200kta氯碱装置氯气氢气处理工序初步设计

1、毕 业 设 计 （ 论 文） 说 明 书 200 kt/a 烧碱装置氯气、氢气处理工序的初步设计 目录 第一篇 氯气处理 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 第二章 氯气工艺计算 氯气处理工艺流程 计算依据 三 工艺计算 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 28 五 除沫器 第二篇 氢气处理29 第一章 总论29 29 概述 二 氢气处理工艺流程确定

2、30 第二章 工艺计算 31 一 氢气处理工艺流程 31 31 计算依据 三 工艺计算 （一）一段洗涤冷却塔 （二）二段洗涤冷却塔 第三章 主要设备设计及选型 一 一段洗涤塔 32 32 34 36 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

3、，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 用于化学工业本身外，有轻工、纺织、石油化工、有色金

4、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、玻

5、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

6、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

7、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

8、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、 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

9、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

10、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。 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。 干氯气 钛 冷 却 器 冷却水 二钛冷却器

11、 硫酸干燥塔 % 80硫 酸 硫酸干燥塔 浓硫酸 % 60硫酸 % 75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。 二 . 计算依据 1生产规模： 200kt/a100%NaOH； 2年生产时间（

12、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， 885 12.50mol kg/t100%NaOH 总压（表），Pa -10 不凝性气体 15 0.52kmol 水蒸汽， 310 （假设为空 kg/t100%NaOH 气，下同） kg/t100%NaOH 成分，%（干基） 96 气体总量， 1187 ( v/v ) kg/t100%NaOH 三 . 工艺计算 （一）第一钛冷却器 1计算依据

13、 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/kgH 2O 56 : 0.00355 kg/kgH 2O 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 80 46 氯气比热容 Kcal/(mol ) 8.364 8.2902 水蒸气热焓 kcal/kg 631.4 617.42 不

14、凝气比热 kcal/kg 0.2426 0.2426 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 310 W1 18 45.77 885- 0.002227W1 15 310 W1 101.227 71 29 18 解得 W1=117.097kg 氯气 8850.26=884.74kg 水蒸气 310 117.097=192.903kg 故溶解的氯气量： 0.002227 117.097=0.26kg 氯水总重量

15、： 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： 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（35mm2HO）， 则出口氯气的总压为 -40 9.81Pa -3 P总=101.227359.8110-3=100.933 kpa 根据道尔顿定律有： 192.903 W2 18 10.1104 884.74- 0.00355W2 15 192.903 W2 100.933 71 29 18 解得： W2=166.946kg 溶解氯气的量为： 166.946 0

16、.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 884.74 0.593=884.147kg 水蒸气 192.903166.946=25.957kg 不凝气体 15kg 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 出第二钛冷却器 kg/t 100 NaOH kg/t 100 NaOH 氯气 88474 884147 水蒸气 192903 25957 不凝气体 15 15 氯水 167539 总计 1092643 1092643 b. 总物料衡

17、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 出第二钛冷却器 kg/t 100 NaOH kg/t 100 NaOH 氯气 176948000 176829400 水蒸气 38580600 5191400 不凝气体 3000000 3000000 氯水 33507800 总计 218528600 218528600 3热量衡算 气体带入热量 a. 氯气带入热量： Q1=884.74/71 8.364 804.1868=34909kJ b. 水蒸气带入热量： Q2=192.903631.4 4.1868=509948kJ c. 不凝气体带入热量： Q3150.244 4.186

18、8801226kJ d. 氯气溶解热： Q40.593/71 22090185kJ Q=34909+509948+1226+185=546268kJ 气体带出热量 a. 氯气带热量： q1884.147/71 8.2902 464.1868 19883kJ b. 水蒸气带热量： q225.957617.424.186867099kJ c. 不凝气体带出热量： q3150.2426 4.1868 46701kJ d. 氯水带出热量： q4167.5394J q1988367099701+39244126927kJ 冷却水用量 冷却水采用工业上水，设进口温度 t 1 20

19、，出口温度 t 230 定性温度 : T = （ t 2 t 1） /2 =（2030）/2 =25 Q =WCCPC（t 2t 1）（2 1） 其中， Q传热速率， W WC流体质量流量， kg/s C PC流体比热容， kJ/（kg ? ） t 温度，。 则第一钛冷却器用水量为： WC1=Q/ CPC（t 2 t 1） = 546268 126927 = 4.1796（30 20） =10032 kg/t100 NaOH 冷却水带入热量： 100324.1796 20838595kJ 冷却水带出热量： 100324.1796 30 1257892kJ 第一钛冷却器热量衡算表 表 2-5 第

