化工 毕业设计

1、年产5万吨烧碱氯气冷却工序设计指导老师:何爱江2007级化工专业学号 200711873 姓名文雪梅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An annual output of 50,000 tons caustic soda, chlorine gas cooling process designInstructor: He ai-jiangName text: Wen xue-meiAbstractChlorine gas c

2、ooling 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 th

3、e basic sound design results.Key words: chlorine coolingprocess design目录1 概述 (51.1氯气的性质 (51.2氯气用途 (51.2.1 消毒及净水剂 (51.2.2 漂白剂 (51.2.3 工业溶剂 (51.2.4 橡胶 (51.2.5 其它 (61.3氯气冷却意义 (62 工艺设计 (62.1氯气冷却方法 (62.1.1 直接冷却流程 (62.1.2 间接冷却流程 (72.1.3 氯气循环冷却流程 (72.2氯气处理方式的简述 (72.2.1 直接冷却+填料干燥 (72.2.2间接冷却+泡沫干燥流程 (82.2.3

4、间接冷却+泡沫、填料塔干燥流程 (82.3工艺流程确定 (93工艺计算 (103.1计算依据 (103.2物料衡算 (103.2.1 气相进口的物料衡算 (103.2.2 冷却器的出口物料衡算 (113.2.3 物料衡算表 (123.3热量衡算 (133.3.1 气体带入热量 (133.3.2 气体带出热量 (133.3.3 冷却水用量 (133.3.4 冷却器热量衡算表 (144 冷却器的设计及选型 (144.1确定设计方案 (144.2确定物性数据 (154.2.1 流体平均温度 (154.2.2 平均温度下的物性数据 (154.3设计计算 (154.3.1 计算依据 (154.3.2 热

5、负荷 (154.3.3 传热面积 (154.3.4 管数 (164.3.5 折流板 (174.3.6 拉杆 (174.3.7 接管 (174.3.8 封头 (184.3.9 材料选择 (184.4氯气冷却器的结构参数一览表 (19总结 (20参考文献 (21致谢 (221 概述1.1 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

6、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。1.2 氯气用途1.2.1 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。1.2.2 漂白剂漂白剂的有效成分是次氯酸钙Ca(ClO2,所以氯是生产漂白剂的主要原料。广泛的使用在漂白

7、液、漂白粉、漂白精、含氯典氰酸等中。1.2.3 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。1.2.4 橡胶橡胶很柔软,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

8、种生活用品中,如氯丁橡胶等。1.2.5 其它如塑料,农药,染料,化肥,制冷剂等。1.3 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1-1 氯气相关物性温度(90 80 70 60 50 40 30 20 10 1Kg氯气中水蒸气含量(g571.0 219.0 112.0 61.6 34.9 19.8 10.8 4.3 3.1水蒸气分压(kp

9、a 70.14 47.38 31.16 19.92 12.34 7.377 4.247 2.335 1.226 氯气的溶解度(克/100水2.76 2.963.23 3.594.07 4.775.80 7.29 9.65 腐蚀的反应为:Cl2 + H2= HCl + HClO2HClO = 2HCl + O2Fe + HClO = FeC13 + H2OFe + 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

10、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 工艺设计2.1 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。可以分为直接冷却、间接冷却和氯气循环冷却三种工艺。2.1.1 直接冷却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。 2.1.2 间接冷却流程将物料放在容器中,其热能经过器壁向周

11、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。 2.1.3 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。 2.2 氯气处理方式的简述 2.2.1 直接冷却+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

12、3分离器氯气氯气氯气氯气图(2-1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。2.2.2间接冷却+泡沫干燥流程 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。2.2.3 间接冷却+泡沫、

13、填料塔干燥流程 水槽1水槽2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。 2.3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工艺计算

14、3.1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25O氯气在水中溶解度:25:0.006545kg/kgH2水蒸汽分压: 45:9.584 kPa25:3.168 kPa冷却水比热: 10:4.191kJ/(k g20:4.183kJ/(k g表3-1 相关热力学数据名称单位温度45 25水蒸气热焓kJ/kg 2577.8 25390.7 不凝气比热容kcal/(kg.0.2402 0.2402

15、 氯气比热容kc a l/(m o l. 2.346 2.33 3.2 物料衡算3.2.1 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氯气量的计算由反应式 2NaCl+ 2H 2O = 2NaOH + Cl 2+ 2H 22 1801000x 解得 x = 887.5氯气的质量为: 氯w = 88.75kg氯气的摩尔质量: 氯n =5.12715.887=氯气的体积流量: 氯v =98.32110264145273(1000314.85.12=+ m 3 不凝气量的计算 由于氯气的纯度为97%,不凝气的质量流量为:不w 3% 3%=27.45 kg 不凝气的

16、千摩尔流量为: 不n 2975.= 0.946 kmol 不凝气的体积流量为: 不v 37.2410264145273(1000314.8946.0=+=m 3 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 p p n n p p p n n n p n =-+=+=所以水蒸气的摩尔流量: 9.584-102.6410.946.512584.9(水+=n =1.42kmol质量流量: 水w =水n 水m =181.42=25.56 kg 体积流量: 1000102.641100045273314.84

17、2.1+=(水v =36.58 m 3气相进口总量的计算总的质量流量: 总w =氯w +不w +水w =887.5+25.56+24.75=940.51kg总的体积流量: 总v =氯v +不v +水v =321.98+24.37+36.58=382.93m 33.2.2 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:710.0065451818(水氯不水水w w n w w -+=83.9793.168 解得:水w =9.5kg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

