一水硫酸锌的连续蒸发结晶生产工艺及其节能方法与流程

本发明涉及一水硫酸锌生产工艺，具体涉及一种工业生产一水硫酸锌的连续蒸发结晶及其节能方法。

背景技术：

目前，国内工业生产一水硫酸锌都采用高能耗、高污染、高劳动强度的单效间歇蒸发结晶法，一水硫酸锌的国际名称为znso4•h2o。其单效间歇蒸发结晶法：是由一台带加热盘管、带搅拌机的敞开常压结晶容器（图1），将杂质预处理好的未饱和的硫酸锌的水溶液流进该结晶容器中，未饱和的硫酸锌的水溶液密度为1.3-1.5g/cm3，一边进料，一边加热蒸发，一边搅拌；盘管加热温度120℃-300℃，搅拌机搅拌速度30-80转/分，结晶器蒸发温度100℃；水加热后变成水蒸汽排入大气，溶液得到浓缩，当溶液的质量浓度超过45%，达到过饱和时，一水硫酸锌从溶液中析出在过饱和溶液中逐渐长大成晶体；采用搅拌使溶液的受热均匀，防止硫酸锌晶体沉淀与钙镁离子结垢；一锅的一水硫酸锌结晶生产需要10-20小时；当晶浆密度达到1.9-2.0g/cm3时，将全部晶浆排放到离心机进行固液分离；排放完的结晶锅需进行人工除垢清理，再进行下一锅生产，此方法称单效间歇蒸发结晶法。单效间歇蒸发结晶法消耗的能量：蒸发1吨水需要大于1.1吨蒸汽或673kw的能量；二次蒸汽含有微量硫酸锌，直排空中污染环境；进料、液位、浓度、密度、排料、除垢、清洗需要人工操作；完成一锅的一水硫酸锌结晶作业，一水硫酸锌晶体的收率达到60-70%，30-40%的硫酸锌母液需回到前处理后再蒸发结晶；处理100m3/天的硫酸锌溶液，需要4台结晶锅同时生产。

近几十年来，有少数企业尝试采用三效或多效蒸发结晶法来制备一水硫酸锌，降低能耗。由于硫酸锌溶液的钙镁离子等微量元素复杂，最终由于设备易结垢，管道极易堵塞而不能实现工业生产。

同时，国际和国内将机械蒸汽再压缩（mvr）技术应用于蒸发和蒸发结晶,在有机盐和无机盐有很多成功案例。也有少数企业尝试采用机械蒸汽再压缩（mvr）技术蒸发结晶法制备一水硫酸锌，降低能耗。如专利申请号cn201110179313.4和专利申请号4cn201510802749.2，也因设备易结垢、不结晶等现象，不能实现工业生产。

专利申请号cn201110179313.4，专利申请名称为一种蒸发结晶法制备硫酸锌的工艺，其方法：在反应池中除去硫酸锌液中的铁、铜、钴杂质；将上述硫酸锌液通过进料泵将泵入板式换热器中进行预热，至硫酸锌液加热到80-95℃；将预热后的硫酸锌液送入到板式蒸发器中蒸发水分，得到浓缩液；将上述浓缩液与蒸发过程中产生的水蒸气一起送入到分离室进行结晶分离；冷却后得到含结晶水的硫酸锌；将上述含结晶水的硫酸锌通过干燥器干燥后得到一水硫酸锌。

该工艺还不成熟工艺。第一、该专利是采用板式降膜蒸发器，无论板式降膜蒸发器或管式降膜蒸发器，对硫酸锌溶液的蒸发浓缩会即刻导致加热器堵塞不能继续生产。第二、该专利具体实施方式里描述是采用蒸发浓缩后，冷却结晶得到多水硫酸锌晶体，经干燥器干燥后得到一水硫酸锌。从多水硫酸锌晶体到一水硫酸锌晶体需要溶解重结晶工艺，干燥器只是将晶体表面的水份烘干，达到商品晶体的干度，起不了重结晶的目的，显然该专利工艺是不能实现的。

