82kta烧碱蒸发、片碱工段工艺设计.doc

摘 要氯碱，就是氯碱工业，也指使用饱和食盐水制氯气、氢气、烧碱的方法。工业上用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取氯气、氢氧化钠和氢气,并以它们为原料生产一系列化工产品，称之为氯碱工业。它是用阳离子交换膜把阳极室和阴极室隔开，只让钠离子带着少量水分子透过，其它离子难以透过。电解时从电解槽的下部往阳极室注入经过严格精制的氯化钠溶液，往阴极室注入水。在阳极室中氯离子放电，生成氯气,同时钠离子带着少量水分子透过阳离子交换膜流向阴极室。在阴极室中氢离子放电，生成氢气。但是剩余的氢氧根离子由于受阳离子交换膜的阻隔，不能移向阳极室，这样就在阴极室里逐渐富集，形成了氢氧化钠溶液。随着电解的进行，不断往阳极室里注入精制食盐水，以补充氯化钠的消耗；不断往阴极室里注入水，以补充水的消耗和调节产品氢氧化钠的浓度。所得的碱液从阴极室上部导出。因为阳离子交换膜能阻止氯离子通过，所以阴极室生成的氢氧化钠溶液中含氯化钠杂质很少。用这种方法制得的产品比用隔膜法电解生产的产品浓度大，纯度高，而且能耗也低，所以它是目前最先进的生产氯碱的工艺。关键词：氯碱工业；电解食盐水；离子膜交换法；烧碱蒸发AbstractChlor alkali, is the chlor alkali industry, also refers to the method usingsaturated salt water for hydrogen. chlorine, caustic soda. Industry with themethod of electrolytic saturation Sodium Chloride Solution to produce chlorine,sodium hydroxide and hydrogen, and takes them as raw material to produce a series of chemical products, called the chlor alkali industry.It is the use of a cation exchange membrane separates the anode chamber and a cathode chamber, only let sodium ions with water molecules throughother ions through small, difficult to. Electrolysis from the lower part ofelectrolyzer anode chamber injection to pass strict refined Sodium Chloride Solution, injected water into the cathode chamber. In the anode chamberchloride discharge, chlorine gas, and sodium ion with a few water moleculesthrough the cation exchange membrane to the cathode chamber. In the cathode chamber hydrogen ion discharge, hydrogen generation. But the remaining hydroxyl ions due to cation exchange membrane barrier, cannotmove to the anode chamber, so that in the cathode chamber gradually enriched, forming a sodium hydroxide solution. As the electrolysis, and constantly to the anode