碳化法制备氢氧化铝的系统及其碳化反应器的制作方法

1.本发明涉及氢氧化铝的生产技术领域，特别涉及一种碳化法制备氢氧化铝的系统及其碳化反应器。


背景技术：

2.活性氧化铝一般指γ-al2o3，有比较高的比表面积、吸附性强、表面化学特性、一定的孔隙率和孔径分布，常用作石油化工工业中的催化剂载体。γ-al2o3通常由拟薄水铝石在高温下焙烧而得。
3.生产拟薄水铝石的方法很多，总体上分为醇铝水解法和中和法。采用偏铝酸钠溶液和二氧化碳（碳化法）反应生成拟薄铝石的方法，可以看作是采用二氧化碳作为酸源的中和法，碳化法生产拟薄铝石因原料来源方便、生产过程“绿色环保”、成本低廉而得到广泛应用。
4.中国专利cn201110169570.x公开了一种无需较高的进气压力、气体分布均匀、气泡尺寸小、气体分布器不易堵塞及气体利用率高、氢氧化铝晶粒大小均一，孔径分布集中的制备氢氧化铝反应器。
5.另外中国专利cn206215214u也提供一种制备氢氧化铝的反应器，所述反应器包括反应器壳体、预混自吸组件和驱动密封系统；所述反应器壳体包括上封头、筒体和下封头，其中上封头上设有废气排出口，下封头上设有排净口，筒体中下部设有液体进料口和气体进料口，筒体上部设有反应器浆液流出口；所述预混自吸组件设置于反应器内部。所述反应器提高了传质效率，提高了气体的利用率。
6.以上两种制备氢氧化铝的碳化反应器均采用碳化法合成拟薄水铝石，但反应器都采用了高速旋转转子使气液两相形成强烈湍流，气相被剪切力切割成细微气泡。这种方法提高了传质效率，但强大的剪切力直接作用反应结晶过程，影响拟薄水铝石晶体生长过程，产生较多的细晶，使产品的粒度小并且粒度分布不集中，影响产品质量，难以大型化。
7.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

8.本发明的目的之一在于，提供一种碳化反应器，从而改善现有技术的碳化反应器制备拟薄水铝石的晶体粒度小且分布不集中的问题。
9.本发明的另一目的在于，提供一种碳化法制备氢氧化铝的系统及其碳化反应器，从而提高碳化法制备氢氧化铝的连续性和生产效率，降低能耗。
10.为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种碳化反应器，其包括：碳化段，其上部设有碱液进料口；淘洗沉降段，其连接在碳化段的下方，淘洗沉降段的直径大于碳化段的直径，淘洗沉降段的底部设有酸液进料口和排出口；释气导流筒，其同轴套设在淘洗沉降段内；溶气释放器，其设置在释气导流筒内并与酸液进料口相连接；下倾环
板，其外缘与碳化段的内壁相连接；以及伞盖，其分别留有间隙地盖设在释气导流筒和下倾环板上方。
11.进一步，上述技术方案中，下倾环板的内缘低于外缘，下倾环板的夹角为150~175
°
；下倾环板的内径为碳化段的直径的0.2~0.6倍。
12.进一步，上述技术方案中，下倾环板设有多层，相邻两层下倾环板之间的距离为碳化段的直径的0.3~0.8倍。
13.进一步，上述技术方案中，最低的一层下倾环板的外缘连接在碳化段的底端。
14.进一步，上述技术方案中，伞盖的直径大于相应的释气导流筒的直径和下倾环板的内径。
15.进一步，上述技术方案中，伞盖为圆锥型，其圆锥角为120~165
°
，底面直径为碳化段的直径的0.7~0.9倍。
16.进一步，上述技术方案中，伞盖的顶端与相应的下倾环板内缘的轴向距离为碳化段的直径的0.1~0.2倍。
17.进一步，上述技术方案中，伞盖和下倾环板周向均布有多个通孔，通孔的直径为8~12mm，开孔率为5~30%。
18.进一步，上述技术方案中，伞盖的外缘设有外齿。
19.进一步，上述技术方案中，外齿为梯形外齿，梯形外齿的齿高为50~150mm，上底的长度为10~60mm，下底的长度为20~100mm。
20.进一步，上述技术方案中，淘洗沉降段的直径为碳化段的直径的1.2~5倍。
21.进一步，上述技术方案中，释气导流筒的直径为200~800mm，高度为淘洗沉降段的高度的1/4~3/4。
