硫酸锰溶液多效蒸发新工艺研究

胡昕炜 李立硕，2 韦继雀 叶晓冬

（1.广西华蓝设计（集团）有限公司，广西 南宁 530011；2.广西大学化学化工学院，广西 南宁 530011）

1 前言

硫酸锰是一种重要的基础锰盐，广泛应用于化工、轻工、饲料及食品等行业中。目前，生产硫酸锰的主要方法有高温焙烧法、酸浸法、两矿加酸法、二氧化硫法以及苯胺还原法等。它们的不同点在于浸出工艺上的差别，其结晶工艺均为常压蒸发结晶工艺。伴随锰富矿资源的日益枯竭，硫酸锰的生产已逐渐趋向于使用含锰质量分数低于20%的贫锰矿，导致浸出液中硫酸锰含量偏低,后续蒸发浓缩负荷增大。目前，硫酸锰厂使用的蒸发设备多为敞开式间歇蒸发结晶罐，这种蒸发设备的结构是在蒸发器的内部设环形加热管对物料进行加热，并在设备顶部加装搅拌装置，以提高蒸发速度，这种设备虽然操作简单方便，但也有如下缺点：1、蒸汽消耗量大，由于常压下蒸发，溶液的沸点不同于蒸发纯水，加上传热效果不均匀，因此蒸汽的消耗量过大，通常这种设备蒸发 1吨水需消耗约 1.35吨的蒸汽。2、二次蒸汽不能循环使用，在蒸发过程中，产生的二次蒸汽全部进入空气中，热能浪费严重。3、由于采用的是蒸汽直接加热硫酸锰溶液，局部温度过高，导致加热盘管局部结垢严重，传热效率急剧下降，蒸汽损耗大, 致使生产成本偏高{#1}。多效蒸发是通过利用前效蒸汽来。笔者采用多效真空结晶蒸发方法，研究低浓度下硫酸锰结晶的工艺条件，为合理利用贫锰矿资源、开发节能降耗生产硫酸锰工艺提供理论依据。

2 实验工作

2.1 实验原料和实验装置

硫酸锰溶液用广西中信大锰厂提供的 32Be硫酸锰稀溶液，根据实验条件配成各种浓度。硫酸锰溶液的pH为5。实验装置见图1。多效浓缩釜为自制，主要材质为不锈钢，釜体内设加热盘管，盘管的直径为DN15，长度为6m。结晶釜的有效容积为0.5m3。装置设强制循环泵，通过强制循环强化对流传热。加热蒸汽由蒸汽发生器产生，加热蒸汽的额定功率为3KW，额定的产气量为4kg/hr。

2.2 实验过程

原料硫酸锰由中信大锰硫酸锰厂用专用塑料桶装运到实验现场，经现场测量其浓度大约为34～36波美(Be)，通过计量后用真空自吸加入到一效、二效真空蒸发罐中，要求加入的硫酸锰要完全浸没加热盘管，加入的硫酸锰约为150kg/罐。开启蒸汽发生器，向一效、二效提供蒸汽，对硫酸锰溶液进行预热，液相温度预热到一效95℃，二效80℃，开启真空泵，控制一效蒸发釜的真空度为-0.04Mpa，二效-0.07 Mpa，同时开启强制循环泵，在稳定的情况下，考察生蒸汽的冷凝液量、一效蒸汽的冷凝液，以及二效蒸发蒸汽的凝液量。

3 结果与讨论

3.1 硫酸锰的溶解度随温度的变化

硫酸锰结晶温度越低，结晶水就越多，在高于27℃以上的温度时，随着温度的升高结晶水降低，在100℃左右时候，可结晶出一水硫酸锰，在26℃时，结晶可得到四水硫酸锰，在9℃时，可结晶到七水硫酸锰。

当有硫酸存在时，硫酸锰的溶解度显著降低，如在25℃时，溶液中含有40.8%的硫酸时，则硫酸锰的溶解度为3.8%，如果含有 62%硫酸时，则硫酸锰的溶解度为 0.5%，当硫酸浓度低于62%时，固相是硫酸锰。按照硫酸锰溶解度表绘制硫酸锰溶解度曲线（图2）。

