聯(lián)合制堿重堿過濾和離心分離(一)——重堿分離技術進展

王 全

(大連化工研究設計院，遼寧大連 116023)

?

專論與綜述

聯(lián)合制堿重堿過濾和離心分離(一)
——重堿分離技術進展

王 全

(大連化工研究設計院，遼寧大連 116023)

講述聯(lián)堿法純堿制造過程中重堿真空過濾技術的原理，重堿濾餅洗滌過程的工藝流程；介紹離心機二次分離技術；分析國內外離心機分離重堿晶漿的技術現狀。

聯(lián)堿；重堿過濾；離心分離；真空過濾機；離心機；技術進展

重堿分離，即重堿過濾和離心分離，把碳化塔取出液中懸浮的碳酸氫鈉(重堿)結晶與母液分離開來，是純堿生產的一個重要環(huán)節(jié)，聯(lián)合制堿法生產的重堿分離工序承擔著三項主要任務：

1)分離出重堿結晶，并加水于濾餅，置換其中的母液，降低純堿產品中的鹽分，生產優(yōu)質產品。

2)在分離出重堿結晶的同時，使濾餅盡量脫水，降低濕重堿的水分，減少重堿煅燒工序的中壓蒸汽消耗，節(jié)省能耗。

3)在保證生產優(yōu)質純堿產品的前提下，調節(jié)控制當量洗水的加入量，維持循環(huán)系統(tǒng)的母液平衡，杜絕母液膨脹，降低原料氨、鹽消耗。

傳統(tǒng)的重堿分離在回轉真空過濾機上進行，不冷式碳化聯(lián)合制堿可以使用連續(xù)推料離心機分離重堿晶漿。

1 重堿分離技術進展

1.1 真空過濾技術簡介

1.1.1 過程原理

真空過濾的基本原理是依靠真空機(泵)將過濾介質(濾網或濾布)內側抽成真空，使內外兩側形成壓力差，于是懸浮液中的液體便從過濾介質的外側通過過濾介質特有的孔眼流向內側并被抽走，懸浮液中的固體顆粒則被過濾介質截留在外側形成濾餅。從而達到液固分離的目的。被抽走的液體稱為濾液。

1)過濾速度

過濾速度定義為過濾機單位面積通過的濾液流量，它決定了過濾生產能力。過濾速度以下式表示：

(1)

式中:C—過濾速度，m3/m2·s(或m/s)；V—單位過濾(吸堿)時間的濾液流量，m3；τ—過濾(吸堿)時間，s；F—過濾機面積，m2；p—過濾壓力差，kgf/m2；μ—懸浮液液相的粘度，kgf·s/m2；ρ1,ρ——過濾介質和濾餅的比阻，m-2；h1，h—過濾介質和濾餅的厚度，m。

可見，過濾速度C的大小與過濾壓力差(或稱過濾壓力)p成正比，與懸浮液液相的粘度μ以及過濾阻力(過濾介質和濾餅的阻力之和)(ρ1h1+ρh)成反比。

過濾壓力差是液體通過過濾介質的推動力，因此，要求在生產操作中控制較高的真空度，通常達到40～55 kPa。

過濾介質的阻力隨介質品種而異，通常使用的過濾介質中毛絨布阻力較大，滌綸布次之，金屬濾網阻力最小。濾餅的阻力主要決定于重堿結晶顆粒的粒度、結晶的形狀和表面的光滑程度，粒度大，箱形或近于球形，表面光滑的重堿結晶顆粒的過濾阻力小，另外濾餅的阻力與濾餅的厚度有關，厚度大則阻力大。由于在一定的濾堿機轉速下濾餅厚度決定于過濾生產能力，所以現代的純堿生產力求提高碳酸化過程的重堿結晶質量以求在較厚的濾餅厚度下降低過濾阻力，以及使用阻力小的過濾介質，如一定孔目數的金屬絲網，以降低過濾總阻力，提高真空過濾機的生產能力。實際生產中，碳化塔取出液中過多的雜質沉淀，如性粘的硫化亞鐵，細小的鈣和鎂的碳酸鹽類，以及細小的重堿結晶等，極容易堵塞過濾介質的毛細孔，或者附著于濾餅表面，增大過濾阻力，降低生產能力，應力求減少。

