原鹽質量對聯堿生產的影響機理淺析

嚴國慶

（甘肅金昌化學工業集團有限公司，甘肅 金昌 7 3 7 0 0 0）

原鹽質量對聯堿生產的影響機理淺析

嚴國慶

（甘肅金昌化學工業集團有限公司，甘肅 金昌 7 3 7 0 0 0）

我公司采用原鹽直接加入聯堿生產系統的方法，原鹽中雜質對生產影響很大。分析了原鹽雜質中的鈣鎂離子、硫酸根離子對聯堿生產的影響機理，并具體描述了雜質在生產過程中引起的不良影響。

原鹽；鈣鎂離子；硫酸根；聯堿；影響機理

原鹽是聯合制堿法生產的主要原料，經精制去雜質后，以固體小顆粒（平均粒徑≦0.5mm）的形式加入循環母液中，達到國家工業鹽標準（G B／T 5 4 6 2－2 0 0 3）優級品的原鹽可不經精制直接加入。我公司目前所用原鹽全是湖鹽，1＃產地的鹽質量相對較好，2＃、3＃產地的鹽雜質含量高，但這些原鹽質量都不能達到國家優級品的要求。生產中3種產地的原鹽混合參配使用，不經精制直接加到系統中，雜質對生產系統影響很大。

表1 不同產地原鹽質量

1 原鹽中雜質對聯堿生產的影響

原鹽中含有C a2＋、M g2＋、S O42－和泥沙等雜質，雜質超標會造成堿生產系統出現以下不良后果。

1）母液中水不溶物C a C O3、M g C O3、泥沙等超標，會使純堿產品白度下降，氯化銨產品主含量下降、氮含量不達標，嚴重影響產品的市場競爭力。

2）母液中的C a2＋、M g2＋、S O42－等雜質多，會使母液濁度增加、比重增大、粘度增大，引起氯化銨及重堿結晶變細，不利于結晶器的稠厚、過濾、干燥或煅燒等工序的操作。

3）部分泥沙等水不溶物和C a2＋、M g2＋、S O42－易生成結疤，物附著在管道、吸氨器、結晶器、母換列管、碳化塔水箱冷卻列管、外冷器壁上，影響降溫及有效容積，降低設備的生產能力。

4）生產系統向外排出的氨Ⅱ泥量增多，氨、鹽損失加重。

原鹽中不溶性雜質主要是氧化硅、氧化鋁、泥沙等，水溶性雜質以C a S O4、M g S O4、M g C l2等形式存在。水溶性雜質和不溶性雜質對聯堿生產的影響機理完全不同。

2 鈣鎂雜質在鹽析結晶器中沉淀反應

2.1 碳酸鈣鎂沉淀物的形成

未經精制的原鹽夾帶C a S O4、M g S O4、M g C l2加入鹽析結晶器，在母液Ⅱ中溶解并離解成C a2＋、M g2＋、S O42－、C l－，與母Ⅱ中的（NH4）2C O3、N a2C O3（聯堿生產常規母液Ⅱ中約有（NH4）2C O34.5t t、N a2C O32.5t t左右）發生鈣鎂沉淀反應。

溶液中存在C O2－3時，C a2＋必然以C a C O3的形式產生沉淀：

母液Ⅱ中二氧化碳濃度和碳化度較高，鎂離子將產生M g C O3和其他復鹽沉淀：

反應生成的C a C O3和M g C O3的溶解度很小。在鹽析結晶器操作溫度1 3～1 7℃下，溶度積K s p如下：C a C O3為2.8×1 0－9；M g C O3為3.5×1 0－8。母液Ⅱ中M g2＋含量不同差別較大，一般在（5～1 5）×1 0－3m o l／l，鹽析結晶器母液Ⅱ中：

［C a2＋］×［C O2－3］＝（2.9～7.2 5）×1 0－4＞2.8×1 0－9

［M g2＋］×［C O2－3］＝（0.4 4～2.1 8）×1 0－3＞3.5×1 0－8

鈣鎂離子和碳酸根濃度的乘積遠遠大于碳酸鈣和碳酸鎂的溶度積，沉淀反應幾乎不可逆，鈣鎂沉淀是比較完全的，反應產生的復鹽M g C O3·N a C l· N a2C O3、M g C O3·（NH4）2C O3·4 H2O變為難溶化合物。

2.2 碳酸鈣鎂沉淀物的帶出途徑及對生產的影響

1）鹽析結晶器中生成的C a C O3和M g C O3沉淀，約有3 0%～5 0%沉淀被氯化銨產品夾帶出系統，其余部分留在母液Ⅱ中。結晶逆料生產工藝操作，由于部分母液Ⅱ返混到冷析結晶器半母液Ⅱ中，半母液Ⅱ的濁度上升，氯化銨結晶“介穩區”縮小，使冷析結晶粒度變小。同時半母液Ⅱ在軸流泵的作用下去外冷器，在降溫過程中，C a C O3和M g C O3沉淀隨同氯化銨結晶附著在外冷器列管壁上，使外冷器結疤加快，換熱效果降低，作業周期縮短。

