物料管理万吨烧碱物料衡算.docx
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物料管理万吨烧碱物料衡算
{物料管理}万吨烧碱物料衡算
6万吨离子膜物料衡算（全版）
一、项目：
新建年产6万吨烧碱。
二、计算依据
1、需要的一次盐水
（1）生产1吨烧碱需要消耗的一次盐水流量：
11m3／h（一次盐水浓度为305±5g/l，离子膜电解槽淡盐水浓度工艺控制指标为215±5g/l，年工作8000小时。
（2）设计生产烧碱能力为6万吨,每小时产碱7.5吨，则消耗的一次盐水为：
7.5×11＝82.5m3／h
一次盐水管道的确定:
盐水流速范围:
1.0~2.0m/s,取1.5m/s计算
s=Q/v=82.5/3600×1.5=0.01527m2
管道材质为衬PO管,管径为0.139m。
输送管道选择Ø159×6.5的无缝钢管衬PO.
2、离子膜系统酸消耗
（1）一次盐水的含碱浓度：
（0.3～0.6）g/l，取0.5g/l计算；进螯合树脂塔前需要调整到PH：
9±0.5，取PH为9（即体积浓度为：
0.0004g/l）计算,则高纯酸消耗：
mHCl=（82.5×0.5－82.5×0.0004）×36.5/40＝37.61kg/h即酸消耗为：
VHCl=0.109m3/h。
高纯酸用于调节一次盐水PH酸管的确定:
高纯酸输送为自流,流速取0.5m/s,取计算
s=Q/v=（0.109/3600）/0.5=0.00006056m2
管道材质为PVC管,管道直径为8.78mm。
输送管道选择Ø25,实际流速为:
0.38m/s,
（2）鳌合树脂再生需要的高纯酸量
鳌合树脂塔运行24小时下线，配制酸浓度控制5%~6%，取5.5%计算，高纯水流量为6m3/h，则31%的高纯酸流量1.125m3/h，再生时间2.5小时，一年中平均每小时需要31%的高纯酸量为：
0.117m3/h。
鳌合树脂再生高纯酸管道管的确定:
高纯酸输送为自流,流速取0.5m/s,取计算
s=Q/v=（1.125/3600）/0.5=0.000625m2管道材质为CPVC管,
管道直径为28mm。
输送管道选择Ø40,实际流速为:
0.324m/s.
（4）由于复极式离子膜电解槽为加酸工艺，需要调整精盐水的PH：
9±0.5调整PH值在2～5之间，以PH=4计算。
需要消耗的高纯酸量为：
82.5×0.0004×36.5/40＝0.0301kg/h，即：
0.087m3/h。
4＝-㏒10［（V×1.115×1000×0.31）/36.5］/（82.5＋V）
V=8.71×10－4m3/h
V总1＝0.0878m3/h
输送高纯酸用于调节入槽盐水酸管的确定:
高纯酸输送为自流,流速取0.5m/s,取计算
s=Q/v=（0.0878/3600）/0.5=0.0000488m2管道材质为CPVC管,
管道直径为5.57mm
输送管道选择Ø15,实际流速为:
0.310m/s.
（5）离子膜脱氯塔消耗酸量
真空脱氯系统淡盐水的PH值工艺指标控制：
1.2～1.5，取1.2计算，出电解槽淡盐水的流量为44m3/h，考虑氯氢处理的氯水11m3/h，淡盐水的PH：
2～5之间，取4计算，脱氯塔的处理能力为55m3/h。
淡盐水PH=4化为含酸体积浓度0.00365g/L，加酸后淡盐水PH=1.2化为含酸体积浓度2.303g/L，每小时消耗酸量：
55×（2.303－0.00365）×10-3=126.46kg/h，换为体积消耗酸量为0.1134m3/h的高纯酸。
输送高纯酸用于调节入槽盐水酸管的确定:
高纯酸输送为自流,流速取0.5m/s,取计算
s=Q/v=（0.1134/3600）/0.5=0.000063m2管道材质为CPVC管,
管道直径为8.95mm
输送管道选择Ø15,实际流速为:
0.401m/s.
