联合制碱重碱过滤和离心分离(四)——物料和热量平衡

(大连化工研究设计院，辽宁大连 116023)



专论与综述

联合制碱重碱过滤和离心分离(四)
——物料和热量平衡

(大连化工研究设计院，辽宁大连 116023)

通过理论计算，分析联合制碱重碱离心分离过程中的物料平衡和热量平衡，得出重碱离心机物料平衡表和热量平衡表。在物料平衡分析中，对离心机分离过程中的化学反应及相关变化、水平衡等作了详细的分析。

联合制碱；过滤；离心分离；物料平衡；热量平衡

4 物料和热量平衡

4.1 物料衡算与平衡

4.1.1 CM带入物料

EV：19.4036 m3/t

EG：22 376.75 kg/t

其中：

NH4HCO313.2860 kmol/t， 1049.60 kg/t

NH4OH 2.1723 kmol/t， 76.03 kg/t

NH4COONH26.5773 kmol/t， 513.03 kg/t

(NH4)2CO30.5645 kmol/t， 54.20 kg/t

NaHCO31.7463 kmol/t， 146.69 kg/t

NH4Cl 78.0937 kmol/t， 4 178.01 kg/t

NaCl 32.0660 kmol/t， 1 875.86 kg/t

H2O 804.6302 kmol/t， 14 483.33 kg/t

4.1.2 重碱结晶带入物料

EG：1 607.49 kg/t

其中：

NaHCO317.0620 kmol/t， 1 433.21 kg/t

NH4HCO30.7378 kmol/t， 58.28 kg/t

Na2CO31.0943 kmol/t， 116.00 kg/t

4.1.3 湿重碱带出物料

离心机分离的湿重碱组成(%)：

①重碱结晶(NaHCO3、NH4HCO3和Na2CO3三项)

重碱结晶量：1 607.49-9.14=1 598.35 kg/t

其中：

NaHCO31 433.21-9.14= 1 424.07 kg/t

NH4HCO358.28 kg/t

Na2CO3116.00 kg/t

②重碱含水

1 424.07×0.0772/0.8192=134.20 kg/t

③重碱皮带CM残液

以湿重碱中残留的TCl(记为NaCl)计：

1 424.07×0.0017/0.8192=2.96 kg/t

其中：

NH4HCO313.2860×0.0089/19.4036 =0.0061 kmol/t，0.48 kg/t

NH4OH 2.1723×0.0089/19.4036 =0.0010 kmol/t，0.03 kg/t

NH4COONH26.5773×0.0089/19.4036 =0.0030 kmol/t，0.24 kg/t

(NH4)2CO30.5645×0.0089/19.4036 =0.0003 kmol/t，0.02 kg/t

NaHCO31.7463×0.0089/19.4036 =0.0008 kmol/t，0.07 kg/t

NH4Cl 78.0937×0.0089/19.4036 =0.0358 kmol/t，1.92 kg/t

NaCl 32.0660×0.0089/19.4036 =0.0147 kmol/t，0.86 kg/t

H2O 804.6302×0.0089/19.4036 =0.3691 kmol/t，6.64 kg/t

小计 10.26 kg/t

其中有效组分3.62 kg/t，H2O项6.64 kg/t已在重碱含H2O中包含。

NH4Cl在重碱煅烧过程中转化成NaCl：

1.92×58.5/53.5=2.10 kg/t

以NaCl计的重碱含盐：

0.86+2.10=2.96 kg/t

④重碱当量

EG：1 598.35+134.20+3.62=1 736.17 kg/t

4.1.4 MⅠ带出物料

EV：19.7069 m3/t

其中：

NaHCO31.7463-0.0008+9.14/84 =1.8543 kmol/t，155.76 kg/t 浓度：1.8543×20/19.7069 =1.8819 tt

NH4HCO3(15.2203-1.8819)×19.7069/20 =13.1429 kmol/t，1 038.29 kg/t

NH4OH 2.1847×19.7069/20 =2.1527 kmol/t，75.34 kg/t

NH4COONH213.3034×19.7069/40 =6.5542 kmol/t，511.23 kg/t

(NH4)2CO31.2348×19.7069/40 =0.6084 kmol/t，58.40 kg/t

NH4Cl 79.2186×19.7069/20 =78.0577 kmol/t，4 176.08 kg/t

NaCl 32.5270×19.7069/20 =32.0503 kmol/t，1 874.94 kg/t

化合物小计 7 890.04 kg/t

4.1.5 分离过程的化学反应和相变化

1)化合物量变

重碱分离过程的化合物量变见表11。

表11 分离过程的化合物量变表 (kmol/t)

2)化学反应和相变化

①NaHCO3结晶溶解

由于离心机上洗水对重碱滤饼的溶解，即对NaHCO3结晶的溶解，其中重碱夹带洗水(含湿)中被溶解的NaHCO3，于煅烧过程中干涸、分解，与重碱结晶进入煅烧炉的结果一样，因此，为了简化计算，洗水对重碱滤饼的溶解，只计进入MⅠ中的NaHCO3。

NaHCO3(s)= NaHCO3(aq)

