毕业设计 - 6万吨隔膜法制烧碱中氢气的处理工序初步设计

毕业设计任务书

设计（论文）题目： 6万吨/年隔膜法制烧碱氢气处理工序装置的设计 1．毕业设计的主要内容及基本要求

a、设计方案简介：包括对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。

b、主要设备的工艺设计计算：包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计。

c、典型辅助设备的选型和计算：包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。

d、工艺流程简图：以单线图的形式绘制，标出主要设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点。

e、主要设备工艺条件图：包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。 f、编写设计说明书：包括设计任务书、目录、设计方案简介与评述、工艺设计及计算、主要设备设计、设计结果汇总表、参考资料等内容，并附工艺流程图和主要设备结构总装图。

2．指定查阅的主要参考文献及说明 a、氯碱工艺

b、化工原理课程设计 c、物性手册

d、常用化工单元设备的设计 e、化学工程手册 f、化工工艺设计手册 3．进度安排 设计各阶段名称 1 2 3 文献查阅 开题报告 设计工作 起 止 日 期 2008年3月16日（第二周末）前完成 2008年3月23日（第三周末）前完成；开展初期教学检查 2008年3月26日至2007年5月25日（第十二周末）完全结束；开展中期教学检查 4 提交设计（论文）初稿 2008年6月1日（第十三周末） 5 答辩时间 2008年6月16日~6月20日（第十五周）

目 录

1 总论 .......................................................... 1

1.1 概述.......................................................... 1

1.1.2氯碱工业在国民经济中的地位 ......................................1

1.1.3氢气处理的任务和方法 ............................................2

1.2氢气处理工艺流程确定 ............................................ 2

2 工艺计算........................................................ 3 2.1氢气处理工艺流程 .......................................................3 2.2计算依据 ...............................................................3 2.3工艺计算 ...............................................................4

2.3.1电解饱和食盐水 ..................................................4

2.3.2盐水氢气热交换器 ................................................4

2.3.3洗涤冷却塔 ......................................................7

3 主要设备设计及选型 ............................................ 10

3.1盐水氢气热交换器 .............................................. 10

3.1.1相关物性数据： ................................................ 10 3.1.2平均密度，比热容，黏度，导热系数

3.1.3设计计算 ...................................................... 11

3.1.4总传热系数的校核 .............................................. 17 3.1.5核算压强降 .................................................... 21 3.1.6换热器附件 .................................................... 24 3.2水洗涤冷却塔 ........................................................ 25 3.3氢气输送设备 ........................................................ 31 3.4水输送泵 ............................................................ 31 3.5液封循环水池 ........................................................ 32 3.6氢气缓冲罐 .......................................................... 32

4 设计评述 ......................................... 34 5 参考文献 ......................................... 34 6 致谢 ................................ 错误！未定义书签。 7 附图 ................................ 错误！未定义书签。

Ⅲ

1 总论

1.1 概述 1.1.1氢气

氢气H2,分子量2.016，在常温下为无色，无味，无臭的可燃气体；密度在0℃；760mmHg时为0.08987g/l，沸点为-252.7℃；结晶温度是-259.1℃；对空气之比重是0.0695；在水中溶解度很小，标准状态下溶于水中之氢气体积为0.0215。而在镍、钯和铂内的溶解度很大，1体积能解几百体积氢。

氢气是最轻的气体，最常见的用途是充填氢气球和氢气飞艇。其实氢气是重要的化工原料。如：氢气和氮气在高温、高压、催化剂存在下可直接合成氨气，目前，全世界生产的氢气约有2/3用于合成氨工业。在石油工业上许多工艺过程需用氢气，如加氢裂化，加氢精制、加氢脱硫、催化加氢等。氢气在氯气中燃烧生成氯化氢，用水吸收得到重要的化工原料盐酸。氢气在氧气中燃烧的火焰氢氧焰可达3000℃高温，可用于熔融和切割金属。氢气和一氧化碳的合成气，净化后经加压和催化可以合成甲醇。在食品工业上，氢气用于动植物油脂的硬化，制人造奶油和脆化奶油等。在冶金工业中，利用氢气的还原性提炼贵重金属。氢气还可以提供防止氧化的还原气氛。氢气除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外，还用于炼钨、生产多晶硅以及有机化合物的加氢等。

随着新技术的发展，氢气的应用将更为广泛和重要。氢气是最理想的无污染燃料，液氢还有希望成为动力火箭的推进剂。

1.1.2氯碱工业在国民经济中的地位

近年来，氯碱工业的技术进步体现在盐水精制、电解过程、固碱生产、氯氢处理、自动控制等生产全过程，新技术的应用推动着氯碱工业不断发展。

烧碱是主要的化工原料之一，它广泛用于国民经济个部门，如果用于纺织印染工业，处理棉麻，蚕丝，化学纤维等；用于造纸工业，处理木材等纤维；用于肥皂工业，进行油脂皂化等；还有作精炼油及金属铅，作干燥剂或作化工生产的原料及医药工业等方面的用途。烧碱分为液体烧碱和固体烧碱，烧碱的化学性质很活泼，能与酸强烈反应生成盐和水，并放出大量热，烧碱的腐蚀性很强，特别在高浓度和高温时，对钢铁有严重腐蚀作用。固碱一般为白色固体。暴露在空气中易吸收水分而潮解，湿润固碱对生物有侵蚀作用。固碱易溶于水，并产生大量的热，亦能溶于醇类，但不溶于丙酮。由于它吸水性强，可用作干燥剂。

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

1

应用于化学工业本身外，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。

1.1.3氢气处理的任务和方法

从电解槽出来的氢气,其温度稍低于电解槽槽温,并含有饱和水蒸汽,同时还带有盐和碱的雾沫.所以在生产过程中应进行冷却和洗涤,冷却后的氢气有氢气压缩机压缩到一定压力后经氢气分配站送到氢气柜及用氢部门。