2）在鹽析結晶器生成的C a C O3和M g C O3沉淀中約有5 0%～7 0%隨同母液Ⅱ沉降槽溢流至母Ⅱ桶。再經過母液換熱器和母Ⅱ吸氨后進入氨母液Ⅱ澄清桶沉降分離。在換熱和吸氨過程中，使母液換熱器列管結垢，換熱效率下降，吸氨器堵塞，阻力增大。母液Ⅱ經過與熱AⅠ換熱和吸氨，溫度由1 5℃逐漸上升到4 0℃。C a C O3和M g C O3的溶解度隨溫度升高而增大，特別是M g C O3溶解度增大幅度更為顯著，有關實驗測定，4 0℃碳酸鎂的溶解度約是1 5℃時的3倍。在母液Ⅱ溫度逐漸升高的過程中，M g C O3沉淀被部分溶解，沉淀顆粒變小。在氨Ⅱ桶沉降分離中，母液Ⅱ中夾帶的泥沙澄清效率達到9 5%以上，C a C O3的澄清效率8 0%～9 0%，而M g C O3的澄清效率只有5 0%。由此可見，原鹽中含M g2＋可溶性雜質越高，氨母液Ⅱ的濁度越大。

3）在聯堿生產中受氨母液Ⅱ澄清工藝設備的限制，大量的C a2＋、M g2＋雜質隨氨母液Ⅱ進入碳化塔，在碳化過程中，再次產生碳酸鈣和碳酸鎂沉淀，并與氨母液Ⅱ中原有的細小C a C O3、M g C O3沉淀被進一步碳化，在有氧存在的條件下，被氧化成鈣和鎂的堿式碳酸鹽沉淀，使碳化塔冷卻水箱列管結疤加劇，造成碳化塔作業周期縮短，甚至出現堵塔現象。C a C O3、M g C O3和堿式碳酸鹽的沉淀一起夾雜于重堿結晶之中，并進入純堿產品，使純堿水不溶物增大。經過測定原鹽中帶入雜質流向，進入純堿產品M g2＋雜質竟高達3 0%，使用含M g2＋高的青海原鹽（特別是柯柯與榮仁鹽），不但使純堿水不溶物上升，而且還會使碳化塔生產條件惡化，重堿結晶變細，濾過洗水量增加，聯堿系統水膨脹，肥堿比倒掛，氨、鹽消耗上升。

3 硫酸根對生產的影響機理

3.1 硫酸根在聯堿生產母液中的存在形式

在原料鹽中S O42－雜質主要以M g S O4、N a2S O4的形式存在。在聯堿生產S O42－雜質隨原鹽進入鹽析結晶器，在母液Ⅱ中溶解并離解成M g2＋、N a＋、S O42－。由于母液Ⅱ中存在C O32－，M g S O4與C O32－生成M g C O3沉淀，反應式如下：

反應生產的N a2S O4和原鹽中的N a2S O4隨母液Ⅱ經吸氨后進入碳化塔，在碳化塔中與C O2、H2O、NH3反應生成N a HC O3結晶和（NH4）2S O4，反應式如下：

由于聯堿生產過程中母液循環使用，在碳化塔中生產的（NH4）2S O4溶解于母Ⅰ中，隨母Ⅰ再次進入鹽析結晶器和溶解于母液Ⅱ中的N a C l反應生成NH4C l結晶和N a2S O4，反應式如下：

通過上述分析可知S O42－在循環過程中，在母液Ⅱ和氨Ⅱ中主要以N a2S O4的形式存在，在母液Ⅰ和氨Ⅰ中主要以（NH4）2S O4的形式存在。

3.2 硫酸根在聯堿生產系統的積累和平衡濃度

在聯堿生產中母液是封閉循環的，且基本上處于平衡，不論是母液Ⅱ、氨Ⅱ中的N a2S O4，還是母液Ⅰ、氨Ⅰ中的（NH4）2S O4，在制堿和制銨過程中的溶解度相對比較大，不可能形成結晶隨產品取出系統，只能隨重堿和濕銨夾帶的母液排出系統，因此S O42－在母液系統內存在動態平衡：

