六水氯化铝脱水制备无水氯化铝的设想.pdf
2 0 1 3 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p /[ y s y l .b g r i m m .o n 3 1 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 0 0 7 7 5 4 5 .2 0 1 3 .0 9 .0 0 9 六水氯化铝脱水制备无水氯化铝的设想 马家玉1 ’2 ’姜跃华1 ’3 ,杨小平1 1 .贵阳铝镁设计研究院有限公司,贵阳5 5 0 0 8 1 ;2 .中南大学冶金科学与工程学院,长沙4 1 0 0 8 3 ; 3 .国家铝镁电解装备工程技术研究中心,贵阳5 5 0 0 8 1 摘要在“粉煤灰一无水氯化铝~电解铝”的新工艺路线中,六水氯化铝脱水制备无水氯化铝是关键。评 述了六水氯化铝制备无水氯化铝的方法,并在参考六水氯化镁脱水工艺的基础上,设计了六水氯化铝的 脱水方案。 关键词六水氯化铝;脱水;无水氯化铝;粉煤灰;设想 中图分类号T F 8 2 1 ;T Q l 2 4 .4文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 9 0 0 3 1 0 5 H y p o t h e s i st oP r e p a r eA n h y d r o u sA l u m i n i u mC h l o r i d ev i a D e h y d r a t i o no fA l u m i n i u mC h l o r i d eH e x a h y d r a t e M AJ i a y u l ’2 “,J I A N GY u e h u a l “,Y A N GX i a o p i n 9 1 1 .G u i y a n gA l u m i n i u m M a g n e s i u mD e s i g n R e s e a r c hI n s t i t u t eC o .,L t d .,G u i y a n g5 5 0 0 8 1 ,C h i n a 2 .S c h o o lo fM e t a l l u r g i c a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ,C h i n a 3 .N a t i o n a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t r ef o rA l u m i n i u m &M a g n e s i u m E l e c t r o l y s i sF a c i l i t i e s ,G u i y a n g5 5 0 0 8 1 ,C h i n a A b s t r a c t D e h y d r a t i o no fa l u m i n u mc h l o r i d eh e x a h y d r a t ew a st h ek e yt op r e p a r ea n h y d r o u sa l u m i n u mc h l o r i d eb yan e wp r o c e s so f “f l y a s h ,a n h y d r o u sa l u m i n i u mc h l o r i d e ,a n de l e c t r o l y t i ca l u m i n u m ”.T h em e t h o d s f o rd e h y d r a t i o no fa l u m i n i u mc h l o r i d eh e x a h y d r a t ew e r er e v i e w e d .T h ed e h y d r a t i o nt e c h n o l o g yo fa l u m i n i u mc h l o r i d eh e x a h y d r a t ew a sd e v e l o p e db a s e do nd e h y d r a t i o np r o c e s so fm a g n e s i u mc h l o r i d eh e x a h y d r a t e . K e yw o r d s a l u m i n i u mc h l o r i d eh e x a h y d r a t e ;d e h y d r a t i o n ;a n h y d r o u sa l u m i n i u mc h l o r i d e ;f l y a s h ;h y p o t h e S i S 无水氯化铝是一种重要的无机化工原料[ 1 巧] ,也 有望通过直接电解的方法生产金属铝,在节能减排、 减少温室气体排放方面具有巨大潜力[ 6 ] 。 