【正文】 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 /1? = //wwkt m t?? k 1 ?? 2m 1 5 0 .7 5 x 2 .7 1x?? 22 /w1tt? = ， 1xx? = 由不揮發(fā)性溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高 ： /1? = ℃ 溫度差損失： //1//1/11 ??????? = + + 1 = ℃ Ⅰ 效液沸點(diǎn)： 11/1 ???tt = + = ℃ 第三次次進(jìn)行熱量、物料衡算： 第一效： 1 0. 98 0. 7 ( 0. 5 0. 39 2) 0. 90 3? ? ? ? ? ? //0 0 1 0 2 W 1 2 1 1D r ( F C W C ) ( t t ) W r??? ? ? ? ??? （ 423） 第二效： 2 0. 98 0. 7 ( 0. 39 2 0. 32 ) 0. 92 9? ? ? ? ? ? //1 1 2 0 0 2 2 2W r F C ( t t ) W r??? ? ? ??? （ 424） 及 1W + 2W = W = 410 kg/h? （ 425） 聯(lián)立求解式（ 423）、（ 424）、（ 425），得： 1W = hkg/103? 2W = hkg/103? 0D = 410 /kg h? Ⅱ 效完成液的濃度： 02 2Fxx FW? ? = ? = ％ 各效所需傳熱面積： Ⅰ 效所需傳熱面積 A1 = 1//11QKt?= 00// t? = 23 Ⅱ 效所需傳熱面積 A2 = 2//22QKt?= 11// t? = 兩蒸發(fā)器的面積基本一致，故最終計(jì)算結(jié)果： 1W = hkg/103? 2W = hkg/103? 0D = 410 /kg h? 2x = ％ 1P = 65 kPa A 12AA2?? = m2 表 Ⅰ 效物料平衡表 輸入 （ kg/h） 輸出 （ kg/h） NaOH NaOH H2O (l) H2O (l) H2O (g) 總計(jì) 總計(jì) 24 表 Ⅱ 效物料平衡表 輸入 （ kg/h） 輸出 （ kg/h） NaOH NaOH H2O (l) H2O (l) H2O (g) 總計(jì) 總計(jì) 25 第五章 固堿工藝 固堿流程選擇 目前世界上比較典型的膜式片狀固堿工藝流程，大體上有三種。常用的處理方法是原料液中加入糖溶液。 進(jìn)料堿液：濃度 2x = 60％，流量 F? 410 kg/h? 已知降膜濃縮器需將 60％堿液濃縮至 ％ ??13 ，故降膜濃縮器完成熔融堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)% ?x 。 28 （ 3）粒狀固堿 將熔融堿通過造粒塔制成直徑約為 ～ ，自由落體，與塔底進(jìn)入的干燥空氣逆向流動(dòng)，冷卻凝固而得。 nBiTAC 電解槽另外一個(gè)顯著的特點(diǎn)是，它的溢流模式和單元頂部的獨(dú)特結(jié)構(gòu)提高了離子膜的使用壽命。從 1999 年開始，日本東曹采用的 nBiTAC 電解槽一直在 ，并且自去年開始，穩(wěn)定運(yùn)行電流密度達(dá)到了 8kA/ 2m 由于它更低的結(jié)構(gòu)電壓降、更好的電解液混合、更平穩(wěn)的氣 體分離，從而可在更高的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行。 （ 5）陰、陽極涂層的壽命長 基于在電解工藝方面卓有成效的研究和多年的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了更優(yōu)異，涂層壽命更長的陰極涂層技術(shù)。