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年產(chǎn)1000噸硫酸鋁車間工藝設(shè)計 ——立式攪拌反應(yīng)釜的工藝設(shè)計 摘 要：硫酸鋁是重要的基礎(chǔ)鋁鹽，已廣泛應(yīng)用于造紙，水處理，染色的媒染劑、凈化脂肪等行業(yè)。本文在綜述了硫酸鋁的性質(zhì)、用途、生產(chǎn)方法、市場供需情況及發(fā)展前景的基礎(chǔ)上，主要介紹了以高嶺土為原料年產(chǎn)1000噸硫酸鋁的車間生產(chǎn)工藝過程中，用以生產(chǎn)硫酸鋁的立式攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計。本設(shè)計根據(jù)反應(yīng)物的特性所選用內(nèi)襯耐酸瓷板反應(yīng)釜。根據(jù)物料衡算和熱量衡算，對反應(yīng)釜工藝尺寸及其附屬設(shè)備的進行了計算，從而能夠在適當(dāng)?shù)牡墓に嚄l件下實現(xiàn)硫酸鋁的生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞：硫酸鋁；高嶺土；立式攪拌反應(yīng)釜 The process design of a plant producing 1000t/a aluminium sulfate monohydrate: The design of reactor with agitation Abstract: Aluminum sulfate is an important basic aluminum salt, which has been widely used in papermaking, water treatment, dyeing mordant, purification fat and other industries. This paper is based on the general description of the nature, purpose, method of production, and market supply ,demand situation and the development prospects of aluminum sulfate. It mainly shows the design of the Vertical stirred tank reactor during the process of workshop, the production of kaolin as raw materials with an annual output of 1,000 tons of aluminum sulfate. This program chooses Lined with acid-resistant porcelain reactor according to the characteristics of the reactants. It according to the material balance and heat balance of the reactor geometries, its ancillary equipment are calculated, allowing the appropriate process conditions to achieve the production of aluminum sulfate. Keywords: aluminum sulfate; Kaolin; reactor with agitator 目錄 摘 要 1 ABSTRACT 1 1. 概述 2 1.1 硫酸鋁的性狀及用途 2 1.1.1 硫酸鋁的性狀 2 1.1.2 硫酸鋁的用途 2 1.2 我國硫酸鋁的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀 3 1.3硫酸鋁工業(yè)發(fā)展前景 4 2. 國內(nèi)硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 4 2.1鋁礬土 4 2.1.1常壓反應(yīng)法 4 2.1.2加壓反應(yīng)法 5 2.2氫氧化鋁硫酸常壓反應(yīng)法生產(chǎn)硫酸鋁 5 2.3鋁灰硫酸生產(chǎn)低鐵硫酸鋁 6 2.4 高嶺土常壓反應(yīng)法 6 2.5 國外硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 7 3. 硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 8 3.1 硫酸鋁的生產(chǎn)工藝的選擇 8 3.2 工藝流程簡述 8 3.2.1原料 8 3.2.2生產(chǎn)工藝過程 8 3.2.3工藝流程方塊圖 9 4. 酸溶反應(yīng)釜 10 5. 物料衡算 11 5.1 設(shè)計生產(chǎn)能力 11 5.2 相關(guān)物質(zhì)量 12 6. 熱量衡算 12 6.1 相關(guān)物料的物性參數(shù) 12 6.2 熱量計算 13 7. 