（熊匯洋 眉山鵬福進(jìn)出口有限公司）

1 前 言

元明粉主要用于洗滌劑、 硫化堿、 玻璃、 印染等工業(yè)。近年來, 隨著江蘇、 四川等地芒硝礦的大量開發(fā), 一方面呈現(xiàn)出供大于求的趨勢(shì)。另一方面, 消費(fèi)者對(duì)元明粉產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求, 其中需求最迫切的就是粒徑在 120 目以上的大顆粒元明粉,因?yàn)檫@種大粒徑的元明粉具有純度高, 流動(dòng)性好, 不易結(jié)塊, 使用過程中粉塵小, 生產(chǎn)洗衣粉時(shí)易膨化等

優(yōu)點(diǎn)。

2 影響元明粉產(chǎn)品粒徑的因素分析

目前, 國(guó)內(nèi)的元明粉生產(chǎn)主要采用多效真空蒸發(fā)生產(chǎn)工藝, 固體硝礦經(jīng)水溶開采后作為原料。 原料除雜質(zhì)后, 進(jìn)入真空蒸發(fā)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn) Na2SO4 結(jié)晶析出, 進(jìn)而得到成品。 采用這種生產(chǎn)工藝的產(chǎn)品粒徑主要取決于蒸發(fā)結(jié)晶過程。另外, 在生產(chǎn)過程中雜質(zhì),pH 值, 碰撞程度等也會(huì)影響產(chǎn)品的粒徑。

2.1 過飽和度

溶液的過飽和度是影響無機(jī)鹽粒度的關(guān)鍵因素之一。 溶質(zhì)從溶液中結(jié)晶出來有兩個(gè)過程, 一個(gè)是晶核的生成, 即晶體成核過程; 另一個(gè)是晶核的生長(zhǎng)稱為晶體生長(zhǎng)。 無論是晶體成核, 還是晶體生長(zhǎng)都需要取決于在這個(gè)過程中, 溶質(zhì)析出是以晶核的生成為主還是以晶體的生長(zhǎng)為主。成核為主的過程必然形成粒徑小的產(chǎn)品, 而生長(zhǎng)為主的過程才能生成粒徑大的晶體。圖 1 一定溫度下某物質(zhì)的溶解度曲線l1 為溶解度曲線, l2 為過飽和濃度曲線。 溶液在l1 以下為不飽和區(qū), 不會(huì)析出晶體, 在 l2 上方為過飽和區(qū), 只有在此區(qū)域內(nèi)才能形成晶核, 析出晶體。對(duì)于溶質(zhì)從 a 到 b, 再到 c, {zh1}到 d 的蒸發(fā)過程, 過飽和度可用以下公式來表示:

lnS= lnCd

lnCb

= 2δ × M

ρ × R× T× r

= 2δ M

ρ RT

×1

r

式中: S—— —溶液的過飽和度(mol/kg);

δ —— —晶體的表面張力(N/m)

M—— —該物質(zhì)的分子量(mol)

ρ —— —晶體的密度(kg/m3

)

R—— —摩爾氣體常數(shù)(J/mol·K)

T—— —溫度(K)

r—— —晶體的半徑(mm)

Cd—— —在某溫度下任意點(diǎn) d 過飽和溶液濃度Cb—— —在某溫度下 b 點(diǎn)的飽和溶液濃度在上面的公式中, 對(duì)于某一特定的溶液 δ 、 M、ρ 、 R、 T均為常數(shù), 因此晶核的大小只與溶液的過飽和度有關(guān), 且和溶液的過飽和度成反比, 即溶液的過飽和度越大, 晶體的粒度越小。 要想生產(chǎn)大顆粒元明粉, 必須在生產(chǎn)過程中盡可能降低溶液的過飽和度。

2.2 鈣、 鎂離子及雜質(zhì)的影響

在元明粉蒸發(fā)過程中, 隨著硫酸鈉的析出, 鎂離子濃度相對(duì)提高, 體系由硫酸鈉的結(jié)晶區(qū)移到了硫酸鈉與復(fù)鹽 3Na2SO4 ·MgSO4 的共飽和線上, 析出了無水鈉鎂礬結(jié)晶, 由于它的顆粒較小, 在硫酸鈉溶液中不易沉降, 結(jié)晶在飽和度較大的硫酸鈉溶液中不再繼續(xù)長(zhǎng)大, 影響產(chǎn)品粒度。 另外, 根據(jù)同離子效應(yīng),硫酸鎂和硫酸鈣的存在, 會(huì)使硫酸鈉溶解度下降, 導(dǎo)致單位時(shí)間硫酸鈉析出晶體數(shù)量增加, 造成硫酸鈉晶粒變細(xì)。另一方面, 由于元明粉生產(chǎn)是一種順流生產(chǎn)工藝, 在這種生產(chǎn)工藝中由于自蒸發(fā)的存在和母液的補(bǔ)充, 使硝液中的晶核數(shù)量大大超標(biāo), 當(dāng)硝液中存在泥沙與懸浮物時(shí), 更大大增加了晶核數(shù)量, 必然造成晶粒變細(xì)。

