一种电池级硫酸铝的智能化生产系统及生产工艺的制作方法

本发明涉及硫酸铝生产技术领域，具体涉及一种电池级硫酸铝的智能化生产系统及生产工艺。

背景技术：

无铁硫酸铝在高级纸张、高级织物、食品膨松剂、电池、橡胶等领域都有广泛的应用。目前我国无铁级硫酸铝的年生产能力已达到100万吨以上，但仍不能满足国际和国内市场的需求。工业上制备无铁硫酸铝的方法是由铝土矿和硫酸加压反应得到液体硫酸铝，将液体硫酸铝除铁后结晶得到水合硫酸铝晶体；再将水合硫酸铝晶体缓慢加热，使其逐步脱水，至完全脱水后经冷却固化、粉碎制得成品。该反应方式的条件比较苛刻，对反应釜的要求比较高，并且损耗较大。此外除铁工艺普遍采用以下3种方式：1)采用离子交换树脂除铁，但存在铁离子导致的离子交换树脂中毒现在，再生比较困难；2)采用亚铁氰化钾和铁氰化钾除铁，但存在较大的环境污染问题和安全隐患；3)采用溶剂萃取法除铁，但存在工艺操作繁琐，损耗较大以及除铁效率不佳等问题。此外，现有工艺所采用的反应设备大多比较传统，自动化程度低，人工成本高，生产效率低，这也是严重制约无铁硫酸铝生产能力的关键因素。因此，进一步开发无铁硫酸铝的新生产技术以匹配其在各个领域的发展状况成为当务之急。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明提供一种电池级硫酸铝的智能化生产系统及生产工艺。本发明的技术方案为：

第一个方面，本发明提供一种电池级硫酸铝的智能化生产系统，包括依次相连的混料单元、反应单元、结晶单元、粉粹单元和干燥单元，其中所述粉碎单元还与所述反应单元连接以实现反应原料的预破碎；所述反应单元还连接尾气冷凝回收单元，所述尾气冷凝回收单元分别与尾气处理单元和所述反应单元相连；所述混料单元、所述反应单元、所述结晶单元、所述粉粹单元、所述干燥单元、所述尾气冷凝回收单元和所述尾气处理单元均通讯连接于plc控制模块并由所述plc控制模块控制。

进一步地，所述反应单元至少包括反应釜一和反应釜二，所述反应釜一和所述反应釜二上均装载有cpu模块、输入模块和输出模块，所述cpu模块的功能包括：向所述cpu发送来自所述输入模块和所述输出模块的反馈信息以及接收来自所述cpu的控制指令并分别向所述输入模块和所述输出模块发送。

优选地，所述反应釜一和所述反应釜二的进料口和出料口处设有电磁阀，所述电磁阀上设有报警装置，所述电磁阀和所述报警装置分别与所述cpu模块相连，当所述电磁阀没有关紧时，其会产生一个反馈信号发送至所述cpu模块，所述cpu模块控制报警装置发出警报。

进一步地，所述混料罐、所述反应釜一和所述反应釜二的输送管道上还设有压力传感器，所述压力传感器和所述plc控制模块相连。

优选地，所述结晶机为钢带结晶机。

进一步地，所述粉碎单元至少包括依次相连的碎片机和粉碎机，所述碎片机上设有振动给料机一，所述粉碎机上设有振动给料机二，所述碎片机和所述粉碎机之间设有输送机构。

进一步地，所述尾气处理单元至少包括一个换热器和气液分离器。

优选地，所述尾气处理单元包括依次相连的喷淋塔、中和塔和盐水分离器，所述盐水分离器的出水口与所述尾气冷凝回收单元相连，以将从所述盐水分离器分离出来的废水用作所述换热器的循环水和所述喷淋塔的喷淋水。

进一步地，所述生产系统还包括流量控制单元和与所述流量控制单元相对应的控制阀门和控制泵，所述流量控制单元至少包括酸流量计、水流量计和物料流量计，所述控制阀门至少包括酸阀、水阀、料阀，所述控制泵至少包括酸泵、水泵和料泵。

第二个方面，本发明提供一种电池级硫酸铝的智能化生产工艺，是采用上述系统，包括以下步骤：

(5)在混料单元制备碱液：将定量氢氧化钠和水引入混料单元混合均匀；

(6)在反应单元制备电池级硫酸铝：将步骤(1)的碱液引入反应单元，并在反应单元中先引入铝铁矿反应，反应完成后再引入硫酸溶液进行反应；反应完成后继续加入二乙基二硫代氨基甲酸钠溶液进行除铁反应；

(7)在尾气冷凝回收单元和尾气处理单元回收处理尾气：步骤(2)中引入硫酸溶液的反应过程中产生的尾气引入尾气冷凝回收单元进行冷凝回收，部分冷凝下来的尾气液滴重新引入反应单元进行反应，未被冷凝的尾气引入尾气处理单元进行处理；