22.进一步，上述技术方案中，溶气释放器位于释气导流筒的中心。
23.进一步，上述技术方案中，排出口位于释气导流筒之外。
24.进一步，上述技术方案中，碳化段上部设有碱液分布器，其与碱液进料口相连接。
25.根据本发明的第二方面，本发明提供了一种碳化法制备氢氧化铝的系统，其包括：如上述技术方案中任意一项的碳化反应器，浓偏铝酸钠溶液由碱液进料口进入碳化反应器；膜过滤器，其与碳化反应器的排出口相连接，膜过滤器设有透过液出口和截留液出口；反渗透脱盐系统，其与透过液出口相连接，反渗透脱盐系统的浓水出口与碱液进料口相连接；换热器，其与反渗透脱盐系统的产水出口相连接；以及溶气泵，其将换热器和原料气连接至酸液进料口。
26.进一步，上述技术方案中，反渗透脱盐系统的浓水出口连接mvr蒸发结晶系统。
27.进一步，上述技术方案中，膜过滤器的截留液出口依次连接老化、过滤、洗涤和干燥系统。
28.进一步，上述技术方案中，排出口到膜过滤器的流量为浓偏铝酸钠溶液的进料流量的2~60倍。
29.进一步，上述技术方案中，换热器将溶气泵的进水温度冷却至4~25℃。
30.与现有技术相比，本发明具有如下一个或多个有益效果：1. 通过释气导流筒、下倾环板、伞盖等结构，本发明的碳化反应器的流场分布得到优化，可视为连续平推流反应器，有效避免了轴向返混，大大提高了传质效率，连续碳化法的
生产强度比间歇鼓泡碳化法将提高4~8倍以上。
31.2. 淘洗沉降段的直径大于碳化段的直径，增大空间从而减缓浆液流速，溶气释放器释放的气液两相流上升遇伞盖转为横向并向上流动，由碳化段流下的反应浆液在溶气水动力作用下形成浆液环流；利用特殊设计的碳化反应器的淘洗沉降段内部结构提供适当的速度和均匀的流态化，能高效淘洗拟薄水铝石晶粒，可将可溶性杂质溶解去除，有利于降低排出浆液的钠离子含量。
32.3. 释气导流筒将淘洗沉降段分为两部分，释气导流筒的外部构成沉降浆液集合腔，排出口位于沉降浆液集合腔底部，浆液环流中晶粒大的拟薄水铝石颗粒因重力关系向下运动逐步落入到沉降浆液集合腔，而晶粒小的颗粒随液流回到上部碳化段继续长大。
33.4. 本发明的碳化反应器内无运动部件，采用液流循环，剪切力小，解决了在强化气液分布过程中造成的剪切力过大使产品晶体在生长过程中发生破碎，造成产品粒度减小、粒度分布宽的问题，有利于产品晶粒长大并使粒度分布集中，提高了产品质量。
34.5. 本发明的碳化反应器的伞盖的外缘设有外齿，能够分割气液二相流以增加气液接触面积，从而强化气液传质效果。
35.6. 碳化段内由多层伞盖和下倾环板构成气液两相流通道，气体和液体在之间呈“z”字形互为逆流流动，强化了碳化过程的传热、传质和混合过程。
36.7. 本发明实现了碳化法制备拟薄水铝石的连续化和规模化生产，其连续化程度高，液体的停留时间、气体流量和气液比等都可根据需要方便地调节便于优化工艺条件，同时具有气液传质效果好、物料返混率低，从而使粒度大且分布较窄、产品质量好、不同批次产品的稳定性好。
37.8. 本发明的碳化法制备氢氧化铝的系统使用膜脱固、脱盐技术，由于回用水的加入，可稀释进料至反应需要的低浓度，相对于传统的低浓度进料反应器，大大提高了进料偏铝酸钠浓度，增加了老化过程中浆液的浓度，减少了系统用水量和下游工序的处理量，提高了生产效率，降低了能耗。
38.9. 在碳化反应器外部设置换热器，通过低温溶气水而不是设置冷却盘管夹套控制反应器温度，根除了传统碳化反应器传热表面常见结疤现象，提高了传热效率同时也可保证系统的长周期正常运转。
39.上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
40.图1是根据本发明的一实施方式的碳化反应器的结构示意图。
41.图2是根据本发明的一实施方式的下倾环板及伞盖的俯视示意图。
42.图3是根据本发明的一实施方式的碳化法制备氢氧化铝的系统的示意图。
