楊帥龍，高 姣

(河南能源化工集團(tuán)永城永金化工有限公司，河南永城 476600)

?

碳酸氫鈉溶液工業(yè)干燥工藝設(shè)計(jì)

楊帥龍，高 姣

(河南能源化工集團(tuán)永城永金化工有限公司，河南永城 476600)

碳酸氫鈉是常用的工業(yè)原料，但工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)報(bào)道較少。通過對(duì)工藝流程的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)碳酸氫鈉溶液低溫蒸發(fā)干燥。采用該技術(shù)既可以避免碳酸氫鈉加熱過程中分解，又實(shí)現(xiàn)廢水回收利用。其設(shè)備少，成本低，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

碳酸氫鈉；干燥；工藝；設(shè)計(jì)

碳酸氫鈉，又名小蘇打，分子式NaHCO3，是一種重要的工業(yè)原料，其廣泛應(yīng)用于制藥工業(yè)，可治療胃酸過多、腎病預(yù)防及心肺復(fù)蘇等方面[1-2]；另外碳酸氫鈉還可以用于滅火器、民用生活及發(fā)泡工業(yè)[3]中。但碳酸氫鈉是一種受熱容易分解的物質(zhì)，固體碳酸氫鈉在超過100 ℃將逐漸開始分解[3-4]。碳酸氫鈉溶液受熱則更容易分解，在加熱至75 ℃時(shí)既已明顯開始[5]，因此眾多科研人員對(duì)碳酸氫鈉的熱分解從動(dòng)力學(xué)[6-8]和熱力學(xué)[9]上進(jìn)行研究，試圖提高其分解溫度。然而目前對(duì)碳酸氫鈉制備工藝鮮有報(bào)道，更無從談起工藝技術(shù)的改進(jìn)，故本文試圖通過工藝設(shè)計(jì)，解決碳酸氫鈉濕法干燥問題，這對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重大作用。

1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)克勞修斯-克拉貝龍方程，可知隨著壓力的降低，物質(zhì)的沸點(diǎn)也會(huì)降低。水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)為100 ℃，當(dāng)壓力降低至0.01 MPa(絕壓)時(shí)，其沸點(diǎn)約為 45 ℃，因此在該溫度下進(jìn)行蒸發(fā)，可以有效避免NaHCO3分解。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 流程敘述

將需要蒸發(fā)干燥的碳酸氫鈉溶液送入蒸發(fā)容器H101A或H101B內(nèi)，通過H101設(shè)備內(nèi)的蒸汽管道對(duì)碳酸氫鈉溶液進(jìn)行加熱，達(dá)到水分的沸點(diǎn)后，水分蒸發(fā)進(jìn)入冷凝器E101(設(shè)計(jì)中采用列管式換熱器)中，經(jīng)過循環(huán)水冷卻，水蒸汽被冷凝下來進(jìn)入V102中，通過P101送去廢水處理。而H101中經(jīng)蒸發(fā)后的碳酸氫鈉濃溶液進(jìn)入M101進(jìn)行離心分離，分離后的NaHCO3進(jìn)入干燥系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)干，而離心出的上層清液進(jìn)入原料液中，在下次進(jìn)料時(shí)重新進(jìn)行蒸發(fā)，回收利用(見圖1)。

圖1 NaHCO3溶液干燥設(shè)計(jì)圖

2.2 衡算與選型

2.2.1 物料衡算

該裝置為間隙蒸餾，設(shè)計(jì)H101內(nèi)可存儲(chǔ)10 t質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的碳酸氫鈉溶液，蒸餾結(jié)束為防止溶液結(jié)晶后堵塞管道，假設(shè)最終殘留有1 t碳酸氫鈉飽和溶液。在蒸發(fā)溫度為50 ℃時(shí)，碳酸氫鈉的溶解度為14.45，因此出料時(shí)飽和溶液中碳酸氫鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.6%。

