年产15万吨纯碱石灰—氨—二氧化碳法盐水精制工段工艺计算及化盐桶的初步设计.doc

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1、 目录摘要11纯碱工业原料盐11.1、质量标准11.2、原料盐杂质含量对纯碱纯度的影响22 盐水精制的原理和生产指标32.1、盐水精制的原理32.2、盐水精制中硫酸钙的结疤42.2.1、硫酸钙的溶解度42.2.2、盐水精制中硫酸钙的结疤564 盐水精制的主要工艺指标75工艺流程85.1、工艺流程图85.2、工艺流程简述96 工艺计算106.1、基础数据106.2、物料衡算116.3 热量平衡216.3.1 化盐216.3.2、 除钙22参考文献3122 年产15万吨纯碱石灰氨二氧化碳法盐水精制工段工艺计算摘要 纯碱生产是以食盐为主要原料。食盐是来自自然界的井盐、岩盐、海盐、湖盐和池盐等。食盐的

2、主要成分是以外，还有少量的镁盐及钙盐，纯碱生产过程是把盐制成饱和盐水，通过氨化、碳化得到重碱，重碱煅烧得到产品纯碱。原盐中的镁盐、钙盐若不除去最终会留在产品里，影响产品质量。因此必须精制以除去、Mg是纯碱生产的重要工段，本设计的内容是：年产15万吨纯碱，以石灰氨二氧化碳法精制盐水工段的工艺计算，并对化盐桶进行初步设计。 关键词： 精制、衡算1纯碱工业原料盐1.1、质量标准我国工业用盐的质量标准执行GB546292国标，如图表（11） 表11指标名称优级一级二级三级%95.594.092.089.0H2O%3.34.26.08.0水不溶物%0.20.30.40.5水溶物%1.01.51.72.5

3、纯碱厂根据制碱的工艺要求并考虑所供的原盐的实际质量，制定了纯碱用原料盐的企业标准，例如某纯碱厂的原料盐的质量指标列于表111 表111指标名称Ca2+%Mg2+%SO42-%水分%水不溶物%标准0.30.10.693.05.00.41.2、原料盐杂质含量对纯碱纯度的影响我国纯碱产品中工业用纯碱即工业碳酸钠的质量执行国家标准GB21092其中2类纯碱的指标要求列于表12 表12项目 指标优等品一等品合格品总碱量（以计）% 99.298.898.0氯化钠（以计），含量%0.70.91.20硫酸盐（以SO4计）含量，%0.03铁含量，%0.0040.0060.01水不溶物含量，%0.041.00.1

4、5烧失量，%0.81.01.30堆积密度，g/ml0.900.900.90粒度180um,筛余物% 70.065.060.01. 为氨碱法控制项目，用户有要求时检验 为包装时检验结果 为重质碳酸钠控制项目由表12可知，工业碳酸钠的质量指标中，对水不溶物的含量不同等级的产品均要求越低越好，而规定了相应的上限指标。 氨碱法纯碱生产的第一道工序是把原料盐溶解成氯化钠几乎饱和的粗盐水，然后进行精制，除镁和钙，然后将其沉淀物分离除去，所制得的精盐水要求含镁小于6mg/l,含钙小于 20mg/l，精盐水先吸氨后碳酸化，在碳酸化过程中氨盐水中残留的镁离子、钙离子杂质均反应生成碳酸镁、碳酸钙沉淀随出碱悬浮液进

5、行固体分离而存留在重碱中，形成纯碱的水不溶物。 由于纯碱的水不溶物杂质来源于原料盐的钙镁杂质，所以为了确保纯碱的纯度指标符合要求，首先，选用钙镁杂质含量低的原料盐这是个重要前提；同时如何提高盐水的精度是直接影响纯碱纯度的关键所在。2 盐水精制的原理和生产指标2.1、盐水精制的原理氨碱法生产纯碱的第一道工序 盐水精制。其精制方法在国外采用石灰纯碱法，在国内以往采用石灰碳酸铵法。但八十年代新建的两家大型纯碱厂则是第一次成功采用了石灰纯碱法。这两种盐水精制的方法原理是相同的，根据氢氧化镁和碳酸钙是难溶的化合物这一性质，采用含氢氧根离子的石灰乳和含钙离子的碳酸氨或碳酸钠先后与粗盐水中的镁离子钙离子进行

