硫化钠工业设计.docx
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硫化钠工业设计
前言
工业设计是一个理论知识总结性教学环节，他是理论和实践结合的桥梁，是培养我们综合运用课本基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
设计时，不仅要了解并掌握与工业生产有关的各种工程技术知识，而且必须善于把这些知识综合应用于工业生产，以生产显著的经济与社会效应。
工业设计与平时做的习题比较，有显著不同：
不仅需要进行一系列的计算，而且要确定工艺流程及保证工艺过程正常进行的措施。
设计中，设计者需要查阅资料，选用公式和搜集数据，运用已学各项知识，经过详细而全面考虑确定。
工业设计的基本内容包括：
确定设计方案；工业设计；结构设计；附属设备设计或选型；将设计结果编写成设计说明书，并绘制相应的工艺流程图和主体设备结构图。
计算方面，物料衡算和热量衡算是选择设备的基础。
设计的整个过程是由论述、计算和绘图三个部分组成及。
一个合理的设计往往必须进行多种方案的比较，进行反复计算，最终选择最合适的方案。
在此过程中，应该广泛查阅和收集有关资料，认真分析，对比和筛选，使设计尽可能合理和先进。
工业设计是理论结合实际的一次锻炼，它可以培养我们分析和解决实际问题的能力。
让我们对生产设计过程有一个相对全面的认识。
1设计任务
1.1课程设计题目
年产20000t60%的硫化钠的工业设计
1.2设计要求
1、生产能力：
20000t/a60%的硫化钠
2、生产原料：
含85%Na2SO4的芒硝；含60%固定碳的原料煤；200#重油为燃料油；
3、其他参数自己选择；
2硫化钠的性质用途、生产方法及特点
2.1硫化钠的性质简介
无水硫化钠纯品为白色结晶。
相对密度1.856g/cm3，熔点1181
。
吸湿性较强。
易溶于水。
低于48
时从水溶液中结晶出Na2S.9H2O，高于48
则结晶出Na2S.6H2O。
水溶液呈碱性。
工业品因含重金属等杂质，故呈粉红色、褐色或黄色。
硫化钠在工业中用途很广。
用于制造硫化染料，皮革脱毛剂，金属冶炼，照相，人造丝脱硝等。
广泛用于制革、造纸、选矿、染料生产、有机中间体、印染、制药、味精、人造纤维、特种工程塑料、聚苯硫醚、聚碱橡胶，还用作制硫氢化钠、多硫化钠、硫代硫酸钠等，在军事工业中也有一定的用途。
在染料工业中用以制造硫化染料、硫化青、硫化蓝或染料中间体还原剂、媒染剂等。
在有色冶金工业中用作矿石的浮选剂。
制革工业中生皮的脱毛剂。
造纸工业中纸张的蒸煮剂。
硫化钠还用于硫代硫酸钠，多硫化钠、硫氢化钠等产品的制造。
也广泛地用于纺织、颜料、橡胶等工业部门。
工业硫化钠制成熔块，包装在铁皮桶中，根据国家标准BG10500-1989《工业硫化钠》规定：
本标准将产品生产三类。
1类为普通硫化钠；2类为低铁硫化钠；3类为高含量硫化钠。
本标准规定了工业硫化钠的要求、试验方法、标志、标签、包装、运输、贮存。
工业硫化钠包装上应有牢固、清晰的标志，内容包括：
生产厂名、厂址、产品名称、商标、净含量、等级、批号或生产日期、产品质量符合本标准的证明和本标准编号。
1类、2类工业硫化钠采用铁桶或根据用户要求并符合贮运安全的包装，3类工业硫化钠采用铁桶包装。
每桶净含量为25kg、50kg或150kg。
工业硫化钠产品贮存时应通风良好，防止雨淋、受潮、受热，不得与酸及腐蚀性物品接触。
2.2生产方法及特点简述
2.2.1碳还原法
硫酸钠在混合器中与煤粉混合后加到转炉内，于高温下进行还原反应，将反应所得粗碱经浸取过滤、蒸发后制片即得。
