年产20万吨烧碱电解初步工艺设计样本.doc
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1、目 录前 言- 1 -第一章 综 述- 2 -1.1 烧碱性质- 2 -1.2 其它副产物性质- 3 -1.3 氯碱工业发展情况- 3 -1.3.1 中国氯碱工业发展情况- 3 -1.3.2 世界氯碱工业发展现实状况- 5 -1.4 氯碱工业生产工艺现实状况- 5 -第二章 隔膜法电解制烧碱- 7 -2.1 隔膜法制烧碱基础原理- 7 -2.1.1 基础原理- 7 -2.1.2 电压效率及槽电压- 8 -2.2 电极和隔膜材料选择- 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 隔膜电解槽选择- 10 -2.4 隔膜法电解工艺步骤及
2、操作条件- 11 -2.4.1 工艺步骤- 11 -2.4.2 操作条件及关键技术经济指标- 13 -2.4.3 电解操作指标和生产控制点分析- 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 -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 关键设备工艺计算和选型- 22 -4.1 电解槽数量估算- 22 -4.2 氢盐换热器选型- 22 -4.3 盐水预热器选型- 23 -4.4 其它设备选型- 24 -第五
3、章 关键工艺管道计算和选择- 26 -5.1 关键工艺管道计算和选择- 26 -5.1.1 水蒸气管道选型- 26 -5.1.2 电解槽氢气出口总管道选型- 26 -5.1.3 电解槽氯气出口总管道选型- 26 -5.1.4 氢盐换热器排水管道选型- 26 -5.1.5 盐水预热器排水管道选型- 27 -5.1.6 精盐水管道选型- 27 -5.1.7 电解碱液出口总管道选型- 27 -5.2 关键管道选择结果汇总- 27 -第六章 经济核实- 28 -6.1 经济核实- 28 -6.1.1 生产消耗核实- 28 -6.1.2 生产结果核实- 28 -6.1.2核实结果分析- 29 -第七章
4、厂址选择和车间部署- 30 -7.1 化工厂选址关键性- 30 -7.1.1化工厂厂址选择影响原因- 30 -7.1.2厂址选择- 31 -7.2 车间设备部署- 31 -7.2.1化工厂总平面部署标准- 31 -7.2.2车间部署具体要求- 32 -第八章 氯碱生产中防腐及三废处理- 34 -8.1 氯气腐蚀原因和防护方法- 34 -8.2 盐酸腐蚀成因和防护方法- 34 -8.3 烧碱产生腐蚀及防护方法- 35 -8.4 氯碱生产中三废处理- 36 -8.4.1 “废渣”治理和综合利用- 36 -8.4.2 “废气”治理及综合利用- 36 -8.4.3 “废水”治理- 37 -第九章 设计
5、小结- 38 -参 考 文 献- 39 -致 谢- 40 -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方法。工业上用电解饱和NaCl溶液方法来制取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。氯碱工业是最基础化学工业之一,它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、石油化学工业和公用事业。电解法生产烧碱,依据电解槽结构、电极材料和隔膜材料不一样可分为水银法、隔膜法和离子交换膜法。电解法生产烧碱除原料易得、生产步骤较短外,关键有以下三个特点:第一、能耗高,电解法生产烧碱关键能耗是电能,其耗
6、电量仅次于电解法生产铝;第二、氯和碱平衡,电解法制烧碱所得到烧碱和氯气产品质量比恒定为1:0.88,但一个国家或地域对烧碱和氯气需求量,是伴随化工产品生产改变而改变;第三、腐蚀和污染严重。现在中国关键采取隔膜电解法制烧碱,而电解工段是电解食盐水生产氯气、氢气、烧碱关键工段,所以电解工段工艺设计至关关键。第一章 综 述烧碱(NaOH)即氢氧化钠,俗称火碱、苛性钠。是一个常见关键强碱,在国民经济中占相关键地位,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)经过苛化反应生
7、成烧碱而得名,也叫石灰苛化法。电解法是采取电解食盐(NaCl)水方法生产烧碱,在制得烧碱同时还生产氯气(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 烧碱性质(1)物理性质 纯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,溶解度随温度升高而增大,溶解时能放出大量热。其溶液呈强碱性,腐蚀性极强。纯氢氧化钠物理性质以下: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,含有碱一切通性,另外还含有其它碱没有特征。a.放在空气中易潮