工藝計算 14 7.1 立式攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計 14 7.1.1 確定筒體和封頭形式 14 7.1.2 反應(yīng)釜體積體積的計算 14 7.1.3 確定反應(yīng)釜筒體的直徑與高度 15 7.1.4 封頭設(shè)計 16 7.1.5 反應(yīng)釜厚度計算 16 7.1.6 內(nèi)筒筒體厚度計算 16 7.1.7 夾套筒體厚度計算 17 7.1.8 封頭厚度計算 18 7.2 反應(yīng)釜攪拌器設(shè)計及計算 19 7.2.1 攪拌器設(shè)計 19 7.2.2 攪拌器功率計算 20 7.3 攪拌軸的工藝計算 20 7.3.1 攪拌軸的材質(zhì)及加工要求 20 7.3.2攪拌軸直徑計算 21 參考文獻 22 謝辭 23 XX 大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計 題 目 年產(chǎn) 1000 噸硫酸鋁車間工藝設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè)名稱 化學(xué)工程與工藝 指導(dǎo)教師 20 xx 年 5 月 27 日 目錄 摘 要 1 ABSTRACT 1 1 概述 2 1 1 硫酸鋁的性狀及用途 2 1 1 1 硫酸鋁的性狀 2 1 1 2 硫酸鋁的用途 2 1 2 我國硫酸鋁的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀 3 1 3 硫酸鋁工業(yè)發(fā)展前景 4 2 國內(nèi)硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 4 2 1 鋁礬土 4 2 1 1 常壓反應(yīng)法 4 2 1 2 加壓反應(yīng)法 5 2 2 氫氧化鋁硫酸常壓反應(yīng)法生產(chǎn)硫酸鋁 5 2 3 鋁灰硫酸生產(chǎn)低鐵硫酸鋁 6 2 4 高嶺土常壓反應(yīng)法 6 2 5 國外硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 7 3 硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 8 3 1 硫酸鋁的生產(chǎn)工藝的選擇 8 3 2 工藝流程簡述 8 3 2 1 原料 8 3 2 2 生產(chǎn)工藝過程 8 3 2 3 工藝流程方塊圖 9 4 酸溶反應(yīng)釜 10 5 物料衡算 11 5 1 設(shè)計生產(chǎn)能力 11 5 2 相關(guān)物質(zhì)量 12 6 熱量衡算 12 6 1 相關(guān)物料的物性參數(shù) 12 6 2 熱量計算 13 7 工藝計算 14 7 1 立式攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計 14 7 1 1 確定筒體和封頭形式 14 7 1 2 反應(yīng)釜體積體積的計算 14 7 1 3 確定反應(yīng)釜筒體的直徑與高度 15 7 1 4 封頭設(shè)計 16 7 1 5 反應(yīng)釜厚度計算 16 7 1 6 內(nèi)筒筒體厚度計算 16 7 1 7 夾套筒體厚度計算 17 7 1 8 封頭厚度計算 18 7 2 反應(yīng)釜攪拌器設(shè)計及計算 19 7 2 1 攪拌器設(shè)計 19 7 2 2 攪拌器功率計算 20 7 3 攪拌軸的工藝計算 20 7 3 1 攪拌軸的材質(zhì)及加工要求 20 7 3 2 攪拌軸直徑計算 21 參考 文獻 22 謝辭 23 4 年產(chǎn)1000噸硫酸鋁車間工藝設(shè)計 立式攪拌反應(yīng)釜的工藝設(shè)計 摘 要 硫酸鋁是重要的基礎(chǔ)鋁鹽 已廣泛應(yīng)用于造紙 水處理 染色的媒染劑 凈化脂肪 等行業(yè) 本文在綜述了硫酸鋁的性質(zhì) 用途 生產(chǎn)方法 市場供需情況及發(fā)展前景的基礎(chǔ) 上 主要介紹了以高嶺土為原料年產(chǎn)1000噸硫酸鋁的車間生產(chǎn)工藝過程中 用以生產(chǎn)硫酸 鋁的立式攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計 本設(shè)計根據(jù)反應(yīng)物的特性所選用內(nèi)襯耐酸瓷板反應(yīng)釜 根據(jù) 物料衡算和熱量衡算 對反應(yīng)釜工藝尺寸及其附屬設(shè)備的進行了計算 從而能夠在適當(dāng)?shù)?的工藝條件下實現(xiàn)硫酸鋁的生產(chǎn) 關(guān)鍵詞 硫酸鋁 高嶺土 立式攪拌反應(yīng)釜 The process design of a plant producing 1000t a aluminium sulfate monohydrate The design of reactor with agitation Abstract Aluminum sulfate is an important basic aluminum salt which has been widely used in papermaking water treatment dyeing mordant purification fat and other industries This paper is based on the general description of the nature purpose method of production and market supply demand situation and the development prospects of aluminum sulfate It mainly shows the design of the Vertical stirred tank reactor during the process of workshop the production of kaolin as