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基于Aspen Plus铝灰制取聚合氯化铝的工艺优化及控制策略

刘定平 ,  何文浩 ,  王海 ,  陈爱桦 ,  周俊

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (3) : 233 -237.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (3) : 233-237. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.03.041
工业技术

基于Aspen Plus铝灰制取聚合氯化铝的工艺优化及控制策略

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Optimization and control strategy of aluminum dross to polyaluminum chloride process based on Aspen Plus software

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摘要

采用Aspen Plus软件对铝灰制取聚合氯化铝的过程建模,仿真优化结果表明,在温度80℃、盐酸质量分数20%和液固比10时PAC的产率最优;在优化条件下,H2和NH3的体积分数均低于爆炸极限;溶液的氨氮含量随温度升高而降低,随盐酸质量分数和液固比增加而上升。该模型设置灵活,可为铝灰制取聚合氯化铝的工艺优化和控制方案提供依据。

Abstract

By means of Aspen Plus software,a model is established for the aluminum dross to polyaluminum chloride (PAC) process.The simulation optimization results show that the optimal PAC yield is achieved under a temperature is 80℃,a hydrochloric acid concentration of 20%,and a liquid-solid ratio of 10.Under the optimized conditions,the volume fractions of H2 and NH3 are both lower than their own explosion limit.Ammoniacal nitrogen content in the solution decreases with increasing temperature,but increases with increasing hydrochloric acid concentration and liquid-solid ratio.This model is flexible in its settings,and can provide a basis for the optimization and control of the process for producing PAC from aluminum dross.

Graphical abstract

关键词

Aspen Plus / 控制策略 / 模拟优化 / 聚合氯化铝 / 铝灰

Key words

Aspen Plus / control strategy / simulation optimization / polyaluminum chloride / aluminum dross

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刘定平,何文浩,王海,陈爱桦,周俊. 基于Aspen Plus铝灰制取聚合氯化铝的工艺优化及控制策略[J]. 现代化工, 2025, 45(3): 233-237 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.03.041

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铝灰是来自铝冶炼、铝制品加工等过程的危险废弃物,若处理不当,不仅会对人的健康产生影响,还会对大气、水质以及土壤造成严重危害。但铝灰中的金属铝、氧化铝、氮化铝、盐等是有用资源,传统的粗放式处理方式既不符合环保要求,也是一种资源浪费[1]。铝灰的无害化资源化利用是当今研究的热门问题,众多学者研究不同的方法以实现铝灰的资源化利用,但大多数为实验室研究,未考虑在工业过程中的系统化应用[2]。而利用铝灰和盐酸生产聚氯化铝[3]是实现资源化利用的一条重要途径,由于当今铝灰制取聚合氯化铝的工艺研究不足,导致铝灰整体工艺生产中的反应过程及其参数控制不明确,存在剧烈爆炸、大量资源损耗、二次污染和区域准入难度大[4]的问题。因此对铝灰制取聚合氯化铝的工艺进行分析研究,进而提出优化控制策略是十分必要的。
Mahinroosta等[5]利用盐酸浸出二次铝灰,发现在粒度为38~75 mm、浸出时间为120 min、浸出温度为85℃、酸浓度为5 mol/L、液固比为20 mL/g的条件下,氧化铝的浸出率可达83%,有利于后续产品产率的提高。Sarker等[6]在HCl为4 mol/L、浸出时间为120 min、浸出温度为100℃的条件下浸出铝灰,氧化铝浸出率最高可达71%。同时还发现氧化铝的浸出率随着酸浓度、浸出时间和温度的增加而增加。晁曦等[7]在盐酸浓度6 mol/L、液固比4∶1 mL/g、温度85℃、酸浸时间2 h的条件下浸出铝灰,其中Al浸出率可达53.8%。同时得到了制取聚合氯化铝的较优参数:铝酸钙12 g/80 mL酸浸液,反应温度为85℃,反应时间为1.5 h,搅拌转速为200 r/min。杜凯峰等[8]以铝灰和废盐酸为原料,通过实验得到铝灰和废盐酸制备聚合氯化铝的最佳工艺参数,实验结果表明,原料配比和熟化温度对聚合氯化铝的性能具有显著影响。
上述研究均基于某特定条件试验结果,如何建立相应仿真模型进行定性分析,涉及铝灰处理工业的整体运行特性相当匮乏,这制约了该铝灰无害化资源化利用的深入发展。鉴于铝灰的高危险性,直接进行大量的定量研究不仅成本高昂,而且伴随着极高的安全风险。因此,采用仿真模型进行建模研究,不仅能够有效规避这些风险,还能提高研究的效率。
本文中采用Aspen Plus软件建模分析铝灰制取聚合氯化铝的过程,通过建模对工艺参数进行优化,为铝灰无害化资源化利用系统的优化运行和控制策略提供依据。

