(完整版)6萬噸隔膜法制燒堿中氫氣的處理工序初步設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

1、以下文檔格式全部為word格式，下載后您可以任意修改編輯。畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目：6萬噸年隔膜法制燒堿氫氣處理工序裝置的設(shè)計(jì)1畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及基本要求a、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：包括對(duì)給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。b、主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算：包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。c、典型輔助設(shè)備的選型和計(jì)算：包括典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備型號(hào)規(guī)格的選定。d、工藝流程簡(jiǎn)圖：以單線圖的形式繪制，標(biāo)出主要設(shè)備和輔助設(shè)備的物料流向、物流量、能流量和主要化工參數(shù)測(cè)量點(diǎn)。e、主要設(shè)備工藝條件圖：包括設(shè)備的主要工藝尺寸、技術(shù)特性表和接管表。f

2、 、編寫設(shè)計(jì)說明書：包括設(shè)計(jì)任務(wù)書、目錄、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介與評(píng)述、工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算、主要設(shè)備設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表、參考資料等內(nèi)容，并附工藝流程圖和主要設(shè)備結(jié)構(gòu)總裝圖。2指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明a、氯堿工藝b、化工原理課程設(shè)計(jì)c、物性手冊(cè)d、常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)e、化學(xué)工程手冊(cè)f 、化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)3進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱1文獻(xiàn)查閱2開題報(bào)告3設(shè)計(jì)工作4 提交設(shè)計(jì)（論文）初5答辯時(shí)間起止日期2008 年 3 月 16 日（第二周末）前完成2008 年 3 月 23 日（第三周末）前完成；開展初期教學(xué)檢查2008 年 3 月 26 日至 2007 年 5 月 25 日（第十二周末）完全結(jié)束；開展中

3、期教學(xué)檢查2008 年 6 月 1 日（第十三周末）2008 年 6 月 16 日 6 月 20 日（第十五周）目 錄1總論 .11.1概述 .11.1.2氯堿工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位.11.1.3氫氣處理的任務(wù)和方法 .21.2氫氣處理工藝流程確定 .22工藝計(jì)算.32.1氫氣處理工藝流程 .32.2計(jì)算依據(jù) .32.3工藝計(jì)算 .42.3.1電解飽和食鹽水 .42.3.2鹽水氫氣熱交換器 .42.3.3洗滌冷卻塔 .73主要設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 . .103.1 鹽水氫氣熱交換器 .103.1.1相關(guān)物性數(shù)據(jù)： .103.1.2平均密度，比熱容，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)3.1.3設(shè)計(jì)計(jì)算 .3.1.4總傳熱

4、系數(shù)的校核 .3.1.5核算壓強(qiáng)降 .3.1.6換熱器附件 .3.2水洗滌冷卻塔 .3.3氫氣輸送設(shè)備 .1117212425313.4水輸送泵 .313.5液封循環(huán)水池 .323.6氫氣緩沖罐 .324設(shè)計(jì)評(píng)述 .345參考文獻(xiàn) .346致謝 .357附圖 .361 總論1.1概述1.1.1氫氣氫氣 H2, 分子量 2.016 ，在常溫下為無色，無味，無臭的可燃?xì)怏w；密度在0； 760mmHg時(shí)為 0.08987gl ，沸點(diǎn)為 - 252.7 ；結(jié)晶溫度是- 259.1 ；對(duì)空氣之比重是 0.0695 ；在水中溶解度很小，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溶于水中之氫氣體積為 0.0215 。而在鎳、鈀和鉑內(nèi)的溶解

5、度很大， 1 體積能解幾百體積氫。氫氣是最輕的氣體，最常見的用途是充填氫氣球和氫氣飛艇。其實(shí)氫氣是重要的化工原料。如：氫氣和氮?dú)庠诟邷?、高壓、催化劑存在下可直接合成氨氣，目前，全世界生產(chǎn)的氫氣約有 23 用于合成氨工業(yè)。在石油工業(yè)上許多工藝過程需用氫氣，如加氫裂化，加氫精制、加氫脫硫、催化加氫等。氫氣在氯氣中燃燒生成氯化氫，用水吸收得到重要的化工原料鹽酸。氫氣在氧氣中燃燒的火焰氫氧焰可達(dá) 3000高溫，可用于熔融和切割金屬。氫氣和一氧化碳的合成氣，凈化后經(jīng)加壓和催化可以合成甲醇。在食品工業(yè)上，氫氣用于動(dòng)植物油脂的硬化，制人造奶油和脆化奶油等。在冶金工業(yè)中，利用氫氣的還原性提煉貴重金屬。氫氣還可

