年产20万吨烧碱电解工段的初步工艺设计

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目 录

前 言 -------------------------------------------------------------------------------------------- 1 第一章 综 述 ------------------------------------------------------------------------------- 2

1.1 烧碱的性质 --------------------------------------------------------------------------------------------- 2 1.2 其他副产物的性质 ----------------------------------------------------------------------------------- 3 1.3 氯碱工业的发展状况 -------------------------------------------------------------------------------- 3 1.3.1 我国氯碱工业的发展状况 ---------------------------------------------------------------------- 3 1.3.2 世界氯碱工业的发展现状 -------------------------------------------------------------------- 5 1.4 氯碱工业的生产工艺现状 -------------------------------------------------------------------------- 5

第二章 隔膜法电解制烧碱 --------------------------------------------------------------- 7

2.1 隔膜法制烧碱的基本原理 -------------------------------------------------------------------------- 7 2.1.1 基本原理 -------------------------------------------------------------------------------------------- 7 2.1.2 电压效率及槽电压 -------------------------------------------------------------------------------- 8 2.2 电极和隔膜材料的选择 ----------------------------------------------------------------------------- 9 2.2.1 阳极材料 -------------------------------------------------------------------------------------------- 9 2.2.2 阴极材料 ------------------------------------------------------------------------------------------ 10 2.2.3 隔膜材料 ------------------------------------------------------------------------------------------ 10 2.3 隔膜电解槽的选择 --------------------------------------------------------------------------------- 10 2.4 隔膜法电解工艺流程及操作条件 -------------------------------------------------------------- 11 2.4.1 工艺流程 ------------------------------------------------------------------------------------------ 11 2.4.2 操作条件及主要技术经济指标 ------------------------------------------------------------- 13 2.4.3 电解操作指标与生产控制点分析 ---------------------------------------------------------- 14

第三章 工艺计算 -----------------------------------------------------------------------------16

3.1 物料衡算 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 16 3.1.1 对电解槽做物料衡算 -------------------------------------------------------------------------- 16

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3.1.2 对氢盐换热器进行物料衡算 ----------------------------------------------------------------- 17 3.2 能量衡算 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 18 3.2.1 对氢盐换热器进行热量衡算 ----------------------------------------------------------------- 18 3.2.2 对电解槽进行热量衡算 ----------------------------------------------------------------------- 20

第四章 主要设备的工艺计算与选型 -------------------------------------------------22

4.1 电解槽数量的估算 --------------------------------------------------------------------------------- 22 4.2 氢盐换热器的选型 --------------------------------------------------------------------------------- 22 4.3 盐水预热器的选型 --------------------------------------------------------------------------------- 23 4.4 其他设备的选型 ------------------------------------------------------------------------------------- 24

第五章 主要工艺管道的计算与选择 -------------------------------------------------26

5.1 主要工艺管道的计算与选择 -------------------------------------------------------------------- 26 5.1.1 水蒸气管道的选型 ------------------------------------------------------------------------------ 26 5.1.2 电解槽氢气出口总管道的选型 ------------------------------------------------------------- 26 5.1.3 电解槽氯气出口总管道的选型 ------------------------------------------------------------- 26 5.1.4 氢盐换热器排水管道的选型 ----------------------------------------------------------------- 26 5.1.5 盐水预热器排水管道的选型 ----------------------------------------------------------------- 27 5.1.6 精盐水管道的选型 ------------------------------------------------------------------------------ 27 5.1.7 电解碱液出口总管道的选型 ----------------------------------------------------------------- 27 5.2 主要管道选择结果汇总 --------------------------------------------------------------------------- 27

第六章 经济核算 -----------------------------------------------------------------------------28

6.1 经济核算 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 28 6.1.1 生产消耗核算 ------------------------------------------------------------------------------------ 28 6.1.2 生产成果核算 ------------------------------------------------------------------------------------ 28 6.1.2核算结果分析 ------------------------------------------------------------------------------------- 29

第七章 厂址选择和车间布置 -----------------------------------------------------------30

7.1 化工厂选址的重要性 ------------------------------------------------------------------------------ 30

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7.1.1化工厂厂址选择的影响因素 ----------------------------------------------------------------- 30 7.1.2厂址的选择 ---------------------------------------------------------------------------------------- 31 7.2 车间设备布置 --------------------------------------------------------------------------------------- 31 7.2.1化工厂总平面布置的原则 --------------------------------------------------------------------- 31 7.2.2车间布置的具体要求 --------------------------------------------------------------------------- 32

第八章 氯碱生产中的防腐及三废处理 -----------------------------------------------34

8.1 氯气的腐蚀原因和防护措施 -------------------------------------------------------------------- 34 8.2 盐酸的腐蚀成因与防护措施 -------------------------------------------------------------------- 34 8.3 烧碱产生的腐蚀及防护措施 -------------------------------------------------------------------- 35 8.4 氯碱生产中三废的处理 --------------------------------------------------------------------------- 36 8.4.1 “废渣”治理与综合利用------------------------------------------------------------------------- 36 8.4.2 “废气”治理及综合利用------------------------------------------------------------------------- 36 8.4.3 “废水”的治理 ------------------------------------------------------------------------------------- 37

第九章 设计小结 ---------------------------------------------------------------------------38 参 考 文 献 -----------------------------------------------------------------------------------39 致 谢 ----------------------------------------------------------------------------------------40

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前 言

氯碱，即氯碱工业，也指使用饱和NaCl溶液制氯气氢气烧碱的方法。工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业，即工业上电解法生产烧碱也称氯碱工业。

氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。

电解法生产烧碱，根据电解槽结构、电极材料和隔膜材料的不同可分为水银法、隔膜法和离子交换膜法。

电解法生产烧碱除原料易得、生产流程较短外，主要有以下三个特点：

第一、能耗高，电解法生产烧碱的主要能耗是电能，其耗电量仅次于电解法生产铝； 第二、氯与碱的平衡，电解法制烧碱所得到的烧碱与氯气的产品的质量比恒定为1:0.88，但一个国家或地区对烧碱和氯气的需求量，是随着化工产品生产的变化而变化的；

第三、腐蚀和污染严重。

目前国内主要采用隔膜电解法制烧碱，而电解工段是电解食盐水生产氯气、氢气、烧碱的主要工段，因此电解工段的工艺设计至关重要。

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第一章 综 述

烧碱（NaOH）即氢氧化钠，俗称火碱、苛性钠。是一种常见的重要强碱，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门。

工业上常见的烧碱生产方法有苛化法和电解法两种。苛化法是用纯碱（Na2CO3）和石灰乳（Ca(OH)2）通过苛化反应生成烧碱而得名，也叫石灰苛化法。

电解法是采用电解食盐（NaCl）水的方法生产烧碱，在制得烧碱的同时还生产氯气(Cl2)和氢气(H2)，所以工业上电解法生产烧碱也称氯碱工业。

1.1 烧碱的性质

（1）物理性质 纯的无水氢氧化钠为白色半透明，结晶状固体。氢氧化钠极易溶于水，溶解度随温度的升高而增大，溶解时能放出大量的热。其溶液呈强碱性，腐蚀性极强。

纯氢氧化钠的物理性质如下：

分子式 NaOH 分子量 39.998 熔点 318 .4℃ 沸点 1399℃ 折射率 1.3576 熔融热 164.7J/g 溶解度 109

比热容 1.477J/（g·℃）

（2）化学性质 氢氧化钠是强碱，具有碱的一切通性，另外还具有其他碱没有的特性。

a.放在空气中易潮解，并吸收空气中的CO2而变质。故应放置在干燥的环境中，也可用于干燥气体。

b.在水溶液中能电离出大量的OH-离子。 NaOH === Na + OH- c.能和酸和一些酸性氧化物反应 NaOH + HCl ==== NaCl + H2O 2NaOH + SO2(不足)==== Na2SO3 + H2O d.能和一些金属盐反应。

2NaOH + CuSO4=== Cu(OH)2↓+ Na2SO4 f.氢氧化钠溶液和铝反应

2Al + 2NaOH + 2H2O ==== 2Na(Al（OH)4）+3H2↑ 在NaOH不足量时发生的反应为

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2Al+6H2O + NaOH=== 2Al(OH)3↓+ 3H2↑

1.2 其他副产物的性质

（1）氢气 氢气是一种无色、无味、无嗅易燃的气体。在各种液体中溶解甚微，难于液化，液态时为无色透明液体，有超导性质。主要化学性质为高燃烧性和还原性。常用作还原剂。

（2）氯气 氯在常温常压下为黄绿色气体，有强烈的刺激性气味，吸入少量就能使人中毒。经压缩可液化为金黄色液态氯。常用作为强氧化剂与氯化剂。氯混合 5%（体积）以上氢气时有爆炸危险。氯能与有机物和无机物进行取代或加成反应生成多种氯化物。氯在早期作为造纸、纺织工业的漂白剂。氯气易液化，可溶于水，易溶于有机溶液。

1.3 氯碱工业的发展状况

1.3.1 我国氯碱工业的发展状况

Ⅰ.生产能力 氯碱工业，在我国国民经济中占有重要的地位。我国各氯碱企业为了提

高自身的竞争力，纷纷扩大烧碱装置规模，从1999年开始，掀起了一轮烧碱扩建高潮，到2000年其生产能力已从1998年的6 860 kt/a增至8 000 kt/a，目前我国烧碱的总生产能力已经达到8 620 kt/a，居世界第2位。如此快速的增长，使国内烧碱市场趋于饱和状态，而且这种扩建热潮目前还在继续，齐鲁石化公司氯碱厂正在扩建的200 kt/a的离子膜装置，上海氯碱化工股份有限公司计划再建400 kt/a的装置，其他的一些厂家的计划项目估计还有700 kt/a, 如果这些计划项目得以实施，我国的烧碱生产能力将达到近10 000 kt/a。

目前我国的烧碱企业有200多家，装置规模普遍较小，生产能力超过100 kt/a的生产企业只有24家。

Ⅱ.产量 随着生产能力的不断增加，近年来烧碱的产量也不断增加，2002年全国烧碱产量达8089 kt，为历史最高纪录，与2001年的7 135.2 kt相比，增长幅度为13.4%。目前烧碱的生产方法几乎全部采用电解食盐水的方法，这样，每生产1 t烧碱则联产0.88 t氯气。2001年在生产烧碱的同时，产出氯气6 280 kt；2002年则同时产出氯气7 120 kt。

