课程设计论文氯碱化盐工艺设计8万吨Word文档格式.docx
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13
表三成分含量13
表四回收盐水组成14
表五精盐水组成14
4.1.2物料衡算15
4.2蒸汽消耗量17
5主要设备选型20
5.1溶盐设备20
5.1.1化盐桶的内部结构20
5.1.2操作流程20
5.1.3化盐桶主要尺寸的确定21
5.2澄清设备22
5.2.1设备原理22
5.2.2设备结构22
5.2.3道尔型澄清桶主要尺寸的确定23
5.3过滤设备25
5.3.1主要尺寸的确定25
表六粒度与高度关系27
6.结论28
7.致谢29
8.参考文献30
摘要
电解联产的烧碱、氯气，在国民经济的所有部门均很需要，除应用与化学工业本身外，有轻工业、纺织、石油化工、有色金属冶炼和公用事业等方面均有很大用途，作为基本化工原料的“三酸两碱”中盐酸烧碱就占了其中两种，而且氯气和氢气还可进一步加工成许多化工产品：
烧碱工业的特点除原料易得、生产流程短外，主要还有三个突出问题：
能量消耗大；
氯与碱的平衡；
腐蚀和污染。
关键字：
工艺设计工艺计算设备及选型
1引言
氯碱工业是基本化学工业之一，它的产品烧碱和氯气在国民经济中占有重要地位，广泛用于纺织工业、轻工业、冶金和有色冶金工业、化学工业和石油化学工业等部门。
1.1氯碱工业发展简史
生产烧碱和氯气有着悠久的历史。
早在中世纪就发现了存在于湖盐中的纯碱，后来就发明了以纯碱和石灰为原料制取NaOH的方法即苛化法：
Na2CO3+Ca（OH）2=2NaOH+CaCO3
因为苛化过程需要加热，因此就将NaOH称为烧碱，以别于天然碱，直到19世纪末世界上一直以苛化法生产烧碱。
采用电解法制烧碱始于1890年，隔膜法和水银法几乎同时发明，隔膜法于1890年在德国首先出现，第一台水银法电解槽是在1892年取得专利。
食盐电解工业发展中的困难，首先是如何将阳极产生的氯气与阴极产生的氢气和氢氧化钠分开，不致发生爆炸和产生氯化钠，以上两种方法都成功地解决了这个难题，前者以多孔隔膜将阴阳两极隔开，后者则以钠汞齐的方法使氯气分开，这样就奠定了两种不同的生产工艺基础，并一直沿用到现在。
我国氯碱工业是在本世纪二十年代才开始创建的，第一家氯碱厂是在上海天原电化厂（现在上海天原化工厂前身）1930年正式投产，采用爱论-摩尔电解槽，开工电流1500A，日产烧碱2吨，到1949年全国解放为止，全国仅有氯碱9家，年产量仅1.5吨。
解放后，我国氯碱工业和其他工业一样，发展速度很快，烧碱年产量在50年代末为37.2万吨，平均年增长率为36.1%；
60年代末为70.4万吨，平均年增长率为60.28%；
70年代末为182万吨，平均年增长率8.29%；
80年代末烧碱的年产量为320.8万吨，平均年增长率为5.82%。
现在除台湾外，全国共有200余家企业生产氯碱，1990年全国烧碱产量为331.2万吨，1991年345.1万吨，1992年373.5万吨，1993年达390万吨，均列第三位，烧碱由原来的进口国转为出口国。
1.2氯碱工业的特点
氯碱工业的特点除原料易得、生产流程较短外，主要还有三个突出问题。
1.2.1能源消耗大
氯碱生产的耗电量仅次于电解法生产铝，按照目前国内生产水平氯碱工业用电量占全国总发电量的1.5%。
因此，电力供应情况和电价对氯碱产品的生产成本影响很大。
