黃崇順

（江蘇一夫科技股份有限公司，江蘇南京210003）

二水石膏在飽和水蒸汽或在一定的溫度、壓力的液態(tài)水溶液中，脫除1.5個水分子并以液態(tài)水形式排出，經(jīng)成核作用或在轉(zhuǎn)晶作用下形成α 型半水石膏。生產(chǎn)α高強石膏主要有蒸壓法、水熱法兩條技術(shù)路線[1]，其中水熱法分為常壓法和加壓法，加壓水熱法產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、等級高，已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化。

轉(zhuǎn)晶釜是加壓水熱法生產(chǎn)工藝中的核心設(shè)備。在轉(zhuǎn)晶釜中，二水石膏溶解并在轉(zhuǎn)晶劑的誘導(dǎo)下重結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)棣?型半水石膏，反應(yīng)過程溫度為120℃～140℃，壓力為0.2～0.3 MPa，漿液固含量30%～40%，轉(zhuǎn)晶前后晶體的密度差別較大，轉(zhuǎn)晶前二水石膏密度為2.31 g/cm3，轉(zhuǎn)晶后半水石膏密度為2.76 g/cm3，轉(zhuǎn)晶釜內(nèi)操作工況復(fù)雜，其連續(xù)穩(wěn)定可靠運行至關(guān)重要。本文從六個方面分析討論轉(zhuǎn)晶釜，以期優(yōu)化設(shè)計。

1 設(shè)備材質(zhì)選擇

工業(yè)副產(chǎn)石膏的工藝多樣，原料中常常含有多種雜質(zhì)。采用脫硫石膏或鹽石膏作為原料制備α高強石膏的水熱法生產(chǎn)工藝，上游原料漿液中氯離子一般為（2 000～15 000）×10-6，目前預(yù)處理工序較多采用帶式真空過濾設(shè)備，通過分段洗滌方式降低原料中的氯離子含量以及可溶性物質(zhì)含量，控制氯離子含量低于200×10-6。如果前段失控，物料中氯離子含量升高。在轉(zhuǎn)晶釜高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境中，氯離子的腐蝕性提高，普通碳鋼及不銹鋼無法耐受。而雙相鋼在耐受氯離子腐蝕中性能優(yōu)越，宜在選材時重點考慮。

2 攪拌器型式選擇

CaSO4·2H2O向α型CaSO4·1/2H2O轉(zhuǎn)晶的過程是溶解重結(jié)晶過程，轉(zhuǎn)晶前后晶體粒徑分布基本接近，中位徑30～50 μ m，然而兩種晶體顆粒的密度相差較大，半水石膏密度大于二水石膏密度，同等條件下，半水石膏顆粒的沉降速度更大。

固體漿液的混合均勻性對轉(zhuǎn)晶過程十分重要，攪拌器的型式和轉(zhuǎn)速影響晶體的大小，特別是對下游固液分離設(shè)備離心機的運行影響較大。若漿液攪拌不均勻，早期卸料過程中漿液固含量高，離心機運行負(fù)荷高，后期漿液固含量低，運行負(fù)荷低。早期卸料時，由于離心機高負(fù)荷造成振動大，甚至停車。若停車，半水石膏在管道及離心機中水化凝固，需要及時清洗，造成產(chǎn)品浪費。后期卸料時，如果不調(diào)整離心機的運行，則造成固液分離不徹底，物料中游離水含量高，影響下游干燥設(shè)備的運行以及裝置的能耗。

目前采用多層結(jié)構(gòu)的軸流式攪拌槳，采用向下流動的方式，由于二水石膏及α 型半水石膏密度大，沉降速度快，沉底后再次懸浮較難，提高轉(zhuǎn)速則能耗較大。為實現(xiàn)漿液混勻懸浮效果，建議采用向上流動的攪拌型式。由于攪拌器放大效應(yīng)顯著，在CFD模擬計算后，需配合中試進(jìn)一步放大研究。

