化工毕业设计离子膜法制烧碱课程设计

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1、攀枝花学院专科毕业设计 目录 目录1 概述11.1氯碱工业及其重要性11.1.1氯碱工业发展简介11.1.2氯碱工业的特点21.1.3氯碱工业在国民经济中的地位31.1.4国内氯碱的现状和发展41.2烧碱的生产61.2.1隔膜法制碱及水银法制碱61.2.2离子交换膜电解及其特点61.2.3制固体烧碱82 工艺说明112.1概述112.2生产原理112.2.1离子膜烧碱片碱工段概述112.2.2下降的沸腾传热过程112.3工艺流程及其简述132.4除水及附属设备说明132.4.1预浓缩132.4.2最终浓缩器132.4.3其它控制回路142.4.4 EV1、 EV2旁路142.4.5主体设备及其

2、用材142.4.6烧碱管路142.4.7分配装置D1142.4.8熔盐碱管152.4.9制片碱152.4.10抽气系统152.5主要设备的选定说明152.5.1 蒸发器152.5.2 浓缩器152.5.3片碱机152.5.4 熔盐炉152.6生产能力计算162.6.1以100%NaOH为基准的生产能力162.6.2原材料及产品主要技术规格162.6.3片碱规格162.6.4原材料、动力消耗定额及消耗量162.6.5加热盐HTS172.6.6进料溶液规格172.6.7蒸汽172.6.8天然气173 蒸发工段计算过程183.1试差计算183.1.1工艺简图183.1.2总的蒸发量183.1.3估算

3、各效溶液的沸点和有效温差193.1.4由于溶液沸点而引起的温度差损失203.1.5由流动阻力引起的温度差损失203.1.6各效料液的温度损失和有效温度差203.1.7各效烧碱溶液的温度213.1.8各效的能量衡算213.2迭代计算233.2.1迭代流程图233.2.2迭带计算最终结果233.2.3各效加热流体的温度253.3蒸发面积的计算263.3.1各效总传热系数的假定263.3.2各效蒸发面积的计算263.4物料衡算和能量衡算273.4.1物料衡算273.4.2能量衡算274 片碱工段主体设备设计294.1各效蒸汽的体积流量294.2各效加热蒸气上升速度294.3液膜厚度的确定304.4蒸

4、汽接管304.5冷凝水出口接管314.6料液进出管口的确定314.7封头及法兰的选用334.8 U形膨胀节334.9管板的设计344.10支座的设计354.11蒸汽冷凝器的设计354.12折流板的设计选用364.12.1折流板的布置364.12.2折流板的选用374.13防冲板的位置和尺寸374.14液体分布器374.15除沫器384.16 分离室的高度H384.17三效主体设备设计384.17.1总的燃烧热394.17.2 HTS物性确定394.18设备一览表415 设 计 评 述426 参考文献437 致 谢45III攀枝花学院专科毕业设计 1 概述1 概述1.1氯碱工业及其重要性1.1.

5、1氯碱工业发展简介工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是基本无机化工之一。主要产品是氯气和烧碱（氢氧化钠），在国民经济和国防建设中占有重要地位。随着纺织、造纸、冶金、有机、无机化学工业的发展，特别是石油化工的兴起，氯碱工业发展迅速。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。生产烧碱和氯气有着悠久的历史，早在中世纪就发现了存在于盐湖中的纯碱，以纯碱和石灰为原料制取NaOH的方法即苛化法： 因为苛化过程需要加热，因此就将NaOH

6、称为烧碱，以别于天然碱。直到19世纪末，世界上一直以苛化法生产烧碱1。采用电解法制烧碱始于1890年，隔膜法和水银法几乎差不多同时发明。电解食盐水溶液同时制取氯和烧碱的方法（称电解法），在19世纪初已经提出，但直到19世纪末，大功率直流发电机研制成功，才使该法得以工业化。第一个制氯的工厂于1890年在德国建成，1893年在美国纽约建成第一个电解食盐水制取氯和氢氧化钠的工厂。第一次世界大战前后，随着化学工业的发展，氯不仅用于漂白、杀菌，还用于生产各种有机、无机化学品以及军事化学品等。20世纪40年代以后，石油化工兴起，氯气需要量激增，以电解食盐水溶液为基础的氯碱工业开始形成并迅速发展。50年代后

7、，苛化法只在电源不足之处生产烧碱。氯碱生产用电量大，降低能耗始终是电解法的核心问题。因此，提高电流效率，降低槽电压和提高大功率整流器效率，降低碱液蒸发能耗，以及防止环境污染等，一直是氯碱工业的努力方向。隔膜法于1890年在德国首先出现，为了连续有效地将电解槽中的阴、阳极产物隔开，1890年德国使用了水泥微孔隔膜来隔开阳极、阴极产物，这种方法称隔膜电解法。以后，改用石棉滤过性隔膜，以减少阴极室氢氧离子向阳极室的扩散。这不仅适用于连续生产，而且可以在高电流效率下，制取较高浓度的碱液。1892年美国人H.Y.卡斯特纳和奥地利人C.克尔纳同时提出了水银电解法，其特点是采用汞阴极，使阴极的最终产物氢氧化

8、钠和氢气，不直接在电解槽而在解汞槽中生成，以隔离两极的电解产物。这种方法所制取的碱液纯度高、浓度大。1897年英国和美国同年建成水银电解法制氯碱的工厂。20世纪以来，水银法工厂大部分沿用水平式长方形电解槽，解汞槽则由水平式改为直立式，目的在于提高电解槽的电流效率和生产能力。隔膜法电解槽结构也不断改进，如电极由水平式改为直立式，其中隔膜直接吸附在阴极网表面，以降低槽电压和提高生产强度。立式吸附隔膜电解槽代表了20世纪60年代隔膜法的先进水平。第一台水银法电解槽是在1892年取得专利。这不仅适用于连续生产，而且可以在高电流效率下，制取较高浓度的碱液。食盐电解工业发展中的困难，首先是如何将阳极产生的

