陳光平

四川省洪雅青衣江元明粉有限公司，中國·四川 眉山 620360

1 引言

隨著中國元明粉各生產(chǎn)廠家的不斷技術改進和生產(chǎn)規(guī)模擴建，造成元明粉生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，產(chǎn)量大幅度增加，導致元明粉產(chǎn)量的增長量超過市場需求量的增長量，使元明粉市場價格嚴重下滑。同時客戶對產(chǎn)品的質(zhì)量也提出新的要求，產(chǎn)品顆粒度細、白度低、流動性差的元明粉無法銷售，不具備市場的競爭力，在這樣的市場情況下，提出元明粉顆粒增粗的項目。

2 工藝設計

采用五效外加熱強制循環(huán)真空制硝生產(chǎn)工藝在國內(nèi)制鹽工業(yè)行業(yè)上已廣泛使用多年，其生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設備的先進程度直接影響到產(chǎn)品的品質(zhì)，所以采用先進的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)合理設備是作為制硝行業(yè)的首選。

2.1 改進前、后生產(chǎn)工藝

四川省洪雅青衣江元明粉有限公司目前擁有元明粉年產(chǎn)50 萬噸的生產(chǎn)能力，產(chǎn)品按原自貢輕工業(yè)設計院設計的傳統(tǒng)制鹽工藝生產(chǎn)，采用切向正循環(huán)，由此生產(chǎn)工藝生產(chǎn)所得到的是較細的元明粉。元明粉粒度100 目占15%，200 目的占60%左右。這樣較細的產(chǎn)品放置的時間長了會嚴重結塊，或者其流動性變差，市場難以接受。改進后的生產(chǎn)工藝采用正循環(huán)方式，逐級轉(zhuǎn)料，從第Ⅲ效排出的生產(chǎn)工藝[1]。

2.2 改進前、后的罐體結構

原有蒸發(fā)罐型為軸向正循環(huán)，蒸發(fā)罐容積較小，蒸發(fā)強度（單位時間、面積的蒸發(fā)水量）大，產(chǎn)生的結晶晶體較多，由于容積較小造成了結晶體在里面的循環(huán)倍率增加，結晶體之間相互的碰撞、摩擦致使晶體不易長大，只能得到較細的元明粉顆粒。針對原有的蒸發(fā)罐罐型，提出由湖南長沙設計院根據(jù)結晶學理論，影響產(chǎn)品顆粒成長的因素，重新設計罐型，并全程跟進整個設計進程。新蒸發(fā)罐罐型為軸向反循環(huán)方式，蒸發(fā)罐體加大，容積比原有罐體增大2 倍。這樣的罐型，硝水蒸發(fā)結晶后，在蒸發(fā)罐內(nèi)晶體析出后能不斷長大，只有當晶體長大后，依靠其自身重力克服浮力時，芒硝才能沉降至硝腳，再通過硝腳排出，進入下一步的脫水干燥工序。

2.3 元明粉的結晶過程

在元明粉的生產(chǎn)中，采用的生產(chǎn)方法為全溶蒸發(fā)脫水法，將天然硝礦石全部溶解生產(chǎn)成23°～26°Be 的飽和溶液，經(jīng)澄清后，除去固體雜質(zhì)，再經(jīng)蒸發(fā)，離心脫水，干燥后即可制得成品。

蒸發(fā)也就是一種結晶過程，根據(jù)結晶學理論，元明粉晶體大小與溶液過飽和度、溫度有關。溶液在剛達到飽和時，晶核難以析出生成，繼續(xù)蒸發(fā)濃縮時形成過飽和溶液，當過飽和溶液達到一定的程度時，就會開始析出晶核。

溶液開始生成晶核的極限濃度與溫度的關系曲線稱為超溶解度曲線。

影響元明粉（Na2SO4）物料結晶晶體長大的因素是多方面的，在結合生產(chǎn)實際情況，主要表現(xiàn)有以下兩方面的問題比較突出。

2.3.1 溶液里硫酸鈉溶液的pH 值

溶液中的鈣、鎂離子含量，透明度影響結晶過程。對于蒸發(fā)溶液來說，隨著pH 值的改變或者說有很少量的外來雜質(zhì)如鈣、鎂離子存在時，或是有其他懸浮物存在時，會造成結晶體形狀的改變，從而影響晶體的顆粒度的改變（見表1）。

