聯堿氯化銨過程鹽析結晶器溫升

王 全

（大連化工研究設計院，遼寧 大連 116023）

聯堿生產制銨過程冷析結晶器和鹽析結晶器的溫升，或者說鹽析結晶器的溫升，行業朝野，包括一些專著都奉行“5℃”概念，沒有人懷疑，更沒有人深究，有的只是設計人員在作熱量平衡時的困惑與無奈，或者是生產人員在冷析結晶器溫度“拉”不下來時對逆料流程能耗的無端抱怨。

幾乎所有設計人員都曾為了湊夠鹽析溫升5℃的機械熱，或冷損失犯過愁，尤其在部分工廠鹽析結晶器溫度已提高到15～16℃，逆料流程生產農業氯化銨的條件下，確實有些難為，也曾有設計人員試過按照通常的保冷計算方法計算冷損失，結果與“實際（指5 ℃）”有出入而仍然憑“經驗”選?。?、2、3］。以致出現如下不堪局面：

例某教材，冷析11℃，鹽析16℃，溫升5℃穩定，逆料取出操作。冷析結晶器和外冷器系統的冷量損失，以外冷器移走熱負荷的經驗數字5%選取，為4.2805×104kJ／t，但是，為了湊足鹽析結晶器溫升5℃的熱量，鹽析結晶器的冷損失竟要選取9.8208×104kJ／t?。?］眾所周知，冷析結晶器是帶有外冷器的循環系統，溫度低，且散熱面積大，而鹽析結晶器僅一圓桶形簡單設備，散熱面積小，而且操作溫度比冷析結晶器高5℃，16℃操作已接近或達到環境溫度，然而其冷量損失卻要比冷析高出5.5403×104kJ／t，實在是被“5℃溫差”所累。

本文擬通過對聯合制堿氯化銨過程的再學習和重新認識，就冷、鹽析結晶器的溫差進行討論，或許可以達到正本清源，更準確地作出氯化銨過程的熱量平衡，進一步降低制銨過程冰機冷凍能耗。

1 鹽析過程發生的熱量

通常認為鹽析過程發生的熱量造成鹽析結晶器溫升。［1］

氯化銨鹽析結晶過程發生的熱量計有原料帶入的顯熱，鹽析過程化學反應與相變熱（或稱熱效應），軸流泵及其它機泵水力功轉化熱（或稱機械熱）和結晶器表面及其它外界環境滲入的熱量（或稱冷損失）等，這些熱量造成鹽析結晶器物料溫升，產生的熱量多則鹽析溫升大。

由于鹽析結晶器溫升是指結晶器中物料（母液＋結晶）的溫度升高，所以，鹽析溫升還與結晶器進出母液帶出的顯熱增量有關，帶出熱量增量少則表明鹽析溫升小，這一點以往沒有被關注。

諸熱量中原料鹽帶入顯熱基本上為一常數。

1.1 鹽析過程熱效應

不同條件下氯化銨鹽析結晶過程的反應熱和相變熱列于表1 。

表1 鹽析結晶過程熱效應

由表1數字可見，隨著結晶器操作溫度和母液Ⅱ鈉離子濃度的提高，由于鹽析結晶器氯化銨產量比例增加，鹽析結晶過程的熱效應跟著增大，但變化的幅度不大，僅1.5×104kJ／t左右。在鹽析結晶器溫升的過程中可作為參考因素。

1.2 軸流泵和其它機械熱

早期的聯合制堿生產，鹽析結晶器多數使用流量2 500m3／h，揚程4m的φ500軸流泵，電機功率75kW 或100kW，機械熱為2.8384×104kJ／t［1］或2.93×104kJ／t［3］。

同時，早期的鹽析結晶器采用母液Ⅱ調鹽方式加鹽，尤其是40kt／a規模及以下的工廠，鹽漿罐置于地面，用大功率的鹽漿泵輸送低濃度鹽漿，耗電和水力功比較大，少的如龍山廠耗電4kWh／t，多的如鄭州廠達到6.59kWh／t，按一般6kWh／t計的機械熱為2.1589×104kJ／t。

現今的聯合制堿生產，不僅早就改為直接加固體鹽生產，而且實現了設備大型化和生產規?；?，一冷析一鹽析一套150～200kt／a，甚至300kt／a，軸流泵還改進為低揚程、大流量設計，大幅度減少了單位能力軸流泵的機械熱，后者僅0.5116×104kJ／t，是原來的1／5，或更小。