硫酸锰溶液的溶解度随着温度的升高而降低，在27℃时，溶解度达到最高的62.9g/100gH2O。

3.2 一效液相主体温度对传热系数的影响

图 3为一效蒸发器传热膜系数与液相主体温度之间的关系图。由图中可以看出，随着液相主体的温度的升高，体系的传热膜系数也随着增大，在液相主体温度为 92℃时，盘管的传热系数为769 W/m2.℃，而当液相的温度达到102℃时，盘管两侧的传热系数达到 2780 W/m2.°C。因此，提高液相的温度对一效的蒸发量有很大的提高，这主要是由于加热蒸汽的温度也随着增高，实验发现，当液相的温度为102℃时，此时蒸汽发生器的蒸汽压力为2 bar，对应的蒸汽温度为125℃，与液相的温度差达25℃，因此传热温差大，且蒸汽冷凝侧的传热膜系数很大，所以温度越高，传热效率越好。但由于硫酸锰的溶解度随温度的升高而降低，所以过高的温度会使结晶过早析出，形成的细小硫酸锰颗粒沉降在盘管上，形成热阻垢，传热效率会急剧下降，因此控制好蒸发温度是在预浓缩阶段最大程度提浓硫酸锰溶液的关键。

3.3 二效液相主体温度对传热系数的影响

图 4可以看出，在不同的温度下，液相主体的温度对传热膜系数由密切影响，但其总的趋势是随着温度的升高，二效的液相温度在79℃时，二效的传热膜系数约为298 W/m2.°C,当温度升到93℃时，其传热膜系数升高到725 W/m2.℃，相对于一效蒸发器的传热效率，二效的传热系数K2要比K1小很多，这主要是由于低热值的蒸汽其所含的有效焓较低，所以其释放热能的能力也低。因此为获得一定量的冷凝液，就必须加大二效蒸发器的传热面积，从造成设备投资的增加。但从另一方面考虑，针对硫酸锰这一特殊的物系，体温下蒸发更有利于溶液的提浓，以获得更高浓度的浓缩液而不出现结晶现象。通过综合考虑蒸发效率及能耗的因素，实验的优化的结果是，一效的液相温度为95℃，二效的液相温度为80℃左右，对蒸发体系的有效蒸发比较有利。

3.4 一效蒸发器循环泵流量对传热系数的影响

为了考察蒸发釜内搅拌状况对传热膜系数的影响，实验通过调节一效循环泵流量来调节强制搅拌对传热的影响，结果如图5所示。

以上的实验结果可知，随着强制循环泵流量的增加，一效传热膜系数也随着增大，蒸发器蒸发的凝液量也增加，不过随着流量的继续增大，流量的增大对传热膜系数的影响变小，并趋于一个饱和值，当流量Q达到6 m3/hr时，强制搅拌的效果已不明显。而流量达到10 m3/hr时，传热膜系数又有所增加，这主要是由于随着流量的继续增大，强制循环所产生的热量也跟着增加，宏观上表现为机泵所做的功增大，所以增发的水量也继续增加。一般来说，对于间壁式换热器，间壁两侧的层流内层厚度对传热效率有明显的影响，层流内层越厚，传热热阻越大，而通过强制对流可有效降低水力管表面的层流内层厚度，进而提高传热膜系数。

4 结论

本试验得出如下试验结论：

（1）通过实验，本系统蒸发能耗基本稳定，实验中盘管基本没出现结晶的现象，与传统敞开式蒸发工艺相比，节能量达40%以上，设计的采用盘管式加热进行预浓缩，通过控制硫酸锰蒸发的温度，及一效、二效中硫酸锰的浓度，可以实现硫酸锰溶液的高效预浓缩。

（2）一效、二效蒸发器的传热效率随加热蒸汽温度的升高而升高，增加强制搅拌可有效提高传热效果，采用多效蒸发，不但可以大大减轻工厂的生产环境的污染问题，而且可以获得比较好的经济效益。

（3）根据硫酸锰的生产工艺，如果能够把充分把蒸煮结晶工段产生的蒸汽加以回收利用，则节能的效果会更加明显，根据目前硫酸锰厂的实际生产情况，2bar的加热蒸汽温度可以达到120℃，完全满足我们设备的要求。如果是用厂外180 ℃的蒸汽，其产生的蒸汽被利用的价值更高。

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