氧化铝种分过程的粒度分析.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 2 5 氧化铝种分过程的粒度分析 刘斌1 ，周孑民1 ，刘吉波2 ，张家元1 1 ．中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ．中国铝业股份有限公司郑州研究院，河南郑州4 5 0 0 4 1 摘要用粒数衡算的方法对氧化铝生产种分过程氢氧化铝粒度分布进行了分析，通过计算得到各种分槽 产品氢氧化铝的晶体生长速率和净粒子生成数，由此推测了氧化铝实际生产过程中成核、生长、附聚过 程发生的位置及生产条件。并分析了晶体生长速率与种分进行时间之间的关系。 关键词氧化铝；种分过程；粒度分布；生长速率 中图分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 5 0 0 2 5 一0 4 A n a l y s i so fP a r t i c l eS i z eD i s t r i b u t i o nd u r i n gS e e d P r e c i p i t a t i o nP r o c e s so fA l u m i n a L I UB i n l ，Z H O UJ i e ．m i n l ，L I Uj i ．b 0 2 ，Z H A N GJ i a ．y u a n l 1 ．S c h o o lo fE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C e n t e rS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a ，H u n a n4 1 0 0 8 3 。C h i n a ； 2 ．Z h e n g z h o uR e ．a r c hI n s t i t u t e ，C h i n aA 1 u m i n i u mC o r p o r a t i o n ，Z h e n g z h o u ，H e n a n4 5 0 0 4 1 。C h i n a A b s t r a c t P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no fa l u m i n ah y d r a t ep r e c i p i t a t e dd u r i n gp r e c i p i t a t i o np r o c e s so fa l u m i n ap r o d u c t i o nw a sa n a l y z e db yt h em e t h o do fp o p u l a t i o nb a l a n c e ．T h eg r o w t hr a t ea n dn u m b e ro fb i r t hp a r t i c l e so fa l u m i n a h y d r a t ew e r eo b t a i n e db yp o p u l a t i o nb a l a n c ee q u a t i o n s ．T h ep o s i t i o n sa n dc o n d i t i o n sw e r ed e d u c e d ，f o rw h i c h t h ed i f f e r e n tp r o c e s s e ss u c ha sn u c l e a t i o n ，g r o w t ha n da g g l o m e r a t i o nm a yo c c u r ．T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c r y s t a lg r o w t hr a t ea n dr u n n i n gt i m eo ft h ep r e c i p i t a t i o np r o c e s sw e r ea l s od i s c u s s e d ． K e y w o r d s A I u m i n a ；P r e c i p i t a t i o np r o c e s s ；P a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ；G r o w t hr a t e 2 0 世纪7 0 年代以来，以砂状氧化铝为吸附剂 的干法氟化氢净化技术问世，为国际铝工业在7 0 年 代末开发和推广1 8 0k A 现代大型点下料预焙阳极 电解槽和8 0 年代中期之后陆续建设2 8 0k A 及3 0 0 k A 特大型电解槽奠定了基础。现代铝工业的发展 对氧化铝生产提出了新的要求，砂状氧化铝以其表 面积大、粒度粗、强度大、流动性好、a 一鸽0 3 含量 低、在电解质中易于溶解、易于形成表面结壳、对阳 极覆盖性能好、吸附H F 能力强等优点，成为现代氧 化铝生产的新趋势L 1J 。 在氧化铝生产流程中，铝酸钠溶液加晶种分解 过程是一个十分重要的工序之一，它对产品的产量、 质量以及整个氧化铝生产的技术经济指标均有十分 作者简介刘斌 1 9 8 1 一 ，湖南常德人，硕士研究生 重大的影响，是拜耳法生产得到合格砂状氧化铝的 关键所在。由于现代氧化铝生产对产品质量的要求 不断提高，种分过程产品氢氧化铝的粒度分布成为 研究者十分关注的课题。 