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1、河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书河 北 工 业 大 学毕业设计说明书姓 名： 马宏伟 学 号： 066118 院 系： 化工学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目：年产4.0万吨碳酸钾蒸发车间设计指导教师： 赵景利 教授 评阅者： 年 月 日题目：年产4.0万吨碳酸钾蒸发车间设计摘要： 碳酸钾是一种重要的无机基础化工原料，主要用于电视玻壳、化肥脱碳、电焊条、制药、双氧水、电影胶片、搪瓷、印染、钾玻璃等行业。目前国内碳酸钾生产的主要方法是离子交换法。本文介绍了碳酸钾的国内外生产和需求概况。然后，介绍了本次设计的工艺流程和工艺计算。 此外，原料及动力的消耗、车间布置以及节能环保的
2、设计等也是本次设计的重要组成部分。关键词： 碳酸钾；离子交换法；工艺计算；毕业设计中文摘要第 2 页 共 54 页河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书毕业设计外文摘要Title ：Evaporation workshop design of potassium carbonate producing 4.0X107kg/yAbstractPotash carbonate was an important foundation of inorganic chemical raw materials, mainly for the TV glass-shells, chemical, p
3、harmaceutical, decarburization, wire hydrogen peroxide, film, enamel, printing and dyeing, potassium glass etc. At present domestic potash production main methods are ion exchange. This design has introduced the potash production and demand at home and abroad and also introduced existing production
4、processes and equipment of the main trend.Then, the design has introduced the technological process and craft calculation. In addition, the raw material and power consumption, workshop layout and energy-saving design is an important part of the design.Keywords：potassium carbonate ；ion exchange；Proce
5、ss calculation ； 目 次1、引言51.1 碳酸钾概况61.2 碳酸钾的生产现状61.3本次工艺设计流程及设备简介72、 工艺流程描述112.1离子交换法生产碳酸钾简介112.2碳酸钾的生产工艺流程123、 蒸发工段物料衡算与热量衡算133.1 物料衡算133.2 热量衡算134、 蒸发器加热室结构设计及强度计算184.1 加热室中换热管的排布及壳体直径的计算184.2 效加热室强度计算195、 蒸发器分离室结构设计及强度计算245.1 效分离室尺寸的确定及强度计算245.2 效分离室尺寸的确定及强度计算305.3 效分离室尺寸的确定及强度计算356、 蒸发器有关接管管径的计算3
6、96.1 效蒸发器有关接管直径的计算396.2 效蒸发器有关接管直径的计算426.3 效蒸发器有关接管直径的计算447、 预热器的设计477.1 第一预热器的设计477.2 第二预热器的设计488、 大气冷凝器的设计498.1根据需要选用多孔板冷凝器498.2所需冷却水量的求取498.3冷凝器直径D的求取498.4多孔淋水板的设计508.5冷凝器的安装要求519、 泵的选型52设计总结53参考文献：54致 谢551、引言20世纪90年代，随着世界范围内电视机特别是家用计算机需求的迅猛增加，刺激和推动了碳酸钾生产与市场持续走强，世界各地掀起了新建或扩建碳酸钾装置的热潮。1995年世界碳酸钾生产能
7、力约为50万吨，产量约30万吨；2000年生产能力约为72万吨，产量5万吨左右。目前世界碳酸钾主要生产国家和地区为美国、西欧、中国、日本和韩国。主要进口国有英国、荷兰、比利时、意大利等；主要出口国有德国、西班牙、韩国、美国等。其中美国现有生产能力达到18.5万t/a,开工率在90%以上；日本碳酸钾总生产能力达到8万t/a但仍不能满足国内需求,每年需从国外大量进口；韩国和我国台湾近几年也扩大了碳酸钾生产能力；欧洲地区（主要国家为法国、德国、比利时、意大利、西班牙等）碳酸钾总生产能力已增加到15万t/a,基本能够满足该地区需求增长。美国碳酸钾最大市场是用作电视机和计算机显示器阴极射线管玻璃中的钾离
8、子源和其它特种玻璃,此两项约占总消费量的50%,用于制造钾类化合物占14%,橡胶助剂占10%,食品、医药各占6%,其它14%；日本碳酸钾60%以上用于阴极射线管,10%20%用于食品,其它用于生产钾类化合物、医药、农药等,近几年新开发的应用领域是高浓缩洗衣粉,用量增长幅度将会逐年增大。我国碳酸钾生产起步于20世纪50年代，当时采用的是草木灰法，这种方法由于受到原料的限制，产品质量差，成本高；60年代发展成为吕布兰法，但其存在工艺流程长，产品质量差等缺点；随后的电解法能耗又非常高；直到70年代初，为了适应中国化肥等工业的迅速发展，才由山东鲁南化肥厂和山东曲埠师范学院在我国首创了原料易得、工艺流程