20、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 884.74 34909 氯气 884.147 19883 水蒸气 192.903 509948 水蒸气 25.957 67099 不凝气体 15 1226 不凝气体 15 701 溶解热 185 氯水 167.539 39244 冷却水 10032 838595 冷却水 10032 1257892 总计 11224.643 1.385 106 总计 11124.643 1.385 106 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

21、氯气总压力为 -100 9.81pa （ 100 mmH2O）。 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/kgH 2O 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 mm2HO）， -3 P总=100.933609.8110-3=100.344 kpa 2.0

22、776 25.957 W3 100.344 18 25.957 W3 则由道尔顿定律有： 18 71 884.147 - 0.00729W3 15 29 解得 W3=19.608kg 溶解氯气量： 19.608 0.00729=0.143kg 氯水总量： 19.608+0.143=19.751kg 因此出第二钛冷却器的气体组分为： 氯气 884.147 0.143=884.004kg 水蒸气 25.957 19.608=6.349kg 15kg 不凝气 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

23、一钛冷却器 kg/t100%NaOH 氯气 884.147 884.004 水蒸汽 25.957 6.349 不凝气 15 15 氯水 19.751 总计 925.104 925.104 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 出第二钛冷却器 kg/t 100 NaOH kg/t 100 NaOH 氯气 176829400 176800800 水蒸气 5191400 1269800 不凝气体 3000000 3000000 氯水 3950200 总计 185020800 185020800 3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

24、出一段钛冷却器的热量，即 a. 氯气带入热量： Q5=19883kJ b. 水蒸气带入热量： Q6=67099kJ c. 不凝气体带入热量： Q7 617kJ 3 d. 氯气溶解热： Q822.09 1030.143/71 44kJ Q=19883+67099+617+44 87643kJ 气体带出热量 a.氯气带出热量： q5884.004/71 8.227 184.1868 7720kJ b. 水蒸气带出热量： q66.349 605.34 4.1868 16091kJ c. 不凝气体带出热量： q7150.2418 4.1868 18273kJ d. 氯水带出热量： q8 19.751

25、4.1819 201652kJ q7720+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/ C PC(t 2 t 1) = 87643 25736 = 4.1999(8 4) =3685 冷冻水带入热量： 36854.1999 461907kJ 冷冻水带出热量： 36854.1999 8123813kJ 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 884.147 19883 氯气 884.004 7720 水蒸

26、气 25.957 67099 水蒸气 6.349 16091 不凝气体 15 617 不凝气体 15 273 溶解热 44 氯水 19.751 1652 冷冻水 3685 61907 冷冻水 3685 123813 总计 4610.104 1.496 105 总计 4610.104 1.496 150 （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 W380/60 10.3333 设干燥所需 80硫酸

27、量为 W4, 则 6.349 0.3333W 4 0.0001 884.004 15 6.349 0.3333W 4 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： 18.794 1.15 21.613 填料塔流出的稀酸量为： 18.794 1.3333 18.794 0.15 27.877 干燥后氯气中含水量： 6.349 0.3333 18.794 0.085 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 出填料塔

28、 kg/t 100 NaOH kg/t 100 NaOH 氯气 884004 884004 水蒸气 6349 0085 不凝气体 15 15 硫酸 21613 27877 总计 926966 926966 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 出填料塔 kg/t 100 NaOH kg/t 100 NaOH 氯气 176800800 176800800 水蒸气 1269800 17000 不凝气体 3000000 3000000 硫酸 4322600 5575400 总计 185393200 185393200 四）硫酸干燥塔（泡罩塔） 1.计算依据

29、 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 1.0 105。 2物料衡算 设每千克 98硫酸吸收的水分为 W5, 则 W50.98/0.75 1 0.3067 设干燥所需 98流酸为 W6 ， 0.085 0.3067W 65 1.0 10 884.004 15 0.085 0.3067W6 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： 0.25 1.15 0.2875 泡罩塔流出稀酸的量为： 0.25 1.3067 0.25 0.15 0.3642 干燥后氯气含水量为： 0.085 0.3067 0.25 0.00

