氯碱装置氯气、氢气处理工序初步设计.doc
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第一篇氯气处理
四川理工学院
毕业设计（论文）说明书
题目200kt/a烧碱装置氯气、氢气处理工序的初步设计
作者
系别材料与化学工程系
专业无机化工99.1班
指导教师
接受任务日期2003年2月24日
完成任务日期2003年6月2日
论文评阅教师
论文答辩教师
毕业设计（论文）任务书
学生姓名专业无机化工班级99.1班
指导教师（签名）
题目200kt/a烧碱装置氯气、氢气处理工序的初步设计
原始数据
200kt/a烧碱装置Cl2、H2处理，年工作日330天，其余数据以工厂实际收集数据为准。
说明书内容：
1．进行工序工艺流程设计，绘制带控制点的工艺流程图；
2．进行工序物料、热量衡算，并编制物、热平衡数据表；
3．进行工序设备设计或选型，编制设备一览表；
4．绘制主要设备的设备图；
5．编制工序初步设计说明书。
图纸要求
学生综合训练方面的要求：
完成期限：
2003年2月24日至2003年6月2日
教研室主任：
（签名）年月日
目录
第一篇氯气处理1
第一章总论1
一概述1
二氯气处理的任务和方法1
三工艺流程简介2
第二章氯气工艺计算4
一氯气处理工艺流程4
二计算依据4
三工艺计算5
（一）第一钛冷却器5
（二）第二钛冷却器8
（三）硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔）10
（四）硫酸干燥塔Ⅱ（泡罩塔）11
第三章主要设备设计及选型13
一第一钛冷却器13
二第二钛冷却器20
三硫酸干燥塔Ⅰ（填料塔）25
四硫酸干燥塔Ⅱ（泡罩塔）27
五除沫器28
第二篇氢气处理29
第一章总论29
一概述29
二氢气处理工艺流程确定30
第二章工艺计算31
一氢气处理工艺流程31
二计算依据31
三工艺计算32
（一）一段洗涤冷却塔32
（二）二段洗涤冷却塔34
第三章主要设备设计及选型36
一一段洗涤塔36
二二段洗涤塔37
三主要管径38
四氢气输送设备39
五水输送泵39
六液封循环水池39
七氢气缓冲罐39
主要设备一览表40
设计评述41
参考文献42
第一篇氯气处理
第一章总论
一.概述
1.氯气
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度越小。
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。
2.氯碱工业在国民经济中的地位
食盐电解联产的烧碱、氯气、氢气，在国民经济的所有部门均很需要，除应用于化学工业本身外，有轻工、纺织、石油化工、有色金属冶炼和公用事业等方面均有很大用途，作为基本化工原料的“三酸二碱”中，盐酸烧碱就占了其中两种，而且氯气和氢气还可进一步加工成许多化工产品。
所以氯碱工业及相关产品几乎涉及到国民经济及人民生活的各个领域。
3.氯碱工业的特点
氯碱工业的特点除原料易得、生出流程短外，主要还有三个突出问题:
能量消耗大；氯与碱的平衡；腐蚀和污染。
二.氯气处理的任务和方法
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。
三．工艺流程简介
1氯处理工艺
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。
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。
2工艺流程的确定
氯处理工艺流程
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。
第二章氯气工艺计算
一.氯气处理工艺流程
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。
二.计算依据
1．生产规模：
200kt/a100%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：
47
第一篇氯气处理
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，kg/t100%NaOH
885
12.50mol
总压（表），Pa
-10
——
不凝性气体（假设为空气，下同）kg/t100%NaOH
15
0.52kmol
水蒸汽，kg/t100%NaOH
310
——
成分，%（干基）（v/v）
96
——
气体总量，kg/t100%NaOH
1187
——
三.工艺计算
（一）第一钛冷却器
1．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46℃。
⑶由资料查知相关热力学数据：
氯气在水中溶解度：
80℃:
0.002227kg/kgH2O
56℃:
0.00355kg/kgH2O
水蒸汽分压：
80℃:
45.77kPa
46℃:
10.1104kPa
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
Kcal/（mol·℃）
8.364
8.2902
水蒸气热焓
kcal/kg
631.4
617.42
不凝气比热
kcal/kg
0.2426
0.2426
2．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101.227kpa。
由道尔顿分压定律得：
P水/P总=n水/n总
解得W1=117.097kg
故溶解的氯气量：
0.002227×117.097=0.26kg
氯水总重量：
117.097+0.26=117.357kg
