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1、 毕 业 设 计 (论 文) 说 明 书题 目 200 kt/a烧碱装置氯气、氢气处理工序的初步设计作 者 系 别 材料与化学工程系专 业 无机化工99.1班指 导 教 师 毕业设计（论文）任务书学生姓名 专 业 无机化工 班 级 99.1 班 指导教师 （签名）题 目 200 kt/a烧碱装置氯气、氢气处理工序的初步设计 原始数据200 kt/a烧碱装置Cl2、H2处理，年工作日330天，其余数据以工厂实际收集数据为准。说明书内容：1 进行工序工艺流程设计，绘制带控制点的工艺流程图；2 进行工序物料、热量衡算，并编制物、热平衡数据表；3 进行工序设备设计或选型，编制设备一览表；4 绘制主要设
2、备的设备图；5 编制工序初步设计说明书。图纸要求学生综合训练方面的要求：完成期限：2003年2月24日至2003年6月2日教研室主任： （签名） 年 月 日目 录第一篇 氯气处理 1 第一章 总论 1一 概述 1二 氯气处理的任务和方法 1三 工艺流程简介 2第二章 氯气工艺计算 4一 氯气处理工艺流程 4 二 计算依据 4三 工艺计算 5（一） 第一钛冷却器 5（二） 第二钛冷却器 8 （三） 硫酸干燥塔（填料塔） 10（四） 硫酸干燥塔（泡罩塔） 11第三章 主要设备设计及选型 13一 第一钛冷却器 13二 第二钛冷却器 20 三 硫酸干燥塔（填料塔） 25四 硫酸干燥塔（泡罩塔） 27五
3、 除沫器 28 第二篇 氢气处理 29 第一章 总论 29一 概述 29 二 氢气处理工艺流程确定 30第二章 工艺计算 31 一 氢气处理工艺流程 31二 计算依据 31三 工艺计算 32（一）一段洗涤冷却塔 32 （二）二段洗涤冷却塔 34第三章 主要设备设计及选型 36一 一段洗涤塔 36二 二段洗涤塔 37三 主要管径 38 四 氢气输送设备 39五 水输送泵 39 六 液封循环水池 39七 氢气缓冲罐 39 主要设备一览表 40设计评述 41 参考文献 42 第一篇 氯气处理第一章 总论一. 概述1. 氯气氯气Cl2，分子量70.906，常温下，氯是黄绿色，具有使人窒息气味的气体，有
4、毒。氯气对人的呼吸器官有强烈的刺激性，吸入过多时还会致死。氯气比空气重，约为空气的2.5倍。氯气能溶于水，但溶解度不大，温度越高氯气在水中的溶解度越小。氯气溶于水同时与水反应生成盐酸和次氯酸，因此氯水具有极强的腐蚀性。氯气在四氯化碳，氯仿等溶剂中溶解度较大，比在水中的溶解度约大20倍。工业上利用氯气在四氯化碳中有较大溶解度这一特点，用四氯化碳吸收氯碱厂产生的所有废氯，然后再解吸回收氯气。氯气的用途极为广泛，重要用途如：杀菌消毒、漂白及制浆、冶炼金属、制造无机氯化物、制造有机氯化物及有机物。2. 氯碱工业在国民经济中的地位食盐电解联产的烧碱、氯气、氢气，在国民经济的所有部门均很需要，除应用于化学
5、工业本身外，有轻工、纺织、石油化工、有色金属冶炼和公用事业等方面均有很大用途，作为基本化工原料的“三酸二碱”中，盐酸烧碱就占了其中两种，而且氯气和氢气还可进一步加工成许多化工产品。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及到国民经济及人民生活的各个领域。3. 氯碱工业的特点氯碱工业的特点除原料易得、生出流程短外，主要还有三个突出问题:能量消耗大；氯与碱的平衡；腐蚀和污染。二. 氯气处理的任务和方法从电解槽出来的湿氯气，一般温度较高，并伴有大量水蒸汽及盐雾等杂质。这种湿氯气，对钢铁及大多数金属有强烈的腐蚀作用，只有某些金属材料或非金属材料在一定条件下，才能耐湿氯气的腐蚀。例如金属钛，聚氯乙烯、酚醛树脂、陶瓷
