用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠.pdf

2001年 第22卷 第1期 华北工学院学报 VO1 22NO 12001 总第75期DJOURNAL OF NORTH CHINA IN TITUTE OF TECHNOLOGY Sum NO 75D 文章编号 1006 5431 2001D 01 0057 04 用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠 李淑萍 刘有智 华北工学院 化学工程系 山西 太原030051D 摘要 目的研究用DTB型结晶器从工业粗制芒硝中制取无水硫酸钠的工艺条件 方法采用真空蒸 发结晶法 结果得出了不同结晶条件对产品粒度及质量的影响 结论制得了符合国家标准的二级品 关键词 DTB型结晶器 真空蒸发结晶 芒硝 无水硫酸钠 中图分类号 O653文献标识码 A 无水硫酸钠又名元明粉 广泛用于生产硫化钠 水玻璃和群青等 还可用于制造玻璃 造纸 洗涤 剂 肥皂 染料 合成纤维 制革 医药和陶瓷等行业 是一种重要的化工原料 1 1 实验原理 生产无水硫酸钠的常用方法有芒硝脱水法 转化法 副产法 钙芒硝法等 芒硝脱水法又分为全溶 图1硫酸钠与水系统相平衡图 Fig 1The phase egui1ibrium Of Na2SO4 H 2O 蒸发脱水法 热融蒸发脱水法和热融盐析脱水法 2 作者采 用水环式真空泵产生真空 用 DTB 导流筒 档板D型结晶 器并用真空蒸发结晶法直接从工业粗制芒硝中结晶出无水硫 酸钠 该方法具有流程短 设备少 投资小 产品粒度 纯度 易控制等优点 根据物质相平衡图 1 如图1所示D 就可以确定以什么 形态把物质从溶液中结晶出来 从图 1中的曲线可以看出 硫酸钠的溶解度曲线有3个拐点A B C 其中B点的温度 为32 4 C 当 T 32 4 C 时 硫酸钠在水溶液中的溶解度随着温 度的升高而迅速增大 与饱和溶液呈平衡的固体是 10水硫 酸钠 而当32 4 C T32 4 C 硫酸钠溶液达到饱 和时 就会有无水硫酸钠开始析出 这就决定了从粗制芒硝 中制取无水硫酸钠时必须采用蒸发结晶法 2 结晶器的选择 DTB型结晶器是一种效能较高的结晶器 它能产生较大的晶粒 生产强度较高 器内不易产生结晶 收稿日期 2000 08 31 作者简介 李淑萍 1973 D 女 硕士生 从事专业 化工工艺 疤9可用于真空冷却 蒸发法 直接接触冷却法以及反应法的结晶操作0 型结晶器的构造如下 它的中部有一导流筒9在四周有一圆筒形挡板0在导流筒内接近下端处 有螺旋桨9以较低的转速旋转9悬浮液在螺旋桨的推动下9在筒内上升至液体表层9然后转向下方9沿导 流筒与挡板之间的环行通道流至器底9重又被吸入导流筒的下端9如此往复循环9形成接近良好混合的 条件0圆筒形挡板将结晶器分割为晶体生长区和澄清区9挡板与器壁间的环隙为澄清区9其搅拌的影响 已经消失0要使晶体得以从母液中沉降分离9只有过量的微晶可随母液在澄清区的顶部排出器外9从而 实现对微晶量的控制 结晶器的上部为气液分离空间9用于防止雾沫夹带9热的浓物料加至导流筒的下 方9晶浆由结晶器的底部排出0为了使所生产的晶体具有更窄的粒度分布9这种形式的结晶器在下部设 有淘析腿0 这种结晶器属于典型晶浆内循环结晶器9与无搅拌结晶罐 循环母液结晶器 强制外循环结晶器相 比9其效果要好的多9因此作者选择了 型结晶器0 3 实验方法 实验装置如图Z所示0 1 原液处理0由于该实验物系采用工业芒硝9其主要成分为 NaZSO4以及泥 沙 硫酸镁 硫酸钙 1 结晶器 Z 电机及减速机 3 水环式真空泵 4 烘箱 5 抽滤瓶 6 离心泵 7 加热器 8 搅拌器 9 进料口 10 出料口 图Z硫酸钠结晶实验装置图 Fig0Z he eguipment for crystallization of NaZSO4 氯化钠等0因此9在结晶前先将其溶解9再加入一 定量碳酸钠调节 p 值到99 然后进行抽滤9除去 溶液中的泥沙以及钙 镁离子9抽滤后再向溶液中 加硫酸中和过多的碳酸根离子至 p 值为79 加热 待用0 Z 结晶0将处理过的溶液倒入进料高位槽9 打开泵及加热器9调节真空度9保持恒温进行蒸 发9每隔Z h取样一次0当产品粒度或纯度不能达 到实验要求时9停止结晶9母液则返回蒸发器中循 环蒸发0 3 产品处理0当溶液温度低于 3Z04 C 时9 从硫酸钠水溶液中结晶出来的固体是 10 水硫酸 钠0所以对结晶出来的产品应进行快速抽滤9除去 水分9使成品含水率在 001 以下0为了防止 10 水硫酸钠析出9过滤后9可用事先加热至50 C的 蒸馏水洗涤晶体9但洗涤水用量不可太多9以免晶 体大量溶解0为了不使晶体溶解而减少结晶产量9 该实验采用加热的饱和液对晶体进行洗涤处理0 4 产品烘干0将产品放在恒温干燥箱内9温 度保持在140 C 9干燥1 h9然后进行粒度分析0 4 实验方案 对该实验的主要影响因素有 反应温度 进料浓度 搅拌速度 反应时间 表面活性剂 真空度等0 根据初步实验9这些因素都不同程度地对硫酸钠晶体粒度有影响0用正交设计方法进行实验9因素 水 平表如表1所示0 85 华北工学院学报 Z001年第1期 表1因素 水平表 Tab 1The table Of factOrs and levels 水平 因素ABCDEF 反应温度搅拌速度进料浓度反应时间真空度表面活性剂 160 C100 r min1 5 mOl L 6 h 0 06 Mpa 无 270 C80 r min2 0 mOl L 8 h 0 04 Mpa 有 正交实验结果如表2所示 从表2可以得出 要得到大颗粒无水硫酸钠 影响因素从大到小的顺序 依次为 E A