该工艺成熟，生产设备及操作简单，原料价廉且来源方便。
本设计采用此法生产硫化钠。
反应式：
Na2SO4+2C＝Na2S+2CO2－225.15KJ/mol
Na2SO4+4C＝Na2S+4CO－569.99KJ/mol
Na2SO4+4CO＝Na2S+4CO2－118.85KJ/mol
CO2+C＝2CO－172.42KJ/mol
2.2.2硫酸钡副产品法
该方法用煤还原硫酸钡制取硫化钡，再加入硫酸钠溶液处理，生成硫化钠和沉淀硫酸钡，经抽滤分离，蒸发浓缩而得。
该法成本低廉.反应式为：
BaS+NaSO4=BaSO4+Na2S
硫化钠也可以在制取碳酸钡时按下式作为副产物得到：
BaS+Na2CO3=BaCO3+Na2S
2.2.3硫化氢法
该方法是以氢氧化钠溶液吸收工业硫化氢废气后，经蒸发浓缩后，制得硫化碱。
反应式为：
2NaOH+H2S＝＝Na2S+2H2O
该法应生产过程中硫化氢有毒，所以危险较大。
为防止硫化氢浓度过高，一般几台吸收器串联，并采取冷却措施。
2.2.4气体还原法
该方法是以气体作为还原剂，在沸腾炉中还原硫酸钠，以铁为催化剂催化，反应温度控制在600～640℃，可得优质无水颗粒状硫化钠（硫化钠含量达95～97%）。
还原芒硝制得硫化碱，可作为还原剂的气体有：
天然气、石油裂解气、焦炉煤气、工业氢气及合成氨生产中的原料气（即精炼气）和排空尾气等。
以气体还原芒硝的反应式为：
Na2SO4+4H2＝＝Na2S+4H2O
Na2SO4+CH4＝＝Na2S+2H2O+CO2↑
Na2SO4+4CO＝＝Na2S+4CO2↑
此外，气体作还原剂比固体燃料便宜。
用氢气和水煤气还原在1073K下还原硫酸钠时，每小时所得硫化钠的产率为理论值的85%左右。
用一氧化碳还原的速度较慢，而用甲烷还原则更慢。
由于没有用气体充分还原液态反应物料的炉子，所以难以在工厂实现气体还原硫酸钠的过程。
低温下用气体还原硫酸钠的速度进行比较慢。
该工艺先进，劳动生产率较高。
3碳还原芒硝法生产流程简述
将含Na2SO485%的无水芒硝与含固定碳60%的原料煤按100/22.5（质量比）配比混料，用自动上料机打入料斗，送入喷烧200#重油的回转炉内进行反应。
反应温度为1100K，其反应如下：
Na2SO4+2C＝Na2S+2CO2
当炉内有黄色烛火出现即为反应终点。
反应好的含硫化钠70%左右的黑灰熔体出料、稍经冷却、后粉碎在化碱器内，用6。
Be碱液化成混浊的浓碱液。
目前，转炉卸出的熔体大多用热浸法，即熔体从回转炉中放出不经冷却和凝固立即在热浸取，搅拌24小时左右，浸取分为4级浸取，以提高硫化钠的回收率，最终所制得含28-32%硫化钠的溶液。
用离心机或真空吸滤机分离滤渣。
滤渣主要是未反应的煤，灰分，重金属硫化物等。
浓碱液送去蒸发，蒸发浓缩至60%的碱液，注入铁皮桶中自然冷却，整块凝固即得块状硫化钠产品。
主要设备：
配料机用于将煤与硫酸钠充分混匀
回转炉用于煤还原硫酸钠的反应过程
三级浸取器用于浸取熔体中的硫化钠
离心机用于分离浸取的碱液和残渣
三效板式蒸发器使32%的碱液浓缩至60%的浓碱液
包装机用于将蒸发浓缩后的碱液冷却，
凝固后包装成硫化钠块状固体
重油
进料
燃烧室
回转炉
第三级浸取
第二级浸取
第一级浸取
第一效蒸发
第二效蒸发
第三效蒸发
离心
成品
成品包装
图1硫化钠生产流程图
4物料衡算
配料
4.1生产简易流程：
反应
浸取
蒸发
包装
成品
根据各定条件，各步骤物料损失有：
1、配料损失----1%
2、还原反应损失---10%
3、浸出损失----5%
4、蒸发损失---1%
