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无机盐工业第42卷第5期
INORGANICCHEMICALSINDUSTRY2010年5月
化工装备与设计
十水硫酸钠冷冻结晶器的设计与优化
张爱群,杨立斌,郑倩倩
(天津科技大学海洋科学与工程学院,天津300457)
＊
摘 要:通过对十水硫酸钠结晶过程影响因素的分析,讨论了冷却结晶过程设计的关键点。分析了过饱和度对结晶过程初级成核的影响,研究了通过控制物料母液循环量从而控制过饱和度以避免初级成核的方法;探讨了通过改进设备内部结构,使晶核处于悬浮状态,与过饱和液体充分混合,达到促进晶体生长的目的;新的设备结构设计,还充分考虑减少晶体二次成核几率;同时在结晶器中增加细晶排出装置,降低晶核数量,提高晶体生长速率,达到改善结晶质量的目的。
关键词:结晶器;十水硫酸钠;芒硝
中图分类号:TQ131.12 文献标识码:A 文章编号:1006-4990(2010)05-0056-03
Designandoptimationofchiller-crystallizerofsodiumsulfatedecahydrate
ZhangAiqun,YangLibin,ZhengQianqian
(SchoolofMarineScienceandEngineering,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin300457,China) Abstract:Keypointsinthedesignfortheprocessoffreezingcrystallizationwerediscussedbyanalyzinginfluencingfactors.Inaddition,influenceofsupersaturationonprimarynucleationincrystallizationprocesswasanalyzedandmethodthatthroughcontrollingcirculationrateofmotherliquidtocontrolthesupersaturationsoastoavoidprimarynucleationwasstudied.Internalstructureofchiller-crystallizerwasimprovedsothatcrystalnucleuscouldbecomethesuspensionstateandmixwithsupersaturationsolutioncompletelyincrystallizerandfinallyachievethepurposeofpromotinggrowthofcrystal.Newequipmentdesignalsofullyconsideredhowtoreducetheprobabilityofcrystalsecondarynucleation.Meanwhile,finecrystaldischargedevicewasaddedincrystallizertodeclinequantityofcrystalnucleusandtoincreasecrystalgrowthratesoastoreachtheaimofimprovingcrystallinequality.
Keywords:crystallizer;sodiumsulfatedecahydrate;mirabilite
中国生产芒硝(十水硫酸钠,NaO)2S4·10H2O
的原料多为含有NaOaCl的地下卤水,生产2S4和N工艺分为冷冻法和热法。在冷冻法生产芒硝的过程中,含有NaOaCl的原料液经过冷冻,NaO2S4和N2S4浓度达到过饱和,从而以NaO结晶的形2S4·10H2O式析出。在NaO充分析出后,所得母液2S4·10H2O为NaCl的饱和溶液,净化后可以作为生产“两碱”(烧碱和纯碱)的原料。实际生产中,厂家往往忽略芒硝结晶粒度的控制,认为只要冷冻温度控制足够低,就可以保证NaO充分析出,达到控2S4·10H2O制母液中SO含量的目的。4