6、、玻璃、橡胶、聚酯、玻璃钢等因而使得生产及运输极不方便。但干燥的氯气对钢铁等常用材料的腐蚀在通常情况下时较小的，所以湿氯气的干燥时生产和使用氯气过程中所必须的。氯气干燥前通常先使氯气冷却，使湿氯气中的大部分水蒸汽被冷凝除去，然后用干燥剂进一步出去水分。干燥后的氯气经过压缩，再送至用户。在不同的温度与压力下气体中的含水量可以用水蒸汽分压来表示。在同一压力下，温度愈高，含水量愈大。其水蒸汽分压也就愈高。为了使氯气能用钢铁材料制成的设备及管道进行输送或处理，要求氯气的含水量小于0.05%（如果用透平压缩机输送氯气，则要求含水量小于100ppm）。因此必须将氯气中的水分进一步除去。在工业上，均采用浓硫
7、酸来干燥氯气，因为浓硫酸具有：（1）不与氯气发生化学反应；（2）氯气在硫酸中的溶解度小；（3）浓硫酸有强烈的吸水性；（4）价廉易得；（5）浓硫酸对钢铁设备不腐蚀；（6）浓硫酸可以回收利用等特点，故浓硫酸时一种较为理想的氯气干燥剂。当温度一定时，硫酸浓度愈高、其水蒸汽分压愈低；当硫酸浓度一定时，温度降低，则水蒸汽分压也降低。也就是说硫酸的浓度愈高、温度愈低，硫酸的干燥能力也就愈大，即氯气干燥后的水分愈少。但如果硫酸的温度太低的话，则硫酸与水能形成结晶水合物而析出。因此原料硫酸与用后的稀硫酸在储运过程中，尤其在冬季必须注意控制温度和浓度，以防止管道堵塞。硫酸浓度在84%时，它的结晶温度为+8，所以
8、在操作中一般将H2SO4温度控制在不低于10。此外，硫酸与湿氯气的接触面积和接触时间也是影响干燥效果的重要因素。故用硫酸干燥湿氯气时，应掌握以下几点：（1）硫酸的浓度，（2）硫酸温度，（3）硫酸与氯气的接触面积和接触时间。生产中使用的氯气还需要有一定的压力以克服输送系统的阻力，并满足用户对氯气压力的要求。因此在氯气干燥后还需用气体压缩机对氯气进行压缩。综上所述，氯气处理系统的主要任务是：1 氯气干燥； 2. 将干燥后的氯气压缩输送给用户；3. 稳定和调节电解槽阳极室内的压力，保证电解工序的劳动条件和干燥后的氯气纯度。三工艺流程简介1 氯处理工艺 根据氯处理的任务氯处理的工艺流程包括氯气的冷却、
9、干燥脱水、净化和压缩、输送几个部分。 氯气的冷却氯气的冷却因方式的不同，可分为直接冷却、间接冷却和氯水循环冷却三种流程。直接冷却流程：工艺设备投资少，操作简单，冷却效率高，但是，此流程排出的污水含有氯气，腐蚀管路，污染环境，同时使氯损失增大，且耗费大量蒸汽。间接冷却流程：操作简单，易于控制，操作费用低，氯水量小，氯损失少，并能节约脱氯用蒸汽。冷却后氯气的含水量可低于0.5。氯水循环冷却流程：冷却效率高，操作费用低于直接冷却法，高于间接冷却法，投资比前者告而低于后者。缺点是热交换器所用冷却水温度要求低于15，因此需要消耗冷冻量并需增设氯水泵、氯水循环槽使流程复杂化。 氯气的干燥氯气干燥时均以浓硫
10、酸为干燥剂，分为填料塔串联硫酸循环流程和泡沫塔干燥流程。填料塔串联硫酸循环流程：该流程对氯气负荷波动的适应性好，且干燥氯气的质量稳定，硫酸单耗低，系统阻力小,动力消耗省。但设备大，管道复杂，投资及操作费用较高。泡沫塔干燥流程：此流程设备体积小，台数少，流程简单，投资及操作费用低。其缺点时压力降较大，适应氯气负荷波动范围小，塔板易结垢，同时由于塔酸未能循环冷却，塔温高，因此出塔氯气含水量高，出塔酸浓度高故酸耗较大。 氯气的净化氯气离开冷却塔，干燥塔或压缩机时，往往夹带有液相及固相杂质。管式、丝网式填充过滤器是借助具有多细孔通道的物质作为过滤介质，能有效地去除水雾或酸雾，净化率可达9499，而且压
11、力降较小，可用于高质量的氯气处理。2 工艺流程的确定氯处理工艺流程根据以上各流程的优缺点最后确定氯气处理工艺流程如下：两段列管间接冷却，硫酸干燥塔（填料塔），硫酸干燥塔（泡罩塔）串联干燥流程。此工艺效果好，氯气输送压力大，设备少，系统阻力小，操作稳定，经济性能优越。第二章 氯气工艺计算一.氯气处理工艺流程氯气处理工艺流程见下，据此进行物料衡算和热量衡算。 图2-1 氯气处理工艺流程图湿氯气由电解到氯处理室外管道，温度由85降至80后进入氯处理系统，有部分水蒸气冷凝下来，并溶解氯气。进入第一钛冷却器冷却至46，再经过二钛冷却器冷却至18。然后进入一段硫酸干燥塔，用80硫酸干燥脱水，出塔硫酸浓度降
