「2万吨氯碱工业盐水精制工序设计结果」

引言一．概述碱类是重要的化学工业产品,它被广泛用于玻璃，冶金，石油化工,纺织,无机盐，,医药,合成纤维,化肥，造纸和食品工业部门及日常生活，因此碱类是基本工业原料,在国民经济中占有重要地位,其产品和用量可以反映一个国家的工业生产水平.碱的品种很多，如纯碱,烧碱，洁碱（小苏打)，硫化碱,泡化碱，钾碱等二十余种,其产品最大，用途最广的是纯碱和烧碱。197６年世界纯碱产量约2５00万吨,烧碱产量约为2850万吨，它们的产量在无机化工产品中仅次于化肥和硫酸.烧碱即氢氧化钠，又称苛性钠,为白色不透明的羽状结晶,比重为2．1，熔点3280C，质脆易溶于水放出大量的热.烧碱在空气中易潮解且吸收二氧化碳,他对许多物质都有强烈的腐蚀性.其产品可分为固体烧碱（简称固碱)，液体烧碱（简称液碱)及片状烧碱(简称片碱)等.烧碱的工业生产，首先在1８84年采用石灰乳苛化纯碱溶液的方法,此法称石灰苛化法.1890年出现了电解食盐水溶液生产烧碱和氯气的方法，简称氯碱法.由于近代化纤及其它有机合成产品对高纯度烧碱和氯气迫切要求，苛化法已被电解法所取代．电解食盐水溶液总反应如下:2NaCｌ+2H2O=＝2NaOH+Cl2↑+H2↑由于电解产物除烧碱外，还有氢气和氯气，所以电解法生产烧碱工业又称氯碱工业.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.二.文献综述我国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盐湖中的纯碱,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（Nａ2CO3）．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１89０年，隔膜法和水银法几乎差不多同时发明．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,不致发生爆炸和生成氯酸钠，以上两种生产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.以生成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的基础，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．第一家氯碱厂是上海天原电化厂(现在的上海天原化工厂前身)１930年正式投产,采用爱伦一摩尔电解槽,开工电流　15０0A，日产烧碱2吨.到1949年全国解放为止，全国仅有氯碱厂９家,年产量仅1．５万吨.解放后，我国氯碱工业和其它工业一样，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％,在60年代末为7０.4万吨,平均年增长率为6.28％；在７0年代末为182万吨，平均年增长率为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%.现在除台湾省外，全国共有二百余家企业生产氯碱.19观年全国烧碱产量为３3１．2万吨，仅次于美，日，占世界第三位.以后每年有增加,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.我国在70年代初成功地开发了金属阳极电解槽，1973年上海桃浦化工厂小试成功后,1974年即在上海天原化工厂投入工业化生产,到1986年金属阳极电解槽的产量已占烧碱总产量的40%以上.我国第一台复板式离子膜电解槽是在1９79年由上海天原化工厂自行 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 并投入生产的.采用杜邦公司Nafｉon－22７离子膜.１990年3月上海氯碱总厂电化厂引进日本旭肖子公司年产15万吨离子膜烧碱的装置并投入生产,成为远东地区最大的氯碱厂.目前国内采用离子膜生产工艺的还有锦西化工总厂、北京化工二厂、大沽化工厂等．　进入"八五"后离子膜烧碱，总的生产能力将达70万吨.三.氯碱工业在国民经济中的地位电解食盐水联产的烧碱、氯气、氢气,在国民经济的所有部门均很需要，除应用于化学工业本身外,在轻工、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“三酸二碱”中，盐酸、烧碱就占其中两种，而且氯气和氢气还可进一步加工成许多化工产品.所以氯碱及相关产品几乎涉及到国民经济及人民生活的各个领域.(1)烧碱烧碱是基本化工原料之一,它的主要用途最早从制造肥皂开始，后来逐渐用于造纸、纺织、印染等工业．