chamber injection of refined salt water, to supplement the sodium chloride consumption; continue to cathode room into the water, to supplement the water consumption and adjust the concentration of sodium hydroxide. The solution derived from the cathode chamber upper. Because thecation exchange membrane can prevent chloride by sodium hydroxide solution, so the cathode chamber generated containing sodium chloride impurity rarely. Prepared by the method of product than the productconcentration by diaphragm electrolysis production of large, high purity, and the energy consumption is low, so it is the most advanced technology of theproduction of chlor alkali.Keyword:Chlor alkali industry; electrolysis salt water; ion exchange membrane caustic soda evaporation method目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1氯碱工业简述11.2设计项目概况11.2.1烧碱的物化性质11.2.2烧碱的主要用途21.3原盐及盐水溶液的性质21.3.1原盐概述21.3.2盐水的物理性质31.4氯碱工业生产的特点41.4.1 能源消耗大41.4.2 氯与碱的平衡41.4.3 腐蚀和污染41.5 世界氯碱工业的发展现状51.5.1 世界氯碱工业生产能力及其分布51.5.2 西方发达国家氯碱工业的发展趋势51.6 我国氯碱工业的发展6第二章 生产技术的选择72.1 离子膜交换法制碱的特点72.2离子膜交换法制碱原理8第三章 离子膜制碱工艺流程93.1 盐水精制工艺93.2 电解槽93.3 淡盐水脱氯93.4 蒸发103.4.1 碱液蒸发的基本概念 103.4.2 离子膜碱液蒸发的特点 10 3.4.3 蒸发流程及设备类型选择113.5 固碱133.5.1 固碱流程选择133.5.2 离子膜固碱种类13第四章 盐水的二次精制及电解槽计算154.1 一次精制盐水的计算154.1.1 对原料盐的粗算154.1.2 循环淡盐水的计算164.1.3 对粗盐水的计算164.1.4 各杂质的去除174.1.5 溶液pH的调节194.1.6 盐损失量及循环量的计算204.2盐水二次精制224.2.1 除次氯酸224.2.2 除水不溶物222.2.3 中和及二次精制224.3电解槽的计算244.3.1供给电解槽计算244.3.2 流出电解槽盐水计算254.3.3 氯气的计算264.3.4 氢气的计算274.3.5 生成氢氧化钠的计算284.3.6 水的计算284.4 pH的计算284.5 除氯酸盐和淡盐水脱氯28第五章 蒸发及片碱工段工艺计算305.1 蒸发工段物料衡算305.1.1 蒸发工段总物料衡算305.1.2 各效的物料衡算315.2 蒸发能量衡算335.2.1温差损失计算335.2.2 蒸发水量计算355.3 总的有效温差及其在各效的分配365.4 第一次迭代计算375.4.1 各效物料计算375.4.2 温差损失计算395.4.3 蒸发水量计算405.4.4 总的有效温差及其在各效的分配415.5 第二次迭代计算435.5.1 