硝酸鈉真空冷卻結(jié)晶工藝中產(chǎn)品質(zhì)量的控制方法

楊燦輝　戴斌聯(lián)　夏循峰　化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院　長(zhǎng)沙　410116

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硝酸鈉真空冷卻結(jié)晶工藝中產(chǎn)品質(zhì)量的控制方法

楊燦輝*戴斌聯(lián)夏循峰化工部長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)研究院長(zhǎng)沙410116

摘要介紹在硝酸鈉真空結(jié)晶工藝過(guò)程中提高產(chǎn)品質(zhì)量的方法。結(jié)晶前，控制結(jié)晶原料雜質(zhì)含量；結(jié)晶過(guò)程中，抑制氯化鈉和硫酸鈉的產(chǎn)生及控制結(jié)晶顆粒大小；結(jié)晶后，通過(guò)淘洗工藝與離心機(jī)洗滌去除雜質(zhì)。

關(guān)鍵詞硝酸鈉真空冷卻結(jié)晶質(zhì)量控制方法

*楊燦輝：高級(jí)工程師。1994年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)。從事化工設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(0731)89956620，

E-mail:ych5534586@126.com。

1技術(shù)背景

硝酸鈉由于其特有的物化性質(zhì)，是理想的傳熱蓄熱熔融鹽之一，在發(fā)達(dá)國(guó)家，已廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電和聚光太陽(yáng)能熱化學(xué)領(lǐng)域；我國(guó)也進(jìn)行大量研究工作，相信不久該技術(shù)也將得到實(shí)際運(yùn)用。相對(duì)于普通工業(yè)用途的產(chǎn)品，該領(lǐng)域硝酸鈉價(jià)格高出25%，同時(shí)質(zhì)量要求更高，必須達(dá)到優(yōu)等品要求。

硝酸鈉產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1　工業(yè)硝酸鈉國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T4553—2002)　(%)

將硝酸鈉產(chǎn)品質(zhì)量由合格品或一等品提高到優(yōu)等品，能產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)具有重要的社會(huì)意義。

新疆某公司用鈉硝石礦生產(chǎn)硝酸鈉，過(guò)程中無(wú)添加任何化學(xué)藥劑，產(chǎn)品屬于綠色環(huán)保型。結(jié)晶采用真空冷卻結(jié)晶工藝，由于結(jié)晶過(guò)程會(huì)有少量氯化鈉、硫酸鈉和鈉硝礬析出，包裹在硝酸鈉晶體周圍或大顆粒內(nèi)部，經(jīng)離心機(jī)脫水洗滌后難以去除，導(dǎo)致產(chǎn)品中氯化鈉和硫酸鈉的含量偏高。試生產(chǎn)過(guò)程中，硝酸鈉含量只能達(dá)到合格品要求，不能達(dá)到優(yōu)等品的要求。通過(guò)不斷摸索總結(jié)，采用有效的產(chǎn)品質(zhì)量控制方法，產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高，達(dá)到優(yōu)等品要求。目前該產(chǎn)品已大量銷往日本等國(guó)用于太陽(yáng)能蓄熱傳熱，得到廣大用戶的青睞。

2提高產(chǎn)品質(zhì)量的方法

2.1結(jié)晶前控制結(jié)晶原料雜質(zhì)含量

進(jìn)真空冷卻結(jié)晶系統(tǒng)的原料為前面蒸發(fā)工序產(chǎn)物即高溫母液，高溫母液中硝酸鈉含量控制在850～1000g/l，濃度越高，結(jié)晶單程產(chǎn)率越大，同時(shí)結(jié)晶產(chǎn)物純度也相對(duì)較高。蒸發(fā)母液中含部分固體氯化鈉和硫酸鈉，因此必須澄清或過(guò)濾除去母液中的固相。未經(jīng)去除的固相物將直接進(jìn)入結(jié)晶產(chǎn)物，尤其是硫酸鈉一旦進(jìn)入產(chǎn)物，通過(guò)后期洗滌去除非常困難。