2)回轉真空過濾機的工作過程

真空過濾機旋轉一周的工作過程見圖1。

圖1 真空過濾機轉鼓旋轉一周過程中的作用示意圖

當轉鼓沿箭頭方向旋轉時，吸入區(qū)域的轉鼓內各扇形格同真空管相接通，依靠過濾介質兩側的壓力差，堿槽中的重堿懸浮液被吸向過濾介質的外側，母液被吸入轉鼓，重堿結晶則被截留于過濾介質的外側形成濾餅。轉鼓繼續(xù)旋轉離開堿槽液面后，進入吸干區(qū)域，濾餅中的母液被逐漸吸干，母液與被吸入的空氣一起進入轉鼓內。轉鼓旋轉至水平線上方45～60°的區(qū)域時，加入洗水置換濾餅中的殘留母液，部分洗水和殘留母液被吸入轉鼓，濾餅中的氯根濃度得以降低，該區(qū)域稱為洗滌區(qū)域。繼續(xù)旋轉至擠壓區(qū)域，在真空吸干的同時用壓輥幫助擠壓濾餅的水分。擠壓區(qū)域后為最后的吸干區(qū)域， 此時濾餅中的水分和鹽分(氯根)已降至最低。合格的重堿濾餅轉到卸料區(qū)域被刮刀刮下。轉鼓上尚剩留3～4 mm厚的濾餅層隨轉鼓進入最后區(qū)域——吹風再生區(qū)域，在吹風前先吸入母液，然后與壓縮空氣一起將殘留濾餅吹下，并使過濾介質的毛細孔恢復正常，進行下一周期的過濾過程。如此周而復始，循環(huán)作業(yè)。

回轉真空過濾機的生產能力按下式計算：

Q=1 440ρWnF(h-h0)

式中:Q—過濾機的生產能力，t/d；ρ—重堿濾餅密度，t/m3；W—重堿燒成率，%；n—轉鼓轉速，r/min；F—轉鼓的過濾面積，m2；h—重堿濾餅厚度，m；h0—刮刀下轉鼓上殘留的濾餅厚度，m。

1.1.2 濾餅的洗滌

純堿制造重堿分離過程中濾餅的洗滌是重堿分離的另一特征，由于重堿結晶粒度細小，晶形和表面狀況差等緣故，使得濾餅的洗滌變得更為重要。

1)理想的洗滌是洗水對濾餅中母液的置換

純堿生產碳化塔出堿液組成列于表1。

表1 碳化塔出堿液組成

以總氯TCl表示的氯離子(NH4Cl+NaCl)濃度，聯(lián)堿法比氨堿法生產高約17%。由于實際生產真空過濾機的轉鼓上加洗水置換重堿濾餅中母液的洗滌過程不可能進行得十分完全，即分離后的重堿半成品中必然含有少量殘留母液，便造成了重堿含氯，于是在煅燒爐中：

NH4Cl+NaHCO3→NaCl+NH3↑+CO2↑+H2O↑

NaCl(aq)→NaCl(s)

重堿中的氯化物全部以固態(tài)NaCl的形式參雜于純堿產品中。

過濾機上洗水置換濾餅中母液的過程見圖2示意。

圖2 洗水置換濾餅中母液示意圖

如圖2所示，真空過濾機轉鼓上形成的重堿濾餅，結晶顆粒之間的排列有一定的空隙，組成了無數根縱橫交錯的毛細管，洗水加于濾餅表面并被抽吸進入濾餅內部，在毛細管中滲透，滯緩流動并置換其中的母液，最后穿透濾餅進入轉鼓內腔被真空系統(tǒng)抽走。開始時被置換出的是母液，隨著過程進行，由于發(fā)生洗水和母液的混合以及分子擴散作用，而后離開濾餅層的是母液和洗水的混合物(濾液)，總的趨勢是濾液中的氯根降低，表明重堿濾餅中的母液殘留量減少，氯化物含量降低。