各效的物料计算435.5.2 温差损失计算445.5.3 蒸发水量计算465.5.4 总的有效温差及其在各效的分配475.6 第三次迭代计算485.6.1 各效物料计算485.6.2 温差损失计算505.6.3 蒸发水量计算515.6.4 总的有效温差及其在各效的分配525.7 蒸发器的主要结构工艺尺寸的计算545.7.1 加热管的选择和管数的初步计算545.7.2 循环管直径的选择555.7.3 加热室直径以及加热管数目的确定555.7.4 分离室直径和高度的确定565.7.5 溶液的进出口575.7.6 冷凝水出口管585.8蒸发器装置的辅助设备的计算585.8.1 气液分离器585.8.2 蒸汽冷凝器59第六章 片碱工段的工艺计算616.1 片碱工段物料衡算616.1.1降膜蒸发器物料衡算616.1.2 降膜浓缩器的物料衡算616.2 片碱工段能量衡算636.2.1 温度损失636.2.2 蒸发水量计算646.3 迭代计算646.3.1 溶液温度损失646.3.2 蒸发水量计算656.3.3 误差计算656.4 第一次迭代计算666.4.1 溶液温度损失666.4.2 蒸发水量计算666.4.3 误差计算676.5 降膜浓缩器的热量衡算67参考文献69附 录70致 谢71第一章 引 言1.1氯碱工业简述氯碱工业是生产烧碱、氯气和氢气以及此衍生系列产品的基本化工工业，其产品广泛用于国民经济各个部门，对国民经济和国防建设具有重要的作用。随着国民经济的快速发展，氯碱工业及其相关产品涉及国民经济和人民生活的诸多领域，除了应用于化工工业本身外，还在轻工、纺织、石油化工、有色冶金和公用事业等领域有较大用途。氯碱工业的主要产品如烧碱、氯气、氢气还被广泛应用于医药、冶金、电力、国防、军工、建材和食品加工等工业部门，耗碱和耗氯产品，已经达到了数千种。为此，拟在呼和浩特市新建82Kt /a烧碱的氯碱厂，以满足周边市场的需求。1.2设计项目概况本次设计82Kt/a离子膜制碱项目，主要包括蒸发、片碱工段。1.2.1烧碱的物化性质1、化学式：NaOH 2、分子量：39.9993、比重：2.13（20）。在熔融状态下，当温度为340500时它的重度为1.81.9。烧碱溶液的比重随着浓度的提高而增加。4、外观：纯净的烧碱为白色，呈羽毛状，是不透明固体结晶。一般工业产品中含有少量氯化钠和碳酸钠，呈白色带有少许浅色光泽固体结晶。5、溶解度：易溶于水，15时为26.4。在水中的溶解度随溶液的温度提高而增加，并且溶于醇类、乙醚中。6、溶解热：10.10千卡/克分子（溶于200克分子水中）。烧碱溶于水时释放热量，浓度越高释放的热量越大，这种热量称之为溶解热。把低浓度的的烧碱浓缩、脱水需要吸收热量，这个热量称为脱水热。不同浓度的烧碱脱水热也不相同1。7、生成热：101.99千卡/克分子9、沸点：纯碱是1390 ，不同浓度的烧碱溶液有不同的沸点。同时溶液的沸点随着溶液液体表面的蒸汽压的降低而下降。1.2.2烧碱的主要用途烧碱是国民经济各个部门用途极广的基本化工原料之一。使用烧碱最多的部门是化学药品的制造，其次是造纸、炼铝、炼钨和肥皂制造业。另外，在生产染料、塑料、药剂及有机中间体，旧橡胶的再生和制金属钠、水的电解以及无机盐生产等工艺中，制取硼砂、铬盐、锰酸盐、磷酸盐等，都要使用大量的烧碱。1.3原盐及盐水溶液的性质1.3.1原盐概述1.原盐的制取：原盐是烧碱、纯碱最主要的原料，在无机化工产品中占有及其重要的地位。中国原盐资源丰富，有海盐、四川自贡的井盐、云南的岩盐。原盐生产主要有四种方法：用露天开采法或地下溶浸法开采岩盐。由盐湖开采自沉积湖盐。海水和盐湖水经盐田日晒制取海盐和湖盐。用人工熬煮或真空蒸法从天然卤水中制取。2.我国主要原盐的组成：原盐的质量因产地不同，质量不一。