1.2氢气处理工艺流程确定

电解槽阴极出来的90℃氢气，含有水蒸汽，盐，碱雾沫，少量氯气等其他杂质，一般采用间接和直接法除去，达到要求。鉴于本次设计中部充分考虑热综合利用，故采用直接法工艺，以简化流程和投资。

其选择流程为电解来的氢气经过气体缓冲罐后，进入盐水氢气热交换器，预热盐水，热量回收后，盐水温度上升10℃，去电解槽电解。这样既节约氢气冷却所需耗用的水量，有减少了盐水提高到进电解槽温度所需的蒸汽消耗。

由盐水氢气热交换器出来的氢气（约50℃）进入洗涤填料塔，经洗涤冷却至冷却至30℃，氢气中大部分固体杂质及蒸汽冷凝水被冷却水带走排入热水池，而氢气则从塔顶出来进入罗茨鼓风机（氢气压缩机），抽送至用户。

公用系统来自工业水，经与氢气换热后进入水池，再用泵抽吸返回公用系统制冷后，再次循环使用。既节约用水又避免工业上水带入大量钙镁与氢气带来的碱反应，使生成的氢氧化钙和氢氧化镁沉淀堵塞填料。

2

2 工艺计算

2.1氢气处理工艺流程

氢气处理工艺流程图见下，据此进行物料衡算和热量衡算：

盐水湿氢气缓冲罐盐水换热器盐水水水洗涤塔水除雾器罗茨鼓风机 图2-1 氢气处理工艺流程图

电解来的氢气经过气体缓冲罐后，进入盐水氢气热交换器，预热盐水，热量回收后，盐水温度上升10℃，去电解槽电解。这样既节约氢气冷却所需耗用的水量，有减少了盐水提高到进电解槽温度所需的蒸汽消耗。

由盐水氢气热交换器出来的氢气（约50℃）进入洗涤填料塔，经洗涤冷却至冷却至30℃，氢气中大部分固体杂质及蒸汽冷凝水被冷却水带走排入热水池，而氢气则从塔顶出来进入罗茨鼓风机（氢气压缩机），抽送至用户。

2.2计算依据

1．计算基准

以1000kg 100%NaOH产氢量做计算基准 2．操作压力

一个标准大气压（1 atm=101.33 kpa） 3．操作温度

管道 盐水氢气热交换器 洗涤冷却器 用氢部门 90?C 80?C 50?C 30?C 4．氢气纯度

大于等于98%

3

5．年操作时间

330天=300?24小时=7928小时 6．年产量

6万吨烧碱100%产氢 7．相关物性数据

表2-1 不同温度下的物料的物性数据

物料 湿氢气（H2）

空气 水蒸汽 水饱和蒸汽

压 水（液）

项目 Cp KJ/Kg?k

Cp KJ/Kg??C

?H

温度

80?C 14.456 1.009 2642.3 47.397 —

50?C 14.427 1.005 2587.4 12.340 209.30

30?C 14.375 1.005 2549.3 4.2474 125.69

25?C — — — — 104.795

KJ/Kg KPa

?H

KJ/Kg

2.3工艺计算

2.3.1电解饱和食盐水

电解槽中的电化学和化学反应 阳极反应：

2Cl??2e?Cl2?

4OH6ClO???4e?O2?2H2O?3

?4Cl??3H2O?6e?2ClO?6H??32O2

阴极反应：

2H2O?2e?H2??2OH? 2.3.2盐水氢气热交换器

1．计算依据

（1）湿氢气从电解槽阴极出来，温度稍低于电解槽温度，大致为90?C，在管道中输送至本工段时，由于管道的热损失，温度大致为80?C。 （2）设盐水温度 20?C?30?C 湿氢气温度 80?C?50?C

4

（3）假定出口压力为 100.34 Kpa 忽略H2在水中的溶解。

2．物料衡算

（1）设换热器中湿氢气冷凝水量为 W1 L， 由道尔顿分压定律列出方程：

205?W118252?0.98?12.340100.34?12.340

解得： W1=172.80 Kg 则出塔气体组成

氢气： 12.5 kmol （25kg）

水汽： 1.79 kmol （205-172.80=32.20kg）

不凝气体：0.255 kmol (7.39kg) （不凝气体以空气的物性数据

来计算）

（2）物料衡算表

a．以1000kg100%NaOH产氢作为计算标准

表2-2 盐水氢气热交换器物料衡算表 名称 氢气 水汽 不凝气体 水 总计

进盐水氢气热交换（kg）

25 205 7．39 0 237．39

出盐水氢气热交换器（kg）

25 32.20 7．39 172.80 237．39

b.总物料衡算

以年产量6万吨烧碱100%产氢作为计算基准

表2-3 盐水氢气热交换器总物料衡算表 名称 氢气 水汽 不凝气体 水 总计 进盐水氢气热交换（kg） 1500000 12300000 443400

0 14243400 出盐水氢气热交换器（kg） 1500000 1932000 443400 1036800 14243400

5

3. 热量衡算

（1） 入换热器湿氢气带入热量：

氢气： Q1 =mCp?T=25×14.456×80=28912 kJ 不凝气体： Q2=mCp?t=7.39×1.009×80=597 KJ 水蒸气： Q3=m?H=205×2642.3=541672 KJ （2） 出换热器湿氢气带出热量：

氢气： Q5= mCp?T=25×14.427×50=18034 KJ 空气： Q6 = mCp?t=7.39×1.005×50=371 KJ 水蒸气： Q7 = m?H=32.20×2587.4=83314 KJ 冷凝水： Q8 = m?H=172.80×209.30=36167 KJ

