摘要:介紹了ＮａＨＣＯ3結晶在碳化母液中生長的結晶形狀變化過程,不同粒徑結晶在母液中的沉降速度。分析了重堿晶漿稠厚器各區域的功能及結構。討論了蜂窩管填料的澄清原理及澄清區、增稠區的設計計算方法。在此基礎上,進行了實例計算,并介紹了實際應用情況。
　　關鍵詞:重堿晶漿分離;推料式離心機;稠厚器
　　中圖分類號:ＴＱ114.161.4;ＴＱ051.8.4　　文獻標識碼:Ａ　　文章編號:1005-8370(2007)06-03-05
　　1　重堿晶漿的特性
　　1.1　重堿結晶的形狀[1]
　　ＮａＨＣＯ3結晶在過飽和母液中的成長速度,三個方向相差很大,成長最快方向的線成長速度是最小方向的3.75倍;又由于結晶形狀的特殊,ＮａＨＣＯ3結晶在成長過程中不同粒徑的結晶呈現出不同的形狀,以致顯微鏡下見到的結晶形狀有好多種。100～150μｍ的結晶往往長寬相近,平面接近正方形,側面呈棗核形。晶體寬度30～100μｍ的結晶,平面呈長方形。寬度<30μｍ的小結晶呈棒形或針形,或者是它們的碎片。更小的結晶呈泥漿狀,即所謂“浮堿”。有時一些棒形結晶會疊合成晶簇,成為菊花形。在碳化塔的晶核析出區,常有細小的“紡錘形”晶核析出。在添加表面活性劑或者其他一些特殊場合,往往出現100～200μｍ的球形結晶[2,3]。
　　1.2　重堿晶漿的沉降速率將重堿晶漿抽濾干后,用無水酒精脫水,分散,烘干,進行篩分;將不同粒徑的每一組結晶分別放入盛有100ｍＬ飽和母液的量筒中,測定沉降速率。
　　表1中的沉降時間不同于未經篩分的碳化取出液的沉降時間,因為碳化取出液的沉降時間主要決定于其中所含的細小結晶的多少和細晶的粒度,其中所含的大結晶對沉降時間無多大影響。而結晶的平均粒徑主要決定于大結晶的多少和大結晶的粒徑。因此碳化取出液的沉降時間與平均粒徑并無嚴格的對應關系。碳化取出液的平均粒徑為100μｍ時,按表1數據,對應的沉降時間約為75ｓ,而實際上往往達到120～180ｓ,甚至更長,主要決定于其中所含細晶的多少。
    測定所用的重堿結晶來源于結晶器制堿試驗,粒度分布范圍較廣。結晶粒度<200μｍ時,結晶正面多呈長方形或正方形,沉降速度隨結晶粒度增大而增大,接近直線關系。粒度大于200μｍ以后,晶體的正面和側面都長成兩頭縮小的近似于長方形的柱狀體,而且長度方向成長很快,因此沉降速度隨著結晶的長大增加得很快。這種情況在結晶器生產粒狀ＮａＨＣＯ3時常會出現。一旦進入這種狀態,結晶很容易在結晶器底部堆積,操作容易陷入混亂狀態,這也是“結晶器制堿”課題難以成功的原因之一。在碳化塔中因結晶生長時間短,結晶粒度均在200μｍ以下,不會出現這種加速沉降的現象。
    2　稠厚器結構及各區域的功能
     重堿晶漿稠厚器是離心機分離重堿晶漿不可缺少的關鍵設備之一,沒有性能良好的稠厚器,則離心機能力得不到充分發揮,甚至無法連續穩定運轉,或者溢流液帶晶太多,降低經濟效益。
    重堿結晶顆粒細小,形狀特殊,粒度分布范圍寬廣;而離心機分離重堿晶漿技術則要求稠厚晶漿的濃度越高越好;離開稠厚器的溢流液則不允許帶有較多的懸浮細晶。這些條件給稠厚器的設計造成了困難。為了滿足以上要求,本技術采取了一些特殊的措施,其結構參見圖2。
    重堿晶漿自碳化塔底部流出,先經過減壓解析罐,將壓力降至常壓,解析出過飽和的ＣＯ2,然后進入稠厚器的中心筒。如有必要也可在進稠厚器前加入表面活性劑使細晶絮凝,再進入稠厚器。
    中心筒下口以下的區域為稠厚器的增稠區,是稠厚器的主要區域。其功能是:①使懸漿較均勻地分散到增稠區的整個截面上;②使晶漿中的大部分結晶穩定地沉降增稠,使底部視固液比達到70%;③對晶漿有足夠貯存容積,作為上下工序的緩沖,保證離心機能夠連續穩定地運行。
    錐底下部設有排料區,保證底部出料暢通。當出料口固液比過高,出料管不甚通暢時,可利用底部的母液進口管通入少量母液,以保證排料區保持暢通。
    中心筒外有一蜂窩填料區,以截留上升母液所夾帶的細小結晶,使溢流母液所夾帶的細晶降到最低限度。因此從中心筒下口以上到蜂窩填料上面的區域為稠度器的澄清區。
    澄清區以上為清液區。清液層必須有一定的高度,使填料區中的液體保持一定的壓頭,以降低因各蜂窩管的阻力降不同造成的流體分布不均勻性,使蜂窩填料發揮較高的效率。
    3　澄清區及清液區的設計
    3.1　蜂窩管澄清的原理[4,5]
    蜂窩管澄清原理與斜板澄清原理相同,為簡化討論,今以斜板為基礎進行討論。按照“淺層沉淀原理”,懸浮液在兩塊斜板間的運動如圖3所示。
    液體沿著平行于斜板的方向向右上方流動。其中懸浮的固體顆粒一方面受液流的夾帶向右上方運動,同時又在液流中以自由沉降速度ｕ0向下運動。Ａ點的顆粒沉降距離最長,其運動路線為ＡＣ。為使懸液中不允許被清液帶走的固體顆粒全部沉降到下一塊斜板上,按圖3所示的關系,可得以下關系式:
                        