就氯化钠而言，湖盐质量最佳，含量达96-99%；井矿盐次之，含量可到93-98%；我国原盐的组成见表1-1： 表 1-1 中国原盐组品种 产地NaCl Ca2+ Mg2-SO42- 水不溶物海 盐河北长芦94.470.170.130.380.14山东青岛94.210.210.110.620.15福建莆田90.880.120.270.55海南莺歌93.950.170.070.360.97湖 盐内蒙雅布赖99.050.070.020.210.43新疆盐湖96.380.110.040.990.65井矿盐四川自贡97.940.180.040.350.14安徽宣城92.700.370.160.45.4四川五通桥96.820.270.010.313.原盐的性质：纯盐为氯化钠，分子式：NaCl；分子量：58.44；为无色透明的正六面体结晶。相对密度：2.161(25)；假比重：0.7-1.5。熔点800.8；沸点1465；硬度2.5；折射率：1.544；比热容0.853J/(g·)；熔解热：517J/g；临界湿度(20)：75.3%；在1纯水中的熔解热为：3.757kJ/mol。1.3.2盐水的物理性质氯化钠溶液的溶解度氯化钠易溶于水，随温度升高，氯化钠在水中的溶解度略有增加，不同温度下氯化钠在水中的溶解度见表1-2：表1-2 氯化钠在水中的溶解度温度()溶解度(%)g/L-625.48305.4026.34316.2102635316.72026.43317.23026.56317.64026.71318.15026.89319.26027.09320.57027.30321.88027.53323.39027.80325.310028.12328.0氯化钠水溶液的密度：氯化钠溶液的密度随着溶盐量的增多而变大。在不同温度下，不同浓度的盐水溶液的密度见表1-3：浓度g/L温度01020304050608010011.007471.007071.005341.002610.99080.99480.99000.97850.965121.015091.014421.012461.002610.99080.99480.99000.97850.965141.030381.029201.026801.023611.019771.01531.01030.99880.985561.045751.044081.041271.037811.033781.02911.02411,01250.999481.061221.059071.055891.052191.047981.04321.03811.02641.0134101.076771.074191.070681.066761.062381.05751.05231.04051.0276121.092441.009461.085661.081531.076991.07201.06671.04591.0420141.108241.104911.100851.096511.091821.08671.08131.06941.0565161.124191.120561.116211.111711.106881.10171.09621.08421.0713181.140331.136431.131901.127151.122181.11691.11131.09931.0864201.156631.152541.147791.142851.137741.13231.12681.11141.1017221.173181.168911.163951.158831.153581.14811.14251.13021.1172241.189991.185571.180401.175111.169711.16411.15841.14631.1331261.207091.202541.197171.197101.186141.18041.17471.16261.1492表1-3 不同浓度的盐水溶液的密度1.4氯碱工业生产的特点氯碱工业的生产特点，除原料易得、生产流程较短外，除此之外还有三个突出特征。1.4.1 能源消耗大主要是用电量大。氯碱生产的耗电量仅次于电解法制铝，电能是氯碱工业非常关键的部分。在美国，氯碱工业耗电量占总发电量的2%，而中国氯碱工业耗电量占全国年总发电量的1.5%。因此，电力供应状况和电价对氯碱产品的生产成本影响非常大，国家始终的把降低能耗作为电解法制碱的核心问题。