新型高效酸浴結(jié)晶裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)與研究

殷祿華 許金成

南通三圣石墨設(shè)備科技股份有限公司 （江蘇南通 226009）

近幾年，黏膠纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升優(yōu)化，單條生產(chǎn)線的規(guī)模也不斷擴(kuò)大。這對(duì)原液、紡練和酸站等配套設(shè)備均提出了更高的要求，既需要優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)以增加產(chǎn)能、降低能耗，又需要合理精準(zhǔn)地配置設(shè)備以提高裝置效率，從而幫助黏膠纖維生產(chǎn)廠家減少投資，適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求。針對(duì)黏膠纖維行業(yè)的發(fā)展前景和改進(jìn)方向，艾伯納三圣（南通）環(huán)保有限公司開發(fā)出了新型高效酸浴結(jié)晶裝置并將其成功應(yīng)用于生產(chǎn)，很好地解決了以上 問(wèn)題［2］。

1 黏膠纖維酸浴結(jié)晶工藝概述及現(xiàn)狀

1.1 酸浴結(jié)晶基本原理

絕大部分黏膠纖維工廠目前運(yùn)行的結(jié)晶裝置以真空冷卻結(jié)晶為主，工藝原理如下：用于結(jié)晶的酸浴連續(xù)逐級(jí)通過(guò)不同的腔室，逐步降低操作壓力；在無(wú)需外部熱量的情況下，酸浴始終處于沸騰狀態(tài)，從而使水分蒸發(fā)。酸浴在閃蒸過(guò)程中一邊濃縮一邊降溫，蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽通過(guò)硫酸冷凝器冷凝。當(dāng)酸浴溫度低于硫酸鈉結(jié)晶起始溫度之后，溶液中的硫酸鈉以芒硝晶體（Na2SO4·10H2O）的形式析出。

1.2 酸浴結(jié)晶工藝

1.2.1 酸浴結(jié)晶工藝簡(jiǎn)述

普通黏膠纖維的酸浴進(jìn)料溫度一般低于48℃，酸浴連續(xù)喂入預(yù)冷卻器，在真空狀態(tài)下閃蒸濃縮，達(dá)到芒硝結(jié)晶溫度后進(jìn)入結(jié)晶器，此時(shí)酸浴溫度一般控制在28℃。通過(guò)不斷提高每級(jí)結(jié)晶器的真空度，酸浴在結(jié)晶器中連續(xù)產(chǎn)生結(jié)晶，為使晶體顆粒在酸浴中保持懸浮狀態(tài)，在結(jié)晶器底部設(shè)有空氣攪拌器。含大量晶體的酸浴離開結(jié)晶器后，經(jīng)過(guò)增濃器到達(dá)離心機(jī)并分離出合格產(chǎn)品。結(jié)晶器末級(jí)的酸浴溫度控制在14℃左右，整個(gè)結(jié)晶過(guò)程的溫降大約為14℃，以較為普遍的4級(jí)真空結(jié)晶為例，每級(jí)結(jié)晶器的平均溫降為3.5℃。

與蒸發(fā)結(jié)晶明顯不同的是，真空冷卻結(jié)晶對(duì)溫降要求較高，如果溫降較大，可在瞬間形成大量的細(xì)小晶體，這種情況在操作中要極力避免。

1.2.2 酸浴結(jié)晶裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀及常見問(wèn)題

20世紀(jì)90年代初，我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)還比較薄弱，部分大型黏膠纖維生產(chǎn)企業(yè)從德國(guó)艾伯納公司引進(jìn)了多套酸浴閃蒸、結(jié)晶及焙燒裝置，通過(guò)借鑒學(xué)習(xí)，雖然陸續(xù)將裝置應(yīng)用到國(guó)內(nèi)幾乎所有的黏膠纖維工廠，但并沒(méi)有真正掌握其工藝計(jì)算的核心。在后續(xù)的行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，僅僅是同尺寸照搬或按比例將裝置放大。隨著黏膠纖維產(chǎn)能的持續(xù)提升，設(shè)備規(guī)格顯著增大，導(dǎo)致酸站廠房占地面積不斷擴(kuò)大，投資急劇增加［1］。