9、短、产品纯度高的离子交换技术，并于1975年4月建成中国第一套工业装置。1978年，该技术荣获全国科技大会奖。该技术的开发成功大大推动了我国碳酸钾行业的发展。到1995年我国碳酸钾生产能力为7万吨，2000年增加到15万吨，年均增长率碳酸钾生产工艺中离子交换过程的实验研究高达16.5，超过日本成为亚洲最大的碳酸钾生产国。目前主要生产厂家有山东鲁南化学工业集团(1万t/a)、山西文通钾盐有限责任公司（10万t/a）、成都化工股份有限公司(1.2万t/a)、浙江大洋化工厂(2.5万t/a)、河北眺山化工厂（2.5万t/a）、河北辛集化工集团（1万t/a）、郑州方泰化工有限责任公司（1万t/a）、天
10、津大港远景化工福利厂（0.5万t/a）等11。1.1 碳酸钾概况1.1.1碳酸钾性质碳酸钾属于单斜晶系，分子式为K2CO3，白色粉末状、细颗粒状结晶或圆型小球，相对密度2.428，熔点891，易溶于水，其水溶液呈碱性，不溶于乙醇和醚，有很强的吸湿性，易结块，长期与空气接触易吸收二氧化碳而成碳酸氢钾。1.1.2碳酸钾用途碳酸钾是一种重要的无机基础化工原料，主要用于电子行业电视机显像管玻壳、化肥行业原料气脱碳、橡胶行业的防老化。此外，其在石油炼制、泡花碱、印染、胶片、显影、陶瓷、钾玻璃、农药、医药、味精、食品等行业的应用也越来越普遍12。近年来，随着国民经济的发展，特别是电子计算机和彩色电视机生产
11、线的不断引进，碳酸钾的需求量与日俱增，其发展有着广泛、良好的前景13。1.2 碳酸钾的生产现状从1950年代至今，世界碳酸钾生产工艺依次经历了草木灰法、路布兰法、电解法、有机胺法、离子交换法和离子膜电解碳化法。前4种方法因产品质量差、工艺复杂、能耗高、不适应大规模工业化生产等因素，于1970年代初即被淘汰。后两种工艺是目前普遏采用的方法，我国主要采用离子交换法，国外主要采用离子膜电解碳化法。1.2.1离子交换法1970年代初开发成功，对我国碳成钾行业的发展具有重要作用。目前除了成都化工股份有限公司以外，国内碳酸钾生产厂全部采用该法。主要工艺流程为:以氯化钾为原料配制精盐水，以氨水、二氧化碳为原
12、料制备碳胺液，二者通过阳离子交换树脂床进行交换，收集液经蒸发浓缩、碳化结晶、离心分离、锻烧热解、干操即可制得符合标准的碳酸钾产品。主要优点是工艺流程简单，投资少，产品质量好，技术成熟可靠，能够充分利用合成氮生产过程中的过剩氨水和多余放空的二氧化碳气，氨厂联产，成本较低。缺点是碳酸钾母液浓度低，蒸发浓缩能耗较高;二是生产过程中产生大量副产品氯化铵废水，因浓度太低无法全部回收利用，不符合清洁生产要求。随着环保法规的越来越严格，生产厂必须增建氯化氮回收装置，但因其溶液浓度较低，腐蚀性较强，对回收设备要求高，回收成本高，再加上氯化按产品市场不好，生产厂积极性不高。目前除了山西文通、鲁化厂进行了氯化铵回
13、收外，其它厂未见有回收的报道。离子交换法经过几十年的技术改造，工艺流程得以不断改进，各项工艺指标基本达到最优化，进一步挖潜降耗的幅度较小14。1.2.2离子膜电解碳化法该法是世界发达国家普遍采用的技术。1990年，成都化工股份有限公司从美国引进10kt/a组氯化钾(可产12kt/a碳酸钾)的离子膜电解装置，并采用日本流化床碳化干操技术，建成我国第一套也是目前唯一一套离子膜电解碳化法碳酸钾生产装置。其工艺流程为:将精制为超纯盐水的氯化钾溶液泵至电解槽通电电解，分别得到氯气、氢气，在阴极生产32%一35%的氢氧化钾，流至碱液循环槽，大部分碱液用泵循环并加人无离子水后再进人电解槽阴极室，成品碱液送至
14、蒸发工段浓缩至48%，在流化床内与高温(650)二氧化碳反应生成碳酸钾，经降温、结晶即为成品。该法优点是产品质量稳定，杂质容易控制，松密度高，流程短，生产自动化程度高，三废少，维护检修简单，易于操作，适合大型工业化生产。主要缺点是投资大，需要引进国外技术和设备15。1.2.3国内新工艺开发我国现行碳酸钾生产工艺中，无论是国内自主开发、普遍采用的离子交换法，还是引进的所谓具有国际先进水平的离子膜电解碳化法，在实际生产中均表现出比较明显的缺点或不足，不适应该行业的快速发展5。1.3本次工艺设计流程及设备简介1.3.1 蒸发器的选择蒸发是浓缩溶液的单元操作，是使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸汽
15、，从而使溶灌中溶质浓度提高的单元操作。蒸发所采用的设备为蒸发器。蒸发操作广泛应用于化工、轻工、食品、制药、原子能及冶金、电子等工业中。蒸发器的种类很多，常见的有中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器和外加热式蒸发器等，新式的蒸发器又有L型蒸发器。其中，降膜蒸发器以其独有的优越性，在食品、医药、海水淡化及化工的各个行业中具有广泛的应用前景。降膜蒸发是溶液在重力、离心力、界面剪力的作用下，沿管内壁呈膜状向下流动，在流动过程中溶剂吸热汽化从而使溶液浓缩的单元操作，相应的设备就是降膜蒸发器。同其它类型的蒸发器相比，降膜蒸发器具有以下显著特点: 16 17 181、有较高的传热系数。由于溶液沿管壁旱传热效果较好的膜状流动，液膜很薄且有波动性，有利于液膜与管壁间的传热。2、传热温差损失小。因为降膜蒸发器没有因液位静压引起的沸点升高而带来的温差损失，且料液是在热交换管内流动过程中而被逐渐蒸浓的，一般情况下料液一次性通过管子即