另外，陰極網(wǎng)改為機(jī)械式接觸結(jié)構(gòu)，使得更換陰極在裝置現(xiàn)場就可簡便進(jìn)行，大大降低了運(yùn)行成本。 加熱管的型號本文選用： φ57 加熱管長度選用： L=4m 加熱管采用鎳鋼管道 316L不銹鋼（ 00Cr17NiMO2 ） 已知所需加熱面積 A= ，取 10％的裕度 則初步估算所需管子數(shù)為 n 3A (1 10%)n 4 50 10??? ?? ? ?= （ 61） 取整為 3。因此，與其他電解 槽相比，設(shè)備結(jié)構(gòu)更為緊湊，安裝占地面積最小，而其離子膜的有效使用率高達(dá) %，可以為用戶在長期運(yùn)行中節(jié)省極為可觀的離子膜更換成本。 （ 4）離子膜使用壽命更長 完全的自 然循環(huán)系統(tǒng)、特殊的頂倉設(shè)計(jì)，減少了頂倉內(nèi)的壓力波動(dòng)，從而使離子膜的壽命大大提高。 （ 2）高電流密度運(yùn)行 傳統(tǒng)的電解槽由于結(jié)構(gòu)電壓降，運(yùn)行電流密度只能在 4～ 5kA/ 2m 氯工程公司的原BiTAC 電解槽早在 1989 年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 5～ 6kA/ 2m 電流密度下安全穩(wěn)定運(yùn)行。 nBiTAC電解槽最顯著的特點(diǎn)是低電耗。片堿的厚度與溫度隨片堿機(jī)刮刀調(diào)節(jié)的距離及冷卻水狀況的不同而改變。它的成分為 40%NaNO 7%NaNO 53%、導(dǎo)熱性、 27 流動(dòng)性及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，被工業(yè)上所普遍采用。氧化鎳易溶于堿液中，并被帶走，這樣的過程在濃堿蒸發(fā)中會反復(fù)的進(jìn) 行，而導(dǎo)致鎳設(shè)備的腐蝕損壞。 則 Ⅱ 效加熱蒸汽溫度： ???? /2/21 ttt + = ℃ 查飽和水蒸汽表： 1t = ℃ 時(shí)水蒸汽壓強(qiáng) 1p = 64 kPa，汽化潛熱 1r = 2295kJ/kg。 對第二效列熱量衡算式： //1 1 2 0 0 2 2 2W r F C ( t t ) W r??? ? ? ??? （ 418） 其中， 2? 為 Ⅱ 效的熱利用系數(shù) /0t 為進(jìn)料溫度，已知沸點(diǎn)進(jìn)料，故 /2/0 tt? 由《氯堿化工生產(chǎn)工藝氯堿分冊》 ??12 查得： 32％ NaOH 溶液在 /1t =℃ ～ /2t =℃ 時(shí)的比熱即 0C =(kg 蒸發(fā)工藝計(jì)算 蒸發(fā)水量的計(jì)算 ??10 已知年產(chǎn) 100％ NaOH 10 萬噸 , 年生產(chǎn)天數(shù)為 300 天，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。操作穩(wěn)定。但是在選擇逆流時(shí)，要受到質(zhì)材的限制，因?yàn)閷τ谀媪髁鞒?，濃效蒸發(fā)器處于高溫、高濃度堿的惡劣條件下，蒸發(fā)器的質(zhì)材就必須選用優(yōu)質(zhì)的金屬材料，如鎳材，或優(yōu)質(zhì)低碳不銹鋼，否則濃效會因?yàn)楦邷貕A液的腐蝕導(dǎo)致 極短的壽命，使得投入大于回報(bào)，嚴(yán)重則會造成泄漏危及生命，污染環(huán)境。理論上蒸汽消耗量與效數(shù)的關(guān)系見表 . 表 蒸發(fā) 1t 水耗汽量與效數(shù)的關(guān)系 效數(shù) 單效 雙效 三效 汽耗 (t) ～ ～ ～ 按操作壓力可以分為常壓、加壓或減壓蒸發(fā) 。 （ 2）濃度高，蒸發(fā)水量 少，蒸汽消耗低：離子膜堿液的濃度高，需要蒸發(fā)的水量少，蒸汽消耗就會大幅下降 ??7 。 每小時(shí)產(chǎn)堿量： 4310 10 10?? / 300 24? = 電解槽選型 8 根據(jù)年產(chǎn)量并綜合技術(shù)先進(jìn)性、效率等各方面因素，通過查閱資料決定選用日本氯工程公司電解槽，其參數(shù)見表 . 表 電解槽參數(shù) 名稱 參數(shù) 名稱 參數(shù) 型號 nBATIC896 單元槽數(shù)量 962 單元槽有效面積 2m 電流密度 槽溫 80—88℃ 離子膜型號 杜邦 N2030 電流效率 ≥95% 出槽 NaOH 濃度 32% 物料衡算 以一臺電解槽為衡算標(biāo)準(zhǔn)： 每小時(shí)產(chǎn)堿量： 1 8 .1 1 1 .4 9 2 1 9 2 5 1 8 7 .8 6? ? ?kg 2NaCl +2H2O 2NaOH +Cl2↑ +H2↑ 117 36 80 71 2 a b c d a= kg b= kg c= kg d= kg c=d= kmol/h 80℃ 時(shí)陽極液上方水蒸汽分壓為 290mm汞柱。 樹脂塔壓差控制 樹脂塔進(jìn)出口壓 差不能超過 MPa，樹脂塔壓差過高會造成樹脂破碎。 樹脂塔的操作要點(diǎn) 在過濾后的二次鹽水中， Ca2? 、 Mg2? 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 6310?? ，但是并不能滿足于離子膜法電解槽的鹽水純度要求。 精制反應(yīng)時(shí)間 精制反應(yīng)要充分，并且控制適當(dāng)。 精制劑的配制 在精制劑配制過程中要求濃度合格，溫度合格。精鹽水的溫度根據(jù)裝置熱損失的情況最好控制在(65177。精制后的鹽水含氯會造成炭素管過濾器損傷，原因是炭素?zé)Y(jié)管是由炭粉加石油焦燒結(jié)而成的多微孔炭素材料，該材料耐酸堿，但與氧化劑易發(fā)生反應(yīng)因而會造成過濾效果差。因此，鹽水精制十分重要，需尋找從化鹽到鹽水精制合格的最佳工藝條件。二次鹽水精制設(shè)備由過濾器和樹脂塔組成，制取符合要求的精鹽水。離子膜堿為高純度產(chǎn)品 ， 可滿足紡織化纖行業(yè)對高純堿的要求。離子膜法是 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展的新技術(shù)，能耗低，產(chǎn)品質(zhì)量高，且無有害物質(zhì)的污染，是較理想的燒堿生產(chǎn)方法 ，故本次設(shè)計(jì)選用離子膜法。 2 第一章 工藝路線的選擇 目前世界上生產(chǎn)燒堿的方法有 4 種：隔膜法、水銀法、離子膜法、苛化法。它可用于棉紡、化纖、醫(yī)藥、造紙和食品工業(yè)，近年來，市場對燒堿的需求明顯上升，特別是紡織業(yè)，對燒堿及其聯(lián)產(chǎn)品氯氣的需求迅速增加。通過查閱文獻(xiàn)期刊，選擇出最先進(jìn)同時(shí)也是最適合該年產(chǎn)量的氯工程 nBiTAC 電解槽。根據(jù)要求的年產(chǎn)十萬噸的需求對電解槽進(jìn)行物料衡算為電解槽選型提供依據(jù)，堿液蒸發(fā)工段進(jìn)行了詳細(xì)的物料、熱量衡算，確定了所選工藝下的堿液處理量。 evaporator 1 引 言 離子膜法制堿是當(dāng)今氯堿工業(yè)中崛起的新技術(shù)，離子膜燒堿不僅質(zhì)量好，能耗低，而且從根本上解決了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。 由于自身能力所限，設(shè)計(jì)中的疏漏在所難免，敬請各位老師能給予批評和指正。