硝酸鈉真空冷卻結晶工藝中產品質量的控制方法

楊燦輝　戴斌聯　夏循峰　化工部長沙設計研究院　長沙　410116

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硝酸鈉真空冷卻結晶工藝中產品質量的控制方法

楊燦輝*戴斌聯夏循峰化工部長沙設計研究院長沙410116

摘要介紹在硝酸鈉真空結晶工藝過程中提高產品質量的方法。結晶前，控制結晶原料雜質含量；結晶過程中，抑制氯化鈉和硫酸鈉的產生及控制結晶顆粒大小；結晶后，通過淘洗工藝與離心機洗滌去除雜質。

關鍵詞硝酸鈉真空冷卻結晶質量控制方法

*楊燦輝：高級工程師。1994年畢業于北京化工大學化學工程專業。從事化工設計工作。聯系電話：(0731)89956620，

E-mail:ych5534586@126.com。

1技術背景

硝酸鈉由于其特有的物化性質，是理想的傳熱蓄熱熔融鹽之一，在發達國家，已廣泛應用于太陽能熱發電和聚光太陽能熱化學領域；我國也進行大量研究工作，相信不久該技術也將得到實際運用。相對于普通工業用途的產品，該領域硝酸鈉價格高出25%，同時質量要求更高，必須達到優等品要求。

硝酸鈉產品質量標準，見表1。

表1　工業硝酸鈉國家標準(GB/T4553—2002)　(%)

將硝酸鈉產品質量由合格品或一等品提高到優等品，能產生明顯的經濟效益，同時具有重要的社會意義。

新疆某公司用鈉硝石礦生產硝酸鈉，過程中無添加任何化學藥劑，產品屬于綠色環保型。結晶采用真空冷卻結晶工藝，由于結晶過程會有少量氯化鈉、硫酸鈉和鈉硝礬析出，包裹在硝酸鈉晶體周圍或大顆粒內部，經離心機脫水洗滌后難以去除，導致產品中氯化鈉和硫酸鈉的含量偏高。試生產過程中，硝酸鈉含量只能達到合格品要求，不能達到優等品的要求。通過不斷摸索總結，采用有效的產品質量控制方法，產品質量大幅度提高，達到優等品要求。目前該產品已大量銷往日本等國用于太陽能蓄熱傳熱，得到廣大用戶的青睞。

2提高產品質量的方法

2.1結晶前控制結晶原料雜質含量

進真空冷卻結晶系統的原料為前面蒸發工序產物即高溫母液，高溫母液中硝酸鈉含量控制在850～1000g/l，濃度越高，結晶單程產率越大，同時結晶產物純度也相對較高。蒸發母液中含部分固體氯化鈉和硫酸鈉，因此必須澄清或過濾除去母液中的固相。未經去除的固相物將直接進入結晶產物，尤其是硫酸鈉一旦進入產物，通過后期洗滌去除非常困難。

蒸發母液進結晶器之前新增兩臺密閉式過濾機(一開一備)，將濃密機澄清后的母液過濾，進一步去除母液中含有的少量氯化鈉及硫酸鈉固體。由于高溫母液溫度高，在過濾的過程中熱損耗導致物料溫度降低。硝酸鈉的溶解度對溫度非常敏感，溫度降低，硝酸鈉就會析出，隨濾餅帶出體系，導致產品單程收率降低、能耗增加。因此，過濾設備和管道均需保溫，同時補加少量蒸汽加熱物料，保證物料在過濾過程中溫度不變。

在其它操作條件都不變的情況下，增加過濾裝置后產品中氯化鈉的含量可降低0.25%，硫酸鈉含量可降低0.05%，產品中硝酸鈉主含量可提高0.3%。

2.2結晶過程中的控制

2.2.1抑制氯化鈉和硫酸鈉的產生

高溫母液為高溫下的飽和母液，在結晶器內降溫蒸發結晶過程中，局部會產生過飽和，有少量氯化鈉和硫酸鈉析出。因此，在真空冷卻結晶過程中必須局部補加少量水，使得體系處于不飽和狀態，以抑制真空冷卻結晶過程中氯化鈉和硫酸鈉結晶析出，同時將已經析出的固相雜質重新溶解。補水量根據結晶溫度和相圖并結合產品質量要求等因素綜合確定。補加數量通過流量計與高溫母液流量連鎖控制。補加水位置很關鍵，一般選取在真正容易產生局部過飽和的部位，如蒸發表面等。

