以天然碱生产重质纯碱结晶设计

1、以天然碱生产重质纯碱结晶设计陆先锋(湖南化工研究院,湖南长沙410007摘要:介绍了以天然碱为原料制取重质纯碱的结晶设计,重点分析了蒸发结晶器的形式、溶液的过饱和度、传热温差、循环型式和流速等因素对产品质量和系统的影响。该蒸发结晶器及蒸发结晶工艺对其它需要提高密度、粒度的产品的生产具有较为普遍的借鉴意义。关键词:天然碱;纯碱;结晶;工艺中图分类号:TQ13111+2文献标识码:B文章编号:1005-8435(200006-0041-03Design of Crystal Process of H eavy Soda Ash from T ronaL U Xian2feng(Hunan Rese

2、arch Institute of Chemical Industry,Changsha410007,ChinaAbstract:The design of Crystal Process of Producing Heavy Soda Ash from Trona was intro2 duced.Especially analysis the effect on production and system by the style of evaporated crystal2 lizer,supersaturation,difference in temperature,stay time

3、 and cycle speed.The evaporated crys2 tallizer also can be used in other production needed improve its proportion and granularity.K ey w ords:trona;soda ash;crystal;process重质纯碱的主要生产方法有挤压法、液相水合法、固相水合法、蒸发结晶法等。在国外,蒸发结晶法是以天然碱为原料生产优质重质纯碱的主要方法。而国内只有内蒙古伊克昭盟化工研究所在这方面做过小型试验。河南吴城天然碱矿3万t/a优质重质纯碱工程是国内第一套运用该法生产重

4、质碱的大型工业化装置。1工艺流程概述经过精制后的卤水经预热后送入多效蒸发器,经蒸发浓缩后送入蒸发结晶器内蒸发结晶,晶浆经离心分离后,大部分母液回蒸发结晶器继续蒸发结晶,小部分则需引出进行除杂处理或排放;湿的一水碱经煅烧后得到重质纯碱成品。工艺流程简图为:产品煅烧离心过滤结晶蒸发卤水2蒸发结晶器的设计目前国内外化工、制盐等行业的蒸发结晶器的主要形式有:Crystal2Oslo生长型蒸发结晶器、D. T.B型蒸发结晶器、DP型结晶器等,而在此之前,在国内天然碱加工行业中,基本上没有将蒸发与结晶过程分开,使结晶过程在蒸发器内完成,因此产品的粒径小、密度低,质量与国外同类产品相比有很大差距。河南吴城天

5、然碱矿3万t/a优质重质纯碱工程结晶工艺设计的最大特点是将蒸发与结晶分离开来,设计了一个独立的蒸发结晶器,使晶体能在结晶器内充分地生长并取得粒度均匀的产品,因此产品的密度有了很大的提高。该蒸发结晶器的结构形式如图1所示。第30卷第6期2000年12月湖南化工HUNAN CHEM ICAL INDUSTR YDecember2000作者简介:陆先锋(1968-,男,湖南长沙市人,工程师,现从事化工设计。收稿日期:2000-08-02 11除雾装置21蒸发室31加热器41结晶室51W 形底61搅拌器71导流筒81细晶捕集口图1蒸发结晶器简图1具有足够大的容积,能保证晶体在结晶器内充分地生长。结晶过

6、程一般分为两步:第一步是晶体的生成;第二步则是晶体的生长。为了获得高质量、大颗粒的重质纯碱,在控制好细晶生成的同时,还必须让晶体充分地生长,这就要求有足够的停留时间。在生产能力一定的前提下,停留时间与蒸发结晶器的有效容积成正比,有效容积越大,停留时间越长。在该工程设计中,设计停留时间约为12h ,投产几年来,一直运行良好,并取得了良好的效果。2能对晶体进行分级,确保晶体颗粒均匀。对晶体进行分级是获得粒度均匀的产品的关键。在该结晶器的设计中,采取的主要分级措施有:其一是将晶体取出口设置在适当的位置,确保只有粒径达到一定程度的晶体才会被取出;其二是在结晶器的上部设置了细晶捕集器,该捕集器能及时捕集

7、多余的细晶,有效控制晶体的数量。3工艺参数讨论311过饱和度由结晶动力学可知:结晶过程分为晶核的生成与晶核的成长两个阶段。其中晶核生成又可分为一次成核与二次成核。成核的快慢与溶液的过饱和度正相关,过饱和度越大,成核速率越快,晶体颗粒则越小;过饱和度越小,成核速率越慢,晶体颗粒则越大。图2形象地反映了过饱和度、成核速率、晶体颗粒成长之间的关系。值得注意的是,在工业上测定溶液的介稳态与不稳态的分界点(笔者将该点对应的过饱和度称为临界过饱和度是十分困难的,而且,临界过饱和度的实际意义也不大,在设计和生产中,有重大实际意义的是实用过饱和度。笔者对该装置的实用过饱和度进行了计算,计算结果为0102%,可

