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【摘 要】 近几十年来，随着科学技术的进步和工业部门各个领域的突飞猛进，基本化工产品纯碱也在相应发生变化。主要表現于用途不同，用户对产品质量与品种提出了新的要求。众所周知，我国目前生产的纯碱绝大部分属轻质纯碱，存在着粒皮细、比重小、易结块等问题、给运输、贮存和生产使用带来很多不便。基于这些原因，引起了对纯碱的品种和质量的改进重视。据报导，国外不但有轻质纯碱，超轻质纯碱，还有中质纯碱、重质纯碱和超重质纯碱。就现在的生产情况看，其中生产比例最大的还是重质纯碱和轻质纯碱。许多国家重质纯碱产量占纯碱总产量一半以上，并且还在逐年增加。为此，为了满足国民经济日益发展的需要，改变我国纯碱品种单一状况，必须迅速自力更生地建立生产重质纯碱工业装置。
【关键词】 水合法；重质纯碱；工艺；设备
一、水合法制重质纯碱工艺
目前，有多种生产重质纯碱的方法，包括结晶法（多用于天然碱）、挤压法（重碱挤压、纯碱挤压）以及水合法。本研究考虑到大规模生产要求选择采用水合法的技术路线。
本合法的关键是水合机和水合工艺参数的选择。大连化学工业公司碱厂早期曾使用浆水混机生产一水碱以制造重质纯碱，天津碱厂也进行了试生产研究，生产结果表明：产品颗粒小，细粉多，质量不稳，浆叶和机轴容易结疤及传功功率大等问题。鉴于兄弟单位的经验教训，结合国内外有关资料的报导，本研究装置采用回转圆筒式水合机制造一水碱，进一步干燥制造重质纯碱。
二、工艺流程及主要设备
流程，如图1所示。
原料轻质纯碱（简称轻灰）从纯碱分配绞龙引出、经暇料绞龙，固体冲量式流量计定量以后入水合机。在机内与热水混合生成一水碳酸铀（→水碱），生成物由出料口溢出，经干燥以后为重质纯碱。
2.水合机结向
水合机如图2所示是由前后两对托轮支托的一个转动设备，安装保持倾斜度，以便物料随本体的转动而向尾部移动排出。它主要由本体，进、出料端，托轮，挡轮及传动部分组成。
本体由厚度4毫米钢板焊接而成，体外壳沿轴向装有均布的若干打敲铁锤，体内安装若干块正反抄板。本体的转动是通过体外的大齿轮与传动装置的小齿轮啃合而旋转。每对托轮中心与本体中心构成60度夹角，以使托轮受力均匀。
为了防止本体在运转时前后窜动，在靠近传动处的被圈两侧装有挡轮，保证转动体正常运行。
机体两端有密封罩，该罩与转动体连接处用鞍形胶皮密封，防止粉料漏出及冷空气进入。进出料端的密封罩上开设于孔，便于检查和清扫。
三、试验研究内容
1.水合机性能测试
以轻质纯碱为原料用水合法制造重质纯，碱工艺，其产品质量的优劣主要取决于水合反应时生成一水碱的质量。而一水碱的结晶颗粒、比重、水分大小与水合机的特性有关。据一些资料报导，影响一水碱结晶质量有许多原因，其中包括固体物料在机内的停留时间，水合反应温度，喷淋水温、加水量等。上述影响与水合机形式及其结构有关。
本研究装置采用回转回筒式水合机。由于机内装有抄板，使得物料在机内有一定的运转轨迹。为此，可通过改变轻质纯碱技入量，水合机转速，水合机斜度，而测得物料在水合机横断面的倾斜角度和恒存量。
试验结果表明，水合机内物料的上界面与水平线夹角稳定在37度左右，以此决定喷淋装置位置及喷洒角度。
水合机内恒存的物料量与轻质纯碱的投入量以及水合机转数、水合机斜度有关。若维持其它条件不变，机内恒存的物料量将随着物料投入量增加而增加。