表1 硫酸鈉溶液的pH 值對產(chǎn)品粒度的影響

2.3.2 晶種影響結晶過程

在蒸發(fā)過程中，如果想要獲得顆粒度較大的結晶體，可以向在接近飽和的溶液中加入一定數(shù)量和粒度的其他晶種，使溶質(zhì)在晶種的表面上生長出來，同時還可以通過攪拌溶液，使晶體均勻地懸浮在整個溶液中，以避免初級成核，用此方法來控制結晶體（產(chǎn)品）粒度的大小。另外，由于結晶體的加入也會使料液在晶體表面上結晶，而不會再沉淀于管壁上，能夠阻止在傳熱面上形成垢層，以減少蒸發(fā)罐的結垢，為進一步提高傳熱效率，同時也提高單產(chǎn)量，降低了單位耗汽量，減少生產(chǎn)過程中洗罐的次數(shù)。

在同一溫度下，過飽和溶液與飽和溶液的濃度差稱為溶液的過飽和度。溶液的過飽和度是結晶的必要條件，但不同物質(zhì)結晶時所需的過飽和度各不相同。還應當指出的是，一個特定物只存在一條明確的溶解度曲線，而超溶解度曲線則受結晶過程中許多參數(shù)的影響。

圖1為溶液中Na2SO4的過飽和度與結晶的關系曲線。曲線a 表示溶解度曲線，曲線b 表示超溶解曲線。兩條曲線呈平行狀態(tài)，溶解度曲線下方叫穩(wěn)定區(qū)，又稱不飽和溶液區(qū)。由于該區(qū)域溶液處于不飽和狀態(tài)，故溶液不可能發(fā)生結晶。溶解度曲線上的任意一點表示溶液剛達到飽和狀態(tài)，從理論上講可以發(fā)生結晶。但由于沒有過飽和度，所以實際上不會結晶。溶解度曲線與超溶解度曲線之間的區(qū)域稱為介穩(wěn)區(qū)。該區(qū)域內(nèi)的溶液已處于過飽和狀態(tài)?？墒怯捎谧鳛榻Y晶推動力的過飽和度不夠大，所以仍不能自發(fā)生成晶核。但如果在溶液中加入晶種（小顆粒的晶體），則這些晶種可以生長成較大的晶體。超溶解度曲線上方的區(qū)域稱為不穩(wěn)定區(qū)，處于該區(qū)域內(nèi)的溶液的過飽和度已足夠大，當溶液濃度大于超溶解度曲線會立即自發(fā)地發(fā)生結晶。元明粉在水中的溶解度曲線、超溶解度曲線、介穩(wěn)區(qū)及不穩(wěn)區(qū)的控制對實際結晶操作是有重要的意義。例如，在結晶過程中，若將溶液濃度（Na2SO4的含量）控制在介穩(wěn)區(qū)內(nèi)，由于此區(qū)域內(nèi)晶核不能生成，則晶體數(shù)量可由所加入的晶種控制。而晶種可以在溶液中成長，這樣可以得到顆粒較粗而整齊的晶體。若將溶液的濃度控制在不穩(wěn)區(qū)，由于晶核可自發(fā)生成，大量的晶核使得結晶產(chǎn)品顆粒較細。結晶室上部流出的母液經(jīng)循環(huán)泵部分母液與新鮮的硫酸鈉溶液混合進入加熱室，經(jīng)加熱后的溶液，由加熱室上部進入蒸發(fā)室，在蒸發(fā)室部分溶液汽化，汽化后變成的二次蒸汽被利用或被吸收，經(jīng)汽化的溶液產(chǎn)生過飽和度（溶液變?yōu)檫^飽和溶液），然后通過中央降液管流至結晶室的底部轉(zhuǎn)而向上流動。

