年产5万吨烧碱工艺流程初步设计

北京化工大学

毕业设计（论文）

年产5万吨烧碱洗涤工艺设计

学 院 继续教育学院 专 业 名 称 化工工艺 班 级 11化工班 姓 名 毛宏秀 指 导 教 师 王广菊

诚信承诺书

本人郑重承诺：我所呈交的毕业设计《年产5万吨烧碱洗涤工艺设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

承诺人签名：

日期： 年 月 日

毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目： 年产5万吨烧碱洗涤工艺设计 函授站： 甘肃函授站 专业： 化工工艺 班级： 11化工工艺高级版 学生姓名： 毛宏秀 指导教师（含职称）： 王广菊 ( 老师 ) 1．设计（论文）的主要任务及目标

（1）现代工业主要通过电解饱和NaCl溶液来制备烧碱，主要采取隔膜电解法和离子

膜电解法。

（2）主要通过对隔膜法制烧碱的介绍以及烧碱工艺洗涤段作出细的致的计算，得出结论。 （3）明确生产的步骤，注意事项，更深层次的了解烧碱的生产过程。 2．设计（论文）的基本要求和内容 (1)摘要（200－300字）；

(2)目录；

(3)文献综述（2000－3000字）； (4)性质及用途（2000－3000字） ； (5)生产原理（500－800字）； (6)工艺计算（4000－5000字） ； (7)总结（500－1000字） ； (8)参考文献（10篇以上） ； (9)致谢；

3．主要参考文献

(1) 李相彪，俞慧玲主编《烧碱生产技术》（下册）[M].2005年7月

(2)张浩勤、陆美娟主编《化工原理》新版（上、下册），[M].化学工业出版社，2008 年4月 (3)王振中编《化工原理》（上册）[M].1986年6月第1版

(4)汤善甫、朱思明主编《化工设备机械基础》，[M].华东理工大学出版社，2004年12月 (5)邹安丽、张怀安主编《化工机器与设备》，[M].化学工业出版社，1991年6月第1版 (6)化工设备设计全书编辑委员会，《塔设备设计》，[M].上海科学技术出版社，1988 (7)陈声宗主编，《化工设计》，[M].化学工业出版社，2001

(8)王德祥，新式氯气处理工艺简介，《氯碱工业》[M].2000年1月第一期

北京化工大学毕业设计（论文）

4．进度安排

摘要

NaOH是一种常见的重要强碱。

其固体又被称为烧碱、火碱、片碱、苛性钠等，是一种白色固体，有吸水性，可用作干燥剂，且在空气中易潮解（因吸水而溶解的现象，属于物理变化）；溶于水，同时放出大量热。

其液体是一种无色，有涩味和滑腻感的液体。

氢氧化钠的用途十分广泛，在化学实验中，除了用做试剂以外，由于它有很强的吸湿性，还可用做碱性干燥剂。烧碱在国民经济中有广泛应用，许多工业部门都需要烧碱。使用烧碱最多的部门是化学药品的制造，其次是造纸、炼铝、炼钨、人造丝、人造棉和肥皂制造业。另外，在生产染料、塑料、药剂及有机中间体，旧橡胶的再生，制金属钠、水的电解以及无机盐生产中，制取硼砂、铬盐、锰酸盐、磷酸盐等，也要使用大量的烧碱。工业用氢氧化钠应符合国家标准 GB 209-2006；工业用离子交换膜法氢氧化钠应符合国家标准 GB/T 11199-89；化纤用氢氧化钠应符合国家标准 GB 11212-89；食用氢氧化钠应符合国家标准 GB 5175-85。

