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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流年产0万吨隔膜烧碱工艺设计电解车间设计.精品文档.(2013届) 本科毕业设计(论文)资料题 目 名 称:年产10万吨隔膜烧碱工艺 设计电解车间 学 院(部):包装与材料工程学院 专 业: 应用化学 学 生 姓 名: 邵春林 班 级: 应化092 学号09404600231 指导教师姓名: 陶炳 职称 高级工程师 最终评定成绩: 湖南工业大学教务处 2013届本科毕业设计(论文)资料第一部分 毕业论文(2013届)本科毕业设计(论文)题 目 名 称: 年产10万吨 隔膜烧 碱工艺设计电解车间 学 院(部): 包装与材料工程学院 专 业: 应用
2、化学 学 生 姓 名: 邵春林 班 级: 应化092 学号09404600231 指导教师姓名: 陶炳 职称 高级工程师 最终评定成绩: 2013年 6 月摘 要烧碱,作为一种基本的化工原料,在工业生产的很多领域都有着广泛的用途。过程包括盐水精制、电解和产品精制等工序,其中主要工序是电解工业上采用隔膜电解法、水银电解法和离子膜电解法离子膜法工艺是烧碱生产的发展方向,但由于我国离子膜法烧碱“使用超前、研发滞后”的特点非常明显,国内没有掌握离子膜法烧碱的核心要素离子膜。目前我国离子膜法烧碱装置所用离子树脂交换膜全部依赖进口,1万t/a离子膜法装置需100m2计,目前我国大约需56000m2离子树脂
3、交换膜,仅购膜费用折合人民币为3.4亿元,高额的购膜费用增加了离子膜法烧碱的生产成本,生产1t烧碱增加100元。与发达国家相比,我国离子膜法生产工艺存在连续运行时间短、能耗偏高的问题,鉴于此,根据我国烧碱消费水平和氯碱生产装置的现状,金属阳极隔膜电解槽与离子膜电解槽将较长时间在我国共存。尽管离子膜法制碱技术发展迅猛,但隔膜法制碱技术要退出历史舞台还需较长的时间。隔膜电解法制碱的最大优点是装置投资少、建设期短、见效快,管理相对容易,技术成熟;设备均可采用国产设备;在相同的产能条件下,具有设备数量少、投资少、见效快的优势。隔膜电解制碱技术生产设备容易制作,材料便于取得,在电源比较丰富或电价比较低廉
4、,对于烧碱含盐量的要求又不很苛刻的地区,特别是有地下盐水或附近有联合发电与供汽设施的地区,仍在普遍采用。因此,进行隔膜烧碱厂的设计就很有必要了。本设计采用了新的电解制碱技术隔膜电解制碱技术,在此设计中,对隔膜、电解槽进行选择,烧碱生产包括下列工序:盐水精制、蒸发碱液、固碱生产,氯气干燥。本次设计是针对该工艺的核心部分电解工艺进行设计思考。本设计说明书包括:烧碱生产中电解原理与生产工艺流程的论证,物料与热量衡算,主体设备的设计与选型,以及车间人员布置原则,防腐安全等内容。通过设计我们完成了10万吨级别的烧碱的产生工艺设计。关键词:烧碱,隔膜,电解ABSTRACTCaustic soda, as
5、a kind of basic chemical raw materials, in many areas of industrial production has a wide range of USES. Including brine refining process, products refined and electrolytic process, the main process is the electrolytic. Industry by diaphragm electrolysis method, mercury electrolysis and ionic membra
6、ne electrolysis method. Ion membrane process is the development direction of caustic soda production, but due to ionic membrane caustic soda in China use advanced, research and development lags behind is very obvious, the characteristics of domestic didnt grasp the core elements of ionic membrane ca