9、氯气与阴极产生的氢气和氢氧化钠分开，不致发生爆炸和生成氯酸钠，以上两种生产方法都成功地解决了这个难题。前者以多孔隔膜将阴阳两极隔开；后者则以生成钠汞齐的方法使氯气分开。这样，就奠定了两种不同的生产工艺的基础，并一直沿用到现在2。隔膜法制得的碱液，浓度较低，而且含有氯化钠，需要进行蒸发浓缩和脱盐等后加工处理。水银法虽可得高纯度的浓碱，但有汞害。因之离子膜电解法（简称离子膜法）应运而生。而在20世纪50年代和60年代早期，一些著名的公司对离子膜电解这项崭新的技术着手研究，终究未能或得具有实用性的成果。直到1966年美国Du PonT公司开发了化学性稳定的，用语宇宙燃料电池的全氟磺酸阳离子交换膜，即

10、Nafion膜。为离子膜法电解食盐水溶液的工艺的工业化铺平了道路。1970年开发出带有增强网的离子膜，1978年离子膜技术在全球氯碱生产技术中占1，1980年在美国建立了离子膜生产厂，1975年日本旭化成公司成功地在延冈工厂用Nation 315膜生产烧碱第一次实现了离子膜法烧碱的工业生产。针对电压和强度的相互矛盾关系，杜邦公司于2004年前后研制NX-2020膜折衷了N-966和N-982的优点，强度高、电压低，比较适合目前氯碱生产的需求。而另一生产商日本旭化成公司在1976年用全氟羧酸膜取代了杜邦公司的全氟磺酸膜，接着又开发了羧酸-磺酸复合膜。在1993年开发了当时世界上性能最佳的ACI-

11、PLEX-F4202离子膜，并于1997年开发出新型的ACIPLEX-F4203离子膜，在世界上首次实现了电解电压下降到3 V以下的新型离子膜。我国氯碱行业引进最多的是离子膜法烧碱技术装置。自20世纪80年代开始，离子膜法烧碱技术装置经历了“空白技术、急需引进”和“发展技术，完善引进”两个阶段，先后从日本、美国、英国、意大利、德国等5国的9大世界知名公司引进各种型号规格的离子膜电解槽数十种。至今个别地区仍在重复引进，而我国国产化离子膜电解槽已基本达到国际先进水平。1.1.2氯碱工业的特点氯碱工业的特点除原料易得、生产流程较短外，主要还有三个突出问题:（1）能源消耗大 氯碱生产的耗电量仅次于电解

12、法生产铝按照目前国内生产水平，每生产1吨100烧碱需耗电2580度，耗汽5吨，总能耗折标准煤为1.815吨。1988年我国氯碱工业用电量占全国总发电量的1.5。因此，电力供应情况和电价对氯碱产品的生产成本影响很大。重视选用先进工艺，提高电解槽的电、能效率和碱液蒸发热能的利用率，以降低烧减的电耗和蒸汽消耗，始终是氯减生产企业的一项核心工作3。（2）氯与碱的平衡 电解食盐水溶液时，按固定质量比例(1:0.85)同时产出烧碱和氯气两种产品。在一个国家和地区，对烧碱和氯气的需求量不一定符合这一比例。因此就出现了烧碱和氯气的供需平衡问题。氯与碱的平衡是氯碱工业发展的关键，在20世纪80 年代，是以碱定氯

13、，通常把氯气作为生产烧碱的副产品；而到了20 世纪90年代，由于氯产品的应用越来越广泛，氯碱工业逐步发展为以氯定碱，烧碱逐渐被一些业内人士称为副产品了。近十几年来由于我国氯碱工业的盲目扩建，使烧碱产能增长过快，而下游相关产业发展滞后，氯与碱的需求不平衡问题越来越突显。在一定情况下，发展中国家在工业发展初期用氯量较少。由于氯气不宜长途运输，所以总是以氯气的需要量来决定烧碱的产量，因此往往会出现烧减短缺现象。在石油化工和基本有机原料发展较快的国家和地 区，氯的用量就较大，因此就出现烧碱过剩。总之烧碱和氯气的平衡始终是氯碱工业发展中的一个恒定的矛盾4。（3）腐蚀和污染 氯碱产品如烧碱、盐酸等均具有强

14、腐蚀性，在生产过程中使用的原材料如石棉、汞和所产生的含氯废气都可能对环境造成污染，因此防止腐蚀和三废处理也一直是氯碱工业的努力方向5。选择正确的防腐材料,选择有资格,有经验的施工单位,不但可以确保良好的施工质量,起到应有的防腐效果,从而大大延长设备的使用寿命,为企业降低生产成本和维修费用,创造更大的利润.这也是防腐专业人员的价值所在6。1.1.3氯碱工业在国民经济中的地位食盐电解联产的烧碱、氯气和氢气，在国民经济的所有部门均很需要，除应用于化学工业本身外，在轻工、纺织、石油化工、有色金属冶炼和公用事业等方面均有很大用途，作为基本化工原料的“三酸二碱”中，盐酸、烧碱就占其中两种，而且氯气和氢气还

15、可进一步加工成许多化工产品。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及到国民经济及人民生活的各个领域7。烧碱是基本化工原料之一，它的主要用途最早从制造肥皂开始，后来逐渐用于造纸、纺织、印染等工业。六十年代后，随着石油化工的发展，进一步扩大了烧碱的用途。因此，烧碱在国民经济中占有重要地位。烧碱在棉纤维的纺织、印染中，主要用作棉布的退浆剂、煮炼剂和丝光剂。在生产：粕波纤维时，需用烧碱处理含纤维素的原料，将其中的半纤维索、本质素除去。每生产1吨粘胶纤维需要高纯烧碱1吨左右。生产1吨肥皂约需要烧碱180kg，1吨合成洗涤剂则需要烧碱150公斤左右。在制皂工业中，烧碱是制造肥皂、合成洗涤剂的原料。在造纸工业上，烧减