六十年大代后,随着石油化工的发展，进一步扩大了烧碱的用途．　因此，烧碱在国民经济中占有重要地位．由于烧碱具有强碱性和溶解度很大特点，所以有很广泛的用途.烧碱在棉纤维的纺织、印染中，主要用作棉布的褪浆剂、煮炼剂和丝光剂.在生产粘胶纤维时，需用烧碱处理含纤维的原料，将其中的半纤维素、木质素除去．每生产1吨粘胶纤维需要高纯烧碱１吨左右.生产一吨肥皂约需烧碱１8０㎏，1吨合成洗涤剂则需要烧碱１50公斤左右.　在制造工业中,烧碱是制造肥皂、洗涤剂的原料.在造纸工业上，烧碱的用途亦很大,在我国约占全年产量的三分之一左右.此外，在化学工上烧碱还是生产多种化工原料的原料.例如石油精制、有机合成、氯化铝的提取、化学药品、苯酚、硼砂、草酸、甲酸、磷酸三钠、氰化钠、环氧树脂、离子交换树脂等都需要烧碱.（2）氯气氯气的用途十分广泛.最早用于制造漂白粉，以后又扩展到制造一系列无机氯产品,其中主要有商品液氯、盐酸及漂白消毒系列和无机氯化物,其耗氯量占总的氯气消耗量的６０%左右．液氯主要用于城市自来水的消毒，每吨水约需要液氯20克,如果全国城市人口按1.５亿计算,每天耗水约９０0万吨,则全年消耗氯气６5.7万吨,占总的氯气消耗量的四分之一以上.　盐酸是一种用途极为广泛的无机酸,除可制造一系列无机氯化物外，在纺织工业上,可用盐酸的酸性漂白高等棉织品和绒坯织物，并可用作印染助剂;在纺织工业上,盐酸可用作浸取剂把金属离子与矿石杂质离子分开,也可用作金属表面的清洗剂;在食品工业上则可利用盐酸的酸性水解淀粉生产葡萄糖以及生产酱油、味精等调味品.氯气除了直接用于漂白消毒外，还可以制造一系列漂白消毒剂.在早期主要制造漂白粉,后来则逐渐被漂白精、次氯酸钠、亚氯酸钠及氯代异氰尿酸类产品等高效漂白消毒剂代替.在有机氯产品方面,随着石油化工的发展,氯（包括氯化氢）的消耗量迅速增加．其中主要用于制造氯乙烯系列、甲烷氯化物系列、环氧化合物系列。在氯乙烯系列中，主要是聚氯乙烯树脂,生产1吨聚氯乙烯树脂需用氯约6０0㎏．由于聚氯乙烯具有许多优良性能且价格较低，因此发展速度很快.我国１９90年总的生产能力预计可达120多万吨，其耗氯量约占总的氯气消耗量的１9.3%.甲烷氯化物包括一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、和四氯化碳.一氯甲烷主要用于有机硅的生产,有机硅是一种性能优良的新型合成材料，它兼有有机、无机材料双重特性;二氯甲烷主要用于医药、胶片的生产，同时也是一种溶剂和发泡剂；氯仿和四氯化碳主要是作为制造有机的原料，用于氟制冷剂、聚四氟乙烯树脂以及农药等生产．环氧化和物是一类不含氯的氯产品,因为制造过程中需要用氯货氯化物作为原料.例如环氧丙烷目前均用氯醇法生产,间接消耗大量氯，而它是制造聚氨脂泡沫塑料的原料，生产1吨聚氨脂塑料约需２吨氯.此外氯气还可用于制造某些高效低毒的有机含氯农药,如速灭威、含氯聚脂等.（３）氢气氯碱工业副产的氢气，对于国民经济也是很有用的原料.其纯度较高，成本低，它除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外,另一大用途是植物油加氢生产硬化油.　此外还用于炼钨、生产多晶硅以及有机化合物的加氢等.例如苯酚加氢制环乙醇以生产卡普伦单体;蒽醌法生产过氧化氢也需要大量氢，每吨约需700-8０0m3；生产1吨异氰酸脂用氢约１000ｍ3.氢气为盐酸硬化油主要原料，亦可作为燃料及合成氨的原料。氢虽是氯碱工业的副产物,若利用的好其经济效益不比氯碱差.1离子膜氢氧化钠生产工艺流程叙述原盐用斗式提升机至溶盐桶,用配水槽来的脱氯盐水，片碱冷凝水等进行化盐,制得NａＣl浓度为290－305g/ｌ的粗盐水流入精制槽,加入精制剂BaＣl2、Ｎａ2CO3、NaＯH粗盐水中的Ca2+、Mｇ2+、SO4２-与精制剂生成CaCＯ３、Mg（OH)2、ＢaＳO4沉淀颗粒，随同粗盐水一起流入凝聚反应槽,并加入凝聚剂丙稀酸钠使沉淀颗粒增大，再自流入澄清桶,由澄清桶上部出来的精盐水经一次盐水过滤器过滤，并在盐水中和盐中加盐酸，中和后流入经盐水接受槽,用泵送至电解工序或精盐水贮槽,澄清桶底部排出的盐泥流入盐泥受槽后，有盐泥泵一部分送入盐泥压滤机,另一部分送入反应槽，滤饼用卡车外运,氯水最终送入配水槽化盐.一次精盐水由泵送至盐水过滤给槽中，加入ＮａSＯ3溶液除去部分游离氯后，用进料预涂泵送入盐水精制过滤器，使盐水中的悬浮物由过滤前的10pmm降至1ppｍ，盐水经过滤后进入离子交换塔交还给料槽,再加入NaSＯ３游离氯后,经过树脂塔给料换热器,与脱氯盐水和低压蒸汽换热，进入离子交换塔，通过交换塔中树脂的交换作用，是进塔前的Ca2+、Mg2+含量由10ppm降至１ppm，而交换塔中的树脂,则经过4%的KOH和4%的ＨCl再生后重复使用.