年产40万吨碳酸钾蒸发车间设计

河北工业大学

毕业设计讲明书

姓名：马宏伟

学号： 066118

院系：化工学院

专业：过程装备与操纵工程

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

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目次

1、引言 (5)

1.1碳酸钾概况 (6)

1.2碳酸钾的生产现状 (6)

1.3本次工艺设计流程及设备简介 (7)

2、工艺流程描述 (11)

2.1离子交换法生产碳酸钾简介 (11)

2.2碳酸钾的生产工艺流程 (12)

3、蒸发工段物料衡算与热量衡算 (13)

3.1物料衡算 (13)

3.2热量衡算 (13)

4、蒸发器加热室结构设计及强度计算 (18)

4.1加热室中换热管的排布及壳体直径的计算 (18)

4.2Ⅰ效加热室强度计算 (19)

5、蒸发器分离室结构设计及强度计算 (24)

5.1Ⅰ效分离室尺寸的确定及强度计算 (24)

5.2Ⅱ效分离室尺寸的确定及强度计算 (30)

5.3Ⅲ效分离室尺寸的确定及强度计算 (35)

6、蒸发器有关接管管径的计算 (39)

6.1Ⅰ效蒸发器有关接管直径的计算 (39)

6.2Ⅱ效蒸发器有关接管直径的计算 (42)

6.3Ⅲ效蒸发器有关接管直径的计算 (44)

7、预热器的设计 (47)

7.1第一预热器的设计 (47)

7.2第二预热器的设计 (48)

8、大气冷凝器的设计 (49)

8.1依照需要选用多孔板冷凝器 (49)

8.2所需冷却水量的求取 (49)

8.3冷凝器直径D的求取 (49)

8.4多孔淋水板的设计 (50)

8.5冷凝器的安装要求 (51)

9、泵的选型 (52)

设计总结 (53)

参考文献： (54)

致谢 (55)

1、引言

20世纪90年代，随着世界范围内电视机特不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，产量5万吨左右。目前世界碳酸钾要紧生产国家和地区为美国、西欧、中国、日本和韩国。要紧进口国有英国、荷兰、比利时、意大利等；要紧出口国有德国、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（要紧国家为法国、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,差不多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，当时采纳的是草木灰法，这种方法由于受到原料的限制，产品质量差，成本高；60年代进展成为吕布兰法，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特不高；直到70年代初，为了适应中国化肥等工业的迅速进展，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进展。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。目前要紧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，有专门强的吸湿性，易结块，长期与空气接触易汲取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，要紧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，随着国民经济的进展，特不是电子计算机和彩色电视机生产线的不断引进，碳酸钾的需求量与日俱增，其进展有着广泛、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纳的方法，我国要紧采纳离子交换法，国外要紧采纳离子膜电解—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进展具有重要作用。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纳该法。要紧工艺流程为: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。要紧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行，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。离子交换法通过几十年的技术改造，工艺流程得以不断改进，各项工艺指标差不多达到最优化，进一步挖潜降耗的幅度较小[14]。

1.2.2离子膜电解—碳化法