Использование энергосберегающих технологий для кристаллизации сульфата натрия (стр. 2 из 12)

Кристаллизацией называют выделение твердой фазы в виде кристаллов главным образом из растворов и расплавов. Каждому химическому соединению обычно соответствует одна или несколько кристаллизационных форм, отличающихся положением и числом осей симметрии. Явление образования нескольких кристаллических форм данного химического соединения носит название полимер.

Кристаллы, выделяющиеся с молекулами воды, называются кристаллогидратами. Причем, в зависимости от условий кристаллизации, одно и то же вещество может кристаллизоваться с различным числом молекул воды. Осуществляемая в промышленности кристаллизация называется массовой.

Обычно массовую кристаллизацию проводят, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет удаления части растворителя.

В производственных условиях процесс кристаллизации состоит из следующих операций: собственно кристаллизации, отделение кристаллов от маточного раствора, перекристаллизации (при необходимости), промывки и сушка кристаллов.

Известны следующие способы кристаллизации: кристаллизация с удалением части растворителя, кристаллизация с охлаждением или нагреванием раствора, комбинированные способы.

Способом удаления частичного растворителя проводится или его испарением или вымораживанием. Наиболее распространено испарение. Растворитель испаряют в выпарных аппаратах, подводя к нему тепло извне, через стенку. После достижения нужной степени пресыщения, как правило, в тех же аппаратах осуществляют и кристаллизацию. Способ называется изотермическим.

Общий недостаток способа – это отложение солей (кристаллов – инкрустация) на теплопроводящих поверхностях, одновременно концентрируются примеси, содержащиеся в растворе.

Способ кристаллизации с изменением температуры раствора называют еще изогидрическим, т.к. он осуществляется при постоянном содержании в растворе растворителя.

К комбинированным способам относятся вакуум – кристаллизация, кристаллизация с испарением части растворителя в токе носителя и дробная кристаллизация.

При вакуум - кристаллизации испарение растворителя происходит не путем подвода тепла через стенку, а за счет отдачи раствором своего физического тепла, которое расходуется на испарение части растворителя.

Кристаллизация с испарением части растворителя в токе носителя (воздуха) происходит за счет испарения и охлаждения раствора при этом.

Дробная кристаллизация – это последовательное выделение из раствора ряда растворенных в нем веществ.

Проведение кристаллизации выше указанными способами требует значительных энергозатрат. Поэтому повышение экономичности процесса кристаллизации является важной задачей снижения неоправданно высоких расходов.

На второй стадии кристаллизации, где сульфат натрия кристаллизируется в вакуумных испарителях – кристаллизаторах в виде безводного сульфата натрия процесс кристаллизации проводится в аппаратах с естественной циркуляцией раствора.

Этот метод реализуется в ОАО «Балаковские волоконные материалы».

Общий недостаток кристаллизации при выпаривании – это отложение кристаллов (инкрустация) на теплопроводящих поверхностях. Этот недостаток присутствует и в аппаратах с естественной циркуляцией, работающих в системе кристаллизационных установок ОАО.

Инкрустация при работе испарителей – кристаллизаторов с естественной циркуляцией раствора является неприятным фактором, снижающим их производительность и приводящим к частным остановкам аппаратов для чистки и промывки (примерно 1 раз в смену один аппарат останавливается на чистку и промывку). При этом чистка аппаратов требует значительных трудозатрат во вредных условиях – выделение сероуглерода и сероводорода и агрессивная среда (серная кислота).

Указанный недостаток частично можно устранить переводом процесса работы вакуумного испарителя – кристаллизатора на работу с принудительной циркуляцией раствора.

Отложение солей на греющих поверхностях выпарных аппаратов – кристаллизаторов приводит также к уменьшению коэффициента теплопередачи, а, следовательно, и производительности. У аппаратов с естественной циркуляцией при этом понижается скорость циркуляции, кипение начинает заглубляться в трубки, вызывая усиление отложений, что в свою очередь воздействует на циркуляцию, которая становиться неустойчивой. Этот процесс со временем прогрессирует. Естественно поэтому стремление организовать в контуре аппарата искусственную (принудительную) циркуляцию с помощью специального насоса, которая бы не зависела от изменения тепловой нагрузки.

По своему устройству аппарат с принудительной циркуляцией в основном аналогичен аппаратам с естественной циркуляцией, разница заключается в основном в наличии циркулярного насоса.

При выпаривании в таких аппаратах растворов «на кристалл» образование и рост кристаллов происходит из пересыщенного раствора. При установившемся режиме работы аппарата процесс выпаривания носит циклический характер.

Из сепаратора циркулирующий раствор, содержащий кристаллы соли, при температуре, практически равной температуре кипения в сепараторе, поступает в греющие трубки аппарата, где воспринимает тепло греющего пара. Перегретый раствор выходит из трубок в подъемную трубку, где закипает.

Температура раствора понижается до температуры кипения в сепараторе, а освободившейся тепло идет на образование вторичного пара. При удалении части растворителя из насыщенного раствора в виде пара возникает пресыщение раствора, вследствие чего происходит образование зародышей и рост уже имеющихся кристаллов, т.е. пресыщение снимается. Смешавшись с новой порцией исходного раствора и, снимая по пути пресыщение, раствор вновь поступает в трубку – цикл замыкается.

Экспериментальные данные показывают, что за время пребывания циркулирующего раствора в растворном пространстве пресыщение снимается не полностью и раствор поступает в греющую трубку с каким то остаточным пресыщением. Если не принять особых мер конструктивного и технологического порядка, то инкрустация пойдет настолько быстро, что уже через несколько часов работы придется останавливать аппарат на промывку.

СвердНИИХИММАШем проведены работы по снижению инкрустации и предложен способ, который заключается в накоплении кристаллов кристаллизующихся веществ в циркулирующем растворе, с целью создания большего числа центров кристаллизации для быстрого снятия пресыщения. Применение данного способа (при этом в циркулирующем растворе содержалось от 10 до 30 % сульфата), позволило увеличить беспромывочный срок до 3-х суток, причем коэффициент теплопередачи не снижается относительно первоначального.

Метод выпаривания – кристаллизации с принудительной циркуляцией раствора рекомендуется в данном проекте.

2. Технологические расчеты

2.1 Расчет количества глауберовой соли и сульфата натрия

При полной регенерации осадительной ванны на каждую тонну волокна требуется удалить 357 кг. Сульфата натрия безводного, или в воде глауберовой соли – 858,2 кг. (данные ОАО «Балаковские химические волокна»)

В расчете на 120 т в сутки волокна удаляется безводного сульфата натрия: 357 * 120 = 42840 кг/сутки, или

что соответствует количеству глауберовой соли:

= 4047,7

где 322 и 142 – молекулярные массы Na ₂SO ₄ * 10 H ₂O и Na ₂SO ₄ соответственно.

Количество ванны, направляемой на кристаллизацию. Согласно производственных данных при кристаллизации с каждого м ³ ванны удаляется 100 кг сульфата натрия в виде безводного сульфата. Требуется направить на кристаллизацию осадительной ванны:

, или 1785/100=17,85 м ³/ч

Состав осадительной ванны, поступающей на кристаллизацию:

H ₂SO ₄ – 110 – 150 г/л

2 г/л

Na ₂SO ₄ – 320

20 г/л

ZnSO ₄ – 13-16 г/л

Плотность – 1,27 - 1,34 г/см ³

(согласно норме технологического режима), или принятой для расчета:

H ₂SO ₄ – 150 г / л

Na ₂SO ₄ – 320 г / л

ZnSO ₄ –16 г/л

Вода – 854 г/л

1340 г/л

Содержание компонентов в осадительной ванне, поступающей на кристаллизацию:

H ₂SO ₄: 150 * 17,85 = 2677,5 кг/ч;

где 17,85 м ³/ч – объем осадительной ванны, поступающей на кристаллизацию:

Na ₂SO ₄ – 320 * 17,85 = 5712 кг / ч

ZnSO ₄ –16 * 17,85 = 285,6 кг / ч

H ₂O – 854 * 17,85 = 15234,9 кг/ч

Итого: 23919 кг/ч

В процессе кристаллизации из ванны выкристаллизовывается 100 кг/м ³ ванны безводного сульфата натрия, что составит:

100 * 17,85 = 1785 кг / ч Na ₂SO ₄ , или

= 4047,68 кг / ч Na ₂SO ₄ * 10 H ₂O

С глауберовой солью уносится воды:

4047,68 – 1785 = 2262,68 кг/ч

Содержание компонентов в осадительной ванне (маточном растворе), поступающий на плавку (обезвоживание в плавильном котле):