重视选用先进工艺，提高电解槽的电能效率和碱液蒸发热能的利用率，以降低烧碱的电耗和蒸汽消耗，始终是氯碱生产企业的一项核心工作。
1.2.2氯与碱的平衡
电解食盐水溶液时，按固定质量比例（1：
0.85）同时产出烧碱和氯气两种产品。
在一个国家和地区，对烧碱和氯气的需求量不一定符合这一比例。
因此就出现了烧碱和氯气的供需平衡问题。
在一般情况下，发展中国家在工业发展初期用氯量较少，由于氯气不宜长途运输，所以总是以氯气的需求量来决定烧碱的产量，因此往往会出现烧碱短缺现象。
在石油化工和基本有机原料发展较快的国家和地区，氯的用量就较大，因此就出现烧碱过剩。
总之烧碱和氯气的平衡始终是氯碱工业发展中的一个恒定的矛盾。
1.2.3腐蚀和污染
氯碱产品如烧碱、盐酸等均有强腐蚀性，在生产过程中使用的原料如石棉、汞和所产生的含氯废气都可能对环境造成污染，因此防止腐蚀和三废处理也一直是氯碱工业的努力方向。
工艺流程图：
2.化盐工段生产流程简述
采用热法化盐，用烧碱、纯碱、氯化钡、次氯酸钠等精制剂进行反应，聚丙烯酸钠等助沉剂进行絮凝，盐酸进行中和，通过溶盐、反应、澄清、砂滤及中和等过程制得合格的精盐水。
2.1原盐的性质及组成
2.1.1原盐的性质
原盐的主要成分为氯化钠，化学式NaCl,分子量58.5，溶解热为-5.28千卡/摩尔。
纯净的氯化钠很少潮解，工业原盐中因含有CaCl2、MgCl2及Na2SO4等杂质，极易吸收空气中水分而潮解结块。
原盐的潮解对运输、贮存及使用会带来一定困难。
2.1.2原盐的品种及组成
原盐在自然界中蕴藏量甚大，分布面亦极广。
根据来源不同，原盐主要可以分为海盐、井盐、湖盐、矿（岩）盐四大类。
就NaCl含量而言，湖盐质量最佳，NaCl含量达96%—99%；
井盐、矿盐次之，NaCl含量在93%—98%；
海盐的NaCl含量在91%—95%左右，海盐的钙、镁含量最高。
2.1.3选择原盐的主要标准
（1）氯化钠含量要高，一般要求大于90%；
（2）化学杂质要少。
Ca2+、Mg2+总量要小于1%，SO42-小于0.5%；
（3）不溶于水的机械杂质要少；
（4）盐的颗粒要粗，否则容易结成块状，给运输和使用带来困难。
此外，盐的颗粒太细时，盐粒容易从化盐桶中泛出，使化盐和澄清操作难以进行。
每小时1吨100%NaOH约需1.5-1.8吨NaCl（理论值为1.462吨）。
因此原盐的质量特别是杂质中Ca2+、Mg2+的含量和比值，会直接影响盐水的质量、精制剂的消耗量和设备的生产能力。
2.2盐水的精制
原盐溶解后所得的粗盐水中，含有钙、镁、硫酸根等杂质，不能直接用于电槽，需要加以精制。
在工业上一般采用化学精制方法即加入精制剂，使盐水中的可溶性杂质转变为溶解度很小的沉淀物而分离除去。
2.2.1盐水精制原理
盐水中的可溶性杂质，一般采用加入化学精制剂生成几乎不溶解的化学沉淀物，然后通过澄清、过滤等手段达到精制目的。
在澄清过滤的同时也达到去除泥砂及机械杂质的目的。
A钙离子的去除钙离子一般以氯化钙或硫酸钙的形式存在于原盐中，精制时向粗盐水中加入碳酸钠溶液，其化学反应式为：
CaCl2+Na2CO3=CaCO3↓+2NaCl
CaSO4+Na2CO3=CaCO3↓+Na2SO4
使用理论量的碳酸钠，需要搅拌数小时才能使上述反应趋于完全，如果加入超过理论用量0.8g/L时，反应在15分钟内即可完成90%，在不到一小时内就能完成。
B镁离子和铁离子的去除镁和铁一般以氯化物存在于原盐中，精制时加入烧碱溶液即可生成难溶于水的氢氧化镁和氢氧化铁，其化学反应式为：