另外，在與國(guó)內(nèi)某些廠家交流溝通時(shí)了解到：結(jié)晶器末級(jí)的酸浴溫度一旦低于14℃，就容易導(dǎo)致晶體沉積，堵塞空氣攪拌器氣孔，甚至使空氣攪拌器無(wú)法工作；一些廠家結(jié)晶器的溫度控制不均勻，經(jīng)鹽漿泵輸送到增稠器的物料 （含有細(xì)小晶體的母液），有相當(dāng)一部分從增稠器上部溢出，最終的結(jié)果是產(chǎn)能下降，裝置產(chǎn)能無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

為彌補(bǔ)此類缺陷，通常的做法是提高結(jié)晶喂入酸浴量，其后果是酸浴在結(jié)晶器內(nèi)的停留時(shí)間縮短、液位過(guò)高，酸浴在結(jié)晶器內(nèi)閃蒸的二次蒸汽夾帶晶體量增加等。由于處理量較大，二次蒸汽冷凝量也相應(yīng)增加，當(dāng)夏天水溫較高時(shí)，實(shí)際結(jié)晶產(chǎn)能顯著下降。少數(shù)廠家也嘗試過(guò)增加換熱器的方式，但是都不能解決根本問(wèn)題。

2 新型高效結(jié)晶裝置的應(yīng)用與設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 新型高效結(jié)晶裝置的開發(fā)與應(yīng)用

目前世界上最大的酸浴結(jié)晶裝置分別應(yīng)用于賽得利（印尼）纖維有限公司項(xiàng)目和賽得利（江西）化纖有限公司項(xiàng)目，由艾伯納三圣（南通）環(huán)保有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)及建設(shè)。前者已于2018年順利開車，并已成功完成性能測(cè)試，72 h連續(xù)測(cè)試最高結(jié)晶生產(chǎn)能力達(dá)16.5 t/h，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)能力（15 t/h）。后者預(yù)計(jì)于2019年下半年開車，工藝上采用了更為環(huán)保的間接冷凝方法，改變了行業(yè)內(nèi)一直以來(lái)的冷卻水與酸性二次蒸汽直接接觸冷凝的方式，既避免了酸性涼水塔循環(huán)冷卻時(shí)造成的大氣環(huán)境污染，也避免了酸性冷凝液與冷卻水混合產(chǎn)生大量的酸性廢水。相比原先2套7.5 t/h產(chǎn)能的結(jié)晶裝置，新裝置投資低、占地少、設(shè)備數(shù)量少、維護(hù)費(fèi)用低，具有極大的性能和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2.2 高效結(jié)晶裝置的設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化

結(jié)合當(dāng)前酸浴結(jié)晶裝置存在的一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了以下2個(gè)方面。

2.2.1 優(yōu)化工藝控制參數(shù)及設(shè)備選型，提高產(chǎn)率

通過(guò)與德國(guó)艾伯納公司的長(zhǎng)期合作，學(xué)習(xí)并掌握了整個(gè)流程中的實(shí)際過(guò)程參數(shù)、物料特性數(shù)據(jù)以及整個(gè)工藝包的計(jì)算。根據(jù)真空蒸發(fā)的原理，優(yōu)化了真空度、蒸發(fā)速率與結(jié)晶器尺寸等相關(guān)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，確定了最佳的高效傳質(zhì)方案。在保證結(jié)晶產(chǎn)量及其他性能的同時(shí)，使部分主要設(shè)備的選型尺寸降至最低，從而節(jié)約裝置投資30%左右，縮小裝置占地面積25%以上［3-4］。以15 t/h結(jié)晶裝置為例，部分主要設(shè)備尺寸及選型對(duì)比如表1所示。

2.2.2 優(yōu)化工藝流程，使其簡(jiǎn)化及高效

（1）簡(jiǎn)化流程配置，提高產(chǎn)品品質(zhì)

在新型高效結(jié)晶裝置中，通過(guò)對(duì)物料平衡和熱平衡的精確計(jì)算，調(diào)整工藝流程，降低裝置總的熱負(fù)荷，減少現(xiàn)有設(shè)計(jì)配置中的酸浴換熱器，減少蒸汽噴射器及硫酸冷凝器的數(shù)量，增加結(jié)晶器的級(jí)數(shù)，在同樣產(chǎn)能的情況下，裝置占地面積及單體設(shè)備尺寸大大縮小。主要計(jì)算依據(jù)及說(shuō)明如下：