raw materials with an annual output of 1 000 tons of aluminum sulfate This program chooses Lined with acid resistant porcelain reactor according to the characteristics of the reactants It according to the material balance and heat balance of the reactor geometries its ancillary equipment are calculated allowing the appropriate process conditions to achieve the production of aluminum sulfate 5 Keywords aluminum sulfate Kaolin reactor with agitator 6 1 概述 1 1 硫酸鋁的性狀及用途 1 1 1 硫酸鋁的性狀 硫酸鋁化學(xué)名 Aluminium sulfate Al 2 SO4 3 無色單斜結(jié)晶 在空氣中 長期存放易吸潮結(jié)塊 易溶于水 水溶液顯酸性 難溶于醇 是無機鹽基本品 種之一 應(yīng)用十分廣泛 加熱至 770 度時開始分解為氧化鋁 三氧化鋁 二氧 化鋁 二氧化硫和水蒸氣 水解后生成氫氧化鋁 工業(yè)品為白色或灰白色粉立 狀晶體 主要用于凈水與造紙 1 在造紙工業(yè)中可作紙的填料和處理造紙工業(yè) 廢水 在凈水方面 作為城市用水和廢水處理的絮凝劑 可以除去水中的磷酸 鹽 鋅 鉻等雜質(zhì) 以及除菌 控制水的顏色和氣味 硫酸鋁還可以用來生產(chǎn) 其他鋁鹽 硫酸鋁衍生物 無機高分子絮凝劑及銨明礬 鉀明礬等 1 1 2 硫酸鋁的用途 硫酸鋁的第一大用途是在造紙中 大約占硫酸鋁總產(chǎn)量的 50 它在這里 有四種用途 即施膠 調(diào) pH 值 澄清加工過程中用水及做媒染劑 由于硫酸鋁 施膠為酸性施膠 2 紙張長期貯存易變黃 變脆 故只能用于低檔紙 目前國 外造紙技術(shù)由酸性施膠向中性施膠及堿性施膠轉(zhuǎn)變 而不用或少用硫酸鋁 中 性及堿性施膠劑已開始大量進入市場 國內(nèi)已有少數(shù)城市能生產(chǎn)中性及堿性施 膠劑 因此 盡管國內(nèi)造紙產(chǎn)量有待增加 但未來造紙用硫酸鋁消耗量增加不 會太大 表 1 我國造紙施膠劑的生產(chǎn)經(jīng)歷的幾個階段 時間 漿內(nèi)施膠劑的種類 1979 年之前 松香皂化膠 1975 年 強化樺香皂 1990 年 陰離子乳液松香施膠劑 1992 年 ADK 中性施膠劑 1995 年 中性松香施膠劑 1997 年 陽離子乳液松香施膠劑 7 硫酸鋁的第二大用途是在飲用水 工業(yè)用水和工業(yè)廢水處理中做絮凝劑 大約占硫酸鋁總產(chǎn)量 40 當(dāng)向這類水中加入硫酸鋁后 可以生成膠狀的 能 吸附和沉淀出細菌 膠體和其他懸浮物的氫氧化鋁絮片 用在飲用水處理中可 控制水的顏色和味道 但近年來 隨著聚合氯化鋁 聚合硫酸鋁 聚合硫酸鐵 聚合硅酸硫酸鋁 有機高分子絮凝劑等的不斷出現(xiàn) 占領(lǐng)了凈水劑不少市場 尤其是近年來關(guān)于飲用水中存在鋁離子會損害健康的觀點流行 如人為硫酸鋁 殘留在水中的高濃度殘余可溶性鋁是骨質(zhì)疏松和早老性癡呆的誘發(fā)劑 所以使 其在飲用水中用量受到了限制 硫酸鋁在工業(yè)和市政廢水處理中被用混凝劑 將其加入到水中 反應(yīng)生成 三水合氧化鋁膠狀沉淀 吸收沉降細菌 膠體以及其他懸浮物質(zhì) 隨著水排放 指標(biāo)的日益提高 硫酸鋁在水處理中的用量加大 硫酸鋁在飲用水中用來脫色 去味 在飲用水處理過程中 因為消毒副產(chǎn)品的增加 使得硫酸鋁的加入量增 大 導(dǎo)致硫酸鋁市場需求的上升 硫酸鋁的其他用途包括染色的媒染劑 凈化脂肪和油類 藥物化妝品 滅 火劑 鞣革以及生產(chǎn)各種復(fù)式鋁鹽 在美國硫酸鋁在絕熱材料 絕緣材料方面 正得到越來越廣泛的應(yīng)用 1 2 我國硫酸鋁的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀 世界上自美國 1884 年首先發(fā)明硫酸鋁以來 至今已有一百多年的歷史 在 我國 1949 年前東北遼寧省已有生產(chǎn) 1957 年全國產(chǎn)量已達 1 7 萬 t 通過幾十 年建設(shè) 特別是 七五 期間硫酸鋁工業(yè)迅速發(fā)展 一方面是大型骨干企業(yè)通 過技改 生產(chǎn)水平及規(guī)模有了很大提高 另一方面是許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)異軍突起 上馬迅速 遍地開花 至 八五 末 全國硫酸鋁生產(chǎn)廠家達 190 多家 從業(yè) 人數(shù)達 5 000 多人 在生產(chǎn)規(guī)模上 年產(chǎn)量萬噸以上的企業(yè)已達 29 個 3000t 至 10000t 的企業(yè)達 85 個 全國硫酸鋁生產(chǎn)能力已達 115 萬 t 產(chǎn)量突破 95 萬 t 僅次于美國和日本 而居世界第三位 4 1 3 硫酸鋁工業(yè)發(fā)展前景 5 目前硫酸鋁產(chǎn)品的品種結(jié)構(gòu)尚不能滿足國內(nèi)外市場的需求 特別是高氧化 鋁產(chǎn)品和高效聚合產(chǎn)品 例如 硫酸鋁已大于市場需求 而其他附加值較高 8 市場增長較快的聚合硫酸鋁 聚合硅酸硫酸鋁 