18、水量其中水蒸气被冷却下来的水量:25.56-9.5=16.06 kg 不凝气在冷却过程不会损失,因此:不凝气的质量: 不w =27.45 kg 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: 氯w =887.5-0.105= 887.395 kg氯水的计算氯水总重量为:16.06 + 0.105=16.165kg 3.2.3 物料衡算表以生产1t98%NaOH 为基准表3-2 冷却器物料衡算表名称 进冷却器(kg/t 98%NaOH出冷却器(kg/t 98%NaOH氯气 887.5 887.395 水蒸

19、气 25.56 9.5 不凝气体 27.45 27.45 氯水 16.165 总计940.51940.515万t 98%NaOH 冷却物料衡算表表3-3 冷却器总物料衡算表名称进冷却器(kg/t 98%NaOH 出冷却器(kg/t 98%NaOH 氯气 4.4375107 4.36975107水蒸气 1.278106 4.75105惰性气体 1.3725106 1.3725106氯水8.0825105总计 4.6753107 4.67531073.3 热量衡算(以生产1t98%NaOH为基准3.3.1 气体带入热量氯气带入热量:Q1=887.5/712.346454.187=5525kJ水蒸气

20、带入热量:Q2=25.562577.8= 65888 kJ不凝气带入热量:Q3=27.450.2402454.187=1244 kJ 查的氯气在此温度下的溶解热为4900 kcal/kmol氯气的溶解热:0.105/7149004.187=30kJQ=5525+65888+1244+30=72687 kJ3.3.2 气体带出热量氯气带热量:q1=887.395/712.33254.187=3048 kJ水蒸气带热量:q2=9.52539.7=24127kJ不凝气带出热量:q3=27.450.2402254.187=690 kJ 氯水排出的温度取20,比热容为1 kcal/ kg氯水带出热量:q

21、4=116.165204.187=1354 kJ q=3048+24127+690+13543=29219 kJ3.3.3 冷却水用量设进口温度t1=10,出口温度t2=20。定性温度:T =(t2+t1/2=(10+20/2 =15 Q =WC CPC(t2-t1(3-1其中, Q 传热速率,WWC流体质量流量,kg/sCPC流体比热容,kJ/(kg t 温度,。则冷却水量为:W C1=Q/ CPC(t2-t1=1020(187.429219 72687-=1041kg冷却水带入热量:10414.18710=43451kJ冷却水带出热量:10414.18720=86902kJ3.3.4 冷却

22、器热量衡算表以生产1t98%NaOH为基准表3-4 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887.5 5525 氯气887.395 3048 水蒸气25.56 65888 水蒸气9.5 24127 不凝性气体27.45 1244 不凝性气体27.45 690 溶解热30 氯水16.165 1354 冷冻水104143451冷冻水104186902总计1981.51 116138 总计1981.51 1161384 冷却器的设计及选型4.1 确定设计方案从电解槽出来的氯气,一般温度较高,并伴有大量水蒸气等杂质。这种湿氯气对钢铁及大多数金属有强烈的腐蚀

23、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。4.2 确定物性数据4.2.1 流体平均温度Tm 和tmT m1=(Ti+To/2=(45+25/2=35t m1=(ti+to/2=(10+20/2=154.2.2 平均温度下的物性数据表4-1 物性数据水水蒸气不凝气氯气密度g/cm30.99708 0.02304 1.19 24.31 粘度pas 0.0008937 910-6 1.8410-613210-7导热系数W/(m 0.6

24、0825 0.01895 0.02641 0.007275 比热容kJ /(Kg 4.174 0.459 1.005 0.121 平= 13210-70.194.4%+910-61.842.9%+1.8410-62.7%=12.46410-6pas平= 24.3194.4%+0.023042.9%+1.192.7%=22.99/m3平= 0.00727594.4%+1.89510-22.9%+0.026412.7% =9.8810-3-2kcal/(mh=1.14910-2w/(m Cp平= 0.12194.4%+0.4592.9%+1.0052.7%= 0.155 kcal /(kg=0.6

25、5kJ/(g4.3 设计计算4.3.1 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。4.3.2 热负荷Q =(72689-2921950000/8000= 271675kJ/h= 75.465kw4.3.3 传热面积设k=70 w/(m 2 则估算的传热面积为A=Q/K t m(4-1其中,Q 换热器热负荷,W K 总传热系数,W/(m 2 t m 对数平均温差,. =10252045ln1025(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:A 0 = 1.1A = 1.1

26、55 =60.54.3.4 管数选用192,6m 长的管,则所需管数(4-2 其中, A 0传热面积, d 换热管外径,m l 换热管长度,mN =1.06(019.014.360.5-= 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4-2 初选换热器的主要参数 4.3.5 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 =0.25400=100,折流板间距取B=0.8D G =0.8400=320,折流板厚16 折流板数N B (4-3 =320=18块4.3.6 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.

27、7 接管壳程流体进出口接管(冷却水取接管内流体流速为u 1=1m/s ,则接管内径为:D 1=uV 4 (4-4其中,V 流体的体积流量,m 3/s u 流体在接管中的流速,m/s 。D 1=13.1403.9953600(800010000510414=0.07m管程流体出口接管(氯气取接管内流体流速为u2=15m/s则接管内径为:D 2 =uV4=1514.399.233600800010000551.9404=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。4.3.8 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

28、来说,随着Di /2hi值的变化,封头的形状在改变。当D i /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:100mm,直边高度为:20mm4.3.9 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0.38mm/a。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0.0025mm/a。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