离子膜法制烧碱毕业设计说明书

1、目 录引 言1第一章 氯碱工业概况21.1氯碱工业发展过程21.2离子膜电解制碱的特点及现状21.3离子膜电解制碱的基本流程3第二章 盐水精制52.1一次盐水精制52.1.1原料盐粗算52.1.2循环淡盐水的计算62.1.3粗盐水的计算62.1.4除杂72.1.5溶液ph的调节82.1.6盐损及盐循环量的计算82.2二次盐水精制92.2.1除次氯酸92.2.2过滤不溶物102.2.3中和及二次精制10第三章 离子膜电解133.1离子膜交换原理133.2电解物料衡算133.2.1供给电解槽盐水计算133.2.2流出电解槽盐水计算143.2.3生成氢氧化钠的计算16第四章 电解液蒸发174.1蒸发

2、概论174.1.1碱液蒸发的基本概念174.1.2离子膜碱液蒸发的特点174.2蒸发流程及设备类型选择184.2.1蒸发流程184.2.2蒸发设备194.3蒸发工艺计算214.3.1蒸发水量的计算214.3.2各效传热温度差的计算224.3.3各效物料、热量衡算244.3.4各效所需传热面积的计算264.3.5试差计算264.4蒸发设备的计算314.4.1蒸发器加热管数及加热室直径的计算314.4.2蒸发器循环管的计算324.4.3蒸发器分离室的计算324.4.4接管尺寸的计算334.4.5辅助设备的选择34第五章 固碱375.1固碱流程选择375.2固碱热量、物料衡算375.2.1降膜蒸发器

3、375.2.2降膜浓缩器385.3离子膜固碱种类39结论40参考文献41致谢42引 言氯碱工业是生产烧碱、氯气和氢气以及由此衍生系列产品的基本化学工业，其产品广泛用于国民经济的各个部门，对国民经济和国防建设有着重要作用。我国目前烧碱的主要生产方法是隔膜法和离子膜法。电解法产量已占总产量的99.3%。在电解法烧碱中，隔膜法烧碱产量占74.0%，离子膜法烧碱所占比例占到25.9%。离子膜法是氯碱工业中的新技术，由于其成品碱质量高，能耗低，污染小而得到大力发展。本次设计的课题是6万吨每年离子膜法烧碱蒸发、片碱工段的工艺设计，通过查阅相关资料，我国离子膜法制碱技术从国外引进到部分技术国产化只有短短十几

4、年，和国外相比有较大差距。本次设计在以降低能耗，节约成本的前提下，对蒸发、片碱工段作了工艺流程的选择，并结合氯碱工业的经验数据，作了物料衡算，以及蒸发工段的热量衡算和主体设备选型，确定了在所选工艺下的蒸汽耗量，主体设备结构。本次设计旨在提高自己综合运用所学知识的能力，为即将进入化工行业打好基础。第一章 氯碱工业概况1.1氯碱工业发展过程氯碱工业是以电解饱和食盐水来制取氢氧化钠、氯气和氢气并以此衍生出系列产品的基本化学工业，其产品广泛应用于轻工、纺织、医药、冶金、稀土金属、石油化工、电力、水处理、军工等行业，对国民经济和国防建设有着重要作用。氢氧化钠又名烧碱或苛性钠是氯碱工业最重要的产品，氯碱工

5、业也是由工业制烧碱发展而来，工业上烧碱的生产工艺主要有四种方法:隔膜法、离子膜法、水银法、苛化法。其中，离子膜法制碱工艺是当今最先进的制烧碱工艺。隔膜法和离子膜法构成了氯碱工业最主要的工艺方法。隔膜法生产烧碱的电解液中含盐量要比氢氧化钠含量高出10%左右，蒸发工段需要设置除盐工序，这样就增加了设备的一次性投入，产品的成本被提高；蒸发器的换热管壁上往往会因为积盐导致传热系数大幅下降，汽耗相应增大，成本提高，另外频繁洗效也增大了工作量和运行投入。目前离子膜法生产烧碱是较先进的氯碱工艺。由于离子膜法是20世纪5060年代发展起来的崭新技术，较之传统的水银法和隔膜法具有能耗低，产品质量高，无污染，节省

