年产15万吨烧碱车间工艺设计

年产15万吨烧碱车间工艺设计作者姓名郝秀清专业化学工程与工艺指导教师姓名袁芳专业技术职务讲师目录摘要1第一章氯碱工业的发展311氯碱工业的历史312烧碱的性质、用途及其质量标准313溶液电解方法的发展514氯碱工业的特点及发展趋势515离子膜716离子膜电解技术1017我国离子膜法电解槽的现状11第二章工艺流程的选择与说明1121原料的选择1122盐水精制的选择1223电解工艺1224碱液蒸发与浓缩1325固碱工艺1326液氯工段工艺流程简述1327氯气干燥的目的与机理1328氢气处理1329盐酸工段工序流程简述14第三章工艺计算1431电解槽的工艺计算1432洗涤塔内氢气的工艺计算1733钛冷却器内氯气工艺衡算1934硫干燥塔内氯气物料衡算21第四章设备设计2241离子膜电解槽的设计2242钛冷却器的设计2443蒸发塔的设计2644蒸发设备的计算36第五章厂房布置4251厂房布置的重要意义4252厂房布置的原则及方法42第六章环境保护44参考文献45致谢46摘要作为一种基本的和重要的化工原料，烧碱在工业生产的各个领域都有着广泛的应用。随着氯碱工业的迅速发展，离子膜电解生产烧碱越来越被广泛运用，膜电解生产的其氧化钠浓度可达3050（质量）。此外，离子膜电解制碱还有投资省，能耗低，氢氧化钠质量好，无污染，生产成本低等优点。因此无论是国外还是国内在新建，改造和扩建生产装置时都会首先考虑这一技术。本设计依据技术先进，经济合理，工艺可靠，系统最优的原则完成。烧碱的生产方法是离子膜电解法，通过以下一系列工序盐水精制，电解精盐水，蒸发电解液来得到最终产品固碱。本设计说明书包括烧碱生产方法的论证，物料衡算和能量衡算，主体设备及辅助设备的设计。设计中对烧碱离子膜电解工艺进行了研究，对烧碱离子膜电解生产原理和工艺流程进行了选择和论证，对当前国内外烧碱各种生产工艺进行了综述，剖析了隔膜法、水银法和离子膜法的优点和不足，对烧碱离子膜电解整个工艺流程进行了设计，同时对烧碱离子膜电解工艺生产过程危险危害因素做了相关的讨论。关键字烧碱蒸发离子膜电解固碱氯碱ABSTRACTASAKINDOFBASICANDIMPORTANTCHEMICALRAWMATERIALS,CAUSTICSODAINTHEINDUSTRIALPRODUCTIONTOEVERYFIELDOFAWIDERANGEOFAPPLICATIONSWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFCHLORINEALKALIINDUSTRY,IONICMEMBRANECAUSTICSODAELECTROLYSISPRODUCTIONMOREANDMOREWIDELYUSED,MEMBRANEELECTROLYTICPRODUCTIONOFITSOXIDATIONSODIUMCONCENTRATIONCANAMOUNTTO3050QUALITYINADDITION,IONICMEMBRANEELECTROLYTICALKALIMANUFACTURINGANDSAVINGINVESTMENT,LOWENERGYCONSUMPTION,SODIUMHYDROXIDEAREOFGOODQUALITY,NOPOLLUTION,THEPRODUCTIONCOSTADVANTAGESSOBOTHFOREIGNORDOMESTICINTHENEW,MODIFICATIONANDEXTENSIONPRODUCTIONWHENDEVICEWILLFIRSTCONSIDERTHISATECHNOLOGYTHISDESIGNBASEDONADVANCEDTECHNOLOGY,REASONABLEECONOMY,TECHNOLOGYANDRELIABLE,THEPRINCIPLEOFOPTIMUMSYSTEMTOCOMPLETECAUSTICSODAPRODUCTIONMETHODISIONICMEMBRANEELECTRICITYTHROUGHTHEFOLLOWINGASERIESOFSOLUTIONS,SALTWATERREFININGPROCESS,ELECTROLYTICREFINEDSALTWATEREVAPORATION,ELECTROLYTETOGETTHEFINALPRODUCTSOLIDALKALITHISDESIGNSPECIFICATIONSINCLUDINGCAUSTICSODAPRODUCTIONMETHOD,THEARGUMENTISMATERIALBALANCEANDENERGYBALANCECALCULATIONS,THEDESIGNOFTHEMAINEQUIPMENTANDAUXILIARYEQUIPMENTANDFACTORYWORKSHOPLAYOUTDESIGNOFIONICMEMBRANECAUSTICSODAELECTROLYTICTECHNOLOGYOFIONICMEMBRANECAUSTICSODA,ELECTROLYSISPRODUCTIONPRINCIPLEANDPROCESSFLOWOFTHESELECTIONANDARGUMENT,THECURRENTDOMESTICANDINTERNATIONALCAUSTICSODAVARIOUSPRODUCTIONPROCESSWERESUMMARIZED,ANALYZEDTHEDIAPHRAGMLAW,MERCURYLAWANDIONICMEMBRANELAWADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFIONICMEMBRANECAUSTICSODA,THEWHOLEPROCESSELECTROLYSISDESIGNOFIONICMEMBRANECAUSTICSODA,ANDPRODUCTIONPROCESSELECTROLYSISPROCESSDANGEROUSFACTORDOTHERELEVANTDISCUSSIONKEYWORDSCAUSTICSODAEVAPORATIONIONEXCHANGEMEMBRANECHLORINEALKALIELECTROLYSISSOLIDCAUSTICSODA第一章氯碱工业的发展11氯碱工业的历史氯碱工业主要生产烧碱，氯气和氢气以及由此衍生系列产品时该工业副产品。烧碱在国民经济中有着重要的作用。烧碱是重要的基本工业原料，其产量大、用户多，广泛应用于轻工、化工、纺织、冶金、电力、医药、农药、染料及有机颜料等行业，离子膜法电解制出的高纯度烧碱是化纤、医药、精细化工行业迫切需要的原料。早在十三世纪之前，氯气就为古代炼丹者（ALCHEMIST）所熟悉。1774年，瑞典化学家SHELLEY在实验室中首次使用盐酸与天然的软锰矿粉（二氧化锰）反应制得一种让人窒息的、黄绿色气体；并确认其为一种新的化学元素。其反应机理如下MNO24HCLMNCL2CL22H2O1799年，由WELDON首先采用瑞典人的方法在工业中制得氯气。1807年，英国人DAVY用食盐熔融电解制得氯气。（2NACL2NACL2）。1810年，DAVY在伦敦试验证明氯气是一种元素，并于当年的11月9日在英国皇家学会上宣读论文。提议这个元素定名为CHLORINE（意思是黄绿色），来源于希腊文字（CHORUS）。1851年，WATT第一个取得了食盐水溶液电解制备氯气的专利；在直流发电机问世以后，1890年由德国格瑞斯海姆电化公司首先采用隔膜电解槽制备氯气用于工业生产。至今已经经历了一个多世纪。而中国的氯碱工业起步于1929年10月，由爱国实业家吴蕴初先生买断了越南海防电化厂的全部设备，创建了国内第一家氯碱厂上海天原电化厂。当时采用的是“爱伦姆”电解槽，日产烧碱仅3吨。综观世界氯碱工业的发展历史，氯碱的制碱技术和氯气处理技术已取得了长足的发展进步。我国烧碱产业发展迅速，2004年生产能力只有11900万吨，2007年增加到21810万吨，2008年进一步增加到24720万吨，同比增长1334。其中离子膜法烧碱工艺以为具有能耗低、产品质量好，占地面积小，自动化程度高，高洁环保等优势发展迅速，新建的烧碱项目中以离子膜碱为主，而20072008年扩能统计显示，新建离子膜烧碱产能占到同期烧碱扩能的92。12烧碱的性质、用途及其质量标准121烧碱的基本性质简介烧碱即氢氧化钠，亦称苛性钠。烧碱的工业品有液体和固体，其中液体为不同含量的氢氧化钠水溶液；固体白色不透明，常制成片、棒、粒状，或熔融态以铁桶包装。氢氧化钠吸湿性很强，易溶于水，溶解时强烈放热。水溶液呈强碱性，手感滑腻；也易溶于乙醇和甘油，不溶于丙酮。烧碱有强烈的腐蚀性。对皮肤、织物、纸张等侵蚀剧烈；易吸收空气中的二氧化碳变为碳酸钠；与酸起中和作用而生成盐。由于氢氧化钠的水溶液是呈強碱性,故能使石蕊试纸变成兰色，无色的酚酞变成红色。122烧碱的用途烧碱是一种基本的无机化工产品，广泛应用于造纸、纺织、印染、搪瓷、医药、染料、农药、制革、石油精炼、动植物油脂加工、橡胶、轻工等工业部门；也用于氧化铝的提取和金属制品加工。印染、纺织工业上，也要用大量碱液去除棉纱、羊毛等上面的油脂。生产人造纤维也需要烧碱。例如，制粘胶纤维首先要用1820烧碱溶液去浸渍纤维素，使它成为碱纤维素，然后将碱纤维素干燥、粉碎，最后用稀碱液把磺酸盐溶解，便得到粘胶液。再经过滤、抽真空（去气泡），就可用以抽丝了。精制石油也要用烧碱。为了除去石油馏分中的胶质，一般在石油馏分中加浓硫酸以使胶质成为酸渣而析出。经过酸洗后，石油里还含有酚、环烷酸等酸性杂质以及多余的硫酸，必须用烧碱溶液洗涤，再经水洗，才能得到精制的石油产品。在造纸工业中，首先要用化学方法处理，将含有纤维素的原料（如木材）与化学药剂蒸煮制成纸浆。所谓碱法制浆就是用烧碱或纯碱溶液作为蒸煮液来除去原料中的木质素、碳水化合物和树脂等，并中和其中的有机酸，这样就把纤维素分离出来。在冶金工业中，往往要把矿石中的有效成分转变成可溶性的钠盐，以便除去其中不溶性的杂质，因此，常需要加入纯碱（它又是助熔剂），有时也用烧碱。例如，在铝的冶炼过程中，所用的冰晶石的制备和铝土矿的处理，都要用到纯碱和烧碱。又如冶炼钨时，也是首先将精矿和纯碱焙烧成可溶的钨酸钠后，再经酸析、脱水、还原等过程而制得粉末状钨的。在化学工业中，制金属钠、电解水都要用烧碱。许多无机盐的生产，特别是制备一些钠盐（如硼砂、硅酸钠、磷酸钠、重铬酸钠、亚硫酸钠等等）都要用到烧碱或纯碱。合成染料、药物以及有机中间体等也要用到烧碱。