7、ustic soda - ionic membrane. At present, the ion exchange resin membrane used in ionic membrane caustic soda unit all rely on imports, 10000 t/a ionic membrane device needs to be 100 m2, at present our country about 56000 m2 ion exchange resin membrane, only for film fee is 340 million yuan, high pu
8、rchase film fees increase the cost of ionic membrane caustic soda production, caustic soda production 1 t an increase of 100 yuan. Compared with the developed countries, the production method of ionic membrane law continuous operation time is short, the problem of high energy consumption, in view of
9、 this, according to the caustic soda consumption level and the current situation of chlor-alkali production plant, metal anode diaphragm electrolyser and ionic membrane electrolyser will co-exist in China for a long time. Although alkali ionic membrane law technology developing rapidly, but the diap
10、hragm alkali technology legal system still need longer time to quit the historical stage. Diaphragm electrolysis alkali legal system the biggest advantage is less investment, short construction period, quick effect, management is relatively easy, mature technology; Equipment all can use domestic equ
11、ipment; Under the condition of the same capacity, with less equipment, less investment, quick effect of advantage. Diaphragm electrolysis alkali production technology, production equipment is easy to make, material is easy to obtain, is rich in power or electricity price is cheap, but not very stric
12、t to the requirement of caustic soda salinity area, especially near the underground brine or have joint power and steam supply facilities area, are still in common use. Therefore, for the design of diaphragm caustic soda plant is very necessary. This design adopted a new electrolytic alkali producti
13、on technology, the diaphragm electrolysis alkali production technology, in this design, to choose of diaphragm, electrolyser, caustic soda production includes the following processes: brine refining, evaporation alkali, solid alkali, chlorine gas drying.This design is aimed at the core of the proces
