1、 四川理工学院毕业设计80kt/a 烧碱装置氯气处理工序工艺设计四川理工学院本科毕业设计 摘要摘要本设计为 80kt/a 烧碱装置氯气处理工序工艺设计，采用直接冷却与间接冷却相结合，二段组合塔（填料+泡罩）干燥工艺，经酸雾除雾器后的工艺气体中含水量下降到 30ppm，使用离心压缩机进行压缩输送；设计对工艺流程与工艺参数作了具体选择与详细说明，进行了物料衡算及热量衡算，设备设计与选型和车间布置设计；做了环境保护与经济分析；绘制了带控制点的工艺流程图，一段填料干燥塔装配图和车间平面布置图。关键词：氯气处理； 冷却； 二段组合塔； 干燥； 离心压缩机四川理工学院本科毕业设计 AbstractIIAb
2、stractThis design for the 80 kt/a chlorine treatment technology of caustic soda units， and the design integrated direct cooling with indirect cooling，the second phase combination tower (filler and bubble cap column) drying process，through the process of water content in gas after acid mist eliminato
3、r down to about 30 PPM， using centrifugal compressor to compress and transportAs design of technological process and technological parameters selection and detailed instructions，carried out the material balance and heat balance，equipment design and type selection and layout of the workshop designDid
4、 the environmental protection and economic analysisDraw a process flow chart with control points，a packing drying tower assembly drawings and workshop layoutKey words：Chlorine treatment；Cooling ；The second phase combination tower；Drying；Centrifugal compressor四川理工学院本科毕业设计 目录III目录第一章 总论 .- 1 -1.1 设计概况
5、 .- 1 -1.2 设计依据 .- 1 -1.3 氯气处理工艺介绍 .- 1 -1.3.1 氯气处理目的 .- 1 -1.3.2 氯气处理工艺原理 - 2 -1.3.3 氯气处理工艺的选择 .- 2 -1.4 建设规模和产品规格 .- 4 -1.4.1 建设规模 - 4 -1.4.2 产品规格 - 4 -第二章 工艺流程 - 5 -2.1 工艺流程概述 .- 5 -2.2 工艺流程说明 .- 6 -2.2.1 冷却除沫部分 .- 6 -2.2.2 干燥部分 - 7 -2.2.3 压缩部分 - 8 -第三章 工艺计算 - 9 -3.1 物料衡算 .- 9 -3.1.1 洗涤塔至水雾捕集器前 -
6、 10 -3.1.2 钛列管冷却器 - 11 -3.1.3 水雾捕集器 - 13 -3.1.4 氯水箱 .- 14 -3.1.5 洗涤塔 .- 14 -3.1.6 干燥塔 .- 15 -3.2 热量衡算 .- 17 -3.2.1 洗涤塔及氯水箱 - 17 -3.3.2 钛列管冷却器 - 19 -3.3.3 一段干燥塔 - 20 -3.3.4 二段干燥塔 - 21 -第四章 设备设计及选型 - 23 -4.1 一段干燥塔（填料吸收塔） .- 23 -4.2.1 塔径 .- 23 -四川理工学院本科毕业设计 目录IV4.2.2 填料层高度 .- 25 -4.2.3 填料层压降 .- 27 -4.2
