聯(lián)堿氯化銨過程鹽析結(jié)晶器溫升

王 全

（大連化工研究設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116023）

聯(lián)堿生產(chǎn)制銨過程冷析結(jié)晶器和鹽析結(jié)晶器的溫升，或者說鹽析結(jié)晶器的溫升，行業(yè)朝野，包括一些專著都奉行“5℃”概念，沒有人懷疑，更沒有人深究，有的只是設(shè)計(jì)人員在作熱量平衡時(shí)的困惑與無奈，或者是生產(chǎn)人員在冷析結(jié)晶器溫度“拉”不下來時(shí)對(duì)逆料流程能耗的無端抱怨。

幾乎所有設(shè)計(jì)人員都曾為了湊夠鹽析溫升5℃的機(jī)械熱，或冷損失犯過愁，尤其在部分工廠鹽析結(jié)晶器溫度已提高到15～16℃，逆料流程生產(chǎn)農(nóng)業(yè)氯化銨的條件下，確實(shí)有些難為，也曾有設(shè)計(jì)人員試過按照通常的保冷計(jì)算方法計(jì)算冷損失，結(jié)果與“實(shí)際（指5 ℃）”有出入而仍然憑“經(jīng)驗(yàn)”選?。?、2、3］。以致出現(xiàn)如下不堪局面：

例某教材，冷析11℃，鹽析16℃，溫升5℃穩(wěn)定，逆料取出操作。冷析結(jié)晶器和外冷器系統(tǒng)的冷量損失，以外冷器移走熱負(fù)荷的經(jīng)驗(yàn)數(shù)字5%選取，為4.2805×104kJ／t，但是，為了湊足鹽析結(jié)晶器溫升5℃的熱量，鹽析結(jié)晶器的冷損失竟要選取9.8208×104kJ／t?。?］眾所周知，冷析結(jié)晶器是帶有外冷器的循環(huán)系統(tǒng)，溫度低，且散熱面積大，而鹽析結(jié)晶器僅一圓桶形簡(jiǎn)單設(shè)備，散熱面積小，而且操作溫度比冷析結(jié)晶器高5℃，16℃操作已接近或達(dá)到環(huán)境溫度，然而其冷量損失卻要比冷析高出5.5403×104kJ／t，實(shí)在是被“5℃溫差”所累。

本文擬通過對(duì)聯(lián)合制堿氯化銨過程的再學(xué)習(xí)和重新認(rèn)識(shí)，就冷、鹽析結(jié)晶器的溫差進(jìn)行討論，或許可以達(dá)到正本清源，更準(zhǔn)確地作出氯化銨過程的熱量平衡，進(jìn)一步降低制銨過程冰機(jī)冷凍能耗。

1 鹽析過程發(fā)生的熱量

通常認(rèn)為鹽析過程發(fā)生的熱量造成鹽析結(jié)晶器溫升。［1］

氯化銨鹽析結(jié)晶過程發(fā)生的熱量計(jì)有原料帶入的顯熱，鹽析過程化學(xué)反應(yīng)與相變熱（或稱熱效應(yīng)），軸流泵及其它機(jī)泵水力功轉(zhuǎn)化熱（或稱機(jī)械熱）和結(jié)晶器表面及其它外界環(huán)境滲入的熱量（或稱冷損失）等，這些熱量造成鹽析結(jié)晶器物料溫升，產(chǎn)生的熱量多則鹽析溫升大。

由于鹽析結(jié)晶器溫升是指結(jié)晶器中物料（母液＋結(jié)晶）的溫度升高，所以，鹽析溫升還與結(jié)晶器進(jìn)出母液帶出的顯熱增量有關(guān)，帶出熱量增量少則表明鹽析溫升小，這一點(diǎn)以往沒有被關(guān)注。

諸熱量中原料鹽帶入顯熱基本上為一常數(shù)。

1.1 鹽析過程熱效應(yīng)

不同條件下氯化銨鹽析結(jié)晶過程的反應(yīng)熱和相變熱列于表1 。

表1 鹽析結(jié)晶過程熱效應(yīng)

由表1數(shù)字可見，隨著結(jié)晶器操作溫度和母液Ⅱ鈉離子濃度的提高，由于鹽析結(jié)晶器氯化銨產(chǎn)量比例增加，鹽析結(jié)晶過程的熱效應(yīng)跟著增大，但變化的幅度不大，僅1.5×104kJ／t左右。在鹽析結(jié)晶器溫升的過程中可作為參考因素。

