10万吨离子膜烧碱装置设计书.docx

1、10万吨离子膜烧碱装置设计书武汉祥龙电业股份有限公司10万吨离子膜烧碱装置设计书2007年11月第一章 工艺设计第一节 概述 第二节 成品、原料、辅助材料及中间成品的主要技术规格第三节 技术方案确定 第四节 生产流程简述第五节 工艺控制参数第六节 主要设备计算及选择第七节 布置说明第八节 原材料、动力消耗定额第九节 能源节约和综合利用第十节 安全及工业卫生第十一节 主要技术经济招标及产品成本估算第十二节 三废治理及综合利用第十三节 定员第十四节 存在问题及解决意见第二章 化验分析设计第一节 化验室第二节 分析项目一览表第三节 定员第三章 自动控制设计第一节 概述第二节 主要仪表的选型第三节 主

2、要调节系统与特殊检测仪表第四节 检测控制元件防腐材质选择第五节 仪表气源、电源第六节 存在问题第四章 化工设备设计第一节概述第二节主要设计规定第三节材料第四节特殊设备的设计第五节机泵设计 第五章 供电设计第一节概述第二节整流所设计第三节车间配电 第六章 设备材料表 第一章工艺设计第一节 概述武汉祥龙电业股份有限公司始建于1958年，是中原地区的化工原料供应基地。本公司地处长江之滨，水陆交通便利。经过四十多年的生产研究与建设，拥有大量的氯碱生产经验和雄厚的技术力量。 本项目建设的离子膜烧碱装置属于我国当前重点鼓励发展“改扩建”的项目，符合国家产业政策和行业发展规划。本项目建成投产后，产生规模经济

3、，造就产品结构优势，不仅促进企业的经济效益再上新台阶，对武汉化工制造业的升级也将起到促进作用，具有深远的社会和经济意义。生产采用的主要原材料矿盐和卤水由省内供应，资源丰富，产量稳定，运输距离较短，价格低廉。本工程烧碱装置采用了自然循环复极式高电流密度离子膜法，该工艺是目前国际成熟、先进的工艺技术，这种技术的原料消耗及能耗指标低，三废少，产品质量高，技术先进，成熟可靠，符合当前氯碱工业发展的总趋势。生产成本低，产品质量高，市场竞争力强。虽然国内氯产品市场需求旺盛，生产能力不断增长，烧碱产品将有可能逐步呈现供大于求的趋势，但祥龙公司烧碱市场资源稳定，区位优势明显，不会因烧碱销路不畅影响烧碱生产及烧

4、碱市场。本项目在工艺技术、工程设计和生产装备等方面积极贯彻国产化方针，大量采用国产化的设备、材料，符合国家国产化的方针政策。本项目严格按照国家和地方的政策、法规，采用完善的环境保护综合治理，职业安全卫生及消防等措施，并做到与装置建设同步实施。综上所述，本项目实施后，能够达到祥龙公司优化产品结构，增加产品品种，扩大生产能力，降低生成成本的目的，有利于整体效益的提高，项目技术先进可靠，投资较省，符合国家产业政策及安全、环保的要求。本项目为十万吨离子膜烧碱装置，在老厂区扩建；本设计为工程基础设计。离子膜烧碱（盐水精制、电解（含脱ClO-、阳离子交换和淡盐水脱氯）、氯氢处理、废气处理）装置的产品生产设

5、计能力及要求： 烧碱装置能力：10万吨/年产品量：32%NaOH（折100%NaOH计）10万吨/年商品量：32%NaOH（折100%NaOH计）10万吨/年 液氯（利用已有装置）装置能力：3.6万吨/年产品量：2.0万吨商品量：2.0万吨 高纯盐酸（对现有装置作部分改造）装置能力：31%高纯盐酸4.0万吨/年产品量：31%高纯盐酸15200吨/年商品量： 管道氯气（折成含量100%（vol）装置能力：9.1万吨产品量：6.42万吨 商品量：0 氢气（含量99.9%（vol）装置能力：0.256万吨产品量：0.241万吨 商品量： 第二节 成品、原料、辅助材料及中间成品的主要技术规格 原料规格