無鐵硫酸鋁等產(chǎn)品的產(chǎn)量還有 待于提高 有些尚在實驗階段 尤其值得注意的是聚合硅酸硫酸鋁 PASS 其 化學(xué)式為 Al A OH B SO4 C SiOX D H2O E 它是硫酸鋁的更新?lián)Q代產(chǎn)品 在造紙 工業(yè)中 由于它酸性小 不腐蝕設(shè)備 即可以用于中性或堿性施膠 還可以增 加陽離子淀粉或碳酸鈣的滯留能力 同時提供大量的填充形 Al2O3和 SiO2 提 高紙漿白度和施膠度 在凈水工業(yè)中 特別適合高濁水和低溫 低濁水的處理 和脫色 而且被處理水中殘留鋁量低 此產(chǎn)品美 日在九十年代初開始大批量 進入市場 我國 1994 年開始研制 擁有著廣闊的發(fā)展前景 5 此外 在硫酸鋁 的應(yīng)用方面國外已廣泛將其應(yīng)用于絕熱材料及絕緣材料當(dāng)中 國內(nèi)尚需對其應(yīng) 用進行開發(fā)和研究 2 國內(nèi)硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 2 1 鋁礬土 2 1 1 常壓反應(yīng)法 此法是我國硫酸鋁生產(chǎn)最早的方法 整個工藝過程分為七個工序 即鋁礬 土粉碎 焙燒 常壓反應(yīng) 沉淀 蒸發(fā) 冷卻結(jié)晶 成品粉碎 包裝 常壓反應(yīng)在鋼板制內(nèi)搪鉛 或襯瓷板 的敞口反應(yīng)鍋中進行 主要控制技 術(shù)指標(biāo)有 硫酸濃度 55 60 每鍋次反應(yīng)時間 6 8 小時 反應(yīng)鍋夾層保溫蒸 汽壓 2 3kg cm2 表壓 反應(yīng)完成液鹽基度 6 8 克 立升 2 1 2 加壓反應(yīng)法 6 七十年代初 山東淄博制酸廠首次將此法應(yīng)用于生產(chǎn) 目前 我國絕大多 數(shù)硫酸鋁生產(chǎn)廠都相繼采用此法 此法的特點是 砍掉了焙燒工序 由 生粉 加壓反應(yīng) 取代了原 煅粉常壓反應(yīng) 簡化了反應(yīng)操作 改善了操作環(huán)境 生粉加壓反應(yīng)操作如下 先在反應(yīng)鍋中加入配酸用的二遍洗液 或清水 開動漿式攪拌器 加入計量好的生粉 然后加入濃硫酸 在常壓下反應(yīng)由緩慢 趨向激烈 待鍋內(nèi)溫度回落 2 3 時 密閉反應(yīng)鍋 俗稱封壓 使反應(yīng)在逐 步加壓下進行 反應(yīng) 5 小時左右 排除鍋內(nèi)壓力 用二遍洗液 或清水 沖稀 鍋內(nèi)反應(yīng)物 然后將其放入沉淀槽 加壓反應(yīng)主要控制技術(shù)指標(biāo)有 濃硫酸度 55 60 總反應(yīng)時間 5 6 小時 9 反應(yīng)鍋內(nèi)最大壓力不大于 3 2kg cm2 反應(yīng)完成液鹽基度 2 3 克 立升 流程如下圖 水 硫酸 鋁礦土 礦渣 成品 硫酸鋁 圖 1 加壓反應(yīng)法工藝流程圖 由于我國大部分企業(yè)生產(chǎn)硫酸鋁都采用鋁礬土 導(dǎo)致我國目前鋁礬土原料減 少 原料質(zhì)量普遍下降 硫酸鋁的消耗定額也受到一定影響 2 2 氫氧化鋁硫酸常壓反應(yīng)法生產(chǎn)硫酸鋁 7 該法生產(chǎn)全過程分常壓反應(yīng) 冷卻結(jié)晶 粉碎包裝三個工序 主要控制技 術(shù)指標(biāo) 配酸濃度 56 左右 反應(yīng)時間 3 5 4 小時 反應(yīng)器保溫蒸汽壓 2 5 3kg cm2 表壓 用氫氧化鋁為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品含鐵量 以 Fe2O3計 小于 0 02 外觀色澤較好 由于該法生產(chǎn)工藝簡單 操作工藝指標(biāo)無法嚴(yán)格規(guī)定 所以產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn) 定 另外 所用原料氫氧化鋁價格較高 僅氫氧化鋁一項就占總成本的 37 而用鋁礬土為原料僅占成本的 10 左右 雖然工藝中省掉沉降分離 蒸發(fā)二個 程序 其費用占總成本的 15 左右 但總成本仍然偏高 目前 我國氫氧化鋁供應(yīng)緊張的情況下 與生產(chǎn)鋁氧 金屬氧爭原料來生 產(chǎn)一 二級品硫酸鋁不合理 因此僅少數(shù)廠家采用此法 2 3 鋁灰硫酸生產(chǎn)低鐵硫酸鋁 8 在過去 冶煉廠所產(chǎn)生數(shù)千噸的鋁灰 皆是白白扔掉 這既浪費了資源 又污染了環(huán)境 為了使鋁灰得到充分利用 從而制定了以鋁灰為含鋁原料生產(chǎn) 硫酸鋁工藝路線 給鋁灰找到了出路 同時 也使硫酸鋁的生產(chǎn)成本大大降低 提高了經(jīng)濟效益和社會效益 雖然鋁灰可以大量生產(chǎn)硫酸鋁 但是在工業(yè)應(yīng)用上卻沒有絲毫可觀的利用價 破碎 破碎包裝 濃縮沉降反應(yīng)磨球 結(jié)晶 10 值 2 4 高嶺土常壓反應(yīng)法 14 我國非煤建造型高嶺土 資源儲量居世界第五位 截至 2003 年底 對我國 21 個省市 232 處產(chǎn)地統(tǒng)計 基礎(chǔ)儲量為 5 46 億 t 而我國含煤沉積型高嶺土 資源儲量占世界首位 探明遠景儲量及推算儲量 108 5 億 t 主要分布在東北 西北和石炭二疊紀(jì)煤系中 以煤層中夾矸 頂?shù)装寤騿为毿纬傻V層獨立存在 其中以內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤田的資源最為豐富 達 8 1 億 t 利用高嶺土生產(chǎn)硫酸 鋁 不僅可以產(chǎn)生很好的社會效益和環(huán)境效益 而且也有很好的經(jīng)濟效益 