基于此,人们考滤更多的是冷冻过程的传热问题,而对芒硝结晶过程的成核与成长速率没有进行
＊基金项目:天津科技大学科学研究基金资助项目(20080211)。
2-
深入的研究。对结晶的条件控制不好,导致很多企
业在传热面积足够的情况下,生产的芒硝结晶颗粒过于细小,形成浮硝,以致于很难与制硝母液充分分离,从而导致母液中SO4含量偏高。井矿盐产区的制硝母液往往作为液体盐产品,如果SO4含量不能达标,将直接影响液体盐产品作为“两碱”工业的原料。所以从芒硝结晶入手,研究促进芒硝结晶颗粒充分长大的控制条件,是避免芒硝生产中母液中产生大量浮硝、造成液体盐产品不能达标的关键所在。
2-2-
1 芒硝结晶过程的工艺路线
芒硝结晶过程的工艺路线为
:
2010年5月 张爱群等:十水硫酸钠冷冻结晶器的设计与优化57
2 优化结晶过程的研究
2.1 过冷度的控制
生产中芒硝的结晶析出就是通过降低温度,使溶液中的NaO2S4含量达到过饱和进行的。过饱和度与晶体的成核与成长有密切的关系,从成长速率
l
与过饱和度的关系式G=Kc看出,晶体的成长LΔ速率G随过饱和度Δc的增大而增大,适度增加过饱和度可以提高成核速率,从而提高结晶器的生产效率。图1为溶液的溶解度曲线与超溶解度曲线。由图1可见,结晶过程超出过饱和度的介稳区,造成初级成核的发生,由于初级成核的速率B会随过饱和度增加爆发性地增长,必然导致晶核数量过剩,产生大量的细晶。因此控制结晶过程的条件之一就是控制溶液的过饱和度在介稳区之内,避免初级成核,使结晶出的溶质生长在较为有限的晶种表面上,从而得到较大的晶体粒度,保证晶体与母液的分离效果。
实际操作中对过饱和度的控制,经常通过对溶液的过冷度的控制来实现。因此掌握物料在生产条件下允许的最大过冷度是问题的关键。生产芒硝的原料可以看成NaOaCl—H三元水盐体系,2S4—N2O在进行芒硝结晶器设计中,首先测定了该体系溶液
[1]
中NaO,从而确2S4的溶解度曲线和超溶解度曲线定了在给定温度下允许的最大过饱和度和过冷度。图2为NaOaCl—H体系中SO2S4—N2O4的溶解度曲线和超溶解度曲线。从图2分析可以看出,在温度为-5℃时,溶解度曲线与溶解度介稳曲线的过冷度相差为1.5℃。为使冷冻过程发生在结晶介稳区,避免初级成核和细晶的产生,在设计工艺条件参数时,通过控制母液循环量保证过冷度不超过1℃。经实验检测,在所控制过饱和度范围内,芒硝的结晶颗粒有较为理想的粒度分布,颗粒的主粒度在0.4mm左右,避免产生大量浮硝。芒硝结晶颗粒能够与母液有效分离
。
2-0
2.1.1 芒硝结晶器操作温度的确定
根据实测的原料溶液中NaO图2S4溶解度曲线(2),按照下游电解制碱对冷冻后母液SO质量浓4度的要求(低于5mg/L),冷冻结晶温度须控制在-5℃以下。结合节能的考虑,确定结晶温度为-5℃。
2.1.2 料液循环量的控制
在设计芒硝冷冻结晶工艺时,为使过饱和度不超过介稳区的宽度,必须保证足够的料液循环量。芒硝超溶解度曲线测定中,介稳区SO过饱和度4数值以小于1g/L为宜,据此可计算出满足此条件最小循环量。为了避免实际运行中,循环量波动造成过饱和度短暂地超过介稳区,因此循环量要保证一定的放大比例。2.2 料液停留时间的选择
结晶过程中最关键的设备是结晶器,结晶器设计的主要技术参数根据用户规定的产品晶体粒度和生产能力,确定所需的有效容积V。而对于连续结晶器,设计参数V要由物料晶体的生长速率G和料液的停留时间τ确定。由Randolph和Larson根据质量随粒度分布的阶矩式推导的关系式:
LτD=3G
(1)
2-2-
式中:Lm;G为晶体D为晶体产品的主粒度,m
生长速率,m/s;τ为停留时间,s。它们是结晶器设计中确定停留时间τ的主要依据。其中G需要在实验室中模拟实际生产条件下物料的流体力学状态进行测定,根据测定的结果,NaO晶体在2S4·10H2O给定条件下的线性生长速率为3.5×10
-8
-8
～5×
