黏胶纤维酸浴一步制造元明粉工艺探讨

殷禄华 窦建飞

南通三圣石墨设备科技股份有限公司 （江苏南通 226009）

元明粉（即无水硫酸钠）有苦味、有吸湿性，外形为无色透明、大的晶体或颗粒状小结晶，暴露在空气中易吸水，生成十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O，又名芒硝）。元明粉主要用于制造水玻璃、玻璃、瓷釉、纸浆、制冷混合剂、洗涤剂、干燥剂、燃料稀释剂等，是一种常见的无机工业原料。

黏胶纤维酸浴经过冷却结晶得到芒硝，然后蒸发结晶得到元明粉的生产工艺早已实现工业化，且产品质量非常稳定。近年来，不断有专家学者开发新的生产工艺，期望直接由酸浴蒸发得到元明粉。

1 元明粉生产工艺流程及原理

1.1 主流工艺流程及原理

主流工艺流程由4个部分组成（如图1所示），即多级闪蒸、真空结晶、焙烧以及干燥。多级闪蒸的原理是将酸浴通过若干台串联的预热器（其热源来自相对应级数的蒸发器闪蒸所产生的二次蒸汽冷凝）连续预热到一定温度，然后采用新鲜蒸汽将酸浴加热到设计温度；从加热器出来的酸浴依次进入各级蒸发器，利用相邻腔室间真空度的差异达到连续闪蒸的目的，酸浴浓度不断提高，最终达到设计浓度并排放至浓缩酸浴槽。真空结晶的原理是在真空状态下将浓缩酸浴降到一定温度，通过进一步脱水使得硫酸钠溶液达到过饱和状态，从而形成芒硝晶体，再通过固液分离得到含水率约3%的芒硝。焙烧过程则是将上一工序得到的芒硝先进行熔融，然后通过单效或多效蒸发结晶脱除所含的结晶水，再采用离心机分离得到含水率约3%的元明粉。将上述过程得到的元明粉通过热风干燥，控制好排风温度，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艺流程及原理

一步法工艺原理与多级闪蒸大体上相似，也是非常常规和成熟的工艺；与多级闪蒸的区别之处在于进酸酸浴浓度较高。一步法工艺以常规多级闪蒸得到的浓缩酸浴为原料，进酸量调小，循环量基本保持不变，这样蒸发量也基本保持不变，因此浓缩比较高，从而使得硫酸钠溶液达到过饱和状态；因结晶温度高于32.4℃，得到的晶体为无水硫酸钠。工艺流程为：从蒸发器最后一级喂入普通多级闪蒸得到的浓缩酸，经过循环泵打到每级预热器中连续预热，预热的热源来自相应蒸发器蒸发产生的二次蒸汽冷凝。以十四级闪蒸一步制取元明粉为例，在浓缩过程中，蒸发器V3就开始出现硫酸钠晶体，到V10时固含量就比较大了，最后集中在V13下料到增稠器，上层清液进入平衡罐，再利用V14的真空自吸到V14内继续浓缩。增稠器得到的元明粉固含量较低、含酸量较高，进入真空过滤器后得到湿含量约为15%的含酸元明粉，再进入中和槽加碱中和，然后通过盐浆泵输送到旋液器和离心机，得到含水率约为3%的元明粉；该原料再通过热风干燥，控制好排风温度，得到含水率0.1%以下的元明粉。

2 主流工艺和一步法工艺的优缺点（以十四级闪蒸为例）

2.1 流程比较

从工艺流程对比来说，一步法制取元明粉的工艺流程比较简单，省掉了真空结晶和焙烧这2个工段，但是也增加了真空过滤器等设备，从投资角度来看，一步法制造元明粉的设备投资更低。

2.2 能耗比较

从单位产量能耗来看，按生产1 t纤维来推算，酸站大概需要蒸发8 t水并产生0.6 t元明粉，主流工艺需要消耗0.18 MPa（表压）蒸汽0.94 t，0.45 MPa蒸汽1.3 t；一步法制取元明粉工艺需要消耗0.18 MPa蒸汽约2.1 t。传统工艺比一步法工艺的蒸汽消耗稍多一些。

2.3 运行控制要点

从控制角度来看，主流生产工艺可以完全实现连续自动化生产。一步法制取元明粉工艺无法连续生产元明粉，必须在普通闪蒸和一步法制取元明粉两种工艺当中每隔6～8 h进行切换。原因在于主流工艺可以独立控制蒸发量和元明粉的产量，但是一步法制取元明粉生产工艺中蒸发量和元明粉的产量密切相关，实际需要蒸发的水和元明粉的产量不能匹配，所以只能进行切换操作。