随着离子膜法新装置的建成，造成严重环境污染的水银法已停止生产，苛化法的产量也相当少，我国目前烧碱的主要生产方法是隔膜法和离子膜法。

Ⅲ.我国氯碱工业存在的问题

（1）规模、技术问题 目前我国烧碱每套装置的平均规模在40 kt/a左右。只有24家企业达到了100 kt/a规模，布局分散，规模小，与国外大型烧碱企业差距大，国外氯碱企业的集中度相对较高，日本、欧盟的前5家企业分别集中了它们烧碱生产能力的50%，美国的5家大公司集中了美国烧碱生产能力的80%，而我国前5家企业的生产能力不到全国总生产能力的16%，装置规模小，效益自然差距很大。

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近几年，我国的氯碱生产工艺虽然有了较大变化，采用先进生产工艺的生产装置逐年增加，但是，总的来说，生产工艺与国外相比相对落后，再加上其他的一些因素，生产成本普遍偏高。目前我国的烧碱生产中，电解法产量已占总产量的99.3%，苛化法仅占0.7%。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%，水银法烧碱下降仅为0.1%。

（2）氯与碱平衡问题 氯与碱的平衡是氯碱工业发展的关键，在20世纪80 年代，是以碱定氯，通常把氯气作为生产烧碱的副产品；而到了20 世纪90年代，由于氯产品的应用越来越广泛，氯碱工业逐步发展为以氯定碱，烧碱逐渐被一些业内人士称为副产品了。近十几年来由于我国氯碱工业的盲目扩建，使烧碱产能增长过快，而下游相关产业发展滞后，氯与碱的需求不平衡问题越来越突显。而且国内市场上氯产品需求旺盛，而烧碱市场疲软，目前我国成为世界上唯一有烧碱过剩需要出口，却需要大量进口氯产品的国家，估计今后这种氯与碱的供求不平衡还将会继续进一步扩大。显然，氯产品的发展是今后氯碱工业所必须关注的一个重要问题，氯产品的开发与生产成为企业今后主要的效益增长点，也是氯碱生产中决定企业经济效益和技术水平的最关键的因素之一，氯产品的生产与发展对氯碱行业的氯碱平衡起着决定性的作用。我国的氯碱工业目前已开始由建国初期的以碱为主的产品结构转向以氯为主的产品结构的新的发展时期。目前国内氯产品市场呈现出需求旺盛而国内生产供应不足的现象，为数不少的氯产品全部或大量从国外进口。因此，如何合理开发生产氯产品，搞好氯碱平衡是当前需深入研究和认真探讨的重要课题

（3）氯产品的结构问题 目前我国的氯产品主要有无机氯产品和有机氯产品。我国氯产品开发与生产最近几年有了很大发展，但是，与国外发达国家相比，我们的差距还相当大。从耗氯结构来看，我国的无机氯产品的耗氯量始终占据全部氯产品耗氯量的主导地位，虽然从1983年我国停止生产耗氯量占12%左右的“六六六”原粉商品后，聚氯乙烯树脂的耗氯量有所增加，尤其20世纪90年代中期，我国开始大力推广使用塑料建材，限制使用木材，使建筑行业以塑代木、以塑代钢得到迅速发展，从而推动了聚氯乙烯行业的发展。尽管如此，我国的无机氯产品的耗氯量依然占据我国氯产品耗氯总量的54%（包括盐酸和其他无机氯化物），其余46%用于生产有机氯化物（包括聚氯乙烯、氯乙酸和氯丁橡胶等）。生产聚氯乙烯耗氯量约占氯总消耗量的22%。

在耗氯结构这一点上，国外一些发达国家与我国完全不同。美国1995年有机化学品的耗氯量占其整个氯产品耗氯量的76.6%，而无机氯产品仅占12.8%；西欧1995年有机氯产品的耗氯量占其整个氯产品耗氯量的84.1%，无机氯产品耗氯量占氯产品耗氯总量的9.6%；日本1995年有机氯产品耗氯量占整个氯产品耗氯量的55%，无机氯产品耗氯量占整个氯产品耗氯量的9.6%。

和国外发达国家相比，我国的有机氯产品所占比例小，但这并不说明我国有机氯产品需求少，事实上，我国这几年进口的有机氯产品占国内总用氯量的20%以上。造成我

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国有机氯产品大量进口的主要原因在于国内原料路线及生产工艺落后，生产规模小，产品成本高和质量差，竞争不过进口产品。 1.3.2 世界氯碱工业的发展现状

（1）世界氯碱工业生产能力及其分布 世界氯碱工业中烧碱、氯气的生产能力1993年至1996年稳定在年产4800万吨左右。其中烧碱年产量约4000万吨，美国和欧洲约2500万吨/年，日本400万吨/年。1997年世界烧碱生产能力有所增长，约为5075万吨，产量约为4340万吨，2000年预测生产能力约为5189万吨，产量约为4548万吨，一些老装置将被关闭。美、日、欧三个地区大体上占世界总产量的73%，预计到2000年美国和欧洲的烧碱产量为2170万吨，由原来占63%的比例降为48%。日、美、西欧作为全球氯碱工业的基础，形成三足鼎立之势，引导世界氯碱行业发展的潮流，主宰着氯碱产业的价格动向，平衡动向，是氯碱生产的原动力，这种状况将持续到2000年。 （2）西方发达国家氯碱工业的发展趋势： 第一，以技术改造为手段，向节能降耗发展。

世界先进国家大多数彩用离子膜法生产烧碱，日本离子膜法工艺占88%，而我国仅占15%不到。

第二，以联合兼并等方式，向大型规模发展。

美国麦道化学、OXY Chemical、PPG三公司烧碱产量所占全国比例高达65%；前四大氯碱工业企业的产量占全国总产量的80%。而我国烧碱企业有220多家，厂多规模小，布局分散，经营条件差，前四大氯碱工业企业的产量仅占全国总产量的15%，因此，影响了我国氯碱工业企业在国际市场上的竞争力。

第三，发展以氯碱为原料的项目，确定精细化工发展战略。

美、日、欧大型氯碱企业产品结构向精细化工升级，其长远战略就是发展精细化工，不断提高产品精细化率。英国ICI公司、德国拜耳公司、美国麦道化学公司、日本旭化成公司，转向生产化工、生命科学、电子化工材料、信息化学品、功能高分子等高科技精细化工领域，这些公司2000年产品的精细化率将超过50%。

1.4 氯碱工业的生产工艺现状

电解法生产烧碱在制得烧碱的同时还生产氯气和氢气，所以工业上电解法生产烧碱也称氯碱工业。它是基础化学工业之一，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门。

电解法生产烧碱除原料易得、生产流程较短外，主要有以下三个特点。

（Ⅰ） 能源消耗大，主要是用电量大 氯碱生产的耗电量仅次于电解法生产铝，电能是氯碱工业的重要原料之一。在美国，氯碱工业用电量占总发电量的2%，中国氯碱工业生产的耗电量占年总发电量的1.5%。因此，电力供应状况和电价对氯碱产品的

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生产成本影响极大，各国始终的把降低能耗作为电解法的核心问题。通过运用先进设备，提高电解槽的电能效率和碱液蒸发热能的利用率，来降低烧碱的电耗和蒸汽消耗。因此，开辟节约能源新途径，具有重要意义。

（Ⅱ） 氯与碱的平衡 电解食盐水溶液时，按固定质量比例(1:0.85)同时产出烧碱（NaOH）和氯气两种联产品。在一个国家和地区，对烧碱和氯气的需求结构不一定符合烧碱和氯气的供给结构，因此出现了烧碱和氯气的供需平衡问题。一般情况下，发展中国家工业发展的初期用氯量较少，由于氯气又不宜长途运输，所以总是以氯气需用量来决定烧碱产量，往往出现烧碱短缺。在石油化工和基本有机原料发展较快的国家和地区用氯量较大，因此出现烧碱过剩。总之，烧碱与氯气的平衡问题始终是氯碱工业发展中的恒定矛盾。

（Ⅲ） 腐蚀和污染 氯碱产品如烧碱、盐酸等具有强腐蚀性，在生产过程中使用的原材料如石棉、汞、含氯废气等都可能对环境造成污染，因此防止腐蚀和环境污染也一直是氯碱工业努力革新的方向。

电解法生产烧碱，根据电解槽结构、电极材料和隔膜材料的不同可分为水银法、隔膜法和离子交换膜法。20世纪70年代中期水银法在发达国家的氯碱工业中占有相当重要的地位，但因汞有毒性，70年代末该法开始被逐渐淘汰。隔膜法是最早出现的食盐水电解技术，已历经多次技术革新。隔膜法电解槽中采用的石棉隔膜有一定的局限性。离子膜法师20世纪70年代发展的新技术，其电极反应与隔膜法的完全相同，但用离子交换膜代替石棉隔膜，离子交换膜反应器组装灵活，单原料进入和产物排放用的管道很多，此外因受到离子膜尺寸的限制，反应器单元的生产能力较小。

本设计参照中盐株洲化工集团的氯碱生产工艺，选择隔膜法电解生产烧碱。

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第二章 隔膜法电解制烧碱

2.1 隔膜法制烧碱的基本原理

2.1.1 基本原理

NaCl水溶液中，主要存在四种离子：Na+、Cl-、H+、OH-。电解槽的阳极通常使用石墨电极或金属涂层电极；阴极用铁丝网或冲孔铁板；中间的隔膜由一种多孔渗透件材料做成，多采用石棉，将电解槽分隔成阴极室和阳极室两部分，使阳极产物与阴极产物分离隔开，可使电解液通过，并以一定的速度流向阴极。目前，工业上较多使用的是立式隔膜电解槽，工作原理如图3.1所示。

图3.1 立式隔膜电解槽示意图

饱和食盐水由阳极室注入，使阳极室的液面高于阴极室的液面，阳极液以一定流速通过隔膜流入阴极室以阻止OH-的返迁移。得到产品氢气、氯气分别从阴极室和阳极室上方的导出管导出，氢氧化钠则从阴极室下方导出。

此过程中发生的电极反应如下： 阴极反应：2H+ + 2e === H2↑ 阳极反应：2Cl- - 2e === Cl2↑

电解总反应：2NaCl + 2H2O === H2↑+ Cl2↑+ 2NaOH

在电解过程中，由于阳极产物的溶解，以及通电时阴阳极产物的迁移扩散等原因，在电解槽内还会有一系列的副反应发生。

Cl2 + H2O === HClO + HCl

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ClO- + 2[H] === Cl- + H2O

副反应的发生，不但会降低碱和氯的产量，而且还会降低电流效率。为了减少副反应的发生，在生产中采取的主要措施如下：

(1) 采用精制的饱和食盐水溶液并控制在较高的温度下进行电解，以减少氯气在阳极液中的溶解度。

(2) 保持隔膜的多孔型和良好的渗透率，使能阳极液正常均匀地透过隔膜，阻止两极产物的混合和反应。

(3) 保持阳极室的液面高于阴极室的液面，用一定的液位差促进盐水的定向流动而阻止OH-由阴极室向阳极室的扩散。 2.1.2 电压效率及槽电压

（1）理论分压 为了增大食盐水的电导和减少氯在食盐水中的溶解以抑制副反应,电解时常常采用浓度高的接近于饱和的食盐水，含氯化钠约为300-330㎏/m3.按吉布斯-亥姆霍兹公式计算,此条件下的食盐水的理论分压为2.17V。计算如下：

