化工专业毕业论文-年产5万吨烧碱氯气冷却工序设计.doc

1 年产 5 万吨烧碱氯气冷却工序设计 指导老师：xxx 2007 级化工专业 学号 200711873 姓名 xxx 摘要 氯气冷却可以降低氯气中的含水率，对氯气的输送和使用有重要 意义，本设计主要对氯气冷却的工艺流程选择说明，对进行了冷却的 物料衡算以及设备的初步计算和选型，得到了基本合理的设计结果。 关键词：氯气 冷却工艺 设计 2 anan annualannual outputoutput ofof 50,00050,000 tonstons causticcaustic soda,soda, chlorinechlorine gasgas coolingcooling processprocess designdesign instructor: he ai-jiang name text： wen xue-mei abstractabstract chlorine gas cooling can reduce the chlorine in the water rate, the transmission and use of chlorine has an important significance, this design the main choices of chlorine cooling process shows that the conduct of the cooling equipment, material balance, as well as the initial calculation and selection, to be the basic sound design results. keykey wordswords: chlorine coolingprocess design 3 目录目录 1 概述.4 1.1 氯气的性质4 1.2 氯气用途5 1.2.1 消毒及净水剂5 1.2.2 漂白剂5 1.2.3 工业溶剂5 1.2.4 橡胶5 1.2.5 其它5 1.3 氯气冷却意义5 2 工艺设计.6 2.1 氯气冷却方法6 2.1.1 直接冷却流程6 2.1.2 间接冷却流程7 2.1.3 氯气循环冷却流程7 2.2 氯气处理方式的简述7 2.2.1 直接冷却+填料干燥.7 2.2.2 间接冷却+泡沫干燥流程 .8 2.2.3 间接冷却+泡沫、填料塔干燥流程.8 2.3 工艺流程确定9 3 工艺计算.10 3.1 计算依据.10 3.2 物料衡算.10 3.2.1 气相进口的物料衡算.10 3.2.2 冷却器的出口物料衡算.12 3.2.3 物料衡算表.12 3.3 热量衡算.13 3.3.1 气体带入热量.13 3.3.2 气体带出热量.13 3.3.3 冷却水用量.13 3.3.4 冷却器热量衡算表.14 4 冷却器的设计及选型.15 4.1 确定设计方案15 4.2 确定物性数据.15 4.2.1 流体平均温度.15 4 4.2.2 平均温度下的物性数据.15 4.3 设计计算.16 4.3.1 计算依据.16 4.3.2 热负荷.16 4.3.3 传热面积.16 4.3.4 管数.17 4.3.5 折流板.17 4.3.6 拉杆.18 4.3.7 接管.18 4.3.8 封头.18 4.3.9 材料选择.19 4.4 氯气冷却器的结构参数一览表.20 总结.21 参考文献22 致谢.23 5 1 1 概述概述 1.11.1 氯气的性质氯气的性质 氯气的分子式是cl2，份子量为70.92。在元素周期表上处于第三周期， 第七族。cl原子的最外层上有7个电子，在化学反应中容易结合一个电子 使最外层电子达到8个电子的稳定结构。cl2分子由两个cl原子组成的双原 子分子其共用电子对处于两个原子核的中间。cl2的化学性质很活泼，它是 一种活泼的非金属，能和多种单质及化合物发生反应。 通常状况下cl2是黄绿色的气体，比空气重。cl2有毒，有强烈刺激性。 吸入少量cl2会使鼻和喉粘膜受到刺激，引起胸部疼痛和咳嗽，吸入大量 cl2会中毒死亡。cl2易溶于水，其水溶液叫氯水。 1.21.2 氯气用途氯气用途 1.2.11.2.1 消毒及净水剂消毒及净水剂 目前我国不少自来水厂采用液氯消毒。液氯注人水中与水发生反应， 产生盐酸和次氯酸。次氯酸有氧化性，能杀死水中的细菌。并且用它消毒 后，自来水中含少量的余氯，它在水管停留可有效地起杀菌作用，并能保 持较长时间。 此外，它也用来生产净水剂，如三氯化铁、碱式氯化铝等。 1.2.21.2.2 漂白剂漂白剂 漂白剂的有效成分是次氯酸钙ca（clo）2 ，所以氯是生产漂白剂的主 要原料。广泛的使用在漂白液、漂白粉、漂白精、含氯典氰酸等中。 