MgCl2+2NaOH=Mg（OH）2↓+2NaCl
FeCl3+3NaOH=Fe（OH）3↓+3NaCl
C硫酸根的去除如果盐水中的硫酸根含量大于5g/L，则可用化学方法除去
Na2SO4+BaCl2=BaSO4↓+2NaCl
但BaCl2不能过多，会生成氢氧化钡沉淀。
2.2.2盐水精制过程
一、原盐的溶化
原盐从立式盐仓皮带输送机和计量称连续加入化盐桶。
为确保盐水浓度，化盐桶内盐层高度保持3m以上。
化盐用水来自洗泥桶的淡盐水和蒸发工段用过的蒸发水，加以回收利用，并用6个配水塔进行储槽。
加热过的化盐用水，从化盐桶底部经设有均匀分布的菌状折流帽流出，与盐层呈逆向流动状态溶解原盐并成为饱和的粗盐水。
原盐中夹带的草屑等杂质由化盐桶上方的铁栅除去；
沉积于桶底的泥砂则定期从化盐桶底部用泵抽出。
为加快溶盐速度，化盐用水应加热到50-60℃，在化盐桶内除原盐溶解外，原盐中的镁离子其他重金属离子还与熟盐水中的氢氧化钠反应，生成不溶性氢氧化物，粗盐水中氢氧化钠通过熟盐水用量来控制。
生产饱和粗盐水约45-50m3/（m2·
h），为确保盐水的浓度，盐水在桶内停留时间不小于30min。
2.3粗盐水的精制
从反应桶中出来含有碳酸钙、氢氧化镁等悬浮物的混浊溶液，必须分离出沉淀颗粒才能得到合格的精盐水。
加快悬浮物沉降速度，必须加入助沉剂。
本工段采用聚丙烯酸钠溶剂。
从澄清桶出来的饱和盐水中，还有少量细微悬浮物，需要经过砂滤进一步净化。
本工段采用虹吸式过滤器，能够节省劳动力和投资少等优点。
从砂滤出来的精盐水再通过中和检测站，将多余的Na2CO3、NaOH用HCl中和，使其PH值为7-8左右，基本方程式：
NaOH+HCl=NaCl+H2O
Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2+H2O
这样经检测达标合格后，就可以储至精盐水塔供电解工段使用。
若盐水中硫酸根含量大于5g/L时，还需要加入氯化钡，制得的混盐水应符合如下质量指标：
表一混盐水质量指标
氯化钠含量
≥315g/L
碳酸钠过碱量
0.25～0.6g/L
氢氧化钠过碱量
0.07～0.6g/L
盐水温度
50℃～60℃
2.4混盐水的澄清和过滤
经过滤后的粗盐水就可以成为电解用的精盐水，其质量要求应达到下列标准：
表二精盐水质量指标
钙镁离子总量
＜7mg/L
硫酸根
＜5g/L
温度
PH值
10.5～11
2.5盐泥的洗涤
经检测，盐泥中含NaCl有多于5%，从盐水澄清设备底部定期用泵抽出，为了节约原盐的消耗，将其中的NaCl回收。
洗泥时，盐泥与洗水的比例控制在1：
3～5之间，为了洗涤干净，洗盐水温度保持在40℃～50℃。
3工艺流程说明
3.1工艺参数
3.1.1主要原辅材料的性质、标准及消耗定额
1.主要原辅材料执行标准
A工业盐
符合标准：
GB5462-92其中：
NaCl≥89.0%、Ca2+≤0.15%、Mg2+≤0.30%、SO42-≤1.0%、H2O≤5.6%
B盐酸
GB320-93的合格品，其中HCl（m/m）≥31
C碳酸钠
GB210-92的合格品，其中总碱量%（以碳酸钠计）≥98.0%
D铁
铁含量≤0.10%
E次氯酸钠
符合标准：
HG/T2498-93中Ⅱ型，本厂自产，其中有效氯（Cl）含量≥10.0%，游离碱（NaOH）含量：
0.1～1.0%，铁含量≤0.010%
3.2工艺流程简图
4物料与能量计算
4.1物料衡算
