年产5万吨烧碱工艺流程初步设计

1、毕业设计年产5万吨烧碱的氢处理工序初步设计系 部 生物与化工工程系 专 业 名 称 化学工程与工艺 班 级 化 工 1071 班 姓 名 徐 雪 梅 学 号 200711797 指 导 教 师 何 爱 江 2009年9月23日毕业设计选题报告年产5万吨烧碱的氢处理工序初步设计设计毕业设计成绩评定表（一）年产5万吨烧碱的氢处理工序初步设计毕业设计成绩评定表（二）年产5万吨烧碱的氢处理工序初步设计毕业设计答辩记录表年产5万吨烧碱的氢处理工序初步设计目录1概述11.1烧碱生产的氢气处理方法简介11.2氢气的性质及其用途1物理性质1化学性质1氢气的用途11.3氢气处理的目的21.4氢气处理的工艺流程2

2、1.5氢气处理工艺流程简图21.6氢气处理中的工艺指标32工艺计算32.1一段洗涤塔的物料衡算13一段洗涤塔的物料衡算基准3一段洗涤塔的出槽氢气（80）中的水汽含量3一段洗涤塔的物料衡算计算42.2一段洗涤塔热量衡算5入塔气体带入热量6冷却水带出热量6出塔气体带出热量6一段洗涤塔的热量守恒的计算6一段洗涤塔热量衡算表72.3二段洗涤塔的物料衡算7物料衡算的计算依据7物料衡算的计算72.4二段洗涤塔的热量衡算8二段进塔气体热量的计算8冷却水带出热量的计算9二段出塔气体热量的计算9二段洗涤塔的热量守恒的计算9二段洗涤塔热量衡算表92.5其他气体中氢气含量的计算102.6干气体中氢气的百分数103主

3、要设备的工艺计算103.1一段洗涤塔的相关计算10一段洗涤塔气体流量的计算10一段洗涤塔冷却水喷淋量及管径的计算11一段洗涤塔塔径的计算12一段洗涤塔塔高度的确定14喷嘴输送的确定14一段洗涤塔管径的计算153.2二段洗涤塔的相关计算15二段洗涤塔进塔气体和出塔气体流量的计算15二段洗涤塔冷却水喷淋量及管径的计算15二段洗涤塔塔径的计算16二段洗涤塔高度的确定18二段洗涤塔喷嘴数的确定18二段洗涤塔气体进口管径和出口管径的计算193.3氢气缓冲罐的计算193.4主要设备一览表20致谢21参考文献221概述1.1烧碱生产的氢气处理方法简介目前烧碱生产方式主要采取：水银电解法 、隔膜电解法、苛化法

4、、离子膜法三种方法制烧碱。我国主要采取隔膜电解法和离子膜电解法。在这次年产五万吨烧碱氢处理工序初步设计中我采取的是隔膜法制烧碱的氢气处理方法。隔膜法电解总反应方程式：2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H21.2氢气的性质及其用途物理性质760mmHg时为0.08987g/l，沸点为-252.7；结晶温度是-259.1；与空气之比重是0.0695或；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，一体积能解几百体积氢。氢气的爆炸上限和下限分别为74.2%和4.1%(体积分数)氢气除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外，另一大用途时植物油加氢生产硬

5、化油。此外还用于炼钨、生产多晶硅以及有机化合物的加氢等。化学性质（1）氢气具有可燃性，当它不纯净时燃烧反应发生爆炸；但是其纯度很高时能在空气里安静的燃烧。（2）氢气具有还原性，它能与某些金属氧化物反应使金属还原。（3）氢气具有稳定性，氢气在常温下的化学性质是稳定的。氢气的用途（1）氢气可以用于焊接或切割金属，熔化熔点很高的石英和加工石英制品。因为它在纯氧中燃烧的火焰（氢氧焰）可达3000，可以使许多金属熔化。（2）氢气可以产生氢氧焰、制氢氧电池，可以填充气球、冶炼金属钨和钼。氢用于合成甲醇，合成人工石油等。（3）氢还是一种理想的燃料氢气的燃烧产物是水且污染少。液态的氢是一种高能燃料，可供发射火

6、箭、宇宙飞船、导弹等使用。氢气做为燃料具有很好的发展前途。同时氢气也是重要的化工原料。综上所述：由以上叙述可以看出烧碱生产中所产生的氢气具有很高的回收价值，并且氢气处理工序较为简单，投资费用不高，高纯度的氢气可以供多种行业使用。因此须对制烧碱中的氢气进行处理。1.3氢气处理的目的在电解过程中，H2是以鼓泡的形式出来的，所以其带有较高的温度和部分杂质。（1）其带有大量的水蒸气，温度越高，在蒸汽中的饱和水蒸气量越大，会影响氢气的纯度。表1-1 饱和水蒸气表（按温度排列）温度 90807060504030饱和水气焓（kal/kgf）635.3631.1626.8622.5618.0613.5608.

