理工学院毕业设计学生姓名：祝大龙学号： 09L******* 学院：理工学院专业：化学工程与工艺题目：年产2万吨泡花碱新工艺的初步设计指导教师：李国庭（教授）评阅教师：李小云（教授）2013 年 6 月河北科技大学毕业论文成绩评定表注：该表一试两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书（论文）中。

毕业论文中文摘要毕业论文外文摘要目录1 引言 (1)1.1 前言 (1)1.2 硅酸钠性质 (1)1.3 硅酸钠的应用 (2)1.4 水玻璃的发展状况 (4)1.5 硅酸钠的合成方法 (5)1.6 本章小结 (8)2 设计内容 (8)2.1 工程设计范围 (8)2.2 设计原则 (8)2.3 劳动安全与工业卫生 (8)2.4 工作制度及劳动定员 (9)2.5 生产工艺 (9)3 工艺计算 (11)3.1 物料衡算及热量衡算 (11)4 设备设计 (18)4.1 设备的计算与选型 (18)4.2 风机的选型 (29)4.3 滚筒的选型 (29)4.4 管道的选型 (29)4.5 泵的选型 (30)4.6 设备一览表 (32)5 泡花碱生产P&ID设计 (33)5.1 P&ID设计 (33)6 施工图设计 (36)6.1 车间布置原则 (36)6.2 管道布置主要原则 (37)6.3 P3D设备布置和配管思路 (39)6.4 三维设计的成果 (39)7 一般操作问题 (40)8 附录 (41)结论 (42)致谢 (43)参考文献 (44)1 引言1.1 前言硅酸钠又名泡花碱，其水溶液俗称水玻璃。

硅酸钠是无机硅化合物中发展最广泛的产品，硅酸钠用途十分广泛，几乎遍及国民经济的各个部门，但对资源、能源的依赖较大，国外许多国家已没有生产优势，受到环境、资源的限制，因此该产品开始向中国、越南等发展中国家转移。

我国是硅酸钠的生产大国，生产能力和产量居世界第一位。

目前，国内生产企业已达200多家，产地主要集中在山东、江苏等地区。

特别是青岛、莱州、潍坊等地区，全省的硅酸钠总产量约110万吨，占全国总量60%，目前国内硅酸钠市场总的需求量约为180万吨固体，其中，白炭黑行业需求约为90万吨固体；分子筛行业需求约为20万吨固体；硅胶行业需求约为25万吨固体；洗涤剂行业需求约为5万吨固体；粘合剂需求量约为15万吨，全国的出口量约为25万吨。

随着高新技术的发展，无机硅化物的用途迅速扩大，品种已达100余种，产品明显地向功能化、精细化、专用化、系列化的方向发展。

而且，高品质的硅酸钠普遍已经应用在高端领域，而且国内生产的大部分因含杂质过多，无法应用于精细化工领域。

所以高品质的泡花碱产品依旧是国内市场的一个空白，拥有广泛的市场发展空间[1]。

上述情况使得硅酸钠行业成为21世纪的朝阳产业。

而目前国内硅酸钠产业仍面临技术薄弱、能耗较大等诸多问题；同时随着我国洗涤、造纸，特别是建筑行业的发展，硅酸钠总需求量将逐年上升，而我国硅酸钠的生产规模还存在很大缺口。