7、.4 塔附属高度 .- 27 -4.2.5 其他装置及塔内件 .- 27 -4.3 氯水洗涤塔 .- 32 -4.3.1 塔径 .- 32 -4.3.2 填料层高度 .- 34 -4.3.3 填料层压降 .- 35 -4.4 钛列管冷却器 - 35 -4.4.1 初选换热器型号 - 36 -4.4.2 核算总传热系数 .- 37 -4.4.3 核算压降 .- 38 -4.5 其他设备选型 - 40 -4.5.1 泵 .- 40 -4.5.2 压缩机 .- 42 -4.5.3 除雾器 .- 42 -4.5.4 贮槽 - 44 -4.6 设备一览表 - 45 -第五章 车间平面布 置设计 .- 4
8、6 -5.1 设计依据 - 46 -5.1.1 设计规范 .- 46 -5.1.2 基础资料 .- 46 -5.2 平面布置方案 .- 46 -5.2.1 车间平面布置内容 .- 46 -第六章 环境保护与经济分析报告 .- 48 -6.1 环境评价 - 48 -6.1.1 编制依据 .- 48 -6.1.2 评价标准与范围 - 49 -6.1.3 评价内容和评价重点 .- 49 -6.1.4 环境质量标准及污染物排放标准 .- 50 -6.1.5 环境保护方案 - 52 -6.2 经济分析 - 54 -6.2.1 编制依据 .- 54 -6.2.2 产品成本估算 - 54 -四川理工学院本科
9、毕业设计 目录V6.2.3 估算过程 .- 54 -6.2.4 费用估算 .- 56 -6.2.5 市场分析 .- 56 -参考文献 - 58 -设计评述 - 59 -致谢 - 60 -附图 - 61 -四川理工学院本科毕业设计 第一章 总论- 1 -第一章 总论1.1 设计概况本设计为在任务书的要求下设计一个 80kt/a 烧碱装置氯气处理工序工艺，将电解来的高温湿氯气经洗涤、冷却、除雾、干燥、加压输送出界区，保证上下工序的安全生产的简单工艺。1.2 设计依据1、来自电解工序湿氯气的工艺数据见表 1-1。表 1-1 来自电解工序湿氯气的温度、压力和组成项目 备注 项目 备注温度， 90 氯气
10、，kg/t100NaOH 88512.46 kmol总压（表） ，Pa -48水蒸汽，kg/t100NaOH310 17.22kmol不凝性气体（假设为空气下同） ，kg/t100NaOH150.52kmol成分（干基） （V/V） 96气体总量， kg/t100%NaOH12152、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） 。1.3 氯气处理工艺介绍1.3.1 氯气处理目的由电解槽阳极析出的氯气温度可达到 90以上，并伴有饱和水蒸汽且夹带盐雾等杂质，这种湿氯气对钢铁及大多数金属有强烈的腐蚀作用，只有少量的贵、稀有金属或非金属材料在一定条件才
11、能抵抗湿氯气的的腐蚀。因此给氯气的输送、使用、贮存等都带来了极大的麻烦和困难。而干燥后的氯气对钢铁等常用的金属材料的腐蚀作用在通常的条件之下是比较小的。氯气处理是氯碱生产中的关键工序，氯气处理运行的质量直接影响电解装置安全、稳定生产以及电解槽运行的质量和寿命。处理后的氯气质量直接影响着液氯装置运行质量和其他用氯装置的生产运行。由上述腐蚀速率表可知，随着氯气中含水分的增加，每年的腐蚀速率也在四川理工学院本科毕业设计 第一章 总论- 2 -增加。因此湿氯气的脱水和干燥是生产和使用氯气过程的需要。可见氯气处理的目的就是要除去湿氯气中的水分，使之成为含水分量甚微的干燥氯气以适应、满足氯气输送、生产、使