专利申请号cn201510802749.2，专利申请名称为热循环机械压缩蒸发装置及采用该装置制备硫酸锌的方法，整个生产过程为连续生产，来自沸腾溶液的二次蒸汽经过蒸汽压缩机压缩，再回到加热器用作加热介质循环加热。硫酸锌溶液经过反复的蒸发浓缩达到过饱和状态后，便产生晶体析出，将硫酸锌晶体送入增稠器增浓，当增稠器内下层浓缩结晶的硫酸锌晶浆婆美度达到70~75度时，硫酸锌晶浆从增稠器底部流出进入离心机进行固液分离，然后再烘干包装，上层稀的硫酸锌晶浆从增稠器上部重新回到结晶器继续蒸发结晶。该专利方法是国际和国内将机械蒸汽再压缩（mvr）技术应用于蒸发和蒸发结晶的通用设备构成流程，没有具体解决硫酸锌溶液结晶过程中易结垢易堵塞问题，其权利要求书与具体实施方式里描述的只是生产设备工具的相互连接，没有具体介绍一水硫酸锌连续结晶的工艺方法，如蒸发温度、结晶温度、液位控制、晶浆密度，循环速度等等。

技术实现要素：

根据上述技术的不足，本发明的目的是提供一种节能、高效、无污染、自动化程度高的工业生产一水硫酸锌结晶方法，它不仅在封闭系统中作业，实现大处理量、防止结垢、不堵塞，一水硫酸锌晶体收率达到85-90%的效果，整套生产设备工艺流程包括进料平衡罐、进料泵、预热器、加热器、除垢器、结晶器、强制循环泵、晶浆出料泵、晶浆増稠器、蒸汽冷凝水泵、冷凝器、冷凝器冷凝水泵、真空泵、机械蒸汽再压缩机、连续离心机、管道阀门、变频器、测量仪表、plc程序控制、电线电缆、电控柜制成。

本发明解决技术问题采用的技术方案：将杂质预处理好的未饱和的干净硫酸锌的水溶液作为原料液进入进料平衡罐，水溶液的密度为1.5g/cm3；进料平衡罐的原料液由进料泵送入预热器预热后进结晶器，原料液在预热器里跟蒸汽冷凝水换热升温，吸收蒸汽冷凝水的热量后进入结晶器。结晶器与强制循环泵、加热器、除垢器串连形成环路，由循环泵进行强制循环。

进料平衡罐内设有液位控制阀，液位控制阀固定在进料平衡罐内壁中间位置，结晶器上部为汽液分离室，结晶器下部为育晶室，育晶室外表固定安装晶浆密度传感器，汽液分离室外壁固定安装液位传感器。通过plc自动控制物料调节阀的开度大小来控制结晶器的液位，液位达到设定值停止进料，液位低于设定值补充原液；结晶器与除垢器、加热器、循环泵串连形成环路，由循环泵作用进行强制循环，形成一路蒸汽直接输进、一路溶液反转的换热循环设计，硫酸锌的水溶液在环路内得到连续加热、除垢、蒸发、结晶，使一水硫酸锌在过饱和溶液中结晶。

晶体由晶浆出料泵连续抽出进入晶浆増稠器，晶浆増稠后进入连续离心机进行固液分离，晶体去干燥，増稠和分离后的部分原料液回到结晶器继续蒸发，实现连续进料，连续结晶，连续出料的目的。

加热的硫酸锌溶液在结晶器里蒸发产生的二次蒸汽，由压缩机压缩，低品位的二次蒸汽经压缩机压缩后热焓提高进入加热器，作为加热蒸汽使用；压缩机由电驱动。二次蒸汽由压缩机压缩给加热器提供热源去加热硫酸锌溶液，硫酸锌溶液在加热器吸收热量后到结晶器里蒸发。结晶器里蒸发产生的二次蒸汽又被压缩机压缩给加热器提供热源，这样周而复始地换热循环利用热源达到节能目的。连续蒸发结晶法消耗的能量：蒸发1吨水仅需要50kw的能量。

有益效果：进料量、液位、浓度、密度、压力、温度由plc程序控制、晶体为连续排料、除垢为在线除垢、清洗为30-60天/次，减少劳动强度，大大提高生产力；一水硫酸锌的收率高达90%。如果处理100m3/天的硫酸锌溶液，只需1套装置；蒸发1吨水能耗只需50kw，节约能耗；封闭作业对环境无污染。