10 高嶺土中含有豐富的氧化鋁 通過酸浸反應(yīng)提取氧化鋁是利用高嶺土生產(chǎn) 鋁鹽產(chǎn)品及其深加工產(chǎn)品的基礎(chǔ)反應(yīng) 反應(yīng)過程較為復(fù)雜 目前開發(fā)利用高嶺 土的首要任務(wù)是揭示反應(yīng)過程的動力學(xué)規(guī)律 從而選擇適宜的操作條件 提高 氧化鋁的浸出率 同時為設(shè)計計算酸浸反應(yīng)器提供動力學(xué)方程 研究高嶺土酸 浸反應(yīng)動力學(xué) 對于高嶺土的開發(fā)利用具有重要理論意義 3 其工藝過程分為高嶺土粉碎 焙燒 制漿 配料 一級反應(yīng) 調(diào)整溶出 二級反應(yīng) 過濾 調(diào)沉 蒸發(fā) 冷卻結(jié)晶 粉碎包裝十個工序 用高嶺土制取硫酸鋁成本低廉但生產(chǎn)方法相對較復(fù)雜 這是由于礦物中的 鋁一般不能被酸直接溶出 必須經(jīng)一系列加工處理之后 才能使鋁溶出 制備 過程中會產(chǎn)生大量的酸浸廢渣 若加以利用 可作為高活性的高硅材料 也可 作為優(yōu)良的涂料及板材制品填料 若進一步用偶聯(lián)劑處理以提高其吸油值 還 可以作為塑料和橡膠的填料 從而實現(xiàn)了綜合利用和無廢渣排放 因此 高嶺 土是一種廉價且附加值較高的硫酸鋁的原料 2 5 國外硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 11 國外硫酸鋁生產(chǎn)方法 主要是硫酸分解鋁礬土和硫酸分解氫氧化鋁的方法 但目前由于鋁礬土礦的不足 各國都對采用低品位含鋁原料進行了實驗研究 如美國 法國 德國 加拿大 墨西哥都以含有鋁的頁巖 粘土 低品位明礬 石 高嶺土等為原料研制硫酸鋁的工作 如日本利用硅酸礬土類原料制得 Fe2O3 Al2O3 0 0002的高純度產(chǎn)品 工藝方面 美國 日本 西德 蘇聯(lián)等國都 有采用管式反應(yīng)器連續(xù)化工藝的資料報道 據(jù)介紹此法優(yōu)點 連續(xù)加料 出料 11 反應(yīng)時間短 生產(chǎn)效率高 如西德采用管式反應(yīng)器 改進了以往的間歇生產(chǎn) 使生產(chǎn)連續(xù)化 反應(yīng)物在管內(nèi)只停留一小時左右 美國介紹的管式反應(yīng)器 液 料在管中停留時間最短大約4分鐘 奧地利采用連續(xù)化法生產(chǎn)硫酸鋁整個過程中 至用1人操作 3 硫酸鋁的生產(chǎn)工藝 3 1 硫酸鋁的生產(chǎn)工藝的選擇 通過各種原料的優(yōu)缺點對比 1 由于我國大部分企業(yè)生產(chǎn)硫酸鋁都采 用鋁礬土 長年生產(chǎn) 導(dǎo)致我國目前鋁礬土原料減少 原料質(zhì)量普遍下降 生 產(chǎn)得到的硫酸鋁質(zhì)量也受到了相當(dāng)影響 能量的消耗也受到較大的影響 因此 采取其方面生產(chǎn)硫酸鋁逐漸減少 2 由于用氫氧化鈉該法生產(chǎn)工藝簡單 操作工藝指標(biāo)無法嚴(yán)格規(guī)定 所以產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定 另外 所用原料氫氧化鋁 價格較高 因此僅少數(shù)廠家采用此法 3 鋁灰可以大量生產(chǎn)硫酸鋁 但在 工業(yè)應(yīng)用上卻沒有絲毫可觀的利用價值 4 混合固結(jié)法生產(chǎn)粗制硫酸鋁在 國內(nèi)已基本被淘汰 5 毛礬石礦含鐵量高 所以 在本設(shè)計中才用高嶺土為原料來生產(chǎn)硫酸鋁 3 2 工藝流程簡述 3 2 1 原料 13 中文名稱 高嶺土 中文別名 閣土粉 瓷土 白土 分子式 Al 203 2Si02 2H20 理論化學(xué)成分 AL 2O3 39 5 SiO2 46 54 H2O 13 96 分子量 258 密度 2 6g cm 2 3 2 2 生產(chǎn)工藝過程 1 高嶺土煅燒 高嶺土煅燒過程的反應(yīng)方程式 Al2O3 2SiO2 2H2O Al 2O3 2SiO2 2H2O 12 煅燒過程的目的是為了活化 通過煅燒使高嶺土的氧鋁八面體中的 OH 脫去 使鋁的配位數(shù)由 6 變成 5 或者 4 同時使得原有有序結(jié)構(gòu)的高嶺土變成無序結(jié) 構(gòu)的高嶺土 獲得活性 從熱力學(xué)角度來說 溫度是決定反應(yīng)能否進行的關(guān)鍵 因數(shù) 所以活化的關(guān)鍵是控制煅燒溫度 溫度過高會使高嶺土石化 使其活性 大大降低甚至消失 溫度過低 不能脫水或脫水太少 從而高嶺土沒有活性或 者活性太低 達不到目的 2 加酸分解 高嶺土加酸分解過程的反應(yīng)方程式 Al2O3 2SiO2 2H2O 3H2SO4 13H2O Al 2 SO4 3 18H2O 2SiO2 分解反應(yīng)是關(guān)鍵點 為使反應(yīng)加快 分解徹底 必須加入過量的硫酸來反 應(yīng) 鋁的溶出率是其反應(yīng)是否完全的主要標(biāo)志 也是提高產(chǎn)品質(zhì)量 降低生產(chǎn) 成本的關(guān)鍵 3 過濾 將硫酸鋁溶液于其他固體雜質(zhì)分離 4 濃縮結(jié)晶 硫酸鋁經(jīng)過濃縮蒸發(fā)掉多余水分 從而結(jié)晶得到相應(yīng)的結(jié)晶水硫酸鋁最終 產(chǎn)品 3 2 3 工藝流程方塊圖 高領(lǐng)土先經(jīng)過破碎 研磨 過篩等一系列預(yù)處理過程 然后通過煅燒 酸 容 過濾的過程 除去原料中的雜質(zhì) 將得到的容易通過濃縮 結(jié)晶 破碎 得到硫酸鋁產(chǎn)品 流程圖如下圖 