10m/s,据此如果设定结晶器晶体主粒度LD=0.3mm,可以计算出料液在结晶器中的停留时间为2h左右。再进一步根据公式(2)就可以计算出结晶器的有效容积。
V=Qτ
(2)
3
式中:Q为进料的体积流量,m/s。2.3 结晶器结构的优化设计
在芒硝结晶器的结构设计中,采用了DTB型结晶器利用内部搅拌器使晶浆中的颗粒尽可能达到全悬浮状态的设计思路,但结构上与传统型DTB型式有很大不同。
图3所示为通常型的DTB结晶器,非常适合于通过蒸发达到结晶的工艺过程。原料进入结晶器中,结晶器内设置导流筒,形成循环通道,导流筒内设有螺旋搅拌桨,可以看作内循环轴流泵,悬浮料液,,图2 NaOaCl—H2O体系中图1 溶液的溶解度2S4—N 2-曲线与超溶解度曲线SO4的溶解度曲线和超溶解度曲线
58 无机盐工业 第42卷第5期
(E)(F(F,成核速率B正比于碰撞时对晶体t1)2)的能量传递速率E,对于较大晶体,碰撞产生的传t
递能量较大,因此减少较大颗粒与搅拌桨的碰撞几率,就可以降低成核速率B。新的结构既减少大颗粒的破碎,可以保持较好的晶型,同时二次成核的减少可以促进整个结晶器内晶体的生长。
结晶器的上段为澄清区,可以保证溢流的循环液夹带的颗粒数量较少,且粒度很小,这样可以使循环液在与循环泵的叶轮接触时,二次成核较少;同时,循环泵选择轴流泵,在保证流量与扬程的情况下,叶轮转速尽量降低,这些措施都保证了循环液在循环过程中尽量减少二次成核的机会。
2.4 细晶排出的设置
为了提高芒硝晶体的平均粒度,在结晶器中设计了细晶排出的出口。结晶器中的晶体都是由晶核生长而成的,在一定的晶浆体积中,晶核生成量越少,产品晶体生长得越大。反之,如果晶核量生成过多,溶液中溶质分别沉积于过多的晶核表面,产品晶体粒度必然很小。在实际生产中,成核的过程不容易控制,普遍的情况是晶核的数量过多,因此必须把多余的晶核去除,从而提高晶体的平均粒度。
在结晶器上部的澄清区内,晶浆以较低的速度向上流动,使大于某一“细晶切割粒度”的晶体都能从溶液中沉降出来,回到结晶器主体部分,重新参与内部循环并生长。小于此粒度的细晶将从设在澄清区的细晶排出口进入细晶消除循环系统。细晶消除方法是将该部分细晶料液与未经预冷的原料混合,一方面降低了原料的温度,达到预冷原料目的;另一方面,使细晶溶解,消除了结晶器内总体晶核量,同时这部分细晶溶质又回到原料中,得到再利用,最终结果是提高了芒硝晶体的粒度和质量,也保证了分
2-离母液SO指标完全达标。4
[2]
00
转向下方,沿导流筒与圆筒形挡板之间构成环形通道至容器底部,然后又被吸入导流筒的下端,完成
一次循环。由于导流筒能够同时输送晶浆与过饱和溶液,使之充分混合,并分布到结晶器各处,晶体颗粒在此过程中消耗产生的过饱和度不断升高,同时也使结晶器内过饱和度处于较低的水平,避免大量新的晶核产生,创造了比较良好的晶体生长环境。
图4是为芒硝冷冻结晶设计的结晶器结构。考虑到DTB蒸发结晶器导流筒内搅拌桨推动晶浆向上流动,主要是为了将晶体颗粒输送到液体的蒸发液面,使液面的过饱和度迅速降低,避免大量地自发成核。而对于冷冻结晶器,过饱和度并不产生于料液的上表面,因此采用了DTB结晶器的设计理念,但结构上做了较大改变。首先将导流筒内流体的流动方向改为向下流动,新进料液与循环母液混合后进入换热器,换热后达到规定的冷冻温度,从而产生过饱和度,直接从上部进入导流筒,在搅拌桨的推动下向下流动,继而沿导流筒的外侧从下至上流动,形成循环。罐体底部采用w底设计,有利于晶体的悬浮和料液循环。结晶器的搅拌浆采用特殊设计,有利于晶浆的流动并减小与颗粒的碰撞。导流筒和罐体直径的设计以及搅拌浆转速的选择都要使晶体在罐体的直段达到良好的悬浮状态。
新的结晶器结构还充分考虑了减少结晶过程中的二次成核,促进晶体长大的因素。在图4中,结晶器内部晶体颗粒随粒径的大小以不同流速运行,较小的晶体颗粒随循环液同步运行,完成完整的循环,并不断长大。而对于较大的晶体,导流筒外侧液体上升的流速仅能使其悬浮。由于在结晶器上部增加了直径扩大段,上升流速降低,使得较大的晶体颗粒难以越过导流筒上端,进入导流筒内部,减少了大颗粒与搅拌桨碰撞的机会。按照工业结晶的研究结果,晶体与搅拌桨碰撞是导致结晶二次成