6、以提供防止氧化的還原氣氛。氫氣除用于合成氯化氫制取鹽酸和聚氯乙烯外，還用于煉鎢、生產(chǎn)多晶硅以及有機(jī)化合物的加氫等。隨著新技術(shù)的發(fā)展，氫氣的應(yīng)用將更為廣泛和重要。氫氣是最理想的無污染燃料，液氫還有希望成為動(dòng)力火箭的推進(jìn)劑。1.1.2 氯堿工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的地位近年來，氯堿工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步體現(xiàn)在鹽水精制、電解過程、固堿生產(chǎn)、氯氫處理、自動(dòng)控制等生產(chǎn)全過程，新技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)著氯堿工業(yè)不斷發(fā)展。燒堿是主要的化工原料之一，它廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)個(gè)部門，如果用于紡織印染工業(yè)，處理棉麻，蠶絲，化學(xué)纖維等；用于造紙工業(yè)，處理木材等纖維；用于肥皂工業(yè)，進(jìn)行油脂皂化等；還有作精煉油及金屬鉛，作干燥劑或作化工生產(chǎn)的原料及

7、醫(yī)藥工業(yè)等方面的用途。燒堿分為液體燒堿和固體燒堿，燒堿的化學(xué)性質(zhì)很活潑，能與酸強(qiáng)烈反應(yīng)生成鹽和水，并放出大量熱，燒堿的腐蝕性很強(qiáng)，特別在高濃度和高溫時(shí)，對(duì)鋼鐵有嚴(yán)重腐蝕作用。固堿一般為白色固體。暴露在空氣中易吸收水分而潮解，濕潤(rùn)固堿對(duì)生物有侵蝕作用。固堿易溶于水，并產(chǎn)生大量的熱，亦能溶于醇類，但不溶于丙酮。由于它吸水性強(qiáng)，可用作干燥劑。食鹽電解聯(lián)產(chǎn)的燒堿、氯氣、氫氣，在國民經(jīng)濟(jì)的所有部門均很需要，除應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)本身外，有輕工、紡織、石油化工、有色金屬冶煉和公用事業(yè)等方面均有很大用途，作為基本化工原料的“三酸二堿”中，鹽酸燒堿就占了其中兩種，而且氫氣還可進(jìn)一步加工成許多化工產(chǎn)品。所以氯堿工業(yè)及

8、相關(guān)產(chǎn)品幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)及人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。1.1.3 氫氣處理的任務(wù)和方法從電解槽出來的氫氣 , 其溫度稍低于電解槽槽溫 , 并含有飽和水蒸汽 , 同時(shí)還帶有鹽和堿的霧沫 . 所以在生產(chǎn)過程中應(yīng)進(jìn)行冷卻和洗滌 , 冷卻后的氫氣有氫氣壓縮機(jī)壓縮到一定壓力后經(jīng)氫氣分配站送到氫氣柜及用氫部門。1.2 氫氣處理工藝流程確定電解槽陰極出來的90氫氣，含有水蒸汽，鹽，堿霧沫，少量氯氣等其他雜質(zhì)，一般采用間接和直接法除去，達(dá)到要求。鑒于本次設(shè)計(jì)中部充分考慮熱綜合利用，故采用直接法工藝，以簡(jiǎn)化流程和投資。其選擇流程為電解來的氫氣經(jīng)過氣體緩沖罐后，進(jìn)入鹽水氫氣熱交換器，預(yù)熱鹽水，熱量回收后，鹽水溫度上升

