陳光平

四川省洪雅青衣江元明粉有限公司，中國·四川 眉山 620360

1 引言

隨著中國元明粉各生產廠家的不斷技術改進和生產規模擴建，造成元明粉生產規模的不斷擴大，產量大幅度增加，導致元明粉產量的增長量超過市場需求量的增長量，使元明粉市場價格嚴重下滑。同時客戶對產品的質量也提出新的要求，產品顆粒度細、白度低、流動性差的元明粉無法銷售，不具備市場的競爭力，在這樣的市場情況下，提出元明粉顆粒增粗的項目。

2 工藝設計

采用五效外加熱強制循環真空制硝生產工藝在國內制鹽工業行業上已廣泛使用多年，其生產工藝和生產設備的先進程度直接影響到產品的品質，所以采用先進的生產工藝和生產合理設備是作為制硝行業的首選。

2.1 改進前、后生產工藝

四川省洪雅青衣江元明粉有限公司目前擁有元明粉年產50 萬噸的生產能力，產品按原自貢輕工業設計院設計的傳統制鹽工藝生產，采用切向正循環，由此生產工藝生產所得到的是較細的元明粉。元明粉粒度100 目占15%，200 目的占60%左右。這樣較細的產品放置的時間長了會嚴重結塊，或者其流動性變差，市場難以接受。改進后的生產工藝采用正循環方式，逐級轉料，從第Ⅲ效排出的生產工藝[1]。

2.2 改進前、后的罐體結構

原有蒸發罐型為軸向正循環，蒸發罐容積較小，蒸發強度（單位時間、面積的蒸發水量）大，產生的結晶晶體較多，由于容積較小造成了結晶體在里面的循環倍率增加，結晶體之間相互的碰撞、摩擦致使晶體不易長大，只能得到較細的元明粉顆粒。針對原有的蒸發罐罐型，提出由湖南長沙設計院根據結晶學理論，影響產品顆粒成長的因素，重新設計罐型，并全程跟進整個設計進程。新蒸發罐罐型為軸向反循環方式，蒸發罐體加大，容積比原有罐體增大2 倍。這樣的罐型，硝水蒸發結晶后，在蒸發罐內晶體析出后能不斷長大，只有當晶體長大后，依靠其自身重力克服浮力時，芒硝才能沉降至硝腳，再通過硝腳排出，進入下一步的脫水干燥工序。

2.3 元明粉的結晶過程

在元明粉的生產中，采用的生產方法為全溶蒸發脫水法，將天然硝礦石全部溶解生產成23°～26°Be 的飽和溶液，經澄清后，除去固體雜質，再經蒸發，離心脫水，干燥后即可制得成品。

蒸發也就是一種結晶過程，根據結晶學理論，元明粉晶體大小與溶液過飽和度、溫度有關。溶液在剛達到飽和時，晶核難以析出生成，繼續蒸發濃縮時形成過飽和溶液，當過飽和溶液達到一定的程度時，就會開始析出晶核。

溶液開始生成晶核的極限濃度與溫度的關系曲線稱為超溶解度曲線。

影響元明粉（Na2SO4）物料結晶晶體長大的因素是多方面的，在結合生產實際情況，主要表現有以下兩方面的問題比較突出。

2.3.1 溶液里硫酸鈉溶液的pH 值

溶液中的鈣、鎂離子含量，透明度影響結晶過程。對于蒸發溶液來說，隨著pH 值的改變或者說有很少量的外來雜質如鈣、鎂離子存在時，或是有其他懸浮物存在時，會造成結晶體形狀的改變，從而影響晶體的顆粒度的改變（見表1）。

表1 硫酸鈉溶液的pH 值對產品粒度的影響

2.3.2 晶種影響結晶過程

在蒸發過程中，如果想要獲得顆粒度較大的結晶體，可以向在接近飽和的溶液中加入一定數量和粒度的其他晶種，使溶質在晶種的表面上生長出來，同時還可以通過攪拌溶液，使晶體均勻地懸浮在整個溶液中，以避免初級成核，用此方法來控制結晶體（產品）粒度的大小。另外，由于結晶體的加入也會使料液在晶體表面上結晶，而不會再沉淀于管壁上，能夠阻止在傳熱面上形成垢層，以減少蒸發罐的結垢，為進一步提高傳熱效率，同時也提高單產量，降低了單位耗汽量，減少生產過程中洗罐的次數。

在同一溫度下，過飽和溶液與飽和溶液的濃度差稱為溶液的過飽和度。溶液的過飽和度是結晶的必要條件，但不同物質結晶時所需的過飽和度各不相同。還應當指出的是，一個特定物只存在一條明確的溶解度曲線，而超溶解度曲線則受結晶過程中許多參數的影響。

