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1、浅谈一水碱干燥炉的工艺设计杨斌李文汉(化工部大连化工研究设计院 大连 116023) (辽宁省石油化工规划设计院 沈阳 110003)摘要 :通过对 40 kt / a 重质纯碱装置工程设计中一水碱干燥过程的物料 、热量衡算和设备计算 ,找到了在返碱量 、蒸汽用量和加热面积等工艺参数方面与轻质纯碱生产中的重碱煅烧过程的差异 。由此设 计了适合一水碱特点的干燥炉 ,并已在生产中得到了应用 。主题词 :一水碱干燥炉 工艺设计Na2 CO3 Na HCO3 2 H2 O ( s) + 21 . 9 kJ / mol其产物 倍 半 碳 酸 钠 在 110 开 始 分 解 出 结 晶 水 ,最后成为轻质
2、纯碱 。按化学计量比可估算 出当重碱游离水为 15 %时的理论返碱量 :近年来 ,我国的重质纯碱生产技术随着浮法玻璃生产线的引进而迅速发展 ,一些中小型 重质纯碱生产装置亦相继建成投产 。以轻质纯碱为原料的重质纯碱生产工艺在国内主要以固 相水合法 、改良固相水合法为主 ,也有少数厂家 采用液相水合法 。无论采用何种工艺路线 ,要 想得到成品重质纯碱 ,都须经一水碱干燥这一工序 。 回转蒸汽炉由于亦适合于一水碱的干燥过程 ,且具有操作稳定 ,连续性强 ,生产弹性大 ,大 中小规模皆宜之特点 ,故而被广泛应用于重质纯碱的生产 。 然而重质纯碱生产中的一水碱干燥与轻质纯碱生产中的重碱煅烧在反应机理上
3、毕竟存在 着质的差别 ,所以工艺参数的合理选择 ,设备能力的充分发挥 ,便是工程设计中应着重考虑的 问题之一 。下面针对其工艺方面的设计谈几点 看法和体会 。2000 0115 106= 883 kg/ t碱18 2为使游离水反应完全 ,需加入过量返碱 ,按经验一般控制混合碱中水含量 8 % ,为此实际返碱量为 : 2000 (0115 - 0 . 08) = 1750 kg/ t碱0 . 08二者相比返碱利用率为 883 50 %1750同理 ,当重 碱 游 离 水 为 20 %时 , 理 论 返 碱量为 1178 kg/ t碱 ,实际返碱量约 3000 kg/ t碱 ,返 碱利用率为 39
4、 % 。对于重质纯碱装置的一水碱干燥来说 ,入炉的一水碱来源通常有二种 : 一种为液相水合 法或改良固相水合法中经离心机分离的低盐一水碱 ,游离水含量约 5 % ; 另一种则为固相水合法直接由水合机排出的普通一水碱 ,游离水含 量在 10 %左右 。带有游离水的一水碱直接入炉 ,亦有引起干燥炉结疤的可能 。于是仍需加 入返碱使之成为结晶水 ,反应式为 :H2 O (l) + Na2 CO3 ( s) = Na2 CO3 H2 O ( s) - 14 .1 kJ / mol反应产物一水碱恰为入炉原料组成 ,不会对干 燥炉的操作道理影响 。1 一水碱干燥炉工艺参数的确定1 . 1 返碱量众所 周
5、知 , 进 入 煅 烧 炉 的 重 碱 一 般 含 有15 %20 %的游离水 。为避免炉头结疤 ,人们 往往采取兑入返碱的措施使其转化为结晶水 , 反应式为 :2 H2 O ( l ) + Na2 CO3 ( s ) + Na HCO3 ( s ) =经验交流纯碱工业40由上式可推出理论返碱量 m 3 = 106 x y返碱利用率 。由此式可看出 ,返碱的加入量与原料带入 的游离水量成正比 ,只要原料中有游离水存在 , 不论高低 ,都必须加入返碱 ,否则将因结疤而缩 短干燥炉的操作周期 。至于前述 8 %的概念对于一水碱来说 ,没有实际意义 。重碱煅烧与一 水碱干燥的入炉参数比较如表 1 所
6、示 。返18( kg/ t ) ,根据前面对重碱煅烧返碱量的剖析 ,得出一水碱干燥过程中的实际返碱量m返 = 106 xy 1 ( kg/ t )(1)18式中 :y 入炉一水碱原料总量 ,kg/ t ,x 入炉一水碱游离水含量 ,表 1目为简化计算 ,方便操作 , 现将 ( 1) 式中的参照重碱煅烧取为 40 % , 做一物性曲线 , 见图1 。必要时可随时查取 。若混碱设备较好 ,返碱 利用率较高 , 取值可相应提高 , 代入 ( 1) 式即可计算返碱量 。即 :Na2 CO3 H2 O ( s) = Na2 CO3 ( s) + H2 O ( l )14 . 1 kJ / mol由进出干