E=

QdE + T nFdT对于从食盐水生成的氯、氢和氢氧化钠的电解过程来说,式中： Q—由氯化钠和水生成氯、氢和氢氧化钠的热反应的，J

dE/dT—分解电压的浓度系数,对氯化钠的水溶液的电解来说,浓度系数等于-0.0004V/K。

氯化钠的水溶液电解的总过程可以写为：

NaCl + H2O = NaOH + 1/2Cl2 + 1/2H2

其热效应可以根据盖斯定理计算，由元素生成的氯化钠的生成热为：

Na +1/2Cl2 = NaCl +409.0KJ

氯化钠在水中的溶解热为-1.9KJ/mol 由钠和水生成的氢氧化钠溶液的热效应为：

Na + H2O = NaOH + 1/2H2 +185.8kJ/mol

分解氯化钠的水溶液所需要的热量为：

Q = 409.0 + (-1.9)－185.8=221.75kJ/mol

代入公式求得25℃时的氯化钠的理论分压为：

E=

221.5?1000－0.0004×298=2.17V

1?96500（2）槽电压 电解槽两极上所加的电压称为槽电压，槽电压Em包括:理论分压E、过电位E0、电流通过电解液的电压降?EL和通过电极、导线、接点、等的电压降?ER，即

E槽=E+E0+?EL+?ER

理论分压E对槽电压EM之比，称为电压效率ηE,即：

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ηE=(E/E槽)×100%

隔膜法的电压效率一般在60%左右。隔膜电解槽的槽电压一般为3.2-3.8V，本设计采用的槽电压为3.34V，则理论分压2.17V可知：

ηE=

2.17×100%=64.98% 3.34电能效率η为电压效率与电流效率的乘积，即

η= ηE ·ηI

也可以写成:

η=

生产1t烧碱理论电能消耗

生产1t烧碱实际电能消耗而理论上生产1t氢氧化钠时消耗的电量为：

Q0=

1?1000000?96500=2.413 GC

40按理论分压为2.17V计算，耗用的电能为：

W0=2.17×2.413=5.24GW·s (1460KW·h)

本设计采用95%的电流效率，则耗电量为：

Q=

2.413=2.54 GC 0.95而采用槽电压为3.34V,则消耗的电能为:

W=3.34×2.54=8.48GW·s(2400KW·h)

电能效率为：

η=

5.24×100%=61.72% 8.482.2 电极和隔膜材料的选择

2.2.1 阳极材料

由于电解槽的阳极是直接地持续地与化学性质十分活泼，且腐蚀性较强的湿氯气、盐酸和次氯酸等接触，因此阳极材料应具有较强的耐化学腐蚀性，同时具有对氯的过电压低，导电性能良好，机械强度高而且易于加工，来源广泛和使用寿命长等特点。目前国内外氯碱工业中普遍采用的电极是石墨阳极和金属阳极。

金属阳极与石墨阳极相比较有如下优点：

（1）生产能力高 金属阳极能耐高电流密度，一般情况下可达15~17A/dm2，为石墨电解槽电流密度的2倍，国外的MDC型和Hooker型电解槽可达20 A/dm2。这就大大提高了单槽生产能力。

（2）产品质量好 金属阳极性能稳定，碱液无色透明，浓度高，氯气中无CO、CO2等杂质，纯度高。

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（3）电能损耗小 在金属阳极上氯的放电电位逼在相同条件下的石墨电极上约低200mV，每生产1t100% NaOH可以节电140~150度（kW·h）电。另外，因碱液浓度比石墨阳极电解槽高，还可节约蒸发碱液的蒸汽用量。

（4）使用寿命长 金属阳极耐碱和氯的腐蚀并可更换涂层，使用寿命可达10年以上。另外，电解槽和隔膜的寿命长，使检修和材料费用大大降低。

（5）环境污染小 金属阳极不使用沥青和铅，因此改善了对环境的污染。 因此，采用金属阳极比较好，目前氯碱工业上使用最广泛的是钌钛金属阳极。 2.2.2 阴极材料

阴极材料要具有耐氯化钠、氢氧化钠的腐蚀，导电性能良好，且氢在电极上的过电位要低等特点。隔膜电解槽常见的阴极材料有铁、铜、镍等。由于铁的耐氯化钠、氢氧化钠等的腐蚀性好且具有导电性能好、氢的过电压低的优点，是一种质优价廉的阴极材料。使用寿命可长达40年。为了便于吸附隔膜及易于使氢气和电解液流出，立式隔膜电解槽的阴极一般采用铁丝编成网状，也有用冲孔铁板。 2.2.3 隔膜材料

隔膜是整个电解槽中最重要的组成部分。它是隔膜电解槽中直接吸附在阴极上的多孔型材料层，用它将阳极室和阴极室隔开。对隔膜材料的要求大致有以下几点： ①应具有较强的化学稳定件，既耐酸又耐碱的腐蚀，并应具有相当的机械强度，长期使用不宜损坏；

②必须保持多孔及良好的渗透性，能使阳极液维持一定的流速且均匀地透过隔膜，并防止阳极液与阴极液的机械混合；

③应具有较小的电阻，以降低电压损失； ④材料易得，制造成本低。

石棉是一种硅酸盐纤维状矿物质，具有耐酸耐碱的特性，能够比较全面地满足上述要求，所以自20世纪20年代以来一直使用石棉作为隔膜材料。

2.3 隔膜电解槽的选择

隔膜电解槽是隔膜电解法生产的主要设备。

根据隔膜的安装位置，隔膜电解槽分为立式和水平式两种。早期的隔膜电解槽是水平安装的，但电流密度小，占地面积大，相对成本高，后来逐渐被立式隔膜电解槽取代。目前国内大、中型氯碱厂都普遍使用化工部第八设计院设计的C30-Ⅲ型金属阳极隔膜电解槽。如图2.2为C30-III型金属阳极隔膜电解槽的结构示意图。

各种隔膜电解槽的结构虽然不尽相同，但基本构件中都包括槽盖、阳极组合件和阴极组合件。中国金属阳极电解槽主要部件见下表2.1。

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表2.1 中国金属阳极电解槽主要部件

槽型 阳极片规格

/mm 阳极片数/片 复合棒规格

/mm 复合棒质量

/Kg 铁网质量/Kg 钛法兰垫圈 铁丝网质量

/Kg 铜材质量/Kg 阴阳极极距

/mm

3-ⅠA

3-ⅠB

3-Ⅱ

3-Ⅲ

47-ⅠB

47-ⅡB

2×240×800 32×320×800 34×330×800 36×400×800 33.4×280×750 37×560×750

80 □24×24 330 133 聚四氟 900 10.5

60 □27×27 366 130 天然胶 900 9.5

66 □29×29 370 130 天然胶δ=3 φ50/24 1000 1300 9

48 □33×33 365 130 天然胶δ=4 φ50/29 1000 1500 8.5

112 □27×27 640 208 天然胶 10

56 □33×33 436 201 聚四氟 7.5

图2.2 C30-III型金属阳极隔膜电解槽的结构示意图

1阳极组合件；2-电解液出口：3-阴极连接铜排；4-阴极网袋；5-阳极片；6-阳极水位表接口；7-盐水喷嘴插口；8-氯气压力表接口；9-氯气出口；10-氢气出口；11-槽盖；12-橡皮垫床；13-阴极箱组合件；14-阳极连接铜排

2.4 隔膜法电解工艺流程及操作条件

2.4.1 工艺流程

电解工段的主要任务是在直流电的作用下，完成电解食盐水溶液制取NaOH、Cl2和H2的工艺过称。由盐水精制工段送来的精制盐水进入高位槽（1），液面维持恒定，以便利用高位槽的液位压差，使盐水平稳地经盐水预热器（2）加热到70~80℃,由总管

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均匀分流到各电解槽（3），进行电解。电解生成的氯气从电解槽顶部出口支管导入氯气总管，送氯气处理工序；氢气从阴极箱上部出口支管导入氢气总管，送氢气处理工序。生成的电解液，从电解槽阴极箱出口流出，导入总管，汇集到碱液贮槽（4），用泵（5）送往蒸发工段，蒸发浓缩。流程见示意图2.3。

图2.3 电解工段生产流程简图

1-高位槽；2-预热器；3-电解槽；4-碱液储槽；5-碱泵

具体流程图如下图2.4所示

图2.4 隔膜法工艺流程方框图

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2.4.2 操作条件及主要技术经济指标

(1) 盐水的浓度 电解质溶液的导电是依靠溶液中正负离子的迁移并在电极上放电而引起的。所以，电导率随电解质溶液浓度的升高而升高，一直到溶液饱和为止。工业生产上电解液采用的是NaCl的饱和溶液，其质量浓度为(315 ± 5)g/L。

普通工业食盐中常含有钙盐、镁盐、硫酸盐等其他杂质，对电解操作极其有害。故工业用原盐制备的粗盐水，必须加以精制。

在生产中，一般采用添加过量的Na2CO3和NaOH除去Ca2+、Mg2+杂质；为了控制SO42-的含量，采用加入氯化钡的方法。精盐水的质量见表2.2。

表2.2 精盐水的质量指标 (g/L)

NaCl含量 ≥315

Ca2+、Mg2+总量

＜10

SO42-含量 ＜5

NaOH过碱量 0.07-0.6

Na2CO3过碱量

0.25-0.6

(2) 盐水的温度 提高温度，可提高电解质的电导率，降低氯气在阳极液中的溶解度，提高阳极电流效率，同时还可降低阳极上析出氯气和阴极上析出氢气的过电位。虽然升高温度对NaCl的溶解度影响不大，但升高温度可提高NaCl的溶解速度。一般入电解槽前的盐水温度在80℃左右，电解槽温度控制在95℃左右。

(3) 盐水的流量与碱液浓度 盐水流量的大小会对电解过程带来较大的影响。盐水流量小，NaCl分解率高、NaOH浓度高，但OH-的反迁移严重，副反应多，电流效率低。但盐水流量大，NaOH浓度低，碱液中NaCl含量高，碱液蒸发的能耗高。