3 大顆粒元明粉生產(chǎn)工藝控制

3.1 由于在元明粉生產(chǎn)過程中, 過飽和度是影響產(chǎn)品粒徑的最重要因素之一, 因此我們?cè)谏a(chǎn)過程中應(yīng)盡量減小體系中的過飽和度。

3.1.1 控制一效加熱室壓力和四效蒸發(fā)室真空度。

    在生產(chǎn)中, 一效加熱室的壓力越高, 四效蒸發(fā)室的真空度越大, 單位時(shí)間內(nèi)蒸出的水份量也就越多, 析出的晶體數(shù)量也越多, 造成硫酸鈉溶液過飽和度增大。這是由于結(jié)晶過程為放熱過程, 在極短的時(shí)間內(nèi)要把結(jié)晶熱散發(fā)出去, 只有增大晶體的總表面積, 也就是只有細(xì)晶粒才能實(shí)現(xiàn)。 因此蒸發(fā)強(qiáng)度的提高, 使得溶液過飽和度增大, 析出晶體數(shù)量增多, 最終導(dǎo)致晶體粒度變小。因此, 一效加熱室的壓力不宜過高, 但一效加熱室的壓力降低將會(huì)影響元明粉的產(chǎn)量, 兼顧產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量, 一效加熱室的壓力一般應(yīng)控制在 0.35~0.4MPa(表壓) , 四效蒸發(fā)室真空度在 0.04~0.05MPa(表壓)之間。

3.1.2 硫酸鈉在 32.4℃時(shí)溶解度{zd0}, 此時(shí)溶液濃度為 33.2%。 由于硝液濃度愈接近飽和值, 在同一換熱條件下單位時(shí)間得到的過飽和硝液數(shù)量越多。因此, 在生產(chǎn)中采用不飽和溶液進(jìn)行蒸發(fā), 會(huì)獲得較大顆粒的產(chǎn)品。 若采用過飽和溶液進(jìn)行蒸發(fā), 或洗罐后蒸發(fā)進(jìn)行了3~4 個(gè)小時(shí), 母液中含有較多的細(xì)小晶核, 則結(jié)晶顆粒相對(duì)偏小。 從產(chǎn)量和產(chǎn)品粒度綜合考慮, 在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制清硝液濃度在 29~30° Be'之間。同樣, 進(jìn)蒸發(fā)器的清硝液溫度越高, 硝液達(dá)到沸騰的時(shí)間愈短, 單位時(shí)間得到的過飽和硝液數(shù)量越多, 粒徑也就變細(xì)。

3.1.3 蒸發(fā)裝置和列管傳熱速率的影響

元明粉的蒸發(fā)罐有外熱式和標(biāo)準(zhǔn)式強(qiáng)制循環(huán)兩種, 前者循環(huán)速度大, 蒸發(fā)強(qiáng)度高, 產(chǎn)品粒徑小, 而后者循環(huán)速度相對(duì)較小, 蒸發(fā)較慢, 產(chǎn)品粒徑大。這是由于蒸發(fā)強(qiáng)度大的設(shè)備中, 溶液在罐中被劇烈地?cái)嚢? 使一些晶核的形成始終如一地進(jìn)行著, 每個(gè)穩(wěn)定的晶核都能長(zhǎng)出結(jié)晶體, 且劇烈的攪拌會(huì)使硫酸鈉互相碰撞而變小, 因此蒸發(fā)強(qiáng)度大和設(shè)備產(chǎn)量高, 但產(chǎn)品粒度小。列管的導(dǎo)熱系數(shù)和硝液在列管中的循環(huán)速度是影響列管傳熱的兩個(gè)因素, 傳熱速率對(duì)于一定的設(shè)備是個(gè)恒定值。 硝液的循環(huán)速度過高, 使得硝液蒸發(fā)進(jìn)行得越激烈造成溶液飽和度過大, 析出的結(jié)晶數(shù)量增多, 粒度變小。 因此在實(shí)際生產(chǎn)中硝液的循環(huán)速度不宜過快。

