铝酸钠溶液加种子分解

加氢氧化铝晶种使铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝的方法，是拜耳法氧化铝生产过程的关键作业。向铝土矿溶出所得铝酸钠溶液中加入新的氢氧化铝作为晶种，在搅拌和一定温度的条件下，使溶液分解，析出氢氧化铝结晶和产出主要含氢氧化钠的分解母液。

简史

铝酸钠溶液加种子分解析出氢氧化铝晶体的方法是19世纪末拜耳(K．J．Bayer)获得的有关氧化铝生产两项专利权中的一项。在此之前是用通C02的碳酸化方法使铝酸钠溶液分解。由于所处理的铝土矿类型不同，曾有欧洲式拜耳法和美国式拜耳法之分。两种传统的拜耳法的种子分解条件及所得结果列举于表。

传统拜耳法种子分解条件及结果

在欧洲式拜耳法分解条件下，得到产出率高、粒度细的氢氧化铝。这种氢氧化铝需经1573K温度煅烧，才能制得不易飞扬的“面粉状”氧化铝。在美国式拜耳法分解条件下，得到产出率低、粒度粗的氢氧化铝。这种粒度粗的氢氧化铝在1273K温度下煅烧得到比表面积大(约65m2/g)、流动性好的砂状氧化铝。砂状氧化铝正适应于20世纪70年代发展起来的新式大型预焙阳极电解槽作业及干法烟气净化环境保护的需要。欧洲式拜耳法生产厂家希望在保持原有高的分解产出率的同时制得粗粒氢氧化铝，然后从粗粒氢氧化铝生产砂状氧化铝。美国式拜耳法氧化铝厂则需要在保持其粗粒氢氧化铝质量的同时提高其产出率，以降低生产的单位能耗。能从铝酸钠溶液中获得高分解产出率的先决条件是分解原液的高浓度。于是从70年代到80年代，用高浓度铝酸钠溶液分解制取粗粒氢氧化铝来生产砂状氧化铝，便成为世界氧化铝生产需待解决的重要课题。80年代新建氧化铝厂均为用高浓度铝酸钠溶液生产砂状氧化铝，而老厂也为此陆续进行改造。铝酸钠溶液的浓度含Na2O140～160g/L，苛性比ak((Na2O与AL2O3的摩尔比)为1．50～1．60。分解过程的基本要求是：分解产出率要能达到Al2O370～80g/L的浓度；为粗粒氢氧化铝，平均粒度为60～70/um，-44μm粒子含量不大于10%；氢氧化铝经煅烧生成的氧化铝仍能保持一定的抗破损强度，即破损系数不大于10%。

原理

铝酸钠溶液的加种子分解是从过饱和的铝酸钠溶液中，析出所要求粒度分布和颗粒结构(强度)的氢氧化铝结晶的过程。加入的氢氧化铝种子作为现成的结晶核心，其作用机理是“表面成核”。根据不同的分解条件，在铝酸钠溶液加种子分解过程中会发生次生晶核形成、晶体生长、晶粒附聚、晶粒破裂及磨蚀等作用。

次生晶核形成在加有晶种的过饱和铝酸钠溶液中，分解析出的氢氧化铝使晶种表面开始变得粗糙，并长出1～2/um的细小晶体，或长出树枝状结晶。细小晶体或树枝状结晶受溶液剪应力作用又从品种表面脱落，成为新的晶核。这种新晶核称为次生晶核。铝酸钠溶液过饱和度愈大，种子表面积愈小(或种子量少)，温度愈低，产生次生晶核数量愈多。但温度高于348K时，无论种子数量多少，都不会有次生晶核形成。

晶体生长和晶粒附聚分解析出的氢氧化铝陆续长入种子表面，种子颗粒增大。有利于晶体生长的条件是铝酸钠溶液的过饱和度高、温度高、种子表面积大即种子数量多。

细小种子颗粒相互碰撞，并被新析出的氢氧化铝粘结附聚成较粗的颗粒，同时伴随颗粒数目的减少。晶粒附聚仅发生在分解过程初期的6～8h内。附聚的晶粒再进一步结晶生长，可以得到具有较高抗破损强度的产品。有利于晶粒附聚的条件是铝酸钠溶液的过饱和度高，温度高，种子细，数量少。苛性碱浓度对晶粒附聚无甚影响。

