29万吨离子膜烧碱盐水精制任务书

29万吨/年离子膜烧碱新建项目

一次盐水精制方案

（任务书）

班级:应用化工技术1001 班

姓名：李海博

学号：2010040816

黄河水院环境与化学工程系

二〇一二年十一月

目录

一、设计依据

二、设计原则与分工

三、方案设计过程

四、设计感想与设计讨论

五、参考文献

六、附图

一、设计依据

1．XXX集团新建29万吨/年离子膜烧碱一次盐水水量。

2．XXX集团对一次盐水精制的要求。

1）氯化钠含量要高，一般要求大于90%。

2）化学杂质要少。钙镁离子总量要小于1%。硫酸根离子小于0.5%；

3）不溶于水的机械杂质要少；

二、设计原则与分工

1．设计范围

化盐池一次盐水至精制盐水槽。

2．设计原则

1）投资少，运行费用低，一次精制盐水质量高；

2）采用手动和自动相结合管理，降低工作强度，使操作方便。

3．设计规范和标准

1）《钢结构设计规范》GBJ17－88

2）《室外排水设计规范》GBJ14－87(1997年版)

3）《建筑设计防火规范》GBJ16－87

4）《工业企业照明设计标准》GB50034－92

5）《低压配电装置及线路设计规范》GB50054－92

6）《工厂企业厂界噪声标准》GB12348-90

7）《地基基础设计规范》DBJ－11－89

三、方案设计

1.项目概述

XXX集团新建29万吨/年离子膜烧碱项目，在盐水精制环节需要设计一套全新的盐水精制工艺。

我国传统的离子膜烧碱盐水一次过滤一般采用澄清桶－砂滤器－碳素管法。其中，该

法预处理器——澄清桶＋砂滤器存在占地面积大、过滤精度不够高、出水水质不稳定、易返浑等缺点；碳素管过滤器设备则需预涂α-纤维素，操作复杂，运行费用太高，严重影响氯碱企业的竞争力。后来出现预处理+膜法的盐水精制工艺，盐水质量较好，但存在处理流程较长，运行费用较高，操作管理比较复杂的缺点。因此需要一种更经济、操作更简单的方法提高一次精制盐水的质量和稳定性。

2、设计参数

（1）设计水量：348m3/h

（2）设计水质：混合反应后悬浮物含量≤5000mg/L

（3）设计标准：离子膜电解工艺一次精制盐水要求：出水悬浮物（ss）含量≤1mg/L。

（4）生产1吨烧碱需要消耗的一次盐水流量： 348m3／h(一次盐水浓度为305±5g/L，生产工作时间按8000h计算。）

3、工艺方案的选择

原盐是氯碱工业的主要原料，将原盐制成盐水，由于原盐的不纯，使盐水中常含有悬浮物和金属离子（如：Ca2+、Mg2+、Fe3+等）。这些物质进入电解工序，则会损坏电解膜，缩短电解膜的使用寿命，因此必须通过精制将这些离子除去。

盐水精制一般采用加入化学药剂生成几乎不溶解的化学沉淀物，然后通过澄清、过滤等手段达到目的。在澄清过滤的同时也达到去除泥沙及机械杂质的目的。

目前盐水电解生产烧碱的方法主要有隔膜法和离子膜法,离子膜法具有综合能耗低、液碱浓度高、氯氢纯度高、装置自动化控制程度高、环境污染轻等优势,是当今世界公认的先进制碱技术及发展方向。

通过附图1中的几种工艺比较，从对比情况来看, 传统方法已经淘汰，凯膜技术虽然应用广泛，但在工艺中还有所欠缺，陶瓷膜及西恩过滤工艺相对凯膜工艺流程更简化, 控制更简单, 从而在投资及运行费用上也更省。由于陶瓷膜及西恩过滤技术的固液分离技术不同, 西恩过滤器出水质量会有波动, 而陶瓷膜工艺动力电消耗较高，从实际生产需要考虑选择以西恩过滤器为主的盐水精制工艺，工艺流程框图如下：