(8)反应产物在结晶单元结晶：将反应单元获得的终产物引入结晶单元结晶；

(9)结晶产物在粉碎单元和干燥单元分别进行粉碎和干燥处理，既得。

进一步地，所述步骤(1)中氢氧化钠溶液的终浓度为20～25％。

进一步地，所述步骤(2)中硫酸溶液的浓度为45～50％。

进一步地，所述步骤(2)中二乙基二硫代氨基甲酸钠溶液的浓度为20～25％，并且其中二乙基二硫代氨基甲酸钠与铝铁矿中铁的摩尔比不低于2。

优选地，所述生产工艺还包括：将从尾气处理单元出来的废水和浓盐水分别用作尾气冷凝回收单元的循环水以及制备工业盐的原料。

第三个方面，本发明提供一种电池级硫酸铝，是采用上述生产工艺获得。

较比现有技术，本发明的有益效果是：

其一，本发明的智能化生产系统，采用全自动化生产模式，所有过程均可以通过plc控制模块控制完成，大大地节约了人力成本和时间成本，并且每个环节都尽量考虑周到，比如在反应单元前设置混料单元用于制备碱液，以缓解反应釜的使用压力；并且增加了尾气冷凝回收单元和尾气处理单元，将反应过程产生的尾气进行回收利用以及处理后再排放，大大降低了其对环境的危害。

其二，本发明的生产工艺通过铝土矿先和碱液反应再和硫酸溶液反应的二步反应方式，之后通过二乙基二硫代氨基甲酸钠溶液除铁，最终可以获得电池级硫酸铝，纯度高达99.9％，铁含量低于50ppm。而现有传统的生产模式直接采用铝土矿和和硫酸加压反应得到铝土矿，这种方式虽然是一步完成，但反应条件苛刻，需要采用浓硫酸和加压，操作中繁琐程度和危险程度均较高，除铁效果并不理想。

附图说明

图1是本发明的智能化生产系统的结构示意图。

图2是本发明的智能化生产系统的结构控制示意图。

图1和2中，1、混料罐，2、反应釜一，3、反应釜二，4、cpu模块，5、输入模块，6、输出模块，7、报警装置，8、压力传感器，9、结晶机，10、反应釜出料和进料处的电磁阀，11、碎片机，12、粉碎机，13、振动给料机一，14、振动给料机二，15、输送机构，16、干燥机，17、管式换热器，18、缓冲罐，19、喷淋塔，20、中和塔，21、盐水分离器，22、plc控制模块，23、酸流量计，24、水流量计，25、物料流量计，26、酸泵，27、水泵，28、料泵，29、酸阀，30、水阀，31、料阀，32、其它控制阀门，33、混料罐上的加料器，34、气液分离器，35、其他抽泵。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语‘安装’、‘相连’、‘连接’应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1和2所示，本实施例提供一种电池级硫酸铝的智能化生产系统，包括依次相连的混料罐1、反应单元、结晶机9、粉粹单元和干燥机16，粉碎单元还与反应单元连接以实现反应原料的预破碎；反应单元还连接尾气冷凝回收单元，尾气冷凝回收单元分别与尾气处理单元和反应单元相连。此外，混料罐1、反应单元、结晶机9、粉粹单元、干燥机16、尾气冷凝回收单元和尾气处理单元均通讯连接于plc控制模块22并由plc控制模块22控制。各个单元的结构具体描述如下：

混料罐1的作用是为了预先配制氢氧化钠溶液，混料罐1连接水泵27和氢氧化钠定量加料器33，内设搅拌装置。混料罐1的投料过程由plc控制模块22控制氢氧化钠输送管道上相应电磁阀门等的启闭，以及结合称重传感器的数据实现氢氧化钠原料定量投加的自动完成。为了监控输送管道是否堵塞，还可以在氢氧化钠输送管道加设压力传感器8和报警装置7。此外，在氢氧化钠的配制过程中有时候也需要使用碎片机，故在混料罐之前可以根据需要设置一台碎片机，两者之间设有输送机构15，该碎片机同时也和反应釜一相连，用于铝铁矿的预先破碎。

反应单元包括彼此相连的反应釜一2和反应釜二3，反应釜一2用于进行铝土矿和氢氧化钠之间的反应，反应釜二3用于进行偏铝酸钠和硫酸之间的反应以及除铁。反应釜一2和反应釜二3均采用耐酸碱的反应釜，底部设有加热装置，内部有搅拌装置，并且反应釜上均有预留口用于加载蒸馏装置和回流装置。除此之外，反应釜一2和反应釜二3上均装载有cpu模块4、输入模块5和输出模块6，彼此间的连接方式如图2所示。cpu模块4采用西门子400系列，反应釜的投料过程由plc控制模块22经cpu模块4控制输送管道上相应电磁阀门等的启闭，以及结合称重传感器的数据实现原料定量投加的自动完成。同理，为了监控输送管道是否堵塞，还可以在输送管道加设压力传感器8和报警装置7。此外，反应釜一2和反应釜二3的进料口和出料口处均设有电磁阀10，电磁阀10上也设有报警装置7，这些电磁阀和报警装置分别与cpu模块4相连，当电磁阀没有关紧时，其会产生一个反馈信号发送至cpu模块4，cpu模块4控制报警装置7发出警报，进而起到对反应釜的安全监察作用。

