【正文】 1 前 言 畢業(yè)設(shè)計是國家高等工科學(xué)校極其重要且必不可少的教學(xué)工作之一， 是提高和檢驗學(xué)生 學(xué)習(xí)質(zhì)量的重要手段。其主要目 的 是全面 鞏固已學(xué)過 的 基本 理論 知識，提高 實踐及創(chuàng)新 能力。 本文在簡要介紹燒堿生產(chǎn)的方法基礎(chǔ)上，重點對 二次鹽水精制和脫氯進行了介紹， 并 在此基礎(chǔ)上進行物料衡算 和能量橫算，進 而確定出主要工藝設(shè)備的型號、尺寸及數(shù)量，最后繪制 出 帶控制點的工藝流程圖、設(shè)備平面布置圖 、管路布置圖及主要設(shè)備一覽表 等。 通過此次設(shè)計，全面培養(yǎng)和檢查了我們綜合運用所學(xué)知識提高理論聯(lián)系實際的能力和素質(zhì)，鞏固和加深了基礎(chǔ)知識和基本技能訓(xùn)練。 通過進行化工專業(yè)知識的初步設(shè)計的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，從而將所學(xué)的知識由感性認識提高到理性認識，為以后工作奠定基礎(chǔ)． 由于自身能力所限，設(shè)計中的疏漏在所難免， 敬請 各位老師能給予 批評和指 正！ 2 第一章 概 述 氯堿工業(yè)是生產(chǎn)燒堿、氯氣和氫氣以及此衍生系列產(chǎn)品的基本化學(xué)工業(yè)，其產(chǎn)品廣泛用于國民經(jīng)濟各個部門，對國民經(jīng)濟和國防建設(shè)具有重要的作用。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展， 氯堿工業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品涉及國民經(jīng)濟和人民生活的諸多領(lǐng)域，除應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)本身外，在輕工、紡織、石油化工、有色冶金和 公用事業(yè)等領(lǐng)域也均有很大用途。氯堿工業(yè)的主要產(chǎn)品 如 燒堿、氯氣、氫氣還被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、冶金、電力、國防、軍工、建材和食品加工等工業(yè)部門，耗堿和耗氯產(chǎn)品，已達數(shù)千種。 為此，擬在呼和浩特市 新建 40Kt /a 燒堿 的氯堿廠 ，以滿足周邊市場的需求。 本次設(shè)計是年產(chǎn) 40kt/a 離子膜制堿項目。 建廠地址選在呼和浩特市，年平均氣溫t=℃。 在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的液堿可以直接銷售，也可濃縮為片堿產(chǎn)品； 副產(chǎn)品氯氣和氫氣主要合成氯化氫氣體供 PVC 生產(chǎn)聚氯乙稀及產(chǎn)高純酸，剩余的氯氣生產(chǎn)液氯。 燒堿的物 化性質(zhì) 化學(xué)式： NaOH 分子量： 比重： （ 20℃ ）。在熔融狀態(tài)下，當(dāng)溫度為 340～ 500℃ 時其重度為 ～ 。燒堿溶液的比重隨濃度的提高而增加。 外觀：純凈的燒堿為白色，呈羽毛狀，為不透明固體結(jié)晶。一般工業(yè)品含有少量氯化鈉和碳酸鈉，呈白色稍帶淺色光澤固體結(jié)晶。 溶解度：易溶于水， 15℃ 時為 克分子 /升。在水中的溶解度隨溶液的溫度升高而增加，亦能溶于醇類、乙醚中。 溶解熱： 千卡 /克分子（溶于 200 克分子水中） 。燒堿溶于水時釋放熱量，濃度越高釋放的熱量越大，這種熱量稱為溶解熱。如果把濃度的的燒堿濃縮、脫水需要3 吸收熱量，這個熱量稱為脫水熱。不同濃度時的脫水熱也不同。 生成熱： 千卡 /克分子 熔點（凝固點）： ℃ 時能制得熔融的幾乎不含水的燒堿，不同濃度的燒堿溶液具有不同的凝固點。