离子膜电解系统高纯酸总体消耗为：
VHCl＝0.427m3/h
3、真空脱氯系统亚硫酸钠消耗
真空脱氯塔后的淡盐水含游离氯≤70PPM，按70PPM计算，加碱调节PH后，用亚硫酸钠除游离氯为0PPM。
除脱氯后淡盐水游离氯的化学反应方程式：
ClO-+SO32-SO42-+Cl-
（70×10-3×55）×126=M×88.5
M=5.49Kg/h
亚硫酸钠罐5m3
亚硫酸钠浓度配制为5%，即体积浓度为5g/L：
体积输送流量为：
V=1.098m3/h。
亚硫酸钠管道的确定:
亚硫酸钠管道的流速取1.5m/s,取计算
s=Q/v=（1.098/3600）/1.5=0.000203m2管道材质为无缝钢管衬PO,
管道直径为16.09mm
输送管道选择Ø38,衬PO后,内径为20mm,实际流速为:
0.97m/s.
4、离子膜电解系统自用碱消耗
（1）螯合树脂再生用碱小消耗：
鳌合树脂塔运行24小时下线，配制碱浓度控制6%~7%，取7%计算，高纯水流量为6m3/h，31%的碱，则碱流量为：
1.36m3/h，再生时间2.5小时，一年中平均每小时需要消耗31%的碱量为：
0.1142m3/h。
碱输送管道的确定
碱输送为自流,流速取0.5m/s,取计算
s=Q/v=（0.1142/3600）/0.5=0.0000634m2管道材质为不锈钢管,
管道直径为8.99mm
输送管道选择Ø15,实际流速为:
0.404m/s.
（2）脱氯后加碱调节淡盐水PH值碱的消耗
脱氯前淡盐水PH值取1.2，脱氯后淡盐水PH值工艺控制9~12,
取PH：
11计算。
淡盐水PH值取1.2，体积浓度为：
0.4339g/l,脱氯塔的处理能力为55m3/h。
加碱中和到PH为7,消耗碱为:
55×0.4339×40/36.5=26.15kg/h则体积消耗为
V1=0.0637m3/h
调节淡盐水PH为11需消耗碱为:
11＝14-㏒10［（V×410）/40］/（82.5＋V）
V2=0.0121m3/h
总体消耗碱:
0.0759m3/h
碱输送为自流,流速取0.5m/s,取计算
s=Q/v=（0.0759/3600）/0.5=0.0000422m2管道材质为不锈钢管,
管道直径为7.34mm
输送管道选择Ø15,实际流速为:
0.404m/s.
5.离子膜电解系统蒸汽消耗
（1）盐水精制蒸汽消耗（采用板式换热器）
一次盐水精水温度为55～60℃，考虑盐水在输送过程中的热损失，板式换热器盐水进口温度为55℃度计算，进螯合树脂塔的盐水温度工艺指标要求控制在60±5℃，按60℃计算，查表：
一次盐水55℃的比热Cp＝0.928Kcal/l.℃，一次盐水60℃的比热Cp＝0.925Kcal/l.℃，压力0.7Mpa，温度为164.17℃饱和蒸汽焓H1＝659.9Kcal/kg，饱和冷凝水的焓：
H2＝165.7Kcal/kg,采用板式换热器,排出的冷凝水的温度为80℃焓：
H3＝80Kcal/kg,，即80℃时，一次盐水的流量为：
82.5m3／h。
需要提供给被加热盐水的热量：
Q＝82.5×〖60×925－55×928〗＝367.9×103Kcal/h
蒸汽消耗为:
W=Q/（H1-H2）=367.9×103/（659.9-165.7）
W=744.4kg/h
板式换热器的换热面积为:
板式换热器总的传热系数取:
3000〖Kcal//（m2.h.℃）〗
s=Q/k=367.9×103/3000
s=122.6m2
（2）阴极电解液板式换热器
5、离子膜电解系统高纯水消耗
（1）螯合树脂塔再生高纯水消耗
鳌合树脂塔运行24小时下线，高纯水流量为6m3/h，酸.碱各再生时间2.5小时，高纯水用量为:
30m3／h
碱后水洗,酸后水洗,下线后水洗各3小时,流量为10m3／h,需要消耗高纯水为90m3
一年中平均每小时需要消耗高纯水为：
3.75m3/h。
高纯水输送管道的确定
高纯水的流速取2.5m3/s。
流量为10m3／h,
s=Q/v=（10/3600）/2.5=0.00111m2管道材质为不锈钢管,
管道直径为37.6mm
输送管道选择Ø57,实际流速为:
1.421m/s.
