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对三氯化铝溶液蒸发工艺与设备的研究与分析 发布时间:2020-09-13 17:23:28

摘要:由于三氯化铝水溶液pH值呈酸性、电离产生的Cl-为金属电化学腐蚀的激发剂,因此,现行的三氯化铝溶液加压蒸发工艺是不妥当的。该工艺虽能有效利用蒸发过程中产生的二次蒸汽,但会导致蒸发器选材、防腐、清洗困难及三氯化铝产品质量下降。建议在工艺流程的设计上将三氯化铝溶液的加压蒸发改为减压蒸发以降低蒸发压力和蒸发温度,在蒸发器的选材选型上选用石墨材质的普通型蒸发器。

笔者在2012年9月曾参加一场关于三氯化铝蒸发设备方面的技术讨论,出席技术讨论会的人员有校企双方的领导、专家、老师及工程技术人员,讨论主要围绕蒸发器材质的选择、防腐、清洗等几个方面进行。会后通过整理会议记录,进一步查阅三氯化铝中试蒸发部分的工艺流程图和蒸发器总图,结合在企业、学校的工作体会,笔者谈谈对三氯化铝溶液蒸发工艺与设备的研究与分析。

1三氯化铝及其水溶液的性质

三氯化铝可用作有机合成反应中的催化剂、制备铝有机化合物及金属的炼制。纯的三氯化铝是一种白色颗粒或粉末,工业品级三氯化铝呈淡黄色。三氯化铝暴露在空气中极易吸收空气中的水分并部分水解释放出HCl而形成酸雾,更易溶于水并强烈水解。水解反应式:

AlCl3+3H2O=Al(OH)3↓+3HCl

三氯化铝水解反应的实质可用离子反应方程式表达:Al3++3H2O=Al(OH)3↓+3H+

三氯化铝是强电解质,在水中三氯化铝完全电离生成Al3+和Cl-,Al3+再发生水解反应而析出H+,因此,三氯化铝水溶液呈酸性。该水解反应是放热反应,而水解释放的热量又会加速Al3+的水解。如果蒸发温度过高且失控,则会导致蒸发器内产生大量的HCl气体(来不及被水吸收)而使蒸发器发生爆炸。相关物化数据:密度2.44g·cm-3,熔点190℃(2.5大气压),沸点182.7℃,在177.8℃升华。

2三氯化铝溶液蒸发过程中电化学腐蚀

金属材料的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。通俗地讲,发生在纯化学试剂中的腐蚀为化学腐蚀,发生在电解质溶液中的腐蚀为电化学腐蚀。三氯化铝水溶液为电解质溶液,因此蒸发器遭受的腐蚀是电化学腐蚀。

金属材料发生电化学腐蚀的原因既有内因又有外因。内因是金属材料表面存在电化学不均一性,这种电化学不均一性可以由金属材质化学成分的不均一性、金属组织结构的不均一性、金属表面物理状态的不均一性或金属表面膜的不均一性导致。外因是环境因素,包括介质、温度、压力、流速等。

三氯化铝溶液蒸发器遭受电化学腐蚀的内因应重点关注蒸发器内部金属构件材质的选择及表面膜的不均一性。外因应重点关注4点:(1)三氯化铝水解产生的H+是电化学腐蚀的去极剂(或氧化剂);(2)AlCl3电离产生的Cl-是电化学腐蚀的激发剂;(3)较高的蒸发温度会加快电化学腐蚀反应;(4)较高的蒸发压力可能导致应力腐蚀的发生。

3三氯化铝溶液蒸发工艺流程

技术讨论会上所展示的工艺流程为三氯化铝溶液加压蒸发工艺流程,准确地讲,该流程还是处于初步设计阶段,因为图纸上管线、阀门、重要管件、仪表控制点都没进行标注。

笔者认为,技术讨论会上所展示的三氯化铝溶液加压蒸发工艺流程是不大合理的,因为加压蒸发会导致较高的蒸发温度和蒸发压力,而较高的蒸发温度和蒸发压力的弊端在于:

(1)较高的蒸发压力对三氯化铝的水解反应没有明显影响,但较高的蒸发温度会加速三氯化铝的水解,从而降低AlCl3的产量。

(2)较高的蒸发温度和蒸发压力会加速蒸发器的腐蚀,不但使蒸发器选材、选型、检修困难,而且会因蒸发器中析出腐蚀产物的增多而降低三氯化铝的质量。

(3)三氯化铝的水解反应是放热反应,较高的蒸发温度会加速三氯化铝的水解而释放更多的热量,易使蒸发温度过高且失控,能导致蒸发器内产生大量的HCl气体(来不及被水吸收)而使蒸发器发生爆炸。综上所述,建议将AlCl3溶液的加压蒸发改为减压蒸发,真空由水喷射泵或蒸汽喷射泵提供。至于能否采用三效减压蒸发,这还需进一步查阅资料后核实,目前认为这种可能性比较小。

4蒸发器选材和选型

在蒸发器的选材选型上选用石墨材质的普通型蒸发器,这样既能降低设备的投资费用,又有利于蒸发器的防腐。

5工艺方案的改进对解决设备系列问题的积极作用

化工工艺专业始终是化工企业中各专业的龙头专业。对于三氯化铝溶液的蒸发,一旦采用加压蒸发工艺,那么蒸发器的选材、选型、防腐、检修都会存在较大的困难,如果改用减压蒸发,那么这些问题都会迎刃而解。因此,对于工艺设计,应对不同的设计方案、路线进行分析、比较、优化,这样不但能提高工艺设计的质量,而且会使设备专业的一些问题较顺利地解决。

6对工学结合及企业技术保密制度的思考

以我校为核心的化工职业教育集团成员单位中,笔者能够确认至少有一家企业生产三氯化铝产品,该项目是在近5年内投产的。在带学生下厂实习时,有机会的话,专业教师应适当与从事三氯化铝工艺、设备管理的工程技术人员探讨、交流,这样既能检验和提升自己对三氯化铝蒸发工艺、设备的认识认知水平,可能也会有助于三氯化铝设计、生产、检修中实际问题的解决。需要注意的是,这种交流与探讨是以尊重企业的技术保密制度为前提的。在计划经济时期,企业遇到较大的技术难题时可以与同业企业探讨、交流甚至实地考察,某企业有技术上的重大革新时行业主管部门会及时组织向同业企业推广,这些做法和措施都曾经有效推动了企业甚至一个行业的技术进步。进入市场经济时期后,由于企业改制及市场同业竞争的加剧,同业企业几乎都制定了较严格的技术保密制度,相互之间实行技术封锁。企业的技术保密必须有一个度,否则对一个企业或行业的发展来讲都是不利的。


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