123固体烧碱的质量标准表11型号规格ISITISDTISCT项目优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品优等品一等品合格品氢氧化钠（以NAOH计）的质量分数9909859807202096095072020970940碳酸钠（以NA2CO3计）的质量分数050810030508121316040810151725氯化钠（以NACL计）的质量分数003005008002005008252730202528111235三氧化二铁（以FE2O3计）的质量分数000500080010005000800100080010020008001002000800100113溶液电解方法的发展131食盐水溶液电解的方法（1）隔膜法利用多孔渗透法的隔膜材料作为隔层，把阳极产物和阴极产物隔开，这种隔层能够使电离液透过，以一定流速流向应急阻挡向阳极室流动，它不妨碍离子运动构成电流通路，但它能防止阴极产物与阳极产物的机2H2CL械混合。（2）水银法在1807年英国PAVY发现钠汞后，1882年，有人发现食盐水溶液电解产物可用它来分开，钠在汞阴极流体中形成钠汞从而使阳极液分离，然后到另一解汞室加水分解成NAOH和2H（3）离子膜法BERGSMA提出采用具有离子透过性的离子膜生产氯和碱后因其各方面的表现都由于前两者二逐步取代前两者。14氯碱工业的特点及发展趋势141氯碱工业的特点氯碱工业的特点是原料易得、生产流程较短，另外主要还有三个突出问题。1能源消耗大选用先进工艺，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的消耗，始终是氯碱生产企业的一项核心工作。2氯和碱的平衡电解食盐水溶液时，按固定质量比例（1085）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。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。3腐蚀和污染氯碱产品如烧碱、盐酸等均具有强腐蚀性，在生产过程中使用的原材料如石棉、汞和生产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。142国内外烧碱市场的基本情况氯碱行业在21世纪保持较快的增长势头，尤其是离子膜烧碱产量增长较快。作为基础化工原料，氯碱工业中的烧碱用途广泛、消耗量大，全球产能已接近8000万吨年，而到2015年预计将逼近9000万吨年，中国是世界上烧碱产能最大、增长最快的国家，到2015年产能将达到3700万吨年，占世界总产能的40以上。从需求方面来看，国际市场仍具有一定的发展空间，氯碱产业比较成熟的美国、日本、西欧等地区消费将稳步增长，而在一些欠发达地区如牙买加、巴西等地，进口或将有较大增长；不过，中国需求增势减弱，预计2015年可达到3000万吨，产能将过剩700万吨，努力扩大出口是平衡国内市场的重要途径。随着原料价格等因素上涨影响，烧碱价格继续走高，保持较高价位运行，呈现良好发展态势。2008年，全球氯碱工业产值大约达到200亿美元，烧碱能力达到7481万吨年，比2004年5870万吨年增加1611万吨年，年均增长625，而1999年和1994年的产能分别为5300万吨年和4032万吨年。全球已有超过500家以上的氯碱生产商以及650个以上的生产厂点。2008年，全球烧碱产量5866万吨，比2007年下降186，平均开工率约为784。根据氯碱生产特点，即按固定质量比108875005同时产出烧碱、氯气、氢气三种产品，2008年全球氯气生产能力约为6640万吨年，氯产量约5206万吨。中国氯碱产业发展迅速，产能已占全球1/3，2008年底，中国烧碱总产能为2472万吨年，约占全球烧碱总产能的13，国家统计局数据显示，中国共有氯碱生产企业约245家，生产烧碱18522万吨，出口总量达到2075万吨，表观消费量16467万吨。2008年我国氯碱装置平均开工率约749。氯碱产业的分布主要受到资源条件和下游需求市场分布状况的影响，全国氯碱企业的产能布局基本保持了传统的框架，华北、华东地区所占的份额依然举足轻重。此外，由于中西部地区的新增产能有所增加，华中、西北地区在行业中的话语权逐渐增强，烧碱作为古老、传统的能源与资金密集型基本化工原料，广泛用于国民经济各个工业部门。20002008年烧碱需求增长率为124年，比期间全国GDP平均增长率108高出16个百分点，其弹性系数为115。2008年烧碱表观消费量16467万吨。尽管氯碱工业发展态势较好，但是仍存在很多制约因素一是随着国内氯碱装置建设加快，烧碱的市场压力较大；二是国内生产企业众多，普遍规模较小，离子膜烧碱能力所占比例偏小。而且许多企业仅有氯碱装置而没有下游配套产品，可持续发展与抵抗市场风险能力较小；三是原料持续涨价，大大减少了氯碱行业的利润。今年上半年有部分中小型隔膜碱烧碱装置迫于原料价格上涨而停产。氯碱工业作为基础化工原料，产品广泛应用于国民经济各个部门，经过几十年的发展，已经有了较为雄厚的基础。近年来在企业做大做强思想指导下，振兴东北老工业基地及西部开发战略实施及大量下游氯产品民营企业投资氯碱行业，将在国内引起又一次氯碱建设和发展高潮。借鉴国外发展经验和国内行业整体形势，未来氯碱行业将逐渐趋向规模化，精细化，集成化和绿色路发展道路。一规模化随着我国氯碱工业不断发展，尤其是新建的装置将逐渐趋向规模化。