王 全

(大連化工研究設(shè)計(jì)院，遼寧大連 116023)

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專(zhuān)論與綜述

聯(lián)合制堿重堿過(guò)濾和離心分離(二)
——重堿晶漿稠厚

王 全

(大連化工研究設(shè)計(jì)院，遼寧大連 116023)

聯(lián)合制堿法比氨堿法制得的重堿結(jié)晶粒度大約20 μm，聯(lián)合制堿法晶漿固液比25%左右，碳化取出液當(dāng)量約為氨堿法的1.67倍；對(duì)聯(lián)合制堿法碳化取出液設(shè)置增稠裝置可以明顯增加真空過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力。講述重堿晶漿稠厚的概念及影響因素；主要說(shuō)明稠厚器的形式和特點(diǎn)，工藝尺寸設(shè)計(jì)方法，并舉設(shè)計(jì)例。

聯(lián)合制堿法；重堿晶漿；稠厚器；特點(diǎn)；設(shè)計(jì)

2 重堿晶漿稠厚

2.1 重堿晶漿稠厚概念

傳統(tǒng)的純堿生產(chǎn)，如氨堿法生產(chǎn)，可能是由于出堿液的沉淀量已經(jīng)比較高，也或許因?yàn)樘蓟母叨?20～25 m)不允許在真空過(guò)濾機(jī)上部布置稠厚器，碳化塔取出的重堿晶漿只經(jīng)過(guò)出堿槽(幾個(gè)塔出堿液的匯合槽)便進(jìn)入回轉(zhuǎn)式真空過(guò)濾機(jī)，重堿晶漿不經(jīng)過(guò)稠厚處理。聯(lián)合制堿法純堿生產(chǎn)完全沿襲了氨堿法生產(chǎn)的重堿真空過(guò)濾工藝，因此，在很長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)也沒(méi)有重堿晶漿稠厚概念。

2.1.1 聯(lián)合制堿法的重堿晶漿稠厚

1)晶漿稠厚的主要目的是提高過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力

聯(lián)合制堿法和氨堿法重堿真空過(guò)濾的有關(guān)條件和結(jié)果比較列于表3。

表3 聯(lián)堿法和氨堿法真空過(guò)濾比較

在相同真空過(guò)濾機(jī)以及操作工況前提下，盡管聯(lián)合制堿法生產(chǎn)碳化塔制得的重堿結(jié)晶粒度比氨堿法碳化塔制得的大約20 μm，但氨堿法重堿過(guò)濾后濕重堿的水分、純堿的鹽分要比聯(lián)合制堿法低，而且氨堿法生產(chǎn)真空過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力顯著比聯(lián)合制堿法大。出現(xiàn)如此大反差的原因有聯(lián)合制堿法生產(chǎn)真空過(guò)濾機(jī)上的濾餅薄，母液當(dāng)量大，重堿懸浮液中鈣鎂雜質(zhì)多，取出液的總氯濃度高等等。

影響真空過(guò)濾機(jī)上重堿濾餅厚度的因素較多，其中主要是重堿懸浮液的晶漿濃度，俗稱碳化取出液的固液比(或稱沉淀量)，固液比高則濾餅厚度厚，其次如選用阻力小的過(guò)濾介質(zhì)(如金屬絲網(wǎng))，保持較高的堿槽液面，適當(dāng)提高真空度以及改善重堿結(jié)晶質(zhì)量等都可以增加濾餅厚度。

現(xiàn)行聯(lián)合制堿法生產(chǎn)碳酸化過(guò)程析出40～45 tt的碳酸氫鈉，碳化塔取出液的晶漿固液比約25%(視V%)，而氨堿法生產(chǎn)碳酸化過(guò)程析出72～75 tt的碳酸氫鈉，碳化塔出堿液的晶漿固液比達(dá)到45%左右，所以，聯(lián)合制堿法生產(chǎn)真空過(guò)濾機(jī)上的重堿濾餅明顯比氨堿法生產(chǎn)薄是必然的，因此，在相同的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速下，聯(lián)合制堿法生產(chǎn)真空過(guò)濾機(jī)的能力要比氨堿法生產(chǎn)小得多。