6、占地面积等突出特点，代表着烧碱生产的发展方向。关于离子膜法电解技术的研究，以美国、日本、意大利、英国为最早，经过多年开发，于1974年首先在日本旭化成、旭哨子实现工业化生产，并相继得到了迅速的发展。目前拥有离子膜技术的有日本旭化成、旭哨子、cec、美国的oxytech、英国ici、德国的伍德、意大利迪诺拉等几家公司。掌握离子膜制造技术的有美国杜邦公司、日本旭硝子和旭化成公司。1.2离子膜电解制碱的特点及现状离子膜法食盐溶液电解工艺流程较为简单，就其规模而言，均可因地制宜设厂获得经济效益，近年来，不论是盐水精制方法、电解槽型、电极材料，还是离子膜本身性能都有了飞跃的发展，离子膜电解工艺的主要优点

7、有：投资省、出槽氢氧化钠浓度高、能耗低、成品氢氧化钠质量纯度高、产品氯气中含氧和氢低、氢气纯度高、对环境和操作人员无危害。国内自首套引进日本旭化成公司离子膜电解生产烧碱技术装置于1986年在盐锅峡化工厂投入运转以来近十年间，已相继引进了日本旭哨子、德山曹达、氯工程公司、ici、迪诺拉公司等技术装置。国内烧碱的现状是供过于求，首先是因为碱、氯不平衡，目前烧碱的生产几乎全部采用电解法,电解法每生产1吨烧碱则联产0.88吨氯气。氯碱行业始终存在一个碱、氯不平衡的问题。20世纪80年代是以碱定氯,90 年代发展为以氯定碱,氯产品的应用越来越广泛,烧碱逐渐被定义为氯产品的副产品。近几年,由于国内氯产品需

8、求旺盛,造成氯碱生产能力增长速度过快,而烧碱市场疲软,由此造成碱、氯供求不平衡,并且这种供求不平衡关系还可能扩大。其次是因为大量进口碱。现今降低能耗，减少污染是氯碱工业开发、制造和应用的课题。1.3离子膜电解制碱的基本流程离子膜法制碱的工艺流程主要包括一次盐水精制、二次盐水精制、电解、蒸发、片碱五个工序，其工艺流程如图1-1所示图1-1 离子膜法制碱工艺流程一次盐水精制：在生产上，用添加过量naoh和na2co3的手段来除掉ga2+、mg2+，生成的mg(oh)2具有胶体性质，刚生成的mg(oh)2，能包住细微分散的caco3晶状物而使沉降加快。经过沉降后，盐水中的钙、镁离子降到10mgl以下

9、，重金属离子总量低于1mgl。二次盐水精制：向搅拌器中放置合适数量的na2so3固体，加入适量的纯水，并进行搅拌以加快溶解。溶解以后,放入下面的亚硫酸钠槽。经过过滤器后,用定量泵送入一次盐水管道,出去游离氯的盐水,进入盐水储罐,然后用盐水泵送入过滤器,引出一部分盐水，去氧化还原电位计，以监视次氯酸根离子是否全部除去。在过滤器出口的盐水管路上，加入31%的盐酸，经过静态混合器，使盐酸和盐水混合均匀后，送入ph分析仪，自动调节加入盐酸的量。最后盐水送入螯合树脂塔除去杂质金属离子。盐水电解：电解工艺流程现在可分为单极槽和复极槽离子膜电解流程两大类。电解的主要流程为精制之后的盐水进入离子膜电解槽，电解

10、槽出来的阳极液（淡盐水）与cl2分离后，一部分（约1/10），除去氯酸盐后回电解槽；大部分脱氯后送盐水一次精制工序进行重饱和。从槽内流出的阴极液与h2分离后，烧碱浓度达30以上。可以直接作高纯烧碱使用，也可根据需要进行蒸发浓缩。电解液蒸发：来自电解工段的碱液浓度为28，在蒸发器中通过高压饱和水蒸汽加热至沸腾，蒸发浓缩至50。本文中采用双效逆流蒸发工艺。原料液自第二效进入由第一效二次蒸汽加热至沸腾，蒸发后完成液进入第一效由生蒸汽加热至沸腾，蒸发浓缩至50后即为成品碱液送入储罐或固碱工段。固碱：来自蒸发工段的50碱液再次加热蒸发浓缩至98以上后送至固碱机，本文中固碱工段选用双效降膜浓缩流程，其流程

11、为：从蒸发工段来的50离子膜液碱，由降膜蒸发器的顶部进入，经与降膜浓缩器来的二次蒸汽进行热交换，沸腾蒸发浓缩至60，加热后的二次蒸汽进入直接冷却器冷凝，降膜蒸发器出来的二次蒸汽，经表面换热器冷却，尾气进入蒸汽喷射泵。由降膜蒸发器下部流出的60液碱，由碱泵送至降膜浓缩器的上部，经分配器进入各降膜浓缩管中，液膜在下降过程中与高温熔盐进行热交换，沸腾、脱水呈熔融碱。然后在汽液分离器中与二次蒸汽分离，最后进入固碱机，制成固碱。第二章 盐水精制2.1一次盐水精制2.1.1原料盐粗算已知年产100naoh 6万吨，年生产天数为330天，连续运转。则naoh质量流量：已知原盐组分如表2-1表2-1 原盐组分