附图说明

图1是单效间歇蒸发结晶法工艺原理简易图；

图2是本发明生产工艺流程原理图；

图1中，1、离心机，2、搅拌机，3、加热盘管，4、结晶罐，5、减速机，6、原料进口，7、蒸汽进口，8、冷凝水出口。

图2中，1.进料平衡罐，101.自动控制浮球阀，102.自来水尽快，103.进料口，2.进料泵，3.流量计，4.预热器，5.结晶器，501.育晶室，502.分离室，503.蒸发温度传感器，504.结晶器液位传感器，505.晶浆密度传感器，6.除垢器，7.加热器，701.加热器料液进口温度传感器，702.加热器料液出口温度传感器，8.强制循环泵，9.蒸汽冷凝水泵，10.机械蒸汽再压缩机，11.真空泵，12.冷凝器冷凝水泵，13.冷凝器，14.晶浆出料泵，15.増稠器，16.连续离心机，17.蒸汽调节阀，18.冷凝水汽液分离罐，19.物料调节阀，20.冷却水进口，21.蒸汽进口，22.冷却水出口，23.凝结水出口，24.晶体出口。

具体实施方式

如图2所示，本发明所采用加工工艺设备包括进料平衡罐1、自动控制浮球阀101、进料泵2、流量计3、预热器4、结晶器5、育晶室501、分离室502、蒸发温度传感器503、结晶器液位传感器504、晶浆密度传感器505、除垢器6、加热器7、加热器料液进口温度传感器701、加热器料液出口温度传感器702、强制循环泵8、蒸汽冷凝水泵9、压缩机10、真空泵11、冷凝器冷凝水泵12、冷凝器13、晶浆出料泵14、増稠器15、连续离心机16、蒸汽调节阀17、冷凝水汽液分离罐18、物料调节阀19，由管道阀门、电线电缆连接，配上变频器、测量仪表、plc程序控制、电控柜构成一个设备成套工艺生产流程。

将杂质预处理好的未饱和的硫酸锌的水溶液作为原料液，原料液进入进料平衡罐（1），原料液的水溶液密度为1.5g/cm3，进料平衡罐（1）内设有液位控制阀（101），液位控制阀（101）固定在进料平衡罐（1）内壁中间位置，液位控制阀（101）在液位低位时阀门自动打开，在液位高于设定值阀门时关闭，液位控制阀（101）起到控制原料液量的作用。

进料平衡罐（1）内的原料液通过进料泵（2）运行输送入预热器（4），预热器（4）对原料液进行预热，即原料液在预热器（4）里跟蒸汽冷凝水换热升温，原料液吸收蒸汽冷凝水的热量后输送进结晶器（5）；整套设备在蒸汽输送同时，冷水也在输送进入设备，确保结晶工艺的饱和点与冷凝点，冷水由冷却水进口（20）进入冷却水管路，在冷凝器冷凝水泵13运转作用下，一部分冷却水出去，另一部分冷却水进入工作管路，蒸汽冷凝水泵9、真空泵11、冷凝器冷凝水泵12、冷凝水汽液分离罐18的工作相互作用下输入预热器（4）进行冷却作用，变成蒸汽冷凝水排出。蒸汽冷凝水泵9安装避免了由于大量蒸汽进入泵体之后导致蒸汽冷凝水用泵发生汽蚀之后影响蒸汽冷凝水用泵的使用效率；用真空泵11在凝结水管封闭空间中改善、产生和维持真空，确保设备正常运行；冷凝器冷凝水泵12把蒸气转变成液体，将管子中的热量，以很快的方式，传到管子附近的冷水中，确保设备正常运行；冷凝水汽液分离罐18对冷凝水进行气液分离的措施,从而将冷凝水经过加热器发挥冷凝作用后排出水。

结晶器（5）上部外壁固定安装液位传感器（504），液位传感器（504）位于结晶器（5）上部的汽液分离室（502）外表，物料调节阀（19）安装在原料液输送管上，通过plc自动控制物料调节阀（19）的开度大小来控制结晶器（5）内的液位，液位达到设定值停止进料，液位低于设定值补充原料液；除垢器（6）对受热后液体进行除污垢，实现在线吸附除垢运行，确保干净的受热液体输送到结晶器（5）内；加热器（7）对蒸汽再加热后，输送到结晶器（5）；循环泵（8）对加热后的蒸汽运行工作，确保管路内液体运行正常，蒸汽输送到结晶器（5）的管路有二条，结晶器（5）与除垢器（6）、加热器（7）、循环泵（8）串连设置在其中一条蒸汽输送管上，另一条蒸汽输送管是直接把蒸汽经过压缩机（10）的压缩后送入结晶器（5）；由循环泵（8）作用进行强制循环，蒸汽输送到结晶器（5），结晶器（5）内的水溶液被推动下反转到加热器（7），水溶液在加热器（7）内换热后又回到结晶器（5），如此反复循环工作，整个溶液受热过程形成一路蒸汽直接输进、一路溶液反转的换热循环设计，使硫酸锌的水溶液在环路内得到连续加热、除垢、蒸发、结晶，这样连续地循环除垢方式，有效解决硫酸锌溶液的钙镁离子在设备上易结垢的难题，提高换热系数，使溶液的受热均匀，连续地加热蒸发使硫酸锌溶液达到过饱和，使育晶室（501）内的一水硫酸锌在过饱和溶液中结晶。