水合机内恒存的物料量在一定范围内变化不大，只有在高回转速度，低投量时，才会出现进出物料不平衡现象，使恒存量明显阵低。这是由于在这一速度下物料脱离回转设备的运动轨迹的缘故。这个现象有力地证明，回转设备的转动速度是有限度的。
物料在机内的停留时间与机内恒存的物料量成正比，与投料量成反比的，水合机内物料的填充程度可用填充系数表示，即机内物料占有的体积与该设备有效容积之比。试验结果表明，投量为一定值时，填充系数随水合机转速提高稍有增大。但是，当转速超过运动轨迹，则反而呈现下降趋势。因此，对轻质纯碱的水合，加快水合机转速是不利的。
2.条件试验
在一定温度下，粉状轻纸纯碱加水混合，经过充分搅拌，最终生成一水碱，通常称水化反应过程。影响水化反应速度和产物质量的原因较多。如：参加反应物料的温度和质量，反应温度、压力和时间，反应产物的温度控制以及混合搅拌速度等。这些因素的变化不仅影响一水碱质量，而且最终将会影响重质纯碱质量。现就主要条件试验阐述如下
①喷水温度的影响试验结果表明，提高喷淋水温度对提高
一水碱结晶，质量和重质纯碱质量是有利的。随着水温的提高，结晶颗粒逐渐增大，一水碱中含水量逐渐降低，最终制品重质纯碱的松密度和紧密度逐渐增大。一水碱中含水量低，对运输和干燥都是有利的，可以降低干燥时的能耗。
②喷水量的影响
根据水化反应方程式
为了使每个碳酸铀分子都能与水结合生成一水碱，通常采取加入过量水的办法。工业生产中，过量水的多少应取决于水合生产工艺和采用的水合设备。一般说来，提高过量水，可以做到100%水合率，这样对提高产品质量是有利的。
试验结果表明，试验加入水量已远远高于理论值。因为伴随水化反应过程的进行，有大量反应热释放出来，而反应热要靠水分蒸发的汽化热带出。当相对加水量在20%时，一水碱中无游离水，水合率仅达到93.7%，干燥后制品的松密度与轻质纯碱的松密度几乎相当。紧密度和颗粒直径略有增加。当加水量提高到30%时，制品碱的松、紧密度及粒径有明显增大。重质纯碱的松紧密度亦随之增加。然而，增加喷水量应有限度的，这是因为顷水量过多会降低反应温度，影响制品粒度。同时，一水碱中游离水量增加，不利于输送和增加干燥过程的能耗。所以，增加水量应恰到好处。 ③停留时间的影响
所谓停留时间系指物料在机内的停留时间，即在水合机内从碳酸饷与水接触开始算起，并完成水化反应直到最后溢出止，这段时间称为停留时间。试验是通过改变喷头在水合机内的轴向位置或者改变轻质纯碱技料量，从而达到改变物料在水合机内的停留时间。
试验结果表明，停留时间短，水合反应不完全，水合率低，得不到优良制品。当停留时间在15分钟以上时，重质纯碱的松密度己达0.9克/厘米3以上，紧密度超过1.0克/厘米3，可以预见，过分延长停留时间对提高制品碱的密度是无效的，不但不经济，还会增加建设投资。试验认为，推荐停留时间为15-20分钟是适宜的。
④水合机转速的影响
水合机在旋转过程中，机内物料得到充分搅拌。这是必不可少的。应当指出水合机内物料的流动性极差，尤其加水反应初期，物料成团块状居多，一直到反应终了时，才形成松散粒子。所以，圆筒转速对产品质量有较大影响。
试验结果表明，水合机转速逐渐降低，一水碱水合率逐渐增加。说明水合反应趋向完全，重质纯碱的松紧密度也逐渐增大。但是，过分的降低水合机转速会减慢机内物料的移动速度，造成水合机进料管堵塞和进料端部严重返料现象。试验装置的实践证明水合机转速在12-16转/分是适用的。
⑤温度的影响
温度对制品碱质量的影响应与水温对制品碱质量的影响是相一致的。本装置的轻质纯碱原料取自大生产。大幅度调节温度有一定困难。试验仅限于生产岗位允许的温度范围内进行调节。