因此，进一步研究开发更为满足市场需求的硅酸钠产品及生产工艺，加快硅酸钠生产装置的建设，大力提高我国硅酸钠的产量和质量，成为我们当前亟待解决的重要课题。

1.2 硅酸钠性质1.2.1 物理性质固体硅酸钠：淡蓝色、青绿色、天蓝色或黄绿色玻璃状物。

液体硅酸钠：无色透明或带浅灰色粘稠状液体。

当杂质含量极少时，玻璃状无水固体硅酸钠是无色透明的玻璃体。

随着杂质含量的增加，玻璃体出现颜色。

杂志中铁的氧化物使其呈现淡棕或深棕色，甚至是黑色。

颜色的深浅又随模数的减小而加深。

密度：随着模数的降低而增大。

当模数从3.33 下降到1时，密度从2.413增大到2.560。

熔点：无固定熔点，"中性"水玻璃大约在550℃左右软化。

对急冷急热非常敏感，受到这种作用时，立即裂成不规则的小碎块。

溶解度：固体硅酸钠在水中溶解度跟下列因素有关a 与压强有关，压强升高，溶解速度增大。

b在相同的压强下，随硅酸钠模数增大，溶解速度而减少。

c与固体硅酸钠的粒度有关，粒度越大，所用的溶解时间越长。

模数：硅酸钠中的二氧化硅与氧化钠的摩尔比称为模数。

模数显示硅酸钠的组成，又影响硅酸钠的物理、化学性质。

模数与质量百分比的关系如下式：M= SiO2% ∕ Na2O %×1.032式中M为模数，1.032为换算系数（Na2O与SiO2分子量之比）。

1.2.2 化学性质无论是块状或粉状固体无水硅酸钠，对酸都很难起起作用。

但易被氢氟酸分解，生成挥发性的和碱金属氟化物。

苛性碱能溶解固体硅酸钠，特别对细粉状物的反应更快。

a 硅酸钠的水溶液能发生强烈的水解反应而使溶液呈碱性。

b 强酸、弱酸、甚至电解质，在加热或在室温，都能使硅酸钠水解而析出二氧化硅。

c氯气在低于100 ℃时，即能相当剧烈地分解固体硅酸钠，生成NaCl、SiO2并放出氧气。

d 能与固体硅酸钠起反应，生成含氧气泡的二氧化硅凝胶。

模数高的硅酸钠活泼性差；浓的比稀的反应强烈[2]。

1.3 硅酸钠的应用硅酸钠除用作粘结剂外，在建筑工业中用于制造耐酸、耐热混凝土、混凝土养护剂、水玻璃涂料、地聚合物胶凝材料、修补材料、灌浆材料等。

在化学工业中可用于制造硅胶、硅酸盐类、分子筛、白炭黑等。

还可用作肥皂的填料，以增加其碱度、硬度和强度，并防止析出游离脂肪酸。

同时，硅酸钠本身也是一种高效的洗涤剂和水软化剂。

在机械制造工业中用于铸造、砂轮制造和用作金属的防腐剂。

在石油工业中可用于制造石油催化裂化用的硅铝催化剂。

在矿山方面用于选矿、防水和堵漏。

木材在硅酸钠水溶液中浸过以后就具有防火的特性。

在纺织工业用于助染，漂白和浆纱。

1.3.1 在建筑工业中应用硅酸钠耐酸混凝土是由硅酸钠、氟硅酸钠、辉绿岩、石英砂等原材料配制成的一种耐蚀耐磨材料，具有耐酸性强、施工修补方便、原料易取、成本低、抗冲击性能好诸多优点。

硅酸钠与耐酸混凝土的配合比一般为硅酸钠:耐酸粉料:耐酸细骨料:耐酸粗骨料=0.6～0.7:l:1:1.5～2.0，其养护温度应不低于10℃，养护时间不少于6d。

配制成的硅酸钠混凝土能抵抗除氢氟酸以外的各种酸类的侵蚀都有很好的功效，特别是对硫酸、硝酸有良好的抗腐性，且具有较高的强度，其3d强度为l1MPa，28d强度可达15MPa多用于化工车间的地坪、酸洗槽等[3]。

1.3.2 在洗涤剂及制皂工业在非磷洗涤剂组分中含有很多的非离子型表面活性剂，按传统的喷雾干燥法制取洗涤剂的过程中，这些非离子型表面活性剂容易逸出从而污染空气。

速溶粉状硅酸钠作为洗涤剂的一个重要组分除了可以代替磷酸盐的一些功能外，还可以用作为非离子型表面活性剂的载体，可以避免和减少空气污染等好处。

近年来快速发展的餐具自动洗净机用洗净剂里也都含有大量的速溶粉状硅酸钠[4]。

在制皂工业，硅酸钠是一种很好的填充剂。

在增强硬度、缓冲肥皂碱性、稳定肥皂泡沫及减少肥皂在硬水中损耗等方面起着相当大的作用。

添加硅酸钠后的肥皂还有利于油类污物的乳化，使赃物悬浮并能防止洗落的赃物重新沾积在洗净的织物上。

在洗衣皂中，硅酸钠用量约为10%～18%，各种香皂中约为1.5%～2.0%[5]。

1.3.3 在造纸及助染、漂白、浆纱等轻纺工业中的应用利用硅酸钠水溶液作为造纸的填料使纸张在造纸机上操作更为顺利，压辊上不发生粘连，使上、下毛毡的损耗减少，能使造纸机排出含有纤维性的白水沉降速度加快，同时增加纸张强度及抗水性，保持纸张表面光滑方便印刷。

