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1、 专科毕业设计（论文）文献综述院 （系）： 生物与化学工程学院 专 业： 应用化工技术 班 级： 2009应用化工技术 学生姓名： 学 号 2011年 12月 13 日专科生毕业设计（论文）文献综述评价表毕业设计（论文）题目30吨/年离子膜烧碱片碱生产工段工艺设计综述名称离子膜烧碱片碱工段概述评阅教师姓名范文娟职称助教评 价 项 目优良合格不合格综述结构01文献综述结构完整、符合格式规范综述内容02能准确如实地阐述参考文献作者的论点和实验结果03文字通顺、精练、可读性和实用性强04反映题目所在知识领域内的新动态、新趋势、新水平、新原理、新技术等参考文献05中、英文参考文献的类型和数量符合规定要
2、求，格式符合规范06围绕所选毕业设计（论文）题目搜集文献成绩综合评语： 评阅教师（签字）： 年 月 日文献综述：离子膜烧碱片碱工段概述1 烧碱的应用烧碱即氢氧化钠，亦称苛性钠。烧碱的工业品有液体和固体，其中液体为不同含量的氢氧化钠水溶液；固体白色不透明，常制成片棒粒状，或熔融态以铁桶包装。氢氧化钠吸湿性很强，易溶于水，溶解时强烈放热。水溶液呈强碱性，手感滑腻；也易溶于乙醇和甘油，不溶于丙酮。烧碱有强烈的腐蚀性，对皮肤、织物、纸张等侵蚀剧烈；易吸收空气中的二氧化碳变为碳酸钠；与酸起中和作用而生成盐1。广泛用于化工轻工纺织冶金及石油化工等部门。电解食盐水溶液生产烧碱的同时，可以联合产氯气和氢气，而
3、氯气又可进一步加工成盐酸聚氯乙烯率溶剂氯烃农药等，这一工业部门通称为氯碱工业，它是现代电化学工业中规模最大的部门之一，在国民经济中占有相当重要的地位。设计内容主要包括生产工艺的确定和比较，物料衡算和能量衡算，设备的选型与设计和管道尺寸设计以及绘制带控制点的工艺流程图、车间设备的平面图2。2工作原理2.1电解原理离子交换膜(IEM或IM)是对溶液中离子有选择性透过的高分子材料膜。氯碱电解槽选用的是阳离子交换膜，它能使阳离子()通过，而排斥带负电的阴离子()。不能透过离子交换膜,阴极室得到的是不含NaCl、高纯度的烧碱溶液。离子交换膜法制碱的原理如图2-1所示1。饱和精盐水进入阳极室，去离子水加入
4、阴极室。导入直流电时，在阳极表面放电产生逸出，在阴极表面放电生成，通过离子膜由阳极室迁移到阴极室与结合成NaOH。通过调节加入阴极室的去离子水量，可得到一定浓度的烧碱溶液。淡盐水离子交换膜图2-1 离子交换膜制碱原理目前工业采用的离子交换膜有全氟磺酸型和全氟羧酸型阳离子交换树脂。对离子交换膜的工艺要求是：化学稳定性好，能够耐、和酸碱腐蚀；机械稳定性好，保持尺寸稳定和膜面平整阳离子选择透过性好，能透过和，阻止进入阴极室，对进入阳极室也起一定阻止作用；膜电阻低3。2.2电解液蒸发原理 本工序是借助于蒸汽，使电解液中的水部分蒸发，以浓缩氢氧化钠。工业上该过程都是在沸腾状态下进行的。由于电解液中含有N
5、aOH、NaCl、NaClO等多种物质，所以溶液的沸点是随着蒸发过程中溶液浓度的提高而升高，同时也与蒸发的操作压力有关。 实验证明NaCl在NaOH水溶液中的溶解度随NaOH含量的增加而明显减少，随温度的升高而稍有增大的。 应当指出，在电解液蒸发的全过程中，烧碱溶液始终是一种被NaCl所饱和的水溶液。因而随着烧碱浓度的提高，NaCl便不断地从电解液中结晶出来，从而提高了碱液的纯度。 为了减少加热蒸汽的耗量，提高热能利用率，电解液蒸发常在多效蒸发装置中进行。随着效数的增加，单位质量的蒸汽所蒸发的水分也越多，蒸汽利用的经济程度自然越佳；但蒸发效数过多，其经济效益的增加也不明显，故本设计采用三效蒸发