重堿結晶顆粒在濾餅中的排列是不規(guī)則的，況且結晶粒度大小和晶形參差不齊，表面粗糙，凹凸不平，使得上述毛細管的排列雜亂無章，濾餅的透氣、透水性較差，影響了真空抽吸和洗水對濾餅中母液的置換效果，尤其在結晶的凹面處，以及濾餅中無數個結晶受擠緊密排列時難免形成的“死眼”，洗水更難以置換其中的母液，也難以與其混合，僅能靠分子擴散緩慢降低濃度，所以說現行生產真空過濾機上洗水置換濾餅中母液的過程是不完全的，洗滌效果較差。

2)當量洗水的限制和低鹽純堿生產方法

加大洗水量無疑可以減小濕重堿中的氯化物含量，降低純堿產品鹽分，但是，無論氨堿法，還是聯(lián)合制堿法生產，重堿分離過程的濾餅洗滌都有一個當量洗水的概念，有一個洗水量的限制。

聯(lián)合制堿法生產的當量洗水，是指過程化學反應和維持循環(huán)系統(tǒng)母液平衡所需的工藝用水，是生產優(yōu)質純堿的最大洗水量，約0.75 m3/t；而氨堿法生產的當量洗水則為生產優(yōu)質純堿的最小洗水量，國內生產為0.6～0.7 m3/t。

氨堿法生產純堿產品鹽分0.4%～0.5%，聯(lián)堿法生產純堿產品鹽分0.5%～0.6%。行業(yè)曾經在一段時期內熱衷于一種低鹽(NaCl≤0.3%)純堿產品的研發(fā)和生產。

聯(lián)合制堿法生產母液封閉循環(huán)，靠在真空過濾機上多加洗水的方法生產低鹽純堿顯然不行。氨堿法工廠在過濾機上多加洗水，雖然可以達到降低純堿鹽分的目的，但成本太高。進入21世紀后，國內部分氨堿廠將純堿產品鹽分降低到0.4%以下，但由于多加洗水，使得過濾轉化率損失成倍增加，例某廠2001年過濾轉化率損失高達3.64%，且不說多加洗水使得濾過母液被大量稀釋，增加了蒸餾費用，按照當年該廠生產碳化轉化率74.08%計，重堿過濾過程的產品損失率達到4.91%，僅這過濾一項就損失純堿產品近5萬噸(該廠2001年純堿產量為100.11萬t)，與國外一些氨堿廠為了生產低鹽純堿，將洗水量增加到1.0 m3/t的報導，同樣不是明智之舉。

經濟、實用、靈活、可靠的生產低鹽純堿的方法，是在重質純堿加工過程中采用簡單的加減辦法生產低鹽重質純堿和普通重質純堿。

1.1.3 工藝流程

重堿真空過濾的工藝流程見圖3。

1.出堿槽 2.洗水桶 3.過濾機 4.重堿皮帶 5.吹風機 6.堿液桶 7.堿液泵 8.母液桶 9.母液泵 10.真空機 11.分離器 12.凈氨塔圖3 重堿真空過濾的工藝流程

圖3為傳統(tǒng)的純堿生產過濾工序的原則工藝流程。如圖所示，由碳化塔取出的重堿結晶懸浮液經出堿槽1，進入真空過濾機3下部帶有機械攪拌的堿液槽(堿缸)，進行如上節(jié)所述的真空過濾工作過程，完成重堿結晶懸浮液的液固分離作業(yè)。堿液槽上部設有溢流管，過剩的懸浮液從溢流管流入沒有機械攪拌的堿液桶6，然后重新用堿液泵7打回出堿槽1。