盐水经树脂塔处理后，经过两次盐酸酸化ＰH达到3后，进入脱二氧化碳塔，脱除二氧化碳后进入精盐水高位槽,精盐水由高位槽自流入电解的阳极室,通上直流电进行电解,电解后阳极产生的氯气和淡水经阳极液出口管分别进入氯气总管和淡盐水贮槽，阴极室产生的氢气和32%的KOＨ溶液分别进入氢总管和碱液循环槽，经碱液循环泵部分作为成品，送片碱蒸发工序,大部分加纯水后会电解槽.淡盐水则加入盐酸酸化后进入真空脱氯他和氯酸盐分解槽进行处理，处理后的氯气进入氯总管,脱氯后的盐水则返回一次盐水的配水槽作为化盐用.３２%的碱液通过泵打入降膜蒸发器，该液浓度由３2%升到48%,所产生的二次蒸汽在表面冷凝器中冷凝,并与加热室出来的冷凝水一起流入贮槽　，再用泵送至一次盐水工序的配水槽,中间产品48％的碱液通过泵打入特殊设计的降膜浓缩器和降膜闪蒸器与用氢气或干气做填料的熔盐加热炉出来的420℃的熔盐进行换热后，碱液浓度由4８%的液体变成95％的固体熔融ＫＯH,熔融的KＯH,则依靠重力进入片碱机，冷却生成片碱后，进入包装系统进行装袋,热河,缝包后送入成品库,包装系统设有除尘器和风机.电解工序产生的高温氯气和氢气均含有大量的水蒸气和部分盐雾及碱雾,氢气需经过冷却，氢压吉加压后送至盐酸工序和片碱工序,而氯气则经过冷却,经浓硫酸干燥后,又氯气压缩机加压，经过除ＮCl３进入氯气分配台送至盐酸工序和液氯工序.由氯气处理工序送来的氯气经捕抹器分液后,进入氯其液化器与由冷冻站来的氟里昂Ｆ22间接热交换后温度由４5℃变为-１９℃，同时Ｆ2２在液化器内吸收氯气热量而蒸发，氯气则冷凝成液氯，液氯由液化器出来后进入粗液氯贮槽,有贮槽自流入液氯中间槽,在中间槽用液氯泵送至液氯包装或液氯精制,精制后液氯的含水量达20ppm以下，并送至制盐酸装置，送到包装的液氯则被装入经过检验合格的液氯钢瓶后，送出装置．由氯氢处理工序来的Cl２和H２经过缓冲缸排液调节后,按照一定比例,进入三合一墨合成炉的灯头进行燃烧,生成无色HＣl气体，由顶部加入来自尾气塔的稀酸进行吸收，在在下部进行冷却制成盐酸,未被吸收的气体再由合成炉底部出来经尾气塔用纯水吸收,其尾由水流喷射泵抽走，制成的31%的高纯盐酸,部分送至电解工序，部分作为商品出售.电解事故氯气或装置开停工不合格的氯气则被送至废气处理.在此废氯气经过吸收塔，尾气塔的NaOH溶液吸收后,尾气经过排气风机排入大气,吸收液则被当作副产品外销.本设计采用离子膜法制造烧碱，本项目实施可增加企业产品间相互配套性，进一步提高企业抗市场风险能力,将为下游产品提供更大的利润空间和更强市场竞争力,同时也为本地区经济发展配套优质基础化工原料，采用新技术，新工艺,降低能耗，物耗，提高产品质量,符合国有企业“做大、做强、做优”的国家产业政策.1.５盐水精制工艺流程框架图如下所示：淡盐水原盐K2CO3生产水　ＢaＣl2KOＨ过滤精盐水配化溜槽反澄水换热器盐应清槽桶槽桶盐泥盐水（返回）板框压滤机滤饼2工艺设计及计算2.1系统总衡算２.1.1　计算依据⑴原盐组成ＮａCl≥9８．95％KＣｌ≤１.０0％wｔＭg2＋≤1１０pｐm　SＯ42-≤45０ppmＣa2+≤25０ppm　H２O≤0.07％wtsｓ≤０.０１%wt比重：1．9４g/cm３⑵精盐水组成　NａCl:３00g/lNａ2ＣO3：0.5ｇ/l　Ｃa2＋　Mg２+<10ppｍ2.1.2计算生产所需用原盐的质量查离子膜NaOH产品国标GB/T１119－１9８9对比表中固体ＮaOH质量分数≥９8%（优等品）,则年产２万吨ＮaOH实际年产量为：2万吨NaＯＨ/年×９８%=1.96万吨／年假设年工作日按３3０天,年工作时间按800０小时(h)计算，则每小时NaOH产量为：G1==2.45吨/ｈ∴每小时NaOH摩尔产量为：Gm==６１.２5Kmol/h根据电解方程式：2NａCl＋2H2O==2NａOＨ+Cl2↑+H2↑22X６1.２５Kｍol/h解得:X=６1.２5Kmol／h即：需NaCｌ摩尔流量为6１.２５Ｋmoｌ／h已知原盐中NaCl质量分数≥98.95％,所以需用原盐质量m、==３．6２１吨/h假设原盐在此过程中的损耗为5%，则所需用原盐实际质量m==3.8116吨／ｈ,所以实际所需原盐中NaCl的质量为G2=3.8116吨/ｈ×９８.95％=3.７71５吨/h2.2换热器的选型设计及计算２.２．1进入换热器淡盐水浓度90OC时,水的饱和蒸汽压P水=70.13６KＰa,∵＝……………①　其中,P总------表示Cl２和水的总的饱和蒸汽压，可近似看为常压。n水-----－表示脱氯过程中带出水的物质的量。nＣl2-----－表示除去Cｌ2的物质的量。则有:=……………②根据电解方程式：２NaCｌ＋2H２Ｏ==2NaOH＋Cl2↑+H2↑80　７1G1　X解得:X=２．