1.2.31.2.3 工业溶剂工业溶剂 含氯溶剂在胶粘剂中的作用很大，有的作为聚合反应的介质，使反应 缓和，温度易于控制；有的用以纯化单体和助剂；有的用以溶解基料成为 胶粘剂的一个组分；有的用于烯释胶粘剂达到一定的粘度，有利于浸润， 便于涂布施工；有的用作调节胶粘剂的挥发速度；有的用来防止凝胶增加 贮存稳定性，有的用作粘接前表面清洁处理剂；有的用来直接粘接某些热 塑性塑料制品；有的可用来降低成本，提高效益。其中含氯的溶剂也有很 多，如四氯化碳，二、三、四氯甲烷，三氯乙烯，三氯乙烷等。 1.2.41.2.4 橡胶橡胶 6 橡胶很柔软，弹性好，耐高温，耐油，耐紫外线，柔韧性好，强度高， 广泛应用在皮革，化纤，轮胎及各种生活用品中，如氯丁橡胶等。 1.2.51.2.5 其它其它 如塑料，农药，染料，化肥，制冷剂等。 1.31.3 氯气冷却意义氯气冷却意义 从上面的用途看出，氯在生活乃至工业中都很重要，因此当工厂 生产中副产品中有氯气时，我们应当将氯气回收起来。 在本设计中，主要是电解食盐水制烧碱时，在阳极产生氯气，它 是在电解液盐水中鼓泡而出的，温度很高（8090） ，同时夹带着 水蒸汽、盐和其他杂质，水蒸汽会与氯气反应，成为腐蚀设备、管道 的根源。 表表 1-11-1 氯气相关物性氯气相关物性 温度（） 908070605040302010 1kg氯气中 水蒸气含量 （g） 571.0219.0112.061.634.919.810.84.33.1 水蒸气分压 （kpa ） 70.1447.3831.1619.9212.347.3774.2472.3351.226 氯气的溶解 度（克/100 水） 2.762.963.233.594.074.775.807.299.65 腐蚀的反应为： cl2 + h2 = hcl + hclo 2hclo = 2hcl + o2 fe + hclo = fec13 + h2o fe + 2hcl = fec12 + h2 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，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。为了后续工段的反应，必保证氯气的纯度，因此必须将氯气 中的水分及杂质除去。 2 2 工艺设计工艺设计 2.12.1 氯气冷却方法氯气冷却方法 为了将副产品中氯气中的水蒸汽除去，采用冷凝水蒸汽法。可以 7 分为直接冷却、间接冷却和氯气循环冷却三种工艺。 2.1.12.1.1 直接冷却直接冷却流程流程 直接将冰或冷水加入被冷却的物料中。最简便有效。也最迅速。但只 能在不影响被冷却物料的品质或不致引起化学变化时才能使用。也可将热 物料置于敞槽中或喷洒于空气中，使在表面自动蒸发而达到冷却的目的。 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，腐蚀管道，污染环境，同时使氯气损失增加，且耗费大量蒸气。 2.1.22.1.2 间接冷却流程间接冷却流程 将物料放在容器中，其热能经过器壁向周围介质自然散热。被冷却物 料如果是液体或气体，可在间壁冷却器中进行。夹套、蛇管、套管、列管 等式的热交换器都适用。冷却剂一般是冷水和空气，或根据生产实际情况 来确定。 操作简单，易于控制，操作费用低，氯水含量小，氯气损失少，并能 节约脱氯用蒸汽。冷却后氯气的含水量可低于0.5。 2.1.32.1.3 氯气循环冷却流程氯气循环冷却流程 冷却效率高，操作费用低于直接冷却法，高于间接冷却流程法，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。 2.22.2 氯气处理方式的简述氯气处理方式的简述 2.2.12.2.1 直接冷却直接冷却+ +填料干燥填料干燥 氯 气 冷却器 填 料 冷 却 塔 水 冷 却 器 氯气 分 离 器 干 燥 塔 1 干 燥 塔 2 干 燥 塔 3 分 离 器 氯气 氯气 氯气 氯气 图（2-1） 8 该流程是氯气填料塔中直接冷却之后，氯水本身又用冷冻水进行 热交换，被冷却后的氯气进入串联的填料干燥塔，再用硫酸进行干燥， 使水分小于 0.04。 该流程的特点是： 湿氯气经氯水冷却直接洗调后，电解过程除石墨阳极的有机氯 化物被除去。 经氯水直接冷却后，氯气的温度容易控制，即传热情况比间接 冷却好。 采用填料干燥，负荷弹性大，生产稳定。 采用上述流程，要解决泵和换热器的耐腐蚀问题。 2.2.22.2.2 间接冷却间接冷却+ +泡沫干燥流程泡沫干燥流程 氯 气 冷 却 器 1 冷 却 器 2 冷却器3 分 离 器 1 干 燥 塔 1 干 燥 塔 2 分 离 器 2 干 燥 塔 3 干 燥 塔 4 氯气 氯气 图（2-2） 改流程的特点是： 采用钛冷却器，间接冷却，设备耐腐蚀。 采用泡沫塔做干燥塔，设备紧凑，效率高。 由于泡沫塔做干燥塔，弹性小，水分易波动。 