年產(chǎn)15萬噸純堿生產(chǎn)車間工藝設計畢業(yè)設計.docVIP

xx大學（x屆）本科畢業(yè)設計（論文）資料題目名稱：年產(chǎn)15萬噸純堿生產(chǎn)車間工藝設計學院（部）：專業(yè)：學生姓名：班級：學號：指導教師姓名：職稱：目 錄11.1 純堿的性質和用途11.1.1 純堿的性質11.1.2 純堿的用途11.2 純堿工業(yè)的發(fā)展史21.2.1 中國純堿工業(yè)發(fā)展史21.2.2 世界純堿工業(yè)發(fā)展及現(xiàn)狀21.3 純堿的生產(chǎn)方法21.3.1 侯氏制堿法21.3.2 蘇爾維制堿法31.4 聯(lián)合制堿法與氨堿法的比較342.1 純堿工藝的生產(chǎn)原理和工藝概述42.1.1 生產(chǎn)原理和工藝簡述42.1.2 工藝流程42.2 生產(chǎn)工藝流程52.2.1 生產(chǎn)工藝流程52.2.2 工藝流程示意圖673.1 聯(lián)堿法析氨的相圖及過程分析73.2 制堿原則性流程73.3 物料衡算93.4 循環(huán)過程中的工藝指標113.5 聯(lián)合法的運作要點123.5.1 循環(huán)系統(tǒng)的水平衡123.5.2 副產(chǎn)品氨水133.5.3 鈣鎂雜質對聯(lián)堿法生產(chǎn)的影響13144.1 碳化塔的選型與計算144.1.1 外冷式碳化塔的特點144.1.2 碳化塔內徑的計算154.2 結晶器的選型154.2.1 內循環(huán)鹽析結晶器154.2.2 結晶器特點154.3 結晶器尺寸設計15185.1 人員配備185.2 車間布置185.2.1 廠房的平面布置185.2.2 廠房的立面布置195.2.3 廠房的建筑結構195.2.4 管道布置設計195.3 安全生產(chǎn)205.3.1 安全隱患205.3.2 安全措施205.4 環(huán)保及三廢處理215.5 本次畢業(yè)設計的意義21226.1 主要工藝參數(shù)226.1.1 產(chǎn)品組成226.1.2 各主要物料的實際消耗量226.1.3 工資及各物料的價格226.1.4 建設期資金投入226.2 投資估算23iii 1.1 純堿的性質和用途純堿即碳酸鈉（na2co3），也稱蘇打或堿灰。1.1.1 純堿的性質碳酸鈉的性狀為白色粉末或者顆粒，無氣味，有堿性，是堿性的鹽，有吸濕性，溶于水和甘油，水溶液呈堿性，ph為11.6，相對密度為2.53，熔點8458521。碳酸鈉與水生成na2co3h2o、na2co37h2o和na2co310h2o三種水合物，依據(jù)顆粒大小、堆積密度的不同依次可分為：超輕質純堿、輕質純堿和重質純堿。1) 溶解性碳酸鈉易溶于水和甘油，微溶于無水乙醇，不溶于丙醇。碳酸鈉是一種強堿弱酸鹽，溶于水后發(fā)生水解反應（碳酸鈉水解會產(chǎn)生碳酸氫鈉和氫氧化鈉），使溶液顯堿性，有一定的腐蝕性，并且能與酸進行復分解反應生成相應的鹽并放出二氧化碳氣體1。2) 穩(wěn)定性碳酸鈉穩(wěn)定性較強，但高溫下也會分解，生成氧化鈉和二氧化碳氣體。長期暴露在空氣中能吸收空氣中的水分和二氧化碳，生成碳酸氫鈉，并結成硬塊。吸濕性很強，很容易結成硬塊，在高溫下也不分解。1.1.2 純堿的用途1) 用作基本化工原料純堿用途廣泛且需求量大，是重要的基本化工原料。化工生產(chǎn)中經(jīng)常以純堿為原料制取其他性質的堿和無機鹽等化工產(chǎn)品，例如：以堿的酸化法可以用來制取小蘇打；用苛化法制取苛化燒堿；硅砂與純堿在熔融條件下，可以制取硅酸鈉（泡花堿）；以再結晶法可以制取十水碳酸鈉（晶堿）；以石灰硫化氫法和硫化鋇法，都可以用純堿來制取硫化堿；以純堿為原料還可以制取各種含鈉鹽類；還被用做生產(chǎn)其它化工產(chǎn)品的原料或輔料1。2) 用作基本工業(yè)原料純堿還大量用于冶金工業(yè)（如煉鋁）、玻璃工業(yè)、合成洗滌劑、紡織工業(yè)、石油化工、搪瓷、造紙、印染、食品及民用等方面。因此純堿被稱為基本工業(yè)原料，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，它的產(chǎn)量和用量通常標志著一個國家的工業(yè)水平1。1.2 純堿工業(yè)的發(fā)展史對中國純堿工業(yè)的發(fā)展史和世界純堿工業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)狀進行分析。1.2.1 中國純堿工業(yè)發(fā)展史中國純堿工業(yè)的發(fā)展可分為兩個時期，一是天然堿的加工利用，二是現(xiàn)代純堿工業(yè)的建立和發(fā)展。天然堿的利用歷史悠久，從三代建都河洛時期，就用天然堿。河套平原建郡時，已是天然堿產(chǎn)地。近代制堿工業(yè)以采用路布蘭法制堿為先，四川最早以芒硝為原料制純堿。20世紀初天津成立永利制堿公司，采用索爾維法制堿工藝。1921年侯德榜擔任永利制堿公司技師，刻苦鉆研技術問題，1924年開始生產(chǎn)堿。1926年美國博覽會上，永利的紅三角牌純堿獲金質獎章，打入國際市場。