43.主要附图标记说明：10-碳化反应器，11-碳化段，111-碱液进料口，12-淘洗沉降段，121-酸液进料口，122-排出口，13-释气导流筒，14-溶气释放器，15-下倾环板，16-伞盖，161-外齿，17-通孔，18-碱液分布器，19-浆液环流，20-膜过滤器，21-透过液出口，22-截留液出口，30-反渗透脱盐系
统，31-浓水出口，32-产水出口，40-换热器，50-溶气泵。
具体实施方式
44.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
45.除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。
46.在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向（旋转90度或其他取向）且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
47.在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。
48.如图1所示，根据本发明具体实施方式的碳化反应器10，其包括碳化段11和连接在其下方的淘洗沉降段12，淘洗沉降段12的直径大于碳化段11的直径。示例性地，淘洗沉降段12的直径为碳化段11的直径的1.2~5倍，从而增大淘洗沉降段12的过流面积，以减缓浆液流速。本发明并不以此为限。碳化段11的上部设有碱液进料口111，淘洗沉降段12的底部设有酸液进料口121和排出口122。碳化段11内设置多层下倾环板15，下倾环板15的外缘与碳化段11的内壁相连接，每一层下倾环板15的上方盖设有伞盖16，下倾环板15和伞盖16之间留有间隙供流体通过。释气导流筒13同轴套设在淘洗沉降段12内，二者底部密封连接，溶气释放器14设置在释气导流筒13内并与酸液进料口121相连接。释气导流筒13的上方盖设有伞盖16，二者之间留有间隙供流体通过。溶气释放器14释放的气液两相流上升遇到伞盖16转为横向并向上流动，碳化段11流出的反应浆液在溶气水的动力作用下形成浆液环流19，浆液环流19中晶粒较大的拟薄水铝石颗粒因重力向下运动，逐步落入释气导流筒13之外的淘洗沉降段12的底部，而晶粒较小的颗粒随液流回到上部碳化段11继续长大。晶粒经溶气水逆流洗涤，可将可溶性杂质，例如naco3等，洗涤去除，大大降低排出浆液的钠离子含量。反应生成的浆液经淘洗沉降过程最后由排出口122离开碳化反应器10。
49.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，下倾环板15的内缘低于外缘，下倾环板15的夹角为150~175
°
。下倾环板15的内径为碳化段11的直径的0.2~0.6倍。
50.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，下倾环板15设有多层，相邻两层下倾环板15之间的距离为碳化段11的直径的0.3~0.8倍。优选而非限制性地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，最低的一层下倾环板15的外缘连接在碳化段11的底端，其内缘伸入到淘洗沉降段12中。
51.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，伞盖16的直径大于相应的
释气导流筒13的直径，伞盖16的直径大于相应的下倾环板15的内径，构成气液两相流通道，气体和液体在之间呈“z”字形互为逆流流动，强化了碳化过程的传热、传质和混合过程，作为连续反应过程可视为拟平推流反应器。
52.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，伞盖16为圆锥型，其圆锥角为120~165
°
，底面直径为碳化段11的直径的0.7~0.9倍。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，伞盖16的顶端与相应的下倾环板15内缘的轴向距离为碳化段11的直径的0.1~0.2倍。
