河北工业大学城市学院本科毕业设计（论文）说明书
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
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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，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
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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
[16] [17] [18] 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:
1、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可达到蒸浓的要求，因此溶液沸点升高引起的温并损失较小。在总推动力不变的前提下，使有效传热温差变大。
3、易于实现多效操作。降膜蒸发器传热温差损失小，提高了总有效传热温差;另外降膜蒸发传热系数高，在传热量及传热面积不变的情况下，所需的传热温差就较低，因而易于实现多效蒸发。
4、易于处理热敏性物料。溶液往往一次通过加热室即可达到要求，停留时间短，特别适合于处理牛奶、果汁、抗生素、医药中间体等热敏性物料。
5、适用于处理易起泡的物料。降膜蒸发器汽化表面很大，因而二次蒸汽中的雾沫夹带少。
6、不适于处理易结晶、结垢和粘度很大的溶液。发生上述情况时将破坏溶液在管内成膜，从而使传热效率大大降低。而且，对于管内蒸发的竖管降膜蒸发器，所用管子往往内径不大，而管长很长，因而清洗困难。
7、必须安装料液成膜装置。为了使料液对每根换热管均匀分配，并使料液在管内可均匀布膜，蒸发管顶部必须安装液体分布器和料液成膜装置。同时必须严格控制蒸发管的垂直度。
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本次设计拟采用将膜蒸发器。
二次汽 料液进口 生蒸汽料液出口
1.3.2蒸发效数的确定
多效蒸发受如下因素制约，使其效数受到一定限制：
1、设备投资与设备折旧费的限制，设备投资几乎与效数成正比增加，而能耗的下降（蒸汽耗量与水耗量的减少）却与效数成反比，当因节能而省下的开支不足以补偿设备折旧费的增加时，增加效数失去经济价值，在投资有限时，其效数也受限制。
2、随着效数增加，温度差损失加大。有些溶液的蒸发，若设计效数过多，还可能出现总温度差损失等于甚至大于总理论温度差的极端情况。
3、随着效数的增加，蒸发强度下降，设备投资费用增大：而且加热蒸汽的经济性提高的幅度降低。
4、对于自然循环蒸发器来说，当有效温差过小时，不能维持自然循环，一般要求大于5~7℃，因此限制了效数的增加。
本次设计拟采用三效蒸发装置。 1.3.3三效蒸发系统流程的选择
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在多效蒸发中，可选用溶液的顺流、逆流、平流和混流操作[19] [20]。流程的选择，应根据溶液的特性、操作方便及经济程度来定[19]。
采用顺流流程是最常见的流程。因为后一效的压力低，溶液的沸点也低，当溶液由前一效进入后一效时，会有因过热而自行蒸发，称为闪蒸。因而后一效有可能比前一效产生更多的二次蒸汽。同时由于效间压差的存在，效间的过料不需用泵，可一节约电能消耗，其缺点是对于粘度随浓度迅速增加的溶液不能适用。对于逆流操作，料液从末效加入，依次由泵送入前一效。后一效的溶液进入前一效时，其温度低于该效的沸点，溶液浓度加大，蒸发的温度升高。因此各效的粘度差别不会很大，传热系数人致相同。但是各效之间都要用泵，设备较复杂，且增加了能耗。同时由于溶液从后一效进到前一效时，液温低于送入效的沸点，有时需要补充加热，否则产生的二次蒸汽量将逐级减少。该流程适用于粘度随温度变化较大的物料，但不适用于热敏性物料。
从理论上讲,三效逆流比三效顺流更合理,因为逆流过程中的余热利用较方便。但是实践发现: 在逆流流程中, 由于第Ⅰ效是在温度、压力和浓度都较高的恶劣环境下运行, 设备腐蚀速度较快,而第Ⅱ、Ⅲ效的设备腐蚀不大。为了减轻第Ⅰ效蒸发器的腐蚀状况, 宜采用三效顺流工艺流程,这样就使得第Ⅰ效在高温、低浓度下运行, 而末效则在低温、高浓度下运行, 从而缓解了对设备的腐蚀。所以,碳酸钾溶液的蒸发宜采用三效顺流工艺流程。 1.3.4工艺流程简图
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