联碱氯化铵过程盐析结晶器温升

2013-09-15王全

纯碱工业 2013年6期

王全

（大连化工研究设计院，辽宁大连 116023）

联碱生产制铵过程冷析结晶器和盐析结晶器的温升，或者说盐析结晶器的温升，行业朝野，包括一些专著都奉行“5℃”概念，没有人怀疑，更没有人深究，有的只是设计人员在作热量平衡时的困惑与无奈，或者是生产人员在冷析结晶器温度“拉”不下来时对逆料流程能耗的无端抱怨。

几乎所有设计人员都曾为了凑够盐析温升5℃的机械热，或冷损失犯过愁，尤其在部分工厂盐析结晶器温度已提高到15～16℃，逆料流程生产农业氯化铵的条件下，确实有些难为，也曾有设计人员试过按照通常的保冷计算方法计算冷损失，结果与“实际（指5 ℃）”有出入而仍然凭“经验”选取［1、2、3］。以致出现如下不堪局面：

例某教材，冷析11℃，盐析16℃，温升5℃稳定，逆料取出操作。冷析结晶器和外冷器系统的冷量损失，以外冷器移走热负荷的经验数字5%选取，为4.2805×104kJ／t，但是，为了凑足盐析结晶器温升5℃的热量，盐析结晶器的冷损失竟要选取9.8208×104kJ／t！［3］众所周知，冷析结晶器是带有外冷器的循环系统，温度低，且散热面积大，而盐析结晶器仅一圆桶形简单设备，散热面积小，而且操作温度比冷析结晶器高5℃，16℃操作已接近或达到环境温度，然而其冷量损失却要比冷析高出5.5403×104kJ／t，实在是被“5℃温差”所累。

本文拟通过对联合制碱氯化铵过程的再学习和重新认识，就冷、盐析结晶器的温差进行讨论，或许可以达到正本清源，更准确地作出氯化铵过程的热量平衡，进一步降低制铵过程冰机冷冻能耗。

1 盐析过程发生的热量

通常认为盐析过程发生的热量造成盐析结晶器温升。［1］

氯化铵盐析结晶过程发生的热量计有原料带入的显热，盐析过程化学反应与相变热（或称热效应），轴流泵及其它机泵水力功转化热（或称机械热）和结晶器表面及其它外界环境渗入的热量（或称冷损失）等，这些热量造成盐析结晶器物料温升，产生的热量多则盐析温升大。

由于盐析结晶器温升是指结晶器中物料（母液＋结晶）的温度升高，所以，盐析温升还与结晶器进出母液带出的显热增量有关，带出热量增量少则表明盐析温升小，这一点以往没有被关注。

诸热量中原料盐带入显热基本上为一常数。

1.1 盐析过程热效应

不同条件下氯化铵盐析结晶过程的反应热和相变热列于表1 。

表1 盐析结晶过程热效应

由表1数字可见，随着结晶器操作温度和母液Ⅱ钠离子浓度的提高，由于盐析结晶器氯化铵产量比例增加，盐析结晶过程的热效应跟着增大，但变化的幅度不大，仅1.5×104kJ／t左右。在盐析结晶器温升的过程中可作为参考因素。

1.2 轴流泵和其它机械热

早期的联合制碱生产，盐析结晶器多数使用流量2 500m3／h，扬程4m的φ500轴流泵，电机功率75kW 或100kW，机械热为2.8384×104kJ／t［1］或2.93×104kJ／t［3］。

同时，早期的盐析结晶器采用母液Ⅱ调盐方式加盐，尤其是40kt／a规模及以下的工厂，盐浆罐置于地面，用大功率的盐浆泵输送低浓度盐浆，耗电和水力功比较大，少的如龙山厂耗电4kWh／t，多的如郑州厂达到6.59kWh／t，按一般6kWh／t计的机械热为2.1589×104kJ／t。

现今的联合制碱生产，不仅早就改为直接加固体盐生产，而且实现了设备大型化和生产规模化，一冷析一盐析一套150～200kt／a，甚至300kt／a，轴流泵还改进为低扬程、大流量设计，大幅度减少了单位能力轴流泵的机械热，后者仅0.5116×104kJ／t，是原来的1／5，或更小。

在早期联碱生产构成盐析结晶器温升5℃的诸热量中，轴流泵和盐浆泵等机械热达到5.0×104kJ／t，是举足轻重的。所以，近期的联合制碱生产，轴流泵的机械热减少到1.02×104kJ／t，甚至0.51×104kJ／t，约为原来机械热之和的1／10，盐析结晶器的温升便小得多是很自然的。

1.3 结晶器及其它冷损失

应该明确一个概念，即造成冷损失的主要原因是结晶器操作温度低于外界环境温度，在结晶器设置保冷层的条件下，较小的温差不可能造成比较显著的冷损失。

氯化铵结晶露天布置，工厂所在地的年平均气温即为环境温度。据近年国内联合制碱工厂的布局情况，有关地区的年平均气温摘录于表2。

表2 有关地区年平均气温

在冷析5℃，盐析10℃模式操作的联合制碱工业化初期，盐析结晶器有一定数量的冷损失，尤其是冷析结晶器5℃操作，与环境温差大，离心分离氯化铵滤液的温升及其冷损失比较大，甚至母液Ⅱ调盐的循环过程中也有温升现象，构成一定量的冷损失，而且，当时结晶器能力小，单位散冷面积大，加上工业化初期保冷材质和施工水平差等等，盐析结晶器的冷损失达到3.0×104kJ／t左右。

