國內(nèi)生產(chǎn)硫酸鋁工藝有二種。一種為常壓工藝生產(chǎn)硫酸鋁，另一種為中壓工藝生產(chǎn)硫酸鋁。常壓工藝生產(chǎn)硫酸鋁能耗大，廢氣排放量大，環(huán)保問題突出。中壓生產(chǎn)工藝能耗低，廢氣排放量少，生產(chǎn)清潔環(huán)保，符合國家低碳環(huán)保發(fā)展方向。中壓反應生產(chǎn)硫酸鋁技術(shù)比較成熟，生產(chǎn)工藝完全能夠滿足催化劑生產(chǎn)需求。但國內(nèi)中壓工藝生產(chǎn)硫酸鋁工藝使用設備搪瓷釜、碳鋼襯鉛貼耐酸瓷磚釜、碳鋼襯鉛貼石墨板釜在工業(yè)生產(chǎn)中有明顯的缺陷，這些反應釜在工業(yè)生產(chǎn)中也有著明顯的缺陷。搪瓷釜在硫酸鋁反應過程急劇的熱脹冷縮下容易炸裂而脫瓷，使用壽命大約半年左右；碳鋼襯鉛貼耐酸瓷磚釜，由于鉛在高溫下產(chǎn)生鉛蒸汽，影響人體健康，達不到環(huán)保要求；碳鋼襯鉛貼石墨板釜在硫酸鍋反應過程急劇的熱脹冷縮下，石墨板容易脫層，使用‘年左右石墨板需要重新襯，而且反應釜襯鉛，高溫下產(chǎn)生鉛蒸汽，影響人體健康。這些反應釜均不適合硫酸鋁溶液的生產(chǎn)。鋯和鋯復合板制成的反應釜進行反復的論證，發(fā)現(xiàn)鋯復合板制成的反應釜在硫酸鋁反應中可行。2012年寶雞寶冶鈦鎳制造有限責任公司制成一臺鋯反應釜在生產(chǎn)領(lǐng)域硫酸鋁裝置中運用，取得了較好的效果。
1鋯板反應釜的研發(fā)
1.1鋯金屬掛片試驗
在調(diào)研考察中發(fā)現(xiàn)，金屬鋯能耐濃度低于70%的硫酸。生產(chǎn)無鐵硫酸鋁制備硫酸鋁時，硫酸反應濃度均在50%以下，因此選用鋯材質(zhì)可達到生產(chǎn)工藝要求。為了進一步確定鋯板用作硫酸鋁反應釜防腐材料的可行性，我們就純鋯板和純鋯板內(nèi)包碳鋼板三種材料進行了硫酸鋁反應釜內(nèi)掛片實驗，結(jié)果見表1。
從反應釜內(nèi)掛片實驗看到：純鋯板和鋯板內(nèi)包碳鋼板的耐腐蝕性能力強。其中以鋯材料在硫酸鋁制備中耐腐蝕性更好。陜西省寶雞市力興鈦業(yè)公司、湖南博云新材有限公司、青島中捷鈦金制品廠提供純鋯板和鋯板內(nèi)包碳鋼板能夠滿足耐強腐蝕的技術(shù)要求。
1.2鋯及鋯復合板反應釜的可行性
1.2.1鋯金屬相關(guān)背景
隨著現(xiàn)代化工工業(yè)發(fā)展，需要應對的介質(zhì)環(huán)境越來越苛刻，不銹鋼與鐵、鎳合金難于勝任，而采用鋯用作結(jié)構(gòu)材料，盡管用其制作設備一次性投資很高，但從使用壽命、單元設備產(chǎn)量的增加、設備維修費用以及對工藝介質(zhì)無污染等綜合因素去考慮，用鋯作為化工設備的結(jié)構(gòu)材料是經(jīng)濟可靠的，越來越受到人們的青睞。
市場上的鋯材分為兩類：反應堆級和化工級，所謂的反應堆級為無鉿的鋯合金，因為鉿的存在會影響中子輻射，如2rcaloy-2，2rcaloy-4與2r-2.5Nb。化工用工業(yè)純鋯含鉿約小于4.5%，并不影響鋯的耐腐蝕性與力學性能。由于鋯礦中共存鉿，提煉時鉿難以分離，無鉿鋯較昂貴，化工級鋯（含鉿）較便宜。純鋯比重～6.49g/cm3，熔點～1850℃，線膨脹系數(shù)遠遠低于鋼，鋯材與鋼不能熔化焊接，對溶液中含Cl-、Fe3+離子耐受程度較低。
1.2.2鋯鋼復合的層次問題
迄今為止，我國尚無鋯和鋯合金設備的設計標準，并且缺少壓力容器用鋯材標準，主要參照ASME規(guī)范，同時又遵守《壓力安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。通常用于制造壓力容器的鋯材牌號為ZrR60702，采用純鋯制造壓力容器一般只適應低壓的小容器。因鋯材與鋼不能進行熔化焊接，應用爆炸成型技術(shù)，加工成鋯／鋼復合板用作容器主體材料，既耐腐蝕，成本也較低。比較通用的作法是鋯、鈦、鋼三層復合，采用鈦作過渡層剪切強度均值均很過280MPa，復合板界面結(jié)合率均可達到A級要求，因此，采用鋯、鈦、鋼三層復合是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)復合板的優(yōu)選。鋯材有核級及化工級，因耐腐蝕性能相同而化工級要便宜一些，制作容器一般選用化工級，從我們前期采用寶雞力興等廠家提供的鋯板作的掛片實驗情況來看，腐蝕率是非常低的（不大于0.10mm/a，折算成硫酸鋁生產(chǎn)實際使用工況），設計時如選用2.5mm厚鋯板，設計壽命十年無問題。因此，單純就防腐性能來說，國產(chǎn)力興等廠家提供的鋯板是勝任的。
2硫酸鋁帶壓反應釜的制作
15m3硫酸制備釜由陜西省寶雞市寶雞寶冶鈦鎳制造有限責任公司制造。具體參數(shù)如下：
3反應釜工業(yè)試驗
2012年3月，鋯材反應釜投入試運行。其工藝流程為：打開硫酸鋁反應釜的排氣閥和加料口，在常壓下向反應釜先‘次性加入按投料配比計量的化學水，開攪拌，再‘次性加入按投料配比計量的氫氧化鋁粉，然后，封閉投料口，再加入按投料配比通過從計量罐計量的濃硫酸，并控制加酸時間，然后關(guān)閉硫酸鋁制備釜的排氣口閥門繼續(xù)進行密閉帶壓反應100min，反應完后，通化學水冷卻，然后加‘定量的水將濃度稀釋到90～100gAl203/1后，繼續(xù)冷卻至100℃以下，將較終反應完后的硫酸鋁放入到硫酸鋁溢流罐中。該反應進行了5次，產(chǎn)品質(zhì)量和收率均滿足生產(chǎn)要求，反應時無需加熱，反應時壓力在0.2～0.3MPa，溫度在120～140℃，完全能滿足硫酸鋁生產(chǎn)需要。
4結(jié)論
以帶壓法制備硫酸鋁，其特點是：
(1)密閉環(huán)境下利用反應自身產(chǎn)生的熱能完成反應，可制備出合格的硫酸鋁溶液，較常壓法能耗低，且廢氣排放量少；
(2)該工藝采用了一種新型材質(zhì)——鋯復合材料制造的反應釜，耐腐蝕能力強，且該反應釜為國內(nèi)臺大容積壓力反應釜，系國內(nèi)首創(chuàng)。
