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1、河河 北北 工工 业业 大大 学学 毕业设计说明书毕业设计说明书 姓 名： 学 号： 院 系： 化工学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目：年产 2.0 万吨碳酸钾蒸发车间设计 指导教师： 教授 评阅者： 年 月 日 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书 第 2 页 共 47 页 毕业设计中文摘要 题目：题目：年产年产 2.02.0 万吨碳酸钾蒸发车间设计万吨碳酸钾蒸发车间设计 摘要：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。碳酸钾生产有 草木灰法、吕布兰法、电解法、离子交换法等，但是目前国
2、内碳酸钾生产的主要 方法是离子交换法。 首先，本文介绍了碳酸钾的国内外生产和需求以及发展情况。 其次，详细的介绍了本次设计的工艺流程和工艺计算过程。 此外，原料及动力的消耗、车间布置以及节能环保的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； 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书 第 3 页 共 47 页 毕业设计外文摘要 TitleTitle ：EvaporationEvaporation workshopworkshop designdesign ofof potassiumpotassium carbonatecarbonate producin
3、gproducing 4.0X104.0X107kg/ykg/y AbstractAbstract Potash carbonate was an important foundation of inorganic chemical raw materials, mainly for the TV glass-shells, chemical, pharmaceutical, decarburization, wire hydrogen peroxide, film, enamel, printing and dyeing, potassium glass etc. At present do
4、mestic 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 processes and equipment of the main trend. Then, the design has introduced the technological process and craft calculation. I
5、n addition, the raw material and power consumption, workshop layout and energy-saving design is an important part of the design. KeywordsKeywords：potassium carbonate ；ion exchange；Process calculation ； 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书 第 4 页 共 47 页 1 1、引言、引言6 6 1.1 碳酸钾概况 6 1.2 碳酸钾的生产现状 7 1.3 本次工艺设计流程及设备简介 8 2
6、 2、工艺流程描述、工艺流程描述1212 2.1 离子交换法生产碳酸钾简介 .12 2.2 碳酸钾的生产工艺流程 .12 3 3、蒸发工段物料衡算与热量衡算、蒸发工段物料衡算与热量衡算1313 3.1 物料衡算 .13 3.2 热量衡算 .13 4 4、蒸发器加热室结构设计及强度计算、蒸发器加热室结构设计及强度计算1818 4.1 加热室中换热管的排布及壳体直径的计算 .18 4.2效加热室结构的设计 .19 4.3效加热室的结构设计 .24 4.4效加热室的结构设计 .29 5.5.蒸发器分离室的结构设计和强度计算蒸发器分离室的结构设计和强度计算3131 5.1效分离室尺寸的确定 .31 5
7、.2效分离室结构的设计 .31 5.3效分离室尺寸的确定 .35 5.4效分离室结构的设计 .35 5.5效分离室尺寸的确定 .35 5.6效分离室的结构设计 .36 6.6.预热器的设计预热器的设计3939 6.1 第一预热器的设计 .39 6.2 第二预热器的设计 .39 7.7.直接冷凝器的设计直接冷凝器的设计4040 7.1 需要的冷却水量 W .40 7.2 直接冷凝器的筒体直径 .40 7.3 直接冷凝器各管口直径的确定 .40 7.4 直接冷凝器壁厚的设计 .41 7.5 淋水板板数及间距 .41 7.6 弓形淋水板各参数的确定 .42 8 8 冷凝水罐的设计冷凝水罐的设计 43
8、43 8.1 冷凝水罐直径和长度的确定 .43 8.2 冷凝水罐壁厚的确定 .43 9.9.泵的选型泵的选型4444 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书 第 5 页 共 47 页 设计总结设计总结4545 致谢致谢4646 参考文献参考文献4747 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书 第 6 页 共 47 页 1、引言、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力约为50万吨，产量约30万吨；2000年 生产能力约为72万吨，产
9、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。 碳酸钾是重要的基本无机化工、医药、轻工原料之一，主要用于光学玻璃、 电焊条、电子管、电视显像管、灯泡、印染、染料、油墨
10、、照像药品、泡花碱、 聚酯、炸药、电镀、制革、陶瓷、建材、水晶、钾肥皂及药物的生产。用作气 体吸附剂，干粉灭火剂，橡胶防老剂。还用于脱除化肥合成气中二氧化碳。也 可用作含钾肥料。随着高新技术的不断开发，碳酸钾在洗涤助剂和味精、食品 等领域的应用也日趋扩大。 在无机工业主要用于制造酒石酸钾钠、铝氟酸钾、硫氰酸钾、钛白粉。医 药工业用于制造长效磺胺、黄体酮、可的松、知阿可尔、苯甲酸雌二醇等药。 玻搪工业用于珐琅粉配制，以增强其流平性，加入玻璃中起助熔作用，并提高 玻璃透明度和折光系数。染料工业用于制造阴丹土林、分散红3B、还原灰M等。 印染工业用于还原染料的印染和冰染的拔白。橡胶工业用于制造401
11、0防老剂。 毛麻棉工业用于棉布煮炼和羊毛的脱脂等。 1.11.1 碳酸钾概况碳酸钾概况 1.1.11.1.1 碳酸钾性质碳酸钾性质 白色结晶粉末。密度2428gcm3。熔点89l。沸点时分解。溶于水，水 溶液呈碱性，不溶于乙醇、丙酮和乙醚。吸湿性强，暴露在空气中能吸收二氧 化碳和水分，转变为碳酸氢钾。水合物有一水物、二水物、三水物。 纯品含K2O，68.12，其外观为白色粉末状结晶，密度2.43g/cm3，熔点 891，热稳定性高，在1000以上也不分解。 其吸湿性很强，在空气中易潮解。碳酸钾水溶液呈碱性。长期存放能逐渐 吸收二氧化碳而转变为碳酸氢钾固体，K2CO3不溶于乙醇及醚。 白色粉末状
12、结晶，易溶于水，吸湿性很强，易结块，长期暴露在空气中会 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书 第 7 页 共 47 页 吸收二氧化碳，转变为碳酸氢钾，应密封包装。 1.1.21.1.2 碳酸钾的发展前景碳酸钾的发展前景 . 我国粒状碳酸钾大量用于彩电显像管玻壳的生产，能有效地提高电视图像 的清晰度，因为碳酸钾具有提高玻璃透明度、强度及折光系数的作用。对于碳 酸钾其他应用市场，如洗涤剂、高级玻璃、国际陶瓷、浓缩洗衣粉等市场已经 启动，其技术的发展使碳酸钾销量大增，此类市场长期看好。 随着我国经济稳步、健康、持续发展，居民购买力的提高，电子行业碳酸 钾的用量每年将以15%的速度增长。特别
13、是大屏幕彩电的问世及电脑的普及，对 碳酸钾的发展起到极大的促进作用。 1.21.2 碳酸钾的生产现状碳酸钾的生产现状 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。 1.2.11.2.1 离子交换法离子交换法 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
14、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
15、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 河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书 第 8 页 共 47 页 最优化，进一步挖潜降耗的幅度较小。 1.2.2 离子膜电解离子膜电解碳化法碳化法 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
16、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。 1.2.3 国内新工艺开发国内新工艺开发 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。 1.3 本次工艺设计流程及设备简介本次工艺设计流程及设备简介 1.3.1 蒸发器的选择蒸发器的选择 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，从而使溶灌中