7、9（2）氢气中还带有NaOH 、NaCl。因为氢气是从电解液中出来的，不可避免的就带有NaOH、NaCl等盐类杂质这些杂质必须除去。（3）从电解槽中以鼓泡的形式出来的氢气温度太高（一般在8090），必须进行降温，否则会影响后续的加工工艺要求。所以氢气主要通过冷却水洗涤的处理方式达到降低氢气温度除去水分，洗去NaOH、NaCl等水溶性杂质的目的以提高氢气的纯度和利用价值。1.4氢气处理的工艺流程 电解出来的饱和湿氢气中含有大量的水和其他气体，一般采用间接法和直接法除去以达到工艺要求。由于在本次设计中不充分考虑热综合利用，所以采用直接法进行氢气的处理，可以简化工艺流程，节约投资费用。它是由电解槽中

8、出来的氢气经氢气缓冲罐后进入一段洗涤塔洗去一部分的杂质及使氢气冷却至50后在经二段洗涤塔除杂质及冷却至30，之后再经过丝网除雾器除去盐和碱的雾沫后，用罗茨鼓风机抽送至分配台进行下一阶段的分配。1.5氢气处理工艺流程简图氢气处理工艺流程图见下，据此进行物料衡算和热量衡算： 1.6氢气处理中的工艺指标（1）氢气纯度指标：98（2）冷却水温度；252工艺计算2.1一段洗涤塔的物料衡算1一段洗涤塔的物料衡算基准（1）以生产5万吨100NaOH为基准有化学方程式：2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 + Cl2 2×40 2 5 ×107 m计算可得： m=0.125&

9、#215;107（Kg）m生产5万吨烧碱的H2的质量（2）经处理后的氢气纯度为98。（3）出电解槽后的氢气温度按80计算。（4）查相关数据得：进入冷却塔的氢气温度为80是饱和水蒸气分压为0.483Kgf/cm2，为50时饱和水蒸气分压为0.1258 Kgf/cm2，为30时饱和水蒸气分为0.0433 Kgf/cm2（5）由于氢气在水中的溶解度很小，故氢气在水的溶解度忽略不计。（6）饱和水蒸气含量及水量计算：按道尔顿分压定律计。一段洗涤塔的出槽氢气（80）中的水汽含量设出槽氢气（80）中的水汽含量为X；据道尔顿分压定律1：得则出槽气体组成：氢气：0.625×106Kmol 0.125&

10、#215;107Kg水汽：0.594×106Kmol 1.07×107Kg其他气体：12755Kmol 369895Kg2.1.3一段洗涤塔的物料衡算计算（1）据公式：n=得=0.625×106(Kmol ) 其他气体组成：（kmol）（2）根据道尔顿分压定律计算水量：设管路中（由80降至50）的冷凝水量为W这时气体中水的分子为：（1.07×107-W）/18气体的分子总数为：据道尔顿分压定律7：则出他气体组成：氢气：0.625×106（kmol） （1.25×106 Kg）水气：0.102×106（kmol） （1.07&

11、#215;107-8.86×106=1.84 ×106 Kg）其他气体：12755（kmol）（12755×29=369895 Kg）表2-1 第一段洗涤塔总物料衡算表名称进一段洗涤冷却塔（kg）出一段洗涤冷却塔（kg）氢气1.25×1061.25×106水汽1.07×1071.84×106其他气体369895369895氢气冷凝水量8.86×106年产5万吨100%烧碱氢气处理中氢气：0.625×106（kmol）一段进塔氢气中含水汽含量：0.594×106（kmol）一段出塔氢气中含水总量：

12、0.102×106（koml）其它气体：12755（kmol）2.2一段洗涤塔热量衡算查相关数据得：相关热力数据表【1】【8】2-2 相关热力数据物料与项目单位温度（）805030氢气比热容4.187KJ/（Kg·K）3.4393.4213.409水蒸气比焓KJ/Kg2642.42587.62549.5其他气体比焓（空气）4.187KJ/（Kg·K）0.2440.2430.242水的饱和蒸汽压(绝压)Kgf/cm20.4830.12580.0433入塔气体带入热量Q1=(80+273)×1.25×106×3.439×4.18

13、7=6.354×109 KJQ2=1.07×107×2642.4=2.827×1010 KJQ3=(80+273)×369895×0.244×4.187=1.334×108 KJ冷却水带出热量设冷却水量为W2 kg,温度25，冷却水出塔温度为35；此时出塔冷却水比热熔约为1×4.187 KJ/（Kg·K）。则出塔水量： W2+W1=W2+8.86×106 冷却水带入热量：Q4=W2×(273+25) ×1×4.187 冷却水带出热量：Q5=(W2+8.86