不少氯碱企业生产能力将达到20万T/A甚至50万T/A。二精细化精细化工是世界氯碱工业发展的前沿，精细化工已成为氯碱企业激烈竞争的焦点和制胜战略。三集成化为了节省资源和最大限度利用设备，近年来国际化工过程发展的一大趋势便是设备集成化。化工过程集成化就是将几个生产步骤集中在一个设备中去完成。如反应精馏技术，“一锅煮”技术等。四绿色化21世纪是绿色环保世纪。发展绿色化工和“原子经济”已成为21世纪化学工业的发展趋势。但是目前我国氯碱产品最大差距就是国内清洁工艺使用较少，严重制约了氯碱工业的可持续发展和国际市场竞争力。因此今后氯碱企业在加强末端治理的同时，更注重开发和推广应用清洁生产工艺，将污染物消灭在生产过程中，保证我国氯碱工业快速健康可持续的发展。15离子膜151离子膜简介离子交换膜是离子膜制碱技术的核心,已经工业化的离子膜有全氟磺酸膜、全氟羧酸膜及全氟羧酸/磺酸复合膜,其中全氟羧酸/磺酸复合膜是一种性能比较优良的离子膜,兼有磺酸膜和羧酸膜的优点,具有电压低、电流效率高的特点,是广为使用的膜制品。全世界目前只有杜邦、旭化成和旭硝子公司生产离子膜,因此离子膜也就分为杜邦NAFION膜、旭化成ACIPLEX膜及旭硝子FLEMION膜3大类,随着其各自技术的不断进步,发展至今3家公司的离子膜产品均是氟纤维增强的全氟羧酸/磺酸复合膜,只有在离子膜的结构设计上略有区别,其各自膜的情况见表15表12离子膜概况类别型号说明100系列化学稳定性膜,1969年商品化400系列增大耐久的膜,是单一全氟磺酸膜,碱浓度15。分为NAFION415、425、427等300系列全氟磺酸膜,是由高/低浓度的磺酸层压成的复合膜,产稀碱时有较高的电流效率。分为NAFION315、324、390等杜邦NAFION膜900系列是羧酸/磺酸的增强复合膜,兼有高电流效率、低电压、碱浓度高与耐久性的优点。分为NAFIONN901、NX90209、N961、N966、NX966等700系列高低交换容量全氟羧酸复合膜,分为FLEMIONDX753、DX723、F775、F783、F795旭硝子FLEMION膜800系列全氟羧酸/磺酸复合膜,分为F811、F851、F855、F8561987年成功地开发了现在使用的新系列品种新型全氟羧酸/磺酸复合离子膜,即ACIPLEXF膜F2200系列有涂层,烧碱浓度为2124,分为F2201、2202、2203、2204、2205,其中F2203电压低,F2205电压低、电流效率高F3200系列有涂层,烧碱浓度为2426,只有F3201一个牌号F4100系列烧碱浓度为3034,分为F4101、4111、4112、4113,其中F4101无涂层,其余为部分涂层,F4112电压低,F4113电压低、机械强度高F4200系列烧碱浓度为3034,分为F4201、4202,有涂层,F4202电压低、电流效率高旭化成ACIPLEX膜F4400系列烧碱浓度为3034,只有F4401一个牌号,机械强度高F5200系列有涂层,烧碱浓度为3236,只有F5201一个牌号F5400系列有涂层,烧碱浓度为3236,只有F5401一个牌号,电压低、能耐不纯物F6200系列有涂层,烧碱浓度为4550,只有F6201X一个牌号在离子膜法氯碱生产工艺中对离子膜的要求有以下几点1高度的化学和物理稳定性2较低的膜电阻3电解质及水扩散少4很高的离子选择透过性5足够的强度与形状稳定性6较低价格随着科学技术的进步,膜技术也在不断发展,各个公司都在努力使自己的产品满足这些工艺要求,向节约能源、降低成本的方向迈进。降低能耗仍是今后氯碱工业开发、制造和应用研究的永恒课题。离子膜在提高碱液浓度、增大电流密度、延长膜的使用寿命方面,国内外都在积极进行新的探索。现在氯碱电解用离子膜技术方面主要研究如下课题1低电耗膜。在高电流密度和高浓度烧碱生产条件下,如何稳定和降低电耗,这是近期离子膜开发的主要目标。2改善离子膜对各项杂质的敏感性。目前膜对盐水和电解操作条件的要求比较高,对各项杂质比较敏感,因此为延长膜的使用寿命,应开发对杂质具有耐久力的膜。3高浓度烧碱用膜。现今离子膜法制碱生成的NAOH浓度一般在3035。各公司正在开发能生产NAOH45以上的膜。这方面虽已取得相当进展,但电耗偏高,对在电价高的地区还难以应用。4高电流密度用膜。现今离子膜电解的电流密度一般在34KA/M2,如何提高到56KA/M2,而电耗增加不大或不增加,保持电流效率在95的情况下,可使烧碱成本大为降低,总能耗也进一步降低。152国内离子膜的使用情况从国内企业装置的运行情况来看,离子膜使用寿命约23年与国外先进水平还是有一段差距,而国外膜寿命可达5年,甚至更长。膜寿命受盐水质量及运行状况的影响较大,盐水虽然有二次精制措施,但诸如一次精盐水质量波动、PH值不稳、过滤器及树脂塔操作管理不到位、脱氯不够等等都直接影响进槽盐水的质量我们的装置一般能连续运行3个月的并不多见无论是引进的还是国有技术,全年各套装置计划外停车次数少则10次8次、多则50多次,而国外计划外停车全年仅23次。由于离子膜价格高、寿命又不太长,尽管它制碱能耗较低,但在计入离子膜及其配套垫片的摊消后,离子膜碱的成本优势大减。因此,如何有效地延长离子膜的使用寿命、降低膜及垫片在成本中所占的比例,如何选用优质高效离子膜,尽可能降低离子膜碱生产的电耗,对于提高经济效益有着很现实的意义。