由于聯(lián)合制堿法生產(chǎn)單位體積母液中析出的碳酸氫鈉量比氨堿法少，約為氨堿法析出量的0.6倍左右，所以聯(lián)合制堿法生產(chǎn)的碳化取出液(液相)的當(dāng)量約為氨堿法生產(chǎn)的碳化塔取出液(液相)當(dāng)量的1.67倍，所以，在聯(lián)合制堿法純堿生產(chǎn)的初期，因真空過(guò)濾機(jī)的母液通道，包括轉(zhuǎn)鼓篦子板的開(kāi)孔率、錯(cuò)氣盤(pán)以及真空部分接管的尺寸等顯著偏小或不適應(yīng)，曾在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)影響了聯(lián)合制堿法生產(chǎn)真空過(guò)濾機(jī)能力的發(fā)揮，至今仍處于1萬(wàn)t/m2·a的較低水平，因此，對(duì)聯(lián)合制堿法碳化取出液設(shè)置增稠裝置可以明顯增加真空過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力。

2)濾餅厚度對(duì)濕重堿水分和鹽分的影響

真空濾堿機(jī)的洗水區(qū)域和吸干區(qū)域的轉(zhuǎn)鼓上濾餅中洗水置換母液以及濾液被抽吸的過(guò)程見(jiàn)圖6。如前所述，由于重堿結(jié)晶粒度細(xì)小，并且晶形不規(guī)則，表面狀況差，洗水置換濾餅中母液的過(guò)程是很不完全的，尤其在濾餅里層，靠近濾網(wǎng)，濾餅被壓實(shí)的情況下，只能依靠分子擴(kuò)散降低濾餅含鹽，所以，濾餅層外層的重堿含鹽低，里層的含鹽高，而靠近濾網(wǎng)的濾餅含鹽最高，而且，濾餅中每顆重堿結(jié)晶表面液膜中的總氯濃度同樣存在一個(gè)梯度，即結(jié)晶表面處的TCl濃度最高，而液膜表面處的TCl趨近于零，圖6。因此，用離心機(jī)進(jìn)行二次分離時(shí)，如果只對(duì)真空過(guò)濾機(jī)刮下的濾餅作簡(jiǎn)單的分離，那么只能甩去TCl濃度最低的外層液膜，難以得到低鹽分的純堿產(chǎn)品。

圖6 液膜中TCl變化示意圖

同時(shí)，真空過(guò)濾機(jī)上濾餅被抽吸的過(guò)程，從濾餅表面進(jìn)入里層，到過(guò)濾介質(zhì)濾網(wǎng)，濾餅層中含濕量隨著阻力的增加而增大，同樣是外層濾餅的水分最低，里層，靠近濾網(wǎng)濾餅的水分最高。生產(chǎn)中檢測(cè)的重堿鹽分和水分，是過(guò)濾機(jī)刮下的濾餅，包括外、中和里層濾餅含鹽和水分的平均值，所以，濾餅薄者由于含鹽和水分高的里層濾餅的占比大，鹽分和水分就高，而濾餅厚者則因?yàn)楹}和水分低的外層和中層濾餅占比大而重堿的鹽分和水分就低。因此，從提高純堿產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)能耗出發(fā)，同樣需要對(duì)聯(lián)合制堿法生產(chǎn)的碳化取出液進(jìn)行稠厚，增加過(guò)濾機(jī)上濾餅的厚度。

2.1.2 離心機(jī)分離的重堿晶漿稠厚

幾乎所有固液分離過(guò)程都要求進(jìn)料有比較高的物料濃度，以使分離過(guò)程能達(dá)到預(yù)期的水平。離心機(jī)分離重堿晶漿亦不例外，同樣需要將碳化塔取出液晶漿在一重堿稠厚器中增稠，使稠厚晶漿的固液比達(dá)到50%～60%(視V%)，然后進(jìn)連續(xù)推料離心機(jī)進(jìn)行分離操作。

