專利名稱:用蒸汽流化反應(yīng)器生產(chǎn)α型氧化鋁的方法
本發(fā)明涉及流化床反應(yīng)器煅燒氧化鋁的方法。產(chǎn)品中含有α型氧化鋁，這是一種在陶瓷材料和耐火材料上有用的產(chǎn)品。
在先有技術(shù)中，已知有多種生產(chǎn)α型氧化鋁的工藝方法。下述的文章描述了一種類似的工藝原理，和本發(fā)明有密切關(guān)系。文章包括William M.Fish的“在流化快速煅燒爐中煅燒氧化鋁”(“Alumina Calci nation in the Fluid-Flash Calciner”Light，Metals 673-682頁);Edward W.Lussky的“Alcoa流化快速煅燒爐操作經(jīng)驗(yàn)”(“Experience with Operation of the Alcoa Fluid Flash Calciner”，Light Metals 1980，69-79頁)。本項(xiàng)發(fā)明對上述文章公開發(fā)表的內(nèi)容作了適當(dāng)程度的參考。
下列幾項(xiàng)專利對生產(chǎn)含有α型氧化鋁產(chǎn)品的另外一些工藝方法也有所描述。如Newsome美國專利2，642，337號(hào);Turpin美國專利3，265，465號(hào);Du Bellay et al美國專利3，336，109號(hào);Hrishikesan美國專利3，442，606號(hào);Reh美國專利3，565，408號(hào)以及Potter美國專利4，224，288號(hào)。然而，這些先有技術(shù)所采用的工藝方法各個(gè)都受到一種或多種限制，使得總是不能完全達(dá)到預(yù)期的目的。
目前，旋轉(zhuǎn)爐煅燒工藝方法是商業(yè)化生產(chǎn)高α型氧化鋁含量產(chǎn)品的主要方法。旋轉(zhuǎn)爐煅燒工藝克服了一種粘著和聚結(jié)效應(yīng)。這種效應(yīng)經(jīng)常在氧化鋁的高溫(大約高于1220℃)流化床中出現(xiàn);粘著效應(yīng)迄今一直阻礙著使用流化床連續(xù)生產(chǎn)α型氧化鋁重量比含量高于大約65%的氧化鋁。
本發(fā)明的主要目的是提供這樣一種工藝方法將氧化鋁水合物轉(zhuǎn)變成含有α型氧化鋁的無水氧化鋁產(chǎn)品，轉(zhuǎn)變過程在蒸汽流化床反應(yīng)器中進(jìn)行。
本發(fā)明另一個(gè)有關(guān)的目的是提供一種工藝方法在溫度可能高于1220℃的流化床中生產(chǎn)α型氧化鋁，同時(shí)避免迄今一直阻障在如此高的溫度下進(jìn)行操作的粘著效應(yīng)。
本發(fā)明的第一優(yōu)點(diǎn)是所描述的工藝方法在中間過程中不用加入三氟化鋁或其它礦化劑便可生產(chǎn)出α型氧化鋁。因此，α型氧化鋁產(chǎn)品中不存在殘余氟化物或其它礦化劑。已知氟化物對氧化鋁在高強(qiáng)度陶瓷方面的應(yīng)用是有害的，因?yàn)樗跓Y(jié)過程中加速晶粒的長大。
本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，該工藝方法比先有的氧化鋁煅燒工藝方法節(jié)省熱能。操作實(shí)踐表明，本工藝方法能耗比旋轉(zhuǎn)爐煅燒工藝方法大約低10～30%。
本發(fā)明的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，采用本工藝方法生產(chǎn)出的氧化鋁比采用旋轉(zhuǎn)爐方法的煅燒更為均勻。
本發(fā)明的第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在本工藝過程中不需要增壓，因而可用為對現(xiàn)存的流化快速煅燒系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)革新。