6、： 1）原盐： 海盐NaCl 92%Ca2+ 0.5%Mg2+ 0.25%SO42- 1.7%水分固形物 矿盐NaCl 98%Ca2+ 0.5% Mg2+ 0.25%SO42- 1.7% 水分 微型物 卤水NaCl 280g/lSO42- 6.5g/l 总胺（铵） 7.5g/lCa2+ 0.6g/l Mg2+ 0.27g/l异形物 成品规格： 1） 烧碱（32%）NaOH 32%（wt）NaCl 40ppm（wt）NaClO3 10ppm（wt）Fe2O3 3ppm（wt）温度 40 2） 氯气（干基）：Cl2 98.5%（vol）O2 0.5%（vol）H2O 50ppm（wt）温度 40压

7、力 0.25MPa3） 氢气（干基）：H2 99.9%（vol）O2 0.03%（vol）压力 0.08MPa温度 404） 高纯盐酸：HCl 31.0%（wt）Fe 0.001%（wt）Ca2+Mg2+ 0.5ppm游离Cl 5ppm温度 常温 5） 液氯：GB5138-1996优等品一等品合格品Cl2（vol）99.8%99.6%99.6%H2O（wt）0.015%0.03%0.04%第三节 技术方案确定 盐水工艺技术方案选择：氯碱行业盐水电解所使用的隔膜电槽或离子膜电槽的运行寿命、技术经济指标与盐水质量密切相关。目前，盐水精制有传统的澄清工艺、薄膜液体过滤工艺、CN过滤器过滤工艺及陶瓷过

8、滤器四种工艺。 1) 传统的盐水精制工艺：传统的盐水精制工艺，“道尔澄清桶砂滤器助滤剂预深型过滤器”。该工艺是：先将粗盐水加精制剂反应后，经澄清桶澄清，再经砂滤器、纤维素预涂型精密过滤器，最后才能进入离子交换塔。该工艺虽成熟、可靠，但流程长、设备庞大、占地多，极易出现因原盐、水质变化引起的澄清返浑现象，并且生产成本偏高。 2) 膜液体过滤工艺：盐水经过膜过滤元件，固液分离一次完成，得到几乎不含固体物质的液体。与传统澄清桶工艺相比，薄膜液体过滤工艺不需要大型的澄清桶、砂滤器和纤维素预涂型过滤器等设备，但由于膜开孔率极高，孔径小，过滤速度主要由滤膜表面形成的滤饼透滤速度所决定，因此对颗粒大、刚性较

9、好的CaCO3等不溶物有很好的滤出性能，而有机物质，如菌、藻类以及Hg(OH)2（特别是胶体形态），则对滤速有较大影响。目前有三种形式的膜过滤元件：一种厚度为微米级、孔径为0.5um的膨体PTFE膜/PP的复合管状过滤元件，即戈尔膜；第二种是以高密度聚乙烯为原料，采用烧结工艺制造的多孔材料，由过滤膜（孔径小于1um）与其支撑体烧结为一体即颇尔微孔膜；第三种则是采用通过一次成型复合方法制成的PTFE材料HVM膜。戈尔膜因存在膜中的两种材料复合强度低、滤膜搭处易破裂、盐水中游离氯、氯酸盐对PP材料腐蚀、对预处理效果的依赖性强等问题，出现寿命太短（38个月），更换膜将影响生产。目前在国内应用还不理想

10、。颇尔微孔膜在国外应用较成熟，可以替代-纤维素预涂型过滤器，从而取消助滤剂以降低生产成本；在一些情况下，还可取消澄清桶或减小澄清桶直径，使用寿命已超过5年，且过滤膜可100%回收利用。目前在国内已有应用实例，但不是很成熟。2005年，戈尔公司和颇尔公司联合，对膜进行改进，也采用膨体聚四氟乙烯膜（ZF膜）；效果已达到凯膜公司的水平，解决了滤膜搭处易破裂、PP材料易被腐蚀的问题。近年来，“预处理HVMTM膜（凯膜）分离”的盐水精制工艺已于2003年上半年在滨化完成了中试，并自2003年7月投入工业化生产运行，对过滤质量、流量和压力、滤膜的机械强度和使用寿命等指标进行了跟踪测量，达到了非常理想的效果

