過飽和度的消除和制鹽蒸發(fā)結(jié)晶罐的結(jié)構研究

曹守彬

(江蘇瑞洪鹽業(yè)有限公司，江蘇 淮安 223114)

結(jié)晶料液過飽和度的高效利用是真空制鹽行業(yè)的核心課題之一，是控制晶體粒度和產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵所在，與高產(chǎn)能、低能耗密切相關。來源于溶劑蒸發(fā)和溶液冷卻，過飽和度是結(jié)晶成核和成長的根本動力，活動場所是蒸發(fā)結(jié)晶罐。在實際生產(chǎn)應用中，過飽和度呈現(xiàn)復雜雙面性，過飽和度高則在既定溫度下既定裝置的生產(chǎn)強度高，但顆粒細小，易結(jié)鹽，生產(chǎn)周期短。理想的蒸發(fā)結(jié)晶罐結(jié)構設計的一個重要任務就是將這對矛盾最大化調(diào)和。

1 蒸發(fā)結(jié)晶相關基本理論探究

1.1 過飽和度與成核

過飽和度的常用表示方法有濃度推動力△c，過飽和度比S 和相對過飽和度σ［1］。在實際應用中以△c 更為直觀方便，其定義為:

式中:c——過飽和濃度;c*——飽和濃度。

工業(yè)結(jié)晶過程中晶核形成模式主要分為初級成核和二次成核。

初級成核速率［#/m3·s］為:

式中:KP——初級成核速率常數(shù);n——成核指數(shù)，一般大于2。

二次成核速率［#/m3·s］為:式中:j、l 和b 為受操作條件影響的常數(shù);Kb——與溫度相關的成核速率常數(shù);MT——懸浮密度;N——攪拌速度。

結(jié)晶的初次成核和二次成核速率均與溶液的過飽和度正相關。與初級成核相比，二次成核所需要的過飽和度較低。

在一定的過飽和濃度下，成核速率大于晶體成長速率時，造成細小晶體比例增多，結(jié)晶品質(zhì)下降和容器壁內(nèi)結(jié)巴鹽。相對過飽和度越高，此不利狀況表現(xiàn)越明顯。

成核速率還與被攪拌的晶體粒徑有關，粒度越大，因機械攪拌而產(chǎn)生的成核速率越高。文獻［2］報道，氯化鈉晶體粒度對二次成核速率［#/#·s］的影響擬合公式為:

式中:V——結(jié)晶器體積;L——晶體粒徑。

1.2 晶體成長速率

真空蒸發(fā)制鹽結(jié)晶罐內(nèi)的料液溫度一般大于50 ℃，結(jié)晶過程屬于擴散型控制，食鹽晶體生長速率與過飽和度接近直線關系，基本屬于1 階關系，通常可用質(zhì)量生長速率和線性生長速率表示［1］。

晶體的質(zhì)量生長速率［kg/m2·s］為:

晶體各個晶面的線性生長速率［m/s］為:

在式(5)、式(6)中，ka為面積形狀因子，kv為體積形狀因子(對于立方和球形晶體ka/kv等于6);ρs為晶體密度;kr為表面反應速率系數(shù)，對于既定的結(jié)晶溶液，kr僅是反應溫度的函數(shù)，與熱力學溫度正相關;kf是擴散傳質(zhì)系數(shù)，對于既定的結(jié)晶溶液，kf的主要影響因素為溫度和溶劑的動力粘度，與熱力學溫度正相關，與溶劑的動力粘度反相關。

在同一時間內(nèi)懸浮液中每個晶粒的相對應尺寸的增長都與之相等，即晶體的生長速率與原晶粒的初始粒度無關。

1.3 蒸發(fā)結(jié)晶罐內(nèi)過飽和度的產(chǎn)生和消除

氯化鈉的溶解度受溫度的影響很小，其溶解度曲線為緩升型。圖1 中曲線AB 表示飽和曲線，曲線CD 表示溶液過飽和且能自發(fā)產(chǎn)生晶核的界限，稱為超溶解度曲線。CD 線以上為不穩(wěn)區(qū)，為自發(fā)成核區(qū)，AB 和CD 線之間為介穩(wěn)區(qū)，介穩(wěn)區(qū)內(nèi)有無數(shù)條過飽和曲線，AB 線以下為穩(wěn)定區(qū)。

