【正文】 計(jì)出一套蒸發(fā)室為直徑 高 ，加熱室為直徑 高 4m 的強(qiáng)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(duì)鹽水精制、電解、蒸發(fā)、片堿工段做了工藝流程的設(shè)計(jì)和選擇。 參考文獻(xiàn) ...................................................... 37 附錄 A.....................................................................................................................38 附錄 B.....................................................................................................................39 I 年產(chǎn)十萬噸燒堿工藝設(shè)計(jì) 摘要 ： 離子膜法制堿是當(dāng)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(diǎn)，并且通過對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)方法進(jìn)行比較，確 定了離子膜燒堿在發(fā)展空間上的優(yōu)勢(shì)。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(jì)出滿足其蒸發(fā)需要的雙效逆流蒸發(fā)流程，同時(shí)對(duì)主體設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、選材。 ionic membrane。離子膜法制堿技術(shù)具有國際先進(jìn)水平，被國家確定為化工重點(diǎn)發(fā)展的 七大工程之一。 通過此次設(shè)計(jì)，全面培養(yǎng)和檢查了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力和素質(zhì)，鞏固和加深了基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能訓(xùn)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(dá)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(diǎn)： (1)工藝流程簡(jiǎn)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(biāo) 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(xué)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(huì)加大二次鹽水精制螯合樹脂塔的負(fù)荷，縮短再生周期，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使螯合樹脂塔出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，因此對(duì) 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(yán)格控制進(jìn)廠原鹽的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)是鹽水生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。但是，鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于 2％的原鹽就不能進(jìn)廠用于生產(chǎn)。嚴(yán)重時(shí)造成炭素?zé)Y(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(jìn)入化鹽工序。5) g/L之內(nèi)，不能波動(dòng)太大，否則鹽水相對(duì)密度變化較大影響鹽水澄清速度，延長(zhǎng)澄清時(shí)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(huì)延長(zhǎng)精制反應(yīng)時(shí)間，不利反應(yīng)沉淀物生成。工業(yè)化生產(chǎn)要求平穩(wěn)運(yùn)行，粗鹽水流量不穩(wěn)定會(huì)造成精制劑加入量反復(fù)調(diào)整。濃度不合格就會(huì)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(shí)間不夠會(huì)造成鹽水質(zhì)量下降，甚至造成鹽水發(fā)渾。在工作時(shí)，表面預(yù)涂 ～ mm的 α纖維素 ， α纖維素根 據(jù)炭素?zé)Y(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(dǎo)致 2 價(jià)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(shí)檢查原因并及時(shí)更換補(bǔ)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(shí)，水分子也伴隨著遷移。每小時(shí)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(shí)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(shí)供給鹽水 X L，從電槽流出 Y L, 對(duì)陽極有： 0 .3 1X 7 5 8 7 .4 5 0 .2 1Y?? （ 31） 9 對(duì)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(shí)陰極液上方水蒸汽分壓為 170mm汞柱，每小時(shí)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(shí)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(jì) 總計(jì) 設(shè)電流效率為 95%,每小時(shí)每臺(tái)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(tái)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(shí)，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(diǎn)：在低壓下操作，溶液沸點(diǎn)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(duì)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(jí)效蒸發(fā)器的堿液沸點(diǎn)較低（濃度低），可以利用前效加熱器的 