1、 根 离 子 ， 氯 离 子 和 碳 酸 氢 根 离 子 ， 这其 中 NaHCO3 溶 解 度 最 小 ， 所 以 析 出 ， 其 余 产 品 处 理 后 可 作 肥 料 或 循 环 使用 。二 、 氨 碱 法南华大学机械学院毕业设计说明书第 5 页 共 68 页1862 年 ， 比 利 时 人 索 尔 维 （ Ernest Solvay,1832-1922） 以 食 盐 、 氨、 二 氧 化 碳 为 原 料 ， 制 得 了 碳 酸 钠 ， 是 为 氨 碱 法 （ ammomia soda process） 。 反 应 分 三 步 进 行 ：NH3+CO2+H2O=NH4HCO3NH4HCO
2、3+NaCl=NaHCO3+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+CO2 +H2O反 应 生 成 的 CO2 可 以 回 收 再 用 ， 而 NH4Cl 又 可 以 与 生 石 灰 反 应 ， 产生 NH3， 重 新 作 为 原 料 使 用 ： 2NH4Cl+CaO=2NH3+CaCl2+H2O氨 碱 法 使 生 产 实 现 了 连 续 性 生 产 ， 食 盐 的 利 用 率 得 到 提 高 ， 产 品 质 量 纯净 ， 因 而 被 称 为 纯 碱 ， 但 最 大 的 优 点 还 在 于 成 本 低 廉 。 1867 年 索 尔 维 设 厂制 造 的 产 品 在 巴 黎 世 界 博 览 会
3、上 获 得 铜 制 奖 章 ， 此 法 被 正 式 命 名 为 索 尔 维 法。 此 时 ， 纯 碱 的 价 格 大 大 下 降 。 消 息 传 到 英 国 ， 正 在 从 事 路 布 兰 法 制 碱 的 英国 哈 琴 森 公 司 取 得 了 两 年 独 占 索 尔 维 法 的 权 利 。 1873 年 哈 琴 森 公 司 改 组 为卜 内 门 公 司 ， 建 立 了 大 规 模 生 产 纯 碱 的 工 厂 ， 后 来 ， 法 、 德 、 美 等 国 相 继 建厂 。 这 些 国 家 发 起 组 织 索 尔 维 公 会 ， 设 计 图 纸 只 向 会 员 国 公 开 ， 对 外 绝 对 保守
4、秘 密 。 凡 有 改 良 或 新 发 现 ， 会 员 国 之 间 彼 此 通 气 ， 并 相 约 不 申 请 专 利 ， 以防 泄 露 。 除 了 技 术 之 外 ， 营 业 也 有 限 制 ， 他 们 采 取 分 区 售 货 的 办 法 ， 例 如 中国 市 场 由 英 国 卜 内 门 公 司 独 占 。 由 于 如 此 严 密 的 组 织 方 式 ， 凡 是 不 得 索 尔 维公 会 特 许 权 者 ， 根 本 无 从 问 津 氨 碱 法 生 产 详 情 。 多 少 年 来 ， 许 多 国 家 要 想 探索 索 尔 维 法 奥 秘 的 厂 商 ， 无 不 以 失 败 而 告 终 。 消
5、息 传 到 英 国 ， 正 在 从 事 路 布兰 法 制 碱 的 英 国 哈 琴 森 公 司 取 得 了 两 年 独 占 索 尔 维 法 的 权 利 。 1873 年 哈琴 森 公 司 改 组 为 卜 内 门 公 司 ， 建 立 了 大 规 模 生 产 纯 碱 的 工 厂 ， 后 来 ， 法 、 德、 美 等 国 相 继 建 厂 。制碱装置介绍主要用离子膜制碱、蒸发制碱等等。本次设计是三效蒸发制碱装置设计。南华大学机械学院毕业设计说明书第 6 页 共 68 页1、概 述1.1 蒸发蒸发是重要的化学单元操作之一，蒸发操作是用加热的方法，在沸腾的状态下，使溶液中的水分或其他具有挥发性的溶剂部分汽化
6、移除。其溶液中的溶质数量不变，从而使溶液被浓缩。因此蒸发过程是一个热传递过程，其传热率是政法过程的控制因素。1.2 蒸发工艺流程及蒸发器型式的确定南华大学机械学院毕业设计说明书第 7 页 共 68 页1、 由于单效蒸发器二次蒸汽温度较高，流量较大，所以热损失较大，采用多效蒸发的目的就是通过蒸发过程二次蒸汽的利用，以节约蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性。表 1 为蒸发 1Kg 的水所消耗的加热蒸汽量。其中实际消耗量包括蒸发装置和其操作中各项热量损失。随蒸发器的型式、多效蒸发的流程不同，其稍有变化。理论蒸汽消耗量 实际蒸汽消耗量效数蒸发 1Kg 水所需蒸发量1Kg 蒸汽蒸发水量蒸发 1Kg水所