16、的用量亦很大，在我国约占全年产量的三分之一左右。1.1.4国内氯碱的现状和发展中国氯碱工业始于20世纪20年代末。1949年前，烧碱平均年产量仅15kt，氯产品仅盐酸、漂白粉、液氯等少数品种。1949年后，在提高设备生产能力的基础上，对电解技术和配套设备进行了一系列改进。50年代初，建成第一套水银电解槽，开始生产高纯度烧碱。不久，又研制成功立式吸附隔膜电解槽，并在全国推广应用。50年代后期，新建长寿、株洲、北京、葛店等十多个氯碱企业及其他小型氯碱厂，到60年代全国氯碱企业增至44个。70年代初，氯碱工业中阳极材料进行了重大革新，开始在隔膜槽和水银槽中用金属阳极取代石墨阳极。80年代初，建成年产

17、100kt烧碱的47型金属阳极隔膜电解槽系列及其配套设备。至此，全国金属阳极电解槽年生产能力达800kt碱，约占生产总量的1/3。在此期间，氯碱工业中的整流设备、碱液蒸发，以及氯气加工、三废处理等工艺也都先后进行了改革。1983年烧碱产量为2123kt，仅次于美国、联邦德国、日本、苏联。氯碱工业，在我国国民经济中占有重要的地位。然而近年来，由于市场的竞争日益激烈，我国各氯碱企业为了提高自身的竞争力，纷纷扩大烧碱装置规模，从1999年开始，掀起了一轮烧碱扩建高潮，到2000年其生产能力已从1998年的6 860 kt/a增至8 000 kt/a，目前我国烧碱的总生产能力已经达到8 620 kt/

18、a，居世界第2位。如此快速的增长，使国内烧碱市场趋于饱和状态，而且这种扩建热潮目前还在继续，齐鲁石化公司氯碱厂正在扩建的200 kt/a的离子膜装置，上海氯碱化工股份有限公司计划再建400 kt/a的装置，其他的一些厂家的计划项目估计还有700 kt/a, 如果这些计划项目得以实施，我国的烧碱生产能力将达到近10 000 kt/a。随着生产能力的不断增加，近年来烧碱的产量也不断增加，2002年全国烧碱产量达8 089 kt，为历史最高纪录，与2001年的7 135.2 kt相比，增长幅度为13.4%。目前烧碱的生产方法几乎全部采用电解食盐水的方法，这样，每生产1 t烧碱则联产0.88 t氯气。

19、2001年在生产烧碱的同时，产出氯气6 280 kt；2002年则同时产出氯气7 120 kt。随着离子膜法新装置的建成，造成严重环境污染的水银法已停止生产，苛化法的产量也相当少，我国目前烧碱的主要生产方法是隔膜法和离子膜法。我国氯碱产业目前正处于成长期向成熟期过渡的阶段，其主要特点是产业增长速度将有所减慢，技术趋于成熟，产品差异化程度较低，行业进入门槛降低,电力、煤炭、制盐、塑料加工等行业的企业开始大量介入。今后几年，国内氯碱产业的市场竞争将进一步加剧,成本竞争将成为最主要的竞争方式。我国氯碱产业通过这一轮高速发展,形成了较为雄厚的产业基础,呈现出向大规模、集约化方向发年,全国烧碱企业平均产

20、能约七万展的趋势。2005吨,预计到 2010年将达 10万吨以上,重点企业烧碱产能将向 20万30万吨发展。氯碱产业是基本化工原材料产业，其主要产品烧碱、氯气和氢气,广泛应用于轻工、化工、纺织、建材、国防、冶金等各个领域。目前发达国家氯碱产品人均消费量约2530kg/a ，而我国仅为4.05.0kg/a因此氯碱产业在我国仍将有很大的发展潜力。但也应看到，目前国内氯碱产业的发展存在一定程度的过热和无序，今后一段时期将可能出现较为激烈的竞争局面。今后，原料和能源供应仍将成为影响我国氯碱产业发展的重要因素。原盐将从供应充裕转为供应相对不足，卤水和进口盐使用量将显著增加，盐碱联合将成为发展趋势；乙烯

21、供应仍将成为制约我国 PVC发展的主要因素之一；电石将成为比乙烯更为重要的氯碱原料，在山西、内蒙古、宁夏、陕西等西部地区，由于有丰富的煤炭、石灰石资源，且能源供应价格便宜，电石法PVC和烧碱项目将有明显的竞争优势。氯碱产业属高耗能产业，电力成本占总成本的百分之六十左右。近几年，我国大范围的电力紧张和电价上涨，直接影响了氯碱产业的经济效益。采用热电联产可充分利用能源，大大降低氯碱产品生产成本。此外，氯碱企业与电力企业建立战略联盟,实施点对点的直供电，也可有效降低氯碱生产成本。今后，以热电联产和直供电为主要方式的电-碱联合将成为氯碱产业的重要发展趋势。未来我国氯碱行业的产业格局应当是以区域性、功能

22、型企业集团为主体的市场竞争格局，届时两种类型的企业在市场上将具有竞争力。一种类型是同时拥有生产原料优势、生产成本优势的企业，发展成为产业链一体化的大型生产型氯碱企业；另一种类型是处于具有特殊资源地区的企业，如贴近最大的消费市场,或紧靠大型港口，以发展服务型业务为主，掌握一定的国际国内流通市场的话语权。从长远看，随着电力、盐业体制改革深入，我国氯碱产业的资源优势将会逐步显现出来。同时,国内氯碱企业将更多地关注上游产业，优化配置资源，上下游一体化，形成合理的产业链,提高核心竞争力。碱电联合、碱盐联合将成为发展趋势，有条件的企业甚至可以采取煤、盐-电-碱-塑料加工及建材的大联合模式8。发展循环经济，

23、提高资源利用率，是实施可持续发展战略的重要途径。其基本特征就是低消耗，低排放，高效率，是对大量生产，大量消费，大量废弃的传统增长模式的根本变革。近年来，化工企业在推动国民经济切实走新型工业化道路,坚持节约发展，清洁发展，安全发展等方面发挥了核心作用。在生产中运用减量，再利用，再循环的基本原则，成为实现循环经济可持续发展的主要动力9。1.2烧碱的生产1.2.1隔膜法制碱及水银法制碱隔膜法制碱可分为普通隔膜和改性隔膜。普通隔膜存在隔膜厚、隔膜电阻高、运行寿命短、易溶胀、易出现氯中氢含量高、抗运行条件变化能力差、安全性能差等缺点；改性隔膜因添加了改性剂，其性能得到很大改善。常用改性剂有乳液和纤维等品