另外，盡管不冷式碳化塔聯(lián)合制堿可以制得比較粗大的重堿結(jié)晶，但只是相對(duì)于常規(guī)聯(lián)合制堿法和氨堿法生產(chǎn)用索爾維碳化塔制得的更細(xì)小重堿結(jié)晶而言，重堿結(jié)晶中小于100 μm的細(xì)小結(jié)晶仍有20%～30%之多，為了減少濾液含固量，離心機(jī)Ⅰ級(jí)篩網(wǎng)的網(wǎng)隙只能做到0.1 mm左右，相應(yīng)的Ⅰ級(jí)網(wǎng)開(kāi)孔率僅5%～8%，過(guò)濾速度受到較大的限制；況且，不冷碳化聯(lián)合制堿的碳酸化過(guò)程只析出20 tt的碳酸氫鈉，碳化取出液中重堿結(jié)晶的固液比僅10%～12%(視V%)，為了避免大量母液經(jīng)過(guò)離心機(jī)篩網(wǎng)，保證離心機(jī)正常運(yùn)行，進(jìn)而發(fā)揮分離能力，必須設(shè)置一重堿晶漿稠厚器，增稠進(jìn)入離心機(jī)的重堿晶漿。

2.2 重堿晶漿稠厚器

2.2.1 重堿稠厚器的形式和特點(diǎn)

聯(lián)合制堿工廠比較熟悉氯化銨晶漿稠厚器，與其比較，由于單位能力的重堿量(G)為氯化銨的1.8～2倍，重堿結(jié)晶的粒度又比氯化銨結(jié)晶小得多，所以重堿稠厚器的直徑和容積要大得多。

重堿結(jié)晶篩分中約有1%～5%(G)<40 μm的細(xì)小結(jié)晶，在重堿工序沒(méi)有送回結(jié)晶裝置再長(zhǎng)大的可能，故重堿晶漿稠厚器上部需要設(shè)計(jì)澄清段，盡量減少溢流帶晶量，減輕母液Ⅰ桶沉淀的處理負(fù)荷。這樣，重堿晶漿稠厚器便由上部澄清段、中部稠厚段和下部攪拌裝置組成。為了調(diào)節(jié)稠厚器下料固液比，稠厚器下料口設(shè)置有母液噴嘴。

另外，重堿結(jié)晶的粒度分布中小顆粒也比較多的特點(diǎn)，重堿稠厚器的進(jìn)料量不希望長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷和頻繁的波動(dòng)，故有條件時(shí)實(shí)現(xiàn)1臺(tái)碳化塔對(duì)1臺(tái)稠厚器比較好，或者1臺(tái)碳化塔對(duì)2臺(tái)稠厚器和2臺(tái)離心機(jī)；由于索爾維碳化塔的開(kāi)塔階段和作業(yè)末期常出現(xiàn)重堿結(jié)晶質(zhì)量較大的波動(dòng)，建議按2臺(tái)碳化塔對(duì)1臺(tái)稠厚器進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣會(huì)平穩(wěn)些。

2.2.2 主要工藝尺寸設(shè)計(jì)方法

2.2.2.1 稠厚段直徑D2和高度H2

稠厚段尺寸原則上按照通常的方法計(jì)算。

稠厚段工作原理：碳化塔取出液晶漿進(jìn)入重堿稠厚器后為兩股物料流，一股為上升到上部澄清段的溢流清液，稱頂流；另一股是下降到底部較稠厚的晶漿流，亦稱底流。由于晶漿增稠，空隙率減小，晶漿沉降速度降低；欲使晶粒下沉，晶漿的上升速度必須低于晶粒的沉降速度才能實(shí)現(xiàn)。稠厚段的晶粒沉降屬于干擾沉降。

1)粗粒晶漿的沉降速度uc

在液固流態(tài)化過(guò)程中晶粒的沉降是液體上升產(chǎn)生對(duì)晶粒的“曳力”與重力的平衡力所造成的，保持液體上升速度與沉降速度相等，晶粒就懸浮在液體中只能滾動(dòng)而不能上升和下降。當(dāng)晶漿濃度較高，且晶粒直徑>100 μm時(shí)，晶粒的沉降速度受到阻滯而降低。

根據(jù)重堿結(jié)晶的粒度和稠厚器要求達(dá)到的工況，可以使用Richardson和Zaki的關(guān)系式計(jì)算在晶漿中晶粒的沉降速度uc。

uc=ui·en

(3)

式中：uc——晶漿中晶粒的沉降速度，cm/s；ui——晶漿濃度為零，空隙率為l的沉降速度，稱終端速度，cm/s；e——空隙率；n——空隙率指數(shù)，是Re′的函數(shù)。