高嶺土 固 酸溶固體 破碎 產(chǎn)品 固 預(yù)處理 濃縮過濾酸溶煅燒 結(jié)晶 13 圖 2 硫酸鋁工藝流程方塊圖 在此設(shè)計中 本人主要負責(zé)酸溶工段的工藝設(shè)計 4 酸溶反應(yīng)釜 對反應(yīng)釜來說 基本物料為液相 加入物料為固相 要保證固液物料充分均勻 混合 攪拌形式必須滿足傳質(zhì)要求 攪拌器要具有合適的剪切 循環(huán)比 因攪拌 器的混合性能與槳葉的排出性能 剪切性能有關(guān) 排出性能高可以造成液體的快 速循環(huán)流動 而剪切性能高又能造成液體強烈的湍流擴散 這些都是混合過程所 需要的 攪拌器反應(yīng)罐就具有合適的剪切 循環(huán)比特性好 能滿足過程攪拌的需 要 因此采用攪拌式反應(yīng)釜 圖 3 反應(yīng)釜基本構(gòu)造 14 基本原理 Al 2O3 2SiO2 2H2O 3H2SO4 13H2O Al 2 SO4 3 18H2O 2SiO2 由于釜內(nèi)介質(zhì)的強腐蝕性 要求對釜體及釜蓋內(nèi)表面進行搪鉛處理 鉛層厚 6 8 并襯耐酸瓷板二層 考慮到搪鉛工藝的實施和搪鉛時的鉛中毒 釜體和 釜蓋須采用法蘭連接 此外 還考慮到釜內(nèi)介質(zhì)的反應(yīng)速度難以控制以及介質(zhì) 的強腐蝕性 設(shè)備不宜采用安全閥作超壓泄放裝置 故設(shè)置了一泄放口徑為 200mm 的爆破片 厚 3mm 的鉛制平板型爆破片內(nèi)襯厚 2mm 的耐酸橡膠板 作為 設(shè)備的超壓泄放裝置 5 物料衡算 5 1 設(shè)計生產(chǎn)能力 年產(chǎn)硫酸鋁 1000噸 年生產(chǎn)日 300天 日產(chǎn)硫酸錳 1000 1000 300 3333 3kg 采用3班間歇式生產(chǎn) 3333 3 3 1111 1kg 次 鋁浸出率95 過濾收率98 干燥收率80 結(jié)晶率95 mH2SO4 1439 9kg m高嶺土 1248 1kg mH2O 1125 6kg 5 2 相關(guān)物質(zhì)量 nAl2 SO4 3 m Al2 SO4 3 M Al2 SO4 3 1491 82 1000 342 4362 05mol nH2SO4 mH2SO4 MH2SO4 1439 9 1000 98 14693 31 mol nH20 mH20 MH20 1125 6 1000 18 62533 33 mol nAl2O3 mAl2O3 MAl2O3 468 33 1000 102 4591 47 mol 15 6 熱量衡算 6 1 相關(guān)物料的物性參數(shù) 8 fHmH2SO4 l 813 99 kJ mol 1 fHmH2O l 285 83 kJ mol 1 fHmAl2O3 s 1675 7 kJ mol 1 fHmAl2 SO4 3 l 268 99 kJ mol 1 1 18 9pCSJolK 275 m1 3 04pAlOJl Cp m Al2 SO4 3 l 259 92 kJ mol 1 K 1 6 2 熱量計算 nCp m T 62533 33 75 29 4591 47 79 04 1439 9 131Q ni 8 91 259 92 4362 05 60 J 384290685 J 3 84 108J 3 84 105kJ 反應(yīng)放熱 Q2 n fHmAl2 SO4 3 l 3 fHmH2O l 3 fHmH2SO4 l fHmAl2O3 s 4362 05 268 99 3 285 83 3 813 99 1675 7 15394398 55 J 1 54 104kJ 需要補充熱量 Q Q1 Q2 3 84 105 1 54 104 3 686 105 kJ 16 水的汽化熱10C MPa257 rkJg 4 PmC mH2O Q Cp m T r 3 686 10 5 4 2 20 2257 157 45kg 由于此反應(yīng)有氣體放出故反應(yīng)釜有排氣孔會有一部分蒸汽損失根據(jù)經(jīng)驗的 效率 70 共需蒸汽m H2O 157 45 70 224 93 kg 通入水蒸汽m H2O 224 93 6 37 49 kg h 1 7 工藝計算 7 1 立式攪拌反應(yīng)釜的設(shè)計 7 1 1 確定筒體和封頭形式 從上工作壓力及反應(yīng)溫度以及該設(shè)備之工藝過程性質(zhì) 可以看出它是屬于 帶攪拌的反應(yīng)釜類型 根據(jù)慣例 選擇圓柱形筒體和橢圓形封頭 7 1 2 反應(yīng)釜體積體積的計算 高嶺土 2 6g c m32 31 0 0 HOgckg 243814S V高嶺土 m高嶺土 高嶺土 1 2481 2 6 0 48m3 VH2O mH2O H2O 1 1256 1 0 1 1256 1 13 m 3 VH2SO4 m H2SO4 H2SO4 1 4399 1 84 0 78255 m3 0 78 m 3 VR V高嶺土 VH2SO4 VH2O 0 48 0 78 1 1 13 2 39 m3 決定反應(yīng)器的罐體體積應(yīng)考慮裝料系數(shù) 通常裝料系數(shù)可取 0 4 0 85 具體可按下列情況確定 不帶攪拌或攪拌緩慢的反應(yīng)釜 0 8 0 85 17 帶攪拌的反應(yīng)釜 0 6 0 8 易起泡沫和在沸騰下操作的設(shè)備 0 4 0 6 在實際工程中 要根據(jù)物料的性質(zhì) 反應(yīng)時的狀態(tài)和生成物的特點 合理的 選取裝料系數(shù) 以盡量提高罐體的利用率 V VR 2 39 0 63 3 79 m3 4 m3 裝料系數(shù) 帶攪拌的反應(yīng)釜 取0 6 0 8 在此 取0 