以1吨100%NaOH作基准，一年8000小时计算，年产8万吨30%烧碱相当于每小时生产3吨100%NaOH，理论每小时需要纯盐4387.5（kg），理论上说每小时需生产出13.93m3精盐水。
1原盐组成
本工段每小时用盐2534（kg）
其中成分
表三成分含量
NaCl
94.67%
2398.9（kg）
Ca2+
0.1%
2.5（kg）
Mg2+
0.2%
5.1（kg）
SO42-
0.54%
13.7（kg）
不溶杂质
0.04%
1.0（kg）
水分
4%
101.4（kg）
2回收盐水组成
本工段每小时共用14.4（m3/吨100%NaOH）
其中
表四回收盐水组成
NaOH
1.7（g/L）
24.48（kg）
150（kg/m3）
2160（kg）
H2O
900（g/L）
12960（kg）
3精盐水成分
本工段每小时能产出14..4（m3/吨100%NaOH）
表五精盐水组成
315（g/L）
4536（kg）
Mg2+、Ca2+
6（mg/L）
0.0864（kg）
5（g/L）
72（kg）
880（g/L）
12672（kg）
PH
7～8
4纯碱
本工段每小时共需加入13.4（kg）98%纯碱
5盐酸
本工段每小时共需加入40（kg）盐酸浓度为30%
6废泥
每小时产出废泥533.1（kg）可回收5%NaCl
4.1.2物料衡算
（一）化盐过程
1、MgSO4+2NaOH=Mg（OH）2+Na2SO4
1208058142
Mg2+～2NaOH～Mg（OH）2
则上述反应需：
mNaOH=80×
5.1/24=17（kg）
生成mMg（OH）2=58×
5.1/24=12.325（kg）
2、Ca2++CO32-=CaCO3
Ca2+～Na2CO3～CaCO3～2NaCl
40106100117
mNa2CO3=106×
2.5/40=6.625（kg）
生成：
mNaCl=117×
2.5/40=7.313（kg）
mCaCO3=100×
2.5/40=6.25（kg）
3、BaCl2+Na2SO4=BaSO4+2NaCl
208142233117
BaCl2～SO42-～BaSO4～2NaCl
20896233117
则上述反应需：
mBaCl2=13.7×
208/96=29.7（kg）
mBaSO4=13.7×
233/96=33.3（kg）
mNaCl=13.7×
117/96=16.7（kg）
（二）精制过程生成：
mNaCl=24（kg）mCaCO3=6.3（kg）
mMg（OH）2=12.3（kg）mBaSO4=33.3（kg）
消耗：
mNa2CO3=6.6（kg）mNaOH=17（kg）mBaCl2=29.7（kg）
则多余：
mNa2CO3=50×
98%-954=6.5（kg）
mNaOH=91.8-63.3=7.5（kg）
（三）盐水配水中和过程
在除去沉淀后，在澄清的精盐水加HCl进行中和多余的Na2CO3及NaOH
1、NaOH+HCl=NaCl+H2O
4036.558.5
则消耗盐酸浓度30%mHCl=7.5×
36.5/30%/40=22.8（kg）
生成：
mNaCl=7.5×
58.5/40=11.0（kg）
2、Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2+H2O
mHCl=6.5×
73/30%/106=14.9（kg）
mNaCl=6.5×
117/106=7.2（kg）
以上两处生成H2O的质量为：