在工业上，氢氧化钠通常称为烧碱，或叫火碱、苛性钠。这是因为较浓的氢氧化钠溶液溅到皮肤上，会腐蚀表皮，造成烧伤。它对蛋白质有溶解作用，有强烈刺激性和腐蚀性（由于其对蛋白质有溶解作用，与酸烧伤相比，碱烧伤更不容易愈合）。用0.02%溶液滴入兔眼，可引起角膜上皮损伤。小鼠腹腔内LD50: 40 mg/kg，兔经口LDLo: 500 mg/kg。粉尘刺激眼和呼吸道，腐蚀鼻中隔；溅到皮肤上，尤其是溅到粘膜，可产生软痂，并能渗入深层组织，灼伤后留有瘢痕；溅入眼内，不仅损伤角膜，而且可使眼睛深部组织损伤，严重者可致失明；误服可造成消化道灼伤，绞痛、粘膜糜烂、呕吐血性胃内容物、血性腹泻，有时发生声哑、吞咽困难、休克、消化道穿孔，后期可发生胃肠道狭窄。由于强碱性，对水体可造成污染，对植物和水生生物应予以注意。

固体氢氧化钠可装入0.5毫米厚的钢桶中严封，每桶净重不超过100 公斤；塑料袋或二层牛皮纸袋外全开口或中开口钢桶；螺纹口玻璃瓶、铁盖压口玻璃瓶、塑料瓶或金属桶（罐）外普通木箱；螺纹口玻璃瓶、塑料瓶或镀锡薄钢板桶（罐）外满底板花格箱、纤维板箱或胶合板箱；镀锡薄钢板桶（罐）、金属桶（罐）、塑料瓶或金属软管外瓦楞纸箱。包装容器要完整、密封，应有明显的“腐蚀性物品”标志。铁路运输时，钢桶包装的可用敞车运输。起运时包装要完整，装载应稳妥。运输过程中要确保容器不泄漏、不倒塌、不坠落、不损坏，防潮防雨。如发现包装容器发生锈蚀、破裂、孔洞、溶化淌水等现象时，应立即更换包装或及早发货使用，容器破损可用锡焊修补。严禁与易燃物或可燃物、酸类、食用化学品等混装混运。运输时运输车辆应配备泄漏应急处理设备。不得与易燃物和酸类共贮混运。失火时，可用水、砂土和各种灭火器扑救，但消防人员应注意水中溶入烧碱后的腐蚀性。

目 录

第1章 烧碱的制备工艺简介 ............................................ 4

1.1整流 ................................................................ 5 1.2盐水精制 ............................................................ 5 1.3电解 ................................................................ 6 1.4氯氢处理 ............................................................ 7 1.5液碱蒸发 ............................................................ 8 1.6固碱产生 ............................................................ 8

第2章 烧碱生产概述 ................................................... 9

2.1烧碱生产的主要方法 .................................................. 9 2.2氢气的性质及其用途 ................................................ 9 2.2.1物理性质 ........................................................ 9 2.2.2化学性质 ........................................................ 9 2.2.3氢气的用途 ...................................................... 9 2.3烧碱氢气处理的目的 ................................................. 10 2.4烧碱氢气处理的工艺流程 ............................................. 10 2.5烧碱烧碱氢气处理工艺流程简图 ....................................... 11 2.6烧碱氢气处理中的工艺指标 ........................................... 11

第3章 工艺计算 ....................................................... 12

3.1一段洗涤塔的物料衡算 ............................................... 12 3.1.1一段洗涤塔的物料衡算基准 ...................................... 12 3.1.2一段洗涤塔的储存槽氢气（80）中水冷含量 ......................... 12 3.1.3一段洗涤塔的物料衡算计算 ....................................... 13 3.2一段洗涤塔热量衡算 ................................................. 14 3.2.1入塔气体带入热量 ............................................... 15

3.2.2冷却水带热量 ................................................... 15 3.2.3出塔气体带出热量 ............................................... 15 3.2.4一段洗涤塔的热量守恒的计算 ..................................... 16 3.2.5一段洗涤塔热量衡算 ............................................. 16 3.3二段洗涤塔的物料衡算 ............................................... 17 3.3.1物料衡算的计算依据 ............................................. 17 3.3.2物料衡算的计算 ................................................. 17 3.4二段洗涤塔的热量衡算 ............................................... 18 3.4.1二段进塔气体热量的计算 ......................................... 18 3.4.2冷却水带出热量的计算 ........................................... 18 3.4.3二段出塔气体热量的计算 ......................................... 19 3.4.4二段洗涤塔的热量守恒的计算 ..................................... 19 3.4.5二段洗涤塔热量衡算表 ........................................... 24 3.5气体中氢气含量的计算 ............................................... 20 3.5.1气体中氢气含量的计算 ........................................... 20 3.5.2干气体中氢气的百分数 ........................................... 20

