【正文】 ......................................................................................................... 29 蒸發(fā)設(shè)備的計算 ............................................................................................................. 31 蒸發(fā)器加熱管數(shù)及加熱室直徑的計算 ...................................................................... 31 蒸發(fā)器循環(huán)管的計算 .................................................................................................. 32 蒸發(fā)器分離室的計算 .................................................................................................. 32 接管尺寸的計算 .......................................................................................................... 33 結(jié)論 .......................................................... 35 致謝 ............................................錯誤 !未定義書簽。 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。根據(jù)要求的年產(chǎn)十萬噸的需求對電解槽進行物料衡算為電解槽選型提供依據(jù)，堿液蒸發(fā)工段進行了詳細的物料、熱量衡算，確定了所選工藝下的堿液處理量。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。最后根據(jù)查閱的文獻和計算結(jié)果參照 93 標準繪制出帶控制點工藝流程圖和設(shè)備圖。 ionic membrane。 evaporator 1 引 言 離子膜法制堿是當今氯堿工業(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。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。 本次設(shè)計的課題是十萬噸每年離子膜法燒堿電解、蒸發(fā)、片堿工段的工藝設(shè)計，通過查閱相關(guān)資料得知，我國離子膜法制堿技術(shù)從國外引進到部分技術(shù)國產(chǎn)化只有短短十幾年，和國外相比有較大差距。 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。 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。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。水銀法燒堿含鹽量低，產(chǎn)品濃度高，質(zhì)量好，但是該法對環(huán)境污染嚴重，其汞害對人體有很大危害，聯(lián)合國環(huán)境保護組織已要求逐步取代該法。目前發(fā)達國家已完全淘汰石 墨陽極電解槽。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，同時仍存在一定的石棉絨污染問題 ??2 。 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。 (2)能耗低。 (3)污染程度低。 (4)產(chǎn)品純度高。 (5)裝置占地少。 (6)生產(chǎn)穩(wěn)定，安全性高。 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。經(jīng)過澄清 、砂濾得到一次鹽水。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。因此，必須將進入電解槽的鹽水中的雜質(zhì)除去 ,這就是鹽水精制過程。一般 1t 堿需要 鹽（理論比例為 1： ） ??4 。 表 精鹽水指標 名稱 指標（質(zhì)量分數(shù) 610?? ） 名稱 指標 （質(zhì)量分數(shù) 610?? ） Ca2? Mg2? Ss Fe2? Ni2? Al3? Si2? 表 中所列各項指標中任何一項不合格都會造成嚴重后果，甚至造成系統(tǒng)停車。 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)。 表 原鹽質(zhì)量 名稱 NaCl Ca2? Mg2? Si 水不溶性雜質(zhì) 水溶性雜質(zhì) 水分 指標 % 95 ≤ ≤ ≤ 其中鈣、鎂離子的比值應(yīng)大于 1。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)。 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。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。 粗鹽水含 量、溫度以及流量 因為精制后的鹽水要求控制 NaCl 的質(zhì)量濃度在 (305177。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。2)g/L 為最佳。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。5)℃ 。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(fù)調(diào)整。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，嚴重時會造成澄清桶返渾。濃度不合格就會影響精制劑的加入量。精制劑加入過多會造成 NaCl 的質(zhì)量濃度低于 300g/L；加入量過少 5 可造成鹽水濃度過高，易形成結(jié)晶。 助沉劑配制 大部分助沉劑為螯合物。在配制過程中應(yīng)慢慢均勻加入，在微攪拌下溶解半小時才能使用。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。如果炭素管過濾器運行不好，會造成懸浮物進入螯合樹脂系統(tǒng)，從而使樹脂失活，大大降低樹脂性能。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。要實現(xiàn)炭素燒結(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。因此鹽水在一次精制的基礎(chǔ)上還需要二次精制。在塔內(nèi)鹽水中的 Ca2? 、 Mg2? 與樹脂發(fā)生離子交換： 2 2 2 2 222 CaR C H N ( C H C O O N a ) R C H N ( C H C O O ) C a 2N a? ??? ? ? ? ? ? 樹脂塔最大流量 樹脂塔樹脂填充量確定后，最大流量也確定。導(dǎo)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)。 6 鹽水 pH 值 鹽水 pH 值在 7~8 時為樹脂吸收陰離子的最佳值，大于 10 時，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)。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 。在電解食鹽水溶液所使用的陽離子交換膜的膜體中有活性基團，它是由帶負電荷的固定離子如 SO?3 、 COO? ，同一個帶正電荷的對離子 Na? 形成靜電鍵，磺酸型陽離子交換膜的化學結(jié)構(gòu)簡式為： 3R SO H (N a )? ? ??? 由于磺酸基團具有親水性能，而使膜在溶液中溶脹，膜體結(jié)構(gòu)變松，從而造成許多細微彎曲的通道，使其活性基團中的對離子 Na? 可以與水溶液中的同電荷的 Na? 進行交換。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。 電解槽內(nèi)物料衡算 計算依據(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 （ 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 電解槽中進行的副反應(yīng)所產(chǎn)生的雜質(zhì)忽略不計 計劃任務(wù) 100%燒堿 ： 100kt/a， 每年按 300 天計算，每天 24 小時。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。 所謂蒸發(fā)，是將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱沸騰，使其中的揮發(fā)性溶劑部分汽化從而將溶液濃縮的過程。 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。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、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，使操作容易進行。 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。若把二次蒸汽引至另一操作壓力較低 12 的蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，并把若干個蒸發(fā)器串聯(lián)組合使用，這種操作稱為多效蒸發(fā)。 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)。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。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。因此單效蒸發(fā)多為真空蒸發(fā) ,多效蒸發(fā)的前效為加壓或常壓操作，而后效則在真空下操作。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。由于堿液與蒸汽逆向流向，這樣可以使低粘度的堿液在