6、工艺。3隔膜法电解工艺流程3.1工艺流程 二次精制盐水经盐水预热器升温后送往离子膜电解槽阳极室进行电解；纯水由电解槽底部进入阴极室。通入直流电后，在阳极室产生的氯气和流出的淡盐水经分离器分离后。湿氯气进入氯气总管，经氯气冷却器与精制盐水热交换后，进入氯气洗涤塔洗涤，然后送往氯气处理工序。从阳极室流出来的淡盐水，一部分补充到精制盐水中返回电解槽阳极室，另一部分进入淡盐水储槽，再送往氯酸盐分解槽，用高纯度盐酸进行分解。分解后的盐水回到淡盐水储槽，与未分解的淡盐水充分混合并调节pH值在2以下，送往脱氯塔脱氯，最后送到一次盐水工序重新制成饱和食盐水。3.2电解液蒸发工艺流程来自电解工序的电解液先进入计
7、量槽，由泵送往碱液预热器，预热器中用来自蒸发器的冷凝水加热，既回收了热量，又降低了蒸汽的消耗。经预热后的电解液依次进入一效、二效、三效蒸发器，直到碱液浓度为25%30%。由于碱液浓度的提高，大部分溶解的食盐逐渐析出结晶。从第三效出来的盐碱混合物由碱液泵送至中间碱液储槽，盐沉至槽底，上部清液流入浓效蒸发器。在浓效蒸发器中蒸至浓度为42%45%时，即可送入循环冷却系统冷却至2530，即得液碱产品。4国内外研究现状和水平在19世纪初，人们已经研究烧碱生产的工业化问题。1884年开始在工业上采用石灰乳苛化纯碱溶液来生产烧碱；1890年德国在格里斯海姆（Griesheim）建成世界上第一个工业规模的隔膜
8、电解槽装置投入生产；1892年美国人卡斯勒（H.Y.castner）发明水银法电解槽。第二次世界大战后，随着氯碱产品从军用生产转向民用生产，以及石油化工的迅速发展，氯的需求量大幅度增加，更加促进氯碱工业的发展。1969年美国首先使用金属阳极的隔膜电解槽，为隔膜电解槽工艺技术的发展开辟了新的纪元。1975年世界第一套离子交换膜法装置在日本旭化公司投入使用。生产烧碱和氯气有着悠久的历史，早在中世纪就发现了存在于盐湖中的纯碱，以纯碱和石灰为原料制取NaOH的方法即苛化法： 因为苛化过程需要加热，因此就将NaOH称为烧碱，以别于天然碱。直到19世纪末，世界上一直以苛化法生产烧碱4。采用电解法制烧碱始于
9、1890年，隔膜法和水银法几乎差不多同时发明。电解食盐水溶液同时制取氯和烧碱的方法（称电解法），在19世纪初已经提出，但直到19世纪末，大功率直流发电机研制成功，才使该法得以工业化。第一个制氯的工厂于1890年在德国建成，1893年在美国纽约建成第一个电解食盐水制取氯和氢氧化钠的工厂。第一次世界大战前后，随着化学工业的发展，氯不仅用于漂白、杀菌，还用于生产各种有机、无机化学品以及军事化学品等。20世纪40年代以后，石油化工兴起，氯气需要量激增，以电解食盐水溶液为基础的氯碱工业开始形成并迅速发展。50年代后，苛化法只在电源不足之处生产烧碱。氯碱生产用电量大，降低能耗始终是电解法的核心问题。因此，