6、反应生成氢氧化镁和碳酸钙沉淀经澄清将其分离除去，从而达到盐水精制的目的。表21列出了饱和盐水中在不同氢氧根离子和碳酸根离子浓度下氢氧化镁和碳酸钙的溶解度数据 表21 含量（） 溶解度()含量（）溶解度()0.0059.000.0009.00.109.000.0251.50.156.000.0501.40.205.000.1000.00.254.750.304.25 注：1tt=0.05mol/l 由表21可以看出，当盐水中不含碳酸根离子和氢氧根离子是氢氧化镁的溶解度为9.0mg/l（0.0062tt),碳酸钙的溶解度为59.3mg/l（0.024tt） 根据氢氧化镁和碳酸钙是难容物，其饱和溶液

7、在温度一定时溶度积等于一个定数的原理，当沉淀剂氢氧根离子和碳酸根离子稍微过量时盐水中残留的镁离子和钙离子据会更少，盐水就能达到很高的精制度。如盐水中氢氧根离子含量0.05tt,当PH=10.6时，氢氧化镁的溶解度低达1.4mg/l,当盐水中碳酸根离子含量0.1tt时，碳酸钙的溶解度也低达9.00mg/l. 由此可见，精制盐水时只要维持沉淀剂的石灰乳、碳酸氨或碳酸钠适当的过剩量，则粗盐水中镁离子、钙离子杂质就能清除完全，从而使纯碱的水不溶物含量指标符合要求。 这两种不同的精制方法，用碳酸氨除钙后生成氯化氨，一方面会影响碳酸化率，另一方面它与一次盐水过剩的氢氧根离子发生“缓冲作用”，在一定的浓度下

8、，使PH下降，若小于9.5会使氢氧化镁沉淀溶解，镁离子除不净，而这一点用碳酸钠就不存在，所以石灰纯碱法的精制度高于石灰碳酸铵法。至于石灰纯碱法要消耗成品纯碱，由于所用的中相当一部分使利用从炉气中回收的碱尘，从而降低了碱耗。2.2、盐水精制中硫酸钙的结疤2.2.1、硫酸钙的溶解度 硫酸钙也属于一种较“难溶”的物质，它在水中的 溶解度随温度的变化而有所变化，当温度在30时，CaSO4在水中的溶解度最大为0.01544mol/l，其溶度积 在含的溶液中，硫酸钙的溶解度会有显著的增加。通过室内试验发现，TCL含量在一定范围内，钙离子和硫酸根离子的浓度的乘积为一定值，如换盐水TCL在20.528.8tt

9、范围内，硫酸根的溶度积平均值=2.611粗盐水TCL在107108tt时，硫酸钙的溶度积平均值 所以，当溶液中Ca2、SO42- 的乘积大于大于硫酸钙的溶度积时，硫酸钙就从溶液中析出沉淀，通常的温度下硫酸钙以二水硫酸钙的形式析出，并且很容易在管道和设备壁上结疤。2.2.2、盐水精制中硫酸钙的结疤 盐水精制时采用石灰乳除去镁离子而形成等当量的钙离子，在海水化盐的情况下，调和液或一次盐水中硫酸钙往往以的形式在系统里析出结疤，有的纯碱厂采用地下卤水化盐，由于粗盐水的Ca2、SO42-离子显著增加而引起的的析出而结疤盐水精制过程中硫酸钙的结疤影响了稳定均衡的生产。长期的实践生产，人们已经摸索出一条行之

10、有效的减轻析出结疤的技术措施和科学清理的方法，设备和管道的设计应考虑结疤的厚度和备用，以确保均衡充足的供给下工序所需的精4 盐水精制的主要工艺指标 现将石灰碳酸氨法和石灰纯碱法两种精制方法的主要工艺指标汇总如图41所示 表41序号指标名称单位控制范围备注1粗盐水总氯1072调和液过剩灰pH10.511.5除镁粗盐水过剩灰0.050.103塔出盐水过剩二氧化碳3.57.0除钙盐水过剩碱0.10.54纯碱液成分NaHCO32Na2CO355605二次盐水总氯104.5106.0精盐水总氯106.0107.06二次盐水和精盐水的浊度507二次盐水或精盐水杂质含量Mg2+mg/l6Ca2+mg/l20