通过运用先进设备，提高电解槽的电能效率和碱液蒸发热能的利用率，来降低烧碱的电耗和蒸汽消耗。因此，开辟节约能源新途径，具有重要意义。1.4.2 氯与碱的平衡电解食盐水溶液时，按固定质量比例(1：0.85)同时产出烧碱和氯气两种产品。在一个国家和地区，对烧碱和氯气的需求结构一般不符合烧碱和氯气的供给结构，因此出现了烧碱和氯气的供需平衡问题。一般情况下，发展中国家工业发展的初期用氯量较少，由于氯气又不宜长途运输，因此总是以氯气需用量来决定烧碱产量，往往出现烧碱短缺。在石油化工和基本有机原料发展较快的国家和地区用氯量较大，会出现烧碱过剩。总之，烧碱与氯气的平衡问题始终是氯碱工业发展中的恒定矛盾1。1.4.3 腐蚀和污染氯碱产品如烧碱、盐酸等都具有强腐蚀性，在生产过程中使用的原材料如石棉、汞、含氯废气等都可能对环境造成污染，所以防止腐蚀和环境污染也一直是氯碱工业努力革新的方向1.5 世界氯碱工业的发展现状由于离子膜法具有节能、产品浓度和纯度高，无公害并且投资少，运转费用低，所以，无论国内还是国外，在新建、改造和扩建烧碱的生产装置时，将首先考虑采用这一技术。1.5.1 世界氯碱工业生产能力及其分布世界氯碱工业中烧碱、氯气的生产能力1993年至1996年稳定在年产4800万吨左右。其中烧碱年产量约占85%，在烧碱年产量中美国和欧洲约占63%，日本10%。1997年世界烧碱生产能力有所增长，约为5075万吨，产量约为4340万吨，2000年生产能力约为5189万吨，产量约为4548万吨，一些老装置将被关闭。美、日、欧三个地区大体上占世界总产量的73%，到2000年美国和欧洲的烧碱产量为2170万吨，由原来占63%的比例降为48%。日、美、西欧作为全球氯碱工业的基础，形成三足鼎立之势，引导世界氯碱行业发展的潮流，主宰着氯碱产业的价格动向，平衡动向，是氯碱生产的原动力，这种状况将会持续以后很多年。1.5.2 西方发达国家氯碱工业的发展趋势第一，以技术改造为手段，向节能降耗发展。世界先进国家基本上都采用离子膜法生产烧碱，日本离子膜法工艺占88%，而我国仅占15%左右。第二，以联合兼并等方式，向大型规模发展。美国麦道化学、OXY Chemical、PPG三公司烧碱产量所占美国全国比例高达65%；前四大氯碱工业企业的产量占美国全国总产量的80%。而我国烧碱企业有220多家，厂多规模小，布局分散，经营条件差，环境污染严重，前四大氯碱工业企业的产量仅占全国总产量的15%，因此，影响了我国氯碱工业企业在国际市场上的竞争力。第三，发展以氯碱为原料的项目，确定精细化工的发展战略。美、日、欧大型氯碱企业产品结构向精细化工升级，其长远战略就是发展精细化工，不断提高产品精细化率。英国ICI公司、德国拜耳公司、美国麦道化学公司、日本旭化成公司，转向生产化工、生命科学、电子化工材料、信息化学品、功能高分子等高科技精细化工领域，这些公司2000年产品的精细化率超过50%。1.6 我国氯碱工业的发展我国氯碱工业创建于上个世纪20年代。1929年，爱国实业家吴蕴初在上海集资创办了我国第一个氯碱厂天原电化厂。到解放前，全国只有9家氯碱厂，烧碱总产量为1.5Kt/a。建国以后，随着国民经济的发展，氯碱工业的发展逐步加速，1981年，全国烧碱总产量达到192.0Kt/a。随着改革开放的深入发展，特别是进入20世纪90年代，对氯碱产品的强劲需求推动我国氯碱工业进入了高速增长时期。1995年，我国烧碱总产量达到507.0Kt/a，2001年升至713.5Kt/a。在烧碱出口数量增加的同时，氯碱工业逐步从以烧碱需求为主导，向以氯定碱的方式转变。近几年来，随着我国经济发展的加速，氯碱工业的发展更是迅猛，原有氯碱企业纷纷大幅度扩产，新企业也不断投产，烧碱产量迅速增加，2006年总产量达到1470Kt/a。第二章 生产技术的选择由电解食盐水溶液制取烧碱、氯气和氢气的工业生产，是重要的基础化学工业之一。我国的氯碱工业主要采用两种生产工艺，隔膜法和离子膜交换法。 2.1 离子膜交换法制碱的特点离子交换膜法电解食盐水的研究始于上个世纪50年代，由于所选的材料耐腐蚀性能差，一直都没有获得实用性的成果，直到1966年美国杜邦公司开发了化学稳定性较好的全氟磺酸阳离子交换膜，离子交换膜法制碱才得到实质性进展。