五万吨烧碱装置氯气处理工序的初步设计

年产五万吨烧碱装置氯气处理工序的初步设计

宁夏大学化学化工学院（化工）专业2011届XX

摘要：氯气Cl2，分子量70.906，常温下，氯气是黄绿色，具有刺激性气味的气体，有毒、有色、易液化。氯气的用途极为广泛。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，除应用于化学工业本身外，在轻工、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。氯碱工业的特点出原料易得、生产流程较短外，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。

鉴于湿氯气对生产设备及运输设备有腐蚀作用，满足用户对氯气压力的要求，确定氯气处理系统的主要任务，根据此任务确定了氯处理的工艺流程。

由工艺流程进行了物料衡算和热量衡算。由设计计算确定了主要设备及其型号。该设计可以完成氯气的处理任务。

关键词：氯气处理； 工艺设计 ；工艺计算 ；设备及选型

I

宁夏大学本科毕业设计 第一章 总 论 Annual international fast freight yard etc. caustic soda device chlorine preliminary design of handles process

Abstract: 70.906 Cl2, the molecular weight of chlorine, under normal temperature, chlorine gas is yellow-greens, has excitant odour gas, toxic, non-ferrous, easy liquefaction. Chlorine USES very extensive. Salt electrolysis of caustic soda, chlorine, cogeneration of hydrogen, in national economy all departments are needed, in addition to application in chemical industry itself outside, in light industry, weaving, petrochemical, non-ferrous metal smelting and utilities were great purposes, as the basic chemical raw materials of \and hydrogen can also be further processed into many chemical products. The

characteristics of chlor-alkali industry of reactants, production process a shorter outside, main still have three prominent problems: energy consumption; Chlorine and alkali balance; Corrosion and pollution.

In view of wet chlorine gas production equipment and transportation equipment corrosion function, satisfy user's requirements, determine the chlorine pressure the main task of chlorine processing system, according to this task confirmed with process. Chlorine The material by the process flow and heat balance calculation to calculate. By design calculate and determine the main equipment and its model. This design can complete chlorine handle tasks.

Keywords: chlorine processing; Process design; Process calculation; Equipment and selection

宁夏大学本科毕业设计 第一章 总 论

目 录

第一章 总论 … … … … … … … … … … … … … … …3

1.1 概述 ................................................... 3 1.2 氯气处理的任务和方法 ...................................... 3 1.3 工艺流程简介 ............................................. 4

第二章 氯气工艺计算 6

2.1 氯气处理工艺流程 ......................................... 6 2.2 计算依据 ................................................ 6 2.3 工艺计算 ................................................ 7 第三章 主要设备设计及选型

14

3.1 第一钛冷却器 ............................................ 14 3.2 第二钛冷却器 ............................................ 22 3.3换热器附件 .............................................. 25 3.4硫酸干燥塔Ⅰ(填料塔) ..................................... 27 3.5硫酸干燥塔Ⅱ（泡罩塔） .................................... 29 3.6 除沫器 ................................................. 30 主要设备一览表 错误！未定义书签。

1

宁夏大学本科毕业设计 第一章 总 论 参考文献 34 致谢

35

宁夏大学本科毕业设计 第一章 总 论 第一章 总论

1.1概述

1.1.1氯气

氯气Cl2，分子量70.906，常温下，氯气是黄绿色，具有刺激性气味的气体，有毒、有色、易液化。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。可与金属、非金属、水、碱溶液反应。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、制造多种农药、制造塑料等。 1.1.2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，除应用于化学工业本身外，在轻工、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。 1.1.3氯碱工业的特点

氯碱工业的特点除原料易得、生产流程较短外，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。

1.2 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、玻璃、

3

宁夏大学本科毕业设计 第一章 总 论 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，所以湿氯气的干燥是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除去水分。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，故浓硫酸是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。

1.3工艺流程简介

1.3.1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、干燥脱水、净化和压缩、输送几个部分。 1.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。

宁夏大学本科毕业设计 第一章 总 论 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，投资比前者高而低于后者。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。 2.氯气的干燥

氯气干燥时均以浓硫酸为干燥剂，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，硫酸消耗低，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。

泡罩塔干燥流程：此流程设备体积小，台数少，流程简单，投资及操作费用低。其缺点是压力降较大，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。 3.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94％－99％，而且压力降较小，可用于高质量的氯气处理。 1.3.2 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。