11、8除钙塔出水成分含氨3除钙塔出水成分含氯79废泥成分氯差38废泥成分氨差mg/l13010一次泥沉降率%（体积)90沉降30分11二次泥沉降率%（体积)65沉降5分12盐泥沉降率%（体积)60沉降30分13废泥沉降率%（体积)90沉降30分14化盐水或淡盐水的温度C1405 工艺流程5.1、工艺流程图 5、1 工艺流程图 图515.2、工艺流程简述流程图见图51，原盐由皮带输送机运送进电子称计量后从化盐桶的桶顶部进入与从底部进入的化盐水逆流相遇，原盐溶解成接近饱和的粗盐水，粗盐水从化盐桶的上部溢流而出流入集中罐，然后由粗盐水泵送到调和槽，先与二次泥混合，再自动或手动控制加入适量石灰乳和粗盐水中

12、镁盐反应生成氢氧化镁沉淀，其悬浮液称调和液，经分配槽并联进入多台一次澄清桶。澄清的除镁盐水称一次盐水，从一次澄清桶溢流而出，由一次盐水泵送入到除钙塔的入口，自上而下流经各圈，从与除钙塔底圈进入的碳化尾气所含的NH3、CO2反应生成碳酸钙沉淀。除钙塔出液经“U”形管流入二次澄清桶，其底部排出的碳酸钙泥称二次泥自压进打钙罐，然后由打钙泵将其送到调和槽，澄清液称二次盐水溢流进二次盐水泵的入口，然后送到吸氨工序。除钙塔进氨段用淡水洗涤除钙段出气中残留的NH3、CO2后的尾气由排出放空，该塔出水自流到一次泥混合罐。盐酸化尾气先经分离器将碳酸化液分（俗称回卤）分离后再进除钙塔，回卤进回卤罐，用泵送到二次澄

13、清桶。一次澄清桶底部排放的泥称一次泥，经流量槽放入混合罐，与除钙塔出水混合称混合料，泵送到三层洗泥桶的上层。经外工序预热的水如海水、河水、地下水等进入三层洗泥桶底层，与上层进入的混合料进行逆流洗涤。洗泥桶上层的溢流液称化盐水进入化盐桶，然后由泵送去化盐，其底部排出的废泥由废泥泵送废液池外排出去或加以综合利用。一次澄清必须添加聚丙烯酰胺时，加水用齿轮泵将其配制成0.8%左右的水溶液，定量加入调和液中。6 工艺计算6.1、基础数据以一吨纯碱为基准，以Kg为单位 各种物料的成分和当量列于下表 表61 表61名称成分比Ca2+Mg2+SO42-NH3当量m3/t备注海水9.60.61.91.03.0一

14、次盐水所含的过剩灰在物料衡算中未计入它对海水和废泥Ca2+、Mg2+含量的影响粗盐水107.5一次盐水106.5过剩ACaO0.05二次盐水104.5200mg/l10mg/lFNH3=12.0一次盐泥液相过剩A CaO0.050.75一次、二次和废泥中液固相真体积比0.95：0.05二次盐水CO2=4.24tt塔出水CO2=2.5tt三次泥0.50废泥12.60.61.91.0130mg/l0.70塔出水2.5090 原盐 原盐成分和消耗定额列于下表 表611 表611消耗（Kg/t) 成分（%）实物100%NaClCa2+Mg2+SO42-H2O水不溶物1571.9361498.84195

15、.3557.980.1260.0740.433.00.1476.2、物料衡算 以化盐和盐水精制整个工序为对象，系统进行平衡计算 平衡框图 图62 图62 原盐 二次盐水化盐盐水精制 海水 废泥 淡水 盐水精制工序物料衡算框图 衡算 各成分的收支量a 收入 海水 淡水 各成分带入量略而不计 原盐 b 支出 废泥 二次盐水 式中 v2二次盐水当量 m3/tc 作TCL-横算 收入=支出 51.408+911.409=14.852+185.226v2 得d 作Mg2+ 横算 收入 由a 横算而得 海水 3.463 原盐 1.163 支出 由b横算而得 废泥 0.768 二次盐水 所以 Mg2+ 除去

16、量 e 作Ca2+ 横算 其方法与作 Mg2+ 相同 二次盐水 所以Ca2+ 除去量 除去得Mg2+ 生成当量得Ca2+ 这部分的Ca2+ 也被除去 其量为 式中 40、24.3分别为Ca、Mg得原子量 104.5、106.5分别为二次盐水 、一次盐水得TCL-含量 , 0.05一次盐水过剩灰 所以 除Ca2+总量 石灰碳酸铵精制盐水 除Ca2+、Mg2+而得同时 在二次盐水中形成等当量得固定氨 二次盐水 f 作SO42-横算 收入 由a横算而得 7.200 原盐 6.759 支出 由b横算而得 废泥 1.596 二次盐水 收入=支出 得 得 g 作 横算 （方法与f 相同） 收入 海水 71