12、组分氯化钠钙离子镁离子硫酸根离子水不溶物水分含量(%)96.850.360.031.270.960.53设电解槽盐水分解率为45.5%，由化学反应方程式：2nacl+2h2o2naoh+cl2+h22 2 2 1 1可知则理论上所需nacl质量流量为：进入电解槽的nacl质量流量为：则需加入的原盐量：因为在盐水精制过程中nacl有损耗，实际生产中加入原盐量需要理论值的1.1倍，所以实际应该加入原盐为：原盐所带入的各杂质离子的量：当化学反应涉及酸碱等物质时，ph值往往是反应过程中一个主要的工艺变量。离子膜烧碱研究报告显示：量溶液的ph值时，在实验室一般采用酸碱指示法，在工业过程中，则采用电位滴定

13、法。在用离子膜电解生产烧碱的过程中，尤其是在盐水淡化之前，在制作离子膜烧碱时，ph值的测量是很重要的。离子膜烧碱工艺流程图解析离子膜烧碱生产工艺1、离子膜电解工艺流程以原盐为原料，从离子膜电解槽流出的淡盐水经过脱氯塔，脱去氯气，进入盐水饱和槽制成饱和盐水;而后在反应器中再加入naoh、na2co3及baci2等;从反应器出来的盐水进入澄清槽澄清。但是从澄清槽出来的一次盐水还有一些悬浮物，这对盐水二次精制的螯合树脂塔将产生不良影响(一般要求盐水中的悬浮物少于1mg/l)。因此，盐水需要经过过滤，再经过螯合树脂塔，除去其中的钙、镁等金属离子，加到离子膜电解槽的阳极室;与此同时，纯水和液碱一同进入阴

14、极室。通入直流电后，在阳极室产生氯气和淡盐水，经过分离器分离。氯气输送到氯气总管;淡盐水中naci含量一般为200-220g/l，经脱氯塔去盐水饱和槽。在电解槽的阴极室产生氢气和30-35%的液碱，同样也经过分离器。氢气输送到氢气总管;30-35%的液碱可以作为商品出售，也可以送到蒸发装置，使之浓缩到50%。a、过滤盐水的ph值控制及orp测量为了保证进电解槽盐水ph值的稳定，有的工艺采用在过滤盐水中加入一定量盐酸的方法，将过滤盐水的ph值控制在100.5。盐水orp的值反应盐水中游离氯的含量。为了防止游离氯进入螯合树脂塔，在过滤盐水管路中，设置了orp检测装置。根据orp的高低，决定亚硫酸钠

15、的加入量。b、淡盐水ph值控制及orp测量电解过程中产生的淡盐水，含有一定数量的游离氯。这部分游离氯对设备、管道的腐蚀非常严重，必须清除。根据次氯酸在低ph值情况下，有利于向氯气脱析方向转变这一特性，在淡盐水中加入一定量盐酸，使它的ph值控制在1.251.5之间，以利于去除游离氯。淡盐水经真空脱氯或空气吹除，再加亚硫酸钠，以进一步去除游离氯2.1.2循环淡盐水的计算循环淡盐水中nacl含量：循环淡盐水组分如表2-2所示表2-2 循环淡盐水组分成分氯化钠氯酸钠氯气含量(g/l)1950.91.5淡盐水体积流量为：2.1.3粗盐水的计算已知粗盐水质量浓度为：310g/l则粗盐水中nacl质量流量为

16、：体积流量：粗盐水中各杂质离子的量：2.1.4除杂这一步骤主要是除去ca2+、mg2+、so2-、水不溶物除ca2+：加入过量na2co3除去ca2+，在60时na2co3过量0.5g/l时，盐水中ca2+含量为0.0044g/l。已知ca2+浓度为0.771g/l，剩余0.0044g/l，反应了:则需要加入na2co3的量为：na2co3质量流量为：已知用40%na2co3溶液则质量流量为：除mg2+：加入过量naoh除去mg2+，在60时naoh过量为0.05g/l时，盐水中mg2+含量为0.00275g/l已知mg2+浓度为0.064g/l，剩余0.001g/l，反应了：则需加入naoh