（3） 盐水带出热量：

设盐水量为W2 kg,温度20℃，出塔温度为30℃， （此盐水温度以春季盐水温度作为计算基准）

【1】

查《氯碱工艺学》得：

20℃ 30℃ Cp （KJ/Kg·K） 3.42 3.45

进口盐水：Q4=W2×3.42×20=68.4W2 出口盐水：Q9=W2×3.45×30=103.5W2

（4） 忽略热损失： 则

?Q进=?Q出

∴ Q1+Q2+Q3+Q4 = Q5+Q6+Q7+Q8+Q9

28912+597+541672+68.4W2=18034+371+83314+36167+103.5W2 ∴W2=12344.58 kg

即：进入系统水量为： 12344.58 kg ,

出系统冷却水量为：12344.58 kg

冷却水带入热量：Q4=W2×3.42×20=68.4W2=68.4×12344.58=844369 kJ

Q9=W2×冷却水带出热量：3.45×30=103.5W2=103.5×12344.58=1277364 kJ

6

（5） 热量衡算表

表2-4 盐水氢气热交换器热量衡算表 物料

氢气

不凝气体 水蒸气 盐水 冷凝水 合计

输入 数量 kg 25 7.39 205 12344.58 0 12581.97

热量 kJ 28612 597 541672 844369 0 1415250

输出 数量 kg 25 7.39 32.20 12344.58 172.8 12581.97

热量 kJ 18034 371 83314 1277364 36167 1415250

2.3.3洗涤冷却塔

1．计算依据

（1） 电解氢气从盐水氢气换热器中出来，达到系统要求温度，进入本工段氢气温度为50℃，经本工段洗涤冷却温度从50℃降至30℃。 （2）设盐水温度 25?C?30?C 湿氢气温度 50?C?30?C （3）假定出口压力为98.2474 kPa 氢气纯度98% 忽略H2在水中的溶解

2．物料衡算

（1）洗涤冷却塔湿氢气出口温度为30℃，则冷凝水量为W2, 同理，由道尔顿分压定律列出方程：

32.20?W218252?0.98 =

4.247498.2474?4.2474

解得：W2=21.83 kg

则出塔气体组成：

氢气： 12.5 kmol (25kg) 不凝气体： 0.255 kmol (7.39kg)

水蒸汽： 0.576 kmol (32.20-22.83=10.37kg) 冷凝水： 1.213 kmol （21.83kg） （2） 出塔气体中氢的含量：

12.512.5?0.576?0.255?100%?93.76%

干气体中氢的百分数：

7

12.512.5?0.255?100%?98%

（3） 物料衡算表

a.以1000kg100%NaOH产氢作为计算标准

表2-5 洗涤冷却塔物料衡算表

名称 氢气 不凝气体 水蒸汽 冷凝水 合计

进洗涤冷却塔（kg）

25 7．39 32.20 0 64.59

出洗涤冷却塔（kg）

25 7．39 10.37 21.83 64.59

b.总物料衡算

以年产量6万吨烧碱100%产氢作为计算标准

表2-6 洗涤冷却塔总物料衡算表

名称 氢气 不凝气体 水蒸汽 冷凝水 合计

进洗涤冷却塔（kg） 15000000

443400 1980000

0 17423400

出洗涤冷却塔（kg） 15000000

443400 622200 1309800 17375400

3．热量衡算

（1）湿氢气进口热量：

忽略管道热损失，与上一工段出口热量相同 故

氢气： Q10=Q5=18034 kJ 不凝气体： Q11=Q6=371 kJ 水蒸气：Q12=Q7=83314 kJ

（2）湿氢气出口热量

氢气： Q14= mCp?T=25×14.375×30=10781 KJ

空气： Q15 = mCp?t=7.39×1.005×30=223 KJ 水蒸气： Q16 = m?H=10.37×2549.3=26436 KJ

8

（3） 冷却水带出热量

设进入系统冷却水量为W3 kg ,温度25℃，出塔温度30℃， 则 出塔水量 W3+W2=W3+21.83 kg 入塔水带入热量： Q13= m?H=104.795W3

出塔水带出热量： Q17= m?H=125.69（W3+21.83） （4） 忽略热损失 则?Q进=?Q出

∴ Q10+Q11+Q12+Q13=Q14+Q15+Q16+Q17

18034+371+83314+104.795W3=10781+223+26436+125.69（W3+21.83） 解得：W3=2944.96 kg 故入塔冷却水量 2944.96 kg ,

出塔冷却水量为： 2944.96+21.83=2966.79 kg

入塔冷却水带入热量：Q13=104.795W3=2944.96×104.795=308617 kJ 出塔冷却水带出热量：Q17=125.69（W3+21.83）=2966.79=372896 kJ

（5）热量衡算表

表2-7 洗涤冷却塔热量衡算表

物料名称 氢气 不凝气体 水蒸气 冷凝水 冷却水 合计

数量 kg 25 7.39 32.20 0 2944.96 3009.55

输入

热量 kJ 18034 371 83314 0 308617 410336

数量 kg 25 7.39 10.37 21.83 2944.96 3009.55

输出

热量 kJ 10781 223 26436 2744 371052 410336

9

3 主要设备设计及选型

3.1盐水氢气热交换器

3.1.1相关物性数据： 热流体定性温度： tm=冷流体定性温度： tm=

80?50220?302=65?C =25?C

表3-1 定性温度下相关物性数据

物料名称

氢气 空气 水蒸气 盐水

密度kg/m3

0.0698 1.0445 0.1611 1186

比热容kJ/kg?k

14.38 1.075 1.895 3.292

黏度Pa?s

?59.66×10

导热系数

w/(m?℃)