5

宁夏大学本科毕业设计 第二章 氯气工艺计算 第二章 氯气工艺计算

2.1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。

干氯气冷却水一钛冷却器冷却水氯水二钛冷却器硫酸干燥塔Ⅰ60%硫酸80%硫酸硫酸干燥塔Ⅱ75%硫酸浓硫酸

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。

2.2计算依据

1.生产规模：150kt/a100%NaOH；

2.年生产时间（按年工作日330天计算）：330×24=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

温度，℃ 总压（表），Pa

85 -10

备注 —— ——

氯

项目 气

，

kg/t100%NaOH 不凝性气体（假设

10

0.35kmol

875

备注 12.36mol

宁夏大学本科毕业设计 第二章 氯气工艺计算 水蒸汽，300 —— 为空气，下同）kg/t100%NaOH

kg/t100%NaOH 成分，%（干基）（v/v）

92

——

气体总量，kg/t100%NaOH

1087 ——

2.3 工艺计算

2.3.1第一钛冷却器 1.计算依据

(1) 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。 (2) 电解氯气经一段洗涤塔冷却，温度从80℃降至46℃。 (3) 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 46℃: 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

80

氯气比热容 水蒸气热焓 不凝气比热

Kcal/(mol·℃)

kcal/kg kcal/kg

8.364 631.4 0.2426

温 度 ℃

46 8.2902 617.42 0.2426

2.物料衡算

(1) 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

300?W145.7718 ?875-0.002227W110300?W1101.227??712918 解得W1=111.847kg

故溶解的氯气量：0.002227×111.847=0.25kg 氯水总重量：111.847+0.25=112.097kg

由上述计算得知，进入第一钛冷却器的气体组分为： 氯气 875－0.28=874.75kg

7

宁夏大学本科毕业设计 第二章 氯气工艺计算 水蒸气 300－111.847=188.153kg

不凝气体 10kg (2) 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35×9.81pa（35mmH2O），则出口氯气的总压为-40×9.81Pa

P总=101.227－35×9.81×10-3=100.933 kpa

188.153?W210.110418根据道尔顿定律有： ?874.75-0.00355W210188.153?W2100.933??712918解得：W2=162.791kg 溶解氯气的量为：162.791×0.00355=0.578kg 氯水总重量为：162.791+0.578=163.369kg 因此出第一钛冷却器的气体组分为：

氯气 874.75－0.578=874.172kg 水蒸气 188.753－162.791=25.362kg 不凝气体 10kg (3) 物料衡算表

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 100％NaOH

氯气 水蒸气 不凝气体 氯水 总计

874.75 188.153 10 —— 1072.903

出第一钛冷却器 kg/t 100％NaOH

874.172 25．362 10 163.369 1072.903

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 100％NaOH

氯气 水蒸气 不凝气体 氯水 总计

131212500 28222950 1500000 —— 160935450

出第一钛冷却器 kg/t 100％NaOH 131125800 3804300 1500000 245053500 160935450

3.热量衡算

(1) 气体带入热量

a.氯气带入热量：Q1=874.75/71×8.364×80×4.1868=34515kJ b.水蒸气带入热量：Q2=188.153×631.4×4.1868=497391kJ

宁夏大学本科毕业设计 第二章 氯气工艺计算 c.不凝气体带入热量：Q3＝10×0.2426×4.1868×80＝813kJ

d.氯气溶解热：Q4＝0.578/71×22090＝180kJ ΣQ=34515+497391+813+180=532899kJ (2) 气体带出热量

a.氯气带热量：q1＝874.172/71×8.2902×46×4.1868＝19658kJ b.水蒸气带热量：q2＝25.362×617.42×4.1868＝65561kJ c.不凝气体带出热量：q3＝10×0.2426×4.1868×46＝467kJ d.氯水带出热量：q4＝163.369×4.1868×46＝31464kJ Σq＝19658+65561+467+31464=117150kJ (3) 冷却水用量

冷却水采用工业上水，设进口温度t1＝20℃，出口温度t2＝30℃。 定性温度: T =（t2＋t1）/2=（20＋30）/2=25℃

Q =WCCPC(t2－t1) (2—1)

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(t2－t1)