11、（HVM膜滤后的精盐水质量稳定，钙离子质量分数平均有812.610-9，镁离子平均在410-9，SS质量分数为0.110-60.210-6）；由于HVM采用了全膨体PTPE，可经受游离氯、氯酸盐的腐蚀，一次成型无复合及搭接缝的滤膜结构使膜的整体性很好，从而在实验和应用中未出现膜破裂现象，用过半年的膜未出现针孔和明显老化现象。经调查发现，当前国内在建和拟建的离子膜装置中有80%采用凯膜工艺，如上海氯碱的25万吨盐水过滤离子膜项目等等，具体见凯发公司最近的业绩表。HVMTM膜部分用户业绩表：自2003年底至今，凯膜公司已拥有了超过50家的膜过滤器用户，总盐水处理能力达年产离子膜烧碱580万吨，设备

12、总量超过100台。序号单位烧碱能力（万吨）项目进度1宜宾天原化工厂钙法除硫酸根（1、2）期已使用2山东滨化21（1。2期）已使用3河南神马15（1、2、3期）1、2期已使用3期已签单4江苏梅兰集团14（1、2期）已使用5四川金路21（1、2期）已使用6新疆石河子天业26（1、2、3期）已使用7山东金岭化厂12（1、2期）已使用8河南焦作宇航12已使用9河北冀衡化工9已使用10山东博汇12已使用11湖南郴化7.5已使用12湖北沙隆达10已使用13宁夏石嘴山12安装中14江苏双狮化学13安装中15湘江嘉兴化工8安装中16天津大沽30安装中17山东海化10安装中18山东东营化工厂12安装中19安徽芜

13、湖山江化学10已签单20上海天原华胜化工25已签单21宁波万华15已签单22陕西榆林金泰15已签单23广西南宁10已签单24宜宾天原化工厂10已签单25湖南衡阳10已签单26唐山三友10已签单27山东聊城18已签单28新疆中泰10已签单29云化10已签单30泰兴新浦化工厂15已签单31明天科技10已签单32山东大汶口A10已签单33河南平顶山汇源10已签单34内蒙古晨宏力10已签单35河南神马 三期10已签单从技术方案的先进性、可靠性、经济性以及操作的连续稳定等方面出发，本方案的盐水精制将考虑采用“预处理HVMTM膜分离”的盐水精制工艺。“预处理膜分离”的盐水精制工艺流程如下： NaOH、Na

14、ClO Na2CO3 FeCl3化盐水 精盐水 污泥该流程针对中国原盐的特殊性，即：高镁、高NOM（天然有机物）、高水不溶物及工艺操作等，凯膜公司根据不同用户的具体情况采用适用的盐水预处理流程。流程的关键在于预处理器及在反应中投加的氧化药剂。预处理特点： NaClO等氧化剂消解了饱和粗盐水中有机物；投加铁盐使粗盐水中絮状水不溶物及其他水颗粒物质絮凝；预处理器采用气浮沉降方法使轻质重质颗粒分别得以有效去除。经过预处理后的盐水，直接进入“HVMTM膜过滤器过滤，一次性得到精盐水。本工艺的优点：工艺简单，流程短，盐水中悬浮物从100010000mg/l降低至1mg/l以下，直接进入离子交换树脂塔；过

15、滤精度稳定，盐水质量稳定；处理能力大；操作简单，全自动控制；占地面积小，对于老厂改造项目实施方便；采用预处理器消除了原盐、卤水中絮状水不溶物、高镁及有机物的影响，并且减缓了操作的波动对后续精制的影响；降低了对原盐质量要求，拓宽了选盐的范围，适应各种原料包括卤水、卤水加海盐、湖盐、矿盐等盐水的精制。不过，凯膜工艺中也有预处理器反浑的问题需要解决。3）CN型过滤器CN型过滤器是由上海西恩化工设备有限公司开发的拥有自主知识产权的专利技术产品。近来用于氯碱一次盐水精制，该过滤器固液分离效果显著，能耐强酸、强碱的腐蚀。CN型的最新型过滤器的操作已实现自动化，所有日常操作可通过控制室的DCS系统（或PLC