圖1 氯化鈉的溶解度Fig.1 Solubility of NaCl

真空制鹽蒸發(fā)結(jié)晶罐內(nèi)溶液的過飽和度來自溶劑蒸發(fā)和溫降，以溶劑蒸發(fā)占優(yōu)，溫降在局部和短時間內(nèi)表現(xiàn)為較小的作用，或者說是在絕熱蒸發(fā)時的伴隨表現(xiàn)。通常結(jié)晶罐內(nèi)蒸發(fā)液面附近的溶液狀態(tài)處于或接近不穩(wěn)區(qū);蒸發(fā)液面以下為亞穩(wěn)區(qū)，為晶體成長區(qū)，或者說是過飽和度消除區(qū);加熱室進口至上循環(huán)管出口段的空間內(nèi)料液處于穩(wěn)定區(qū)。

蒸發(fā)結(jié)晶罐內(nèi)，結(jié)晶的成長過程就是過飽和度的消除過程，晶體以既有的幾何面吸收過飽和度或累積溶質(zhì)。式(5)、式(6)不僅表明結(jié)晶的成長速率與過飽和度的一次方正相關，還表明過飽和度的吸收速率與晶體的表面積正相關，即懸浮晶體總表面積越大，過飽和度被消除的速率越高。

同等懸浮晶漿質(zhì)量密度下，用于消除過飽和度的晶體顆粒越小，其吸收過飽和度的總表面積越大。單個氯化鈉晶體用于吸收過飽和度的表面積為:

式中:a、a/n 為晶體邊長;Sa為邊長a 的晶體表面積;Sa/n為邊長a/n 的晶體表面積。

蒸發(fā)結(jié)晶罐的生產(chǎn)強度來自于過飽和度，即裝置的產(chǎn)量來自過單次循環(huán)被吸納的過飽和度和循環(huán)量［3-4］，可表示為:

式中:P——產(chǎn)量，kg/s;Qc——料液循環(huán)速率，L/s;Δc——過飽和度，kg/L。

式(8)表明過飽和度被消除的越快，單位容積內(nèi)的產(chǎn)量越高。

有學者［4］認為真空制鹽蒸發(fā)罐內(nèi)溶液的過飽和度Δc 值宜控制在1.50 g/L 左右，為最大過飽和度Δcmax的10% ～30%。

追求低二次成核數(shù)量的同時增加過飽和度的消除速率是良好蒸發(fā)結(jié)晶罐結(jié)構設計的一個重要任務。讓具有最強吸收面最強過飽和吸收力的空間與產(chǎn)生過飽和度最強烈的空間最大限度地重合是提高在既定裝置產(chǎn)能的關鍵所在，也是用更小的料液循環(huán)量提高晶體粒度的重要途徑。

1.4 目前行業(yè)常用的蒸發(fā)結(jié)晶罐類型分析

真空制鹽行業(yè)早期使用的標準型蒸發(fā)罐，因其加熱室傳熱系數(shù)小、生產(chǎn)強度極低和制造難度較大等原因已被淘汰。

目前真空制鹽行業(yè)常用的強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶罐有四種類型，如圖2 所示。

圖2 強制循環(huán)蒸發(fā)罐Fig.2 Forced circulation evaporation tank

a 型為外熱式強制正循環(huán)切向進料蒸發(fā)結(jié)晶罐。

該種蒸發(fā)罐制作相對簡單，液面蒸發(fā)強度大;由于切向進料，形成固液偏析或分離，使需要長大的晶粒偏離過飽和溶液區(qū)，沿管壁下降，鹽腳中的晶體偏細，造成產(chǎn)品粒度小;當循環(huán)料液流速增大時，易造成部分未充分蒸發(fā)水分的料液進入下一次循環(huán)，即形成料液熱和過飽和度短路，造成溫差損失;同時，液面附近易結(jié)鹽垢，易造成大塊鹽堵塞加熱管，從而導致正常生產(chǎn)周期短。該型蒸發(fā)罐較適用于無結(jié)晶生成的料液濃縮，在真空制鹽行業(yè)正逐步被淘汰。

