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酸浸提铝是工业煤基固废资源化利用的重要途径之一，但复杂酸浸体系的高效分离一直是困扰其实际工业应用的关键问题。本文针对煤基固废的酸浸提铝，实验测定并理论计算了其盐酸浸取体系的多元相平衡基础数据，考察了酸浸液减压蒸发结晶及其结晶氯化铝粗产品的纯化过程，同时，对蒸发结晶设备的换热结构进行了数值模拟研究，为煤基固废盐酸浸取提铝工艺的过程开发与装备设计提供基础依据。 首先，利用等温溶解平衡法测定了298.15K和308.15K时AlCl3+CaCl2+FeCl3+H2O四元体系及其三元子体系的溶解度和物性数据，为酸浸液结晶提铝工艺的开发设计提供基础依据。相图结果表明AlCl3+CaCl2+H2O和AlCl3+FeCl3+H2O体系均为简单共饱和体系，其中AlCl3·6H2O结晶区相对较大，即AlCl3的溶解度较小，FeCl3和CaCl3对AlCl3均存在较强盐析作用。同时，钙盐结晶平衡固相由298.15K时的CaCl2·6H2O脱水成为308.15K时的CaCl2·4H2O，三元体系FeCl3+CaCl2+H2O存在复盐结晶区，通过解析法计算可知298.15K时复盐组成为CaCl2·2FeCl3·8H2O，308.15K时为CaCl2·2FeCl3·7H2O。四元体系AlCl3+CaCl2+FeCl3+H2O的平衡特征与其三元子体系相同，其干盐相图表明该体系存在四个结晶区，并以铝盐结晶区为最大，即由于同离子效应，AlCl3·6H2O最易从溶液中析出。基于溶度积理论和Pitzer模型，通过非线性最优化算法理论计算了298.15K时三元体系相平衡数据，拟合计算结果与实验值基本一致，但FeCl3+CaCl2+H2O三元体系存在性质尚未明确的无定形复盐，其计算效果相对较差。 在相平衡数据测定的基础上，实验研究了酸浸体系减压蒸发结晶及其结晶粗产品的纯化过程。结晶过程研究表明，蒸发温度、蒸发速率和搅拌转速是影响结晶氯化铝产品尺寸形貌的关键性因素，较高的蒸发温度与充分的搅拌混合有助于强化过程传递作用，促进晶体均一生长，但高温水解作用和高搅拌转速下的二次成核、晶体破碎过程是其主要限制因素，同时，加快蒸发速率有助于提高操作效率，但相应的高过饱和度容易导致细晶的产生，降低产品质量。总体而言，在蒸发温度343.15K、加热温差10K、搅拌转速300rpm（双叶离心式搅拌桨）的小试实验条件下可获得产品质量较好的短棍状结晶氯化铝产品，晶体平均长度1086.8μm，平均直径355.24μm，尺寸变异系数小于2.5％。此外，纯化过程研究表明，粗产品经一次洗涤后难以满足工业应用要求，其关键指标Fe元素含量超标，同时，晶体洗涤滤液可重复利用性能良好，三次重复洗涤后的滤液对粗盐中Fe元素的洗脱率仍高达80％以上，基于此，则进一步设计形成了循环式结晶氯化铝梯级洗涤工艺方案，洗涤产品指标均满足现行工业结晶氯化铝行业标准。 作为蒸发结晶设备的关键组成单元，高效换热结构的设计开发是其实际工业应用的重要保障。相关换热结构的计算流体力学(CFD)模拟结果表明，湍流模型对边界层的预测效果及其对湍流-层流转捩的处理能力是提高计算精度的关键，相比于雷诺平均模型（RANS），大涡模拟(LES)和RANS/LES混合模型通常因其更小的解析尺度而更具优势。但随着模型发展，RANS计算精度已然不亚于其它两者，且由于模型简化处理，其计算成本要低得多，已有计算结果显示，对于错流管束的模拟，k-kl-ω模型因其转捩机制的唯象理论建模而具有明显优势。另一方面，由于RANS对边界层、转捩通常采用经验或半经验简化处理，使得模型应用范围相对受限，逆流换热结构的数值传热分析结果表明，k-kl-ω和Transit SST转捩模型在雷诺数跨度范围较大时的模拟效果并不理想，计算结果存在明显偏差。此外，本文对比考察了CFD与格子-玻尔兹曼法(LBM)的计算效率，结果显示两者计算精度大体相当，计算时间大致相同，但LBM模型主要是基于平衡态分布函数的粒子追踪计算，避免了类似于CFD的几何网格离散过程，具有更强的几何适应性和更高的建模效率，适用于换热单元复杂内构件的设计优化。后续基于CFD传热模拟计算结果，完成了三效蒸发工艺及其外置循环换热结构的概念设计。