（2）过滤器反洗用水消耗
过滤器运行48小时下线,二次全排,三次排1/3.过滤器容积8m3,则消耗高纯水为:
24m3,一年中平均每小时需要消耗高纯水为：
0.5m3/h。
高纯水输送管道的确定
高纯水的流速取2.5m/s。
根据过滤器的容积,流量为20m3／h,0.4小时充满.
s=Q/v=（20/3600）/2.5=0.00222m2管道材质为不锈钢管,
管道直径为53.2mm
输送管道选择Ø76,实际流速为:
1.44m/s.
（3）配制亚硫酸钠用水消耗
亚硫酸钠浓度配制为5%，即体积浓度为5g/L：
体积输送流量为：
V=1.098m3/h。
高纯水消耗为1.098m3/h。
亚硫酸钠罐5m3,高纯水的流速取2.5m/s。
要求10分钟充满.则流量为30m3/h。
高纯水管道管径的确定:
s=Q/v=（30/3600）/2.5=0.00333m2道材质为不锈钢管,
管道直径为65.1mm
输送管道选择Ø76,实际流速为:
2.17m/s.
如果以上用一颗管道输送,保证螯合树脂塔再生,过滤器反洗,配制亚硫酸钠用水相互不影响,总体输送流量为:
80m3/h。
总高纯水输送管道的确定
高纯水的流速取2.5m3/s。
流量为60m3／h,
s=Q/v=（60/3600）/2.5=0.00667m2管道材质为不锈钢管,
管道直径为92.17mm
输送管道选择Ø108,实际流速为:
2.12m/s.
（4）离子膜电解槽电解用水消耗
2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H2
22
n7500/40
高纯水的摩尔量：
nH2O=187.5Kmol/h即m1H2O=3375Kg/h
每个钠离子带4个水分子，迁移到阴极室的水的质量为：
m2H2O=13500Kg/h
成品碱带走的水的质量为：
m3H2O=17500Kg/h
氢气带走水的质量为：
查表氢气在90℃.时，水蒸汽分压525.8毫米汞柱。
pH2O=525.8-115.69=410.11毫米汞柱
pH2=760-410.11=349.89毫米汞柱
氢气中的水份为：
m4H2O=pH2O/pH2×n=1044.6Kg/h
需要消耗的高纯水量为
mH2O=1044.6+17500+3375-13500=8420Kg/h
vH2O=8.42m3/h
高纯水上水的流速取2.5m3/s。
流量为8.42m3／h,
s=Q/v=（8.42/3600）/2.5=0.00094m2管道材质为不锈钢管,
管道直径为34.5mm
输送管道选择Ø57,实际流速为:
1.19m/s.
离子膜系统总体高纯水消耗：
vH2O=8.42+1.098+0.5+3.75=13.77m3/h
6、离子膜单槽产碱量、氯气产量、氢气产量
（1）工艺要求碱浓度控制指标为31%,比重1.284,温度为90℃,即体积浓度为410g/L,小时产碱量为:
V=18.29m3／h.碱液流速为15~2.5m/s.取2.0m/s.计算.
碱总管输送管道的确定
s=Q/v=（18.29/3600）/2.0=0.00254m2管道材质为不锈钢管,
管道直径为56.88mm
输送管道选择Ø76,实际流速为:
1.32m/s.
（2）氯气产量.氢气产量
2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H2
211
7500/40n1n2
nCl2=93.75Kmol/h
由公式:
pv=nRT计算
1.0133×105×V=93.75×8.315×103×358
VCl2=2754.09m3/h
查表得90℃时氯的溶解度为0.0022218Kg/Kg，饱和水蒸汽分压为0.4829Kg/cm2，其它气体的溶解不计。
有摩尔比等于体积比
nCl2/n总=（p总-pH2O）×p总
93.75/n总=（1.0133-0.4829）/1.0133
N总=179.11Kmol/h
氯气总管的体积输送流量为:
由公式:
pv=nRT计算
1.0133×105×V=179.11×8.315×103×358
VCl2=5281.7m3/h
V混=69.84m3/h
V总=5351.54m3/h
氯气管道确定
氯气流速为10~20m/s.取15m/s.