進(jìn)料中水為m1=10 t×(1-5%)=9 500 kg

出料中水為m2=1 t×(1-12.6%)=874 kg

因此進(jìn)入冷凝器E101的水分為8 626 kg。由于該過程為間歇蒸餾，因此其水分蒸發(fā)速度不同，因此我們假設(shè)蒸餾10 h，那進(jìn)入E101的水蒸汽平均質(zhì)量流量為862.6 kg/h。

2.2.2 換熱器選型

經(jīng)蒸發(fā)的水蒸汽進(jìn)入換熱器E101，計(jì)算過程中的參數(shù)如表1所示。

表1 換熱器設(shè)計(jì)相應(yīng)參數(shù)表

水蒸汽冷卻過程中的熱負(fù)荷:

Q=WΔH+Wr+CpW(t3-t1)=2 098 533 kJ/h =583 kW

ΔH為過熱蒸汽冷卻為飽和蒸汽時(shí)的比焓差

冷卻水的消耗量:A=Q/[Cp(T2-T1)]=27.9 t/h

水蒸汽進(jìn)口端溫差:Δt2=50-38=12 ℃

凝液出口端溫差:Δt1=35-20=15 ℃

校正系數(shù)輔助量:R=0.833，P=0.5

查表可知溫度校正系數(shù)為φ=0.87>0.8

在換熱器生產(chǎn)中采用逆流換熱，其過程中的平均溫度差為Δt:

Δt=(Δt2-Δt1)/ln(Δt2/Δt1)=13.45 ℃

故，Δtm=φ×Δt=11.7 ℃

假設(shè)整個(gè)過程中的總傳熱系數(shù)K為1 500 W/(m2·K)，換熱器的總換熱面積為S:

則有Q=KSΔtm

因此可得到S=33.2 m2

換熱管規(guī)格及材質(zhì)的選定。我們選用φ25×2.5鋼管，內(nèi)徑d為20 mm，列管長度L選擇6 m。

列管數(shù)n=S/πdL=88.16根。

管子的排列方式為正三角形排列，管心距t=1.25 d=32 mm

管束最外層管心距離殼壁內(nèi)徑距離d0=1.5 d=37.5 mm

常用的殼體直徑為325 mm、400 mm、426 mm、500 mm等，在此400 mm可滿足要求，其列管排列如圖2所示，共110根。

圖2 E101設(shè)計(jì)列管分布圖

此時(shí)總換熱面積S1=NπdL=110×3.14×0.02×6=41.448 m2

實(shí)際總換熱系數(shù)K1=Q/S1Δtm=1207 W/(m2·K)

2.3 工藝指標(biāo)及設(shè)備配置

工藝指標(biāo)：

H101A/B壓力0.01MPa(絕壓)；H101A/B操作溫度50 ℃；E101管程出口溫度35 ℃；V102液位30%～60%。

設(shè)備配置：H101可選用容積大于15 m3，設(shè)計(jì)壓力小于-0.01 MPa的蒸發(fā)釜，如江都市鵬飛化工設(shè)備廠真空蒸發(fā)釜。

V101和V102可選擇容積小于2 m3，設(shè)計(jì)壓力小于-0.01 MPa的壓力容器，如江蘇永大化工機(jī)械有限公司的壓力容器。

P101可選擇流量小于2 m3/h，揚(yáng)程大于30 m的普通離心泵，如安徽天馬泵閥集團(tuán)有限公司的小型離心泵。

M801可選用雙級(jí)活塞推料離心機(jī)，轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min，如重慶江北機(jī)械化工有限責(zé)任公司。

3 生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)