b 型為外熱式強制正循環(huán)軸向進料蒸發(fā)結(jié)晶罐。

該種蒸發(fā)罐有較多優(yōu)點，由于被加熱后的料液從蒸發(fā)室中心管進入，并輸至液面附近，蒸發(fā)室中心位置的液面蒸發(fā)強度大，筒壁附近蒸發(fā)強度相對較小，筒壁相對不易結(jié)鹽巴;蒸發(fā)室內(nèi)料液與結(jié)晶體同向軸向流動，固液混合均勻;蒸發(fā)室內(nèi)加裝夾套后，便于固液分離，清液從清液轉(zhuǎn)料口排至下一效，更適用于鹽硝聯(lián)產(chǎn)。

該型蒸發(fā)罐缺點是被加熱后料液仍在蒸發(fā)室內(nèi)溶液的最上部沸騰，此處溶液的過飽和度最大，而晶漿密度小且晶粒細小，不利于過飽和度被快速吸收，同時晶體在蒸發(fā)室內(nèi)的停留時間難以被延長，不利于獲得較大晶體;已成形的大晶體被吸入下循環(huán)管，進入強制循環(huán)泵后會被破碎，尤其在為提高加熱室傳熱系數(shù)而提高循環(huán)流速時，這種破碎更加強烈，從而導致過多的二次晶核生成。

c 型為外熱式強制逆循環(huán)徑向出料蒸發(fā)結(jié)晶罐。

該型蒸發(fā)罐基本上克服了b 型罐的缺點。在同等的加熱強度、蒸發(fā)室截面積和容積的情況下，該型蒸發(fā)罐的正常周期要長于b 型罐;所產(chǎn)生的晶體粒度要高于b 型罐。但該型蒸發(fā)罐仍存在自身缺點。為了減少下循環(huán)管內(nèi)流體阻力，循環(huán)管的橫截面積一般約為加熱室內(nèi)加熱管總橫截面積的1.5 倍，循環(huán)管管徑較大，與蒸發(fā)室相通的下循環(huán)管口距液面距離較小，導致有部分未經(jīng)充分閃發(fā)的料液直接進入下一循環(huán)，即有部分料液短路，不利于節(jié)能;被加熱后的料液從蒸發(fā)室下錐體底部切向進入，易造成固液偏析;因為蒸發(fā)室液面附近溶液的過飽度最高，故該型蒸發(fā)罐還造成一部分已生成的過飽度的浪費。另外下循環(huán)管進口易吸入氣泡，易引起強制循環(huán)泵氣蝕;長時期運行后，下循環(huán)管口易結(jié)鹽垢。

d 型為外熱式強制逆循環(huán)軸向出料蒸發(fā)結(jié)晶罐。

該型蒸發(fā)罐為c 型罐的改進型。由于軸向出料管口水平，管口可最大限度地接近液面，熱料液短路現(xiàn)象被克服了一部分;由于軸向出料管進口段為較長的垂直喇叭狀錐形管，循環(huán)管吸入氣泡的缺陷得到緩解。該型罐依然存在一部分已生成的過飽度被浪費現(xiàn)象。

1.5 生產(chǎn)大粒鹽的蒸發(fā)結(jié)晶罐類型分析

根據(jù)相關文獻［3］資料介紹，生產(chǎn)大粒鹽結(jié)晶器常用的有奧斯陸蒸發(fā)結(jié)晶器、DBT 型蒸發(fā)結(jié)晶器和JM 型蒸發(fā)結(jié)晶器。這些類型的蒸發(fā)結(jié)晶器生產(chǎn)的鹽粒徑可達3 mm 以上，但單位產(chǎn)品的能耗極高。

奧斯陸蒸發(fā)結(jié)晶器的蒸發(fā)區(qū)與育晶區(qū)分別設于兩處，即過飽和度的產(chǎn)生區(qū)域與消除區(qū)域分離。蒸發(fā)區(qū)內(nèi)的料液過飽和度需較低，否則在蒸發(fā)室內(nèi)壁易形成鹽垢，阻礙生產(chǎn)。育晶區(qū)內(nèi)晶粒成長的動力主要來源于細晶體的溶解和小晶體的“粘接”，育晶區(qū)內(nèi)晶粒生長緩慢，不利于提高生產(chǎn)強度，料液單次循環(huán)受熱量小，不利于節(jié)能。