8、解,并吸收空气中CO2而变质。故应放置在干燥环境中,也可用于干燥气体。b.在水溶液中能电离出大量OH-离子。 NaOH = Na + OH-c.能和酸和部分酸性氧化物反应 NaOH + HCl = NaCl + H2O2NaOH + SO2(不足)= Na2SO3 + H2Od.能和部分金属盐反应。 2NaOH + CuSO4= Cu(OH)2+ Na2SO4f.氢氧化钠溶液和铝反应 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2Na(Al(OH)4)+3H2在NaOH不足量时发生反应为2Al+6H2O + NaOH= 2Al(OH)3+ 3H21.2 其它副产物性质(1)氢气 氢气是一个无色、
9、无味、无嗅易燃气体。在多种液体中溶解甚微,难于液化,液态时为无色透明液体,有超导性质。关键化学性质为高燃烧性和还原性。常见作还原剂。(2)氯气 氯在常温常压下为黄绿色气体,有强烈刺激性气味,吸入少许就能使人中毒。经压缩可液化为金黄色液态氯。常见作为强氧化剂和氯化剂。氯混合 5%(体积)以上氢气时有爆炸危险。氯能和有机物和无机物进行替换或加成反应生成多个氯化物。氯在早期作为造纸、纺织工业漂白剂。氯气易液化,可溶于水,易溶于有机溶液。1.3 氯碱工业发展情况1.3.1 中国氯碱工业发展情况.生产能力 氯碱工业,在中国国民经济中占相关键地位。中国各氯碱企业为了提升本身竞争力,纷纷扩大烧碱装置规模,从
10、1999年开始,掀起了一轮烧碱扩建高潮,到其生产能力已从1998年6 860 kt/a增至8 000 kt/a,现在中国烧碱总生产能力已经达成8 620 kt/a,居世界第2位。如此快速增加,使中国烧碱市场趋于饱和状态,而且这种扩建热潮现在还在继续,齐鲁石化企业氯碱厂正在扩建200 kt/a离子膜装置,上海氯碱化工股份计划再建400 kt/a装置,其它部分厂家计划项目估量还有700 kt/a, 假如这些计划项目得以实施,中国烧碱生产能力将达成近10 000 kt/a。现在中国烧碱企业有200多家,装置规模普遍较小,生产能力超出100 kt/a生产企业只有24家。.产量 伴随生产能力不停增加,多
11、年来烧碱产量也不停增加,全国烧碱产量达8089 kt,为历史最高纪录,和7 135.2 kt相比,增加幅度为13.4%。现在烧碱生产方法几乎全部采取电解食盐水方法,这么,每生产1 t烧碱则联产0.88 t氯气。在生产烧碱同时,产出氯气6 280 kt;则同时产出氯气7 120 kt。伴随离子膜法新装置建成,造成严重环境污染水银法已停止生产,苛化法产量也相当少,中国现在烧碱关键生产方法是隔膜法和离子膜法。.中国氯碱工业存在问题(1)规模、技术问题 现在中国烧碱每套装置平均规模在40 kt/a左右。只有24家企业达成了100 kt/a规模,布局分散,规模小,和国外大型烧碱企业差距大,国外氯碱企业集
12、中度相对较高,日本、欧盟前5家企业分别集中了它们烧碱生产能力50%,美国5家大企业集中了美国烧碱生产能力80%,而中国前5家企业生产能力不到全国总生产能力16%,装置规模小,效益自然差距很大。近几年,中国氯碱生产工艺即使有了较大改变,采取优异生产工艺生产装置逐年增加,不过,总来说,生产工艺和国外相比相对落后,再加上其它部分原因,生产成本普遍偏高。现在中国烧碱生产中,电解法产量已占总产量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%,离子膜法烧碱所占百分比占到25.9%,水银法烧碱下降仅为0.1%。(2)氯和碱平衡问题 氯和碱平衡是氯碱工业发展关键,在20世纪80 年
13、代,是以碱定氯,通常把氯气作为生产烧碱副产品;而到了20 世纪90年代,因为氯产品应用越来越广泛,氯碱工业逐步发展为以氯定碱,烧碱逐步被部分业内人士称为副产品了。近十几年来因为中国氯碱工业盲目扩建,使烧碱产能增加过快,而下游相关产业发展滞后,氯和碱需求不平衡问题越来越突显。而且中国市场上氯产品需求旺盛,而烧碱市场疲软,现在中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国家,估量以后这种氯和碱供求不平衡还将会继续深入扩大。显然,氯产品发展是以后氯碱工业所必需关注一个关键问题,氯产品开发和生产成为企业以后关键效益增加点,也是氯碱生产中决定企业经济效益和技术水平最关键原因之一,氯产品生产
14、和发展对氯碱行业氯碱平衡起着决定性作用。中国氯碱工业现在已开始由建国早期以碱为主产品结构转向以氯为主产品结构新发展时期。现在中国氯产品市场展现出需求旺盛而中国生产供给不足现象,为数不少氯产品全部或大量从国外进口。所以,怎样合理开发生产氯产品,搞好氯碱平衡是目前需深入研究和认真探讨关键课题(3)氯产品结构问题 现在中国氯产品关键有没有机氯产品和有机氯产品。中国氯产品开发和生产最近几年有了很大发展,不过,和国外发达国家相比,我们差距还相当大。从耗氯结构来看,中国无机氯产品耗氯量一直占据全部氯产品耗氯量主导地位,即使从1983年中国停止生产耗氯量占12%左右“六六六”原粉商品后,聚氯乙烯树脂耗氯量有
