黏膠纖維酸浴一步制造元明粉工藝探討

殷祿華 竇建飛

南通三圣石墨設(shè)備科技股份有限公司 （江蘇南通 226009）

元明粉（即無(wú)水硫酸鈉）有苦味、有吸濕性，外形為無(wú)色透明、大的晶體或顆粒狀小結(jié)晶，暴露在空氣中易吸水，生成十水硫酸鈉（Na2SO4·10H2O，又名芒硝）。元明粉主要用于制造水玻璃、玻璃、瓷釉、紙漿、制冷混合劑、洗滌劑、干燥劑、燃料稀釋劑等，是一種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)工業(yè)原料。

黏膠纖維酸浴經(jīng)過(guò)冷卻結(jié)晶得到芒硝，然后蒸發(fā)結(jié)晶得到元明粉的生產(chǎn)工藝早已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，且產(chǎn)品質(zhì)量非常穩(wěn)定。近年來(lái)，不斷有專家學(xué)者開發(fā)新的生產(chǎn)工藝，期望直接由酸浴蒸發(fā)得到元明粉。

1 元明粉生產(chǎn)工藝流程及原理

1.1 主流工藝流程及原理

主流工藝流程由4個(gè)部分組成（如圖1所示），即多級(jí)閃蒸、真空結(jié)晶、焙燒以及干燥。多級(jí)閃蒸的原理是將酸浴通過(guò)若干臺(tái)串聯(lián)的預(yù)熱器（其熱源來(lái)自相對(duì)應(yīng)級(jí)數(shù)的蒸發(fā)器閃蒸所產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝）連續(xù)預(yù)熱到一定溫度，然后采用新鮮蒸汽將酸浴加熱到設(shè)計(jì)溫度；從加熱器出來(lái)的酸浴依次進(jìn)入各級(jí)蒸發(fā)器，利用相鄰腔室間真空度的差異達(dá)到連續(xù)閃蒸的目的，酸浴濃度不斷提高，最終達(dá)到設(shè)計(jì)濃度并排放至濃縮酸浴槽。真空結(jié)晶的原理是在真空狀態(tài)下將濃縮酸浴降到一定溫度，通過(guò)進(jìn)一步脫水使得硫酸鈉溶液達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，從而形成芒硝晶體，再通過(guò)固液分離得到含水率約3%的芒硝。焙燒過(guò)程則是將上一工序得到的芒硝先進(jìn)行熔融，然后通過(guò)單效或多效蒸發(fā)結(jié)晶脫除所含的結(jié)晶水，再采用離心機(jī)分離得到含水率約3%的元明粉。將上述過(guò)程得到的元明粉通過(guò)熱風(fēng)干燥，控制好排風(fēng)溫度，即可得到含水率0.1%以下的元明粉。

1.2 一步法制造元明粉的工藝流程及原理

一步法工藝原理與多級(jí)閃蒸大體上相似，也是非常常規(guī)和成熟的工藝；與多級(jí)閃蒸的區(qū)別之處在于進(jìn)酸酸浴濃度較高。一步法工藝以常規(guī)多級(jí)閃蒸得到的濃縮酸浴為原料，進(jìn)酸量調(diào)小，循環(huán)量基本保持不變，這樣蒸發(fā)量也基本保持不變，因此濃縮比較高，從而使得硫酸鈉溶液達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)；因結(jié)晶溫度高于32.4℃，得到的晶體為無(wú)水硫酸鈉。工藝流程為：從蒸發(fā)器最后一級(jí)喂入普通多級(jí)閃蒸得到的濃縮酸，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵打到每級(jí)預(yù)熱器中連續(xù)預(yù)熱，預(yù)熱的熱源來(lái)自相應(yīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝。以十四級(jí)閃蒸一步制取元明粉為例，在濃縮過(guò)程中，蒸發(fā)器V3就開始出現(xiàn)硫酸鈉晶體，到V10時(shí)固含量就比較大了，最后集中在V13下料到增稠器，上層清液進(jìn)入平衡罐，再利用V14的真空自吸到V14內(nèi)繼續(xù)濃縮。增稠器得到的元明粉固含量較低、含酸量較高，進(jìn)入真空過(guò)濾器后得到濕含量約為15%的含酸元明粉，再進(jìn)入中和槽加堿中和，然后通過(guò)鹽漿泵輸送到旋液器和離心機(jī)，得到含水率約為3%的元明粉；該原料再通過(guò)熱風(fēng)干燥，控制好排風(fēng)溫度，得到含水率0.1%以下的元明粉。