1740吨/ｈ∴n　Cl2=＝3０.６２ｋｍol/h将上结果代入②式得:……………③解等式③得：n水=68.9117kｍol/h∴m1H2Ｏ　=６8．９117×1８=1.２4０4吨/h∴回收水质量m回收水=m溶剂-ｍ１Ｈ２O=1０.1349-1．２4０4＝8.8945吨/h假设从电解槽流出淡盐水浓度为Ｃ淡盐水=１８0g/L，返回水的质量即:m回收水=８.8945吨／ｈ=8.８945×10３kｇ/ｈ,又∵ρH2Ｏ=1kg/Ｌ,∴m回收水=8．8945Ｌ／h。∴淡盐水中ＮaCl质量约为:m＝　C淡盐水×m回收水=8．8945×180=1．601吨/h，又∵在T1=65OＣ下NaＣl的溶解度为3７．5５g/１０0gＨ2Ｏ,　根据溶解度定义:∴溶解ｍ=1.601吨/hＮaＣｌ需要Ｈ2O的质量为：=……………④解④得m2H2O=４.2636吨/ｈ∴理论所需生产水总量为：m生产水　=m１H2O+m2H2O=１．2４04+4.263６=5．504吨/ｈ∴理论进入换热器的淡盐水溶液总量为:ｍ总＝m回收水+m生产水+m=8.89４5+５.50４+１.６01=1５.9995吨/h将杂水及损耗考虑进去约5％，则实际进入换热器溶液流量为：ｍ、总=＝＝16.8416吨/h∴进入换热器的盐水浓度变为:C２=m/m总=1．６０１/１5.9995=10．01％２.２.2查文献或计算进出换热器的淡盐水的物性参数。⑴　计算配水槽内混合后淡盐水的温度T3从相关文献数据假定从电解槽流回配水槽的淡盐水温度为T2=50OＣ，∵从电解槽流出淡盐水浓度为C淡盐水=180ｇ／ＬH2O,化为质量百分数为15％,∴用２5％淡盐水配制15％的淡盐水。假设ａ为25%淡盐水的质量,b为配制1５%淡盐水所加入水的质量,则有:a×25%==１.6853吨/h……………⑴a+ｂ==１1.０47９吨/ｈ……………⑵解得:a=6．7４１2吨/h,b=4.３0６7吨/h查文献（液体比热容共线图）可知:25　OC,25％NａCl溶液的比热近似为:CＰ1=3．３8kＪ.kg-1.K-１,以０　ＯC　为基准，则::25OC　,２5％ＮaCl溶液的焓值为△H１=m.CP1．△T，其中m--－---表示25％NaCl溶液质量流量,单位：ｋg/ｈCＰ1------表示2５　OC，2５%NａCｌ溶液的比热容，单位:kJ/（kｇ.K)△T---－--表示基准温差，单位:Ｋ∴△H1=６.７４12×10０0×3.38×(５０OC-０OＣ)=1１39262．8kJ／ｈ查文献可知：50OC水的焓值为20９．3０　kＪ/(kｇ.ＯC)∴4．3０６7吨/hH2O的焓值为：△H2=b×1000×209.３=4.3067×1００0×209.3=９0１３92.31kＪ/h∴△H总=△Ｈ1+△H2=1139２62.8+901392.31=2０40655.11kJ／h即：50OC　,１5%淡盐水溶液的焓值为2０４06５５．11kJ/ｈ∴可得５０ＯC,15％淡盐水溶液比热容:ＣＰ２===3.６9　kJ/(ｋg.OC）假定生产水温度温度为25　OＣ（室温），查25OC时水的比热ＣPH2O＝4.1785kJ/ｋｇ．　OC根据能量衡算得：m淡盐水×CＰ2×（５0-T３)=ｍ生产水×ＣPH2O×（T3-25）１１.0479×1000×３.69×（50-Ｔ３)=5.504／0.9５×１00０×4.１７８5×（T３－25）解此方程得:T３=４0．７OＣ∴配水槽内混合后淡盐水的温度T3为4０.7OＣ。⑵计算换热器进出口平均温度下10.1％淡盐水的平均比热容已知:换热器进口温度：Ｔ3=　4０.７OC换热器进口温度：T１=65ＯC∴进出口平均温度:　=5２.８5　OC①计算混合后４0.7ＯC下，1０.01%的ＮaCｌ水溶液焓值△H、总查得２５ＯC,水的焓值为:=107.７95kJ／kg，则:质量为ｍ生产水的焓值△Ｈ3=×1000×１07.795=６24５３0．１89７ｋJ／h∴混合后40.7　ＯC下１0.01%的NａCl水溶液焓值为:△H、总　=△H总+△Ｈ3=2０40655．1１+624530.18９５=2665１85.3kJ/ｈ②计算６5OC下，10.01%的ＮaＣｌ水溶液焓值△H4同理用２５%淡盐水配制10.01％的淡盐水,假设x为2５%淡盐水的质量,ｙ为配10.０1％淡盐水所加入水的质量,则：x+y=　ｍ、总x×25％=即:ｘ+y=16.84１6吨/ｈx×25%==1.685３吨/h解得:x＝6.7412吨/h，y＝10．10０4吨/ｈ查相关文献得:65/２=３2.5OC下，2５％NaＣl水溶液比热容CP25％NaＣl近似为３.42kJ/(kｇ.K），则:以０OC为基准,65ＯC下,质量为x的25%NaＣl水溶液焓值:△H４=x×CP2５％NａCl×（65-0）＝6.