殷祿華 竇建飛

南通三圣石墨設備科技股份有限公司 （江蘇南通 226009）

元明粉（即無水硫酸鈉）有苦味、有吸濕性，外形為無色透明、大的晶體或顆粒狀小結晶，暴露在空氣中易吸水，生成十水硫酸鈉（Na2SO4·10H2O，又名芒硝）。元明粉主要用于制造水玻璃、玻璃、瓷釉、紙漿、制冷混合劑、洗滌劑、干燥劑、燃料稀釋劑等，是一種常見的無機工業(yè)原料。

黏膠纖維酸浴經(jīng)過冷卻結晶得到芒硝，然后蒸發(fā)結晶得到元明粉的生產(chǎn)工藝早已實現(xiàn)工業(yè)化，且產(chǎn)品質(zhì)量非常穩(wěn)定。近年來，不斷有專家學者開發(fā)新的生產(chǎn)工藝，期望直接由酸浴蒸發(fā)得到元明粉。

1 元明粉生產(chǎn)工藝流程及原理

1.1 主流工藝流程及原理

主流工藝流程由4個部分組成（如圖1所示），即多級閃蒸、真空結晶、焙燒以及干燥。多級閃蒸的原理是將酸浴通過若干臺串聯(lián)的預熱器（其熱源來自相對應級數(shù)的蒸發(fā)器閃蒸所產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝）連續(xù)預熱到一定溫度，然后采用新鮮蒸汽將酸浴加熱到設計溫度；從加熱器出來的酸浴依次進入各級蒸發(fā)器，利用相鄰腔室間真空度的差異達到連續(xù)閃蒸的目的，酸浴濃度不斷提高，最終達到設計濃度并排放至濃縮酸浴槽。真空結晶的原理是在真空狀態(tài)下將濃縮酸浴降到一定溫度，通過進一步脫水使得硫酸鈉溶液達到過飽和狀態(tài)，從而形成芒硝晶體，再通過固液分離得到含水率約3%的芒硝。焙燒過程則是將上一工序得到的芒硝先進行熔融，然后通過單效或多效蒸發(fā)結晶脫除所含的結晶水，再采用離心機分離得到含水率約3%的元明粉。將上述過程得到的元明粉通過熱風干燥，控制好排風溫度，即可得到含水率0.1%以下的元明粉。

1.2 一步法制造元明粉的工藝流程及原理

一步法工藝原理與多級閃蒸大體上相似，也是非常常規(guī)和成熟的工藝；與多級閃蒸的區(qū)別之處在于進酸酸浴濃度較高。一步法工藝以常規(guī)多級閃蒸得到的濃縮酸浴為原料，進酸量調(diào)小，循環(huán)量基本保持不變，這樣蒸發(fā)量也基本保持不變，因此濃縮比較高，從而使得硫酸鈉溶液達到過飽和狀態(tài)；因結晶溫度高于32.4℃，得到的晶體為無水硫酸鈉。工藝流程為：從蒸發(fā)器最后一級喂入普通多級閃蒸得到的濃縮酸，經(jīng)過循環(huán)泵打到每級預熱器中連續(xù)預熱，預熱的熱源來自相應蒸發(fā)器蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝。以十四級閃蒸一步制取元明粉為例，在濃縮過程中，蒸發(fā)器V3就開始出現(xiàn)硫酸鈉晶體，到V10時固含量就比較大了，最后集中在V13下料到增稠器，上層清液進入平衡罐，再利用V14的真空自吸到V14內(nèi)繼續(xù)濃縮。增稠器得到的元明粉固含量較低、含酸量較高，進入真空過濾器后得到濕含量約為15%的含酸元明粉，再進入中和槽加堿中和，然后通過鹽漿泵輸送到旋液器和離心機，得到含水率約為3%的元明粉；該原料再通過熱風干燥，控制好排風溫度，得到含水率0.1%以下的元明粉。

2 主流工藝和一步法工藝的優(yōu)缺點（以十四級閃蒸為例）

2.1 流程比較

從工藝流程對比來說，一步法制取元明粉的工藝流程比較簡單，省掉了真空結晶和焙燒這2個工段，但是也增加了真空過濾器等設備，從投資角度來看，一步法制造元明粉的設備投資更低。

2.2 能耗比較

從單位產(chǎn)量能耗來看，按生產(chǎn)1 t纖維來推算，酸站大概需要蒸發(fā)8 t水并產(chǎn)生0.6 t元明粉，主流工藝需要消耗0.18 MPa（表壓）蒸汽0.94 t，0.45 MPa蒸汽1.3 t；一步法制取元明粉工藝需要消耗0.18 MPa蒸汽約2.1 t。傳統(tǒng)工藝比一步法工藝的蒸汽消耗稍多一些。

2.3 運行控制要點

從控制角度來看，主流生產(chǎn)工藝可以完全實現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)。一步法制取元明粉工藝無法連續(xù)生產(chǎn)元明粉，必須在普通閃蒸和一步法制取元明粉兩種工藝當中每隔6～8 h進行切換。原因在于主流工藝可以獨立控制蒸發(fā)量和元明粉的產(chǎn)量，但是一步法制取元明粉生產(chǎn)工藝中蒸發(fā)量和元明粉的產(chǎn)量密切相關，實際需要蒸發(fā)的水和元明粉的產(chǎn)量不能匹配，所以只能進行切換操作。