蒸發(fā)母液進(jìn)結(jié)晶器之前新增兩臺(tái)密閉式過(guò)濾機(jī)(一開一備)，將濃密機(jī)澄清后的母液過(guò)濾，進(jìn)一步去除母液中含有的少量氯化鈉及硫酸鈉固體。由于高溫母液溫度高，在過(guò)濾的過(guò)程中熱損耗導(dǎo)致物料溫度降低。硝酸鈉的溶解度對(duì)溫度非常敏感，溫度降低，硝酸鈉就會(huì)析出，隨濾餅帶出體系，導(dǎo)致產(chǎn)品單程收率降低、能耗增加。因此，過(guò)濾設(shè)備和管道均需保溫，同時(shí)補(bǔ)加少量蒸汽加熱物料，保證物料在過(guò)濾過(guò)程中溫度不變。

在其它操作條件都不變的情況下，增加過(guò)濾裝置后產(chǎn)品中氯化鈉的含量可降低0.25%，硫酸鈉含量可降低0.05%，產(chǎn)品中硝酸鈉主含量可提高0.3%。

2.2結(jié)晶過(guò)程中的控制

2.2.1抑制氯化鈉和硫酸鈉的產(chǎn)生

高溫母液為高溫下的飽和母液，在結(jié)晶器內(nèi)降溫蒸發(fā)結(jié)晶過(guò)程中，局部會(huì)產(chǎn)生過(guò)飽和，有少量氯化鈉和硫酸鈉析出。因此，在真空冷卻結(jié)晶過(guò)程中必須局部補(bǔ)加少量水，使得體系處于不飽和狀態(tài)，以抑制真空冷卻結(jié)晶過(guò)程中氯化鈉和硫酸鈉結(jié)晶析出，同時(shí)將已經(jīng)析出的固相雜質(zhì)重新溶解。補(bǔ)水量根據(jù)結(jié)晶溫度和相圖并結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量要求等因素綜合確定。補(bǔ)加數(shù)量通過(guò)流量計(jì)與高溫母液流量連鎖控制。補(bǔ)加水位置很關(guān)鍵，一般選取在真正容易產(chǎn)生局部過(guò)飽和的部位，如蒸發(fā)表面等。

在其它操作條件都不變的情況下，通過(guò)局部補(bǔ)加適量的水控制過(guò)飽和度，產(chǎn)品中氯化鈉的含量可降低0.3%，硫酸鈉含量可降低0.1%，產(chǎn)品中硝酸鈉主含量可提高0.4%。

2.2.2控制結(jié)晶顆粒大小

結(jié)晶顆粒大小會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，結(jié)晶顆粒越大，固液分離后的母液夾帶越少，洗滌效果越好，產(chǎn)品中雜質(zhì)含量就越少，同時(shí)洗滌水的用量也可相應(yīng)減少。增大結(jié)晶顆粒的方法有多種：增加顆粒在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間、在結(jié)晶過(guò)程中加入少量晶種、去除產(chǎn)生的細(xì)晶、優(yōu)化結(jié)晶器結(jié)構(gòu)等。上述方法將增加設(shè)備投資或降低單程收率。因此應(yīng)將產(chǎn)品顆粒直徑控制在合理范圍之內(nèi)，一般0.5mm左右為宜。

增加一套細(xì)晶消除系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺(tái)循環(huán)泵及其配套管路。系統(tǒng)將結(jié)晶器內(nèi)的細(xì)晶引出，并在管路內(nèi)補(bǔ)加少量水，將細(xì)晶溶解，返回結(jié)晶器。結(jié)晶器內(nèi)的細(xì)晶引出后，晶核減少，從而晶體更容易長(zhǎng)大，顆粒增大。

在其它操作條件都不變的情況下，增加細(xì)晶消除系統(tǒng)后，結(jié)晶顆粒平均直徑由0.25mm增加到0.5mm，最終產(chǎn)品中氯化鈉的含量可降低0.2%，硫酸鈉含量可降低0.1%，產(chǎn)品中硝酸鈉主含量可提高0.3%。

2.3結(jié)晶后的控制

2.3.1淘洗工藝去除雜質(zhì)