由上述计算得知，进入第一钛冷却器的气体组分为：
氯气885－0.26=884.74kg
水蒸气310－117.097=192.903kg
不凝气体15kg
⑵氯气在一段钛冷却器中温度从80℃降至46℃
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=166.946kg
溶解氯气的量为：
166.946×0.00355=0.593kg
氯水总重量为：
166.946+0.593=167.539kg
因此出第一钛冷却器的气体组分为：
氯气884.74－0.593=884.147kg
水蒸气192.903－166.946=25.957kg
不凝气体15kg
⑶物料衡算表
a.以生产1t100%NaOH为基准
表2-3第一钛冷却器物料衡算表
名称
进第一钛冷却器
kg/t100％NaOH
出第二钛冷却器
kg/t100％NaOH
氯气
884．74
884．147
水蒸气
192．903
25．957
不凝气体
15
15
氯水
——
167．539
总计
1092．643
1092．643
b.总物料衡算
表2-4第一钛冷却器总物料衡算表
名称
进第一钛冷却器
kg/t100％NaOH
出第二钛冷却器
kg/t100％NaOH
氯气
176948000
176829400
水蒸气
38580600
5191400
不凝气体
3000000
3000000
氯水
——
33507800
总计
218528600
218528600
3．热量衡算
⑴气体带入热量
a.氯气带入热量：
Q1=884.74/71×8.364×80×4.1868=34909kJ
b.水蒸气带入热量：
Q2=192.903×631.4×4.1868=509948kJ
c.不凝气体带入热量：
Q3＝15×0.244×4.1868×80＝1226kJ
d.氯气溶解热：
Q4＝0.593/71×22090＝185kJ
ΣQ=34909+509948+1226+185=546268kJ
⑵气体带出热量
a.氯气带热量：
q1＝884.147/71×8.2902×46×4.1868＝19883kJ
b.水蒸气带热量：
q2＝25.957×617.42×4.1868＝67099kJ
c.不凝气体带出热量：
q3＝15×0.2426×4.1868×46＝701kJ
d.氯水带出热量：
q4＝167.539×4.1828×56＝39244kJ
Σq＝19883＋67099＋701+39244＝126927kJ
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，kg/s
CPC——流体比热容，kJ/（kg•℃）
t——温度，℃。
则第一钛冷却器用水量为：
WC1=Q/CPC（t2－t1）
=
=10032kg/t100％NaOH
冷却水带入热量：
10032×4.1796×20＝838595kJ
冷却水带出热量：
10032×4.1796×30＝1257892kJ
⑷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
884.74
34909
氯气
884.147
19883
水蒸气
192.903
509948
水蒸气
25.957
67099
不凝气体
15
1226
不凝气体
15
701
溶解热
——
185
氯水
167.539
39244
冷却水
10032
838595
冷却水
10032
1257892
总计
11224.643
1.385×106
总计
11124.643
1.385×106
（二）第二钛冷却器
1．计算依据
⑴电解氯气经二段洗涤塔冷却，温度从46℃降至18℃。
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℃:
0.00729kg/kgH2O
氯气比热容：
18℃:
8.227kcal/（mol·℃）
水蒸气分压：
18℃:
2.0776kPa
水蒸气热焓：
18℃:
605.34kcal/kg
不凝气体比热：
18℃:
0.2418kcal/（kg·℃）
水的比热：
6℃:
4.1999J/（g•℃）
2．物料衡算
⑴设在第二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=19.608kg
溶解氯气量：
19.608×0.00729=0.143kg
氯水总量：
19.608+0.143=19.751kg
因此出第二钛冷却器的气体组分为：
氯气884.147－0.143=884.004kg
水蒸气25.957－19.608=6.349kg
不凝气15kg
⑵物料衡算表
a.以生产1t100%NaOH为基准
表2-6第二钛冷却器物料衡算表
名称
进第一钛冷却器kg/t100%NaOH
出第一钛冷却器kg/t100%NaOH
氯气
884.147
884.004
水蒸汽
25.957
6.349
不凝气
15
15
氯水
——
19.751
总计
925.104
925.104
b.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/t100％NaOH
出第二钛冷却器
kg/t100％NaOH
氯气
176829400
176800800
水蒸气
5191400
1269800
不凝气体
3000000
3000000
氯水
——
3950200
总计
185020800
185020800
3．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：
Q
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