與石墨法相比，金屬陽極隔膜法在技術(shù)上有了很大的提高，但能耗依然較高，產(chǎn)品質(zhì)量較差，同時(shí)仍存在一定的石棉絨污染問題 ??2 。 (4)產(chǎn)品純度高。經(jīng)過澄清 、砂濾得到一次鹽水。 表 精鹽水指標(biāo) 名稱 指標(biāo)（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 610?? ） 名稱 指標(biāo) （質(zhì)量分?jǐn)?shù) 610?? ） Ca2? Mg2? Ss Fe2? Ni2? Al3? Si2? 表 中所列各項(xiàng)指標(biāo)中任何一項(xiàng)不合格都會造成嚴(yán)重后果，甚至造成系統(tǒng)停車。 淡鹽水脫氯及過堿量控制 化鹽用水主要由脫氯的淡鹽水和地下上水構(gòu)成。2)g/L 為最佳。鹽水流量不穩(wěn)定也會造成澄清桶內(nèi)鹽水上升速度不穩(wěn)定，影響沉淀物的下沉速度，嚴(yán)重時(shí)會造成澄清桶返渾。在配制過程中應(yīng)慢慢均勻加入，在微攪拌下溶解半小時(shí)才能使用。要實(shí)現(xiàn)炭素?zé)Y(jié)管良好的過濾效果，就要保證 α纖維素涂層均勻，過濾壓力穩(wěn)定。 6 鹽水 pH 值 鹽水 pH 值在 7~8 時(shí)為樹脂吸收陰離子的最佳值，大于 10 時(shí)，陽離子易形成分子氫氧化物，樹脂只能 螯合 陽離子不能吸附 ? ?2Mg OH 、 Ca(OH)2等分子物質(zhì)。 電解槽內(nèi)物料衡算 計(jì)算依據(jù)： （ 1）供給鹽水規(guī)格： NaCl： 310g/L 重度： d=精制鹽水中雜質(zhì)忽略不計(jì) （ 2）陰極夜 NaOH 濃度 32% 重度 d= kg/L（ 80℃ ） （ 3）陽極液 NaCl： 210 g/L 重度： d= kg/L 電解槽中進(jìn)行的副反應(yīng)所產(chǎn)生的雜質(zhì)忽略不計(jì) 計(jì)劃任務(wù) 100%燒堿 ： 100kt/a， 每年按 300 天計(jì)算，每天 24 小時(shí)。這就極大的簡化了流程設(shè)備，即隔膜蒸發(fā)所必須有的出鹽設(shè)備及工藝過程都被取消（如旋液分離器、鹽沉降槽、分離機(jī)、回收母液儲罐等），而且由于在蒸發(fā)過程中沒有鹽的析出，也就很難發(fā)生管道堵塞等問題，使操作容易進(jìn)行。但反過來，效數(shù)愈多，蒸發(fā)器的增加使一次投資也相應(yīng)增加，相應(yīng)提高了折舊及產(chǎn)品成本。由于堿液與蒸汽逆向流向，這樣可以使低粘度的堿液在低溫下沸騰，高濃度、高粘度的堿液在高溫下沸騰，從而提高了蒸汽的熱利用率。對常用的間壁傳熱 式蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中的運(yùn)動(dòng)情況，大致可分為以下兩大類： 循環(huán)型蒸發(fā)器 特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器中做循環(huán)流動(dòng)，蒸發(fā)器內(nèi)溶液濃度基本相同， 接近于完成液的濃度 。 本文中采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器，以彌補(bǔ)堿液的壓差損失，增加堿液循環(huán)流速 ??9 。 對第一效列熱量衡算式： //0 0 1 0 2 W 1 2 1 1D r ( F C W C ) ( t t ) W r??? ? ? ? ??? （ 417） 其中， 1? 為 Ⅰ 效的熱利用系數(shù)，且 ?? – x? 0C ， WC 分別為原料液和水的比熱容 （ 2）對第二效： 已知加熱蒸汽為第一效的二次蒸汽， Ⅱ 效產(chǎn)生的二次蒸汽壓強(qiáng)