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烟 台 南 山 学 院
实 训 报 告

题目: 氧化铝溶出工艺过程控制

姓 名: ___ 纪传宝 ___

所在学院: ___自动化工程学院____

所学专业: _______自动化________

班 级: _____08自本1班_____

学 号: ____ 07009680____

指导教师: ______王卫军________

完成时间: ____ -6-14 _____

目录
1.过程控制课程设计的目的工艺 3
1.1 设计目的 3
1.2 氧化铝生产工艺 3
2．氧化铝生产方法 4
2.1碱法 4
2.1.1拜耳法 5
2.2烧结法 7
2.3联合法 9
3.高压溶出 11
3.1概述 11
3.2铝土矿及循环母液的主要成分 11
3.3铝土矿各种成分在溶出过程中的行为 11
3.3.1氧化铝水合物溶出时的行为 11
3.3.2 氧化硅在溶出过程中的行为 11
3.3.3 氧化铁在溶出过程中的行为 12
3.3.4 氧化钛在溶出过程中的行为 12
3.3.5 氧化钙在溶出过程中的行为 12
3.4 铝土矿高压溶出过程中添加石灰的作用 13
3.5 铝土矿的溶出过程 13
3.6 溶出过程的质量指标 13
3.7 影响溶出过程的因素 14
3.7.1 溶出温度 14
3.7.2 保温时间 14
3.7.3 溶出液中氧化铝浓度 14
3.7.4 溶出液的影响 14
3.7.5 搅拌强度 15
3.7.6 矿浆细度 15
4. 结论 16
5.参考文献 17

1.过程控制课程设计的目的工艺
1.1 设计目的
本课程设计主要是经过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、 信号处理技术和控制系统的设计, 掌握测控对象参数检测方法、 变送器的功能、 测控通道技术、 执行器和调节阀的功能、 过程控制仪表的PID控制参数整定方法, 进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力, 进而提高学生解决实际工程问题的能力。
1.2 氧化铝生产工艺
世界上氧化铝的生产主要是碱法, 包括三种不同方法, 即拜耳法、 烧结法和联合法, 工艺技术方法应用主要依据铝矿石的质量。
    拜耳法是利用较高品位的铝矿石, 与碱液、 石灰乳及母液按比例混合后磨制成料浆, 经预脱硅后在相应温度、 压力条件下直接溶出铝酸钠, 再经赤泥分离、 种子分解和氢氧化铝焙烧等工序制得成品氧化铝。对于铝硅比大于7的高品位矿石, 以拜耳法生产工艺为首选, 其能耗低、 投资省、 产品质量好且污染物产生量少, 属于氧化铝工业清洁生产工艺。
    烧结法是将铝土矿破碎后与石灰、 纯碱、 无烟煤及返回母液按比例混合, 磨成生料浆, 喷入烧成窑制成熟料, 再经熟料溶出、 赤泥分离、 铝酸钠分解和氢氧化铝焙烧等工序, 制得成品氧化铝。该工艺流程长、 能耗高、 污染物产生量大, 但其最大优点是可利用低品位铝土矿, 符合中国铝土矿资源的特点。
    联合法是将拜耳法和烧结法联合起来, 处理铝硅比3～7的矿石, 充分发挥各自的长处, 联合法有并联、 串联以及混联三种基本流程。
    混联法是将高品位矿石采用拜耳法处理, 拜耳法赤泥与低品位的矿石一起进入烧结法生产系统。整个工艺流程复杂, 但氧化铝实收率高。能耗、 物耗比单纯烧结法低, 比常规拜耳法高, 单位产品排污量介于二者之间。串联法是将全部矿石先用经济的拜耳法处理, 回收绝大部分氧化铝, 然后用烧结法处理拜耳法赤泥, 回收大部分碱和小部分氧化铝, 烧结法溶液经脱硅后进入拜耳法系统, 溶液析出的碱返回烧结法系统配科。