圖1為溶液中Na2SO4的過飽和度與結晶的關系曲線。曲線a 表示溶解度曲線，曲線b 表示超溶解曲線。兩條曲線呈平行狀態，溶解度曲線下方叫穩定區，又稱不飽和溶液區。由于該區域溶液處于不飽和狀態，故溶液不可能發生結晶。溶解度曲線上的任意一點表示溶液剛達到飽和狀態，從理論上講可以發生結晶。但由于沒有過飽和度，所以實際上不會結晶。溶解度曲線與超溶解度曲線之間的區域稱為介穩區。該區域內的溶液已處于過飽和狀態。可是由于作為結晶推動力的過飽和度不夠大，所以仍不能自發生成晶核。但如果在溶液中加入晶種（小顆粒的晶體），則這些晶種可以生長成較大的晶體。超溶解度曲線上方的區域稱為不穩定區，處于該區域內的溶液的過飽和度已足夠大，當溶液濃度大于超溶解度曲線會立即自發地發生結晶。元明粉在水中的溶解度曲線、超溶解度曲線、介穩區及不穩區的控制對實際結晶操作是有重要的意義。例如，在結晶過程中，若將溶液濃度（Na2SO4的含量）控制在介穩區內，由于此區域內晶核不能生成，則晶體數量可由所加入的晶種控制。而晶種可以在溶液中成長，這樣可以得到顆粒較粗而整齊的晶體。若將溶液的濃度控制在不穩區，由于晶核可自發生成，大量的晶核使得結晶產品顆粒較細。結晶室上部流出的母液經循環泵部分母液與新鮮的硫酸鈉溶液混合進入加熱室，經加熱后的溶液，由加熱室上部進入蒸發室，在蒸發室部分溶液汽化，汽化后變成的二次蒸汽被利用或被吸收，經汽化的溶液產生過飽和度（溶液變為過飽和溶液），然后通過中央降液管流至結晶室的底部轉而向上流動。

圖1 Na2SO4 物質濃度—溫度關系圖

循環泵的流量基本固定，因此，結晶室環系面積大小決定著母液上行的速度。在結晶室，晶體懸浮于液流中，成為粒度分級的流化床，粒度較大的晶體富集于底層，與降液管中流出的過飽和度最大的溶液接觸得以長得更大，同時晶體排出的速度也影響粒度大小。結晶室中，液體向上的流速逐漸降低，其中懸浮晶體的粒度愈往上愈小，過飽和溶液在向上穿過晶體懸浮床時，逐漸解除其過飽和度。當溶液到達結晶室的頂層，基本上已不再含有晶粒，作為澄清的母液在結晶室的頂部溢流進入循環管路，再經循環泵輸送繼續加熱汽化，連續不斷地產生硫酸鈉結晶。如果循環泵的流量增大，結晶室的循環速度增大，結晶室頂部溢流到循環管路內物質不再是清母液，而是母液與微小晶體混合均勻的晶漿，經加熱到蒸發室汽化，在蒸發室中，溶液所產生的過飽和溶液立即被懸浮于其中的晶體所消耗，使晶體生長。所以，過飽和度生成區與晶體生長區不再能區分，影響產品粒度。控制粒度時，結晶室必須與產品設計產量配套[2]。

3 操作方法的調整

根據以上元明粉（Na2SO4）物料濃度、溫度關系曲線圖，四川省洪雅青衣江元明粉有限公司的元明粉生產工藝以前是采用逐級濃縮，由V 效～I 效濃度不斷升高，各效料液溫度為不斷升高，從42 ℃上升到120 ℃，故第I 效的濃度最高，溶液處于介質不穩定區域，此時會大量析出晶體，所以得到的是較細的產品。

我們通過實際操作摸索，改進了轉料、排料的操作工藝及方式，將Na2SO4物料由第V 效轉到第IV 效，第IV 效轉到第III 效，第III 效轉到第II 效，第II 效轉到第I 效，排料方式由第I 效壓到II 效，再由第II 效壓第III 效，第III效壓到第IV 效，由第III 效集中排料。這樣I、II 效析出的晶體到II、III 效進一步地長大，III 效的Na2SO4物料溶液處于介穩區內，所以能得到較粗的元明粉。

元明粉蒸發罐體設計工作第I 效壓力一般為0.4 MPa，其余四效蒸發罐體真空度這0.05 MPa，而在實際生產中，為了片面追求高產量，將一效加熱室壓力提高到0.5～0.6 MPa，真空度也增加到0.07～0.09 MPa。這樣做不僅嚴重影響安全生產、降低蒸發器的使用壽命，還會由于蒸發強度過分的增大，易使蒸發器里的列管結垢，造成溶液析出的硫酸鈉結晶體的粒度變細。為了保證結晶體粒度又同時兼顧產量，在實際操作時應該嚴格控制第效加熱室的進汽壓力在0.35～0.4 MPa 間，四效蒸發室的真空度控制在0.05～0.07 MPa 間進行操作。

4 實際生產運行產品顆粒度對比分析

對采用新的生產工藝和采用新罐體結構進行生產與以往生產狀態進行了產品顆粒度的對比分析，結果如表2所示。

表2 元明粉蒸發系統技改后粒度對比

通過從以上改進前后產品顆粒度的對比分析可以看出，元明粉的顆粒度得到了明顯的提高，使產品的品質得到明顯提升，產品的流動性也同等的增強了[3]。

5 結語

通過以上工藝參數的控制，能更有效地提高產品的粒度。元明粉顆粒增粗后，不僅增加了市場新品種，而且提高了產品的附加值，明顯地提高了經營效益，也為企業的發展壯大奠定了堅實的基礎，同時也為元明粉生產行業提供了更先進的生產設備和生產工藝。