硫酸镍生产工艺结晶理论和操作
概述
硫酸镍是一种盐，无水盐为黄色粉末或柠檬黄色等轴八面体晶体，密度为3.6g/cm3，在空气中吸收水分后变绿色，受热分解。水合硫酸镍主要有7水合硫酸镍（NiSO4·7H2O）和6水合硫酸镍（NiSO4·6H2O）两种。前者为水绿色菱形棱柱体晶体，味甜，俗称“绿矾”，密度为1.948g/cm3，熔点为98~100℃；后者为蓝色四面体锥体或绿色单斜晶体，密度为2.07g/cm3。二者均溶于水，不溶于醇。工业生产以6水合硫酸镍为主。
硫酸镍作为重要的化工原料，在民用、建筑、航天装备、国防工业等领域有着广泛的用途，主要用于电镀、化学镀、铝着色、电池材料、催化剂等方面。
国内硫酸镍工业生产的原料大致有三种：一是电解镍，经浸出生产硫酸镍溶液；二是高品位镍冰铜，经三级逆流选择性浸出生产硫酸镍溶液；三是含镍废料，经浸出除杂生产硫酸镍溶液。无论哪种原料，都要经过浸出除杂，才能生产出合格的硫酸镍溶液。此外，通过萃取等工序，硫酸镍溶液的质量还可以进一步提高。合格的硫酸镍溶液经过调酸、蒸发结晶、离心干燥、筛分包装，最终生产出硫酸镍产品。在整个生产过程中，结晶工序非常关键，直接影响硫酸镍产品的质量。本文对硫酸镍结晶过程进行分析，并详细描述了实际生产中的操作控制。
硫酸镍结晶工艺分析及实际操作控制
2.1硫酸镍结晶过程分析
硫酸镍的结晶过程主要包括晶核的形成和晶体的生长两个阶段。
2.1.1 成核
晶核有两种形式：一种是在溶液达到过饱和状态后形成的，称为“初次成核”，另一种是在搅拌、灰尘、电磁辐射等外界因素作用下形成的，称为“二次成核”。澄清的过饱和溶液在介稳区形成晶核极其困难，只能人工添加一定数量的晶种。
2.1.2 晶体生长
晶核在饱和溶液中不断长大，晶体生长的过程实质上就是溶液中过量的溶质粘附在晶核上，引起晶格膨胀的过程。也就是说，溶质是按照晶格特定的规律粘附在晶核上的。研究发现，晶体上不同晶面的生长速度很不一致，晶面的相对生长速度对晶体的形貌有很大的影响。当相邻晶面的交叉角为钝角时，生长快的晶面在生长过程中会逐渐变小甚至消失，而生长慢的晶面在生长过程中会膨胀。晶面相对生长速度的差异会引起晶体形貌的变化。
由于结晶过程包括晶核形成和晶体生长两个阶段，因此整个操作过程中就存在两种不同的速率：晶核形成速率和晶体生长速率。如果晶核形成速率远大于晶体生长速率，溶液中大量的晶核将来不及长大，结晶过程就会结束，导致成品中晶体细小而数量众多。如果晶核形成速率远小于晶体生长速率，溶液中的晶核将有足够的时间长大，产品的颗粒就会大而均匀。如果两者的速率差不多，结果就是产品的颗粒大小不一。这两个速率的大小不仅影响产品的外部质量（即外观），还可能影响产品的内在质量。生长速率过快，可能会造成两个以上的晶体连在一起。 虽然晶体看上去表面较大，但晶体之间往往夹杂着气态、液态或固态的杂质，严重影响产品的纯度。实际生产中，要求产品既有大颗粒，又有高纯度，这就需要从控制晶核的形成速度和晶体的生长速度入手。
2.2硫酸镍结晶过程的操作控制
（1）当物料到达搅拌桨底部以上时，启动减速机油泵电机、搅拌桨电机，调频至35Hz。物料收集完毕后，打开槽盖。
（2）物料进入结晶槽（规格：×）20min后，微开冷却水进水阀，开始缓慢降温，当料温降至58℃时，关闭冷却水进水阀，结晶槽内温度从接收温度降至58℃的时间控制在1.5~2h。
（3）当物料自然冷却至53-55℃时，调节变频器至42Hz，然后加入晶种，关闭冷却水进水阀。