为此，各厂应根据具体的条件确定碱液成分。通常碱液成分控制在如下范围：

NaOH含量：130~145 g/L NaCl含量： 175~210 g/L

(4) 氯气的纯度及压力 氯气是有毒气体，不允许泄露，要保证电解槽、管道等连接处的密封，氯气总管的压力采用微负压-49~-98Pa下操作。为避免在电解槽内Cl2和H2混合爆炸，必须防止H2漏到Cl2中，应控制阳极室液面高于隔膜顶端，同时密切注意隔膜的完好情况。

电解槽出来湿氯气经冷却干燥后的干基气体组成为：Cl2 ：96.5%~98%，H2 ：0.1%~0.4%，O2 ：1.0%~3.0%。

(5) 氢气的纯度及压力 电解槽产生的氢气纯度是很高的，其体积分数一般在99%（干基）以上。为防止空气与氢气混合发生爆炸，一般电解槽氢气系统都是保持微正压49~98Pa下操作。

(6) 电流效率 电流效率为实际产量与理论产量的比值。电流效率是电解槽的一项重要的技术经济指标，与电能消耗、产品质量以及电解操作过程关系十分密切。较先进的隔膜电解槽的电流效率为95%~97%。

影响电流效率的因素有很多，如盐水质量（盐水浓度、盐水中Ca2+、Mg2+、SO42--13-

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等杂质的含量，盐水的pH值等）、盐水温度、电解液浓度、隔膜吸附质量、电流密度大小、电流波动情况以及电解槽绝缘好坏等都会影响电流效率。提高电流效率的途径主要有以下几个方面：

①保证隔膜渗透率，控制隔膜的吸附质量。维持阳极液高于阴极液的液位差，使阳极液以合适的流速透过隔膜进入阴极室，以阻止OH-向阳极室的反向迁移。

②提高精制盐水中的NaCl的质量浓度，使之接近饱和，即含NaCl>315g/L。精盐水中的NaCl含量高，可降低Cl2在盐水中的溶解度，减少阳极室的副反应。

③控制电解液中的NaOH质量浓度不超过140 g/L。其原因是NaOH浓度的增加，使OH-向阳极迁移和扩散的能力加强，NaOH质量浓度每提高10 g/L，电流效率将下降1.3%。

④适当提高电流密度。电流效率随电流密度的增加而增加，电流密度每增加100A/dm2,电流效率可提高0.1%。这是因为当电解液中的NaOH浓度一定时，提高电流密度必然相应加大通过隔膜的盐水质量，这样就相应减少了OH-向阳极迁移和扩散的量，因而提高了电流效率。

⑤保证电解槽绝缘性能良好，防止漏电。 ⑥保证供电和生产稳定，防止电流波动。 2.4.3 电解操作指标与生产控制点分析

（1）电解工艺指标 为了保证电解的顺利进行，对于隔膜法电解工艺有一定的工艺指标。主要有：

⑴精盐水进入电解槽的温度：90℃ ⑵精盐水进入电解槽的浓度：＞310g/Ｌ ⑶电解碱液出电解槽温度：90℃

⑷电解碱液出电解槽浓度（NaOH）：115-130g/Ｌ ⑸电解槽电流效率：95% ⑹电解槽单槽电压：3.3-3.4V ⑺电流密度：51000kA ⑻氢气出口温度：90℃ ⑼氯气出口温度：90℃ ⑽氯中含氧：≤2.5% ⑾氯中含氢：≤0.5%

（2）生产控制措施 生产过程中主要的控制措施如下：

①温度测量 在精盐水进入精盐水贮槽时，对精盐水的温度用现场设置的仪表测量；精盐水进入氢盐换热器的温度用带自动显示式电子电位计的热电偶测量；对散热片的温度用现场仪表进行测量；对精盐水进盐水预热器的温度用带自动显示式电子电位计的热

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电偶测量；对精盐水出盐水预热器的温度用带调节阀的热电偶测量。

②压力测量 对蒸汽和空气管道的压力均以弹簧压力计测量；对氢气、氯气出口的压力的观测利用了浮标式差压计进行测量；对电解液和精盐水的管道的压力用浮头式差压计测量；对真空箱的压力是以单管压力计测量的。

③流量和物位的测量 对精盐水贮槽、电解液贮槽和碱液槽是以带报警器的单管式液位计测量的；对精盐水、电解液流量采用带电传至自动记录仪表的浮标式差压流量计来计量的。

④自动分析 为及时、准确观测精盐水、电解液、氢气和氯气的含量，保证连续生产的可靠性，设计上要求增设自动分析器，如测量氯化钠浓度的氯化钠自动分析器；测量氢氧化钠浓度的氢氧化钠自动分析器；测量氢气组成的气动式自动分析器；测量氯气组成的气动式自动分析器。

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第三章 工艺计算

3.1 物料衡算

已知：年产100%的烧碱20万吨，年工作320天，24小时连续生产。 电流效率95%； 食盐分解率50%；

电解槽产出的氢氧化钠的浓度为10.7%； 精盐中氯化钠的浓度为26.72%；

出电解槽湿氢气中的氢气的质量百分含量为8.3%； 出电解槽湿氯气中的氯气的质量百分含量为72.97%； 出氢盐换热器湿氢气的质量百分含量为18.63%； 则每小时生产的100%的氢氧化钠的产量为：

200000000?26041.67(kg/h)

320?24F1?每小时生产的10.7%的氢氧化钠的产量为：

F2?26041.67?100%?243380.06(kg/h)

10.7%因食盐水的分解率为50%，则氯化钠的量为：

M?氯化钠的质量为：

26041.67?1302.08(kmol/h)

40?50%W=1302.08×58.5=76171.88（kg/h）

因精盐水中氯化钠的浓度为26.72%，则精盐水的流量为：

76171.88?285074.42(kg/h)

26.72ó?3.1.1 对电解槽做物料衡算

湿氢气I1 湿氯气I2 精盐水F3 电解碱液F2 电解槽

损失I3

图3.1 电解槽的物料平衡

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26041.67?(1) 湿氢气的流量为：I1?1?22?7843.88(kg/h)

40?8.3&041.67?(2) 湿氯气的流量为：I2?1?712?31673.27(kg/h)

40?72.97%(3) 出电解槽的电解液：F2?243380.06(kg/h) (4) 进入电解槽的精盐水：F3?285074.42(kg/h)

(5) 电解槽中的损失：I3?F3?(I1?I2?F3)?2177.21(kg/h) 计算结果见下表3.1所示。

表3.1 电解槽的物料衡算表

进电解槽（Kg/h）

精盐水F3

合计

285074.42

285074.42

湿氢气I1 湿氯气I2 损失I3 电解碱液F2

合计

出电解槽（Kg/h）

7843.88 31673.27 2177.21 243380.06 285074.42

3.1.2 对氢盐换热器进行物料衡算

精盐水F3 湿氢气I5 氢盐 冷凝水I6 换

热 湿氢气I1 精盐水I4 器

图3.2 氢盐换热器物料流程图

(1) 进入氢盐换热器的湿氢气量：I1?7843.88(kg/h) (2) 出氢盐换热器的湿氢气的量：I5?26041.67?3494.59(kg/h)

40?18.63%(3) 出氢盐换热器的精盐水与进氢盐换热器的精盐水的量相等。即：I4?I7

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(4) 出氢盐换热器的冷凝水含量：

I6?I1?I5?7843.88?3494.59?4349.29(kg/h)

则电解车间物料平衡如表3.2。

表3.2 氢盐换热器物料平衡表

进入换热器物料（Kg/h） 精盐水F3 8.3%湿氢气I1

合计

285074.42 7843.88

292918.3

出换热器物料（Kg/h） 精盐水F3 18.63%湿氢气I5

冷凝水I6 合计

285074.42 3494.59 4349.29 292918.3

3.2 能量衡算

已知条件：①来自盐水工段精盐水温度 45℃

②精盐水出氢盐换热器温度 55℃

③精盐水出盐水预热器温度 90℃

④出电解槽电解碱液温度 90℃

⑤湿氢气温度 90℃ ⑥出氢盐换热器冷凝水温度 70℃ ⑦出氢盐换热器湿氢气温度 70℃ ⑧出电解槽湿氯气温度 90℃ 3.2.1 对氢盐换热器进行热量衡算

45℃精盐水Q1 55℃精盐水Q3

氢盐 换 70℃水汽汽化潜热Q6 热 70℃水液化热Q5 器

90℃湿氢气Q2 70℃湿氢气Q4 热量损失图3.3 氢盐换热器热量平衡图

(1) 45℃精盐水带入热量Q1 精盐水45℃时的比热容为CP=0.820kcal/(kg.℃),则精盐水带入氢盐换热器的热量为：

Q1?285074.42?0.820?4.1868?45?44041979.56(kJ)

Q7 -18-

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(2) 90℃8.3%湿氢气带入热量Q2

氢气90℃时的比热容为CP=3.53 kcal/(kg.℃)，水汽90℃的比热容为CP=1.005 kcal/(kg.℃)，则8.3%湿氢气带入热量为：

Q2?7843.88?8.3%?3.53?4.1868?90?7843.88?91.7%?1.005?4.1868?90=3589880.6（kJ）

(3) 55℃精盐水出氢盐换热器带走热量Q3

精盐水55℃时的比热容为CP=0.822 kcal/(kg.℃)，则精盐水带走的热量为：

Q3?285074.42?0.822?4.1868?55?53980376.59(kJ)

(4) 70℃18.63%湿氢气带走热量Q4 CP=1.002kcal/(kg.℃)，则湿氢气带走的热量为：

氢气70℃时的比热容为CP=3.51 kcal/(kg.℃)，70℃时水汽的比热容为：

Q4?3494.59?18.63%?4.1868?70?3494.59?81.37%?1.002?4.1868?70

=1025847.21（kJ）

(5)70℃液态水带出的热量Q5 由《氯碱工业理化常数手册》查得：70℃时水的比热容为1.002 kcal/(kg.℃)，则70℃液态水带出的热量为：

Q5?4349.29?1.002?4.1868?70?1277221.86(kJ)

(6)70℃水汽的汽化潜热Q6

70℃时水汽的液化热为569kcal/(kg.℃)，则水汽液化所放的热量为：

Q6?4349.29?569?4.1868?10361266.59(kJ)

(7)系统热量损失Q7

根据热量平衡可知：Q1+Q2+Q6=Q3+Q4+Q5+Q7 因此，系统的热量损失为：

Q7= (Q1+Q2+Q6)-( Q3+Q4+Q5)