3.2 對(duì)鹵水進(jìn)行精制, 除去鈣、 鎂及雜質(zhì), 保證清硝液中鈣、 鎂總量(以 Mg2+計(jì))<2.0g/L。同時(shí), 還可向溶液中加入適量硫酸銨, 利用共同的硫酸根離子, 降低平衡飽和度, 加速晶體的生長(zhǎng)。

3.3 元明粉生產(chǎn)中正常情況下, 硝液 pH 值在 7.5~8.5 之間, 不會(huì)影響蒸發(fā)結(jié)晶, 但有時(shí)為了除鈣、 鎂加堿以后, 料液的 pH 值高達(dá) 10, 這時(shí)硫酸鈉在蒸發(fā)時(shí)會(huì)結(jié)晶困難, 顆粒變得細(xì)小。這可能是由于 pH 值改變了晶體的形狀, 使晶核的生產(chǎn)由一個(gè)方向變?yōu)閹讉€(gè)方向, 因而使晶體的大小發(fā)生了變化。如果將 pH值調(diào)到 6~8 之間, 產(chǎn)品粒徑就有所提高。

3.4 干燥、 分離設(shè)備的影響

在元明粉的生產(chǎn)干燥過程中, 多采用的是熱風(fēng)氣流干燥, 干燥后的產(chǎn)品先進(jìn)入一級(jí)旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離, 顆粒大的元明粉落入一級(jí)分離器, 顆粒小的落入二級(jí)分離器, 從而實(shí)現(xiàn)大小顆粒的分離。 在這種強(qiáng)大的氣流輸送與干燥過程中, 物料與管壁相互摩擦碰撞, 使元明粉破碎, 從而降低了產(chǎn)品的粒度。為此, 可將熱風(fēng)干燥改為硫化床或微波干燥, 使元明粉的粒度有較大提高。南風(fēng)集團(tuán)的還對(duì)蒸發(fā)器設(shè)備進(jìn)行了研究改造,通過在蒸發(fā)器下部增加一個(gè)結(jié)晶室, 使晶體懸浮于液流中, 成為粒度分級(jí)的流化床, 粒度較大的晶體富集于底層, 與溶液接觸時(shí)間更長(zhǎng), 有利于顆粒的生長(zhǎng), 也取得了比較好的效果。

3.5 表面活性劑

以 C9 芳烴為原料,與丙烯酸合成的具有兩親性的(C9) /丙烯酸共聚物 P(C9- AA) ,具有高分子表面活性劑特點(diǎn),用作乳化劑,可以合成較大顆粒的高分子乳液。另外, 我們還利用表面活性劑的帶電基團(tuán), 吸附在顆粒的表面, 降低了顆粒的表面張力, 從而進(jìn)行大顆粒元明粉的生產(chǎn), 也取得了比較好的效果。

4 結(jié) 語

大顆粒元明粉的生產(chǎn)研究雖然取得了一定的進(jìn)展, 但影響元明粉粒度的因素還有很多, 如洗罐周期、固液比的控制、集鹽器的結(jié)構(gòu)、工藝流程等, 這些都需要我們進(jìn)一步去探索和實(shí)踐。上表數(shù)據(jù)為方便對(duì)比, 按11天順序抽取的, 其中3 月14日產(chǎn)量較低, 原因是檢修 P- 201 循環(huán)泵密封及 P- 303 轉(zhuǎn)料泵泵殼而停止鹽和硝系統(tǒng)進(jìn)汽

所致。3 月 15 日因檢修完畢開車, 故產(chǎn)量偏低。

5 結(jié)束語

5.1 雖然通過技術(shù)改造與新技術(shù)應(yīng)用解決了第三生產(chǎn)線及鹵水凈化目前生產(chǎn)上的一些難題, 但制約第三生產(chǎn)線工藝潛能充分發(fā)揮的后工段設(shè)備問題仍未得到有效解決、 鹵水凈化指標(biāo)及成本還仍然偏高,這提醒我們?cè)谠O(shè)備選型, 新技術(shù)應(yīng)用等問題上仍有較大的考慮空間。

5.2 《中國(guó)井礦鹽》 為技術(shù)信息交流提供了一個(gè)平臺(tái), 國(guó)內(nèi)諸多廠家對(duì)鹽硝聯(lián)產(chǎn)及兩堿法鹵水凈化工藝均有專業(yè)文章論述, 應(yīng)從這方面較好吸取經(jīng)驗(yàn), 完善該套工藝?yán)碚撆c操作。

5.3 技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步是企業(yè)提高盈利空間的支撐點(diǎn), 隨著設(shè)備問題的逐步解決, 以及新項(xiàng)目的投入運(yùn)行, 我公司盈利能力必將躍上新的臺(tái)階。

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