
>60-70
|
≤2.0
|
-
|
≤0.6
|
≤0.6
|
≥2.65
|
≤6
|
|
GA1-50
|
>50-60
|
≤2.5
|
-
|
≤0.6
|
≤.6
|
≥2.45
|
≤6
|
4.3 各物质的分子量
|
序号
|
名称
|
分子量
|
|
1
|
硫酸
|
98.08
|
|
2
|
水
|
18
|
|
3
|
三氧化二铝
|
102
|
|
4
|
(聚合)硫酸铝
|
342
|
4.4 原料投入
铝土矿5.1吨
硫酸 5.2吨
5 工艺计算[7,8,9]
物料衡算
(一) 酸解段
(1) 进料量:
每次投矿的组成(含量):
Al2O3 5.1×39.5%×89.4%=1.8吨
不溶物 5.1×(1－39.5%×89.4%)=3.3吨
投入硫酸的组成(含量):
H2SO4 5.2×98%=5.09吨
H2O 5.2×(1－98%)=0.11吨
使98%硫酸稀释成55%硫酸的用水量4吨。
(2) 出料量
根据反应式:
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O
得到酸解过程总物料衡算表:
表1 酸解段物料衡算表
|
入料
|
出料
|
||||
|
物料名称
|
组成
（%）
|
质量
(吨)
|
物料名称
|
组成
（%）
|
质量
(吨)
|
|
硫酸
|
98
|
5.2
|
(聚合)硫酸铝
|
100
|
6.1
|
|
铝土矿
|
39.5
|
5.1
|
水
|
100
|
4.9
|
|
工业水
|
100
|
4
|
杂质
|
-
|
3.3
|
|
合计
|
|
14.3
|
合计
|
|
14.3
|
(二) 沉降中和段
(1) 进料量
(聚合)硫酸铝 6.1吨 水 4.9吨 杂质 3.3吨
表2 不同百分比浓度(聚合)硫酸铝溶液在25℃下密度[9]
|
序号
|
密度
(×103kg/m3)
|
百分比浓度
(%)
|
|
1
|
1.1062
|
10
|
|
2
|
1.1293
|
12
|
|
3
|
1.1529
|
14
|
|
4
|
1.1770
|
16
|
|
5
|
1.2017
|
18
|
|
6
|
1.2272
|
20
|
|
7
|
1.2534
|
22
|
|
8
|
1.2803
|
24
|
|
9
|
1.3079
|
26
|
|
10
|
1.3204
|
28
|
表3 (聚合)硫酸铝生产工艺对沉降过程的波美度要求
|
一次沉降
|
二次沉降
|
三次沉降
|
四次沉降
|
五次沉降
|
|
35
|
20
|
10
|
5
|
2
|
用清液储槽中浓度为4%的清液打底使料液波美度至35Bé。
在数值上ρ=144.3/(144.3－Bé)
ρ=144.3/(144.3－Bé)=144.3/(144.3－35)=1.320×103kg/m3
由表2查得料液加入4%清液后浓度变为28%
设加入的4%清液的量为X
则 X=（6.1+4%X）/28%－(6.1+4.9)
=12.5吨
抽取上层清液11.55吨后进入二次沉降工序并加4%清液使波美度至20 Bé。
同理可求得: 料液浓度: 15%
加4%清液量: 13.8吨
抽取上层清夜11.55吨后进入三次沉降工序并加4%清液使波美度至10 Bé。
同理可求得: 料液浓度: 8%
加4%清液量: 24.3吨
抽取上层清夜11.55吨后进入四次沉降工序并加水使波美度降至5 Bé。
可求得： 料液浓度: 5%
加水量: 16.02吨
抽取上层清液25.3吨进入清液储槽后进入五次沉降工序并加水使波美度降至2 Bé。
可求得： 料液浓度: 3%
加水量: 23.16吨
抽取清夜25.3吨进入清液储液槽后将五次沉降后的剩余料液排空。
由上可知沉降工序的总加水量为:
16.02+23.16=39.18吨
加入4%清液量为：
12.5+13.8+24.3=50.6吨
(2) 出料量
(聚合)硫酸铝:
入浓缩: 11.55×（28%+15%+8%）=5.89吨