=(44041979.56+3589880.6+10361266.59)-(53980376.59+1025847.21+1277221.86) =1709681.09kJ 氢盐换热器热量平衡如表3.3所示。

表3.3 氢盐换热器热量平衡表

进氢盐换热器的热量（kJ） 45℃精盐水Q1 90℃8.3%湿氢气Q2 70℃水汽汽化潜热Q6

合计

44041979.56 3589880.6 10361266.59

57993126.75

出氢盐换热器的热量（kJ） 55℃精盐水Q3 70℃18.63%湿氢气Q4

70℃液态水Q5 系统损失热量Q7

合计

53980376.59 1025847.21 1277221.86 1709681.09 57993126.75

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3.2.2 对电解槽进行热量衡算

分解NaCl消耗的电能Q3

90℃精盐水Q1 90℃电解液Q4

电 90℃72.9%湿氯气Q5

解 电能Q2 槽 90℃8.3%湿氢气Q6

热量损失Q7 图3.4 电解槽的热量平衡图

(1) 90℃精盐水带入的热量Q1

查《氯碱工业理化手册》可知：90℃精盐水的比热容CP=0.831kcal/(kg.℃)，则90℃精盐水带入的热量为：

Q1=F3×CP×t=285074.42×0.831×4.1868×90=89265573.21（kJ）

(2) 电能Q2

由《氯碱工艺学》查得C30型系列的电解槽，每生产一吨100%烧碱消耗的电能为2328kwh。所以消耗的电能为：

W=26041.67/1000×2328×3600=218250027.9（kJ）

由前面所知：电解效率为61.72%，因此：

Q2=W/电能效率=62424000/61.72%=353613136.6（kJ）

(3) 氯化钠分解消耗的电能Q3

Q3=26041.67×1000÷40×221.75=144368508.1（kJ）

(4) 阴极90℃碱液带走热量Q4

由《氯碱工业理化手册》查得，90℃电解碱液的比热容为：CP=0.923kcal/(kg.℃)，则：

Q4=243380.06×0.932×4.1868×90=85472347.32（kJ）

(5) 90℃，72.97%湿氯气带走的热量Q5

90℃水的比热容为：CP=1.005kcal/(kg.℃)，90℃氯气的比热容为：CP=0.119kcal/（kg.℃），则湿氯气带走的热量为：

Q5=31673.27×72.97%×0.119×4.1868×90+31673.27×27.03%×1.005×4.1868×90 =4278480.78（kJ）

(6) 90℃,8.3%湿氢气带走的热量Q6

90℃水的比热容为：CP=1.005kcal/(kg.℃)，90℃氢气的比热容为：CP=3.53kcal/（kg.℃），则湿氢气带走的热量为：

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Q6=7843.88×8.3%×3.53×4.1868×90+7843.88×91.7%×1.005×4.1868×90 =3589880.6（kJ） (7)水蒸汽带走热量Q7

90℃水的蒸发热为：579 kcal/kg，水蒸气的量包括湿氢气和湿氯气中水汽的量，则水蒸气的潜热为：

Q7= [I1×(1-8.3%)+I2×(1-72.97%)]×579×4.1868 = [7843.88×91.7%+31673.27×27.03%]×579×4.1868 =38190475.26（kJ）

(8) 电解槽散热损失和其它损失 Q8=Q1+Q2-（Q3+Q4+Q5+Q6+Q7） =89265573.21+353613136.6-（144368508.1+85472347.32+4278480.78+3589880.6+38190475.26 =166978387.7（kJ）

电解槽的热量衡算结果如下表3.4所示：

表3.4 电解槽的热量衡算结果

进入电解槽的热量（kJ）

90℃精盐水Q1 电能Q2

合计

89265573.21 353613136.6

442878709.8

带出电解槽的热量（kJ）

分解NaCl消耗的热量Q3

电解碱液Q4 湿氯气Q5 湿氢气Q6 水蒸气潜热Q7 系统热损失Q8

合计

144368508.1 85472347.32 4278480.78 3589880.6 38190475.26 166978387.7 442878709.8

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第四章 主要设备的工艺计算与选型

4.1 电解槽数量的估算

电解槽是在低电压、大电流下进行操作。因电解槽的电极面积下，单槽生产能力下，所以通常都是由多台电解槽同时运转。因此应根据生产规模来确定最佳槽数。

根据电解槽组成系列生产的特点，必须经常保持电解系列的直流电压和电流与整流器的输出电压和电流相匹配，并且能够使电解槽处于良好状态下运行，所以电解槽必须定期轮换进行检修，即将单台电解槽从电解系列中用除槽装置切离开，进行检修后复原。所以在设计电解槽时，应按照电解槽部件的更换周期计算出必要的备用电解槽。 正常运行的电解槽台数N，可按下式来计算求得：

N1=

式中k—电化当量，g/Ah

I—强度，kA/ m； h—电解槽年运行小时，h； ε—电流效率，%； S—单槽电极面积，m； G—100%氢氧化钠年产量，t。

已知：k=1.493g/Ah，I=1.7kA/ m，ε =95%，G=200000t，S=30.7 m。 年工作320天，每天工作24小时。则有N1=351.8台。

备用电解槽N2：N2=

K?N1 T?m22221000G

k?S?h?I??式中T—单槽更换周期，天/台； m—每天检修槽数，台/天；

K—集中检修系数，（一般取1.1-1.2）； “T”值：金属阳极石棉隔膜取300-360天； “m”值：小企业m=1。

取“K”值1.2，”“T”值320，则有N2=1.32 。为检修方便N2=2 因此，设计电解槽数：N=351.8+2=354台

4.2 氢盐换热器的选型

(1)粗选氢盐换热器 根据《化工原理》流体流经管程或壳程的选择原则，由于混合气体中水蒸气会冷凝成水，为了方便及时排除冷凝水，选择湿氢气走壳程。而精盐水因为容易结垢，为了方便清洗，选择精盐水走管程。 精盐水的定性温度Tm=(90+70)/2=80℃

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湿氢气的定性温度tm=(45+55)/2=50℃

Tm-tm=80-50=30℃<50℃ 由于两流体间的温差不大于50℃，故选用固定管板式换热器。

根据热量衡算，可知氢盐换热器的换热总负荷为： Q=(53980376.59-44041979.56) ×1000/3600=2760665.84W 平均温差的计算：

?tm=

?t2??t1(90?70)?(55?45)10===14.4℃

90?70?t2ln2lnln55?45?t1P=

55?4510?0.22 =

90?4545R=

90?70?2

55?45Ψ?t=0.96.[3]，所以?tm=Ψ?tm×?tm=0.96×14.4=13.8℃ 设计取总传热系数为K=2500 W/（㎡·℃），则S=

2760665.84?80㎡

2500?13.8根据《化工设备的选择与设计》，选择G-500-2-16-80型换热器（见表4.1）。

表4.1 氢盐换热器的规格及参数

参数 公称直径 公称压强 公称面积 管程数

数量 500mm 1.6MPa 80m2 2管程

参数 管子尺寸 管长 管子总数 管子排列方法

数量 Φ25×2.5mm

6.0m 172 正三角形排列

实际传热面积：So=nπdo(L-0.1)=172×3.14×0.025×(6-0.1)=79.66 m2

4.3 盐水预热器的选型

由于采用水蒸气冷凝成水作为加热方式，为了使冷凝水能够顺利排出，水蒸气走壳程；又由于精盐水容易结垢，为方便清洗，精盐水走管程。

(1)计算热负荷和蒸汽流量

Q=（89265573.21-53980376.59）×1000/3600=9801443.51w

查《氯碱工业理化常数手册》知：100℃水蒸气的冷凝潜热为：r=2258 kJ/kg 则饱和蒸汽的流量为：Wh=

Q9801443.51??4.34kg/s r2258?1000饱和蒸汽的定性温度Tm=100℃，精盐水的定性温度为：tm=1/2（55+90）=72.5℃ Tm-tm=100-72.5=27.5℃<50℃，所以选用固体管板式预热器。

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(2) 计算平均温差 按单壳程，多管程计算 逆流时的平均温差为：

?tm=

(T?t1)?(T?t2)(100?55)?(100?90)??23.3℃

T?t1100?55lnln100?90T?t2(3)初选换热器规格 根据管外水蒸气冷凝来加热管内的水溶液（u?2?10?3 Pa?s），总传热系数经验值的范围为（1160—4070）W/（㎡?℃），初选 Ko=4000W/（㎡?℃）

因此传热面积 S0?QK0?tm?9801443.51?105.2㎡

4000?23.3由《化工设备选型与设计》换热器的系列标准，选用G-600-4-25-110型换热器，其规格参数如下表4.2所示。

表4.2 盐水预热器的规格参数

参数 公称直径 公称压强 公称面积 管程数

数量 600mm 2.5MPa 110m2 4管程

参数 管子尺寸 管长 管子总数 管子排列方法

数量 Φ25×2.5mm

6.0m 242 正三角形排列

该换热器的实际传热面积为：S实= nπdo(L-0.1)=242×3.14×0.025×(6-0.1)=112.1 m2 则 K=Q/( S实Δtm)= 9801443.51/(112.1×23.3)=3752.57 W/(m2?℃)<4000W/(m2?℃)

所以换热器是合适的。

4.4 其他设备的选型

(1)精盐水泵的选型 精盐水的密度为：ρ=1132kg/m3精盐水的体积流量为：

Vs=W/ρ=285074.42/1132=251.8m3/h

参考《中国化工机械设备大全》，选择型号为：150FB-22A化工耐腐蚀泵，流量为173.5 m3/h，数量为2台并联。

(2)电解碱液泵的选型 对于10.7%的电解液，其密度按照10.7%的NaOH和(1-10.7%)的水来计算，且忽略温度的影响，10.7% NaOH的密度ρ=2130 kg/m3