这取决于两方面的因素一是工艺上的操作,我们应严格控制各项工艺指标、加强管理,满足离子膜使用所要求的工艺条件,这种因素通过企业自身的努力是能够实现的另一方面是离子膜牌号的选择,离子膜性能的好坏,不仅取决于膜自身,还与电槽结构、设备配置等因素有关,所以在选择离子膜时,除了考虑离子膜的性能、价格等因素外,还应关注所用电解槽的性能,使膜与槽实现最佳组合。我国离子膜的寿命、电流效率等参数与国外同类产品相比,性能尚未充分发挥,很有必要进行深入的探讨,找出差距,降耗增效。氯碱工业是化学工业的基础产业,离子膜制碱技术作为烧碱生产的先进技术,使氯碱工业在能耗、技术指标、环境污染等方面取得了长足的进步。离子膜制碱技术是电解工艺技术的革命,是综合性的新技术,工艺条件严格、物料纯度要求高、产品质量好,并不断地进行着自我完善和发展。我国的离子膜制碱技术经过十多年的引进、消化和吸收,国产化装备才刚刚走向成熟,价格昂贵的离子膜还不能国产化,离子膜法烧碱无论从技术上,还是从操作管理上,与国外相比都存在差距,但许多不利因素通过加强管理是完全可以消除的,烧碱生产企业应注重挖潜增效,缩小与国外的差距,提高企业的国际竞争力。16离子膜电解技术在20世纪50年代和60年代早期,一些著名公司开始着手研究离子膜技术,但未能获得具有实用性的成果。1966年美国杜邦DUPONT公司开发了化学稳定性较好、用于宇宙燃料电池的全氟磺酸阳离子交换膜,即NAFION膜,并于1972年以后大量生产转为民用。这种膜能耐食盐水溶液电解时的苛刻条件,为离子膜法制碱奠定了基础。由60年代初开发出全氟离子膜,直到1975年旭化成公司才首先将离子膜应用在电解制碱上,实现工业化生产。此后的20年间,日本的旭硝子、旭化成、德山曹达、氯工程公司,美国的西方技术公司、奥林公司,英国ICI公司,德国的赫斯特伍德公司和意大利迪诺拉公司等15个公司拥有这项技术。离子膜电解制碱的优点为1投资省,比水银法投资节省约1015,比隔膜法节省约15252出槽NAOH浓度高,目前可达3035质量分数3能耗低,目前离子膜法直流电耗为22002300KWH/T4NAOH质量好5氯气纯度高,氯中含氧、含氢低6氢气纯度高7无污染8生产成本低。其缺点为1离子膜法对盐水质量的要求远远高于隔膜法和水银法,因此要增加二次盐水精制,即增加了设备投资费用2离子膜本身的费用也非常昂贵,容易损坏,目前国内尚不能制造,需花费大量外汇进口,所以需要精心维护、精心操作。鉴于离子膜的上述特点,无论是国外还是国内,在新建、改造和扩建烧碱生产装置时,都会首先考虑采用这一技术。世界离子膜制碱生产能力变化情况,1987年世界的烧碱10是用离子膜法生产的,1990年此比例上升到18,1993年已上升到236,1997年约为30,2000年,上升到约366。有关离子膜烧碱项目评审开工投产的消息频频见诸报端2005年2月，沙隆达年产5万吨离子膜烧碱通过评审；5月，东明石化集团15万吨/年离子膜烧碱项目建设进入实质阶段，在2006年底建成投产；6月，焦作昊华年产10万吨离子膜烧碱项目开工；二季度，上海天原的36万吨年新装置投产后，其烧碱年产规模达到76万吨；8月，唐山三友集团年产30万吨烧碱一期工程试生产10月，山东东营市化工厂二期12万吨离子膜烧碱项目一次性送电成功，顺利投产。种种迹象表明，离子膜烧碱行业目前已掀起新一轮的投资热潮，我国也无可争议地成为世界第一大烧碱生产国，不少企业已经乐观地等待着接下来赚个钵满盆盈了。中国使用离子膜法发展非常快，从2005年仅占26到2010年比例升至76。17我国离子膜法电解槽的现状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1万T/A于1986年在盐锅峡化工厂投入运转以来,已发展到今天成为世界上采用离子膜电解技术装备种类最多的国家。在引进国外技术的同时,国产化工作也一直在进行。北京化工机械厂自1984年和1985年引进日本旭硝子及旭化成单、复极离子膜电解槽制造技术以来,已为国内提供约30多万T/A烧碱生产装置,东北机器制造厂也开发了复极式离子膜电解槽技术,并为大庆氯碱厂提供了1万T/A烧碱工业化电解槽。1993年7月,沧州化工厂采用北京化工机械厂制造、完全国产化电解槽的1万T/A离子膜法烧碱装置一次成功投入运转,有力地推动了国内氯碱工业的生产发展与技术进步。进入90年代以来,我国氯碱行业离子膜法制烧碱技术装备的推广应用速度很快,截止到1998年年底,全国氯碱行业采用离子膜烧碱技术的装置能力达1658万T,产量为1196万T,占全年烧碱总产量的23,生产厂家达44个。国产化离子膜技术在国内的应用已基本成熟,国产化装置在国内氯碱行业中已占有一席之地,生产能力已占到国内膜碱总能力的122。通过企业的实际运行考核表明国产电解槽的水平已接近引进装置的平均水平。比较我国各引进离子膜法烧碱生产厂的生产实践和国外的资料介绍,我们认为,世界上各公司、厂商的离子膜法烧碱技术,在二次盐水、淡盐水脱氯、离子膜法电解工艺上,基本上大同小异。但在离子膜电解槽的硬件上,却各有千秋。企业应结合自身的特点及发展方向,认真地加以选择。目前国内采纳的离子膜电解技术装备中80为自然循环工艺,特别是近年来,从国外引进的工艺装备几乎全部是自然循环工艺。