注：工艺流程图如附图2

4、工艺流程说明

将仓库里的原盐通过运输带送入化盐池溶解后经过折流槽后进入混合反应槽，投加NaOH和Na2CO3，使Ca2+、Mg2+生成CaCO3和Mg(OH)2，搅拌一段时间后，保证盐水充分混合反应（即浑盐水加药后在混合反应槽中停留2小时以上），然后进入CN过滤器进行固液分离，进过滤器前投加BaCl

。经过CNI型及CNII型过滤器处理后，上清液清澈

2

透明，出水悬浮物稳定在1mg/L以下，可直接进入二次盐水精制工段。

过滤器底部排放的盐泥则用泵打入板框压滤机进行脱水，干泥外运处理，盐水则回到混合反应槽。

CN过滤器采用连续运行方式，反冲和排放盐泥时可不必停泵。CN过滤器反冲不需要任何介质，不存在化学药剂再生和膜更换费用。过滤器操作简单，方便实现自动化，降低工作强度。CNII过滤器一般每隔2～4小时反冲一次，排放盐泥每次约2～3m3，CNI 型过滤器一般每隔12～24小时排泥反冲一次，具体可根据进水悬浮物浓度决定。

5、自控系统

在本方案中，每套CN过滤器的出水口处都安装一台浊度仪，可对过滤器的工作状况和出水水质实现在线监控。在运行过程中能及时发现并解决问题。

过滤器的日常操作中主要是定时排放浓缩液，新型CN过滤器的排浓缩阀采用气动阀，日常的排料操作可通过控制室的DCS系统（或PLC系统）来进行，大大减轻了劳动强度。

6、工艺特点

（1）与传统澄清桶－砂滤－碳素管工艺相比，以CN 过滤器为主的新工艺简化了工艺流程，占地面积小，设备投资少。

（2）CN 过滤器采用连续运行，反冲放泥无需停泵。相对于预处理+膜分离工艺，CN 过滤反冲操作方便，无需任何介质。运行功耗低，运行费用少，不需要药剂化学再生和膜更换费用，使用寿命长。

（3）CN 过滤器悬浮物去除率高且稳定，操作弹性较大，出水水质基本不会受进水水质波动的影响，保证了一次精制盐水的质量液固分离一次完成，无需其他附属设备。而传统工艺耐冲击负荷能力差，一旦进水出现较大波动，反应较慢，则不仅影响了一次精制盐水的质量，而且会污染离子膜设备，造成运行不正常。

（4）操作简单，自动化程度高，大大降低了操作人员的工作量，减少了人为因素的影响。 （5）降低了对原盐质量的要求，拓宽了选盐的范围，给原料采购提供了方便。

7、工艺计算

物料衡算 ：

计算基准 ：本设计中的物料衡算均以小时为时间基准，工作时间定位8000小时.

1）设计依据

本设计中烧碱装置的年生产能力为29万吨。采用的烧碱规格如下：

图二 烧碱规格表

以此为依据进行下面的计算。

2）每小时生产的纯净烧碱产品的计算

h Kg /348008000

%

9610297=??

3）每小时理论消耗的食盐的质量计算

设食盐的质量流量为G

由反应方程式：

2Na Cl + 2H 2O —→ 2Na OH + H 2↑ + Cl 2↑ 2×58.5 2×40

G 34800

G = 80

11734800?= 50895kg/h

4）每小时实际消耗的原盐的质量计算

原盐规格如表：

由于副反应存在，综合考虑食盐中的损失率为2.5%. 则加入的实际原盐量应为：

h K /g 54913%

95025

.150895=? 5）原盐中各组分的流量

由原盐规格可计算原盐中各组分的质量流量：

NaCl 的质量流量 : 54913×95％ = 52167.35kg/h CaCl 2的质量流量 : 54913×0.20％ = 109.8 kg/h MgCl 2的质量流量 : 54913×0.15％ = 82.4 kg/h MgSO 4的质量流量: 54913×0.20％ =109.8 kg/h

Na 2SO 4的质量流量: 54913×0.30％ = 164.7 kg/h 不溶性杂质的质量流量 ：54913×0.65％ =356.9 kg/h 水分的质量流量: 54913×3.50％ = 1921.9 kg/h

6）盐水精制剂的用量

设加入Na 2CO 3的质量为m 1(kg)、沉淀CaCO 3为x 1(kg)、NaCl 为y 1(kg)； CaCl 2 + Na 2CO 3 = CaCO 3↓ + 2 NaCl 111 106 100 2×58.5