12、到60，出塔气体最后进入二段硫酸干燥塔，用98硫酸干燥脱水，出塔硫酸浓度降到75%,此时出塔的气体含水量以完全满足输送要求，经除沫器进入透平式氯压机，经压缩后送至用户。二 .计算依据1 生产规模：200kt/a100%NaOH；2年生产时间（按年工作日330天计算）：33024=7920小时；3计算基准：以生产1t100%NaOH为基准；4来自电解工序湿氯气的工艺数据见下表：表2-1 来自电解工序湿氯气的温度、压力和组成项目氯气备注项目氯气备注温度，85氯气，kg/t100%NaOH88512.50mol总压（表），Pa-10不凝性气体（假设为空气，下同）kg/t100%NaOH150.52k
13、mol水蒸汽，kg/t100%NaOH310成分，%（干基）（v/v）96气体总量，kg/t100%NaOH1187 三. 工艺计算（一）第一钛冷却器1计算依据假设湿氯气经电解到氯处理室，温度由90降至80，进入氯处理系统。电解氯气经一段洗涤塔冷却，温度从80降至46。由资料查知相关热力学数据：氯气在水中溶解度：80: 0.002227 kg/kgH2O 56: 0.00355 kg/kgH2O水蒸汽分压： 80: 45.77kPa 46: 10.1104kPa水的比热： 50: 4.1868J/(g) 25: 4.1796 J/(g) 表2-2 相关热力学数据物料与项目单 位温 度 8046
14、氯气比热容Kcal/(mol)8.3648.2902水蒸气热焓kcal/kg631.4617.42不凝气比热kcal/kg0.24260.2426 2物料衡算设管路中冷凝下来的水量为W1kg，因氯气在水中的溶解度很小，其溶液可视为理想溶液。由于系统总压为98.07pa，所以计算时可视为101.227kpa。由道尔顿分压定律得：P水/P总=n水/n总 解得W1=117.097kg故溶解的氯气量：0.002227117.097=0.26kg氯水总重量：117.097+0.26=117.357kg由上述计算得知，进入第一钛冷却器的气体组分为：氯气 8850.26=884.74kg水蒸气 310117
15、.097=192.903kg不凝气体 15kg氯气在一段钛冷却器中温度从80降至46设在第一钛冷却器中冷凝的水量为W2kg，其阻力降为359.81pa（35mmH2O），则出口氯气的总压为-409.81PaP总=101.227359.8110-3=100.933 kpa根据道尔顿定律有：解得：W2=166.946kg溶解氯气的量为：166.9460.00355=0.593kg氯水总重量为：166.946+0.593=167.539kg因此出第一钛冷却器的气体组分为：氯气 884.740.593=884.147kg水蒸气 192.903166.946=25.957kg不凝气体 15kg物料衡算表
16、 a.以生产1t100%NaOH为基准表2-3 第一钛冷却器物料衡算表名称进第一钛冷却器kg/t 100NaOH出第二钛冷却器kg/t 100NaOH氯气88474884147水蒸气19290325957不凝气体1515氯水167539总计10926431092643 b.总物料衡算表2-4 第一钛冷却器总物料衡算表名称进第一钛冷却器kg/t 100NaOH出第二钛冷却器kg/t 100NaOH氯气176948000176829400水蒸气385806005191400不凝气体30000003000000氯水33507800总计2185286002185286003热量衡算气体带入热量a.氯气