通過下面的說明及附圖，本領(lǐng)域的專業(yè)人員對本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)可進(jìn)一步了解。
根據(jù)本發(fā)明，氧化鋁水合物將被轉(zhuǎn)變成含有α型氧化鋁重量比至少為10%的無水氧化鋁產(chǎn)品。
氧化鋁水合物首先在脫水區(qū)加熱至足夠高的溫度并持續(xù)足夠的時(shí)間以得到其殘水含量重量比約低于15%的氧化鋁。應(yīng)將氧化鋁加熱到大約高于800℃，至此殘水含量的重量比將降低到大約為10%，一般大約在5%。
然后氧化鋁被送至加熱區(qū)，在此加熱到比在脫水區(qū)所達(dá)到的溫度更高的溫度。加熱區(qū)應(yīng)設(shè)在由燃燒天然氣加溫的爐子里，其爐火溫度大約為1649-1677℃。氧化鋁在爐內(nèi)停留時(shí)間一般較短(約10-100秒)。
此后，將氧化鋁送到與加熱區(qū)分離的反應(yīng)器，在該反應(yīng)器的硫化床中以高于大約900℃以上的溫度停留足夠的時(shí)間，以將氧化鋁轉(zhuǎn)變成含有α型氧化鋁重量比至少為10%的無水產(chǎn)品。理想的反應(yīng)溫度范圍應(yīng)在大約900℃-1350℃之間。反應(yīng)器溫度應(yīng)在大約1100℃以上，最好在大約1220℃以上。氧化鋁在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間根據(jù)溫度的不同為1-45分鐘不等。兩個(gè)最佳反應(yīng)器溫度的選擇方案為1250℃和1275℃。反應(yīng)器壓力通常低于1.5個(gè)大氣壓(表壓)。
反應(yīng)器用主要含蒸汽的流化氣體流化。該流化氣體應(yīng)含有體積比至少為90%的蒸汽，通常幾乎全部(體積比高于99%)為蒸汽。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于蒸汽流化床能長時(shí)間保持在1220-1300℃而不失去對溫度的控制，且產(chǎn)品中也不增加過多的粘附顆粒。
將氧化鋁在反應(yīng)器中加熱足夠的時(shí)間以得到至少含有重量比為10%α型氧化鋁的無水產(chǎn)品。理想的是α型氧化鋁重量比含量至少為大約65%，一般情況下至少達(dá)到大約80%。該產(chǎn)品的表面積小于10m2/g，一般可小于6m2/g，有時(shí)可小于3m2/g。
熱氧化鋁從反應(yīng)器排進(jìn)一系列旋風(fēng)分離器進(jìn)行部分冷卻。最后用上端為氣冷下端為水冷的雙床換熱器冷卻。
附圖1是實(shí)施本發(fā)明工藝方法的較之為理想的裝置流程圖。
附圖2是依據(jù)本發(fā)明所述工藝方法生產(chǎn)出的無水氧化鋁產(chǎn)品的電子顯微片。
從拜爾(Bayer)法得到的氧化鋁水合物首先經(jīng)傳統(tǒng)的平板式過濾器10用洗滌水9進(jìn)行過濾和水洗。經(jīng)本階段過濾后的氧化鋁水合物中含有氫氧化鋁，Al(OH)3。過濾后的氧化鋁水合物中同時(shí)含有游離水分，重量比含量大約為8～16%的H2O;和干燥的Al(OH)3中的化學(xué)結(jié)合水，重量比含量大約為34.6%。對本文而言，“殘水含量”指游離水和化學(xué)結(jié)合水之總和。例如，在化學(xué)結(jié)合水重量比含量34.6%、游離水分重量比含量為大約10%的氧化鋁中，其殘水重量比含量為大約44.6%。