30、83 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 : 884.004 71 884.004 0.0083 15 100%=96% (V/V) 71 18 29 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 出泡罩塔 kg/t 100 NaOH kg/t 100 NaOH 氯气 884004 884004 水蒸气 0085 00083 不凝气体 15 15 硫酸 02875 03642 总计 8993765 8993765 b. 总物料衡算 表 2-12 硫酸干燥塔（泡罩塔）总物

31、料衡算表 名称 进泡罩塔 出泡罩塔 kg/t 100 NaOH kg/t 100 NaOH 氯气 176800800 176800800 水蒸气 17000 1660 不凝气体 3000000 3000000 硫酸 57500 72840 总计 179875300 179875300 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

32、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 t m Tm1（ Ti To） /2 （8046）/263 t m1（t it o）/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 密度 g/cm3 0.99708 密度 Kg/m3 57.84 粘度 pa? s 0.0008937 粘度 p 1516.8 氯 10-7 水 导热 系数 W/(m?) 0.60825 气 导热系 数 Kcal/(m ? h? ) 0.00819 比热 J/(g ?

33、 ) 4.1796 比热容 Cal/(mol 8.324 容 ? ) 密度 Kg/m3 0.1506 密度 Kg/m3 1.016 粘度 Kgf? s/m -6 1.075 10-6 不 粘度 Kgf? s/m 2.059 水 导热 Kcal/(m 0.01895 凝 导热系 W/(m?) 0.02917 蒸 系数 ? h? ) 气 数 气 比热 Kcal/(kg 0.459 体 比热容 Kcal/(kg 0.243 容 ? ) ? ) 7 6 6 平1516.81070.180.97+1.0751069.8117.66 +2.019106 9.81 1.37 14.42 106pa? s 3

34、 平57.84 80.97+0.150617.66+1.011.3746.874 /m3 2 2 2 平 0.819 10 280.97 +1.895 10 217.66 +2.425 10 21.37 2 2 1.33 102kcal/(m ? h? ) 1.547 102w/(m? ) Cp 平 8.324/1000 71 80.97 +0.459 17.66 +0.243 1.37 0.563kcal/(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，第一钛冷却器的总传热系数 22 范围在 350550 kcal/(m 2? h? )，即 4

35、07.05 639.65 w/(m 2? ) 热负荷 Q Q =(546268-126927) 200000/7920 =10589419kJ/h =2941.7kw 假设 k=500 w/(m 2? ) (3-1) 则估算的传热面积为 A=Q/K t m 其中， Q换热器热负荷， W K 总传热系数， W/(m2? ) t m对数平均温差， . t m= t1 t2 t1 ln t2 (80 30) (46 20) 80 30 ln 46 20 36.7 则由式( 3-1 )有 A =2941.7 130/(500 36.7) =160.3 考虑 10的面积裕度，则所需传热面积为： A0 =

36、1.1A =1.1 160.3 177 选用 19.05 2 ， 6m长的 Ti0.3Mo0.8Ni 钛钢管，则所需管数 N= A0 dl (3-2) 其中， A 0传热面积， d 换热管外径， m l 换热管长度， m 177 3.14 0.01905 6 0.1 =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=0.8DG0.8 700=560，折流板 厚度 16 折流板数 NB= 传热

37、管长 折流板间距 1 (3-3) 6000 1 560 10 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： (3-4) 其中， V流体的体积流量， m3/s 流体在接管中的流速， m/s 1 4 10032 200000 7920 3600 995.03 3.14 2 0.212m b. 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： = 4 884.74 192.903 15 200000 7920 3600 47 = 3.14 20 =0.102m 圆整后，取壳

38、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 0.14 (3-5) 0.55 1/3 o 0.36 ( )Re Pr ( de 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： 3 2 2 4( 23t2 4 do2) de2 4 (3-6) do 4( 23 0.0242 0.785 0.019052) 3.14 0.01905 0.0143m 其中， t 管间距， m， do 换热管外径， m b. 壳程流通截面积

39、So BD(1- do )(3-7) 0.56 0.7 (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(3-8) 10032 200000 7920 3600 997.08 0.08 0.735m/s 其中， Vs流体在壳体的体积流量， m3/h 。 d. 雷诺数 Reo deuo(3-9) 0.0143 0.735 997.08 0.0008937 11726 其中， uo流体在壳程的流速， m/s， 流体密度， kg/m3， 流体粘度， pas 。 e. 普兰特数 cp Pr p (3-10) 4.1