７41２×1000×3.4２×65=1498５68.7６kＪ／ｈ③　计算65OＣ下,1０.0１%淡盐水的总焓值△Ｈ总查文献得65OC水的焓值=272.5５5kJ／kg∴６５OＣ下，质量为ｙ的水的焓值：△H5=y×1000×272.5５5=１0．１004×１000×２7２.5５5＝２７５２9１4.522kJ/ｈ∴６5OC下,10.01%淡盐水总焓值：△　、、H总=△H４＋△Ｈ5=１498５68.７6+2７５２９14.522＝425１483.２8２ｋJ/h④计算平均比热容ＣＰ１0.1%NaClCＰ10.1%NａCl===3.876kＪ/(kg.OC)⑶　计算换热器进出口平均温度52．85OC下10.１%NaＣl水溶液的导热系数根据式λt＝λ２０式中λｔ------表示t　ＯC时盐类水溶液导热系数λ20-－--－-表示盐类水溶液导热系数λwt----－-表示ｔＯC时水的导热系数λw20－－-－--20　OＣ时水的导热系数查氯化物水溶液导热系数图可得:20OC,10.1%NaCl水溶液λ2０=０.339kｗ/（m.ＯC)查水物性表得：20OC时水的导热系数λw20=0.５989ｋw/(m.OC）52.85OC时水的导热系数λｗt=0.６4８　kw／(m.OC)将以上数据代入上式得：λｔ=０．3３9×０．648/0．5989=0．３668kw/(m.OC）∴5２.８5OC下10．1%　NaＣl水溶液导热系数为0.3668kw/（m.　OC）⑷计算５２.85OC下10.1%ＮaCl水溶液黏度将1０.１%NａCl水溶液单位换算为gＮaＣl/10０gH２O得：1１.1２３5　gNaCｌ/１00gH2Ｏ查文献NaCl溶液黏度图可得：52.85ＯC下10.1%NaＣl水溶液黏度ц＝1.50ＣP=1.50×１0－3Ｐa.s⑸计算52．８5ＯC下10．1%　NａＣl水溶液密度查文献ＮaCｌ溶液密度图可得：2０ＯC下10.１％ＮaCｌ水溶液密度ρNaCｌ＝1077．8ｇ/LＨ2O∵在2０OC~52.8５OC间,NaＣl水溶液的体积变化可以不予考虑,∴在５2．85OC时10.1%NaＣｌ水溶液密度ρNaCl=1070.7g/ＬH２O2．2．3根据各物性参数对换热器进行选型计算⑴流体路径选择：因水蒸气为高温高压气体,被加热流体为低浓度ＮaCl液体(其腐蚀性可不考虑),结垢不严重,故水蒸气走管程,１0.01％NaCl溶液走壳程.⑵加热蒸汽进出口温度及淡盐水进出口温度确定T水蒸气进=１60OCT水蒸气出=60　OCT淡盐水进=4０．7　OCＴ淡盐水出＝65OC⑶相关物性常数①水蒸气(1１5OC）:ρ1=0.９635kg/ｍ3ц１＝０．0１3CP=０．013×１0-3Ｐa.sλ1＝0.０３kw／(ｍ.ＯC）CP1=0.46kcal/（kg.ＯC）=１.93２kJ/(kg.OC）②1０.01%淡盐水(５2.8５OC）:　ρ2＝1０7０.7kg/m3ц2＝１.50×10-3Pａ.ｓλ2＝０.３668kw/(m.OC）CP2=3.8７6kJ/(kｇ.ＯC)⑷1０．０1%淡盐水流量WC＝１６.８41６kｇ/h⑸试算和初选换热器型号①　计算冷负荷和水蒸气用量Q=WCCPC(t1-t2）＝WhCPｈ（T1－T2）=15８629７.9８２kJ／h∴Wｈ＝8210．6521ｋg/h②计算两流体平均温度差(暂按单壳程,多管程进行计算)逆流时平均温度差为:△t、ｍ＝4７.5OＣ而:P=0．２０Ｒ=4.1查图得:φ△ｔ=０.81（符合要求）∴△tｍ＝47．5×０.８1=３8.４75OC③初选换热器型号根据两流体情况，假设K=102w/(m.OC),故:换热面积Ｓ===11２.３m２由于Tm-tm==57．15　ＯC＞50OC,因此需考虑热补偿．据此由换热器系列标准(参见化工原理附录二十八)中选定FＢ６00Ⅰ-2．5-113.5型换热器,有关参数如下:壳径/mm　6０0管子尺寸／mmφ25×2.5公称压强/ＭＰa２.５管长/m6公称面积/ｍ2113.5管子总数/根2４５管程数1管子排列方法三角形排列实际传热面积:ＳO＝nπdＯL=245×3.14×0.０25×(6-0.1）=1１3.５m2若采用此传热面积的换热器,则要求过程的总传热系数为10２w/(m．OC)⑹核算压强降①管程压强降Σ△Pi=(△P１＋△Ｐ2)FtNＰ其中:Fｔ=1．4,NP=１管程流通面积Ａｉ=×dｉ2×=×0.０２2×=0.076９　ｍ２管程流速ui＝３０m/s雷诺数Rei　=44４69（湍流）设管壁粗糙度ε=0．1mm,＝＝０.０05查λ-Re关系图可得:λ＝0.０３∴△P１＝λ××=0．03××＝390２.１７5Ｐa△P2＝3×=13０0．725Pa∴Σ△Pi＝(△P1+△P２）ＦtNP=（３９０2.175+13０0.