（7.5/40+6.5/106）×
18=4.5（kg）
根据以上总结：
共需消耗盐酸37.7（kg），生成NaCl18.2（kg）
这与每小时供应40（kg）,浓度为30%的盐酸相吻合。
（四）从盐泥中回收的NaCl
本工段每小时加入助沉剂量为5.4（kg）
废泥中的固体物质=原盐不溶物+助沉剂+生成不溶物
mBaSO4+Mg（OH）2+CaCO3=33.3+12.3+6.3=51.9（kg）
原盐中的不溶物的质量为2534×
0.04%=1.0（kg）
所以废泥中固体含量为51.9+1.0+5.4=58.3（kg）
又知废泥中含有NaCl，可回收5%
则可回收NaCl=58.3×
5%=2.9（kg）
（五）守恒衡算检验：
1、NaCl守恒
输入的NaCl的质量为=2398.9+2160+18.2+24
=4601.1（kg）
输出的NaCl质量为=4536+2.9
=4538.9（kg）
综上所得输出与输入基本平衡
2、H2O平衡
输入水量：
原盐带入水=2534×
=101.4（kg）
盐酸带入水=40×
（1-30%）
=28（kg）
回收盐水带入水=14.4×
900
=12960（kg）
输出水量：
精盐水带出=14.4×
880
=12672（kg）
废泥带走水量=533.1-58.3
=474.8（kg）
补充水量=输出水量-输入水量
=12672+474.8-（101.4+28+12960）
=57.4（kg）
水消耗量与支出基本平衡
4.2蒸汽消耗量
在本设计的过程中能量的消耗即为在化盐过程中需要的蒸汽量。
化盐过程中需要的蒸汽量主要有如下两种计算方法：
一是蒸汽直接加入化盐桶内需蒸汽量的计算；
二是用蒸汽直接加热回收盐水和清水再送化盐桶所需蒸汽量的计算。
上述两种的计算公式分别如下所示：
1蒸汽直接加入化盐桶内所需蒸汽量（W）
W=
式中：
W—蒸汽消耗量〔公斤/吨100%NaOH〕
G粗—粗盐水重量
GP粗—粗盐水比热〔千卡/公斤℃〕
△t=t1-t2
t1—粗盐水加热后的温度〔℃〕
t2—粗盐水最初的温度〔℃〕
QNaCl溶—NaCl总溶解热〔公斤/吨100%NaOH〕
t冷—蒸汽冷凝温度〔℃〕
ti—冷凝水温度，（同粗盐水加热的温度）〔℃〕
i1—加热蒸汽在温度t时的热焓〔千卡/公斤〕
i2—加热蒸汽在温度t冷时的热焓〔千卡/公斤〕
Cph2o—冷凝水比热〔千卡/公斤℃〕
Q损—设备热损失，一般情况Q损等于0.1W〔（i1-i2）+Cph2o（t冷-ti）〕
2用蒸汽直接加热回收盐水和清水再送化盐桶，所需蒸汽量（W）的计算公式为：
式中：
G水—清水量〔吨/吨100%NaOH〕
Cˊph2o—清水比热〔千卡/公斤℃〕
G1—回收盐水量〔吨/吨100%NaOH〕
Cp回—回收盐水比热〔千卡/公斤℃〕
△t1=t1ˊ-t2ˊ回收盐水温升〔℃〕
t1ˊ—回收盐水被加热后的温度（同清水加热后的温度）〔℃〕
t2ˊ—回收盐水最初温度〔℃〕
△t2=t1ˊ-t水ˊ工业水温升〔℃〕
t水ˊ—工业水温度〔℃〕
t冷—蒸汽冷凝水温度〔℃〕
Q损—设备热损失，一般情况Q损等于0.1W（i1-i2）+Cph2o（t冷-tiˊ）
本设计中每吨100%NaOH所用盐水耗用的化盐蒸汽量计算如下：
在生产中使用4公斤/cm2蒸汽直接加入化盐桶，用工业水来化盐
（1）蒸汽压力为4（公斤/cm2）t=143（℃）
i1=654（千卡/公斤）i2=143.8（千卡/公斤）
（2）粗盐水量G粗=294（公斤/吨100%NaOH）
