精品氯碱工艺氯气处理定稿毕业论文论文.docx
《精品氯碱工艺氯气处理定稿毕业论文论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品氯碱工艺氯气处理定稿毕业论文论文.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
精品氯碱工艺氯气处理定稿毕业论文论文
优秀论文审核通过
未经允许切勿外传
内蒙古科技大学
毕业设计说明书
题目75kta烧碱装置氯气处理工序工艺设计
学生：
党银生
专业：
化工工程与工艺
指导教师：
目录
1前言…………………………………………………………………………3
1.1概述………………………………………………………………………3
1.2氯气处理方法…………………………………………………………3
1.3氯气处理工艺流程简介………………………………………………4
2氯气工艺计算…………………………………………………………………5
2.1.氯气处理工艺流程简图……………………………………………5
2.2计算依据…………………………………………………………………5
2.3工艺计算………………………………………………………………6
3主要设备设计及选型………………………………………………………15
3.1第一钛冷却器…………………………………………………………15
3.1.1确定方案………………………………………………………15
3.1.2确定物性参数…………………………………………………………15
3.2第二钛冷却器…………………………………………………………23
3.4硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔）……………………………………………………28
3.4.1填料的选择…………………………………………………………28
3.4.2塔径的确………………………………………………………………293.4.3压降计算……………………………………………………………………30
3.4.4塔高确定……………………………………………………………………31
3.5硫酸干燥塔Ⅱ（泡罩塔）………………………………………………………31
3.5.1塔径的确定…………………………………………………………………31
3.5.2塔高的确定…………………………………………………………………32
3.6除沫器………………………………………………………………………323.6.1计算依据…………………………………………………………………32
3.6.2计算………………………………………………………………………32
设备一览表…………………………………………………………………………33
设计评述………………………………………………………………………34
参考文献………………………………………………………………………35
致谢…………………………………………………………………………36
附图…………………………………………………………………………37
75Kta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。
冷却这个过程主要采用循环水和冷冻水在钛冷却器中完成，干燥过程用的是浓硫酸做干燥剂，在填料塔、泡罩塔中完成。
设计过程主要有物料衡算、能量衡算、设备选型的计算等。
关键词：
冷却，填料塔，泡罩塔，钛冷却器.
Processdsignof75ktacausticsodaplantchlorination
Abstract
Chlorinecausticsodatreatmentplanttherearethreemainsteps,namely,cooling,dryingandtransportstorage.Thisprocessismainlyusedforcoolingindustrialwaterandchilledwaterandtitaniumcoolers,dryingprocessusingaconcentratedsulfuricacid,andpackedtower,bubblecaptower.Thedesignprocessarematerialbalance,energybalance,calculationofequipmentselection
Keywords:
cooling,packedtower,bubblecaptower,titaniumchillers
1前言
1.1概述
氯气，化学式为Cl₂，分子量70.906。
常温常压下为黄绿色有毒气体，易压缩可液化为金黄色液态氯，是氯碱工业的主要产品之一，可用作强氧化剂。
氯气中混和体积分数为5%以上的氢气时遇强光可能会有爆炸的危险。
氯气能与有机物和无机物进行取代反应和加成反应生成多种氯化物。
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。
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。
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较小，所以湿氯气的干燥在生产和使用氯气过程中是普遍的处理方法。
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，故浓硫酸是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后的氯气纯度。
1．3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。
⑴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。
⑵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。
其缺点是压力降较大，适应氯气负荷波动范围小，塔板易结垢，同时由于塔内酸未能循环冷却，塔温高，因此出塔氯气含水量高，出塔酸浓度高故酸耗较大。