第4章 主要设备的工艺计算 ........................................... 21

4.1一段洗涤塔的相关计算 ............................................... 21 4.1.1一段洗涤塔的气体流量的计算 ..................................... 21 4.1.2一段洗涤塔的冷却水喷淋量及管经的计算 ........................... 22 4.1.3一段洗涤塔塔经的计算 ........................................... 23 4.1.4一段洗涤塔塔高度的确定 ......................................... 26 4.1.5喷嘴输送的确定 ................................................. 26 4.1.6一段洗涤塔管经的计算 ........................................... 26 4.2二段洗涤塔的相关计算 ............................................... 27 4.2.1二段洗涤塔进塔气体和出塔气体流量的计算 ......................... 27 4.2,2二段洗涤塔冷却水喷淋量及管经的计算 ............................. 27 4.2.3二段洗涤塔塔经的计算 ........................................... 28 4.2.4二段洗涤塔高度的确定 ........................................... 31

4.2.5二段洗涤塔的喷嘴数的确定 ...................................... 31 4.2.6二段洗涤塔气体进口管经和出口管经的计算 ........................ 31 4.3氢气缓冲罐的计算 .................................................. 32

附录 .................................................................... 33 参考文献 ............................................................... 34 致谢 .................................................................... 35

第1章 烧碱的制备工艺简介

现代工业主要通过电解饱和NaCl溶液来制备烧碱。电解法又分为水银法、隔膜法和离子膜法，我国目前主要采用的是隔膜法和离子膜法，这二者的主要区别在于隔膜法制碱的蒸发工序比离子膜法要复杂，而离子膜法多了淡盐水脱氯及盐水二次精制工序。

目前我国主要采取隔膜电解法和离子膜电解法。在这次年产五万吨烧碱工艺流程序初步设计中我采取的是隔膜法制烧碱的氢气处理方法，并简要讨论工艺中的能耗情况。原料为粗盐（含大量杂质的氯化钠），根据生产工艺中的耗能情况，将烧碱制法分为整流、盐水精制、盐水电解、液碱蒸发、氯氢处理、固碱生产和废气吸收工序等七个流程。

据测算，电解法烧碱生产吨碱综合能耗在各工序的分布如下: 整流2.0%；盐水精制3.9% ; 电解53.2%；氯氢处理1.2%；液碱蒸发25.1%；固碱生产14.6%。从上述可知,电解和液碱蒸发是主要耗能工序。电解工序中的电耗约为吨碱电耗的90%，碱蒸发中的蒸汽消耗占吨碱蒸汽消耗的74%以上。

1-整流

2-盐水精制 3-电解

4-氯氢处理

5-液碱蒸发

6-固碱生产

图1 烧碱工艺总流程示意图

1.1整流

整流是将电网输入的高压交流电转变成供给电解用的低压直流电的工序，其能耗主要是变压、整流时造成的电损，它以整流效率来衡量。整流效率主要取决于采用的整流装置，整流工序节能途径是提高整流效率。当然减少整流器输出到电解槽之间的电损也是不容忽略的。