DD C B FD 因素A与D B与F对粒度的影响程度几乎相同 但最佳工艺的选择应 综合考虑这两种因素的影响 其最佳工艺条件组合为 A2B1C2D2E2F2 表2正交设计表 Tab 2The table Of OrthOgOnal experiment 因 素 实验号 列 号 123456 ABCDEF 粒度 mm 1111111 2111222 3122112 4122221 5212122 6212211 7221121 8221212 极差 I1 35I1 65I1 40I1 35I1 30I1 55 分析 I1 85I1 55I1 80I1 85I1 90I1 65 R 0 50R 0 10 R 0 40R 0 50 R 0 6R 0 10 0 10 0 50 0 30 0 45 0 50 0 55 0 45 0 35 最佳工艺条件下实验产品的典型分析数据及国家标准 GB6009 85D如表3所示 表3最佳实验产品结果 Tab 3 The Optimal result Of experimental prOduct 指标实验产品国标二级规定指标实验产品国标二级规定 硫酸钠 Na2SO4D 100 98 2 98 52 98 0 水不溶物 1000 03 0 07 0 1 钙镁 以镁计D重量 100 0 07 0 25 0 30 氯化物 1000 35 0 63 0 70 水分 100 0 1 0 4 0 50 白度未检验 2 73 5 讨论 5 1 温度对结晶粒度的影响 当温度过高时 结晶速度较快 易使晶体中包藏杂质 使纯度下降 同时形成的晶核也较多 因而粒 度较小 但如果温度低 达到过饱和所需的时间长 所需能耗就大 如需得到大晶粒 高纯度的晶体 温 度在70 C时最佳 3 5 2 进料浓度对结晶粒度的影响 进料浓度高时 溶液愈接近饱和值 在同一加热条件下单位时间得到的过饱和液数量越多 单位时 95 总第75期D 用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠 李淑萍等D 间析出的晶体数量便越多 而得到的晶体粒度却越细 5 3 真空度对结晶粒度的影响 当真空度太高时 结晶产品纯度较低 粒度也较小 这是因为高真空度时 溶剂蒸发快 结晶速率 大 产生晶核多 所以 在真空度在0 04 MPa的蒸发条件下可得到较大和较纯的产品 5 4 搅拌速率对结晶粒度的影响 从实验结果可以看出 转速高时 结晶产品粒度较小 反之粒度较大 这是因为搅拌桨和晶桨接触 是二次成核的主要来源 搅拌桨转速越高 这两者接触的机会越多 晶体越易破碎 因而晶粒就越小 所 以 要制大晶粒 搅拌速率采用80 r min时为最佳 5 5 反应时间对结晶粒度的影响 一般来说 停留时间越长 结晶粒度越大 纯度较大 反之粒度越小 纯度越低 这是因为随着时间 的加长 溶液中溶质在晶体上生长的时间也越长 因而晶体越大 5 6 表面活性剂对结晶粒度的影响 在结晶过程中加入适量的十二烷基苯磺酸钠 可使产品粒度增大 这是因为十二烷基苯磺酸钠能改 变硫酸钠晶体外形 使硫酸钠晶体粗大 4 另外 通过晶体外形的改变 一定程度上可防止晶体结块 6 结论 1 真空结晶法能结晶出较大颗粒的无水硫酸钠 最佳工艺条件为 结晶温度 70 C 真空度 0 04 MPa 搅拌速度80 r min 有表面活性剂 反应时间8 h 进料浓度1 5 mol L 2 DTB型结晶器可通过控制回流量来调节粒度和纯度 操作起来十分方便 参考文献 1 天津化工研究院 无机盐工业手册 下册 M 北京 化学工业出版社 1981 286 297 2 苏 哈姆斯基E B 化学工业中的结晶 M 北京 化学工业出版社 1990 255 3 卢芳仪 卢爱军 由含硫酸钠的废液中直接制取无水硫酸钠 J 化工环保 1997 17 2 106 4 丁绪淮 谈遒 工业结晶 M 北京 化学工业出版社 1985 181 Using Vacuum EVaporation Crystalization to Get Anhydrous sodium sulfate LI shu ping LIU You zhi Dept of Chemical Engineering North China Institute of Technology Taiyuan 030051 China Abstract AimThe technological condition reguired to get anhydrous sodium sulfate from the industrial coarse mirabilite is discussed MethodsVacuum evaporation crystallzation is used ResultsThe influence on granularity and guality of the product under different condi tions is studied ConclusionThe product accords with the second class criterion of the Na tional standard Key word DTB crystallizator vacuum evaporation crystallizator sodium sulfate anhy drous sodium sulfate 06 华北工学院学报 2001年第1期 用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠 作者 李淑萍 刘有智 作者单位 华北工学院 化学工程系 刊名 华北工学院学报 英文刊名 JOURNA