潮濕的水合物通過螺旋進(jìn)料器21送入閃于器20。氣線22將熱氣流送進(jìn)閃干燥20，脫掉氧化鋁水合物中的游離水。經(jīng)過干燥處理的水合物被送進(jìn)第一個(gè)旋風(fēng)分離器30，在這里與熱氣體和水蒸汽分離，然后送進(jìn)流化床干燥器40。旋風(fēng)分離器30中的熱氣體和水蒸汽排出后被送到靜電除塵器42進(jìn)行除塵處理，清潔的尾氣由排氣管44排入大氣，粉塵排入塵埃箱43。裝有氧化鋁的干燥器40由氣源46提供氣體進(jìn)行流化。閃干燥20，旋風(fēng)分離器30和流化床干燥器40組合起來劃為脫水區(qū)，在脫水區(qū)水合物被加熱目的在于降低殘水含量。升溫了的氧化鋁水合物用調(diào)節(jié)閥47計(jì)量排出干燥器40，此時(shí)氧化鋁殘水重量比含量大約低于15%，通常大約低于10%(重量比)，一般可達(dá)到大約低于5%(重量比)。經(jīng)排氣管40釋放的尾氣中含有脫水及煅燒氧化鋁時(shí)所產(chǎn)生的蒸汽和做為流化氣體的蒸汽。
調(diào)節(jié)閥47以一種可控制的速率，將水合物送入反應(yīng)器或容器50。反應(yīng)器50分上下兩部分，包括旋風(fēng)分離器部分51和氧化鋁流化床部分52。蒸汽由汽源53提供，用以流化反應(yīng)器50中的氧化鋁。
進(jìn)入旋風(fēng)分離器部分51的水合物與熱氣流接觸，該熱氣流將水合物部分煅燒并把它帶進(jìn)第二個(gè)旋風(fēng)分離器60。在那里，固體與熱氣體分離后被送進(jìn)加熱爐70。在第二個(gè)旋風(fēng)分離器60中與固體分離了的熱氣體可以很方便地經(jīng)氣線22反送給閃干燥20。
在加熱爐70內(nèi)，氧化鋁的懸浮物充滿了加熱區(qū)71，燃料在直接安裝在加熱區(qū)內(nèi)以圓周排列的火嘴中燃燒。氧化鋁原料在加熱爐70中停留的時(shí)間不長(大約10-100秒)。加熱爐70的燃料一般用天然氣，其燃燒時(shí)的火焰溫度大約為1649-1677℃(3000-3500°F)。加熱爐70也可燒其它礦物燃料，或采用電加熱爐方式。加熱爐70將在加熱區(qū)71的氧化鋁加溫到大約800℃以上。一種氧化鋁與氣體的混合懸浮物從加熱爐70進(jìn)入反應(yīng)器50的旋風(fēng)分離器部分51。經(jīng)旋風(fēng)分離器51分離的固體氧化鋁顆粒下降進(jìn)入下面的流化床部分52。
流化床溫度應(yīng)控制在大約900℃以上，一般應(yīng)在大約1100℃以上，最好在1220℃以上。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是能使流化床溫度保持在大約1220℃以上，而不失去對溫度的控制。反應(yīng)器50的兩種最佳操作溫度為1250℃和1275℃。
本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)器50不需要增壓。反應(yīng)器壓力低于1.5個(gè)大氣壓，通常只相當(dāng)于一個(gè)大氣壓或略高。
氧化鋁要在流化床反應(yīng)器50中停留足夠的時(shí)間，轉(zhuǎn)變成α型氧化鋁重量比含量至少為10%的無水氧化鋁產(chǎn)品。其停留時(shí)間根據(jù)溫度以及所希望的產(chǎn)品中α型氧化鋁的含量而定，可為1-45分鐘。反應(yīng)通常要持續(xù)足夠長的時(shí)間以提高α型氧化鋁的含量，使其重量比達(dá)到至少65%，最好達(dá)到80%(重量比)。該產(chǎn)品表面積可小于大約10m2/g，通常小于大約5m2/g，甚至可小于大約3m2/g。產(chǎn)品特性可以通過不同的反應(yīng)時(shí)間或反應(yīng)溫度控制。
