用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠

1、pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2001 年 第 22 卷 第 1 期 ( 总第 75 期) 华北工学院学报 JO URNAL O F NO RTH CH INA INST ITUTE O F TECHNOLO GY . V o l 22N o. 12001 ( Sum N o. 75) 文章编号: 100625431 ( 2001) 0120057204 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 030051) 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、

2、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 1 芒硝脱水法又分为全溶 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 D TB ( 导流筒 - 档板) 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) , 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

3、解度曲线有 3 个拐点 A , B , C , 其中 B 点的温度 为 32. 4 . 当 T < 32. 4 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 < T < 233 时, 硫酸钠在水溶液中的溶 解度随温度的变化很小, 与饱和溶液呈平衡的固体是斜方型 无水晶体硫酸钠. 因此, 当 T > 32. 4 , 硫酸钠溶液达到饱 图 1硫酸钠与水系统相平衡图 和时, 就会有无水硫酸钠开始析出. 这就决定了从粗制芒硝 F ig. 1T he p ha se equ ilib rium of N

4、 a 2SO 4 2H 2O 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 D TB 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: 2000208231 作者简介: 李淑萍 (1973- ) , 女, 硕士生. 从事专业: 化工工艺. 摘要: 目的研究用 D TB 型结晶器从工业粗制芒硝中制取无水硫酸钠的工艺条件 1 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: D TB 型结晶器; 真空蒸发结晶; 芒硝; 无水硫酸钠 中图分类号: O 653文献标识码:

5、 A 58 华北工学院学报 2001 年第 1 期 疤, 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 . . D TB 型结晶器的构造如下: 它 的中部有一导流筒, 在四周有一圆筒形挡板 在导流筒内接近下端处 有螺旋桨, 以较低的转速旋转, 悬浮液在螺旋桨的推动下, 在筒内上升至液体表层, 然后转向下方, 沿导 流筒与挡板之间的环行通道流至器底, 重又被吸入导流筒的下端, 如此往复循环, 形成接近良好混合的 条件 圆筒形挡板将结晶器分割为晶体生长区和澄清区, 挡板与器壁间的环隙为澄清区, 其搅拌的影响 . 已经消失. 要使晶体得以从母液中沉降分离, 只有过量的微晶可随母液在澄清

6、区的顶部排出器外, 从而 实现对微晶量的控制 1 结晶器的上部为气液分离空间, 用于防止雾沫夹带, 热的浓物料加至导流筒的下 方, 晶浆由结晶器的底部排出. 为了使所生产的晶体具有更窄的粒度分布, 这种形式的结晶器在下部设 有淘析腿. 这种结晶器属于典型晶浆内循环结晶器, 与无搅拌结晶罐、循环母液结晶器、强制外循环结晶器相 比, 其效果要好的多, 因此作者选择了 D TB 型结晶器 . 3实验方法 实验装置如图 2 所示. ( 1) 原液处理 由于该实验物系采用工业芒硝, 其主要成分为 N a 2 SO 4 以及泥、沙、 . 硫酸镁、硫酸钙、 氯化钠等. 因此, 在结晶前先将其溶解, 再加入一

7、 定量碳酸钠调节 pH 值到 9, 然后进行抽滤, 除去 溶液中的泥沙以及钙、镁离子, 抽滤后再向溶液中 加硫酸中和过多的碳酸根离子至 pH 值为 7, 加热 待用 . ( 2 ) 结晶 将处理过的溶液倒入进料高位槽, . 打开泵及加热器, 调节真空度, 保持恒温进行蒸 发, 每隔 2 h 取样一次. 当产品粒度或纯度不能达 到实验要求时, 停止结晶, 母液则返回蒸发器中循 环蒸发. ( 3 ) 产品处理 当溶液温度低于 32. 4 时, . 从硫酸钠水溶液中结晶出来的固体是 10 水硫酸 钠 所以对结晶出来的产品应进行快速抽滤, 除去 . 水分, 使成品含水率在 0. 1% 以下. 为了防止

8、 10 水硫酸钠析出, 过滤后, 可用事先加热至 50 的 蒸馏水洗涤晶体, 但洗涤水用量不可太多, 以免晶 体大量溶解. 为了不使晶体溶解而减少结晶产量, 该实验采用加热的饱和液对晶体进行洗涤处理. ( 4) 产品烘干 将产品放在恒温干燥箱内, 温 . 度保持在 140 , 干燥 1 h, 然后进行粒度分析. 1- 结晶器; 2- 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 2硫酸钠结晶实验装置图 F ig. 2T he equ ipm en t fo r crysta lliza t

9、ion of N a 2 SO 4 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 . 根据初步实验, 这些因素都不同程度地对硫酸钠晶体粒度有影响 用正交设计方法进行实验, 因素- 水 . 平表如表 1 所示. ( 总第 75 期) 用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠 ( 李淑萍等) 表 1因素- 水平表 . Tab 1 T he tab le of facto rs and levels 59 因素 水平 1 2 A B C D E F 反应温度 60 70 搅拌速度 100 r m in 80 r m in 进料浓度 1. 5 m o l