109.8 m 1 x 1 y 1 解得:m 1=104.9kg x 1= 98.9kg y 1=115.7kg

假设有5%的Na 2CO 3损耗,则每小时实际加入Na 2CO 3的质量为: m 1=104.9×(1+0.05)=107.5kg

设加入NaOH 的质量为m 2(kg)、沉淀Mg(OH)2为x 2(kg) 、NaCl 为y 2(kg)； MgCl 2 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + 2NaCl 95 2×40 58 2×58.5 82.4 m 2 x 2 y 2

解得：m 2= 69.4Kg x 2= 50.3 Kg y 2=101.4Kg

加入Na OH 的质量为m 3(kg)、沉淀Mg(OH)2为x 3(kg) 、Na 2SO 4为y 3(kg)；

MgSO 4 + 2Na OH = Mg(OH)2↓ + Na 2SO 4

120 2×40 58 142 109.8 m 3 x 3 y 3

解得: m 3= 73.2kg x 3=53.1kg y 3=129.9kg 假设有5%的Na OH 损耗,则每小时实际加入Na OH 的质量为:

m 37.149)05.01()2.734.69(=+?+=kg

设加入BaCl 2的质量为m 4(kg)、沉淀BaSO 4为x 4(kg)、Na Cl 为y 4(kg)；

Na SO 4 + BaCl 2 = BaSO 4↓ + 2Na Cl 142 138 241 2×58.5 164.7+129.9 m 4 x 4 y 4

解得: m 4=286.3kg x 4=499.9kg y 4=242.7kg

7）用水量的计算

利用氯化钠的溶解度可算出用水量，可在表四中查得不同温度下的溶解度：

表四不同温度下氯化钠在水中的溶解度表

氯化钠的溶解度随温度的升高而增大，为加快溶盐速度，使化盐桶中Ca 2+、Mg 2+能很好的沉淀，化盐温度一般为45～55℃,本设计取50℃,查得该温度下KCl 、CaCl 2、MgCl 2、CaSO 4、MgSO 4的溶解度见表五。

由溶解度公式：S =

M 质

M 剂

× 100 % 可得化盐总需水量： ①溶解NaCl 所需H 2O 的质量为:

kg M 5.194001%

89.2652167

H2O ==

②溶解CaCl 2所需H 2O 的质量为:

3.137%

808

.109H2O ==

M kg ③溶解MgCl 2所需H 2O 的质量为:

3.154%

4.534

.82H2O ==M kg

④溶解MgSO 4所需H 2O 的质量为:

4.428%

63.258

.109H2O ==M kg

⑤溶解Na 2 SO 4所需H 2O 的质量为:

5.337%

80.487

.164H2O ==M kg

由以上结果可得每小时溶解原盐所需H 2O 的总质量为:

O H M 2 = 194001.5+137.3+154.3+428.4+337.5 =195059kg

以上数据如下表六：

表六物料衡算表注：物料工艺流程图如附图3 8、主要设备及选型

设备设计与选型的基本要求：

化工设备是化工生产中重要的物质基础，对生产过程起着重要作用。因此，在设计过程中要考虑工艺上的要求，运行的可靠性，操作的安全性，便于连续生产和自动化生产，要能创造良好的工作环境和无污染，便于购置和容易制造。

总之，要考虑到先进、适用、高效、安全、可靠、省材、节约资源等原则。可从技术经济指标和设备制造结构两方面入手。

此工艺中可用到的设备大概如下表。

图七主要设备表

9、车间设计

基本资料：初步设计需要的工艺流程图、施工设计需要管道仪表流程图、物料衡算数据及物料性质、相关设备表、车间定员以及建厂地形等资料。

1）布置原则

要满足生产工艺要求；要符合经济原则；要符合安全生产要求；便于安装和检修作业；要有良好的操作环境。

2）设计的主要内容

车间包括：生产部门、辅助部门、生活部门三部分，设计时应根据生产流程、原料、中间体、产品物化性质以及它们之间的关系，确定应给设计几个工段，需要哪些辅助部门和生活部门。