1.2.2 世界純堿工業(yè)發(fā)展及現(xiàn)狀人類使用堿的歷史已有幾千年，最早是取自草木灰和天然堿。大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)開始于18世紀末，隨后法國人路布蘭提出以食鹽、硫酸、石灰石、煤粉為原料的工業(yè)生產(chǎn)純堿方法，現(xiàn)稱路布蘭制堿法。隨后1861年索爾維發(fā)現(xiàn)用食鹽水吸收氨和二氧化碳的實驗中可以得到碳酸氫鈉，他因此而獲得了用海鹽和石灰石為原料制取純堿的專利，被稱為索爾維制堿法。1939年侯德榜開展改進氨堿法的實驗研究，把索爾維制堿工業(yè)和合成氨工業(yè)聯(lián)合起來，這種即產(chǎn)純堿、又產(chǎn)氯化氨的新工藝取得成功，被稱為“侯氏制堿法”，現(xiàn)稱“聯(lián)合制堿法”1。世界純堿工業(yè)經(jīng)歷兩個世紀的發(fā)展，20世紀末期純堿的總生產(chǎn)能力達44mt，其中合成法純堿約30mt，占68%；天然堿法14mt，占32%，純堿產(chǎn)量約35mt1。1.3 純堿的生產(chǎn)方法純堿的生產(chǎn)方法有很多種，下文主要介紹侯氏制堿法與氨堿法并作簡單的比較。1.3.1 侯氏制堿法該方法主要采用食鹽、氨以及合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳氣體為原料，同時生產(chǎn)純堿和氯化銨，將純堿和合成氨兩大生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合起來，簡稱“聯(lián)合制堿”，這種方法使得原料鹽的利用率從70%提高到96%。此外，污染環(huán)境而且難以處理的廢物氯化鈣成為有用的產(chǎn)品氯化銨，變廢為寶，還能減少設備，因此其優(yōu)越性大大超過了蘇爾維制堿法，從而開創(chuàng)了世界制堿工業(yè)的新紀元。制堿的主要原料是氯化鈉，而四川的鹽是井鹽，提純造成成本高，并且蘇爾維制堿法的缺點就是食鹽利用率不高，使成本更高，所以侯德榜不用蘇爾維制堿法而另辟蹊徑。他先分析了蘇爾維制堿法的缺點，發(fā)現(xiàn)主要原因在于原料的利用率過低，只用了石灰石中的碳酸根離子和食鹽中的鈉，二者結合生成了純堿，然而石灰中的鈣和食鹽中的另一半氯結合生成了氯化鈣，這個顯然沒有利用上，那么怎樣才能利用上氯化鈣，這個問題困擾著侯德榜。他考慮到制堿用的氨和二氧化碳直接由氨廠提供，濾液中的氯化銨如果加入食鹽水，讓它沉淀出來，這樣氯化銨就即可以作為化工原料也可以作為化肥，這種方法大大提高了食鹽的利用率，還可以省去許多設備。直到他進行了500多次試驗后終于成功了使設想成為了現(xiàn)實1。1.3.2 蘇爾維制堿法蘇爾維制堿法主要是采用石灰石、食鹽、氨和焦炭為原料。二氧化碳和石灰乳的制備是將石灰石在煅燒窯內分解得到氧化鈣和二氧化碳氣體，氧化鈣加水制成氫氧化鈣乳液；鹽水的制備和精制則是將原鹽溶于水制得飽和食鹽水溶液，因為鹽水中含有鈣鎂等雜質離子，它們的存在會影響后續(xù)工序的正常進行，所以鹽水溶液必須精制；氨鹽水的制備則是精制后的鹽水吸氨制備含氨的鹽水溶液；之后氨鹽水的碳酸化是氨堿法中最重要的工序，在這里將二氧化碳通入氨鹽水作用，生成碳酸氫鈉沉淀和氯化銨，碳酸氫鈉濃度過飽和后即結晶析出，從而與溶液分離。這一過程包括了而二氧化碳的吸收、氣液相反應、溶液的結晶和等1。碳酸氫鈉的煅燒過程中煅燒的目的是為了分解碳酸氫鈉，以獲得純堿na2co3，同時回收近一半的co2氣體（其含量約為90%），供碳酸化使用；氨的回收是指碳酸化后分離出來的母液中含有nh4cl、nh4oh、(nh4)2co3和nh4hco3等，需要將氨回收循環(huán)使用。1.4 聯(lián)合制堿法與氨堿法的比較聯(lián)合制堿法最大的優(yōu)點是使食鹽的利用率提高到96%以上，首先等量的食鹽比氨堿法能生產(chǎn)更多的純堿。另外它綜合利用了氨廠的二氧化碳和堿廠的氯離子，同時生產(chǎn)出兩種產(chǎn)品純堿和氯化銨。將氨廠的廢氣二氧化碳，轉變?yōu)閴A廠的主要原料來制取純堿，這樣就節(jié)省了堿廠里用于制取二氧化碳的龐大的石灰窯；將堿廠無用成分氯離子（cl-）來代替價格較高的硫酸固定氨廠里的氨，制取氮肥氯化銨。從而不再生成即沒有多大用處，又難于處理的氯化鈣，減少了對環(huán)境的污染，并且大大降低了純堿和氮肥的成本，充分體現(xiàn)了大規(guī)模聯(lián)合生產(chǎn)的優(yōu)越性。氨堿法的優(yōu)點則是原料食鹽和石灰石成本較為便宜，而且產(chǎn)品純堿的純度高，副產(chǎn)品二氧化碳和氨都可以回收循環(huán)使用，并且制造步驟較為簡單，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。但是氨堿法也有許多缺點，首先是兩種原料的成分都只利用了一半，石灰石成分里的碳酸根離子（co32-）和食鹽成分里的鈉離子（na+）結合成了碳酸鈉，可是石灰石的另一成分鈣離子（ca2+）和食鹽的另一成分氯離子（cl-）卻結合成了沒有多大用途且污染環(huán)境的氯化鈣（cacl2），因此如何處理氯化鈣就成為一個很大的問題。