0.0206 0.02931 0.0218 0.588

?52.032×10

112×10?5

?31.90×10

3.1.2平均密度，比热容，黏度，导热系数 （1）进口总摩尔量：

n进=nH2+n空气+n水汽=12.5+0.255+11.37kmol=24.125kmol

（2）出口总摩尔量：

n出=nH2+n空气+n水汽=12.5+0.255+1.79kmol=14.545kmol

12.524.1250.25524.12511.3724.12512.514.5450.25514.5451.7914.545故

yH2(入)=

=0.518 yH2(出)=

=0.859 =0.018 =0.123

y空气(入)=y水汽=0.010 y空气(出)=

(入)=

=0.472 y水汽(出)=

（3）平均摩尔质量

yH2=

yH2(进)?yH2(出)2=

0.518?0.8592=0.68

10

9

y空气=

y空气(进)?y空气(出)2y水汽(进)?y水汽(出)2=

0.010?0.01820.472?0.1232=0.014

y水汽=

==0.2975

（4）平均密度

0.0698+0.014×1.0445+0.1611×0.2975=0.1106 kg/m3 ?m=?yi?i=0.6885×（5）比热容

14.38+0.014×1.075+0.2975×1.895=10.47944 kJ/kg?k Cpm=?yiCpi=0.6885×（6）黏度

1?m=

??iyiM?yiMii122

11?51=

9.66?10?5?0.6885?22?2.032?101?0.014?29122?112?1012?5?0.2975?182

0.6885?22?0.014?29?0.2975?18=65.2991?10?5 Pa?s （7）导热系数

1?m=

??iyiM?yiMii133

1131=

0.0206?0.6885?23?0.02931?0.014?29113?0.0218?0.2975?1831

0.6885?23?0.014?29?0.2975?183=0.021375 w/(m?℃)

3.1.3设计计算

（1）计算依据：

由《氯碱工业理化常数手册》[3]中查知，盐水氢气换热器的总传热系数范围在200—500 kcal/(m2?h?℃)，即233—582 w/(m2?℃) （2） 类型选择：查《换热器设计》5

【】

a,目前换热器有三种规格：固定管板式，浮头式，U形管

其中，固定管板式，金属耗量低，造价低，适用与冷热流体温差低于60℃，

11

壳体内压强不高，可利用膨胀节进行温差补偿 本工段选用固定管板式 b,流体路径

[1]。

本工段是盐水预热器，使能量回收，盐水在进入本工段时已经精制，不易产生污垢，而且热流体中饱和水蒸气有相变，为便于及时排除冷凝水

故选

湿氢气—管程 精盐水—壳程 （3）热负荷

Q=WhCpm (T1-T2) 因为 存在相变

Q=WhCpm (T1-T2)+Whr

=245.13?10.49744?(80-50)/3600+1551.46?(2587.4-209.34)/3600 =1046.40 kw

（4）假设k=480 w/(m2?℃)

则 估算的传热面积为

S=Q/KΔtm 其中，Q——换热器热负荷，W K——总传热系数，W/(m2?℃) Δtm——对数平均温差，℃.

?t130?t=

80?250?20=1.67

由于 1.67 ＜ 2 所以 ?t'?t1??t250?30m=

2=

2=40℃

R=T1?T2t=80?50=3

2?t130?20P=t2?t1T=

30?201?t180?20=0.167

12 (3-1)

图3-2 对数平均温度差校正系数??t值

温度差校正系数

R?1R?12ln1－P1?PRR?1R?122??t＝

×ln

2/P?1?R?2/P?1?R?=0.966

由于 ??t=0.966＞0.8 ， 可见单管程单壳程适合。所以 平均温度差

?tm=??t?tm=0.966×40=38.65℃

则由式（3-1）有

S0 =1046400/(480×38.65) =56.434㎡

考虑15％的面积裕度，则所需传热面积为：

S =1.15 S0

=1.15×56.434 =64.85㎡

【4】

查《化工原理》附录可知传热面积符合要求。

'（5）选用Φ25×2.5㎜，3m长的钢管，

13

所需管数N=

S?dol (3-2)

其中， A0——传热面积，㎡ do——换热管外径，m l——换热管长度，m 。

N =

64.853.14?0.025?3

=245根

（6）管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定

管子的排列方式，采用正三角形排列，因为对于相同壳径，管径和管间距

的换热器，正三角形排列大约可多15%的传热面积。因此，此设计选用正三角形排列。由于其在一定的管板面积上可配置较多的管子，而且管外表面传热系数较大；管子与管板的连接，采用焊接法 （7）计算外壳内直径Di

管子中心距 t=1.25do=1.25×25=32mm 横过管束中心线的管数 nc=1.1N=1.1245=17.22

取整 nc=18根 按壳体直径标准系列尺寸圆整。取 D=600mm 因为

LD3000600==5 在4~6的范围内，管长径合适

（8）折流板直径Dc、数量机器有关尺寸确定

选取折流板与壳体见的间隙为 3.5mm 折流板的直径

Dc=600-2×3.5=593 mm 切去弓形高度

h=0.25D=0.25×600=150 mm 折流板数量

14

NB=其中

L?0.1h'o-1 （3-4）

NB——折流板数量，块； h'o——折流板间距，mm；

L——管子长度，mm；

折流板间距 h'o=300mm，那么 NB=

3000?100300-1=8.67

取整得 NB=9 块 实际折流板间距为 h'o=

（9）拉杆的直径和数量与定距管的选定

选用Φ12 mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热器相同的管子，即 Φ 25 mm×2.5 mm钢管。 （10）温度补偿圈的选用 由于

80?502?20?3023000?1009?1=290mm

=65-25=40℃ ＜ 50℃

所以 不用考虑设置温度补偿圈 （11）换热器参数

表3-2 换热器结构基本参数

外壳直径： Di=600 mm

换热面积： 64.85㎡

换热管数量： 245根 管长： 3m 管子规格： Φ25×2.5㎜ 管中心距： t=32mm 管程数： 1 折流板数量： NB=9 块 拉杆数量： 6条

管子排列方式： 正三角形 壳程数： 1

折流板间距： ho=290mm 拉杆直径： Φ12 mm

'