圖1 Na2SO4 物質(zhì)濃度—溫度關系圖

循環(huán)泵的流量基本固定，因此，結晶室環(huán)系面積大小決定著母液上行的速度。在結晶室，晶體懸浮于液流中，成為粒度分級的流化床，粒度較大的晶體富集于底層，與降液管中流出的過飽和度最大的溶液接觸得以長得更大，同時晶體排出的速度也影響粒度大小。結晶室中，液體向上的流速逐漸降低，其中懸浮晶體的粒度愈往上愈小，過飽和溶液在向上穿過晶體懸浮床時，逐漸解除其過飽和度。當溶液到達結晶室的頂層，基本上已不再含有晶粒，作為澄清的母液在結晶室的頂部溢流進入循環(huán)管路，再經(jīng)循環(huán)泵輸送繼續(xù)加熱汽化，連續(xù)不斷地產(chǎn)生硫酸鈉結晶。如果循環(huán)泵的流量增大，結晶室的循環(huán)速度增大，結晶室頂部溢流到循環(huán)管路內(nèi)物質(zhì)不再是清母液，而是母液與微小晶體混合均勻的晶漿，經(jīng)加熱到蒸發(fā)室汽化，在蒸發(fā)室中，溶液所產(chǎn)生的過飽和溶液立即被懸浮于其中的晶體所消耗，使晶體生長。所以，過飽和度生成區(qū)與晶體生長區(qū)不再能區(qū)分，影響產(chǎn)品粒度?？刂屏６葧r，結晶室必須與產(chǎn)品設計產(chǎn)量配套[2]。

3 操作方法的調(diào)整

根據(jù)以上元明粉（Na2SO4）物料濃度、溫度關系曲線圖，四川省洪雅青衣江元明粉有限公司的元明粉生產(chǎn)工藝以前是采用逐級濃縮，由V 效～I 效濃度不斷升高，各效料液溫度為不斷升高，從42 ℃上升到120 ℃，故第I 效的濃度最高，溶液處于介質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)域，此時會大量析出晶體，所以得到的是較細的產(chǎn)品。

我們通過實際操作摸索，改進了轉(zhuǎn)料、排料的操作工藝及方式，將Na2SO4物料由第V 效轉(zhuǎn)到第IV 效，第IV 效轉(zhuǎn)到第III 效，第III 效轉(zhuǎn)到第II 效，第II 效轉(zhuǎn)到第I 效，排料方式由第I 效壓到II 效，再由第II 效壓第III 效，第III效壓到第IV 效，由第III 效集中排料。這樣I、II 效析出的晶體到II、III 效進一步地長大，III 效的Na2SO4物料溶液處于介穩(wěn)區(qū)內(nèi)，所以能得到較粗的元明粉。

元明粉蒸發(fā)罐體設計工作第I 效壓力一般為0.4 MPa，其余四效蒸發(fā)罐體真空度這0.05 MPa，而在實際生產(chǎn)中，為了片面追求高產(chǎn)量，將一效加熱室壓力提高到0.5～0.6 MPa，真空度也增加到0.07～0.09 MPa。這樣做不僅嚴重影響安全生產(chǎn)、降低蒸發(fā)器的使用壽命，還會由于蒸發(fā)強度過分的增大，易使蒸發(fā)器里的列管結垢，造成溶液析出的硫酸鈉結晶體的粒度變細。為了保證結晶體粒度又同時兼顧產(chǎn)量，在實際操作時應該嚴格控制第效加熱室的進汽壓力在0.35～0.4 MPa 間，四效蒸發(fā)室的真空度控制在0.05～0.07 MPa 間進行操作。

4 實際生產(chǎn)運行產(chǎn)品顆粒度對比分析

對采用新的生產(chǎn)工藝和采用新罐體結構進行生產(chǎn)與以往生產(chǎn)狀態(tài)進行了產(chǎn)品顆粒度的對比分析，結果如表2所示。

表2 元明粉蒸發(fā)系統(tǒng)技改后粒度對比

通過從以上改進前后產(chǎn)品顆粒度的對比分析可以看出，元明粉的顆粒度得到了明顯的提高，使產(chǎn)品的品質(zhì)得到明顯提升，產(chǎn)品的流動性也同等的增強了[3]。

5 結語

通過以上工藝參數(shù)的控制，能更有效地提高產(chǎn)品的粒度。元明粉顆粒增粗后，不僅增加了市場新品種，而且提高了產(chǎn)品的附加值，明顯地提高了經(jīng)營效益，也為企業(yè)的發(fā)展壯大奠定了堅實的基礎，同時也為元明粉生產(chǎn)行業(yè)提供了更先進的生產(chǎn)設備和生產(chǎn)工藝。