在早期聯堿生產構成鹽析結晶器溫升5℃的諸熱量中，軸流泵和鹽漿泵等機械熱達到5.0×104kJ／t，是舉足輕重的。所以，近期的聯合制堿生產，軸流泵的機械熱減少到1.02×104kJ／t，甚至0.51×104kJ／t，約為原來機械熱之和的1／10，鹽析結晶器的溫升便小得多是很自然的。

1.3 結晶器及其它冷損失

應該明確一個概念，即造成冷損失的主要原因是結晶器操作溫度低于外界環境溫度，在結晶器設置保冷層的條件下，較小的溫差不可能造成比較顯著的冷損失。

氯化銨結晶露天布置，工廠所在地的年平均氣溫即為環境溫度。據近年國內聯合制堿工廠的布局情況，有關地區的年平均氣溫摘錄于表2。

表2 有關地區年平均氣溫

在冷析5℃，鹽析10℃模式操作的聯合制堿工業化初期，鹽析結晶器有一定數量的冷損失，尤其是冷析結晶器5℃操作，與環境溫差大，離心分離氯化銨濾液的溫升及其冷損失比較大，甚至母液Ⅱ調鹽的循環過程中也有溫升現象，構成一定量的冷損失，而且，當時結晶器能力小，單位散冷面積大，加上工業化初期保冷材質和施工水平差等等，鹽析結晶器的冷損失達到3.0×104kJ／t左右。

近年，隨著結晶器操作溫度提高，鹽析結晶器的操作溫度越來越接近外界環境溫度。譬如，2008年，國內18家聯合制堿工廠的結晶器操作溫度，冷析11.20℃，鹽析13.72℃，少數工廠的鹽析結晶器溫度已經達到16～17℃［4］，達到了環境溫度，甚至冷析結晶器的溫度與外界氣溫的溫差也比較小，所以，鹽析結晶器的冷損失應該比較小。

2 鹽析結晶器溫升

鹽析結晶器的熱量平衡及有關數據列于表3。

表3說明：

＊1：No.1、No.2為還原聯合制堿工業化初期軸流泵和鹽漿輸送加鹽方式的機械熱之和計算例。

＊2：逆料流程 MⅡ帶出顯然包括鹽析逆流MⅡ和逆料晶漿夾帶MⅡ的帶出熱。

表3 鹽析結晶器熱平衡數據

2.1 結晶器操作溫度高，鹽析溫升小

隨著結晶器操作溫度的提高，以及由此造成的半母液Ⅱ（BⅡ）當量的增大，鹽析結晶器冷損失減少，甚至為零等原因，一方面，BⅡ帶入熱量成倍增加，從No.3冷析結晶器溫度6.79℃提高到No.6的15.76℃，BⅡ當量從8.89m3／t增大到11.96 m3／t，BⅡ帶入熱量便從22.37×104kJ／t增加到68.89×104kJ／t，增加了2倍多；另一方面，盡管MⅡ帶出熱量同樣因為溫度的提高和當量的增大，也從34.40×104kJ／t增加到76.72×104kJ／t，增加1倍多，但決定于鹽析結晶器溫升的MⅡ帶出的顯熱增量，卻由于鹽析過程收入熱量不足而明顯減少，從12.03×104kJ／t減少到7.83×104kJ／t，從而顯著減小了鹽析結晶器MⅡ的溫升，從3.21℃縮減到1.53℃，是必然的。

2.2 逆料流程生產，鹽析溫升小

在相同的機械熱、冷損失條件，以及相同的鹽析結晶器操作溫度、MⅡ鈉離子濃度下比較并料流程No.1和逆料流程No.2的熱量平衡狀況，不難發現，由于逆料流程生產的鹽析結晶夾帶MⅡ在兩結晶器之間循環，并在鹽析結晶器中低溫進高溫出，相當于進行部分冷卻，所以鹽析結晶器溫升減小。并料流程生產，冷析5℃，鹽析10℃，鹽析溫升5℃；而逆料流程生產，維持鹽析結晶器10℃操作的冷析結晶器BⅡ溫度為5.41℃，鹽析結晶器溫升為4.59℃。

鹽析結晶夾帶的MⅡ量大則鹽析結晶器溫升小。

2.3 鹽析溫升5℃是個例，已成為歷史

表3No.1的鹽析結晶器溫升5℃，只是個聯合制堿法工業化初期，氯化銨過程并料流程生產，冷析結晶器5℃，鹽析結晶器10℃操作，溫度低；母液當量小，約8.0m3／t；以及生產規模小、軸流泵揚程高、用鹽漿泵輸送鹽漿方式加鹽，鹽析結晶過程的機械熱和冷損失都大等條件下的特例。鹽析結晶器溫升5℃，或超過5℃。