                         
    由(2)式可見,在斜板沉淀池中的清液上升速度比自由沉降速度所增加的比率等于所增加的斜板水平投影面積總和與沉淀池原有沉降面積的比率。由此可見,淺層沉淀原理與增大澄清面積理論是一致的。此外,增設蜂窩填料增大了流體流動的穩定性,在澄清區內創造了良好的沉降條件,有利于攔截細晶。
    3.2　蜂窩填料的工藝參數
    3.2.1　斜管管徑:斜管管徑相當于(1)式中ｄ,ｄ越小,允許的清液上升速度越高,對細晶沉降越有利。但ＮａＨＣＯ3細小晶體的粒徑、重度都大于一般懸濁液澄清過程的沉淀物,可以選用較大的管徑。而且為了避免在沉積細晶順斜管下滑時擾亂斜管中液體的流動,宜選用大的管徑,一般取ｄ=50ｍｍ。
    3.2.2　斜管的水平傾角:由(1)式可見,斜管的水平傾角越小,允許的清液上升速度越高。但是小的水平傾角,沉積在斜管上的細晶難以下滑,以致造成堵塞,甚至壓垮蜂窩填料,因此水平傾角α以大于60°為宜。
    3.2.3　斜管填料的高度:斜管高度Ｈ越高,允許的清液上升速度越高。但是在圓筒形的稠厚器中,裝蜂窩填料的空間受到稠厚器外壁與中心筒的限制,許多靠器壁的蜂窩管,上端或下端被器壁堵死成為盲管。斜管高度Ｈ越高,被堵的管子越多,使蜂窩管的有效利用率降低。因此蜂窩管填料高度Ｈ以0.3～0.8ｍ為宜,大直徑稠厚器取大的Ｈ值,小直徑稠厚器取小值。
    3.3　澄清區的直徑
    根據重堿結晶的篩分數據先確定允許溢流液帶走的懸浮顆粒最大粒徑,并由圖1查出沉降速率ｕ0。根據所選定的蜂窩填料工藝參數,由(1)式算出稠厚器的表觀清液上升速度ｕ,再由稠厚器的生產負荷即可計算出稠厚器的直徑。
    3.4　懸浮液的穩定分布區
    懸浮液從中心筒出來,在進入蜂窩填料區之前應有一個穩定分布區,使懸浮液穩定地均勻地進入蜂窩填料區。此段高度應不小于中心筒直徑。
    3.5　蜂窩填料的安裝
    蜂窩填料下部安裝箅子板,填料整齊置于箅子板上。填料之間不允許有大的縫隙,上面必須有一定數量的箅子或網壓緊,以免在稠厚器帶氣時填料被沖翻。填料塊安裝時應盡量減少盲管數量,提高斜管有效利用率。斜管的傾斜方向應盡可能保持一致,以保持流體流動方向一致,避免引起紊流。安裝時應避免有雜物堆積堵塞現象和斜管壁破損情況。
    3.6　清液區的設計蜂窩填料以上部分為清液區,其上沿有溢流堰,以保證液體沿圓周均勻溢出。清液區須有一定高度,以保證液體流速在整個填料區橫截面上均勻穩定,保證填料層攔截細晶的良好效果。
    4　增稠區及晶漿排出區的設計
    4.1　增稠區的設計
    增稠區與澄清區實際上在同一筒體中,所以直徑相同。如果為了增強澄清區的功能,也可以擴大澄清區直徑[4]。
    懸漿的沉降過程在淺層容器中只需要數分鐘即可獲得足夠濃度的晶漿。但在增稠區中晶漿的存量少時,懸漿的沉降距離會很長,所需沉降時間也大大增加。因此為了保證晶漿有足夠的沉降和增稠時間,同時維持連續生產,稠厚器底部必須有足夠大的稠厚晶漿貯存容積。此外,增稠區中應有半小時以上的晶漿貯存容積,作為生產中上、下工序的緩沖。
    錐底水平夾角一般為45°～60°,使晶漿能較順利地排出。
    4.2　增稠區的攪拌
    為使稠厚器底部的晶漿不坐死,保證晶漿排放順暢,增稠區須有攪拌裝置。轉速不宜過快,避免干擾增稠過程。采用框式攪拌時,以1～2ｒ/ｍｉｎ為宜。
    4.3　晶漿排出區的設置
    稠厚器底部設置一個小直徑的晶漿排出區,錐底上有攪拌翅,并設有晶漿排出管和濾液返回管。當排料不順暢時,可從濾液返回管送入少量濾液,以調整稠厚器底部的固液比,保持稠厚器底部及晶漿排出管通暢。
    5　應用實例
    以60ｋｔ/ａ純堿規模的離心機分離重堿晶漿裝置為例。
    5.1　稠厚器的設計
    5.1.1　基礎數據
    年工作日330天,產量7.576ｔ/ｈ,生產波幅20%,考慮波幅后稠厚器處理能力為9.09ｔ/ｈ。碳化取出晶漿當量10ｍ3/ｔ,取出液中晶漿視固液比24%,經稠厚器增稠后底流視固液比為80%。
    重堿結晶平均粒徑112μｍ,小于40μｍ細晶占2.5%(重量),沉降時間90ｓ。蜂窩管填料ｄ=50ｍｍ,斜管α=60°。
    5.1.2　澄清區
    選用φ50ＰＶＣ蜂窩填料,水平傾角60°,填料垂直高度600ｍｍ。
    晶漿中<40μｍ的細晶占2.5%,按照正態分布,<15μｍ的細晶約占結晶總重量的0.4%。今以蜂窩管填料能截留的最小細晶粒徑為15μｍ計算,由圖1查得15μｍ細晶的沉降速率為ｕ0=0.3ｍｍ/ｓ。由(1)式計算在上述蜂窩填料中的清液上升速度為:
                      