1.2 軸流泵和其它機(jī)械熱

早期的聯(lián)合制堿生產(chǎn)，鹽析結(jié)晶器多數(shù)使用流量2 500m3／h，揚(yáng)程4m的φ500軸流泵，電機(jī)功率75kW 或100kW，機(jī)械熱為2.8384×104kJ／t［1］或2.93×104kJ／t［3］。

同時(shí)，早期的鹽析結(jié)晶器采用母液Ⅱ調(diào)鹽方式加鹽，尤其是40kt／a規(guī)模及以下的工廠，鹽漿罐置于地面，用大功率的鹽漿泵輸送低濃度鹽漿，耗電和水力功比較大，少的如龍山廠耗電4kWh／t，多的如鄭州廠達(dá)到6.59kWh／t，按一般6kWh／t計(jì)的機(jī)械熱為2.1589×104kJ／t。

現(xiàn)今的聯(lián)合制堿生產(chǎn)，不僅早就改為直接加固體鹽生產(chǎn)，而且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備大型化和生產(chǎn)規(guī)?；?，一冷析一鹽析一套150～200kt／a，甚至300kt／a，軸流泵還改進(jìn)為低揚(yáng)程、大流量設(shè)計(jì)，大幅度減少了單位能力軸流泵的機(jī)械熱，后者僅0.5116×104kJ／t，是原來的1／5，或更小。

在早期聯(lián)堿生產(chǎn)構(gòu)成鹽析結(jié)晶器溫升5℃的諸熱量中，軸流泵和鹽漿泵等機(jī)械熱達(dá)到5.0×104kJ／t，是舉足輕重的。所以，近期的聯(lián)合制堿生產(chǎn)，軸流泵的機(jī)械熱減少到1.02×104kJ／t，甚至0.51×104kJ／t，約為原來機(jī)械熱之和的1／10，鹽析結(jié)晶器的溫升便小得多是很自然的。

1.3 結(jié)晶器及其它冷損失

應(yīng)該明確一個(gè)概念，即造成冷損失的主要原因是結(jié)晶器操作溫度低于外界環(huán)境溫度，在結(jié)晶器設(shè)置保冷層的條件下，較小的溫差不可能造成比較顯著的冷損失。

氯化銨結(jié)晶露天布置，工廠所在地的年平均氣溫即為環(huán)境溫度。據(jù)近年國內(nèi)聯(lián)合制堿工廠的布局情況，有關(guān)地區(qū)的年平均氣溫摘錄于表2。

表2 有關(guān)地區(qū)年平均氣溫

在冷析5℃，鹽析10℃模式操作的聯(lián)合制堿工業(yè)化初期，鹽析結(jié)晶器有一定數(shù)量的冷損失，尤其是冷析結(jié)晶器5℃操作，與環(huán)境溫差大，離心分離氯化銨濾液的溫升及其冷損失比較大，甚至母液Ⅱ調(diào)鹽的循環(huán)過程中也有溫升現(xiàn)象，構(gòu)成一定量的冷損失，而且，當(dāng)時(shí)結(jié)晶器能力小，單位散冷面積大，加上工業(yè)化初期保冷材質(zhì)和施工水平差等等，鹽析結(jié)晶器的冷損失達(dá)到3.0×104kJ／t左右。

近年，隨著結(jié)晶器操作溫度提高，鹽析結(jié)晶器的操作溫度越來越接近外界環(huán)境溫度。譬如，2008年，國內(nèi)18家聯(lián)合制堿工廠的結(jié)晶器操作溫度，冷析11.20℃，鹽析13.72℃，少數(shù)工廠的鹽析結(jié)晶器溫度已經(jīng)達(dá)到16～17℃［4］，達(dá)到了環(huán)境溫度，甚至冷析結(jié)晶器的溫度與外界氣溫的溫差也比較小，所以，鹽析結(jié)晶器的冷損失應(yīng)該比較小。

2 鹽析結(jié)晶器溫升

鹽析結(jié)晶器的熱量平衡及有關(guān)數(shù)據(jù)列于表3。

表3說明：

＊1：No.1、No.2為還原聯(lián)合制堿工業(yè)化初期軸流泵和鹽漿輸送加鹽方式的機(jī)械熱之和計(jì)算例。

＊2：逆料流程 MⅡ帶出顯然包括鹽析逆流MⅡ和逆料晶漿夾帶MⅡ的帶出熱。

表3 鹽析結(jié)晶器熱平衡數(shù)據(jù)