其有以下几个优点：1.投资省：离子膜法比水银法投资节省约10%-15%，比隔膜法节省约15%-25%，但是目前离子膜法投资比水银法或隔膜法高，其主要原因是离子膜法制碱技术和设备及膜均是从国外引进的。因此整个成本很高，随着离子膜法制碱技术和装置的国产化率提高，其投资成本会逐渐降低，最终将会低于水银法和隔膜法的投资成本。2.出槽烧碱浓度高 ：早期的离子膜法出糟烧碱浓度为10%-20%，(质量分数，下同)，目前出糟烧碱浓度为30%-35%，预计今后出糟烧碱浓度有望达到40%-50%。目前已有生产50%烧碱离子膜电解槽的工业化试验，但是耗汽省，耗电多及阴极系统需使用更昂贵的耐腐蚀材料等，从这方面考虑，是不经济的，而对气贵电廉地区，生产40%-50%烧碱是可行的。3.能耗低 ：目前离子膜法制碱直流电耗是2200-2300KWh/t，同隔膜法电解工艺相比，可节约150-250kwh/t，同汞法电解工艺相比，可节约900-1000kwh/t，同汞碱相比,总能耗可节约10%-15%，同隔膜法电解制碱相比，总能耗可节约20%-25%。4.氢氧化钠质量好：离子膜法电解制碱出槽电解液中一般含氯化钠为20-35ml/L，50%成品氢氧化钠中含氯化钠一般为45-75mg/L，99%固体氢氧化钠含氯化钠小于100×mg/L，可用于合成纤维、医药、处理及石油化工工业等部门。5.氯气纯度高 ：氯气中含氧、含氢低，离子膜法电解氯气纯度高达98.5%-99%，进槽盐水加酸氯中含氧8%，而且完全适合某些氧氯化法聚氯乙烯对氯中含氧的要求，即使进槽盐水不加酸，氯中氧1%-1.5%，也可以满足某些氧氯化法聚氯乙烯生产的需要，并且能提高电石法聚氯乙烯和合成盐酸纯度。另外，氯中含氢约在0.1%以下，不仅能保证液氯生产的安全，而且能提高液化效率。6.氢气纯度高 ：离子膜法电解氢气纯度可高达99%，对合成盐酸和PVC生产提高氯化氢纯度极为有利，对压缩及多晶硅的生产也有很大好处。 7.无污染 ：离子膜法电解可以避免水银和石棉对环境的污染。离子膜具有较稳定的化学性能，几乎无污染和毒害。8.生产成本低 ：据资料介绍，日本离子膜法生产氢氧化钠直接生产成本为隔膜法的89%，为汞法的84%。国内离子法生产氢氧化钠成本目前略低于或和隔膜法持平，个别厂高于隔膜法。其原因是目前离子膜制碱技术和部分设备及膜是引进的，综合投资较高，折旧、大修以及膜对离子膜法制氢氧化钠成本影响较大，不然，离子膜法比隔膜法制碱成本低得多。2.2离子膜交换法制碱原理离子交换膜法电解食盐水的原理是用阳离子交换膜把阳极室和阴极室隔开。阳离子交换膜具有选择透过性。它只让钠离子带着少量水分子透过，其它离子难以透过。电解时从电解槽的下部往阳极室注入经过严格精制的氯化钠溶液，往阴极室注入水。在阳极室中氯离子放电，生成氯气，从电解槽顶部放出，同时钠离子带着少量水分子透过阳离子交换膜流向阴极室。在阴极室中氢离子放电，生成氢气，也从电解槽顶部放出。但是剩余的氢氧根离子由于受阳离子交换膜的阻隔，不能移向阳极室，这样就在阴极室里逐渐富集，形成了氢氧化钠溶液。随着电解的进行，不断往阳极室里注入精制食盐水，以补充氯化钠的消耗；不断往阴极室里注入水，以补充水的消耗和调节产品氢氧化钠的浓度。所得的碱液从阴极室上部导出。因为阳离子交换膜能阻止氯离子通过，所以阴极室生成的氢氧化钠溶液中含氯化钠杂质很少。用这种方法制得的产品比用隔膜法电解生产的产品浓度大，纯度高，而且能耗也低，所以它是目前最先进的生产氯碱的工艺1。第三章 离子膜制碱工艺流程3.1 盐水精制工艺电解槽使用的离子膜，对入槽盐水各项杂质含量要求都很严格。此工段主要是将化盐工序送来的盐水经过过滤器，送到精制盐水槽。并把过滤盐水送到螯合树脂塔经过离子交换制成合格的二次盐水，以供电解工段使用1。盐水精致分为两次：（1）一次盐水精制盐水质量的好坏，直接关系到离子膜的使用时间的长短，对降低交流电耗也有重要作用。一次盐水精制的目的，主要是除去盐水中的钙镁等离子。