氯化鉀熱溶結晶工藝中關鍵工序的探究

程先明 李昱昀 中藍長化工程科技有限公司 長沙 410116

氯化鉀在工農業生產中發揮著重要的作用，它不僅是重要的化肥原料和化工原料，還是臨床常用的電解質平衡調節藥。目前，由鉀石鹽制取氯化鉀的主要方法有溶解結晶法、浮選法和重介質選礦法等。熱溶結晶工藝可以得到較高純度和粒度的氯化鉀。德國某工廠、老撾中水電和青海鹽湖集團三元鉀肥公司已有熱溶結晶法工業裝置投入運行，該工藝可使含鉀<4%(wt)和含硫酸鈣>5%(wt)的低品質礦得到回收利用，并能生產出含鉀>98%(wt)的大顆粒氯化鉀產品。該工藝中，熱溶槽和結晶器兩大關鍵工序的選型和控制是重要環節。

1 熱溶結晶工藝原理

在高溫下用氯化鈉飽和母液來浸取鉀石鹽，氯化鉀溶解進入熱溶母液，氯化鈉則留在殘渣中；由于氯化鈉溶解度隨溫度變化不大，而氯化鉀溶解度隨溫度變化較大，當氯化鉀在高溫母液中熱溶達到飽和后，對熱溶母液進行冷卻，會有氯化鉀晶體析出，固液分離得到的母液經加熱后，返回熱溶工序，繼續溶解氯化鉀。

2 熱溶結晶工藝流程

熱溶結晶法生產工藝流程見圖 1。

圖1 熱溶結晶生產工藝流程

首先，將鉀石鹽、冷結晶母液和熱水按一定比例加入熱溶槽，溶解鉀石鹽中的氯化鉀，熱溶溫度一般控制在100 ℃左右。熱溶時，以控制氯化鉀全部溶解并達到飽和狀態為主。氯化鈉溶解飽和后，未溶解的氯化鈉及水不溶物從熱溶槽底部排出，經離心機脫水固體外排。熱溶母液經濃密機進一步澄清后，用泵送到真空冷卻結晶器，采用真空結晶法使氯化鉀在降溫過程中析出晶體并長大至一定的粒度；氯化鉀料漿經離心機固液分離、過濾后的冷結晶母液返回熱溶槽用于配制，濾餅經洗滌、干燥、造粒后得到合格的氯化鉀產品。

3 熱溶結晶關鍵工序

3.1 熱溶工序

工程實踐證明熱溶溫度越高，后續冷卻結晶析出的KCl純度越好。熱溶槽需設置導流筒，以免物料短路。通常根據鉀石鹽的組成和粒度，熱溶的停留時間控制在30～40min，熱溶溫度控制在95～105℃。高溫下，該體系對設備腐蝕較嚴重，熱溶槽本體和過流部件推薦選用碳鋼內襯Monel或純材Monel。

3.2 常用結晶器種類

氯化鉀結晶粒度對后續過濾、干燥、造粒影響較大。結晶是該流程中的關鍵工序，從穩妥的角度出發，擬采用國際先進技術和設備。目前，國外知名廠家有HPD和WHITING，在氯化鉀冷卻結晶器上都有工程業績。氯化鉀結晶設備一般選用真空冷卻結晶設備，可使溶液在真空狀態下絕熱蒸發，一部分溶劑被除去的同時溶液因為溶劑氣化帶走了一部分熱量，降低了溫度，從而使溶液達到了過飽和狀態。

目前，KCl結晶器主要有以下四種：

3.2.1 晶漿循環式的連續結晶設備

設備簡圖見圖2。

圖2 晶漿循環式的連續結晶設備簡圖

在進行工作時，原料由循環管下部加入與結晶室底部的晶漿充分混合均勻后，由循環泵送至加熱室，混合物質在加熱室被加熱后溫度上升，但不蒸發，熱的混合物很快使得溶液達到過飽和狀態，部分溶質被析出附著在管壁上，隨著溶質的不斷析出，晶體體積逐步增大。

3.2.2 DTB型 結晶器

設備簡圖見圖3。

圖3 DTB型結晶器簡圖

DTB型結晶是屬于典型的晶漿循環式結晶器，在結晶器內設置內導流筒，筒型擋板，從而形成循環通道。操作時熱飽合溶液連續加熱到循環管的下部與循環管內夾帶有小晶體的原液混合后由循環泵送至加熱器里，只需要很低的壓頭，就能使器內實現良好的內循環，同時結晶循環區和細晶沉淀區互不干擾，彼此獨立。DTB結晶器同時還采用了特殊設計的攪拌漿，轉速可以調節，且真空式的結晶器過飽和產生于液面，循環晶漿能夠迅速地消除過飽和，而且DTB型結晶器性能良好，生產能力大，設備內不易結疤，是生產氯化鉀主要的設備儀器之一。

