1、45000吨/年NaOH蒸发车间工艺设计,指导老师：张 雷,答 辩 人：刘 志 强,题目,题目,院 系：化学化工学院,专 业：化学工程与工艺,目录,文献综述,工艺选择,设计计算,设备选型,1,2,3,4,a.研究背景b.国内外技术现状c.烧碱蒸发的方法d.烧碱蒸发的特点,a.三效顺流流程介绍b.蒸发操作的影响因素c.蒸发设备的选择,a.物料衡算b.温差损失计算热量衡算c.传热面积迭代计算,a.蒸发器主要工艺尺寸计算b.蒸发辅助设备的选型,文献综述,NaOH介绍,研究背景Theoritical Background,氢氧化钠（化学式为NaOH，俗名火碱、烧碱）在常温下是一种白色晶体具有极强的腐蚀
2、性。易溶于水，其水溶液呈强碱性，固体烧碱具有潮解性。,工业来源,工业中烧碱主要来源于精制后的氯化钠溶液通过直流电解后得到的氢氧化钠溶液。电解方法的不同现今主要分为隔膜法和离子膜法两类。,烧碱工业用途,文献综述,国外多以离子膜法工艺成熟美国杜邦公司最先开始生产离子膜,国内以隔膜法为主没有生产离子膜的技术设备材质也跟不上,日本旭化成公司首次实现了离子膜法生产工业化,国内外技术现状Current Situation and Development Trend,技术比较,离子膜法：优点：出槽NaOH浓度高、能耗低、氯气氢气纯度高，无污染。缺点：盐水质量要求高，昂贵、容易损坏，国内靠引进。,隔膜法：优点
3、：技术成熟，设备简单，隔膜易得。缺点：污染大，能耗高,文献综述,目录,文献综述,工艺选择,设计计算,设备选型,1,2,3,4,a.研究背景b.国内外技术现状c.烧碱蒸发的方法d.烧碱蒸发的特点,a.三效顺流流程介绍b.蒸发操作的影响因素c.蒸发设备的选择,a.物料衡算b.温差损失计算热量衡算c.传热面积迭代计算,a.蒸发器主要工艺尺寸计算b.蒸发辅助设备的选型,工艺选择,蒸发操作特点The Feature of Evaporation Opration,烧碱蒸发特点,1. 析出NaCl晶体2. 末效的温差损失极大3.末效传热状况差,双效顺流1.工艺设备简单2.蒸汽压力要求不高3.能量利用率很低
4、,三效逆流1.能量利用率最高2.设备材料要求高3.设备台数多4.需要闪蒸罐,三效顺流1.能量利用率高2.可生产42%的NaOH溶液3.操作易控制4.对设备材料要求不高,三效四体1.工艺较为复杂2.需生蒸汽压力要求高3.单位气耗大,三效顺流特点,1.自动过料2.出料温度低3. 后效黏度大,工艺选择,循环型,特点：溶液循环流动，溶液浓度基本相同，操作稳定,设备选型Equipment Selection,特点：单程达到指定浓度，受热时间短适合热敏物质,单程型,外加热式,工艺选择,三效顺流简述The Brief of Three-effect Downstream Evaporation,工艺选择,影
5、响因素Influencing Factors,生蒸汽压强,1.提高压强可改善系统的操作条件2.决定了有效总温差3.压强过低无法维持良好的沸腾状态选用500kPa加热蒸汽,末效真空度,1.影响有效温度2.影响单位气耗3. 末效温度低减少腐蚀4.末效温度影响冷凝水用量选用31.2kPa真空度,蒸发器液位,1.蒸发器液位过高降低循环速度2.液位波动过大使得系统不稳定采用中央循环管式蒸发器，液位高度为1.2m,进料温度,1.提高进料温度可减少蒸汽气耗2.充分的利用系统余热采用一二效蒸汽冷凝水余热料液，可使得温度达到100左右,目录,文献综述,工艺选择,设计计算,设备选型,1,2,3,4,a.研究背景b
6、.国内外技术现状c.烧碱蒸发的方法d.烧碱蒸发的特点,a.三效顺流流程介绍b.蒸发操作的影响因素c.蒸发设备的选择,a.物料衡算b.温差损失计算热量衡算c.传热面积迭代计算,a.蒸发器主要工艺尺寸计算b.蒸发辅助设备的选型,设计计算,物料衡算Material Balance,计算依据,设计计算,物料衡算Material Balance,计算依据,所得数据如下表所示：,总的进料F、进出物料组成Xi,进出物料的量FW 、 FS 、 Fi,设计计算,物料衡算Material Balance,计算依据,溶液浓度和蒸发水量,FW 、 FS 、 Fi ，设W1：W2:W3=1：1.1：1.2,Xi、Wi,