1.2盐水精制

将工业盐用水溶解饱和并精制(除去Ca2+、M g2+、S 02-4等有害离子和固体杂质)获得供电解用精制饱和盐水,是盐水精制工序的功能。 一次盐水精制：

采用膜过滤器（不预涂）

图2 盐水一次精制流程图

二次盐水精制：

二次盐水精制采用螯合树脂塔进行吸附。

图3 盐水二次精制流程图

一次盐水工段送来的一次精制盐水中钙、镁等离子可以被螯合树脂选择性吸附，而吸附的饱和树脂可用盐酸、氢氧化钠进行再生，从而使树脂达到重复使用的目的。

盐水精制工序的能耗主要是加热溶解固体盐的蒸汽和动力电耗，它们分别约占吨碱电耗和吨碱汽耗的0.2%和12%。因此，在此工序，节能措施主要是如何利用工厂的余热（废蒸汽或热水）来加热溶解固体盐，而采用盐水自流流程无疑也会节约动力电消耗。

1.3电解

盐水二次精制后，添加部分淡盐水经阳极液进料总管以及软管送入各单元槽的阳极室中。

阳极液电解产生淡盐水和氯气，经阳极分离器后，氯气从淡盐水中被分离出来送氯气处理工序，淡盐水流到淡盐水循环槽由泵送去脱氯塔。

图4 精制盐水电解示意图

图5 电解反应方程式

能耗主要是电解直流电耗，影响直流电耗的因素是槽电压和电流效率，直流电耗

与槽电压成正比，与电流效率成反比。因此，降低电解槽的槽电压和提高电流效率是电解工序的主要节能途径。

1.4 氯氢处理

氯气处理工序均包括氯气洗涤、冷却除雾、干燥、压缩；氢气处理均包括氢气洗涤、压缩、脱氧、干燥。

离子膜法制碱时，建议氯气处理工艺方案：湿氯气经氯水洗涤，钛管换热器，氯气除盐、降温后经一段填料塔、二段泡罩塔干燥，使氯气含水量≤50wtppm，氯气输送选用大型离心式氯气压缩机（透平压缩机）。通常根据氯气压缩机压力的不同，将氯气液化方式分为高压法、中压法和低压法三种。高压法消耗冷冻量少，不需要制冷机，能耗低。但对氯气处理工艺、氯气输送设备的要求高，增加投资费用。因此，国内一

般采用中、低压液化方法生产液氯。如下图所示。建议氢气处理方案：选择氢气洗涤塔直接洗涤冷却降温、列管换热器间接冷却，水环式氢气压缩机输送。

图6 电解后氯气处理示意图

1-氯气洗涤塔；2-鼓风机；3-Ⅰ段冷却器；4-Ⅱ段冷却器；5-水雾捕集器；

6-填料干燥塔；7-泡罩干燥塔；8-酸雾捕集器；9-氯压机

1．5 液碱蒸发

将电解槽生产的液碱通过蒸发系统用蒸汽加热将一部分水蒸出，并将绝大部分盐（N a C I) 分离出去，从而获得成品液碱。

蒸发的能耗主要是蒸汽，当然动力电也是值得注意的。蒸发系统的加热蒸汽供给的热量主要消耗在（1）预热物料至沸点所需热量；(2)蒸发水分所需热量；(3)碱液的浓缩热；(4)氯化钠析出结晶热；（5)设备的热损失。

1.6 固碱生产

将蒸发获得的液碱采用大锅熬煮或升膜一降膜一闪蒸方法进一步浓缩生产固碱，其主要消耗是燃料(煤、重油、氢气)。因此，固碱生产节能主要是充分利用燃料燃烧热量和节约燃料的流程等。

第2章 烧碱生产概述 2.1烧碱生产的主要方法简介

目前烧碱生产方式主要采取：水银电解法 、隔膜电解法、苛化法、离子膜法三种方法制烧碱。我国主要采取隔膜电解法和离子膜电解法。在这次年产5万吨烧碱氢处理工序初步设计中我采取的是隔膜法制烧碱的氢气处理方法。

隔膜法电解总反应方程式：2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑

2.2氢气的性质及其用途

2.2.1物理性质

760mmHg时为0.08987g/l，沸点为-252.7℃；结晶温度是-259.1℃；与空气之比重是0.0695或

1

在水中溶解度很小，标准状态下溶于水中之氢气体积为0.0215。 ；14

而在镍、钯和铂内的溶解度很大，一体积能解几百体积氢。氢气的爆炸上限和下限分别为74.2%和4.1%(体积分数)