结晶器（5）上部为汽液分离室（502），结晶器（5）下部为育晶室（501），育晶室（501）外表固定安装晶浆密度传感器（505），晶浆密度传感器（505）对育晶室（501）内的一水硫酸锌溶液进行检验；育晶室（501）的罐底下方输送管上固定安装晶浆出料泵（14），硫酸锌溶液在温度80℃时，其饱和液密度1.51g/cm3，当晶浆密度达到2.0/cm3时，晶浆出料泵（14）在运转工作下抽出晶浆溶液，输送进入増稠器（15），増稠器（15）安装在晶浆出料管路上，晶浆溶液在増稠器（15）内増稠后进入连续离心机（16）进行固液分离，离心机（16）安装在晶体溶液分离管路上，固液分离分离后，晶体去干燥包装，分离后的部分原料液回到结晶流程继续蒸发，实现连续进料，连续结晶，连续出料的目的。

増稠器（15）与连续离心机（16）分离的母液回到结晶流程中继续蒸发结晶，约占晶体10%的母液附着于晶体表面带出；根据硫酸锌溶解度特性，硫酸锌过饱和溶液在30℃时结晶出来的晶体为七水硫酸锌，在70℃时结晶出来的晶体为六水硫酸锌，在70℃以上结晶出来的晶体为一水硫酸锌；硫酸锌在40℃时的饱和溶解度为70.1g，在50℃时的饱和溶解度为76.8g，在80℃时的饱和溶解度为86.6g，在90℃时的饱和溶解度为83.7g，在100℃时的饱和溶解度为80.8g；所以汽液分离室（502）的蒸发温度设计为80℃，育晶室的晶浆密度设计为2.0g/cm3，因温度80℃时，硫酸锌饱和液密度1.51g/cm3，如果晶浆密度大于在2.0g/cm3，晶浆密度过稠，出料容易堵管；因加热器（7）的加热值确定后，循环液进出温差过低，循环泵能耗高，温差过高，循环液流速过低、换热系数低，加热管易结晶结垢。所以加热器（7）中循环液流速设计为2m/s；循环液进出温差设计为5℃，加热蒸汽温度与蒸发温度的温差设计为25℃，因温差过大，蒸汽压缩机能耗高，温差小于10℃，加热器换热面积大，设备成本高。

加热的硫酸锌溶液在结晶器（5）里蒸发产生的二次蒸汽，由压缩机（10）压缩，低品位的二次蒸汽经压缩机（10）压缩后热焓提高进入加热器（7），作为加热蒸汽使用；压缩机（10）选压缩比为2.7，压缩比为压缩机蒸汽出口与进口压力比值，或压缩蒸汽温升25℃的压缩机，因温差过大压缩比高，蒸汽压缩机能耗高，温差小于10℃，加热器（7）的换热面积大，设备成本高。二次蒸汽进入加热器（7）跟循环硫酸锌溶液换热后冷凝成水，由蒸汽冷凝水泵（9）抽出送入预热器（4）跟原料液换热回收蒸汽冷凝水的热量；二次蒸汽由压缩机（10）压缩给加热器（7）提供热源去加热硫酸锌溶液，硫酸锌溶液在加热器（7）中吸收热量后到结晶器（5）里蒸发；结晶器（5）里蒸发产生的二次蒸汽又被压缩机（10）压缩给加热器（7）提供热源，这样周而复始地换热循环利用热源达到节能目的，蒸发1吨水仅需要50kw的能量，达到节能目的；二次蒸汽带有少量的不凝性气体进入加热器（7）后由加热器（7）底部排出进入冷凝器（13）冷凝后由真空泵（11）抽走排空。