在其它操作條件都不變的情況下，通過局部補加適量的水控制過飽和度，產品中氯化鈉的含量可降低0.3%，硫酸鈉含量可降低0.1%，產品中硝酸鈉主含量可提高0.4%。

2.2.2控制結晶顆粒大小

結晶顆粒大小會影響最終產品的質量，結晶顆粒越大，固液分離后的母液夾帶越少，洗滌效果越好，產品中雜質含量就越少，同時洗滌水的用量也可相應減少。增大結晶顆粒的方法有多種：增加顆粒在結晶器內的停留時間、在結晶過程中加入少量晶種、去除產生的細晶、優化結晶器結構等。上述方法將增加設備投資或降低單程收率。因此應將產品顆粒直徑控制在合理范圍之內，一般0.5mm左右為宜。

增加一套細晶消除系統，該系統包括一臺循環泵及其配套管路。系統將結晶器內的細晶引出，并在管路內補加少量水，將細晶溶解，返回結晶器。結晶器內的細晶引出后，晶核減少，從而晶體更容易長大，顆粒增大。

在其它操作條件都不變的情況下，增加細晶消除系統后，結晶顆粒平均直徑由0.25mm增加到0.5mm，最終產品中氯化鈉的含量可降低0.2%，硫酸鈉含量可降低0.1%，產品中硝酸鈉主含量可提高0.3%。

2.3結晶后的控制

2.3.1淘洗工藝去除雜質

即便在上述所有方法都實施的前提下，結晶過程中仍然會不可避免地產生少量硫酸鈉和氯化鈉固體。少量硫酸鈉與硝酸鈉晶體形成包裹，后期離心機洗滌難以去除，因此在結晶后對結晶料漿進行淘洗尤為必要。淘洗裝置為帶機械攪拌或氣體攪拌的容器。在淘洗過程中，氯化鈉、硫酸鈉和部分鈉硝礬回溶進母液；沒有回溶的鈉硝礬在機械攪拌或氣體攪拌作用下，以泡沫的形式上浮到液體表面，將泡沫去除。

通過在最后一級結晶器出料口和離心機之間增加淘洗裝置，淘洗裝置為螺帶攪拌機。在螺帶攪拌機內，補加少量的水用來淘洗硝酸鈉料漿，水的用量為硝酸鈉料漿5%～20%，淘洗時間為15～60min。淘洗過程中，有部分泡沫上浮到螺帶攪拌機液體表面，泡沫溢流到收集槽后，泵入蒸發工段回溶處理。將上浮到液體表面的泡沫取樣分析，其固相組成主要為氯化鈉和硫酸鈉。具體檢測結果見表2。

表2　淘洗泡沫組成　(wt%)

淘洗后最終產品質量明顯提升，淘洗前后產品質量對比見表3。

表3　淘洗前后產品質量　(wt%)

2.3.2離心機洗滌去除雜質

真空結晶后的物料為結晶料漿，結晶料漿包括結晶出的固體和結晶母液。結晶母液中含有大量的氯離子和少量硫酸根離子，具體含量與末級結晶溫度有關。結晶料漿經離心機分離后，濾餅中母液夾帶量為5%左右，因此濾餅必須洗滌。洗滌液為清水，洗滌過程中清水置換出濾餅夾帶的母液，從而減少因為母液帶入干燥系統且最終進產品雜質的量。在離心機內洗滌濾餅對于降低產品中氯離子含量效果明顯，而因硫酸根雜質大多包裹在晶體內部，無法通過洗滌水置換母液去除，對于硫酸根離子則效果不大。離心機內清水洗滌對產品質量效果影響見表4。

表4　離心機洗滌前后產品質量　(%)

3結語

用鈉硝石礦生產硝酸鈉的真空結晶工藝中，提高產品質量的關鍵是減少結晶產物中氯化鈉和硫酸鈉的含量，減少雜質方法涉及結晶前、結晶過程中、結晶后全過程。結晶前通過澄清過濾控制進入結晶系統的高溫母液中固相雜質含量；結晶過程中補加適量水抑制結晶過程中固相氯化鈉和硫酸鈉的析出，同時將晶體顆粒直徑控制在合理范圍內以減少后期濾餅的母液夾帶；結晶后通過特定的淘洗裝置和離心機清水洗滌將不可避免析出的固相氯化鈉和硫酸鈉去除。通過以上方法聯合使用，硝酸鈉產品質量由合格品提高到優等品，完全滿足傳熱蓄熱熔融鹽用戶要求。

參考文獻

1戴斌聯，楊燦輝等.一種硝酸鈉真空冷卻結晶工藝中產品質量控制的方法.中國201210588793.4.[P].

(收稿日期2015-10-30)