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于固堿中含有少量氯化鈉和少量水，因此其凝固點在 320℃ 左右 [1]。 沸點： 1390 不同濃度的燒堿溶液具有不同的沸點。同時溶液的沸點隨著溶液面上的蒸汽壓的降低而下降。 比熱： 千卡 /千 克 ℃ （ 19～ 100℃ 時的平均值）。燒堿溶液的比熱隨著溶液濃度的提高而下降，同時升高溶液溫度，比熱也有所下降。 1熔融熱： 千卡 /千克 ℃ （熔融 319℃ ） 1汽化熱： 千卡 /克分子 1導(dǎo)熱系數(shù)： 千卡 /米 小時 ℃ （熔融 400℃ ） 1固體燒堿吸濕性很強，放置空氣中能吸收大氣中的水分變成液堿，這種現(xiàn)象成為潮解。 1燒堿及其水溶液對動物和植物組織（如皮膚、織物、紙張等）有機物質(zhì)有強烈的腐蝕作用。 因之易潮解故 固體燒堿必須貯于密閉的鐵罐或塑料的包裝袋中。 燒堿的主要用途 燒堿是國民經(jīng)濟各部門用途極廣的基本化工原料。 使用燒堿最多的部門是化學(xué)藥品的制造，其次是造紙、煉鋁、煉鎢、人造絲、人造棉和肥皂制造業(yè)。另外，在生產(chǎn)染料、塑料、藥劑及有機中間體，舊橡膠的再生，制金屬鈉、水的電解以及無機鹽生產(chǎn)中，制取硼砂、鉻鹽、錳酸鹽、磷酸鹽等，也要使用大量的燒堿。 及鹽水溶液的性質(zhì) 原鹽概述 ① 原鹽的來源 世界上的鹽大部分存在于海水中，海洋中氯化鈉的濃度平均為 3336 g/L。由于地4 殼變化，海洋的一部分分離內(nèi)陸海，經(jīng)過億萬年的自然蒸發(fā)，形成鹽湖 (如大鹽湖和死海 )和鹽池。 其沉積在地下的就成為巖鹽 (礦鹽 )。因此原鹽有海鹽；湖鹽；井鹽和礦鹽四種。 ② 各國的原鹽組成 原鹽的質(zhì)量因產(chǎn)地和生產(chǎn)方法的不同，質(zhì)量不一。就 NaCl 而言，湖鹽質(zhì)量最佳， NaCl含量 9699%；井礦鹽次之， NaCl 含量 9398%；我國原鹽的組成見表 11： 表 11 中國原鹽組成 [2] 品種 產(chǎn)地 NaCl Ca2+ Mg2+ H2O 水不溶物 海 鹽 河北長蘆 遼寧復(fù)州灣 山東青島 江蘇淮北 浙江梅山 福建莆田 海南鶯歌 湛江馬留 湖 鹽 內(nèi)蒙雅布賴 內(nèi)蒙古蘭泰 青海茶卡 新疆鹽湖 井礦鹽 四川自貢 四川五通橋 安徽宣城 湖北應(yīng)城 ③ 原鹽的物理性質(zhì) 純鹽為氯化鈉，分子式： NaCl 分子量： ，為無色透明的正六面體結(jié)晶。相對密度 (25℃ )；假比重： 。 5 熔點 ℃；沸點 1465℃；硬度 ；折射率 20D? ；比熱容 (g℃ )；熔解熱 517J/g；臨界濕度 (20℃ )%；在 1 ㎏純水中的熔解熱為 。 鹽水的物理性質(zhì) 氯化鈉溶液的溶解度 NaCl 易溶于水， 隨 溫度升高， NaCl 在水中的溶解度略有增加，不同溫度下氯 化鈉在水中的溶解度見表 12。 表 12 氯化鈉在水中的溶解度 [3] 溫度 (℃ ) 溶解度 (%) g/l 6 0 10 2635 20 30 40 50 60 70 80 90 100 氯化鈉 水溶液的密度 鹽 水溶液的密度隨著所溶鹽量的增多而加大。 在不同溫度下 ，不同濃度的鹽水溶液的密度見表 13。 表 13 不同濃度的鹽水溶液的密度 [3] 6 濃度(％ ) 0 10 20 溫 30 度 40 50 60 80 100 1 2 4 6 1,0125 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 氯堿工業(yè)的生產(chǎn)特點，除原料易得、生產(chǎn)流程較短外， 除此之外 還有三個突出特征[4]。 能源消耗大 主要是用電量大。氯堿生產(chǎn)的耗電量僅次于電解法生產(chǎn)鋁，電能是氯堿工業(yè)的重要原料之一。