氢气除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外，另一大用途时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。 2.2.2化学性质

（1）氢气具有可燃性，当它不纯净时燃烧反应发生爆炸；但是其纯度很高时能在空气里安静的燃烧。

（2）氢气具有还原性，它能与某些金属氧化物反应使金属还原。 （3）氢气具有稳定性，氢气在常温下的化学性质是稳定的。 2.2.3氢气的用途

（1）氢气可以用于焊接或切割金属，熔化熔点很高的石英和加工石英制品。因为它在纯氧中燃烧的火焰（氢氧焰）可达3000℃，可以使许多金属熔化。

（2）氢气可以产生氢氧焰、制氢氧电池，可以填充气球、冶炼金属钨和钼。氢用于合成甲醇，合成人工石油等。

（3）氢还是一种理想的燃料氢气的燃烧产物是水且污染少。液态的氢是一种高能燃料，可供发射火箭、宇宙飞船、导弹等使用。氢气做为燃料具有很好的发展前途。同

时氢气也是重要的化工原料。

综上所述：由以上叙述可以看出烧碱生产中所产生的氢气具有很高的回收价值，并且氢气处理工序较为简单，投资费用不高，高纯度的氢气可以供多种行业使用。因此须对制烧碱中的氢气进行处理。

2.3烧碱氢气处理的目的

在电解过程中，H2是以鼓泡的形式出来的，所以其带有较高的温度和部分杂质。 （1）其带有大量的水蒸气，温度越高，在蒸汽中的饱和水蒸气量越大，会影响氢气的纯度。

表2-1 饱和水蒸气表（按温度排列）

（2）氢气中还带有NaOH 、NaCl。因为氢气是从电解液中出来的，不可避免的就带有NaOH、NaCl等盐类杂质这些杂质必须除去。

（3）从电解槽中以鼓泡的形式出来的氢气温度太高（一般在80～90℃），必须进行降温，否则会影响后续的加工工艺要求。

所以氢气主要通过冷却水洗涤的处理方式达到降低氢气温度除去水分，洗去NaOH、NaCl等水溶性杂质的目的以提高氢气的纯度和利用价值。

2.4氢气处理的工艺流程

电解出来的饱和湿氢气中含有大量的水和其他气体，一般采用间接法和直接法除去以达到工艺要求。由于在本次设计中不充分考虑热综合利用，所以采用直接法进行氢气的处理，可以简化工艺流程，节约投资费用。它是由电解槽中出来的氢气经氢气缓冲罐后进入一段洗涤塔洗去一部分的杂质及使氢气冷却至50℃后在经二段洗涤塔除杂质及冷却至30℃，之后再经过丝网除雾器除去盐和碱的雾沫后，用罗茨鼓风机抽送至分配台进行下一阶段的分配。

2.5氢气处理工艺流程简图

氢气处理工艺流程图见下，据此进行物料衡算和热量衡算：

图7 氢气处理工艺流程图

2.6氢气处理中的工艺指标

（1）氢气纯度指标：﹥98％ （2）冷却水温度；25℃

第3章 工艺计算 3.1一段洗涤塔的物料衡算

3.1.1一段洗涤塔的物料衡算基准 （1）以生产5万吨100％NaOH为基准

有化学方程式：2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2↑ + Cl2↑ 2×40 2 5×10 m 计算可得：

7

2 5 1077

m==0.125×10（Kg）

2 40

m—生产5万吨烧碱的H2的质量

（2）经处理后的氢气纯度为98％。 （3）出电解槽后的氢气温度按80℃计算。 （4）查相关数据得：

进入冷却塔的氢气温度为80℃是饱和水蒸气分压为0.483Kgf/cm2，为50℃时饱和水蒸气分压为0.1258 Kgf/cm2，为30℃时饱和水蒸气分为0.0433 Kgf/cm2 （5）由于氢气在水中的溶解度很小，故氢气在水的溶解度忽略不计。 （6）饱和水蒸气含量及水量计算：按道尔顿分压定律计。 3.1.2一段洗涤塔的出槽氢气（80℃）中的水汽含量

