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1、河南工业大学化学工业职业学院毕业（设计）论文 75kt/a烧碱装置氯气处理工序工艺设计学 生： 宋宏志学 号： 专 业：应用化工技术班 级：应化097 指导教师：付大永 目录1 前 言 31.1 概述 31.2 氯气处理方法 313氯气处理工艺流程简介 42 氯气工艺计算 5 52 .2计算依据 52.3 工艺计算 63 主要设备设计及选型 153.1 第一钛冷却器 第二钛冷却器

2、6附图 3775Kt/a烧碱装置氯气处理工序工艺设计摘 要烧碱装置氯气处理中主要有三个步骤，分别是冷却、干燥和输送储存。冷却这个过程主要用的是工业用水和冷冻水和钛冷却器，干燥过程用的是浓硫酸以及填料塔、泡罩塔。设计过程主要有物料衡算、能量衡算、设备选型的计算关键词：冷却，填料塔，泡罩塔，钛冷却器.Process dsign of 75kt / a caustic soda plant

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，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搞不赢。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

5、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。1.2 氯气处理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、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

6、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

7、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

8、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。13氯气处理工艺流程简介 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

9、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

10、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9499，而且压力降较小，可用于高质量的氯气处理。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

11、越。2 氯气工艺计算2.1.氯气处理工艺流程简图氯气处理工艺流程见下，据此进行物料衡算和热量衡算。 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

12、天计算）：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 工艺计算第一钛冷却器计算依据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4

8046氯气比热容KJ/(Kmol)34.9634.59水蒸气热焓kJ/kg不凝气比热kJ/(kg)1. 第一钛冷却器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98.1kp

100NaOH出第二钛冷却器kg/t 100NaOH氯气水蒸气不凝气氯水总计884... 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

18、则第一钛冷却器用水量为：WC1=Q/ CPC(t2t1)=11991 kg/t100NaOH 冷却水带入热量：kJ冷却水带出热量：kJ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输出物料名称数量 kg热量 kJ物料名称数量 热量 kJ氯气水蒸气不凝气体溶解热冷却水总计884..2.66909氯气水蒸气不凝气体氯水冷却水总计884...7361722

19、7.6.2.3.4第二钛冷却器计算依据电解氯气经二段洗涤塔冷却，温度从40降至12。氯水温度为20。出口氯气总压力为-1009.81pa（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/kgH2O氯气比热容：12: 34.59 kJ/(Kmol)水蒸气分压：12:

21、9.726b.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 100NaOH出第二钛冷却器kg/t 100NaOH氯气水蒸气不凝气体氯水总计.6第二钛冷却器热量衡算 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出一段钛冷却器的热量，即a.氯气带入热量：Q5=17227.3kJb.水蒸气带入热量：Q6=53178.3kJc.不凝气体带入热量：Q7616.8kJd.氯气溶解热：Q/7138.89kJQ=172

23、7528.6kJ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氯气水蒸气不凝气体溶解热冷冻水总计884.27.6.838.63267氯气水蒸气不凝气体氯水冷冻水总计883...67..3267硫酸干燥塔（填料塔）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。2.3.8硫酸干

24、燥塔（填料塔）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/设干燥所需80硫酸量为W4,则0.0001 解得W410.68假定各种因素造成硫酸的损耗为15，则需硫酸量为：10.681.1512.28填料塔流出的稀酸量为：10.681..干燥后氯气中含水量：3.650..09出填料塔气体组分为：氯气 883.901 水蒸气 0.09 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kg/t 100NaOH出填料

25、塔kg/t 100NaOH氯气水蒸气不凝气体硫酸总计883.... 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 100NaOH出填料塔kg/t 100NaOH氯气水蒸气不凝气体硫酸总计.3.9硫酸干燥塔（泡罩塔）计算依据进塔硫酸浓度为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1.0105。2.3.10硫酸干燥塔

26、（泡罩塔）物料衡算设每千克98硫酸吸收的水分为W5,则W50.98/0.设干燥所需98流酸为W6，1.0105 解得W6=0.26假设各种因素造成的硫酸损耗为15，则需硫酸量为：0.251.150.299泡罩塔流出稀酸的量为：0.261.0.379干燥后氯气含水量为：0.090.03出泡罩塔气体组分为： 氯气

27、硫酸总计883.9929 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 100NaOH出泡罩塔kg/t 100NaOH氯气水蒸气不凝气体硫酸总计7503 主要设备设计及选型3.1 第一钛冷却器确定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

28、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40；冷却水进口温度20，出口温度30。流体平均温度Tm和tmTm1（TiTo）/2（8040）/260tm1（tito）/2（2030）/225平均温度下的物性数据 表3-1

31、数N= (3-2)其中， A0传热面积， d换热管外径，m l换热管长度，m 。N =330根参考碳钢19排管图, 确定排管总数为360根，Dg 600mm，管程，管子采用三角形排管, 管间距 25 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.，折流板间距取B=0.8DG0.，折流板厚度16折流板数Nb=1 (3-3)=19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：D1= (3-4)其中，V流体的体积流量，m3/s u流体在接管中的流速

32、，m/s。 D10.14185mb.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：D2 =0.064m圆整后，取壳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。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 o0.36（）Re0.55Pr1/3（）0.14 (3-5)

36、.5） =1806 Pa Po=（）1.15=9986 Pa壳程和管程的压力降几乎都能满足要求。3.2 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、设备维修等多方面的考虑，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。第二钛冷却器核算（1）热负荷Q Q2=()75000/（）=145.5 KW（2）流体平均温度及对数平均温度差 Tm2=（40+12）/2=26 tm2= （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冷冻水密度kg/m3