在美國，氯堿工業(yè)用電量占總發(fā)電量 的 2%，中國氯堿工業(yè)生產(chǎn)的耗電量占年總發(fā)電量的 %。因此，電力供應(yīng)狀況和電價對氯堿產(chǎn)品的生產(chǎn)成本影響極大，各國始終的把降低能耗作為電解法的核心問題。通過運用先進設(shè)備，提高電解槽的電能效率和堿液蒸發(fā)熱能的利用率，來降低燒堿的電耗和蒸汽消耗。因此，開辟節(jié)約能7 源新途 徑，具有重要意義。 氯與堿的平衡 電解食鹽水溶液時，按固定質(zhì)量比例 (1： )同時產(chǎn)出燒堿 (氫氧化鈉 )和氯氣兩種聯(lián)產(chǎn)品。在一個國家和地區(qū)，對燒堿和氯氣的需求結(jié)構(gòu)不一定符合燒堿和氯氣的供給結(jié)構(gòu)，因此出現(xiàn)了燒堿和氯氣的供需平衡問題。一般情況下，發(fā)展中國家工業(yè)發(fā)展的初期用氯量較少，由于氯氣又不宜長途運輸，所以總是以氯氣需用量來決定燒堿產(chǎn)量，往往出現(xiàn)燒堿短缺。在石油化工和基本有機原料發(fā)展較快的國家和地區(qū)用氯量較大，因此出現(xiàn)燒堿過剩。總之，燒堿與氯氣的平衡問題始終是氯堿工業(yè)發(fā)展中的恒定矛盾。 腐蝕和污染 氯堿產(chǎn)品如燒堿、鹽酸等具有強腐蝕性，在生產(chǎn)過程中使用的原材料如石棉、汞、含氯廢氣等都可能對環(huán)境造成污染，因此防止腐蝕和環(huán)境污染也一直是氯堿工業(yè)努力革新的方向。 世界氯堿工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 由于離子膜法具有節(jié)能、產(chǎn)品濃度和純度高，無公害而且投資、運轉(zhuǎn)費用較低，因此，無論國內(nèi)還是國外，在新建、改造和礦建燒堿的生產(chǎn)裝置時，將首先考慮采用這一技術(shù)。 世界氯堿工業(yè)生產(chǎn)能力及其分布 世界氯堿工業(yè)中燒堿、氯氣的生產(chǎn)能力 1993 年至 1996 年穩(wěn)定在年產(chǎn) 4800 萬噸左右。其中燒堿年產(chǎn) 量約 4000 萬噸，美國和歐洲約 2500 萬噸 /年，日本 400 萬噸 /年。1997 年世界燒堿生產(chǎn)能力有所增長，約為 5075 萬噸，產(chǎn)量約為 4340 萬噸， 2021 年預(yù)測生產(chǎn)能力約為 5189 萬噸，產(chǎn)量約為 4548 萬噸，一些老裝置將被關(guān)閉。美、日、歐三個地區(qū)大體上占世界總產(chǎn)量的 73%，預(yù)計到 2021 年美國和歐洲的燒堿產(chǎn)量為2170 萬噸，由原來占 63%的比例降為 48%。日、美、西歐作為全球氯堿工業(yè)的基礎(chǔ)，8 形成三足鼎立之勢，引導(dǎo)世界氯堿行業(yè)發(fā)展的潮流，主宰著氯堿產(chǎn)業(yè)的價格動向，平衡動向，是氯堿生產(chǎn)的原動力，這種狀況將持續(xù)到 2021 年。 西方發(fā)達國家氯堿工業(yè)的發(fā)展趨勢 第一，以技術(shù)改造為手段，向節(jié)能降耗發(fā)展。 世界先進國家大多數(shù)彩用離子膜法生產(chǎn)燒堿，日本離子膜法工藝占 88%，而我國僅占 15%不到。 第二，以聯(lián)合兼并等方式，向大型規(guī)模發(fā)展。 美國麥道化學(xué)、 OXY Chemical、 PPG 三公司燒堿產(chǎn)量所占全國比例高達 65%；前四大氯堿工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的 80%。而我國燒堿企業(yè)有 220 多家，廠多規(guī)模小，布局分散，經(jīng)營條件差，前四大氯堿工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)量僅占全國總產(chǎn)量的 15%，因此，影響了我國氯堿工業(yè)企業(yè)在國際市場上 的競爭力。 