17、带入热量：Q1=884.74/718.364804.1868=34909kJb.水蒸气带入热量：Q2=192.903631.44.1868=509948kJc.不凝气体带入热量：Q3150.2444.1868801226kJd.氯气溶解热：Q40.593/7122090185kJQ=34909+509948+1226+185=546268kJ气体带出热量a.氯气带热量：q1884.147/718.2902464.186819883kJb.水蒸气带热量：q225.957617.424.186867099kJc.不凝气体带出热量：q3150.24264.186846701kJd.氯水带出热量：q4
18、167.5394.18285639244kJ q1988367099701+39244126927kJ冷却水用量冷却水采用工业上水，设进口温度t120，出口温度t230。定性温度: T =（t2t1）/2=（2030）/2=25Q =WCCPC(t2t1) (21)其中，Q传热速率，W WC流体质量流量，kg/s CPC流体比热容，kJ/(kg) t温度，。则第一钛冷却器用水量为：WC1=Q/ CPC(t2t1)=10032 kg/t100NaOH 冷却水带入热量：100324.179620838595kJ冷却水带出热量：100324.1796301257892kJ第一钛冷却器热量衡算表 表2
19、-5 第一钛冷却器热量衡算表输入输出物料名称数量 kg热量 kJ物料名称数量 热量 kJ氯气884.7434909氯气884.14719883水蒸气192.903509948水蒸气25.95767099不凝气体151226不凝气体15701溶解热185氯水167.53939244冷却水10032838595冷却水100321257892总计11224.6431.385106总计11124.6431.385106（二）第二钛冷却器1计算依据电解氯气经二段洗涤塔冷却，温度从46降至18。氯水温度为20。出口氯气总压力为-1009.81pa（100 mmH2O）。由资料查得相关热力学数据如下：氯气在
20、水中溶解度：20: 0.00729 kg/kgH2O氯气比热容：18: 8.227 kcal/(mol)水蒸气分压：18: 2.0776kPa水蒸气热焓：18: 605.34kcal/kg不凝气体比热：18: 0.2418kcal/(kg)水的比热： 6: 4.1999 J/（g）2物料衡算设在第二钛冷却器总冷凝水量为W3kg，其阻力降为609.81pa（60 mmH2O），P总=100.933609.8110-3=100.344 kpa则由道尔顿定律有： 解得W3=19.608kg溶解氯气量：19.6080.00729=0.143kg氯水总量：19.608+0.143=19.751kg因此出
21、第二钛冷却器的气体组分为：氯气 884.1470.143=884.004kg水蒸气 25.95719.608=6.349kg不凝气 15kg物料衡算表a.以生产1t100%NaOH为基准表2-6 第二钛冷却器物料衡算表名称进第一钛冷却器kg/t100%NaOH出第一钛冷却器kg/t100%NaOH氯气884.147884.004水蒸汽25.9576.349不凝气1515氯水19.751总计925.104925.104b.总物料衡算表2-7 第二钛冷却器总物料衡算表名称进第二钛冷却器kg/t 100NaOH出第二钛冷却器kg/t 100NaOH氯气176829400176800800水蒸气519
22、14001269800不凝气体30000003000000氯水3950200总计1850208001850208003热量衡算 气体带入热量若不考虑管道散热，则物料带入热量等于物料出一段钛冷却器的热量，即a.氯气带入热量：Q5=19883kJb.水蒸气带入热量：Q6=67099kJc.不凝气体带入热量：Q7617kJd.氯气溶解热：Q822.091030.143/7144kJQ=19883+67099+617+4487643kJ气体带出热量a.氯气带出热量：q5884.004/718.227184.18687720kJb.水蒸气带出热量：q66.349605.344.186816091kJc.