DBT 型蒸發(fā)結(jié)晶器(如圖3 所示)設置了內(nèi)導流筒及攪拌器，形成了內(nèi)循環(huán)通道，內(nèi)循環(huán)速率高，可使晶漿質(zhì)量密度保持至30% ～40%，讓高飽和度產(chǎn)生區(qū)域與消除區(qū)域最大限度地重合，強化了結(jié)晶器的生產(chǎn)能力，并能產(chǎn)生較大粒徑的結(jié)晶產(chǎn)品［1］。

圖3 DBT 型蒸發(fā)結(jié)晶器Fig.3 DBT evaporation crystallizer

DBT 型蒸發(fā)結(jié)晶器采用頂部安裝攪拌機，攪拌槳深入到蒸發(fā)器下部位置，帶動料液內(nèi)循環(huán)，延長了育晶時間。在含顆粒且有腐蝕性的溶液內(nèi)部，槳底軸承壽命極難保證。攪拌槳葉片對大晶體有較強的機械性破碎，而且頂部安裝攪拌機，在大型蒸發(fā)罐體上使用極為困難。

DBT 型蒸發(fā)罐在大型化的真空制鹽行業(yè)直接應用極少，但它對真空制鹽行業(yè)新型蒸發(fā)結(jié)晶器的設計和開發(fā)有著很好的借鑒性。

JM 型蒸發(fā)結(jié)晶器增大了育晶空間，但無法有效讓絕大部分小顆粒充分參與內(nèi)循環(huán)。該型結(jié)晶器采用加熱室頂部進料受熱，可充分克服加熱管內(nèi)料液沸騰，但料液受熱后產(chǎn)生的浮力不但沒有利用，反而消耗外動力。

2 新型蒸發(fā)罐的設計構想

2.1 新型蒸發(fā)罐的構想思路

結(jié)合理論分析和實際應用比較，提出一種真空制鹽用蒸發(fā)結(jié)晶罐結(jié)構設計的改進思路，圖4 為結(jié)構示意圖。

圖4 新型蒸發(fā)罐示意圖Fig.4 Schematic diagram of new type of evaporation tank

(1)液下閃蒸，液面蒸發(fā)。改變單純的近液面

處蒸發(fā)的局面，大幅增加產(chǎn)生過飽和度的空間，緩解液面處的高過飽和度。料液在加熱室內(nèi)獲得較大的溫升后，在蒸發(fā)室內(nèi)有足夠的釋放空間。

(2)液下射流引流，噴射口出處溶液靜壓接近真空或接近液面處蒸汽壓力，將大部分含有細小晶體的溶液吸起，形成內(nèi)循環(huán)上升流。讓同等晶漿密度下具更多吸收面積的細小晶體顆粒參與循環(huán)，消除過飽和度，從而讓高飽和度產(chǎn)生區(qū)域與消除區(qū)域最大限度地重合。

(3)工作時蒸發(fā)室內(nèi)液面中心處凸起，呈拋射球面狀，增大料液蒸發(fā)面積的同時，較大顆粒較多地被拋向近罐壁處而下行，最終隨下行料液進入育晶區(qū)和淘洗鹽腿。淘洗鹽腿底部加料，保證晶體產(chǎn)品粒度分布在較窄的范圍內(nèi)。

(4)液面近罐壁處料液的過飽和度盡可能低。通過射流形狀設計與控制，閃蒸與蒸發(fā)均在蒸發(fā)室內(nèi)近軸心線空間內(nèi)完成。杜絕或大幅減少罐壁處結(jié)鹽。

(5)設置夾套，內(nèi)外循環(huán)分開。下循環(huán)管入口在夾套錐體的上端。夾套外側(cè)的育晶空間兼有顆粒沉降分離的作用，最大限度地避免大顆粒晶體參與外循環(huán)。錐體夾套的頂端設置氣液平衡管，可與二次蒸汽管相連通。