10、提高电流效率，降低槽电压和提高大功率整流器效率，降低碱液蒸发能耗，以及防止环境污染等，一直是氯碱工业的努力方向。隔膜法于1890年在德国首先出现，为了连续有效地将电解槽中的阴、阳极产物隔开，1890年德国使用了水泥微孔隔膜来隔开阳极、阴极产物，这种方法称隔膜电解法。以后，改用石棉滤过性隔膜，以减少阴极室氢氧离子向阳极室的扩散。这不仅适用于连续生产，而且可以在高电流效率下，制取较高浓度的碱液。1892年美国人H.Y.卡斯特纳和奥地利人C.克尔纳同时提出了水银电解法，其特点是采用汞阴极，使阴极的最终产物氢氧化钠和氢气，不直接在电解槽而在解汞槽中生成，以隔离两极的电解产物。这种方法所制取的碱液纯度高
11、、浓度大。1897年英国和美国同年建成水银电解法制氯碱的工厂。20世纪以来，水银法工厂大部分沿用水平式长方形电解槽，解汞槽则由水平式改为直立式，目的在于提高电解槽的电流效率和生产能力。隔膜法电解槽结构也不断改进，如电极由水平式改为直立式，其中隔膜直接吸附在阴极网表面，以降低槽电压和提高生产强度。立式吸附隔膜电解槽代表了20世纪60年代隔膜法的先进水平。第一台水银法电解槽是在1892年取得专利。这不仅适用于连续生产，而且可以在高电流效率下，制取较高浓度的碱液。食盐电解工业发展中的困难，首先是如何将阳极产生的氯气与阴极产生的氢气和氢氧化钠分开，不致发生爆炸和生成氯酸钠，以上两种生产方法都成功地解决
12、了这个难题。前者以多孔隔膜将阴阳两极隔开；后者则以生成钠汞齐的方法使氯气分开。这样，就奠定了两种不同的生产工艺的基础，并一直沿用到现在5。隔膜法制得的碱液，浓度较低，而且含有氯化钠，需要进行蒸发浓缩和脱盐等后加工处理。水银法虽可得高纯度的浓碱，但有汞害。因之离子膜电解法（简称离子膜法）应运而生。而在20世纪50年代和60年代早期，一些著名的公司对离子膜电解这项崭新的技术着手研究，终究未能或得具有实用性的成果。直到1966年美国Du PonT公司开发了化学性稳定的，用语宇宙燃料电池的全氟磺酸阳离子交换膜，即Nafion膜。为离子膜法电解食盐水溶液的工艺的工业化铺平了道路。1970年开发出带有增强
13、网的离子膜，1978年离子膜技术在全球氯碱生产技术中占1，1980年在美国建立了离子膜生产厂，1975年日本旭化成公司成功地在延冈工厂用Nation 315膜生产烧碱第一次实现了离子膜法烧碱的工业生产。针对电压和强度的相互矛盾关系，杜邦公司于2004年前后研制NX-2020膜折衷了N-966和N-982的优点，强度高、电压低，比较适合目前氯碱生产的需求。而另一生产商日本旭化成公司在1976年用全氟羧酸膜取代了杜邦公司的全氟磺酸膜，接着又开发了羧酸-磺酸复合膜。在1993年开发了当时世界上性能最佳的ACI-PLEX-F4202离子膜，并于1997年开发出新型的ACIPLEX-F4203离子膜，在
14、世界上首次实现了电解电压下降到3 V以下的新型离子膜。我国氯碱行业引进最多的是离子膜法烧碱技术装置。自20世纪80年代开始，离子膜法烧碱技术装置经历了“空白技术、急需引进”和“发展技术，完善引进”两个阶段，先后从日本、美国、英国、意大利、德国等5国的9大世界知名公司引进各种型号规格的离子膜电解槽数十种。至今个别地区仍在重复引进，而我国国产化离子膜电解槽已基本达到国际先进水平6。5烧碱工业的现状和发展趋势中国氯碱工业始于20世纪20年代末。1949年前，烧碱平均年产量仅15kt，氯产品仅盐酸、漂白粉、液氯等少数品种。1949年后，在提高设备生产能力的基础上，对电解技术和配套设备进行了一系列改进。