式中，G——原鹽帶入的S O42－，t t；

G1——重堿帶出的S O42－，t t；

G2——濕銨帶出的S O42－，t t；

G3——氨Ⅱ泥帶出的S O42－t t；

C1——母液系統內S O42－變化前的濃度，t t；

C2——母液系統內S O42－變化后的濃度，t t；

Δ C——母液系統內S O42－變化量，t t。

所以，原鹽中S O42－含量變化時，母液系統中S O42－存在3種變化情況：

1）當原鹽中S O42－含量不變時，則G＝G1＋G2＋G3，Δ C＝0，C1＝C2，此時，母液系統內，S O42－濃度基本不發生變化。

2）當原鹽中S O42－含量下降時，則G＜G1＋G2＋G3，Δ C＜0，C1＞C2，母液系統內S O42－濃度下降，C2下降到一定值時，G＝G1＋G2＋G3，母液系統內S O42－建立一個新的動態平衡。

3）當原鹽中S O42－含量上升時，則G＞G1＋G2＋G3，Δ C＞0，C1＜C2，母液系統內S O42－濃度上升，C2上升到一定值時G＝G1＋G2＋G3，母液系統內S O42－又建立一個新的動態平衡。

從上述分析可知，原鹽中S O42－含量越高，母液中S O42－濃度就越高，當S O42－濃度大于1 0t t時，生產工藝會發生很大變化，比如，2 0 1 0年元月至2 0 1 0年9月份的我公司純堿生產惡化的工藝狀況就是一個很好的例證。

3.3 硫酸根對聯堿生產Ⅱ過程的影響

原鹽S O42－含量超過0.6%時，系統母液中S O42－會積累，N a2S O4逐漸達到飽和，母液Ⅱ的比重和粘度隨之增加。按照物質溶解度變化的一般規律（鹽析原理）可知，由于系統中N a2S O4濃度增加，N a C l的溶解度變小，在鹽析結晶器中加鹽無法進行，氯化銨結晶析出量少，既影響氯化銨產品質量又導致母液ⅡC NH3偏高、T C l和N a＋濃度偏低、γ值下降，由于母液Ⅱ比重增加，造成鹽析結晶器內大量結晶無法沉降，溢流帶料嚴重；使得聯堿Ⅰ過程碳化反應物濃度下降，生成物濃度上升，碳化反應速度減緩，母液當量增大，碳化率下降。另一方面，因N a2S O4具有逆溶解性，其逆溶解度轉折點為1 7.9℃（N a2S O4在1 7.9℃與水反應生成N a2S O4· 1 0 H2O），當溫度高于1 7.9℃時，N a2S O4的溶解度隨溫度的上升而下降。在母液換熱器中，列管內母液Ⅱ溫度在2 6℃左右，高于N a2S O4的逆溶解度轉折點溫度，在母液Ⅱ中已飽和的N a2S O4容易析出粘附在列管內壁，影響氨Ⅰ和母Ⅱ的傳熱效率，冷氨Ⅰ溫度難以達到工藝指標要求，使母液換熱器作業周期縮短。

3.4 硫酸根對聯堿Ⅰ過程的影響

1）對母液Ⅱ吸氨器的影響

由于溶解度變化一般規律可知，N a2S O4在氨水中的溶解度比在純水中的溶解度要小，并且隨氨濃度的增加，溶解度下降。因此母Ⅱ吸氨時，N a2S O4極易在噴嘴處以結晶形式析出，引起噴嘴堵塞，使母液噴射吸氨器效果變差，生產能力下降。

2）對氨Ⅱ澄清效率的影響

3）對碳化塔反應條件的影響

在碳化塔中，上部溫度一般控制在5 5℃左右，中部溫度控制在6 0℃左右，下部溫度控制在3 4℃左右，都高于N a2S O4的逆溶解轉折點。同時，母液中固體N a2S O4的存在使N a HC O3、NH4HC O3的溶解度減小，結晶區擴大，過飽和度增大，結晶粒度變細。N a HC O3、NH4HC O3和N a2S O4一起在塔壁、冷卻水箱列管的表面析出沉積，導致塔的容積減少，二氧化碳與碳化液的接觸面積減少，降低單塔的生產能力。另外，由于冷卻水管結疤增厚，引起傳熱系數下降，冷卻效果變差，取出溫度高。并且N a2S O4難用氨Ⅱ清洗下來，只能增加水洗的次數。2 0 1 1年我公司碳化塔生產狀況就可證明上述分析。

3.5 對聯堿兩種產品質量的影響

前面已經分析過，原鹽帶入聯堿生產母液系統的S O42－，除小部分由氨Ⅱ泥夾帶出外，大部分由純堿和氯化銨兩種產品帶出。純堿和氯化銨兩種產品中S O42－雜質含量上升，導致主含量下降。

以上論述是本人對原料鹽質量影響聯堿生產的機理淺易分析，如有不妥之處望各位工程技術人員和聯堿操作人員批評指正。

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