17、的量为：naoh的质量流量为：已知用60%naoh溶液则质量流量为：除so：已知so的浓度小于一次盐水精制的出口浓度故可不予处理除水不容物：一次精制盐水中悬浮物质量指标为10mg/l。已知不容物浓度为1.284g/l，应沉降为：1.284g/l-0.01g/l=1.274g/l。2.1.5溶液ph的调节已知从脱氯塔出来的淡盐水ph=1.5230，取ph=2，一次精制盐水的要求为ph=10，淡盐水中h+为0.68kmol/h则未调节ph值时溶液中h+浓度为：查得在60时，则ph=10时，=110mol/h，所以，则需加入naoh的量为：39.9981.3310=0.0532g/l加入naoh质量

18、流量为：0.0532kg/m129.074 m/h=6.866kg/h加入60%naoh质量流量为：2.1.6盐损及盐循环量的计算已知加入的原盐总量为：4.0810kg/h设一次精制盐量为y kg/h假设盐泥中损失盐量6.2，循环率为47.5则损失量： 循环量：0.475(4.08)则：4.08+326.72+37.78+0.48(4.08-y)+6.87=y+7247.49+19.83+0.062(4.08+0.475(4.08-y)解得：y=3.90kg/h损失量：2.5824kg/h循环量：851.5 kg/h水的计算：设损失盐泥为213 g/l，循环水溶液为263g/l。60时，213

19、g/l nacl水溶液=1116.91kg/m3；263g/l nacl水溶液=1148.12kg/m3；315g/l nacl水溶液=1175.3kg/m3所以：一次精制盐水中含水：1.06kg/h损失盐泥中含水：1.10kg/h循环溶液中含水：2.87k kg/h加入naoh中含水：29.76kg/h加入naco中含水:490.08 kg/h2.2二次盐水精制2.2.1除次氯酸已知一次盐水中clo浓度小于10mg/l，取8mg/l，反应后naso浓度小于0.005g/l，取0.004g/l，发生反应：clo+ naso naso+ cl1m盐水中clo最大摩尔量：=0.155 mol反应的

20、naso的质量：0.155=19.53过量的naso的质量：10.004=0.004 kg盐水用量：181.814.64 = 843.598 m/d已知使用5naso溶液，则用量：=396.997 kg/d2.2.2过滤不溶物已知一次盐水中不溶物浓度为0.01g/l，加入体积与盐水中不溶物含量相匹配盐水流量77.25 m/h。其中不溶物总含量：77.25g，则添加10mg/l 的-纤维束 772.5 l/h2.2.3中和及二次精制求解加酸量：设 一次盐水ph = 10.5，则h浓度为10mol/l。查表60时，k = 1.33110则:c= 1.33110mol/l一次盐水中加入过量naco为

21、0.5g/l，即 = 4.71710mol/l一次盐水中加入过量naoh为0.082 g/l，即 = 2.0510mol/l查无机化学根据酸碱平衡，查得ka(hco)=4.710故：co ho hco oh x x所以：则：x = 3.65510mol/loh总浓度为:1.33110+2.0510+3.65510=9.91410mol/l对应h浓度为：1.331109.91410=1.342510ph = 10.87将盐水ph调节为9，其中c= 1.33110 mol/l,需加入的h+浓度为：1.331101.331104.0810mol/l。生产1tnaoh需要的h浓度为：4.08104.6

22、445.5% = 41.6mol。则加入的hcl质量为：0.041636.5 = 1.517kg/t naoh，换算为质量流量为11.49kg/h。需要的31%hcl质量为：11.4931%=37.06kg/l.加入水量的计算：纯水加入后，盐水浓度不低于300g/l为好，入口时浓度为315g/l，设加入xm纯水后盐水浓度将为305g/l。1m315kg/m=(1+x)m305kg/m解得：x=0.033m每天需加入的水量：0.0334.64181.8145.5%=61.184m/d ，合2.55m/h。查表得：25时水的密度， = 997.08kg/m,加入水的质量为：2.55997.08 =

23、 2541.892 kg/h加入的盐酸中含水量：37.0711.49 = 25.58 kg/h实际上加入的水量：2541.89225.58 = 2516.31 kg/h每天加入的naso的总质量：4.64 （19.53+4） 10 - 3 = 43.626 kg/d其中na的摩尔数： 0.64 kmol/d每天需要的hcl质量：1.517181.81=275.83 kg,其中cl含量：7.56kmol每天原盐中nacl质量： 265897.125 kg/d所以二次盐水中总的nacl质量：0.64223+0.64235.5+265897.125 = 265972.19kg/d，合11082.17