（2） 二次盐水精制离子膜盐水的二次精制过程包括悬浮物过滤，用螯合树脂处理钙离子、镁离子等阳离子的工艺过程。其过程可简单表示如下：一 次 盐 水 除次氯酸根离子 过 滤 调 节 pH 值 树 脂 吸 附 3.2 电解槽离子膜电解槽主要由阳极、阴极、离子膜和电解槽框等组成。电解槽按供电方式分类有单级式和复级式两种。工业电解槽需要满足的要求是：能耗低、容易操作及维修、制造成本低、使用寿命长、膜的使用寿命长。随着膜电解技术的进步，电解电耗逐步降低，已经达到或接近达到离子膜法电耗的极限值。离子膜电解槽的操作关键是使栗子面膜能够长期稳定的保持较高的电流效率和较低的槽电压，进而稳定直流电耗，延长膜的使用寿命，不因误操作而使膜受到严重损坏，同时也能提高产品的质量。离子膜制碱技术中，进入电解槽的盐水质量是这项技术的关键，其对离子膜的寿命、槽电压和电流效率及产品质量都会有着重大的影响。所以离子膜电解法对盐水的精致要求十分严格。每种离子膜都有一个最佳的操作温度范围，在此范围内，温度的上升会使离子膜阴极一侧的孔隙增大，使钠离子迁移数增多，有助于电流效率的提高。3.3 淡盐水脱氯再利用离子膜的生产中，淡盐水脱氯是其重要的组成部分，如果含氯的淡盐水被送到一次盐水重新饱和，这样会导致下列后果：腐蚀设备、管道及仪表；破坏盐水澄清器残渣沉淀；使砂滤器盐水精制不良；腐蚀碳素烧结管；影响鳌合树脂处理能力等。所以淡盐水脱氯目前有真空脱氯、空气吹除及化学处理方种，国内常用的方法为真空脱除大量游离氯和化学方法脱除徽量游离氯联用。淡盐水中氯气溶解度与温度、pH值、压力及氯化钠浓度有关，一般情况下，淡盐水中氯化钠质量浓度为210 g/L，那么，淡盐水溶解量主要取决于温度，pH值、压力。我们一般会这么做：淡盐水(t =75-80 )中加人盐酸，控制pH值2.0±0.2，直接送入脱氯塔中，控制塔内真空度大于80KPa，呈现沸腾状态，产生大量气泡，氯气从液相进人气相脱除绝大部分。真空脱氯后的淡盐水再加人氢氧化钠调节pH值至6-9，然后加人5%(质量分数)亚硫酸钠溶液，除去微量的游离氯，然后送往一次盐水重新饱和利用。3.4 蒸发在离子膜生产过程中，如果需要提高浓度，就需要除去其中一部分水分，烧碱的浓缩，一般采用的是蒸发操作。3.4.1 碱液蒸发的基本概念 所说的蒸发，是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化从而是溶液浓度缩小的过程。烧碱的蒸发，就是将烧碱溶液加热沸腾，使碱液中的水分部分汽化从而提高碱液的浓度的。 蒸发是化工、医药、海水淡化等领域中广泛使用的一种生产操作过程，例如硝铵、烧碱制糖等生产中将溶液加以浓缩，在海水淡化中通过脱除溶液中的杂质以制取较纯的溶剂。一般情况来说，蒸发是利用加热的方法，使稀溶液中的溶剂在沸腾状态下部分汽化并将其移除的一种单元操作。被处理的料液常是由不挥发的溶质和具挥发性的溶剂所组成的，故蒸发亦是溶质和溶剂的分离过程，但蒸发的速率，即溶剂的汽化速率完全取决于传热，所以蒸发属于传热过程。 烧碱蒸发提纯的主要目：使烧碱溶液增浓直接制取液体产品，如将碱液浓缩为32%、45%和50%等浓度烧碱产品，满足不同用户的需求。3.4.2 离子膜碱液蒸发的特点 离子膜电解液由于其碱液浓度高，氢氧化钠含量在2935之间，氯化钠含量低，含量在3050mg/L左右，氯酸盐含量低，氯酸钠含量一般在1530mg/L,因此离子膜碱液蒸发具有以下特点： （1）流程简单，易于操作   因为离子膜碱液仅含极微量的盐，所以，在其整个蒸发浓缩的过程中，即使是生产99的固碱，也无须除盐。这就极大的简化了流程设备，就是隔膜蒸发所必须有的出盐设备及工艺过程都将会被取消（如旋液分离器、盐沉降槽、分离机、回收母液储罐等），而且，由于在蒸发过程中没有盐的析出，也就很难发生管道堵塞，系统打水等问题，这就使操作容易进行。 （2）浓度高，蒸发水量少，蒸汽消耗低 离子膜碱液的浓度十分高，蒸发的水量少，蒸汽消耗量就会大幅度下降。 3.4.3 蒸发流程及设备类型选择1. 