核的主要原因,根据二次成核的经验公式,B=
3 结论
1)进行冷却结晶设计,首先进行了物系溶解度曲线和溶解度介稳曲线的测定,确定了最佳的工艺温度,并确定了冷却结晶允许的最大过饱和度或过冷度,保证冷却结晶过程在介稳区进行,避免了初级成核发生,并以此为基础进行传热量和循环量的设计。2)结晶器结构的设计,充分考虑了连续结晶器二次成核的影响因素,通过对传统DTB结晶器的结构进行优化,减少了二次成核现象的发生,相应地提
图3 DTB结晶图4 十水硫酸钠
器结构型式结晶器结构
高了晶体生长速率。3)引入了细晶排出的结构,从
(下转第页)
2010年5月 赵增军等:碳酸钡回转窑大型化改造实现节能减排尘10～15g/Nm,SOg/Nm,经过沉降2约2391m室、废热锅炉两级除尘后,粉尘含量降至300～
3
400mg/Nm,再进入水膜除尘器,经水膜除尘器净化后的烟气含尘量达150mg/Nm以下,SO2约为850mg/Nm,然后经45m高烟囱排放,水膜除尘器用水经澄清后循环使用,所收集的粉尘返回粗钡转窑作为原料使用。4.5 粉尘
在原料破碎工段和雷蒙工段的破碎机下料口、料仓、振动筛处均会产生粉尘,其主要成分是重晶石粉、煤粉,在此均设置了抽气罩,含尘气体经吸尘管路进入双层袋式除尘器进行除尘,净化后的气体再经离心风机排入大气,净化效率可达95%以上。
3
3
3
3
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煤为514t。电价按0.5元/度计,年节省资金1468800×0.5/10000=73.44万元。5.3 粗钡除尘系统
改造前:烟气量为1440000Nm/d,含尘量15g/Nm。改造后:烟气量为919200Nm/d,排放烟气含尘量
年回收重晶石粉:经计算年回收重晶石粉价格约为45.02万元。
5.4 人员效益
项目建成后,生产定员减少20人,按年人均工资2万元计算,年节约资金40万元。5.5 维修效益
项目建成后,年节约维修费60万元左右。总计年可节约资金45.02+124.2+73.44+40+60=322.66万元。
3
3
33
5 项目效益
5.1 余热利用效益
原余热锅炉为4t/h,4台锅炉产蒸汽16t/h(锅炉效率以45%计),4台产蒸汽16×0.45=7.2t/h,新上10t余热锅炉产蒸汽10t/h(锅炉效率以95%
计),10t余热锅炉产蒸汽10×0.95=9.5t/h。每小时可多产蒸汽2.3t。按1t煤产蒸汽4t计,每小时节煤:2.3/4=0.575t。年可节煤:0.575×24×300=4140t。煤价按300元/t计,年可节约资金4140×300/10000=124.2万元。5.2 除尘系统节电效益
改造后装机容量为300kW,改造前装机容量为504kW,年节电204×24×300=1468800kW·h;电标煤折算系数=0.35kg标煤/(kW·h);折合标
(上接第58页)
6 结论
通过该建设项目的实施,不但企业的技术装备水平得到进一步提高,也大大降低公司主要污染物转炉尾气的排放量,对改善环境、减少污染起到明显
的作用,同时又可降低公司碳酸钡生产的能源消耗,为企业的进一步持续发展创造了良好条件。因此,碳酸钡回转窑大型化是实现碳酸钡行业节能减排的一条切实可行的途径。
收稿日期:2009-12-17
作者简介:赵增军(1963— ),男,学士,工程师,主要从事化工设备
管理工作,已公开发表文章1篇。
联系方式:[email protected]
而提高了结晶颗粒的平均粒度,细晶的回收采用
了与原料混合的方法,既预冷了原料,又通过溶解细晶消除了多余的晶核,促进了晶体的生长。实践证明,使用该设计冷冻结晶器,生产的芒硝平均粒径可以达到400μm,可以与母液达到很好的分离效果。
参考文献:
[1] 张爱群,杨立斌,沙作良,等.过饱和度对芒硝结晶过程影响分
析[J].盐业与化工,2009,38(3):51-53.
[2] 王云生,沙作良,曾向东.悬浮状态下氯化钠晶体二次成核过
程研究[J].盐业与化工,2009,38(1):7-10.