17、.017 原盐 1498.841 支出 废泥 21.576 二次盐水 收入 支出 收入=支出将以上物料衡算结果列于 表621 表621 收入 支出 备注海水原盐合计废泥二次盐水合计3.3KgCa2+已在精制时除去。3.8KgMg2+已在精制时除去TCL-51.048911.409962.514.852947.605962.571.0171498.8411570.021.5761549.1221570.0Ca2+1.8001.9813.80.3991.1020.5Mg2+3.4631.1634.60.7680.0510.8SO42-7.2006.75914.01.59612.36414.0 计算

18、盐水精制工序主要物料得体积当量m/t（1）框图 图622图622 化盐除镁澄清除钙二次澄清洗泥 碳酸化尾气 石灰乳 除钙塔尾气 原盐 粗盐水 一次盐水 塔出盐水 二次盐水 一次泥 二次泥 化盐水 废泥海水淡水 盐水精制工序物料体积当量计算框图 计算 a 塔出盐水 v塔 对“二次澄清”作体积横算 b 一次盐水 v1 对“除钙”作TCL-横算 即 得c 对粗盐水 对“除镁澄清”作TCL-横算 收入 粗盐水 107.5v粗 二次泥 支出 一次盐水 一次泥 收入=支出 得 d 石灰乳 V灰 作“加快除镁澄清”的体积横算 e 调和液 V调 作“加灰调和”的体积横算 f 化盐水 V化 化盐后得粗水其体积膨

19、胀系数约为0.13 所以 g 洗水和淡水 V洗 V淡 对“洗泥”作体积横算 淡水当量 V淡 包括塔出水和进泥桶及化盐桶得淡水 粗盐水 一次盐水 化盐水主要成分计算 粗盐水 a Mg2+ 由 d 作Mg2+ 衡算而得粗盐水中Mg2+ 含量 b 求算粗盐水的Ca2+ ，需对化盐、洗涤系统进行Ca2+ 的衡算 平衡框图 见表623 表623化盐洗泥 一次泥 粗盐水 原盐 海水 废泥 化盐、洗泥系统物料衡算框图 收入 海水 1.800 原盐 1.981 一次泥 支出 废泥 0.399 粗盐水 收入=支出 c SO42- 计算方法同Ca2+ 的求算 ， 具体过程从简 ，结果 一次盐水 a b c 化盐水

20、 以化盐为对象 求得 TCL- 、Mg2+ Ca2+ SO42- a TCL- 收入 原盐 由表 6212可得 911.409 化盐水 支出 粗盐水 收入=支出 b Mg2+ 收入 原盐 由表 6212可得 1.163 化盐水 支出 粗盐水 收入=支出 由此计算而得 c Ca2+ 用同样的方法衡算而求得 d SO42- 用同样的方法衡算而求得 e 以上结果将列于表 624盐水精制主要物料成分当量比总表 表624项目成分名称 当量m3/t 成分 备注 TCL- Ca2+ Mg2+ SO42-海水3.009.68.10.61.91.0淡水2.00各成分略而不计废泥0.7012.611.10.61.

21、91.0化盐水5.04819.618.80.60.90.6粗盐水5.70410.、5106.60.81.11.0一次盐水5.511106.5105.52.010mg/l1.0一次泥0.75其液相成分同一次盐水二次盐水5.116104.5103.6200mg/l10mg/l1.0CNH3=1.9FNH3=120 CO2=4.24二次泥0.50其液相成分同二次盐水 以化盐和盐水精制为体系NH3、CO2 平衡计算 （单位 kg/t） 平衡计算框图 见表 625 表 625 化盐 盐水精制 原盐 除钙塔出气 海水淡水 二次盐水 碳酸化尾气 废泥 盐水精制工序 NH3、CO2 平衡框图 衡算 收入 碳酸

22、化塔尾气即除钙塔进气，由碳酸化塔物料衡算而得 进气成分（体积百分数）：CO2=6% N2=其他气体=94NH3、CO2） 进气中成分的气体量：kg/t N2=522.5Nm3/t=6531./t H2O=82.47Nm3/t=66./t （压力P=0.0392MPa 表温度) 合计 719.36Nm3/t=846. 原盐 海水 淡水 NH3、CO2 均为0 支出 a 二次盐水 b 除钙塔消耗的NH3、CO2 量 （生成NH3） c 废泥 CO2=0 废泥液相成分除 TCL- =12.6tt TNH3=130mg/l 外其他成分 视与海水相同 d 除钙塔出气 设 NH3含量300mg/l 则 收