3）设备布置技术要素

生产工艺对送个吧布置的要求：满足生产工艺的前提下，要保证水平方向和垂直方向的连续性；尽可能的将相同设备放在一起集中管理、排列整齐；要尽可能地缩短设备间管线；传动设备要有安全防护设施等。

设备安装专业对布置的要求：要考虑设备能顺利进出车间；设备的大小、安装、检修及拆卸所需要的空间和面积合理；通过楼层的设备，楼面上面要设置吊装孔。

厂房建筑对设备布置的要求：凡是笨重的设备在工作时都有巨大的振动，所以在建筑

方面要做到防振措施；布置设备时应避开建筑物的柱子、梁及沉降缝或伸缩缝；厂房中操作台必须统一有利于操作又显得美观；设备尽可能避免布置在窗前，以免影响采光和开窗；在厂房的大门或楼梯旁布置设备时，不要影响开门和行人出入畅通。

10、非工艺专业要求

1）管道设计与要求

管道设计主要包括管道的设计计算和布置设计两部分。

管道直径的计算：管道直径采用以下计算式：d=

式中：d—管道内径，mm；

V—流体流量，m3 /h;

u—平均流速，m/s;

流速常用范围为液体0.5-2.0m/s ；气体8—15m/s，水蒸汽40-60 m/s。

设计压力:

化工管道及其组成件设计压力应不低于操作过程中有由内压与温度组合的最苛刻条件下的压力。

所有与设备或者压力容器连接的管道，其设计压力应不低于设备或容器的设计压力，并满足一下要求：设置安全泄压装置的管道，其设计压力应不低于安全泄放压力与液柱静压力之和;没有设置安全泄压装置时，其设计压力不应低于压力源可能达到的最高压力和静液柱压力之和。

设计温度:

化工管道及其组成件的设计温度不应低于操作过程中，由压力和温度构成的最苛刻的条件要求。不同管道的设计温度由以下要求确定:

○1无隔热层管道的设计温度:SHA级的管道组成件，应当取介质温度为设计温度，如取其他温度作为设计温度时必须通过计算并通过实验核实。

○2其余级别的管道及其组成件的设计温度，当介质的温度小于65度时取介质温度，当介质温度大于或等于65度时按下列原则选取：

A、管子、对焊管件、承插焊或对焊阀门及其他壁厚与管道相近的组成件设

温度不一般高小于95%介质温度。

B、法兰、垫片及带法兰的阀门管件应不低于90%介质温度。

C、螺栓、螺母等紧固件应不低于80%介质温度。

○3带外隔热层得管道应根据温度条件对管材的作用后果的严重性取介质的最高最低工作温度作为设计温度。

○4带村里或内隔热层得管道，其基体材料设计温度应经产热计算或实测确定。

○5带夹套会伴热的管道当工艺温度高于伴热介质时，取工艺介质温度为设计温度；当工艺介质温度低于伴热介质温度时，取伴热介质温度减10度和工艺介质温度较高者

○6对于安全泄压管道应取排放时可能出现的最高温度或最低温度作为设计温度。

○7要求吹扫的管道应根据具体条件确定。

设备的管道布置：

泵的管道布置：泵体不宜承受进出口管道和阀门的重量，故进泵前和出泵后的管道必须设置支持装置，尽可能做到泵移走时不设临时支架。吸入管道应尽可能短，少拐弯，并避免突然缩小管径。吸入管道的直径不应小于泵的吸入口。当泵的吸入口为水平方向时，应配置偏心异径管，采用的泵的吸入口为垂直方向，可配置同心异径管。为防止泵停时物料倒冲，泵的排出管上应设止回阀。止回阀应设在切断阀之前，停车后将切断阀关闭，以免止回阀的阀板长期受压损坏。

立式容器的管道布置：容器底部排出管道沿墙铺设离墙距离应小些，可节省占地面积，设备间距要求大些，以便操作人员切换阀门与检修。排出管在设备前引出。设备间距离及设备离墙距离均可以小些，排出管通过阀门后一般应立即引至地下，使管道走地沟或楼面下。排出管在设备底中心引入，适用于设备底部离地面较高，有足够距离可以安装和操作阀门，这样铺设高度短，占地面积小，布置紧凑。