14、×106)×(273+35)×1×4.187出塔气体带出热量Q6=(273+35)×1.25×106×3.421×4.187=5.783×109 KJQ7=1.84×106×2587.6=4.761×109KJQ8= (273+50)×369895×0.243×4.187=1.216×108 KJ一段洗涤塔的热量守恒的计算 则Q进=Q出 Q1+Q2+Q3+Q4 = Q5+Q6+Q7+Q86.354×109+2.827×

15、;1010+1.334×108+W2×(273+25)×1×4.187=(W2+8.86×106)×(273+35)×1×4.187+5.783×109+4.761×109+1.216×108W2=3.024×108 kg 即：进入系统水量为：3.024×108 kg ,出系统冷却水量为：3.024×108+8.86×106=3.113×108 kg冷却水带入热量：3.024×108×(273+25) ×1

16、×4.187= 3.773×1011KJ冷却水带出热量(3.024×108+8.86×106) ×(273+35)×1×4.187=4.015×1011KJ一段洗涤塔热量衡算表表2-3 一段洗涤塔总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(kg)热量(KJ)氢气1.25×1076.354×109氢气1.25×1075.783×109水汽1.07×1072.827×1010水汽1.84×1064.761 ×109其他

17、气体3698951.334×108其他气体3698951.216×108冷却水3.024×1083.773×1011冷却水3.113×1084.015×10112.3二段洗涤塔的物料衡算物料衡算的计算依据（1） 电解氢气经二段洗涤冷却温度从50降至30。（30时的饱和水蒸汽压为0.0433Kg/cm2）（2）干氢气纯度98%物料衡算的计算设二段洗涤塔使氢气温度由50降至30的冷凝水量为WO则有道尔顿分压定律1：得则其他气体组成：氢气：625000（kmol） （1.25×106 Kg）水汽：28889 （kmol） （1.8

18、4×106-1.32×106=0.52×106Kg）其他气体：12755（kmol）（12755×29=369895Kg）表2-4 二段洗涤塔总物料衡算表名称进二段洗涤冷却塔（kg）出二段洗涤冷却塔（kg）氢气1.25×1061.25×106水汽1.84×1060.52×106其他气体369895369895氢气冷凝水量8.86×1061.32×106年产5万吨100%烧碱氢气处理中氢气：625000（kmol）二段进塔氢气中含水汽量：102000（kmol）二段出塔氢气中含水汽量：28889（

19、koml）其它气体：12755（kmol）2.4二段洗涤塔的热量衡算查上述相关热力数据表（2-2）可知：二段进塔气体热量的计算 Q6=(273+35)×1.25×106×3.421×4.187=5.783×109 KJQ7=1.84×106×2587.6=4.716×109KJQ8= (273+50)×369895×0.243×4.187=1.216×108 KJ冷却水带出热量的计算设进入二段系统冷却水量为W3 kg，冷却水进塔温度25，出塔温度30；此时水的蒸气比热熔约为1

20、×4.187 KJ/（Kg·K）。则出塔水量 Wo+W3=W3+1.32×106入塔冷却水带入热量： Q9= W3×(273+25) ×1×4.187出塔冷却水带出热量：Q10=(W3+1.32 ×106)×(273+30) ×1×4.187二段出塔气体热量的计算Q11=(273+30)×1.25×106×3.409×4.187=5.406×109 KJQ12=0.52×106×2549.5=1.326×109KJQ

21、13= (273+30)×369895×0.242×4.187=1.136×108 KJ二段洗涤塔的热量守恒的计算由Q进=Q出Q6+Q7+Q8+Q9=Q10+Q11+Q12+Q13 5.783×109+4.761×109+1.216×108+W3×(273+25)×1×4.187=(W3+1.32×106)×(273+30)×1×4.187+5.406×109+1.326×109+1.136×1081.067×101

22、0+1247.726W3=1268.661W3+1.675×109+5.406×109+1.326×109+1.136×1081.067×1010+1247.726W3=1268.661W3+8.521×1092.149×109=20.935W3W3=1.027×108Kg故入塔冷却水量1.027 ×108 Kg出塔冷却水量为： 1.027 ×108+1.32×106= 1.04×108Kg入塔冷却水带入热量：1.027×108×(273+25)×

23、;1×4.187=1.281×1011KJ出塔冷却水带出热量：(1.027×108+1.32 ×106)×(273+30) ×1×4.187 =1.319×1011KJ二段洗涤塔热量衡算表表2-5 二段洗涤冷却塔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kg热量KJ氢气0.125×1075.783×109氢气0.125×1075.406×109水汽1.84×1064.761×109水汽0.52×1061.326×109其他气