經(jīng)氣源53提供的流化氣主要是蒸汽。流化氣至少應(yīng)含體積比為大約90%的蒸汽，理想的是基本上全部(體積比超過99%)為蒸汽。用蒸汽做流化氣使反應(yīng)器50得以在高溫下操作，而采用其它方法則需要長的反應(yīng)時(shí)間;同時(shí)也避免了由于氧化鋁顆粒在如此高的溫度下出現(xiàn)的粘著效應(yīng)對流化床所造成的破壞。蒸汽溫度可高于大約105℃，通常不超過200℃。蒸汽促進(jìn)晶體生長并加速向α型氧化鋁的轉(zhuǎn)變過程。
生產(chǎn)α型氧化鋁的過程為放熱反應(yīng)，其放熱速率為生成每磅α型氧化鋁釋放熱能大約為133BTU′s(英熱量單位，1BTU＝252卡)。這種放熱現(xiàn)象使流化床中的氧化鋁總保持在高溫操作條件下。
熱氧化鋁產(chǎn)品經(jīng)調(diào)節(jié)閥54排出，氣動(dòng)傳送至一系列的旋風(fēng)分離器80進(jìn)行部分冷卻。氣泵81為旋風(fēng)分離器80供給系統(tǒng)外空氣。冷卻熱氧化鋁而升溫的空氣通過氣管82從旋風(fēng)分離器80返到加熱爐70，作為供燃燒所需空氣的主體。緊靠著氣管82安裝著一個(gè)輔助加熱器，以保持空氣進(jìn)入燃燒室內(nèi)的正常工作溫度，也可用于開工時(shí)的預(yù)熱。
氧化鋁從旋風(fēng)分離器80排入一個(gè)雙床流化冷卻器90。首先用繞在上床的氣冷式管狀換熱器91冷卻。換熱后的熱空氣可以送到氣源46，提供給流化床干燥器40。經(jīng)上床冷卻過的氧化鋁降到下床，用水冷式換熱器92進(jìn)行最后冷卻。集氣管93供給流化冷卻器90中雙床的空氣。最后冷卻過的氧化鋁送到由氣源101提供動(dòng)力的氣動(dòng)傳送帶100上，裝入氧化鋁儲(chǔ)存箱110。
實(shí)施例采用上述理想的工藝方法，結(jié)果生產(chǎn)出α型氧化鋁含量高的無水氧化鋁產(chǎn)品。典型產(chǎn)品如圖2所示，該圖是400倍放大的電子顯微片。該產(chǎn)品是在大約1275℃溫度條件下，在反應(yīng)器50中用蒸汽處理氧化鋁所得到的產(chǎn)品。根據(jù)X-射線衍射所測定的密度，α型氧化鋁含量為大約85%。表面積(BET)(BET，用布魯瑙厄-埃梅特-泰勒法測定)大約為2m2/g。該產(chǎn)品在α型氧化鋁含量要求高的陶瓷和耐火材料方面有廣泛的用途。該產(chǎn)品具有優(yōu)越的研磨特性，且比由旋轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的α型氧化鋁產(chǎn)品更為均勻。
在裝有蒸汽流化床的容器50里，以1225℃的溫度將氧化鋁加熱30分鐘，結(jié)果生產(chǎn)出α型氧化鋁含量大約為87%、BET表面積大約為4m2/的產(chǎn)品。
在裝有蒸汽流化床的容器50里，以1270℃的溫度將氧化鋁加熱13分鐘，結(jié)果生產(chǎn)出α型氧化鋁含量大約為88%、BET表面積大約為5m2/的產(chǎn)品。
雖然本說明書是以理想的設(shè)備裝置對本發(fā)明進(jìn)行了說明和描述，但文后所附各項(xiàng)權(quán)利要求
應(yīng)包括與本發(fā)明精神相一致的各種設(shè)備裝置的采用。
權(quán)利要求
1.一種將氧化鋁水合物轉(zhuǎn)變成含有α型氧化鋁的無水氧化鋁產(chǎn)品的方法；上述方法特征在于(1)在脫水區(qū)以足夠高的溫度加熱氧化鋁并持續(xù)足夠的時(shí)間以得到一種殘水含量重量比大約低于15%的氧化鋁；(2)將氧化鋁從上述脫水區(qū)轉(zhuǎn)移到加熱區(qū)，在加熱區(qū)將氧化鋁加熱到比上述脫水區(qū)溫度更高的溫度；(3)將氧化鋁從上述加熱區(qū)轉(zhuǎn)移到與上述加熱區(qū)分離的反應(yīng)器，氧化鋁在反應(yīng)器的流化床中以高于大約900℃的溫度停留足夠長的時(shí)間，被轉(zhuǎn)變成至少含有重量比為大約10%α型氧化鋁的無水氧化鋁產(chǎn)品；(4)用主要成份為蒸汽的流化氣體流化反應(yīng)器中的氧化鋁。