24、kg/h二次盐水出口体积流量为： = 36.33 m/h由一次盐水来nacl质量为57.311 kg，则二次盐水中naclo浓度为： 1.578g/l除次氯酸产生的硫酸根质量： 0.155mol/m0.155mol/m则硫酸根质量流量为： 1.149 kg/h硫酸根浓度： 9.672g/l第三章 离子膜电解3.1离子膜交换原理donnon膜理论阐明了具有固定离子和对离子的膜有排斥外界溶液中某一离子的能力。在电解食盐水溶液所使用的阳离子交换膜的膜体中有活性基团，它是由带负电荷的固定离子如so、coo，同一个带正电荷的对离子na形成静电键，磺酸型阳离子交换膜的化学结构简式为：由于磺酸基团具有亲水性

25、能，而使膜在溶液中溶胀，膜体结构变松，从而造成许多细微弯曲的通道，使其活性基团中的对离子na可以与水溶液中的同电荷的na进行交换。与此同时膜中的活性基团中固定离子具有排斥cl和oh的能力。水化钠离子从阳极室透过离子膜迁移到阴极室时，水分子也伴随着迁移。至此离子成功交换。3.2电解物料衡算3.2.1供给电解槽盐水计算naclo质量浓度：76.415783.0546=0.9201g/lcl质量浓度：38.208583.0546=0.4600g/l质量浓度：67.417883.0546=0.8117g/l所以，流入电解槽盐水成分如表3-1所示：表3-1 供给电解槽盐水成分流量(kg/h)浓度(g/l

26、)氯化钠25163.3809303硫酸根离子67.41780.8117氯酸钠76.41570.9201氯气38.20850.4600水71720.9538863.5398合计97066.37673.2.2流出电解槽盐水计算设流出食盐水中：naclo为87.5038 kg/h，即生成naclo为：87.503876.4157=11.0881 kg/h=0.1042 kmol/h则由反应方程式：cl 2naoh 1/3 naclo 5/3nacl ho 1 2 1/3 5/3 1生成hclo的量设为：7.8691 kg/h=0.15 kmol/h，则根据反应：cl ho hcl hclo1 1 1

27、 1因为电解槽转化率为45.5%，所以生成naoh的量为：25163.380945.5%58.442839.9971=7835.7014kg/h根据反应式：2nacl 2ho 2naoh cl + h2 2 2 1 1则流出食盐水溶液中nacl的量为：25163.3809(145.5%)+30.4487=13996.1251 kg/h实际生产naoh的量为：7835.701425.0062=7810.6952 kg/h查得，cl在水中，80时溶解度为0.223g/100g水；100为0.00g/100g，所以在90时，溶解为(0.223+0.00)/2=0.1115g/100g查化学化工物性数

28、据手册-无机卷得，nacl溶液密度为80时，203.7g/l，nacl水溶液=1099.3kg/m；219.5g/lnacl水溶液=1114.6kg/m；100时，203.7g/lnacl水溶液=1086.4kg/m；219.5g/lnacl水溶液=1101.7kg/m，由内插法可得：90，203.7g/l，nacl水溶液密度：解得：=1106.95kg/m390，219.5g/lnacl水溶液密度：解得：=1108.15kg/m90，205g/lnacl水溶液密度：解得：=1107.0487kg/m流出食盐水溶液的体积流量：13996.1231205=68.2738m/h总质量流量为：110

29、7.048768.2738=75582.4215 kg/h流出电解槽的食盐水溶液的组分如表3-2所示：表3-2流出食盐水溶液成分流量(kg/h)浓度(g/l)氯化钠13996.1251205硫酸根离子67.41780.9875氯酸钠87.50381.2817氯气84.27441.2344次氯酸7.86910.1153水61339.2313898.4300合计75582.42153.2.3生成氢氧化钠的计算流出的阴极液中含水为：7810.695230.05%69.95%=18181.6349 kg/h流出阴极液的氢氧化钠生成量如表3-3所示：表3-3 流出的阴极液的组成成分流量(kg/h)浓度(

30、%wt)氢氧化钠7810.695230.05水18181.634969.95合计25992.3301第四章 电解液蒸发4.1蒸发概论4.1.1碱液蒸发的基本概念不管是离子膜法还是隔膜法生产的烧碱，如果需要提高浓度，就需要除去其中一部分水分，烧碱的浓缩，一般采用的是蒸发操作。所谓蒸发，是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程。烧碱的蒸发，就是将烧碱溶液加热沸腾，使碱液中的水分部分汽化从而提高碱液的浓度的。蒸发是化工、医药、海水淡化等领域中广泛使用的一种生产操作过程，例如硝铵、烧碱制糖等生产中将溶液加以浓缩，或者在海水淡化中通过脱除溶液中的杂质以制取较纯的溶

