黏膠纖維酸浴一步制造元明粉工藝探討

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原料。

黏膠纖維酸浴經過冷卻結晶得到芒硝，然后蒸發結晶得到元明粉的生產工藝早已實現工業化，且產品質量非常穩定。近年來，不斷有專家學者開發新的生產工藝，期望直接由酸浴蒸發得到元明粉。

1 元明粉生產工藝流程及原理

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的預熱器（其熱源來自相對應級數的蒸發器閃蒸所產生的二次蒸汽冷凝）連續預熱到一定溫度，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器，利用相鄰腔室間真空度的差異達到連續閃蒸的目的，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，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，也是非常常規和成熟的工藝；與多級閃蒸的區別之處在于進酸酸浴濃度較高。一步法工藝以常規多級閃蒸得到的濃縮酸浴為原料，進酸量調小，循環量基本保持不變，這樣蒸發量也基本保持不變，因此濃縮比較高，從而使得硫酸鈉溶液達到過飽和狀態；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：從蒸發器最后一級喂入普通多級閃蒸得到的濃縮酸，經過循環泵打到每級預熱器中連續預熱，預熱的熱源來自相應蒸發器蒸發產生的二次蒸汽冷凝。以十四級閃蒸一步制取元明粉為例，在濃縮過程中，蒸發器V3就開始出現硫酸鈉晶體，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內繼續濃縮。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

從單位產量能耗來看，按生產1 t纖維來推算，酸站大概需要蒸發8 t水并產生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，主流生產工藝可以完全實現連續自動化生產。一步法制取元明粉工藝無法連續生產元明粉，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量和元明粉的產量，但是一步法制取元明粉生產工藝中蒸發量和元明粉的產量密切相關，實際需要蒸發的水和元明粉的產量不能匹配，所以只能進行切換操作。

2.4 運行環境

從操作環境來看：主流工藝酸浴均在密閉的罐或者容器內進行，車間設備基本沒有跑冒滴漏的現象，現場沒有任何異味；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境完全敞開的處理過程，酸浴溫度也較高，現場酸性氣體刺激性氣味較重，影響操作工人的身心健康，對環境造成極大的污染。

2.5 生產效率

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

2.6 裝置穩定性

從裝置操作穩定性方面對比，一步法制取元明粉工藝物料在預熱器換熱管內和蒸發器連通管內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所需的流速。若操作不穩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）。所以高溫區的預熱器比低溫區的預熱器更容易結垢堵塞，加熱器也是如此。

3 工藝改進

現有的一步制取元明粉的工藝由于自身特殊的理化性質和黏膠纖維生產過程中的特殊要求，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。從化工安全穩定運行的角度來看，主流工藝占有絕對的優勢。一步法制取元明粉工藝通過進一步的流程改進及優化，可避免陷入片面追求低能耗而犧牲環境及質量控制的誤區。

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）環保有限公司研究開發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，不繼續利用閃蒸的方式蒸發提濃，改為多效蒸發結晶，物料經強制循環泵泵出，以較高的流速通過加熱器管程，避免在換熱管內壁形成污垢。蒸發結晶得到的固液混合物先儲存在熟化槽中，其內設置攪拌器。保持連續低速攪拌避免晶體破碎，并使晶體維持懸浮狀態，晶體一邊低速攪動一邊與相鄰晶體接觸成長。經過熟化之后的固液混合物由鹽漿泵送至增稠器，經過初步濃縮固含量提升，母液返回蒸發結晶器，繼續參與循環，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點：

（1）避免含有晶體顆粒的溶液以較低的速度流經閃蒸預熱器，以免在換熱管內壁結垢，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，經常需要切換，而工業裝置適宜連續運轉，頻繁切換很容易造成裝置的跑冒滴漏或出現其他不安全的狀況，這是需要極力避免的。

4 結語

目前，以上改進后的工藝已經完成中試，取得了令人滿意的成果，元明粉的質量明顯優于一步提硝工藝，工藝控制也更加穩定，下一步將在行業內全面推廣使用。相信不久的將來可以為黏膠化纖企業提供更加先進、節能環保的技術和裝備。