10、L 2. 0 m o l L 反应时间 6h 8h 真空度 0. 06 M Pa 0. 04 M Pa 表面活性剂 无 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 (D ) - C - B ( F ). 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: A 2B 1C 2D 2 E 2 F 2. 表 2正交设计表 . Tab 2T he tab le of o rthogona l exp eri en t m 列 因 实验号

11、1 2 3 4 5 6 7 8 号 素 1 A 2 B 3 C 4 D 5 E 6 粒度 mm F 1 1 1 1 2 2 2 2 1. 35 1. 85 R 0. 50 1 1 2 2 1 1 2 2 1. 65 1. 55 R 0. 10 1 1 2 2 2 2 1 1 1. 40 1. 80 R 0. 40 1 2 1 2 1 2 1 2 1. 35 1. 85 R 0. 50 1 2 1 2 2 1 2 1 1. 30 1. 90 R 0. 6 1 2 2 1 2 1 1 2 1. 55 1. 65 R 0. 10 0. 10 0. 50 0. 30 0. 45 0. 50 0. 55

12、 0. 45 0. 35 极差 分析 最佳工艺条件下实验产品的典型分析数据及国家标准 (GB 6009- 85) 如表 3 所示 . 表 3最佳实验产品结果 . Tab 3T he op ti a l resu lt of exp eri en ta l p roduct m m 指标 硫酸钠 (N a 2 SO 4 ) ×100 实验产品 98. 2- 98. 5 国标二级规定 98. 0 0. 30 0. 50 指标 水不溶物×100 氯化物×100 白度 实验产品 0. 03- 0. 07 0. 35- 0. 63 国标二级规定 0. 1 0. 70 73

13、钙镁 ( 以镁计) 重量×100 0. 07- 0. 25 水分×100 0. 1- 0. 4 未检验 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 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 60 华北工学院学报 2001 年第 1 期 间析出的晶体数量便越多, 而得

14、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 M Pa 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 m in 时为最佳 . 5. 5反应时间对结晶粒度的影响 一般来

15、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 , 真空度 . 0. 04 M Pa, 搅拌速度 80 r m in, 有表面活性剂, 反应时间 8 h, 进

16、料浓度 1. 5 m o l L. ( 2) D TB 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 Evapora

17、 tion Crysta l iza tion to Get Anhydrous Sod ium Sulfa te (D ep t. of Chem ica l Engineering, N o rth Ch ina In stitu te of T echno logy, T a iyuan 030051, Ch ina ) Abstract: A i T he techno log ica l cond it ion requ ired to get anhyd rou s sod ium su lfa te from m the indu st ria l coa rse m irab

18、ilite is d iscu ssed. M ethodsV acuum evapo ra t ion crysta llza t ion is u sed. ResultsT he influence on g ranu la rity and qua lity of the p roduct under d ifferen t cond i2 t iona l Standa rd. d rou s sod ium su lfa te t ion s is stud ied. Conclus ion T he p roduct acco rd s w ith the second cla

19、ss criterion of the N a 2 Key word: D TB crysta lliza to r; vacuum evapo ra t ion crysta lliza to r; sod ium su lfa te; anhy 2 L I Shu 2 ing, L I You 2zh i p U 1本文由lzhly1010贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2001 年 第 22 卷 第 1 期 ( 总第 75 期) 华北工学院学报 JO URNAL O F NO RTH CH INA INST ITUTE O F

20、TECHNOLO GY . V o l 22N o. 12001 ( Sum N o. 75) 文章编号: 100625 431 ( 2001) 0120057204 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 030051) 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 1 芒硝脱水法又分为全溶 蒸发脱水法、热融蒸发脱水法和热融盐析脱水法

21、2 . 作者采 用水环式真空泵产生真空, 用 D TB ( 导流筒 - 档板) 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) , 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 . 当 T < 32. 4 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 &l

22、t; T < 233 时, 硫酸钠在水溶液中的溶 解度随温度的变化很小, 与饱和溶液呈平衡的固体是斜方型 无水晶体硫酸钠. 因此, 当 T > 32. 4 , 硫酸钠溶液达到饱 图 1硫酸钠与水系统相平衡图 和时, 就会有无水硫酸钠开始析出. 这就决定了从粗制芒硝 F ig. 1T he p ha se equ ilib rium of N a 2SO 4 2H 2O 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 D TB 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: 2000208231 作者简介: 李淑萍 (19

23、73- ) , 女, 硕士生. 从事专业: 化工工艺. 摘要: 目的研究用 D TB 型结晶器从工业粗制芒硝中制取无水硫酸钠的工艺条件 1 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: D TB 型结晶器; 真空蒸发结晶; 芒硝; 无水硫酸钠 中图分类号: O 653文献标识码: A 58 华北工学院学报 2001 年第 1 期 疤, 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 . . D TB 型结晶器的构造如下: 它的中部有一导流筒, 在四周有一圆筒形挡板 在导流筒内接近下端处 有螺旋桨, 以较低的转