其實氨堿法的最大缺點還是在于原料食鹽的利用率只有72%74%，沒利用上的食鹽都隨著氯化鈣溶液作為廢液被拋棄了，這是一個很大的損失。 2.1 純堿工藝的生產(chǎn)原理和工藝概述純堿的生產(chǎn)方法主要有兩種：聯(lián)合制堿法和氨堿法。本設計采用聯(lián)合制堿法的生產(chǎn)方案，對聯(lián)合制堿法做簡要的工藝流程介紹和物料衡算。聯(lián)合制堿法的優(yōu)點是結合了氨堿法的大部分優(yōu)點，消除了氨堿法原料利用率低的主要缺點，使食鹽的利用率從70%提高到96%；同時產(chǎn)物nh4cl可用做氮肥；可與合成氨廠聯(lián)合，使合成氨的原料氣co轉化成co2，這樣就省去了caco3制co2的工序，精簡了設備。nh3+h2o+co2=nh4hco3nh4hco3+nacl=nh4cl+nahco32.1.1 生產(chǎn)原理和工藝簡述聯(lián)合制堿法工藝分為兩個過程：一過程為制堿過程，即銨鹽水碳酸化生成nahco3沉淀。nacl+nh3+co2+h2o=nahco3+nh4cl該過程中的碳酸化和吸氨的原理與氨堿法基本相同，可用相圖分析法進行討論，下章節(jié)有分析。過程中分離出nahco3的母液稱為母液，其中主要含nh4cl、nh4hco3和未利用的nacl。二過程是用加nacl鹽析和冷析的方法從母液中將nh4cl分離出來。由于母液中nh4hco3是飽和的，所以直接采用鹽析和冷析的方法無法使nh4cl單獨分離出來。如果將母液氨化，會發(fā)生如下反應：nh3+hco3-=nh4+co32-nh3+hco3-=nh2co3-+h2o這樣溶液中的hco3-濃度會降低，nahco3溶液便不再是飽和的了。氨化后再采用降溫和鹽析的方法就可以使nh4cl單獨析出。析出nh4cl固體后的母液稱為母液，母液再經(jīng)吸氨、吸二氧化碳來制取重堿，如此一、二過程可交替循環(huán)進行，這就是聯(lián)合制堿法的過程分析。2.1.2 工藝流程生產(chǎn)工藝流程是生產(chǎn)過程中的主要參照標準，結合工藝流程圖即是一個生產(chǎn)過程的簡要介紹。2.2 生產(chǎn)工藝流程2.2.1 生產(chǎn)工藝流程聯(lián)合制堿法有多種流程，由加入原料的次數(shù)不同可分為兩次吸氨與一次吸氨，兩次碳化與一次碳化等不同工序。我國的聯(lián)合制堿法主要通過兩次吸氨一次碳化，一次加鹽的方法，其中原鹽在洗鹽機中用飽和鹽水洗滌，以除去其中影響之后反應的鈣鎂等雜質，然后再經(jīng)過粉碎機的粉碎，慮鹽機的分離，制成符合規(guī)定純度和粒度的“洗鹽”，然后再將“洗鹽”送往鹽析結晶器等待下一步反應。其中洗滌液循環(huán)使用，當液中雜質含量增高時回收處理2。原始結晶器主要用來制備飽和食鹽水，飽和食鹽水再經(jīng)吸氨器吸氨制成氨鹽水，此氨鹽水在外冷式碳化塔內與合成氨系統(tǒng)提供的二氧化碳氣體進行反應即碳化過程，所得到的重堿再經(jīng)過濾堿機的分離，然后送到煅燒爐內加熱分解成就得到了產(chǎn)品純堿。煅燒分解出的爐氣，經(jīng)爐氣冷凝器與爐氣洗滌器，回收其中的氨氣與堿粉，并使水蒸氣冷凝降低爐氣溫度，再使爐氣進入二氧化碳壓縮機壓縮，重新送回碳化塔供制堿使用。過濾重堿后的母液稱為母液，由于母液中nahco3已經(jīng)飽和，如果母液立即在制銨過程中進行冷卻加鹽，將導致鈉離子濃度增高，而使一部分重碳酸鹽與氯化銨同時析出，從而影響產(chǎn)品質量，為了使氯化銨單獨析出，生產(chǎn)中母液首先需要經(jīng)過吸氨器吸氨，成為氨母液，以破壞hco3-，降低其濃度，然后送往冷析結晶器中降溫，使部分氯化銨析出，這個過程稱為“冷析”，冷析后母液稱為“半母液”。由于冷析結晶器流入鹽析結晶器，加入洗鹽，所以由于同離子效應，可再析出部分氯化銨，并補充了下一過程中所需要的鈉離子。由冷析結晶器及鹽析結晶器的下部取出的氯化銨懸浮液，然后經(jīng)稠厚器、濾銨機，再干燥就得成品氯化銨。濾液送回鹽析結晶器，鹽析結晶器母液送入母液換熱器與氨母液進行換熱，經(jīng)吸氨器制成氨母液，再經(jīng)澄清桶除去氨母液中的泥后，送去碳化塔制堿。生產(chǎn)過程中的各種含氨雜水送入淡液蒸餾塔以回收氨2。濾銨機通常使用自動卸料離心機，濾渣中含水分7%左右。氯化銨經(jīng)過轉筒的干燥或流態(tài)化干燥，這樣使得其含水量降至1%以下就能作為產(chǎn)品。結晶器是析銨過程中的主要設備，分為冷析結晶器和鹽析結晶器，構造有差別，但原理相似。對結晶器的要求為：有足夠的容積。足夠的容積能使母液在反應器內平均停留時間大于8h，以穩(wěn)定結晶質量。鹽析結晶器的析銨負荷應大于冷析結晶器，所以其相應地容積也應該較大2。能起分級作用。因為結晶器的上段是清液段，溢流的液體以低的流速溢流，這區(qū)域的流速一般為0.0150.02ms-1；懸浮段的流速為0.0250.05 ms-1。中下段是懸浮段，所以能保持晶體懸浮在母液中并不斷成長；為了使晶體能有足夠時間長大，懸浮段一般應高3m左右2。起攪拌和循環(huán)作用。如同鹽析結晶器中有中央循環(huán)管一樣，利用軸流泵使晶漿在結晶器中循環(huán)。冷析結晶器也有軸流泵抽送晶漿循環(huán)通過外冷器2。