5、包装损失----1%
以工厂年产量为20000t60%的硫化钠为准：
年工作日为330d；
每日工作时间24h；
硫酸钠的摩尔质量：
142.02kg/kmol；
硫化钠的摩尔质量：
78.04kg/kmol；
固定碳的摩尔质量：
12.01kg/kmol；
设工厂正常生产消耗硫酸钠1kmol/h，
Qn：
第n步骤中的进料量，kmol/h；
Pn：
第n步骤中的出料量，kmol/h；
Xn：
第n步骤中的损失量，kmol/h；
xn：
第n步骤中的损失率；
ηn：
第n步骤中的生产效率；
4.2物料衡算
以原料硫酸钠（100%）1kmol/h为计算基准。
4.2.1配料过程中的物料衡算
Q1：
第1步骤中的进料量，1kmol/h；
P1：
第1步骤中的出料量，0.99kmol/h；
故：
P1：
第1步骤中的出料量，0.99kmol/h；
X1：
第1步骤中的损失量，0.01kmol/h；
4.2.2还原反应过程中的物料衡算
由上步有Q2=P1=0.99kmol/h；
Q2：
第2步骤中的进料量，0.99kmol/h；
P2：
第2步骤中的出料量，0.891kmol/h；
X2：
第2步骤中的损失量，0.099kmol/h；
X2：
第2步骤中的损失率，10%；
η2：
第2步骤中的生产效率，90%；
η2=1-x2
=1-10%
=90%
P2=Q2×η2
=0.99
90%
=0.891kmol/h；
X2=Q2×x2
=0.99
10%
=0.099kmol/h
故：
P2：
第2步骤中的出料量，0.891kmol/h；
X2：
第2步骤中的损失量，0.099kmol/h；
4.2.3浸取过程中的物料衡算
由上步有Q3=P2=0.891kmol/h
Q3：
第3步骤中的进料量，0.891kmol/h；
P3：
第3步骤中的出料量，kmol/h；
X3：
第3步骤中的损失量，kmol/h；
X3：
第3步骤中的损失率，5%；
η3：
第3步骤中的生产效率，95%；
η3=1-x3
=1-5%
=95%
P3=Q3×η3
=0.891
95%
=0.846kmol/h
X3=Q3×x3
=0.846
5%
=0.0044kmol/h
故：
P3：
第3步骤中的出料量，0.846kmol/h；
X3：
第3步骤中的损失量，0.044kmol/h；
4.2.4蒸发过程中的物料衡算
由上步有Q4=P3=0.846kmol/h
Q4：
第4步骤中的进料量，0.846kmol/h；
P4：
第4步骤中的出料量，kmol/h；
X4：
第4步骤中的损失量，kmol/h；
X4：
第4步骤中的损失率，1%；
η4：
第4步骤中的生产效率，99%；
η4=1-x4
=1-1%
=99%
P4=Q4×η4
=0.846×99%
=0.838kmol/h
X4=Q4×x4
=0.846×1%
=0.008kmol/h
故：
P4：
第4步骤中的出料量，0.838kmol/h；
X4：
第4步骤中的损失量，0.008kmol/h；
4.2.5成品包装过程中的物料衡算
由上步有Q5=P4=0.866kmol/h
Q5：
第5步骤中的进料量，0.838kmol/h；
P5：
第5步骤中的出料量，kmol/h；
X5：
第5步骤中的损失量，kmol/h；
X5：
第5步骤中的损失率，1%；
η5：
第5步骤中的生产效率，99%；
η5=1-x5
=1-1%
=99%
P5=Q5×η5
=0.838×99%
=0.830kmol/h
X5=Q5×x5
=0.838×1%
=0.008kmol/h
故：
P5：
第5步骤中的出料量，0.830kmol/h；