2.1 結(jié)晶器操作溫度高，鹽析溫升小

隨著結(jié)晶器操作溫度的提高，以及由此造成的半母液Ⅱ（BⅡ）當(dāng)量的增大，鹽析結(jié)晶器冷損失減少，甚至為零等原因，一方面，BⅡ帶入熱量成倍增加，從No.3冷析結(jié)晶器溫度6.79℃提高到No.6的15.76℃，BⅡ當(dāng)量從8.89m3／t增大到11.96 m3／t，BⅡ帶入熱量便從22.37×104kJ／t增加到68.89×104kJ／t，增加了2倍多；另一方面，盡管MⅡ帶出熱量同樣因?yàn)闇囟鹊奶岣吆彤?dāng)量的增大，也從34.40×104kJ／t增加到76.72×104kJ／t，增加1倍多，但決定于鹽析結(jié)晶器溫升的MⅡ帶出的顯熱增量，卻由于鹽析過程收入熱量不足而明顯減少，從12.03×104kJ／t減少到7.83×104kJ／t，從而顯著減小了鹽析結(jié)晶器MⅡ的溫升，從3.21℃縮減到1.53℃，是必然的。

2.2 逆料流程生產(chǎn)，鹽析溫升小

在相同的機(jī)械熱、冷損失條件，以及相同的鹽析結(jié)晶器操作溫度、MⅡ鈉離子濃度下比較并料流程N(yùn)o.1和逆料流程N(yùn)o.2的熱量平衡狀況，不難發(fā)現(xiàn)，由于逆料流程生產(chǎn)的鹽析結(jié)晶夾帶MⅡ在兩結(jié)晶器之間循環(huán)，并在鹽析結(jié)晶器中低溫進(jìn)高溫出，相當(dāng)于進(jìn)行部分冷卻，所以鹽析結(jié)晶器溫升減小。并料流程生產(chǎn)，冷析5℃，鹽析10℃，鹽析溫升5℃；而逆料流程生產(chǎn)，維持鹽析結(jié)晶器10℃操作的冷析結(jié)晶器BⅡ溫度為5.41℃，鹽析結(jié)晶器溫升為4.59℃。

鹽析結(jié)晶夾帶的MⅡ量大則鹽析結(jié)晶器溫升小。

2.3 鹽析溫升5℃是個(gè)例，已成為歷史

表3No.1的鹽析結(jié)晶器溫升5℃，只是個(gè)聯(lián)合制堿法工業(yè)化初期，氯化銨過程并料流程生產(chǎn)，冷析結(jié)晶器5℃，鹽析結(jié)晶器10℃操作，溫度低；母液當(dāng)量小，約8.0m3／t；以及生產(chǎn)規(guī)模小、軸流泵揚(yáng)程高、用鹽漿泵輸送鹽漿方式加鹽，鹽析結(jié)晶過程的機(jī)械熱和冷損失都大等條件下的特例。鹽析結(jié)晶器溫升5℃，或超過5℃。

實(shí)際上，從上世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)聯(lián)合制堿工廠陸續(xù)改用逆料流程生產(chǎn)農(nóng)業(yè)氯化銨，鹽析結(jié)晶溫升5℃的記載也開始逐漸消逝，成為了歷史的記憶。例如，大連化學(xué)工業(yè)公司堿廠1984年聯(lián)合制堿法生產(chǎn)氯化銨過程全部改用逆料流程，鹽析結(jié)晶器溫升4.1℃［5］，1991年8月份，夏季生產(chǎn)的冷、鹽析結(jié)晶器溫差也僅4.0℃［2］。

現(xiàn)今的聯(lián)合制堿生產(chǎn)，結(jié)晶器操作溫度普遍提高，鹽析結(jié)晶器溫度達(dá)到13～14℃，加鹽方式幾乎全部改為棧橋皮帶運(yùn)輸，直接加固體鹽，軸流泵采用低揚(yáng)程、大流量設(shè)計(jì)，而且實(shí)現(xiàn)了大型化和規(guī)?；a(chǎn)，使得鹽析結(jié)晶過程的機(jī)械熱和冷損失顯著減少，鹽析結(jié)晶器溫升也相應(yīng)大幅度減小。據(jù)2008年報(bào)統(tǒng)計(jì)，全行業(yè)18家聯(lián)合制堿工廠的氯化銨冷、鹽析結(jié)晶器的溫差，一般在2～3℃之間，最大3.9℃，最小1.1℃，平均冷析11.20℃，鹽析13.72℃，溫升2.52℃。大化集團(tuán)堿廠搬遷后的生產(chǎn)，冷析10.5℃，鹽析13℃，溫差亦為2.5℃。代表著目前行業(yè)生產(chǎn)的平均水平。