7、设计计算,物料衡算Material Balance,计算依据,总压降,各效平均压降,二次蒸汽压强,二次蒸汽温度,Ti、Xi,溶质引起的沸点损失,Pi、H,静压差引起沸点损失,工程经验,管路引起沸点损失,各效总的温差损失,二次蒸汽温度,溶液沸点,设计计算,温差损失Heat Transfer Temperature Loss,温差损失,二次蒸汽性质,上述得到的数据是进行热量衡算的基础,设计计算,温差损失Heat Transfer Temperature Loss,溶液沸点,由得到的溶液沸点和组成可以查得溶液的平均比热容为： 0.923kcal（kg）水的平均比热容为 4.204kJ/(kg)由得到
8、的各效二次蒸汽的温度、溶液和水的比热以及各效蒸发水量可以对各效做热量衡算。,设计计算,热量衡算Heat Balance,对第i效做热量衡算：,考虑各类热损失整理之后可得：,代入数据可以得到关系式如下：,考虑热量衡算后的溶液浓度和蒸发水量如下表所示。,设计计算,热量衡算Heat Balance,新的蒸汽量和溶液浓度,S1 =906m2;S2=680.5m2;S3=424.8m2,K1= 1900W/mKK2 =1300W/mKK3=720W/mK,Wi ri,S1S2 S3，需要迭代,设计计算,迭代计算Iterative Calculation,平均传热面积公式：,有效温差分配：,迭代后溶液蒸汽
9、性质,得到迭代后的蒸发水量和传热面积为：,S1 =544.7m2;S2=542.4m2;S3=538.0m2,W1= 12972 kg/h;W2=12667 kg/h; kg/h;W3=12240 kg/h;D1=14457kg/h,蒸汽量和传热面积的误差均在2%左右，所以数据合理不必再迭代,设计计算,计算结果Calculation Results,最终计算结果,目录,文献综述,工艺选择,设计计算,设备选型,1,2,3,4,a.研究背景b.国内外技术现状c.烧碱蒸发的方法d.烧碱蒸发的特点,a.三效顺流流程介绍b.蒸发操作的影响因素c.蒸发设备的选择,a.物料衡算b.温差损失计算热量衡算c.传
10、热面积迭代计算,a.蒸发器主要工艺尺寸计算b.蒸发辅助设备的选型,设备选型,加热管尺寸The Size of Heating Pipe,加热管管径,单位：mm,选择长为5m，管子规格为 的加热管。根据面积计算公式可以得到下列方程：,根据计算得到的数据我们可以得到加热管的数目为618,设备选型,加热室直径The Diameter of Heating Chamber,加热管管径,加热管排列方式选择三角形排列的方式管子按照正三角形排列时：,由此可以得到中心线上的管数为28，代入 可得：圆整之后得到管径为2100mm，壁厚取为12mm,设备选型,其他尺寸Other Size,加热管管径,根据蒸发体积
11、流量法可以求得蒸发室的高度和直径：,接管尺寸可据管内允许流速和流量来计：,D=1.50m.H=2.26m,溶液进出口: mm的无缝钢管,蒸汽进出口: mm的无缝钢管,冷凝水进出口: mm的无缝钢管,循环管管径计算：,上循环管: mm的无缝钢管,下循环管: mm的无缝钢管,设备选型,辅助设备Auxiliary Equipment,加热管管径,气液分离器：惯性式,Da=360mm,Dc=540mm,De=720mm,H=720mm.H=180mm,气液分离器部分管规格,单位：mm,设备选型,辅助设备Auxiliary Equipment,加热管管径,蒸汽冷凝器：逆流高位式,1、气压管长度,最小液位
12、高度,克服阻力压头,防倒灌压头,在精度要求不高情况下可取为11米,2、冷凝器的直径,被冷凝蒸汽量,气体流速,接触情况,气体在冷凝器中的允许流速,圆整之后为1.2m,设备选型,辅助设备Auxiliary Equipment,加热管管径,3、淋水板的尺寸,淋水板的宽度：a=626.5mm,淋水板的排列方式：正三角形,淋水板孔数：32,4、淋水板数,当冷凝器的高度大于500mm时：取板数为8块,5、淋水板的间距,工程上一般采用上稀下密的不等距安装,相邻淋水板间距,6、冷凝器高度,冷凝器的总高度为：5.63m,设备选型,辅助设备Auxiliary Equipment,加热管管径,真空泵,末效压强为31