⑶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94％－99％，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界区外管道，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。
进入第一段钛冷却器冷却至46℃，再经过二段钛冷却器冷却至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。
2.2计算依据
1．生产规模：
75kta100%NaOH；
2．年生产时间（按年工作日330天计算）：
330×24=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，kgt100%NaOH
885
12.50mol
总压（表），Pa
-10
——
不凝性气体（假设为空气，下同）kgt100%NaOH
15
0.52kmol
水蒸汽，kgt100%NaOH
306
——
成分，%（干基）（vv）
96
——
气体总量，kgt100%NaOH
1187
——
2.3工艺计算
2.3.1第一钛冷却器计算依据
⑴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。
⑵电解氯气经一段洗涤塔冷却，温度从80℃降至40℃。
⑶由资料查知相关热力学数据：
氯气在水中溶解度：
80℃:
0.002227kgkgH2O
50℃:
0.00393kgkgH2O
水蒸汽分压：
80℃:
0.4829x98.1kPa
40℃:
0.0752x98.1kPa
水的比热：
50℃:
4.1868J（g·℃）
25℃:
4.1796J（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
KJ（Kmol·℃）
34.96
34.59
水蒸气热焓
kJkg
2638
2569
不凝气比热
kJ（kg·℃）
1.007
1.028
2.3.2第一钛冷却器物料衡算
⑴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98.1kpa。
由道尔顿分压定律得：
P水P总=n水n总
解得W1=87.07kg
故溶解的氯气量：
0.002227×87.07=0.194kg
氯水总重量：
87.07+0.194=87.264kg
⑵由上述计算得知，进入第一钛冷却器的气体组分为：
氯气885－0.194=884.806kg
水蒸气306－87.07=218.93kg
不凝气体15kg
氯气在一段钛冷却器中温度从80℃降至40℃
设在第一钛冷却器中冷凝的水量为W2kg，其阻力降为35×9.81pa（35mmH2O），则出口氯气的总压为-40×9.81Pa
P总=101.227－35×9.81×10-3=100.933kpa
根据道尔顿定律有：
解得：
W2=198.23kg
溶解氯气的量为：
198.23×0.00393=0.78kg
氯水总重量为：
198.23+0.78=199.01kg
因此出第一钛冷却器的气体组分为：
氯气884.806－0.78=884.026kg
水蒸气218.93－198.23=20.7kg
不凝气体15kg
⑶物料衡算表
a.以生产1t100%NaOH为基准
表2-3第一段钛冷却器物料衡算表
名称一段钛冷却器
kgt100％NaOH
出第二段钛冷却器
kgt100％NaOH
氯气
水蒸气
不凝气
氯水
总计
884.806
218.93
15
——
1118.736
884.026
20.7
15
199.01
1118.736
b.总物料衡算
表2-4第一段钛冷却器总物料衡算表
名称
进第一段钛冷却器
kgt100％NaOH
出第二段钛冷却器
kgt100％NaOH
氯气
水蒸气
不凝气体
氯水
总计
2.3.3第一段钛冷却器热量衡算
⑴气体带入热量
a.氯气带入热量：
Q1=884.80671×34.96×80=34853.9kJ
b.水蒸气带入热量：
Q2=218.93×2638=577537kJ
c.不凝气体带入热量：
Q3＝15×1.007×80＝1208.4kJ
d.氯气溶解热：
Q4＝0.7871×22090＝242.679kJ
ΣQ=34853.9+577537+1208.4+242.679=613842kJ
⑵气体带出热量
a.氯气带热量：
q1＝884.02671×46×34.59＝17227.3kJ
b.水蒸气带热量：
q2＝20.7×2569＝53178.3kJ
c.不凝气体带出热量：
q3＝15×1.028×40＝616.8kJ
d.氯水带出热量：
q4＝199.01×4.18×50＝41593.1kJ
Σq＝17227.3＋53178.3＋616.8+41593.1＝112615kJ
⑶冷却水用量
冷却水采用工业上水，设进口温度t1＝20℃，出口温度t2＝30℃。
定性温度:
T=（t2＋t1）2
=（20＋30）2
=25℃
Q=WCCPC（t2－t1）（2—1）
其中，Q——传热速率，W
WC——流体质量流量，kgs
CPC——流体比热容，kJ（kg•℃）
t——温度，℃。
则第一钛冷却器用水量为：
WC1=QCPC（t2－t1）
=
=11991kgt100％NaOH
⑷第一段钛冷却器热量衡算表
表2-5第一段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
884.806
218.93
15
——
11991
13109.736
氯气
水蒸气
不凝气体
氯水
冷却水
总计
884.026
20.7
15
199.01
11991
13109.736
2.3.4第二段钛冷却器计算依据
⑴电解氯气经二段洗涤塔冷却，温度从40℃降至12℃。
⑵氯水温度为20℃。
⑶出口氯气总压力为-100×9.81pa（－100mmH2O）。
⑷由资料查得相关热力学数据如下：
氯气在水中溶解度：
20℃:
0.00729kgkgH2O
氯气比热容：
12℃:
34.59kJ（Kmol·℃）
水蒸气分压：
12℃:
0.0143x98.1kPa
水蒸气热焓：