试验结果表明，在一定条件下，轻质纯碱温度高，反应汽化水分增加，一水碱中游离水分降低，取得的制品重质纯碱松紧密度是增加的。因此，提高温度是有利的。同时，试验表明，只要将原料纯碱的温度维持在适宜的范围内，都可以获得符合要求的产品。
3.操作条件的优选及连续运转试验
在条件试验的基础上，选取了水温、水量、停留时间为因；右各以两个水平进行变化，最终用制品重质纯碱的松密度、紧密度和粒度为衡量指标，采用正交试验方法得到水量变化影响最大，其次是停留时间的改变，水温的影响不十分明显。必须指出，上述结论局限于试验温度范围内。得出的条件为：加水温度为60-800℃；加水量為35-40%；停留时间控制在15-20分钟；水合机转速为12-16转/分。
在此工艺条件下，进行了连续30多天的运转。运转证明，一水碱总碱度可维持在76-79%；游离水分6-10%；重质纯碱松密度大于0.9克/厘米3，部分超过1.0克/厘米3，紧密度都超过10.克/厘米3；堆积角为33-35度，平均粒径500μ左右，小于100网目的颗粒低于2%；重质纯碱与轻质纯碱化学成分相当。
本装置的能力试验期在7吨/日，其最大生产能力可达12吨/日。
四、讨论
1.装置的特点
根据本工艺方法，加水可允许喷加含碱的热水。在试验条件下，热碱水含碱浓度达19克/升，预计喷加高浓度的碱水不会影响制品质量。对于独立的碱厂重碱股烧过程中的热碱液和其它洗涤碱水都可用作制造一水碱的加入水，这样无疑给含碱洗水找到了一条出路，对减少锻烧损失，增加产量，提高经济效益将是十分有利。
本装置中采用冲量式流量计计量轻质纯碱。以投量作为变化条件，通过电动执行机械调节加入的水量实行自控，以保证液固比例为一定值。本试验阶段，因选用的自动调节阀流量和泄漏量偏大，只能在大投量条件下方能稳店。试验在连续运转时，绝大部分时间用于动调节。但是，该自动调节装置可以应用于今后的大生产。
2.水合机出气带碱
随着水合反应的进行，伴随有反应热放出，为了维持一定的反应温度，必须移出反应热。在装置条件下，反应热的移出靠蒸发一定量的水分维持的。因此，排出水合机气体成分除溅入的部分空气以外，绝大部分为水蒸汽，并含有少量碱粉。排出的水蒸汽用循环水洗涤、冷却。冷凝洗水可作为反应补充水，返回到系统中。
分析洗水含碱浓度平均在0.3-0.6克/升。在连续运转期间，按日产7吨，加水量按40%计，洗水带碱为120-240克/吨碱，根据气相分析数据表明，吸收液及冷凝液中游离氮（锻烧不完全所致〉占有相当比例。因此，在正常运转条件下水合机出气带碱是极有限的。
3.密度测试方法
本试验所采用的方法为国内一般纯碱厂常用的测量方法。必须指出，即使是采用相同的测量方法，由于使用测量容器的形状尺寸和容积大小不同，测出的结果会有出入。因此，本试验数据系属同一测量容器的相对比较数据。
4.水合率及计算
制造一水碱是水合法生产重庆纯碱过程中的重要步骤。为了使每个碳酸饷分子都能与水分子化合生成一水嵌酸铀（Na2C03·H20），必须有足够的水量。在水化反应终了时，生成物中所有的碳酸饷全部以Na2C03.H20形式存在，可谓之完全水合或称水合率为100%。所以，水合率是表示参与水化反应并生成一水碱的轻质纯碱量。从另外一种意义讲，水合率也可以表示为一水碱中结晶水量与理论量之比。显然，水合率可作为衡量水化反应进行的程度和检验一水碱质量的重要指标。计算水合率时，可根据物理意义分步进行，也可直接按下式计算。
六、结论
根据试验可得如下结论：