12、用的需要。所谓的氯气处理就是将电解槽阳极室电解析出的饱含水蒸气的高温湿氯气进行冷却除沫、干燥脱水、除雾净化、再加压输送到各个用氯使用部门。经过处理后的氯气中“ 含湿量”降低到 100ppm 以下，基本不含酸雾的洁净合格氯气 1。1.3.2 氯气处理工艺原理国内各氯碱企业选择不同的氯气处理生产工艺，控制水平和操作要求也大不相同，处理后的氯气质量特别是氯中含水也有差异。氯气处理的核心任务便是脱水，脱水方法一般有如下三种：冷却法，吸收法，冷却及吸收法。冷却吸收法是国内广泛采用的一种氯气处理方法。氯气处理的工艺流程主要包括四部分：冷却除沫、干燥脱水、除雾净化、压缩输送。氯气处理中一般要先冷却，在干燥，
13、其原理大致如下：在相同压力下，气相温度每下降 10，湿氯气中含水量几乎下降一半。若湿氯气温度由 90下降至 15，气相中的含水量可以脱除 99.2%。因此通过冷却可以除去气相中绝大部分水分，从而可以大大降低干燥负荷，同时也降低了用作吸收剂的浓硫酸的用量。经过冷却，湿氯气中的水分降低了 98%以上。然后将氯气中余下的水分用浓硫酸脱除，干燥塔最佳进塔温度为 12-182。1.3.3 氯气处理工艺的选择一、冷却工艺氯气冷却方式主要有直接冷却与间接冷却两种。工业采用的工艺流程一般有以下两种：一是采用两级间接冷却；二是采用间接冷却和直接冷却相结合。氯气两级间接冷却法采用 2 级钛列管冷却器冷却后经酸雾捕
14、集器送入干燥工序。一般用于规模低于 5 万吨/年烧碱装置。如图 1-1。四川理工学院本科毕业设计 第一章 总论- 3 -图 1-1 氯气二级间接冷却工艺流程图氯气间接冷却和直接冷却相结合的工艺是先经填料洗涤塔洗涤后，进入一段钛列管冷却器冷却后经酸雾捕集器送入干燥工序。如图 1-2。图 1-2 氯气间接冷却和直接冷却相结合的工艺流程图从使用单位对两种工艺的使用经验比较，采用填料洗涤塔代替一段钛冷能更好的除去湿氯气中夹带的盐雾，故选用间接冷却与直接冷却相结合的工艺更优越 3。二、干燥工艺氯气干燥工艺最常用的工艺有两种：一是“填料+ 筛板” 二合一塔工艺；二是“一级填料塔 ”和“二级填料+ 泡罩塔”
15、二级复合塔模式，形成两级干燥工艺。四川理工学院本科毕业设计 第一章 总论- 4 -采用二合一塔干燥工艺，干燥后的氯气含水量约 300ppm，可满足氯气压缩采用纳氏泵的含水要求。采用二级复合塔的两级干燥工艺，干燥后的氯气含水量100ppm，可以满足氯气压缩采用离心式压缩机（小型透平机）的含水要求 4。二合一塔工艺干燥效果比一级填料塔效果好，但总体效果二级干燥工艺更好，且泡罩塔有更好的操作弹性，对总体工序的调节更有利。最终确定选择二级组合干燥工艺。三、压缩输送压缩是将冷却、干燥后的氯气进行加压，输送至液化工序或其他用氯单位，最常用的工艺装置有液环式氯气压缩机（纳氏泵）和透平机。纳氏泵是最原始、最常
16、见的氯气压缩输送设备，它是用浓硫酸作密封介质，浓硫酸和氯气经叶轮由泵进入口吸入与偏心腔由大室渐至小室进行压缩加压后，从泵出口排出，经气液分离，酸又回到泵进口循环使用；纳氏泵工艺简单，操作方便、运转平稳，易于操作，一次性投资少，对氯气含水和杂质要求不严格，但输送出口氯气压力低、气量小、能耗大、运行费用高。透平机是借高速旋转的叶轮带动氯气通过双级压缩输送氯气。透平机自动化程度高、劳动强度轻、动力消耗低、输出压力高、运行周期长、经济费用低，而对氯气含水要求严格，一般不大于100ppm；不允许硫酸等杂物进入机构，机前加酸雾捕集器 5。根据设计工艺指标，本工艺选择透平机输送。1.4 建设规模和产品规格1
17、.4.1 建设规模本设计为 80kt/a 烧碱装置的氯气处理工序工艺设计。处理量：80kt/a NaOH；年生产时间：8000h;1.4.2 产品规格本设计采用间接冷却与直接冷却相结合，二级干燥，最后用透平输送氯气至下一工序的工艺，根据任务书要求以及流程模拟，本设计产品规格按GB 5138-2006 工业用氯质量规范中表 1 执行，具体内容见表 1-2。表 1-2 产品规格指标项目优等品 一等品 合格品四川理工学院本科毕业设计 第一章 总论- 5 -氯气的体积分数/% 99.8 99.6 99.6水分的质量分数/% 0.01 0.03 0.04三氯化氮质量分数/% 0.002 0.004 0.
