硝酸钾真空冷却结晶工艺
第34卷第5期化 学 工 程Vol . 34No . 5
2006年5月CHE M I CAL E NGI N EER I N G (CH I N A ) M ay 2006
硝酸钾真空冷却结晶工艺
沈晃宏, 张 罡
1
2
(1. 湖南理工学院化工系, 湖南岳阳 414000; 2. 岳阳市钾盐科学研究所, 湖南岳阳 414000)
摘要:介绍了真空冷却结晶技术应用于硝酸钾生产的工艺原理与过程。确定了硝酸钾溶液真空冷却结晶操作条件为, 真空度2339Pa, 结晶时间2. 0h, 冷却终点温度30℃。优势, 需要的冷却水量大幅度减小, 冷却速度快, 冷却均匀, 干净卫生, 。关键词:硝酸钾; 真空冷却; 结晶工艺
中图分类号:T Q 441. 22; T Q 440. 6 29954(2006) 0520016203
Cryst assi u m n itrate by cooli n g i n vacuu m
SHEN Huang 2hong , ZHANG Gang
1
2
(1. Depart m ent Che m istry and Che m ical Engineering, Hunan I nstitute of Science and Technol ogy,
Yueyang 414000, Hunan Pr ovince, China; 2. Hunan Yueyang Research
I nstitute of Kali Salt, Yueyang 414000, Hunan Pr ovince, China )
Abstract:The p rinci p le of crystallizati on technol ogy by cooling in vacuu m during p r oducti on of potassium nitrate was described . The conditi ons of crystallizati on are vacuu m degree of 2339Pa, ti m e peri od of 2h, the ter m inal cooling te mperature of 30℃. Compared with traditi onal methods of jacketed cooling and ser pentine cooling, the crystallizati on method of vacuu m cooling has such advantages as s maller a mounts of cooling water, faster rate, more unifor m ity, and more cleanness, etc . , which is one of the devel opment directi on of crystallizati on technol ogy at p resent .
Key words:potassiu m nitrate; cooling in vacuum; crystallizati on p r ocess
真空冷却技术是一种现代先进的冷却技术, 它的开发应用己有50多年历史, 1948年美国加利福尼亚州建成了世界上第一座真空冷却工厂用作莴苣的采后冷却研究
[2]
[1]
于硝酸钾能很好地克服夹套或蛇管冷却结晶存在的缺点。本文简要介绍了真空冷却结晶在硝酸钾生产中的应用。1 真空冷却原理
, 1966年日本也开始真空冷却技术的
。我国在20世纪80年代中后期才开始真空
冷却技术的研究, 现己在烤肉制品、焙烤食品、水产品等食品冷却方面成功采用了真空冷却技术; 20世纪90年代初我国首次在化工生产中将真空冷却结晶用于氯酸钠冷却结晶, 取得了理想效果
[3]
-
硝酸钾工艺溶液主要为K 、Na 、NH 4//Cl、NO 32H 2O 体系混合溶液。由于溶液中存在不挥发
+++-
的溶质物质, 因而阻碍了溶液中水的汽化, 所以溶液的沸点要高于纯水在同一压强下的沸点, 也就是高于所形成的二次蒸汽的温度
[4]
。
目前, 我国硝酸钾生产装置中的硝酸钾冷却结晶绝大部分是采用夹套或蛇管冷却结晶, 存在釜容积小, 耗水量大, 结垢现象严重, 传热系数很低, 冷却不均匀, 结晶效果差, 产品质量不稳定等缺点。为了克服以上缺点, 我们根椐真空冷却结晶用于氯酸钠冷却结晶的成功经验, 开发了真空冷却结晶技术应用于硝酸钾冷却结晶, 实践表明, 真空冷却结晶应用
。硝酸钾工艺溶液
沸点与溶液溶质组成性质、浓度、压强都有关系。对于一定溶质组成的硝酸钾工艺溶液, 在不同压力条件下, 溶液沸点也不同, 而且压力越低, 溶液沸点也越低。同时压力越低, 溶液中水蒸发潜热反而越高。如在100kPa 的压力下, 我们实验测定了某硝酸钾工艺溶液沸点是117℃, 纯水沸点是100℃, 纯水蒸
作者简介:沈晃宏(1947—) , 女, 高级实验师, 主要从事钾盐科研工作, 电话:(0730) 8847079, E 2mail:[email protected] 。
沈晃宏等 硝酸钾真空冷却结晶工艺
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发潜热为2256kJ /kg; 在压力下降到610Pa 时, 测
得硝酸钾工艺溶液沸点是9℃。纯水沸点是0℃, 纯水蒸发潜热为2500kJ /kg 。由此可见, 随着压力的降低, 硝酸钾工艺溶液沸点也越低, 蒸发单位质量的水所消耗的热量反而增加。
真空冷却基本原理就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, 使溶液热力学能减少, 从而使溶液温度下降, 这种冷却方式就是真空冷却。由此可知, 真空冷却既有蒸发效应又有致冷效应, 也就是同时起到移去水分与冷却溶液的作用。[6]
区。
相对于风冷、, 真空冷却速度快, 冷却均匀, 干净卫生, 不需要冷却介质, 是自身冷却过程, 能量利用系数(显热/电能) 达到2. 65, 而水冷与风冷能量利用系数分别只有
[7]
1. 20与0. 52。因此, 真空冷却技术是一种现代先进的冷却技术, 现代结晶都是尽可能优先考虑选用真空冷却结晶。
2 真空冷却结晶工艺过程
[5]
晶终点温度。
3 真空冷却结晶器操作与控制3. 1 真空度控制
真空冷却结晶器的操作压力必须严格控制, 因
为它的变化直接影响结晶终点温度。真空冷却结晶器的操作压力可按下列方法确定。
硝酸钾溶液在各种压强下的沸点可用Duhring 。此法依据是:某溶液
(t 1-t 2) 与另一标准(t 3-t 4) , 其比值为k =
t -t t 3-t 4
(1)
8]
为了计算出硝酸钾溶液k 值, 可用水作标准液体, 因为水的沸点与压强的关联数据最易查得, 我们在实验室模拟配制了同生产实际相同的硝酸钾溶液, 通过抽真空减压, 测定出几组不同压力条件下硝酸钾溶液沸点温度值, 在100kPa 下, 测定了硝酸钾工艺溶液沸点是117℃, 纯水沸点是100℃; 在压力下降到19910Pa 时, 测得硝酸钾工艺溶液沸点是74℃。纯水沸点是60℃; 在压力下降到610Pa 时, 测得硝酸钾工艺溶液沸点是9℃, 纯水沸点是0℃, 再根据式(1) 计算出k =1. 080。
设硝酸钾溶液在真空冷却结晶器内达到冷却结晶终点温度时, 硝酸钾溶液所处压强为p , 根据式(1) 可以推导出, 在压强为p 条件纯水的沸点温度值近似计算公式为
t 4=100-0. 926×(t 1-t 2)
(2)
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。冷凝器采用列管式冷凝器。用低温冷却水将由真空结晶器引入冷凝器的水蒸气加以冷凝。真空泵采用蒸汽喷射真空泵。维持真空结晶器内一定真空度, 并排出不凝性气体, 需采用多级蒸汽喷射真空泵。
真空冷却结晶工艺过程是: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, 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致冷。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, 与此同时从溶液中吸收热量, 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可被真空泵抽走, 通过冷凝器时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, 当达到稳定状态后, 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
式中, t 1为硝酸钾溶液在100kPa 条件下的沸点温度值; t 2为硝酸钾溶液在压强为p 条件下的沸点温度值; t 4为纯水在压强p 条件下的沸点温度值。
实际生产中, 在常压条件下, 硝酸钾溶液沸点117℃, 硝酸钾溶液冷却结晶终点温度为30℃, 在不考虑硝酸钾溶液体积变化条件下, 硝酸钾溶液在真空冷却结晶器内结晶终点温度也应为30℃, 又知常压条件下, 纯水沸点为100℃, 根据式(2) 近似计算t 4=100-0. 926×(117-30) =19. 4, 即t 4=19. 4℃。查得纯水在沸点温度为19. 4℃条件下,
其饱和蒸汽压力约为2339Pa 。因此保持硝酸钾溶液在真空冷却结晶器内绝对压力为2339Pa 时, 可以实现溶液冷却结晶终点温度。3. 2 结晶时间的控制
晶核的生成是瞬时进行的快走过程, 但晶核生
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化学工程 2006年第34卷第5期
长成大颗粒晶体是需要一定的时间。长期生产实践经验表明, 当硝酸钾晶体生长到一定的程度后, 晶体生长速度趋近于0, 不再长大, 在常压条件下, 硝酸钾结晶时间控制在1. 5h 即可。由于真空冷却结晶器内绝对压力低于常压, 硝酸钾结晶时间应控制在1. 5h 以上, 实践经验表明, 在真空冷却结晶内绝对压力为2339Pa 以上时, 硝酸钾结晶时间控制在210h 即可。4 真空冷却结晶特点
(3) 真空冷却结晶过程中, 由于闪急蒸发, 沸腾
界面上的雾滴飞溅是很严重的, 这些雾滴包含有大
量硝酸钾, 很容易粘在结晶器壁与管道壁上形成晶垢, 因此, 在生产过程中需要定期清洗以避免结晶器与管道截面逐渐缩小而带来的能力下降, 可见真空冷却结晶并不是完全消除了结垢现象。5 结论
(1) , 现
根据真空冷却结晶在硝酸钾生产中的应用情况
来看, 它相对于夹套与蛇管具有以下优点:
(1) 时, , 高, , , 许多企业在夏季因冷却水温过高, 不能生产, 被迫停产, 有些厂采用制冷装置先将冷却水降温后再使用, 大大增加了设备投资与能耗。而采用真空冷却结晶时, 需要冷却水量大幅度减小, 如果夏季冷却水温过高, 真空冷却结晶器所产生的水蒸气不能被冷却水冷凝, 则可使用蒸气喷射增压器将水蒸气在进入冷凝器之前先加以压缩以提高其冷凝温度。
(2) 采用夹套与蛇管用于硝酸钾溶液冷却结晶时, 换热表面溶液过饱和度往往过大, 依靠搅拌溶液很难实现均匀冷却, 而采用真空冷却结晶时, 真空冷却结晶主要是在沸腾液面上进行, 冷却速度快, 冷却均匀, 结晶大小均匀, 产品质量稳定, 容易分离。
(3) 由于真空冷却结晶器绝对密封, 不需要外来传热介质参与, 任何飞尘都无法进入, 产品不易受污染, 干净卫生, 这对保证产品质量有好处。
(4) 采用夹套与蛇管用于硝酸钾溶液冷却结晶时, 换热面存在大量结垢, 不仅严重影响冷却效果, 生产效率十分低下, 而且清除垢层劳动强度很大, 这个问题过去一直困扰着企业, 采用真空冷却结晶能很好解决这个问题, 基本上避免了大量结垢现象, 清理周期延长。
但是, 在生产实践中, 真空冷却结晶还存在以下缺点:
(1) 真空冷却结晶设备投资大, 一般比换热器冷却系统投资高2倍以上, 设备操作与检修也很复杂, 目前不易推广普及。
(2) 目前只能进行间歇式操作, 还没有实现连续化生产。
。因。
还刚刚开始, 实践表明, 真空冷却结晶应用于硝酸钾生产时, 它比传统的夹套与蛇管冷却结晶具有显著优势, 它需要冷却水量大幅度减小, 冷却速度快, 冷却均匀, 干净卫生。
(3) 真空冷却结晶应用于在硝酸钾生产目前存在的缺点主要是, 设备投资巨大, 操作控制复杂, 还没有实现连续化生产, 因此还不宜推广普及。
(4) 今后我国应加强真空冷却结晶在硝酸钾应用中的传热与传质机理、压力控制、温度控制、真空冷却结晶系统优化节能等方面研究, 设计开发出能大规模连续化生产的高效节能硝酸钾真空冷却结晶装置。参考文献:
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