表1 優(yōu)化前后設(shè)備選型

Q=m·cp·(T0-t)+Rw

式中：Q為結(jié)晶過(guò)程總的熱負(fù)荷，kJ；

m為結(jié)晶裝置的進(jìn)酸量，kg/h；

cp為初始酸浴的比熱，kJ/（kg·K）；

T0為初始酸浴的溫度，K；

t為出結(jié)晶器的酸浴溫度，K；

Rw為結(jié)晶熱，kJ。

同樣以15 t/h結(jié)晶裝置為例，其中恒定不變的參數(shù)為cp，T0和Rw。在現(xiàn)有裝置中，t=14℃，進(jìn)酸量需要60 m3/h；在新設(shè)計(jì)裝置中，t=10℃，進(jìn)酸量?jī)H需要40 m3/h。由此可知，在保持相同產(chǎn)能的條件下，現(xiàn)有裝置需要的總熱負(fù)荷Q遠(yuǎn)大于新型裝置所需要的熱負(fù)荷Q新，同樣也說(shuō)明了裝置的熱效率（Rw/Q）得到有效提升。

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)還可以降低每級(jí)結(jié)晶器的溫降，使得每級(jí)的酸浴溫降更為均勻，晶體停留時(shí)間延長(zhǎng)，其生長(zhǎng)空間也相應(yīng)增大，從而有利于保證產(chǎn)能和晶體顆粒的均勻。具體的結(jié)晶流程如圖1所示。

圖1 結(jié)晶流程示意圖（間壁式）

（2）調(diào)整結(jié)晶工藝，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)

結(jié)晶器不同于普通閃蒸蒸發(fā)器，其除了提供酸浴閃蒸的場(chǎng)所以外，更主要的功能是提供晶體形成、生長(zhǎng)以及維持晶體均勻懸浮的場(chǎng)所。在合理的結(jié)晶工藝和設(shè)備結(jié)構(gòu)條件下，末級(jí)結(jié)晶器的溫度可降低至10℃，即在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上降低4℃。與此同時(shí)，酸浴進(jìn)料量由60 m3/h降低至40 m3/h。

優(yōu)化蒸噴設(shè)計(jì)與濃硫酸流量、溫度之間的匹配系數(shù)。很多廠家運(yùn)行的酸浴結(jié)晶裝置，其蒸噴工作性能較差，在此情況下，可能會(huì)通過(guò)提高硫酸濃度的方式維持真空度，但導(dǎo)致的結(jié)果是硫酸冷凝器的損壞率較高。濃硫酸氧化性較強(qiáng)，當(dāng)濃度升高時(shí)，其對(duì)膠板的損害呈指數(shù)上升。

設(shè)置必要的檢測(cè)儀表，更準(zhǔn)確地判斷物料的運(yùn)行狀態(tài)。部分廠家為了節(jié)約成本，在一些關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)未設(shè)置檢測(cè)儀表，極易導(dǎo)致誤操作或操作失控，損壞設(shè)備。例如在硫酸冷凝器出口未設(shè)定檢測(cè)硫酸濃度的儀器，僅通過(guò)觀察硫酸流量的方式來(lái)判斷并控制濃度，這種控制方式是很不科學(xué)的。

3 高濕高模量黏膠纖維酸浴結(jié)晶工藝討論

高濕高模量黏膠纖維是一種特殊的高品質(zhì)新一代黏膠纖維。與普通黏膠纖維類似，高濕高模量纖維的酸浴也需要保持組成相對(duì)穩(wěn)定。其酸浴組成與普通黏膠纖維差別較大——鈉離子濃度較低而鋅離子含量較高，導(dǎo)致酸浴中硫酸鈉達(dá)到其飽和溶解度的溫度較低。采用目前國(guó)內(nèi)通用的酸浴結(jié)晶工藝無(wú)法有效處理酸浴，得到芒硝晶體。為此開發(fā)了新型特種纖維酸浴結(jié)晶裝置，該裝置同時(shí)具備處理高濕高模量纖維酸浴和普通纖維酸浴的能力，也適用于國(guó)內(nèi)小型結(jié)晶裝置的技術(shù)改造。

4 結(jié)語(yǔ)

重點(diǎn)介紹了新型高效酸浴結(jié)晶裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有結(jié)晶裝置出現(xiàn)的一些異常狀況給出了解決方法和思路，希望能夠給國(guó)內(nèi)黏膠纖維廠家提供一些幫助。