15、所增加,尤其20世纪90年代中期,中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、以塑代钢得到快速发展,从而推进了聚氯乙烯行业发展。尽管如此,中国无机氯产品耗氯量仍然占据中国氯产品耗氯总量54%(包含盐酸和其它无机氯化物),其它46%用于生产有机氯化物(包含聚氯乙烯、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22%。在耗氯结构这一点上,国外部分发达国家和中国完全不一样。美国1995年有机化学品耗氯量占其整个氯产品耗氯量76.6%,而无机氯产品仅占12.8%;西欧1995年有机氯产品耗氯量占其整个氯产品耗氯量84.1%,无机氯产品耗氯量占氯产品耗氯总量9.6%;日本1
16、995年有机氯产品耗氯量占整个氯产品耗氯量55%,无机氯产品耗氯量占整个氯产品耗氯量9.6%。和国外发达国家相比,中国有机氯产品所占百分比小,但这并不说明中国有机氯产品需求少,实际上,中国这几年进口有机氯产品占中国总用氯量20%以上。造成中国有机氯产品大量进口关键原因在于中国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 世界氯碱工业发展现实状况(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
17、碱生产能力有所增加,约为5075万吨,产量约为4340万吨,估计生产能力约为5189万吨,产量约为4548万吨,部分老装置将被关闭。美、日、欧三个地域大致上占世界总产量73%,估计到美国和欧洲烧碱产量为2170万吨,由原来占63%百分比降为48%。日、美、西欧作为全球氯碱工业基础,形成三足鼎立之势,引导世界氯碱行业发展时尚,主宰着氯碱产业价格动向,平衡动向,是氯碱生产原动力,这种情况将连续到。(2)西方发达国家氯碱工业发展趋势:第一,以技术改造为手段,向节能降耗发展。世界优异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%,而中国仅占15%不到。第二,以联合吞并等方法,向大型规模发展。
18、美国麦道化学、OXY Chemical、PPG三企业烧碱产量所占全国百分比高达65%;前四大氯碱工业企业产量占全国总产量80%。而中国烧碱企业有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产量仅占全国总产量15%,所以,影响了中国氯碱工业企业在国际市场上竞争力。第三,发展以氯碱为原料项目,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,不停提升产品精细化率。英国ICI企业、德国拜耳企业、美国麦道化学企业、日本旭化成企业,转向生产化工、生命科学、电子化工材料、信息化学品、功效高分子等高科技精细化工领域,这些企业产品精细化率将超出
19、50%。1.4 氯碱工业生产工艺现实状况电解法生产烧碱在制得烧碱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,它产品烧碱和氯气在国民经济中占相关键地位,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、生产步骤较短外,关键有以下三个特点。() 能源消耗大,关键是用电量大 氯碱生产耗电量仅次于电解法生产铝,电能是氯碱工业关键原料之一。在美国,氯碱工业用电量占总发电量2%,中国氯碱工业生产耗电量占年总发电量1.5%。所以,电力供给情况和电价对氯碱产品生产成本影响极大,各国一直把降低能耗作为电解法关键问题。经过利
20、用优异设备,提升电解槽电能效率和碱液蒸发烧能利用率,来降低烧碱电耗和蒸汽消耗。所以,开辟节省能源新路径,含相关键意义。() 氯和碱平衡 电解食盐水溶液时,按固定质量百分比(1:0.85)同时产出烧碱(NaOH)和氯气两种联产品。在一个国家和地域,对烧碱和氯气需求结构不一定符合烧碱和氯气供给结构,所以出现了烧碱和氯气供需平衡问题。通常情况下,发展中国家工业发展早期用氯量较少,因为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。在石油化工和基础有机原料发展较快国家和地域用氯量较大,所以出现烧碱过剩。总而言之,烧碱和氯气平衡问题一直是氯碱工业发展中恒定矛盾。() 腐蚀和污染
21、 氯碱产品如烧碱、盐酸等含有强腐蚀性,在生产过程中使用原材料如石棉、汞、含氯废气等全部可能对环境造成污染,所以预防腐蚀和环境污染也一直是氯碱工业努力革新方向。电解法生产烧碱,依据电解槽结构、电极材料和隔膜材料不一样可分为水银法、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氯碱工业中占有相当关键地位,但因汞有毒性,70年代末该法开始被逐步淘汰。隔膜法是最早出现食盐水电解技术,已历经数次技术革新。隔膜法电解槽中采取石棉隔膜有一定不足。离子膜法师20世纪70年代发展新技术,其电极反应和隔膜法完全相同,但用离子交换膜替换石棉隔膜,离子交换膜反应器组装灵活,单原料进入和产物排放用管道很多,
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