种分过程氢氧化铝的粒度分布受温度、过饱和 度、搅拌速率、晶种粒度等条件的影响[ 2 | ，其变化复 杂，实际生产过程粒度分布波动更加大，因此，对于 实际生产过程的粒度分析需要有大量的实验数据。 本文通过对中国铝业股份有限公司某氧化铝厂的种 分生产过程中各分解槽的生产数据，对氢氧化铝的 粒度分布与生产条件的关系进行了分析。 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 1基本原理 氧化铝生产的种分过程是一个连续的多槽系 统，对于某一特定分解槽而言，如果其进出料流量基 本恒定，结晶槽内基本混匀，可近似将其看作M S M ． P R M i x e d s u s p e n s i o n ，M i x e dp r o d u c tr e m o v a l 结 晶器，其特点是在器内混合十分充分且排料时对不 同粒度的晶体不加选择。结晶器的粒数衡算可表述 如下[ 3 - 4 ] 累积量 输入量一输出量 净生成量 1 对于一个有效体积为V 的结晶器，粒径h 及k 的粒数密度分别为n 1 和r 】2 ，相应的晶体生长速率为G 1 和Q ，对于时间增量△t ，晶体的粒数衡算式可写为 V A n ／A t Q i n i Q n V n 2 G 2 一n l G l ／△L V B D 2 式中V 为结晶器的有效体积，△n 为时间△t 内 粒径L | 到k 的粒数密度n 的变化值，Q i 和Q 分别 为进、出料流股的体积流量，n i 和n 和分别为在进、 出料的粒度范围L 】至k 的平均粒数密度。B ，D 为 单位晶浆体积中单位粒度范围和单位时间间隔里出 生或消灭的晶粒数。式 2 中， B D 为净生成晶 粒数，用P 代换，变换 2 式，得 Q i n i Q n V A n ／A t ’△L ／V n 2 G 2 一n 1 G 1 P 。 A L 3 式 3 中，Q i 、Q 及V 均以浆液体积为基准，而 数密度，因此，Q ；、Q 及V 需通过式 4 ～ 6 分别转 化成为晶粒的质量流量Q 。i 、Q 。及晶粒质量M 。 Q 。i Q i C i 4 Q 。 Q C 5 M V C i C ／2 6 式中，C i 及C 为进出料的固含，可通过生产中 取样测得，分解槽的固含取进出料固含的平均值计 算。将 4 ～ 6 式代入 3 式得 Q 。i n i Q 。n M A n ／A t ‘A L ／M n 2 G 2 一n 1 G 1 P A L 7 7 式中，等式左边设为Y ，则有 Y G 2 n 2 ～G 1 n 1 P A L 8 对于一定的分解槽和一定的粒度范围内，G 2 、 G 1 及P △L 可看作常数，由生产数据可得不同批次 样品的Y 、n 2 、n 1 的值，通过多日的生产数据对式 8 进行线性回归即得该分解条件下，该粒度范围内的 晶体生长速率和晶粒净生成数。 2 参数测定 种分流程是一个连续多槽系统，在稳定生产过 程中，各分解槽温度、进出料流量、固含、浆液苛碱浓 度、苛性比等都可看作基本不变，浆液流量取生产中 测定数据，温度也由各槽中测温热电偶测得，在各槽 进、出料口取分解浆液，固液分离，测得固含，液体样 由滴定分析得苛碱浓度及苛性比，固体样用 在生产中测得的粒数密度数据是单位晶粒质量的粒E l z o n z 2 8 2 型粒度分析仪取得粒度分析数据。 表1 筛选实验数据相关生产条件的平均值和平均方差 T a b l e1T h ea v e r a g ea n ds q u a r ee r r o ro fr e l a t i v ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n so fs e l e c t e de x p e r i m e n t a ld a t a 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期2 7 3 数据筛选 由于实际生产过程的影响因素较多，实验数据 波动也较大，因此有必要对所得数据进行必要的筛 选，筛选的原则是使影响种分过程的主要反应条件 尽量保持在较小范围内波动，即其方差平均值在误 差控制范围内。表1 列出了用于种分产品粒度分析 数据的有关重要反应条件的平均值和平均方差。由 表1 可见，所选数据的反应条件的参数均在较小范 围内波动，各参数的标准差基本在平均值的5 ％以 内。 4 结果与讨论 对实际生产的种分过程进行采样测试，对取得 的4 个月数据用以上步骤筛选，所得各种分槽的氢 氧化铝粒度数据按式 8 进行回归分析，得到各粒度 范围内粒子的生长速率和净粒子生成数，结果列于 表2 及表3 。 表2 ．粒度范围内粒子的生长速率 T a b l e2G r o w t hr a t ei nd i f f e r e n tp a r t i c l e s i z er a n g e ／ p m b 叫 G 1 ．9 2G 3 ．5 5 G 5 ．9G 8 ．0 1 G l o ．8 7 0 ．2 0 70 ．3 2 80 ．4 1 4 0 ．5 2 7 0 ．8 4 0 0 ．2 9 60 ．2 6 70 ．2 1 90 ．2 6 50 ．2 1 9 0 ．2 5 80 ．2 2 70 ．2 3 20 ．2 1 80 ．2 8 8 一O ．3 1 90 ．3 9 60 ．2 4 90 ．9 1 40 ．8 9 5 0 ．2 3 70 ．2 1 30 ．2 0 40 ．1 3 80 ．1 4 9 0 ．2 9 80 ．3 0 30 ．3 4 40 ．2 5 80 ．2 9 7 0 ．