X5：
第5步骤中的损失量，0.008kmol/h；
4.2.6物料衡算
以年工作日330d计算，年产量为20000t60%的硫化钠的生产系数为：
K=
=
=23.392kmol/h
4.3生产过程中的物料衡算
以原料硫酸钠（100%）23.392kmol/h为计算基准。
4.3.1配料过程中的物料衡算
Q1=23.392
142.02/1000
=3.322t/h
故第1步骤中的进料量，3.322t/h；
P1：
第1步骤中的出料量，t/h；
X1：
第1步骤中的损失量，t/h；；
故：
P1：
第1步骤中的出料量，3.289t/h；
X1：
第1步骤中的损失量，0.033t/h；
4.3.2还原反应过程中的物料衡算
由上步有Q2=P1=3.289t/h
Q2：
第2步骤中的进料量，3.289t/h；
P2：
第2步骤中的出料量，t/h；
X2：
第2步骤中的损失量，t/h；
x2：
第2步骤中的损失率，7%；
η2：
第2步骤中的生产效率，90%；
η2=1-x2
=1-10%
=90%
P2=Q2×η2
=23.392×90%×78.04/1000
=1.643t/h
X2=Q2×x2
=3.289×10%
=0.329t/h
故：
P2：
第2步骤中的出料量，1.643t/h
X2：
第2步骤中的损失量，0.329t/h；
4.3.3浸取过程中的物料衡算
由上步有Q3=P2=1.643t/h
Q3：
第3步骤中的进料量，1.643t/h；
P3：
第3步骤中的出料量，t/h；
X3：
第3步骤中的损失量，t/h；
x3：
第3步骤中的损失率，5%；
η3：
第3步骤中的生产效率，95%；
η3=1-x3
=1-5%
=95%
P3=Q3×η3
=1.643×95%
=1.56t/h
X3=Q3×x3
=1.643×5%
=0.082t/h
故：
P3：
第3步骤中的出料量，1.56t/h；
X3：
第3步骤中的损失量，0.082t/h；
4.3.4蒸发过程中的物料衡算
由上步有Q4=P3=1.56t/h
Q4：
第4步骤中的进料量，1.56t/h；
P4：
第4步骤中的出料量，t/h；
X4：
第4步骤中的损失量，t/h；
x4：
第4步骤中的损失率，1%；
η4：
第4步骤中的生产效率，99%；
η4=1-x4
=1-1%
=99%
P4=Q4×η4
=1.56
99%
=1.54t/h
X4=Q4×x4
=1.56
1%
=0.016t/h
故：
P4：
第4步骤中的出料量，1.54t/h；
X4：
第4步骤中的损失量，0.016t/h；
4.3.5成品包装过程中的物料衡算
由上步有Q5=P4=1.54t/h
Q5：
第5步骤中的进料量，1.54t/h；
P5：
第5步骤中的出料量，t/h；
X5：
第5步骤中的损失量，t/h；
x5：
第5步骤中的损失率，1%；
η5：
第5步骤中的生产效率，99%；
η5=1-x5
=1-1%
=99%
P5=Q5×η5
=1.54
99%
=1.52t/h
X5=Q5×x5
=1.54
1%
=0.015t/h
故：
P5：
第5步骤中的出料量，1.52t/h；
X5：
第5步骤中的损失量，0.015t/h；
4.4实际工业生产中的物料衡算
4.4.1配料过程中的物料衡算
原料：
含85%硫酸钠的芒硝；
含固定碳60%的原料煤；
原料配比：
芒硝与原料煤按重量比100/22.5混料
已知：
硫酸钠消耗量Q1=3.322t/h
=26310.2t/a
芒硝消耗量Q1=硫酸钠消耗量Q1/85%
=30953.2t/a
原料煤消耗量Q1=芒硝消耗量Q1*22.5%