食鹽用于析銨前首先要經(jīng)過精制。常用的預處理工藝是粉碎法洗滌。原鹽經(jīng)過振動篩后能夠分離出原鹽夾帶的石塊和草屑等雜物，這是第一步處理，然后通過給料器進入螺旋推進式的洗鹽機，通過飽和食鹽水的逆流洗滌，使得原鹽夾帶的細草和粉泥浮在洗滌液面上漂走，原鹽所含可溶性雜質氯化鎂、硫酸鎂和硫酸鈣等雜質溶解，這里是第二步處理。第三步洗鹽由螺旋輸送機送入球磨機，在圓筒旋轉時，利用鋼球下落的沖擊和滑動起研磨作用，將粗鹽粉碎成細粒。粉碎后的鹽漿經(jīng)鹽漿桶送往分級器，顆粒較大的鹽粒自動下沉，由底部排出去經(jīng)過重新研磨，細粒鹽則隨鹽漿經(jīng)沉降后用離心濾鹽機分出鹽水，經(jīng)過這三步處理后就制得了符合需要的洗鹽，洗鹽就可以送去鹽析。nacl質量分數(shù)超過98%，ca2+，mg2+，so42-等離子的質量分數(shù)小于0.3%2。2.2.2 工藝流程示意圖圖2.1 聯(lián)合制堿法工藝流程示意圖 3.1 聯(lián)堿法析氨的相圖及過程分析冷析法制nahco3及nh4cl的重要條件為它們都能單獨結晶析出。為便于說明如何從這樣復雜的多組分體體系中將nh4cl結晶析出，假定體系只是由氯化氨和氧化鈉兩種鹽組成的nh4cl-nacl-h2o三組分體系2。氯化銨和和氯化鈉在水中溶解度的實驗數(shù)據(jù)如表3.1所示。表3.1 nh4cl和nacl的溶解度（單位：g/100gh2o）溫度nh4cl的單獨溶解度nacl的單獨溶解度在兩種鹽的共飽和溶液中nh4cl的溶解度nacl的溶解度029.735.614.628.61635.535.819.926.73041.636.525.524.94548.436.032.223.4從表3.1中不難看出，氯化銨的單獨溶解廢隨溫度改變很大，而氯化鈉的溶解度隨溫廢變化不大。當溶液中這兩種鹽共存時，由于同離子效應，其溶解度都較單獨溶解度低。3.2 制堿原則性流程在圖3.2中繪出了35無nh3和10含nh3量為0.35（molmol干鹽）時的na+、nh4+hco3-、cl-、h2o體系相圖。圖3.1 不同溫度和nh3量下，p1及p2點變化軌跡暫設碳酸化的最終溫度為35，其母液在圖3.2中為i它處于35的nahco3結晶區(qū)內。當母液吸氨后成為氨母液時，在相圖上體系點的位置并未變化，但由于結晶區(qū)移動了，i點由35nahco3結晶區(qū)變成了10的nh4cl結晶區(qū)。如果冷凍到10，就會析出nh4cl晶體。除冷凍外，還可用nacl和nh4hco3鹽析，增加nh4cl的析出量1。圖3.2 聯(lián)合制堿法的相圖當氨母液進行碳酸化時，相當于往體系中加人nh4hco3，故體系點就沿著id連線移到e，它處于10的nh4cl結晶區(qū)內，析出nh4cl固體，液相移動到f。經(jīng)冷凍析出nh4cl的過程稱為冷析過程，f母液則稱為冷析母液或半母液1。當母液f及加入nacl（其組成點為b），使體系點達到g時，又會析出nh4cl固體。這一nh4cl結晶過程稱為鹽析過程，其中nh4cl母液稱為鹽析母液或者母液。母液吸氨時，在相圖上停留在i點不動，溶液稱為氨母液。此時由于吸氨時的放熱效應，溫度升高到40以上。當加人少量nacl固體時，體系點到達h。這是第二次加鹽,加入的nacl量不一定完全溶解而是以懸浮狀態(tài)送去碳酸化。在含有nh3的溶液碳酸化時，相當于加人nh4hco3。于是體系點沿著hd連線移動到k，它落在35的nahco3結晶區(qū)內。如果碳酸化最終溫度為35，析出nahco3后又得到母液。從而構成了一個閉合循環(huán)，交替加入nh3、co2和nacl,生產(chǎn)出純堿和nh4cl兩種產(chǎn)品。綜上所述，聯(lián)合制堿法的原則流程應該如下：圖3.3 聯(lián)合制堿法原則流程圖在第一、第二兩個過程中，都添加nh3、co2和nacl，只不過加入量有多有少，各步的溫度也有所不同而已。這種在兩個過程中都要加鹽，吸氨，碳酸化的流程稱為兩次加鹽、兩次吸氨、兩次碳酸化流程1。在聯(lián)合制堿法中，由于過程循環(huán)進行，從理論上講，nacl和nh4hco3的利用是充分的，不再存在像氨堿法中的鈉利用率和氨利用率的過低問題。在聯(lián)堿法中，所要追求的工藝指標是每一次循環(huán)中所得到的最大nahco3和nh4cl產(chǎn)量。而循環(huán)產(chǎn)量主要決定于母液和母液的組成1。3.3 物料衡算以1mol干鹽的母液為基準，作第一過程的物料衡算。式中的符號同表3.1。其中x表示陽離子中nh4-的摩爾分數(shù)；y表示陰離于中cl的摩爾分數(shù)表示每mol干鹽的h2omol量；m表示每mol干鹽的h2omol量。下標1、2分別代表母液i和母液；系數(shù)a，b，c，d，e，r均為mol量。