9、10，去電解槽電解。這樣既節(jié)約氫氣冷卻所需耗用的水量，有減少了鹽水提高到進(jìn)電解槽溫度所需的蒸汽消耗。由鹽水氫氣熱交換器出來的氫氣（約50）進(jìn)入洗滌填料塔，經(jīng)洗滌冷卻至冷卻至30，氫氣中大部分固體雜質(zhì)及蒸汽冷凝水被冷卻水帶走排入熱水池，而氫氣則從塔頂出來進(jìn)入羅茨鼓風(fēng)機(jī)（氫氣壓縮機(jī)），抽送至用戶。公用系統(tǒng)來自工業(yè)水，經(jīng)與氫氣換熱后進(jìn)入水池，再用泵抽吸返回公用系統(tǒng)制冷后，再次循環(huán)使用。既節(jié)約用水又避免工業(yè)上水帶入大量鈣鎂與氫氣帶來的堿反應(yīng)，使生成的氫氧化鈣和氫氧化鎂沉淀堵塞填料。2 工藝計(jì)算2.1 氫氣處理工藝流程氫氣處理工藝流程圖見下，據(jù)此進(jìn)行物料衡算和熱量衡算：鹽水水濕氫氣鹽水水洗除緩換滌霧沖熱

10、塔器罐器鹽水羅茨鼓風(fēng)機(jī)水圖 2-1氫氣處理工藝流程圖電解來的氫氣經(jīng)過氣體緩沖罐后，進(jìn)入鹽水氫氣熱交換器，預(yù)熱鹽水，熱量回收后，鹽水溫度上升10，去電解槽電解。這樣既節(jié)約氫氣冷卻所需耗用的水量，有減少了鹽水提高到進(jìn)電解槽溫度所需的蒸汽消耗。由鹽水氫氣熱交換器出來的氫氣（約50）進(jìn)入洗滌填料塔，經(jīng)洗滌冷卻至冷卻至30，氫氣中大部分固體雜質(zhì)及蒸汽冷凝水被冷卻水帶走排入熱水池，而氫氣則從塔頂出來進(jìn)入羅茨鼓風(fēng)機(jī)（氫氣壓縮機(jī)），抽送至用戶。2.2 計(jì)算依據(jù)1計(jì)算基準(zhǔn)以 1000kg 100%NaOH產(chǎn)氫量做計(jì)算基準(zhǔn)2操作壓力一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（ 1 atm=101.33 kpa ）3操作溫度管道鹽水氫氣熱交換

11、器洗滌冷卻器用氫部門908050304氫氣純度大于等于 98%5年操作時(shí)間330 天=30024 小時(shí) =7928 小時(shí)6年產(chǎn)量6 萬噸燒堿 100%產(chǎn)氫7相關(guān)物性數(shù)據(jù)表 2-1不同溫度下的物料的物性數(shù)據(jù)溫度物料項(xiàng)目80503025Cp濕氫氣（）14.456 14.427 14.375 KJKgkCp空氣1.009 1.005 1.005 KJKg水蒸汽2642.3 2587.4 2549.3 KJKg水飽和蒸汽KPa47.39712.3404.2474壓水（液） 209.30 125.69 104.795 KJKg2.3 工藝計(jì)算2.3.1 電解飽和食鹽水電解槽中的電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)陽極反應(yīng)：

12、6ClO3H 2O 6e 2ClO 3 4Cl6H3O22陰極反應(yīng)：2.3.2 鹽水氫氣熱交換器1計(jì)算依據(jù)（1）濕氫氣從電解槽陰極出來，溫度稍低于電解槽溫度，大致為90，在管道中輸送至本工段時(shí)，由于管道的熱損失，溫度大致為80。（2）設(shè)鹽水溫度2030濕氫氣溫度8050（3）假定出口壓力為100.34 Kpa忽略在水中的溶解。2物料衡算（ 1）設(shè)換熱器中濕氫氣冷凝水量為 L ，由道爾頓分壓定律列出方程：解得： =172.80 Kg則出塔氣體組成氫氣：12.5 kmol（ 25kg）水汽：1.79 kmol（.80=32.20kg）不凝氣體： 0.255 kmol(7.39kg) （不凝氣體以空