=6964.5t/a
固定碳消耗量Q1=原料煤消耗量Q1*60%
=6964.5*60%
=4178.7t/a
4.4.2反应过程物料衡算
进料：
硫酸钠进料量Q2=P1=3,322t/h
芒硝进料量Q2=硫酸钠进料量Q2/85%
=3.908t/h
原料煤进料量Q2=芒硝进料量Q2*22.5%
=0.879t/h
固定碳进料量Q2=原料煤进料量Q2*60%
=0.527t/h
已知还原反应中，由炉内灰尘带走的损失约为1%，还原副反应及反应不完全的损失约为10%，且还原反应为：
Na2SO4+2C=Na2S+2CO2
实际参与反应的硫酸钠的物质的量为：
nNa2SO4=23.392×90%
=21.053kmol/h
原料含固定碳总物质的量为：
nC=0.527t/h
假定还原反应能够严格按化学计量比反应，则：
所需固定碳的物质的量为：
nC=2×nNa2SO=2×21.053=42.106kmol/h
原料中所含的固定碳的物质的量大于还原反应所需的固定碳的量。
故反应生成的二氧化碳的物质的量为：
nco2=46.833kmol/h
反应生成的二氧化碳的质量为：
mco2=42.106×44.01/1000
=1.853t/h
熔体中所含的总物质的重量为：
Q=（m芒硝+m原料煤-mco2）*（100%-烟道气带走的损失）
=（3.908+0.879-1.853）×（100%-1%）
=2.905t/h
硫化钠出料量P2=硫酸钠反应量Q2*（100%-烟道气带走的损失）
=21.053×78.04÷1000×99%=1.626t/h
熔体中硫化钠的质量分数x为：
x=1.626/2.905
=0.56
熔体中不溶物的质量分数为：
44%
熔体中所含不溶物的质量为：
1.279t/h
4.4.3浸取过程中的物料衡算
各符号代表的含义：
L---底液（残渣夹带硫化钠溶液的量），t/h；
V---浸洗液的量，t/h；
E---浸取液的量，t/h；
yn：
第n步骤中的浸洗液中硫化钠的质量分数；
xn：
第n步骤中的底液中硫化钠的质量分数；
xF：
初始液的硫化钠的质量分数；
多级浸取过程如图2所示：
E，yN
F，xF
第一级
浸取器
V，yN-1
L，x1
第二级
浸取器
V，y2
L，x2
第N-1级
浸取器
V，y1
L，xN-1
第N级
浸取器
F，xN
V，y0
图2多级浸取过程示意图
根据物料平衡有：
进入的硫化钠质量=出来的硫化钠质量
总硫化钠物料平衡：
E×yn+L×xn=F×xF+V×y0
第一级浸取过程的硫化钠物料平衡有：
E×y1+L×x1=F×xF+V×yn-1
第二级浸取过程的硫化钠物料平衡有：
V×yn-1+L×x2=F×x3+V×yn-2
……
第N—1级浸取过程的硫化钠物料平衡有：
V×y2+L×xn-2=F×xn-1+V×y1
第N级浸取过程的硫化钠物料平衡有：
V×y1+L×xn-1=F×xn+V×y0
对于每一级浸取过程均有：
X1=yn
X2=yn-1
……
Xn-1=y2
Xn=y1
设：
a=
，a1=
；
根据以上公式，可推导出浸取过程公式：
其中，n为浸取级数；R为浸取的损失率；
本工业设计中，浸取过程的回收率为95%，故R为5%。
已知浸取过程中的部分条件为：
F熔体中所含的硫化钠的量，1.626t/h
假设：
渣与渣的含水质量之比为1/1.5
渣重为1.279t/h
渣含水量：
1.918t/h
K：
级效率，本工业设计中k取为0.8；
查数据可知，浸取液中的硫化钠含量为28%~32%；
假设浸取液中硫化钠含量为30%，则浸取液中含硫化钠3000g/l；
由以上数据可知：