2.2.32.2.3 间接冷却间接冷却+ +泡沫、填料塔干燥流程泡沫、填料塔干燥流程 9 cl2 换热器 2 换热器 1 分离器 水槽 1 水槽 2 cl2 氯水 cl2 填料吸收塔 吸收尾气 回收尾气 h2o h2o 氯气 水 填 料 冷 却 塔 氯气 冷 却 器 1 冷 却 器 2 分 离 器 氯气 水槽 干 燥 塔 1 干 燥 塔 2 回收槽 氯气 分 离 器 氯气 图（2-3） 该流程是集中前面两种的综合，既有泡沫塔的高效率，又有填料 塔的稳定性，既不用水泵，又不会减少冷冻水，这一流程比较稳定可 靠。 2.32.3 工艺流程确定工艺流程确定 综合上述三种氯气的处理流程优缺点，我确定以下流程，为我的 氯气冷却处理流程： 氯气冷却处理工艺流程 图（2-4） 该工艺流程：从电解槽出来的氯气进入填料冷却器直接冷却后， 再次进入钛冷却器间接冷却，冷却到符合工艺要求的温度时，再到下 10 一个干燥工序。有填料塔的稳定性，冷却水循环利用，即不会减少冷 冻水，又不会损失氯气，这一流程比较稳定可靠。 3 3 工艺计算工艺计算 3.13.1 计算依据计算依据 生产规模：5 万 t98%naoh 衡算条件：以生产 1t98%naoh 为基准 年生产时间：年生产时间 8000 小时 条件：氯气成份（干） 97 压力：冷却器进口102.641kpa，冷却器出口83.979 kpa 温度：氯气经冷却器冷却，温度从 45降到 25 氯气在水中溶解度：25：0.006545kg/kgh2o 水蒸汽分压： 45：9.584 kpa 25：3.168 kpa 冷却水比热： 10：4.191kj/(kg) 20：4.183kj/(kg) 表表 3-13-1 相关热力学数据相关热力学数据 名称单位温 度 4525 水蒸气热焓 kj/kg2577.825390.7 不凝气比热容kcal/（kg.） 0.24020.2402 氯气比热容 kcal/(mol.)2.3462.33 3.23.2 物料衡算物料衡算 3.2.13.2.1 气相进口的物料衡算气相进口的物料衡算 进入冷却器的温度：45 进入冷却器的压力：102.641kpa 氯气量的计算 11 97 由反应式 2nacl+ 2h2o = 2naoh + cl2 + 2h2 2 1 x 80 1000 解得 x = 887.5 氯气的质量为： = 88.75kg 氯 w 氯气的摩尔质量： = 氯 n 5 . 12 71 5 . 887 氯气的体积流量： = m3 氯 v98.321 102641 )45273(1000314 . 8 5 . 12 不凝气量的计算 由于氯气的纯度为97%,其余的3%则为不凝气： 不凝气的质量流量为：= 3 = 3=27.45 不 w kg 不凝气的千摩尔流量为： = 0.946 kmol 不 n 29 75.24 不凝气的体积流量为： m3 不 v37.24 102641 )45273(1000314 . 8 946 . 0 水分量的计算 查水在温度为45的物理性质，可得进口处的饱和蒸气压为9.584 kpa 由道尔顿分压定律得： 水 水 水总 不氯 不氯水 不氯水 总 总 p n pp nn ppp nnn p n 所以水蒸气的摩尔流量： =1.42kmol 9.584-102.641 0.946.512584 . 9 ）（ 水 n 质量流量： =181.42=25.56 kg 水 w 水 n 水 m 体积流量： =36.58 m3 1000102.641 100045273314 . 8 42 . 1 ）（ 水 v 气相进口总量的计算 总的质量流量： =+=887.5+25.56+24.75=940.51kg 总 w 氯 w 不 w 水 w 总的体积流量： =+=321.98+24.37+36.58=382.93m3 总 v 氯 v 不 v 水 v wcl2887.5 97 12 3.2.23.2.2 冷却器的出口物料衡算冷却器的出口物料衡算 氯气在冷却器中温度从45降至25， 出口氯气的总压为83.979 kpa 出口水蒸气的计算 设在冷却器出口的水蒸气为 水 w 根据道尔顿分压定律： = 71 0.006545 18 18 ）（ 水氯不 水 水 wwn w w 83.979 3.168 解得： =9.5kg 水 w 即冷却器出口的水蒸气的量为9.5kg 冷却器出口冷凝下来的水量 其中水蒸气被冷却下来的水量：25.569.5=16.06 kg 不凝气在冷却过程不会损失，因此： 不凝气的质量： =27.45 kg 不 w 出口氯气的量的计算 由于在冷却的过程中氯气会溶解在冷凝水中， 溶解氯气的量为： 0.00654516.06=0.105 kg 氯气的质量为： =887.50.105= 887.395 kg 氯 w 氯水的计算 氯水总重量为：16.06 + 