第三，發(fā)展以氯堿為原料的項目，確定精細化工發(fā)展戰(zhàn)略。 美、日、歐大型氯堿企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向精細化工升級，其長遠戰(zhàn)略就是發(fā)展精細化工，不斷提高產(chǎn)品精細化率。英國 ICI 公司、德國拜耳公司、美國麥道化學(xué)公司、日本旭化成公司，轉(zhuǎn)向生產(chǎn)化工、生命科學(xué)、電子化工材料、信息化學(xué)品、功能高分子等高科技精細化工領(lǐng)域，這些公司 2021 年產(chǎn)品的精細化率將超過 50%。 我國氯堿工業(yè)的發(fā)展 我國氯堿工業(yè)創(chuàng)建于 20 世紀 20 年代。 1929 年，愛國實業(yè)家吳蘊初在上海集資創(chuàng)辦了我國第 1 個氯堿廠 —— 天原電化廠。到解放前，全國 只有 9 家氯堿廠，燒堿總產(chǎn)量為 萬 t/a。建國以后，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，氯堿工業(yè)的發(fā)展逐步加速， 1981年，全國燒堿總產(chǎn)量達 萬 t。隨著改革開放的深入發(fā)展，特別是進入 20 世紀90 年代，對氯堿產(chǎn)品的強勁需求推動我國氯堿工業(yè)進入了高速增長期。 1995 年，我國燒堿總產(chǎn)量達到 萬 t， 2021 年升至 萬 t。在燒堿出口數(shù)量增加的同時，氯堿工業(yè)逐步從以燒堿需求為主導(dǎo)，向以氯定堿的方式轉(zhuǎn)變。近幾年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展的加速，氯堿工業(yè)的發(fā)展更是迅猛，原有氯堿企業(yè)紛紛大幅度擴產(chǎn)，新企業(yè)也不斷投產(chǎn)，燒堿 產(chǎn)量迅速增加， 2021 年總產(chǎn)量達到 1470 萬 t。 9 第二章 生產(chǎn)方法 選擇 論證 離子膜法制堿是當(dāng)今氯堿工業(yè)中崛起的新技術(shù)， 與隔膜電解制堿和水銀電解制堿相比，已被世界公認為技術(shù) 最先進和經(jīng)濟上最合理的氫氧化鈉生產(chǎn)方法。 離子膜燒堿不僅質(zhì)量好；能耗低，而且從根本上解決由石棉隔膜法制堿造成的石棉絨對水質(zhì)的污染和對操作人員健康的影響。 電解制堿的特點 離子膜法電解槽生產(chǎn)氯氣和燒堿，其優(yōu)點是避免汞害和石棉污染，又節(jié)省能耗，相對于石墨電解槽來說避免了鉛的危害。離子膜電解槽有復(fù)極槽和單極槽兩種，復(fù)極槽就是每個單元槽的 電路是串聯(lián)的，單極槽是單槽并聯(lián)運轉(zhuǎn)。 電解是氯堿生產(chǎn)的心臟，基于它的重要性，電解技術(shù)的發(fā)展在很大程度上代表了氯堿工業(yè)的發(fā)展，離子膜法 與隔膜法和水銀法 相比有以 下優(yōu)點 [5]： ① 投資省。離子膜法比水銀法投資節(jié)省 10%15%，比隔膜法節(jié)省 15%25%。目前國內(nèi)離子膜法投資比隔膜法或水銀法高，其主要是 因為 離子膜法制堿技術(shù)和主要 的設(shè)備及膜均是從國外引進， 所以 整個成本很高，隨著離子膜制堿技術(shù)和裝置 (含膜 )的國產(chǎn)化率提高，其成本會逐漸降低，并最終會低于隔膜法和水銀法的投資成本。 ② 出槽 NaOH 濃度高。目前出槽 NaOH 濃度為 30％ 35％ (wt)，正在進行 50％NaOH(wt)的工業(yè)化試驗。水銀法 雖然 可以從電解槽直接制得濃度為 50％ (wt)的 NaOH溶液，不需要蒸發(fā)，而且含鹽低 (45mg/L)，產(chǎn)品質(zhì)量好，但是水銀被公認為是有害物質(zhì)，此法不宜采取 。隔膜法電解槽制得電解液中