第一级硫化钠底液中硫化钠质量分数x1为
x1=30%
由之前假设，浸取过程硫化钠损失5%
故可计算L底液（残渣夹带硫化钠溶液的量），
L=渣含水量+损失的硫化钠量
=1.918+1.626×5%
=1.993t/h
又E×yn=E×x1=P3
P3=Q3×x3=P2×0.95=1.626×0.95=1.545t/h
可得：
E=5.15t/h
由流量平衡可知：
F+V=E+L
并有：
F=1.626t/h
E=5.15t/h
L=1.993t/h
故可计算出：
V=5.517t/h；
根据以上已知条件和计算结果，可得：
a=
=2.768
a1=
=2.684
带入到浸取过程计算式：
可得理论级数N=2.4
由给定条件，级效率k为0.8；
得出实际级数为：
N1=
=2.39/0.8
=3
故实际设计中取级数为3
由上述计算结果可知，浸取过程为一个三级浸取过程。
浸取过程中所需的原料水量为：
进水量=出水量=洗水量+熔体量=V+F；
出水量=浸取水量+底液量=E+L；
浸取过程的物料衡算至此结束。
4.4.4蒸发过程的物料衡算
查阅理论数据得出，含硫化钠60%的硫化碱在标准大气压下的沸点为170
，凝固点为88
。
由于杂质含量等因素影响，在敞口大锅平锅蒸煮，要将碱液浓缩到60%，必须将其加热到185
左右。
但如果是蒸发空间造成真空，所需加热到的温度就大大下降，按精制盐蒸发沸点上升公式估算，含硫化钠60%的碱液在真空度为0.059995MPa和0.067MPa时的沸点分别为136
和119
左右。
蒸发过程如图3所示：
Q1，x1
W2，y2
等效蒸
发过程
W1，y1
Q2，x2
图3等效蒸发过程
Q1：
蒸发过程中的硫化钠进料量，
Q2：
蒸发过程中的硫化钠出料量，
x1：
蒸发过程中进料量的硫化钠质量分数，
x2：
蒸发过程中出料量的硫化钠质量分数，
W1：
蒸发过程中的进蒸汽量，
W2：
蒸发过程中的出蒸汽量，
y1：
蒸发过程中进蒸汽量中的硫化钠质量分数，
y2：
蒸发过程中出蒸汽量中的硫化钠质量分数；
Q1=E=5.15t/h，x1=yn=30%
蒸发过程中的硫化钠物料衡算有：
Q1=Q2+损失量（损失率为1%）
水量平衡有：
（1-x1）Q1/x1+W1×（1-y1）=（1-x2）×Q2/x2+W2×（1-y2）
已知条件：
Q1：
1.t/h
Q2：
1.545t/h
x1：
0.3
x2：
0.600
W1：
0
y1：
0
y2：
0
带入数据得出：
W2=2.585t/h
蒸发过程的物料衡算至此结束。
以上为硫化钠的物料衡算过程。
表1原料消耗综合表
序号
原料名称
纯度
每小时消耗量（t）
每年消耗量（t）
工业品
纯品
工业品
纯品
1
无水芒硝
85%
3.908
3.322
30953.2
26310.2
2
原料煤
60%
0.879
0.527
6964.5
4178.7
表2排出物综合表
序号
排出物名称
排出物成分
每小时产出量（t）
每年产出量（t）
1
废气
二氧化碳
1.853
14675.8
2
废渣
不溶物和水
3.197
25320.2
3
成品
含100%硫化钠
1.530
12117.6
5热量衡算
5.1还原反应过程中的热量衡算
（以下各物理化学数据均来自于Barin纯物质热化学数据手册）
给定物料反应温度为1100K，物料进入反应炉前温度为298K；
1100K时，查数据手册可得：
硫酸钠：
△fH=-1418.786kJ/mol
碳：
△fH=0kJ/mol
硫化钠：
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