3.2.3 OSLO 冷卻結晶器

設備簡圖見圖4。

圖4 OSLO結晶器簡圖

OSLO冷卻結晶器為晶體的生長提供了一個更為優良的場所，過飽和度產生的區域與晶體生長的區域分別設置在結晶器的兩端，晶體在母液循環液流中流化懸浮，溶液的過飽和產生于沸騰的液面，然后被送到結晶器的底部，在上升的過程中穿過晶體的床層，逐步消除過飽和，晶體逐漸變大。由于此工藝適用于溶解度曲線較大，且母液黏度不大的物料降溫結晶或蒸發結晶，因此也常被應用在氯化鉀的結晶生產過程中。

3.2.4 導流筒結晶設備

設備簡圖見圖5。

圖5 導流筒結晶設備簡圖

導流筒結晶設備是一種高效率的結晶設備。它具有傳輸效率高、配置簡單、操作方便、操作環境好等優點。

3.3 結晶的操作控制要點

3.3.1 料漿濃度

在較高的料漿濃度下操作(固體質量含量25%～30%)。其優點有三：①因為晶體總表面積增加5倍，使溶液過飽和度大大下降，從而避免結垢，大量減少在液面四周的鹽垢結壁現象；②提高料漿密度增加了晶體在生長區停留時間，可增大產品粒徑；③在較高的料漿密度下操作能提高晶體大小分布，同時提高操作的穩定性。

3.3.2 細晶的去除

工業上消除細晶一般采用加熱或加水溶解的方法。在溢流母液中，理想的細晶量僅為0.15%(wt)～0.3%(wt)。70年代中期美國斯溫森蒸發器公司發明，在DTB結晶器沉降區內采用徑向或軸向擋板，使沉降區截面可變。其作用是在改變溢流母液量的條件下，使母液上升速度不變，排出細晶大小不變，僅改變排出細晶的量，以便對沉降區出口細晶量單獨進行調節。

3.3.3 液位控制

液位對穩定操作極為重要，液位太高，使大量的晶漿帶不到沸騰表面，不能及時吸收產生的最大過飽和度，使氣液界面結垢速率加快；液位太低，過熱液體所產生蒸汽不易抑制，造成激烈沸騰，產生較多細晶。試驗表明，液位控制在導流筒上端150～200mm(即控制0.5～0.7D，D為導流筒直徑)較為合適。

3.3.4 循環泵的選擇

結晶器循環泵的正常連續運轉對結晶器穩定操作十分重要。由于結晶器內懸浮著大量KCl晶體，當泵發生故障時，淘洗腿中斷母液，失去淘洗作用，將致使大量晶體下沉堵塞管道，影響操作。

3.3.5 真空度控制

控制設備真空度，使其保持恒定，以達到恒定液溫，使結晶設備在介穩區范圍內操作，從而不產生大量細晶?？刹扇蓚€措施，一是噴射泵蒸汽恒壓，另一是絕壓控制。用一套DDZ調節器、負壓變送器、電氣轉換器、氣動薄膜閥來自動恒定真空度，確保溶液始終緩和沸騰。

3.3.6 結晶器底攪拌

攪拌速度對結晶粒度影響較大。適度的攪拌速度可使固體顆粒保持良好的懸浮狀態，讓晶體抵達液面及時吸收蒸發表面的不飽和度，使晶體繼續長大。但過大的攪拌速度容易產生細晶，推薦采用橡膠板等硬度適中的材質制造攪拌槳葉，以免晶體與攪拌槳碰撞產生破碎。攪拌轉速控制在50～70rpm，攪拌槳電機宜采用變頻，以便根據操作工況調節合適轉速。

3.3.7 結晶時間

氯化鉀晶體的結晶時間通過控速結晶器和細晶槽的容量及泵來控制，一般其結晶時間控制在4 h時以上。

4 結語

(1)綜上所述，熱溶和結晶是決定氯化鉀產品粒度和品質的關鍵工序。通常，熱溶的停留時間控制在30～40min，熱溶溫度控制在95～105℃。

(2)結晶器操作控制要點：在較高的料漿濃度下操作，一般固體質量百分含量控制在25%～30%；去除細晶有利于得到大顆粒的氯化鉀，通常溢流母液中細晶量質量百分比控制在0.15%～0.3%；液位控制在導流筒上端150～200mm；結晶時間控制在4h以上；攪拌轉速控制在50～70 rpm，攪拌槳電機宜采用變頻。

(3)熱溶結晶(或重結晶)工藝可用于生產高品質的氯化鉀、硝酸鈉、硝酸鉀、碳酸鋰等無機化工產品,本文對相關和相似工程具有一定的參考作用。