（4）物料在溶液中停留1.5～2小时后，打开冷却水回水阀、进水阀，开始缓慢冷却，每次降温幅度不得超过0.5℃。
（5）随着温度的降低，颗粒的增大，变频器的频率相应调低，以降低搅拌桨的转速，减少颗粒与罐体之间的磨损。
(6)当温度降至42～45℃，结晶罐内晶体全部为十面体粒子时，结晶过程结束。从加入晶种到结晶结束的时间控制为4.5～5.0h。
（7）结晶完成后，即可出料，进入下一道工序。
（8）随着结晶槽内液位的下降，应随时调低变频器的频率，当液位降到搅拌桨以下时，应停止搅拌电机及油泵电机。
（9）物料排完后，清理结晶罐，然后关闭出料阀。
影响硫酸镍晶体产品质量的因素
生产实践中总结的影响硫酸镍晶体质量的主要因素有：pH值、过饱和度、蒸发速度、品种、搅拌等。
3.1 pH的影响
pH值直接影响产品的结晶性能，pH值较低时产品细长，以针状为主；pH值较高时产品短小粗大，这不是我们想要的。在实践中我们发现，pH控制在3.0~3.5之间，产品外观完全符合要求。
3.2 过饱和的影响
过饱和是结晶的前提条件，是结晶过程的根本驱动力。实际生产中摸索出的工艺参数为：蒸发浓缩液浓度控制在330~360 g/L，蒸发出料温度控制在85℃以上，物料排入结晶罐后冷却至58℃，以产生足够的过饱和度。
3.3 蒸发速率的影响
蒸发是形成过饱和的主要手段，如果蒸发速度太快，溶液很快达到过饱和状态，甚至直接跨过介稳区，不利于结晶的控制。实际生产中，控制蒸发速度使预蒸发液达到蒸发出料浓度90g/L，一般需5h左右。
3.4 晶种的作用
晶种主要用来控制晶核数量，以便得到更大更均匀的产品。加入晶种的时机一定要把握好，温度过高，加入的晶种可能部分或全部溶解；温度过低，溶液中已经生成了大量细小的晶体，加入晶种将不起作用。加入的晶种重量可按以下公式计算：
W1=W2（L31/L32） （1）
其中：W1为加入的晶种重量；W2为所需产出产品的重量；L1为晶种颗粒平均粒径；L2为产品颗粒平均粒径。
3.5 搅拌的影响
搅拌有以下作用：①加速溶液的热传导，加快生产进程；②增加溶质的碰撞机会，有利于晶体的生长；③使溶液的温度均匀，防止溶液出现局部浓度不均、结垢等问题；④使晶核分布均匀，防止两个以上的晶体粘连在一起，避免晶体间夹入气态、液体或固体杂质，影响产品质量。
从搅拌效果可以看出，搅拌速度的控制对结晶也有很大的影响，在结晶的不同阶段应控制不同的搅拌速度。
硫酸镍产品储存中的问题及预防措施
结块是硫酸镍产品储存中常见的问题，结块的原因有很多，如晶体颗粒的大小形状、储存过程中的温度变化、储存时间等。一般来说，结块是由于晶体表面受潮时溶液形成结晶，然后又形成新的晶体将相邻的晶粒连接在一起而产生的。结块还与颗粒的大小形状有关，减少晶粒间的接触可以减少结块，所以要求产品颗粒尽可能的大。颗粒的形状和均匀性也是影响结块的主要因素，均匀的颗粒晶体由于单位体积内接触点少，所以最不容易结块，即使结块也容易破碎。
防止结块的措施主要有：
（1）控制结晶，防止二次成核，获得规格均匀的晶体；
（2）添加改性剂，使晶体形状尽可能呈颗粒状或柱状；
（3）使用覆盖剂或隔离剂，防止或减少晶体的直接接触。
我公司在目前的生产中，尽量使产品颗粒大而均匀，但还没有尝试使用覆盖剂或隔离剂，这将在今后的生产实践中逐步探索，使产品团聚的问题得到根本解决。
综上所述
通过探索改进，硫酸镍晶体生产的操作条件和工艺参数逐步改善，硫酸镍产品质量稳定，企业经济效益提高。