40、796 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： w 1.05 0.14 0.55 1/3 o0.36 0.60825/0.017 117260.556.14 1/3 4884 W/（m 0.7850.015052518/6 0.015 b. 管程流体流速 ） 2）管内传热膜系数 i i0.023 di Re0.8Pr0.3 (3-11) a. 管程流体流通截面积 Si d i 4 2N 46.874 ui =Vs/S i = 884.74 192.903 15 200000 792

41、0 3600 = 0.015 10.9m/s d. 雷诺数 0.01505 10.9 46.874 0.00001442 533249 e. 普兰特数 Pr cp 2.357 1000 0.00001442 0.01547 2.197 则由式（ 3-11 ），得： i 0.023 0.01547/0.01505 5714720.82.20 0.3 2 1207 W/(m2) 3）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻： Rso1.7197 104 m2/W scm2），即 管内侧污垢热阻： Rsi 0.0002 m 2/W Ti 0.3Mo0.8Ni 在该条件下的导热系数为 0.046cal/ 2

42、 w 0.046 4.1868 10 2 19.26 W/(m 2) 4）总传热系数 1 K1 + Rso+ bdo Rsi wd do di do idi (3-12) +0.00017197+ 4884 0.01905 0.01905 + 0.01505 1139 0.01505 0.002 0.01905 19.26 0.01705 +0.0002 0.0019 2 K1=526.3 W/(m 2? ) 5) 校核有效平均温差 R1= Ti to ti To ti Ti ti 80 46 30 20 30 20 80 20 R2 1 t R1 ln 3.4 0.167 ln 1P 1 P

43、R 2/ P 1 R R2 1 (3-13) 2/ P 1 R R2 1 10.167 3.42 1 3.4 1 ln ln 10.167 3.4 2/ 0.167 1 3.4 3.42 1 2/ 0.167 1 3.4 3.42 1 =0.96 t m1 t t m1(3-14) =0.96 36.7 =35.23 其中， t m按逆流计算的对数平均温度差， t 温度差校正系数，无因次。 t= T m1 t m1 6325 38500， f=5.0Re 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=10， Nc=1.1 N =1.1 518 =25， So=

44、0.08 ,u o=0.735m/s ， Re=11726500， 所以 5.0 11726 0.228 =0.59 2 997.08 0.7352 1) 2 由式( 3-17 )，得： P1 0.5 0.59 25 (10 2h 2 u P2 NB (3.5 ) D 2 2 0.56 ) =10(3.5 0.7 ) =5117 Pa =21849 Pa (3-18) 997.08 0.7352 2 Po=(21849+5117)1.15 =31011 Pa 壳程和管程的压力降几乎都能满足要求。 第二钛冷却器 从第一钛出来的氯气需要进一步冷却， 进入第二钛冷却器。从车间布置、 备维修等多方面的

45、考虑， 第二钛冷却器与第一钛冷却器选取同种型号， 进行核算 即可。 1第二钛冷却器核算 （ 1）热负荷 Q Q2=61907200000/（79203600） =434.25 KW （2）流体平均温度及对数平均温度差 TM2=（46+18）/2=32 t m2= （4+8） /2 =6 （3）平均温度下的物性数据见下表 表 3-2 物性数据表 物料 项目 单位 数据 物料 项目 单位 数据 密度 kg/m3 999.97 密度 Kg/m3 28.922 粘度 cp 1.4728 粘度 Pa? s 1376.2 冷 湿 10-7 冻 导热系 W/(m 0.56522 氯 导热系 kcal/(m

46、0.007406 水 数 ? ) 气 数 ? h? ) 比热容 J/(g 4.1999 比热容 cal/(mol 8.2588 ? ) ? ) 4）壳程结热系数 de=0.017m，So=0.08 ， uo Vs/S o 3603 200000 7920 999.97 3600 0.08 0.32m/s Reo deuo 0.017 0.32 999.97 0.0014728 3694 Pr cp 4.1999 1000 0.0014728 0.56522 10.94 粘度校正（） 0.14 1， w 则由式（ 3-5 ）得： 0.55 1/3 o 0.36 0.56522/0.017 369