细晶粒附聚和晶体生长都能得到粗粒氢氧化铝。单由附聚产生的粗颗粒，粘结较松散，机械强度差，在煅烧时产生热裂，结晶体生长长大的颗粒，密度较大，强度也大，在煅烧时不热裂，但出窑后却更易破碎。将附聚粗颗粒再在晶体生长条件下进一步处理，使氢氧化铝在其表面沉积、充填，则可得到强度大的粗粒产品，这也是两段分解法工艺的理论基础。

在铝酸钠溶液加种子分解过程中，有控制地产生晶核是保持氢氧化铝颗粒数平衡(或所需新种子数平衡)的重要措施。

晶粒破裂和磨蚀由于搅拌或输送中的碰撞使氢氧化铝颗粒破裂或磨蚀而产生细小颗粒，可视为机械成核。

工艺

主要由铝酸钠溶液分解、氢氧化铝分离和洗涤两大环节组成。

铝酸钠溶液分解待分解的铝酸钠原液经冷却后与氢氧化铝种子一起送入分解槽，在搅拌下进行分解：

分解所得氢氧化铝经三次沉降分级：一次沉降的底流为粗粒部分，经二次反向洗涤作为氢氧化铝成品；二次沉降底流用作晶体生长的粗粒种子；三次沉降底流作为晶粒附聚的种子(图1)。

图1铝酸钠溶液加种子分解工艺流程氢氧化铝

在用种子分解高浓度铝酸钠溶液生产砂状氧化铝的工艺中，以瑞士的新瑞铝法最具代表性。该法采用两段分解法：一段分解是用晶粒附聚的条件产出粗颗粒；二段分解是再通过控制晶体生长条件使颗粒强度和产出率增加。晶粒附聚的初温为339～350K，加种子量按溶液过饱和度(g/L)与细种子表面积(m2/L)之比为7～16g/㎡计，附聚时间为6h。晶体生长是把物料冷却到328K温度后，按400g/L(粗、细粒合计)加入氢氧化铝种子，停留时间为50～70h。

氢氧化铝分离和洗涤多在专用的水力旋流器、弧形筛以及多级沉降分级槽进行。中国开发的旋流筛可一次完成成品氢氧化铝、粗晶种和细晶种的分级。晶种氢氧化铝用转鼓过滤机滤去所附带的母液。成品氢氧化铝稠浓浆液采用二次反向过滤洗涤。洗涤后成品氢氧化铝含Na2O应不大于0.12%，水分不高于12%。采用助滤剂可使成品氢氧化铝附着水含量降到6%～8%。

设备

包括溶液冷却设备、分解槽、分离(分级)和洗涤设备。

冷却设备将铝酸钠溶液冷却到分解初温的设备。采用较多的有板式热交换器和闪速蒸发器组等。板式热交换器是利用分解母液冷却分解原液。闪速蒸发冷却一般采用2～5级闪速蒸发。二次蒸气用于逐级加热蒸发前的分解母液，二次蒸气冷凝水可用于洗涤氢氧化铝。

分解槽组分解槽有空气搅拌和机械搅拌两种形式。操作按组配置，每组12～15台。

(1)空气搅拌分解槽。为焊接封闭容器，内装两个空气升液器，槽容积为1150～1800㎡，直径7．75～9．0m，总高28．7～33．5m(图2)。新建分解槽容积达3000～4000m3。

图2空气搅拌分解槽

1-槽壳；2-过料空气升液器;3-冷却水套；4-搅拌空气升液器

(2)机械搅拌分解槽。由于这种分解槽能减少动力消耗，在20世纪70年代又重新获得发展。机械搅拌分两种方式，一种是轴流式机械搅拌，在空气搅拌分解槽升液管内的上部装设轴流泵式螺旋桨；另一种是用螺旋桨叶搅拌的平底分解槽。螺旋桨叶形状特殊，槽内壁上装设挡板，以造成强烈搅拌。最大的机械搅拌分解槽的容积为4500㎡。