18、004蒸发残渣的质量分数/% 0.015 0.010 -注：水分、三氯化氮指标强制。四川理工学院本科毕业设计 第二章 工艺流程- 6 -第二章 工艺流程2.1 工艺流程概述本项目为 80kt/a 烧碱装置的氯气处理工序部分，来自电解工序的湿氯气 首先进入氯气洗涤塔中部入口；氯水泵输送氯水经氯水冷却器冷却后，由氯水洗涤塔上部喷淋送入，与自下而上的氯气逆向接触，直接将氯气进行洗涤冷却。然后氯气从上部进入钛管冷却器，被冷冻水间接冷却至 1215；经酸雾捕集器的捕集后，分离的冷凝水和冷凝下来的氯水一起进入氯气洗涤塔循环使用。氯水因不断冷凝湿氯气中的含盐水蒸汽而增多，为了保持氯气洗涤塔液位需排出一部分去
19、电解脱氯塔。氯气从酸雾捕集器上部出来进入一级氯气填料干燥塔。在填料塔内氯气被93硫酸喷淋干燥，硫酸由硫酸循环泵输送经硫酸冷却器冷却降温后进入一级氯气干燥塔，当浓度低于 75%时，排到罐区的稀硫酸罐内。干燥后的氯气从下而上进入二级氯气干燥塔(填料+泡罩塔）中，逐层通过泡罩式塔板被浓硫酸干燥。93的浓硫酸由浓硫酸高位槽供给，首先进入第一层塔板，经降液管溢流逐步进入第二层、三层、四层塔板，然后进入填料层，各层塔板中酸的热量由冷却水间接吸收带走。塔底浓硫酸由浓硫酸循环泵送入浓硫酸冷却器,冷却后经二级氯气干燥塔塔填料层到塔底部循环使用。干燥后的氯气经酸雾捕集器除去其中的硫酸酸雾和不洁物后，进入透平机一级
20、压缩，冷却后进二级压缩，然后三级压缩送至下一工序 6。设计全流程图如图 2-1。图 2-1 氯气处理全流程图四川理工学院本科毕业设计 第二章 工艺流程- 7 -2.2 工艺流程说明2.2.1 冷却除沫部分本设计中冷却部分采用填料洗涤塔代替传统工艺的一段钛列管冷却器，由电解生产的氯气经管道自然冷却后，温度降至八十摄氏度左右，含有大量水蒸气、盐雾和少量的有机物等杂质，至氯气处理工序进入氯水洗涤塔，用 35氯水洗冷却，温度降至 4045。气体的含湿量是与温度有着密切关系的。在不同的压力和温度的情况下，气体中的含湿量（又称为水蒸汽分压）是不同的。饱和湿氯气中含湿量同样与温度有着密切的关系。一般来说，在
21、压力相同的情况下，温度较高的气体中含水量要大于温度较低的气体，详见表 2-1。由表中可知，在相同的压力情况下，气体温度每下降 10，湿氯气中的“ 含湿量”几乎降低近一半。以电解槽阳极出口氯气温度为 90，经自然冷却后降到85，每千克湿氯气中所含的水分为 395 克。本设计中使用温度为 35的氯水洗涤直接冷却，使其温度降低至 45；此时每千克湿氯气含水分为 27.3 克，可以通过冷却去除掉水分近 350 克，几乎去除掉 93.09%的含水分。表 2-1 不同温度下饱和湿氯气中的水蒸汽分压和含水量温度 水蒸汽分压 mmHg 水 蒸 汽 含 量 g/l 1kg 氯气中水蒸汽含量 g10 9.2 9.
22、4 3.115 12.8 12.8 4.320 17.5 17.3 5.930 31.8 30.0 10.840 55.3 51.2 19.850 92.5 83.1 34.960 149.4 130 61.670 233.7 198 11280 355.1 293 21990 525.8 424 57195 633.9 505 1278在直接冷却后，除去的水分为 93.09%，再通过进入钛列管冷却器，用 8的 10%NaCl 冷冻盐水进行 间接冷却，使温度下降到 15，此时每千克湿氯气含水分为 4.3 克，除去水分为 98.91%。剩下的水分在干燥塔中用硫酸吸收干燥。按照降低气相的温度能够减
23、少“含湿量” 的观点，即气相的温度越低，气体中水蒸气分压也越低，所含水分也就越少。那么继续降低气相的温度，以求得四川理工学院本科毕业设计 第二章 工艺流程- 8 -较低的气体“ 含湿量” ，但当氯气的温度降低到 9.6时，将会形成 Cl28H2O 的结晶体，使冷凝下来的氯水结冰，将冷却器及其管道堵塞，使气体无法通过。因此湿氯气的温度不可无限制降低，应有适度，最佳的进干燥塔温度是 12 188。即钛列管冷却器出口氯气温度取 15。在冷却结束，氯气中还夹带少量水雾与盐沫，采用水雾除雾器捕集后再进入干燥塔进行干燥。2.2.2 干燥部分在湿氯气经过冷却除沫之后，气流中所含的水蒸汽含量已经减少到不足 2
