碳酸氢钠溶液工业干燥工艺设计

杨帅龙，高 姣

(河南能源化工集团永城永金化工有限公司，河南永城 476600)



碳酸氢钠溶液工业干燥工艺设计

杨帅龙，高 姣

(河南能源化工集团永城永金化工有限公司，河南永城 476600)

碳酸氢钠是常用的工业原料，但工业化生产技术报道较少。通过对工艺流程的设计，实现碳酸氢钠溶液低温蒸发干燥。采用该技术既可以避免碳酸氢钠加热过程中分解，又实现废水回收利用。其设备少，成本低，对工业生产具有重要指导意义。

碳酸氢钠；干燥；工艺；设计

碳酸氢钠，又名小苏打，分子式NaHCO3，是一种重要的工业原料，其广泛应用于制药工业，可治疗胃酸过多、肾病预防及心肺复苏等方面[1-2]；另外碳酸氢钠还可以用于灭火器、民用生活及发泡工业[3]中。但碳酸氢钠是一种受热容易分解的物质，固体碳酸氢钠在超过100 ℃将逐渐开始分解[3-4]。碳酸氢钠溶液受热则更容易分解，在加热至75 ℃时既已明显开始[5]，因此众多科研人员对碳酸氢钠的热分解从动力学[6-8]和热力学[9]上进行研究，试图提高其分解温度。然而目前对碳酸氢钠制备工艺鲜有报道，更无从谈起工艺技术的改进，故本文试图通过工艺设计，解决碳酸氢钠湿法干燥问题，这对工业生产具有重大作用。

1 设计原理

根据克劳修斯-克拉贝龙方程，可知随着压力的降低，物质的沸点也会降低。水在标准大气压下的沸点为100 ℃，当压力降低至0.01 MPa(绝压)时，其沸点约为 45 ℃，因此在该温度下进行蒸发，可以有效避免NaHCO3分解。

2 工艺设计

2.1 流程叙述

将需要蒸发干燥的碳酸氢钠溶液送入蒸发容器H101A或H101B内，通过H101设备内的蒸汽管道对碳酸氢钠溶液进行加热，达到水分的沸点后，水分蒸发进入冷凝器E101(设计中采用列管式换热器)中，经过循环水冷却，水蒸汽被冷凝下来进入V102中，通过P101送去废水处理。而H101中经蒸发后的碳酸氢钠浓溶液进入M101进行离心分离，分离后的NaHCO3进入干燥系统进行风干，而离心出的上层清液进入原料液中，在下次进料时重新进行蒸发，回收利用(见图1)。

图1 NaHCO3溶液干燥设计图

2.2 衡算与选型

2.2.1 物料衡算

该装置为间隙蒸馏，设计H101内可存储10 t质量分数为5%的碳酸氢钠溶液，蒸馏结束为防止溶液结晶后堵塞管道，假设最终残留有1 t碳酸氢钠饱和溶液。在蒸发温度为50 ℃时，碳酸氢钠的溶解度为14.45，因此出料时饱和溶液中碳酸氢钠的质量分数为12.6%。

进料中水为m1=10 t×(1-5%)=9 500 kg

出料中水为m2=1 t×(1-12.6%)=874 kg

因此进入冷凝器E101的水分为8 626 kg。由于该过程为间歇蒸馏，因此其水分蒸发速度不同，因此我们假设蒸馏10 h，那进入E101的水蒸汽平均质量流量为862.6 kg/h。

2.2.2 换热器选型

经蒸发的水蒸汽进入换热器E101，计算过程中的参数如表1所示。

表1 换热器设计相应参数表

水蒸汽冷却过程中的热负荷:

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

ΔH为过热蒸汽冷却为饱和蒸汽时的比焓差

冷却水的消耗量:A=Q/[Cp(T2-T1)]=27.9 t/h

水蒸汽进口端温差:Δt2=50-38=12 ℃

凝液出口端温差:Δt1=35-20=15 ℃

校正系数辅助量:R=0.833，P=0.5

查表可知温度校正系数为φ=0.87>0.8

在换热器生产中采用逆流换热，其过程中的平均温度差为Δt:

Δt=(Δt2-Δt1)/ln(Δt2/Δt1)=13.45 ℃

故，Δtm=φ×Δt=11.7 ℃

假设整个过程中的总传热系数K为1 500 W/(m2·K)，换热器的总换热面积为S:

则有Q=KSΔtm

因此可得到S=33.2 m2

换热管规格及材质的选定。我们选用φ25×2.5钢管，内径d为20 mm，列管长度L选择6 m。

列管数n=S/πdL=88.16根。

管子的排列方式为正三角形排列，管心距t=1.25 d=32 mm

管束最外层管心距离壳壁内径距离d0=1.5 d=37.5 mm

常用的壳体直径为325 mm、400 mm、426 mm、500 mm等，在此400 mm可满足要求，其列管排列如图2所示，共110根。

图2 E101设计列管分布图

此时总换热面积S1=NπdL=110×3.14×0.02×6=41.448 m2

实际总换热系数K1=Q/S1Δtm=1207 W/(m2·K)

2.3 工艺指标及设备配置

工艺指标：

H101A/B压力0.01MPa(绝压)；H101A/B操作温度50 ℃；E101管程出口温度35 ℃；V102液位30%～60%。

设备配置：H101可选用容积大于15 m3，设计压力小于-0.01 MPa的蒸发釜，如江都市鹏飞化工设备厂真空蒸发釜。

V101和V102可选择容积小于2 m3，设计压力小于-0.01 MPa的压力容器，如江苏永大化工机械有限公司的压力容器。

P101可选择流量小于2 m3/h，扬程大于30 m的普通离心泵，如安徽天马泵阀集团有限公司的小型离心泵。

M801可选用双级活塞推料离心机，转速大于1 000 r/min，如重庆江北机械化工有限责任公司。

3 生产优点

碳酸氢钠溶液在进料前，通过真空泵将蒸发容器H101的压力降至10 kPa(绝对压力)。生产中通过加入蒸汽控制H101内的温度在50 ℃，此时既保证溶剂的蒸发，又避免了碳酸氢钠的分解，可实现溶液浓缩。在设计中，最好在设备H101内安装搅拌装置，这样可以保证碳酸氢钠溶液浓度均匀，防止蒸汽管道旁温度高，造成因加热不均而引起的分解。

蒸发产生的水分如果质量不合格可以送至废水处理厂，如果质量合格可以直接回收，经过自然降温后，可以用于生产循环水返回E101对水蒸汽进行冷却降温，节能降耗，降低生成成本。另外，当H101内由于加热失水过度时，可以及时通过P101将水补入H101内，防止H101内部碳酸氢钠浓溶液粘度过大，堵塞下料管道。

除此之外，该设计设备少、工艺简单、投资少，即可以适用于大规模工业化生产，也可以用于中试实验和作坊式生产，应用性强。

但从离心机出料后深度干燥，目前仍为自然风干效率较低.而张玉倩[10]实验时采用冷冻干燥，如果应用于该设计中，成本相对较高。

4 展 望

碳酸氢钠作为工业和民用两用的重要材料，应用十分广泛。通过科研人员的不断研究，其分解机理越来越清晰，其工业化生产路线也将逐渐丰富起来，未来技术更成熟，成本更低廉的技术也将越来越受瞩目。

[1] 李闯，张春晓，来中海，等.碳酸氢钠在急诊心肺复苏中的应用[J].医学信息, 2011, 24(3): 1276-1277

[2] 孙海磊，严中亚.心脏术后应用碳酸氢钠治疗急性肾功能损伤[J].中国临床保健杂志, 2013, 16(3): 254-257

[3] 曹贤武，张轶钧，伍巍，等.碳酸氢钠的改性及其热分析[J].化工进展，2012,31(10): 2167-2182

[4] 潘桃种.固体碳酸氢钠的分解温度之探究[J].化学教与学, 2013,5: 40

[5] 黄岳元，张美华，赵兴昌.粗碳酸氢钠湿法分解研究[J].陕西化工, 1993,2: 22-25

[6] 景晓明，赵志刚，廖戎，等.NaHCO3热分解动力学研究[J].陕西民族大学学报，2003,29(3)：301-305

[7] 邹文樵，冯仰婕.碳酸氢钠热分解反应非等温动力学研究[J].华东化工学院学报, 1988, 14 (2): 158-163

[8] 任保增，赵天源，曾之平，等.碳酸氢钠催化湿分解过程动力学数据测定及模型探讨[J].纯碱工业,1996, 1: 3-7

[9] 赵传文，陈晓平，赵长遂.碳酸氢钠分解的热重分析研究[J].燃料科学与技术, 2009，15(2): 135-140

[10]张玉倩.冷冻干燥法制备超细碳酸氢钠工艺研究[D].江苏：南京理工大学, 2010

TQ114.1

B

1005-8370(2016)04-27-03

2016-05-06

杨帅龙(1987—)，中国矿业大学(北京)，化工工艺，硕士研究生，助理工程师，从事化工生产工作。发表第一作者论文3篇，其他论文两篇。