24、种。目前国内使用的改性隔膜大部分是聚四氟乙烯乳液法改性隔膜。隔膜法的特点是用多孔渗透性的隔膜把阳极室和阴极室隔开，隔膜能阻止气体通过，这就阻止了阳极产物与阴极产物混合，但能让水和离子通过。这样既能防止阴极产生氢气和阳极产生的氯气相混合而引起爆炸，又能避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠，而影响烧碱的质量。隔膜法的缺点在于投资和能耗较高，产品烧碱中会含有食盐。水银法所用的电解槽由电解室和解汞室组成。它的特点是以汞为阴极，Na+得到电子生成液态的钠和汞的合金，在解汞室中，这种合金与水作用生成氢氧化钠和氢气，析出的汞又送回电解室循环使用。水银法制碱的特点是碱液浓度高，质量好，成本低，因此获得广泛应用，

25、但这种方法最大的缺点是酿成汞对环境的污染。因此，此法已逐渐减少使用。隔膜法和水银法电解所用阳极以前一直采用石墨，它的缺点是消耗快，耗电多。1965年，发明了在钛表面涂钛、钌等氧化物涂层的金属阳极，这种金属阳极降低了电耗，而且电流密度可成倍增长，使电解产量大幅度增加。1.2.2离子交换膜电解及其特点离子交换膜法是新开发出的方法，这种方法用有选择性的离子交换膜将阳极室和阴极室隔开，能够得到高纯度的烧碱溶液。离子膜法在电能消耗、建设费用、产品质量和解决环境污染方面都比隔膜法和水银法优越，被公认是现代氯碱工业的发展方向。近几年来，国内氯碱企业普遍进行了以离子膜烧碱为中心的技术改造，电气部门配合电解新工

26、艺重新布局，引入了一系列的新技术新设备，从而提高了整流装置的技术档次和电气综合自动化水平。但在整流装置的设计中也存在一些问题11。电解工序综合能耗约占烧碱总能耗的53. 2%,电耗约占烧碱电耗的90%12。因此先进的电解节能技术就显得犹为的重要。 （1）基本原理离子交换膜(IEM或IM)是对溶液中离子有选择性透过的高分子材料膜。氯碱电解槽选用的是阳离子交换膜，它能使阳离子(Na+)通过，而排斥带负电的阴离子(Cl)。离子交换膜电解与普通隔膜电解的比较示于图1-1。Cl不能透过离子交换膜,阴极室得到的是不含NaCl、高纯度的烧碱溶液13。目前工业采用的离子交换膜有全氟磺酸型和全氟羧酸型阳离子交换

27、树脂。对离子交换膜的工艺要求是：化学稳定性好，能够耐C12、ClO和酸碱腐蚀；机械稳定性好，保持尺寸稳定和膜面平整阳离子选择透过性好，能透过Na和H3O，阻止Cl进入阴极室，对OH进入阳极室也起一定阻止作用；膜电阻低14。H2淡盐水离子交换膜图1-1 离子膜电解示意图（2）离子膜电解槽工业化的离子膜电解槽是由多个单元组装而成的15。根据单元的结构不同，分为单极式和复极式(双极式)。单极式是将阳极和阴极各自组成可拆卸的单元，如同板框压滤机中板和框一样，将“阴极-框-膜-框-阳极-框”顺序组装而成离子膜电解槽，各单元可用并联或串联组成一组电解槽。单极式电解槽各单元间要用导线联接，耗用材料多，电阻大

28、。复极式电解槽按“阴极-空间-厢板-空间-阳极”组成一个单元。组装时除末端用两块压紧板外，将“单元-膜-单元-膜”顺序组装而成离子膜电解槽。复极式电解槽的基本结构如图1-2所示。图1-2 电解槽离子膜电解槽中，阳极和阳极室材料是钛或复钛的钢，阴极和阴极室用钢，隔板用衬钛钢板。也有的用聚丙烯制造槽框16。各单元底部有液体(盐水和纯水)进口管，项部有液体(淡盐水和碱液)和气体(氢和氯)出口管。在此介绍离子膜碱液及其蒸发的特点：1.离子膜碱液的特点：（1）.碱液浓度高，氢氧化钠含量在29%35%。（2）.碱液中氯化钠含量少，其含量在3050mg/L。（3）.碱液中氯酸盐含量低。NaClO3含量在15

29、30mg/L。2.离子膜碱液的蒸发特点（1）.流程简单，简化设备，易于操作。（2）.浓度高，蒸发水量少，蒸汽耗量低。3.离子膜电解制碱的优点：（1）投资省。（2）出槽NaOH浓度高。（3）能耗低。（4）氢氧化钠质量好。（5）氯气纯度高，氯中含氧、含氢低。（6）氢气纯度高。（7）无污染。（8）生产成本低。在隔膜法、水银法和离子膜法这三种电解法中，离子膜法的能耗和建设投资是最少的；质量方面，离子膜法制得的碱液、氢、氯的质量优于隔膜法，接近或等于水银法而不含汞；没有汞、石棉污染等公害。是目前最好的方法17。正因为这些特点，离子膜电解制碱工艺有着极强的生命力，在我国的制碱行业之中发展及其迅速，得到了广

