硝酸钾冷却结晶技术进展及应用

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自冷冷却结晶工艺 自冷冷却结晶工艺的主要设备由蛇管冷却结
晶器与冷冻装置组成 。蛇管冷却结晶器由筒体 、蛇 管换热器及搅拌系统组成 。研究表明 [ 4、5 ] ,硝酸钾 溶液的溶解度随着温度的下降由显著降低变为降 低不明显 。也就是说 ,在硝酸钾溶液从较高温度冷 却到 20~30 ℃的过程中 ,由于硝酸钾溶液溶解度 随着温度的下降而显著降低 ,有大量硝酸钾结晶析 出 ,此过程中晶体在蛇管表面的结垢能力很强 。如
Key words: potassium nitrate; cooling crystallization technology; p rogress; p roduction and app lication
目前 ,国内硝酸钾主要生产方法有 3 种 : ①硝 酸铵与氯化钾复分解循环法 ; ②硝酸铵与氯化钾离 子交换法 ; ③硝酸与氯化钾转化法 。我国硝酸钾年 生产量已超过 30 万 t[ 1 ] 。在硝酸钾生产工艺过程 中 ,硝酸钾溶液的冷却结晶是重要的操作单元 ,也 是工艺的关健部分 。笔者简要介绍国内硝酸钾冷 却结晶工艺技术的进展及应用 。
夹套冷却结晶工艺 夹套冷却结晶工艺主要设备是夹套结晶器 ,它
由筒体 、锥体 、夹套及搅拌系统组成 。夹套内通入 冷却水或冷冻液对筒体内料液进行间壁冷却 ,搅拌 器对结晶器内硝酸钾料液进行搅拌 ,强化传热 。
夹套冷却结晶工艺与自然冷却结晶相比 ,占地 面积大为减少 ,操作方法简单方便 ,生产能力有了 较大提高 。但该工艺也存在一些不足之处 : ①夹套 传热面积受到限制 ; ②由于传热钢板不能过厚及造 价与安装等原因 ,夹套冷却结晶器容积受到限制 , 一般为 5~30 m3 ,生产规模大的企业须采用多台夹 套冷却器并联 ; ③夹套冷却结晶器存在结垢现象 , 影响传热效果 ; ④夹套冷却溶液的冷却不均匀 ,加 之搅 拌 撞 击 作 用 , 产 品 结 晶 的 质 量 不 易 控 制 。
第 46卷 第 2期 2008年 4月
化肥选型
化肥设计 Chem ical Fertilizer Design
Ap r. 2008
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硝酸钾冷却结晶技术进展及应用
张罡 1 ,何斌鸿 2 ,沈晃宏 1
(1. 岳阳市钾盐科学研究所 ,湖南 岳阳 414000; 2. 湖南理工学院 化学化工系 ,湖南 岳阳 414000)
目前湖南等地有几家企业采用蛇管冷却结晶 工艺 ,由于存在结垢现象严重 ,不得不定期进行除 垢 ,个别企业通过对蛇管进行电化学表面抛光处 理 ,取到了很好的防结垢效果 ,但仍未能彻底解决 结垢的问题 。冷却水与硝酸钾溶液传热系数一般 在 100 W / m2 ·℃以下 。
喷雾冷却结晶工艺 为了克服以上冷却结晶工艺缺点与不足 , 20世
果将 20~30 ℃的清母液继续冷却到 - 5 ℃,由于结 晶析出的硝酸钾量较少 ,此过程中晶体在蛇管表面 上结垢能力很弱 ,甚至不发生结垢 。自冷冷却结晶 的工艺正是利用这一特点 ,将冷清液通过蛇管冷却 到一定温度 ,这个过程基本不发生结垢 ,传热系数 较高 ,然后将过冷清液直接冷却硝酸钾溶液 ,从而 避免了高浓度易结垢的硝酸钾溶液在蛇管表面的 结垢 。自冷冷却结晶的工艺操作是先将分离出硝 酸钾晶体的清母液在自冷冷却结晶器中通过蛇管 冷冻到 - 5 ℃左右 ,然后再将热溶液与冷母液相混 合 ,以达到冷却结晶目的 。
摘 要 : 介绍了我国硝酸钾生产中采用的传统冷却结晶工艺技术存在的缺陷和不足 ;论述了近年来由我国自主开 发的真空冷却结晶工艺和外循环冷却结晶工艺的技术优势 、工艺特点和生产应用效果 ,指出这 2种冷却结晶工艺 技术符合我国大规模 、高质量 、高效益发展硝酸钾生产的趋势 ,是今后硝酸钾生产工艺的发展方向 。 关键词 : 硝酸钾 ;冷却结晶技术 ;进展 ;生产应用 中图分类号 : TQ 441. 22 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 8901 (2008) 02 - 0059 - 04
Eng ineering D epa rtm en t, Hunan Institu te of Technology, Yueyang Hunan 414000 Ch ina)
Abstract: Author has introduced the defects and the shortages existed in traditional cooling crystallization p rocess technology adop ted in the p roduc2 tion of potassium nitrate in China, discussed the technical advantages, p rocess characteristic and p roductionΟapp lication effect of vacuum cooling crystalli2 zation p rocess and outer circulation cooling crystallization p rocess self developed in recent years in China; it indicates that these two kinds of cooling crys2 tallization p rocess technologies comp ly with the tendency for develop ing p roduction of potassium nitrate in large scale, high quality and high benefit, in China, and it is the develop ing direction for potassium nitrate p roduction p rocess in future.