粉煤灰是煤炭燃烧后的固体废弃物,其主要化 学成分是A 1 2 0 3 、S i 0 2 、F e 2 0 3 、T i 0 2 、C a 0 、M g O 和 其它多种微量元素。其中A 1 0 3 S i O C a O F e 。O 。一般占9 0 % 质量分数,下同 以上,A 1 0 。可 达1 5 %~4 0 %,特别是A l 。o 。大于3 0 %的高铝粉煤 灰是制备氧化铝的良好资源口] 。目前利用高铝粉煤 收稿日期2 0 1 3 0 3 2 1 基金项目国家国际科技合作专项项目 2 0 1 3 D F B 7 0 2 2 0 作者简介马家玉 1 9 8 2 一 ,男,河南信阳人,工程师,博士 灰制备氧化铝技术还处在实验室研究及工业化试验 阶段[ 8 。1 ⋯。主要工艺分为酸法、碱法及酸碱联合法 等,但各种方法均具有局限性。如酸法工艺存在设 备腐蚀、溶出率低、生产出的氧化铝质量指标不满足 电解铝的要求[ 9 1 ;碱法工艺流程复杂、能耗高、残渣 量太大、残渣综合利用难、综合效益差等[ 10 | 。 针对上述情况,我们提出了一种全新的研究思 路即用粉煤灰制取无水氯化铝,然后用无水氯化铝 直接电解生产金属铝。完整的工艺流程分为3 部 万方数据 3 2 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 1 3 年第9 期 分粉煤灰经盐酸浸出、除杂、浓缩结晶后得到六水 氯化铝 即结晶氯化铝 ,六水氯化铝脱水制备无水 氯化铝及无水氯化铝电解生产金属铝。其中粉煤灰 湿法制备六水氯化铝已有研究及工业化应用示范报 道[ 1 嵋;无水氯化铝电解法生产金属铝早在2 0 世纪 7 0 年代美国铝业公司就曾做过大量研究,并投产了 1 .5 万t /a 无水氯化铝的生产线,实际运行了4 年[ 12 | 。该工艺成败的关键是六水氯化铝脱水制备 无水氯化铝技术,而当前关于六水氯化铝脱水制备 无水氯化铝的研究报道还较少。 1六水氯化铝脱水方法 1 .1 氯气、氯化氢等保护气氛下脱水 六水氯化铝 A l C l 。6 H O 直接加热脱水的反 应为 A 1 C 1 。6 H 2 0 A 1 C 1 。 6 H 2 0 1 同时,A 1 C I 。6 H 。O 在高温条件下会发生水解 反应 2 A 1 C 1 3 6 H 2 0 一A 1 2 0 。 6 H C l 9 H 2 0 2 对反应 1 与 2 进行热力学计算,结果见表1 。 由表1 的吉布斯自由能可知,反应 2 在3 0 0 ℃即可 发生,而反应 1 要在6 0 0 ℃才可发生。即在加热过 程中,最先发生水解反应,温度越高,水解反应越容 易发生。因此,直接热解A I C l 。6 H 。O 只能得到 A l O 。,而得不到无水氯化铝。 表1 反应 1 和 2 的热力学参数 T a b l e1 T h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sf o rr e a c t i o n s 1 a n d 2 1 、/℃ △H / k J t o o l 一1 △S / J K 一1 t o o l 一1 △G / k J m o l 一1 反应1反应2反应1反应2 反应1反应2 2 6 6 .7 5 2 4 0 5 .6 8 3 4 7 1 .4 7 4 5 5 0 .7 1 8 6 2 0 .2 1 0 6 8 0 .3 1 8 7 3 3 .0 8 2 7 7 9 .9 4 1 8 2 1 .9 4 9 8 5 9 .9 0 0 8 9 4 .4 1 0 12 4 2 .2 5 3 13 2 8 .3 7 3 14 1 5 .5 3 9 15 2 5 .5 7 7 16 2 2 .4 5 5 17 0 6 .2 9 7 17 8 0 .0 9 6 18 4 5 .7 2 8 l9 0 4 .6 0 5 19 5 7 .8 0 0 20 0 6 .1 4 5 为抑制水解反应的发生,有文献u 胡提出,A 1 C I 。 6 H 。O 在氯化氢气氛下脱水制备无水氯化铝。由 表1 的数据可知,当温度为6 0 0 ℃时,脱水和水解反 应同时进行,水解反应趋势远大于脱水反应。在氯 化氢气氛下,相当于增加反应气相中氯化氢的分压, 起到抑制水解反应的作用。查无水氯化铝的性质得 知,其熔点为1 9 0 ℃ o .2 5M P a 下 ,在1 7 8 ℃会发 生升华。