损失: 6.1－5.89=0.21吨
水:
入浓缩: 11.55×3－5.89=28.76吨
排放: 4.9+39.18－28.76=15.32吨
3%清液：25.3吨
5%清液：25.3吨
杂质(排放): 3.3吨
表4 沉降段物料衡算表
|
入料
|
出料
|
||||
|
物料名称
|
组成
（%）
|
质量
(吨)
|
物料名称
|
组成
（%）
|
质量
(吨)
|
|
(聚合)硫酸铝
|
100
|
6.1
|
(聚合)硫酸铝（浓缩）
|
100
|
5.89
|
|
|
|
|
(聚合)硫酸铝（损失）
|
100
|
0.21
|
|
水
|
100
|
4.9
|
水（浓缩）
|
-
|
28.76
|
|
水（加入）
|
100
|
39.18
|
水（排放）
|
-
|
15.32
|
|
杂质
|
-
|
3.3
|
杂质
（排放）
|
-
|
3.3
|
|
4%清液
|
4%
|
50.6
|
|
|
|
|
3%清液
|
3%
|
25.3
|
循环排放
|
|
25.3
|
|
5%清液
|
5%
|
25.3
|
循环排放
|
|
25.3
|
|
合计
|
|
104.08
|
合计
|
|
104.08
|
(三) 浓缩段
(1) 进料量
(聚合)硫酸铝: 5.89吨 水: 28.76吨
(2) 出料量
浓缩后要求(聚合)硫酸铝浓度达到52.98%，浓缩前料液浓度为:
5.89/(5.89+28.76)×100%=17%
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
得W=23.54吨
表5 浓缩段物料衡算表
|
入料
|
出料
|
||||
|
物料名称
|
组成
（%）
|
质量
(吨)
|
物料名称
|
组成
（%）
|
质量
(吨)
|
|
(聚合)硫酸铝
|
100
|
5.89
|
(聚合)硫酸铝
成品
|
53%以上
|
11.11
|
|
水
|
100
|
28.76
|
水（蒸发）
|
-
|
23.54
|
|
合计
|
|
34.65
|
合计
|
|
34.65
|
焓衡算
根据公式：
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8小时为一个间歇，所以以下计算以8小时记
（一）吸热:
过热二次蒸汽吸收热量:
查得115℃蒸汽的焓H=2702.5kJ/kg，水蒸发量为23.54吨。
Q=23.54×103×2702.5=63616.85×103kJ
完成液吸收得热量:
h = Ct
完成液的热容按(聚合)硫酸铝与水的质量百分比计算，得:
C=C(聚合)硫酸铝×52.98%+C水×(1－52.98%)
=259.14×52.98%+75.295×(1－52.98%)
=172.75 J/mol
=910.88J/㎏
完成液温度为115℃,质量为11.11吨。
Q=11.11×103×910.88×115
=1163.79×103kJ
设蒸发过程中的热量损失为总热负荷的3%
Q损=(Q水+Q完成液)×3%
=(63616.85×103+ 1163.79×103)×3%
=1943.42×103kJ
（二）放热:
料液带入的热量:
h0 = C0t0
料液的热容以水与(聚合)硫酸铝的质量百分比计算:
C0=C水×83%+C(聚合)硫酸铝×17%
=75.295×83%+259.14×17%
=106.5J/mol
=1457.31J/Kg
料液温度为25℃
Q=34.65×103×25×1457.31
=1262.40×103kJ
加热蒸汽释放的热量:
采用4.0Kgf/cm2蒸汽加热,汽化热即Hs－ hs为2139.87kJ/Kg。
30.60×103×2139.87=65461.66×103kJ
表6 热量衡算表
|
吸热(×103kJ)
|
放热(×103kJ)
|
|
二次蒸汽 63616.85
|
加热蒸汽 65461.66
|
|
完成液 1163.79