0 4 3 7 0 ．0 5 2 7 0 ．1 0 20 ．0 8 7 40 ．0 2 1 0 0 ．0 0 2 5 10 ．0 0 7 8 40 ．0 0 4 5 40 ．0 0 6 4 00 ．0 0 3 1 9 0 ．0 0 4 2 30 ．0 0 4 7 80 ．0 0 3 9 90 ．0 0 1 4 10 ．0 0 3 1 4 由表2 数据可见，在同一分解槽中，除第一槽所 得生长速率在各粒径范围各不相同外，其余各槽不 同粒径段的生长速率基本相同。研究者普遍认为， 在其他条件一致的情况下，氢氧化铝晶体生长符合 M c c a b e 定律，即生长速率不随粒径变化L 5 叫J 。从表 2 所得数据结论也基本与前人研究结果吻合，对于 第一个分解槽而言，可能是由于在过饱和度和温度 相对较高时，种分过程非晶体生长过程控制，而可能 有附聚或成核过程发生“ J 。对于不同分解槽而言， 生长速率从总体上来看是降低的，这是由于在稳态 生长过程中，分解槽顺序越靠后，即反应时间越长， 随着种分反应的进行，过饱和度不断下降，过饱和度 是氢氧化铝晶体生长过程的推动力，过饱和度越大 生长速率越快，因此，总体上各槽过饱和度是降低 的，其生长速率也随之降低。中间部分槽的生长速 率有一些波动，可能是由于各槽温度波动，进料浆液 苛性比波动等因素造成的。 由表3 可见，同一分解槽中，不同粒度范围内晶 粒净生成数是不同的，且在不同分解槽中同一粒度 范围内晶粒净生成数也不同，因为，在种分过程中， 粒子数主要由成核、附聚、及破碎磨蚀过程决定[ 2 】， 这些过程受分解槽温度、浆液过饱和度、晶种粒度等 因素影响，因此，实验中分解槽不同、反应条件不同、 粒度范围不同、晶体粒子的净生成数也不同。表3 中，一号槽的净粒子生成数为负值，即反应过程中粒 子数减少，这可能是因为附聚作用使粒子数减少。 而2 ～6 槽的粒子数增加量较大，而7 ～9 槽粒子数 增加相对较小，这可能因为在种分过程前期，由于过 饱和度较大，而较容易发生成核现象，造成粒子数增 加，种分后期，过饱和度相对较小，主要发生晶体生 长过程，因此，粒子数变化较小。综上所述，在以上 实验条件讨论范围内，种分反应前期，主要发生附聚 过程，中期为成核过程与生长过程综合作用占主导 地位，后期为生长过程为主。 表3 各粒度范围内粒子的净粒子生成数 T a b l e3N u m b e ro fb i r t hp a r t i c l e si h d i f f e r e n tp a r t i c l es i z er a n g e 槽号1 ．9 2 ～3 ．5 5 p m3 ．5 5 - - 5 ．9 p r 0 5 ．9 - - 8 ．0 1 肛m 8 ．0 1 ～1 0 ．8 7 p r o 5结论 用粒数衡算的方法建立了种分过程中粒数变化 方程，通过多日的生产数据回归得到不同分解条件 下，不同粒径范围内的晶体生长速率和晶粒净生成 数； 种分过程中生长速率不随粒径变化，并随种分 过程进行时间增加而下降； 在实验条件讨论范围内，种分反应前期，主要发 生附聚过程，中期为成核过程与生长过程综合作用 占主导地位，后期为生长过程为主。 下转第3 8 页 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 链烷基酰亚胺，而且它们都随链长的增长萃取能力 不断增强。支链烷基酰亚胺的萃取效果虽然差于直 链烷基酰亚胺，但其萃取稀土的分离系数大，即其选 择性优于直链烷基酰亚胺。 参考文献 [ 1 ] 刘宝芬．近年来稀土萃取剂和工艺的研究进展[ J ] ．湿 法冶金，1 9 9 3 1 5 7 6 1 ． [ 2 ] 郑晓玲，倪兆艾．取代酰胺萃取稀土元素的研究[ J ] ．福 州大学学报 自然科学版 ，1 9 9 8 ，2 6 1 ．9 8 1 0 2 ． [ 3 ] P l a t a s I g l e s i a aC a r l o s ，C o r a lD a n i d eM ．，V a n d e rE l s t L u t e ，e ta 1 ．S t a b i l i t y ，s t r u c t u r ea n dd y n a m i c so fc a t i o n i c l a n t h a n i d e I I I c o m p l e x e so fN ，Np r i m e b i s p r o p y - l a m i d e e t h y l e n e d i a m i n e N ，Np r i m e d i a c e t i ca c i d [ J ] ． J o u r n a lo ft h eC h e m i c a lS o c i e t y ，D a l t o nT r a n s a c t i o n s ，2 0 0 3 4 7 2 7 7 3 7 ． [ 4 ] L iD e q i a n ，Z u oY o n g ，M e n gS h u l a n ．S e p a r a t i o no ft h o r i u m I V a n de x t r a c t i n gr a r e 朗r t } 1 Sf r o ms u l f u r i ca n dp h o s p h o r i ca c i ds o l u t i o n sb ys o l v e n te x t r a c t i o nm e t h o d [ J ] ．