依真空被吸入過濾機轉鼓內的母液、洗水和空氣一起經錯氣頭去氣液分離器11，混有洗水的母液稱為濾液由分離器底靠位差形成的靜壓流入母液Ⅰ桶8，并用母液Ⅰ泵9送至吸氨工序。被分離的氣體從分離器頂部去凈氨塔12回收其中的氨和二氧化碳后經真空泵10抽吸排空。

附著于轉鼓上的被洗滌、壓實和吸干的重堿濾餅被刮刀刮下后經下料溜子到重堿皮帶輸送機上，然后送到煅燒工序煅燒成純堿產品。

過濾介質吹凈用的壓縮空氣由吹風機5經錯氣頭送入轉鼓的吹風區(qū)域。“洗滌”用的軟水由洗水桶2經灑水槽淋灑于濾餅。

1.1.4 真空過濾機

聯(lián)合制堿法純堿生產采用的回轉真空過濾機，有內錯氣和外錯氣(圖4)兩種，前者為小型生產使用，后者的生產規(guī)模較大。

真空過濾機由轉鼓(或稱濾鼓)、錯氣盤(或叫分配頭)、堿液槽、攪拌器及傳動裝置、壓輥、刮刀和灑水槽等部件組成。

國內聯(lián)合制堿法使用的真空過濾機的規(guī)格及技術性能見表2。

至21世紀，國內真空過濾機有了長足的發(fā)展，號稱吹風卸料技術，洗后液與母液分離技術，洗水噴淋技術，分配頭密封技術以及整體結構改進等五大技術進步。特別是分配頭密封技術，采用內外三重密封結構形成了可在運行中隨時緊固、確保錯氣盤緊密貼合的密封系統(tǒng)，從根本上杜絕了大直徑錯氣盤的泄漏難題。

1.吹風機 2.吹氣嘴子 3.壓輥 4.大齒輪 5.真空分離器(罐) 6.堿液槽 7.攪拌器 8.轉鼓 9.主軸瓦圖4-a 內錯氣真空過濾機

1.壓輥 2.攪拌軸承 3.分配頭 4.主軸承 5.空心軸 6.堿液槽 7.攪拌器 8.轉鼓 9.濾算子 10.大齒輪 11.墊鐵圖4-b 外錯氣真空過濾機

規(guī)格型號6．513．41720．423轉鼓直徑m2．252．252．62．62．8轉鼓寬度m0．921．92．5過濾面積m26．513．41720．423轉鼓轉速r/min0．89～2．671．24～2．770．25～2．47主電機功率kW41111攪拌電機功率kW2．25．5攪拌次數1/min2519～4225真空度kPa30～6030～60≥4530～60≥45吹風壓力(表)kPa30～5030～50≥3030～50≥30生產能力t堿/d140～180300～350500～550500～600700～750設備重量t16．423．738．7

1.2 真空水平帶式過濾機

近年，大化、天堿兩個老廠在聯(lián)堿搬遷工程，以及安棚堿廠(天然堿)的擴建工程中都引進了DORR-OLIVER EJMCO的真空水平帶式過濾機，嗣后，江蘇淮安堿廠新建氨堿工程、南方堿廠的氨堿法擴建工程也相繼引進了PRA公司的帶式過濾機，投產后均稱使用效果良好，石聯(lián)和中鹽昆山的聯(lián)堿搬遷工程中的帶式過濾機正在建設中。

國內在引進、消化吸收的基礎上研發(fā)的真空水平帶式過濾機，于2011年11月在大化集團投產，指標先進。

由帶式過濾自身的優(yōu)越條件決定了真空水平帶式過濾機的突出優(yōu)點：生產能力大，重堿水分低，鹽分低以及洗水使用量小等。國內使用規(guī)格54～108 m2，生產能力900～1 800 t/d，重堿水分14%～17%，重堿鹽分≤0.25%(Wt)，洗水使用量≤0.6 m3/t。