①終端速度ui

終端速度ui等于清液上升速度u，即：

(4)

式中：u——清液上升速度，cm/s；Re′——以清液的粘度、密度、流速以及晶粒直徑為基準(zhǔn)的雷諾數(shù)；η——清液粘度，g/cm·s；dp——晶粒直徑，cm；ρ——清液密度，g/cm3。

由于清液上升速度亦未知，故以下列不含溶液流速的數(shù)群計(jì)算Re′：

(5)

式中：R′——曳力系數(shù)；ρs——晶粒密度，g/cm3；g——重力加速度，981 cm/s2。

其中清液粘度η、密度ρ可根據(jù)碳化取出液的常規(guī)組成和溫度，并按照大連化工研究設(shè)計(jì)院的關(guān)系式計(jì)算；晶粒直徑dp，可以重堿結(jié)晶篩分測(cè)定的平均粒徑dm代替；晶粒密度ρs是重堿結(jié)晶中NaHCO3、NH4HCO3和Na2CO3三固相的混合密度，ρs=2 200 kg/m3，或2.2 g/cm3。

②空隙率e

按照純堿生產(chǎn)操作習(xí)慣，晶漿空隙率e以下式計(jì)算：

e=1-εm′

(6)

式中：m′——視體積固液比，或沉淀量，%； ε——真體積固液比m與視體積固液比的換算系數(shù)，索爾維碳化塔重堿結(jié)晶ε=0.31，環(huán)流式碳化塔重堿結(jié)晶ε=0.35。

可以按照下一工序分離設(shè)備(離心機(jī)或過(guò)濾機(jī))要求的操作晶漿濃度m′設(shè)計(jì)稠厚段的空隙率e。

③空隙率指數(shù)n

1

n=4.4Re′-0.1n=4.4Re′-0.03

(7)

2)稠厚段直徑D2

令：U——稠厚器(段)底流流量，m3/h； V——稠厚器(段)頂流流量，m3/h； W——碳化取出液清液流量，m3/h； B——重堿結(jié)晶流量，kg/h； m——稠厚晶漿真體積固液比，%，m=εm′； A——稠厚段截面積，m2； D2——稠厚段直徑，m。

按照上述符號(hào)的物理意義，在連續(xù)正常作業(yè)時(shí)，

(8)

(9)

于是,

(10)

由于分離設(shè)備，尤其是離心機(jī)需要經(jīng)常性的刷車(chē)，稠厚器臨時(shí)不下料，此時(shí)U=0。

(11)

(12)

3)稠厚段高度H2

在稠厚段上部已設(shè)置澄清段，稠厚段高度設(shè)計(jì)就不必考慮晶漿懸浮，或者說(shuō)晶漿流在懸浮層上部的“騰涌”現(xiàn)象對(duì)溢流清液干擾所需的高度，而按晶漿在稠厚段必要的停留時(shí)間所需的晶漿容積來(lái)確定。

(13)

(14)

式中：Q——稠厚段晶漿容積，m3； T——晶漿停留時(shí)間，h； H2——稠厚段高度，m。

2.2.2.2 澄清段直徑D1和高度H1

1)“臨界”晶粒直徑d0的選取

為了避免澄清段直徑設(shè)計(jì)得過(guò)大，根據(jù)重堿結(jié)晶粒度篩分細(xì)小顆粒的實(shí)際情況，允許占結(jié)晶全部重量2%以下的最小粒子被稠厚器溢流液帶出，相當(dāng)于溢流液固液比(或沉淀量)0.3%～0.5%。不被溢流液帶出的最小晶粒直徑，我們姑且稱為“臨界”沉降直徑d0。按照不同的重堿結(jié)晶質(zhì)量，可以選擇d0=40～50μm。

2)晶粒自由沉降速度u0

澄清段內(nèi)的結(jié)晶粒子很少，其流形屬層流范圍：10-4

(15)

式中：u0——小晶粒的自由沉降速度，m/s； d0——晶粒直徑，m； ρs——重堿結(jié)晶密度，kg/m3； ρ——碳化取出液密度，kg/m3； g——重力加速度，9.81m/s2； η——碳化取出液粘度，kg/m·s。