2．氧化铝生产方法
氧化铝生产方法大致可分为四类, 但当前用于工业生产的几乎全属于碱法律。
2.1碱法
碱法生产氧化铝的基本过程如图所示。

熔烧
AL(OH)3 AL2O3
铝酸钠溶液 分解
碱处理 分离 分离 蒸发
铝矿石 氯酸钠浆液 母液 循环母液
赤泥( Fe、 Ti、 Si等杂质)
图2-1碱法生产氧化铝基本过程

碱法生产氧化铝, 是用碱( NaOH或Na2CO3) 来处理铝矿石, 使矿石中的氧化铝转变成铝酸钠铝液。矿石中的铁、 钛等杂质和绝大部分的硅则成为不溶解的化合物, 将不溶残渣( 由于含氧化铁而呈红色, 故称为赤泥) 与溶液分离, 经洗涤后弃去或综合利用, 以回收其中的有用组分, 纯净的铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝, 经与母液分离、 洗涤后进行焙烧, 得到氧化铝产品。分解母液可循环使用, 处理另外一批矿石。
碱法生产氧化铝又分为拜耳法、 烧结法和拜耳烧结联合法等多种流程。
2.1.1拜耳法
拜耳法是适于处理低硅铝土矿, 特别是在处理三水铝石型铝土矿时, 具有其它方法所无可比拟的优点。当前, 全世界生产的氧化铝和氢氧化铝, 有90%以上是采用拜耳法生产。
拜耳法的两大过程; 即分解与溶出。
1) 铝酸钠溶液的晶种分解过程
分子比较低的( 约1.6左右) 铝酸钠溶液在常温下, 添加氢氧化铝作为晶种, 不断搅拌, 溶液中的Al2O3便以氢氧化铝形式慢慢析出, 同时溶液的分子比不断增大。
2) 溶出
析出大部分氢氧化铝后的溶液, 称之为分解母液, 在加热时, 又能够溶出铝土矿中的氧化铝水合物, 这就是利用种分母液溶出铝土矿的过程。
交替使用以上两个过程就能够一批批地处理铝土矿, 得到纯的氢氧化铝产品, 构成所谓拜耳法循环。
拜耳法的实质是如下反应在不同条件下交替进行的。

拜耳法的特点:
l 适合高A/S矿石, A/S＞9:
l 流程简单, 能耗低, 成本低。
l 产品质量好, 纯度高。
拜耳法分类:
由于铝土矿的类型不同, 在世界上形成了两种不同的拜耳法方案。
1) 美国拜耳法
以三水铝石型铝土矿为原料。由于三水铝石型铝土矿中的Al2O3很容易溶出, 因而采用低温、 低碱浓度溶出, 一般情况下为Na2O 110g/L以下。溶出的温度为140～145℃, 停留时间不足1h ,分解初温高( 60～70℃) , 种子添加量较小( 50～120g/L) ,分解时间30-40h,产品为粗粒氢氧化铝, 但产出率低, 仅为40～45g/L。这种氢氧化铝焙烧后得到砂状氧化铝。
2) 欧洲拜耳法
以一水软铝石型铝土矿为原料。采用高温、 高碱浓度溶出, 苛性钠浓度一般在200g/L以上, 溶出温度达170℃, 停留时间约2～4h 。经稀释扣, 将苛性钠浓度高达150g/L的溶液进行分解。分解时, 分解初温低( 55～60℃或更低) , 种子添加量较大( 200～250g/L) 。分解时间50～70h,产出率高达80g/L,但得到的氢氧化铝颗料细, 焙烧时飞扬损夫大, 得到面粉状氧化铝。为了适应电解对氧化铝的要求, 现今的欧洲拜耳法已是在高温高碱浓度溶出, 低温、 高固含、 高产出率的分解条件下生产砂状氧化铝了。
详见拜耳法生产氧化铝工艺流程图:

补充苛性碱 铝土矿

破碎
破碎

石灰

湿磨

溶出

沉降分离
稀释矿浆
稀释
溶出矿浆

赤泥洗涤
叶滤
粗液 稠浓赤泥浆 热水

晶种分解
精液
石灰乳
赤泥 洗液

堆场
苛化

沉降分离
氢氧化铝浆液

溶解
蒸发
母液

晶种 氢氧化铝
分离
Na2CO3·H2O
洗涤
洗涤 结晶

煅烧
氢氧化铝 蒸发母液

氧化铝
图2-2 拜耳法生产氧化铝工艺流程图
2.2烧结法
碱石灰烧结法的基本原理是, 使炉料中的氧化物经过高温烧结转变为铝酸钠(Na2O·Al2O3)、 铁酸钠(Na2O·Fe2O3)、 原硅酸钙(2CaO·SiO2)和钛酸钙(CaO·TiO2),用水或洗碱液溶出时, 铝酸钠溶解进入溶液, 铁酸钠水解为NaOH和Fe2O3·H2O沉淀, 而原硅酸钙和钛酸钙不溶成为泥渣, 分离出去泥渣后, 得到铝酸钠溶液, 再通入CO2 进行碳酸化分解, 便析出Al(OH)3 ,而碳分母液( 主要成分为Na2CO3 经蒸发浓缩后可返回配料烧结, 循环使用。Al(OH)3经焙烧即为产品Al2O3 ( 详见工艺流程图)
碱石灰烧结方法的特点:
l 适合低于A/S矿, A/S 3～6;
l 流程复杂、 能耗高、 成本低
l 产品质量较拜耳法低。

石灰石 石灰石 纯碱

拆包
破碎
破碎

生料浆磨制 及熟料烧结

煤灰

粗液脱硅及硅渣分离
熟料溶出及赤泥分离洗涤
熟料破碎
热水

蒸汽
弃赤泥

硅渣及附液

搅拌分解
氢氧化铝分解
碳酸化分解

CO2
种分母液
氢氧化铝分离

热水

氢氧化铝洗液
氢氧化铝洗涤
碳分母液
焙烧
蒸发

成品氧化铝
图2-3 烧结法工艺流程图
2.3联合法
拜耳法和碱石灰烧结法是当前工业上生产氧化铝的主要方法, 它们各有其优缺点和运用范围。而当生产规模较大时, 采用拜耳法和烧结法的联合生产流程, 能够兼有两种方法的优点, 而消除其缺点, 取得比单一的方法更好的经济效果, 同时能够更充分利用铝矿资源。联合法可分为并联、 串联和混联三种基本流程, 它主要适用于A/S 7～9的中低品位铝土矿。详见联合法生产工艺流程图:

石灰 铝矿石 石灰石 纯碱

拆包

破碎

石灰炉
破碎

生料浆配制及熟料烧结

湿磨及溶出
第一赤泥及附液
煤
灰
洗液
熟料破碎
稀释及第一赤泥分离

第一赤泥洗涤

洗液

熟料溶出及第二赤泥分离

热水
CO2
循环碱液
第二赤泥洗涤

结晶碳酸钠
硅渣及附液

粗液脱硅及硅渣分离

热水

弃赤泥
碳分解

蒸汽

搅拌分离

氢氧化铝分离

晶种及附液
氢氧化铝分离及晶种分级

分解母液
热水

碳分母液蒸发
氢氧化铝洗涤

洗涤液蒸发
氢氧化铝洗涤

热水

母液
焙烧

结晶碳酸钠分离

结晶可化

结晶碳酸钠分离

成品氢氧化铝
去配料
图2-4 联合法生产工艺流程图
3.高压溶出
3.1概述
铝土矿的溶出过程一般是在高压( 高温) 条件下进行的。
高压溶出的目的:
用循环母液( 苛性碱溶液) 迅速将铝土矿中的Al2O3溶出, 制成铝酸钠溶液。
3.2铝土矿及循环母液的主要成分
1) 拜耳法生产中所用铝土矿的主要成分:
有用成分: 氧化铝( Al2O3) ( 主要有用成分) 、 镓
杂质: 氧化硅( SiO2) 、 氧化铁( Fe2O3) 、
氧化钛( TiO2) 、 碳酸盐
2) 溶出所用循环母液的主要成分:
苛性钠( NaOH) , 铝酸钠[NaAl(OH)4], 碳酸钠( Na2CO3)
3.3铝土矿各种成分在溶出过程中的行为
铝土矿在溶出过程中发生的主要反应是氧化铝水合物的溶出。溶出过程中绝大部分的杂质多进入赤泥中, 但也有少量的杂质溶解于碱液中, 杂质在溶出过程中的反应也影响到氧化铝生产的技术经济指标。
3.3.1氧化铝水合物溶出时的行为
铝土矿中所含的氧化铝水合物在溶出时与循环母液中的NaOH作用生成铝酸钠进入溶液, 形成铝酸钠溶液。
反应方程式:

这是溶出过程的主反应。
3.3.2 氧化硅在溶出过程中的行为
在溶出过程中的行为取决于它的矿物组成、 溶出温度和溶出过程的时间。
游离状态的和石英只有在较高的温度下( >150℃) 才开始和铝酸钠溶液起反应。如果在低温下溶出三水铝石, 这部分将转移到赤泥中被分离出去。
而以硅酸盐状态存在的氧化硅在溶出过程中于碱液作用生成Na2SiO3进入溶液中, Na2SiO3随即与溶液中的铝酸钠发生脱硅反应生成含水铝硅酸钠( 钠硅渣) ( Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O) 进入固相赤泥中。
高压溶出过程铝酸钠溶液的硅量指数一般达150-200。
SiO2在Al2O3生产中的危害:
l 生成含水铝硅酸钠, 造成Na2OK和Al2O3的损失。按Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O分子式计算, 每公斤SiO2造成0.608公斤的Na2OK和1公斤Al2O3的损失, 因而拜耳法只适应于处理低硅优质铝土矿。
l 由于溶出液在流程中发生脱硅反应, 造成工厂管道和设备器壁上产生结疤, 妨碍生产。
l 残留在铝酸钠溶液中的SiO2在分解时会随Al(OH)3一起析出, 影响产品质量。
因此, 在生产过程中要控制和减少SiO2的有害作用。
3.3.3 氧化铁在溶出过程中的行为
在铝土矿溶出过程中所有铁矿物全部残留在赤泥中, 成为赤泥的重要组成部分。
3.3.4 氧化钛在溶出过程中的行为
铝土矿中的含钛矿物以金红石和锐钛矿存在。
氧化钛与苛性钠溶液作用生成钛酸钠Na2O·3TiO2·2H2O。
1) 造成Na2O的损失。
2) 生成的钛酸钠会在一水硬铝石的表面形成一层致密的保护膜, 使溶解过程恶化, Al2O3溶出率降低。
( 但氧化钛对三水铝石的溶解起不到阻碍作用, 对一水软铝石的阻碍作用也小得多。 ) 消除TiO2危害的有效措施: 在铝土矿溶出时添加石灰
此时TiO2与CaO生成结晶状的钛酸钙Ca2O·TiO2( 松脆多孔、 极易脱落) , 使Al2O3的溶出过程不再受到阻碍, 也降低了Na2O的消耗。
3.3.5 氧化钙在溶出过程中的行为
氧化钙的来源:
l 工艺流程中添加石灰
l 铝土矿本身含有石灰
( 在原矿浆中氧化钙以Ca(OH)2形态参与反应)
氧化钙的行为
在原矿浆的制备、 储存过程以及压煮后矿浆的自蒸发冷却稀释过程中, 生成3 CaO·Al2O3·6 H2O, 造成Al2O3的损失。