定距管： 与换热管相同规格 通过管板中心的管子数： nc=18根

15

（12）换热器重要构件尺寸与接管尺寸的确定

换热器的重要构件有封头，筒体法兰，管板，筒体，折流板，支座等 。接管有：流体进出口接管，排气管，排液管等。 ① 筒体(壳体)壁厚的确定 ??PDi2[?]??P?c （3-5）

选取设计压力P=0.6Mpa，壳体材料为Q235，查得其相应的许用应力[?]=113Mpa；焊缝系数?=0.65，腐蚀裕度C=3+0.5=3.5mm，所以

?=

0.6?5002?113?0.65?0.6?3.5?5.6mm

根据钢板厚度标准，取厚度为6mm钢板，即?(壳)=6mm

② 封头，筒体法兰，管板均有标准可选用，具体结构尺寸查看本工段换热器附件表。

③ 流体进出口直径的计算 d?4Vs?u （3-6）

其中， d——接管直径，m；

Vs ——质量流量，kg/m3； u ——流速，m/s；

湿氢气进出口接管d1，取u1=25 m/s，那么 d1=

4?245.133.14?25?3600

=0.058

经圆整后取Φ57 mm×3.5mm热扎无缝钢管（GB8163-87），实际湿氢气进出口管内流速为

u1=

4?245.133.14?3600?0.0582=25.78 m/s

盐水进出口接管d2，取u2=1.5 m/s，那么

d2=

4?12344.853.14?3600?1.5?1186=0.05 m

16

经圆整后取Φ50mm×3.5mm热扎无缝钢管（GB8163-87），实际湿氢气进出口 流速为：

u582=

4?12344.3.14?1186?3600?0.052

=1.559m/s 3.1.4总传热系数的校核

1＝

1dK?+ Rso+

bdosi

o+

doo?wd+ Rmdi?id i

（1）管程传热系数?i的计算 ① 混合气体的传热系数

用西德尔和塔特关联式 111 ?i(气)?1.86（?3d）RePr3（di（?0.14iL）3?） w其中， λ——导热系数，W/(m2·℃)，

di——管子内径，m；

?——流体黏度，Pa·S

Re——雷诺准数，无因次， Pr——普兰特准数，无因次。 L——管子长度，m；

a.管程流体流通截面积

A2Ni＝

?4diN p＝3.14/4×0.022×245/1 ＝0.07693㎡

其中，di——管子内径，m；

Np——壳程数； N——管子数量，根；

b.管程流体流速

ui=Vs/Ai

17 3-7）

3-8）

3-9）

3-10）

（（ （ （

=

＝3.47 m/s

245.130.07693?3600?0.2548

其中，Vs——流体在壳体的体积流量，m3/h。 c.雷诺数

Rei＝＝

diui?m?m （3-11）

0.02?0.2548?3.470.000653＝27.08 （层流）

其中， ui——流体在壳程的流速，m/s，

?m——流体平均密度，kg/m3，

?m——流体平均粘度，pa·s。

d.普兰特数

Pr=＝

cp?mm?m （3-12）

10.47944?1000?0.00006530.021375＝320.4

其中，Cpm——流体平均比热，kJ/(kg·℃)； ?m——流体平均导热系数，w/(m?℃)

本工段条件下，管径较小，流体黏度较大，自然对流影响可忽略 因为是气体，粘度校正(??w)0.14?1 ，则由式（3-8），得：

1 ?i(气)?1.86（?di1）Re3Pr3（diL13）（??w13）0.14

13 1.86??0.0213750.02??27.08?320.4??0.0231?3

=7.032 ② 水蒸气相变传热系数

?i（相）?1.13（r?g?2314）?L?t （3-13）

18

其中， r ——饱和水蒸气的汽化热，KJ/Kg；

3? ——冷凝液的密度，kg/m

? ——冷凝液的导热系数，w/(m?℃)； ? ——冷凝液的黏度，Pa?s

?t——水蒸气的饱和温度和壁面温度之差，℃

L——管子长度，m；

【4】

由《化工原理》查得在80℃下饱和水蒸气的汽化热为2343.3 KJ/Kg。

取壁面温度为25 ℃ ，则

定性温度=(80?25)=52.5℃

21由附录查得在52.5℃下水的物性为 ?= 0.509?10?3 Pa?s

?=0.6507 w/(m?℃) ?= 986.8 kg/m

3水蒸气在垂直圆管内冷凝的传热系数

?i（相）?1.13（r?g?2314）?L?t

32314 ） =1.13（2343.3?10?986.8?9.81?0.65070.529?10?3?3?(80?52.5) =5893.71 ③ 管程总传热系数?i

?i= （yH+y空气）?i(气) +y水汽?i（相）

2 =（0.6885+0.014）?14.48+0.2975?5893.71

=1168.55

（2）壳程传热系数?o的计算 用克恩法计算

αo＝0.36（

?de）Re0.55Pr1/3（

??w）0.14 (3-14)

其中，λ——导热系数，W/(m2·℃)，

de——公称直径，m，

Re——雷诺准数，无因次，

19

Pr——普兰特准数，无因次。

a.当量直径：

4(32t?2?4de＝

do)2?do322 (3-15)

4(?0.032＝

43.14?0.025?3.14?0.025)2

＝0.02038 m

其中， t——管间距，m， do——换热管外径，m b.壳程流通截面积

A ＝hD(1-dot)

0.0250.032＝0.15×0.6（1－0.01905/0.024）

＝0.0197 ㎡

其中，h——折流板间距，m， D——壳体公称直径，m， c.壳程流体流速

uo＝Vs/A

＝

d.雷诺数

Reo＝＝

e.普兰特数

Pr＝

cp?deuo?12344.583600?1186?0.0197

＝0.147 m/s

?

0.0197?0.147?11861.90?10?3＝1805

?