3 攪拌軸密封型式

現(xiàn)有攪拌器型式無法實現(xiàn)漿液的均勻混合，轉(zhuǎn)晶釜內(nèi)上下層漿液固含量不均勻，上部漿液固含量約15%～20%，下部漿液固含量約50%～60%，20 m3轉(zhuǎn)晶釜高度達(dá)3.5 m，攪拌軸旋轉(zhuǎn)過程中受力不均衡。特別在卸料過程中，隨著液位下降，攪拌軸的振動加劇，導(dǎo)致攪拌軸的機械密封經(jīng)常損壞。一旦密封損壞，設(shè)備泄漏，則無法穩(wěn)定控制釜內(nèi)工藝。同時，泄漏易造成安全隱患，增加了設(shè)備能耗。

設(shè)計中可采用磁力密封裝置，磁力密封適用于泄漏要求高的場合[2]，但是磁力密封成本高；也可以采用填料密封方式，成本低，檢維修方便，但是維修頻率較高，總體檢修維護(hù)成本比機械密封低。

4 加熱方式

轉(zhuǎn)晶過程是吸熱過程，在漿液升溫升壓以及轉(zhuǎn)晶過程的保溫保壓中，需要吸收大量的熱量。轉(zhuǎn)晶釜內(nèi)設(shè)置攪拌裝置，內(nèi)置盤管受限，現(xiàn)有轉(zhuǎn)晶釜一般采用夾套或外伴管兩種加熱方式。夾套結(jié)構(gòu)簡單，傳熱面積利用率高。由于蒸汽在夾套層流速較低，傳熱面表面冷凝水液膜加大傳熱阻力，降低總傳熱系數(shù)K；如果采用碳鋼材質(zhì)，銹蝕剝落的銹渣可能堵塞疏水閥，造成疏水不暢。外伴管制造相對復(fù)雜，焊接工程量大，傳熱面積相對低，但加熱蒸汽流速大，利于提高總傳熱系數(shù)K。

5 內(nèi)壁清洗

轉(zhuǎn)晶釜卸料后，細(xì)小的半水石膏晶體殘留在設(shè)備內(nèi)壁以及攪拌軸上，半水石膏在設(shè)備表面容易水化結(jié)垢，如果不定期處理，則形成較厚的結(jié)垢層。當(dāng)攪拌效果不好，無法實現(xiàn)釜內(nèi)漿液均勻混合時，上半釜壁結(jié)垢嚴(yán)重，下半部由于固含量高，石膏較強的磨蝕垢層無法形成，設(shè)備內(nèi)壁光滑?，F(xiàn)場轉(zhuǎn)晶釜內(nèi)結(jié)垢如圖1。

結(jié)垢造成的危害：①結(jié)垢層熱阻大，降低傳熱系數(shù)，降低漿液升溫速率，延長升溫及保溫保壓時間，造成產(chǎn)能下降；②α型半水石膏水化后強度高，垢層致密，時間長了很難處理；③設(shè)備運行中，一旦大塊垢層剝離，易損壞攪拌器，堵塞出料口，影響設(shè)備運行。

為消除結(jié)垢影響，設(shè)備制造時宜拋光內(nèi)壁，同時考慮在轉(zhuǎn)晶釜上部氣相空間設(shè)置高壓噴嘴。根據(jù)生產(chǎn)情況，定期熱水沖洗，及時清理石膏垢層。

圖1 設(shè)備內(nèi)壁結(jié)垢

6 卸料方式

石膏密度大，沉降速度快。如果設(shè)備內(nèi)存在死區(qū)，易造成物料堆積，攪拌無法將死區(qū)內(nèi)物料再次混合。對于卸料口，為避免存在死區(qū)，造成物料堆積，建議采用上展式下料閥。閥關(guān)閉時，閥座上平面與設(shè)備內(nèi)壁平齊，無死區(qū)，不會發(fā)生物料堆積。開啟閥座卸料過程中，不會出現(xiàn)物料粘接在閥座上，影響閥門關(guān)閉密封性能。

綜上所述，轉(zhuǎn)晶釜為加壓水熱法工藝中的關(guān)鍵設(shè)備。本文從材質(zhì)選擇、攪拌器型式、攪拌軸封、加熱方式、內(nèi)壁清洗、卸料方式等多個角度進(jìn)行了分析，希望為轉(zhuǎn)晶釜的設(shè)計提供參考。