第二章工艺流程的选择与说明21原料的选择食盐，化学名叫氯化钠，分子式NACL,分子量为585，熔点为8040，沸点1439，食盐的主要成分为NACL，杂质与产地有关。本设计选用衡阳井矿盐，各组分含量如下，NACL9794，CA2018，MG004，SO42035，水不溶物014，水分079。固碱蒸汽蒸发单元电解液盐酸尾气盐酸吸收水干氢气合成氯气液氯工段液氯干氯气的浓硫酸湿氯气氯氢处理工序冷却水氢气处理工段湿氯气盐泥电解槽钛冷却器淡盐水脱氯工段淡盐水盐水精制化盐工段水原盐图21离子膜工艺流程22盐水精制的选择1、一次盐水精制一次澄清盐水的制备是氯碱生产工艺至关重要的工段，精制效果的好坏直接影响产品的质量和产量。传统性的一次盐水精制工艺，采用配水、化盐、加精制剂反应、澄清、砂滤，然后再经炭素烧结管过滤器过滤。近几年新建氯碱装置一次盐水工艺大都采用膜过滤技术制取精制盐水，该工艺路线省去了砂滤器、炭素烧结管过滤器。经生产实践证明，经膜过滤分离方法制得的一次盐水质量指标、设备投资等都比传统工艺理想。所以一次精制盐水工艺采用膜过滤器过滤工艺。2、二次盐水精制离子膜法电解槽使用的高度选择性离子交换膜要求入槽盐水的钙、镁离子含量低于20WTPPB，普通的化学精制法只能使盐水中的钙、镁离子含量降到10WTPPB左右。若使钙、镁离子含量降到20WTPPB的水平，必须用螯合树脂处理。二次盐水精制的主要工艺设备是螯合树脂塔，分二塔式和三塔式流程。塔的运行与再生处理及其周期性切换程序控制，可由程序控制器PLC实现，PLC与集散控制系统DCS可以实现数据通讯；也可以直接由DCS实现控制。伍迪公司采用的就是二塔式，其他公司采用三塔式流程。建议采用三塔式流程。23电解工艺来自化盐工段的精盐水，预热到6580后进入电解槽，在直流电的作用下进行电化反应，在阳极室产生氯气（湿），阴极室产生氢气（湿）和电解碱液（稀碱液），分别去氯氢处理工段（干燥工段）和蒸发工段。24碱液蒸发与浓缩电解碱液蒸发在一效蒸发中进行，采用一效首先因为本设计的蒸发量较小，只需要一效蒸发即可，其次可以节省投资费用，二次蒸发的温度较高，但可以回到化盐工序，而不浪费蒸汽，所以选择一效蒸发。25固碱工艺碱液在高温下进一步浓缩成熔融碱，在冷却器中使其成为形状的固碱，本设计采用膜式蒸发器连续蒸发生产固碱。连续膜式蒸发器生产固碱，采用薄膜蒸发原理，45的碱液先在升膜蒸发器内预热浓缩到60左右后，再经降膜蒸发器浓缩高温熔融碱，高温熔融碱经过冷却成型、片碱机工序，最后以桶碱、片碱或颗粒状碱，即成成品。26液氯工段工艺流程简述来自氯氢处理的干燥氯气进入列管式氯冷凝管的管间，被管内流过的35的冷冻盐水所冷却，大部分氯气被冷凝下来，然后在气液分离中分离，液氯流入液氯贮槽，加压后送去包装，未凝尾氯送合成盐酸、次氯酸钠工序作为原料。贮槽内液氯在系统压力下送往汽化器，用6080的热水进行加热，将液氯压入钢瓶，汽化器内残余液氯定期压往污氯处理槽回收氯气后，污物排入下水道。27氯气干燥的目的与机理一、氯气干燥的目的由于氯气含有大量的水蒸气，很容易生产盐酸和次氯酸。而次氯酸又很不稳定，容易分解生成盐酸和初生态氧。次氯酸还会分解HCLOHCLO次氯酸，次氯酸根，初生态氧的强烈氧化作用，再加上盐酸的作用，使湿氯气具有较强的腐蚀性。因此，必须设法尽量将氯气的多余水分移去，一般氯中含水在004006以下，方能满足一般要求。二、氯气干燥机理用硫酸来干燥氯气，可以理解为传质的单元操作吸收过程（其中也伴随着传热过程）。氯气中的水蒸气和硫酸一定条件下接触，而使水蒸气溶解于硫酸中的操作称为吸收操作，能溶解于硫酸中的水蒸气称为吸收质，所用的硫酸称为吸收剂，不能溶解的氯气叫做惰性气体。吸收过程主要是被吸收的水从气相氯气中的水蒸气转移到液相硫酸中去的扩散过程，也称为传质过程。硫酸对水分的吸收不伴有显著的化学反应，可以看作为单纯的物理过程。28氢气处理图22是氢气处理流程图，来自电解槽阴极的氢气首先进入氢气洗涤塔，此塔为一空塔，内装数层喷淋装置，冷却水经喷水装置，自塔顶喷淋下来，与自塔底进入的氢气相遇，进行冷却和洗涤，氢气所带的大部分水蒸气和碱雾，便被洗涤下来，随同用过的冷却水一起排出。从洗涤塔出来的氢气分为两部分，一部分经过H2风机输送到冷却塔进一步冷却，然后由缓冲罐分配到片碱工段作加热介质，到与CL2反应以及到氢压站。另一部分由氢气压缩机输送到水雾捕集器，然后输送给用户使用。压缩过程中使用N2作保护气体。图22氢气处理流程图29盐酸工段工序流程简述氯氢处理来的氢气经助火器、缓冲器、孔板流量计进入合成炉灯头的套筒，从液氯化来的尾气经缓冲器、助火器、孔板流量计进入合成炉灯头的内筒间，氯、氢气在合成炉内燃烧生成氯化氢气体，经冷却后依次进入级降膜吸收塔、级降膜吸收塔、尾气吸收塔，被自上而下的吸收水吸收生成盐酸，盐酸流入回收槽，以泵送贮槽，然后去包装，未吸收的尾气经水洗后，以抽风机排向大气。第三章工艺计算31电解槽的工艺计算在复极式离子膜电解槽生产运行过程中，由于电解液的电解过程是一个放热过程，为了保持电解槽的热量平衡，使其在适宜的温度条件下运行，通常采取阴极冷却器（也称循环碱液冷却器）对循环的阴极液进行冷却，以移走电解槽的多余热量。通过对电解槽进行热量平衡计算，求出需要移走的热量，并以此热量进一步求出阴极液冷却器的换热面积。