离子膜降膜片碱生产中片碱板结问题研究及预防方法.docx
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离子膜降膜片碱生产中片碱板结问题研究及预防方法
新疆大学成人高等教育毕业论文（设计）
题目：
离子膜降膜片碱生产中片碱板结
问题研究及预防方法
指导老师:
__________张亚新____________
学生姓名：
杜金
所属院系：
_________成人教育学院_______
专业：
化学工程与工艺
学习形式：
成人教育
班级：
化工H11-1
完成日期：
2014年1月20日
新疆大学成人教育学院制
声明
郑重声明：
本论文系本人在相关教师指导下独立完成，本人拥有自主知识产权，没有抄袭、剽窃他人成果，由此造成的知识产权纠纷由本人负责。
摘要
本文介绍了离子膜降膜片碱生产工艺中各环节对片碱板结的影响以及预防片碱板结的方法。
关键词降膜；板结；片碱（NaOH98.5%）
Abstract
本文介绍了离子膜降膜片碱生产工艺中各环节对片碱板结的影响以及预防片碱板结的方法。
Thispaperdescribestheeffectsofeachpartoftheproductionprocessofionicmembranecausticsodaflakesfallingfilmofcompactionandcompactionmethodtopreventcausticsoda.
关键词降膜；板结；片碱（NaOH98.5%）
Keywordsfallingfilm;hardening;protopine（NaOH98.5%）
前言
前言
片碱性状是白色半透明片状固体，片碱是基本化工原料，广泛用于造纸、合成洗涤及肥皂、粘胶纤维、人造丝及绵织品等轻纺工业方面，农药、染料、橡胶和化学工业方面、石油钻探，精炼石油油脂和提炼焦油的石油工业，以及国防工业、机械工业、木材加工、冶金工业，医药工业及城市建设等方面。
还用于制造化学品、纸张、肥皂和洗涤剂、人造丝和玻璃纸，加工铝矾土制氧化铝，还用于纺织品的丝光处，水处理等。
新疆中泰化学阜康能源有限公司引进瑞士博特公司7.5万/套（共8套）降膜浓缩固碱装置。
装置开车至今运行一年多，片碱板结问题一直存在。
及98.5%熔融碱经片碱机转鼓冷却成片状后由刮刀刮下经半自动包装秤下料称重后码垛。
但是片碱经过运输过程中的挤压，片碱袋中结成硬块，硬块不易散开，影响用户使用。
—降膜固碱的生产工艺
1.1降膜固碱生产原理（流程图见附录）
1.1.1基本原理
降膜蒸发器在设计上如同一管束式降膜换热器，浓缩器则是单元式设计，它可根据不同规模配用不同规格的管子与管数。
料液由管子顶部经液体分配器均匀进入。
料液在加热管内成膜状流动并与管外载热体进行对流换热，料液中的水份被蒸发，产生二次蒸汽与浓缩后的物料一齐向下流动，在底部流入汽液分离器。
浓缩液经分离器底部排出，二次蒸汽将作为下一效的加热源或被冷凝后排出界区。
进入降膜蒸发器的料液是在分配器帮助下，利用本身重力作用，使料液沿垂直的管壁，呈均匀的液膜向下流动。
因此它能在较小的流量下，具有较高的给热系数，同时料液在蒸发过程中在管内停留时间短，液层薄，加热介质与蒸发料液之间的温差得以有效利用。
它也适用于粘度较大而少发泡的物料，产生的二次蒸汽在空管内流动，阻力极小，能平稳地由液膜产生蒸汽。
在较小直径的管内加热时，需管内一面所夹带的泡沫能被对面的液膜所吸收，降膜管的长径比（L/D）一般在100以下。
