烧碱蒸发与片碱工艺.ppt

蒸发片碱工艺与设备,讲解人：任杰2015年5月28日,蒸发片碱工艺与设备,碱液蒸发的基本概念,传热方程式Q=KSt式中:Q传热速率，kj/h;S传热面积，m2;K传热系数，W/(m2.);t传热温差，;提高传热速率分别与传热面积、传热温差及传热系数有关，三要素是提高传热速率，提高蒸发能力的基本条件。,碱液蒸发的基本概念,1、传热面积：提高传热面积是提高蒸发能力的重要途径，但也意味着同时要增加设备的投资费用。因此，传热面积的增加受到投资费用的约束，在实践中，在投资确定时设计者就要考虑如何寻找最大的传热面积，即在传热管径、薄厚的选择上做文章。2、传热系数:（1）提高传热壁面两侧流体的传热系数：一般方法是提高流速，采用强制循环的方式。（2）减少传热壁面的厚度：采用薄壁管。（3）增大传热壁面的导热系数：选择较大的导热系数同时使用具有耐腐蚀性的材质，如镍、合金钢等（4）减少传热壁面两侧的热阻，即要清除壁面两侧上的污垢,碱液蒸发的基本概念,3、传热温度差（1）提高加热蒸汽的温度，即使用较高压力的饱和蒸汽（2）降低末效冷凝器的蒸汽饱和温度，一般都采用提高真空度的方式来实现。,第七章蒸发,6/60,2020年6月9日,概述,在化工、轻工、食品、医药等工业中，通过化学反应或物理性操作过程经常得到一些含溶质的稀溶液，为了得到符合标准的产品，常将含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作称为蒸发。1蒸发分离的依据利用溶剂具有挥发性而溶质不挥发的特性使两者实现分离。2蒸发操作的目的获得浓缩的溶液，直接作为成品或半成品脱除溶剂。此过程常伴随有结晶过程去除杂质。,3蒸发操作的应用,在工业上，有三种情况：(1)制取液体产品。例如电解食盐水得到的NaOH稀溶液中，含有约18%的NaCl，通过蒸发方法在除去大部分水的同时，将NaCl结晶而分离除去，得到规定的液碱产品；(2)生产固体产品。将稀溶液浓缩达到饱和状态，然后冷却使溶质结晶与溶液分离，从而获得固粒产品。例如，食盐精制、制糖、制药等。(3)制取纯溶剂。采用蒸发方法使溶剂汽化并冷凝，使不挥发性杂质分离而得到纯溶剂，例如海水淡化制取淡水等。,1.组成用来进行蒸发的设备主要是蒸发器和冷凝器，基本流程如图。蒸发器的作用是加热溶液使水沸腾汽化，并移去，由加热室和分离室两部分组成。加热室由传热管组成，中央设置一循环管，加热用的饱和水蒸汽在加热室管间冷凝放热用于对管内水溶液进行加热；分离室在加热室上部，为一圆筒结构，使受热上升的溶液在此汽化并将汽液分离。冷凝器与蒸发器的分离室相通，其作用是将产生的水蒸汽冷凝而除去。,4蒸发的流程,第七章蒸发,9/60,2020年6月9日,4蒸发的流程,2.流程蒸发操作时，溶液由分离室底部加入，沿中央循环管流向加热室，在加热室垂直管束内通过时与饱和蒸汽间接换热，被加热至沸腾状态，汽液混合物沿加热管上升，达到分离室时蒸汽与溶液分离。为与加热蒸汽相区别，产生的蒸汽称为二次蒸汽，二次蒸汽进入冷凝器被除去。溶液仍在中央循环管与加热管中进行循环，当达到浓度要求后称为完成液，从蒸发器底部排出。,第七章蒸发,10/60,2020年6月9日,5蒸发的分类,按操作压强分：加压蒸发、常压蒸发、真空蒸发真空蒸发的优点：1.减压下溶液沸点降低，使蒸发器的传热推动力增大，因而，对一定的传热量Q，可节省蒸发器的传热面积S。2.蒸发操作的热源可采用低压蒸汽或废热蒸汽，节省能耗。3.适于处理热敏性物料，即在高温下易分解、聚合或变质的物料。4.减少蒸发器的热损失。真空操作的缺点：1.溶液的沸点降低，使粘度增大，导致总传热系数下降2.动力消耗大。因需要有造成减压的装置。,第七章蒸发,11/60,2020年6月9日,按蒸发方式分：自然蒸发、沸腾蒸发自然蒸发：溶液在低于溶液沸点的温度条件下汽化。汽化只在溶液表面进行，汽化面积小，传热速率低，汽化速率低沸腾蒸发：溶液在沸腾条件下汽化。汽化发生在溶液的各个部位。汽化面积大，传热速率高，汽化速率高按二次蒸汽是否被利于分：单效蒸发、多效蒸发单效蒸发：将二次蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作多效蒸发：将二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热的串联操作,第七章蒸发,12/60,2020年6月9日,6蒸发的特点,从蒸发的过程可以看出，蒸发操作总是从溶液中分离出部分溶剂，而过程的实质是传热壁面一侧的蒸汽冷凝与另一侧的溶液沸腾间的传热过程，溶剂的汽化速率由传热速率控制，故蒸发属于热量传递过程。同时，蒸发器也是一种换热器。但蒸发操作和设备与一般的传热过程有所不同。