7、需蒸发量1Kg 蒸汽蒸发水量在增加一效节约蒸汽百分量单效 1 1 1.1 0.99 93%二效 0.5 2 0.57 1.754 30%三效 0.25 3 0.4 2.5 25%四效 0.2 4 0.3 3.33 10%五效 0.2 5 0.27 3.7 7%表 1不同效蒸发装置的整齐消耗量由上表可以看出，随着效数的增多，蒸汽节约越多，但效数的多少受以下几方面的限制：a、 设备费用的限制 表中效数由单效改为双效节约蒸汽的幅度最高，大 93%。 （理论为一倍） 。但四效改为五效仅节约 10%，然而随效数的增加其设备费用也不断增加。在设备折旧年限内，增加一效后其节约蒸汽费用不足抵消其设备投资费用时
8、，则不能增加效数；另外，在设备投资有限制时，其效数也随此限而定。b、 温差限制一般工业生产中，加热蒸汽的压力和蒸发室的真空度有一定的限制，因此装置的总温差也一定，但由于多效蒸发时各效都有温差损失，因此单效的有效温度差比多效的温度差之和要大。也就是说，由于有效温差的减少，虽然 N 效蒸发器组的传热面积 N 倍于单效蒸发面积，但同样条件下，生产能力却要低于单效蒸发器。南华大学机械学院毕业设计说明书第 8 页 共 68 页2、多效蒸发的 操作流程多效操作的蒸发流程包括加热蒸汽与料液的流向不同，可分为以下几种：1） 、顺流法（亦称并流法） 。其料液和蒸汽成并流特点：A、各效间有较大的压差，料液和蒸汽能
9、自动从前效进入后效，因而各效间有可省去输料泵。B、前效的操作温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态、可以产生自蒸发。在各效间不必设预热器。C、由于辅助设备少、装置紧凑、管路短，因而温度损失少；D、装置的操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作减少。缺点：由于后效温度低、浓度大，因而料液的粘度增加很大，降低了传热系数。因此对于随浓度增加很大的料液不宜采用并流。也就是说并流操作只适用于粘度不大的液体。2） 、逆流法。即蒸汽与料液呈逆流操作优点：随着料液浓度的提高，其温度亦相应提高，这样料液的粘度增加较小，各效的传热系数相差不大，可成分发挥设备能力，由于浓缩液的排除温度较高，可利用其显热在减压下闪
10、蒸增浓。缺点：A、辅助设备较多，动力消耗大，各效间须设置料液泵和预热器，有时浓缩液出料时温度过高，还须增设冷却器；B、对浓缩液在高温时易分解的料液不适用；C、操作较复杂，工艺条件不稳定，必须设置较完善的控制和测量仪表。3） 、错流法亦称混流法，它是并、逆流的结合。错流法的特点是兼有并逆流的优点而是避其缺点，但操作复杂，没偶比较完善的自控仪表难以实现其稳定操作，我国目前主要用于造纸工业碱回收系统。4） 、平流法即各效都加入料液，又都引出浓缩液。此法除用于有结晶洗出的料液外， 其他一般不采用。此法还可以用于同时浓缩两种以上的不同水溶液。综合以上四种的工艺流程的优缺点， 本次设计选用第一种，即顺流法
11、。3、 蒸发装置的选型南华大学机械学院毕业设计说明书第 9 页 共 68 页选型是蒸发装置设计的首要问题，选型时应该先考虑转热系数搞的型式，但料液的物理、化学性质常使一些传热系数高的型式在使用上受限制。选型时要考虑的因素：1） 、料液的性质包括组成成分、粘度变化范围、热稳定性、发泡性、腐蚀性、是否易结垢、结晶、是否含固体悬浮物等。2） 、工程技术要求包括处理量、蒸发量、料液进出口的浓度和温度、安装现场的面积和高度、设备投资额度、要求连续或间隙生产等。3） 、公用系统的情况包括可利用的热源、蒸流供应量及压力、能利用的冷水之水量、水质和温度等。综合以上因素，本次三效制碱装置的设备采用列文式蒸发器。