设出槽氢气（80℃）中的水汽含量为X； 据道尔顿分压定律：

yA

nAPA

得 nBPB

X

0.483 1X0.125 107

182 0.98

X X0.125 107

0.483 0.483 18 182 0.98

0.0556X 0.0268X 308035.7 0.0288X 308035.7X 1.07 107Kg

则出槽气体组成：

氢气：0.625×106Kmol 0.125×107Kg 水汽：0.594×10Kmol 1.07×10Kg 其他气体：12755Kmol 369895Kg 3.1.3一段洗涤塔的物料衡算计算 （1）据公式：n=

6

7

m

得 M1250000

=0.625×106(Kmol ) nH2

2

12500000.02

12755（kmol） 其他气体组成：

20.98

（2）根据道尔顿分压定律计算水量：设管路中（由80℃降至50℃）的冷凝水量为W 这时气体中水的分子为：（1.07×107-W）/18 气体的分子总数为：

1.25 1061.07 107 W

2 0.9818

据道尔顿分压定律：

yA

nAPA

nBPB

1.07 107 W

0.125818

1 0.12580.125 107

2 0.981.07 107 W

0.1258

6377550.78428390940 1444132 0.7842W

6946808W

0.7842W 8.86 106Kg

则出他气体组成：

氢气：0.625×106（kmol） （1.25×106 Kg）

水气：0.102×106（kmol） （1.07×107-8.86×106=1.84 ×106 Kg） 其他气体：12755（kmol）（12755×29=369895 Kg）

表3-1 第一段洗涤塔总物料衡算表

年产5万吨100%烧碱氢气处理中 氢气：0.625×106（kmol）

一段进塔氢气中含水汽含量：0.594×106（kmol） 一段出塔氢气中含水总量：0.102×106（koml） 其它气体：12755（kmol）

3.2一段洗涤塔热量衡算

查相关数据得：相关热力数据表

3-2 相关热力数据

3.2.1入塔气体带入热量

Q1=(80+273)×1.25×106×3.439×4.187 =6.354×109 KJ

Q2=1.07×107×2642.4=2.827×1010 KJ Q3=(80+273)×369895×0.244×4.187 =1.334×108 KJ

3.2.2冷却水带出热量

设冷却水量为W2 kg,温度25℃，冷却水出塔温度为35℃；此时出塔冷却水比热熔约为1×4.187 KJ/（Kg·K）。

则出塔水量： W2+W1=W2+8.86×106

冷却水带入热量：Q4=W2×(273+25) ×1×4.187

冷却水带出热量：Q5=(W2+8.86×106)×(273+35)×1×4.187 3.2.3出塔气体带出热量

Q6=(273+35)×1.25×106×3.421×4.187=5.783×109 KJ

Q7=1.84×106×2587.6=4.761×109KJ

Q88= (273+50)×369895×0.243×4.187=1.216×10 KJ 3.2.4一段洗涤塔的热量守恒的计算

则

Q进=

Q出

∴ Q1+Q2+Q3+Q4 = Q5+Q6+Q7+Q8

6.354×109

+2.827×1010

+1.334×108

+W2×(273+25)×1×4.187

=(W2+8.86×106)×(273+35)×1×4.187+5.783×109+4.761×109+1.216×1083.476 1010 2.210 1010 41.87W2

∴W82=3.024×10 kg 即：进入系统水量为 3.024×108 kg , 出系统冷却水量为：

3.024×108+8.86×106=3.113×108 kg 冷却水带入热量：

3.024×108×(273+25) ×1×4.187= 3.773×1011KJ 冷却水带出热量：

(3.024×108+8.86×106) ×(273+35)×1×4.187=4.015×1011KJ 3.2.5一段洗涤塔热量衡算表

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