53.结合图2所示，在本发明的一个或多个实施方式中，伞盖16和下倾环板15周向均布有多个通孔17，通孔17可供聚集在伞盖16和下倾环板15下部的气体通过，通孔17的直径为8~12mm，开孔率为5~30%。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，伞盖16的外缘设有外齿161。进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，外齿161为梯形外齿，梯形外齿为等腰梯形，齿高为50~150mm，上底的长度为10~60mm，下底的长度为20~100mm。
54.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，释气导流筒13的直径可以为200~800mm，高度为淘洗沉降段12的高度的1/4~3/4。
55.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，溶气释放器14位于释气导流筒13的中心。排出口122位于释气导流筒13之外。
56.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，碳化段11上部设有碱液分布器18，其与碱液进料口111相连接，碱液分布器18位于碳化段11中液面之上。
57.结合图3所示，根据本发明具体实施方式的碳化法制备氢氧化铝的系统，包括：如上述技术方案中任意一项的碳化反应器10，浓偏铝酸钠溶液由碱液进料口111进入碳化反应器10。当碳化反应器10中浆液的液位达到规定液位时，系统进入连续稳定运行状态。浆液由碳化反应器10底部的排出口122排出，经升压后进入膜过滤器20脱除固体颗粒。膜过滤器20的透过液出口21与反渗透脱盐系统30相连接，截留液出口22与老化系统（图中未示出）相连接。反渗透脱盐系统30可去除透过液中95%以上的盐类物质。反渗透脱盐系统30的一部分浓水经浓水出口31与浓偏铝酸钠溶液混合稀释后由碱液进料口111进入碳化反应器10，反渗透脱盐系统30的产水出口32与换热器40相连接。溶气泵50将换热器40和原料气（二氧化碳）连接至酸液进料口121。
58.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，反渗透脱盐系统30的另一部分浓水经浓水出口31进入mvr蒸发结晶系统（图中未示出）分离出碳酸钠等盐和冷凝水。
59.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，膜过滤器20的截留液即为含拟薄水铝石浓浆液，需进行老化、过滤、洗涤和干燥过程，由于通过膜过滤器20增加老化浆液的浓度，可提高生产效率。
60.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，碳化反应器10中的浆液经排出口122到膜过滤器20的流量为浓偏铝酸钠溶液的进料流量的2~60倍，优选为6~40倍。
61.进一步地，在本发明的一个或多个示例性实施方式中，换热器40将溶气泵50的进水温度冷却至4~25℃，以降低溶气过程温度增强溶气效果，并进一步将溶气水直接作为冷源调节碳化反应器10的反应温度，达到取消反应器的冷却盘管的目的，从根本上避免传热面结疤而影响反应器长周期运行的问题，换热器40可为板式或管式热交换器，优选板式热
交换器。
62.采用本发明的碳化法制备氢氧化铝的系统的工艺过程如下：首先使用降温加压的方法使二氧化碳气体溶于净水形成溶气水，然后将铝酸钠溶液（碱液）和二氧化碳溶气水（酸液）在碳化反应器中接触得到要求品型的拟薄水铝石；同时使用脱固、脱盐技术，从反应浆液分离出净水并循环利用，这样建立“反应器
→
脱固、脱盐
→
净水溶气
→
反应器”的水循环，通过调节水循环量从而调节进入碳化反应器二氧化碳的量；改进了碳化反应器中的流场分布，使铝酸钠溶液（碱液）自上而下通过碳化反应器，溶气水形成的气液二相流则自下而上上行，其中气相为分散相，液相为反应相和流动相，这样有效避免了轴向返混，使碳化反应器可视为连续平推流反应器。本发明制备氢氧化铝的系统由碳化成胶、脱固、脱盐、溶气、老化、过滤、洗涤和干燥单元组成。