降膜蒸发如料液进口温度低于饱和温度，则应增加管子的长度以增加料液的预热段。
1.1.2降膜浓缩器中的蒸发传热过程
在熔盐作载热体的降膜法制固碱的工艺流程中，降膜蒸发器是最主要的设备。
因此强化降膜蒸发器的传热效率，就能提高整个装置的生产能力。
可以从传热公式Q=K·F·Δtm进行分析，提高传热系数K值，增加传热面积F和提高传热温差Δtm，三者能增加热量Q值，也就是提高降膜蒸发器的生产能力。
现实工艺条件下提高传热系数K值，增加传热面积F和提高传热温差Δtm的分析。
（1）提高平均温差Δtm
要提高Δtm就必须提高熔盐进口温度，降低熔盐出口温度，但熔盐进出口温差现有装置上仅为30～50℃。
而凡是采用熔盐作载热体的，均无法使熔盐的温度再升高，因为熔盐在427℃以下比较稳定，在450℃以上开始缓慢分解，550℃以上则加速分解，在600℃以上显著分解。
因此其使用温度应低于450℃，这对缓解熔盐分解与减少降膜管的腐蚀是十分有利的。
（2）增大传热面积F
增加传热面积的方法有两种，一种是增加降膜管根数，这样可以增加传热面积，但带来了在生产装置上如何合理分配熔盐和碱液流量的问题，如分配不当，不但影响传热，还直接影响成品碱质量的稳定；另一种是选择较大口径管材作降膜管的方法来增大传热面积，当降膜管径不大于50mm时，则只要有适宜的碱分配器就可以较稳定地成膜生产。
因为在较小管径的管内加热时，管内由于沸腾而造成液滴使二次蒸汽核心的强烈夹带而脱离壁面，但因管子直径较小它又能很快地被对面的液膜所吸收而继续成膜下流。
如管径较大时，一般的分配器就不适用了，而管径越大成膜越差。
所以在选用75mm和100mm管做降膜管时，必须使用再分配器来帮助改善碱液的成膜状况，如K值保持不降低，则增加管径即增加了换热面，能提高单位时间的传热量Q。
（3）碱液的成膜条件
在降膜蒸发中只有在整个传热面上布满了均匀的下降液膜才能有效地进行传热，液膜越均匀，传热效果就越好。
若碱液进口分布不均，液膜走单边或因流量过小，造成液膜中断或蒸干，产生“干壁”现象，这样不仅减少了有效传热面积，并易造成管壁结垢。
影响均匀成膜的几个因素：
①最小允许降液密度
碱液进入降膜管经分配后，在下降流动中有一个成膜发展过程，使碱液能分布成均匀的液膜下流，但如果控制不当，进料流量降低至极值时，下流液膜发生破裂，膜状液流变成绳状液流。
并不断出现干壁区而使传热面上液膜破裂。
另外液膜在向下流动过程中，液体中的水份在不断蒸发，向下流动的液膜越来越薄，因此液膜最可能在管子下部发生破裂，故必须控制好出口段的最小允许降液密度。
②热流强度
当液膜下流时膜层减薄，碱液浓度上升，粘度增大。
而载热体和碱液是相对流动的，故壁温及碱温始终是下部温度高于上部温度。
当降液密度减小时，允许最大热负荷增大，超过了极限热负荷Q极时，会引起剧烈的鼓泡液膜沸腾，造成了蒸汽核心对液膜的强烈夹带液体脱离壁面产生飞溅现象，将表面蒸发的液膜吹散到管中心二次蒸汽流带走造成二次蒸汽带液现象。
③降膜管安装不垂直碱液在管内形成偏流影响均匀成膜
1.2降膜固碱工艺流程简述
1.2.1浓缩单元流程
48%碱送至预浓缩器，物料侧真空度约93mbar。
在预浓器中，48%碱将被最终浓缩器产生的二次汽浓缩至约62%（CS62）。
预浓缩器的62%碱由泵送往由熔盐加热的最终浓缩器。
一次性经过最终浓缩器，碱浓度由62%升高至约98.3%。
最终浓缩器物料侧压力为（1.35bar绝压），产生的二次汽用来加热预浓缩器。