13、.2kPa，排气量为2.07kg/h选用2BA-6型的系列的真空泵,加料泵,流量为56.818m3/h,选用IS-80-160型的离心泵,IS-80-160型离心泵参数,安全分析,节能分析,1.加热蒸汽产生的冷凝水的利用2. 末效处于真空下，二次蒸汽温度低,安全分析,1.热蒸汽容易造成烫伤2.压力容器易爆炸3.机械碰伤,安全节能分析Energy Saving And Safety Analysis,安全分析,到控制点工艺流程图Process Chart With Control Points,安全分析,加热管管径,平面布置图Plane Arrangement Chart,安全分析,参考文献Re
14、ference,1魏宗胜. 蒸发器设计中值得注意的几个问题J. 氯碱工业, 1982(01):38-47. 2 孙勤. 我国隔膜法烧碱的生产现状及发展趋势J. 氯碱工业, 2007(z1):24-27. 3罗晓鹏. 烧碱蒸发装置扩能技术改造D. 四川大学, 2004. 4王世常. 烧碱蒸发工艺现状及节能改造的建议J. 氯碱工业, 2010(01):22-29.5李海明. 烧碱蒸发工艺设计要点J. 福建化工, 1999(02):14-17. 6刘启照, 费红丽, 张永强. 烧碱生产装置进展J. 氯碱工业, 2000(07):1-8.7赵琦, 陈克伟. 三效顺流部分强制循环蒸发工艺在天然碱苛化烧碱
15、中的应用J. 纯碱工业, 1994(04):41-45.8谭学富, 李茂林, 王红心, 等. 氢氧化钠水溶液多效蒸发调优J. 沈阳化工学院学报, 1997(01):26-31.9叶声华. 氢氧化钠储运设备的腐蚀与防护J. 安庆科技, 2005(04):41-42.,安全分析,加热管管径,参考文献Reference,10张西峰. 年产5万吨烧碱厂蒸发工段的工艺改造设计及建议J. 化学工程与装备, 2013(09):87-92.11李长新. 氯碱生产蒸发工段工艺研究J. 科技视界, 2014(26):351-352.12王和义. 离子膜烧碱蒸发工艺技术的确定J. 氯碱工业, 1996(07):18
16、-23.13张英民, 郎需霞, 邵冰然, 等. 国内外离子膜法烧碱生产技术综述(续完)J. 氯碱工业, 2008,44(3):1-8.14刘岭梅, 沈文玲. 国内烧碱生产技术简介J. 氯碱工业, 2001(5):1-5.15程殿彬, 胡彦军. 国内烧碱成本比国外高的原因及缩小差距应采取的措施J. 氯碱工业, 2003(1):1-10, 12.16边圣海. 隔膜烧碱蒸发装置优化研究D. 浙江大学化学工程, 2005.17干成军, 赵福元. 隔膜法烧碱与离子膜法烧碱生产技术与投资比较J. 氯碱工业, 2007(5):17-19, 26.18陈泽林. 10万t/a烧碱三效四体蒸发装置的工艺设计J.
17、氯碱工业, 2002(1):22-25.,安全分析,参考文献Reference, 19 张乃慧.戈尔膜过滤新工艺与道尔澄清盐水精制工艺、技术及经济的比较 J .中国氯碱, 2002(1):15 -16. 20 孟昭仁.氯碱工业离子膜和电槽的进展 J .化学世界,2001(3):166 -168. 21 陈士平, 王丽彦.2001 2002年离子膜电解槽中国专利简介 J .氯碱工业, 2003(7):18 -21. 22 李风格, 段绪琴.氯气处理工艺改进及技术要点 J .氯碱工业, 2005(12):28 -30. 23 闫健, 郭世杰, 刘国庆.氯气处理工艺技术方案的选择 J .中国氯碱,
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19、刘自珍.我国金属阳极隔膜法烧碱发展现状与对策 J .中国氯碱, 2003(1):1-4 . 30 程殿彬, 胡彦军.国内烧碱成本比国外高的原因及缩小差距应采取的措施 J .氯碱工业, 2003 , (1):1 -10,12 . 31 张国民.优化结构, 提高竞争力 N .中国化工报, 2006-01 -05(B21). 32 李静繁.烧碱:扩容过快易失衡 N .中国化工报, 2006-01 -12(3). 33蔡春艳, 高旭东, 董红果, 等.1999 2000 年国内氯碱工业综述 J .氯碱工业, 2001,(10):1-14. 34 郑结斌, 李静繁.烧碱:产需续增盐电供应仍紧 N .中国化工报, 2005 -01 -13(3). 35 冯世良.2006 年我国石油和化工行业经济发展取得显著成效 J .中国化工信息, 2007 ,(6):24-25.,致谢,致谢Thanks,衷心的感谢化工院老师们对我的谆谆教导感谢组内同学的支持与帮助感谢张雷老师百忙之中对我的指导和建议,
