年产15万吨氧化铝初步工艺设计

2021-05-30＊

当代化工研究 2021年9期

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（百色学院广西 533000）

氧化铝（Al2O3）是在高温下可电离的离子晶体，其作为工业上的一种重要的加工材料，常用于制造耐火材料，在石油化工行业、化肥工业中常用作催化剂或催化剂载体，并已在电子工业、石油化工行业、精密陶瓷、环境维护及医药等高新技术行业范畴取得了普遍应用[1-2]。

随着氧化铝生产规模的不断扩大，铝土矿资源和能源消耗也在不断增加，生产过程中带来的环境污染日益加剧，再加上矿的产能利用率低，铝土矿资源储量保障程度有限，不同地区的铝土矿矿石平均品位差距比较大，要做到合理利用资源，保护环境，低能耗、低成本生产，还需要不断地进行探索和研究[3]。

1.前言

本项目为氧化铝生产项目，利用广西壮族自治区百色市平果县的铝土矿、石灰石矿为生产氧化铝产品的生产原料，考虑到产品的生产需求和市场供应情况、原料供应以及现有的工艺生产技术，根据我国铝土矿特点，在最初投料建设的六大氧化铝厂中，除广西地区因矿石品位高而采纳拜耳法生产工艺外，其余五个氧化铝厂均采取烧结法和拜耳—烧结联合法进行生产，此次设计选取拜耳法生产工艺生产氧化铝产品[4-5]，设计生产项目规模为年产15万吨。

广西是我国铝土矿资源的主要产区和重要的铝工业生产基地，本项目的厂址选择在广西壮族自治区百色市平果县西郊，当地具有丰富的铝土矿和石灰石矿，水、电资源丰富，交通便利，贫瘠土地和荒地多，地质较为简单，地形局部起伏较小，且地处亚热带地区，夏季炎热，降雨量充足[6-7]。综合以上分析可见，在平果市西郊建厂具备了诸多的优质条件，满足本次设计的硬件要求。

2.工艺流程设计

目前世界工业上制备氧化铝主要方法有碱法、酸法、酸碱联合法和热法这四大类型[8]。工业生产上普遍采纳碱法生产，碱法生产氧化铝又分成拜耳法、碱石灰烧结法和拜耳—烧结联合法等多种工艺生产流程，有90%以上是采取拜耳法工艺流程进行氧化铝的生产[9-10]。综合上述因素来考虑，拜耳法工艺流程简单、能耗低、成本低，可以得到优质的氧化铝产品，品质纯度高，适用于高硅铝比类型的铝土矿（A/S＞8）生产氧化铝。

(1)Aspen Plus模拟工艺

本设计选用的铝土矿A/S大于8，Al2O3含量大于50%，矿石平均品位较高，所以采用拜尔法工艺流程来生产较为合适的。

图1 氧化铝工艺流程全装置Aspen Plus模拟图

(2)换热网络优化

通过使用相关软件对流程各流股能量进行深入分析后，利用Aspen Energy Analyzer软件的夹点技术对流股进行换热网络的设计与优化，得出优化后的多种换热网—热量集成方案，即达到减小公用工程的用量、减低生产成本、提高工艺体系的能量集成回收的目的，本次优化选取花费最小的换热网络方案进行简要的分析。

图2 换热网络设计

(3)换热器设计

通过Aspen Plus模拟得出结果，导入换热器设计软件Aspen Exchanger Design and Rating可以得出换热器的设计选型与计算结果。

通过EDR的校核可得到以下数据：

面积余量：设计的换热器面积余量为24.12%。

压降：壳侧压降为0.20804bar，管侧压降为0.22bar，均小于允许压降。

流速：换热管壳侧出口流速为43.27m/s，管侧入口流速为0.68m/s。

传热系数：换热器总传热系数为14287.4W/（m2·K）。

热阻分布：由图3下方的热阻分布图可以直观的看到壳侧，壳侧污垢，管壁，管壁污垢以及管侧热阻占总热阻的比例关系，可以看到壳侧和管侧热阻相差不大，基本均衡。

图3 换热器设计参数与校核结果

设计的换热器型号为BEM900-2.5/1.6-590-5.6/19-1I，具体结构参数为：公称直径900mm；管子为Φ19×2mm的碳钢管，长度为6m，管间距为25mm，管子数为951，管程数为4，管子排列方式为45°；折流板为圆缺率30%的单弓形折流板，间距为590mm。

3.市场分析

铝工业是百色的经济支柱产业之一，随着科学生产技术的发展，氧化铝生产过程中出现的环境污染和能源消耗问题也引起了社会的重视，当代氧化铝厂现在面临着优质铝矿资源日益减少、世界能源危机日益加剧、清洁生产和环境保护的法规法律日趋完善而要求越来越高的挑战。本次设计对物料的回收、物流间的换热以及多效蒸发进行了优化，着力解决高能耗、高成本问题的同时，实现了节能减排的目的，也大幅度提高了铝土矿、石灰、苛性钠的利用率，使得碱液循环利用[11-13]，从而节约了氧化铝生产过程的成本投资，极大程度上减少了能量的损耗及对环境的污染。