蒸汽冷凝液預(yù)熱進(jìn)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(jí)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(jiǎn)單，一次性投資費(fèi)用低，但其蒸汽利用率低，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高，生產(chǎn)成本高，而三效蒸發(fā)流程設(shè)備復(fù)雜，設(shè)備投資費(fèi)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(shí)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(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器 。 缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)時(shí)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(jìn)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(jìn)料電解液的質(zhì)量流量為： F=進(jìn)料電解液組分： NaOHq = 10 kg / h? 2HOq = 10 kg / h? NaCl 等雜質(zhì)忽略不計(jì)。 （ 1）對(duì)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(qiáng)下 Ⅰ 效溶液沸點(diǎn)，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(diǎn)升高，單位 ℃ //1? 為液柱靜壓頭引起的沸點(diǎn)升高，單位 ℃ //1? 為流動(dòng)阻力引起的沸點(diǎn)升高，單位 ℃ 由不揮發(fā)性溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高 /1? 可由杜林經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算： /1? = //wwkt m t?? （ 48） xk ?? （ 49） xxm 2 ?? （ 410） 式中： /wt 為操作壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)，即二次蒸汽的溫度，單位 ℃ x為溶液濃度，質(zhì)量分率 對(duì) Ⅰ 效： /wt = 1t =℃ ， 1xx? = 帶入式（ 48），（ 49）（ 410）中 可得： /1? =℃ 對(duì)于多效蒸發(fā) //1? ， //1? 取值： //1? =℃ ， //1? =1℃ 則： //1//1/11 ??????? = + + 1 = ℃ Ⅰ 效溶液沸點(diǎn) /1t = 11t?? = + = ℃ 有效傳熱溫度差 /101 ttt ??? = = ℃ （ 2）對(duì)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(qiáng)下 Ⅱ 效溶液沸點(diǎn) 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(diǎn)升高 //2? 為液柱靜壓頭引起的沸點(diǎn)升高 //2? 為流動(dòng)阻力引起的沸點(diǎn)升高 由不揮發(fā)性溶質(zhì)存在引 起的沸點(diǎn)升高 /2? 由杜林經(jīng)驗(yàn)式： /2? = //wwkt m t?? （ 414） k 1 ?? （ 415） xxm 2 ?? （ 416） 式中： /wt 為操作壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)，即二次蒸汽的溫度 x為溶液濃度，質(zhì)量分率 對(duì) Ⅱ 效： /wt = 2t =℃ ， 2xx? = 帶入式（ 414），（ 415）（ 416）中 可得： /2? =℃ 對(duì)于多效蒸發(fā) //2? ， //2? 取值： //2? =℃ ， //2? =1℃ 則： //2//2/22 ??????? = + + 1 = ℃ Ⅱ 效溶液沸點(diǎn) /2t = 22 ??t = + = ℃ 有效傳熱溫度差 /212 ttt ??? = ? = ℃ 各效物料、熱量衡算 （ 1）對(duì)第一效： 已知 Ⅰ 效加熱生蒸汽壓強(qiáng) 0P 500kPa? ，溫度 ?t ℃ ，密度 30 / m?? ，汽化潛熱 0r / kg? 。℃ )，水在 /1t =℃ ～ /2t =℃ 時(shí)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(qiáng)即為 1p ，該操作壓強(qiáng)下溶液沸點(diǎn)11/1 ???tt 。這種過程可在升膜或降膜狀態(tài)下進(jìn)行，一般采用熔鹽進(jìn)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(zhǎng)期運(yùn)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(huì)增加一些，當(dāng)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(jià)格較高，使用時(shí)需要破碎桶，既麻煩又不安全。這是目前技術(shù)較為先進(jìn)運(yùn)用較為廣泛的方法。 nBiTAC 電解槽的安裝十分簡(jiǎn)便。結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)以及采用了更高性能的活性陰極，實(shí)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(jì)減少了安裝、維護(hù)和運(yùn)行的成本。新型的nBiTAC 電解槽的運(yùn)行電流密度更高。另外，進(jìn)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(dòng)對(duì)膜壽命產(chǎn)生的影響，從而延長(zhǎng)了離子膜的使用壽命。 （ 7）最小的電流泄漏 電流泄漏會(huì)導(dǎo)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(yùn)行安全簡(jiǎn)單 nBiTAC 電解槽的氣液分離、頂倉溢流、每個(gè)單元槽氯氣取樣分析等獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅確保了離子膜的壽命延長(zhǎng)，還可以保證裝置的運(yùn)行更為安全可靠。 綜上所述，故選擇該型