该生产系统还包括流量控制单元和与流量控制单元相对应的控制阀门和控制泵，在本实施例中，流量控制单元包括酸流量计23、水流量计24和物料流量计25(具体指反应釜一出来的反应液)，分别安装在反应釜二3、混料罐1、反应釜一2与反应釜二3之间的管道上，控制阀门包括酸阀29、水阀30、料阀31，控制泵至少包括酸泵26、水泵27和料泵28，与酸流量计23、水流量计24和物料流量计25分别对应。

结晶机9优选钢带结晶机，钢带结晶技术具有冷却效率高、结晶快速均匀的优点，对于硫酸铝的结晶过程效果较好。

在本实施例中，粉碎单元只采用了二级粉碎装置，包括依次相连的碎片机11和粉碎机12，碎片机11上设有振动给料机一13，粉碎机12上设有振动给料机二14，碎片机11和粉碎机12之间还设有输送机构15。

干燥机采用普通市售干燥装置即可。

尾气冷凝回收单元包括管式换热器17、气液分离器34和缓冲罐18，管式换热器17的进料口连接反应釜二3的出气口，管式换热器17的循环水进口连接尾气处理单元的盐水分离器21的出水口，管式换热器17的循环水出口连接尾气处理单元的喷淋塔19喷淋管道的进水口，管式换热器17的出料口连接气液分离器34进口，气液分离器34的出气口连接尾气处理单元的喷淋塔19的进料口，气液分离器34的出液口连接缓冲罐18，缓冲罐18连接反应釜二3，用于将沉降下来的酸液重新引回至反应釜二3中继续参与反应。

尾气处理单元包括依次相连的喷淋塔19、中和塔20和盐水分离器21，盐水分离器21分离出来的废水用作管式换热器17的循环水，循环水又进入喷淋塔19用作除废气的喷淋水，并且从盐水分离器中分离出的浓盐水用作制备工业盐的原料。

plc控制模块22采用西门子s7300系列，其与上位机之间通过以太网交换机实现通讯。

实施例2

本实施例提供一种电池级硫酸铝的智能化生产工艺，在淄博博山双赢化工有限公司开展中试规模生产，是采用实施例1的生产系统，包括以下步骤：

(1)在混料罐内制备碱液：将定量氢氧化钠和水引入混料罐混合均匀，获得的氢氧化钠溶液的终浓度为22.3％；

(2)在反应单元制备电池级硫酸铝：将步骤(1)的氢氧化钠碱液引入反应釜一，并在反应釜一中先引入已经预先破碎的铝铁矿反应，氢氧化钠溶液中钠离子与铝铁矿中铝离子的摩尔比为1.5：1，反应温度在100℃左右，期间不断蒸出反应过程中生成的水分；反应釜一的反应完成后待温度降至60℃以下引入反应釜二，再引入硫酸溶液进行反应，反应过程不需要加热，硫酸溶液的浓度为50％，硫酸的加入量以其硫酸根与铝铁矿中铝离子的摩尔比为2：1计；反应完成后继续在反应釜二中加入二乙基二硫代氨基甲酸钠溶液进行除铁反应，二乙基二硫代氨基甲酸钠溶液的浓度为23.5％，并且其中二乙基二硫代氨基甲酸钠与铝铁矿中铁的摩尔比为3.5。

(3)在尾气冷凝回收单元和尾气处理单元回收处理尾气：步骤(2)中引入硫酸溶液的反应过程中产生的尾气引入尾气冷凝回收单元进行冷凝回收，部分冷凝下来的尾气液滴重新引入反应单元进行反应，未被冷凝的尾气引入尾气处理单元进行处理；

(4)反应产物在结晶单元结晶：将反应单元获得的终产物引入结晶单元结晶；

(5)结晶产物在粉碎单元和干燥单元分别进行粉碎和干燥处理，既得。

此外，将从尾气处理单元出来的废水和浓盐水分别用作尾气冷凝回收单元的循环水以及制备工业盐的原料，循环水还可以作为喷淋塔的喷淋水。

采用本实施例的方法进行多批次电池级硫酸铝的生产，最终获得的硫酸铝产品的生产周期较比现有传统工艺及装置的生产周期至少降低一半以上，硫酸铝纯度高达99.9％，其中铁含量在50ppm以下，最低可以达到25ppm。并且本工艺的排废量低，和现有传统工艺的排废量相比，至少降低70％以上。

综上，本发明的智能化生产系统，采用全自动化生产模式，所有过程均可以通过plc控制模块控制完成，大大地节约了人力成本和时间成本，并且大大降低了其对环境的危害。本发明的生产工艺通过铝土矿先和碱液反应再和硫酸溶液反应的二步反应方式，之后通过二乙基二硫代氨基甲酸钠溶液除铁，最终可以获得电池级硫酸铝，纯度高达99.9％，铁含量低于50ppm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。