實際上，從上世紀80年代開始，國內聯合制堿工廠陸續改用逆料流程生產農業氯化銨，鹽析結晶溫升5℃的記載也開始逐漸消逝，成為了歷史的記憶。例如，大連化學工業公司堿廠1984年聯合制堿法生產氯化銨過程全部改用逆料流程，鹽析結晶器溫升4.1℃［5］，1991年8月份，夏季生產的冷、鹽析結晶器溫差也僅4.0℃［2］。

現今的聯合制堿生產，結晶器操作溫度普遍提高，鹽析結晶器溫度達到13～14℃，加鹽方式幾乎全部改為棧橋皮帶運輸，直接加固體鹽，軸流泵采用低揚程、大流量設計，而且實現了大型化和規?；a，使得鹽析結晶過程的機械熱和冷損失顯著減少，鹽析結晶器溫升也相應大幅度減小。據2008年報統計，全行業18家聯合制堿工廠的氯化銨冷、鹽析結晶器的溫差，一般在2～3℃之間，最大3.9℃，最小1.1℃，平均冷析11.20℃，鹽析13.72℃，溫升2.52℃。大化集團堿廠搬遷后的生產，冷析10.5℃，鹽析13℃，溫差亦為2.5℃。代表著目前行業生產的平均水平。

3 結語和建議

3.1 適宜的溫升設計

可以認為，在鹽析結晶器13～14℃下操作，母液當量9～10m3／t，鹽析溫升按2.5℃進行設計和控制是適宜的。表3中No.4和No.5模擬近期聯合制堿生產，鹽析操作溫度13.5℃，溫升分別為2.48℃和2.57℃，其中軸流泵機械熱按1臺鹽析結晶器150kt／a規模計，逆料鹽析晶漿稠厚至60%（視體積固液比）的常規水平。表3中的No.3、No.6和No.7是為了論證氯化銨過程的能耗，軸流泵的機械熱統一按一臺鹽析結晶器300kt／a配套，為0.5116×104kJ／t的先進水平設計；而且為放寬逆料鹽析晶漿稠厚條件等原因，控制比較低的逆料鹽析晶漿固液比，視體積比50%進入冷析結晶器。關于逆料流程的能耗問題另議。由于提高鹽析結晶器的操作溫度能夠顯著的降低氯化銨制造過程的冰機制冷電能消耗，以及設備大型化和生產規?；仍?，冷析結晶器和鹽析結晶器之間的溫差仍有進一步縮小趨勢，No.6、No.7為預期操作，鹽析結晶器溫度提高到17.3～17.4℃達到了大多數聯合制堿工廠所在地的年平均氣溫，母液當量增加到10～11m3／t，鹽析結晶器的溫升將繼續縮減到1.4～2.0℃。

鹽析結晶器溫升5℃的概念，既然已不復存在，易誤導，且誤差愈大，應停止使用。

3.2 推薦如下范圍供聯合制堿工廠檢查或控制鹽析溫升

表4 推薦鹽析溫度與溫升

在這一控制范圍內，鹽析溫升小則可能是逆料晶漿的固液比低，夾帶進入冷析結晶器的母液Ⅱ量大；鹽析結晶器操作的鈉離子濃度低也會減小鹽析溫升。鹽析溫升過低會降低農用氯化銨產品的含氮量，而且因冷析結晶器半母液Ⅱ的總氯濃度過高，使氯化銨結晶粒度變小，應該避免。

反之，在推薦的控制范圍內，鹽析溫升大一些則好。但溫升過大，卻反映了鹽析結晶過程發生的機械熱，或者其它熱量比較大。冷析結晶器控制溫度比較低時，因濾液溫升等冷損失比較大，同樣會使鹽析溫升增大。

鹽析結晶器溫升過大或過小的現象，工廠可以根據自身條件通過技改或生產管理解決。

［1］ 中國純堿工業協會.純堿工學［M］.北京：化學工業出版社，1990

［2］ 李鶴廷，李竹溪.關于聯堿Ⅱ過程制冷量的討論［J］.純堿工業，1993（5）

［3］ 王楚.純堿生產工藝與設備計算［M］.北京：化學工業出版社，1995

［4］ 大連化工研究設計院，等.純堿工業生產技術經濟指標交流月報［G］，2008

［5］ 韓行治，楊春復.氯化銨結晶逆料流程技術的應用及改進［J］.純堿工業，1993（4）