0.1088 kmol/t

9.14 kg/t

②NH4HCO3氨化

碳化取出液CM至MⅠ的重碱分离过程，温度降低，发生NH4HCO3氨化反应，或者NH4COONH2水解反应平衡向相反方向移动。

NH4HCO3+ NH4OH= NH4COONH2+2H2O

0.0186 kmol/t

1.47 0.65 1.45 0.67 kg/t

③NH4COONH2平衡移动

NH4COONH2+H2O=(NH4)2CO3

0.0186+0.0201= 0.0387 kmol/t

3.02 0.70 2.72 kg/t

④CO2解吸1

2NH4HCO3= (NH4)2CO3+ CO2↑+H2O

0.0442-0.0387=0.0055 kmol/t

0.87 0.53 0.24 0.10 kg/t

(NH4)2CO3重碳酸化反应平衡向反方向移动，放出CO20.24 kg/t。

⑤CO2解吸2

分离过程中CO2解吸主要按NH4HCO3分解方式进行。

NH4HCO3=NH3+CO2↑+H2O

0.1370- 0.0186-0.0055×2=0.1074 kmol/t

8.49 1.83 4.73 1.93 kg/t

重碱分离过程共解吸放出CO2：

0.24+4.73=4.97 kg/t

与母液组成设计假设CO2损失5.0 kg/t相近。NH4HCO3分解释放的NH3因MⅠ中氨的平衡蒸汽分压很低，大部分与H2O结合成氨的水合物NH3·H2O，只有极少NH3在分离过程中逸散损失。

4.1.6 分解过程水平衡

①过程H2O变化

NH4HCO3氨化 +0.0186×2= 0.0372 kmol/t,

+0.67 kg/t

NH4COONH2平衡移动 -0.0387 kmol/t，-0.70 kg/t

CO2解吸1 +0.0055 kmol/t，+0.10 kg/t

CO2解吸2 +0.1074 kmol/t，+1.93 kg/t

小计 +0.1114 kmol/t，+2.00 kg/t

②计入MⅠ的洗水

以CM→MⅠ的体积变化计。

19.7069-(19.4036-0.0089)=0.3122 m3/t

35 ℃水密度：993.95 kg/m3

0.3122×993.95=310.31 kg/t，17.2395 kmol/t

③MⅠ中H2O

14483.33-6.64+2.00+310.31=14789.00 kg/t，821.6111 kmol/t

④MⅠ重量当量

EG：7890.04+14789.00=22679.04 kg/t

4.1.7 洗水带入物料

EG：134.20-6.64+310.31=437.87 kg/t

4.1.8 CO2损失

4.97 kg/t

4.1.9 离心机物料平衡表

表12 离心机物料平衡表

4.1.10 重碱组成

表13 重碱组成表

4.2 热量衡算与平衡

4.2.1 CM带入热量q1

按总体设计CM温度40 ℃计算。

q1=278.9933×104kJ/t(66.6810×104kcal/t)

4.2.2 重碱结晶带入热量q2

q2=6.7617×104kJ/t(1.6161×104kcal/t)

4.2.3 洗水带入热量q3

35 ℃水热焓：146.503 kJ/kg(35.015 kcal/kg)

q3=146.503×437.87=6.4149×104kJ/t

(1.5332×104kcal/t)

4.2.4 分离过程热效应q4

①NaHCO3溶解热q4-1

NaHCO3(s)= NaHCO3(aq)-17.3636 kJ/mol

0.1088 kmol/t

q4-1=-17.3636×1 000×0.1088=-0.1889×104kJ/t(-0.0452×104kcal/t)

②NH4HCO3氨化热q4-2

NH4HCO3+ NH4OH=NH4COONH2+2H2O+30.3625 kJ/mol

0.0186 kmol/t

q4-2=30.3625×1 000×0.0186=0.0565×104kJ/t(0.0135×104kcal/t)

③NH4COONH2平衡移动热q4-3

NH4COONH2+H2O=(NH4)2CO3-0.7924 kJ/mol

0.0387 kmol/t

q4-3=-0.7924×1 000×0.0387=-0.0031×104kJ/t(-0.0007×104kcal/t)

④CO2解吸热1q4-4

2NH4HCO3= (NH4)2CO3+CO2(g)+H2O

-34.9389 kJ/mol

0.0055 kmol/t

q4-4=-39389×1 000×0.0055=-0.0192×104kJ/t(-0.0046×104kcal/t)

⑤CO2解吸热2q4-5

NH4HCO3=NH4OH+ CO2(g)-64.5089 kJ/mol

0.1074 kmol/t

q4-5=-64.5089×1 000×0.1074=-0.6928×104kJ/t(-0.1656×104kcal/t)

⑥过程热效应q4

q4=(-0.1889+0.0565-0.0031-0.0192-0.6928)×104=-0.8475×104kJ/t(-0.2026×104kcal/t)

4.2.5 湿重碱带出热量q5

湿重碱温度按37.5 ℃计算。

重碱结晶 1.0516×1598.35×37.5=6.3031×104kJ/t

CM残液 3.1170×10.26×37.5=0.1199×104kJ/t

洗水 0.997×4.184×(134.20-6.64)×37.5=1.9954×104kJ/t

q5=8.4184×104kJ/t

(2.0120×104kcal/t)

4.2.6 MⅠ带出热量q6

37.5 ℃ MⅠ比热容：

q6=3.1298×22 679.04×37.5=266.1782×104kJ/t (63.6181 kal/t)

4.2.7 CO2带出热量q7

q7=0.8786×4.97×37.5=0.0164×104kJ/t (0.0039×104kal/t)

4.2.8 系统热损失q8

重碱离心机分离系统包括稠厚器、离心机、母液Ⅰ沉降槽，母液温降2.5 ℃。

q8=(278.9933+6.7617+6.4149-0.8475-8.4184-266.1782-0.0164)×104

=16.7094×104kJ/t (3.9936×104kal/t)

4.2.9 重碱离心机热量平衡表

表14 重碱离心机热量平衡表

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