（3）粗盐水温度为60〔℃〕，工业水为30〔℃〕
所以△t=60-30=30〔℃〕
（4）粗盐水比热GP粗=0.92（千卡/公斤℃）
（5）NaCl溶解热为-5.28（千卡/摩尔）
∴QNaCl溶=
（-5.28）
=-216.4
（千卡/吨100%NaOH）
（6）Q损=0.1W〔（i1-i2）+Cph2o（t冷-ti）〕
∴W=｛294×
0.92×
30+0.1W〔（i1-i2）+Cph2o（t冷-ti）〕｝/〔654-143.8+1×
（143-60）〕
=｛294×
30+0.1W〔（654-143.8）+1×
（143-60）〕｝/（654-143.8+83）
∴W=15.2（公斤/吨100%NaOH）
5主要设备选型
5.1溶盐设备
原盐溶解是在化盐桶内进行的。
化盐桶为立式衬胶的钢制圆桶形设备，是常温反应容器材质为Q235—A。
内部结构见图5-1。
在桶的底部有菌状折帽流，其硬化盐水进入桶内分布均匀；
中间有折流圈，以防止盐水流动时发生短路；
上部有盐水溢流槽及铁栅。
图5-1化盐桶
1铁栅2溢流槽3粗盐水出口4桶体5折流圈
6折流帽7溶盐水进口8入口
5.1.1化盐桶的内部结构
化盐桶是铜制的立式圆桶，底部有溶盐水分布装置，中间有折流圈，上部有盐水溢流槽及铁栅。
5.1.2操作流程
原盐自盐仓库由皮带运输机从上部连续加入化盐桶，使其保持盐层高度在3米以上。
盐溶液用回收盐水洗泥水，蒸发工段的蒸发水，经化盐桶底部加压配水管进入，于盐层逆流接触上升，食盐溶解成饱和的粗盐水，从上部溢流槽溢出绳、草等杂质，经化盐桶上部的铁栅栏除去，较重的杂质如砂、石或盐泥等沉淀于化盐桶底部，定期管理。
5.1.3化盐桶主要尺寸的确定
（1）直径
D=
式中D----------盐桶直径（m）
Q----------盐水的流量（m3/h）
q----------生产强度，一般取8～12（m3/m2•h）
本工段化盐桶平均流量Q为2.7×
10-2（m3/s）,即98（m3/h）
本装置q取10（m3/m2•h）
则D=
=3.533（m）≈4（m）
化盐桶直径为4（m）
（2）高度
化盐水的高度决定于盐水达到饱和所需的盐层高度，并考虑到化盐桶在清理周期内底部积存的盐泥高度，一般约取5m，如采用盐水自流流程则适当提高，本化盐桶高度为7m。
（3）折流圈
化盐水自下而上经过盐层，为了防止盐水流动发生短路而影响盐水饱和，在化盐桶中部没有折流圈。
折流圈与桶体一般成45°
角，折流圈底部应开设停车时放净用的小孔，折流圈的内径不能过小，以免局部截面流速过大或造成上部食盐产生塔桥现象。
折流圈宽度约为150～250mm。
（4）化盐水进入装置
化盐水由总管通过分布管进入化盐桶，分布管出口，采用菌帽结构能防止杂物流入管道造成堵塞，本设备共用5个在化盐桶截面均匀分布。
（5）加温装置
在化盐桶中部设置加热蒸汽分配管，使蒸汽从小孔喷出，小孔开设方向向下，避免盐水翻泡或盐粒堵塞孔眼。
5.2澄清设备
5.2.1设备原理
澄清操作一般使根据重力作用原理，即使是溶于盐水中的固体颗粒杂质比盐水重，即重力作用而自由沉降，使杂质与澄清液分开。
依照斯托克斯定律，沉降的等速运动可用公式表示为：
W=d2（r1-r2）/10µ
d----------固体颗粒直径；
r1---------固体颗粒重度；
r2---------澄清重度；
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