=

532899?117150=9947 kg/t100％NaOH

4.1796(30?20) 冷却水带入热量：9947×4.1796×20＝831490kJ

冷却水带出热量：9947×4.1796×30＝1247234kJ (4) 第一钛冷却器热量衡算表 表2-5 第一钛冷却器热量衡算表

输入

物料名称 氯气 水蒸气 不凝气体 溶解热 冷却水 总计

数量 kg 874.75 188.153 10 —— 9947 11019.903

热量 kJ 34515 497391 813 180 831490 13643896

物料名称 氯气 水蒸气 不凝气体 氯水 冷却水 总计

输出 数量 ㎏ 874.172 25.362 10 163.369 9947 11019.903

热量 kJ 19658 65561 467 31464 1247234 1364384

2.3.2第二钛冷却器

1.计算依据

(1) 电解氯气经二段洗涤塔冷却，温度从46℃降至18℃。 (2) 氯水温度为20℃。

9

宁夏大学本科毕业设计 第二章 氯气工艺计算 (3) 出口氯气总压力为-100×9.81pa（－100 mmH2O）。 (4) 由资料查得相关热力学数据如下：

氯气在水中溶解度：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

(1) 设在第二钛冷却器总冷凝水量为W3kg， 其阻力降为60×9.81pa（60 mmH2O）

P总=100.933－60×9.81×10-3=100.344 kpa 则由道尔顿定律有：

25..362?W32.077618 ?874.172-0.00729W31025.362?W3100.344??712918解得W3=20.546kg 溶解氯气量：

20.546×0.00729=0.150kg

氯水总量：

20.546+0.150=20.696kg

因此出第二钛冷却器的气体组分为：

氯气 874.172－0.150=874.022kg 水蒸气 25.362－20.546=4.816kg 不凝气 10kg (2) 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 氯气 水蒸汽 不凝气 氯水 总计

进第二钛冷却器kg/t100%NaOH

874.172 25.362 10 —— 909.534

出第二钛冷却器kg/t100%NaOH

874.022 4.816 10 20.696 909.534

b.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 100％NaOH

氯气

131125800

出第二钛冷却器 kg/t 100％NaOH 131103300

宁夏大学本科毕业设计 第二章 氯气工艺计算 水蒸气 不凝气体 氯水 总计

3804300 1500000 —— 136430100

722400 1500000 3104400 136430100

3．热量衡算

(1) 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=19658kJ b.水蒸气带入热量：Q6=65561kJ c.不凝气体带入热量：Q7＝467kJ d.氯气溶解热：Q8＝22.09×103×0.150/71＝47kJ ΣQ=19658+65561+467+47=85733kJ (2) 气体带出热量

a.氯气带出热量：q5＝874.022/71×8.227×18×4.1868＝7632kJ b.水蒸气带出热量：q6＝4.816×605.34×4.1868＝12206kJ c.不凝气体带出热量：q7＝10×0.2418×4.1868×18＝182kJ d.氯水带出热量：q8＝20.696×4.1868×20＝1733kJ Σq＝7632+12206+182+1733=21753kJ (3) 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(t2－t1) =

85733?21753=3806kg

4.1999(8?4)冷冻水带入热量：3806×4.1999×4＝63939kJ

冷冻水带出热量：3806×4.1999×8＝127879kJ (4) 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

物料名称 氯气 水蒸气 不凝气体 溶解热 冷冻水 总计

数量 kg 874.172 25.362 10 —— 3806 4715.534

热量 kJ 19658 65561 467 47 63939 149672

物料名称 氯气 水蒸气 不凝气体 氯水 冷冻水 总计

输出 数量 ㎏ 874.022 4.816 10 20.696 3806 4715.534

热量 kJ 7632 12206 182 1733 127879 1496325

2.3.3硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔）

1．计算依据

(1) 入塔硫酸浓度80％，温度为15℃，出塔硫酸浓度60％，温度为30℃。

11

宁夏大学本科毕业设计 第二章 氯气工艺计算 (2) 干燥后的氯气含水量为100ppm。

2．物料衡算

(1) 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W3＝80/60－1＝0.3333

设干燥所需80％硫酸量为W4㎏,则

4.816?0.3333W4＝0.0001

874.022?10?4.816?0.3333W4解得W4＝14.184㎏

假定各种因素造成硫酸的损耗为15％， 则需硫酸量为：14.184×1.15＝16.312㎏ 填料塔流出的稀酸量为：14.184×1.3333＋14.184×0.15＝21.039㎏

