【正文】 計出一套蒸發(fā)室為直徑 高 ，加熱室為直徑 高 4m 的強制外循環(huán)蒸發(fā)器。文中系統(tǒng)的介紹了離子膜燒堿的生產(chǎn)工藝，對鹽水精制、電解、蒸發(fā)、片堿工段做了工藝流程的設(shè)計和選擇。 參考文獻 ...................................................... 37 附錄 A.....................................................................................................................38 附錄 B.....................................................................................................................39 I 年產(chǎn)十萬噸燒堿工藝設(shè)計 摘要 ： 離子膜法制堿是當今氯堿工業(yè)中崛起的新技術(shù)，本文介紹了離子膜燒堿的特點，并且通過對現(xiàn)有的生產(chǎn)方法進行比較，確 定了離子膜燒堿在發(fā)展空間上的優(yōu)勢。蒸發(fā)工段中根據(jù)堿液由 32%蒸發(fā)濃縮到片堿的要求設(shè)計出滿足其蒸發(fā)需要的雙效逆流蒸發(fā)流程，同時對主體設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材料進行設(shè)計、選材。 ionic membrane。離子膜法制堿技術(shù)具有國際先進水平，被國家確定為化工重點發(fā)展的 七大工程之一。 通過此次設(shè)計，全面培養(yǎng)和檢查了我綜合運用所學知識提高理論聯(lián)系實際的能力和素質(zhì)，鞏固和加深了基礎(chǔ)知識和基本技能訓練。隔膜法、水 銀法和離子膜法都是通過電解鹽水生產(chǎn)燒堿；而苛化法則是以石灰和純堿為原料制取燒堿。目前發(fā)達國家已完全淘汰石 墨陽極電解槽。 與金屬陽極隔膜法相比，離子膜法具有以下優(yōu)點： (1)工藝流程簡單。 (3)污染程度低。 (5)裝置占地少。 3 第二章 精制鹽水工段 精鹽水指標 離子膜制堿工藝的鹽水是由電解裝置返回的淡鹽水和化學處理的精制鹽水組成。原鹽溶解后的粗鹽水中含有 Ca2? 、Mg2? 及不溶物固體等雜質(zhì)，過多的 Ca2? 、 Mg2? 等雜質(zhì)將會加大二次鹽水精制螯合樹脂塔的負荷，縮短再生周期，嚴重時會使螯合樹脂塔出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，因此對 Ca2? 、 Mg2? 含量有一定要求。一般 1t 堿需要 鹽（理論比例為 1： ） ??4 。 原鹽質(zhì)量 嚴格控制進廠原鹽的各項質(zhì)量指標是鹽水生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。但是，鎂離子質(zhì)量分數(shù)大于 2％的原鹽就不能進廠用于生產(chǎn)。嚴重時造成炭素燒結(jié)管骨架變形，所以要求鹽水脫氯工序必須平穩(wěn)，含氯鹽水不能進入化鹽工序。5) g/L之內(nèi)，不能波動太大，否則鹽水相對密度變化較大影響鹽水澄清速度，延長澄清時間甚至造成一次鹽水含鈣鎂不合格。5) ℃ ，溫度過高容易造成能耗上升，精制劑失活；溫度過低會延長精制反應(yīng)時間，不利反應(yīng)沉淀物生成。工業(yè)化生產(chǎn)要求平穩(wěn)運行，粗鹽水流量不穩(wěn)定會造成精制劑加入量反復調(diào)整。濃度不合格就會影響精制劑的加入量。 助沉劑配制 大部分助沉劑為螯合物。反應(yīng)時間不夠會造成鹽水質(zhì)量下降，甚至造成鹽水發(fā)渾。在工作時，表面預(yù)涂 ～ mm的 α纖維素 ， α纖維素根 據(jù)炭素燒結(jié)管的微孔直徑要求，粒度為 100～ 250181。因此鹽水在一次精制的基礎(chǔ)上還需要二次精制。導致 2 價離子不能被樹脂吸收即被送走，所以樹脂塔鹽水流量應(yīng)盡量保持平穩(wěn)。如發(fā)現(xiàn)壓差過高應(yīng)及時檢查原因并及時更換補充樹脂 ??5 。水化鈉離子從陽極室透過離子膜遷移到陰極室時，水分子也伴隨著遷移。