14、s part of the electrolytic process for design thinking. This design instruction includes: principle and production process of caustic soda in the production of electrolytic, material and heat balance, main equipment design and selection, and workshop personnel arrangement principle, anti-corrosion s
15、afety, etc. Through the design we finished - other caustic soda production process Keywords: caustic soda ,diaphragm,electrolysis目 录第1章 总论 11.1 概述11.1.1 意义与作用11.1.2 国内外的差距、现状与发展前景21.1.2.1国内金属阳极隔膜电解槽与国外先进水平的差距21.1.2.2国内金属阳极隔膜电解槽的现状21.1.2.3隔膜电解法的发展31.1.2.4相关技术的发展31.2 产品性质与用途51.3原材料规格及技术指标51.3.1原材料规格5
16、1.3.2技术指标61.4我国烧碱工业存在的问题和隔膜法与离子膜法的比较61.4.1 我国烧碱工业存在的问题71.4.2隔膜法与离子膜法的比较7第2章 工艺流程92.1电解工序的生产原理及工艺概述92.1.1工业上应用电解原理制烧碱的几种方法的比较92.1.1.1隔膜法92.1.1.2.水银法10 2.1.1.3离子交换膜法102.1.2生产原理概述92.1.2.1隔膜工作原理92.1.2.2.电解工作原理10 2.2 工艺流程122.2.1具体工艺路线12 2.2.2工艺流程示意图13第3章 工艺计算143.1 电解车间物料衡算143.1.1 化学反应平衡143.1.2 溶液上方蒸汽压计算1
17、3 3.1.3 送入电解槽盐水量143.1.4 副反应163.2 电解车间热量衡算193.2.1 带入电解槽热量193.2.2 带出电解槽热量20第4章 主要设备选型和计算224.1 隔膜电解槽的选择224.1.1 阴极与阳极材料的选择224.1.2 电解槽防腐蚀玻璃钢的设计与制作234.2精盐水高位槽264.3精盐水预热器274.4 电解碱液集中槽274.5电解液贮槽28第5章 非工艺部分295.1 人员配备295.2 车间布置295.3 安全生产305.3.1 安全产生注意事项305.3.2 安全措施305.4 电解系统设备的防腐305.4.1 阳极液系统的防腐305.4.2阴极液系统的防
18、腐315.4.3 隔膜电解槽的防腐315.5 环保与三废处理315.6隔膜法烧碱节能减排措施32 5.6.1 提高入槽盐水质量32 5.6.2 除槽时阴阳极液的回收32 5.6.3 降低蒸发工序动力电耗33第6章技术经济指标分析346.1 主要工艺参数346.1.1 成品固碱的组成346.1.2 各主要物料的实际消耗量346.1.3 主要产品及副产品356.1.4 工资及各项物料、能量价格表356.1.5 建设期每年资金投入366.2 投资估算366.2.1 各种费用投资估算366.3 成本估算376.3.1 各种成本费用估算376.4 收入、税金和利润386.4.1 收入、税金和利润的计算3
19、86.4.2 投资回收期39结论41参考文献42致谢44附录45第1章 总 论1.1概述 1.1.1意义与作用隔膜电解法与水银电解法、离子膜电解法、比较总能耗(包括电、蒸气)最高;氢氧化钠产品(固体)含有3左右的氯化钠,不能用于人造丝与合成纤维的生产;隔膜所用的细微石棉纤维,吸入肺内有损健康。但因生产设备容易制作,材料便于取得,在电源比较丰富或电价比较低廉,对于烧碱含盐量的要求又不很苛刻的地区,特别是有地下盐水或附近有联合发电与供汽设施的地区,仍在普遍采用。20世纪80年代初期,隔膜电解法在世界氯碱工业总的生产能力中约占55,由于经济原因,采用此法的大多数氯碱厂经过技术改造,仍将继续生产,近年