15、50年代初，建成第一套水银电解槽，开始生产高纯度烧碱。不久，又研制成功立式吸附隔膜电解槽，并在全国推广应用。50年代后期，新建长寿、株洲、北京、葛店等十多个氯碱企业及其他小型氯碱厂，到60年代全国氯碱企业增至44个。70年代初，氯碱工业中阳极材料进行了重大革新，开始在隔膜槽和水银槽中用金属阳极取代石墨阳极。80年代初，建成年产100kt烧碱的47型金属阳极隔膜电解槽系列及其配套设备。至此，全国金属阳极电解槽年生产能力达800kt碱，约占生产总量的1/3。在此期间，氯碱工业中的整流设备、碱液蒸发，以及氯气加工、三废处理等工艺也都先后进行了改革。1983年烧碱产量为2123kt，仅次于美国、联邦德
16、国、日本、苏联。氯碱工业，在我国国民经济中占有重要的地位。然而近年来，由于市场的竞争日益激烈，我国各氯碱企业为了提高自身的竞争力，纷纷扩大烧碱装置规模，从1999年开始，掀起了一轮烧碱扩建高潮，到2000年其生产能力已从1998年的6 860 kt/a增至8 000 kt/a，目前我国烧碱的总生产能力已经达到8 620 kt/a，居世界第2位。如此快速的增长，使国内烧碱市场趋于饱和状态，而且这种扩建热潮目前还在继续，齐鲁石化公司氯碱厂正在扩建的200 kt/a的离子膜装置，上海氯碱化工股份有限公司计划再建400 kt/a的装置，其他的一些厂家的计划项目估计还有700 kt/a, 如果这些计划项
17、目得以实施，我国的烧碱生产能力将达到近10 000 kt/a。随着生产能力的不断增加，近年来烧碱的产量也不断增加，2002年全国烧碱产量达8 089 kt，为历史最高纪录，与2001年的7 135.2 kt相比，增长幅度为13.4%。目前烧碱的生产方法几乎全部采用电解食盐水的方法，这样，每生产1 t烧碱则联产0.88 t氯气。2001年在生产烧碱的同时，产出氯气6 280 kt；2002年则同时产出氯气7 120 kt7。随着离子膜法新装置的建成，造成严重环境污染的水银法已停止生产，苛化法的产量也相当少，我国目前烧碱的主要生产方法是隔膜法和离子膜法。我国氯碱产业目前正处于成长期向成熟期过渡的阶
18、段，其主要特点是产业增长速度将有所减慢，技术趋于成熟，产品差异化程度较低，行业进入门槛降低,电力、煤炭、制盐、塑料加工等行业的企业开始大量介入。今后几年，国内氯碱产业的市场竞争将进一步加剧,成本竞争将成为最主要的竞争方式。我国氯碱产业通过这一轮高速发展,形成了较为雄厚的产业基础,呈现出向大规模、集约化方向发展,全国烧碱企业平均产能约七万吨的趋势。预计到 2010年将达 10万吨以上,重点企业烧碱产能将向 20万30万吨发展。氯碱产业是基本化工原材料产业，其主要产品烧碱、氯气和氢气,广泛应用于轻工、化工、纺织、建材、国防、冶金等各个领域。目前发达国家氯碱产品人均消费量约2530kg/a ，而我国
19、仅为4.05.0kg/a因此氯碱产业在我国仍将有很大的发展潜力。但也应看到，目前国内氯碱产业的发展存在一定程度的过热和无序，今后一段时期将可能出现较为激烈的竞争局面。今后，原料和能源供应仍将成为影响我国氯碱产业发展的重要因素。原盐将从供应充裕转为供应相对不足，卤水和进口盐使用量将显著增加，盐碱联合将成为发展趋势；乙烯供应仍将成为制约我国 PVC发展的主要因素之一；电石将成为比乙烯更为重要的氯碱原料，在山西、内蒙古、宁夏、陕西等西部地区，由于有丰富的煤炭、石灰石资源，且能源供应价格便宜，电石法PVC和烧碱项目将有明显的竞争优势。氯碱产业属高耗能产业，电力成本占总成本的百分之六十左右。近几年，我国