干燥后氯气中含水量：4.816－0.3333×14.184＝0.088㎏ 出填料塔气体组分为：

氯气 874.022㎏ 水蒸气 0.088㎏ 不凝气体 10㎏ (2) 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 100％NaOH

氯气 水蒸气 不凝气体 硫酸 总计

874.022 4.816 10 16.312 905.15

出填料塔 kg/t 100％NaOH

874.022 0．088 10 21.039 905.149

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 100％NaOH

氯气 水蒸气 不凝气体 硫酸 总计

131103300 722400 1500000 2446800 135772500

出填料塔 kg/t 100％NaOH 131103300 13200 1500000 3155850 135772350

2.3.4硫酸干燥塔Ⅱ（泡罩塔）

1.计算依据

(1) 进塔硫酸浓度为98％，温度为13℃；出塔硫酸浓度为75℃，温度为28℃。 (2) 干燥后氯气含水量1.0×10－5。

宁夏大学本科毕业设计 第二章 氯气工艺计算 2．物料衡算

(1) 设每千克98％硫酸吸收的水分为W5㎏,则

W5＝0.98/0.75－1＝0.3067㎏

设干燥所需98％流酸为W6㎏，

0.088?0.3067W6－

＝1.0×105 解得W6=0.26㎏

874.022?10?0.088?0.3067W6假设各种因素造成的硫酸损耗为15％， 则需硫酸量为：0.26×1.15＝0.299㎏ 泡罩塔流出稀酸的量为：0.26×1.3067＋0.26×0.15＝0.3787㎏ 干燥后氯气含水量为：0.088－0.3067×0.26＝0.0083㎏ 出泡罩塔气体组分为： 氯气 :874.022㎏ 水蒸气:0.0083㎏ 不凝气体:10㎏ (2) 氯气纯度:

874.02271×100%=97% (V/V)

874.0220.008310??711829 (3) 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 100％NaOH

氯气 水蒸气 不凝气体 硫酸 总计

874.022 0．088 10 0．299 884.409

出泡罩塔 kg/t 100％NaOH

874.022 0．0083 10 0．3787 884.409

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 100％NaOH

氯气 水蒸气 不凝气体 硫酸 总计

131103300 13200 1500000 44850 132661350

出泡罩塔 kg/t 100％NaOH 131103300 1245 1500000 56805 132661350

13

宁夏大学本科毕业设计 第三章 主要设备设计及选型 第三章 主要设备设计及选型

3.1 第一钛冷却器

3.1.1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℃。 3.1.2确定物性数据

1.流体平均温度Tm和tm

Tm1＝（Ti＋To）/2＝（80＋46）/2＝63℃ tm1＝（ti＋to）/2＝（20＋30）/2＝25℃ 2.平均温度下的物性数据

表3-1 物性数据

物料 水

项目 密度 粘度 导热系数 比热容

J/(g?℃)

4.1796

单位 g/cm3 pa?s W/(m?℃)

数据 0.99708 0.0008937 0.60825

物料 氯 气

水 蒸 气

密度 粘度 导热系数 比热容

Kcal/(kg?℃)

0.459

Kg/m3 Kgf?s/m2 Kcal/(m?h?℃)

0.1506 1.075×10-6 0.01895

不 凝 气 体

比热容

Kcal/(kg?℃)

0.243

密度 粘度 导热系数

Kg/m3 Kgf?s/m2 W/(m?℃)

1.016 2.059 0.02917

比热容

Cal/(mol?℃)

8.324

项目 密度 粘度 导热系数

单位 Kg/m3 p Kcal/(m?h?℃)

数据 57.84 1516.8×10-7 0.00819

μ平＝1516.8×10－7×0.1×81.53％+1.075×10－6×9.81×17.54％+2.059×10－

6×9.81×0.93％＝14.40×10－6pa?s

ρ平＝57.84×81.53％+0.1506×17.54％+1.016×0.93％＝47.193㎏/m3

宁夏大学本科毕业设计 第三章 主要设备设计及选型 λ平＝0.819×10－2×81.53％+1.895×10－2×17.54％+2.425×10－2×0.93％＝1.02×10－2kcal/(m?h?℃)＝1.186×10－2w/(m?℃)

Cp平＝8.324/1000×71×81.53％+0.459×17.54％+0.243×0.93％＝0.565kcal/(kg?℃)=2.365J/(g?℃) 3.1.3设计计算

1.计算依据：由《氯碱工业理化常数手册》中查知，第一钛冷却器的总传热系数范围在350—550 kcal/(m2??h?℃)，即407.05—639.65 w/(m2?℃) 2.热负荷Q

Q =(532899-117150)×150000/7920 =7874034kJ/h =2187.2kw

3. 假设k=520 w/(m2?℃)

则估算的传热面积为

A=Q/KΔtm (3-1)

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，℃.