12℃:
2519kJkg
不凝气体比热：
12℃:
1.003kJ（kg·℃）
2.3.5第二段钛冷却器物料衡算
⑴设在第二段钛冷却器总冷凝水量为W3kg，其阻力降为60×9.81pa（60mmH2O），
P总=100.933－60×9.81×10-3=100.344kpa
则由道尔顿定律有：
解得W3=17.14kg
溶解氯气量：
17.14×0.00729=0.125kg
氯水总量：
17.14+0.125=17.265kg
因此出第二段钛冷却器的气体组分为：
氯气884.026－0.125=883.901kg
水蒸气20.7－17.14=3.65kg
不凝气15kg
⑵物料衡算表
a.以生产1t100%NaOH为基准
表2-6第二段钛冷却器物料衡算表
名称
进第二段钛冷却器
kgt100%NaOH
出第二段钛冷却器kgt100%NaOH
氯气
水蒸汽
不凝气
氯水
总计
884.026
20.7
15
——
919.726
883.901
3.65
15
17.265
919.726
b.总物料衡算
表2-7第二段钛冷却器总物料衡算表
名称
进第二段钛冷却器
kgt100％NaOH
出第二段钛冷却器
kgt100％NaOH
氯气
水蒸气
不凝气体
氯水
总计
2..3.6第二段钛冷却器热量衡算
⑴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=17227.3kJ
b.水蒸气带入热量：
Q6=53178.3kJ
c.不凝气体带入热量：
Q7＝616.8kJ
d.氯气溶解热：
Q8＝22090×0.12571＝38.89kJ
ΣQ=17227.3+53178.3+616.8+38.89＝71061kJ
⑵气体带出热量
a.氯气带出热量：
q5＝883.90171×34.45×12＝5146.5kJ
b.水蒸气带出热量：
q6＝3.65×2519＝8967.6kJ
c.不凝气体带出热量：
q7＝15×1.003×12＝180.54kJ
d.氯水带出热量：
q8＝17.265×4.18×20＝1443.4kJ
Σq＝5146.5+8967.6+180.54+1443.4＝15738kJ
⑶冷冻水用量
冷冻水进口温度为5℃，出口温度为8℃，则二段冷却器冷冻水用量为：
WC2=QCPC（t2－t1）
=
=4412㎏
冷冻水带入热量：
4412×4.18×5＝92205.36kJ
冷冻水带出热量：
4412×4.18×8＝147528.6kJ
⑷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
884.026
20.7
15
——
4412
5331.726
17227.3
53178.3
616.8
38.891
92205.36
163267
氯气
水蒸气
不凝气体
氯水
冷冻水
总计
883.901
3.65
15
17.265
4412
5331.726
5146.5
8967.6
180.54
1443.4
147528.6
163267
2.3.7硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔）计算依据
⑴入塔硫酸浓度80％，温度为15℃，出塔硫酸浓度60％，温度为30℃。
⑵干燥后的氯气含水量为100ppm。
2..3.8硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔）物料衡算
⑴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W3＝8060－1＝0.3333
设干燥所需80％硫酸量为W4㎏,则
＝0.0001
解得W4＝10.68㎏
假定各种因素造成硫酸的损耗为15％，
则需硫酸量为：
10.68×1.15＝12.28㎏
填料塔流出的稀酸量为：
10.68×1.3333＋10.68×0.15＝15.842㎏
干燥后氯气中含水量：
3.65－0.3333×10.68＝0.09㎏
出填料塔气体组分为：
氯气883.901㎏
水蒸气0.09㎏
不凝气体15㎏
⑵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
kgt100％NaOH
出填料塔
kgt100％NaOH
氯气
水蒸气
不凝气体
硫酸
总计
883.901
3.65
15
12.28
914.831
883.901
0．09
15
15.842
914.831
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
kgt100％NaOH
出填料塔
kgt100％NaOH
氯气
水蒸气
不凝气体
硫酸
总计
2.3.9硫酸干燥塔（泡罩塔）计算依据
⑴进塔硫酸浓度为98％，温度为13℃；出塔硫酸浓度为75%，温度为28℃。
⑵干燥后氯气含水量1.0×10－5。
2.3.10硫酸干燥塔（泡罩塔）物料衡算
⑴设每千克98％硫酸吸收的水分为W5㎏,则
W5＝0.980.75－1＝0.3067㎏
设干燥所需98％流酸为W6㎏，
＝1.0×10－5
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：
0.25×1.15＝0.299㎏
泡罩塔流出稀酸的量为：
0.26×1.3067＋0.26×0.15＝0.379㎏
干燥后氯气含水量为：
0.09－0.3067×0.26＝0.0103㎏
出泡罩塔气体组分为：
氯气883.901㎏
水蒸气0.0103㎏
不凝气体15㎏
⑵物料衡算表
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
kgt100％NaOH
出泡罩塔
kgt100％NaOH
氯气
水蒸气
不凝气
硫酸
总计
883.901
0．09
15
0．299
899．29
883.901
0．0103
15
0．379
899．29
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
kgt100％NaOH
出泡罩塔
kgt100％NaOH
氯气
水蒸气
不凝气体
硫酸
总计
升级会员 