?3＝

3.292?1000?1.90?100.588

＝10.637

20

因为液体被加热，所以粘度校正(?de??w)0.14?1.05，则由式（3-14）得：

αo＝0.36（=0.36（

）Re0.55Pr1/3（

??w）0.14

0.5880.02038）?18050.55?10.6371/3?1.05

＝1369.95 W/(m2·℃)

（3）污垢热阻和管壁热阻

管外侧污垢热阻：Rso＝1.7197×10-4 m2·℃/W 管内侧污垢热阻：Rsi＝2.1269×10-4 m2·℃/W

附录13查得，碳刚在该条件下的导热系数为50.08W/（m2·℃），即

?w=50.08 W/（m·℃）

2

（4）总传热系数

1K＝

1?o+ Rso+

bdo?wdm+ Rsi10-4+

dodi+

do?idi

+

2.1269

×

=10-4?14748.340.0250.020+ 1.7197

×

0.0025?0.02550.08?0.0225+

0.0251168.55?0.020

＝17.73610-4

则 K=563.83 W/(m2?℃)

由前面的计算可知，选用的换热器的总传热系数为 480 W/(m2?℃)，在规定的流动条件下，计算出的K值为563.83 W/(m2?℃)

KK选=

563.83480=1.175 在1.15~1.25之间

故： 所选换热器适用

3.1.5核算压强降

（1）管程压强降

∑ΔPI=(ΔP1+ΔP2)FTNPNS (3-16)

其中， ΔP1，ΔP2——分别为直径及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，pa

FT——结垢校正因数，无因次，取1.4，

21

NP——管程数， NS——串连的壳程数。

a.管程流体流通截面积

Ai＝

?4di2NNp

＝3.14/4×0.022×245/1 ＝0.07693㎡

b.管程流体流速

ui=Vs/Ai =

c.雷诺数

Rei＝＝

diui?m245.130.07693?3600?0.2548

＝3.47m/s

?m

0.02?0.2548?3.470.000653＝27.07 （层流）

因为是层流，所以

λ=

所以

?P1??L?ud30.02264Re=

6427.07=2.65

2 ×0.2548?3.472=2.65×

=609Pa

因为没有弯管，即?P2?0 则由式（3-16）得：

??P（2）.壳程压强降：

i?609?1.4?853.6 Pa

??Po?(?P1??P2)FsNs (3-17)

‘

'' 其中，ΔP1——流体横过管束的压降，pa ΔP2‘——流体流过折流板缺口的压强降，pa

Fs——壳程压强降的结垢正因数，无因次，取1.15

22

Ns——串连壳程数。 ?P1?FfoNc(NB?1)'?u22 (3-18)

其中，F——管子排列方式对压强降的校正因数

fo——壳程流体的摩擦系数，当Re>500，f=5.0Re-0.228 Nc——横过管束中心线的管子数 NB——折流挡板数 管子为三角形排列，F=0.5，NB=9，

Nc=1.1N=1.1245=18，

a.壳程流通截面积

A ＝hD(1-dot)

0.0250.032＝0.15×0.6（1－0.01905/0.024）

＝0.0197 ㎡

b.壳程流体流速

uo＝Vs/A

＝

c.雷诺数

Reo＝＝

deuo?12344.583600?1186?0.0197

＝0.147m/s

?

0.0197?0.147?11861.90?10?3＝1807 > 500

?0.228所以 fo?5.0?1807

=0.18

由式（3-18），得：

?P1?0.5?0.18?18?(9?1)?'1186?0.14722

=207Pa

2h?u?P2?NB(3.5?)D2'2

23

2 =9×（3.5－ =346Pa

2?0.150.6）×1186?0.1472

所以 ∑ΔPo=（346+609）×1.15

=1098.25Pa

壳程和管程的压力降几乎都能满足要求。

3.1.6换热器附件

选用DG800的标准作为设计参考 （1）管板

表3-3 管板

公称直径 800 D 930 D1 890 D2 790 D3 793 D5=D6 800 D7 850 b c d 螺栓孔数 32 32 10 23 （1） 壳程接管法兰

表3-4 接管法兰

Dg

Dh

垫片

厚度 石墨

D D1 D2 b 重量㎏

螺栓 外径 内

数量 直径×长径

度 12

M16×55

312

250 273 370 335 312 14 4.65 273 3.2

（3）管程接管法兰

表3-5 接管法兰

Dg

螺栓

D2

b

垫片

外径 内厚度

径

178

石墨

Dh

D D1 重量㎏

数量 直径×长

度 8

M16×55

125

133 235 200 178 10 1.98 133 3.2

（4）封头

24

表3-6 椭圆封头

Dg

曲面高度 200

直边高度 40

内表面积㎡ 0.792

容积M3 0.0871

厚度㎜ 8

800

3.2水洗涤冷却塔 1．填料塔

填料塔也是—种应用颇为广泛的气液传质设备。它的结构示意图如图所示，塔体为圆筒形．简内充填一定高度的填料。液体自塔顶经分布器均匀喷洒于塔截面上。沿填料表面下流，与自塔底上升的气而呈逆流连续接触，进行传热传质的作用。