13、氣的物性數(shù)據(jù)來計(jì)算）（ 2）物料衡算表a以 1000kg100%NaOH 產(chǎn)氫作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)表 2-2鹽水氫氣熱交換器物料衡算表名稱進(jìn)鹽水氫氣熱交換（kg）出鹽水氫氣熱交換器（kg）氫氣2525水汽20532.20不凝氣體7 397 39水0172.80總計(jì)237 39237 39b.總物料衡算以年產(chǎn)量 6 萬噸燒堿 100% 產(chǎn)氫作為計(jì)算基準(zhǔn)表 2-3 鹽水氫氣熱交換器總物料衡算表名稱進(jìn)鹽水氫氣熱交換（kg）出鹽水氫氣熱交換器（kg）氫氣水汽不凝氣體443400443400水0總計(jì)3. 熱量衡算（ 1） 入換熱器濕氫氣帶入熱量：氫氣：=mCp=25 14.456 80=28912 kJ不凝氣體

14、：=mCp=7.39 1.009 80=597 KJ水蒸氣：=m=205 2642.3=541672 KJ（ 2） 出換熱器濕氫氣帶出熱量：氫氣：= mCp=2514.42750=18034 KJ空氣：= mCp=7.391.005 50=371 KJ水蒸氣：= m=32.20 2587.4=83314 KJ冷凝水：= m=172.80 209.30=36167 KJ（3） 鹽水帶出熱量：設(shè)鹽水量為 kg,溫度 20，出塔溫度為 30，（此鹽水溫度以春季鹽水溫度作為計(jì)算基準(zhǔn)）查氯堿工藝學(xué)【 1】得：2030Cp （KJKg K ）3.423.45進(jìn)口鹽水：=3.42 20=68.4出口鹽水：=

15、3.45 30=103.5（ 4） 忽略熱損失：則 = + = +28912+597+541672+68.4=18034+371+83314+36167+103.5 =12344.58 kg即：進(jìn)入系統(tǒng)水量為：12344.58 kg ,出系統(tǒng)冷卻水量為： 12344.58 kg冷卻水帶入熱量：=3.42 20=68.4=68.4 12344.58=844369 kJ冷卻水帶出熱量：=3.45 30=103.5=103.5 12344.58= kJ（ 5） 熱量衡算表表 2-4鹽水氫氣熱交換器熱量衡算表物料輸入輸出數(shù)量 kg熱量 kJ數(shù)量 kg熱量 kJ氫氣25286122518034不凝氣體7

16、.395977.39371水蒸氣20554167232.2083314鹽水12344.5884436912344.58冷凝水00172.836167合計(jì)12581.9712581.972.3.3 洗滌冷卻塔1計(jì)算依據(jù)（ 1） 電解氫氣從鹽水氫氣換熱器中出來，達(dá)到系統(tǒng)要求溫度，進(jìn)入本工段氫氣溫度為 50，經(jīng)本工段洗滌冷卻溫度從 50降至 30。（ 2）設(shè)鹽水溫度2530濕氫氣溫度5030（ 3）假定出口壓力為 98.2474 kPa氫氣純度 98% 忽略在水中的溶解2物料衡算（ 1）洗滌冷卻塔濕氫氣出口溫度為30，則冷凝水量為 ,同理，由道爾頓分壓定律列出方程：=解得： =21.83 kg則出塔

17、氣體組成：氫氣：12.5 kmol(25kg)不凝氣體：0.255 kmol(7.39kg)水蒸汽：0.576 kmol(32.20-22.83=10.37kg)冷凝水：1.213 kmol（ 21.83kg）（ 2） 出塔氣體中氫的含量：12.5100%93.76%12.50.5760.255干氣體中氫的百分?jǐn)?shù)：98%（ 3） 物料衡算表a.以 1000kg100%NaOH 產(chǎn)氫作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)表 2-5 洗滌冷卻塔物料衡算表名稱進(jìn)洗滌冷卻塔（ kg）出洗滌冷卻塔（ kg）氫氣2525不凝氣體7 397 39水蒸汽32.2010.37冷凝水021.83合計(jì)64.5964.59b.總物料衡算以年產(chǎn)