31、剂。从原理上来说，蒸发是利用加热的方法，使稀溶液中的溶剂在沸腾状态下部分汽化并将其移除的一种单元操作。被处理的料液常是由不挥发的溶质和具挥发性的溶剂所组成的，故蒸发亦是溶质和溶剂的分离过程，但过程的速率，即溶剂的汽化速率完全取决于传热，所以蒸发属于传热过程。烧碱蒸发操作的主要目的：使烧碱溶液增浓直接制取液体产品，如将碱液浓缩为32%、45%和50%等浓度烧碱产品，满足不同用户的需求。4.1.2离子膜碱液蒸发的特点离子膜电解液由于其碱液浓度高，naoh含量在2935之间，氯化钠含量低，nacl含量在3050mg/l左右，氯酸盐含量低，naclo含量一般在1530mg/l,因此离子膜碱液蒸发具有以

32、下特点：（1）流程简单，易于操作 由于离子膜碱液仅含极微量的盐，所以，在其整个蒸发浓缩的过程中，即使是生产99的固碱，也无须除盐。这就极大的简化了流程设备，即隔膜蒸发所必须有的出盐设备及工艺过程都被取消（如旋液分离器、盐沉降槽、分离机、回收母液储罐等），而且，由于在蒸发过程中没有盐的析出，也就很难发生管道堵塞，系统打水等问题，是操作容易进行。（2）浓度高，蒸发水量少，蒸汽消耗低离子膜碱液的浓度高，蒸发的水量少，蒸汽消耗就大幅下降。4.2蒸发流程及设备类型选择4.2.1蒸发流程蒸发流程按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸

33、发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。在确定蒸发流程时，我们首先要确定采用的蒸发器的效数。从理论上来说，蒸发器的效数愈多，蒸汽被利用的次数就愈多，气耗也就愈低，从而使生产运转费降低，产品成本下降。但反过来，效数愈多，蒸发器的增加，使一次投资也相应增加，相应提高了折旧及产品成本。理论上蒸汽消耗量与效数的关系见表4-1表4-1 蒸发1t水耗汽量与效数的关系效数单效双效三效汽耗

34、，t1.51.150.60.650.40.45按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；可以利用低压蒸气作为加热剂；有利于对热敏性物料的蒸发；操作温度低，热损失较小。在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。在顺逆流工艺的选择时，逆流工艺较顺流工艺有一定的优势：采用逆流蒸发较顺流蒸发可以更充分的利用加热蒸汽的热量，这是由于逆流次级效蒸发器的碱液沸点较低（浓度低），可以利用前效加热器的蒸汽冷

35、凝液预热进入本效的碱液，并可使其闪蒸蒸发产生二次蒸汽，用于次级效加热，这样相应增加了各效的加热蒸汽量。其次是末效排出的蒸汽冷凝液温度，逆流较顺流要低，因此也增加了温差，从而提高了蒸汽的热利用率；由于碱液与蒸汽逆向流向，这样可以使低粘度的碱液在低温下沸腾，高浓度、高粘度的碱液在高温下沸腾，从而提高了蒸汽的热利用率。但是在选择逆流时，要受到质材的限制，因为对于逆流流程，浓效蒸发器处于高温、高浓度碱的恶劣条件下，蒸发器的质材就必须选用优质的金属材料，如镍材，或优质低碳不锈钢。否则浓效会因为高温碱液的腐蚀导致极短的寿命，使得投入大于回报，严重则会造成泄漏危及生命污染环境。 单效蒸发流程设备简单，一次性

36、投资费用低，但其蒸汽利用率低，运转费用高，生产成本高，而三效蒸发流程设备复杂，设备投资费用高，且末效蒸发器的材质要求高，使用寿命短，因此本文选择双效逆流蒸发工艺。其流程如图4-1所示图4-1 双效逆流蒸发流程4.2.2蒸发设备蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。兹分述如下：由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液

37、在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：1、循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有（1）中央循环管式蒸发器（2）悬筐式蒸发器（3）外热式蒸发器（4）列文式蒸发器（5）强制循环蒸发器。其中，前四种为自然循环蒸发器。2、单程型蒸发器特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。此类蒸发器主要有（1）升膜式蒸发器（2）降膜式蒸发器（3）刮板式蒸发器（