最终浓缩器和闪蒸器之间通过“U”型弯连接,通过最终浓缩器下游节流孔板，熔融碱压力降低，从而形成闪蒸，以使最终物料浓缩达到98.5wt%。
在闪蒸器中，闪蒸产生的二次汽和熔融碱分离开来。
压力降至大气压（闪蒸），浓度达到98.5%（CS99）。
闪蒸蒸汽（约400℃）导出建筑物进入大气。
98.5%熔融碱靠重力流入分配器，经手动操作流至片碱机（其中的一台或两台），冷却制片。
1.2.2二次蒸汽流程
预浓缩器管程和壳程的压力条件不同。
物料侧（管程）产生的二次蒸汽导入表面冷却器，不凝汽由真空泵抽走。
最终浓缩器产生的二次蒸汽作为预浓缩器加热介质（壳程），经过压力控制阀后由另一台表面冷却器进行冷凝，压力由1.35bar（绝压）降至大气压。
所有来自表冷器的二次汽冷凝水和各降膜蒸发器产生的冷凝水收集于冷凝水槽，并由冷凝水泵送出。
1.2.3制片单元/包装和称重单元
在片碱机内，冷却的转鼓表面会卷起熔融态烧碱，在转鼓表面形成一层碱膜。
通过刮刀刮下凝固的碱膜从而形成片碱，片碱通过料仓去包装秤。
包装秤为密闭型设计，以避免片碱吸潮。
从喂料口逸出的碱尘由引风机吸入碱沫吸收塔进行洗涤。
洗涤水保持恒定液位，定期更换并排向地沟。
称量好的袋装片碱由输送带送至缝袋机进行缝袋密封，码垛，送至仓库。
1.2.4熔盐单元
熔盐是由40%NaNO2,7%NaNO3和53%KNO3组成的混合物。
通过熔盐加热最终浓缩器（最终浓缩器），将烧碱溶液从62%浓缩到98%。
其次，熔盐用于熔融碱管道、闪蒸器和分配器伴热。
熔盐加热系统由燃烧器、熔盐加热炉、助燃空气风机、助燃空气预热器、熔盐槽、熔盐泵、助燃空气和烟道气管构成。
熔盐贮存在熔盐槽中，熔盐泵安装在熔盐槽的上方。
蒸汽通过熔盐槽内外的盘管对熔盐进行预热，熔化和保持温度。
同时，安装在熔盐槽外的盘管使得熔盐的热损最小。
熔盐经熔盐循环泵通过熔盐加热炉熔盐被加热到大约430℃。
熔盐炉来的烟道气通过空气预热器，将来自助燃风机的助燃空气由环境温度加热到大约329℃。
冷却后的烟道气通过烟囱排入大气。
燃烧器安装在熔盐加热炉顶部，燃烧器以天然气为原料，产生的火焰对盘管内的熔盐进行加热。
一般地，烟道气管线的含氧测量，安装沃贝指示计以确保燃料完全燃烧。
熔盐阀调节熔盐去各用户、及循环管线回流至熔盐槽。
整个熔盐管路系统的布置，以及熔盐槽安装在装置的最低点，是便于熔盐在熔盐泵停止后靠重力作用流回熔盐槽。
熔盐管线由中压蒸汽预热。
二降膜片碱板结的原因
2.1片碱板结的定义
片碱板结,即片碱在包装袋中密封后经过自然冷却、运输挤压在包装袋中结成硬块。
2.2片碱板结原因分析
（1）降膜片碱水分含量高，经过统计降膜片碱平均NaOH主含量为98.5%∽98.7%之间。
大锅法片碱NaOH主含量均在99%以上。
（2）降膜片碱成型较差，结片小，粉末多。
大锅法片碱成型情况好，基本没有粉末。
经过监测与分析，以上两点是造成片碱板结的主要原因。
三工艺中影响片碱板结的因素
3.1工艺对比分析
（1）降膜法：
62%碱经过62%碱泵输送进入最终浓缩器与熔盐换热至NaOH主含量98.0%以，出碱温度400℃∽415℃上，在重力作用下经过U型弯达到闪蒸器、分配器，然后进入片碱机制片。
（2）大锅法：
60%∽72%碱经过碱泵送人大锅中进行梯度升温（每小时30℃左右），熬制到430℃左右，压火（停火）。
压火后自然沉降4小时左右用液下泵输送进入片碱机制片。