近年，随着结晶器操作温度提高，盐析结晶器的操作温度越来越接近外界环境温度。譬如，2008年，国内18家联合制碱工厂的结晶器操作温度，冷析11.20℃，盐析13.72℃，少数工厂的盐析结晶器温度已经达到16～17℃［4］，达到了环境温度，甚至冷析结晶器的温度与外界气温的温差也比较小，所以，盐析结晶器的冷损失应该比较小。

2 盐析结晶器温升

盐析结晶器的热量平衡及有关数据列于表3。

表3说明：

＊1：No.1、No.2为还原联合制碱工业化初期轴流泵和盐浆输送加盐方式的机械热之和计算例。

＊2：逆料流程 MⅡ带出显然包括盐析逆流MⅡ和逆料晶浆夹带MⅡ的带出热。

表3 盐析结晶器热平衡数据

2.1 结晶器操作温度高，盐析温升小

随着结晶器操作温度的提高，以及由此造成的半母液Ⅱ（BⅡ）当量的增大，盐析结晶器冷损失减少，甚至为零等原因，一方面，BⅡ带入热量成倍增加，从No.3冷析结晶器温度6.79℃提高到No.6的15.76℃，BⅡ当量从8.89m3／t增大到11.96 m3／t，BⅡ带入热量便从22.37×104kJ／t增加到68.89×104kJ／t，增加了2倍多；另一方面，尽管MⅡ带出热量同样因为温度的提高和当量的增大，也从34.40×104kJ／t增加到76.72×104kJ／t，增加1倍多，但决定于盐析结晶器温升的MⅡ带出的显热增量，却由于盐析过程收入热量不足而明显减少，从12.03×104kJ／t减少到7.83×104kJ／t，从而显著减小了盐析结晶器MⅡ的温升，从3.21℃缩减到1.53℃，是必然的。

2.2 逆料流程生产，盐析温升小

在相同的机械热、冷损失条件，以及相同的盐析结晶器操作温度、MⅡ钠离子浓度下比较并料流程No.1和逆料流程No.2的热量平衡状况，不难发现，由于逆料流程生产的盐析结晶夹带MⅡ在两结晶器之间循环，并在盐析结晶器中低温进高温出，相当于进行部分冷却，所以盐析结晶器温升减小。并料流程生产，冷析5℃，盐析10℃，盐析温升5℃；而逆料流程生产，维持盐析结晶器10℃操作的冷析结晶器BⅡ温度为5.41℃，盐析结晶器温升为4.59℃。

盐析结晶夹带的MⅡ量大则盐析结晶器温升小。

2.3 盐析温升5℃是个例，已成为历史

表3No.1的盐析结晶器温升5℃，只是个联合制碱法工业化初期，氯化铵过程并料流程生产，冷析结晶器5℃，盐析结晶器10℃操作，温度低；母液当量小，约8.0m3／t；以及生产规模小、轴流泵扬程高、用盐浆泵输送盐浆方式加盐，盐析结晶过程的机械热和冷损失都大等条件下的特例。盐析结晶器温升5℃，或超过5℃。

实际上，从上世纪80年代开始，国内联合制碱工厂陆续改用逆料流程生产农业氯化铵，盐析结晶温升5℃的记载也开始逐渐消逝，成为了历史的记忆。例如，大连化学工业公司碱厂1984年联合制碱法生产氯化铵过程全部改用逆料流程，盐析结晶器温升4.1℃［5］，1991年8月份，夏季生产的冷、盐析结晶器温差也仅4.0℃［2］。

现今的联合制碱生产，结晶器操作温度普遍提高，盐析结晶器温度达到13～14℃，加盐方式几乎全部改为栈桥皮带运输，直接加固体盐，轴流泵采用低扬程、大流量设计，而且实现了大型化和规模化生产，使得盐析结晶过程的机械热和冷损失显著减少，盐析结晶器温升也相应大幅度减小。据2008年报统计，全行业18家联合制碱工厂的氯化铵冷、盐析结晶器的温差，一般在2～3℃之间，最大3.9℃，最小1.1℃，平均冷析11.20℃，盐析13.72℃，温升2.52℃。大化集团碱厂搬迁后的生产，冷析10.5℃，盐析13℃，温差亦为2.5℃。代表着目前行业生产的平均水平。

3 结语和建议

3.1 适宜的温升设计

可以认为，在盐析结晶器13～14℃下操作，母液当量9～10m3／t，盐析温升按2.5℃进行设计和控制是适宜的。表3中No.4和No.5模拟近期联合制碱生产，盐析操作温度13.5℃，温升分别为2.48℃和2.57℃，其中轴流泵机械热按1台盐析结晶器150kt／a规模计，逆料盐析晶浆稠厚至60%（视体积固液比）的常规水平。表3中的No.3、No.6和No.7是为了论证氯化铵过程的能耗，轴流泵的机械热统一按一台盐析结晶器300kt／a配套，为0.5116×104kJ／t的先进水平设计；而且为放宽逆料盐析晶浆稠厚条件等原因，控制比较低的逆料盐析晶浆固液比，视体积比50%进入冷析结晶器。关于逆料流程的能耗问题另议。由于提高盐析结晶器的操作温度能够显著的降低氯化铵制造过程的冰机制冷电能消耗，以及设备大型化和生产规模化等原因，冷析结晶器和盐析结晶器之间的温差仍有进一步缩小趋势，No.6、No.7为预期操作，盐析结晶器温度提高到17.3～17.4℃达到了大多数联合制碱工厂所在地的年平均气温，母液当量增加到10～11m3／t，盐析结晶器的温升将继续缩减到1.4～2.0℃。

盐析结晶器温升5℃的概念，既然已不复存在，易误导，且误差愈大，应停止使用。