当物料中含有硅矿物时, 往铝酸钠溶液中添加石灰将引起水花石榴石[3CaO·Al2O3·xSiO2·(6-2x)H2O]的生成。( 活化一水硬铝石的溶出, 使溶出过程强化) ( 水花石榴石比钠硅渣更易脱离矿粒表面)
3.4 铝土矿高压溶出过程中添加石灰的作用
1) 消除含钛矿物的有害作用, 显著提高Al2O3的溶出速度和溶出率。
2) 促进针铁矿转变为赤铁矿, 使其中的Al2O3充分溶出, 并使赤泥的沉降性能得到改进。
( 针铁矿FeOOH, 赤铁矿Fe2O3, 针铁矿具有不良的沉降和过滤性能。)
3) 活化一水硬铝石的溶出反应。
4) 生成水化石榴石, 减少Na2O损失, 降低碱耗。
3.5 铝土矿的溶出过程
铝土矿的溶出过程包括以下几个步骤:
l 循环母液湿润矿粒表面;
l 氧化铝水合物与OH-相互作用生成铝酸钠;
l 形成NaAl(OH)4的扩散层;
l Al(OH)4-从扩散层扩散出来, 而OH-则从溶液中扩散到固相接触面上, 使反应继续下去。
3.6 溶出过程的质量指标
3.6.1 苛性比值
苛性比值是指铝酸钠溶液中Na2Ok与Al2O3的分子比。

3.6.2 氧化铝溶出率
理论溶出率: 理论上矿石中能够溶出的Al2O3量与矿石中Al2O3量之比。
实际溶出率: 实际溶出的Al2O3量与矿石中Al2O3量之比。

3.7 影响溶出过程的因素
3.7.1 溶出温度
溶出温度是影响溶出速度最主要的因素。提高温度, 溶出速度增大, 氧化铝溶出率( ηA) 增大, 溶液中Al2O3的平衡浓度亦增大, 溶出液A/S增高。
但对三水铝石而言, 溶出温度过高( >150℃) , 溶液中的氧化铝会发生晶型转变, 生成一水软铝石进入赤泥中, 降低A/S和实际溶出率。
( 因此, 拜耳法管道溶出采用低温高压溶出技术。)
3.7.2 保温时间
溶出反应进行完全需要一定的时间, 随管道化溶出后溶出液保温时间的延长, 溶出率增大, 溶出液A/S增高。( 拜耳法: 物料在保温罐中保温40分钟以上。)
3.7.3 溶出液中氧化铝浓度
在铝酸钠溶液中, Al2O3浓度增高, SiO2的平衡浓度增高, 而且增高速率大于Al2O3浓度增高速率, 因此过高的Al2O3浓度使溶液的A/S降低。
脱硅反应:

3.7.4 溶出液的影响
溶出液Na2OK浓度较高, 溶出αk较高时, 能保证矿石中氧化铝完全溶出, 溶液的Al2O3浓度高, A/S高。
溶出αk很低时, 不能保证矿石中氧化铝完全溶出, 溶液的Al2O3浓度低, A/S低。
但溶液Na2O浓度过高时, Al2O3溶出率( ηA) 的增幅较小, 且蒸汽消耗较多。
因此溶出液的αk: 1.40—1.50。
3.7.5 搅拌强度
铝土矿溶出时, 增大搅拌强度, 可强化溶出过程, A/S↑。
3.7.6 矿浆细度
铝土矿的溶出过程是液—固两相反应。矿浆细度愈细, 固相比表面积愈大, 溶出速度愈快, 溶出液A/S↑。

4. 结论
从仿真结果能够看出, 经过遗传算法寻优的PID 参数能够使焙烧炉温度、 流量快速稳定准确的跟踪设定值, 上升时间和调节时间短, 超调量比较小, 基本达到控制要求, 对现场PID 参数调节起到了指导作用。

5.参考文献
[1]田保峡.工业PID 控制器及其参数整定方法研究[D].浙江大学
[2]王仕成.基于遗传算法的PID 参数整定及仿真[J].计算机仿真
[3]林洪涛.基于遗传算法的PID 参数整定[J].沈阳工业学院学报
[4]刘金坤.先进PID 控制MATLAB 仿真[M].北京:电子工业出版社,
[5]薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].北京:清华大学出版社