收稿日期:2009-12-17
作者简介:张爱群(1965— ),女,硕士,高级工程师,主要从事化工
工艺及设备的研究。
联系方式:[email protected]
高性能纳米二氧化硅粉体项目
高性能纳米二氧化硅粉体项目位于山东省淄博市淄川区,由淄博鑫冠陶瓷材料有限公司投资,年产600t高性能纳米二氧化硅粉体材料。项目总投资1.2亿元。主要设备
为:沉淀反应器、过滤机、干燥机、超细粉碎机、反应釜、水环式真空泵。
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INORGANICCHEMICALSINDUSTRY2010年5月
化工装备与设计
十水硫酸钠冷冻结晶器的设计与优化
张爱群,杨立斌,郑倩倩
(天津科技大学海洋科学与工程学院,天津300457)
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摘 要:通过对十水硫酸钠结晶过程影响因素的分析,讨论了冷却结晶过程设计的关键点。分析了过饱和度对结晶过程初级成核的影响,研究了通过控制物料母液循环量从而控制过饱和度以避免初级成核的方法;探讨了通过改进设备内部结构,使晶核处于悬浮状态,与过饱和液体充分混合,达到促进晶体生长的目的;新的设备结构设计,还充分考虑减少晶体二次成核几率;同时在结晶器中增加细晶排出装置,降低晶核数量,提高晶体生长速率,达到改善结晶质量的目的。
关键词:结晶器;十水硫酸钠;芒硝
中图分类号:TQ131.12 文献标识码:A 文章编号:1006-4990(2010)05-0056-03
Designandoptimationofchiller-crystallizerofsodiumsulfatedecahydrate
ZhangAiqun,YangLibin,ZhengQianqian
(SchoolofMarineScienceandEngineering,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin300457,China) Abstract:Keypointsinthedesignfortheprocessoffreezingcrystallizationwerediscussedbyanalyzinginfluencingfactors.Inaddition,influenceofsupersaturationonprimarynucleationincrystallizationprocesswasanalyzedandmethodthatthroughcontrollingcirculationrateofmotherliquidtocontrolthesupersaturationsoastoavoidprimarynucleationwasstudied.Internalstructureofchiller-crystallizerwasimprovedsothatcrystalnucleuscouldbecomethesuspensionstateandmixwithsupersaturationsolutioncompletelyincrystallizerandfinallyachievethepurposeofpromotinggrowthofcrystal.Newequipmentdesignalsofullyconsideredhowtoreducetheprobabilityofcrystalsecondarynucleation.Meanwhile,finecrystaldischargedevicewasaddedincrystallizertodeclinequantityofcrystalnucleusandtoincreasecrystalgrowthratesoastoreachtheaimofimprovingcrystallinequality.
Keywords:crystallizer;sodiumsulfatedecahydrate;mirabilite
中国生产芒硝(十水硫酸钠,NaO)2S4·10H2O
的原料多为含有NaOaCl的地下卤水,生产2S4和N工艺分为冷冻法和热法。在冷冻法生产芒硝的过程中,含有NaOaCl的原料液经过冷冻,NaO2S4和N2S4浓度达到过饱和,从而以NaO结晶的形2S4·10H2O式析出。在NaO充分析出后,所得母液2S4·10H2O为NaCl的饱和溶液,净化后可以作为生产“两碱”(烧碱和纯碱)的原料。实际生产中,厂家往往忽略芒硝结晶粒度的控制,认为只要冷冻温度控制足够低,就可以保证NaO充分析出,达到控2S4·10H2O制母液中SO含量的目的。4