2.4 运行环境

从操作环境来看：主流工艺酸浴均在密闭的罐或者容器内进行，车间设备基本没有跑冒滴漏的现象，现场没有任何异味；但是一步法制取元明粉工艺从增稠器下料到真空过滤机是一个对环境完全敞开的处理过程，酸浴温度也较高，现场酸性气体刺激性气味较重，影响操作工人的身心健康，对环境造成极大的污染。

2.5 生产效率

从元明粉的得粉率来讲：主流工艺操作连续，得粉率较高，基本在54%左右，且产品质量稳定。一步法制取元明粉的工艺无法形成连续操作，工人操作强度高，经常用水冲洗，得粉率较低，一般在50%左右，且产品质量不稳定，生产运行较难控制。

2.6 装置稳定性

从装置操作稳定性方面对比，一步法制取元明粉工艺物料在预热器换热管内和蒸发器连通管内的流动速度都不是很快，不超过1.2 m/s，远低于高固含量溶液强制循环所需的流速。若操作不稳定或元明粉固含量控制不好，非常容易引起预热器和管道内的堵塞。预热器堵塞还有一个原因，即元明粉的溶解度随着温度的升高而降低（见图2）。所以高温区的预热器比低温区的预热器更容易结垢堵塞，加热器也是如此。

3 工艺改进

现有的一步制取元明粉的工艺由于自身特殊的理化性质和黏胶纤维生产过程中的特殊要求，具有一定的弊端。主流工艺虽然看似工序较多，但是操作流畅，故障率低。从化工安全稳定运行的角度来看，主流工艺占有绝对的优势。一步法制取元明粉工艺通过进一步的流程改进及优化，可避免陷入片面追求低能耗而牺牲环境及质量控制的误区。

图2 盐的溶解曲线

针对目前运行的一步提硝工艺的缺陷和不足，艾伯纳三圣（南通）环保有限公司研究开发了新一代的一步法制取元明粉工艺，取得了突破性进展。改进后的流程中，多级闪蒸得到饱和酸浴溶液后，不继续利用闪蒸的方式蒸发提浓，改为多效蒸发结晶，物料经强制循环泵泵出，以较高的流速通过加热器管程，避免在换热管内壁形成污垢。蒸发结晶得到的固液混合物先储存在熟化槽中，其内设置搅拌器。保持连续低速搅拌避免晶体破碎，并使晶体维持悬浮状态，晶体一边低速搅动一边与相邻晶体接触成长。经过熟化之后的固液混合物由盐浆泵送至增稠器，经过初步浓缩固含量提升，母液返回蒸发结晶器，继续参与循环，此时可部分回收其中的细小晶体颗粒。增稠器出口得到的固液混合物进入离心机，最终得到湿含量较低的元明粉和一部分母液。改进后的工艺主要有以下几个优点：

（1）避免含有晶体颗粒的溶液以较低的速度流经闪蒸预热器，以免在换热管内壁结垢，给预热器和加热器带来较大的运行风险。

（2）按照硫酸钠溶解特性和溶解曲线，不宜一边降温一边结晶，从硫酸钠溶解曲线可以看到，当温度升高时，与大多数无机盐相反，其溶解度越来越低。从结晶动力学的角度分析，当采用多级闪蒸获得硫酸钠晶体时，其结晶动力逐级减弱。因此在多级闪蒸逐级降温的工况下，不利于硫酸钠的逐级结晶和晶体的长大。

（3）目前运行的一步提硝工艺，依靠蒸发得到的晶体颗粒直径较小，在没有进一步熟化的前提下，很容易造成晶体颗粒的泄漏和损失，在改进后的工艺流程中，增加熟化槽可获得颗粒较大、晶体直径较为均匀的硫酸钠。

（4）多级闪蒸用于一步提硝时，经常需要切换，而工业装置适宜连续运转，频繁切换很容易造成装置的跑冒滴漏或出现其他不安全的状况，这是需要极力避免的。

4 结语

目前，以上改进后的工艺已经完成中试，取得了令人满意的成果，元明粉的质量明显优于一步提硝工艺，工艺控制也更加稳定，下一步将在行业内全面推广使用。相信不久的将来可以为黏胶化纤企业提供更加先进、节能环保的技术和装备。