0.105=16.165kg 3.2.33.2.3 物料衡算表物料衡算表 以生产1t98%naoh为基准 表表3-23-2 冷却器物料衡算表冷却器物料衡算表 名称进冷却器(kg/t 98naoh)出冷却器(kg/t 98naoh) 氯气 887.5887.395 水蒸气 25.569.5 13 不凝气体 27.4527.45 氯水 16.165 总计 940.51940.51 5万t 98%naoh冷却物料衡算表 表表3-33-3 冷却器总物料衡算表冷却器总物料衡算表 名称进冷却器(kg/t 98naoh)出冷却器(kg/t 98naoh) 氯气 4.43751074.36975107 水蒸气 1.2781064.75105 惰性气体 1.37251061.3725106 氯水 8.0825105 总计 4.67531074.6753107 3.33.3 热量衡算热量衡算（以生产1t98%naoh为基准） 3.3.13.3.1 气体带入热量气体带入热量 氯气带入热量：q1=887.5712.346454.187=5525kj 水蒸气带入热量：q2=25.562577.8= 65888 kj 不凝气带入热量：q327.450.2402454.1871244 kj 查的氯气在此温度下的溶解热为4900 kcal/kmol 氯气的溶解热：0.1057149004.187=30kj q=5525+65888+1244+30=72687 kj 3.3.23.3.2 气体带出热量气体带出热量 氯气带热量：q1887.395712.33254.1873048 kj 水蒸气带热量：q29.52539.724127kj 不凝气带出热量：q327.450.2402254.187690 kj 氯水排出的温度取20，比热容为1 kcal/ kg 氯水带出热量：q4116.165204.1871354 kj q3048+24127+690+13543=29219 kj 3.3.33.3.3 冷却冷却水用量水用量 设进口温度t110，出口温度t220。 14 定性温度： t =（t2t1）/2 =（1020）/2 =15 q =wccpc(t2t1) (3-1) 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，。 则冷却水量为： wc1=q/ cpc(t2t1) = )1020(187 . 4 2921972687 =1041kg 冷却水带入热量：10414.1871043451kj 冷却水带出热量：10414.1872086902kj 3.3.43.3.4 冷却器热量衡算表冷却器热量衡算表 以生产1t98%naoh为基准 表表3-43-4 冷却器热量衡算表冷却器热量衡算表 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 887.55525 氯气 887.3953048 水蒸气 25.5665888 水蒸气 9.524127 不凝性气体 27.451244 不凝性气体 27.45690 溶解热 30 氯水 16.1651354 冷冻水 104143451 冷冻水 104186902 总计 1981.51116138 总计 1981.51116138 4 4 冷却器的设计及选型冷却器的设计及选型 15 4.14.1 确定设计方案确定设计方案 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。所以选择钛材料的列管做 换热器，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45，出口温度25； 冷冻水进口温度10，出口温度20。 4.24.2 确定物性数据确定物性数据 4.2.14.2.1 流体平均温度流体平均温度t tm m和和t tm m tm1（tito）/2（4525）/235 tm1（tito）/2（1020）/215 4.2.24.2.2 平均温度下的物性数据平均温度下的物性数据 表表4-14-1 物性数据物性数据 水水蒸气不凝气氯气 密度g/cm3 0.997080.023041.1924.31 粘度pas 0.0008937910-61.8410-613210-7 导热系数w/(m) 0.608250.018950.026410.007275 比热容kj /(kg) 4.1740.4591.0050.121 平 13210-70.194.4+910- 61.842.9+1.841062.712.464106pas 平 24.3194.4+0.023042.9+1.192.722.99/m3 平 0.00727594.4+1.8951022.9+0.026412.7 9.881032kcal/(mh)1.149102w/(m) cp 平 0.12194.4+0.4592.9+1.0052.7 0.155 kcal /(kg)=0.65kj/(g) 4.34.3 设计计算设计计算 4.3.14.3.1 计算依据计算依据 由氯碱工业理化常数手册中查得，冷却器的总传热系数范围30- 110w/(m2)。 