16、系统）来控制，大大减轻了劳动强度。CNII型过滤器对悬浮物的去除率高，出水ss3mg/L，完全可以代替目前的传统固液分离道尔桶砂滤器工艺；CNI型过滤器则是CNII型的后续设备，二者采取串联方式，对盐水进一步进行处理，确保出水ss1mg/L。CN公司新近用于氯碱盐水处理厂家如下：常州新东化工公司、金坛金东化工公司、新疆天化集团。4）陶瓷过滤器陶瓷过滤器是由南京九思科技公司与南京大学共同开发的产品，近期用于氯碱厂盐水过滤工序，具有工艺流程短、投资少等优点。不足之处是使用单位较少且时间短，实际效果及生产工序如何没得到足够检验。因而该工序可考虑两种方案：a、采用HVMTM膜过滤器或颇尔ZF膜过滤器过

17、滤制一次精盐水；b、采用CN型过滤器过滤制一次精盐水。 电解（含离子处理及淡盐水脱氯）工艺技术方案选择： 1） 电解：采用食盐溶液制烧碱、氯气和氢气的方法有三种，即水银法、隔膜法和离子膜法。水银法生产的烧碱虽然质量高，但因汞污染严重，国内又无彻底治理方法，我国原有的水银电解装置已于2000年前关停，不再予以考虑。隔膜法又分石墨阳极电解槽和金属阳极电解槽。石墨阳极电极槽由于铅污染严重、劳动强度大、电耗高等缺点，目前已经淘汰。金属阳极电解槽（包括后经改进的扩张阳极改性隔膜槽小级距电槽）虽然克服了石墨阳极电解槽铅污染严重、电耗高的缺点，但仍存在石棉绒污染，产品质量差、能耗较高、劳动强度大等不足。离子

18、膜制烧碱是目前世界上工业化生产烧碱当中最先进的一项技术，与隔膜法、水银法相比，本方法具有能耗低（32%液碱折100%，每吨比隔膜法节约0.556吨标煤），产品质量高（含盐低于40ppm，而相同浓度的隔膜碱盐含量为5%），三废环境污染小（无隔膜法的石棉绒和水银法的汞污染，为清洁工艺），成本低及操作管理方便等优点，这样的高纯离子膜碱除可用于隔膜碱所有应用领域外，还可应用于隔膜碱不可应用的化纤、人造棉、医药和食品工业上，市场竞争力和应变性强，故本项目采用离子膜法制烧碱。离子膜电槽分单极和复极式两类，复极式电解槽和单级式电解槽主要特点如下表：复极槽和单级槽的特点比较表槽型项目复极式单极式通电情况小电流

19、、高电压大电流、低电压极间电流分布均匀欠均匀电流铜排电槽之间用量较少较多电解槽容量便于加大容量不易电槽占地面积同样规模较小较大电槽组装、拆卸较简单较复杂电流泄漏较大（可加措施）较小电流效率较高较低膜利用率较高较低阴、阳极材料均好均好投资较低较高从目前国内引进的离子膜电解技术看，无论是单极槽还是复极槽，技术上均已成熟、可靠，主要技术指标各有所长，没有绝对优势。从经济角度出发，中等以上生产规模，先进复极槽对整流器选型有利，离子膜也分为自然循环和强制循环。从当前离子膜烧碱技术发展看，采用自然循环复极式电槽，高电流密度，大型化是今后烧碱生产技术的发展方向。所以本项目选用复极槽技术。当前世界上拥有离子膜

20、电槽生产技术的专利商很多，实力强大的如日本旭化成公司、日本氯工程公司、英国INEOS公司、意大利的伍德-迪诺拉公司和中国北京化工机械厂等，这些企业在技术上各有特点：国内的北化机系引进旭化成电槽生产技术及生产工艺，不断开发、生产出新设备，至今，该厂在国内市场占有率较高。其中的复极式电槽也已运行多年，其技术成熟可靠（仅仅是电耗偏高），且设备价格相对低廉。但北化机电槽加工精度，特别是极板精度及平整度较差，易造成膜损坏；此外今后膜更换需外购，价较高。旭化成公司拥有电槽生产技术及工艺，全球市场占有率较高，其复极式电槽加工精度较高，不会因极板质量而导致膜损坏；其离子膜自制与电槽配套。英国INEOS公司的电