蒸发具有下述特点：传热性质：传热壁面一侧为加热蒸汽进行冷凝，另一侧为溶液进行沸腾，故属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。溶液性质：有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢和产生泡沫；溶液的粘度在蒸发过程中逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。这些性质将影响设备的结构。,第七章蒸发,13/60,2020年6月9日,溶液沸点的改变(升高)：含有不挥发溶质的溶液，其蒸汽压较同温度下纯水的低，即在相同的压强下，溶液的沸点高于纯水的沸点，所以当加热蒸汽一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发水的温度差，两者之差称为温度差损失，而且溶液浓度越高，温度差损失越大蒸发溶液温度差：t=T-t蒸发纯水温度差：tT=T-TP一定时，tTttT泡沫挟带：二次蒸汽中常挟带大量泡沫，冷凝前必须设法除去。否则既损失物料，又污染冷凝设备。能源利用：蒸发时产生大量二次蒸汽，含有许多潜热，应合理利用这部分潜热。,碱液的物理性质,不同压力下碱液的沸点,碱液的物理性质,碱液的物理性质,离子膜电解蒸发过程的几个特性1、溶液沸点升高：碱液的沸点随着浓度的增加和蒸发压力的升高而升高。2、电解碱液的粘度：浓度升高粘度增大；温度升高粘度降低。离子膜碱液的腐蚀性：由于烧碱本身的苛化腐蚀性质，对蒸发的设备及管道产生强烈的腐蚀，烧碱蒸发过程中，镍材是首选材质，其次为316L不锈钢,二、离子膜法碱液蒸发流程及设备,（一）单效蒸发流程特点：当蒸汽压力较低（0.4PMa）,离子膜产量较小（1万t/a）,产品浓度要求较低（42%45%），以及蒸汽价格比较便宜。1、单效升膜蒸发流程2、单效旋转薄膜蒸发流程,（二）双效蒸发流程,1、双效顺流流程特点是设备要求材质不高，造价投资相对较低，工艺易于操作控制,2、双效逆流流程特点是各效温差较大，提高了传热速率，设备传热面积相比顺流小，但末效对设备材质要求较高，增加了投资。,3、降膜式双效逆流流程特点是具有能力大、强度高、工艺操作简单等特点。,（三）三效蒸发流程1、三效顺流强制循环流程特点是多次利用蒸汽，蒸汽消耗较低,2、三效逆流强制循环流程特点是具有传热温差大、传热效率高、设备能力大，但是由于末效温度高，高浓度碱对设备材质要求也较高。,3、三效降膜逆流强制循环流程特点是具有设备能力大，能耗低，一次性投入。,（一）主要工艺操作条件及消耗定额,三、工艺操作条件及蒸发影响因素,（二）影响碱液蒸发的因素1、生蒸汽压力2、蒸发器液位的控制3、真空度4、电解液浓度与温度5、蒸发完成液浓度6、蒸发器的效数7、气液分离器8、热损失,四、片状离子膜固碱流程及设备,1、升膜降膜流程特点是操作控制比较容易，但因其对二次蒸汽没有利用，所以能耗较多。,2、双效降膜浓缩流程特点是具有设备能力大，能耗低，一次性投入。,片碱生产蔗糖的作用：,用食品级砂糖，配制成10%的水溶液，加在62%烧碱中，防止高温熔融碱对镍制设备的腐蚀。在固碱生产中，高温的浓碱对镍设备有一定的腐蚀性。腐蚀的原因主要是碱液中所含氯酸盐在250以上时会逐步分解，并放出新生态氧与镍材发生反应，生成氧化镍层。氧化镍易溶于浓碱中而被碱液带走。这样的过程在浓碱蒸发中反复进行而导致镍制设备的腐蚀损坏。离子膜碱虽然含氯酸盐仅有20-30mg/L，但为了保持设备的长期寿命，仍需要处理除去氯酸盐。常用的处理方法是在原料液中加入糖液。这种方法比其他方法如离子交换法、亚硫酸钠法优越的多，其主要原因是操作简单、无须加许多设备，另外糖资源易得，价格低廉。其反应机理为C12H22O11+8NaClO3=8NaCl+12CO2+11H2O生成的CO2即与NaOH反应CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O生产中实际加入糖量是理论量的2倍,也有的甚至是建议值的6-8倍，这样做会使反应进行的很完全。由于在反应过程中产生CO2，因此在碱产品中Na2CO3的含量会增加一些，当然同时也增加了产品中NaCl的含量。,片碱生产熔盐的作用：,规格：亚硝酸钠（NaNO2）40硝酸钠（NaNO3）7硝酸钾（KNO3）53用途：片碱生产的载热体。性质：熔点为142.2。427以下非常稳定，可使用多年而不变质，对碳钢和不锈钢仅有轻微腐蚀，超过450开始有缓慢分解，550以上开始加速分解，600以上分解明显，同时熔点升高，从透明的琥珀色液体变成棕黑色。因此在使用中应控制上限温度427,离子膜固碱的种类,一、桶状固碱