硫酸钡副产硫化碱蒸发器阻垢技术的应用研究

荆小兵

(南风化工集团，山西运城 044000)

硫酸钡副产硫化碱蒸发器阻垢技术的应用研究

荆小兵

(南风化工集团，山西运城 044000)

分析了硫酸钡联产硫化碱蒸发器列管结垢的成分及原因，提出了通过控制硫酸钡化合终点为芒硝过量和加入阻垢剂来达到防垢的目的。通过实验验证并最终将其成功地运用于工业生产中。尤其是选用的“低相对分子质量聚丙烯酸水溶液”阻垢分散剂阻垢效果比较理想，从而大大减少了清管次数，提高了生产效率。

硫化碱;硫酸钡;结垢;阻垢剂

南风化工集团钡业分公司年产硫酸钡4万t，副产质量分数为60%的硫化碱2万t。蒸发过程中采用四效蒸发器，把硫化碱从5%(质量分数，下同)的稀碱液浓缩到25%左右，保温沉降分离杂质后再单效真空蒸发至60%，然后制片、包装为成品。由于稀碱液里含有饱和的BaSO4、Mg2+等，蒸发浓缩过程中很容易在列管内壁形成沉淀，使得四效蒸发器的列管每隔8 d左右必须清洗一次。这不仅使年生产时间减少1个月，造成能源、原料、水的浪费，生产成本升高，而且频繁清垢还带来了工人劳动强度大、工作环境恶劣等问题。同时采用机械清垢会造成管内壁损伤，缩短其使用寿命，而管内壁粗糙度的加剧，使得结垢加速，形成了恶性循环。针对列管结垢问题，公司曾经采取了多种处理措施，包括采用超声波除垢、提高反应体系温度、控制反应终点等，但效果都不理想。为了提高设备利用效率，降低工人劳动强度，增加企业效益，笔者进行了硫酸钡化合终点的控制和在稀碱液中加入阻垢分散剂来达到预防加热管内壁结垢的工业化研究应用。

1 垢样分析及除垢方法探讨

1.1 蒸发器列管结垢的主要成分

通过采样分析得到垢样成分见表1。从表1可知:蒸发器列管内垢的主要成分为 BaCO3、BaSO4、FeS及Mg(OH)2·3MgCO3。通过分析认为:其中BaCO3是由于稀碱液中过量Ba2+与空气中的CO2反应生成的;BaSO4则是由于稀碱液逐渐浓缩造成BaSO4过饱和而析出的;FeS是由Na2S对碳钢储罐腐蚀带入的;Mg(OH)2·3MgCO3是原料硝水遇到碱性溶液后带入的。

表1 四效蒸发器垢样分析结果 %

1.2 除垢方法探讨

由于垢样中最多的成分为BaCO3，首先通过控制化合终点为芒硝适当过量来减少游离Ba2+含量，使得蒸发过程BaCO3含量降低，其他几种成分难于避免，须采取其他除垢方法。

1.2.1 蒸发器除垢目前主要采用的方法

1)机械清垢。该办法是国内目前硫酸钡行业的常用办法，其不足之处前已述及。

2)化学除垢。上述几种垢必须通过加入强酸才能溶解，由于罐内介质为强碱，因此，除垢前后必须要用大量的水清洗，否则清垢过程中会释放大量的硫化氢气体而危害人的安全;同时强酸溶液不可避免会对列管造成腐蚀，影响使用寿命。

3)在稀碱液中连续加入阻垢剂，蒸发时预防垢的生成和沉积。此方式能保证传热良好，可延长清垢周期或不再清垢，是较为合适的方法。

1.2.2 稀碱液蒸发浓缩特点

1)体积浓缩比高。碱液从40～50 g/L浓缩到200 g/L以上，浓缩比为5倍左右。2)工作温度高。碱液温度在100～120℃。3)强碱性体系。5%稀碱液已属强碱体系，浓缩好的25%碱液碱性更强。4)浓缩好的碱液作为产品，要求杂质含量低。

1.2.3 阻垢剂的选择应满足的条件

1)以分散作用为主，能够将浓缩过程中析出的不溶物稳定悬浮在碱液中。2)耐高温、耐强碱、不具有对金属离子的螯合作用。3)加量要少，不能影响产品质量，成本增加不高。4)使用方便，操作简单。5)浓缩后的25%碱液澄清效果好，成品碱不溶物达标。

1.2.4 阻垢机理及阻垢剂的选择

凡能控制产生泥垢和水垢的药剂称之为阻垢剂。早期采用的阻垢剂多半是天然成分经过适当加工后的物质，如磺化木质素、丹宁等。近年来，常用的阻垢剂有:合成有机聚合物(聚丙烯酸、聚马来酸酐及其钠盐等)、无机聚合物(三聚磷酸钠、六偏磷酸钠等)。随着高浓缩比、高温、高碱度等苛刻的阻垢体系的出现，磷酸盐、磷酸酯、磷羧酸等新型阻垢剂应运而生［1－2］。