而在6 0 0 ℃的高温条件下,脱水生成的无 水氯化铝气体和水蒸气同时升华,在冷凝气体的过 程中,由于无水氯化铝具有强烈的吸水性,会与水蒸 气发生反应又生成A 1 C 1 。6 H 。O ,得不到无水氯化 铝。此外,文献1 - 1 4 ] 也曾报道,A 1 C 1 。6 H 。O 在氯 化氢气氛下脱水并不能得到无水氯化铝。 另外,文献E 1 5 ] 对六水氯化铝在氯气等保护气氛 下脱水进行了报道。其主要方法为在2 0 0 ~4 5 0 ℃ 加热A 1 C 1 3 6 H 2 0 基本脱水,于3 5 0 ~5 0 0 ℃再与 4 0 %~5 0 %氯气、3 0 %~5 0 %C O 、5 %~1 5 %C O 及 5 %~1 5 %氢气混合物反应生产无水氯化铝气体。该 法的实质是首先加热得到含无水氯化铝与氧化铝的 混合原料,然后在氯气等的作用下,将混合原料中的 氧化铝氯化,最终得到无水产品。但该法使用了有毒 气体氯气,需要耐高温、耐腐蚀的生产设备及严格的 生产控制条件,环境污染严重。因此该法目前也无 法实现工业化应用。 1 .2 醇法脱水 该方法以六水氯化铝为原料,首先将六水氯化 铝配成水溶液,然后在溶液中加入醇。当醇溶液中 的晶体析出后固液分离,晶体即为无水氯化铝。如 章浩龙的两个专利[ 16 。1 7 1 就是这种思路,其专利1 的 方案是将A 1 C 1 。6 H O 配成水溶液,加入乙醇、丙 醇等,待晶体充分析出后,在离心分离器中进行固液 分离,得到白色的晶体即为无水氯化铝。其专利2 的方案是在离子交换柱中充填六水氯化铝,在交换 柱进液口通入乙醇,检测交换柱出口液体的含水量, 当其含水量与交换柱进液口的乙醇含水量相同时, 说明脱水已完全,停止通入醇,待交换柱出口不再滴 %的∞玎。曼{儿弘∞∞ ;;,~ “√■7“i口;重量。;L∞∞海豇疆坨加孙弘钻 0 O O O O 0 O O 0 0 O加加如∞∞∞加∞∞a, 万方数据 2 0 1 3 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 3 3 流液体后,取出交换柱中的固体,得到的就是无水氯 化铝。 ’ 上述两种方案都是通过醇溶液直接脱除六水氯 化铝上的结晶水。但由于氯化铝对水有很强的吸附 性,加入的醇本身也含有一定水分,因此仅靠醇溶液 洗涤前后含水量不变的特性并不能说明结晶水洗掉 例如未脱除结晶水也未吸附水,也会发现醇中水含 量不变 。另外A 1 C 1 。6 H O 要与结晶水脱离,是 需要克服吸附的分子间作用力,需要大量能量,而提 供这种能量的控制条件通常为加热。再者,A I C l 。 水溶液与醇溶液混合并不发生明显放热或放热不足 以克服A 1 C 1 。6 H 。O 分子间作用力。显然上述两 项发明并未提供任何外来能量,仅靠醇吸附A 1 C 1 。 6 H O 的水来克服分子间的作用力是不能实现脱 水的目的。因此上述两个工艺方案是不可行的。 2六水氯化铝脱水工艺方案设计 A 1 C 1 。6 H 。O 脱水还处于探索阶段,文献资料 较少,经分析文献报道的脱水方法当前也不具备可 行性,需要对六水氯化铝脱水工艺进行重新设计。 在文献调研过程中发现,A 1 C 1 。6 H 。O 与M g C l 。 6 H O 性质具有某些相似性,M g C l 6 H 。O 的脱水 研究前人做了大量的工作[ 1 8 ‘24 | ,具有完善的理论基 础,同时成功地应用于工业实践。特别是六水氯化 镁醇氨法与复盐法脱水具有环境友好、能耗低等特 点,成为当前研究的热点[ 2 5 ‘29 | 。2 0 0 4 年,华东理工 大学与青海盐湖集团还共同兴建了第1 套15 0 0 t /a 无水氯化镁醇氨法脱水工业示范装置并成功生产出 9 8 .5 %的无水氯化镁[ 30 | 。在参考六水氯化镁醇氨 法与复盐法脱水工艺的基础上,我们对六水氯化铝 脱水工艺方案进行了简要设计。 2 .1六水氯化铝醇氨法脱水工艺 该方法包括2 个步骤,第一步是将六水氯化铝 与醇类先行络合,使醇取代水合物中的大部分结晶 水。但由于单纯醇类脱水存在氯化铝的脱水不彻底 以及固液分离困难等缺陷,因此本方法在醇类络合 之后再加入了第二个步骤,即将含醇的氯化铝混合 物与某些物质进行螯合,加入的物质进一步减弱氯 化铝水合物中水与氯化铝分子之间的键合力。本方 法的关键是寻找能与氯化铝进行络合的醇、以及能 与氯化铝进行螯合的物质。经过初步的试验探索, 并考虑醇的价格与沸点,初步选定的醇为乙二醇,与 氯化铝进行螯合的物质为氨气,由此设计了图1 所 示的六水氯化铝醇氨法脱水工艺。 