摘要：硫酸钠型盐矿卤水中含有大量的芒硝，将其中的芒硝高效的提取出来，需要合理、科学的设备配置。本文正是基于以上的工业实际需求，结合芒硝结晶的一些外界条件，创造出合适的环境使得芒硝快速的结晶，从而达到提取硫酸钠型盐矿卤水中芒硝的目的。
关键词：硫酸钠型盐矿；卤水芒硝；冷冻结晶设备
我国人口众多，盐的产量也非常之高，据统计，每年我国盐的消耗量高达6000万吨/年，居世界首位。其中食用盐的消耗量约750万吨/年，剩余5000多万吨全部用于工业生产中。2011年，我国盐的生产量约3400万吨，需要原盐约5650万吨，其中大部分所用为固体盐(主要是海盐和真空盐)。而在同一时期的欧美等发达国家，主要用的是液体盐。例如，托克逊县中泰化学盐化公司盐矿位于托克逊县以南130公里，库米什以东80公里处，盐矿由乌勇布拉克—吉沙石盐矿（即乌宗布拉克石盐矿）、乌尔喀什布拉克石盐矿等三个矿床中的四个块段组成，由东而西依次编为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个块段。Ⅰ块段实际为乌宗布拉克石盐矿床，Ⅱ块段分布在乌宗布拉克石盐矿床和乌尔喀什布拉克石盐矿床之间，Ⅲ块段分布在Ⅱ块段之北约3公里处，Ⅳ块段占据了乌尔喀什布拉克石盐矿床的南段，采矿权面积：44.4366平方公里。设计生产能力年产50万吨。
1、提取硫酸钠型盐矿卤水中芒硝冷冻结晶设备研究现状
1.1芒硝的特性和结晶的外部条件
芒硝的化学式为Na2SO410H2O，是硫酸盐类矿物芒硝经加工精制而成的结晶体，可用于制革、制玻璃、制碱工业等，也用作泻药。芒硝，化学名也叫硫酸钠。硫酸盐矿是一种分布非常广泛的矿物质，将硫酸型矿物质经过加工碾碎、在热水中溶解、将卤水继续加热待结晶出芒硝。芒硝广泛的应用在工业、以及制药业中。芒硝的晶体为短柱状或针状，这些晶体聚集在一起乘块状、纤维团簇状。它们或无色或白色，具有明亮的光泽，而且水溶性非常的好，在水中的溶解度非常的大，而且随着水温的上升，溶解度呈上升的趋势。芒硝在干燥的环境下进行脱水处理，就成为常见的无水芒硝，呈粉末状，可用做干燥剂。芒硝同样也可以用来提取硫酸铵、硫酸钠等化工原料，日常用的洗衣粉中即含有芒硝。芒硝在水中的溶解度很高，且与水温成正比关系。正是利用芒硝的这一特性，在高温时将硫酸盐类矿物溶解于水中，制成卤水；然后将卤水放置，在温度降低的过程当中，芒硝的溶解度随之降低，多余的芒硝就随之而结晶出来。如果一直加温，将卤水中的水份不断的蒸发掉，直至水份全部蒸发干，同样可以获得芒硝的结晶体。所以，综上可知：芒硝结晶的外部条件就是卤水中水份的减少或者同等条件下卤水温度的降低，都可以促使卤水中芒硝的结晶。
1.2芒硝冷冻结晶设备的研究现状
目前，工业上大多采用常规的结晶或者烧制的方法，所用的设备落后而且效率较低。比如，民间用如下的方法制取芒硝：取天然产的芒硝，用热水溶解，过滤，放冷即析出结晶，通称朴硝。再取萝卜洗净切片，置锅内加水煮透后，加入朴硝共煮，至完全溶化，取出过滤或澄清后取上层液，放冷，待析出结晶，干燥后即为芒硝(每朴硝100斤，用萝卜10-20斤)。而工业中则采用更为常规的方法，具体的作为如下：采集芒硝矿，经煮炼、过滤，冷却后，取上层的结晶为芒硝，下层的结晶物质为朴硝。
2、提取硫酸钠型盐矿卤水中芒硝冷冻结晶设备研究
2.1冷冻法提取硫酸钠型矿岩卤水中芒硝设备研究
冷冻法则是利用硫酸钠与氯化钠在不同温度条件下溶解度随着温度具有不同的溶解度值，且温度越低硫酸钠的溶解度也就越低的特性，使硫酸钠以十水化合物的形式，目前市场上大多产假采用此方法对硫酸钠进行冷冻结晶，温度一般控制在-8℃～-5℃左右。但是这样的温度不宜控制，所以很多情况下并不能满足理论上对于温度限定的要求。本文正是基于冷冻法，对芒硝的结晶温度进行研究，从而为工业生产过程中对于温度的控制提出一个参考范围和方法，从而能够生产出高质量的液体盐。根据冷冻提硝的现状，对我国硫酸钠型盐矿卤水在0～—20℃范围内硫酸根浓度的变化进行了试验研究，获得了该条件范围内的硫酸根浓度变化规律并提出了硫酸根溶解度的经验式，为优质液体盐的制备提供了理论依据。利用结晶的手段来制取芒硝，在对矿物进行洗涤时制取含芒硝较多的卤水，将卤水冷却的过程中芒硝以Na2SO410H2O的形式析出。本文所提出的改进的结晶设备在用氨冷却的管子里，通入卤水，这样就可以使得芒硝连续的在管壁上析出，从而不断的从管壁上取下结晶好的芒硝。因为整个装置的环节较多，而且管道比较的长，所以必去要用较强的冷却设备来对其进行冷却，尤其是在夏季时，冷却的效率也不能够降低，并切能够平稳、高效的运转二至三年。选用工业玻璃、聚四氟乙烯、乙烯树脂以及不锈钢等材质，实验验证，材料的结晶附着力与结晶所用的材料无关。如果结晶管中卤水的流动速度太快的话，那么结晶体附着在管壁上的时间就相对比较长，但是，卤水在较低的温度下通过管道时，结晶就会出现不完全的现象，而且晶粒非常的小。