24、 %。依据“先冷却、后干燥 ”的工艺原理，干燥脱水是氯气处理的主要单元操作。干燥脱水采用成熟的 H2O - H2SO4 系统的气体吸收传质操作方式，是采用气液相在一个或若干个容器中气相所含的水蒸汽与不同浓度的硫酸溶液互相接触，来完成气相中的水蒸汽被硫酸所吸收的脱水任务。干燥脱水后，气相最终的含水分量往往取决于最后一个接触容器中硫酸液面上的水蒸汽分压，就是说取决于进入最后一个传质吸收容器的干燥剂硫酸的浓度和温度，才能使氯气中含水分量达到工艺要求。经过干燥脱水氯气中的最终含水分 100ppm 以下。本设计中采用组合强化的干燥工艺，干燥出口的氯气温度不会超过 20；干燥出口的氯气含水分降低到 50p
25、pm 以下，甚至 15ppm 以下 8。本设计采用二段组合塔干燥工艺，一段为填料干燥塔，二段采用泡罩+填料组合塔。在 1 段干燥塔中可以除去冷却后剩余水分的百分之七十五左右。只要控制好出酸的 H2SO4 质量分数为 75%和塔体温度为 18-20，当系统稳定后进填料塔酸中的 H2SO4 质量分数应约为百分之九十二。从计算分析来看，一段填料塔的稳定操作是影响干燥质量的关键因素，特别是出塔氯气温度 20与 30时质量分数为 75%的硫酸表面的水蒸气分压相差一倍，这也是一段干燥塔选用填料塔而不用板式塔的原因。大量的循环酸容易控制温度，在一段干燥塔中热效应并不十分大，以 80kt/a 装置能力为例，热
26、负荷为 12000kcal/h9。二段干燥选用泡罩+填料组合塔，因为二段干燥塔要有足够的塔板数保证干燥质量，且泡罩塔有较好的操作弹性，工艺要求氯气处理工序具有较大的操作弹性；通过泡罩塔调节后在在下段填料塔强化吸收，以达到最优的干燥效果，最终的氯气出塔温度为 20，含水量在 30ppm。干燥过程中采用微负压操作，操作压力-10kPa。对于硫酸浓度与塔操作温度的控制也有要求，硫酸溶液的浓度在 85%，温度在 7.9就会产生 H2SO4 2H2O；H 2SO4 H2O 的结晶，使管道、设备发生结晶体的堵塞，因此硫酸溶液的冷却温度以 10为好。而在冬季浓度为 98%的四川理工学院本科毕业设计 第二章
27、工艺流程- 9 -浓硫酸很容易结冰，可以采用浓度为 93%的硫酸溶液或者采取伴热措施。硫酸溶液的结晶温度约束见表 2-2。表 2-2 硫酸溶液的结晶温度表硫酸浓度（） 结晶温度（） 结晶体70 -42 H2SO4 2H2O74 -40 H2SO4 2H2O75 -41 H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O76 -28.1 H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O80 -3 H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O85 +7.9 H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O90 -10.2 H2SO4 2H2O95 -21.8 H2SO4 98 +0.1 H2SO4由于在硫酸干燥脱水工艺中氯气流
28、与硫酸是呈湍流状态进行接触传质的，硫酸液滴也是呈“ 雾沫状态 ”挟带于气流之中，必须在除雾净化工序中予以除去，这对采用“氯气离心式压缩机组” 进行氯气压缩输送工艺来说尤为重要。因为要确保在压缩机的流体通道内不结垢、流体通道畅通，使输送气量不受影响是十分重要的。故氯气在进入压缩机之前先采用酸雾捕集器进行酸雾吸收。2.2.3 压缩部分氯气的压缩输送方式是很多的，可以采用离心式鼓风机、 “液环式” 压缩机、往复式压缩机、螺杆式压缩机以及离心式压缩机等；本设计中采用离心压缩机输送。氯气离心式压缩机是适用于氯气大流量、中低排出压力场合下，高效实用的压缩机。经过处理净化后的气相氯气中所含水分已经低于 10
29、0ppm、不含酸雾，完全适用于氯气的压缩输送之用 10。一级压缩进口氯气压力表压-10kPa，即经过处理净化后的氯气压力大于0.093MPa，被抽吸进入离心式压缩机的一级进口，经过叶轮压缩以后，气相的温度上升同时静压能增高，被引出进入级间冷却器，将氯气温度冷却至常温。然后再次被抽吸进入第二级进口，经过叶轮压缩以后，气相的温度上升同时静压能再次增高，被引出进入级间冷却器，将氯气温度冷却至常温。如此经过几段压缩，直至气相出口排出压力达到设计要求，本设计中要求压缩出口氯气压力为 0.35MPa。四川理工学院本科毕业设计 第三章 工艺计算- 10 -第三章 工艺计算本设计采用直接与间接冷却相结合，二段