压火后温度继续上升，一般可以升至440℃∽450℃。
3.2工艺原因分析
（1）降膜法最高可以将碱换热到温度400℃∽415℃，大锅法可以将碱换热到温度440℃∽450℃。
由于碱的换热温度不同，势必会造成主含量的变化。
（2）降膜法工艺运行中设备相对比较封闭，在制片前只有闪蒸器与大气相连。
大锅法在熬制的过程中一直与大气相连。
且大锅法碱在制片前在大锅内内停留的时间（自进碱开始熬制到出料一般20∽30小时）远远高于在闪蒸器（基本没有停留时间连续出料）内停留的时间。
停留时间长有利于碱内水分的充分溢出。
四所采取的措施
4.1更换转鼓
阜康能源烧碱车间固碱一期装置于2012年9月7日开车，二期装置于2012年10月22日开车。
装置开车运行至2012年11月时，片碱板结问题开始暴露出来，经各方讨论，最终确定片碱颗粒小，粉末率大，容易板结主要是由于片碱机槽型引起的，所以最终确定需对槽型进行改良
图1：
原始片碱机转鼓槽型
槽距：
3mm槽深：
1mm槽宽：
1mm
优点：
槽距小，槽深、槽宽大，转鼓在运行的过程中粘碱情况比较好，冷却效果好
缺点：
碱附着在转鼓表面的附着力比较大，在运行的过程中刮刀不易将其刮下。
片碱结片小，粉沫率高，片碱板结情况严重。
压袋实验需要用木棍才能够将板结的片碱敲碎。
证明此转鼓不适用于熔盐法片碱的生产。
注：
压袋实验：
片碱在包装后为了方便运输需要在做好的托盘上码垛，一般为每层5袋，每托盘12层60袋。
共计1.5吨。
但是在运输和存储的过程中通常都是两个托盘对方在一起。
为了能够了解片碱在包装后是否会有板结情况，通常在片碱生产时选出一部分进行试验，时间通常为一周。
称为为压袋试验。
图2：
第一次改造槽型
槽距：
6mm槽深：
0.6mm槽宽：
0.8mm
优点：
片碱附着在转鼓表面的附着力较小，转鼓冷却效果好。
刮刀刮碱情况较好，片碱结片情况有所好转，出沫率减小。
缺点：
随着运行时间的延长，碱对转鼓的腐蚀程度变大。
出沫率增大。
改造完成后试运行片碱结片明显增大，粉末率降低。
片碱板结情况减轻。
经过压袋实验后与原始转股比较虽然也需要用木棍才能将板结的碱敲碎，但不是很费力，劳动强度明显下降。
运行两个月左右之后由于碱的腐蚀，槽距变大，槽深加深。
改造的转鼓出碱效果开始慢慢变差，出的片碱块度变小，粉末较多，最终这种槽型也被淘汰。
经试用后第一次改造的槽型后，虽然效果不理想，但是也为后期的改造提供了方向。
图3：
第二次改造的槽型
第二次改造的转鼓槽型规格：
槽距12mm槽深0.6mm槽宽1mm
第二次改造的槽型生产的片碱块度与第一次改造的相比，结片变大，粉末减小。
但是生产的片碱厚度在0.6∽0.8mm之间。
压袋实验后只需要用脚即可将板结的片碱踩碎。
运行两个月左右之后由于碱的腐蚀，槽距变大，槽深加深。
改造的转鼓出碱效果开始慢慢变差，出的片碱块度变小，粉末较多，最终这种槽型也被淘汰。
为了能够将片碱质量继续提高继续对转股进行了一次改造。
图4：
第三次改造的槽型
第三次改造的转鼓槽型规格：
槽距24mm槽深0.6mm槽宽1mm
第三次改造的槽型生产的片碱块度出现较大的变化，片碱厚度碱厚度在1.0∽1.3mm之间，且刮刀很容易将片碱刮下，片碱结片大，基本无粉沫。
经过压袋试验后片碱基本无板结情况，最终确定全部采用此种片碱机转鼓槽型。
此种转鼓运行半年后，转鼓表面出现明显的腐蚀，片碱结片情况开始变差。
经过谈论分析认为是由于片碱内水分含量高所引起。
4.2闪蒸器改造