2.4 運行環(huán)境

從操作環(huán)境來看：主流工藝酸浴均在密閉的罐或者容器內(nèi)進行，車間設備基本沒有跑冒滴漏的現(xiàn)象，現(xiàn)場沒有任何異味；但是一步法制取元明粉工藝從增稠器下料到真空過濾機是一個對環(huán)境完全敞開的處理過程，酸浴溫度也較高，現(xiàn)場酸性氣體刺激性氣味較重，影響操作工人的身心健康，對環(huán)境造成極大的污染。

2.5 生產(chǎn)效率

從元明粉的得粉率來講：主流工藝操作連續(xù)，得粉率較高，基本在54%左右，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。一步法制取元明粉的工藝無法形成連續(xù)操作，工人操作強度高，經(jīng)常用水沖洗，得粉率較低，一般在50%左右，且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)運行較難控制。

2.6 裝置穩(wěn)定性

從裝置操作穩(wěn)定性方面對比，一步法制取元明粉工藝物料在預熱器換熱管內(nèi)和蒸發(fā)器連通管內(nèi)的流動速度都不是很快，不超過1.2 m/s，遠低于高固含量溶液強制循環(huán)所需的流速。若操作不穩(wěn)定或元明粉固含量控制不好，非常容易引起預熱器和管道內(nèi)的堵塞。預熱器堵塞還有一個原因，即元明粉的溶解度隨著溫度的升高而降低（見圖2）。所以高溫區(qū)的預熱器比低溫區(qū)的預熱器更容易結垢堵塞，加熱器也是如此。

3 工藝改進

現(xiàn)有的一步制取元明粉的工藝由于自身特殊的理化性質(zhì)和黏膠纖維生產(chǎn)過程中的特殊要求，具有一定的弊端。主流工藝雖然看似工序較多，但是操作流暢，故障率低。從化工安全穩(wěn)定運行的角度來看，主流工藝占有絕對的優(yōu)勢。一步法制取元明粉工藝通過進一步的流程改進及優(yōu)化，可避免陷入片面追求低能耗而犧牲環(huán)境及質(zhì)量控制的誤區(qū)。

圖2 鹽的溶解曲線

針對目前運行的一步提硝工藝的缺陷和不足，艾伯納三圣（南通）環(huán)保有限公司研究開發(fā)了新一代的一步法制取元明粉工藝，取得了突破性進展。改進后的流程中，多級閃蒸得到飽和酸浴溶液后，不繼續(xù)利用閃蒸的方式蒸發(fā)提濃，改為多效蒸發(fā)結晶，物料經(jīng)強制循環(huán)泵泵出，以較高的流速通過加熱器管程，避免在換熱管內(nèi)壁形成污垢。蒸發(fā)結晶得到的固液混合物先儲存在熟化槽中，其內(nèi)設置攪拌器。保持連續(xù)低速攪拌避免晶體破碎，并使晶體維持懸浮狀態(tài)，晶體一邊低速攪動一邊與相鄰晶體接觸成長。經(jīng)過熟化之后的固液混合物由鹽漿泵送至增稠器，經(jīng)過初步濃縮固含量提升，母液返回蒸發(fā)結晶器，繼續(xù)參與循環(huán)，此時可部分回收其中的細小晶體顆粒。增稠器出口得到的固液混合物進入離心機，最終得到濕含量較低的元明粉和一部分母液。改進后的工藝主要有以下幾個優(yōu)點：

（1）避免含有晶體顆粒的溶液以較低的速度流經(jīng)閃蒸預熱器，以免在換熱管內(nèi)壁結垢，給預熱器和加熱器帶來較大的運行風險。

（2）按照硫酸鈉溶解特性和溶解曲線，不宜一邊降溫一邊結晶，從硫酸鈉溶解曲線可以看到，當溫度升高時，與大多數(shù)無機鹽相反，其溶解度越來越低。從結晶動力學的角度分析，當采用多級閃蒸獲得硫酸鈉晶體時，其結晶動力逐級減弱。因此在多級閃蒸逐級降溫的工況下，不利于硫酸鈉的逐級結晶和晶體的長大。

（3）目前運行的一步提硝工藝，依靠蒸發(fā)得到的晶體顆粒直徑較小，在沒有進一步熟化的前提下，很容易造成晶體顆粒的泄漏和損失，在改進后的工藝流程中，增加熟化槽可獲得顆粒較大、晶體直徑較為均勻的硫酸鈉。

（4）多級閃蒸用于一步提硝時，經(jīng)常需要切換，而工業(yè)裝置適宜連續(xù)運轉(zhuǎn)，頻繁切換很容易造成裝置的跑冒滴漏或出現(xiàn)其他不安全的狀況，這是需要極力避免的。

4 結語

目前，以上改進后的工藝已經(jīng)完成中試，取得了令人滿意的成果，元明粉的質(zhì)量明顯優(yōu)于一步提硝工藝，工藝控制也更加穩(wěn)定，下一步將在行業(yè)內(nèi)全面推廣使用。相信不久的將來可以為黏膠化纖企業(yè)提供更加先進、節(jié)能環(huán)保的技術和裝備。