47、40.5510.94 1/31 2 =2435 W/(m2) 5）管程结热系数 i Si N 2N (884.74 25.957 15) 200000 7920 3600 28.922 0.015 14.96m/s Re deui i 0.01505 14.96 28.922 0.000013762 473167 Pr cp 2.455 1000 0.000013762 0.008613 3.923 则由式（ 3-11 ）得： i 0.023 0.008613/0.01505 4731670.83.923 0.3 2 689 W/（m2） 6）污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻： Rso1.7

48、197 104 m2/W 2 管内侧污垢热阻： Rsi 0.0002 m 2/W Ti 0.3Mo0.8Ni 在该条件下的导热系数为 0.046cal/ （scm2），即 22 w0.0464.186810219.26 W/（m 2） 7）总传热系数 由式（ 3-12）得： 1 K2 + Rso+ bd o + wd m Rsi d o do + dd i i i 2435 +0.00017197+ 0.002 0.01905 19.26 0.01705 +0.0002 0.01905 0.01905 + 0.01505 689 0.01505 =0.00278 2 K2=360 W/（m2?

49、 ） 8）校核有效平均温差 R2= Ti to To ti 46 18 84 P2= to Ti ti ti 84 46 4 0.095 由式（ 3-13）得： 72 1 t 71 ln 10.095 ln 10.095 7 2 / 0.095 1 7 72 1 2 / 0.095 1 7 72 1 =0.97 由式（ 3-14 ）得： t m2 t t m2 =0.9623.29 =22.59 9）校核热负荷 Q =K2S t m2 =360185.9 22.59 =1511813 W QQ2 所以能完成任务。 10）流体的流动阻力 a. 管程压强降： PI=( P1+P2)FTNPNS 管

50、程流通面积 SI =0.015 ，流速 14.96 M/ S, 雷诺准数 473167（湍流）。设管 粗糙度 0.1mm , 0.1 0.007 d i 0.01505 查 Re关系图得 =0.033 L u 2 P1 d2 6 28.922 14.962 =0.033 0.1505 2 =42578 Pa 因为没有弯管，即 P2 0 则Pi 42578 1.5 6 383202 Pa b. 壳程压强降： Po ( P1P2 )Fs Ns， P1 FfoNc(NB 1) 管子为三角形排列， F=0.5， NB=10， Nc=1.1 N =1.1 518 =25， So=0.08 ,u o=0.

51、32m/s ，Re=3694， 所以 fo 5.0 3694 0.228 0.768 P1 0.5 0.768 25 (10 1) 2 999.97 0.322 2 =5407 Pa P2 NB(3.5 2h) u 2 D ) 2 2 2 0.56 999.97 0.322 =10（3.5） 0.7 2 =973 Pa Po=（5407+973）1.151=7337 Pa 壳程和管程的压力降几乎都能满足要求。 2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 D D1 D2 D3 D5=D6 D7 b c d 螺栓孔数 800 930 890 790

52、793 800 850 32 10 23 32 2）壳程接管法兰 表 3-4 接管法兰 垫片 螺栓 外 径 内 径 厚度 Dg Dh D D1 D2 b 重量 数量 直 径 长 度 石墨 250 273 370 335 312 14 4.65 12 M1655 312 273 3.2 3）管程接管法兰 表 3-5 接管法兰 垫片 螺栓 外 径 内 径 厚度 Dg Dh D D1 D2 b 重量 数量 直 径 长 度 石墨 125 133 235 200 178 10 1.98 8 M1655 178 133 3.2 4）管箱 H=700 5）封头 表 3-7 椭圆封头 Dg 曲面高度 直边高度

53、 内表面积 容积 M3 厚度 700 200 40 0.729 0.0871 8 三.硫酸干燥塔 （填料塔 ） 填料塔流程的操作平稳，弹性较大，特别是刚开车时氯气的气流量小，它几 乎同满负荷操作一样能达到对水分的要求指标。 壳体材料为聚氯乙烯缠玻璃钢（ PVC+FR）P。 1填料的选择 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。 综上优点，选取塑料鲍尔环 50501.8 （乱堆），材质为聚丙烯（ PP）。湿填 料因子 120 M 。 2塔径的确定 湿氯气的质量流量 :WV=（884.004+6.349+15 ）200000/7920=228