即便在上述所有方法都實(shí)施的前提下，結(jié)晶過(guò)程中仍然會(huì)不可避免地產(chǎn)生少量硫酸鈉和氯化鈉固體。少量硫酸鈉與硝酸鈉晶體形成包裹，后期離心機(jī)洗滌難以去除，因此在結(jié)晶后對(duì)結(jié)晶料漿進(jìn)行淘洗尤為必要。淘洗裝置為帶機(jī)械攪拌或氣體攪拌的容器。在淘洗過(guò)程中，氯化鈉、硫酸鈉和部分鈉硝礬回溶進(jìn)母液；沒有回溶的鈉硝礬在機(jī)械攪拌或氣體攪拌作用下，以泡沫的形式上浮到液體表面，將泡沫去除。

通過(guò)在最后一級(jí)結(jié)晶器出料口和離心機(jī)之間增加淘洗裝置，淘洗裝置為螺帶攪拌機(jī)。在螺帶攪拌機(jī)內(nèi)，補(bǔ)加少量的水用來(lái)淘洗硝酸鈉料漿，水的用量為硝酸鈉料漿5%～20%，淘洗時(shí)間為15～60min。淘洗過(guò)程中，有部分泡沫上浮到螺帶攪拌機(jī)液體表面，泡沫溢流到收集槽后，泵入蒸發(fā)工段回溶處理。將上浮到液體表面的泡沫取樣分析，其固相組成主要為氯化鈉和硫酸鈉。具體檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2　淘洗泡沫組成　(wt%)

淘洗后最終產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升，淘洗前后產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比見表3。

表3　淘洗前后產(chǎn)品質(zhì)量　(wt%)

2.3.2離心機(jī)洗滌去除雜質(zhì)

真空結(jié)晶后的物料為結(jié)晶料漿，結(jié)晶料漿包括結(jié)晶出的固體和結(jié)晶母液。結(jié)晶母液中含有大量的氯離子和少量硫酸根離子，具體含量與末級(jí)結(jié)晶溫度有關(guān)。結(jié)晶料漿經(jīng)離心機(jī)分離后，濾餅中母液夾帶量為5%左右，因此濾餅必須洗滌。洗滌液為清水，洗滌過(guò)程中清水置換出濾餅夾帶的母液，從而減少因?yàn)槟敢簬敫稍锵到y(tǒng)且最終進(jìn)產(chǎn)品雜質(zhì)的量。在離心機(jī)內(nèi)洗滌濾餅對(duì)于降低產(chǎn)品中氯離子含量效果明顯，而因硫酸根雜質(zhì)大多包裹在晶體內(nèi)部，無(wú)法通過(guò)洗滌水置換母液去除，對(duì)于硫酸根離子則效果不大。離心機(jī)內(nèi)清水洗滌對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量效果影響見表4。

表4　離心機(jī)洗滌前后產(chǎn)品質(zhì)量　(%)

3結(jié)語(yǔ)

用鈉硝石礦生產(chǎn)硝酸鈉的真空結(jié)晶工藝中，提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵是減少結(jié)晶產(chǎn)物中氯化鈉和硫酸鈉的含量，減少雜質(zhì)方法涉及結(jié)晶前、結(jié)晶過(guò)程中、結(jié)晶后全過(guò)程。結(jié)晶前通過(guò)澄清過(guò)濾控制進(jìn)入結(jié)晶系統(tǒng)的高溫母液中固相雜質(zhì)含量；結(jié)晶過(guò)程中補(bǔ)加適量水抑制結(jié)晶過(guò)程中固相氯化鈉和硫酸鈉的析出，同時(shí)將晶體顆粒直徑控制在合理范圍內(nèi)以減少后期濾餅的母液夾帶；結(jié)晶后通過(guò)特定的淘洗裝置和離心機(jī)清水洗滌將不可避免析出的固相氯化鈉和硫酸鈉去除。通過(guò)以上方法聯(lián)合使用，硝酸鈉產(chǎn)品質(zhì)量由合格品提高到優(yōu)等品，完全滿足傳熱蓄熱熔融鹽用戶要求。

參考文獻(xiàn)

1戴斌聯(lián)，楊燦輝等.一種硝酸鈉真空冷卻結(jié)晶工藝中產(chǎn)品質(zhì)量控制的方法.中國(guó)201210588793.4.[P].

(收稿日期2015-10-30)