蛇管冷却结晶工艺 蛇管冷却结晶工艺主要设备是蛇管冷却结晶
器 ,它由筒体 、锥体 、蛇管换热器及搅拌系统组成 。 蛇管换热器设置于结晶器内 ,浸没于硝酸钾溶液 中 。操作时 ,蛇管内通入冷却水或采用冷冻液对筒 体结晶器内料液进行间壁冷却 ,搅拌器对结晶器内 硝酸钾料液进行搅拌 ,强化传热 。与夹套冷却结晶 相比较 ,蛇管换热器设备容积有较大幅度提高 ,在设 备容积一定的条件下 ,传热面积可以有较大幅度提 高 ,但蛇管存在严重结垢的缺点 ,且传热效果较差 [3 ] 。
纪 90年代中期 ,我国开发了喷雾冷却结晶工艺 ,主 要设备由喷雾器 、塔体 、结晶器及鼓风机组成 。结 晶过程是将热溶液通过喷头从上向下喷出 ,喷出的 雾状液滴与底部鼓风机鼓入的大量冷空气相混合 , 从而产生冷却与蒸发的效应 ,使溶液冷却结晶析出 硝酸钾 。
此工艺在我国山西、青海有 3家企业采用 。生产 实践表明 ,该工艺与上述各种冷却结晶工艺相比较 , 具有冷却结晶不需要冷却水或冷冻液 ,生产能力较 大 ,冷却速度快的优点 ,但其最大缺点是设备过于庞 大且复杂 ,投资大 ,且产品结晶粒度十分细小 ,结晶质 量较差 ,故该工艺至今未能推广应用。
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并排出不凝性气体 ,采用 3级蒸汽喷射真空泵 。真 空冷却基本原理是利用抽真空的办法 ,使硝酸钾工 艺溶液压力降低 ,溶液沸点也降低 ,这样溶液在低 压状态下蒸发水分 ,蒸发的水分在吸收溶液自身热 量的同时 ,使溶液内能减少 ,从而降低溶液温度 ,这 种冷却方式亦即真空冷却 [ 6 ] 。
真空冷却结晶工艺过程 :硝酸钾溶液用泵送至 结晶器内后密封 ,启动真空泵 ,开始阶段真空泵从 真空结晶器内抽走空气及少量水蒸气 ,使真空结晶 器内压力不断降低 ,在压力达到溶液的饱和压力之 前 ,溶液中水分不能被大量蒸发 ,真空泵的运行还 不能对溶液制冷 。随着压力降低 ,真空结晶器内达 到一定真空度后 ,溶液中水分开始大量汽化 ,并从 溶液中吸收热量 ,使溶液迅速降温 ,此现象称为闪 蒸效应 。从溶液中蒸发出来的水蒸气瞬间即被真 空泵抽走 。在冷凝器中绝大部分水蒸气被冷凝排 出 ,剩下少量蒸汽由真空泵抽走 。随后就开始继续 降温的过程 ,当温度降低到某一特定温度区域时 , 温度降低速度减缓 。在达到稳定状态后 ,溶液温度 与饱和蒸汽压力相平衡 ,溶液温度保持平稳 ,即达 到溶液冷却结晶终点温度 。
真空冷却结晶工艺 我国真空冷却结晶工艺开发应用于硝酸钾始
于 1999年 。真空冷却结晶装置主要由真空结晶器 、 冷凝器 、真空泵和控制系统组成 。真空结晶器为圆 筒形 , 上下封头均为椭圆形封头 。真空泵采用蒸汽 喷射真空泵 ,以维持真空结晶器内有一定真空度 ,
第 2期
张罡 等 硝酸钾冷却结晶技术进展及应用
作者简介 : 张罡 (1965年 - ) ,男 ,湖南湘阴人 , 1987年毕业于岳阳师 范学院化学系 ,高级工程师 ,长期从事钾盐生产工艺技术的研究 、开 发与设计工作 。
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化肥设计
2008年第 46卷