2.2用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠设备研究
2.2.1实验原理
工业中生产无水硫酸钠常用的方法包括：脱水法、副产法以及钙芒硝法等。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]。本文中作者采用水环式真空泵，从而产生真空，用DTB(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。这种方法流程简单、设备投入较少、资金需求量小、产品的粒度和纯度都非常高等特点。根据物质之间相平衡的原理，如下图一所示，从图中就可以明确的看出，在什么样的情况下可以把芒硝结晶出来。从图1中的曲线还可以看出，在拐点A，B，C三点处，表示溶解度的剧烈变化，根据实验标定，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；而当温度处于32.4℃和233℃之间时，硫酸钠在水溶液中的溶解度随温度的变化范围的变动很小，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结晶。
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图1硫酸钠与水系统相平衡图
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。为了得到晶粒比较均匀切纯度较高的芒硝，就需要在结晶器的下部设置一个淘析腿。这种结晶器是典型的晶浆内循环结晶器，与常规的无搅拌结晶罐、循环母液结晶器、强制外循环结晶器相比，它的效果要好许多。正是基于此原理，作者选取了DTB型结晶器。.png)
1、结晶器；2、电机及减速器；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
2.2.2实验设备的选取依据
2.2.2.1温度对结晶粒度的影响
当温度急剧的升高时，芒硝的结晶速度会非常的快，但是这样晶体中会夹杂太多的杂质，析出的芒硝纯度就会降低，颗粒较小；但是如果温度太低，想要达到芒硝的饱和度所需要消耗的时间较长，能耗也会随之增大。如需得到大晶粒、高纯度的晶体，温度在70℃时最佳。
2.2.2.2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，用真空蒸发结晶法制取无水硫酸钠间析出的晶体数量便越多，而得到的晶体粒度却越细。
2.2.2.3真空度对结晶粒度的影响
当真空度过于高时，结晶的芒硝纯度较低、晶粒的尺寸也较小。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0.04MPa的蒸发条件下可得到较大和较纯的产品。
3、硫酸钠型盐矿卤水中芒硝冷冻结晶设备研究展望
改进的DTB型结晶器，在其中加入了智能温度检测模块和温度调节模块，使得整个结晶的过程可控、可调，这就大大的提高了析出芒硝的速度和质量，而且还可以通过控制回流量来调节粒度和纯度，操作起来十分方便[6]。工业生产中机器人的出现大大的提高了工业制造的速度和质量，在同样的时间内，机器人可以反复的以同等效率的完成大批量的工作，而且随着芯片技术和计算机技术快速的融入到工业生产中来，可以更高精度的完成硫酸钠型盐矿卤水中忙小的冷冻结晶工作。
参考文献：
[1]斯坦利M瓦拉斯〔美〕著，韩世钧，译，化土相平衡，中国石化出版社，2009
[2]傅厚棠.关于盐硝联产引进工程的认识和探讨[J].中国井矿盐,2017(5)
[3]王军华等.新一轮盐厂建设引发的思考[J].中国井矿盐,2016(1)
[4]胡宁.科学发展我国制盐工业[J].中国井矿盐,2016(2)
论文作者:杨志强
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期
论文发表时间:2020/4/28
标签：芒硝论文; 结晶论文; 硫酸钠论文; 盐矿论文; 卤水论文; 溶解度论文; 温度论文; 《科学与技术》2019年第20期论文;