30、复合干燥的工艺处理氯气。本流程为连续生产过程，涉及到的物料主要有电解湿氯气、氯水、93%硫酸以及钛冷却器用的冷冻水等，输入整个生产系统的能量主要有电能、介质带入的能量和进入物料的焓，输出的能量有冷却剂带走的能量和输出物料的焓。3.1 物料衡算 系统的物料衡算以质量守恒为理论基础，研究某一系统内进出物料量及组成的变化，即： 系统累计的质量=输入系统的质量 - 输出系统的质量+反应生成的质量 - 反应消耗的质量 假设系统无泄漏，有:dF/dt=FIN-FOUT+CR-CR当系统无化学反应发生时，有:dF/dt=FIN-FOUT在稳定状态下，有： dF/dt=FIN-FOUT=0，F IN=FOUT
31、注：FIN进入系统的物料流率； FOUT流出系统的物料流率； CR反应产生物料速率； CR反应消耗物料速率。通过对系统整体以及部分主要单元的详细物料衡算，得到主、副产品的产量，原料的消耗量， “三废 ”的排放量以及最后产品的质量指标等关键经济技术指标，对所选工艺路线、设计流程进行定量评述，为后阶段的设计提供依据。该系统中氯水冷却器、硫酸冷却器以及透平机等设备物料均为一进一出，假设系统无泄漏，故不需对这些设备进行物料衡算；只需对塔设备与其他多进多出的设备进行物料衡算。酸雾捕集器、水雾捕集器的除雾过程为等温除雾，它主要的目的就是除去混合气中少量的水雾酸雾与盐沫，减少混合气体中水雾（酸雾与盐沫）的夹
32、带。在计算中，按理想状态下，忽略了混合气体中夹带的少量泡沫和水雾，经过冷却器出来的各组分全部以气体的形式存在，则物流经过除雾器后可忽略各组分的微小变化。四川理工学院本科毕业设计 第三章 工艺计算- 11 -根据气体溶解度可知：氯气中的不凝性气体， （以空气代替）在混合气中含量较少，并且在水中的溶解度非常小，即可将这些气体的含量视为常数,则进出系统前后不凝性气体视为量不变。为了计算的简洁和方便，按理想化状态，忽略了气体中夹带的少量液态水雾和泡沫。混合物各组分进行编号：Cl2a； H2Ob； AIR(不凝性气体) c ；生产在 10-20mm H2O 微负压下操作，但是对于常压 10.33m H2
33、O 而言，可忽略不计，认为系统是在常压下操作。以表 1-1 中湿氯气组成为设计数据来源，本设计为 80kt/a 烧碱装置，按年生产时间 8000h 计算，则进入洗涤塔前的混合湿氯气物料总量：n 总 =302kmol/h其中nCl2=124.6 kmol/h nH2O=172.2 kmol/h nAIR=5.2 kmol/h3.1.1 洗涤塔至水雾捕集器前将洗涤塔至水雾捕集器前的整个系统看做一个整体进行物料衡算，冷却器的冷物流走壳程，不参与物流交换，则输入该系统的物料只有来自电解槽的90湿氯气 F0，输出该系统的物料有氯水箱外排氯水 F1、冷却器出料 F7，如图3-1。冷盐水 F5 F7 F8电
34、解气 F0 98%酸F3 F6 冷盐水F2 F1 外排氯水图 3-1 洗涤塔至水雾捕集器前的物料衡算系统对该系统混合物各组分进行物料衡算：FIN=FOUT由于该系统无化学反应发生，则：ni 入 =ni 出Cl2: n0,a=n1,a+n7,a 即 124.6 kmol/h = n1,a+n7,a H2O: n0,b=n1,b+n7,b 即 172.2 kmol/h = n1,b+n7,b 水雾捕集器电解槽洗涤塔氯水箱冷却器四川理工学院本科毕业设计 第三章 工艺计算- 12 -AIR（不凝性气体）: n0,c=n7,c=5.2 kmol/h 查饱和蒸汽压表可知：T=15 时，水的饱和蒸汽压为：P
35、s=1.7053kPa.由道尔顿分压定律得： = ，即 =Ppsibn,8 325.1072.5,8,ban表 3-1 氯气的溶解度数据S/g 1.46 0.980 0.716 0.562 0.451 0.386 0.324 0.274 0.219 0.125t/ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90查表 3-1 可知：T=65时，氯气的溶解度S= =0.299g/100gH2O.274.3.则 = 0.18/9.ban,1解方程可得：n1,a=0.10 kmol/h, n1,b=131.20 kmol/h,n7,a=124.50kmol/h, n7,b=41.01 kmo