蒸发流程2蒸发流程按操作的方式可分为间歇式操作和连续式操作，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，如果产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作就称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。 理论上蒸汽消耗量与效数的关系见表3-1：表3-1 蒸发1t水耗汽量与效数的关系效数一效二效三效汽耗/t1.5-1.150.6-0.650.4-0.45按操作压力可以分为常压、加压和减压蒸发。真空蒸发有许多优点：在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积，降低成本；可以利用低压蒸气作为加热剂，操作温度低，热损失较小。如果使用加压蒸发，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。 在顺逆流工艺的选择时，逆流工艺相比于顺流工艺有一定的优势：采用逆流蒸发较顺流蒸发可以更充分的利用加热蒸汽的热量，这是由于逆流次级效蒸发器的碱液沸点较低（浓度低），可以利用前效加热器的蒸汽冷凝液预热进入本效的碱液，并可使其闪蒸蒸发产生二次蒸汽，用于次级效加热，相应增加了各效的加热蒸汽量。其次是末效排出的蒸汽冷凝液温度，逆流较顺流要低，这样也增加了温差，从而提高了蒸汽的热利用率；由于碱液与蒸汽逆向流向，这样可以使低粘度的碱液在低温下沸腾，高粘度的碱液在高温下沸腾，从而提高了蒸汽的热利用率。但是在选择逆流时，要受到材质的限制，因此对于逆流流程，浓效蒸发器处于高温、高浓度碱的恶劣条件下，蒸发器的材质就必须选用优质的金属材料，如镍材，或优质低碳不锈钢。否则浓效会因为高温碱液的腐蚀导致极短的寿命，使得投入大于回报，严重则会造成泄漏危及生命污染环境。 其流程如图3-1所示：图3-1 双效逆流蒸发流程 2.蒸发设备蒸发设备的作用就是使进入设备的原料被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进行分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。分述如下： 由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：1.循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有：（1）中央循环管式蒸发器 （2）悬筐式蒸发器 （3）外热式蒸发器 （4）列文式蒸发器 。2.单程型蒸发器 特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。 优点：溶液停留时间短，适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。 缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。 在这些蒸发器中，对于循环的蒸发器以自然循环的外热式蒸发器与强制循环的外循环式用的较多，而不循环式蒸发器则是近几年开始逐渐广泛使用的蒸发器，其主要原因是这些蒸发器都具有较高的传热效率，且维修和维护成本较低。 3.5 固碱3.5.1 固碱流程选择目前世界上比较典型的膜式片状固碱工艺流程，大体上有三种。即升膜降膜流程、双效降膜流程及升膜闪蒸流程。 膜式法生产片状固碱是使碱液与加热源的传热蒸发过程在薄膜传热状态下进行，一般采用熔盐进行加热。本文中固碱选择双效降膜浓缩流程,其流程如图3-2示 ：图3-2双效降膜浓缩流程3.5.2 离子膜固碱种类离子膜固碱共分三种： 桶装固碱：指用0.5mm薄铁皮制成的容器装入离子膜固碱而得。其生产过程大多是熬碱锅熬制而成。目前桶装固碱仍是国内一种主要的固碱生产方式。片状固碱：锅式法或膜式法生产的熔融烧碱，通过片碱机来生产片状固碱。 是目前技术较为先进而且运用较为广泛的方法。 粒状固碱 将熔融碱通过造粒塔制成直径为0.251.3