硫酸钠、氯化钠蒸发结晶工艺与设备种类

处理硫酸钠与氯化钠的混合溶液（如盐湖卤水、化工副产盐水等）是蒸发结晶领域一个经典且复杂的课题。其核心挑战在于分离，而非单一结晶。工艺与设备的选择完全围绕两者溶解度的交互影响以及目标产品展开。

一、核心工艺原理：相图指导下的分离

工艺设计完全依据Na⁺,Cl⁻,SO₄²⁻//H₂O四元体系相图。在该体系中，有一个关键的无变量点（共饱点），在此点溶液同时被NaCl和Na₂SO₄（通常以十水硫酸钠形式，即芒硝）饱和。这是工艺分离的理论基础。

根据原料液组成相对于该共饱点的位置和目标产品，主要有两大工艺路线：

1.以产盐（NaCl）为主，副产芒硝

适用条件：原料液中氯化钠含量相对较高。

工艺流程：

蒸发阶段：将混合溶液蒸发浓缩。由于NaCl溶解度变化小，而Na₂SO₄在高温下溶解度降低，因此在蒸发过程中，无水硫酸钠或十水硫酸钠（取决于温度）会首先大量析出。通过固液分离（如旋流器、离心机）将其作为副产品移出。

分离后继续蒸发：移除了大部分硫酸根的母液，其组成点沿着相图边界线向氯化钠顶点移动。继续蒸发，此时高纯度的氯化钠将结晶析出。

母液循环/排放：最终母液（富含杂质的共饱液）需要部分排放，以防止杂质（如钾、镁离子）过度累积。

2.以产硝（Na₂SO₄）为主，副产盐

适用条件：原料液中硫酸钠含量相对较高。

工艺流程：

蒸发浓缩：首先蒸发使溶液达到共饱点附近。

热法分离硝：在较高温度（如>50℃）下蒸发，此时析出的主要是无水硫酸钠，通过分离得到无水硝产品。

冷却结晶提硝：更常见的工艺是热法蒸发结合冷冻结晶。将浓缩后的高温母液进行冷却（如降至0-10℃），利用十水硫酸钠溶解度在低温下急剧下降的特性，大量析出十水硫酸钠（芒硝），经分离得到芒硝产品（可进一步脱水为无水硝）。

副产盐：分离芒硝后的母液，返回蒸发系统继续浓缩，最终副产氯化钠。

二、关键设备种类与选型

混合体系的复杂性和易结垢性，决定了设备必须具有抗结垢、易清理、适合连续分离的特点。

1.强制循环蒸发结晶器（FC）

主导设备，几乎是此类混合盐分离的标准配置。

优势：

高速循环（2-3m/s）能防止盐类在传热管壁结垢，尤其适合析出硫酸钠这种易在壁面附着的晶体。

过饱和在结晶室释放，为两种盐的分别生长提供良好条件。

可通过清母液循环或晶浆循环模式操作，控制过饱和度，优化不同盐的结晶过程。

2.多效蒸发系统

工艺框架：为降低能耗，整个分离流程通常构建在多效蒸发的框架内。例如，前三效用于浓缩和析出硫酸钠，末效用于结晶氯化钠。各效可能采用不同的操作温度以适应不同盐的析出序列。

3.奥斯陆（Oslo）结晶器

应用相对较少，但可用于对晶体粒度有特别要求的场合，例如希望获得粗大、均匀的硫酸钠或氯化钠晶体。其清液循环、晶体悬浮生长的特性有利于晶体长大，但对进料组成稳定性和操作控制要求更高。

4.配套分离与辅助设备

旋流器组：至关重要的分级设备。利用两种盐（如芒硝与盐）的密度和粒度差异，在结晶器出料时进行初步分离，将大部分NaCl晶体与Na₂SO₄晶体分开，再分别进入后续离心机。

离心机：对初步分离后的晶浆进行最终脱水，得到湿产品。

冷冻结晶器：如果采用冷冻法提硝，需要专门的表面冷却式结晶器或直接接触式冷却结晶器。

总结

硫酸钠与氯化钠混合溶液的蒸发结晶，本质是一个基于相图的、分步可控结晶分离过程。

工艺核心：通过控制蒸发、温度（冷却）和固液分离的顺序，引导目标盐分步析出。

设备核心：多效蒸发框架下的强制循环结晶器是主流生产装置，辅以旋流器等高效分级设备实现两种盐的连续物理分离。

控制关键：精确的液相组成分析（在线或离线）和相图计算，是指导操作、调整蒸发/冷却负荷、确保产品纯度和收率的“大脑”。

整个系统设计复杂，投资和运行成本高，但能实现资源的有效综合利用和废液的减量化。