卧式槽的进、出料口位置应分别在两端，一般进料在顶部、出料在底部，进入容器的管道铺设在设备前部。

其他管道布置：管道最高点设置放气阀，最低点设置放净阀，排放管道阀门靠近主管设备放空排气阀门最好应与设备本体直接链接。排放易燃易爆的气体管道上应设置阻火器，室外容器的排气管道上的阻火器应放置在排气管接口（与设备相接的口）500mm处，室内容器的排气必须接出屋顶，阻火器放在屋面上或靠近屋面，阻火器至排放口之间的距

离不宜超过1m。管路上设置取样点时，应选择便于操作、取出样品有代表性、真实性的位置。

管道支吊架的选用：定型管架包括十大类：管托、管卡；管吊；型钢吊架；柱架；墙架；平管支架；弯管支架；立管支架；大管支承的管架；弹簧托、弹簧吊和弹簧吊架。管道布置应考虑的因素：

物料因素：有腐蚀性物料的管道，应布置在平行管道的下方或外侧。易燃、易爆、有毒和有腐蚀性物料的管道不应敷设在生活区、楼梯和走廊处，并配置安全阀、防暴膜、阻火器、水封等。防水、防暴装置、放空管应引至室外指定地方或高出屋面2m以上。

冷热管道尽量分开布置。不得已时，热管在上，冷管在下。其保温层外表面的间距，上下并行时一般不小于0.5m。交叉排列时，不应小于0.25m，保温材料及保温层的厚度根据规范规定。

管路布置，除满足正常生产要求外，还应符合开、停工和处理事故的要求。开停工时，由于有关部分有开，有停，应当设置旁路管道，还应设置开工装料，停工时排料及不合格产品的再加工管道，管路应能适应操作变化，避免繁琐，防止浪费。

在蒸汽主管和长距离管线的适当地点应分别设置带疏水器的放水口及膨胀器。为了安全起见，尽量不要把高压蒸汽直接引入低压蒸气系统。如有必要，应装减压阀并在低压系统上装安全阀。

污水应排放至专门系统，并考虑综合利用。根据污水的具体情况，可分别用合流式（即工业污水、雨水和便溺水全部由一个管网排出）或分流式（即工业污水和便溺水由一个管网排出，雨水和工业清水则由另一个管网排出）。有毒的污水须经处理后，方可排放。真空管线应尽量缩短，避免过多的曲折，使阻力小，达到更大的真空度。还应避免用截止阀，因其阻力大，影响系统的真空度。

施工、操作及维修：支管多的管道应布置在并行管的外侧。引支管时，气体管从上方引出，液体管从下方引出。管道应集中架空布置，尽量走直线，少拐弯，不要挡门窗和妨碍设备、阀门、管件等的维修；不应妨碍吊车作业；在行走过道地面2.2m的空间也不应安装管道。

管道应避免出现“气袋”、“口袋”和“盲肠”。集气系统的布置应使得蒸汽能方便地向最高点排放。如有可能管道应沿墙安装，管与墙间距离以能容纳管件、阀门及方便维修为原则。

安全生产:阀门要布置在便于操作的部位。操作频繁的阀门应按操作顺序排列。容易

开错且会引起重大事故的阀门，相互间距要拉开，并涂刷不同颜色。地下管道通过道路或有负荷地区，应加保护措施。管道与阀门的重量，不要考虑支撑在设备上（尤其是制设备、非金属材料设备、硅铁泵等）。

其他因素:距离较近的两设备间，管道一般不应直连，因垫片不宜配准，故难以紧密连接。设备之一未与建筑物固定或有波形伸缩者例外，建议采用45。斜接或90。弯接。管道通过楼板、屋顶或墙时，应安装一个直径大的管套，管套应高出楼板，平台表面50mm。管道布置中应顾及电缆、照明、仪表、暖风等其他管道，应全面考虑，各就各位。