30、大生产商的欢迎。1.2.3制固体烧碱（1）生产方法液体烧碱在高温下进一步浓缩呈熔融状，再经冷却，成型，制得不同形状的固体烧碱，简称固碱。生产固碱的原料液碱。可采用化学(苛化)法或电化学(隔膜电解，水银电解及离子膜电解)法生产。液碱经熬碱锅间歇蒸煮或升(降)膜式蒸发器连续蒸发，脱掉大部分水分，高温下浓缩呈熔融状，熔融碱的氢氧化钠含量一般大于95%(wt)，再经冷却、固态化成型，制成桶碱，片碱或粒碱等25。固碱的生产主要有间歇法锅式蒸煮和连续法膜式蒸发两种方法。锅式蒸煮固碱采用铸铁锅直接火加热，蒸煮液碱，熬制固碱。这种生产方法工艺成熟可靠，产品质量稳定，铸铁锅的维修工作量不大，因此被普遍采用。其缺

31、点是，工艺陈旧，间歇操作，生产能力低，设备笨重，占地面积大，操作劳动强度大，热利用率低，不便于机械化、自动化。连续法膜式蒸发固碱，生产上采用薄膜蒸发原理，45(wt)的碱液先在升膜蒸发器内预浓缩，再经降膜蒸发器蒸发浓缩，制成熔融碱，再以桶碱或片碱、粒碱包装即为固碱成品。膜式法蒸发工艺，给热系数大，传热效率高，物料在传热导管内蒸发速度伙，停留时间短，碱液一次通过升膜、降膜管，即能达到要求的浓度。升、降膜蒸发器及加热系统便于大型化、生产连续化、控制自动化，故在世界上广泛应用1819。膜式法蒸发固碱的生产，是根据薄膜蒸发的原理，采用升、降膜蒸发器，将44(wt)液碱浓缩为熔融碱，经冷却制得固碱。片碱

32、机是氯碱行业生产片状烧碱的设备，设计和加工单位往往要根据生产厂家的要求和实际情况进行专门的设计和加工。片碱机主要由滚筒机构,刀架机构,冷却机构,转动机构,和卸料机构组成 (见图1-3) 26。 图1-3片碱机结构示意图熔融碱自高位槽经调节流量加入片碱机下部的弧形碱槽。采用膜式蒸发工艺生产的合格熔融碱，通过成品分离器的液封装置自流进入弧形碱槽。片碱机的冷却滚筒表面开有燕尾槽，滚筒下部侵入弧形碱槽约20-25mm,弧形碱槽靠提升装置保持在所需的位置上或倒尽槽内熔融碱，滚筒以1.5-3转/分的速度缓慢转动。冷却水由滚筒轴承一端进入；从水管上的喷嘴喷出，喷淋冷却滚筒的内表面。用过的冷却水从另一端引出。

33、冷却水的出管口与水喷射泵连接，形成一定的真空，是冷却水能及时排出，保证充分利用冷却滚筒的换热面积。片碱的厚度通常控制在0.8-1.5mm,通过调整滚筒的转速与滚筒侵入弧形碱槽的深度来调节.随着滚筒的旋转.滚筒的外表面冷却凝结的碱层不断地被刮刀铲下，即为碱片由于片碱冷却效率低，出料温度高，经常烫坏塑料袋，使生产不能连续进行。要对片碱系统进行改造。降低出料温度，使片碱生产顺利进行 27。（2）固碱的主要用途固碱与液碱都是基本化工原料，广泛用于造纸、合成洗涤剂及肥皂、粘胶纤维、人造丝及棉织品等轻纺工业方面，农药、染料、橡胶和化肥等化学工业方面，石油钻探，精炼石油油脂和提炼焦油产物的石油工业，以及国防

34、工业、机械工业、木材加工、冶金工业、医药工业及城市建设等方面。但对某些产品的生产如：乙炔气体干燥、苯酚和赛珞璐等，必须使用固碱。47攀枝花学院专科毕业设计 2 工艺说明2 工艺说明2.1概述众所周知，隔膜法所生产的50%液碱含盐高于1%,不适用于化学纤维等工业。故长期以来高纯氢氧化钠完全由水银法获得，碱液含盐量小于50mg/L。但是水银法具有高能耗和高污染性，离子膜法电解制碱能完全避免这些问题。经过近一个世纪的研究发展，尽管离子膜法烧碱在技术上还存在一些难题，但是它具有节能，产品质量高，低能耗，低污染，流程简单，设备简化以及很强的可操作性赢得各大烧碱厂商的青睐。 在离子膜法生产烧碱的领域又以降

35、膜蒸发最具优越性。本次设计采用降膜双效逆流蒸发，该流程具有能力大、强度高、工艺操作简单等特点。2.2生产原理2.2.1离子膜烧碱片碱工段概述膜式方法生产片状固体烧碱是使烧碱溶液与加热源的传热发热过程在薄膜传热状态下进行。这种过程可在升膜或降膜情况下进行，一般采用熔盐进行加热。膜式方法生产烧碱可以分为两个阶段（1）烧碱溶液从30%浓度浓缩至56%，这个阶段可以在降膜蒸发器中进行。加热源采取中生蒸汽或二次蒸汽在真空下进行蒸发；（2）56%烧碱溶液再通过上升膜或下降膜浓缩器，以熔盐为加热载体，在常压下将烧碱浓缩成熔盐烧碱。2.2.2下降的沸腾传热过程当液体进入降膜蒸发器中垂直的加热管道内，液体被管外

36、的加热源（蒸发或者热载体）所加热。而达到沸腾。在沸腾的流体中，液体和蒸汽是二相混合流动的，故他是二相流动的给热的过程。对于该过程，凡是影响单相对流给热的各种因数如液体的黏度、密度、导热系数、比热容、体积膨胀系数和加热面的集合形状都对二相流动有影响。由于液体沸腾产生的相变时要吸收大量的热，故它的给热系数要比单相对流大很多。另外，其他如加热面的材质、液体的表面张力、蒸发压力、蒸汽密度等都对传热起重要的作用。同时，由于降膜蒸发在传热过程中，在管子的加热面要产生气泡，因此，在传热过程中，任何气泡的生成、长大和分离有关的因数，都和降膜的沸腾传热有着密切的关系。在降膜蒸发的过程中，当液体的加热面上有足够的