1.本装置工艺流程短、设备先进，操作简便，容易实现大型化、连续化、自动化。
2.水合机性能稳足可靠、结构简单，加工制造方便，材料来源容易，动力消超低。
3.为大型工业生产装置提供了操作指标。
4.根据示范装置设计提供的消耗定额和加工成本，以及技术经济评述表明，年产2万吨重质纯碱年收益可达50万元左右。
参考文献：
1.用无水碳酸的制造-水破酸的的方法<国外制碱）.1980年第2期
【关键词】 水合法；重质纯碱；工艺；设备
一、水合法制重质纯碱工艺
目前，有多种生产重质纯碱的方法，包括结晶法（多用于天然碱）、挤压法（重碱挤压、纯碱挤压）以及水合法。本研究考虑到大规模生产要求选择采用水合法的技术路线。
本合法的关键是水合机和水合工艺参数的选择。大连化学工业公司碱厂早期曾使用浆水混机生产一水碱以制造重质纯碱，天津碱厂也进行了试生产研究，生产结果表明：产品颗粒小，细粉多，质量不稳，浆叶和机轴容易结疤及传功功率大等问题。鉴于兄弟单位的经验教训，结合国内外有关资料的报导，本研究装置采用回转圆筒式水合机制造一水碱，进一步干燥制造重质纯碱。
二、工艺流程及主要设备
流程，如图1所示。
原料轻质纯碱（简称轻灰）从纯碱分配绞龙引出、经暇料绞龙，固体冲量式流量计定量以后入水合机。在机内与热水混合生成一水碳酸铀（→水碱），生成物由出料口溢出，经干燥以后为重质纯碱。
2.水合机结向
水合机如图2所示是由前后两对托轮支托的一个转动设备，安装保持倾斜度，以便物料随本体的转动而向尾部移动排出。它主要由本体，进、出料端，托轮，挡轮及传动部分组成。
本体由厚度4毫米钢板焊接而成，体外壳沿轴向装有均布的若干打敲铁锤，体内安装若干块正反抄板。本体的转动是通过体外的大齿轮与传动装置的小齿轮啃合而旋转。每对托轮中心与本体中心构成60度夹角，以使托轮受力均匀。
为了防止本体在运转时前后窜动，在靠近传动处的被圈两侧装有挡轮，保证转动体正常运行。
机体两端有密封罩，该罩与转动体连接处用鞍形胶皮密封，防止粉料漏出及冷空气进入。进出料端的密封罩上开设于孔，便于检查和清扫。
三、试验研究内容
1.水合机性能测试
以轻质纯碱为原料用水合法制造重质纯，碱工艺，其产品质量的优劣主要取决于水合反应时生成一水碱的质量。而一水碱的结晶颗粒、比重、水分大小与水合机的特性有关。据一些资料报导，影响一水碱结晶质量有许多原因，其中包括固体物料在机内的停留时间，水合反应温度，喷淋水温、加水量等。上述影响与水合机形式及其结构有关。
本研究装置采用回转回筒式水合机。由于机内装有抄板，使得物料在机内有一定的运转轨迹。为此，可通过改变轻质纯碱技入量，水合机转速，水合机斜度，而测得物料在水合机横断面的倾斜角度和恒存量。
试验结果表明，水合机内物料的上界面与水平线夹角稳定在37度左右，以此决定喷淋装置位置及喷洒角度。
水合机内恒存的物料量与轻质纯碱的投入量以及水合机转数、水合机斜度有关。若维持其它条件不变，机内恒存的物料量将随着物料投入量增加而增加。
水合机内恒存的物料量在一定范围内变化不大，只有在高回转速度，低投量时，才会出现进出物料不平衡现象，使恒存量明显阵低。这是由于在这一速度下物料脱离回转设备的运动轨迹的缘故。这个现象有力地证明，回转设备的转动速度是有限度的。
物料在机内的停留时间与机内恒存的物料量成正比，与投料量成反比的，水合机内物料的填充程度可用填充系数表示，即机内物料占有的体积与该设备有效容积之比。试验结果表明，投量为一定值时，填充系数随水合机转速提高稍有增大。但是，当转速超过运动轨迹，则反而呈现下降趋势。因此，对轻质纯碱的水合，加快水合机转速是不利的。