与板式塔相比，其结构简单，阻力小，填料

易

于用耐腐蚀材料制造。特别适用于处理量小或有 腐蚀性的物料，或要求压力降小的传质系统。

填料塔在操作上与板式塔相比，其特点是气

液接触是连续进行的；气液接触面积是由填料提 供的，这些特点决定了填料塔所特有的结构及操 性能。

图3-3 填料塔总体结构 塑料填料质轻，具有良好的韧性，耐冲击，不易破碎。它的通量大、压降

低，而且耐腐蚀性能较好。填料塔流程的操作平稳，弹性较大，特别是本工段刚开车时氢气的气流量小，它几乎同满负荷操作一样能达到对水分的要求指标。

综上优点，本工段选取塑料鲍尔环25×25×1.2（乱堆），材质为聚丙烯（PP）。壳体材料为聚氯乙烯玻璃钢（PVC+FRP），湿填料因子285 M-1。

2．进出口数据：

（1）湿氢气进口质量流量： WH2(进)=

湿氢气出口质量流量： WH2(出)=冷却水进口质量流量： W水(进)=

25?60000792825?6000079287928=189.203 kg/h =189.203kg/h

=22287.79kg/h

2944.96?6000025

冷却水出口质量流量： W水(出)=

（2944.96?21.83）?6000079287928101.33100.34=22453.06kg/h

=110.08

（2）进口湿氢气总摩尔流量：NH2=（进）kmol/h

体积 V1=22.4×110.08×

（12.5?0.255?1.79）?60000273?50273?=2946.19m3/h 流

量

：

出口湿氢气总摩尔

（12.5?0.255?0.76）?60000=NH2（出）7928=102.28kmol/h

273?30273?101.3398.2474体积 V2=22.4×102.28×湿氢气平均体积 V1=冷却水平均体积 V2=

=2622.62 m3/h

32946.19?2622.62222453.06?22287.792?996.95?2784.41m/h

=22.43m3/h

3．塔径D

（1）泛点气速

50?C湿氢气的密度： ?v=0.17 kg/m3

清水的密度： ?l=996.95 kg/m3 则

WLWV(?V?L)0.5=

20447.2448.54(0.17996.95)0.5=0.59

由埃克特通用关联图中的乱堆填料泛点线查出，横坐标为0.595时的纵坐标熟知为0.038。即：

u2max??g(?v?l)?0.2L=0.038

26

图3-4 埃克特通用关联图

查表得知，25mm×25mm×1.2mm塑料鲍尔环（乱堆）的填料因子?=285

-1m；又因为液相为清水，故液体密度校正系数?=1；水的黏度u=1 mPa.s。

泛点气速为 u=max0.038g?l???0.2L?v=

0.038?9.81?996.65285?1?10.2?0.17=2.77 m/s (3-19)

（2） 塔径

取空塔气速为泛点气速的60%，即 u=0.6u

则

D?4Vsmax=0.6×2.77=1.66 m/s

?u （3-20）

其中， D ——塔径，m； Vs ——体积流量，m3/h；

27

u ——流速，m/s； D?4?2784.413600?3.14?1.66=0.771m

圆整塔径 D=0.80 m。再计算空塔气速，即

u?Vs?4=

24?2784.413600?3.14?0.82=1.54 m/s

D（3） 核算塔径 泛点率 求

因为填料为25mm×25mm×1.2mm，塔径与填料尺寸之比大于8， 按下式计算

Umin?(Lw)mi? n（3-21）

其中， Umin ——最小喷淋密度，m3/（m2?s）

(Lw)min——最小润湿速率，m3uumax=

1.542.77×100% =55.60% 在50~80% 之间 符合要

/（m?s）

?——填料的比表面积，m2/m3

因为 填料尺寸小于75mm，所以查表（3-6）得

(Lw)min=0.08 m3/（m?h） ?=213 m2/m3

32则 Umin?(Lw)mi?n=0.08×213=17.04 m/（m?h）

操作条件下的喷淋密度为

22287.79U?488.82(0.8)2=90.65 m3?4/（m2?h） ＞ Umin

经核算，选用塔径0.8 m 符号要求。

4．填料层高度Z

对于吸收操作，用传质单元法计算填料层高度。设吸收率?A=95%，平衡关系为Y=10.2X。即，m=10.2。填料层的体积传质系数 KY??250 kmol/m3?h）

湿氢气中水蒸气的体积分数为

28

y=气体摩尔流量 V?液体摩尔流量 L? ?? S=

2226.153182946.1922.4?273273?50(1?0.123)1.791.79?0.255?12.5=0.123

=97.49 kmol/h

=1236.75kmol/h

?40.82=0.5024

1236.75mVL=

10.2?97.49=0.81

清水吸收，X2?0,Y*2?0

Y1?YY2?Y**22?Y1Y1(1??A)?1(1??A)

则 HOG?V(KY??)=95.36/250×0.5204=0.76 NOG?[(1?0.81)11?0.9511?S?0.81]

㏑

[(1?S)Y1?YY2?Y**22?S]?11?0.81㏑

=8.04

所以 Z=HOGNOG=0.76×8.04=6.11 m

实际填料层高度 Z'?1.3Z=1.3×6.11=7.94 m 由于

Z ＞ hmax= 6m ，故填料塔分两段，每段4m。

5．填料层的压强降

纵坐标 u2WLWV???vg(?l))?0.2L=(0.54)2?0.038=0.011

横坐标

(?V?L0.5=0.595

根据以上二数值在图中确定塔的操作点，此点位于?PZ=100 Pa/m与

?PZ=150 Pa/m两条等压线之间，用内插法估值可以求得每米填料层的压强降约

29

为145Pa/m。则

?P=10×145=1450 Pa

即填料塔的总压强降为 1450 Pa

冷却塔进出口压降?P'=100.34-98.2474=2092.6 Pa ＞1450 Pa 可知 压强满足要求

6．塔顶除沫装置

气速 u?k?l??v?v （3-22）

其中， ?——密度，kg/m3；

k——系数，可取0.08~0.11；

u——气速，m/s

取系数k=0.1。 则 u?k丝网盘直径

D?4Vs?l??v?v=0.1996.65?0.170.17=7.54 m/s

?u （3-24）

其中， Vs——气体处理量，m3/s；

D?4Vs?u =

4?2946.193.14?7.54?3600=0.371 m

丝网层厚度

对于金属丝网，当丝网直径为0．076—0．4 mm时，在适宜气速下，丝网层的厚度取为100—150 mm时，就能把气体中的绝大部分雾滴分离下来

【13】

查《常用化工单元设备设计》可知：

在此工段选用 H=150 mm

7．管口接管

气体和液体的进出口装置

流体的进出口结构设计，首先要确定的是管口直径。根据管口所输送气体或液体的流量大小，由下式计算管口直径：

d?4Vs?u （3-25）

30

其中， Vs——流体的体积流量，m3/s；

u——适宜的流体速度，m/s；常压塔气体进出口管气速可取10一20 m/s (高压塔气速低于此值)；液体进出口速度可取0．8~1.5 m/s (必要时可加大些)，对高粘度的液体可取0.5~1.0 m/s。 假设 湿氢气进出口速度为 15 m/s 则