23、入 = 支出 NH3 61.5=52.183+9.070+0.091+0.162=61.5 CO2 65.5=23.861+11.737+CO2 除钙塔出气 CO2=29.902 各成分气量 出气压力（绝）P=0.093MPa，出气温度t=350C CO2 = 29.902 kg/t=15.233 Nm3/t NH3 =0.162 kg/t=0.213 Nm3/t N2=653.1 kg/t=522.5 Nm3/t H2O=26.29 kg/t=32.72 Nm3/t 合计 709.545 kg/t=570.656 Nm3/t 以除钙澄清体系的NH3、CO2平衡计算 平衡计算框图 表626除钙

24、二次澄清 表626一次盐水 除钙塔出气碳酸化尾气 二次盐水 二次泥 除钙澄清NH3、CO2 平衡计算框图 支出 a 除钙塔出气 由计算4可得 b 塔出盐水 （即包括二次盐水和二次泥） c 除钙塔消耗的NH3、CO2由计算4可得 收入=支出 NH3 一次盐水 CO2 一次盐水 tt 计算化盐水的NH3、CO2 作洗泥桶的 NH3、CO2 平衡计算平衡计算框图 表627洗泥 化盐水 一次泥 塔出水 废泥 海水 淡水 洗泥 NH3、CO2 平衡计算框图 衡算 收入 a 一次泥 b 塔出水 支出 a 废泥 收入=支出NH3 化盐水 CO2 化盐水 化盐水中包括和两部分；也包括液相CO2和Ca2+反应生

25、成的两部分，化盐水的、均来源于一次泥和塔出水6.3 热量平衡6.3.1 化盐 1 现将热量衡算的已知数据列于下表物料名称当量密度 tm3 比热容 温度0C化盐睡除钙二次澄清1.030除钙二次澄清4.0648原料0.9120粗盐1.2003.22固体熔解热（吸热）4873.4 2 热量衡算 以为基温 以碱为单位 热量衡算框图 化盐化盐水 粗盐水原盐 熔解热 化盐热量衡算框图 衡算收入 a 化盐水 b 原盐 支出 a 粗盐水 t b 氯化钠溶解吸热 收入=支出 解得 t=41.6 化盐过程热平衡计算的结果是化盐桶溢流的粗盐水温度比化盐水的降低6 0C 。实际由于化盐桶、化盐水和粗盐水管道都存在一定

26、的散热损失，所以进入盐水精制工序的粗盐水温度比化盐水温度降低的更多。6.3.2、 除钙 1热量平衡的已知数据列于下表物料名称当量密度 tm3比热容 0C温度t 0C一次盐水塔出盐水除钙塔进气5.5111.2003.22405.6161.1803.227CO2 33.35 Nm3/tCO2 522.5 1.3055NH3 NH3 82、47 1.55除钙塔出气CO2 16.483kg 522.5NH3 2.73345 54.172注：除钙段出气量是由除钙塔出气量和塔出水和NH3、CO2量计算而得。2 除钙的化学反应热数据 3 除钙过程化学反应物料量 一次盐水吸收 NH3、CO2 量吸收 吸收 除

27、钙中 氯化钙和硫酸钙的除去量 4 热量衡算 平衡框图 除钙塔 一次盐水 除钙段出气 碳酸化尾气 塔出盐水 除钙塔热量横算框图 横算收入a 一次盐水 b 碳酸化尾气 c 化学反应热 生成碳酸氨反应热 生成氢氧化氨反应热 d 碳酸化尾气水蒸气冷凝放热 支出a 除钙段出气 b 塔出水 c 塔除盐水中碳酸钙沉淀d 除钙反应热 Q4 除去氯化钙反应热 出去硫酸钙反应热 收入=支出 及塔出盐水温度 由于除钙过程的净热效应是个放热过程，塔出盐水的温度约升高100C,达到500C以上，这对除钙后加快二次泥的沉降速度，提高二次盐水的质量十分有利。 1.化工设计概论主编 侯文顺 2010年1月第二版 出版社：化学工业出版社2.无机物工艺 主编 马瑛 2009年6月 出版社：化学工业出版社3.化工单元操作 主编：张新战 2002年4月第一版 出版社：化学工业出版社