第一過程的總反立式為：x2 nh4+ x1 nh4+1-x2 na+ anacl 1-x1 na+ y2 hco3- + bnh3 y1 hco3- +nahco3 (1)1-y2 cl- cco2 1-y1 cl-p2 nh3 dh2o p1 nh3m2 h2o m1 h2o因為第一過程生產(chǎn)1mol的nahco3，第二過程必然生產(chǎn)1mol的nh4cl，兩個過程中共用去1mol的nacl、nh3、co2和h2o，于是第二過程的總反應式為：母液 母液x1 nh4+ x2 nh4+1-x1 na+ (-a)nacl 1-x2 na+ e y1 hco3- + (-b)nh3 y2 hco3- +nh4cl (2)1-y1 cl- (-c)co2 1-y2 cl-p1 nh3 (-d)h2o p2 nh3m1 h2o m2 h2o對式(1)作na+衡算：(1-x2)+a=e(1-x1)+g (3)對式(2)作cl-衡算：(1-y2)+a=e(1-y1) (4)(3)、(4)兩式相減得：g=e(x1-y1)-(x2-y2) (5)式(5)中的為每一循環(huán)中，1摩爾干鹽的母液所產(chǎn)生nahco3和nh4clmol量。的數(shù)值的大小就代表循環(huán)產(chǎn)量的大小。由式(5)可以看出，當(x1-y1)增大和(x2-y2)減少時，的數(shù)值都增加，而(x1-y1)和(x2-y2)取決于母液和母液的組成。(x1-y1)代表母液的組成，它必須落在nahco3結晶區(qū)內。在圖中，過i作bd對角線的平行線交bc邊于m，則bm線段的長度即代表(x1-y1)。在nahco3結晶區(qū)內各點所作這樣線段的長度以母液落在p1點時為最大。故由式(5)可以得出這樣的結論：每當母液落在p1點時循環(huán)產(chǎn)量為最大。過i點作bd對角線的平行線交bc邊于n，bn線段的長度即代表(x2-y2)值，在nh4cl結晶區(qū)各點所作的(x2-y2)的長度以母液落在p2點時為最短。這就是說，當母液落在p2點時可以使循環(huán)產(chǎn)量最大1。在整個循環(huán)過程中，nacl、nh3、co2和h2o只允許加入，并只允許以nh4cl、nahco3形式取出，因此式(1)中的系數(shù)a、b、c、d及式(5)中的系數(shù)(-a)、(-b)、(-c)、(-d)都必須為正值，即a、b、c、d大于等于0而又小于等于?？捎晌锪虾馑愕贸鋈缦玛P系：由式(4)可得：a=e(1-y1)-(1-y2) (6)由式(1)作全氨衡算：b=(x1+p1)-(x2+p2) (7)由式(1)作co2衡算，并將式(5)的關系代入其中，可得：c=ex1-x2 (8)對式(1)作h2o衡算：d=(x1+m1)-(x2+m2) (9)式(5)至式(9)五個方程式表明，a、b、c、d、r五個系數(shù)都是x1、y1、x2、y2和e的函數(shù)。在選定母液和母液以后，就可以假定某一e值來試算這五個系數(shù)。如果它們都是正值，且又小于，那么所選的母液和母液就可以構成良好的循環(huán)。返之，如果它們之中有一個為負值或大于，則所選用的這對母液和母液就不可能進行穩(wěn)定的循環(huán)產(chǎn)生1。母液和母液雖然以落在p1、p2點時循環(huán)產(chǎn)量最大，但為了選擇構成良好循環(huán)的母液和母液的操作點及操作時容許的波動幅度，往往將母液選在nahco3結晶區(qū)的內部，將母液選在nh4cl結晶區(qū)上網(wǎng)內部，當然盡可能地靠近p1點和p2點1。在第一過程中加入co2是碳酸化制取nahco3所必需的，不能省略。如果省去第過程的碳酸化就成了一次碳酸化流程。作式(2)的co2衡算，并令(-c)=0,即得：y2=ey1 (10)或由式(1)作co2的衡算，并令=c,得：x2=ex1 (11)第過程的吸氨是中和hco3，以免nahco3與nh4cl同時析出，就是省略不得的。但可省略第一過程中的吸氨，成為一次吸氨流程。令式(7)中的b=0即得出一吸氨流程的條件為：e(x1+p1)=x2+p2 (12)第過程中的加nacl是為了鹽析nh4cl所必需的，因此不能省略。令式(6)中的a=0即得一次加鹽流程的條件為：e(1-y1)=1-y (13)如果既要采用一次碳酸化，又要一次加鹽，則必須同時滿足式(11)和式(9)，則得：y1=y2；e=1.00 (14)采用一次吸氨，一次碳酸化和一次加鹽的流程，就必須同時滿足式(11)、式(7)和式(8)。在二次碳酸化流程中，由于母液要再次吸收co2，就必須吸收大量的nh3，才能避免nahco3、nh4hco3與nh4cl一起析出。因此氨母液和母液中的氨蒸氣較一次碳酸流程中的要高，氨損失較多，環(huán)境條件較差。但由于二次碳酸化增加了母液的nh4+含量，加強了nh4cl的鹽析作用1。采用二次加鹽時，由于在氨母液中nacl中溶解度有限，nacl是以懸浮狀態(tài)進入碳酸化塔中，食鹽中的ca2+、mg2+等雜質會影響純堿的質量，所以除原蘇聯(lián)和reinders-nicolai等少數(shù)工廠采用兩次加鹽外，世界上大部分聯(lián)減廠都只采用一次加鹽。流程中分兩次吸氨，氨母液和氨母液中的nh4的濃度比較均衡，氨蒸氣壓較低，可以減少氨的損失，改善環(huán)境，所以世界上的聯(lián)減廠除日本外都采用兩次吸氨流程。在二次吸氨流程中，第過程的吸氨量只占總吸氨量的30%40%，主要的還是在第一過程中加入氨的1。3.4 循環(huán)過程中的工藝指標母液在循環(huán)過程中要控制3個濃度作為工藝指標：值、值和值。