则：ρ=2130×10.7%+1000×(1-10.7%)=1120.9 kg/m3 实际密度稍大于此，取ρ=1200kg/m3。

电解碱液的体积流量为：ρ=243380.06/1200=202.8 m3/h

参考《中国化工机械设备大全》，选择型号为：100FB-57化工耐腐蚀泵，流量为100.8 m3/h，数量为2台并联。

(3) 气液分离器和修槽工段的设备选型 由于此设计和株洲化工厂的生产规模一致，

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则参考株洲化工厂的设备选型。

设备一览表如表4.3所示。

表4.3 设备一览表

名称 精盐水泵 电解碱液泵 电解槽 精盐水贮槽 盐水高位槽 氯气气液分离器 氢气气液分离器

氢气水封 电解碱液槽 氢盐换热器 盐水预热器 电动梁桥起重机

真空泵 加压泵 苛化槽 吸膜槽 真空罐 缓冲罐 碱液槽 清水池 散热片 磅秤 有轨小车 氢气器液分离器

规格及型号 150FB-22A Q=35m3/h 100FB-57 Q=35m3/h

DSA-30-Ⅲ Φ4400×2000, V=32 m3/h Φ4400×2000, V=16 m3/h

Φ500×1180 Φ500×1050 Φ600×800

Φ4000×2000 ，V=35 m3/h

G-500-2-16-80 G-600-4-25-110 Spah=13.5m LH=16m

SZ-3

65WX-140，Q=14.4 m3/h

3200×2200×1200 3200×2200×1200 Φ1400×2740

Φ700 Φ1000×2550 Φ2000×3000×1200

GL2-15-36 TGT-100 Q=3t Φ500×1050

台数 2 2 354 1 1 1 1 2 1 1 ２ 1 ２ １ １ １ ２ １ １ １ １ １ ２ １

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第五章 主要工艺管道的计算与选择

5.1 主要工艺管道的计算与选择

5.1.1 水蒸气管道的选型

前面计算得，100℃水蒸气的质量流量为：W=4.34kg/s,密度ρ=0.597kg/m3 则：Vs=W/ρ=4.34/0.597=7.27m3/s

因为是饱和蒸汽，故管内流速u?30m/s，则管径由VS?D=[4 Vs/(πu)]1/2=0.556m=556mm

选择Φ630×9.0mm的无缝钢管。

实际流速u=24.73m/s<30m/s，所以设计选择的管道规格符合要求。 5.1.2 电解槽氢气出口总管道的选型

90℃时8.3%的湿氢气的密度为：

?D2u4计算得,

ρ=0.0899×8.3%+0.4229×(1-8.3%)=0.395kg/m3 Vs=W/ρ=7843.88/(0.395×3600)=5.516 m3/s

根据经验，取管内气体流速u=40m/s,则管径为：

D=[4 Vs/(πu)]1/2=0.419m=419mm

选择Φ450×9.0mm的无缝钢管。

实际流速u=37.65 m/s<40m/s，所以设计选择的管道规格符合要求。 5.1.3 电解槽氯气出口总管道的选型

90℃时72.97%的湿氯气的密度为：

ρ=3.217×72.97%+0.4229×(1-72.97%)=2.462 kg/m3 Vs=W/ρ=31673.27/(2.462×3600)=3.574 m3/s

根据经验，取管内气体流速u=40m/s,则管径为：

D=[4 Vs/(πu)]1/2=0.337m=337mm

选择Φ377×9.0mm的无缝钢管。

实际流速u=35.33m/s<40m/s，所以设计选择的管道规格符合要求。 5.1.4 氢盐换热器排水管道的选型

由前面计算得，氢盐换热器排水管道的冷凝水质量流量为：W=4349.29kg/h, 则：Vs=W/ρ=4349.29/(977.8×3600)=0.00124 m3/s 根据经验，取管内蒸汽流速u=1.5m/s，则管径为：

D=[4 Vs/(πu)]1/2=0.032m=32mm

选择Φ38×2.5mm的无缝钢管。

实际流速u=1.45m/s<1.5m/s，所以设计选择的管道规格符合要求。

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5.1.5 盐水预热器排水管道的选型

由前面计算知道，盐水预热器排水管道的冷凝水质量流量为：W=4.34kg/s，此时冷凝水的密度为ρ=958.4kg/m3，则：Vs=W/ρ=4.34/958.4=0.00453m3/s 根据经验，取管内蒸汽流速为：u=1m/s，则管径为：

D=[4 Vs/(πu)]1/2=0.076m=76mm

选择Φ89×3.5mm的无缝钢管。

实际流速u=0.86m/s<1m/s，所以设计选择的管道规格符合要求。 5.1.6 精盐水管道的选型

由前面计算知道，精盐水管道的盐水质量流量为：W=285074.42kg/h, 此时精盐水的密度为ρ=1132kg/m3则：Vs=W/ρ=285074.42/(1132×3600)=0.070 m3/s

根据经验，取管内蒸汽流速为：u=6.0m/s，则管径为：

D=[4 Vs/(πu)]1/2=0.122m=122mm

选择Φ133×4.0mm的无缝钢管。

实际流速u=5.71m/s<6.0m/s，所以设计选择的管道规格符合要求。 5.1.7 电解碱液出口总管道的选型

由前面计算知道，电解碱液出口碱液的质量流量为：W=243380.06kg/h，电解碱液的密度取ρ=1200kg/m3，则：Vs=W/ρ=243380.06/(1200×3600)=0.056m/s

根据经验，取管内蒸汽流速为：u=2.0m/s，则管径为：

D=[4 Vs/(πu)]1/2=0.189m=189mm

选择Φ219×6.0mm的无缝钢管。

实际流速u=1.66m/s<2.0m/s，所以设计选择的管道规格符合要求。

5.2 主要管道选择结果汇总

表5.1 主要管道选型一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7

名称 水蒸气管道 湿氢气出口总管 湿氯气出口总管 氢盐换热器排水管 盐水预热器排水管 精盐水管道 电解碱液管道

规格 Φ630×9.0mm Φ450×9.0mm Φ377×9.0mm Φ38×2.5mm Φ89×3.5mm Φ133×4.0mm Φ219×6.0mm

材质 无缝钢管 无缝钢管 无缝钢管 无缝钢管 无缝钢管 无缝钢管 无缝钢管

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第六章 经济核算

6.1 经济核算

经济核算是以获得最佳经济效益为目标，运用会计核算、统计核算和业务核算等手段，对生产经营过程中活劳动和物资消耗以及取得的成果，用价值形式进行记录、计算、对比和分析，借以发掘增产节约的潜力和途径。

企业经济核算包括生产经营全过程的核算，主要是：①生产消耗的核算,又称生产成本的核算,包括物质消耗与劳动消耗两方面。②生产成果的核算,包括质量和数量两个方面。③资金的核算，经济核算包括固定资金和流动资金两方面。④财务成果的核算，又称利润的核算。各项核算内容通过一系列技术经济指标来体现。

为保证经济核算工作正常进行，必须做好企业内部的原始记录、定额管理、计量工作、清产核资和厂内计划价格等基础工作。通过经济核算，职工个人的经济利益要同工厂的经济利益挂起钩来，做好考核、分析、评比工作，提高核算的效果。中国国营企业的经济核算普遍采取统一领导,分级归口管理,专业核算与群众核算相结合的方法。大型企业一般实行厂级、车间、班组三级核算，中、小型企业一般实行厂级、车间二级核算或厂级一级核算。科室的核算属于专业核算。企业经济核算的日常工作，通常由计划、财务部门组织有关科室、车间的职能人员进行。实行经济核算，有利于加强企业管理，调动职工的积极性，促进企业改善生产经营。

本设计由于只是对烧碱生产过程中的一个工段进行设计，全面的经济核算不好进行，因此只对生产消耗和生产成果两方面进行核算。 6.1.1 生产消耗核算

由前面工艺计算可知，

每小时生产消耗的精盐为：76171.88 Kg/h 每小时生产消耗的电能为：353613136.6 KJ/h 每小时生产消耗的水蒸气为：4.34×3600=15624 Kg/h 6.1.2 生产成果核算

由前面工艺计算可知，

每小时生产得到的烧碱(NaOH)为：243380.06 Kg/h 每小时生产得到的湿氢气(H2)为：7843.88 Kg/h 每小时生产得到的湿氯气(Cl2)为：31673.27 Kg/h 因此，

每生产1 Kg NaOH消耗的精盐的量为：

76171.88/243380.06=0.313 Kg/ Kg

每生产1 Kg NaOH消耗的电能为：

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353613136.6/243380.06=1452.93 KJ/ Kg

每生产1 Kg NaOH消耗的水蒸气为：

15624/243380.06=0.064 Kg/ Kg

6.1.2核算结果分析

(1)电解工段是电解食盐水生产氯气、氢气、烧碱的主要工序，其岗位主要有金属阳极电解槽看槽岗位、送碱岗位、干燥岗位、氯气泵岗位、氢气泵岗位五个岗位，每个岗位需要工作人员2名。本烧碱厂采用三班倒制度，故共需要工作人员30人。工人的基本工资按每人每天100元计算，则该工段每天需付工人工资数目为：

100×30=3000元/天

每天生产的烧碱产量为：

200000/300=667 t/天

则，每生产一吨烧碱需支付工人工资为：

3000/667=4.5元/t

(2)每生产一吨烧碱消耗的电能为：

1452.93×1000/3600=403.59度/t

工业用电按每度1元计算， 则，每生产一吨烧碱需支付电费为：

403.59×1=403.59元/t

(3)每生产一吨烧碱消耗的水蒸气为：

0.064×1000/1000=0.064t/t

工业蒸汽按每吨300元计算， 则，每生产一吨烧碱需支付蒸汽费用为：

0.064×300=19.2元/t

(4)每生产一吨烧碱消耗的精盐为：0.313t 精盐按市价500元/t计算，

则，每生产一吨烧碱需支付精盐的费用为：

0.313×500=156.5元/t

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第七章 厂址选择和车间布置

7.1 化工厂选址的重要性

工厂的地理位置对于企业的成败有很大的影响。厂址选择的好坏对工厂的建设进度、投资数量、经济效益以及环境保护等方面关系密切，所以它是基本建设的一个重要环节。

化工厂大多数化学物质具有易燃，易爆，有毒及腐蚀等特性，对环境和广大人民的生命财产安全有很大的威胁，因此要进行化工厂的选址安全设计，以求在源头上降低对人们的威胁，同时也让企业能更稳定的发展。 7.1.1化工厂厂址选择的影响因素

化工厂厂址选择的影响因素主要有以下几个方面：

（1）原料和市场 厂址应靠近各种原料产地和产品市场，这样可以大大的减少原料的运输及储存费用以及缩短产品运输所需时间及销售费用。

（2）能源 大多数工厂需要大量的蒸汽，而动力和蒸汽通常需要由燃料提供，因此，在选择厂址时，动力和燃料是个主要因素。

（3）气候 气候条件也会影响建厂的经济效益。位于寒冷地带的工厂，需要把工艺设备安放在保护性的建筑物中，会增加基建投资；如果气温高，则可能需要特殊的凉水塔或空调设备，增加日常操作费用和基建投资。因此，选择厂址时应把气候条件这一因素考虑在内。a.考虑高温、高湿、云雾、风砂和雷击地区对生产的不良影响。b. 考虑冰冻线对建筑物基础和地下管线敷设的影响。