12、其原因如下：1） 、设计要求的处理量较大；2） 、电解液具有较强的腐蚀性；3） 、料液粘度较小，随浓度变化也较小；4） 、浓缩过程有结晶出现，较易结垢；5） 、料液的稳定性较好，不须考虑热敏性影响另外，该型蒸发器结垢简单，制造成本低，操作和维修也很方便。因此整个工艺流程是采用操作， 三效分级蒸发；蒸发器的结构型式采用列文式。2、工艺设计及计算2.1 主要操作条件1、 年 产 量 3.5 万 吨 NaoH (300 天)每天 24 小时约 5 吨每小时2、成品碱规格 NaoH30%, Nacl 5.8% 水 64.2%3、电解液的规格: NaoH 10%, Nacl 18 % 水 72%4、电解
13、液的预热温度 130南华大学机械学院毕业设计说明书第 10 页 共 68 页5、末效真空度 650mmHg6、系统洗水量 500kg/(1t100%NaoH)7、生蒸汽压力 0.6MPa2.2 整个系统总蒸发水量=5（ - )1000100033+500电解液中 NaoH 的质量百分比电解液中 Nacl 的质量百分比电解液中水的质量百分比成品碱中 NaoH 的质量百分比3成品碱中 Nacl 的质量百分比3成品碱中水的质量百分比3则=5（ 0.72- ）10000.1 10000.30.642+500=22800将 在三效中进行分配，分配比可按1：1.1：1.2即： =1：1.1 ：1.211:
14、12南华大学机械工程学院毕业设计1中文摘要：本次设计的是气混合气流量为 10000 的氨吸收塔。根据工艺hm/3条件选用填料塔来完成此任务。填料塔的设计包括的主要内容：物料衡算、热量衡算、塔设备的工艺设计（塔内径、塔高、封头、填料、进出口接管及裙座等）等。并对其进行强度计算以及校核，绘制图纸等。技术方案及路线：首先进行物料衡算和热量衡算，然后进行塔设备的尺寸计算，主要包括塔的高度确定和填料层高度的计算，以及对塔附件（吊柱、液体分布器、人孔、手孔、裙座等）的计算与选择，最后进行强度计算和校核。关键词：氨吸收；填料塔；物料衡算；强度计算；Abstract: This design is about
15、 of an ammonia absorption tower whose operated pressure is 1.01105 pa, the operated temperature is 40 and the gas mixture flow of 10000 m3/h. Select packed tower to accomplish this task in accordance of technique. Packed tower design includes the main elements: technique calculation, tower equipment
16、 process design (inner diameter, height, head, padding, import and export and the supporting seat, etc.). Calculated and collate the strength of them, and drawing. Technical programs and routes: first material balance and heat balance, and then proceed to calculate the size of tower equipment, inclu
17、ding the height of tower and fill to identify, as well as the calculation and choice of the tower annex (hanging column, liquid distributor, manhole, hand hole, support, etc.), the final calculated and check for strength.Keywords: ammonia; absorption tower; packed tower; strength counting.南华大学机械工程学院