电解槽平衡的物料数据见表31，以年产1万吨100NAOH为计算标准。表31电解槽热平衡的物料数据项目流量/（KGH1）温度/比热/KJ（KG）1进电槽精盐水1405260331向电槽加的盐酸40220314调碱液浓度的补水107830418淡盐水1029687364成品碱390690360表32氯气的组成组成流量/（KGH1）流量/（KMOLH1）质量分数/比热/KJ（KG）1CL21149516196028050H2O187110393668197O291028104100合计13457026861000087时，水的蒸发潜热LH2012290KJ/KG。氢气的组成（温度90时）见表33。表33氢气的组成组成流量/（KGH流量质量分数/比热/KJ（KG）11）/（KMOLH1）H2324162024221440H2O101456337578197合计133872531000090时，水的蒸发潜热LH2022281KJ/KG，电解过程的反应热（QR）可以用下式计算QRVVTHI3600NCNE/1000式中V电槽在运行状态下的槽电压，VVTH理论分解电压，217V；I电槽在运行状态下的电流，ANC复极电解槽的单元数，个；NE复极电解槽台数，个生产能力为1万T/A100NAOH的自然循环，电流密度为45KA/M2的复极式电解槽台数为1个，单元槽数为74个。运行电流IDF式中D电流密度，A/M2F电解槽的有效面积，M2。设计的复极式离子膜电解槽的有效面积为27M2，则I27D则QRV217I3600NCNE/1000972V217D7471928V217D收入热量精盐水带入热Q1140523316027907105KJ/H盐酸带入热Q2402314200252105KJ/H调碱浓度的补水带入热Q31078418301352105KJ/H电解放热QR71928V217D总收入热Q入Q1Q2Q3QR279071050252105135210571928V217D2951110571928V217D支出热量氯气带走热量Q4WH201LH2O1CPH201T1GCL2CPCL2T1GO2CPO2T11871229019787114950508791100875114105KJ/H式中WH201氯气中水的流量，KG/H；LH2O1水的蒸发潜热，KJ/KGCPH201水的比热，KJ（KG）1；T1淡盐水温度，；GCL2氯气中氯的流量，KG/H；CPCL2氯的比热，KJ（KG）1；GO2氯气中氧的流量，KG/H；CPO2氧的比热，KJ（KG）1。氢气带走热量Q5WH202LH2O2CPH202T2GH2CPH2T210142281197903241440902913105KJ/H成品碱带走热量Q639063609012655105KJ/H淡盐水带走热量Q7102963648712655105KJ/H当电解槽的热量收、支平衡即Q入Q出时,则有2951110571928V217D53287105，整理得V217D3306103，当D45KA/M2时，带入式（3）则得V3078V32氢气的工艺计算（洗涤冷却塔内）计算基准以1000KG100NAOH产氢作计算标准到达处理氢气温度为80，每生产1000KG100NAOH电解液所生产的氢气为25KG，此时饱和的水蒸汽含量为205KG，压缩机以前的操作压力近似为1绝对大气压（0KG/2），氢气纯度98，电解氢气经两段洗涤冷却温度从80降至30。表34各物料在不同温度下的组成物料与项目805030氢气比热（KCAL/KG）343934213409水蒸气比焓（KCAL/）631461916106其它气体比热024402430242（KCAL/KG）水的饱和蒸汽分压KCAL/204830125800433321物料衡算氢气在一段冷却塔中温度从80降至50，以1000KG100NAOH产氢作为计算标准。设氢气中冷凝水量为WL，由道尔顿分压定律列出方程解设WL1172（KG）因气体在水中的溶解度很小，故忽略不计。则出塔气体组成为氢气125KMOL（25KG）水汽1833KMOL（20517233KG）其他气体0255KMOL739KG表35一段洗涤冷却塔物料衡算表以1000KG100NAOH产氢作为计算标准名称进一段洗涤冷却塔（KG）出一段洗涤冷却塔（KG）氢气2525水汽20533其他气体739739水0172总计2373923739322能量衡算入塔气体带入热量Q1802534396878KCALQ22056314129437KCALQ3800244739144KCAL冷却水带出热量设冷却水量为WL2KG,温度25，出塔温度为50，出塔水量WL2WL1WL2172冷却水带入热量Q4WL225冷却水带出热量Q5WL217250出塔气体带出热量Q6502534214276KCALQ733619120430KCALQ850739024390KCAL忽略热损失则Q进Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8687812943714425WL2WL21725042762043090WL2412252KG即进入系统水量为412252KG,出系统冷却水量为412252172429452KG冷却水带入热量41225225103063KCAL冷却水带出热量41225217250214726KCAL表36一段洗涤冷却塔热量衡算表物料名称输入数量（KG）输入热量（KCAL）输出数量（KG）输出热量（KCAL）氢气256878254276水汽2051294373320430其他气体73914473990冷却水412252103063429452214726总计43599123952243599123952233氯气工艺计算（钛冷却器）331物料衡算生产规模150KT/A100NAOH；年生产时间（按年工作日330天计算）330247920小时；计算基准以生产1T100NAOH为基准；设管路中冷凝下来的水量为W1KG，因氯气在水中的溶解度很小，其溶液可视为理想溶液。