1 模型建立

1.1 工艺流程简介

基于某铝灰资源化利用工厂铝灰酸浸制取聚合氯化铝的工艺流程,对输送装置、泵和管道等设备进行简化处理后建立铝灰酸浸仿真模型,主要由RCSTR模块、Sep模块、PUMP模块和5股流股组成(图1)。铝灰投加方式为连续入料,每小时投加固定质量至反应器中与盐酸混合搅拌,生成的聚合氯化铝液体与铝渣分离后进入后续熟化、提纯、干燥等工艺进一步提高品质,气体经顶部出口吸收后分离储存。

1.2 组分定义及输入

模型的组分设置以某厂产生的二次铝灰为基础,铝灰原料经预处理后采用电子探针(EPMA-1600)进行元素分析,采用X射线衍生分析(XRD)进行物相分析[9-10],得到铝灰中各元素和组分的质量分数。根据实际工艺条件和物料平衡,对模型中的化学反应和溶出物质做出一致假设后输入至模型。其中主要反应物为Al2O3、Al、AlN、HCl和H2O,分别生成AlCl3、H2、NH3。MgAl2O4、SiO2、NaCl、KCl等视为惰性物质,不与盐酸进行反应。所有化学反应的动力学参数不随反应条件变化,以上物质皆定义为常规组分。对于Aspen Plus中缺少的物性参数,可利用物性估算系统(PCES)估算其物性参数,根据该厂实际聚合氯化铝的物性数据定义液体聚合氯化铝的平均分子质量、分子结构和其他物性参数,在系统中逐一输入,命名为PAC。
本文中选取该厂的调试数据输入各流股的参数,铝灰和盐酸皆以常温常压进行定义,如表1所示。

1.3 物性方法的选择

铝灰入料为常温常压的固体混合物,浸出过程为固体与液体之间的非均相反应。对于铝灰湿法冶金等以电解质溶液为主要反应体系的过程,选择ELECNRTL作为模型的物性方法。它考虑了离子间的相互作用以及离子与溶剂分子之间的相互作用,可以处理多组分体系,在中低压体系下表现良好,适用于较宽的温度范围,能够准确描述铝灰酸浸过程中的热力学性质。

1.4 模型验证

将模拟结果与现场运行记录数据对比,结果如表2、表3所示。各流股之间质量流量的相对误差均在4%以内,可用于下一步模拟研究。

2 基于模型的工艺优化分析

浸出率是评价铝灰浸出过程的一个重要指标,通过优化盐酸质量分数、液固比、反应温度等参数可以最大限度提高铝灰的浸出率[11],同时考虑这些参数对系统中其他参数的影响,进而实现铝灰制取聚合氯化铝工艺的整体优化。

2.1 反应温度的优化

为控制反应温度升高所带来的能耗增加以及盐酸挥发等问题,设定在盐酸质量分数为20%,液(酸+水总量)固比为10的条件下,利用Aspen Plus对模型进行优化分析。以反应器的反应温度为操纵变量,以液体流股中PAC、气体流股中HCl、NH3、NH4Cl和H2的质量流量为采集变量进行灵敏度分析,结果如图2所示。
由图2(a)可知,随着反应温度升高,PAC的质量流量先逐渐上升,在80℃时开始逐渐下降。温度升高对铝灰的浸出速率和盐酸挥发都有影响[12],当温度升高对浸出速率的正面影响大于对盐酸挥发可能带来的负面影响时,PAC的产率将得以提升。由图2(b)可知,随着反应温度升高,盐酸挥发量持续上升,特别是在温度超过80℃后,挥发速率进一步加快。然而,当温度超过80℃的阈值后,盐酸的挥发速率急剧增加,负面影响开始占据主导地位,同时过高的温度还可能破坏PAC的聚合态结构[13],导致PAC的质量流量下降。因此反应温度不宜超过80℃。
反应温度对铝灰浸出率的影响也可以从图2(c)、(d)中看出,随着反应温度升高,NH3和H2的质量流量均呈现增加趋势。但在温度达到80℃时,这种增加开始趋于平缓。这表明在80℃的温度点,温度升高对浸出速率与盐酸挥发的影响达到了动态平衡状态,若继续提高温度,将不利于铝灰的浸出。此外,H2的质量流量仅在52.84~53.32 kg/h之间波动,这是因为金属铝的活化能较低,与盐酸的反应可以在较短时间内高效完成[14]。同时,随着反应温度升高,溶液中的NH4Cl逐渐减少。综合考虑提高PAC产率、降低溶液中氨氮污染以及减轻盐酸对管道的腐蚀等方面,选择80℃为最佳反应温度。