值：值是指氨母液中游離氨對co2的物質的量之比（或游離氨對hco3-的物質的量濃度比）。氨母液是析堿后第一次吸氨的母液，吸氨是為使hco3-轉化成co32-，因hco3-不多，吸氨量不需要很多，吸氨的反應為：2nahco3+2nh3=na2co3+(nh4)2co3反應是放熱的，當母液中hco3-的量一定時，降低溫度，有較少過量的氨就可使反應完成，值可以較低。但無論溫度如何，值總大于2。值與溫度關系的經(jīng)驗值為：值：2.35；2.22；2.09；2.02。常用析銨溫度為10，值控制在2.12.4范圍。值：值是氨母液中游離氨與nacl的物質的量之比（或物質的量濃度比）。氨母液是吸氨后準備送去碳酸化的母液，nacl已接近飽和。吸氨量適當有利于碳酸化時nh4hco3的生成，促進nahco3析出1。值可根據(jù)物料衡算求得，若碳酸化后得到的母液是相圖中30時的p1點的成分，則母液中干鹽的離子分率為：na+=0.144；nh4+=0.856；cl-=0.865；hco3-=0.135。以母液中1mol總鹽為基準，要生成這些鹽，氨母液中應有nacl量為xmol，氨量為ymol，忽略生成nh4hco3所需的水量，可列反應式為：xnacl+ynh4hco3=mnahco3+na+0.144+nh4+0.856+cl-0.865+hco3-0.135分別對na+和nh4+衡算得：x=m+0.144，y=0.856分別對cl-和hco3-衡算得：x=0.865，y=m+0.135解得：=y/x=0.9915時，p1溶液的值為1.01。考慮到碳酸化時部分氨會被尾氣帶走以及其它額外損失，通常會將氨母液中的值控制在1.041.12范圍。當值到達1.151.20時，碳酸化時會析出大量碳酸氫銨結晶。值：值是母液中鈉離子對結合氨的物質的量之比或物質的量濃度比。母液是經(jīng)過鹽析析銨的母液，準備送去吸氨和碳酸化。值越大，表示析氨過程中nacl溶入多，nh4cl析出多，殘留的nh4cl少；也表示吸氨和碳酸化時會生成較多的nahco3。但為了避免過多nacl混雜于產(chǎn)品nh4cl中，當鹽析溫度為1015時，值控制在1.51.8。3.5 聯(lián)合法的運作要點3.5.1 循環(huán)系統(tǒng)的水平衡聯(lián)合法是封閉循環(huán)的，系統(tǒng)內的各種母液的體積必須保持恒定，不能膨脹，要做到這一點，進入系統(tǒng)的水量不能大于系統(tǒng)中取水的水量。否則，就不得不排放一部分，這樣既影響環(huán)境，又浪費氨和鹽等原料。所以保持母液平衡是進行正常生產(chǎn)的前提和保護環(huán)境、節(jié)能降耗的基本要求。首先循環(huán)系統(tǒng)中消耗掉的水量。水有三個出處：一是化學反應用去的水；二是重堿濾渣帶走的水；三是nh4cl成品帶走的水。對這三項水量分別計算如下：(1) 每合成1噸純堿（同時也聯(lián)產(chǎn)1噸氯化銨）所需要的水量可按反應式計算：碳酸化：nacl+nh3+co2+h2o=nahco3+nh4cl；煅燒：2nahco3=naco3+h2o+co2后一反應產(chǎn)生的h2o經(jīng)過煅燒氣送入爐氣冷凝塔形成含nh3、na2co3、(nh4)2co3的凝縮液而離開循環(huán)系統(tǒng)，所以循環(huán)系統(tǒng)中消耗的水為碳酸化過程中所示，消耗的水量： 1000218.016/106=340(kg)式中106，18.016分別為na2co3和h2o的相對分子質量。(2) 根據(jù)nahco3晶體的粒度和均勻程度，一般用真空過濾機所得的重堿濾渣中水分在18%21%范圍之內，良好時為16%20%，相應的燒成53.1%51.4%，而一噸純堿所需的粗重堿量為燒成率的倒數(shù)，即1.8831.846噸，因此1噸堿由粗重堿帶出系統(tǒng)的水分為(1.8831.948)(0.160.20)=300390(kg)；(3) 合成一噸純堿就聯(lián)產(chǎn)一噸氯化銨，其中含h2o量4%，故一噸氯化銨帶走h2o量為42(kg),而合成15噸純堿由15噸氯化銨帶走的水量為630(kg)；由此可見，如果要使母液總量平衡，在真空過濾機過濾重堿時，所加入的洗水不應超過10200+(900011700)+630870=1983022770(kg)；在聯(lián)堿生產(chǎn)中水量能否平衡主要決定于過濾洗水的用量，而重堿結晶的好壞對過濾洗水的用量影響極大。因此欲使系統(tǒng)水量保持平衡，首先要提高重堿的結晶質量，其次為嚴格控制洗鹽的含水量。3.5.2 副產(chǎn)品氨水以煤為原料制氨時，1t氨約需變換氣4300m2，其中含co為28%，含co2量=43000.28=1024m3,制造1t純堿需co2為520m3制造15萬噸純堿需co2為7800m3，所以如果用變換氣直接碳酸化制堿，生產(chǎn)1t噸co2只能生產(chǎn)純堿1204/520=2.32t（也即nh4cl的量）。1t氯化銨實際氨耗為0.340t，因此1t氨可加工成nh4cl=1/0.340=2.94t（也即為na2co3的量）。因此所產(chǎn)的co2不能滿足將nh3全部加工成nh4cl的要求，有一部分氨必須以氨水出售。