Δtm‘=

?t1??t2 ?t1ln?t2(80?30)?(46?20)

80?30ln46?20＝

＝36.7℃

则由式（3-1）有

A =2187.2×103/(520×36.7) =114.6㎡

考虑10％的面积裕度，则所需传热面积为：

A0 =1.1A =1.1×114.6 ?126㎡

4.选用Φ19.05×2㎜，6m长的Ti－0.3Mo－0.8Ni钛钢管，则所需管数

N=

A0 (3-2) ?dl其中， A0——传热面积，㎡ d——换热管外径，m l——换热管长度，m 。

15

宁夏大学本科毕业设计 第三章 主要设备设计及选型 N =

126

3.14?0.01905??6?0.1?=358根

参考碳钢Φ19排管图, 确定排管总数为360根，Dg 600mm，Ⅵ管程，管子采用三角形排管, 管心距 25㎜ 5.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H＝0.25×600＝150㎜，折流板间距取B=0.8DG＝0.8×600=480㎜，折流板厚度16㎜

折流板数NB=

=

传热管长－1 (3-3)

折流板间距6000－1 480?12块

6. 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㎜ 7. 接管

(1) 壳程流体进出口接管

取接管内流体流速为u1＝2m/s，则接管内径为：

D1=

4V (3-4) ?u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＝

4?9947?150000?7920?3600?997.08?

3.14?2＝0.183m

(2) 管程流体进出口接管

取接管内流体流速为u2＝20 m/s则接管内径为：

D2 =

4V ?u4??874.75?188.153?10??150000?7920?3600?47.193?

3.14?20=

=0.087m

圆整后，取壳程流体进出口接管规格为：Ф273×8㎜，管程流体进出口接管规格为Ф133×6㎜。

宁夏大学本科毕业设计 第三章 主要设备设计及选型 3.1.4第一钛冷却器的核算 1.壳程流体传热膜系数αo 用克恩法计算

αo＝0.36（

??）Re0.55Pr1/3（）0.14 (3-5) de?w 其中，λ——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。 (1) 当量直径：

4(32t2??4d2de＝

o)?d o4(3?0.0252?0.785?0.019052＝

2)3.14?0.01905

＝0.017m

其中，t——管间距，m， do——换热管外径，m (2) 壳程流通截面积

So ＝BD(1-dot) ＝0.48×0.6（1－0.01905/0.025） ＝0.07㎡

其中，B——折流板间距，m， D——壳体公称直径，m， (3) 壳程流体流速

uo＝Vs/So ＝9947?150000?7920?3600?997.08?0.07

＝0.750m/s

其中，Vs——流体在壳体的体积流量，m3/h。 (4) 雷诺数

Redo＝euo?? ＝

0.017?0.750?997.080.0008937

17

(3-6) (3-7) (3-8)

(3-9)

宁夏大学本科毕业设计 第三章 主要设备设计及选型 ＝14225

其中，uo——流体在壳程的流速，m/s， ρ——流体密度，kg/m3， μ——流体粘度，pa·s。 (5) 普兰特数

Pr＝＝

cp?? (3-10)

4.1796?0.0008937?1000

0.60825＝6.14

其中，Cp——流体比热，kJ/(kg·℃)。

粘度校正（

?）?1.05，则由式（3-5）得： ?wαo＝0.36×0.60825/0.017×142250.55×6.141/3×1.050.14 ＝4569 W/(m2·℃)

2.管内传热膜系数αi

αi＝0.023

?Re0.8Pr0.3 (3-11) di(1) 管程流体流通截面积

?2NSi＝di

4Np＝0.785×0.015052×360/6 ＝0.011㎡

(2) 管程流体流速

ui=Vs/Si

?874.75?188.153?10??150000?7920?3600?47.193?=

0.011＝10.9m/s

(3) 雷诺数

Rei＝＝

(4) 普兰特数

Pr＝

cp?deui??

0.01505?10.9?47.193

0.00001440＝537623

?

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rmdh.html