每小時隨 2Cl 離開電解槽的水蒸氣為： 2HO290m 6 4 .8 5 4 0 .0 1 k m o l / h 7 2 0 .1 8 k g / h7 6 0 2 9 0? ? ? ?? 離子膜水遷移量為： O / F 每小時從電解槽隨鈉離子遷移到陰極的水量為 ??6 ： 26HO 10 18 192 793 kg96500??? ? ? ? ? 設(shè)每小時供給鹽水 X L，從電槽流出 Y L, 對陽極有： 0 .3 1X 7 5 8 7 .4 5 0 .2 1Y?? （ 31） 9 對水 : ? ?1 . 1 9 0 . 3 1 X 1 . 1 2 0 . 2 1 Y 7 9 3 9 . 2 7 2 0 . 1 8? ? ? ? ?（ ） （ 32） 聯(lián)立（ 31），（ 32）解得： X== Y== 80℃ 時陰極液上方水蒸汽分壓為 170mm汞柱，每小時隨 H2離開電解槽的水量為： 2HO170m 6 4 . 8 5 1 8 . 6 9 k m o l / h 3 3 6 . 3 5 k g / h7 6 0 1 7 0? ? ? ?? 堿液流量： vq 51 87 .8 6 / 0. 32 16 21 2. 06 kg / h 12 37 5. 62 L / h? ? ? 其中水的質(zhì)量為： m= kg/h 則每小時需向陰極加入純水的量為： ++=表 電槽物料衡算 輸入 （ kg/h） 輸出 （ kg/h） 供給鹽水 堿液 供給純水 H2 H2O（ g） Cl2 H2O（ g） 淡鹽水 總計 總計 設(shè)電流效率為 95%,每小時每臺產(chǎn)堿量為： 5 1 8 7 .8 6 0 .9 5 4 9 2 9 .4 7 k g / h?? 10 三臺電解槽每年產(chǎn)堿量為： 4 9 2 8 . 4 7 3 0 0 2 4 3 1 0 6 4 5 4 . 9 5 k g / a? ? ? ? 滿足年產(chǎn)十萬噸的生產(chǎn)要求。 燒堿蒸發(fā)操作的主要目的：使燒堿溶液增濃直接制取液體產(chǎn)品，如將堿液濃縮為 32%、45%和 50%等濃度燒堿產(chǎn)品，滿足不同用戶的需求。 蒸發(fā)流程及設(shè)備類型選擇 蒸發(fā)流程 蒸發(fā)流程按操作的方式可以分為間歇式和連續(xù)式，工業(yè)上大多數(shù)蒸發(fā)過程為連續(xù)穩(wěn)定操作的過程。 在確定蒸發(fā)流程時，我們首先要確定采用的蒸發(fā)器的效數(shù)。真空蒸發(fā)有許多優(yōu)點：在低壓下操作，溶液沸點較低，有利于提高蒸發(fā)的傳熱溫度差；減小蒸發(fā)器的傳熱面積；可以利用低壓蒸氣作為加熱劑；有利于對熱敏性物料的蒸發(fā)；操作溫度低；熱損失較小。采用逆流蒸發(fā)較順流蒸發(fā)可以更充分的利用加熱蒸汽的熱量，這是由于逆流次級效蒸發(fā)器的堿液沸點較低（濃度低），可以利用前效加熱器的 蒸汽冷凝液預(yù)熱進入本效的堿液，并可使其閃蒸蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽，用于次級效加熱，這樣相應(yīng)增加了各效的加熱蒸汽量。 單效蒸發(fā)流程設(shè)備簡單，一次性投資費用低，但其蒸汽利用率低，運轉(zhuǎn)費用高，生產(chǎn)成本高，而三效蒸發(fā)流程設(shè)備復雜，設(shè)備投資費用高，且末效蒸發(fā)器的材質(zhì)要求高，使用壽命短，因此本文選擇雙效逆流蒸發(fā)工藝 ??8 。減壓操作時還需真空裝置。此類蒸發(fā)器主要有： （ 1） 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器 （ 2）懸筐式蒸發(fā)器 （ 3） 外熱式蒸發(fā)器 （ 4） 列文式蒸發(fā)器 （ 5） 強制循環(huán)蒸發(fā)器 。 缺點：設(shè)計或操作不當時不易成膜，熱流量將明顯下降；不適用于易結(jié)晶、結(jié)垢物料的蒸發(fā)。因蒸發(fā)工段無除鹽工序故可忽略堿損，即進入蒸發(fā)工段的堿量 為： q= 10 kg / h? 已知從電解工段過來的電解液堿濃度為 32％，進料電解液的質(zhì)量流量為： F=進料電解液組分： NaOHq = 10 kg / h? 2HOq = 10 kg / h? NaCl 等雜質(zhì)忽略不計。 （ 1）對第一效： 有效傳熱溫度差 1t? ： /101 ttt ??? （ 45） /1t = 11 ??t （ 46） 16 //1//1/11 ??????? （ 47） 其中： 0t 、 1t 分別為 Ⅰ 效加熱蒸汽溫度和二次蒸汽溫度，單位 ℃ /1t 為操作壓強下 Ⅰ 效溶液沸點，單位 ℃ 1? 