3.5.3 鈣鎂雜質對聯(lián)堿法生產(chǎn)的影響聯(lián)合法所用的洗鹽，其中仍含有，當加到鹽析結晶器中時，由于母液中有和存在，會生成及其復鹽。這些固體雜質，如被氯化銨產(chǎn)品帶走，并無大礙。因為從使用角度來看，農(nóng)用氯化銨帶有少量雜質，并不會影響使用效果，況且兩者都是植物中的中量營養(yǎng)元素，尤其鎂是營造葉綠素的元素。可惜這些沉淀太細，一部分隨同母液進入噴射吸氨器隨之進入氨母液桶沉降。鹽中鈣鎂含量的增加會使氨母液泥量增加，排放時不僅處理麻煩，而且使氨及鹽的損失增加。還會使沉降后的氨母液的濁度增加，在碳酸化時，使重堿粒度變細，直接影響到過濾后重堿的水含量和水不溶物含量，須增加原料和能量的消耗。在造成母液膨脹的諸多因素中，氨母液的碳酸化是否正常起著決定性作業(yè)。如果碳酸化失常，重堿質量差，過濾及洗滌困難，洗水增加，就會使母液膨脹。在氨母液澄清液中澄清后的氨母液的濁度應不大于鈣離子的澄清率；約為80%90%，而鎂離子的澄清率卻少于50%?，F(xiàn)在工廠中常添加聚炳烯酸作助沉劑以提高二者的澄清效率。4.1 碳化塔的選型與計算4.1.1 外冷式碳化塔的特點外冷式碳化塔與傳統(tǒng)的索爾維塔有很大區(qū)別，外冷式碳化塔主要有以下特點：采用外部自然循環(huán)冷卻結構；采用較低的中部作業(yè)溫度；采用特殊的高效塔板；采用異徑塔結構外冷塔；采用自然循環(huán)方案；采用氣體動力活化塔底部結晶的環(huán)形進氣結構解決了塔底堆堿的影響1。1-篩板a；2-中心管；3-篩板b；4-氣液分離器；5環(huán)形篩板；6-角閥7-外冷器；8-氣體分布器；9-氨母液入口；10-尾氣出口；11-二氧化碳出口；12-出堿；13-冷卻水入口；14-冷卻水出口圖4.1 外冷式碳化塔4.1.2 碳化塔內徑的計算設計一個年產(chǎn)15萬噸的聯(lián)合制堿法制純堿設備裝置，反應操作時間如下：置換1h，進料1.5h，反應18h，出料2.5h，清理1h。反應操作時間為8000小時,消耗定額1.1噸nacl/naco3,試求碳酸化塔的體積和管道的通過能力：解：碳酸化塔的生產(chǎn)能力為15萬噸/年,每批操作周期為24小時，碳酸化塔每批的生產(chǎn)量為：(15000024)/8000=450t/批在操作條件下nacl的密度為2.532kg/m3，碳酸化塔的裝填系數(shù)為0.9，則所需體積為：(1.1450)/(2.5320.9)=217m3可假設碳化塔高度為10m，根據(jù)公式：vth=d2hp/4式中：vth碳化塔容積，m3；d該碳化塔圓柱部分內徑，m；h該碳化塔高度，m。就可算出碳酸化塔的圓柱部分內徑為5.3m。4.2 結晶器的選型結晶器是氯化銨結晶設備的主要設備。母液過飽和度的消失，晶核的生成及長大都在結晶器中進行2。4.2.1 內循環(huán)鹽析結晶器上部為清液段，中部為懸浮段，下部為錐底。中心循環(huán)管由拉筋固定在結晶中心位置，頂蓋下邊設有套筒。半母液由中心循環(huán)管上口進入，鹽漿及濾液由側方插入。懸浮段的中部設有晶漿取出口，錐底開有母液放出口、排渣口及人孔等，渣液段上部設有母液溢流槽2。4.2.2 結晶器特點結晶器是制銨過程的主要設備，它必須滿足如下要求：應有足夠的容積與高度；要有分級作用；晶漿取出口的位置要合適；結晶器內壁應該力求平整、光滑、缺少死角2。4.3 結晶器尺寸設計現(xiàn)年產(chǎn)15萬噸氯化銨，結晶器的尺寸如下：每年工作日按330天計算，則每天產(chǎn)454.5t，每小時18.9t。根據(jù)工藝計算，冷析產(chǎn)量占總產(chǎn)量的45%，則冷析每小時產(chǎn)量為18.90.451000=8505kg/h，取ai流量為m3/h，則計算出：(1) 過飽和度s一般生產(chǎn)廠經(jīng)驗數(shù)據(jù)s=1.11.2kg/m3，過去中間試驗為0.8kg/m3，現(xiàn)在選s=1.0kg/m3。(2) 母液循環(huán)量qq=產(chǎn)量/過飽和度=8505/1.0=8505m3/h選取q=8500m3/h，則實際s=8505/8500=0.99kg/m3(3) 表觀流速u選取經(jīng)驗值u=0.035m/s(4) 中心管流速v選取經(jīng)驗值v=1.0m/sq=8500+15=8515m3/h，則中心管直徑：d=1.736m取f5299鋼管，則中心管內實際流速v=8515/(0.7850.51123600)=11.54m/s(5) 懸浮段直徑dd2-d2=8515/(0.7850.0353600)解的d=9.44m,取d=9.5m則實際表觀流速可求得：u=8515/(9.52-1.7362)0.7853600=0.0346m/s(6) 清液段直徑d，考慮軸流泵的安裝倒換，以及保證結晶器的一定容積，取清液段直徑d=5.0m。(7) 其它尺寸，清液段高取1.0m，一般取q=30，收縮段高2.1m,懸浮段高取3.1m,錐底高取1.5m，總高7.7m。1-排渣口；2-入孔；3-懸浮段；4-連接段；5清液段；6-溢流段7-軸流泵；8-結晶器頂蓋；9-結晶器筒體；10-取出口；11-中心循環(huán)管；12-錐底；13-放出口；圖4.2 內循環(huán)鹽析結晶器5.1 人員配備為了維持日常生產(chǎn)，安排好化工廠的人員配置，是非常重要的。