阻垢机理概括起来有以下3种类型［3］:1)用阴离子型或非离子型的聚合物把胶体颗粒包围起来，使它们稳定在分散状态，这类药剂称为分散剂。2)把金属离子变成一种螯合离子或络合离子，抑制其和阴离子结合产生沉淀物，这类药剂称为螯合剂和络合剂。3)利用高分子混凝剂的凝聚架桥作用，把胶体颗粒结成矾花，悬浮在水中。

阻垢剂种类较多，筛选出最佳的阻垢剂是研究的关键。对阻垢性能产生影响的几个因素有:1)相对分子质量。研究和应用结果表明，阻垢剂只有在一定的相对分子质量范围内，阻垢才是高效的。2)阻垢性能与药剂量的关系。一般情况下，阻垢性能与药剂加量成正比，加量偏少阻垢性能较差，偏多则成本加大。3)工况条件是否满足阻垢剂的使用要求。有些阻垢剂高温下易水解，化学稳定性差，影响性能的发挥。

2 室内实验

2.1 原料及仪器

阻垢剂:厂家提供;稀碱液:南风集团钡业分公司提供。

调速搅拌器;2 500 mL烧杯;2 kW电炉;2 000、1 000 mL量筒;电子天平(精度为0.000 1 g)。

2.2 实验过程

先用量筒量取一定体积的已澄清好的稀碱液放入塑料桶中，然后按加量(mg/L)在电子天平上将阻垢剂称量好倒入塑料桶内。用玻璃棒将阻垢剂与稀碱液混合均匀后移入2.5 L的烧杯中，在2 kW电炉上加热浓缩(液位控制在2/3刻度处)。期间不断补充碱液维持液位，在搅拌的情况下直到碱液质量浓度达到1 180 g/L以上终止蒸发。将碱液倒入1 000 mL量筒中记录澄清时间，同时观察杯底结垢情况。对于阻垢效果及澄清效果均较好的碱液，将其再浓缩至硫化碱质量分数为60%并制成黄片碱。

2.3 实验结果

几种阻垢剂阻垢效果的实验数据见表2。从表2可以看出:2#及3#均表现良好，但由于2#阻垢剂价格较高，且为粉剂，因此最终选择的阻垢剂为3#。

表2 几种阻垢剂阻垢效果的实验数据

3 工业化应用

经过实验室初步实验后，于2011年3月在南风集团钡业分公司开始了工业化运行。工业化运行情况见表3。生产实践说明:清垢周期由原来的8 d一次延长到25 d左右，并且垢质变得疏松易清。为了避免黄片碱颜色不均匀现象，降低Fe含量及成本，工厂控制阻垢剂加量在5 mg/L。到目前为止应用正常，产品质量与销售没有出现任何问题。

表3 工业化运行情况

硫酸钡联产的硫化碱属于低铁硫化碱，产品质量应该达到GB/T 10500—2000中的2类要求。加入阻垢剂后的产品质量与GB/T 10500—2000中的2类指标对比结果见表4。

表4 加入阻垢剂后的产品质量与GB/T 10500—2000中的2类指标对比

4 效益分析

阻垢剂的加入，其效益主要体现在生产效率的提高及人工与材料成本的降低两个方面。加入阻垢剂后不仅生产效率提高，而且年增加效益近50万元(原来每月的材料及人工费用约1万元，按10个月计10万元，加热管更换等经济损失38万元以上);阻垢剂在稀碱液中加量为15 g/m3时效果最佳，按生产1 t黄片碱消耗14 m3稀碱液计算，生产1 t产品的阻垢剂成本仅为2元，而产品售价3 000元/t，故阻垢剂成本可忽略不计。

5 结论

1)通过对多种阻垢分散剂阻垢效果、质量分数为20%的硫化碱澄清度、黄片碱水不溶物含量等指标的比较，筛选的阻垢剂为“低相对分子质量聚丙烯酸水溶液”阻垢分散剂。2)经过工厂试验，确定阻垢剂的加入量为5 mg/L，清垢时间由原来的8 d/次提高到25 d/次。3)加入阻垢剂后，经过与国标对比和客户应用，产品没有任何质量问题。

［1］ 李子彬，王汝龙.中国化工产品大全(下卷)［M］.北京:化学工业出版社，1994:1102－1110.

［2］ 陆柱，蔡兰坤，陈中兴，等.水处理药剂［M］.北京:化学工业出版社，2002:315－322.

［3］ 金熙，项成林，齐冬子.工业水处理技术问答及常用数据［M］.2版.北京:化学工业出版社，2002:322－349.

TQ132.35

B

1006－4990(2012)01－0046－03

2011－09－15

荆小兵(1967— )，男，化工工程师，从事无机化工研究与设计工作。

联系方式:jxb38@tom.com