管路设计一般原则：

①管道应成列平行敷设，尽量定直线、少拐弯(除自然补偿或方便安装、检修、操作需要之外) ，少交叉以减少管架的数量，节省管架材料，便于施工。

②设备间的管道连接，应尽可能地短而直，尤其用合金钢的管道和工艺要求压降较小的管道。

③当管道改变标高或走向时，应避免管道形成积聚气体的“气袋”或液体的“口袋”和盲肠。如不可避免时应于高点设放空阀，低点设放净阀。

④输送有毒或有腐蚀性介质的管道，不得在人行通道上设置阀件、伸缩器、法兰等，以免法兰渗漏时介质落入人身上而发生工伤事故。

⑤易燃、易爆介质的管道，不得敷设在生活间、楼梯间和走廊等处。

⑥管道布置不应挡门、窗，应避免通过电动机、配电盘、仪表盘的上空；在有吊车的情况下，管道布置不应妨害吊车工作。

⑦气体或蒸汽管道应从主管上部引出支管，以减少冷凝液的携带；管线要有坡度、以免管内或设备内积液。

⑧由于管法兰处易泄露，生产管道除与设备接口和法兰阀门、特殊管件连接处采用法兰连接外，其他均应采用对焊连接。

⑨不保温、不保冷的常温管道除有坡度要求外，一般不设管托。

2)公用工程设计要求：

采暖通风设计：通风空调的目的是排除并控制车间内余热、余湿、有害气体以及粉尘等，使车间内空气保持适宜的温度、湿度、气流速度和卫生清洁的要求，以确保生产工艺和生活舒适所需的环境。

设计条件：工艺流程图、设备一览表、采暖方式（集中式和分散式）、通风方式（自然通

风或机械排风），设备的散热量、产生的有害物质、性质、数量和生产的粉尘情况。

给水、排水设计：厂区生活水系统供厂区生活区、生产车间办公室、化验及卫生器具等用水，水质符合生活饮用水卫生标准（GB5749-94）。

生活水由园区外的生活给水管网供给，生活水进水总管和分管设置阀门和流量计，以便管理用；生活水管道在厂区内采用枝状供水方式。

生产排水方面有按设备布置图标明排水设备名称和排水点，排水条件如排水量、排水压力、水温和成分等；采用的处理方法、排水的方式是连续或间断排水等；排水位置要标高。

消防用水方面一般设置独立的供水系统，包括消防水池、消防水泵和消防水管道系统等。根据《建筑设计防火规范》中的规定设计出符合要求的供水系统。

配电设计要求：有全厂用电要求和设备清单，供电协议及相关资料，与气象、水文、地质等准备资料；按照相关的供电原则进行配电，做好供电中的防火防爆工作，各类用电要分明管理到位，做到合理用电，节约用电的原则。

11、三废处理

盐水中的可溶性杂质，一般采用加入化学精制剂生成几乎不溶解的化学沉淀物，然后通过沉清、过滤等手段达到精制的目的。在沉清过滤的同时也达到去除泥沙及机械杂质的目的。

在一次盐水工段主要是固体废物的处理，原盐经过处理之后生成难溶解的化学物质氢氧化镁、碳酸钙、硫酸钡以及其他杂物，将过滤盐水经过板框压滤机可以将这些杂质去除，再进行集中处理。

四、设计感受与设计讨论

通过对《化工设计概论》这门课程的学习，了解到了设计的基本原则。我们也带着问题去不断讨论问题、解决问题，最终通过简单的一次盐水工段进行设计学习。从开始到结束让我了解到化工设计并不是一个孤立的部分，是把所有的知识综合使用起来才能达到效果，当然我们这只是把学到的基本原则与实际结合使用，要是和真正的设计相比还有很多不足之处，需要我们更进一步学习这方面的知识，比如制图、识图、设备选择、工艺计算等等方面都还需要很大的努力。

以上设计还有很大不足之处，通过这次学习之后，带着所学过的基本知识进一步去学习相关的内容，要学好这门课还要大量的时间和经验去不断提升，希望自己也能在这面多

学一点。同时也感谢老师的尽心讲解！

五、参考文献：

[ 1] 孙勤, 赫飞.国内氯碱生产技术近况综述. 氯碱工业, 2007,( 8) : 1-9

[ 2] 费红丽.国内氯碱行业盐水精制工艺状况( 2000- 2003) 调查报告.氯碱工业, 2005, ( 5): 16- 17

[3]百度百科.

[4]杨秀琴，化工设计与概论[M]，化学工业出版社,2010年。

六、附图

附图一：一次盐水制备工艺比较