|
料液 1262.40
|
|
损失 1943.42
|
|
|
合计 66724.06
|
66724.06
|
6 设备选型[7,8,10]
本工艺采用连续式蒸发,工艺计算以每小时计
加热管
加热管换热面积:
A=Q/K(TS-T)
A 换热面积, ㎡
Q 传热量, kcal/h
K 传热系数, kcal/m2·h·℃
(TS-T) 平均传热温度差, ℃
每小时换热量:
Q=65461.66×103/8=8182.70×103kJ/h=1954.31×103kcal/h
由冷凝蒸汽到水的传热系数范围在250～4000 kcal/m2·h·℃,取K=2000 kcal/m2·h·℃
完成液温度T为115℃,加热蒸汽温度TS为142.9℃
(TS-T)=142.9-115=27.9℃
A=1954.31×103/2000×27.9=35m2
采用Ф25×2.5mm无缝钢管做加热管,管长1.2m
初步估算所需管数
n/=A/πd0(L-0.1)
A 传热面积, ㎡
D0 管径, mm
L 管长, m
n/=35/3.14×0.025×(1.2-1)
=406
循环管
内径：
中央式循环管蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的40%～100%，这里取80%。
D1=（0.8×402×0.022）1/2=0.36m
管长与加热管相同为1.2米
采用Ф400×10mm无缝钢管
实际需要加热管数：
n=0.402/0.8×0.022=500
加热室
内径:
加热管按正三角形排列，管束中心线管数nc=1.1 n1/2=25
加热室内径Di=t(nc-1)+2b/
t 管心距
b/ (1～1.5)D0 取1.5 D0
Di=0.032×(25-1)+2×1.5×0.025=0.843m
选取Ф870×10mm壳体
加热料液一般占加热室体积的1/3～2/3，这里取2/3，则加热室高度为:
1.2×3/2=1.8m
保温层
整个蒸发过程中的热量损失中加热室上损失掉的占其中的绝大部分,可估算出加热室外壁与保温层之间的温度t1
设加热室内外壁温度差为Δt(加热室采用不锈钢,其导热系数λ=17 W/m·k
Q1=1943.42×103/8=242.93×103kJ/h
Q1=Δt/Ln(r2/r1)/2πlλ
242.93×103=Δt/Ln(0.435/0.425)/2×3.14×1.2×17
Q1 单位时间的热损失, kJ/h
Δt 内外壁温差, ℃
R2 加热室半径(含壁厚), m
R1 加热室内半径, m
L 加热管长度, m
λ 导热系数, W/m·k
得到Δt=44.1℃
则t1=115-44.1=70.9℃
在加热室壁上实际损失的热量为:
Q=44.1/ Ln(r2/r1)/2πlλ
=44.1/ Ln(0.87/0.85)/2×3.14×1.2×17
=242.865×103kJ
则保温层损失的热量为
q/=(242.93-242.865)×103=650kJ
保温层选用石棉与混凝土,根据以往的经验,石棉保温层的厚度δ1=30mm， λ1=0.15W/m·K，混凝土的λ2=1.28 W/m·K。
根据公式:Q1=Δt/δ1/λ1+δ2/λ2+1/a
a=a0+6μ1/2
因为室内无风
a0取10kcal/m2·h·℃
即 q//4.187×2πlδ2=Δt /δ1/λ1+δ2/λ2+1/a
650/4.187×2×3.14×0.425×δ2=70.9/0.03/0.15+δ2/1.28+1/10
可求得δ2=0.068m
圆整δ2=0.07m
保温层总厚度:
30+70=100mm
接管尺寸
流体进出口接管的内径按下式计算
d=(4Vs/3600πυ)1/2
Vs 流体的体积流量
υ 流体的适宜流速
表7 流体的适宜流速
强制流动的液体,m/s 自然流动的液体, m/s 饱和蒸汽,m/s 空气及其他气体,m/s
0.8～1.5 0.08～0.15 20～30 15～20
入料液管:
每小时入料液量34.65/8=4.33吨/h，浓度为17%，由表2可查得密度并求出体积为3.64m3, υ取0.08m/s
d=(4×3.64/3600×3.14×0.08)1/2=0.13m
出完成液管:
每小时出完成液量11.11/8=1.39吨/h，浓度为52.98%，由表2可推得密度并求出体积为0.86m3, υ取0.15m/s
d=(4×0.86/3600×3.14×0.15)1/2=0.045m
加热蒸汽入口:
每小时进入蒸汽量30.6/8=3.825吨/h，可查得密度并求得体积为1804m3, υ取20m/s
d=(4×1804/3600×3.14×20)1/2=0.18m
表8 设备一览表
|
设备名称
|
反应釜
|
沉降槽
|
中和槽
|
浓缩锅
|
|
尺寸(mm)
|
2800×3600
|
3000×4500
|
3000×4500
|
1070×1910
|
7 安全生产与工厂选址及车间布置说明[7]
7.1 安全生产[2]
硫酸与铝土矿的反应属于一个典型的放热反应。随着反应的进行，反应釜内的温度、压力达到一定的数值。而反应釜存在一个受压极限，因此应在反应釜上安装防爆管及泄压阀，并时刻通过泄压阀来控制反应釜内的压力，以避免发生爆炸事故。同时要定期对设备进行维护检修。
7.2 厂址的选择
在选择化工厂厂址时,应考虑下面各项因素:
一. 原料和市场
二. 能源
三. 气候
四. 运输条件
五. 供水
六. 对环境的影响
七. 劳动力的来源
八. 节约用地,尽量少占耕地
九. 协作条件
十. 预防灾害及其他
7.3 车间布置说明
车间的布置应满足三个方面的要求:
一. 生产要求
二. 安全要求
三. 发展要求
7.3.1 厂房安排
厂房安排主要根据生产规模、生产特点、厂区面积、厂区地形以及地质等条件而定。
生产规模较小,车间中各工段联系频繁,生产特点无显著差异时,在附和建筑设计防火规范及工业企业设计卫生标准的前提下,结合建厂地点的具体情况,可将车间的生产、辅助、生活部门集中布置在一栋厂房内。医药、农药、一般化工的生产车间都是这样布置的。
生产规模较大，车间内各工段生产特点有显著差异，需要严格分开，或者厂区平坦地形的地面较少时，厂方多采用单体式。大型化工厂（如石油化工）一半生产规模较大，生产特点是易燃易爆、或有明火设备，如工业炉等，这时厂房的安排采用单体式，即把原料处理、成品包装、生产工段、回收工段、控制室以及特殊设备，独立设置，分散为许多单体。
7.3.2 厂房层数
化工厂厂房可根据工艺流程的需要设计成单层、多层或单层与多层相结合的形式。一般来说单层厂房利用率较高，建设费用也低，因此除了由于工艺流程的需要必须设计为多层外，工程设计中一般多采用单层。有时因受建设场地的限制或者为了节约用地，也有设计成多层的。对于为新产品工业化生产而设计的厂房，由于在生产过程中对于工艺路线还需不断的改进、完善，所以一般都设计成一个高单层厂房，利用便于移动、拆装、改建的钢操作台代替钢筋混凝土操作台或多层厂房的楼板，以适应工艺流程变化的需要。
厂房层数的设计要根据工艺流程的要求、投资、用地的条件等各种因素，进行综合的比较，然后才能较后决定。
7.3.3 厂房布置
（1）厂房平面布置
厂房平面布置，其外形一般有长方形，L型，T型和∏型。长方形便于总平面的布置，节约用地，有利于设备排列，缩短管线，易于安排交通出入口，有较多可供自然采光和通风的墙面；但有时由于厂房总长度较长，在总图布置有困难时，为了适应地形的要求或生产的需要，也有采用L型，T型或∏型的，此时应充分考虑采光、通风、交通和立面等各方面的因素。
厂房的柱网布置，要根据厂房结构而定，生产类别为甲、乙类生产，宜采用框架结构，采用的柱网间距一般为6m，也有采用7.5m的。丙、丁、戊类生产可采用混合结构或框架结构，开间采用4m、5m或6m。但不论框架结构或混合结构，在一栋厂房中不宜采用多种柱距。柱距要尽可能符合建筑模数的要求，这样可以充分利用建筑结构上的标准预制构件，节约设计和施工力量，加速基建进度。