18、毕业设计2目录目录 .1引言 .1第一章 工艺计算 .21.1 吸收剂用量及吸收溶液深度 .21.1.1 惰性气体流量 .21.1.2 最小气液比 .21.1.3 最小吸收剂用量 .41.1.4 吸收液浓度 .41.2 泛液速度 .41.2.1 塔顶混合气体平均分子量 .41.2.2 填料的选择 .51.2.3 泛点气速 .51.3 塔径的估算 .71.4 液体喷淋密度的验算 .71.5 填料层高度的计算 .81.5.1 传质单元数的计算 .81.5.2 传质单元数的计算 .81.5.3 填料层的分段 .101.5.4 填料层压降的计算 .10第二章 塔结构的设计 .122.1 塔内件及附件的
19、选择 .122.1.1 除沫器的选择 .122.1.2 填料支承装置的选择 .122.1.3 液体分布器 .132.1.4 液体再分布器 .142.1.5 裙座结构设计 .152.1.6 人孔的设计与选择 .162.1.7 塔吊柱的选择 .162.1.8 接管的选择 .192.1.9 接管法兰的选择 .192.1.10 压力容器法兰的选择 .20第三章 塔的设计及强度校核 .213.1 塔体和封头的厚度计算 .213.1.1 材料的选择 .213.1.2 筒体厚度的确定 .213.1.3 封头壁厚计算 .223.2 塔体载荷分析 .23南华大学机械工程学院毕业设计33.2.1 质量载荷 .23
20、3.2.2 自振周期的计算 .243.2.3 塔体的风载荷及风力矩 .253.2.4 地震载荷与地震弯矩的计算 .273.3 塔体的强度及稳定性校核 .313.3.1 塔体的轴向应力 .313.3.2 轴向应力校核 .313.4 裙座的强度及稳定性较核 .323.4.1 裙座各危险截面的校核 .323.4.2 焊缝强度的校核 .333.5 裙座基础环 .333.5.1 基础环内外径确定 .的转移机理还没有研究出来。在 560-595nm 区域内，还存在一个非常弱的 Q 带吸收峰。除了这四个主要的 UV-vis 吸收峰之外，不同的酞菁化合物会出现其他的吸收峰，酞菁化合物在某些条件下，在溶液中发生
21、聚集也会在 Q 带旁边形成一个4弱的肩峰。当由 N-芳香型杂环类化合物、胺类化合物和膦类化合物作为酞菁化合物的轴向配体的时候，对 B 带吸收的影响不大；但是若轴向配体为 CO 的情况下，会引起 B 带的蓝移。和相应的无取代酞菁化合物相比，周环取代的酞菁化合物，其位于 Q 带区域的吸收峰几乎没有什么变化。 Hanack 等人证明了酞菁周环上的供电子基可以引起 Q 带的红移 11。将同一种酞菁化合物溶于不同的有机溶剂中，测出的 Q 带吸收峰几乎没有什么改变 12；但是当用硫酸作为溶剂的时候，会引起 Q 带出现大幅度红移。对于轴向桥联聚合物，整个光谱都会出现红移，移动的波长取决于桥联配体的种类 13
22、。用碘将聚合物氧化后会引起 Q 带的红移。1.2.3.2 酞菁化合物的红外光谱性质同一类酞菁化合物的红外光谱由很多相似之处，一般来讲，轴向配体对其没有太大的影响 14。酞菁的中心金属原子与酞菁环内的原子形成的化学键的特征吸收一般在 519,908,1413,1489,1064,1288,1443,1907cm-1。钌酞菁的特征红外吸收光谱大约在 776cm-1 和 756cm-1 的位置存在两个同等强度的峰，但是对于 PcRuL2 型化合物来说，它们的两个特征峰的强度却不同，除此之外还出现了另外一个红外特征吸收峰，这可能与它们的轴向配体有关。对于包含有轴向芳香型异腈类配体的酞菁化合物来说，比如
23、 PcRu（dib）2，带有轴向配体基的酞菁比不带轴向配体基的酞菁的 v（C=N）的能量要低。与此相反，含有轴向脂肪族异腈类配体的酞菁化合物的 v（C=N）的能量要高些。1.2.4 酞菁化合物的应用1.2.4.1 在油墨领域应用印刷颜料分为无机颜料和有机颜料两种。有机颜料特点是：色谱全；品种多；毒性小；色泽鲜艳；着色力高；使用性能优良。而在有机颜料中，酞菁具有色泽鲜艳、着色力高、化学稳定高、耐强酸强碱等优点，使其广泛的应用于颜料工业领域。1.2.4.2 在催化领域的应用酞菁在催化领域的应用应该追溯到十九世纪七十年代。Calvin 等人将酞菁以及金属铜酞菁配合物进行催化氢的交换反应。从那时起，科