23、不凝气体带出热量：q7150.24184.186818273kJd.氯水带出热量：q819.7514.1819201652kJq7720+16091+273+165225736kJ冷冻水用量冷冻水进口温度为4，出口温度为8，则二段冷却器冷冻水用量为：WC2= Q/ CPC(t2t1)=3685冷冻水带入热量：36854.1999461907kJ冷冻水带出热量：36854.19998123813kJ第二钛冷却器热量衡算表表2-8 第二钛冷却器热量衡算表输入输出物料名称数量 kg热量 kJ物料名称数量 热量 kJ氯气884.14719883氯气884.0047720水蒸气25.95767099水蒸
24、气6.34916091不凝气体15617不凝气体15273溶解热44氯水19.7511652冷冻水368561907冷冻水3685123813总计4610.1041.496105总计4610.1041.496105（三）硫酸干燥塔（填料塔）1计算依据入塔硫酸浓度80，温度为15，出塔硫酸浓度60，温度为30。干燥后的氯气含水量为100ppm。2物料衡算计算中忽略氯气在硫酸中的溶解损失，设每千克80的硫酸吸收的水分为W3kg，则W380/6010.3333设干燥所需80硫酸量为W4,则0.0001 解得W418.794假定各种因素造成硫酸的损耗为15，则需硫酸量为：18.7941.1521.61
25、3填料塔流出的稀酸量为：18.7941.333318.7940.1527.877干燥后氯气中含水量：6.3490.333318.7940.085出填料塔气体组分为：氯气 884.004 水蒸气 0.085 不凝气体 15物料衡算表 a.以生产1t100%NaOH为基准表2-9 硫酸干燥塔（填料塔）物料衡算表名称进填料塔kg/t 100NaOH出填料塔kg/t 100NaOH氯气884004884004水蒸气63490085不凝气体1515硫酸2161327877总计926966926966 b.总物料衡算表2-10 硫酸干燥塔（填料塔）总物料衡算表名称进填料塔kg/t 100NaOH出填料塔k
26、g/t 100NaOH氯气176800800176800800水蒸气126980017000不凝气体30000003000000硫酸43226005575400总计185393200185393200（四）硫酸干燥塔（泡罩塔）1.计算依据进塔硫酸浓度为98，温度为13；出塔硫酸浓度为75，温度为28。干燥后氯气含水量1.0105。2物料衡算设每千克98硫酸吸收的水分为W5,则W50.98/0.7510.3067设干燥所需98流酸为W6，1.0105 解得W6=0.25假设各种因素造成的硫酸损耗为15，则需硫酸量为：0.251.150.2875泡罩塔流出稀酸的量为：0.251.30670.250
27、.150.3642干燥后氯气含水量为：0.0850.30670.250.0083出泡罩塔气体组分为： 氯气 884.004 水蒸气 0.0083 不凝气体 15氯气纯度:100%=96% (V/V) 物料衡算表 a.以生产1t100%NaOH为基准表2-11 硫酸干燥塔（泡罩塔）物料衡算表名称进泡罩塔kg/t 100NaOH出泡罩塔kg/t 100NaOH氯气884004884004水蒸气008500083不凝气体1515硫酸0287503642总计89937658993765 b.总物料衡算表2-12 硫酸干燥塔（泡罩塔）总物料衡算表名称进泡罩塔kg/t 100NaOH出泡罩塔kg/t 10
28、0NaOH氯气176800800176800800水蒸气170001660不凝气体30000003000000硫酸5750072840总计179875300179875300第三章 主要设备设计及选型一. 第一钛冷却器1确定设计方案从电解槽出来的氯气，一般温度较高，并伴有大量水蒸气及盐雾等杂质。这种湿氯气对钢铁及大多数金属有强烈的腐蚀作用，只有某些金属材料或非金属材料在一定条件下，才能耐湿氯气的腐蚀。所以决定选用钛材料的列管作换热管，冷却水走壳程，湿氯气走管程，并且采用逆流流向。氯气进口温度80，出口温度46；冷却水进口温度20，出口温度30。2确定物性数据流体平均温度Tm和tmTm1（TiT