基于此,人们考滤更多的是冷冻过程的传热问题,而对芒硝结晶过程的成核与成长速率没有进行
＊基金项目:天津科技大学科学研究基金资助项目(20080211)。
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深入的研究。对结晶的条件控制不好,导致很多企
业在传热面积足够的情况下,生产的芒硝结晶颗粒过于细小,形成浮硝,以致于很难与制硝母液充分分离,从而导致母液中SO4含量偏高。井矿盐产区的制硝母液往往作为液体盐产品,如果SO4含量不能达标,将直接影响液体盐产品作为“两碱”工业的原料。所以从芒硝结晶入手,研究促进芒硝结晶颗粒充分长大的控制条件,是避免芒硝生产中母液中产生大量浮硝、造成液体盐产品不能达标的关键所在。
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1 芒硝结晶过程的工艺路线
芒硝结晶过程的工艺路线为
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2010年5月 张爱群等:十水硫酸钠冷冻结晶器的设计与优化57
2 优化结晶过程的研究
2.1 过冷度的控制
生产中芒硝的结晶析出就是通过降低温度,使溶液中的NaO2S4含量达到过饱和进行的。过饱和度与晶体的成核与成长有密切的关系,从成长速率
l
与过饱和度的关系式G=Kc看出,晶体的成长LΔ速率G随过饱和度Δc的增大而增大,适度增加过饱和度可以提高成核速率,从而提高结晶器的生产效率。图1为溶液的溶解度曲线与超溶解度曲线。由图1可见,结晶过程超出过饱和度的介稳区,造成初级成核的发生,由于初级成核的速率B会随过饱和度增加爆发性地增长,必然导致晶核数量过剩,产生大量的细晶。因此控制结晶过程的条件之一就是控制溶液的过饱和度在介稳区之内,避免初级成核,使结晶出的溶质生长在较为有限的晶种表面上,从而得到较大的晶体粒度,保证晶体与母液的分离效果。
实际操作中对过饱和度的控制,经常通过对溶液的过冷度的控制来实现。因此掌握物料在生产条件下允许的最大过冷度是问题的关键。生产芒硝的原料可以看成NaOaCl—H三元水盐体系,2S4—N2O在进行芒硝结晶器设计中,首先测定了该体系溶液
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中NaO,从而确2S4的溶解度曲线和超溶解度曲线定了在给定温度下允许的最大过饱和度和过冷度。图2为NaOaCl—H体系中SO2S4—N2O4的溶解度曲线和超溶解度曲线。从图2分析可以看出,在温度为-5℃时,溶解度曲线与溶解度介稳曲线的过冷度相差为1.5℃。为使冷冻过程发生在结晶介稳区,避免初级成核和细晶的产生,在设计工艺条件参数时,通过控制母液循环量保证过冷度不超过1℃。经实验检测,在所控制过饱和度范围内,芒硝的结晶颗粒有较为理想的粒度分布,颗粒的主粒度在0.4mm左右,避免产生大量浮硝。芒硝结晶颗粒能够与母液有效分离
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2.1.1 芒硝结晶器操作温度的确定
根据实测的原料溶液中NaO图2S4溶解度曲线(2),按照下游电解制碱对冷冻后母液SO质量浓4度的要求(低于5mg/L),冷冻结晶温度须控制在-5℃以下。结合节能的考虑,确定结晶温度为-5℃。
2.1.2 料液循环量的控制
在设计芒硝冷冻结晶工艺时,为使过饱和度不超过介稳区的宽度,必须保证足够的料液循环量。芒硝超溶解度曲线测定中,介稳区SO过饱和度4数值以小于1g/L为宜,据此可计算出满足此条件最小循环量。为了避免实际运行中,循环量波动造成过饱和度短暂地超过介稳区,因此循环量要保证一定的放大比例。2.2 料液停留时间的选择
结晶过程中最关键的设备是结晶器,结晶器设计的主要技术参数根据用户规定的产品晶体粒度和生产能力,确定所需的有效容积V。而对于连续结晶器,设计参数V要由物料晶体的生长速率G和料液的停留时间τ确定。由Randolph和Larson根据质量随粒度分布的阶矩式推导的关系式:
LτD=3G
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2-2-
式中:Lm;G为晶体D为晶体产品的主粒度,m
生长速率,m/s;τ为停留时间,s。它们是结晶器设计中确定停留时间τ的主要依据。其中G需要在实验室中模拟实际生产条件下物料的流体力学状态进行测定,根据测定的结果,NaO晶体在2S4·10H2O给定条件下的线性生长速率为3.5×10