16 4.3.24.3.2 热负荷热负荷 q =（72689-29219）500008000 = 271675kj/h = 75.465kw 4.3.34.3.3 传热面积传热面积 设k=70 w/(m2) 则估算的传热面积为 a=q/ktm (4-1) 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，. 2 1 ln 21 t t tt 1025 2045 ln )1025()2045( 19.6 则 由式（4-1）有 a = 75465 /(7019.6) =55 考虑10的面积裕度，则所需传热面积为： a0 = 1.1a = 1.155 =60.5 4.3.44.3.4 管数管数 选用192，6m长的管，则所需管数 dl a 0 (4-2) tm n = 17 折流板间距 传热管长 其中， a0传热面积， d换热管外径，m l换热管长度，m n = ) 1 . 06(019 . 0 14 . 3 60.5 = 171根 参考碳钢19排管图, 则初选换热器的主要参数如下表。 表表4 42 2 初选换热器的主要参数初选换热器的主要参数 外壳直径d/ 400 管程数np1 公称面积/ 61.3 管数n/根174 公称压力/mp 1 管子排列方式正三角形 管子尺寸/192管间距/25 管长/ m6中心排管数/根14 4.3.54.3.5 折流板折流板 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h0.25400100，折流板间距取b=0.8dg=0.8400=320， 折流板厚16 折流板数nb = 1 (4-3) = 320 6000 =18块 4.3.64.3.6 拉杆拉杆 参考化工容器及设备简明设计手册知，拉杆数量为6，拉杆直径 为10 4.3.74.3.7 接管接管 壳程流体进出口接管（冷却水） 取接管内流体流速为u11m/s，则接管内径为： d1= u v 4 (4-4) 其中，v流体的体积流量，m3/s u流体在接管中的流速，m/s。 18 d1 13.14 )03.9953600(8000 100005 10414 0.07m 管程流体出口接管（氯气） 取接管内流体流速为u215m/s则接管内径为： d2 = u v 4 = 1514 . 3 99.2336008000 100005 51.9404 =0.04 m 圆整后，取壳程流体进出口接管规格为：898，管程流体进出 口接管规格为426。 4.3.84.3.8 封头封头 固定管板式换热器要具有一定的承压能力，因此选择椭圆形的封头。 对于椭圆形的封头来说，随着di/2hi值的变化，封头的形状在改变。当 di/2hi=2时，此时椭圆形封头的应力分布较好，且封头与相连接的筒体壁 厚大致相等，便于焊接，经济合理。 由于所选的换热器外壳直径di=400mm，所以选择的曲面高度hi为：100 mm，直边高度为：20mm 4.3.94.3.9 材料选择材料选择 湿氯气质材质选择 氯气是强氧化性、强腐蚀介质，尤其在含有水分时氯气与水分反应 生成腐蚀性很强的盐酸和具有强氧化性的次氯酸，c12+ h2o=hcl+ hclo许 多金属：如碳钢、 铅、铜 、镍、不锈钢等均被腐蚀，当每克氯中含水量 为0.33克 时，碳钢的腐蚀率为0.38mma。在湿氯气中钛表面能迅速地形 成一层致密的钝化膜，所以耐腐蚀性很好。如在100的湿氯气，腐蚀率 不超过0.0025mma。在氯气中钛钝化所必需的含水量随环境条件而变化， 如湿度、压力、气流速度、受腐蚀部分的几何形状和表面膜的机械损伤程 度等。通常，所需的含水量随湿度升高及气流速度降低而增加。表面膜被 19 机械损伤后需要较高的含水量才能钝化。氯气中含水量5%就足以钝化钛。 由上述可见，饱和湿氯气在选择钛村作为湿氯气介质换热材质是较为理想。 冷却水介质材质选择 由于碳钢在冷却水中会生成可溶性化合物因而使腐蚀加强，同时冷却 水溶液中的溶解氧会使金属氧化，其腐蚀速度与氧含量有很大的关系。当 氧是去极化剂时能使腐蚀加强，对在流动、搅拌的食盐水溶液中由于氧的 补给容易则腐蚀速度增大。而钛在冷却水中的耐腐蚀性能尤为显著，在冷 却水中选择钛材的耐腐蚀性远远优于碳钢和不锈钢，钛材是较理想的材质。 因此我们选择钛作为衬里，外部选择不锈钢的作为壳程材料。 4.4氯气冷却器的结构参数一览表氯气冷却器的结构参数一览表 氯气冷却器 管程壳程 1 流体名称氯气冷却水 2 进出口温度/ 45/2510/25