    由于蜂窩填料在安裝過程中存在許多盲管及流體分布不均勻等諸多因素,取效率系數為0.5,則蜂窩填料中的清液上升速度為4.28ｍ/ｈ,在此流速下,能被液流帶入澄清區的結晶粒徑由圖1查得為<64μｍ。大于此尺寸的結晶將在增稠區中沉降。因此在澄清區中截留的為15～64μｍ的細晶,可見蜂窩填料在本稠厚器中的作用是顯著的。
    通過澄清區的母液量為:
                     
    取中心筒面積為澄清區截面面積的2%,澄清區直徑Ｄ:
                     
    取澄清區直徑為φ4500,中心筒直徑φ700。
    蜂窩填料高度600ｍｍ,澄清區總高度1300ｍｍ。
    5.1.3　增稠區稠厚晶漿流量:
                     
    增稠區直徑同澄清區。
    錐底水平傾角55°,排料區直徑φ600,錐底高度為2785ｍｍ,錐底容積:
                    
    按照上述所計算的尺寸,核算稠厚晶漿的最少貯存時間。以平均粒徑112μｍ計算,其沉降速度為2.15ｍｍ/ｓ。結晶在自然沉降的同時,整個晶漿層由于連續從錐底取出而不斷下降,結晶顆粒的下降速度為兩者之和。懸漿中的結晶由增稠區頂部沉降到料面的時間與料面以下的晶漿全部被排出的時間相等時,此料面即是排出晶漿的濃度保持80%的平衡點。料面升高則排出晶漿固液比增高,料面下降則排出固液比下降。試算結果,要保持取出固液比為80%的料面離增稠區底部的高度為1.8ｍ。此區域的稠厚器晶漿容積為5.64ｍ3,貯存時間為12ｍｉｎ,與原設定的10ｍｉｎ、4.82ｍ3相差不大。因此上述計算結果是可靠的。
    5.2　實際運行情況[6]
    ＨＲ630—Ｎ離心機分離重堿晶漿生產試驗中,應用了此種結構的稠厚器,其規格為φ3000×4640,上部直筒段高1960ｍｍ,蜂窩填料高度400ｍｍ。增稠區錐底水平傾角55°,框式攪拌,轉速1.5ｒ/ｍｉｎ,電機功率4ｋＷ。
    稠厚器運轉情況良好,平均產量為6.169ｔ/ｈ純堿時,稠厚晶漿固液比一般均高于70%。溢流液帶晶用錐形量筒測量一般<0.1%,當返回濾液桶晶漿時溢流帶晶明顯增高,但不超過0.5%。當進稠厚器晶漿帶氣時,會破壞澄清區操作,使溢流帶晶增高,嚴重帶氣時,帶晶量甚至超過1%。因此稠厚器進料必須保證ＣＯ2解析完全。