3)澄清段直徑D1

按U=0設(shè)計(jì)

(16)

式中：D1——澄清段直徑，m。

4)澄清段高度H1

澄清段高度設(shè)計(jì)是要解決隨頂流液體上升的較大晶粒因慣性而對(duì)溢流清液的干擾，由于重堿晶漿稠厚器的澄清段直徑D1要比稠厚段直徑D2大得多，聯(lián)接段的高度H1-2也比較可觀，而且，在聯(lián)接段中隨著頂流液體的上升速度逐漸降低，晶粒上升的慣性得以收斂，所以澄清段上部的直筒部分高度H1-1已不必考慮上述影響，只要能安排溢流箱的設(shè)置和液面以上的正?？臻g即可。H1=H1-1+H1-2。聯(lián)接段大小頭的水平夾角大于45°為宜。

2.2.2.3 錐底

錐底設(shè)置框式攪拌裝置和下料管，水平夾角30°～40°。攪拌轉(zhuǎn)速約為2r/min，攪拌框頂端的線速度<1m/s。

2.2.2.4 導(dǎo)流筒

在稠厚器上部設(shè)計(jì)一與攪拌軸同心的導(dǎo)流筒，以避免進(jìn)料晶漿干擾澄清段操作。導(dǎo)流筒要設(shè)計(jì)得足夠大，使晶漿在其中緩慢穩(wěn)定下降，減輕對(duì)稠厚段的沖擊。導(dǎo)流筒的插入深度在聯(lián)接段的下部，稠厚段的上方，以其下端筒外的環(huán)形截面積不小于稠厚段的截面積為宜，以免該處由于上升速度突然增高而產(chǎn)生渦流，影響過(guò)渡段的穩(wěn)定。

2.2.3 重堿稠厚器設(shè)計(jì)例

2.2.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

①設(shè)計(jì)能力70kt/a，與φ4000環(huán)流式碳化塔和φ1000雙級(jí)連續(xù)推料離心機(jī)配套。

②稠厚晶漿視體積固液比60%。

2.2.3.2 計(jì)算條件

①重堿結(jié)晶

宜取低限水平。

篩分：

網(wǎng)目+40+60+80+100+150+190+240+360-360孔徑，mm0．4500．2800．1800．1540．1000．0800．0630．040G，%1．83．413．46．442．415．611．05．20．8

dp(dm)：141μm；

d0：選50μm；

B：NaHCO3、NH4HCO3和Na2CO3三固相當(dāng)量1 611kg/t，

②碳化取出液

常規(guī)組成(tt)：

FNH3CNH3TClCO232．8982．92113．9220．55

t:40 ℃；

ρ：1 134kg/m3；

(d=1.0599-0.47×10-3×32.89-1.234×10-3×82.92+16.837×10-4×113.92+10.816×10-4×20.55-0.561×10-3×40=1.1337)

η：按下式計(jì)算

η=1.1066cP，或1.1066×10-2g/cm·s、1.1066×10-3kg/m·s；

W：碳化取出液當(dāng)量19.50m3/t，

2.2.3.3 稠厚器主要工藝尺寸計(jì)算

圖7 重堿稠厚器示意圖

1)稠厚段直徑D2

①u(mài)c

=18.098

=0.8487cm/s

e=1-ε·m′=1-0.35×0.60=0.79

n=4.4·Re′-0.1=4.4×1.2263-0.1=4.311

uc=ui·en=0.8487×0.794.311=0.307cm/s，或11.06m/h。

②D2

=4.87 m

取整D2=4 900 mm。

2)稠厚段高度H2

根據(jù)重堿稠厚器實(shí)際操作，取停留時(shí)間T為30 min，0.5 h,則H2為：

=0.94m

取整H2=1 000mm。

3)澄清段直徑D1

①u(mài)0

=1.313×10-3m/s，或4.73m/h。

復(fù)核流型：

=6.73×10-2

在10-4

②澄清段直徑D1

=7.44m

取整D1=7 400mm。

其余尺寸計(jì)算略。

表與lgRe′的關(guān)系(球形)

(未完待續(xù))

TQ114.162

C

1005-8370(2016)03-03-06

2014-12-31