63 7 1 3 確定反應(yīng)釜筒體的直徑與高度 在已知反應(yīng)攪拌器的操作容積后 首先要選擇罐體適宜的長徑比 H D i 以確定罐體直徑和高度 選擇罐體長徑比主要考慮以下兩方面因素 1 長徑比對攪拌功率的影響 在轉(zhuǎn)速不變的情況下 PD 5 其中D 攪拌 器直徑 P 攪拌功率 P隨釜體直徑的增大 而增加很多 減小長徑比只能 無謂地損耗一些攪拌功率 因此一般情況下 長經(jīng)比應(yīng)選擇大一些 2 長徑比對傳熱的影響 當(dāng)容積一定時 H Di越高 越有利于傳熱 表2 長徑比的確定通常采用經(jīng)驗值 種類 罐體物料類型 H Di 一般攪拌罐 液 固或液 液相物料 1 1 3 氣 液相物料 1 2 發(fā) 酵 罐 類 1 7 2 5 本工藝選用為液固物系反應(yīng)故 H Di選定為1 1 在確定了長徑比和裝料系數(shù)之后 忽略罐底容積 此時 231 4i iVDH 解得 Di 1 67m 1670mm 在設(shè)計時選用標(biāo)準(zhǔn)筒體尺寸 DN 1 6 m 1600 mm 當(dāng) DN 1600 mm 由 化工設(shè)備機械基礎(chǔ) 表 13 5 查得標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的 容積 Vh 0 5215m3 從表 13 3 查得筒體每一米的容積 V1 1 945m3 18 筒體高度 Hi V Vh V1 4 0 5215 1 945 1 78 m 1780 mm 圓整筒體高度 Hi 1780 mm 于是 H Di 1780 1670 1 1 7 1 4 封頭設(shè)計 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) JB T4746 2002 已將碳素鋼低合金鋼高合金鋼焊制的 用于壓 力容器的 有沖壓旋壓及卷制成形的封頭名稱斷面形狀類型代號及型式參數(shù)關(guān) 系做出了規(guī)定 由于封頭獲得了廣泛應(yīng)用根據(jù) 化工設(shè)備機械基礎(chǔ) 表13 5封 頭的名稱及型式參數(shù)表得 DN 1600mm 時封頭總深度 H 395mm 又公式 得 2 DNHh h 20mm 圖 4 反應(yīng)釜封頭基本構(gòu)造 7 1 5 反應(yīng)釜厚度計算 反應(yīng)釜在壓力狀態(tài)下操作由于此反應(yīng)釜帶夾套則筒體及上下封頭均按內(nèi)壓 容器設(shè)計操作時釜內(nèi)最大壓力做為工作壓力 7 1 6 內(nèi)筒筒體厚度計算 承受 0 2MPa 內(nèi)壓時筒體厚度22Cm 為 腐 蝕 余 量 在 此 取 C 設(shè)計厚度 d pDi 2 t p C2 0 2 1670 2 113 0 6 0 2 2 4 47 mm 19 查 化工設(shè)備機械基礎(chǔ) 表 13 6 取鋼板負偏差 10 8Cm 名義厚度 n d C1 4 47 0 8 5 27 mm 圓整后取名義厚度 6nm 設(shè)計溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力 MPa Q235 B 的 為 113MPa t t 焊接接頭系數(shù) 圓筒除了采用無縫鋼管外 一般均由鋼板卷焊而成 焊縫內(nèi)可能由于有氣孔 夾渣等影響 造成焊縫本身比圓筒鋼板本體的強度為 弱 所以要將鋼材的許用應(yīng)力適當(dāng)降低變?yōu)?1 一般情況下視全部無 t 損探傷 所以取 0 6 7 1 7 夾套筒體厚度計算 夾套公稱直徑的計算 12 夾套和筒體連接常焊接成封閉結(jié)構(gòu) 夾套的結(jié)構(gòu)尺寸常根據(jù)安裝和工藝兩方面 的要求而定 夾套的直徑 可根據(jù)筒體內(nèi)徑 按表 4 3 選取 2D1D 100 1670 100 1770mm2D1 表 3 夾套直徑 mm21 D 500 600 700 1800 2000 3000 501 100 2001D 夾套下封頭形式同筒體封頭 其直徑 D 與夾套筒體直徑相同 2 因為本反應(yīng)需通入 100 水蒸氣加熱 查得 100 水蒸汽飽和蒸汽壓為 0 101325 aMp 20 計算公式 2 pD2 2 t p 0 101325 1770 2 113 0 6 0 101325 1 32 mm 當(dāng) DN 1600mm 時 由 化工設(shè)備機械基礎(chǔ) 表 13 5 查得標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 的容積 V 0 5215m3 從表 13 3 查得筒體每一米的容積 V 1 945m3 k 1 應(yīng)合理選用裝料系數(shù) 的值 盡量提高設(shè)備利用率 通常 0 6 0 85 此處選則 0 63 夾套高度 H V Vh V 0 63 4 0 5215 1 945 1 03m 1030mm21 夾套所包圍筒體的表面積 S 筒 S 封 S 筒 H S1m 1 03 5 715 5 887 2 S 封 封頭表面積 查表得 3 678 S1m 1m 高內(nèi)表面積 查表得 5 715 S 筒 S 封 5 887 3 678 9 565 7 1 8 封頭厚度計算 承受 0 2MPa 內(nèi)壓時封頭厚度22Cm 為 腐 蝕 余 量 在 此 取 C 設(shè)計厚度 d pDi 2 t 0 5p C2 0 2 1670 2 113 0 6 0 5 0 2 2 4 46 mm 查 化工設(shè)備機械基礎(chǔ) 表 13 6 取鋼板負偏差 10 8Cm 名義厚度 n d C1 4 46 0 8 5 