2.2 新型蒸發(fā)罐設計的核心計算要點

新型蒸發(fā)罐改進設計的計算要點為噴嘴口與液面的垂直距離、噴嘴流速、循環(huán)泵揚程和噴嘴的幾何結(jié)構等。

(1)噴嘴口與液面的垂直距離。該距離決定蒸發(fā)室內(nèi)過飽和度劇烈產(chǎn)生和消除的空間大小。晶體顆粒大小需求程度與循環(huán)泵能耗增加是其平衡計算的主要參數(shù)。

胡修慈［5］、周卓霖［6］、馮義琨［7］等人基于防止加熱室內(nèi)料液沸騰，研究認為，在加熱室蒸汽壓力為3.23 kgf/cm2、蒸 發(fā) 室 二 次 蒸 汽 壓 力 為1.423 kgf/cm2，含晶體料液密度為1 453 kg/cm3(為四效真空蒸發(fā)制鹽首效的基本參數(shù))的情況下，蒸發(fā)罐內(nèi)起始沸騰點距液面高度約3.3 m ～4.1 m。

結(jié)合循環(huán)泵的能耗，作者認為噴嘴口與液面的垂直距離在2 m ～4 m 合適。當晶體顆粒度需求較大時，該距離偏大;當蒸發(fā)強度需求高時，該尺寸偏小。在罐體設計中，蒸發(fā)室上段預留0.5 m ～1.0 m的高度，便于在應用中操作液位高度根據(jù)需要進行調(diào)整。噴嘴口水平面比下循環(huán)管入口略高或基本保持同一水平面，位于蒸發(fā)室筒體中部。噴嘴出口與錐形夾套上端口水平面平齊，降低下降流對上升流的干擾。

(2)噴嘴流速。在噴嘴口水平面和加熱室操作液面間建立伯努利方程，以噴嘴口處料液靜壓頭與液面蒸汽壓力相等為計算基準，得出噴嘴口流速u的理論計算式:

式中:g——重力加速度，m/s2;z——噴嘴口與液面的垂直距離，m;hf——料液垂直向上流過z 距離的阻力，m;hy——壓頭裕量，m;用于克服料液流經(jīng)育晶器和下循環(huán)管直至循環(huán)泵進口的阻力。

(3)循環(huán)泵揚程。在循環(huán)泵進口和在噴嘴口水平面間建立伯努利方程，經(jīng)整理計算得:

式中:H——循環(huán)泵揚程，m;hx——料液流經(jīng)加熱管、上循環(huán)管及噴嘴的流體阻力和，m;u2/2g——噴嘴動壓頭，m。

(4)噴嘴的幾何結(jié)構［8］。采用多股射流，可使工作與被吸流體在較短的行程內(nèi)得到充分混合，減少摩阻損失，改善流速分布，多噴嘴液體射流泵效率達45%。故新型蒸發(fā)結(jié)晶罐的上循環(huán)管出口噴嘴應設計成多個錐狀孔。同時考慮到分配流流動阻力、射程和結(jié)構布置，噴嘴口個數(shù)為6 +1 只較佳，如圖5 所示，每個噴嘴做成收縮圓錐形，錐孔的錐度為13.5 °，噴嘴孔直段高度為0.25 d。噴嘴孔內(nèi)徑d計算式:

圖5 噴嘴示意圖Fig.5 Nozzle diagram

式中:d——噴嘴孔內(nèi)徑，m;Q——循環(huán)泵流量，m3/s;φ——流速系數(shù)，0.97 ～0.98;u——按式(9)計算的噴射流速，m/s;n——噴嘴孔個數(shù)。

3 結(jié)束語

通過強化蒸發(fā)室內(nèi)液下沸騰，將過飽和度的產(chǎn)生空間擴大，同時在此空間內(nèi)有盡可能多的晶體表面和較快的晶體成長速率，用來消除過飽和度，提升制鹽蒸發(fā)結(jié)晶罐產(chǎn)能的同時提高晶體粒度，是文章所探討新型罐結(jié)構改進的主旨。罐內(nèi)液下射流引流的流速分布、晶粒分布優(yōu)化以及引流效率提升需用流體力學方面軟件進一步模擬，并通過試驗不斷改進，這些是該型罐今后重點研究的課題。