2.条件试验
在一定温度下，粉状轻纸纯碱加水混合，经过充分搅拌，最终生成一水碱，通常称水化反应过程。影响水化反应速度和产物质量的原因较多。如：参加反应物料的温度和质量，反应温度、压力和时间，反应产物的温度控制以及混合搅拌速度等。这些因素的变化不仅影响一水碱质量，而且最终将会影响重质纯碱质量。现就主要条件试验阐述如下
①喷水温度的影响试验结果表明，提高喷淋水温度对提高
一水碱结晶，质量和重质纯碱质量是有利的。随着水温的提高，结晶颗粒逐渐增大，一水碱中含水量逐渐降低，最终制品重质纯碱的松密度和紧密度逐渐增大。一水碱中含水量低，对运输和干燥都是有利的，可以降低干燥时的能耗。
②喷水量的影响
根据水化反应方程式
为了使每个碳酸铀分子都能与水结合生成一水碱，通常采取加入过量水的办法。工业生产中，过量水的多少应取决于水合生产工艺和采用的水合设备。一般说来，提高过量水，可以做到100%水合率，这样对提高产品质量是有利的。
试验结果表明，试验加入水量已远远高于理论值。因为伴随水化反应过程的进行，有大量反应热释放出来，而反应热要靠水分蒸发的汽化热带出。当相对加水量在20%时，一水碱中无游离水，水合率仅达到93.7%，干燥后制品的松密度与轻质纯碱的松密度几乎相当。紧密度和颗粒直径略有增加。当加水量提高到30%时，制品碱的松、紧密度及粒径有明显增大。重质纯碱的松紧密度亦随之增加。然而，增加喷水量应有限度的，这是因为顷水量过多会降低反应温度，影响制品粒度。同时，一水碱中游离水量增加，不利于输送和增加干燥过程的能耗。所以，增加水量应恰到好处。 ③停留时间的影响
所谓停留时间系指物料在机内的停留时间，即在水合机内从碳酸饷与水接触开始算起，并完成水化反应直到最后溢出止，这段时间称为停留时间。试验是通过改变喷头在水合机内的轴向位置或者改变轻质纯碱技料量，从而达到改变物料在水合机内的停留时间。
试验结果表明，停留时间短，水合反应不完全，水合率低，得不到优良制品。当停留时间在15分钟以上时，重质纯碱的松密度己达0.9克/厘米3以上，紧密度超过1.0克/厘米3，可以预见，过分延长停留时间对提高制品碱的密度是无效的，不但不经济，还会增加建设投资。试验认为，推荐停留时间为15-20分钟是适宜的。
④水合机转速的影响
水合机在旋转过程中，机内物料得到充分搅拌。这是必不可少的。应当指出水合机内物料的流动性极差，尤其加水反应初期，物料成团块状居多，一直到反应终了时，才形成松散粒子。所以，圆筒转速对产品质量有较大影响。
试验结果表明，水合机转速逐渐降低，一水碱水合率逐渐增加。说明水合反应趋向完全，重质纯碱的松紧密度也逐渐增大。但是，过分的降低水合机转速会减慢机内物料的移动速度，造成水合机进料管堵塞和进料端部严重返料现象。试验装置的实践证明水合机转速在12-16转/分是适用的。
⑤温度的影响
温度对制品碱质量的影响应与水温对制品碱质量的影响是相一致的。本装置的轻质纯碱原料取自大生产。大幅度调节温度有一定困难。试验仅限于生产岗位允许的温度范围内进行调节。
试验结果表明，在一定条件下，轻质纯碱温度高，反应汽化水分增加，一水碱中游离水分降低，取得的制品重质纯碱松紧密度是增加的。因此，提高温度是有利的。同时，试验表明，只要将原料纯碱的温度维持在适宜的范围内，都可以获得符合要求的产品。
3.操作条件的优选及连续运转试验