2.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的方法，其特征在于步驟(1)中得到的氧化鋁其殘水量的重量比大約為10%以下。
3.根據(jù)權(quán)項(xiàng)1或2所述的方法，其特征在于在加熱區(qū)將氧化鋁加熱到大約800℃以上。
4.根據(jù)上述任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于在加熱區(qū)通過燃燒天然氣加熱氧化鋁。
5.根據(jù)權(quán)項(xiàng)4所述的方法，其特征在于燃燒的火焰溫度大約1649～1677℃。
6.根據(jù)上述任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于氧化鋁在反應(yīng)器中的溫度保持在900～1350℃。
7.根據(jù)上述權(quán)項(xiàng)1-5所述的方法，其特征在于氧化鋁在反應(yīng)器中的溫度保持在大約1100℃以上。
8.根據(jù)權(quán)項(xiàng)7所述的方法，其特征在于氧化鋁在反應(yīng)器中的溫度保持在大約1220℃以上。
9.根據(jù)上述任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于氧化鋁在流化床中停留足夠的時(shí)間以得到一種至少含有α型氧化鋁重量比大約為65%的產(chǎn)品。
10.根據(jù)權(quán)項(xiàng)9所述的方法，其特征在于氧化鋁在流化床中停留足夠的時(shí)間以得到一種至少含有α型氧化鋁重量比大約為80%的產(chǎn)品。
11.根據(jù)上述任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于氧化鋁在流化床中停留足夠的時(shí)間以得到一種表面積大約小于10m2/g的產(chǎn)品。
12.根據(jù)權(quán)項(xiàng)11所述的方法，其特征在于氧化鋁在流化床中停留足夠的時(shí)間以得到一種表面積大約小于6m2/g的產(chǎn)品。
13.根據(jù)權(quán)項(xiàng)11所述的方法，其特征在于氧化鋁在流化床中停留足夠的時(shí)間以得到一種表面積大約小于3m2/g的產(chǎn)品。
14.根據(jù)上述任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于流化氣體至少含有體積比大約為90%的蒸汽。
15.根據(jù)權(quán)項(xiàng)14所述的方法，其特征在于流化氣體基本上全部是蒸汽。
16.根據(jù)上述任一權(quán)項(xiàng)所述的方法，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)部壓力大約低于1.5個(gè)大氣壓。
專利摘要
一種將氧化鋁水合物轉(zhuǎn)變成x型氧化鋁含量重量比至少為10％的無水產(chǎn)品的工藝方法。氧化鋁水合物經(jīng)脫水、加熱后送進(jìn)反應(yīng)器，在反應(yīng)器中用蒸汽流化，反應(yīng)溫度保持在大約900～1350℃。蒸汽流化促進(jìn)晶體生長，生產(chǎn)出的產(chǎn)品均勻性好并具有優(yōu)越的研磨特性。
文檔編號(hào)C01F7/44GK86102252SQ86102252
公開日1987年1月28日 申請日期1986年4月2日
發(fā)明者史蒂文·威廉姆·蘇塞克 申請人:美國鋁公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan