硫酸鋇副產(chǎn)硫化堿蒸發(fā)器阻垢技術(shù)的應(yīng)用研究

荊小兵

(南風(fēng)化工集團(tuán)，山西運(yùn)城 044000)

硫酸鋇副產(chǎn)硫化堿蒸發(fā)器阻垢技術(shù)的應(yīng)用研究

荊小兵

(南風(fēng)化工集團(tuán)，山西運(yùn)城 044000)

分析了硫酸鋇聯(lián)產(chǎn)硫化堿蒸發(fā)器列管結(jié)垢的成分及原因，提出了通過控制硫酸鋇化合終點(diǎn)為芒硝過量和加入阻垢劑來達(dá)到防垢的目的。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并最終將其成功地運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。尤其是選用的“低相對分子質(zhì)量聚丙烯酸水溶液”阻垢分散劑阻垢效果比較理想，從而大大減少了清管次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

硫化堿;硫酸鋇;結(jié)垢;阻垢劑

南風(fēng)化工集團(tuán)鋇業(yè)分公司年產(chǎn)硫酸鋇4萬t，副產(chǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的硫化堿2萬t。蒸發(fā)過程中采用四效蒸發(fā)器，把硫化堿從5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的稀堿液濃縮到25%左右，保溫沉降分離雜質(zhì)后再單效真空蒸發(fā)至60%，然后制片、包裝為成品。由于稀堿液里含有飽和的BaSO4、Mg2+等，蒸發(fā)濃縮過程中很容易在列管內(nèi)壁形成沉淀，使得四效蒸發(fā)器的列管每隔8 d左右必須清洗一次。這不僅使年生產(chǎn)時間減少1個月，造成能源、原料、水的浪費(fèi)，生產(chǎn)成本升高，而且頻繁清垢還帶來了工人勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等問題。同時采用機(jī)械清垢會造成管內(nèi)壁損傷，縮短其使用壽命，而管內(nèi)壁粗糙度的加劇，使得結(jié)垢加速，形成了惡性循環(huán)。針對列管結(jié)垢問題，公司曾經(jīng)采取了多種處理措施，包括采用超聲波除垢、提高反應(yīng)體系溫度、控制反應(yīng)終點(diǎn)等，但效果都不理想。為了提高設(shè)備利用效率，降低工人勞動強(qiáng)度，增加企業(yè)效益，筆者進(jìn)行了硫酸鋇化合終點(diǎn)的控制和在稀堿液中加入阻垢分散劑來達(dá)到預(yù)防加熱管內(nèi)壁結(jié)垢的工業(yè)化研究應(yīng)用。

1 垢樣分析及除垢方法探討

1.1 蒸發(fā)器列管結(jié)垢的主要成分

通過采樣分析得到垢樣成分見表1。從表1可知:蒸發(fā)器列管內(nèi)垢的主要成分為 BaCO3、BaSO4、FeS及Mg(OH)2·3MgCO3。通過分析認(rèn)為:其中BaCO3是由于稀堿液中過量Ba2+與空氣中的CO2反應(yīng)生成的;BaSO4則是由于稀堿液逐漸濃縮造成BaSO4過飽和而析出的;FeS是由Na2S對碳鋼儲罐腐蝕帶入的;Mg(OH)2·3MgCO3是原料硝水遇到堿性溶液后帶入的。

表1 四效蒸發(fā)器垢樣分析結(jié)果 %

1.2 除垢方法探討

由于垢樣中最多的成分為BaCO3，首先通過控制化合終點(diǎn)為芒硝適當(dāng)過量來減少游離Ba2+含量，使得蒸發(fā)過程BaCO3含量降低，其他幾種成分難于避免，須采取其他除垢方法。

1.2.1 蒸發(fā)器除垢目前主要采用的方法

1)機(jī)械清垢。該辦法是國內(nèi)目前硫酸鋇行業(yè)的常用辦法，其不足之處前已述及。

2)化學(xué)除垢。上述幾種垢必須通過加入強(qiáng)酸才能溶解，由于罐內(nèi)介質(zhì)為強(qiáng)堿，因此，除垢前后必須要用大量的水清洗，否則清垢過程中會釋放大量的硫化氫氣體而危害人的安全;同時強(qiáng)酸溶液不可避免會對列管造成腐蝕，影響使用壽命。

3)在稀堿液中連續(xù)加入阻垢劑，蒸發(fā)時預(yù)防垢的生成和沉積。此方式能保證傳熱良好，可延長清垢周期或不再清垢，是較為合適的方法。

1.2.2 稀堿液蒸發(fā)濃縮特點(diǎn)

1)體積濃縮比高。堿液從40～50 g/L濃縮到200 g/L以上，濃縮比為5倍左右。2)工作溫度高。堿液溫度在100～120℃。3)強(qiáng)堿性體系。5%稀堿液已屬強(qiáng)堿體系，濃縮好的25%堿液堿性更強(qiáng)。4)濃縮好的堿液作為產(chǎn)品，要求雜質(zhì)含量低。

1.2.3 阻垢劑的選擇應(yīng)滿足的條件

1)以分散作用為主，能夠?qū)饪s過程中析出的不溶物穩(wěn)定懸浮在堿液中。2)耐高溫、耐強(qiáng)堿、不具有對金屬離子的螯合作用。3)加量要少，不能影響產(chǎn)品質(zhì)量，成本增加不高。4)使用方便，操作簡單。5)濃縮后的25%堿液澄清效果好，成品堿不溶物達(dá)標(biāo)。

1.2.4 阻垢機(jī)理及阻垢劑的選擇

凡能控制產(chǎn)生泥垢和水垢的藥劑稱之為阻垢劑。早期采用的阻垢劑多半是天然成分經(jīng)過適當(dāng)加工后的物質(zhì)，如磺化木質(zhì)素、丹寧等。近年來，常用的阻垢劑有:合成有機(jī)聚合物(聚丙烯酸、聚馬來酸酐及其鈉鹽等)、無機(jī)聚合物(三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉等)。隨著高濃縮比、高溫、高堿度等苛刻的阻垢體系的出現(xiàn)，磷酸鹽、磷酸酯、磷羧酸等新型阻垢劑應(yīng)運(yùn)而生［1－2］。

阻垢機(jī)理概括起來有以下3種類型［3］:1)用陰離子型或非離子型的聚合物把膠體顆粒包圍起來，使它們穩(wěn)定在分散狀態(tài)，這類藥劑稱為分散劑。2)把金屬離子變成一種螯合離子或絡(luò)合離子，抑制其和陰離子結(jié)合產(chǎn)生沉淀物，這類藥劑稱為螯合劑和絡(luò)合劑。3)利用高分子混凝劑的凝聚架橋作用，把膠體顆粒結(jié)成礬花，懸浮在水中。

阻垢劑種類較多，篩選出最佳的阻垢劑是研究的關(guān)鍵。對阻垢性能產(chǎn)生影響的幾個因素有:1)相對分子質(zhì)量。研究和應(yīng)用結(jié)果表明，阻垢劑只有在一定的相對分子質(zhì)量范圍內(nèi)，阻垢才是高效的。2)阻垢性能與藥劑量的關(guān)系。一般情況下，阻垢性能與藥劑加量成正比，加量偏少阻垢性能較差，偏多則成本加大。3)工況條件是否滿足阻垢劑的使用要求。有些阻垢劑高溫下易水解，化學(xué)穩(wěn)定性差，影響性能的發(fā)揮。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 原料及儀器

阻垢劑:廠家提供;稀堿液:南風(fēng)集團(tuán)鋇業(yè)分公司提供。

調(diào)速攪拌器;2 500 mL燒杯;2 kW電爐;2 000、1 000 mL量筒;電子天平(精度為0.000 1 g)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

先用量筒量取一定體積的已澄清好的稀堿液放入塑料桶中，然后按加量(mg/L)在電子天平上將阻垢劑稱量好倒入塑料桶內(nèi)。用玻璃棒將阻垢劑與稀堿液混合均勻后移入2.5 L的燒杯中，在2 kW電爐上加熱濃縮(液位控制在2/3刻度處)。期間不斷補(bǔ)充堿液維持液位，在攪拌的情況下直到堿液質(zhì)量濃度達(dá)到1 180 g/L以上終止蒸發(fā)。將堿液倒入1 000 mL量筒中記錄澄清時間，同時觀察杯底結(jié)垢情況。對于阻垢效果及澄清效果均較好的堿液，將其再濃縮至硫化堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%并制成黃片堿。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

幾種阻垢劑阻垢效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。從表2可以看出:2#及3#均表現(xiàn)良好，但由于2#阻垢劑價格較高，且為粉劑，因此最終選擇的阻垢劑為3#。

表2 幾種阻垢劑阻垢效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 工業(yè)化應(yīng)用

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室初步實(shí)驗(yàn)后，于2011年3月在南風(fēng)集團(tuán)鋇業(yè)分公司開始了工業(yè)化運(yùn)行。工業(yè)化運(yùn)行情況見表3。生產(chǎn)實(shí)踐說明:清垢周期由原來的8 d一次延長到25 d左右，并且垢質(zhì)變得疏松易清。為了避免黃片堿顏色不均勻現(xiàn)象，降低Fe含量及成本，工廠控制阻垢劑加量在5 mg/L。到目前為止應(yīng)用正常，產(chǎn)品質(zhì)量與銷售沒有出現(xiàn)任何問題。

表3 工業(yè)化運(yùn)行情況

硫酸鋇聯(lián)產(chǎn)的硫化堿屬于低鐵硫化堿，產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該達(dá)到GB/T 10500—2000中的2類要求。加入阻垢劑后的產(chǎn)品質(zhì)量與GB/T 10500—2000中的2類指標(biāo)對比結(jié)果見表4。

表4 加入阻垢劑后的產(chǎn)品質(zhì)量與GB/T 10500—2000中的2類指標(biāo)對比

4 效益分析

阻垢劑的加入，其效益主要體現(xiàn)在生產(chǎn)效率的提高及人工與材料成本的降低兩個方面。加入阻垢劑后不僅生產(chǎn)效率提高，而且年增加效益近50萬元(原來每月的材料及人工費(fèi)用約1萬元，按10個月計10萬元，加熱管更換等經(jīng)濟(jì)損失38萬元以上);阻垢劑在稀堿液中加量為15 g/m3時效果最佳，按生產(chǎn)1 t黃片堿消耗14 m3稀堿液計算，生產(chǎn)1 t產(chǎn)品的阻垢劑成本僅為2元，而產(chǎn)品售價3 000元/t，故阻垢劑成本可忽略不計。

5 結(jié)論

1)通過對多種阻垢分散劑阻垢效果、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的硫化堿澄清度、黃片堿水不溶物含量等指標(biāo)的比較，篩選的阻垢劑為“低相對分子質(zhì)量聚丙烯酸水溶液”阻垢分散劑。2)經(jīng)過工廠試驗(yàn)，確定阻垢劑的加入量為5 mg/L，清垢時間由原來的8 d/次提高到25 d/次。3)加入阻垢劑后，經(jīng)過與國標(biāo)對比和客戶應(yīng)用，產(chǎn)品沒有任何質(zhì)量問題。

［1］ 李子彬，王汝龍.中國化工產(chǎn)品大全(下卷)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1994:1102－1110.

［2］ 陸柱，蔡蘭坤，陳中興，等.水處理藥劑［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:315－322.

［3］ 金熙，項(xiàng)成林，齊冬子.工業(yè)水處理技術(shù)問答及常用數(shù)據(jù)［M］.2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:322－349.

TQ132.35

B

1006－4990(2012)01－0046－03

2011－09－15

荊小兵(1967— )，男，化工工程師，從事無機(jī)化工研究與設(shè)計工作。

聯(lián)系方式:jxb38@tom.com