21、槽电化学性能较好，电槽有防振动装置，单元槽模块化设计，电流密度可达68KA/m2；使用杜邦提供的离子膜，也可使用其他公司提供的离子膜。氯工程公司电槽电化学性能非常优秀，能在高电流密度下运行（6KA/m2），但其电槽材料用得较节省，其强度要比其他几家公司电槽强度差，检修时易变形。其离子膜配用旭硝子公司产品或杜邦公司产品，但不使用旭化成公司产品。总的来说，国外公司起步早，技术较领先，相关性能比北化机电解槽要优秀。但其价格要比北化机稍高。综上所述，从工艺指标、占地面积、投资费用和经济效益等指标考虑，本方案建议选用国外生产的复极式循环电解槽。 2） 除去精盐水中ClO-离子。 向精盐水加Na2SO3浓

22、度，除去盐水中的ClO-离子。 3） 除精盐水中的多价阳离子。离子交换树脂塔有两塔流程和三塔流程之分，对大中型项目，宜采用三塔流程，故本项目选用三台离子交换树脂塔，正常情况下两塔串联运行，一塔再生。 4） 淡盐水脱氯与脱硫酸根离子。离子膜电槽解排出的淡盐水含有游离氯，腐蚀性高，必须脱除游离氯后才能送回到盐水工序进行重饱和。目前，淡盐水脱氯主要有两种方法：压缩空气吹除真空脱氯鉴于压缩空气吹除产生浓度低的氯气，降低了氯气利用率，对生产规模较大的装置不适用，故本项目采用真空脱氯。真空脱氯分蒸气喷射、氯水喷射和真空泵三种，从节能和运行稳定出发采用能耗较低、操作稳定的真空泵作为真空源。脱氯设备又分填料塔

23、、筛板塔和卧式脱氯槽，本项目选用的脱氯塔为填料塔，经真空脱氯后的淡盐水含游离氯30mg/l，然后加Na2SO3进行化学脱氯以除净游离氯。离子膜电解槽排除的淡盐水中硫酸根离子含量较高；如不处理则影响电解槽运行；处理硫酸根的方法主要有两种：氯化钡法和膜法。A、氯化钡法是目前国内厂家主要采用的脱除硫酸根方法。但是，氯化钡是一种剧毒药品，对操作工有伤害；同时为了完全去除硫酸根加入过量氯化钡，降低离子膜效率；另外，生成的硫酸钡沉淀会对环境造成影响；B、膜法是利用膜物理分离的方法，将盐水循环系统中多余的硫酸根以硫酸钠的形式从盐水系统中分离，合格盐水回到盐水循环系统。整个分离过程中，不需加入任何药剂，不会影

24、响盐水水质，对硫酸根离子的截留率稳定，操作和维护简单。且操作费用低，效率高，无污染。 因而建议采用膜法除硫酸根离子 氯气干燥与压缩工艺技术方案选择：氯气处理采用冷却、干燥和压缩流程。干燥采用泡沫塔和填料塔两塔串联干燥技术，电解产湿氯气与进槽盐水换热后，首先经氯水洗涤塔洗涤后，经二段（钛）冷却器，水雾捕集器除去大部分水份，然后 经两塔串联干燥，利用浓硫酸吸收氯气中剩余的水份，经酸雾捕集器除酸雾，最后进入透平机，经压缩后送到下游工序。浓硫酸吸水是放热反应，故干燥用的硫酸要进行冷却。其中两塔串联干燥技术是成都八院开发的高效氯气干燥技术，即填料+泡罩塔干燥技术，该技术的特点为：氯气干燥效率高：可使氯气

25、中含水小于10ppm（常规的技术含水在200 ppm以上，因而大大延长了设备操作运行寿命，减少了维修工作量；设备台数少，整个系统只有1台填料干燥塔、1台循环泵、1台板式换热器，与要达到相同效果的三台或四台填料塔相比，少79台设备。占地小、投资省、操作简单。水雾捕集器与酸雾捕集器均采用孟莫克公司的产品。使用孟莫克布林克除雾器后的氯气含水量:上海氯碱总厂的15万吨/年氯碱装置(F2装置) ,透平机进口的氯气含水为 5 PPM, 透平机叶轮及管道干干净净,该透平机一年运行350多天,只在每年的系统大修时停车.由于除雾效率高,孟山都酸雾捕雾器只用一台,不需备用酸雾捕雾器,这也节省了相应的设备,管道的投