36、l/h在前面的理想假设中忽略了不凝性气体的溶解度，所以在 F1 中不存在这些组分的含量,全部在 F7 中. 则洗涤塔至湿氯除雾器总的物料衡算数据如表 3-2。表 3-2 洗涤塔至水雾捕集器物料平衡表输入（F0） 输出（F1、F7）组分 质量 kg/h 组分 质量 kg/hCl2H2O124.670.91=8835.38172.218.02=3103.04Cl2H2O(0.10+124.50)70.91=8835.38(131.20+41.00)18.02=3103.04AIR 5.229=150.8 AIR 5.229=150.8总计 12089.22 总计 12089.22从物料计算数据中可
37、见，水的饱和蒸汽压与温度是成正比关系的，冷却后的温度越低，含水量就越少，含水量少对氯气干燥越有利，同时对降低硫酸消耗量也有利。但温度不能过低，当低于 9.6时，氯气和水形成 Cl2.8H2O 水合结晶，导致管道堵塞，温度控制指标范围为：1218。四川理工学院本科毕业设计 第三章 工艺计算- 13 -3.1.2 钛列管冷却器在氯碱工业中，冷却器是不可缺少的设备，冷却器的主要作用是降低混合气的温度，即可降低水蒸气的饱和蒸汽压，使水蒸气形成液态水排除出，本设计中钛列管冷却器热物流为来自洗涤塔直接降温后的 45湿氯气，冷物流选用8的冷冻盐水（NaCl 溶液） ，冷却后凝结的水分由管箱排液空排往氯水箱；
38、控制冷却器的出口温度为 15（指标范围 1218 ） ，不能过低，防止形成Cl2.8H2O 水合结晶，堵塞管道如图 3-2。F5（45） F7（15） F6（15）图 3-2 钛列管冷却器物料衡算 此设备混合物各组分的物料衡算： FIN=FOUT由于该系统无化学反应发生，则：ni 入 =ni 出Cl2: n5,a=n7,a+n6,a 即 n5,a=124.5004+n6,a H2O: n5,b=n7,b+n6,b 即 n5,b= 41.001+n6,b AIR : n5,c=n7,c=5.2查饱和蒸汽压表可知：T=45 时，水的饱和蒸汽压为：P s=9.5837kPa.由道尔顿分压定律得：=P
39、psinb,5即 = 32.108792.5,5ba查表 3-1 可知：T=15时,氯气的溶解度 S= =0.848g/100gH2O 2716.098.则 = 02.18/974.ban,6解方程可得： n5,a=124.51 kmol/h ； n5,b=9.70 kmol/h；冷却器四川理工学院本科毕业设计 第三章 工艺计算- 14 -n6,a=0.01 kmol/h； n6,b=31.30 kmol/h表 3-4 冷却器物料平衡表输入（ F5） 输出(F6、F7)组分 质量/（kg/h） 组分 质量/ （kg/h）Cl2H2O124.5170.91=8829.0441.0018.02=7
40、38.82Cl2H2O(0.01+124.50)70.91=8829.04(31.30+9.70)18.02=738.82AIR 5.229=150.8 AIR 5.229=150.8总计 9718.66 总计 9718.663.1.3 水雾捕集器水雾捕集过程为等温除雾，它主要的目的就是除去混合气中少量的水雾，减少混合气体中水雾的夹带，降低氯气中含水率；在计算中，按理想状态下，忽略了混合气体中夹带的少量泡沫和水雾，经过冷却器出来的各组分全部以气体的形式存在，则经过湿氯气水雾除雾器后可忽略各组分的微小变化，如图 3-3。F7(15)F8 (15)图 3-3 水雾除雾器物料衡算系统则湿氯除雾器的物
41、料衡算： FIN=FOUT由于该系统无化学反应发生，则：ni 入 =ni 出即： F7,i=F8,i ；Cl2: n7,a= n8,a=124.50 kmol/h；H2O: n7,b= n8,b=9.70 kmol/h；AIR : n7,c=n8,c=5.2 0kmol/h；水雾除雾器四川理工学院本科毕业设计 第三章 工艺计算- 15 -3.1.4 氯水箱氯水箱是为氯水洗涤塔提供循环氯水，并收集因为保持洗涤塔液位排出洗涤塔的循环氯水与冷却器冷凝下来的氯水。F 2 为洗涤塔排出氯水，F 3 为去往洗涤塔的循环氯水，F 6 为来自冷却器的冷凝氯水，如图 3-4。F2 F3F6F1图 3-4 氯水箱