７25)×1.4×1=7２84.0６Pa②壳程压强降Σ△P0=(△P、１＋△、P２)FSNＳ其中：　ＦＳ=1.1５,NS=1△P、1=ＦfOｎＣ(NB+1）管子为正三角形排列,F=0.5nC=1.1=１．1×=17取折流挡板间距ｈ=0．15mNB＝-1=－1=3９壳程流通面积:A0=h(D－nＣｄＯ)=0.1５×(0.6－17×０.０25)＝0.0２6m2壳程流速：ｕｏ=0.1７m/s雷诺数RｅＯ＝３０３3．6５>　500fO=5.０ReO-0.２28=５．0×303３.６5－0.2２８＝0.8∴△P、１=FfＯｎＣ(ＮＢ+1）＝０．5×0.８×１7×(39+1)×=4208.3Pａ△P、2＝ＮB（3.５-）=３９×(3.5－２×)×=18１0.2PａΣ△Ｐ０＝(△P、１＋△、Ｐ2)FSＮS＝(420８.3+1810.2)×１.15×１＝6９21.27５Pａ经过以上结果计算及相关换热器文献资料表明,管程和壳程压强降都符合换热器压强降设计原则.⑺核算总传热系数①管程对流传热系数Rei=44４69（湍流)Ｐri＝0.84αi=0.023Rei０.8Ｐri0.３=0.023××444690.８×0．840．3＝171.2ｗ/(m2.ＯＣ)②壳程对流传热系数α0取换热器列管之中心距t＝32mｍ流体通过管间最大截面积为:=0．019７m2＝0.２2m/s=0.０2m=3140.７2＝１5.8５壳程中淡盐水被加热,取∴=１４5９.7w/（ｍ２.OC）③污垢热阻(参考附录二十二):管内、外侧污垢热阻分别取为:RSi＝0．8５98×10-4m2.ＯC/ＷRS0=1.7197×10－4ｍ2．OC/W④总传热系数KO∴KO=1２0.5w/(m2.ＯC）⑤选型结果由前面计算可知：选用该型号换热器时要求过程总传热系数为１02　w/(ｍ2．OC）,在规定流动条件下,计算出KO为1２0.5ｗ/(m2.OC),故所选择换热器是合适的，安全系数为:设计结果为：选用型号为FB600Ⅰ-２．5－1１3.5型管壳式换热器。主要附件有：封头：因Ｄ=600mｍ>4０0mｍ，故采用圆形封头。缓冲挡板:为了防止壳程流体的进入换热器时对管束的冲击,可在进料管口装设缓冲挡板。导流筒：壳程流体的进、出口和管板间必存在有一段流体不能流动的空间（死角),为了提高传热效果,可在管束外增设导流筒,使流体进、出壳程时必然经过这个空间。放气孔、排液孔：换热器的壳程上常安有放气孔和排液孔,以排除不凝气体和冷凝液等。接管:换热器中流体进、出口的接管直径可按下式计算，即：d=淡盐水（取u=2m／s):d=＝０．053m水蒸气（取u=30m/ｓ)：d==０.32m2.３化盐桶的物料计算2.３.1化盐桶内饱和食盐水浓度的计算根据相关资料查得从换热器流出淡盐水温度一般在50OC~80OC之间,假设从换热器流出淡盐水温度为T１=65ＯC，查实用化学手册得:65ＯＣ时NａCl溶解度约为:SNaCl==３７.55gNaCｌ/100gH2O,根据已知原盐的含量指标得知原盐中杂质成分主要有KCｌ　,ＭgＳO4.6H２O，ＣaCl2.２Ｈ２O,查得6５OC时各杂质溶解度如下：SMgSO4．6H２O＝=56.5gMgＳO4.6H2O/100gH2OＳKＣｌ==４6.９gKCl/1００gH2OSＣaCl２.2H2O＝=139.2５ｇＣａCl２.2H２Ｏ/１00gH2Ｏ根据原盐含量指标可知：KCl≤１.00%，SO42－≤４50ｐpm,Mg２+≤110ppm,　Ｃa２+≤250ｐpm,H2O≤0.07％。则可得出原盐中各杂质及杂质离子的物质量如下:KCｌ的摩尔流量为:n１=＝０.５11６kmol/hＳO42-的摩尔流量为:n２＝=0.017８7kmｏl/hMg2+的摩尔流量为:ｎ３==０.０1747kmol/hCa2＋的摩尔流量为:n4==0.０2382kmol/hＨ2O的摩尔流量为:n5=＝0.14８２kｍol/h由溶解度定义可知：所以原盐中各种物质所需溶剂质量计算如下所示:NaＣl:解得:mNａＣl溶剂＝10.04４1吨H2O/hKCl:解得:mKCl溶剂=0．08１２7吨H2O/hＭｇＳO4．６H2Ｏ：解得mＭgＳO４．6H2O溶剂＝0.０07０49吨Ｈ2O/hCaCl2.2Ｈ２O:解得：ｍCａＣl2.2H2Ｏ溶剂=０.0０2515吨H2O／h因此,原盐每小时所需溶剂质量为:ｍ溶剂=ｍNaCｌ溶剂+mＫCｌ溶剂+mMgSO4.6H2Ｏ溶剂+mＭｇSＯ4.6H2O溶剂+ｍCａＣl2.2H２O溶剂=10.０441＋０.0812７+0.007049+０.0０２515=１0.1３49吨Ｈ2Ｏ/h所以此化盐桶内饱和食盐水浓度约为：C1　==372.13９8gNaＣl/LH2O所以化盐桶里饱和食盐水的总量为：１0.13４9+3.8116=１3.9４65吨/ｈ用质量质量分数表示为27.1２%的饱和食盐水浓度．