38、4）直流式蒸发器在这些蒸发器中，对于循环的蒸发器以自然循环的外热式蒸发器与强制循环的外循环式用的较多，而不循环式蒸发器则是近几年开始逐渐广泛使用的蒸发器，其主要原因是这些蒸发器都具有较高的传热效率，另外设备的加工制造及维修都比较容易。本文中采用强制循环蒸发器，以弥补碱液的压差损失，增加碱液循环流速。4.3蒸发工艺计算4.3.1蒸发水量的计算已知年产100naoh 6万吨，年生产天数为330天，连续运转。则naoh质量流量：因蒸发工段无除盐工序故可忽略碱损，即进入蒸发工段的碱量为：7.5757已知从电解工段过来的电解液碱浓度为28，则进料电解液的质量流量为：=2.7056进料电解液组分：naoh

39、 = = 7.5757 ho = = 1.9480 nacl/naoh 40ppm naclo/naoh 20ppm feo/naoh 0.3ppm最终将28碱液浓缩至50的总蒸发水量： = 1.1905初步估计各效蒸发水量，各效蒸发器蒸发水量一般可设: = 1:1 (4-1)由于： + = （4-2）解得：由蒸发水量可初步计算第二效完成液浓度： = = 364.3.2各效传热温度差的计算已知加热生蒸汽压强，查饱和水蒸汽表可得相应压强下温度，密度，汽化潜热末效真空度91kpa ，操作压强= 10kpa，查饱和水蒸汽表可得相应压强下二次蒸汽温度，密度，汽化潜热总压降= 500-10 = 490

40、kpa，设压降分配比: = 40:9 （4-3）又： += （4-4）解得： = 400 kpa， = 90kpa效二次蒸汽压力：p= p - = 500-400 = 100kpa效二次蒸汽压力：p= p - = 100-10 = 10 kpa查饱和水蒸汽表可得效二次蒸汽相应压强下的温度，密度，汽化潜热对第一效：有效传热温度差： （4-5）= （4-6） （4-7）其中：、分别为效加热蒸汽温度和二次蒸汽温度，单位为操作压强下效溶液沸点，单位为效溶液温度差损失，单位为由不挥发性溶质存在引起的沸点升高，单位为液柱静压头引起的沸点升高，单位为流动阻力引起的沸点升高，单位由不挥发性溶质存在引起的沸点升

41、高可由杜林经验式计算：= （4-8） （4-9） （4-10）式中：为操作压强下水的沸点，即二次蒸汽的温度，单位 为溶液浓度，质量分率对效：=99.6，=0.5带入式（4-8），（4-9）（4-10）中可得：=43.4对于多效蒸发，取值：=1.5，=1则： = 43.4 + 1.5 + 1 = 45.9效溶液沸点= 99.6 + 45.9 = 145.5有效传热温度差 = 151.7 - 145.5 = 6.2对第二效：有效传热温度差： （4-11）= （4-12） （4-13）其中：、分别为效加热蒸汽温度和二次蒸汽温度，单位为操作压强下效溶液沸点为效溶液温度差损失为由不挥发性溶质存在引起的沸

42、点升高为液柱静压头引起的沸点升高为流动阻力引起的沸点升高由不挥发性溶质存在引起的沸点升高由杜林经验式：= （4-14） （4-15） （4-16）式中：为操作压强下水的沸点，即二次蒸汽的温度 为溶液浓度，质量分率对效：=45.3，=0.36带入式（4-14），（4-15）（4-16）中可得：=20.7 对于多效蒸发，取值：=1.5，=1则： = 20.7 + 1.5 + 1 = 23.2效溶液沸点= 23.2 + 45.3 = 68.5有效传热温度差 = 99.6 - 68.5 = 31.14.3.3各效物料、热量衡算对第一效：已知效加热生蒸汽压强，温度，密度，汽化潜热设效加热生蒸汽的量产生的

43、二次蒸汽压强p= 100kpa，温度，密度，汽化潜热对第一效列热量衡算式： （4-17）其中，为效的热利用系数，且0.98 0.7 ，分别为原料液和水的比热容对第二效： 已知加热蒸汽为第一效的二次蒸汽，效产生的二次蒸汽压强= 10kpa，温度，密度，汽化潜热对第二效列热量衡算式： （4-18）其中，为效的热利用系数为进料温度，已知沸点进料，故由氯碱化工生产工艺氯碱分册查得：28naoh溶液在=145.5=68.5时的比热即=3.6551kj/(kg)，水在=145.5=68.5时的比热即= 4.22kj/(kg)由于： + = = 1.1905 （4-19）热利用系数： 带入式（4-17）、（