1.3 離心機二次分離技術簡介

重堿離心機二次分離技術起源于國外，很難找到有更多的理由可以解釋，推料離心機分離重堿的開發(fā)是為了在真空過濾機后的聯(lián)入方式作重堿二次分離，而不是要代替真空過濾機直接分離重堿晶漿，包括蘇爾壽、愛雪維斯(Escher Wyss)，或者日本的P/2型推料離心機。

有兩類離心機二次分離工藝：一是以蘇爾壽技術為代表的三級推料離心機進行重堿二次分離，我國濰坊堿廠、青島堿廠，包括唐山堿廠引進德國篩得力(SIEBTECHNIK)公司的二級推料式離心機；另一類是日本堿廠的重堿二次分離技術。

1.3.1 國內重堿二次分離工藝

國內采用重堿二次分離技術的工藝流程見圖5。

1.過濾機 2.洗后液桶 3.洗后液泵 4.洗后液分離器 5.洗水桶 6.母液分離器 7.堿液澄清桶 8.稠厚器 9.晶漿泵 10.母液Ⅰ桶 11.母液Ⅰ泵 12.機下皮帶 13.螺旋輸送機 14.離心機 15.氣液分離器 16.濾液桶 17.濾液泵 圖5 重堿二次分離工藝流程

真空過濾機刮下的重堿濾餅經三級推料離心機或兩級柱錐式離心機二次分離后，水分可以降低到13%～15%，而重堿鹽分的減少不明顯。在離心機上加洗水可以降低重堿鹽分，但將引起重堿水分增加，而且，濾液的含固量比較高，造成處理麻煩。

近年國內真空水平帶式過濾機的發(fā)展，或許會擠占二次分離的空間。

1.3.2 日本純堿生產中的重堿二次分離

旭硝子北九州工廠使用P-6/2(相當于國產HR1000-N)雙級推料離心機，以及德山曹達公司德山工廠使用φ2M臥式刮刀離心機，置于真空過濾機后進行重堿二次分離，其特點是碳化塔取出的重堿懸浮液先用真空過濾機過濾，然后用飽和堿液在一調漿桶中將過濾機刮下的重堿調成堿漿，再用離心機分離。北九州工廠的重堿水分10%～12%，純堿產品鹽分0.3%；德山工廠重堿水分6%～8%，純堿產品鹽分0.3%～0.4%。

其中旭硝子北九州工廠采用NA法制堿，A式碳化塔生產的重堿結晶質量較好，比較大的粒子比較多，雖然使用P-6/2雙級推料離心機作重堿二次分離，但其分離的是用飽和堿液在一調漿桶中調成的重堿料漿，有推料式離心機分離重堿晶漿的特征。P-6/2型離心機轉速950 r/min，推料次數25次/min，板網材質SUS316，網隙0.1～0.3 mm，單機能力150 t/d。

1.4 離心機分離重堿晶漿技術現狀

離心機分離重堿的本意是連續(xù)離心機取代真空過濾機分離重堿晶漿。顯著降低濕重堿水分，節(jié)省煅燒過程中壓蒸汽消耗。

1.4.1 國外離心機分離重堿情況

1959年印度瓦納西投產的120 t/d改良索爾維法(聯(lián)合制堿法)工廠，采用四個圓筒形碳化器組成的碳化單元生產，制得的重堿結晶密度較大，使用蘇爾壽——愛雪維斯的推料式離心機分離經稠厚的重堿晶漿。

1980年代，蘇爾壽公司曾在波蘭的氨堿法工廠進行推料離心機分離重堿試驗。同期，日本旭硝子公司北九州工廠的NA法制堿生產，在試驗研究的基礎上使用了P-6/2型雙級推料離心機，于重堿二次分離中分離由飽和堿液調成的重堿料漿。Z·蘭特認為，離心機分離重堿只實現了置于過濾機后面的二次分離，也雖然有一些用離心機分離碳酸氫鈉的工廠，但純堿生產中還沒有使用離心機代替真空過濾機分離重堿。