２．2.2各项参数表示查简明化学手册，２7.12%的饱和食盐水密度,黏度=2．２ＣP＝2．2×１0－3Pa.S2．2.３化盐桶的物料衡算表输入输出原盐／吨/h３．7715淡盐水／吨／h　１６.84１6饱和食盐水/吨／h13.946５总计2．3反应槽的物料衡算２.3．1根据化学方程式计算盐水精制剂的加入量及生成BａSO4,ＣaCO3,Mｇ(OH）2的量．Ｂa2++ＳＯ4２-==BａSO4↓11233.3３Ｘ１　ｎ２m1解得:Ｘ1=0.０17８7kｍol／h∴ｍBaCl２=０.０1787×20８．3=3．7２28kg/hm1=４.１6９６ｋg/hMg2＋+2OH-==Mg（ＯH)２↓１25８n３Ｘ３m2解得:X3=0.0３４94kmｏl/ｈ∴ｍNaＯH=０.０34９4×４０＝１.3９７6kｇ/hｍ2=1．0113kg/hCa２+＋ＣO32－＝=　CaCO3↓11１0０n4X4m3解得:X4=０.02382　ｋｍoｌ/h∴mＮa2ＣO3＝0.02382×1０6=2.5249ｋg/hm3=２．382kｇ/h假设加入的ＢaCl2，NａOH，Nａ2CO3有过量,且过量为５%，则:实际需加入BaＣl2的质量为ｍ、BaCl2=　mBaCｌ2×(1+5%)=3.9089ｋg/ｈ同理，ＮaOH的质量为m、NaOH=ｍNaOＨ×(1+5％）=１．4675kg/hNa2ＣO3的质量为ｍ、Ｎa２CO3=mNａ2CO3×(1+5%)=２．６5１１kg/h2.3．２反应槽的物料衡算表输入/(ｋg/h)输出/(ｋg／ｈ）BａCｌ２NaOＨNａ2CO3BaSO４ＣａCＯ3Mg(ＯH）2３.90８91.46７52.６5１1４．16962.３82　1．０11３合计／(kg／h)８.0275７.56４92.４澄清桶的设计计算2.4.1固体颗粒的沉降速度的计算其中:------固体颗粒的沉降速度,单位:ｍ/sg-－---－重力加速度,单位:m／s2ｄ－－----固体颗粒的平均粒度,单位：--－---固体颗粒的平均密度,单位：kｇ／m3－－----悬浮液的密度,单位:　kg/m3－----悬浮液的黏度,单位:Pa．S⑴固体颗粒平均粒度的计算选择已知:=4.16９６kg/h＝２．３8２ｋｇ/h＝1．0１１3kg／ｈ饱和食盐水m总=1０.１946+3.81１6×98.９5％=13.9065×10３kg／h则:固体颗粒％＝查粒度分布类型:按质量分布的重力沉降，得增量法2~100累积法２～10０结合查化工机器颗粒分布类型图可得:d＝５0=５0×１0-６m⑵计算查询悬浮液的黏度饱和食盐水体积:VS＝=１1.6４m3／h固体BａSＯ４体积:V1=固体CaCO3体积：固体Mg(OＨ）2体积∴固体分散相体积分数　=＝×100％=0．02%查悬浮液黏度列线图解得:＝2.６×1０－3Pａ．S⑶固体颗粒的平均密度计算固体颗粒总质量m=++=4.1６９6+2.３82+１．０133＝7.5６49kg/h则固体颗粒中ＢaSO4%=CaＣO３％=Ｍg（ＯH)２%=∴固体颗粒的平均密度:=×BaＳO4%+×ＣaCO3%+×Mｇ（OH）2%=450０×55．12%+2930×３1.49%+240０×13.99%＝3724.42kg／m3⑷计算固体颗粒沉降速度将以上计算的个参数值代入得:==０.00１326m/ｓ２.4．２澄清桶的容积、直径、高度计算及设计压力和设计温度的确定⑴容积、直径、高度计算因澄清桶可看作原料储罐,所以按15ｈ的储量来设计，则所需澄清桶的容积:V、=VS×h=１１.64×15=174.６m3若安全系数按２0%计,则澄清桶的公称容积：V=V、×（1＋20％)=174.6×1．2=209.5m３设公称直径D=6００0ｍm＝60ｍ,则澄清桶高度:H===７．41m则高径比:∴符合设计要求⑵计压力和设计温度的确定取装料系数=0.8,则澄清桶中饱和食盐水装填最大高度:H、=×H=0．８×7.４1=5.９２8m澄清桶底的最大静压力为:Ｐ==1１9４.43×9．81×5.92８＝69460.5Ｐａ（表压)假定容器上装有安全阀，取１．05～１.１倍最高工作压力为设计压力.本设计中取设计压力为最大压力的1.05倍,则设计压力为:=７2933.5Pa=0.073MPa在本设计中取设计温度为1000C(因化盐桶流出饱和食盐水的温度为650C）2.４.3澄清桶的强度校核⑴钢板的选用由于介质对钢材腐蚀性不大,温度在650C以上(饱和食盐水温度),压力为低压,查阅表4－1选用Q－２35A.F容器钢较为合适表4-１钢板选用表钢号设计压力/MＰa　设计温度/0C　钢板标准备注Q235-Ａ.F　≤０.