本著合理人性化的管理理念，在生產(chǎn)中強調人的重要性，同時也盡可能的降低人的勞動強度，但為了在經(jīng)濟上和生產(chǎn)上取得平衡，進行了如下人員配置：采用四班三到制，每班分為中控崗位、現(xiàn)場巡檢崗位、質量控制崗位、調度崗位。人員配備為中控每班1人，現(xiàn)場出于安全與作業(yè)難度考慮分配2人，質量控制分2人分別做取樣與分析工作，調度崗位做過程控制工作即相當于班長1人，即每班6人，一天共24人。5.2 車間布置5.2.1 廠房的平面布置1) 廠房的平面布置化工廠房平面型式的選擇原則是，在滿足生產(chǎn)工藝要求下，盡量簡單、美化，同時符合建筑規(guī)范要求。一般的廠房型式有長方形、l形、t形和形。長方形一般作為優(yōu)先考慮的布置形式，適用于中小型車間。其優(yōu)點是便于總平面圖的布置，節(jié)約用地，有利于今后的發(fā)展，有利于設備布置和物料工藝流程連續(xù)化，縮短管線長度，方便安排交通和安全出入口，有較多的可供自然采光和通風的墻面，但有時由于長方形廠房因長度較長，所以在總圖布置時可能會有一定的困難，這時，為了適應廠地要求或生產(chǎn)要求，也可以采用l形、t形和形，但這個應該充分考慮采光、通風、交通和立面布置等各方面的要求。2) 廠房的柱網(wǎng)布置廠房的橫向、縱向立柱同時構成了，在平面布置圖上即形成為柱網(wǎng)。柱網(wǎng)要根據(jù)生產(chǎn)需要的面積、設備布置要求和技術經(jīng)濟比較等因素來確定，此餐，還要符合建筑模數(shù)制的要求，以充分利用建筑結構上的標準預制件，節(jié)約設計和施工力量，加快施工進度。柱網(wǎng)布置一般根據(jù)廠房結構而定，總體而言，要求較高的地方，一般框架結構廠房，這時多采用的柱網(wǎng)間距多為6m，也有采用7.5m；要求較低的地方，可采用混合結構或內框架結構，這時柱網(wǎng)間距可為采用4m、5m、或6m。但不論是哪種廠房結構，在一幢廠房中不宜采用多種柱間距，同時柱間距應當滿足建筑模數(shù)的要求。3) 廠房的寬度為了充分利用自然光，有利于通風，并考慮到建筑的經(jīng)濟性，一般單層廠房寬度這超過30m，多層不超過24m，且寬度一般都應采用3m的倍數(shù)，如9m、12m、15m、18m和24m。柱子布置時要便于設備排列和員工操作，同時又有利于交通運輸，所以，單層廠房一般為單跨，即跨度等于廠房寬度，廠房內沒有柱子。多層廠房一般跨度6m，或者采用6m3m的組合跨度，以滿足廠房寬度的要求；如果廠房中間要設置起廊，中間走廊一般寬度設置為2.4m。與此同時，還要充分考慮廠房安全出入口，一般要保證兩個，若車間面積不大，操作人員少，可以只設1個，具體要按建筑設計防火規(guī)范進行，車間的門一律要向外開。5.2.2 廠房的立面布置廠房的高度和層數(shù)，由工藝設備布置利用和設備的高低綜合確定。要充分利用空間。同時還要考慮好儀表、管道、閥門的安裝要求，以及對設備安裝和檢修的要求。通常情況下，框架和混合結構廠房的高度可采用4.5m、5m、6m等模數(shù)，且保證每層的高度盡量相同。高溫、有毒氣體廠房，要適當加高層高，或者設置天窗，以利于通風、散熱和采光。如果有爆炸危險，車間主要采用單層結構，如整個廠房有爆炸危險，則在每層樓板上要設置泄爆孔。泄壓面積與廠房面積比應保證在0.050.1m2/m3。在車間內的防爆區(qū)與非防爆區(qū)之間要設置防火墻隔開，如要互通時，則應設兩道彈簧門分隔開。5.2.3 廠房的建筑結構工業(yè)廠房有排架結構和框架結構兩種，其中框架結構廠房在寬度上可以是等跨或者不等跨的，在層高可以是等高，也可以不等高，因此設計比較方便，由于化工裝置的大型化特點，對于中、大型類化工生產(chǎn)廠房，宜采用框架結構，本設計廠房結構考慮采用裝配式整體框架結構。5.2.4 管道布置設計1) 物料因素(1) 輸送有毒介質時，應保證人行道上沒有障礙管件；(2) 輸送易燃易爆介質的管道應避開生活間、樓梯和走廊等位置，并要安裝安全閥、防爆膜、阻火器、水封等防火防爆安全裝置，并采取可靠的接地措施；(3) 冷、熱流體管道要相互避開，如不能避開時，則要保持其保溫層外表面的間距，并行時應保持在0.5m以上，交叉排列時，應保持在0.25m以上；(4) 管道鋪設時要保持一定坡度，以防止管道內積液。坡度一般要根據(jù)介質的特點考慮，一般在1/1005/1000，粘度大的則坡度也大，如果有結晶物料，坡度可以考慮到5/100。除制冷系統(tǒng)外，一般管道坡度方向與介質流動方向保持一致。(5) 管道布置時還要考慮開、停車和事故處理的需要。(6) 在蒸汽主管道上要設置帶疏水器的放水口，為了安全，不要把高壓蒸汽引入低壓蒸汽系統(tǒng)。(7) 污水應排放到專門的系統(tǒng)，并考慮綜合利用；真空管路應盡可能短，并避免使用截止閥，以減小管路阻力。2) 施工、操作及維修因素(1) 管道盡量集中架空鋪設，平行排列，走直線，少拐彎、少交叉；支管多的管道布置在外側；并列管線上的閥門錯開排列；管道在穿樓板和墻時，應加一個套管。(2) 管道在布置時不能妨礙其它部件、設備、儀表、電氣等專業(yè)的操