29、o）/2（8046）/263tm1（tito）/2（2030）/225平均温度下的物性数据 表3-1 物性数据物料项目单位数据物料项目单位数据水密度g/cm30.99708氯气密度Kg/m357.84粘度pas0.0008937粘度p1516.810-7导热系数W/(m)0.60825导热系数Kcal/(mh)0.00819比热容J/(g)4.1796比热容Cal/(mol)8.324水蒸气密度Kg/m30.1506不凝气体密度Kg/m31.016粘度Kgfs/m21.07510-6粘度Kgfs/m22.059导热系数Kcal/(mh)0.01895导热系数W/(m)0.02917比热容Kca
30、l/(kg)0.459比热容Kcal/(kg)0.243平1516.81070.180.97+1.0751069.8117.66+2.0191069.811.3714.42106pas平57.8480.97+0.150617.66+1.011.3746.874/m3平0.81910280.97+1.89510217.66+2.4251021.371.33102kcal/(mh)1.547102w/(m)Cp平8.324/10007180.97+0.45917.66+0.2431.370.563kcal/(kg)=2.357J/(g)3设计计算计算依据：由氯碱工业理化常数手册中查知，第一钛冷却器
31、的总传热系数范围在350550 kcal/(m2h)，即407.05639.65 w/(m2)热负荷QQ =(546268-126927)200000/7920=10589419kJ/h=2941.7kw假设k=500 w/(m2)则估算的传热面积为A=Q/Ktm (3-1)其中，Q换热器热负荷，W K总传热系数，W/(m2) tm对数平均温差，.tm=36.7则由式（3-1）有A =2941.7103/(50036.7)=160.3考虑10的面积裕度，则所需传热面积为：A0 =1.1A=1.1160.3177选用19.052，6m长的Ti0.3Mo0.8Ni钛钢管，则所需管数N= (3-2)
32、其中， A0传热面积， d换热管外径，m l换热管长度，m 。N =502根参考碳钢19排管图, 确定排管总数为518根，Dg 700mm，管程，管子采用三角形排管, 管心距 24 折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25，则切去圆缺高度为h0.25700175，折流板间距取B=0.8DG0.8700=560，折流板厚度16折流板数Nb=1 (3-3)=110块拉杆 参考钛制化工设备设计知，拉杆数量为6，拉杆直径为10接管a.壳程流体进出口接管取接管内流体流速为u12m/s，则接管内径为：D1= (3-4)其中，V流体的体积流量，m3/s u流体在接管中的流速，m/s。 D1
33、0.212mb.管程流体进出口接管取接管内流体流速为u220 m/s则接管内径为：D2 =0.102m圆整后，取壳程流体进出口接管规格为：2738，管程流体进出口接管规格为1336。4第一钛冷却器的核算（1）壳程流体传热膜系数o 用克恩法计算 o0.36（）Re0.55Pr1/3（）0.14 (3-5) 其中，导热系数，W/(m2)，de公称直径，m，Re雷诺准数，无因次，Pr普兰特准数，无因次。a.当量直径：de (3-6)0.0143m 其中，t管间距，m， do换热管外径，m b.壳程流通截面积 So BD(1-) (3-7)0.560.7（10.01905/0.024）0.08 其中，B折流板间距，m， D壳体公称直径，m， c.壳程流体流速 uoVs/So