为进一步解决片碱质量问题，通过咨询考察，参照大锅法固碱的经验，决定采取改造闪蒸器来提高熔融碱的NaOH主含量来解决片碱板结及设备腐蚀问题。
闪蒸原理：
物质由于压力的突然降低使该物质的沸点降低而发生的蒸发现象。
本次改造是将原闪蒸罐罐体由ф加长（800mm*1600mm），将进料管加高（250mm）后，增加了3层折流挡板（挡板直径500mm），增加了一根DN80的放空管。
闪蒸器改造前后对照表
11线主含量
12线主含量
31线主含量
改
造
前
6月19日
98.5
5月29日
98.5
5月14日
98.5
6月22日
98.6
5月31日
98.6
5月17日
98.5
6月23日
98.5
6月1日
98.7
5月19日
98.7
6月25日
98.5
6月6日
98.7
5月21日
98.5
6月26日
98.6
6月8日
98.5
5月22日
98.8
改
造
后
7月12日
98.8
6月22日
98.7
6月7日
98.85
7月13日
98.8
6月23日
98.8
6月8日
98.7
7月14日
98.7
6月24日
98.8
6月9日
98.7
7月15日
98.7
6月25日
98.7
6月10日
98.8
7月16日
98.6
6月26日
98.7
6月11日
98.8
闪蒸罐的改造主要目的为提高主含量，通过对各条线改造前后主含量对比，主含量小幅度提高，但经片碱形状的对比，经过改造后的系统生产的片碱手感较干燥、片碱一捏就会脆裂，经压袋后对比板结多为假性结块，结块的碱一捏即散开。
4.3其他措施
（1）碱尘吸收系统改造：
为了降低片碱中的碱尘，在片碱机转鼓上方增加引风管。
为了更好的吸收碱尘，将碱沫捕集罐改为喷淋吸收碱尘。
（2）冷却系统改造：
将转鼓内的喷头方向进行重新调整，增加冷却水喷头。
确保转鼓表面冷却均匀无死角。
（3）杜绝蒸汽进入碱系统：
在生产过程中时，确认所有设备的冲洗，吹扫蒸汽关闭，并打开倒淋。
4.4操作参数调整
（1）熔盐设定温度统一规定在429.5℃，将熔融碱的浓度提高到工艺指标允许范围内的最高程度。
（2）调整片碱机的操作参数，将转鼓压缩空气压力，冷却水温度、流量，转鼓转速调整到当前负荷下的最佳状态。
五后继即将进行的工作
经过以上调整、改造后产品质量问题已经基本解决，但是在实际运行过程中发现设备的腐蚀程度远大于大锅法对设备的腐蚀程度。
经过研究分析发现主要原因是降膜片碱的NaOH主含量低于大锅法片碱NaOH主含量。
而水分在设备相对密闭的降膜法片碱生产过程中不易溢出。
下一步将继续对闪蒸器、分配器进行改造，使片碱的主含量能够再提高。
附录
致谢
在新疆大学继续教育学院的三年学习时光已经接近尾声，在此对三年来传授我知识的老师表达我由衷的谢意。
感谢学院给了我在大学三年深造的机会，让我能继续学习和提高；感谢各位老师和同学们三年来的关心和鼓励。
老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲，所有这些都让我的三年充满了感动。
特别感谢张亚新老师从选题到论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。
在此谨向张亚新老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
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