54、62 / h 湿氯气密度 : v =20.32 kg /m3 80%硫酸密度 : L 1.7323 g/cm3 参考新工艺，硫酸的喷淋量取为 :WL=134000 / h L ( V ) 0.5 VL 134000 ( 20.32 )0.5 22862 (1732.3) 由埃克特关联图查得 , 横坐标为 0.63, 纵坐标为 0.037, 即 VL umax gL 0.037 3-18) 其中 , umax 泛点气速， M/ S 湿填料因子， 1/ M 液体密度校正系数， g 重力加速度， M/ S2 又因液相为硫酸，故校正系数 =999.13/1732.3=0.58 ，硫酸的粘度为 31.3

55、 mpa s umax 0.037g L 0.2 VL 0.037 9.81 1732 120 0.58 20.32 31.30.2 =0.466 取空塔气速为泛点气速的 70%， 3 即 u=0.70.466=0.3262 m/s ，VS= V/ V=1125M3/ H 4 1125 / 3600 3.14 0.3262 =1.105 圆整后取塔径 D=1200 计算空塔气速： u=41125/36003.14 12=.20.398m/s 安全系数 u/ umax =0.398/0.466 100%=85.4% 3压降计算 3-19) 最小喷淋密度： U min (Lw )min U 1.2

56、2 0.08 106.4 8.512m3 /(m2 ?h) 68.8U min 其中， 填料的比表面积， m / m U min 最小喷林密度， m3 /(m2 ?s) (Lw )min 最小润湿速率， m3 /(m?s) 3 因填料尺寸小于 75 ，故取 (Lw)min 0.08m3 /(m?h),则 0.2 填料的每米压降：纵坐标 u2 V L0.3982 0.037 0.0057 gL 横坐标 L ( V ) 0.5 0.63 VL 根据以上二数值查埃克特通用关联图确定塔的操作点，此点位于 P/E=50 pa/m与 P/E=100pa/m两条等压线之间， 用内插法估值可求得每米填料层压降

57、为 90pa/m 。 4塔高确定 由相关实际设计，取塔高为 10m。 四 . 硫酸干燥塔(泡罩塔) 塔的壳体材料材质为 PVC+FR，P 采用条形泡罩塔，增加了设备操作弹性和负 荷变化的适应性。 1塔径的确定 入塔湿氯气温度 18，此时气体密度为 17.766kg/m3 ，硫酸的加入量为 210kg/h ，入塔温度为 13，此时硫酸密度为 1.84344g/cm 3 硫酸的体积流量： VL 1.84344 1000 0.114m /h 入塔气体体积流量： Vg 899.377 17.766 50.62m3 /h 则，动力参数 (L)( L )1/2 VV 0.114 (1.84344 1000

58、)1/ 2 50.62 ( 17.766 ) 0.023 假定塔径在 8001600范围内，由此取塔板的板间距为 HT=350 , 取塔板上 的液层高度 hL=70 ,于是 HThL=280。由动力参数和 HThL查史密斯关联图得， C20=0.055。 故操作的负荷系数按下式加以校正： C20(20) 0.2 3-20) 其中， C操作物系的负荷系数， 操作物系的液体表面张力， mN/m C20物系表面张力为 20 mN/m的负荷系数 52.806 mN/m, 所 以 98 硫 酸 在 13 时 的 表 面 张 力 为 0.055 ( 52.806 20 )0.2 =0.089 最大允许速率

59、： umax 0.089 1.84344 1000 17.766 17.766 0.90m / s 取安全系数为 0.7 ，则空塔气速： u 0.7umax 0.7 0.90 0.63m/s 由此得： D 4 899.089 200000 /(7920 3600 17.766 3.14 0.63 0.847m 圆整后取 D=0.9m，与假设相符 塔截面积： AT 4 D2 =0.7850.92 =0.636 2塔高的确定 由相关实际设计，确定塔高 10m。 能有 五除沫器 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， 效地去除水雾或酸雾，净化率可达 94 99，而且压力降较小

60、 . 1计算依据 出二段钛冷却器气体为 925.104kg ，温度为 18。 以出二段钛冷却器气体基准，此时物性数据以氯气物性数据代之。 2计算部分 气体质量流量： 925.104 200000 7920 3600 6.49 kg / s 此时混合气体密度为 20.32kg/m 3， 则 6.49 20.32 0.32m3 /s 圆整后设备规格为 700900 V=0.3462m 3，中间间插三块钛板，板间距为 150 。 概述 1氢气 第二篇 氢气处理 第一章 总论 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/