由于系统总压为9807PA，所以计算时可视为101227KPA。由道尔顿分压定律得P水/P总N水/N总，解得W1117097KG故溶解的氯气量0002227117097026KG，氯水总重量117097026117357KG。由上述计算得知，进入第一钛冷却器的气体组分为氯气88502688474KG水蒸气310117097192903KG不凝气体15KG氯气在一段钛冷却器中温度从80降至46设在第一钛冷却器中冷凝的水量为W2KG，其阻力降为35981PA（35MMH2O），则出口氯气的总压为40981PA，P总10122735981103100933KPA根据道尔顿定律解得W2166946KG溶解氯气的量为1669460003550593KG，氯水总重量为1669460593167539KG因此出第一钛冷却器的气体组分为氯气884740593884147KG水蒸气19290316694625957KG不凝气体15KG表37第一钛冷却器物料衡算表（以生产1T100NAOH为基准）名称进第一钛冷却器（KG/T100NAOH）出第一钛冷却器（KG/T100NAOH）氯气88474884147水蒸气19290325957不凝气体1515氯水0167539总计10926431092643332能量衡算气体带入热量氯气带入热量Q188474/718364804186834909KJ水蒸气带入热量Q2192903631441868509948KJ不凝气体带入热量Q315024441868801226KJ氯气溶解热Q40593/7122090185KJQ349095099481226185546268KJ气体带出热量氯气带热量Q1884147/7182902464186819883KJ水蒸气带热量Q225957617424186867099KJ不凝气体带出热量Q315024264186846701KJ氯水带出热量Q4167539418285639244KJQ198836709970139244126927KJ冷却水用量冷却水采用工业上水，设进口温度T120，出口温度T230。定性温度T（T2T1）/2（2030）/225QWCCPCT2T1其中Q传热速率，WWC流体质量流量，KG/SCPC流体比热容，KJ/KGT温度，。则第一钛冷却器用水量为WC1Q/CPCT2T110032KG/T100NAOH冷却水带入热量100324179620838595KJ冷却水带出热量1003241796301257892KJ表38第一钛冷却器热量衡算表物料名称输入数量（KG）输入热量（KJ）输出数量（KG）输出热量（KJ）氯气884743490988414719883水蒸气1929035099482595767099不凝气却水10032838595100321257892总计11224643138510611124643138510634硫酸干燥塔内氯气物料衡算入塔硫酸浓度80，温度为15，出塔硫酸浓度60，温度为30，干燥后的氯气含水量为100PPM。计算中忽略氯气在硫酸中的溶解损失，设每千克80的硫酸吸收的水分为W3KG，则W380/60103333。设干燥所需80硫酸量为W4,则解得W418794假定各种因素造成硫酸的损耗为15，则需硫酸量为1879411521613填料塔流出的稀酸量为18794133331879401527877干燥后氯气中含水量634903333187940085出填料塔气体组分为氯气884004KG水蒸气0085KG不凝气体15KG表39硫酸干燥塔物料衡算表（以生产1T100NAOH为基准）名称进填料塔（KG/T100NAOH）出填料塔（KG/T100NAOH）氯气884004884004水蒸气63490085不凝气体1515硫酸2161327877总计926966926966第四章设备设计41离子膜电解槽的设计设计原则1总电能消耗低；2使用寿命长，可靠性高；3制造成本低4易于组装，拆卸和操作本设计采用复极式离子膜电解槽411经济电流密度的设计一般称产品成本最低时的电解槽运行最佳的电流密度为经济电流密度果电流越高，则每吨烧碱的电解槽折旧提成越低，而耗电量和电费相应升高。电流密度越低，则反之。经济电流密度公式IMDKPH式中I经济电流密度（单位A/DM2）；M电解槽每立方米的综合价格（单位元）；D折旧提成率（维修费，折旧率，固定资产占有率等，单位）；P电费（单位元/KWH）；H年工作时间（单位H）；K电解槽特性系数（单位）由于电解槽的基本特性相同，而电费价格稍有不同，离子膜电解槽一般均在45A/DM2高电流密度下运行。412总电解槽面