20、大范围的电力紧张和电价上涨，直接影响了氯碱产业的经济效益。采用热电联产可充分利用能源，大大降低氯碱产品生产成本。此外，氯碱企业与电力企业建立战略联盟,实施点对点的直供电，也可有效降低氯碱生产成本。今后，以热电联产和直供电为主要方式的电-碱联合将成为氯碱产业的重要发展趋势8。未来我国氯碱行业的产业格局应当是以区域性、功能型企业集团为主体的市场竞争格局，届时两种类型的企业在市场上将具有竞争力。一种类型是同时拥有生产原料优势、生产成本优势的企业，发展成为产业链一体化的大型生产型氯碱企业；另一种类型是处于具有特殊资源地区的企业，如贴近最大的消费市场,或紧靠大型港口，以发展服务型业务为主，掌握一定的国际
21、国内流通市场的话语权。从长远看，随着电力、盐业体制改革深入，我国氯碱产业的资源优势将会逐步显现出来。同时,国内氯碱企业将更多地关注上游产业，优化配置资源，上下游一体化，形成合理的产业链,提高核心竞争力。碱电联合、碱盐联合将成为发展趋势，有条件的企业甚至可以采取煤、盐-电-碱-塑料加工及建材的大联合模式9。发展循环经济，提高资源利用率，是实施可持续发展战略的重要途径。其基本特征就是低消耗，低排放，高效率，是对大量生产，大量消费，大量废弃的传统增长模式的根本变革。近年来，化工企业在推动国民经济切实走新型工业化道路,坚持节约发展，清洁发展，安全发展等方面发挥了核心作用。在生产中运用减量，再利用，再循
22、环的基本原则，成为实现循环经济可持续发展的主要动力10。参 考 文 献1 曾之平,王扶明化工工艺学M北京：化学工业出版社，2000248-254 2化工设计3姚玉英，陈常贵，柴诚敬.化工原理（上册）M，天津：天津大学出版社，2004.34 M.O.Coulter.Modern Chero-Alkli TechnnologyJ.Ellir Horwood Limi Jcd,1980(1): 130-247.5 陆忠兴氯碱化工生产工艺（氯碱分册）M化学工业出版社，19956 张英明，郎需霞等.国内外离子膜法烧碱生产技术综述J. 第二十五届全国氯碱行业技术年会论文集,2007.7 氯碱工业编辑部全国
23、氯碱企业名单C第26届全国氯碱行业技术年会论文集，20088 刘自珍.我国离子膜法烧碱现状分析与发展对策J.氯碱工业，2007(11):1-6.9 李风格,王魁玉.优化氯碱生产工艺促进循环经济持续发展J.氯碱业,2007(5):6-1010 钱伯章,朱建芳.国内外氯碱生产的现状和发展分析J.中国氯碱, 2007(2):7-9.11 高金宣,许剑平.电解节能技术的应用J.氯碱工业,2007(8):19-2212 程殿彬. 离子膜法制烧碱生产技术M. 北京:化学工业出版社,1998.13 Kirk-Othmer,Ency Clopedia of Chemical TechnologyJ.Chemweek,1979.1(3).14刁玉玮等，化机械基础M，大连，大连理工设备工大学出版社，200315 崔英德，实用化工工艺上册M. 北京:化学工业出版社, 2007.7.16赵军。张有忱，段成红. 化工设备机械基础M. 北京:化学工业出版社,1998.