（4）运输条件 水路、铁路和公路是大多数企业常用的运输途径，应当注意当地的运费高低及现有的铁路线路。应该尽量靠近铁路枢纽以及利用河流、运河、湖泊或海洋进行运输的可能性。公路运输可用做铁路运输和水运的补充。另外，供职工使用的交通设施也是选择厂址需要考虑的内容之一。运输路线应最短，方便，工程量小，经济合理。 （5）供水 化工厂使用大量的水，用于生产蒸汽、冷却、洗涤，有时还用做原料。因此，厂址必须靠近水源充足和水质良好的水源。靠近大的河流或湖泊最好，如无此条件，也可考虑使用深井，这需要以厂址的水文地质资料作为依据。

（6）环境 选址时要注意当地的自然环境条件，对工厂投产后给环境可能造成的影响做出预评价，并应得到当地环保部门的认可。选择的厂址，应该便于妥善地处理废物（废气、废水、废渣）。 （7）用地要求

A.要节约用地，尽量少占耕地。

B. 厂区用地面积应满足生产工艺和运输要求，并预留扩建用地。

C.有废料、废渣的工厂，其堆存废料、废渣所需面积应满足工厂服务年限的要求。 D.居住用地应根据工厂规模及定员，按国家、省、市所规定的定额，计算所需面积。

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E.施工用地应根据工厂建设规模、施工人数、临建安排等因素考虑。 7.1.2厂址的选择

具体到烧碱厂厂址选择的依据及原则主要有以下几个方面： （1）生产能力：本设计为年产烧碱20万吨。

（2）厂址位置：必须符合国家工业布局，城市或地区的规划要求，尽可能靠近城市或城镇原有企业，以便于生产上的协作，生活上的方便。

（3）地形：地势较平缓、地带平阔的丘陵地，保证建厂的土石运用量不大。厂区的面积、形状和其它流程合理需要，厂区要留有发展的余地。 （4）地质：避开大挖大填区和大量基岩暴露或浅埋的地带。

（5）交通：该厂属于烧碱生产的中小型企业，需要有便利的交通运输条件，因而选择水陆运输较便利的地方建厂。

（6）气候：主导风向要求较稳定，场地应选择在城镇常年空气下风向，河流下游，尽量远离居民区。

（7）水文：工厂需水量大，故厂址应靠近水量充足和水质良好的水源，以满足工厂生产和生活用水及排水，靠近河流但避开洪水地段。

（8）能源：保证电网供电充足，甲醛、液氨等供应方便充足。

7.2 车间设备布置

7.2.1化工厂总平面布置的原则

1. 满足生产和运输的要求

(1) 保证生产线直、短，避免交叉迂回——物料输送距离最小；

(2) 将水、电、汽耗量大的车间尽量集中，形成负荷中心，并使其靠近供应源——水、电、汽的输送距离最短；

(3) 厂区交通道路要做到径直短捷，避免人流和货流交叉和迂回。货运量大，车辆往返频繁的设施宜靠近厂区边缘地段；

(4) 厂区布置要做到厂容整齐，环境优美，布置紧凑，节约用地。 2. 满足安全和卫生要求

(1) 厂区布置应严格遵守防火、卫生等安全规范、标准和有关规定； (2) 火灾危险性大的车间与其他车间之间应按规定安全距离设计； (3) 经常散发可燃气体的场所，应远离各类明火源；

(4) 火灾、爆炸危险性较大和散发有毒有害气体的车间、装置，应尽量采用露天或半敞开的布置；

(5) 环境洁净要求高的工厂应与污染源保持较大的距离。 3. 满足有关的标准和规范

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《化工企业总图运输设计规范》、《建筑设计防火规范》、《炼油化工企业设计防火规范》、《石油化工企业设计防火规范》、《厂矿道路设计规范》、《工业企业卫生防护距离标准》等。

4. 为施工安装创造条件

（1）应满足施工和安装作业要求，应考虑大型设备的吊装； (2) 厂内道路路面结构和载荷标准等应满足施工安装的要求。 5. 考虑工厂发展

为适应市场竞争，化工厂布置应为工厂发展留有余地。 6. 管线布置

管网布置和敷设方式对生产动力消耗及投资具有重要意义。 7. 绿化

绿化可以美化环境，减少粉尘等危害，应与平面布置一起考虑。 7.2.2车间布置的具体要求

本设计中为节约用地及能耗考虑，采用多层厂房更经济。厂房尺寸选用标准厂房，柱间距为7米，厂房楼层高度为5米。厂房平面布置见图纸。

车间设备布置设计的原则如下：

（1）在设备布置时一定要满足工艺流程顺序，要保证水平方向和垂直方向的连续性。 （2）凡属相同的几套设备或同类型的设备或操作性质相似的有关设备，应尽可能布置在一起，这样可以统一管理，集中操作，还可减少备用设备，即互为备用。 （3）布置设备时，除要考虑设备本身所占的位置外，还须有足够的操作、通行及检修需要的位置。

（4）要尽可能地缩短设备间管线。

（5）车间内要留有堆放原料、成品和包装材料的空地，以及必要的运输通道及起吊位置，且尽可能地避免固体物料的交叉运输。

（6）设备之间或设备与墙之间的净间距大小，应结合上述布置要求及设备的大小，设备上连接管线的多少，管径的粗细，检修的频繁程度等各种因素，再根据生产经验，决定安全间距。中小型生产的设备安全距离见表7.1。

表7.1 布置的安全距离

序号 1 2 3 4 5 6

泵和泵的间距 泵离墙的距离

泵列和泵列间的距离（双排泵间） 离心机周围通道

反应罐底部和人行通道距离 反应罐卸料口至离心机的距离

项 目

净安全距离/m 不小于0.7 至少1.2 不小于2.0 不小于1.5 不小于1.8～2.0 不小于1.0～1.5

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7 8 9 10 11

回转机械离墙距离

通廊、操作台通行部分的最小净空高度 不常通行的地方净高不小于 操作台梯子的斜度 工艺设备和道路间距离

不小于0.8～1.0 不小于2.0～2.5

1.9 一般不大于45° 不小于1.0

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第八章 氯碱生产中的防腐及三废处理

氯碱行业生产过程中的工艺介质及产品（例如NaOH、湿Cl2、饱和盐水、HCl、H2SO4等）均具有极强的腐蚀性。腐蚀不仅给设备和管道带来危害，而且还会严重危害员工的身心健康，污染环境，危及安全生产，造成各类事故。因此，要从根本上解决腐蚀造成的损失和危害，确保安全生产。

8.1 氯气的腐蚀原因和防护措施

氯气是氯碱化工生产中的主要原料之一，它会对生产装置造成严重腐蚀，因此对于它的防腐是至关重要的。

氯的化学性质非常活泼，常温干燥(含水<100×10-6，无严格划分)时，氯对大多数金属的腐蚀都很轻，但当温度升高时氯对金属的腐蚀则会加剧。湿氯 (含水>100× 10-6)时，由于氯与水反应生成强腐蚀性的盐酸和强氧化性的次氯酸，许多金属如碳钢、铝、铜、镍、不锈钢等均会被腐蚀，只有某些金属或非金属材料在一定条件下能抵抗湿氯气的腐蚀。因此，将电解生成的湿氯气进行除水干燥是生产及使用氯气过程中所必不可少的步骤。

碳钢在小于90℃干燥的氯气中是稳定的，但在湿氯气中则很容易被腐蚀；因此，湿氯气经冷却、干燥后，含水量应控制在100×10-6以内，所以平常使用的透平压缩机、输送管线、设备皆可使用碳钢材质，但必须控制氯气温度不高于90℃。当氯气压缩机出口温度大于90℃(如采用单级压缩将氯气由0.15 MPaG增压到0.5 MPaG，出口温度达120℃以上)，压缩机及其后的冷却器材质则不能选用碳钢材质。另外，氯气压缩机级间或出口冷却器冷却水压力应尽可能设计成低于氯气的压力，通过在线检测回水pH值确定冷却器是否泄漏，同时也避免了水吸收氯气而造成的设备严重腐蚀。

钛本身为活性金属，但在常温下能自动氧化生成保护性很强的氧化膜，因而具有非常优良的耐蚀性能。能耐海水、各种氯化物和次氯酸盐、湿氯、氧化性酸(包括发烟硝酸)、有机酸、碱等的腐蚀。但是不耐还原性酸(如硫酸、盐酸)的腐蚀。钛耐腐蚀的特性不管是在湿氯气还是在次氯酸盐溶液都发挥得很好，利用钙法进行制造的精装置的离心机、真空过滤机及氧化反应釜等都是钛质材料或者钛质复合板制造的；钛质冷却器在电解式氯气生产中也被普遍采用；使用氯醇法生产出来的环氧丙烷进行的氯醇化反应所使用的反应器材的材质也为钛质，且寿命期限很长。但还有一种情况需要注意，当钛处于无水的氯气中时会产生腐蚀和燃烧。曾经有一个厂房发生过因为钛质管线中进入氯气而引发着火燃烧的重大事故。

8.2 盐酸的腐蚀成因与防护措施

盐酸是氯碱生产中的潮产物之一，它对设备及管道也会产生严重腐蚀，对它的防腐也是必不可少的。

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在合成盐酸装置中。合理选材、做好防腐蚀工作就能减少跑、冒、滴、漏。石墨合成炉、石墨列管或块孔式换热器、石墨降膜吸收器已广泛应用，盐酸储槽普遍采用钢衬胶、玻璃钢(后者更多用)等。

玻璃钢(FRP)的原材料分为增强材料和基体材料两类。增强材料由玻璃纤维及其织物组成，是玻璃钢主要承载组分材料，直接影响玻璃钢的强度和刚度。基体材料由合成树脂和辅质组成，其中合成树脂是主要成分。基体材料的作用是在纤维间传递载荷，并使载荷均衡。基体材料的性能，如耐腐蚀性、耐热性等，直接影响玻璃钢的性能。

非金属材料有着较好的耐腐蚀性能，但其使用一般会受介质、使用温度等限制。聚氯乙烯(PVC)耐酸、碱、盐、等腐蚀，但不耐浓硝酸、发烟硫酸、酮、醚、卤代烃等腐蚀：应用温度一般不超过40～60℃，如作为设备、管路衬里，使用温度可高些。聚四氟乙烯(PTFE)具有非常优良的耐蚀、耐热性能，除熔金属锂、钠、钾、三氟化氯、高温三氟化氧、高流速液氟外，几乎可以抵抗所有化学介质，使用温度200～260℃。目前，国内衬PTFE设备技术已经成熟，如湖北大昌氟碳技术有限公司的PTFE衬里质量完全可与进口相媲美。聚偏二氟乙烯(PVDF)，耐腐蚀性比PTFE略差，使用温度20～140℃。全氟烷氧乙烯与四氟乙烯的共聚物(PFA)耐腐蚀性与PTFE相近，使用温度200～260℃，加工性能较PTFE好，可用作PTFE焊条。