24、速旋转, 悬浮液在螺旋桨的推动下, 在筒内上升至液体表层, 然后转向下方, 沿导 流筒与挡板之间的环行通道流至器底, 重又被吸入导流筒的下端, 如此往复循环, 形成接近 良好混合的 条件 圆筒形挡板将结晶器分割为晶体生长区和澄清区, 挡板与器壁间的环隙为澄清区, 其搅拌的影响 . 已经消失. 要使晶体得以从母液中沉降分离, 只有过量的微晶可随母液在澄清区的顶部排出器外, 从而 实现对微晶量的控制 1 结晶器的上部为气液分离空间, 用于防止雾沫夹带, 热的浓物料加至导流筒的下 方, 晶浆由结晶器的底部排出. 为了使所生产的晶体具有更窄的粒度分布, 这种形式的结晶器在下部设 有淘析腿. 这种结晶器

25、属于典型晶浆内循环结晶器, 与无搅拌结晶罐、循环母液结晶器、强制外循环结晶器相 比, 其效果要好的多, 因此作者选择了 D TB 型结晶器 . 3实验方法 实验装置如图 2 所示. ( 1) 原液处理 由于该实验物系采用工业芒硝, 其主要成分为 N a 2 SO 4 以及泥、沙、 . 硫酸镁、硫酸钙、 氯化钠等. 因此, 在结晶前先将其溶解, 再加入一 定量碳酸钠调节 pH 值到 9, 然后进行抽滤, 除去 溶液中的泥沙以及钙、镁离子, 抽滤后再向溶液中 加硫酸中和过多的碳酸根离子至 pH 值为 7, 加热 待用 . ( 2 ) 结晶 将处理过的溶液倒入进料高位槽, . 打开泵及加热器, 调节

26、真空度, 保持恒温进行蒸 发, 每隔 2 h 取样一次. 当产品粒度或纯度不能达 到实验要求时, 停止结晶, 母液则返回蒸发器中循 环蒸发. ( 3 ) 产品处理 当溶液温度低于 32. 4 时, . 从硫酸钠水溶液中结晶出来的固体是 10 水硫酸 钠 所以对结晶出来的产品应进行快速抽滤, 除去 . 水分, 使成品含水率在 0. 1% 以下. 为了防止 10 水硫酸钠析出, 过滤后, 可用事先加热至 50 的 蒸馏水洗涤晶体, 但洗涤水用量不可太多, 以免晶 体大量溶解. 为了不使晶体溶解而减少结晶产量, 该实验采用加热的饱和液对晶体进行洗涤处理. ( 4) 产品烘干 将产品放在恒温干燥箱内,

27、 温 . 度保持在 140 , 干燥 1 h, 然后进行粒度分析. 1- 结晶器; 2- 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 2硫酸钠结晶实验装置图 F ig. 2T he equ ipm en t fo r crysta lliza tion of N a 2 SO 4 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 . 根据初步实验, 这些因素都不同程度地对硫酸钠晶体粒度有影响 用正交设计方法进行实验, 因素- 水 . 平

28、表如表 1 所示. ( 总第 75 期) 用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠 ( 李淑萍等) 表 1因素- 水平表 . Tab 1 T he tab le of facto rs and levels 59 因素 水平 1 2 A B C D E F 反应温度 60 70 搅拌速度 1 00 r m in 80 r m in 进料浓度 1. 5 m o l L 2. 0 m o l L 反应时间 6h 8h 真空度 0. 06 M Pa 0. 04 M Pa 表面活性剂 无 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 -

29、A (D ) - C - B ( F ). 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: A 2B 1C 2D 2 E 2 F 2. 表 2正交设计表 . Tab 2T he tab le of o rthogona l exp eri en t m 列 因 实验号 1 2 3 4 5 6 7 8 号 素 1 A 2 B 3 C 4 D 5 E 6 粒度 mm F 1 1 1 1 2 2 2 2 1. 35 1. 85 R 0. 50 1 1 2 2 1 1 2 2 1. 65 1. 55 R 0. 10

30、1 1 2 2 2 2 1 1 1. 40 1. 80 R 0. 40 1 2 1 2 1 2 1 2 1. 35 1. 85 R 0. 50 1 2 1 2 2 1 2 1 1. 30 1. 90 R 0. 6 1 2 2 1 2 1 1 2 1. 55 1. 65 R 0. 10 0. 10 0. 50 0. 30 0. 45 0. 50 0. 55 0. 45 0. 35 极差 分析 最佳工艺条件下实验产品的典型分析数据及国家标准 (GB 6009- 85) 如表 3 所示 . 表 3最佳实验产品结果 . Tab 3T he op ti a l resu lt of exp eri en

31、 ta l p roduct m m 指标 硫酸钠 (N a 2 SO 4 ) ×100 实验产品 98. 2- 98. 5 国标二级规定 98. 0 0. 30 0. 50 指标 水不溶物×100 氯化物×100 白度 实验产品 0. 03- 0. 07 0. 35- 0. 63 国标二级规定 0. 1 0. 70 73 钙镁 ( 以镁计) 重量×100 0. 07- 0. 25 水分×100 0. 1- 0. 4 未检验 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

32、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 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 60 华北工学院学报 2001 年第 1 期 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 M Pa 的蒸发条件下可得到较大和较纯的产

33、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 m in 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 , 真