63.下面以具体实施例的方式更加详细地说明本发明的碳化法制备氢氧化铝的系统，应了解的是，本发明并不以此为限。
64.实施例1本实施例的碳化法制备氢氧化铝的系统如图1~图3所示，其生产过程如下：al2o3浓度为300~400g/l的浓偏铝酸钠溶液与反渗透脱盐系统30的浓水混合稀释为al2o3浓度为20~160g/l的稀偏铝酸钠溶液，优选稀释为al2o3浓度为50~85g/l的稀偏铝酸钠溶液。
65.稀偏铝酸钠溶液经碱液进料口111由碱液分布器18从碳化反应器10的上部加入。同时，经酸液进料口121由溶气释放器14向碳化反应器10内连续通入带压低温溶有co2气体的溶气水，溶气水的温度为4~30℃，压力为常压~2.5mpa。溶气水出溶气释放器14释放出微细气泡形成气液二相流，微细气泡可达20~30微米。二氧化碳和稀偏铝酸钠在碳化反应器10中发生气-液反应。控制酸液、碱液的流量，保持碳化反应器10内的ph值恒定在9.5~11.5之间，优选在10.0~10.5之间，连续进行碳化反应。碳化反应器10内的温度控制在10~50℃，优选控制在15~38℃。反应开始时，碳化反应器10预加有一定量的垫底水，碳化反应器10为常压操作。
66.工作过程中，碳化反应器10的溶气释放器14在释气导流筒13内释放的气液两相流上升遇伞盖16转为横向并向上流动，由淘洗沉降段12自下而上流向碳化段11；经碱液进料口111由碱液分布器18从碳化反应器10液面上部加入的稀偏铝酸钠溶液进入碳化段11自上而下流动，两股逆流流动的流体在碳化段11接触反应。碳化段11内多层伞盖16和下倾环板15构成气液两相流通道，气体和液体在之间呈“z”字形互为逆流流动，强化了碳化过程的传热、传质和混合过程，作为连续反应过程可视为拟平推流反应器。碳化段11流下的反应浆液在溶气水动力作用下形成浆液环流19，提供适当的速度和均匀的流态化，为沉淀淘洗拟薄水铝石晶粒提供了时间和空间，经去离子的释气水与晶粒逆流洗涤，浆液环流19中较大的晶粒因重力关系向下运动逐步落入到淘洗沉降段12的底部排出碳化反应器10，而晶粒较小的颗粒随液流回到碳化段11继续长大。沉淀、淘洗过程可将可溶性杂质如naco3等洗涤去除，降低了排出浆液的钠离子含量，提高排出浆液的晶粒粒度。
67.从碳化反应器10排出数倍于浓偏铝酸钠溶液进料量的浆液进行脱固、脱盐处理，大部分脱盐水进入溶气泵50溶解二氧化碳气体形成溶气水，少部分脱盐水用于稀释浓偏铝酸钠溶液，膜过滤器20脱固截留液即为含拟薄水铝石浓缩浆液，经老化、过滤、洗涤、干燥过
程后制成拟薄水铝石产品，浓缩碳化反应浆液可减少后续工序的处理量，提高生产效率。
68.膜过滤器20透过液经反渗透脱盐系统30处理后形成脱盐水和大部分反渗透浓水在系统内部循环利用形成大流量的水循环，解决了二氧化碳溶解度低而需要大量溶解水的难题，同时脱固脱盐过程的加入也为提高生产效率提高产品质量打下基础，少部分反渗透浓水排出系统进行mvr蒸发结晶，使系统的盐含量达到平衡。
69.反渗透浓缩系统30产水出口与溶气泵50之间设置换热器40，将溶气泵50进水温度冷却至4～25℃，以降低溶气过程温度增强溶气效果，并进一步将溶气水直接作为冷源调节碳化反应器10反应温度，达到取消了碳化反应器10中冷却盘管的目的，从根本上避免传热面结疤而影响反应器长周期运行的问题。
70.反渗透脱盐系统30的产水经降温后进入溶气泵50，溶气泵50设有二氧化碳气体入口、水入口和溶气水排出口，可进行气液吸引、混合、溶解过程，在溶气泵50进气口通入纯二氧化碳气体，溶气过程温度为4～25℃，泵出口压力为0.1～2.5mpa，溶气泵50出口溶气水的二氧化碳含量为2.0～20.0l/kg水，优选为4.0～10.0l/kg水。
71.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。