-8
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～5×
10m/s,据此如果设定结晶器晶体主粒度LD=0.3mm,可以计算出料液在结晶器中的停留时间为2h左右。再进一步根据公式(2)就可以计算出结晶器的有效容积。
V=Qτ
(2)
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式中:Q为进料的体积流量,m/s。2.3 结晶器结构的优化设计
在芒硝结晶器的结构设计中,采用了DTB型结晶器利用内部搅拌器使晶浆中的颗粒尽可能达到全悬浮状态的设计思路,但结构上与传统型DTB型式有很大不同。
图3所示为通常型的DTB结晶器,非常适合于通过蒸发达到结晶的工艺过程。原料进入结晶器中,结晶器内设置导流筒,形成循环通道,导流筒内设有螺旋搅拌桨,可以看作内循环轴流泵,悬浮料液,,图2 NaOaCl—H2O体系中图1 溶液的溶解度2S4—N 2-曲线与超溶解度曲线SO4的溶解度曲线和超溶解度曲线
58 无机盐工业 第42卷第5期
(E)(F(F,成核速率B正比于碰撞时对晶体t1)2)的能量传递速率E,对于较大晶体,碰撞产生的传t
递能量较大,因此减少较大颗粒与搅拌桨的碰撞几率,就可以降低成核速率B。新的结构既减少大颗粒的破碎,可以保持较好的晶型,同时二次成核的减少可以促进整个结晶器内晶体的生长。
结晶器的上段为澄清区,可以保证溢流的循环液夹带的颗粒数量较少,且粒度很小,这样可以使循环液在与循环泵的叶轮接触时,二次成核较少;同时,循环泵选择轴流泵,在保证流量与扬程的情况下,叶轮转速尽量降低,这些措施都保证了循环液在循环过程中尽量减少二次成核的机会。
2.4 细晶排出的设置
为了提高芒硝晶体的平均粒度,在结晶器中设计了细晶排出的出口。结晶器中的晶体都是由晶核生长而成的,在一定的晶浆体积中,晶核生成量越少,产品晶体生长得越大。反之,如果晶核量生成过多,溶液中溶质分别沉积于过多的晶核表面,产品晶体粒度必然很小。在实际生产中,成核的过程不容易控制,普遍的情况是晶核的数量过多,因此必须把多余的晶核去除,从而提高晶体的平均粒度。
在结晶器上部的澄清区内,晶浆以较低的速度向上流动,使大于某一“细晶切割粒度”的晶体都能从溶液中沉降出来,回到结晶器主体部分,重新参与内部循环并生长。小于此粒度的细晶将从设在澄清区的细晶排出口进入细晶消除循环系统。细晶消除方法是将该部分细晶料液与未经预冷的原料混合,一方面降低了原料的温度,达到预冷原料目的;另一方面,使细晶溶解,消除了结晶器内总体晶核量,同时这部分细晶溶质又回到原料中,得到再利用,最终结果是提高了芒硝晶体的粒度和质量,也保证了分
2-离母液SO指标完全达标。4
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转向下方,沿导流筒与圆筒形挡板之间构成环形通道至容器底部,然后又被吸入导流筒的下端,完成
一次循环。由于导流筒能够同时输送晶浆与过饱和溶液,使之充分混合,并分布到结晶器各处,晶体颗粒在此过程中消耗产生的过饱和度不断升高,同时也使结晶器内过饱和度处于较低的水平,避免大量新的晶核产生,创造了比较良好的晶体生长环境。
图4是为芒硝冷冻结晶设计的结晶器结构。考虑到DTB蒸发结晶器导流筒内搅拌桨推动晶浆向上流动,主要是为了将晶体颗粒输送到液体的蒸发液面,使液面的过饱和度迅速降低,避免大量地自发成核。而对于冷冻结晶器,过饱和度并不产生于料液的上表面,因此采用了DTB结晶器的设计理念,但结构上做了较大改变。首先将导流筒内流体的流动方向改为向下流动,新进料液与循环母液混合后进入换热器,换热后达到规定的冷冻温度,从而产生过饱和度,直接从上部进入导流筒,在搅拌桨的推动下向下流动,继而沿导流筒的外侧从下至上流动,形成循环。罐体底部采用w底设计,有利于晶体的悬浮和料液循环。结晶器的搅拌浆采用特殊设计,有利于晶浆的流动并减小与颗粒的碰撞。导流筒和罐体直径的设计以及搅拌浆转速的选择都要使晶体在罐体的直段达到良好的悬浮状态。
新的结晶器结构还充分考虑了减少结晶过程中的二次成核,促进晶体长大的因素。在图4中,结晶器内部晶体颗粒随粒径的大小以不同流速运行,较小的晶体颗粒随循环液同步运行,完成完整的循环,并不断长大。而对于较大的晶体,导流筒外侧液体上升的流速仅能使其悬浮。由于在结晶器上部增加了直径扩大段,上升流速降低,使得较大的晶体颗粒难以越过导流筒上端,进入导流筒内部,减少了大颗粒与搅拌桨碰撞的机会。按照工业结晶的研究结果,晶体与搅拌桨碰撞是导致结晶二次成
核的主要原因,根据二次成核的经验公式,B=
3 结论