7、燥炉的总物料衡算可得到下式 :+0 . 17 mNa CO + m成品 2 3 y =1 - 0 . 927 x其中 : y 入干燥炉一水碱原料量 ,kg/ t ;mNa CO重 质 纯 碱 成 品 中 纯Na2 CO3 量 ,kg/ t ;2 3m成品 重 质 纯 碱 成 品 需 要 量 , 亦即 (成品 + 损失) ,kg/ t ;x 一水碱原料游离水含量 。以 x = 0 . 10 , m成品 = 1010 kg/ t , mNa CO =2 31001192 kg/ t 计 , 可 算 得 入 炉 一 水 碱 原 料 量 为1300 kg/ t ,由干燥过程热衡算可知 ,需外供热量92
8、0MJ / t 。由于一水 碱 在 108 以 上 开 始 分 解 , 汽 源 压力在 113M Pa ( 绝) 即可 。通常可利用重碱煅 烧 冷 凝 水 的 闪 发 汽 : 温 度 190 , 潜 热图 1 一水碱干燥炉返碱量 m返 与原料游离水含量 x关系3198215 kJ / kg , 此 时 蒸 汽 用 量 为 : 920 10 =112加热蒸汽用量对于一水碱干燥 ,因加入返碱得到的产品 也为一水碱 ,所以干燥炉中的反应也是单一的 ,1982 . 5464 kg/ t取热损失 10 % ,则实际蒸汽用量约 510 kg/ t 。内 项容原料游离水 含量 , %返碱入炉混合碱理论 ,k
9、g/ t实际 ,kg/ t利用率 , %总量 ,kg/ t游离水含量 , %重碱煅烧 重碱煅烧 一水碱干燥 一水碱干燥15205108831178364766175030009111915503940403750500021493216882194101998 年第 1 期41传热系数 : K = 250 kJ / m2 h113加热面积还是以原料一水碱游离水含量 10 %为例 ,生产能力取 6t / h ,返碱温度 : 150 ,炉内温度 :160 ,返碱比热 : 1107 kJ / kg, 混合碱比热 :1118 kJ / kg。920 1032需加热面积 :A =6 = 472 m250
10、 4618为使 干 燥 炉 能 承 受 较 大 的 生 产 波 动 , 取220 %余 量 , 那 么 实 需 加 热 面 积 566 m , 相 当 于2- 13193 m / t d。为了便于比较 ,现将以上一水碱干燥和重 碱煅烧的主要工艺参数列于表 2 。q返 + q一水碱混 合 碱 温 度 , t混=C混 ( m返 + m一水碱 )1915 150 1107 + 152217= 121 1 . 18 (1915 + 1300)160 - 121传热温差 : t = 46 . 8 ln 190 - 121190 - 160表 2目式中 :1 填充系数 ,取 0125 ;2 容积有效利用系
11、数 ,取 018 ;物料密度 ,110t / m3由表 2 可见 ,一水碱干燥较之重碱煅烧 ,各项工艺参数均有不同程度的降低 ,如一般情况 下 ,返碱 量 仅 为 后 者 的 一 半 多 , 蒸 汽 用 量 仅 为1/ 3 多 ,加热面积也相应减少 。因此 ,在工程设 计中简单地以重碱煅烧炉代替一水碱干燥炉 ,虽然工艺可行 ,却造成了设备能力的浪费 ,于是 根据工艺参数合理地确定炉体的几何尺寸便是 精心设计中不可忽视的一个方面 。213干燥炉有效长度拟炉体直径为 1800 ,则有效长度为 :V023L = 9 m0 . 785D2 0 . 785 1 . 822 . 4炉体外形尺寸鉴于国内 1
12、800 17000 重碱煅烧炉比较2 干燥炉几何尺寸的确定成熟 , 综 合 诸 多 因 素 , 在 河 南 金 山 化 工 总 厂40 kt / a 低盐重质纯碱装置的设计中 ,保持了炉 体直径不变 ,有效长度在原炉基础上切除了一个螺距 2600 ,最终确定炉体外形尺寸为 40 %时结疤是一种普遍现象 。稀黑液 在多效蒸发器中浓缩到含 30 %固体 ,然后用烟 道气在文丘里洗涤器或旋风分离系统中浓缩到38 %45 % ,再将这种浓缩的黑液向流动床上溶采 法 对 土 耳 其 天 然 碱 的 应 用 Nasuen Saygili , Guelhayat 等, Hydro metallurgy,1996 , Vol ,42 ,No . 1 , P103113 , (土耳其文)为探讨溶采法对土耳其天然碱的适用性 ,对土耳其天然碱进行了倍半碳酸盐和碱金属的 提炼 。通过实验检测了这些工艺的溶解系统和 结晶参数 。研究所用的土耳其天然碱与美国怀俄明 州 天 然 碱 相 比 , 含 有 少 量 的 NaCl 和Na2 SO4 。结晶主要采用两种方法 : 冷却结晶和蒸发结晶 。晶体煅烧后得纯碱 。CA125 :172 375s国外文摘