8.3 烧碱产生的腐蚀及防护措施

烧碱是氯碱生产的主要产品，在锅式法固碱生产过程中，烧碱溶液的浓缩会对设备造成腐蚀。因此应采取措施来延长装置的使用寿命。大锅的腐蚀：大锅的材质为铸铁，大锅的损坏除了碱液中氯酸盐在熬煮中对大锅的腐蚀外，还由于大锅采用明火加热，锅内碱温在450℃左右而锅底外壁温度可达l 100～1 200℃，大锅在反复遭受不均匀的周期性的加热(熬碱)与冷却(出碱洗锅)时，容易使铸铁大锅产生应力。这种应力在高温浓碱的共同作用下产生了应力腐蚀破裂——“碱脆”，这是造成大锅破坏的主要原因之一。实际上常用的耐碱金属差不多均具有产生应力腐蚀破裂的特性，常用的碳钢、18—8不锈钢、铬镍铝钢、镍、镍铬铁合金等材料均可在一定条件下的烧碱中产生应力腐蚀破裂。

镍和镍基合金具有较高的耐应力腐蚀破裂的性能，它的碱脆范围变得狭窄，而且位于高温浓碱区域内。

锅式法固碱生产中延长铸铁大锅寿命的主要措施有：

①严格控制电解工序中的每一项工艺，最大程度的降低原料运输中生成氯酸盐，从而减少氯碱对大锅造成的腐蚀。

②碱锅内放入原料之后，在点火之前将少量的硝酸钠加入锅内，让锅的内表面生成氧化保护膜，这样可以防止大锅受到腐蚀。

③增加预热步骤，让碱液预热达到一百四十度到一百五十度左右时再进入熬碱锅。

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④锅底的碱需要清除时，应先使用热碱进行溶解，然后加入热水进行清洗，以免锅温变化的太快。

⑤对炉膛的结构设计进行优化，使得锅体的受热变得均匀，不出现偏烧现象。每月进行转锅，角度可以是六十度、九十度或者一百二十度，根据实际情况自行定取。

⑥操作要严格进行，均匀升温或者降温。烧碱有十多种结晶水形式的固体，都是在不同浓度的碱液中形成的，因此，操作过程中的要特别注意温度的控制和碱液的浓度控制，避免设备、管路等被低于冰点而产生的水晶体堵塞。设备和管路在预热时要合理选择预热介质，避免设备和管路腐蚀破裂的情况出现。

镍这种材质具有优良的机械和加工性能，同时也具备良好的耐腐蚀性能，镍是最好的耐热耐浓碱液腐蚀的材料。但是，镍在受到耐氧化性及含有氧化剂的溶液之后会受到腐蚀。镍这种材料广泛的应用到碱液蒸发器及乙烯装置的固定床氧化器中。

综上所述，任何一套化工类的装置，特别是氯碱化工的设备装置，不管是设计还是选材，无论是生产还是管理，都需要熟悉掌握装置介质的特殊性质及工况，同时也要知道各类材料的性能，尽量避免因为腐蚀问题而带来的经济损失。

8.4 氯碱生产中三废的处理

8.4.1 “废渣”治理与综合利用

氯碱生产过程中排放的盐泥属于“三废”，决不能随意排放，否则会占用土地、污染水源、影响环境。目前除了把盐泥作填充低洼地、铺路等应用外，还可以综合利用，变废为宝。在盐泥中通入CO2气体，使其与盐泥中的氢氧化镁发生反应，生成可溶性碳酸氢镁进入液相，经固液分离，用蒸汽直接加热溶液，析出MgCO3，再进行固液分离，将精致的固体MgCO3经850℃灼烧即可制得轻质氧化镁。轻质氧化镁可用于油漆工业、橡胶工业、造纸工业的填充剂，还可制镁砖、坩埚等优质耐火材料。原上海电化厂等多家早已使用，另外原上海天原化工厂还将盐泥与电石泥混合制水泥；还有的单位将压干后的盐泥经过干燥、活化等工序，作为镁氧水泥的成分，用于制造大理石及其它轻质建筑材料。

隔膜法氯碱厂对隔膜吸附后的含石棉绒废水进行回收利用。多数厂家利用其悬浮在液相中借重力具有的一定沉降速度使石棉绒沉降下来，捞出晾晒干燥，再利用弹絮机弹松后，掺和新石棉绒吸附制隔膜再利用。此法可使石棉绒废水中石棉含量由3~8g/L降至200mg/L左右，废水可达标排放。也有采用真空吸滤法将石棉绒废水通过滤布过滤回收石棉绒，均能达到综合利用、保护环境和水源的目的。 8.4.2 “废气”治理及综合利用

氯气是电解法制烧碱的副产品，属剧毒物质，对人体、农田、树木、花草和周围环境影响极坏，为此不得泄露，更不允许放空。可是常常由于某些意外原因如突然停电停

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车等，电解槽出来的氯气压力升高，超过氯气密封器内的液封静压时，氯气就会泄露出来，造成严重危害。许多氯碱厂为保证电解法烧碱的安全进行，在电解槽与氯压机之间的湿氯气总管上增设一套事故氯气吸收（处理）装置，不论在各种异常和复杂的断电状况下，当系统压力超过规定指标外逸时，装置自动联锁瞬间启动，进入工作状态，装置内以液碱为吸收剂循环吸收，并按规定及时更换新的吸收剂，达到彻底处理事故氯气、消除氯气污染、保护环境的目的。 8.4.3 “废水”的治理

我国的氯碱厂20世纪70年代初开始采用直接喷淋法冷却氯气，至今仍有部分小型氯碱厂采用。70年代中期，沈阳化工厂、锦西化工厂等率先改直接冷却为钛管冷却器二段间接冷却，并且在全国迅速推广使用，减少氯水排放量及氯的损失。对于过去曾使用直接喷淋法冷却的上海天原化工厂、北京化工二厂、四平联合化工厂等曾成功地采用蒸汽加热解析法，使外排氯水含氯降到2g/L以下，大大减轻了水源污染。

对于含盐酸的酸性废水可用电解、蒸发等含碱废水中和后排放。常州化工厂采用合成盐酸二级降膜吸收及含酸废水闭路循环工艺。合成氯化氢气体经二级降膜吸收制盐酸，其尾气经水喷射泵后排放，将抽尾气的水喷射泵下水集中到水池循环使用，部分作为降膜吸收塔的吸收用水，并不断补充，使之与吸收用水量相等，保持工艺用水平衡，从而既减少水资源浪费，又消除了含酸废水的排放，同时减少了环境污染。每吨盐酸节水15吨，经济效益非常可观。

对于生产42%、45%、50%等液碱的大中型氯碱厂，可以采用冷冻法处理蒸发回收盐水中的SO42-,使其以芒硝（NaSO4·10H2O）形式结晶析出，既除去了回收盐水中的SO42-，保证了精盐水中SO42-含量合格，防止堵塞盐水管道，又能获得有价值的副产品芒硝，工艺可行，经济合理。

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第九章 设计小结

本设计为年产20万吨烧碱电解工段的初步设计，采用隔膜法电解食盐水生产烧碱。是以株洲化工厂的烧碱生产为设计基础，并结合毕业设计大纲和设计任务书的要求来完成的。

本设计共包含以下几个部分，第一部分介绍了烧碱的性质、用途、生产工艺的历史发展和前景及意义；第二部分介绍了隔膜电解的原理和工艺流程；第三部分介绍了隔膜电解槽的结构、型式与选择；第四部分对相关的物料衡算、热量衡算、设备选型等都作了详细的阐述；第五部分对相关附属设备进行了计算选型；第六部分对该工段的设备防腐及三废处理进行了说明。

最后的一部分是毕业设计图纸，包括车间布置图，电解槽结构简图，带控制点的工艺流程图。

毕业设计是对大学四年所学知识的归纳与总结。通过本次设计，使我学会了很多以前没有学到的东西，也加深了对知识系统化的进一步掌握。在资料的查阅，工艺流程的确定，数据的分析，设备的选取，总体规划中，使我的知识水平又上了一个新的台阶。 由于水平有限，虽然我做了很多的努力，但是不足之处在所难免，请各位老师指正，提出宝贵的意见。

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参 考 文 献

[1] 吴正德等主编.氯碱工艺学 [M].北京化学工业出版社,1990,503-506. [2] 符徳学主编.无机化工工艺学[M].西安交通大学出版社,2005,200-262. [3] 王志魁编.化工原理(第3版)[M].北京化学工业出版社,2004.

[4] 蔡建国,周永传编.轻化工设备及选型[M].北京化学工业出版社,2006,60-73. [5] 化工原理课程设计.内部使用教材.

[6] 天津大学物理化学教研室编.物理化学[M].高等教育出版社,2009.

[7] 北京石油化工工程公司编.氯碱工业理化常用手册[M].化学工业出版社,1988,27-30. [8] 陈燕鹏.氯碱生产中的腐蚀及常用防腐蚀措施[J].全面腐蚀控制,2010,24. [9] 编委会著. 中国化工机械设备大全[M].成都科技大学出版社,1995,25-86. [10] 张国民.中国氯碱工业供需现状和展望[J].中国石油和化工经济分析,2004,16:4-5. [11] 刁玉炜,王立业编.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版社,1999,230-285.

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致 谢

在彭荣华老师悉心的指导和帮助下，经过两个月的努力，我的毕业设计终于完成了。在此，我要衷心地感谢所有在本次设计中给过我帮助的老师和同学们。

根据本次设计任务书的要求，我完成了年产20万吨烧碱电解工段的初步工艺设计，并按照要求绘制了车间布置图，电解槽工艺条件图，带控制点的工艺流程图等工程图纸。

由于水平有限，设计中不可避免地存在许多错漏，敬请老师批评指正。

在本次设计过程中，我查阅了大量资料和专业书籍，使自己搜集信息的能力得到很大提高，通过本次的设计，巩固了我的专业基础知识。使我明白了理论联系实际的意义，更培养了我严谨认真的科学态度，端正的工作作风，独立自主的思考方式和谦虚谨慎的求教作风。总之，我觉得在此次毕业设计中我学到了不少知识，相信对我以后的工作和学习都会有很大的帮助。

最后感谢四年里陪伴我的同学、朋友们，有了他们我的人生才丰富，有了他们我在奋斗的路上才不孤独，谢谢他们。

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