26、资.氯气压缩机有液环式真空泵和透平式压缩机两种；、液环式真空泵主要是利用H2SO4作液环，以前是国产水泵，现在有进口技术，年产十万吨烧碱只需三台泵。但付产废硫酸；、a、大型透平式氯压机，国外以德国三K公司产的大型机组（6万吨/年以上烧碱）采用进口科调导叶调节功率，可在65100内不耗功任意调节，以达到节能目的，运行寿命长，35年不检修；国内锦西化机生产的透平机为四级压缩，设备较复杂。大型机的特点是造价高。 b、中小型透平机，主要由杭州求实透平机制造有限公司与杭州振兴透平机公司开发生产。该机主要特点是机、电、润滑油系统一体化，体积小，二级压缩，占地小，投资省等，目前两公司也有满足10万吨/年烧碱

27、能力机型，但该型机使用厂家较少。建议氯压机采用国产中小型透平机。 氢气处理工艺技术方案选择： 对电解槽阴极室出来的高温湿氢气，采用二个串联的洗涤塔，用水直接喷淋洗涤冷却。经过洗涤，湿氢气中夹带的碱雾被洗涤掉，同时气体温度也得到降低，其中所含的饱和水蒸汽冷凝下来，使氢气得到净化，然后经过压缩加压后，送至用户（并网）。氢泵采用2BE1303型水环真空泵。 、高纯盐酸工艺技术方案选择：利用目前现有厂房和设备，采用三合一工艺，进行技术改动，拟上2台三合一盐酸炉子。第四节 工艺流程简述 盐水精制工序原盐经抓斗送入化盐桶，用化盐水（即来自电解工序经脱氯后的淡盐水、除去了SO42-的卤水、洗泥水和补充水）溶

28、解制得饱和粗盐水。A方案：粗盐水经折流槽加NaOH、NaClO进入前反桶，接着与定量的FeCl3混和，流入预处理器。从预处理器上部溢流出来的盐水又与定量加入的Na2CO3反应，进入后反应器。然后通过泵加压送入HVMTM过滤器处理。过滤后的盐水送电解工序。从预处理器和HVMTM过滤器底部排出的泥浆送去盐泥压滤机加压过滤，回收的盐水用作化盐用，滤饼由汽车送出界区。B方案：粗盐水经折流槽加NaOH、NaClO和Na2CO 3进入混合反应槽，使Ca2+、SO42-、Mg2+生成CaCO3、BaSO4和Mg(OH)2，搅拌一段时间后，保证盐水充分混合反应（即浑盐水加药后在混合反应槽中停留1小时以上），然

29、后进入CN过滤器进行固液分离，进过滤器前投加聚丙烯酸钠（TXY）和FeCl3。经过CNII型及CNI型过滤器处理后，上清液清澈透明，出水悬浮物稳定在1mg/L以下，可直接进入螯合树脂。过滤器出水有在线浊度仪监控，如出现问题可及时反和解决，避免对后续工序的影响。过滤器底部排放的盐泥则用泵打入板框压滤机进行脱水，干泥外运处理，盐水则回到混合反应槽。 电解工序：精盐水的再处理来自盐水预处理的一次精盐水经过HVMTM过滤器处理后，除去绝大部分固体悬浮物进入滤后盐水罐，再用泵打入离子交换树脂塔，以去除盐水中的钙、镁为主的阳离子，然后进入去离子盐水罐，用泵输送进入电解槽。电解二次精制盐水经过湿氯气换热器、盐水换热器两次预热后，通过总管分配到每台电解槽中去，每台电解槽又通过其内部的进料孔分配到每个阳极室。在电流的作用下，钠离子迁移去阴极室，氯离子失去电子生成氯气、淡盐水和氯气从进料盐水对角的阳极气液分离室出来，在槽出口管道中分离，分离后的氯气和淡盐水流到各自的总管中，淡盐水进淡盐水罐，Cl2去Cl2处理装置。稀碱液经加热冷却后，分配到每台电解槽，每台电解槽又通过其内部的进料孔分配到每个阴极室。在电流的作用下H2O的H+得到电子产生H2，OH-与阳极室迁移过来的Na+生成NaOH。增浓的碱液与氢气经过进料碱液对角的阴极气液分离室出去。在槽出口管线中分离，分离后的氢气和碱