碳酸氫鈉溶液工業干燥工藝設計

楊帥龍，高 姣

(河南能源化工集團永城永金化工有限公司，河南永城 476600)

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碳酸氫鈉溶液工業干燥工藝設計

楊帥龍，高 姣

(河南能源化工集團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原料，但工業化生產技術報道較少。通過對工藝流程的設計，實現碳酸氫鈉溶液低溫蒸發干燥。采用該技術既可以避免碳酸氫鈉加熱過程中分解，又實現廢水回收利用。其設備少，成本低，對工業生產具有重要指導意義。

碳酸氫鈉；干燥；工藝；設計

碳酸氫鈉，又名小蘇打，分子式NaHCO3，是一種重要的工業原料，其廣泛應用于制藥工業，可治療胃酸過多、腎病預防及心肺復蘇等方面[1-2]；另外碳酸氫鈉還可以用于滅火器、民用生活及發泡工業[3]中。但碳酸氫鈉是一種受熱容易分解的物質，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 ℃時既已明顯開始[5]，因此眾多科研人員對碳酸氫鈉的熱分解從動力學[6-8]和熱力學[9]上進行研究，試圖提高其分解溫度。然而目前對碳酸氫鈉制備工藝鮮有報道，更無從談起工藝技術的改進，故本文試圖通過工藝設計，解決碳酸氫鈉濕法干燥問題，這對工業生產具有重大作用。

1 設計原理

根據克勞修斯-克拉貝龍方程，可知隨著壓力的降低，物質的沸點也會降低。水在標準大氣壓下的沸點為100 ℃，當壓力降低至0.01 MPa(絕壓)時，其沸點約為 45 ℃，因此在該溫度下進行蒸發，可以有效避免NaHCO3分解。

2 工藝設計

2.1 流程敘述

將需要蒸發干燥的碳酸氫鈉溶液送入蒸發容器H101A或H101B內，通過H101設備內的蒸汽管道對碳酸氫鈉溶液進行加熱，達到水分的沸點后，水分蒸發進入冷凝器E101(設計中采用列管式換熱器)中，經過循環水冷卻，水蒸汽被冷凝下來進入V102中，通過P101送去廢水處理。而H101中經蒸發后的碳酸氫鈉濃溶液進入M101進行離心分離，分離后的NaHCO3進入干燥系統進行風干，而離心出的上層清液進入原料液中，在下次進料時重新進行蒸發，回收利用(見圖1)。

圖1 NaHCO3溶液干燥設計圖

2.2 衡算與選型

2.2.1 物料衡算

該裝置為間隙蒸餾，設計H101內可存儲10 t質量分數為5%的碳酸氫鈉溶液，蒸餾結束為防止溶液結晶后堵塞管道，假設最終殘留有1 t碳酸氫鈉飽和溶液。在蒸發溫度為50 ℃時，碳酸氫鈉的溶解度為14.45，因此出料時飽和溶液中碳酸氫鈉的質量分數為12.6%。

進料中水為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，因此其水分蒸發速度不同，因此我們假設蒸餾10 h，那進入E101的水蒸汽平均質量流量為862.6 kg/h。

2.2.2 換熱器選型

經蒸發的水蒸汽進入換熱器E101，計算過程中的參數如表1所示。

表1 換熱器設計相應參數表

水蒸汽冷卻過程中的熱負荷:

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的比焓差

冷卻水的消耗量:A=Q/[Cp(T2-T1)]=27.9 t/h

水蒸汽進口端溫差:Δt2=50-38=12 ℃

凝液出口端溫差:Δt1=35-20=15 ℃

校正系數輔助量:R=0.833，P=0.5

查表可知溫度校正系數為φ=0.87>0.8

在換熱器生產中采用逆流換熱，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 ℃

假設整個過程中的總傳熱系數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

換熱管規格及材質的選定。我們選用φ25×2.5鋼管，內徑d為20 mm，列管長度L選擇6 m。

列管數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設計列管分布圖

此時總換熱面積S1=NπdL=110×3.14×0.02×6=41.448 m2

實際總換熱系數K1=Q/S1Δtm=1207 W/(m2·K)

2.3 工藝指標及設備配置

工藝指標：

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%。

設備配置：H101可選用容積大于15 m3，設計壓力小于-0.01 MPa的蒸發釜，如江都市鵬飛化工設備廠真空蒸發釜。

V101和V102可選擇容積小于2 m3，設計壓力小于-0.01 MPa的壓力容器，如江蘇永大化工機械有限公司的壓力容器。

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

M801可選用雙級活塞推料離心機，轉速大于1 000 r/min，如重慶江北機械化工有限責任公司。

3 生產優點

碳酸氫鈉溶液在進料前，通過真空泵將蒸發容器H101的壓力降至10 kPa(絕對壓力)。生產中通過加入蒸汽控制H101內的溫度在50 ℃，此時既保證溶劑的蒸發，又避免了碳酸氫鈉的分解，可實現溶液濃縮。在設計中，最好在設備H101內安裝攪拌裝置，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。

蒸發產生的水分如果質量不合格可以送至廢水處理廠，如果質量合格可以直接回收，經過自然降溫后，可以用于生產循環水返回E101對水蒸汽進行冷卻降溫，節能降耗，降低生成成本。另外，當H101內由于加熱失水過度時，可以及時通過P101將水補入H101內，防止H101內部碳酸氫鈉濃溶液粘度過大，堵塞下料管道。

除此之外，該設計設備少、工藝簡單、投資少，即可以適用于大規模工業化生產，也可以用于中試實驗和作坊式生產，應用性強。

但從離心機出料后深度干燥，目前仍為自然風干效率較低.而張玉倩[10]實驗時采用冷凍干燥，如果應用于該設計中，成本相對較高。

4 展 望

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

[1] 李闖，張春曉，來中海，等.碳酸氫鈉在急診心肺復蘇中的應用[J].醫學信息, 2011, 24(3): 1276-1277

[2] 孫海磊，嚴中亞.心臟術后應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].化學教與學, 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熱分解動力學研究[J].陜西民族大學學報，2003,29(3)：301-305

[7] 鄒文樵，馮仰婕.碳酸氫鈉熱分解反應非等溫動力學研究[J].華東化工學院學報, 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力學數據測定及模型探討[J].純堿工業,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].燃料科學與技術, 2009，15(2): 135-140

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

TQ114.1

B

1005-8370(2016)04-27-03

2016-05-06

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