44、4-18）、（4-19）解得： = 5.8853 = 6.0197 = 7.9149效完成液的浓度： = = 364.3.4各效所需传热面积的计算蒸发器的传热系数k由离子膜法制碱生产技术提供的经验值中选取，对于双效逆流蒸发k=2200(m)，k=1900(m)由传热速率方程可得：效所需传热面积a = = = 340.6m效所需传热面积a = = = 61.9m4.3.5试差计算由于效、效蒸发器所需传热面积相差大于4，故需重新分配有效温度差，进行试差计算重新分配有效温度差：平均面积a = = 107.9m有效温度差 = 19.6 = 18.0 校核：第二效：因末效真空度保持不变，故末效操作压力不

45、变，且完成液浓度仍为36，所以末效溶液沸点仍为 68.5则效加热蒸汽温度： 18.0 + 68.5 = 86.5 查饱和水蒸汽表： = 86.5 时水蒸汽压强 = 64 kpa，汽化潜热 = 2289kj/kg第一效： 效二次蒸汽即为效加热蒸汽，效操作压强即为，该操作压强下溶液沸点= = 86.5， = 0.5由不挥发性溶质存在引起的沸点升高 = 42.45温度差损失： = 42.45 + 1.5 + 1 = 44.95 效液沸点： = 86.5 + 44.95 = 131.2 再次进行热量、物料衡算：第一效： （4-20）第二效： （4-21）及 + = = 1.1905 （4-22）联立求

46、解式（4-20）、（4-21）、（4-22），得： = 5.8444 = 6.0606 = 7.4395效完成液的浓度： = = 36各效所需传热面积：效所需传热面积a = = = 101.3m效所需传热面积a = = = 108.6m校核第二次计算结果： = 6.7 4 ，故需再次分配有效传热温度差：平均面积： = 104.8 m分配有效温度差： = 18.9 = 18.6 校核：第二效：因末效真空度保持不变，故末效操作压力不变，且完成液浓度仍为36，所以末效溶液沸点仍为 68.5则效加热蒸汽温度： 18.0 + 68.5 = 86.5 查饱和水蒸汽表： = 86.5 时水蒸汽压强 = 64

47、 kpa，汽化潜热 = 2289kj/kg第一效： 效二次蒸汽即为效加热蒸汽，效操作压强即为，该操作压强下溶液沸点= = 86.5， = 0.5由不挥发性溶质存在引起的沸点升高 = 42.45温度差损失： = 42.45 + 1.5 + 1 = 44.95 效液沸点： = 86.5 + 44.95 = 131.8 第三次次进行热量、物料衡算：第一效： （4-20）第二效： （4-21）及 + = = 1.1905 （4-22）联立求解式（4-20）、（4-21）、（4-22），得： = 5.8444 = 6.0606 = 7.4578效完成液的浓度： = = 36各效所需传热面积：效所需传热面

48、积a = = = 105.3m105m效所需传热面积a = = = 105.2m105m两蒸发器的面积基本一致，故最终计算结果： = 5.8444 = 6.0606 = 7.4578 = 36 = 65 kpaa = 105 m效蒸发器物料如表4-2所示：表4-2 效物料平衡表进料出料组分质量流量（kg/h）组分质量流量（kg/h）naoh7.576naoh7.576ho1.347ho7.575nacl1.0822nacl1.0822naclo0.5411naclo0.5411feo0.081feo0.081总计2.1044总计1.5152效蒸发器物料如表4-3所示：表4-3 效物料平衡表进料

49、出料组分质量流量（kg/h）组分质量流量（kg/h）naoh7.576naoh7.576ho1.948ho1.347nacl1.0822nacl1.0822naclo0.5411naclo0.5411feo0.081feo0.081总计2.7056总计2.10444.4蒸发设备的计算4.4.1蒸发器加热管数及加热室直径的计算蒸发器的加热管通常选用252.5mm、382.5mm、573.5mm等几种规格的无缝钢管。加热管的长度一般为26m，管子长度的选择应根据溶液结垢后的难以程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，易结垢和易起泡沫溶液的蒸发易选用短管。加热管的型号本文选用：573.5mm加热管长度选用：l = 4 m加热管采用镍钢管道316l不锈钢（00cr17nimo）已知所需加热面积a = 105 m，取10的裕度则初步估算所需管子数为n = 183.9，合184根取三角形排列，管心距t= 70mm ，中心线管数 = 15初步估算加热室内径：m从容器公称直径系列中选择加热室标准：1100