J o u r n a l o fA l l o y sa n dC o m p o u n d s ，2 0 0 4 ，3 7 4 1 2 4 3 1 4 3 3 ． [ 5 ] P e p p a r dDF ，M a s o nG ，L e w e ySA ．T e t r a dE f f e c ti nL i q u i d L i q u i dE x t r a c t i o nO r d e r i n go fL a n t h a n i d e s 3 [ J ] ．J I n o r gN u c lC h e m ，1 9 6 9 ，3 1 2 2 7 1 2 2 7 2 ． 上接1 4 页 矿酸比1 O ．6 5 、8 0 “ 1 2 、3 ．5h 和搅拌速度9 0r ／r a i n 。 4结论 1 菱锰矿的最佳浸出条件为矿酸比1 0 ．6 5 、 8 0 “ C 、3 ．5h 和搅拌速度9 0r ／m i n ，菱锰矿的实际浸 出率达到9 2 ％左右； 2 矿酸比对菱锰矿浸出率影响最大，其次是温 度、时间，搅拌速度对浸出率的影响较小。 参考文献 [ 1 ] 丁楷如，余逊贤．锰矿开发与加工技术[ M ] ．长沙湖南 科学技术出版社，1 9 9 1 ． [ 2 ] 姚培慧．中国锰矿志[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 9 5 ． [ 3 ] H a r r i sM ．T h eh i s t o r yp r o d u c t i o na n du s e so fe l e c t r o l y t i c m a n g a n e s e ，M e t a l l u r g i e ，1 9 9 7 ，1 7 1 4 1 2 1 ． [ 4 ] 谭柱中，梅光贵，李维健，等．锰冶金学[ M ] ．长沙中南 大学出版社，2 0 0 4 ． [ 5 ] 熊万锋．遵义锰矿区锰资源综合评价[ J ] ．中国锰业， 2 0 0 1 ，1 9 1 3 2 3 4 ． [ 6 ] 钟竹前，梅光贵．化学位图在湿法冶金和废水净化中的 应用[ M ] ．长沙中南工业大学出版社，1 9 8 6 ． 上接第2 7 页 参考文献 [ 1 ] 赵清杰．中国氧化铝生产技术的发展方向[ J ] ．有色金 属 冶炼部分 ，2 0 0 0 6 3 1 3 4 ，4 5 ． [ 2 】杨重愚．氧化铝生产工艺[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 9 3 1 8 1 2 5 ． [ 3 】I l i e v a k iD ，W h i t eET ．A g g l o m e r a t i o nd u r i n gp r e c i p i t a t i o n A g g l o m e r a t i o nm e c h a n i s mi d e n t i f i c a t i o nf o rp d o H 3c r y s t a l si nc a u s t i ca l u m i n a t es o l u t i o n s [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，1 9 9 4 ，4 9 1 9 3 2 2 7 3 2 3 9 ． [ 4 ] V e e s l e rS ，B o i s t e l l eR ．A b o u ts u p e r s a t u r a t i o na n dg r o w t h r a t e so fh y d r a g i l l i t eA l O H 3i na l u m i n ac a u s t i cs o l u t i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fc r y s t a lg r o w t h ，1 9 9 3 1 3 0 4 1 1 4 1 5 ． [ 5 ] M i s r aC ，w h i t eET ．C r y s t a l l i s a t i o no fB a y e rA a l u m i n i u m T r i h y d r o x i d e [ J ] ．J ．C r y s t a lG r o w t h ，1 9 7 1 8 1 7 2 1 7 8 ． 【6 ] W b j t eET ，B a t e m a nSH ．E f f e c to fc a u s t i cc o n c e n t r a t i o n o nt h eg r o w t hr a t eo fA i O H 3p a r t i c l e s [ J ] ．L i g h tM e t - s i s ，1 9 8 8 1 5 7 1 6 2 ． [ 7 ] S e y s s i e e qI ，V e e s l e rS ，B o i s t e l l eR ，e ta 1 ．A g g l o m e r a t i o no f g i b b s i t eA I O H 3c r y s t a l si nB a y e rl i q u o r s ，I n f l u e n c eo f p r o c e s sp a r a m e t e r s 【J ] ．C h e m i c a le n g i n e e r i n gs c i e n c e ， 1 9 9 8 。5 3 1 2 ；2 1 7 7 2 1 8 5 ． 万方数据