3 結(jié)語和建議

3.1 適宜的溫升設(shè)計(jì)

可以認(rèn)為，在鹽析結(jié)晶器13～14℃下操作，母液當(dāng)量9～10m3／t，鹽析溫升按2.5℃進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制是適宜的。表3中No.4和No.5模擬近期聯(lián)合制堿生產(chǎn)，鹽析操作溫度13.5℃，溫升分別為2.48℃和2.57℃，其中軸流泵機(jī)械熱按1臺(tái)鹽析結(jié)晶器150kt／a規(guī)模計(jì)，逆料鹽析晶漿稠厚至60%（視體積固液比）的常規(guī)水平。表3中的No.3、No.6和No.7是為了論證氯化銨過程的能耗，軸流泵的機(jī)械熱統(tǒng)一按一臺(tái)鹽析結(jié)晶器300kt／a配套，為0.5116×104kJ／t的先進(jìn)水平設(shè)計(jì)；而且為放寬逆料鹽析晶漿稠厚條件等原因，控制比較低的逆料鹽析晶漿固液比，視體積比50%進(jìn)入冷析結(jié)晶器。關(guān)于逆料流程的能耗問題另議。由于提高鹽析結(jié)晶器的操作溫度能夠顯著的降低氯化銨制造過程的冰機(jī)制冷電能消耗，以及設(shè)備大型化和生產(chǎn)規(guī)模化等原因，冷析結(jié)晶器和鹽析結(jié)晶器之間的溫差仍有進(jìn)一步縮小趨勢(shì)，No.6、No.7為預(yù)期操作，鹽析結(jié)晶器溫度提高到17.3～17.4℃達(dá)到了大多數(shù)聯(lián)合制堿工廠所在地的年平均氣溫，母液當(dāng)量增加到10～11m3／t，鹽析結(jié)晶器的溫升將繼續(xù)縮減到1.4～2.0℃。

鹽析結(jié)晶器溫升5℃的概念，既然已不復(fù)存在，易誤導(dǎo)，且誤差愈大，應(yīng)停止使用。

3.2 推薦如下范圍供聯(lián)合制堿工廠檢查或控制鹽析溫升

表4 推薦鹽析溫度與溫升

在這一控制范圍內(nèi)，鹽析溫升小則可能是逆料晶漿的固液比低，夾帶進(jìn)入冷析結(jié)晶器的母液Ⅱ量大；鹽析結(jié)晶器操作的鈉離子濃度低也會(huì)減小鹽析溫升。鹽析溫升過低會(huì)降低農(nóng)用氯化銨產(chǎn)品的含氮量，而且因冷析結(jié)晶器半母液Ⅱ的總氯濃度過高，使氯化銨結(jié)晶粒度變小，應(yīng)該避免。

反之，在推薦的控制范圍內(nèi)，鹽析溫升大一些則好。但溫升過大，卻反映了鹽析結(jié)晶過程發(fā)生的機(jī)械熱，或者其它熱量比較大。冷析結(jié)晶器控制溫度比較低時(shí)，因?yàn)V液溫升等冷損失比較大，同樣會(huì)使鹽析溫升增大。

鹽析結(jié)晶器溫升過大或過小的現(xiàn)象，工廠可以根據(jù)自身?xiàng)l件通過技改或生產(chǎn)管理解決。

［1］ 中國純堿工業(yè)協(xié)會(huì).純堿工學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990

［2］ 李鶴廷，李竹溪.關(guān)于聯(lián)堿Ⅱ過程制冷量的討論［J］.純堿工業(yè)，1993（5）

［3］ 王楚.純堿生產(chǎn)工藝與設(shè)備計(jì)算［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995

［4］ 大連化工研究設(shè)計(jì)院，等.純堿工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)交流月報(bào)［G］，2008

［5］ 韓行治，楊春復(fù).氯化銨結(jié)晶逆料流程技術(shù)的應(yīng)用及改進(jìn)［J］.純堿工業(yè)，1993（4）