６０~250ＧB　3274使用厚度不大于12ｍm;不得用于盛装易燃、毒性为极度危险或高度危害介质的压力容器Q23５-Ａ≤1　０~350ＧB3274使用厚度不大于16mm;不得用于盛装液化石油气体、毒性为极度危险介质的压力容器Q235－B　≤1.6　0～35０ＧＢ３２74使用厚度不大于2０mｍ;不得用于盛装毒性为极度危险或高度危害介质的压力容器Q2３5-Ｃ≤2.５0～400ＧB３27４使用厚度不大于3０ｍm20R－2０～47５　ＧB　6654-8616ＭnVR-40~４７5GB　6654-8６厚度大于3０mm时应在正火状态使用15MnVR-20～4７5GB665４-8６厚度大于２５mｍ时应在正火状态使用0Cｒ1８Ni10Ti-19６~700GB４２37-84０Cｒ17Ni１2Mo2-１96~7０0ＧB42３7-840０17Ni１4Ｍo２-19６～7０0GB4237-８4⑵钢板厚度确定根据式中:取Pc＝P=0.０73ＭＰaDi=6000mm(采用带垫板的单面对接焊,局部无损探伤。表4-2)表４-2焊接接头系数焊缝结构草图焊接接头系数φ全部无损探伤局部无损探伤不作无损探伤双面焊或相当于双面焊透的对接焊缝略1.00.８5——单面焊的对接焊缝,在焊接过程中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属垫板略0.９0　0.8０——无法进行探伤的单面焊的环向对接焊缝,无垫板略————０.6另外,取C1=０．8mm(假定钢板厚度为８～２5）,取C２=１ｍm（表4－3）表４－3钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差Ｃ12.00．１8　2.20．１9２.5０.2０2．8～３.00．223．2~3.50.2５3．８~4.00．3０4．5～５.5０.50钢板厚度负偏差Ｃ１　6.0～7.00.68．0～25０．８　２６～300.932～34１.０36～401.1　42~501.２55~６01.3于是＝2.4mｍ∴=2.4+0.８+１+0．8=5mｍ圆整后取(钢板常用厚度为2,3,4,5,6，8,10,１2,14,14，1８,20,2２,25,２８,３0,32……)2．4.４水压试验强度校核水压试验时桶壁内产生最大应力为:式中,C=1.８mm于是，=１06．7ＭPａ而Q-235A.Ｆ钢板的（表4－4),表4-4　碳素钢、普通低合金钢钢板许用应力（部分）编号板厚mｍ常温强度指标在下列温度(０C）下的许用应力/MPaσbMPaσsMＰa≤20　10０15020０2５０　3００3５0　400Q２３5-A．F(热轧)3~1６375２35　113　113113１0594Q２35-A(热轧）　３～1637５　235113１１3　１１310５94　８６７７Q２35-Ａ(热轧)　>16~403７52３5　１13113107　99９18375Q2３5-B（热轧)3～16375　235　１13113　11３10５94８6　77Q23５-Ｂ（热轧）>16～4０３75235１1311310７99９１　8375Ｑ２35-C(热轧）3～163７５　235　12５　12５　１2５１16　10495８６７9Q235－C(热轧）>16～4037５225125　1２5　1１9　11０1019２8３7７则常温下水压实验时的许用应力为:因，所以水压试验时强度足够。图1新型盐水澄清桶示意图结论⑴原盐的用量及饱和食盐水浓度在本设计中选用固体纯NaOH的质量分数≥9８%,属优等品,纯度较高,因而所需原盐的量相对增加,溶解所需水量也理应随之增加,但为简化起见在实际计算中未将杂水这一项考虑其内,所以总体水量减少,致使化盐桶内饱和食盐水浓度比理论值偏高．⑵换热器的设计本设计中换热器采用选型设计的方法,在设计过程中由于采用水蒸气走管程,淡盐水走壳程，且由计算得知换热后水蒸气的一小部分以液态水的形式流出而绝大部分仍以低温蒸气的形式流出，属于汽液混合物,而在具体计算中忽略了这部分液态水,全部采用低温蒸气的物性参数进行设计计算，所以致使其与典型的换热器设计参数略有偏差,但在整体上无论是核算管程压强降还是安全系数方面都基本符合换热器的设计原则.⑶澄清桶的设计在澄清桶沉降速度计算中，由于固体颗粒存在状态的不同,比如:Ｍg(ＯH)２以絮状形式沉淀,其他固体颗粒包裹在其中,致使其球形度降低,此外本设计未考虑加入助沉剂或凝聚剂，致使在固体颗粒粒径的选取上偏低，因此使沉降速度结果偏低.但在其选材和工艺设计上严格遵守设计原则,其强度校核也满足设计需求，总体上是合理的.综上所述，在这次毕业设计中,由于本人经验欠缺,在个项参数的选取和计算上存在明显的误差和不足,充分说明了我专业知识掌握的不足还有待于进一步加强,在以后的工作学习中我将会再接再厉，踏踏实实走好每一步,以严谨的科学观和世界观去钻研探索,努力使自己成为一名合格优秀的专业技术人员