采用两级流化床生产的无水明矾的干燥工艺技术研究

摘要  在明矾热解化学动力学与热平衡研究、试验基础上，采用双级流化床新工艺技术生产无水明矾，提高明矾综合利用技术水平和社会经济效益。

关键词  两级    明矾    流化床    干燥

THE REASER ON TWO-STAGE FLUID BED DRYING SYSTEM OF   ALUMEN

Wanghongyao

Key words: Two-stage; Alumen; Fluid bed; Drying

明矾是硫酸盐（复盐）的水合结晶体，是一种传统的化工产品，主要应用于造纸、制药、染料生产、食品加工等行业。脱水明矾在工农业生产和人民生活中有广泛的用途。现有的无水明矾生产方法是将明矾在铝板上用煤直接加热，脱去结晶水后，经冷却、粉碎而获得产品，其工艺技术落后，消耗定额高、环境污染严重、经济效益不显著。因此，我们经过试验研究，并经过温州矾矿5000吨/年工业装置考察，采用两级流化床新工艺技术生产无水明矾，取得成功，提高了明矾综合利用技术水平和社会经济效益。

1、 明矾结晶水脱除技术基础研究

钾明矾分子式为K2SO4·AI2(SO4)3·24H2O,分子量948.7，理论组成K2O9.93%，AI2O310.75%，SO333.78%,H2O45.54%,钾明矾密度1.76g/cm³。

用差热分析方法研究钾明矾脱水、分解 ，取得采用流化床干燥机新工艺的应用研究基础数据，并通过试验室验证，^后确定生产工艺。

      1.1  差热分析表明，明矾于62.5℃开始脱水，92.5℃开始溶化在已脱除的结晶水中，140℃脱水峰值^大；170-300℃出现放热峰，推测为脱水后的明矾伴随着相变；在480℃和640℃出现小吸热峰，推测为K2SO4·AI2（SO4）3产生结构位错或晶格移动；^后出现的吸热峰是分解反应，峰值温度855℃。可见，明矾热解过程是两个相继反应的过程，即脱水反应和分解反应。因此，在工业生产中加以控制，能够保证无水明矾的产品质量。

       1.2  化学动力学方程

根据Brido 理论，在热重曲线（T-G）上分别求得明矾热解过程两个反应化学动力学参数见表1。

表1   明矾热解过程化学动力学方程

R  气体常数（8.314J/mol.C）                 y=1-x;

T  ^温度（K）；                           t  反应时间（s）;

X  明矾脱水率或分解率（%）；              K  明矾脱水或分解反应速度常数

存在t=-lny/k关系，表示在一定温度下，脱水（分解）达到了一定百分率所需要的时间。

明矾脱水和分解均属一级化学动力反应。计算结果表明，若明矾脱水率达到95%，所

需温度及相对应时间为：100℃需1.11×10⁴S/150℃ 3.02×10³S/200℃   7.94×10²S/250℃ 2.81×10²S/300℃   1.16×10²S/400℃ 29.62S/500℃   10.75S/而脱水温度高达500℃，要使K2SO4·AI2（SO4）3分解1%，需要4.05×10⁶ S（约1125h）。说明在300℃左右条件下，若明矾脱水率为95%，可以瞬间完成，而不发生明矾分解。因此，采用新的工艺技术及其设备装置，只要能够把明矾脱水所需热量及时供应上去，并及时带出明矾脱除的水，使明矾不再溶化在其结晶水中（产生发泡产品），经干燥就可以得到满意的产品。

       1.3 由差热分析热重曲线（T-G）表明：其理论上生成无水物的温度为200℃左右，根据工程经验，此时尾气排放温度>200℃，而且，其脱水过程明显地分为两段90℃及200℃，为了提高-热效率，决定采用两级流化床串联的工艺，将其结晶水脱除分为两级，（中温段及高温段）。后经过工业生产证明，^后排气温度为90℃。

细颗粒明矾（≤1.65mm,含表面水约1.2%）在20kg无水明矾/h流化床干燥机实验装置（床层温度230℃左右，物料平均停留时间5—10min）获得无水明矾，其外观白色、颗粒状，含水量小于0.5%。

2、   5000吨/年脱水明矾热量衡算及动力工况计算

       2.1  无水明矾产量700kg/h；明矾用量1285.2kg/h（1.83kg   明矾/kg无水明矾）；脱水量585.2kg/h(0.836kg   水/kg无水明矾)。

       2.2  工业装置工艺技术

采用两级流化床串联，进风温度350℃，第二级高温流化床尾气温度200℃左右，引入级流化床，^后尾气经净化后温度80℃左右，整机热效率达65%—70%。表明采用流化床干燥设备生产无水明矾，工艺可行，产品质量稳定。

       2.3  干燥所需热量

按热平衡方法计算

Q=相变热+水潜热+水汽化热+产品显热

 =1410613.5KJ/h

式中明矾结晶水相变热89.24KJ/KG;结晶水显热温升120℃；水的比热4.18KJ/KG℃；水的汽化热2405.8KJ/KG；产品比热1.255KJ/KG.℃。

        2.4  干燥所需风量和供热量

输出热量Q=风量W×体积比热Cp×温差△T

所需风量W=Q/（Cp×△T）=7808m³/h.

需供热Q=197.55×10⁴ KJ/H

3、 设备选型

     3.1 燃煤热风炉

WRF系列卧式燃煤热风炉，集燃烧与换热于一体，热效率高、温升快、安装方便，输出热风温度60—350℃，换热管内设有强化传热的插件，热性能稳定。

年产5000t无水明矾需供热量约为197.55×10⁴   kj/h，输出风量约7808m³/h，选择WRF-90型高温燃煤热风可以满足要求。

4、  经济效益和社会效益分析

新工艺与现有工艺技术比较，具有以下优点：

   （1）降低原料、能源消耗。按每吨无水明矾，节约明矾40kg、煤350kg、电增加36Kw·h,合计每吨无水明矾节约148.9元。按年产5000吨无水明矾，每吨无水明矾价格3300元计算，产值660万元，全年节约即新增加利润74.45万元（表2）。原料、能源成本每吨无水明矾从2506.5元下降到2357.6元，提高了资源、能源的利用率，经济效益明显。

表2  流化床新工艺技术生产无水明矾经济效益分析

全年节约（新增加利润）74.48万元

   （2）改善了劳动条件，降低环境污染，减轻工人的劳动生产强度，提高全员劳动生产率，社会、环境效益显著。

   （3）提高了产品质量。现有工艺技术用煤燃烧直接加热使明矾脱水、煤的粉末容易落在无水明矾上，而且脱水明矾呈膏状、粘性大、脱水不均等因素都影响产品质量。

   （4）投资省、建设周期短、资金回收快。

   （5）提高了明矾综合利用的技术水平。

   （6）为无机产品的中、高温煅烧的新工艺提供了新的选择。

参考文献

1、  杨世铭《传热学》北京    高等教育出版社，1980

2、冯伯华等，《化学工程手册》 北京  化学工业出版社，1989

常州科茂干燥设备有限公司

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