1)进行冷却结晶设计,首先进行了物系溶解度曲线和溶解度介稳曲线的测定,确定了最佳的工艺温度,并确定了冷却结晶允许的最大过饱和度或过冷度,保证冷却结晶过程在介稳区进行,避免了初级成核发生,并以此为基础进行传热量和循环量的设计。2)结晶器结构的设计,充分考虑了连续结晶器二次成核的影响因素,通过对传统DTB结晶器的结构进行优化,减少了二次成核现象的发生,相应地提
图3 DTB结晶图4 十水硫酸钠
器结构型式结晶器结构
高了晶体生长速率。3)引入了细晶排出的结构,从
(下转第页)
2010年5月 赵增军等:碳酸钡回转窑大型化改造实现节能减排尘10～15g/Nm,SOg/Nm,经过沉降2约2391m室、废热锅炉两级除尘后,粉尘含量降至300～
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400mg/Nm,再进入水膜除尘器,经水膜除尘器净化后的烟气含尘量达150mg/Nm以下,SO2约为850mg/Nm,然后经45m高烟囱排放,水膜除尘器用水经澄清后循环使用,所收集的粉尘返回粗钡转窑作为原料使用。4.5 粉尘
在原料破碎工段和雷蒙工段的破碎机下料口、料仓、振动筛处均会产生粉尘,其主要成分是重晶石粉、煤粉,在此均设置了抽气罩,含尘气体经吸尘管路进入双层袋式除尘器进行除尘,净化后的气体再经离心风机排入大气,净化效率可达95%以上。
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煤为514t。电价按0.5元/度计,年节省资金1468800×0.5/10000=73.44万元。5.3 粗钡除尘系统
改造前:烟气量为1440000Nm/d,含尘量15g/Nm。改造后:烟气量为919200Nm/d,排放烟气含尘量
年回收重晶石粉:经计算年回收重晶石粉价格约为45.02万元。
5.4 人员效益
项目建成后,生产定员减少20人,按年人均工资2万元计算,年节约资金40万元。5.5 维修效益
项目建成后,年节约维修费60万元左右。总计年可节约资金45.02+124.2+73.44+40+60=322.66万元。
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5 项目效益
5.1 余热利用效益
原余热锅炉为4t/h,4台锅炉产蒸汽16t/h(锅炉效率以45%计),4台产蒸汽16×0.45=7.2t/h,新上10t余热锅炉产蒸汽10t/h(锅炉效率以95%
计),10t余热锅炉产蒸汽10×0.95=9.5t/h。每小时可多产蒸汽2.3t。按1t煤产蒸汽4t计,每小时节煤:2.3/4=0.575t。年可节煤:0.575×24×300=4140t。煤价按300元/t计,年可节约资金4140×300/10000=124.2万元。5.2 除尘系统节电效益
改造后装机容量为300kW,改造前装机容量为504kW,年节电204×24×300=1468800kW·h;电标煤折算系数=0.35kg标煤/(kW·h);折合标
(上接第58页)
6 结论
通过该建设项目的实施,不但企业的技术装备水平得到进一步提高,也大大降低公司主要污染物转炉尾气的排放量,对改善环境、减少污染起到明显
的作用,同时又可降低公司碳酸钡生产的能源消耗,为企业的进一步持续发展创造了良好条件。因此,碳酸钡回转窑大型化是实现碳酸钡行业节能减排的一条切实可行的途径。
收稿日期:2009-12-17
作者简介:赵增军(1963— ),男,学士,工程师,主要从事化工设备
管理工作,已公开发表文章1篇。
联系方式:[email protected]
而提高了结晶颗粒的平均粒度,细晶的回收采用
了与原料混合的方法,既预冷了原料,又通过溶解细晶消除了多余的晶核,促进了晶体的生长。实践证明,使用该设计冷冻结晶器,生产的芒硝平均粒径可以达到400μm,可以与母液达到很好的分离效果。
参考文献:
[1] 张爱群,杨立斌,沙作良,等.过饱和度对芒硝结晶过程影响分
析[J].盐业与化工,2009,38(3):51-53.
[2] 王云生,沙作良,曾向东.悬浮状态下氯化钠晶体二次成核过
程研究[J].盐业与化工,2009,38(1):7-10.
收稿日期:2009-12-17
作者简介:张爱群(1965— ),女,硕士,高级工程师,主要从事化工
工艺及设备的研究。
联系方式:[email protected]
高性能纳米二氧化硅粉体项目
高性能纳米二氧化硅粉体项目位于山东省淄博市淄川区,由淄博鑫冠陶瓷材料有限公司投资,年产600t高性能纳米二氧化硅粉体材料。项目总投资1.2亿元。主要设备
为:沉淀反应器、过滤机、干燥机、超细粉碎机、反应釜、水环式真空泵。