8、见,实用过饱和度是非常小的,在实际的操作过程中,控制起来也很困难,但是,当其它参数一定时,实用过饱和度与循环溶液的有效温升T 是正相关的,因此,在设计与实际生产中,我们可以通过控制循环料液的有效温升来控制溶液的过饱和度 。图2过饱和度、结晶、操作三要素的关系312传热温差传热温差是热量传递的推动力。如果单纯从传热的角度看,无疑,温差越大,传热效果越好。但是,由于在蒸发结晶过程中,溶液本身已处于饱和状态或过饱和状态,因此,当温差较大时,在管壁则会产生爆沸、析出晶体并粘附在管壁上形成垢层。污垢层有两大危害:1由于Na 2CO 3热阻很大,所以污垢层将极大地降低传热效率,从而降低设备的生产能力;2垢

9、层不断增长会造成堵管,因而必将缩短设备的清洗周期,给生产与维护造成极大的困难。因此,在设计与实际操作中,应在充分考虑到安全、稳定生产的前提下,选用适宜的传热温差。生产实践表明:1520的有效温差是较为适宜的。24湖南化工第30卷313循环型式及流速蒸发器内料液循环的方式有两种,即:自然循环和强制循环。目前国内外都普遍采用强制循环的蒸发结晶方式。强制循环的目的是为了强化加热器的传热能力,除此之外,强制循环还具有如下优点:1循环流速提高后,可利用溶液中已有的晶体及溶液本身对加热器的列管进行冲刷,清洗污垢,延长了结晶器的清洗周期,有利于生产的顺利进行。2循环流速提高后,缩短了物料在加热器内的停留时间

10、,避免溶液瀑沸或产生过高的饱和度,有利于晶体数量和晶体质量的控制。尽管提高循环速度有以上这些优点,但是,循环速度也不可太高,这是因为过高的流速不但将使操作费用剧增,而且还可能破坏晶体、使晶体分级困难。因此,循环速度的选取必须综合各方面的因素综合考虑,实践证明:2102.5m/s的循环速度对于一水碱的结晶工艺是较为适宜的。此外,在设计过程中,对循环机械的选取也十分重要,切忌选用高速离心泵作为循环泵,而应选用大流量、低扬程的轴流泵作为循环泵,这样,晶体才不致于撞碎,有利于获得高质量的晶体。5结语以天然碱为原料生产重质纯碱采用蒸发结晶工艺是可行的。装置投产几年来,一直运转正常,产品质量符合Z B G

11、12001-86专业标准中优等品的要求。取得了满意的效果。需要指出的是在该工程中采用的蒸发结晶器不但适用于制碱行业,对其它需要提高晶体粒径及密度的产品的生产也具有重要的借鉴意义。值得注意的是,不同矿区的原料的成分有较大的差别,在设计时必须针对原料的组成及当地的地理条件,对该工艺进行适当的调整和补充,才能取得更为满意的效果。参考文献:1中国纯碱工业协会.纯碱工学M.北京:化学工业出版社,1994.5946012李武,叶铁林.中国天然碱M.北京:化学工业出版社,1990.200207.3化学工程手册编委会,化学工程手册M.蒸发结晶篇.北京:化学工业出版社,1979.6569.4天津化工研究院.无机

12、盐工业手册M.北京:化学工业出版社,1996.456470.(上接第40页表3吸附床层再生操作数据序号氮气流量(m3/h电加热器出口温度(吸附器进口气温(加热再生时间(h吹冷时间(h从表3看出,加热再生吹冷的总时间为20h左右,而吸附时间为72h,则再生时间占吸附时间的28%左右,足够保证两台吸附干燥器连续循环运转。(3床层阻力在吸附干燥过程中,气体经吸附器的阻力用压力差计测定如下:运转10天后,床层压力为800Pa;8个月后,床层压力为1450Pa,吸附剂床层经8个月使用后,阻力增加650Pa。据此数据推算,分子筛的破碎率很小,气体中的灰尘引起堵塞不严重,只需每年大修时把吸附剂清理一次即可。4结论一氧化碳气体经过加压、降温使所含水分达到饱和析出,然后冷冻脱水,最后用X分子筛进行深度干燥可得到含水量低于50mg/m3的合格一氧化碳气体。一氧化碳气