湿氢气进口：d?4?2946.193.14?15?3600=0.263 m

圆整得：取Φ273 mm×6 mm热扎无缝钢管（GB8163-87）

湿氢气出口：d?4?2622.623600?3.14?15=0.248m

圆整得：取Φ245 mm×6 mm热扎无缝钢管（GB8163-87） 假设 冷却水进出口速度为1.2 m/s 则

冷却水进口：d?4?22287.791.2?3.14?996.95?3600=0.081 m

圆整得：取Φ83 mm×6 mm热扎无缝钢管（GB8163-87）

冷却水出口：d?4?22453.063.14?1.2?3600?996.95=0.0815 m

圆整得：取Φ83 mm×6 mm热扎无缝钢管（GB8163-87）

3.3氢气输送设备

因氢气小时输送量2784.41m3/h,即46.40 m3/min,效率以80%计，则氢气输送设备能力应为58 m3/min。选用TR系列双级罗茨鼓风机，流量范围2.61—207m3/min,升压9.8—196Kpa.

3.4水输送泵

循环水池送出水量为22.43m3/h

设送出位差和阻力损失为20m(实际以管路实际阻力而定)，则从《化工工艺设

《7》

计手册》P1-72查知，150F-35型耐腐蚀离心泵参数为： 流量：234m3/h,扬程：29.7m,电机功率30KW，轴功率25.2KW.

鉴于在电解来的氢气中含一定量的碱雾，在洗涤后，使循环水显碱性，故选择防腐蚀泵150F-35型泵两台，开一备一。

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3.5液封循环水池

按设计规范要求，换热器与洗涤塔间距为1.5m,以四周墙体间距为0.8m,则，液封循环水池长：

0.8×2+3.6+3.0+1.5=9.7 m

圆整为10m,即将洗涤塔间距由1.5m延长至1.8m，宽0.8×2+3.6=5.2m 深即高，以1小时水量为基准，则： H=

20.5910?5.2=0.4 m

圆整为1m

即， 循环水池规格为10000×5200×1000

3.6氢气缓冲罐

以出塔气体为基准，则体积V=

2622.623600=0.73m3/s

【8】查《化工过程及设备设计》可知：

圆整后设备规格为：Φ1500×1900

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4 设计评述

本次设计的任务是6万吨隔膜法制烧碱中氢气的处理工序初步设计。本次设计的主要意义在于，通过主要设备的工艺设计计算以及辅助设备的选型和计算，找出一种最有效的处理氢气的方法，提高烧碱的产率，从而最大限度的利用氢气合成其他产品。或者作为一种能源使用。

在本次设计中，首先对氢气做了物料衡算和热量衡算，并分别选取了一定的计算基准，以方便计算，由于从电解槽出来的氢气，含有饱和水蒸气同时还带有盐和碱的雾沫，所以在生产过程中先进行冷却和洗涤，冷却后的氢气经氢气压缩机压缩到一定压力后经氢气分配站送到氢气柜及用氢部门。因此本次设计应用到了换热器和冷却塔。其选型分别参照了《换热器设计》和《塔设备设计》。

由于氢气中混有部分其他气体会爆炸，所以在设计时不可避免的要考虑到氢气的纯度问题，对氢气的指标进行一定的分析。并注意控制他的温度和压力。在处理副产物时，其中的废液，废气的排放过程中，一定要遵守国家的有关规定，做到安全排放。

在此次设计中，由于资料及数据的欠缺及本人能力有限，有很多地方都做的不够好，特别是在后面校正传热系数和核算压强降时，很多公式理解还不透彻，可能做的不太好。在以后的工作中我会尽量从多个角度查资料把他弄明白。这次设计中换热器和冷却器的设计应该是做的比较到位的。

最后我要感谢我的指导教师**老师以及化工工艺教研室中各位老师的帮助和指导。使我圆满完成了这次设计任务。我学到的不仅是怎样完成任务，而且锻炼了我查阅资料的能力和团结合作的协助精神。我将继续把这种自主专研的科研精神带到以后的工作中甚至更远。这次设计中一定还有很多不足的地方，望评审老师多多包涵，提出宝贵意见。

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5 参考文献

[1]方度，蒋兰荪，吴正德主编，《氯碱工艺学》，化学工业出版社，1990

[2]陆忠兴，周元培主编，《氯碱化工生产工艺》（氯碱分册），化学工业出版社，1995。 [3]北京石油化工工程公司编，《氯碱工业理化常数手册》，化学工业出版社，1988 [4]姚玉英主编《化工原理》新版（上、下册），天津大学出版社，1999 [5]化工设备设计全书编辑委员会，《换热器设计》，上海科学技术出版社，1988 [6]化工设备设计全书编辑委员会，《塔设备设计》，上海科学技术出版社，1988

[7]国家医药管理局上海医药设计院编，《化工工艺设计手册》（上、下册），化学工业出版社，1989

[8]涂伟萍，陈佩珍，程达芳编《化工过程及设备设计》，化学工业出版社，2000 [9]陈声宗主编，《化工设计》，化学工业出版社，2001

[10]天津大学物理化学教研室编，《物理化学》第三版（上册），高等教育出版社，1992 [11]黄璐，王保国编，《化工设计》，化学工业出版社，2001 [12]王树楹主编，《现代填料塔技术指南》，中国石化出版社，1998

[13]李功样，陈兰英，崔英德编，《常用化工单元设备设计》，华南理工大学出版社，2003.4

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