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1、1酸浸渣提硅制备白炭黑和苛化法碱回收初步设计前言酸浸渣提硅制备白炭黑和苛化法碱回收共分三个工段，即酸浸渣碱溶制备高模数水玻璃、水玻璃碳化法生产白炭黑和碳化液苛化回收烧碱。每个工段又由多个工序组成，在初步设计时以系统为单元或按操作过程单列处理。酸浸渣来自前工段酸浸提铝，酸浸处理量折干基为：3163kg/h，设计年生产时间为 330 天，每天分三班，每班 8 小时制，则年处理折干基量为：2.5 万吨。凡采用板框过滤机进行液固分离的操作，固相水分含量以 30%，计，采用离心分离进行液固分离时，固相自由水含量以 10%计。需进行升温加热的设备，除特别说明外，均为直接蒸汽加热，蒸汽为0.6Mpa 的饱和
2、蒸汽。第一章 物料平衡一、 水玻璃的制备酸浸工段提供的酸浸渣量为：3163kg/h，由于酸浸固液分离采用板框压滤机，故酸浸渣自由水含量取 30%，则单位小时处理实物料量为：4519kg。表 1-1 酸浸渣主要成分分析序号 SiO2（% ） Al2O3（%） Fe2O3（%） 其它1 83.35 3.19 1.39 12.072 81.76 6.5 1.73 10.013 85.25 7.0 1.84 4.01平均 83.45 5.56 1.65 9.342故酸渣碱溶制备水玻璃时，酸渣组份取平均值进行计算。1.1 水玻璃制备工艺过程方框图1.2 工艺过程描述1) 开车时，用固体烧碱与酸浸【渣】直
3、接反应得低模数水玻璃，正常生产时，酸浸渣则直接加入到提模反应槽内；2) 将低模数水玻璃泵入提模反应槽内，直接加入等量的酸浸渣，用于提高碱溶反应所得的低模数水玻璃，经此反应后，水玻璃的模数控制在 3.03.5 之间；酸浸渣 滤液碱溶反应提模反应过滤洗涤碱溶渣固体烧碱二洗 三洗过滤滤渣滤液清水一洗水玻璃制备物料衡算方框图送堆场去碳化苛化稀碱液33) 提模反应时间 11.5h，温度为 6070，反应物采用板框压滤机过滤，滤饼不用洗涤，直接返回碱溶反应制备低模数水玻璃，水玻璃的模数由提模反应希望制备的水玻璃模数确定，具体计算时则应综合考虑，即需要通过分析酸渣中硅含量、提模反应中硅的转化率，最终确定碱溶
4、时加碱量，保证碱溶制备的水玻璃模数在所设定范围；4) 过滤后的提模酸渣直接加入碱溶反应槽，反应液固比为 4：1，配液水来自苛化反应回收的稀碱液，根据 2）的计算方法，不足的碱量则直接补加固体碱，反应时间为 0.51h，温度为9597；5) 碱溶反应过虑采用板框压滤机，滤饼用上次一洗液进行置换，置换液和滤液合并后作为提模反应的原液，滤饼经三次洗涤，洗涤过程为逆流操作，即二洗变一洗液，三洗变二洗液，最后用 1.5倍酸浸渣量的清水洗涤，其洗液则为三洗液，经洗涤的滤饼 PH在 9.5 左右，用车转运堆场；1.3 相关化学反应1) 提模主反应：Na 2OxSiO2 SiO 2 = Na2OnSiO2。（
5、1）其中：x=1.82.0，n=3.03.5。为计算方便取 x=2.0、n=3.5。2) 碱溶主反应：2NaOH xSiO 2 = Na2OxSiO2 H 2O （2）41.4 物料衡算用于生产白炭黑的水玻璃是通过碱溶和提模两步完成的，二者的关系既独立又密切相关，故物料衡算时作为一个系统考虑。1.4.1 酸浸渣量的确定酸浸渣量是由前工段酸浸反应确定的，由酸浸反应工段的物料衡算可知，干基量为 3163kg/h，其中含量 30%的水份，其量为 1356 kg/h。1.4.2 碱用量1.4.2.1 计算依据碱溶反应液固比为 4：1，其中水来自苛化反应回收的稀碱液，碱不足时用固体烧碱补充。碱溶反应硅的