在条件试验的基础上，选取了水温、水量、停留时间为因；右各以两个水平进行变化，最终用制品重质纯碱的松密度、紧密度和粒度为衡量指标，采用正交试验方法得到水量变化影响最大，其次是停留时间的改变，水温的影响不十分明显。必须指出，上述结论局限于试验温度范围内。得出的条件为：加水温度为60-800℃；加水量為35-40%；停留时间控制在15-20分钟；水合机转速为12-16转/分。
在此工艺条件下，进行了连续30多天的运转。运转证明，一水碱总碱度可维持在76-79%；游离水分6-10%；重质纯碱松密度大于0.9克/厘米3，部分超过1.0克/厘米3，紧密度都超过10.克/厘米3；堆积角为33-35度，平均粒径500μ左右，小于100网目的颗粒低于2%；重质纯碱与轻质纯碱化学成分相当。
本装置的能力试验期在7吨/日，其最大生产能力可达12吨/日。
四、讨论
1.装置的特点
根据本工艺方法，加水可允许喷加含碱的热水。在试验条件下，热碱水含碱浓度达19克/升，预计喷加高浓度的碱水不会影响制品质量。对于独立的碱厂重碱股烧过程中的热碱液和其它洗涤碱水都可用作制造一水碱的加入水，这样无疑给含碱洗水找到了一条出路，对减少锻烧损失，增加产量，提高经济效益将是十分有利。
本装置中采用冲量式流量计计量轻质纯碱。以投量作为变化条件，通过电动执行机械调节加入的水量实行自控，以保证液固比例为一定值。本试验阶段，因选用的自动调节阀流量和泄漏量偏大，只能在大投量条件下方能稳店。试验在连续运转时，绝大部分时间用于动调节。但是，该自动调节装置可以应用于今后的大生产。
2.水合机出气带碱
随着水合反应的进行，伴随有反应热放出，为了维持一定的反应温度，必须移出反应热。在装置条件下，反应热的移出靠蒸发一定量的水分维持的。因此，排出水合机气体成分除溅入的部分空气以外，绝大部分为水蒸汽，并含有少量碱粉。排出的水蒸汽用循环水洗涤、冷却。冷凝洗水可作为反应补充水，返回到系统中。
分析洗水含碱浓度平均在0.3-0.6克/升。在连续运转期间，按日产7吨，加水量按40%计，洗水带碱为120-240克/吨碱，根据气相分析数据表明，吸收液及冷凝液中游离氮（锻烧不完全所致〉占有相当比例。因此，在正常运转条件下水合机出气带碱是极有限的。
3.密度测试方法
本试验所采用的方法为国内一般纯碱厂常用的测量方法。必须指出，即使是采用相同的测量方法，由于使用测量容器的形状尺寸和容积大小不同，测出的结果会有出入。因此，本试验数据系属同一测量容器的相对比较数据。
4.水合率及计算
制造一水碱是水合法生产重庆纯碱过程中的重要步骤。为了使每个碳酸饷分子都能与水分子化合生成一水嵌酸铀（Na2C03·H20），必须有足够的水量。在水化反应终了时，生成物中所有的碳酸饷全部以Na2C03.H20形式存在，可谓之完全水合或称水合率为100%。所以，水合率是表示参与水化反应并生成一水碱的轻质纯碱量。从另外一种意义讲，水合率也可以表示为一水碱中结晶水量与理论量之比。显然，水合率可作为衡量水化反应进行的程度和检验一水碱质量的重要指标。计算水合率时，可根据物理意义分步进行，也可直接按下式计算。
六、结论
根据试验可得如下结论：
1.本装置工艺流程短、设备先进，操作简便，容易实现大型化、连续化、自动化。
2.水合机性能稳足可靠、结构简单，加工制造方便，材料来源容易，动力消超低。
3.为大型工业生产装置提供了操作指标。
4.根据示范装置设计提供的消耗定额和加工成本，以及技术经济评述表明，年产2万吨重质纯碱年收益可达50万元左右。
参考文献：
1.用无水碳酸的制造-水破酸的的方法<国外制碱）.1980年第2期