计算:
s=Q/v=（5351.5/3600）/10=0.1484m2,管道材质为PVC管,
管道直径为434.8mm
输送管道选择Ø480,实际流速为:
9.22m/s.
NH2=93.75Kmol/h
1.0133×105×V=93.75×8.315×103×363
VH2=2792.22m3/h
氢气含水为：
nH2O=58.03Kmol/h,
1.0133×105×V=（93.75+58.03）×8.315×103×363
氢气总管的体积输送流量为:
VH2=4521.1m3/h
氢气管道确定
氢气流速为10~20m/s.取15m/s.计算.
s=Q/v=（4521.1/3600）/10=0.12558m2,管道材质为PVC管,
管道直径为399.9mm
输送管道选择Ø480,实际流速为:
7.90m/s.
物料组成
含量
成分
组成
Kmol/h
Kg/小时
Cl2
93.75
6656.3.
H2O
187.6
3376.3
O2
1.784
57.08
含量
成分
组成
Kmol/h
Kg/小时
H2
93.75
187.5
H2O
58.033
1044.6
7、真空脱氯系统
（1）真空脱氯解吸氯气
解吸氯气纯度为70%,出槽淡盐水含游离氯3000PPm,脱氯后淡盐水含游离氯70PPm.温度为:
70℃.
解吸的氯气为:
mCl2=55×（3000-70）/1000=161.2Kg/h.
摩尔流量为:
nCl2=2.27kmol/h
nH2O=0.215kmol/h
真空脱氯的氯气纯度工艺指标为70％计，湿氯气中的水的体积含量为:
6.6%,湿氯气中其它气体以空气计，体积含量23.4%。
n其它＝0.759kmol/h
解吸氯气中总摩尔流量为:
n混=3.244kmol/h
由公式:
pv=nRT计算
1.0133×105×V=3.244×8.315×103×343
V混=91.31m3/h
混氯气流速为5~10m/s.取5m/s.计算.
s=Q/v=（91.31/3600）/5=0.00507m2,管道材质为PVC管,
管道直径为71.22mm
输送管道选择Ø140,实际流速为:
1.64m/s.
（5）、钛冷却器的物料、热量衡算
进入填料塔的淡盐水浓度为210g/l,温度为85℃,游离氯为3000PPm.真空度为250毫米汞柱,PH值为1.2。
要求解吸后淡盐水含游离氯为小于70PPm.液体流量为55m3/h。
解吸的氯气量
nCl2=2.27kmol/h即：
mCl2=161Kg/h
查在85℃时，饱和湿氯气含水蒸汽含338g/Kg。
饱和水蒸汽含量：
54.47Kg/h
工艺要求温度降低到45℃时
查在45℃时，饱和湿氯气含水蒸汽含26.2g/Kg。
湿氯气温度由85℃降低到45℃时，冷凝的水的为：
MH20=50.199Kg/h
查表得：
氯气比热85℃时，8.367千卡/千摩尔℃。
氯气比热45℃时，8.288千卡/千摩尔℃。
水蒸汽焓：
85℃时，633.3千卡/公85斤。
45℃时，616.8千卡/公斤。
其它气体比热：
（以空气计）
85℃时，0.244千卡/公斤℃。
45℃时，0.2405千卡/公斤℃。
能量衡算：
氯气带入的热量:
2.27×85×8.367=1614.4千卡
水蒸汽带入的热量：
54.47×633.3=34495.8千卡
其它气体带入的热量：
33.35×85×0.244＝691.7千卡
Q1＝35801.9千卡
氯气带出的热量:
2.27×45×8.242=841.9千卡
水蒸汽带出的热量：
4.271×616.8=2634.3千卡
其它气体带出的热量：
33.35×45×0.2403＝360.6千卡
氯水带出的热量：
50.199×45×1＝2258.9千卡
Q2＝6095.7千卡
冷却水进口温度为25℃，出口温度为35℃，需要冷却水取出的热量为：
Q3＝Q1－Q2＝29706.2千卡
需要25℃时的冷却水量：
G＝29706.2/（35-25）=2970.6公斤/h
温度的对数平均温差：
t=32.75℃
传热系数取：
15
传热面积：
F=Q/K.T=29706.2/15×32.75=60m2
（2）、成品碱冷却器
（3）、碱液冷却器
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