37、加热流强度或壁面温度超过液体的温度一定时，在液体和加热面之间会产生一层极薄的液层（滞流热界面层），从而形成温度差。此极薄的液层受热发生相变，吸收潜热而蒸发，这样，管内液体不必去底部达到饱和温度，就能在加热面上产生气泡而沸腾。这时气泡的过热程度超过从膜内传热的温度，所以蒸发完全是在膜表面进行的。这种沸腾叫表面沸腾或过冷沸腾。对于表面沸腾的蒸发应具备以下二个要素：（1）液体必须过热，即达到气泡形成的过热度；（2）有气化核心、气化核心的产生是由于加热面上有细小凹坑形成的孔穴中所密封的气体或蒸汽。当液体被加热面加热时，孔穴中液体气化形成蒸汽泡。一定的过热度对应一定的直径，只有大于一定直径的孔穴上才能产

38、生气泡。这个直径称为这个过热的临界直径。随着过热度的增加，气化核心所需要的临界直径变小、更大的孔穴上也能形成汽化核心，使沸腾变得更为剧烈。随着辟面热流强度的增加，过热度加大，气泡黏度、表面张力和惯性的作用变弱，气泡迅速增大，这时气泡的传热因素起主要作用。长大后的气泡，受它周围液体传热强度支配，加剧 了气液界面上的蒸汽和传热程度。如果周围液体达到了饱和温度，这时的沸腾就转为饱和核沸腾。然而，在降膜蒸发过程中，由于形成二次蒸汽流速很高，将液体拉拽成一层薄膜，流动速度很快，故环状流中有一个高速的蒸汽中心和一个流体环，气液界面上受到高速的蒸汽的干扰剧烈，使壁面的传热机理由泡状流的饱和核沸腾给热转变为通

39、过液膜的强制对流给热。这时，通常在液膜内不再有气泡产生，热量主要是通过液膜的导热和液膜表面的蒸发进行传热，因此又称为薄蒸发。同时，在降膜蒸发过程中，要避免出现壁面液膜的断裂变赶现象。否则将使给热系数大大降低，另一方面也要避免出现流量太大而致使液体过热度不足，不能形成薄膜蒸发发现象，因此，控制好进入蒸发器中液体的流量及加热载体的温度，在膜式蒸发中至关重要。此外，在实际生产中，为了降低液体的沸点、提高温度，加速二次蒸汽的溢出，常有降膜蒸发器在负压下进行。工业上的蒸发过程是典型的传热过程。这个过程可由传热方程式来表示：Q=KFt式中 Q传热速率， kJ/hF传热面积， m t传热系数， kJ/(mh

40、)由传热基本方程式可知，提高传热效率分别与传热面积、传热温差及传热系数有关。也就是说上述三要素是提高传热速率，提高蒸发能力的基本条件。2.3工艺流程及其简述由离子膜电解工序来的30%原料烧碱溶液送入碱液贮槽T-1、T-2，经泵P-1A/B自顶部进入如1号预浓缩器EV-1，在100BAR操作压力下沿EV-1列管内壁形成均匀完整的液膜向下流动，同时与最终浓缩路EV-3及2号预浓缩器EV-2的二次蒸汽换热。经浓缩后，浓度44%的烧碱流出管来，进入浓缩器下部的二次蒸汽分离器进行气液分离，之后由P-2A/B泵并加入一定浓度的蔗糖溶液后送入EV-2。EV-1产生的二次蒸汽由蒸汽喷射真空泵P-4A/B抽出。

41、混合冷凝器的含碱冷凝水流回循环凉水池子，经冷却后循环使用。溢出的含碱冷凝水进入烧碱凝水槽V-2进行收集。预浓缩器EV-2于常压下操作，44%烧碱溶液由壳程内的0.7BAR生蒸汽，经进一步浓缩为56%烧碱溶液后流出EV-2管来，进入二次分离器分离。经P-3A/B泵到最终浓缩器EV-3。56%烧碱溶液经最终浓缩器EV-3顶部加入，均匀分布到14个下降膜浓缩单元，每个单元均有单独的加热夹套，温度为395430的熔融盐于其中与烧碱溶液逆向流动换热。最终，浓缩为浓度约为99%的烧碱溶液到分离器D-1，经气液分离后均匀流到有熔盐伴热的熔融烧碱管进入片碱机浸槽。经冷却破碎制成厚约为0.90.2mm，温度约为

42、60的成品。EV-2壳程的二次蒸汽冷凝水流入含有烧碱凝水槽V-2。熔融盐由熔盐泵打入熔盐炉H-1，通过加热器管使燃烧炉B-2产生的热传递给循环熔盐。熔盐经循环，连续不断地向EV-3提供外部热源以浓缩烧碱溶液，并为装置提供伴热热源。2.4除水及附属设备说明除水路线由以下两个步骤组成：（1）两效预浓缩器 （2）最终浓缩器2.4.1预浓缩进料碱液(CSF30%)由泵P-1A/B自贮槽(T-1/2)打入预浓缩器EV-1，用来自最终浓缩器EV-3及预浓缩器EV-2的二次蒸汽加热。考虑到开车时EV-1/2未产生二次蒸汽，设计引入部分生蒸汽进行加热，而EV-1浓度未达到时采取了使碱液循环被加热的措施使浓度达

43、到要求。预浓缩器EV-1产品侧工作压力为真空100mbar，其真空度由混合冷凝器C-1和蒸汽喷射真空泵P-4A/B产生。预浓缩后，浓度为44%碱液流出管束，进入EV-1下部的二次汽分离器。预浓缩器EV-2于常压下操作，由0.7mkPa生蒸汽加热，经进一步浓缩，浓度为56%的碱液流出管束进入二次汽分离器分离，之后由碱液泵P-3A/B送入最终浓缩器EV-3。2.4.2最终浓缩器最终浓缩器主要由单独管道组件（浓缩器管）和二次汽分离器组成。进料碱液在降膜浓缩器中于常压下由外部热源加热蒸发。进料碱液56%由P3A/B泵打入最终浓缩器碱液集料器，进入最终浓缩单元，浓度约为99%的熔融碱液膜流出浓缩器单元，