碳酸氫鈉溶液在進(jìn)料前，通過真空泵將蒸發(fā)容器H101的壓力降至10 kPa(絕對(duì)壓力)。生產(chǎn)中通過加入蒸汽控制H101內(nèi)的溫度在50 ℃，此時(shí)既保證溶劑的蒸發(fā)，又避免了碳酸氫鈉的分解，可實(shí)現(xiàn)溶液濃縮。在設(shè)計(jì)中，最好在設(shè)備H101內(nèi)安裝攪拌裝置，這樣可以保證碳酸氫鈉溶液濃度均勻，防止蒸汽管道旁溫度高，造成因加熱不均而引起的分解。

蒸發(fā)產(chǎn)生的水分如果質(zhì)量不合格可以送至廢水處理廠，如果質(zhì)量合格可以直接回收，經(jīng)過自然降溫后，可以用于生產(chǎn)循環(huán)水返回E101對(duì)水蒸汽進(jìn)行冷卻降溫，節(jié)能降耗，降低生成成本。另外，當(dāng)H101內(nèi)由于加熱失水過度時(shí)，可以及時(shí)通過P101將水補(bǔ)入H101內(nèi)，防止H101內(nèi)部碳酸氫鈉濃溶液粘度過大，堵塞下料管道。

除此之外，該設(shè)計(jì)設(shè)備少、工藝簡單、投資少，即可以適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，也可以用于中試實(shí)驗(yàn)和作坊式生產(chǎn)，應(yīng)用性強(qiáng)。

但從離心機(jī)出料后深度干燥，目前仍為自然風(fēng)干效率較低.而張玉倩[10]實(shí)驗(yàn)時(shí)采用冷凍干燥，如果應(yīng)用于該設(shè)計(jì)中，成本相對(duì)較高。

4 展 望

碳酸氫鈉作為工業(yè)和民用兩用的重要材料，應(yīng)用十分廣泛。通過科研人員的不斷研究，其分解機(jī)理越來越清晰，其工業(yè)化生產(chǎn)路線也將逐漸豐富起來，未來技術(shù)更成熟，成本更低廉的技術(shù)也將越來越受矚目。

[1] 李闖，張春曉，來中海，等.碳酸氫鈉在急診心肺復(fù)蘇中的應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)信息, 2011, 24(3): 1276-1277

[2] 孫海磊，嚴(yán)中亞.心臟術(shù)后應(yīng)用碳酸氫鈉治療急性腎功能損傷[J].中國臨床保健雜志, 2013, 16(3): 254-257

[3] 曹賢武，張軼鈞，伍巍，等.碳酸氫鈉的改性及其熱分析[J].化工進(jìn)展，2012,31(10): 2167-2182

[4] 潘桃種.固體碳酸氫鈉的分解溫度之探究[J].化學(xué)教與學(xué), 2013,5: 40

[5] 黃岳元，張美華，趙興昌.粗碳酸氫鈉濕法分解研究[J].陜西化工, 1993,2: 22-25

[6] 景曉明，趙志剛，廖戎，等.NaHCO3熱分解動(dòng)力學(xué)研究[J].陜西民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,29(3)：301-305

[7] 鄒文樵，馮仰婕.碳酸氫鈉熱分解反應(yīng)非等溫動(dòng)力學(xué)研究[J].華東化工學(xué)院學(xué)報(bào), 1988, 14 (2): 158-163

[8] 任保增，趙天源，曾之平，等.碳酸氫鈉催化濕分解過程動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)測定及模型探討[J].純堿工業(yè),1996, 1: 3-7

[9] 趙傳文，陳曉平，趙長遂.碳酸氫鈉分解的熱重分析研究[J].燃料科學(xué)與技術(shù), 2009，15(2): 135-140

[10]張玉倩.冷凍干燥法制備超細(xì)碳酸氫鈉工藝研究[D].江蘇：南京理工大學(xué), 2010

TQ114.1

B

1005-8370(2016)04-27-03

2016-05-06

楊帥龍(1987—)，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，化工工藝，碩士研究生，助理工程師，從事化工生產(chǎn)工作。發(fā)表第一作者論文3篇，其他論文兩篇。