6、收率为 60%，最终水玻璃模数为 3.5，则整体反应可用下式表示：2NaOH 3.5SiO2 = Na2O3.5SiO2 H 2O （3）80 210 272 18X 0.83450.63163 Y Z则，X=603（kg/h）Y=2051（kg/h）Z=136（kg/h）在酸渣碱溶反应过程中，因其它组份转入碱溶液的量很少，故在物料衡算中不予考虑。产生的碱渣量为：53163-31630.83450.6=1579（kg/h）表 1-2 碱溶渣化学成份SiO2（%） Al2O3（%） Fe2O3（%） 其它66.87 11.14 3.01 18.98所得水玻璃按下式进行碳化反应，生产白炭黑，经实验
7、测定，其碳化率平均为 87%，碳化后固液分离采用离心分离机，故白炭黑中含自由水为 10%，结合水平均为 0.17。Na2O3.5SiO2 CO 2 0.17H 2O = Na2CO3 3.5SiO20.17H2O272 44 3 106 21320510.87 x y z w则，x=289（ kg/h）y=20（kg/h）z=695（kg/h）w=1397（kg/h）用碳化的分离液进行苛化，碱回收率 85%，碱液浓度一般为 3%左右。具体反应式如下：Na2CO3 CaO H 2O = 2NaOH CaCO 3 106 56 18 80 100695 a b c d则，a=367（kg/h）b=
8、118（kg/h）c=525（kg/h）d=656（kg/h）61.4.2.2 补加碱量由上计算可知，正常生产时，烧碱回收率约为 74%，可回收525kg/h，碱溶反应共需碱量为 603kg/h，故补加碱量为：603-525=78（kg/h）1.4.3 碱溶反应碱平衡输入：1) 苛化回收：525kg/h；2) 补加碱量：78 kg/h。输出：1) 水玻璃中带出：603 kg/h。表 1-3 碱溶反应碱平衡表输入（kg/h） 比例（%）输出（kg/h） 比例（%）苛化回收 525 87.06 水玻璃中带出 603 100补加碱量 78 12.94合计 603 100 合计 603 1001.4.
9、4 碱溶反应水平衡输入：1) 酸渣中带入：1356kg/h；2) 苛化液带入碱溶反应液固比按 4：1 计，则液相重量为：43163=12652 kg/h，扣除烧碱量 603 kg/h，即总水量为：12049 kg/h。减去酸渣中带入水量 1356 kg/h，则需由苛化反应配入的水量为：10693 kg/h ；3) 置换水量置换水用量为渣量的 1.5 倍，即 1.53163=4745 kg/h。74) 输入总水量：1356106934745=16794 kg/h。输出：1) 碱渣中带走经碱溶反应后，得碱溶渣共计：1579 kg/h，按 30%含湿量计，则含水量为：15790.70.3=677 k
10、g/h；2) 水玻璃中带出：剩余水全部由水玻璃带出，故带出水量为：16794677= 16117kg/h。表 1-4 碱溶反应水平衡表输入（kg/h） 比例（%）输出（kg/h） 比例（%）酸渣带入 1356 8.07 碱渣中带出 677 4.03苛化液带入 10693 63.67 水玻璃中带出 16117 95.97置换水量 4745 28.25合计 16794 100 合计 16794 1001.5 碱溶反应总物料平衡表 1-5 碱溶反应总物料平衡表输入（kg/h） 比例（%）输出（kg/h） 比例（%）酸渣（干基） 3163 15.38 碱渣中带出水量 677 3.29酸渣带入水 135