在用于染彩色纸张时，可增加吸附能力并使染料容易固定，缩短打浆时间，节省漂白原料。

当然也可用于除去废纸上的油墨，再制成白纸等[6]。

在纺织工业中，硅酸钠水溶液被大量用于丝织品加重的浆料及浸渍剂，还在织物染色和压花纹时作为媒染剂和固着剂。

1.3.4 在耐火材料、陶瓷材料及其制品的应用硅酸钠水溶液与各种矿物质配制而成的各种混合料，加热到一定温度就会变成与原始材料性质不同的新型硅酸盐材料。

在制备耐火硅酸盐材料时，可以采用不同模数的水玻璃及各种矿物质填料，水玻璃与磨细的铬矿与硅化铁的混合物需要经过适当的热处理，可变成一种能经受1100℃高温而不发生任何变形的耐火材料[7]。

将水玻璃与耐火粘土混合料加热到高温之后，得到一种密实性高而完全不透气的硅酸盐材料，可用于化工设备、烟囱、焦炉以及承受腐蚀性气体介质作用的材料的衬里。

除此之外，硅酸钠广泛用于涂料工业、制糖工业、冶金工业等各领域。

据统计，前几年我国硅酸钠消费结构是：轻工方面约占66%；其中纸箱、纸板粘结约占42%；洗涤剂约占24%；机械、冶金行业约占17%；化工原料约占10%；纺织及其它为7%[8]。

1.4 水玻璃的发展状况1818年，德国首次研制成功硅酸钠并实现了工业化生产。

1938年，我国开始在北京、青岛、天津、广州等地先后建设多家硅酸钠生产厂家。

解放后，硅酸钠生产厂已经遍布全国各地，20世纪80年代，年产量突破百万吨大关。

1984年我国制订了国家标准，成立了硅化合物全国情报网和无机硅化物科学技术顾问组，极大的促进了该行业的良好发展。

由于硅酸钠的性能特殊，至今没有可以替代它的产品出现，近年来硅酸钠品种与数量均有大幅度增加，已成为无机盐行业中重要的一部分。

目前全国约有硅酸盐生产企业近200家，年总产量已达到1.7 Mt。

泡花碱的用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门[9]。

而且国外市场需求自1998年后，我国硅酸钠产品大量进入韩国和日本等国外市场，且产量逐年递增。

其他硅化物产品如粉状硅酸钠、偏硅酸钠、硅胶等出口量也是有增无减，这种依赖性将越来越大。

国外硅酸钠有较长的发展历史，生产企业自动化控制水平高、生产设备先进，并形成了规模化经营。

世界上硅酸钠基本上被发达国家的大公司垄断。

美国是硅酸钠的生产和消费大国，其国内有17个生产厂，年产量近150万吨，美国PQ公司是目前全球最大的硅酸钠制造商，年生产能力近100万吨，包括其国外的公司有40多个厂，总产量已占世界产量的1/5以上[10]。

欧洲硅酸钠也很发达，德国、英国、法国、意大利等国家的生产能力都较高，突出的有法国的罗地亚（Rhodia）、德国的德固萨（Degussa）、英国的Crosfield Chemicals等跨国公司。

国外公司中，美国的硅酸钠生产装置的开工率很高，达到95%以上，欧洲在75%左右。

在亚太地区，除中国外，日本、韩国是主要的生产商[11]。

2004年，日本硅酸钠年生产能力80万吨，被7个公司垄断，其中德山曹达公司年产量40万吨。

韩国年生产能力为约70万吨，主要是法国罗地亚（Rhodia）公司在韩国建立工厂。

由于日本、韩国都是国内资源比较匮乏的国家，生产硅酸钠的原料及燃料几乎全部进口，韩国罗地亚（Rhodia）生产线在2007年底停止生产，之前，日本许多企业已经停产，主要依靠从中国进口[12]。