為 Ⅰ 效溶液溫度差損失，單位 ℃ /1? 為由不揮發(fā)性溶質(zhì)存在引起的沸點升高，單位 ℃ //1? 為液柱靜壓頭引起的沸點升高，單位 ℃ //1? 為流動阻力引起的沸點升高，單位 ℃ 由不揮發(fā)性溶質(zhì)存在引起的沸點升高 /1? 可由杜林經(jīng)驗式計算： /1? = //wwkt m t?? （ 48） xk ?? （ 49） xxm 2 ?? （ 410） 式中： /wt 為操作壓強下水的沸點，即二次蒸汽的溫度，單位 ℃ x為溶液濃度，質(zhì)量分率 對 Ⅰ 效： /wt = 1t =℃ ， 1xx? = 帶入式（ 48），（ 49）（ 410）中 可得： /1? =℃ 對于多效蒸發(fā) //1? ， //1? 取值： //1? =℃ ， //1? =1℃ 則： //1//1/11 ??????? = + + 1 = ℃ Ⅰ 效溶液沸點 /1t = 11t?? = + = ℃ 有效傳熱溫度差 /101 ttt ??? = = ℃ （ 2）對第二效： 有效傳熱溫度差 2t? ： /2 1 2t t t? ? ? （ 411） /2t = 22t ?? （ 412） 17 //2//2/22 ??????? （ 413） 其中： 1t 、 2t 分別為 Ⅱ 效加熱蒸汽溫度和二次蒸汽溫度，單位 ℃ /2t 為操作壓強下 Ⅱ 效溶液沸點 2? 為 Ⅱ 效溶液溫度差損失 /2? 為由不揮發(fā)性溶質(zhì)存在引起的沸點升高 //2? 為液柱靜壓頭引起的沸點升高 //2? 為流動阻力引起的沸點升高 由不揮發(fā)性溶質(zhì)存在引 起的沸點升高 /2? 由杜林經(jīng)驗式： /2? = //wwkt m t?? （ 414） k 1 ?? （ 415） xxm 2 ?? （ 416） 式中： /wt 為操作壓強下水的沸點，即二次蒸汽的溫度 x為溶液濃度，質(zhì)量分率 對 Ⅱ 效： /wt = 2t =℃ ， 2xx? = 帶入式（ 414），（ 415）（ 416）中 可得： /2? =℃ 對于多效蒸發(fā) //2? ， //2? 取值： //2? =℃ ， //2? =1℃ 則： //2//2/22 ??????? = + + 1 = ℃ Ⅱ 效溶液沸點 /2t = 22 ??t = + = ℃ 有效傳熱溫度差 /212 ttt ??? = ? = ℃ 各效物料、熱量衡算 （ 1）對第一效： 已知 Ⅰ 效加熱生蒸汽壓強 0P 500kPa? ，溫度 ?t ℃ ，密度 30 / m?? ，汽化潛熱 0r / kg? ?！?)，水在 /1t =℃ ～ /2t =℃ 時的比熱即 WC = (kg℃ )。 第一效： Ⅰ 效二次蒸汽即為 Ⅱ 效加熱蒸汽， Ⅰ 效操作壓強即為 1p ，該操作壓強下溶液沸點11/1 ???tt 。這種過程可在升膜或降膜狀態(tài)下進行，一般采用熔鹽進行加熱。離子膜制造的燒堿雖然含氯酸鹽僅有 2030mg/L，但為了保持設(shè)備長期運轉(zhuǎn)壽命，仍需要將其處理除去。由于在反應(yīng)中產(chǎn)生二氧化碳，因此在產(chǎn)品中碳酸鈉的含量會增加一些，當然也增加產(chǎn)品中氯化鈉的含量。這一特定配方又稱為 ―HTS‖ ??9 。桶裝堿其外包裝材料價格較高，使用時需要破碎桶，既麻煩又不安全。這是目前技術(shù)較為先進運用較為廣泛的方法。 nBiTAC 電解槽的安裝十分簡便。結(jié)構(gòu)上的改進以及采用了更高性能的活性陰極，實現(xiàn)了更好的電解液濃度分布、更均勻的電流分布、更低的結(jié)構(gòu)電壓降以及膜到陰極的真正零極距。這種設(shè)計減少了安裝、維護和運行的成本。新型的nBiTAC 電解槽的運行電流密度更高。另外，進出口分配管的材料也分別選用了高檔材質(zhì)的鈦材和鎳材。另外，采用了通過將陽極和陰極電解液的液位高度保持在空心的頂倉內(nèi)的溢流方式，避免了由于振動對膜壽命產(chǎn)生的影響，從而延長了離子膜的使用壽命。 （ 7）最小的電流泄漏 電流泄漏會導致直流電的損失、金屬設(shè)備的電腐蝕以及易產(chǎn)生電火花。 （ 9）運行安全簡單 nBiTAC 電解槽的氣液分離、頂倉溢流、每個單元槽氯氣取樣分析等獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅確保了離子膜的壽命延長，還可以保證裝置的運行更為安全可靠。 綜上所述，故選擇該型