20、来我国的氯碱行业发展前景较好,主要表现为:烧碱,聚氯乙烯主要氯碱产品产量保持较高速度的增长;烧碱总体经营状况较好;产品出口势头很猛,企业参与国际市场竞争的能力越来越强。 隔膜法制得的50%的氢氧化钠通常含有1.01.2%氯化钠,可利用水合法或采用液氨萃取法,均可使盐的含量降低到500ppm以下。水银法和隔膜法主要不同之处水银法可制得氯化钠含量极低的高纯度、高浓度的氢氧化钠溶液水银法的电解槽中以汞为阴极,石墨或金属为阳极解汞槽中以钠汞齐为阳极,石墨为阴极,在碱液中阴阳两极相互接触,组成短路电池以加速汞齐分解这时钠汞齐中的金属钠作为阳极而溶解,水则在石墨阴极表面还原而析出氢解汞反应中释放出来的化学
21、能尚难加以利用,因而水银法的电耗比隔膜法高水银电解槽的槽电压约比隔膜电解槽高1V左右,它相当于解汞反应的分解电压盐水中钙、镁、铁以及钒、钼、钛、锰等重金属离子含量过高时,也会在汞阴极上还原,生成不稳定的汞齐和汞渣,降低析氢过电位,导致析出氢气并妨碍汞的正常流动因此水银法电解对盐水的质量要求较高。【1】1.1.2国内与国外的差距、现状与发展前景1.1.2.1国内金属阳极隔膜电解槽与国外先进水平的差距【2】目前我国金属阳极隔膜电解槽技术与国外先进技术相比还有一定差距,主要表现在金属阳极使用寿命不够长,国外隔膜电解槽金属阳极的使用寿命可长达810 a,而我国一般只有6 a;国外先进金属阳极隔膜电解槽
22、可生产氯气180190 t/m,而我国金属阳极隔膜电解槽一般产氯116 t/m左右;国外金属阳极隔膜电解槽特性参数K值只有0.40.5V/kA,而我国高达0.6 V/kA;国外MDC-55型槽使用电流密度21.5 A/dm2,槽压约3.303.40V,电耗2380kWh/t,而我国电流密度一般在15 A/din2,电压32 V以上,若电流密度升到215 A/dm2,则槽电压约为3.59V,电耗将在2513 kW h/t以上;大容量电解槽的出现既节省了能耗和投资,又便于自控管理。大容量现代电解槽是金属阳极隔膜电解槽的发展方向,国外氯碱厂使用的槽型较大,有MDC-55型(55 m )、H-4型(6
23、4 In2)、LCDH-4型(72 m )等大容量电解槽。而我国除齐鲁使用的是从国外引进的20万t/a MDC-55型世界先进槽型外,其余都采用国产槽,大槽型有阜新化工设备有限责任公司生产的KD-55型扩张阳极电解槽,上海氯碱使用的C47型槽,其余多使用30型、25型、l6型等,相当一部分中小型氯碱厂使用8型、4型甚至还有使用3型、2型的小型槽。国外先进氯碱厂大多采用先进的电解槽制作技术,即三元或四元扩张式金属阳极、活性阴极和改良型的非石棉类隔膜以及采用小极距等降低电解电压降的措施,降低了能耗,如美国钻石公司使用改性隔膜、扩张阳极与活性阴极电解槽,吨碱电耗2 100 kW h,改进型的可以低达
24、2050 kWh,而我国目前大多数为固定盒式金属阳极隔膜电解槽配普通石棉隔膜。国外金属阳极隔膜电解槽电流密度约2024 A/dm ,直流电耗2 300 kW h/t,而国内金属阳极隔膜电解槽电流密度l418 A/dm ,直流电耗2 374/kW h,若折合成相同电流密度,则国内电耗比国外先进水平高200300 kW h/t。除DSA涂层质量、性能差异等原因外,主要是由于多年来DSA技术不配套,推广应用不力,仅有少数几家企业采用扩张阳极、改性隔膜配活性阴极等配套技术。1.1.2.2国内金属阳极隔膜电解槽的现状【3】目前我国电解法氯碱厂有230余家,其中隔膜法200家左右。截至1996年全国金属阳
25、极隔膜法生产能力4403万t,占总能力638万t的69 ,实际烧碱产量38504万t,占全国电解法烧碱总产量53254万t的723 ;2000年全国隔膜法烧碱产量47576万t,以石墨阳极隔膜法烧碱产量为35万t计,则金属阳极隔膜法烧碱产量约为40万t,占全国烧碱总产量66788万t的659左右;2001年全国隔膜法烧碱产量5l298万t,其中石墨阳极隔膜法烧碱产量按33万t计,则金属阳极隔膜法烧碱产量约为480万t,占全国烧碱总产量7l352万t的673 左右。由于金属阳极隔膜法产量的增加使我国烧碱产量由1988年的29784万t居世界第5位, 一跃而至1995年的496万t居世界第2位。目