2 主流工藝和一步法工藝的優(yōu)缺點(diǎn)（以十四級(jí)閃蒸為例）

2.1 流程比較

從工藝流程對(duì)比來(lái)說(shuō)，一步法制取元明粉的工藝流程比較簡(jiǎn)單，省掉了真空結(jié)晶和焙燒這2個(gè)工段，但是也增加了真空過(guò)濾器等設(shè)備，從投資角度來(lái)看，一步法制造元明粉的設(shè)備投資更低。

2.2 能耗比較

從單位產(chǎn)量能耗來(lái)看，按生產(chǎn)1 t纖維來(lái)推算，酸站大概需要蒸發(fā)8 t水并產(chǎn)生0.6 t元明粉，主流工藝需要消耗0.18 MPa（表壓）蒸汽0.94 t，0.45 MPa蒸汽1.3 t；一步法制取元明粉工藝需要消耗0.18 MPa蒸汽約2.1 t。傳統(tǒng)工藝比一步法工藝的蒸汽消耗稍多一些。

2.3 運(yùn)行控制要點(diǎn)

從控制角度來(lái)看，主流生產(chǎn)工藝可以完全實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)。一步法制取元明粉工藝無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)元明粉，必須在普通閃蒸和一步法制取元明粉兩種工藝當(dāng)中每隔6～8 h進(jìn)行切換。原因在于主流工藝可以獨(dú)立控制蒸發(fā)量和元明粉的產(chǎn)量，但是一步法制取元明粉生產(chǎn)工藝中蒸發(fā)量和元明粉的產(chǎn)量密切相關(guān)，實(shí)際需要蒸發(fā)的水和元明粉的產(chǎn)量不能匹配，所以只能進(jìn)行切換操作。

2.4 運(yùn)行環(huán)境

從操作環(huán)境來(lái)看：主流工藝酸浴均在密閉的罐或者容器內(nèi)進(jìn)行，車間設(shè)備基本沒(méi)有跑冒滴漏的現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有任何異味；但是一步法制取元明粉工藝從增稠器下料到真空過(guò)濾機(jī)是一個(gè)對(duì)環(huán)境完全敞開的處理過(guò)程，酸浴溫度也較高，現(xiàn)場(chǎng)酸性氣體刺激性氣味較重，影響操作工人的身心健康，對(duì)環(huán)境造成極大的污染。

2.5 生產(chǎn)效率

從元明粉的得粉率來(lái)講：主流工藝操作連續(xù)，得粉率較高，基本在54%左右，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。一步法制取元明粉的工藝無(wú)法形成連續(xù)操作，工人操作強(qiáng)度高，經(jīng)常用水沖洗，得粉率較低，一般在50%左右，且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)運(yùn)行較難控制。

2.6 裝置穩(wěn)定性

從裝置操作穩(wěn)定性方面對(duì)比，一步法制取元明粉工藝物料在預(yù)熱器換熱管內(nèi)和蒸發(fā)器連通管內(nèi)的流動(dòng)速度都不是很快，不超過(guò)1.2 m/s，遠(yuǎn)低于高固含量溶液強(qiáng)制循環(huán)所需的流速。若操作不穩(wěn)定或元明粉固含量控制不好，非常容易引起預(yù)熱器和管道內(nèi)的堵塞。預(yù)熱器堵塞還有一個(gè)原因，即元明粉的溶解度隨著溫度的升高而降低（見(jiàn)圖2）。所以高溫區(qū)的預(yù)熱器比低溫區(qū)的預(yù)熱器更容易結(jié)垢堵塞，加熱器也是如此。