厂房的宽度问题，生产厂方为了尽可能利用自然采光和通风以及建筑经济上的要求，一般单层厂房宽度不宜超过30m，多层厂房宽度不宜超过24m，厂房常用宽度有9m、12m、14.4m、15m、18m,也有用24m的。厂房中柱子布置既要便于设备排列和工人操作，又要有利于固体物料运输，因此单层厂房常为单垮的，即跨度等于厂房宽度，厂房内没有柱子。多层厂房若跨度为9m,厂房中间如不立柱子，所用的梁就要很大，因而不经济。一般较经济厂房的常用跨度，控制在6m左右，例如12m、14.4m、15m、18m宽度的厂房，常分别布置成6－6，6－2.4－6，6－3－6，6－6－6形式，[6－2.4－6表示三跨，跨度为6米，2.4米，6米，中间的2.4米是内走廊的宽度。]
一般车间的短边（即宽度）常为2～3跨，其长边（即长度）则根据生产规模及工艺要求决定。
在进行车间布置时，要考虑厂房安全出入口，一般不应少于两个。如车间面积小，生产人数少，可设一个，但应慎重考虑防火安全等问题（具体数值详见建筑设计放火规范）。
（2）厂房垂直布置
化工厂厂房的高度，主要由工艺设备布置要求所决定。厂房的垂直布置要充分利用空间，每层高度取决于设备的高低、安装的位置、检修要求及安全卫生等条件。一般框架或混合结构的多层厂房，层高多采用5m、6m，较低不得低于4.5m；每层高度尽量相同，不宜变化过多。装配式厂房层高采用300mm的模数。在有高温及有毒害性气体的厂房中，要适当加高建筑物的层高或设置拔风式气楼（即天窗），以利于自然通风、采光散热。气楼中可布置多段蒸汽喷射泵、高位槽、冷凝器等，以充分利用厂房空间。
有爆炸危险车间宜采用单层，厂房内设置多层操作台以满足工艺设备位差的要求。如必须设在多层厂房内，则应布置在厂房顶层。如整个厂房均有爆炸危险，则在每层楼板上设定一定面积的泄爆孔。这类厂房还应设置必要的轻质屋面、或增加外墙以及门窗的泄压面积。泄压面积与厂房体积的比值一般采用0.05-0.1m2/m3。泄压面积应布置合理，并应靠近爆炸部位，不迎面对人员集中的地方和主要交通道路。车间内防爆区与非防爆区（生活、辅助及控制室等）间应设防火墙分割。如两个区域需要互通时，中间应设双门斗，即设两道弹簧门隔开。上下层防火墙应设在同一轴线处。防爆区上层不应布置非防爆区。有爆炸危险的车间的楼梯间宜采用封闭式楼梯间。
7.3.4 设备布置
中小型化工厂的设备布置，一般常采用室内布置，尤其是气温较低的地区，
此外，也可采用室内、露天联合布置方法。
设备露天布置有下列优点：可以节约建筑面积，节省基建投资；可减少土建施工工程量，加快基建进度；有火灾及爆炸危险性的设备，露天布置可降低厂房耐火等级，降低厂房造价；有利于化工生产的防火、防爆和防毒（对毒性较大或剧毒的化工生产除外）；对厂房的扩建、改建具有较大的灵活性。
生产中一般不需要经常操作的或可用自动化仪表控制的设备，如塔、冷凝器、液体原料贮罐、成品贮罐、气柜等都可布置在室外。需要大气调节温湿度的设备，如凉水塔、空气冷却器等也都露天布置或半露天布置。
不允许有显著温度变化，不能受大气影响的一些设备，如反应罐、各种机械传动的设备、装有精密度极高仪表的设备及其他应该布置在室内的设备，则应布置在室内。
7.3.5 车间辅助室和生活室的布置
（1）生产规模较小的车间，多数是将辅助室、生活室集中布置在车间中的一个区域内。
（2）有时辅助房间也有布置在厂房中间的，譬如配电室安排在用电负荷中心，空调室布置在需要空调的房间附近，但这些房间一般都布置在厂房北面房间。
（3）生活室中的办公室、化验室、休息室等宜布置在南面，以充分利用太阳能采暖，更衣室、厕所、浴室等可布置在厂房北面房间。
（4）生产规模较大时，辅助室和生活室可根据需要布置在有关的单体建筑物内。
（5）有毒的或者对卫生方面有特殊要求的工段必须设置专用的浴室
车间布置的较终成品是车间平、立面布置图。如规模大时，还需要有一张联系各建筑物的装置总平面图。
8 三废处理及副产品的综合利用[3][4]