2.2 盐酸质量分数的优化

为降低盐酸投入成本并提高实际利用效率,在反应温度为80℃,液固比为10的条件下,以入料流股的盐酸质量分数为操纵变量,以液体流股中PAC、气体流股中HCl、NH3、NH4Cl和H2的质量流量为采集变量进行灵敏度分析,结果如图3所示。
由图3(a)分析可知,提高盐酸的质量分数起初促进了PAC质量流量的增加,然而超过22%的阈值后,PAC的质量流量开始缓慢降低。由图3(b)可知,随着盐酸质量分数的提高,盐酸挥发量显著上升,尤其是在盐酸质量分数达到20%后,挥发趋势进一步呈现增长。在保持反应温度为80℃的条件下,各盐酸质量分数下溶液中的HCl实际含量均低于总量的80%。图3(c)表明NH3和NH4Cl的质量流量随着盐酸质量分数的升高而持续上升。尽管提高盐酸质量分数会使挥发量不断上升,但仍有足够的原料进行反应,总体上促进了铝灰的浸出从而提高了PAC的产率。然而,当盐酸质量分数超过22%时,过多的H+会抑制水解和聚合过程,导致PAC产率下降。此外,提高盐酸质量分数在促进AlN浸出率的同时也促进了NH4Cl的生成,不利于产品后续提纯。在反应温度为80℃,盐酸质量分数介于 14%~26%时,金属铝仍能在1 h内反应完成,因此H2的质量流量在此区间内保持相对稳定,如图3(d)所示。在保证PAC产率尽可能高的前提下,综合考虑降低盐酸用量成本、盐酸挥发以及减少溶液中氨氮污染,建议将盐酸质量分数控制在20%左右。

2.3 液固比的优化

在铝灰酸浸过程中,液固比较低会使溶液黏度大,不利于粒子的扩散[15],而液固比过高会使运行负荷增大,需要选择合适的液固比以提高PAC的产率。在反应温度为80℃,盐酸质量分数为20%的条件下,以入料流股中盐酸溶液和铝灰的质量流量之比(kg/kg)为操纵变量,以液体流股中PAC、气体流股中HCl、NH3、NH4Cl和H2的质量流量为采集变量进行灵敏度分析,结果如图4所示。
由图4(a)可知,当液固比从7增加到12时,PAC的质量流量先上升后趋于稳定。图4(b)中随着液固比增加,盐酸挥发量呈线性增长趋势,仅控制盐酸溶液的质量增加时,其挥发比例相对恒定。而图4(c)中NH3和NH4Cl的质量流量随液固比的增加而缓慢上升。综合图4的结果可知,适当提高液固比有利于各反应物之间的充分接触,从而促进了PAC的生成。然而,当液固比超过10后,反应接近极限,继续增加盐酸溶液的质量对PAC产率的提升作用有限,甚至在液固比达到11时出现下降趋势。此外,H2的质量流量仍保持相对稳定,说明在研究变量范围内,金属铝能够在1 h内反应完成。为了提高PAC的产率,同时避免盐酸大量挥发引起的腐蚀问题,降低溶液中的氨氮含量并减轻设备运行负担,建议将液固比控制在10。

2.4 爆炸极限分析

铝灰在大量厂内贮存时,不仅占用了宝贵的存储空间,而且存在严重的环境风险。特别是H2和NH3的释放,这2种气体在特定浓度下均具备燃烧和爆炸的潜在危险。氢气在空气中的体积分数达到4.1%~74.8%时易于燃烧,而在18.3%~59.0%的范围内则易发生爆炸[16]。同样,氨气的爆炸极限范围是15%~28%,在这一浓度范围内,如遇点火源,将可能引发严重的安全事故。
由表4可知,在反应温度为80℃、盐酸质量分数为20%、液固比为10的条件下对模型中H2和NH3的体积流量进行变量采集,体积分数均低于爆炸极限。尽管如此,气体扩散和爆炸的潜在风险仍不能忽视。因此,在推动铝灰定量资源化利用的同时,建立严格的气体监测和控制系统,实时监测各反应流程中H2和NH3的浓度,并在浓度接近爆炸极限时自动启动警报和应急处理机制。此外,还应设计合理的气体收集和处理系统,将产生的H2和NH3及时输送至各处理塔中加以利用或安全处理,避免气体扩散以及可能的事故风险。

3 结论

基于铝灰酸浸制取聚合氯化铝的工艺,利用Aspen Plus软件建立了铝灰酸浸的仿真模型。在模型研究基础上,探究了反应温度、盐酸质量分数、液固比对PAC、HCl、NH3、NH4Cl和H2质量流量的影响,得到以下结论。
(1)反应温度、盐酸质量分数和液固比是影响PAC产率的关键因素。随着反应温度升高,PAC的质量流量在达到80℃前呈现上升趋势,但随后因盐酸挥发速率急剧增加而下降。盐酸质量分数从14%增加到22%提高了PAC产率,但超过22%后,PAC产率有所下降。液固比从7增加到11时能够提高PAC的产率,但盐酸挥发量也呈线性增长,且液固比超过11时PAC产率存在下降趋势。综合考虑提高PAC产率和减少盐酸腐蚀等因素,铝灰制取聚合氯化铝工艺的最优条件为:反应温度80℃、盐酸质量分数20%和液固比10。
(2)在反应温度为80℃、盐酸质量分数为20%、液固比为10的最优条件下,H2和NH3的体积分数分别为16.1%和2.8%,均低于爆炸极限。为避免气体扩散以及可能的事故风险,仍需加强气体的及时输送和收集,建立严格的气体监测及控制系统。
(3)溶液的氨氮含量随着反应温度升高而下降,但当盐酸质量分数和液固比增加时,溶液的氨氮含量呈现上升趋势。为降低溶液中的氨氮含量,反应温度应高于70℃,而盐酸质量分数和液固比分别不宜超过20%和10。

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