24、体3698951.216×108其他气体3698951.136×108冷却水1.027×1081.281×1011冷却水1.04×1081.319 ×10112.5其他气体中氢气含量的计算 2.6干气体中氢气的百分数H2= 3主要设备的工艺计算3.1一段洗涤塔的相关计算一段洗涤塔气体流量的计算计算条件:年工作日330天为基准，则年总工作小时330×24=7920 h进塔气体温度为80，操作压力为1个标准大气压由PV=nRT得 V=R=8.314KJ/(kmol.k) 换算=0.08206atmm3/(kmol.k)据查表得2

25、 1kJ=0.102kgfcm1kgf/=0.9678atm1kgfcm=0.9678atm1=1cal=Kcal（8.3140.1020.9678/=0.08206atm/(KmolK) Vs平=3.1.2一段洗涤塔冷却水喷淋量及管径的计算（1）冷却水喷淋量计算已知：根据一段洗涤塔热量衡算得冷却量为：冷却水温度为25，大气压为1个标准大气压；L=1×103kg/m3据公式m=得（2）冷却水管径的计算 因为水及一般液体常用流速范围u取（1.53）m/s2 所以：设冷却水流速u=2m/s=2×3600=7200m/h据公式圆整得：一段洗涤塔冷却水喷淋管径D冷=100mm一段洗

26、涤塔塔径的计算（1）空塔速度的计算洗涤塔内填料选用2的陶瓷拉西环以乱堆方式进行填充。因为空塔气速应小于泛点气速，一般空塔气速是泛点气速的（50%85%）即u=（0.500.85）uf2 所以：设空塔气速取泛点气速的50%根据洗涤塔泛点和压降通用关联图（1）横坐标、纵坐标求出再求出u图1填料塔泛点和压降的通用关联图气体混合物的平均分子量M为：1 据公式 混合气体密度为： 混合气体流量因为冷却水密度冷却水喷淋量为 据通用关联图的横坐标： 查图（1）乱堆填料泛点线，当横坐标为0.471时纵坐标为0.05即查表2乱堆陶瓷拉西环的填料因子，比表面积。冷却水密度校正系数查附录2，25时的冷却水的粘度据纵坐

27、标求出（2）一段洗涤塔塔径的计算 已知： 据公式：D塔径=得D塔径=一段洗涤塔径圆整得D塔径=1200mm4校核：。一段洗涤塔塔高度的确定 根据经验得到塔高度H=5×1200mm=6000mm=6000×10-3=6m喷嘴输送的确定设上水压力为0.2Mpa,考虑水垢的阻塞，喷嘴直径d=3.5mm查表及喷水量约360 kg/h,则喷嘴总数由物料衡算需25冷却水量39305.556/h则喷嘴总数：n=个考虑分布可能的阻塞，取200个。一段洗涤塔管径的计算一段洗涤塔进气管和出气管管径因为易燃易爆气体的在管道中流速范围8m/s；而氢气属于易燃易爆气体；则氢气在管道内的流速取为5m/

28、s入塔气体流量为：4505m3/h出塔气体流量为：2476m3/h由u=得到d入=同理可得d出=则一段洗涤塔物料进口管管径为d入=580mm；出口管管径为d出=450mm3.2二段洗涤塔的相关计算二段洗涤塔进塔气体和出塔气体流量的计算由一段洗涤塔出来的气体流量是进入二段洗涤塔的气流量；则V2=V3 则Vs平= 二段洗涤塔冷却水喷淋量及管径的计算（1）冷却水喷淋量计算已知：根据二段洗涤塔热量衡算得冷却量为：冷却水温度为25，大气压为1个标准大气压；L=1×103kg/m3据公式m=得（2）二段冷却水管径计算 因为水及一般液体常用流速范围u取（1.53）m/s 所以：设冷却水流速u=2m

29、/s=2×3600=7200m/h据公式圆整得：二段洗涤塔冷却水喷淋管径D冷=70mm8二段洗涤塔塔径的计算（1）空塔速度的计算洗涤塔内填料选用的陶瓷拉西环以乱堆方式进行填充。因为空塔气速应小于泛点气速，一般空塔气速是泛点气速的（50%85%）即u=（0.500.85）uf 所以：设空塔气速取泛点气速的50% 根据洗涤塔泛点和压降通用关联图（1）横坐标、纵坐标求出再求出u气体混合物的平均分子量M为：据公式 混合气体密度为： 混合气体流量因为冷却水密度冷却水喷淋量为据通用关联图的横坐标： 查图（1）乱堆填料泛点线，当横坐标为0.383时纵坐标为0.053即查表乱堆陶瓷拉西环的填料因子，比表面积。冷却水密度校正系数查附录，25时的冷却水的粘度据纵坐标求出（2）二段洗涤