1.4.2 國內推料離心機分離重堿晶漿的研究與工業(yè)化實踐

自1980年代后期開始，國內制堿工業(yè)研究所等對用二級推料離心機分離重堿晶漿作了比較詳盡的研究。

1)1987～1988年，于制堿工業(yè)研究所中間試驗車間使用WH2-300二級推料離心機，對聯(lián)合制堿索爾維碳化塔、內溢流菌帽塔以及索爾維碳化塔添加表面活性劑碳酸化制造的三種重堿結晶，進行了稠厚晶漿分離中間試驗，試驗結果表明：索爾維碳化塔制造的重堿結晶，由于粒度細小，晶形較差等原因，使用二級推料離心機進行料漿分離是困難的；內溢流菌帽塔和索爾維碳化塔添加表面活性劑生產的重堿結晶可以使用二級推料離心機進行料漿分離，重堿結晶平均粒徑≥110 μm，離心機轉速1 500 r/min，分離因數383/465，濕重堿水分≤10%；Ⅰ級網縫隙0.1 mm，濾液含固量≤3%(視V%)；中間試驗對篩網的串接式和焊接式設計作了比較，焊接網的開孔率大，生產能力亦大，而且，離心機的生產能力還與進料的固液比有關，即稠厚器下料的晶漿固液比高則生產能力大。

2)1989年于鄭州化肥廠使用HR500-N二級推料離心機，對聯(lián)合制堿索爾維碳化塔添加表面活性劑條件下生產的重堿結晶，進行了稠厚晶漿分離生產試驗，試驗結果：離心機轉速1 750 r/min，分離因數698/851，濕重堿水分<12%，重堿含鹽≤0.35%，洗水用量≤600 kg/t。

生產試驗使用銑制板網，Ⅰ級網的網隙為0.12～0.15 mm時，濾液含固量≥3%；Ⅰ級網網隙0.09～0.12 mm時，濾液含固量1.5%～2.0%，生產試驗比較了網條寬度3.84 mm和2.2 mm，相應的開孔率為3.40%和5.5%條件下離心機的生產能力。

3)1992年于重慶氮肥廠使用HR630-N二級推料離心機對自然循環(huán)外冷碳化塔(單外冷、濃氣碳化)生產的重堿結晶進行稠厚料漿分離的應用試驗，試驗用板網的網隙，Ⅰ級網0.10 mm，Ⅱ級網0.13 mm，離心機轉速1 400 r/min，推料次數60次/min，濕重堿水分10%，分離能力約6 t/h，洗水量<0.5 m3/t。

4)1996年于內蒙古赤峰化工總廠的20 kt/a不冷式碳化聯(lián)合制堿生產中應用HR630-N二級推料離心機代替真空過濾機分離經稠厚的重堿晶漿，離心機轉速1 380 r/min，分離因數596/671，推料次數60次/min；Ⅰ級網網隙0.12 mm，開孔率5%，Ⅱ級網網隙0.15 mm，Ⅰ、Ⅱ級過濾區(qū)長度240/240 mm，洗水加于Ⅰ級過濾區(qū)末端約40 mm處。Ⅱ級網濾餅甩出呈散狀，濕重堿水分8%～10%，碳化塔超負荷(φ1600×25000塔單塔能力>40 t/d，相應的容積能力達到0.9 t/m3·d)時，濕重堿水分12.66%，重堿鹽分0.2%～0.3%，純堿鹽分<0.5%，濾液含固量1.5%～2.0%(視V%)。稠厚器和離心機生產運行正常可靠。

(未完待續(xù))

TQ114.162

C

1005-8370(2016)02-03-06

2014-12-31