3 工藝改進(jìn)

現(xiàn)有的一步制取元明粉的工藝由于自身特殊的理化性質(zhì)和黏膠纖維生產(chǎn)過(guò)程中的特殊要求，具有一定的弊端。主流工藝雖然看似工序較多，但是操作流暢，故障率低。從化工安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度來(lái)看，主流工藝占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。一步法制取元明粉工藝通過(guò)進(jìn)一步的流程改進(jìn)及優(yōu)化，可避免陷入片面追求低能耗而犧牲環(huán)境及質(zhì)量控制的誤區(qū)。

圖2 鹽的溶解曲線

針對(duì)目前運(yùn)行的一步提硝工藝的缺陷和不足，艾伯納三圣（南通）環(huán)保有限公司研究開發(fā)了新一代的一步法制取元明粉工藝，取得了突破性進(jìn)展。改進(jìn)后的流程中，多級(jí)閃蒸得到飽和酸浴溶液后，不繼續(xù)利用閃蒸的方式蒸發(fā)提濃，改為多效蒸發(fā)結(jié)晶，物料經(jīng)強(qiáng)制循環(huán)泵泵出，以較高的流速通過(guò)加熱器管程，避免在換熱管內(nèi)壁形成污垢。蒸發(fā)結(jié)晶得到的固液混合物先儲(chǔ)存在熟化槽中，其內(nèi)設(shè)置攪拌器。保持連續(xù)低速攪拌避免晶體破碎，并使晶體維持懸浮狀態(tài)，晶體一邊低速攪動(dòng)一邊與相鄰晶體接觸成長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)熟化之后的固液混合物由鹽漿泵送至增稠器，經(jīng)過(guò)初步濃縮固含量提升，母液返回蒸發(fā)結(jié)晶器，繼續(xù)參與循環(huán)，此時(shí)可部分回收其中的細(xì)小晶體顆粒。增稠器出口得到的固液混合物進(jìn)入離心機(jī)，最終得到濕含量較低的元明粉和一部分母液。改進(jìn)后的工藝主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）避免含有晶體顆粒的溶液以較低的速度流經(jīng)閃蒸預(yù)熱器，以免在換熱管內(nèi)壁結(jié)垢，給預(yù)熱器和加熱器帶來(lái)較大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（2）按照硫酸鈉溶解特性和溶解曲線，不宜一邊降溫一邊結(jié)晶，從硫酸鈉溶解曲線可以看到，當(dāng)溫度升高時(shí)，與大多數(shù)無(wú)機(jī)鹽相反，其溶解度越來(lái)越低。從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的角度分析，當(dāng)采用多級(jí)閃蒸獲得硫酸鈉晶體時(shí)，其結(jié)晶動(dòng)力逐級(jí)減弱。因此在多級(jí)閃蒸逐級(jí)降溫的工況下，不利于硫酸鈉的逐級(jí)結(jié)晶和晶體的長(zhǎng)大。

（3）目前運(yùn)行的一步提硝工藝，依靠蒸發(fā)得到的晶體顆粒直徑較小，在沒(méi)有進(jìn)一步熟化的前提下，很容易造成晶體顆粒的泄漏和損失，在改進(jìn)后的工藝流程中，增加熟化槽可獲得顆粒較大、晶體直徑較為均勻的硫酸鈉。

（4）多級(jí)閃蒸用于一步提硝時(shí)，經(jīng)常需要切換，而工業(yè)裝置適宜連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，頻繁切換很容易造成裝置的跑冒滴漏或出現(xiàn)其他不安全的狀況，這是需要極力避免的。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，以上改進(jìn)后的工藝已經(jīng)完成中試，取得了令人滿意的成果，元明粉的質(zhì)量明顯優(yōu)于一步提硝工藝，工藝控制也更加穩(wěn)定，下一步將在行業(yè)內(nèi)全面推廣使用。相信不久的將來(lái)可以為黏膠化纖企業(yè)提供更加先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保的技術(shù)和裝備。