由于此工艺反应过程中在理论上不会生产气体，只有铝土矿中含有的杂质会与硫酸反应产生废气且量很少，故可直接向大其中排放。工艺流程中酸不断的被稀释并与铝土矿反应，所以较后排出的废水可直接排放。废渣则可用于制造水泥及湿法生产高模数水玻璃。
9 除铁工艺的研究[5][6]
低铁或无铁级(聚合)硫酸铝可以广泛应用于制造GJ纸张、白色橡胶和白色皮革等领域，石油工业中所使用的催化剂载体Al2O3对铁的含量有严格的要求，一般说来，必须以低铁级(聚合)硫酸铝做原料，经转化生成具有一定物理性质的Al2O3。下面，我介绍几种除铁的工艺供大家参考。
（1） 沉淀法除铁（适用于普通(聚合)硫酸铝除铁）
向(聚合)硫酸铝热溶液中定量加入高锰酸钾溶液，此时有大量棕褐色沉淀生成
3Fe2++MnO4-+8H2O=3Fe(OH)3↓+MnO2·H2O↓+5H+
过滤后，滤液经浓缩、结晶即得含铁量较少的产品。由于残留的铁为高价铁，产品成黄色，外观色泽较差。如果在浓缩过程中用少量铝片将未除尽的铁还原为亚铁，则所得产品呈浅绿色，色泽较好，产品放置3个月，颜色几乎不变。
溶液pH值对除铁效果得影响
溶液pH值越高，则越容易形成Fe(OH)3、MnO2·H2O及少量Al(OH)3沉淀，铁的去除率也越高。但pH值越高，(聚合)硫酸铝的回收率越低。通过对滤渣进行洗涤，可减少(聚合)硫酸铝的损失。
除铁剂及其用量的影响
高锰酸钾用量不足，则铁的去除率降低，甚至达不到除铁的目的。高锰酸钾首先将Fe2+氧化为Fe3+，锰被还原成Mn2+，这时没有Fe(OH)3沉淀生成；随着高锰酸钾的不断加入，Mn2+被氧化为Mn4+，此时才有MnO2·H2O及Fe(OH)3沉淀生成，少量铝被吸附一同形成沉淀。生成MnO2·H2O的含量越多，铁的去除率就越高。
溶液悬浮物对除铁的影响
(聚合)硫酸铝溶液中存在的少量悬浮物对除铁是有利的。这是因为少量悬浮物（约为0.1％，主要是偏硅酸）起着成核中心的作用，便于形成颗粒较大的沉淀。如溶液中无悬浮物，则除铁效果较差。未反应完的粗矿渣起不到上述作用，相反只会增大高锰酸钾的用量。这是因为粗矿渣中存在一些还原性物质，如Fe2+等。
此外，浓缩时向滤液中投入少量铝片，待滤液中Fe3+ 全部转变成Fe2+时，取出铝片，进一步浓缩至所需浓度，冷却后结晶即得纯品。实验测得铝片的消耗量基本上是定量的。
实例
取1000ml工业品(聚合)硫酸铝溶液，其中c(Al3+)=2.08mol/L，c(Fe2+)=0.052mol/L，加入87ml0.20mol/L的KMnO4溶液，加热，趁热过滤、浓缩，加入铝片还原，待Fe3+全部被还原成Fe2+时取出铝片，继续浓缩至溶液的温度升至114℃，停止加热，让其自然冷却得630g固体(聚合)硫酸铝。产品中含Al2O316.1％，铁0.22％，铝片失重0.240g，铁的去除率为48.8%,(聚合)硫酸铝的回收率为95.2%。提纯后的产品符合一级品要求。
（2） 脂肪酸萃取（适用于生产无铁、低铁级(聚合)硫酸铝）
脂肪酸萃取铁的反应方程式可用下式表示：
Fe(SO4)3+6HR=2FeR3+3H2SO4
式中HR表示脂肪酸。
萃取后得到的载铁有机相一般均采用酸类进行反萃取。所用的酸类则根据具体情况而定，可以是硫酸、硝酸或盐酸。
综合上述，铁的去除机理是复杂的，受到多种条件的影响。因此，必须对具体情况做深入细致的研究，并要经过一定规模的试验后才能在工业上加以应用。
10 经济核算
表7 (聚合)硫酸铝的经济核算表
名称 铝土矿 硫酸 工业用电 低耗 (聚合)硫酸铝
单价（元/吨或度） 165 240 0.45 17.23 340
注：每月的维修费用2000元，每月发放工资总数40000元。每月用电量为1000度，低耗量为450吨。
年获利为：
340×10000-165×5.1×3×300-240×5.2×3×300-0.45×1000×12-17.23×450×12-2000×12-4000×12=1349008元
参考文献
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