24、学家们才开始对酞菁的催化性质进行系统的研究。酞菁做催化剂的反应有：氢交换反应；加氢反应；氮氧化合物及乙炔的还原反应；氢过氧化物、过氧化氢和甲酸的分解反应；合成氨反应；脱羧反应；聚合反应；脱氢反应；电化学反应；氧化反应。其中研究最多的使氧化反应。除此之外，酞菁在模拟的生物酶类催化领域也有一定应用。酞菁在催化领域的实际应用存在两个优点：第一是即使是低温环境，也不影响氧化反应的进行；第二是催化效率高 15。1.2.4.3 在光学领域的应用5由于酞菁化合物具有响应快和气敏性高等特性，又具有极其优良的非线性光学特性，因此在光学中具有很广泛的应用。如在光记录介质方面、激光方面、光导方面、非线性光学方面、电
25、致发光方面、电致变色器件方面、太阳能电池方面都有着重要应用。1.2.4.4 在碳纳米管制备领域的应用酞菁由于具有热稳定性高、化学稳定性高、易升华、无毒等特性，并且本身又兼具催化剂与碳源，因此非常适合用于碳纳米管制备。在还原气氛下，通过热解无取代金属酞菁，可以制备出多壁碳纳米管。酞菁分子本身就含有氮源，因此制备出的碳管含有竹节状结构。在制备过程中控制反应条件，能够生成形状不同的大小不同的碳管。分别用各种中心金属酞菁做原料，利用不同的反应载气；不同流速；不同模板；不同工艺条件等，就能够制得长度和直径可控，形貌迥异的碳纳米管。1.3 原子转移自由基聚合简介聚合物合成的控制主要是指聚合物结构的控制和聚
26、合物分子量的控制,活性聚合可以得到分子量分布极窄的聚合物，是控制聚合物分子量最理想的方法。通过活性聚合还能容易地获得预定结构和序列的嵌段共聚物和接枝共聚物。因此，活性聚合的研究受到高度重视。Szwarc 等首次提出了活性聚合(Living Polymerization)的概念，即无终止与链转移等副反应的聚合过程为活性聚合。与传统聚合相比，活性聚合在本质上有四大特征:(1)聚合物的分子量正比于消耗单体浓度与引发剂初始浓度之比；(2)聚合物的分子量随转化率线性增加；(3)所有聚合物链同时增长，且增长链数不变，聚合物分子量呈现低分散性(泊松分布) ； (4)聚合物具有活性末端，有再引发单体聚合的能力
27、。活性聚合中依引发机理的不同，分为阳离子活性聚合、阴离子活性聚合、配位活性聚合、自由基活性聚合等。 “活性”自由基聚合可聚合的单体多、反应条件温和易控制，实现工业化生产容易。活性自由基聚合可分为基于可逆终止和基于可逆转移机理两类，其中基于可逆转移机理包括可逆加成一裂解转移和退化转移，基于可逆终止机理包括稳定自由基聚合和原子转移自由基聚合(ATRP)。1.3.1 ATRP 的基本原理原子转移自由基聚合(ATRP)的概念源于有机合成中过渡金属催化的原子转移自由基合成(AiomTransfer Radical Addition，ATRA)。ATRA 是有机合成中形成 C 一 C 键的有效方法。ATR
28、P 就是在此基础上提出来的，但是 ATRA 只是 ATRP 的必要条件而非充分条件。ATRA 能否转化为 ATRP，不仅取决于反应条件以及过渡金属离子6及配体的性质，还与卤代烷与不饱和化合物(单体)的分子结构有关。ATRA 的关键是卤原子能顺利地加成到双键上，而加成物中的卤原子能否顺利的转移下来，对 ATRA 来说并不重要，而对 ATRP 来说却是关键。因此，分子中必须有足够的共扼效应或诱导效应以削弱 位置 C-X 键的强度，这是选择 R-X 的原则，也决定了 ATRP 所适应单体的范围。由于这种聚合反应中的可逆转移包含着卤原子从卤化物到金属络合物(盐)、再从金属卤化物转移至自由基这样一个反复
29、循环的原子转移过程，所以称为原子转移聚合；同时由于其反应活性种为自由基，因此称为原子转移自由基聚合。与其他可控自由基聚合不同，原子转移自由基聚合是一个催化过程，催化剂Mtn 及 Mtn+1-X 的活性及用量不但控制着Mn.而且影响原子转移可逆平衡速率，这给人为地控制聚合反应提供了极大的方便。1.3.2 ATRP 的组成ATRP 引发体系由引发剂、催化剂和配体三部分组成。(1)引发剂:所有 位上含有诱导或共轭基团的卤代烷都能引发 ATRP 反应。目前已知的比较典型的 ATRP 引发剂主要有 -卤代苯基化合物，如 - 氯代苯乙烷、- 溴代苯乙烷、-苄基溴等；-卤代羰基化合物，如 -氯丙酸乙酯、-溴丙酸乙酯、- 溴代异丁酸乙酯等；