六水氯化铝 脱水产物 审 捕集混合气体 上 I 回收氨气I 一冷却I 固体无水氯化铝 图1六水氯化铝醇氨法脱水制备 无水氯化铝工艺流程图 ’ F i g .1 F l o w s h e e to fa n h y d r o u sa l u m i n i u m c h l o r i d ep r e p a r a t i o nf r o ma l u m i n i u mc h l o r i d e h e x a h y d r a t eb ya l c o h o l 。a m m o n i am e t h o d 设计的工艺流程包括 1 将六水氯化铝通过流态化干燥技术脱除大部 分结晶水,过程中不需刻意防止水解。 2 干燥后的氯化铝溶于醇中配置氯化铝的醇溶 液,同时加入一定量的氯化铵,以消除水解副产物的 影响,然后采用真空蒸馏的方法脱除氯化铝的醇溶 液中水分。 3 脱水后的氯化铝醇溶液与氨气逆流操作,在 流化床反应结晶器中反应生成A 1 C 1 。N H 。晶体。 4 洗涤、过滤、干燥得A 1 C I 。N H 。晶体,并将 干燥后的晶体加热分解,经捕集得到氨与无水氯化 铝混合气体,再将混合气体冷却到室温获得固体无 水氯化铝,分离出来的氨循环利用。 该工艺的特点有 1 六水氯化铝干燥脱水过程不需刻意防止水 解,易操作、工艺条件范围宽。 2 由于六水氯化铝首先通过干燥已脱除大部分 结晶水,因此可降低制备单位重量无水氯化铝所需 要的有机溶剂 醇 的用量,同时可降低单位产品无 水有机介质循环量,提高单位有机溶剂氯化铝的产 万方数据 3 4 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 1 3 年第9 期 出率,降低能耗。 3 反应结晶制备A 1 C 1 。N H 。前,采用干燥和 真空蒸馏的方法,几乎完全脱除水分,消除了水分对 A 1 C 1 。N H 。晶体质量的影响。 4 A I C l 。N H 。反应结晶过程采用流化床反应 结晶器,强化了过程的传质和传热,提高了晶体粒径 分布的均匀性。当然,各工序的工艺条件及整个工 艺能否实现还需要进一步深入研究及试验验证。 2 .2 六水氯化铝复盐法脱水工艺 该法类似于六水氯化镁通过合成光卤石或苯胺 盐酸盐 C 。H 。N H H C I 进行脱水的方法。该法 的关键是寻找可与水合氯化铝形成复盐的化合物, 形成复盐的目的是减弱水分子与氯化铝分子之间的 键合力。基于以上思路,设计了图2 所示的六水氯 化铝复盐法脱水工艺。 盐酸 胺类物质、咪 唑或者吡啶 结晶氯化铝 无水氯化铝 图2 六水氯化铝复盐法脱水制备 无水氯化铝工艺流程图 F i g .2 F l o w s h e e to fa n h y d r o u sa l u m i n i u m c h l o r i d ep r e p a r a t i o nf r o ma l u m i n i u mc h l o r i d e h e x a h y d r a t eb yd o u b l es a l t sm e t h o d 该法主要包括 1 有机盐酸盐的合成将胺类物质、咪唑或者吡 啶加入到反应结晶釜中,之后加入盐酸进行反应后 过滤分离,获得粗品有机盐酸盐。粗品进一步干燥 后得到有机盐酸盐。 2 复盐的合成干燥后的有机盐酸盐加入反应 结晶釜中,然后加入六水氯化铝和水,在搅拌及加热 的情况下将反应釜内物料溶解成均相,之后冷却至 室温析出晶体,经过滤分离后获得的晶体进行干燥, 得到水合氯化胺类铝复盐、水合氯化咪唑铝复盐或 水合氯化吡啶铝复盐。 3 复盐分解将得到的复盐加入到流化床反应 器中脱水,得到不含结晶水的氯化胺类铝复盐、氯化 咪唑铝复盐或氯化吡啶铝复盐。之后将脱除结晶水 的复盐加入到另一流化床反应器中,控制反应器温 度使复盐脱掉三氯化铝,捕集升华的三氯化铝气体 从而得到无水氯化铝,分离得到的有机盐酸盐用以 循环利用。 本工艺的特点有 1 复盐可在较低温度 2 0 0 ~2 4 0 ℃ 下进行热 分解,极大地降低了制备无水氯化铝的成本,又节约 了能源。 2 复盐在分解过程中不会产生H C l 和N H 。等 腐蚀性气体,对环境友好。 3 复盐分解后得到的有机盐酸盐可循环利用, 大大降低了生产无水氯化铝的成本。当然,新工艺 各工序的工艺条件还需要试验的进一步探索。 3结论 1 目前文献报道六水氯化铝的脱水方法主要有 保护气氛下脱水及醇法脱水,但在当前条件下均无 可行性。 2 六水氯化铝与六水氯化镁性质具有某些相似 性,六水氯化镁的脱水工艺可为六水氯化铝脱水提 供参考。 3 建议采用醇氨法与复盐法对六水氯化铝进行 脱水,但需要进行深入细致的研究和试验验证。 参考文献 E I - 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