26 mm 圓整后取名義厚度 6nm 設(shè)計溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力 MPa Q235 B 的 為 113MPa t t 焊接接頭系數(shù) 封頭除了采用無縫鋼管外 一般均由鋼板卷焊而成 焊縫內(nèi)可能由于有氣孔 夾渣等影響 造成焊縫本身比圓筒鋼板本體的強度為 弱 所以要將鋼材的許用應(yīng)力適當(dāng)降低變?yōu)?1 一般情況下視全部無 t 損探傷 所以取 0 6 21 反應(yīng)釜采用 Q235 B 內(nèi)襯聚氯乙烯 PVC 涂層 7 2 反應(yīng)釜攪拌器設(shè)計及計算 7 2 1 攪拌器設(shè)計 1 材料 主要有扁鋼 合金鋼 有色金屬 或鋼外包橡膠或環(huán)氧樹脂 酚醛玻璃布等本反應(yīng)在酸性條件下進行故采用外包聚氯乙烯 PVC 攪拌器 2 形式 平直 葉面與旋轉(zhuǎn)方向垂直 3 尺寸 拌器直徑 DJ 1 3 2 3 D 在此系數(shù)取0 5 槳葉寬度 D 0 1 0 25 DJ在此系數(shù)取0 15 加強筋的厚度常與漿葉厚度相同 DJ 0 5Di 0 5 1670 835 mm h 0 5 DJ 0 5 835 417 5 mm b 0 15 DJ 0 15 835 125 25 mm 攪拌器直徑 J 攪拌器葉輪距釜底高度 h 葉輪寬度b 通過比較攪拌器選用開啟渦輪式攪拌器 直葉 3Z 此處 取 為槳葉數(shù) 22 DdJ60bo 圖5 反應(yīng)釜攪拌器結(jié)構(gòu) 4 固定方式 當(dāng)d50mm時 除用螺栓對夾外再用穿軸螺栓或圓柱銷固定在軸上 7 2 2 攪拌器功率計算 根據(jù)實驗測得反應(yīng)釜中礦漿黏度 0 49mPas 反應(yīng)物料平均密度 m m VR 1248 1 1439 9 1125 6 2 39 1595 65kg m3 雷諾數(shù) Re DJ2n um 0 8352 1 5 1595 65 0 49 3405 7 查功率數(shù) 與雷諾數(shù) 的關(guān)系圖得 KN 1 3NKe 攪拌器功率 N KN n3DJ5 1 3 1595 65 1 53 0 8355 2841 76W 2842kW 7 3 攪拌軸的工藝計算 7 3 1 攪拌軸的材質(zhì)及加工要求 攪拌軸工作時 主要受扭轉(zhuǎn) 彎曲和沖擊作用 故軸的材質(zhì)應(yīng)有足夠的強 度 剛度和韌性 此外 為了便于加工制造 還要有優(yōu)良的切削加工性能 所 以常采用45 鋼 對于要求較低的攪拌軸 也可用 235 A 或35 鋼 由于本 反應(yīng)中有大量硫酸存在故攪拌軸下端采用聚氯乙烯 PVC 外包 23 7 3 2 攪拌軸直徑計算 攪拌扭矩 T s 436 5mm 空心軸內(nèi)外徑比 0 2K 許用扭轉(zhuǎn)角 35 m 軸的剪切彈性模量 鋼 81GMPa 查化工手冊 得攪拌軸直徑 4 444 36 515 315 315 79 80 081s sa aTTd mGKG 表 4 反應(yīng)釜的主要技術(shù)特性 序號 名稱 指標(biāo) 1 工作壓力 MPa 0 2 2 工作溫度 115 3 物料名稱 稀硫酸 高嶺土 4 全容積 M3 4 5 攪拌速度 r min 85 6 平均攪拌功率 W 2841 76 24 參考文獻 1 楊炳軒 鋁鹽及其衍生產(chǎn)品的應(yīng)用探討 J 無機鹽工業(yè) 1984 04 2 吳鐵輪 我國高嶺土開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景預(yù)測 J 非金礦 1994 17 02 3 樂志強 硫酸鋁的開發(fā) J 無機鹽工業(yè) 1992 05 4 陳中元 貴州化工 M 貴州化工雜志出版社 2006 02 5 山東淄博制酸廠全國硫酸鋁情報協(xié)作組 M 無機鹽工業(yè) 1983 02 6 方正東 汪敦佳 鋁土礦加壓法生產(chǎn)硫酸鋁的工藝研究 J 礦物學(xué)報 2004 03 7 周連江 樂志強 無機鹽工業(yè)手冊下冊第二版 M 北京化學(xué)工業(yè) 1996 92 8 天津化工研究院 無機鹽工業(yè)手冊 M 北京化學(xué)工業(yè)社 1987 2142220 9 劉春明 王雪楓 胡慧玲等 毛礬石生產(chǎn)硫酸鋁工藝研究 D 無機鹽工 業(yè) 2002 05 10 趙振民 張文棟 李永生 采用加壓工藝用煤矸石生產(chǎn)硫酸鋁 J 煤炭加工與綜合 利用 1999 01 11 天津化工研究所編 無機鹽工業(yè)手冊 M 1981 化學(xué)工業(yè)出版社 12 闕煊蘭 徐星佩 煤炭資源開發(fā)與利用 科技與信息 J 1997 第 5 期 13 秦定慧 中國非金屬礦工業(yè)手冊 M 冶金工業(yè)出版社 1992 14 夏清 陳常貴 化工原理 M 天津大學(xué)出版社 2005 25 謝辭 本次畢業(yè)設(shè)計是在陳虎魁教授的悉心指導(dǎo)下完成的 在本次的設(shè)計期間 陳老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度 求實的工作作風(fēng) 循循善誘的教導(dǎo)給予我無盡的啟迪 盡管本次設(shè)計的時間緊張而匆忙 但是陳老師在設(shè)計中的給我的具體指導(dǎo)對我 科研技能及業(yè)務(wù)能力的提高有著深遠的影響 在此 我向陳老師表示衷心的感 謝 最后 在設(shè)計即將完成之際 對所有曾經(jīng)在工作和學(xué)習(xí)過程中幫助過我的 老師及同學(xué)表示最真誠的感謝