Como aumentar a produção de alúmen na produção industrial?

No processo de produção industrial de alúmen (KAl(SO ₄)₂ ·12H ₂ O), para aumentar a produção, é necessário otimizar vários aspectos, como a taxa de utilização de matérias-primas, a eficiência da reação e o processo de cristalização. A seguir, são apresentadas medidas técnicas específicas e análises de princípios:

I. Pré-tratamento e otimização de matérias-primas

1. Aumentar a atividade da fonte de alumínio

Trituração e ativação da bauxita:

Triturar a bauxita em partículas menores (por exemplo, ≤0,1 mm) para aumentar a área de contato com o ácido sulfúrico e acelerar a velocidade de reação de dissolução ácida.

Calcinação de alta temperatura da bauxita (600-800 ℃) para destruir sua estrutura cristalina e torná-la mais reativa ao ácido sulfúrico (por exemplo, convertendo gibbsita em óxido de alumínio amorfo mais ativo).

Pré-tratamento de aparas de alumínio:

Remover completamente a película de óxido superficial (Al ₂ O ₃ ) usando uma solução de hidróxido de sódio para evitar que a camada de óxido impeça a reação do alumínio com o ácido sulfúrico: (Al ₂ O ₃ + 2NaOH → 2NaAlO ₂ + H ₂ O)

2. Otimização da proporção de matérias-primas

Controle do excesso de ácido sulfúrico:

Um leve excesso de ácido sulfúrico (1,1 a 1,2 vezes a quantidade teórica) durante a dissolução ácida garante que o (Al) na bauxita reaja completamente, mas um excesso excessivo aumentará os custos de neutralização subsequentes. ₂ O ₃ Seleção e proporção da fonte de potássio:

Usar sulfato de potássio (K

SO ₂ ) ou cloreto de potássio (KCl) para reagir com ácido sulfúrico e gerar sulfato de potássio (considerando o tratamento de subprodutos), com uma proporção molar precisa de (Al ₄ (SO ₂ ): K ₄)₃ = 1:1) para evitar que a falta de fonte de potássio leve à síntese incompleta de sais duplos. ₂ ) ou cloreto de potássio (KCl) para reagir com ácido sulfúrico e gerar sulfato de potássio (considerando o tratamento de subprodutos), com uma proporção molar precisa de (Al ₄ II. Intensificação do processo de reação

1. Melhoria da etapa de dissolução ácida

Aquecimento e agitação:

Aumentar a temperatura de reação para 90-100 ℃ (próximo ao ponto de ebulição do ácido sulfúrico) para acelerar a dissolução de (Al) (a velocidade de reação aumenta cerca de 2 vezes a cada aumento de 10 ℃ na temperatura); ao mesmo tempo, usar agitação mecânica ou agitação com borbulhamento de gás para reduzir a resistência à transferência de massa sólido-líquido.

Assistência de pressão: ₂ O ₃ Usar um reator de pressão (0,5-1 MPa) para aumentar o ponto de ebulição do ácido sulfúrico e reagir em temperaturas mais altas (por exemplo, 120-150 ℃), reduzindo o tempo de dissolução ácida (o processo tradicional à pressão atmosférica leva 4-6 horas, enquanto o processo sob pressão pode ser reduzido para 2-3 horas).

2. Otimização da síntese de sais duplos

Controle da concentração da solução:

A concentração da solução mista de sulfato de alumínio e sulfato de potássio deve ser controlada perto do ponto crítico de supersaturação (por exemplo, a solubilidade a 60 ℃ é de aproximadamente 50 g/100 g de água). Uma concentração muito baixa reduzirá a taxa de cristalização, enquanto uma concentração muito alta pode levar à coprecipitação de impurezas.

Ajuste de pH:

Adicionar ácido sulfúrico diluído para manter o pH da solução entre 2 e 3 para suprimir a hidrólise de (Al³⁺) e a formação de precipitado de (Al(OH)

) (a hidrólise é significativa quando o pH > 4) para evitar a perda de alumínio.

III. Melhoria do processo de cristalização ₃ 1. Otimização da cristalização por resfriamento

Controle de resfriamento gradual:

Usar resfriamento em etapas: primeiro, resfriar rapidamente para 40-50 ℃ (para promover a formação de núcleos de cristal) e, em seguida, resfriar lentamente para 20-25 ℃ (para promover o crescimento de cristais) para evitar que o resfriamento muito rápido leve a cristais finos e aumento da inclusão de impurezas.

Adição de sementes de cristal:

Adicionar sementes de cristal de alúmen puro (tamanho de partícula 0,5-1 mm) à solução para fornecer núcleos de cristalização, reduzir o número de nucleação espontânea, promover o crescimento de cristais grandes e aumentar a taxa de cristalização (a quantidade adicionada é 0,5% -1% da massa da solução).

2. Aplicação de cristalização por evaporação

Para soluções de alta concentração, pode-se usar evaporação sob vácuo (para reduzir o ponto de ebulição e reduzir o consumo de energia), evaporar e concentrar a 50-60 ℃ até a supersaturação e, em seguida, cristalizar por resfriamento. Em comparação com a cristalização por resfriamento simples, isso pode aumentar a produção em 10% -15%.

IV. Remoção de impurezas e reaproveitamento

1. Processo de remoção de impurezas de alta eficiência

Remoção de impurezas em etapas:

Após a dissolução ácida, primeiro adicionar permanganato de potássio para oxidar Fe²⁺ para Fe³⁺, ajustar o pH para 4,5-5,0 para fazer com que Fe³⁺ e Mn²⁺ formem precipitados de hidróxido; em seguida, adicionar carvão ativado para adsorver pigmentos e impurezas orgânicas, controlando a precisão de filtração abaixo de 5 μm para evitar que as impurezas obstruam os locais de cristalização.

Tratamento da água-mãe:

A água-mãe após a cristalização contém cerca de 10% -15% de soluto de alúmen, que pode ser reciclado para as etapas de dissolução ácida ou síntese de sais duplos para reduzir a perda de alumínio e potássio (após 3-5 ciclos de reciclagem, é necessário tratamento de purificação para evitar o acúmulo de impurezas).

2. Recuperação de subprodutos

结晶后的母液中含有约 10%-15% 的明矾溶质，可循环回用于酸溶或复盐合成阶段，减少铝、钾元素损失(循环 3-5 次后需净化处理，避免杂质积累)。

2. 副产物回收

O hidrogênio produzido durante o processo de dissolução ácida (como no método de resíduos de alumínio) pode ser coletado e reutilizado, reduzindo os riscos de segurança; os resíduos filtrados (como dióxido de silício) podem ser usados na preparação de materiais refratários, melhorando a taxa de utilização integral das matérias-primas.

V. Equipamentos e controle de processo

1. Equipamentos de produção contínua

O uso de reatores contínuos em substituição à operação descontínua permite a realização de operações em linha de dissolução ácida, remoção de impurezas e síntese de sais duplos, encurtando o ciclo de produção (o método descontínuo tradicional leva 8 a 10 horas/lote, enquanto o método contínuo pode ser reduzido para 4 a 5 horas), aumentando a produção por unidade de tempo.

2. Controle automatizado

O sistema de controle PLC monitora em tempo real parâmetros como temperatura de reação, pH e concentração, ajustando precisamente a quantidade de ácido sulfúrico adicionada e a velocidade de resfriamento, evitando flutuações na produção causadas por erros de operação manual (como precisão de controle de temperatura ±1℃, controle de pH ±0,2).