42、物料衡算系统对该系统混合物各组分进行物料衡算：n i 入 =ni 出Cl2: n2,a+n6,a =n1,a+n3,a n2,a +0.01= 2.04+0.10 H2O: n2,b+n6,b =n1,b+n3,b n2,b +31.30= 131.20+2684.40 由方程得：n2,a=2.11 kmol/h；n 2,b=2802.29kmol/h表 3-5 氯水箱物料平衡表输入（F 2、F 6） 输出(F 1、F 3)组分 质量/（kg/h） 组分 质量/（kg/h）Cl2H2O(2.13+0.01）70.91=151.75(2802.29+13.30)18.02=50737.03Cl2
43、H2O(0.10+2.04)70.91=151.75(131.20+2684.40)18.02=50737.03总计 50888.78 总计 50888.783.1.5 洗涤塔以上的计算过程中进、出洗涤塔的各物料的数据都已求得，由表 3-6 可知，洗涤塔各物料守衡。表 3-6 洗涤塔物料平衡表输入(F 0、F 3) 输出(F 4、F 2)组分 质量/（kmol/h） 组分 物质的量/（kmol/h）Cl2H2O(124.6+2.04)70.91=8980.22(172.2+2684.40) 18.02=50659.47Cl2H2O(2.15+124.49)70.91=8980.22 (2802
44、.29+9.70)18.02=50659.47AIR 5.229=150.8 AIR 5.229=150.8总计 59790.49 总计 59790.49氯水箱四川理工学院本科毕业设计 第三章 工艺计算- 16 -3.1.6 干燥塔干燥塔是氯气处理工序的重要设备，干燥效果的好坏直接影响氯气的指标。在这里主要计算干燥塔上顶的出口物料组成，浓硫酸的质量消耗流量，稀硫酸的质量排放流量。F11 20 F15 18F12 F10 F10 F14F9 20 F13F8 15图 3-5 干燥部分物料衡算系统本设计中填料干燥塔浓硫酸的除水除水效率取 75%，忽略 Cl2 在 93%的浓硫酸中微量的溶解，即 n
45、8,a=n11,a= n15,a =124.50kmol/h.F11 中含水量 n11,b=（1-75%） n8,b=9.697（1-75%=2.4243 kmol/h本设计中 F15 中水含量取 30ppm，忽略 Cl2 在 93%的浓硫酸中微量的溶解，即 n8,a=n11,a= n15,a =124.50 kmol/h.则 iibM,15abn,15即 =30ppm0.249.78,b解得：n 15,b=0.0177 koml/h.一、一段干燥塔在一段填料干燥塔中，主要计算干燥塔上顶的出口 F11 物料组成，进料浓硫酸 F10 的质量消耗流量，出料稀硫酸 F9 的质量排放流量。忽略氯气在浓
46、硫酸中的溶解，各物料的衡算式 ni，入 =ni，出 ，Cl2: n8,a=n11,a=124.50kmol/hH2O: n8,b+n10,b=n9,b+n11,b 9. 70+n10,b= 2.4243 +n9,b AIR: 5.2 kmol/h在实际生产中，为防止冬季硫酸结冰，用 93%浓硫酸作为干燥剂，对湿氯气进行干燥，当硫酸降为 75%时进行外排。设 93%、75%的硫酸中纯硫酸物质的量为 N kmol/h.（分子量 M=98.07）填料塔组合塔四川理工学院本科毕业设计 第三章 工艺计算- 17 -则： 98.07N=93%（98.07N+18.02n 10,b） 98.07N=75%（
47、98.07N+18.02n 9,b） 解方程可得： N=5.1776, n10,b=2.1209, n9,b=9.3936则 93%硫酸的质量流量为：L1=NM(H2SO4)+M(H2O)n10,b=5.177698.07+18.022.1209=508.16 kg/h.75%硫酸的质量流量为：L2=NM(H2SO4)+M(H2O)n9,b=5.177698.07+18.029.3936=639.21 kg/h.表 3-7 一段填料干燥塔物料平衡表输入(F 8、F 10) 输出(F 9、F 11)组分 质量/（kg/h） 组分 质量/（kg/h）Cl2H2O124.5070.91=8828.32（9.70+2.12 ） 18.02=212.96Cl2H2O124.5070.91=8828.32（2.4243+9.39）18.02=212.96AIRH2SO45.229=150.85.177698.07=507.78AIRH2SO45.229=150.85.177698.07=507.78总计 9699.06 总计 9699.06知填料干燥塔浓硫酸的除水能力为：131.0550 kg/h ，除水效率 75