44、经汇流槽进入分离器，经分离器流入分配器D-1，并分配至片碱机F-1A/B。烧碱具有强烈的腐蚀性，需要选用防腐蚀的材料。由于镍具有较强的耐腐蚀能力，此装置中与熔融碱接触的所有设备部件及管件皆选用纯镍（低碳镍）。2.4.3其它控制回路考虑到产品产量可能的调整，EV-2的分离器液位通过碱排出管上的流量仪表调节。EV-1的分离器液位通过EV-2进料管上的流量仪表调节。二次蒸汽在混合冷凝器C-1中冷凝为碱液循环水，集中于循环水池；由水池作为水封槽以维持真空度，故其液位调节尤为重要。EV2产出的生蒸汽冷凝水集中于冷凝水储槽直接流入含碱冷凝水，其液位由控制回路调控以保持稳定。来自EV-1的含碱冷凝水集中于含

45、碱冷凝水储槽V-2，其液位由控制回路调控以保持稳定，过剩部分送至界区用于泵的冷却水。2.4.4 EV1、 EV2旁路当流量降到一定值, EV-1、 EV-2则在欠负荷下运行。低于70%，则镍管湿润内壁上的液膜厚度将变得太薄，且其热负荷过高，将导致镍管腐蚀速度加快。为防止以上现象，则使用EV-1 EV-2的旁路。以补充液体的不足，保证预浓缩最终流量恒为100%。当需通过旁路调节流量平衡时，可通过仪表进行调节。2.4.5主体设备及其用材本加热系统采用熔盐作为传热介质，其主要设备有：内带液下泵的融盐储槽，带有燃烧器B2的强制循环加热器H1，烟囱及盐管系统。导热盐在盐储槽中熔化，即在操作间歇期间，保持

46、溶盐温度持平使其呈熔融态。操作期间，由液下泵从底部到顶部通过加热器H1的加热盘管使熔盐循环流动，通过加热盘管，使燃烧器产生的热传递给循环熔盐。熔盐从加热器流进最终浓缩EV3，再回流入盐储槽。通过最终浓缩器的循环熔盐量由旁通阀调节，若需要，可让部分熔盐直接返回盐储槽。2.4.6烧碱管路由于高温烧碱溶液具有高腐蚀性所以所要选用镍钢管，同时由于离子膜法制烧碱的浓度很高，进入各效的烧碱溶液的所有运输管道的外层都需要要用保温层保温，以避免高温、高浓度的烧碱溶液冷却堵塞管道。2.4.7分配装置D1安装于最终浓缩器下部熔碱出口处的分配器D-1，用以防止二次蒸汽进入管路及片碱机。分配器备有伴热熔盐及高压伴热蒸

47、汽。2.4.8熔盐碱管分配器到片碱机之间管道皆有熔盐及高压蒸汽伴热，并带一定倾度以防凝固堵管。为保证气封，熔融碱管浸入片碱机浸入槽,以防氧气进入管道。2.4.9制片碱熔融碱由最终浓缩器流出，经导热盐加热的熔融碱管，至片碱机浸入槽，经片碱机制成片碱。2.4.10抽气系统含碱尘空气经弹性吸除挂管进入洗涤系统，此系统由溶解槽T-11A/B及抽风机构成B-4A/B构成。由于吸除系统为负压操作，含碱尘空气经过溶解槽中液体吸收，使空气得到净化。净化空气由抽气风机抽离溶解槽，排入大气。2.5主要设备的选定说明2.5.1 蒸发器多效降膜蒸发器，由于具有浓缩比大、料液粘度范围大、传热效果好、蒸汽和水的消耗量小、

48、处理量大等优点，因此选用双效降膜式蒸发器EV-1、EV-2。2.5.2 浓缩器降膜浓缩器EV-3是由其降膜单元组成，每个单元均由两层套管所组成，外层走熔盐，内层走碱液，两种流体逆流进行传热。加热管一般采用镍管或超纯铁素体高铬钢管。当碱液经分配器进入每一个单元管后，受到夹套高温熔盐的加热，碱液沸腾、浓缩蒸发，然后经底部汇总管至气液分离器分离。2.5.3片碱机片碱机是由滚筒（带水冷却）、刮刀、弧形碱槽以及外壳及传动装置等部件组成。滚筒及弧形碱槽接触碱的部分是由镍材制成，刮刀则是由特种合金制成。片碱机内的冷却水供给方式采用喷淋式。冷却水从滚筒中心引入，至管上的喷嘴呈120。的扇形喷出，在滚筒内壁形成

49、一层持久的连续冷却膜，从而提高了冷却液膜的给热系数。片碱机的冷却滚筒是由一个回转的圆筒，给料方式一般采用下给料方式，这主要是它比上给料方式有更长的冷却时间及有效的冷却面积的缘故。此外片碱机的密封性要好，避免进入空气，使二氧化碳与碱反应，从而成品中碳酸钠含量升高，或者吸入水分，使产品容易潮解，影响产品质量。2.5.4 熔盐炉熔盐炉的加热盘管在炉内外侧，共有两层。燃烧的燃料由上部燃料入口进入，燃烧后气体经下部燃烧气出口导出，熔盐由熔盐入口先进入内盘管，加热后进经外盘管从熔盐出口导出，盘管是用15Mo3管盘制再经热处理而成。这种炉型的最大特点是体积小，热利用率高。2.6生产能力计算2.6.1以100

50、%NaOH为基准的生产能力表2-1单位时间各系统的生产能力系统 生产能力蒸发系统（3056%） 5.56t/h浓缩系统（5699%） 5.56t/h制片系统 5.56t/h2.6.2原材料及产品主要技术规格 本次设计所使用的原料来自离子膜电解工段，是参照鸿鹤化工厂选取的。表2-2原料的技术规格NaOH技术规格物质来源浓度来自离子膜电槽30%kg/L温度设计70压力等级0.15MPa(g)2.6.3片碱规格表2-3产品的技术规格NaOH 规格含量 99%W/ W温度(包装出口处) 60厚度 约占0.81.2mm 形状 约占0.31cm2堆比重 约占0.70.9Kg/dm32.6.4原材料、动力消