11、6 6.60 水玻璃中带出水量 16117 78.39补加碱量 78 0.38 碱渣（干基） 1579 7.68苛化液带入碱量 525 2.55 水玻璃总量（干基） 2051 9.98苛化液带入水量 10693 52.01 其它 136 0.66置换用水量 4745 23.08合计 20560 100.00 合计 20560 100.00所得水玻璃总量为：18168kg/h。1.6 碱溶反应总物料平衡方框图碱溶反应酸渣 3163kg/h，占 15.38% 水 16794 kg/h，占 81.68%81.7 碱溶反应液组成碱溶反应液组成主要是指水玻璃含量，以便在下一步物料衡算时使用，其它杂质如铁
12、、铝、钾等均未考虑。表 1-6 碱溶反应水玻璃物性参数 水玻璃溶液物性 折纯水玻璃物性总量 水含量 水玻璃含量 比重 氧化钠 氧化硅 模数18168kg/h 16117kg/h2051kg/h 1.12kg/cm3 22.79% 77.21% 3.5经过碱溶反应后，得水玻璃溶液 18168kg/h，溶液固含量为 12.73%。二、 碳化工段物料平衡碳化工段由两个工序组成，一是水玻璃的碳化，二是白炭黑的干燥。水玻璃来自碱溶工段，其量为：18168kg/h，其中固体水玻璃含量为 2051kg/h。2.1 碳化工段工艺过程方框图烧碱 603kg/h，占 2.93%水 16794kg/h，占 81.6
13、8%其它 136kg/h，占 0.66%碱渣 1579kg/h，占 7.68%水玻璃 2051kg/h，占 9.98%水玻璃碳化塔碳化尾气排放离心分离净化尾气蒸 汽滤 液清 水92.2.1 水玻璃碳化工序水玻璃的碳化是在 805的温度下，通入含 CO2 的焙烧炉尾气或石灰窑尾气，通过水玻璃与 CO2 的复盐反应解离出硅酸，硅酸通过水解而得水合二氧化硅，反应液经离心分离后得自由含水量约为 10%的水合二氧化硅，碳化率取平均值 87%。2.2.2 碳化工序物料衡算2.2.2.1 相关化学反应反应后碳酸的钠盐有两种形式，一是碳酸钠，另一种是碳酸氢钠，两种产物主要以共存的方式存在于反应液中，其各自含量
14、的多少，则与反应时间和二氧化碳含量及通入量有关，为了计算方便，将碳酸钠盐按碳酸钠的形式计，相关化学反应如下：Na2O3.5SiO2 CO 2 0.17H 2O = Na2CO3 3.5SiO20.17H2ONa2CO3 CO 2 = 2NaHCO32.2.2.2 计算依据由上分析可知，计算时采用第一个反应，与实际存在差异的是尾气用量，这点在二氧化碳反应率中予以考虑。洗 涤白炭黑一洗二洗三洗去苛化碳化工段工艺过程方框图10Na2O3.5SiO2 CO 2 0.17H 2O = Na2CO3 3.5SiO20.17H2O272 44 3 106 21320510.87 x y z w则，x=289
15、（ kg/h）y=20（kg/h）z=695（kg/h）2.2.2.3 碳化工序碳平衡反应在碳化塔内进行，反应温度设定为 80，入塔尾气采用水洗除尘净化，温度取 20，出塔温度为 80，进出塔尾气均处于饱和状态，以碳酸钠计，二氧化碳的有效利用率取 40%，尾气中氧过剩系数为 2%，尾气组成如表 7，其湿含量取相同温度下空气饱和湿含量。表 1-7 入塔尾气组成尾气体积百分比/% 尾气质量百分比/%物性 温度 湿含量 1kg 干空气中CO2 N2 O2 CO2 N2 O2进气 20 0.1461kg 19 79 2 26.86 71.08 2.06由上反应式计算可知，所需实际 CO2量为：2890.4=723（kg/h） ，折尾气量为：7230.2686=2692（kg/h） 。入塔尾气平均分子量为：440.19280.79320