26、前全国金属阳极隔膜电解槽生产能力已超过500万t/a,这些都是1974年及以后,尤其是20世纪90年代和2l世纪初期新上马的(占60),虽然部分金属阳极已经过重涂,但仍处于最佳运行时期,再经不断改造完善,目前仍处于较好的运行水平,况且目前国内已有20余家与之配套的制造、修复专业厂和科研单位,经过多年不懈努力,金属阳极隔膜电解槽已经形成标准化、规范化、系列化,产品质量均通过达标验收。1.1.2.3隔膜电解法的发展20世纪80年代初期,隔膜电解法在世界氯碱工业总的生产能力中约占55,由于经济原因,采用此法的大多数氯碱厂经过技术改造,仍将继续生产,近年来我国的氯碱行业发展前景较好,主要表现为:烧碱,
27、聚氯乙烯主要氯碱产品产量保持较高速度的增长;烧碱总体经营状况较好;产品出口势头很猛,企业参与国际市场竞争的能力越来越强。1.1.2.4相关技术的发展4A隔膜为防止阴、阳两极产物混合,避免可能发生的有害反应,在电解槽中,基本上都用隔膜将阴、阳极室隔开。隔膜需有一定的孔隙率,能使离子通过,而不使分子或气泡通过,当有电流流过时,隔膜的欧姆电 压降要低。这些性能要求在使用过程中基本不变,并且要求在阴、阳极室电解液的作用下,有良好的化学稳定性和机械强度。电解水时,阴、阳极室的电解液相同, 电解槽的隔膜只需将阴、阳极室隔开,以保证氢、氧纯度,并防止氢氧混合发生爆炸。更多见的比较复杂的情况是电解槽中阴、阳极
28、室的电解液组成不同。这时隔膜 还需要阻止阴、阳极室电解液中电解产物的相互扩散和作用,如氯碱生产中隔膜法电解槽中的隔膜,可以增大阴极室氢氧离子向阳极室扩散和迁移的阻力。隔膜由惰性材料制作,如氯碱工业中长期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜性能不稳定,当盐水中含有钙、镁杂质时,容易在隔膜中生成氢氧化物沉淀,降低透过率;在比较高的温度和在电解液作用下,还会发生膨胀、松脱。为此可以在石棉中加入树脂作为增强材料,或以树脂为主体做成微孔隔膜,在稳定性和机械强度方面都有很大改进。B 电解槽由装有阳极的槽底、吸附隔膜的阴极箱和槽盖三部分组装而成。隔膜是一种由石棉纤维制成的多孔渗透性隔层,将电解槽分隔为阴极室(阴极网袋
29、内)与阳极室 (隔膜与阳极之间的空隙)。隔膜的微孔容许离子和液体通过,但能分开阳极上产生的氯气和阴极上产生的氢氧化钠溶液和氢气,避免氯气溶解在氢氧化钠 溶液中生成次氯酸钠,并最终成为氯酸钠,还防止氯与氢混合而构成爆炸性的混合物。 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。目前氯碱工业上使用最广泛的是钌钛金属阳极。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
30、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。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。对隔膜材料的要求是:(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
31、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。1.2产品性质及用途烧碱的有效成分是;NaOH,分子量:39.997。属强碱,具有强烈的腐蚀性,常温下30%的烧碱为液体。与酸接触能发生剧烈反应,放出大量的热,能腐蚀金属,浸蚀某些塑料、橡胶、和涂料。烧碱广泛应用于洗涤剂、肥皂、造纸、印染、纺织、医药、染料、金属制品、基本化工及有机化工工业。 由于烧碱作为强碱具有腐蚀性,应避免与身体接触或吸入。操作时必须配戴好防护眼镜和橡皮手套。 30%氢氧化钠溶液的操作与储存操作注意事项: 密闭操作。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴头罩型电动送风过滤
32、式防尘呼吸器,穿橡胶耐酸碱服,戴橡胶耐酸碱手套。远离易燃、可燃物。避免产生粉尘。避免与酸类接触。搬运时要轻装轻卸,防止包装及容器损坏。配备泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。稀释或制备溶液时,应把碱加入水中,避免沸腾和飞溅。1.3原材料规格及技术指标1.3.1原材料规格5(1)精盐水规格,见表1-1。 表1-1 精盐水规格表单位NaClNa2SO4NaClO3H2ONaOHNa2CO3g/Lwt30025.244.55.0892.1074.730.40.5(2)淡盐水规格,见表1-2。表1-2 淡盐水规格表单位NaClNa2SO4NaClO3H2ONaOHHClOg/Lwt21018.