51、耗定额及消耗量以生产1吨100%NaOH为基准。表2-4单位产量辅料、动力消耗量动力、辅料消耗量蒸汽（0.7MPaG）冷却水(t=10)580Kg90m3电35KWh2.6.5加热盐HTSHTS为低共熔混合物，熔点为142.4，是NaNO3，NaNO2，KNO3按比例混合的。 表2-5熔盐物质含量物质 含量NaNO3 7% NaNO2 40%KNO3 53% S 0.025%2.6.6进料溶液规格 30%的碱液来自离子膜电解工段，温度为70 ，压力等级为 0.15MPa (g)表2-6 物料主要成分 含量NaOH（min） 30%kg/LFe2O3 （max） 3PPm/WtNaClO3 （m

52、ax） 20PPm/Wt NaCl （max） 40PPm/Wt2.6.7蒸汽 表2-7加热蒸汽规格 项目 操作指标操作压力 0.7MPa(g) 饱和温度 165 2.6.8天然气 天然气压力为0.2MPa(G)，来自天然气系统。表2-8天然气规格物质 含量物质 含量CH4 9294%VolC2H60.50.7%VolC4碳氢化合物和惰性气体5.16.9%VolC3H80.10.2%Vol硫800-1500PPmVol攀枝花学院专科毕业设计 3 蒸发工段计算过程3 蒸发工段计算过程3.1试差计算年产30吨固碱蒸发工序，以每年330天计算。(1)料液来源：离子膜法电解液。(2)料液组成：由于离子

53、膜电解液的纯度相当高，可以视为原料液为纯的NaOH(3)质量浓度x=30%溶液。(4)蒸发要求：完成液浓度x=99%。(5)蒸汽来源：0.7MPa饱和水蒸气 。(6)冷空气压力：20Kpa 。(7)采用三效蒸发工艺：EV-2、EV-3为自然循环，EV-1效为强制循环。3.1.1工艺简图 图3-1工艺流程简图3.1.2总的蒸发量 W=F（1-X0/X3） （3-1）其中F=（3104）（1+2%）99%/30%=1.01105 kg/年解出W=0.70105 kg/年以每小时的蒸发量为基准 f=(w/330)/24=8.89kg/h F: 年总进料量 W: 年总蒸发量 f: 每小时总蒸发量根据资

54、料得碱液进料浓度为：30%，设计各效的完成液的浓度分别是：EV-1：48%，EV-2：56%，EV-3：99%则各效的蒸发量为：kg/h （3-2）kg/h （3-3）kg/h （3-4）w1：一效每小时蒸发量kg/hw2：二效每小时蒸发量kg/hw3：三效每小时蒸发量kg/h物量恒算：w1 +w2 +w3=4.78+1.14+2.97=8.89 kg/h=8.89kg/h所以= w1 +w2 +w33.1.3估算各效溶液的沸点和有效温差为了有效的利用二次蒸汽设计了上述工艺流程,生蒸汽从EV-2通入，EV-3采用熔盐作为加热载体，EV-2、EV-3的二次蒸汽用来加热EV-1。EV-1和EV-2

55、的二此蒸汽在进入EV-3之前，进入混合储存罐V-1进行蒸汽混合，以此来减小对EV-1的损害，起到保护EV-1的作用。而在EV-1处有真空机抽取EV-1的含碱二次蒸汽，用以回收利用。根据氯碱工艺学附图9及化工原理上册附图10，查出各效假设的完成液浓度其二次蒸汽的压强及相关数据如下表：表3-1各效的二次蒸汽及生蒸汽的相关数表蒸汽绝对压强kPa蒸汽焓kJ/kg汽化热kJ/kg冷凝水的焓kJ/kg二次蒸汽温度生蒸汽7002767.82071.5165一效二次蒸汽102578.52130335.245.3二效二次蒸汽14128401190109.5三效二次蒸汽27631402176.4130.43.1.

56、4由于溶液沸点而引起的温度差损失各效由于溶液沸点而引起的温度差损失，根据各效二次蒸汽温度和各效完成的浓度由化工原理上册烧碱溶液的杜林曲线可以查出各效溶液的沸点分别为：一效：=67 二效：=152三效：=410：一效烧碱溶液温度：二效烧碱溶液温度：三效烧碱溶液温度 则各效由于溶液蒸汽压下降而引起的温度差损失为：一效：=67-45.3=21.7 （3-5）二效：=152-109.5=42.5 （3-6）三效：=410-130.4=279.6 （3-7）=21.7+42.5+279.6=343.83.1.5由流动阻力引起的温度差损失取经验值11=2= 3=1，所以 （3-12）故蒸发装置的总的温度差

57、损失为：=+=343.8+19.1+3=365.93.1.6各效料液的温度损失和有效温度差由各效二次蒸汽压力及温度差的损失，即可由下式估算各效料液的温度。 （3-13） （3-14） 3=3+3+3=279.6+1.1+1=281.7 （3-15）3.1.7各效烧碱溶液的温度 （3-16） （3-17） （3-18） 3.1.8各效的能量衡算根据上述计算所得出的各效的料液的温度和蒸汽压力在氯碱工艺学附图9、附图11，化工原理上册附图10，化工热力学水蒸汽的h-s图,查出各效料液、加热蒸汽、二次蒸汽的相关数据，各效的效率根据=0.98-0.7计算，式中为质量浓度变化。计算，得出数据如下表： 表3-2 各效料液、加热蒸汽、二次蒸汽相关数据物料焓值(kJ/kg)物料焓值(kJ/kg)设备效率加热蒸汽H=2768.1原料碱液h0=290一效=0.854一效二次蒸汽二效二次蒸汽三效二次蒸汽生蒸汽冷凝水一效冷凝水H1=2578.5H2=2840H3=3140H4=697.5 H5=418.7一效出口碱液二效入口碱液三效入口碱液三效出口碱液h1=460 二效h2=485 三效h3=832h4=2063=0.924=0.679 （3-19） （3-20） （3-21） （3-22） Q=F0(I1-I2 ) （3-23）其中F0为熔盐