目前我国有较多厂家生产企业采用夹套冷却 结晶工艺 ,冷却水与硝酸钾溶液传热系数一般在 100 w / m2 ·℃以下 , 搅拌转速一般控制在 50 ~80 r/m in。如果换热面材质选择合理 ,工艺条件的控制 和生产操作得当 ,可以做到夹套结晶器内基本不结 垢或结垢很轻 [ 3 ] 。
长槽搅拌冷却结晶工艺 长槽搅拌式冷却结晶工艺主要设备是长槽搅
拌式冷却结晶器 。该结晶器形状为一敞口长槽 ,宽 0. 6 m ,长 4~8 m。长槽底部为半圆形 ,槽外焊有水 夹套 ,槽中装有长螺距的螺旋搅拌器 ,长槽每米长 度约有 1 m2的有效传热面积 。长槽搅拌式连续冷 却结晶工艺流程 :浓的热硝酸钾溶液从长槽的一端 加入长槽中 ,冷却水则从长槽的另一端进入夹套 内 ,硝酸钾溶液与冷却水逆向流动 ,在螺旋搅拌器 搅拌作用下 ,溶液与夹套内冷却水间壁换热 ,溶液得 以冷却结晶析出硝酸钾晶体 。螺旋搅拌器除了起搅 拌作用外 ,还可以输送硝酸钾晶体以及防止晶体聚积 在长槽冷却面上 。硝酸钾料液从长槽始端移动到长 槽末端 ,再通过装置溢流口流入离心设备中。
南美国家智利将长槽搅拌式连续冷却结晶工 艺应用于硝酸钾冷却结晶已有较为成熟的经验 。 我国湖南某厂也曾采用长槽搅拌式冷却结晶工艺 。 实践表明 ,该冷却结晶工艺的优点是结垢较轻 ,冷却 水与硝酸钾溶液传热系数达到 100 W / m2 ·℃以上 。 缺点是设备投资较大 ,占地面积较大 ,同时硝酸钾晶 体易沉积于长槽的冷却面上 ,从而影响传热。
自然冷却结晶工艺的最大优点是设备简单 ,投 资很低 ,且产品硝酸钾结晶质量较好 ,但该法的最 大缺点是冷却速度极慢 、占地面积大 、劳动强度大 、 浪费严重 、生产效率十ห้องสมุดไป่ตู้低下等 ,不适宜硝酸钾规
模生产 。目前我国仍有不少私营企业采用自然冷却 结晶工艺 ,冷却时间一般在 12 h左右 ,冬天冷却时间 要快些。在重结晶提纯制取工业级硝酸钾工艺中 ,国 内大部分企业是采用自然冷却结晶工艺 [ 2] 。
可见 ,自冷冷却结晶工艺是间壁冷却与直接混合 冷却相结合的一种冷却结晶工艺 ,其优点是克服了换 热面易结垢现象 。与传统夹套和蛇管冷却结晶工艺 相比 ,在相同换热面积的条件下 ,生产能力可提高 1. 5 倍以上。该工艺的缺点是需要增加冷冻设备装置 ,故 投资增大 ,推广普及较为困难 。目前我国仅在福建有 1家企业采用此工艺 。
国内硝酸钾冷却结晶工艺技术现状
自然冷却结晶工艺 自然冷却结晶工艺是国内较早普遍采用的传
统工艺 。自然冷却结晶工艺主要设备是敞口结晶 槽 ,该设备占地面积较大 ,敞口槽放置在平地或水 池中 ,依靠顶部较大的敞开液面与空气及器壁与空 气 (或水 )之间的换热达到冷却结晶目的 。为了提 高冷却速度 ,有的厂家还增设了电扇 ,对结晶槽中 料液进行鼓风 。
Progress and Applica tion for Cooling Crysta lliza tion Technology of Pota ssium N itra te
ZNANG Gang, HE B i nΟhong, SHEN HuangΟhong ( 1. Hunan Yueyang C ity Potassium S alt S cience R esea rch Institu te, Yueyang Hunan 414000 Ch ina; 2. Chem istry & Chem ica l
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