33、526.07.5926.4381.450.22.51.3.2技术指标9(1)氯气规格,见表1-3。表1-3 氯气规格表(体积百分比)Cl2O2CO296.51.50.5(2)氢气规格,见表1-4。表1-4 氢气规格表(体积百分比)H2O2N2980.31.7(3)出槽碱液,见表1-5。表1-5 出槽碱液规格NaOHH2O399.5(g/L)30(wt)932.5(g/L)70(wt)1.4我国烧碱工业存在的问题和隔膜法与离子膜法的比较61.4.1中国烧碱工业存在的问题(1)缺乏有限调控,产能扩展过快,2005-2010 年增速为16%;(2)安全管理水平跟不上行业发展,新企业更容易出事故;(3
34、)行业集中度低,布局不合理,2010 年烧碱企业176 家,产能3021万吨,平均产能17 万吨。 (4)受能源和原材料行业影响大。1.4.2隔膜法与离子膜法的比较【7】隔膜法与离子膜法主要工艺路线基本相同,均包含盐水精制、盐水电解、电解液蒸发、氯气处理、氢气处理及废气吸收工序,主要区别有如下几点:1.4.2.1盐水工序离子膜电解槽对盐水质量要求较高,所需盐水需在隔膜法上槽盐水基础上进行二次精制,精制设备为碳素烧结管过滤器和螯合树脂塔,使固体悬浮物和ca2+Mg2+阳离子含量分别达到lmg/L、20L以下,相应增加了设备投资和运行费用。1.4.2.2电解工序隔膜电解槽加入的只有一种物料,即精盐
35、水从电解槽盖进入阳极室,经改性隔膜流入阴极室,经电解后在阴极室得到电解液和氢气,在阳极室得到氯气。而离子膜电廨槽则是由阳极侧加入精制盐水,阴极侧加入高纯水,经电解后在阳极侧得到淡盐水和氯气,在阴极侧得到电解液和氢气。由于离子膜的高选择透过性,使其可以得到高纯度的电解液,其中氢氧化钠与氯化钠的含量(I,下同)分别为32、0004,该电解液可直接作为产品出售,而隔膜电解液中氢氧化钠与氯化钠的含量分别为108、164,需进一步浓缩除盐。1.4.2.3氯气、氢气处理工序隔膜法与离子膜法氯气、氢气处理工序流程相似,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
36、。只是离子膜法氯气、氢气处理设计紧凑,只用3个塔即可达到隔膜法6个塔所达到的效果。1.4.2.4电解液蒸发工序隔膜电解液氢氧化钠含量低而氯化钠含量高达164,因此隔膜蒸发采用流程复杂的四效逆流蒸发技术,且带有离心分盐设备及碱液析盐冷却器及过滤器,能耗高,操作难度大;隔膜装置一效蒸发器采用强制循环式,其内部碱液温度高达1625,氢氧化钠含量为435,并且由于蒸发过程中产生约10的固体结晶盐,对加热室腐蚀、磨损严重(材质为纯镍),加热室平均寿命只有3 a左右,由于其造价昂贵,大大增加了隔膜烧碱成本。而离子膜蒸发不需要分盐及过滤设备,只用三效或二效蒸发即可。隔膜电解槽具良好化学稳定性、机械强度够,且
37、仅使离子之一定孔隙率的隔膜将阴、阳极室隔开以防止两极产物混合而发生有害。离子膜法工艺是烧碱生产的发展方向,但由于我国离子膜法烧碱“使用超前、研发滞后”的特点非常明显,国内没有掌握离子膜法烧碱的核心要素离子膜。目前我国离子膜法烧碱装置所用离子树脂交换膜全部依赖进口,1万t/a离子膜法装置需100m2计,目前我国大约需56000m2离子树脂交换膜,仅购膜费用折合人民币为3.4亿元,高额的购膜费用增加了离子膜法烧碱的生产成本,生产1t烧碱增加100元。与发达国家相比,我国离子膜法生产工艺存在连续运行时间短、能耗偏高的问题,鉴于此,根据我国烧碱消费水平和氯碱生产装置的现状,金属阳极隔膜电解槽与离子膜电解槽将较长时间在我国共存。第2章 工艺流程2.1 电解工序的生产原理和工艺概述2.1.1工业上应用电解原理制烧碱的几种方法的比较8 2.1.1.1隔膜法隔膜法采用的主要设备是隔膜电解槽,其特点是用多孔渗透性的隔膜将阳极室和阴极室隔开,隔膜阻止气体通过,而只让水和离子通过。这样既能防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合而引起爆炸,又能避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠而影响烧碱的质量。隔膜法的缺点主要是投资和能耗较高,产品烧碱中会含有杂质食盐。
限制150内