18、量 6 萬噸燒堿 100% 產(chǎn)氫作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)表 2-6洗滌冷卻塔總物料衡算表名稱進(jìn)洗滌冷卻塔（ kg ）出洗滌冷卻塔（ kg）氫氣不凝氣體443400443400水蒸汽622200冷凝水0合計(jì)3熱量衡算（1）濕氫氣進(jìn)口熱量：忽略管道熱損失，與上一工段出口熱量相同故氫氣：=18034 kJ不凝氣體：=371 kJ水蒸氣：=83314 kJ（ 2）濕氫氣出口熱量氫氣：= mCp=2514.37530=10781 KJ空氣：= mCp=7.391.005 30=223 KJ水蒸氣：= m=10.37 2549.3=26436 KJ（ 3） 冷卻水帶出熱量設(shè)進(jìn)入系統(tǒng)冷卻水量為kg ,溫度 25，出塔溫

19、度 30，則 出塔水量+=+21.83 kg入塔水帶入熱量：= m=104.795出塔水帶出熱量：= m=125.69（+21.83）（ 4） 忽略熱損失則Q進(jìn)=Q出+=+18034+371+83314+104.795=10781+223+26436+125.69（+21.83）解得： =2944.96 kg故入塔冷卻水量2944.96 kg ,出塔冷卻水量為：2944.96+21.83=2966.79 kg入塔冷卻水帶入熱量：=104.795=2944.96 104.795=308617 kJ出塔冷卻水帶出熱量：=125.69（+21.83）=2966.79=372896 kJ（ 5）熱量衡

20、算表表 2-7洗滌冷卻塔熱量衡算表物料名稱輸入輸出數(shù)量 kg熱量 kJ數(shù)量 kg熱量 kJ氫氣25180342510781不凝氣體7.393717.39223水蒸氣32.208331410.3726436冷凝水0021.832744冷卻水2944.963086172944.96371052合計(jì)3009.554103363009.554103363 主要設(shè)備設(shè)計(jì)及選型3.1 鹽水氫氣熱交換器3.1.1 相關(guān)物性數(shù)據(jù)：熱流體定性溫度：=65冷流體定性溫度：=25表 3-1定性溫度下相關(guān)物性數(shù)據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)物料名稱密度 kg比熱容 kJkgk黏度 Pasw(m )氫氣0.069814.389.66 0.

21、0206空氣1.04451.0752.032 0.02931水蒸氣0.16111.8951120.0218鹽水11863.2921.90 0.5883.1.2 平均密度，比熱容，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)（ 1）進(jìn)口總摩爾量：=+=12.5+0.255+11.37kmol=24.125kmol（ 2）出口總摩爾量：=+=12.5+0.255+1.79kmol=14.545kmol故=0.518=0.859=0.010=0.018=0.472=0.123（ 3）平均摩爾質(zhì)量=0.68=0.014=0.2975（ 4）平均密度=0.6885 0.0698+0.014 1.0445+0.1611 0.2975=

22、0.1106 kg（ 5）比熱容=0.6885 14.38+0.014 1.075+0.2975 1.895=10.47944 kJkgk（ 6）黏度=1119.6610 50.68852 22.03210 50.01429 211210 50.297518 21110.68852 20.01429 20.297518 2=65.2991 Pas（ 7）導(dǎo)熱系數(shù)=1110.02060.68852 30.029310.0142930.02180.297518 3=1110.6885230.01429 30.297518 3=0.021375 w(m)3.1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算（ 1）計(jì)算依據(jù)：由氯堿工

23、業(yè)理化常數(shù)手冊(cè) 3中查知，鹽水氫氣換熱器的總傳熱系數(shù)范圍在200 500 kcal(m2?,效率以 80% 計(jì)，則氫氣輸送設(shè)備能力應(yīng)為58 m3min。選用 TR 系列雙級(jí)羅茨鼓風(fēng)機(jī)，流量范圍2.61207m3min,升壓 9.8 196Kpa.3.4 水輸送泵循環(huán)水池送出水量為 22.43m3(實(shí)際以管路實(shí)際阻力而定 )，則從化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè) 7 P1-72 查知， 150F-35 型耐腐蝕離心泵參數(shù)為：流量： 234m3,電機(jī)功率 30KW ，軸功率 25.2KW.鑒于在電解來的氫氣中含一定量的堿霧，在洗滌后，使循環(huán)水顯堿性，故選擇防腐蝕泵150F-35 型泵兩臺(tái)，開一備一。3.5 液封循

24、環(huán)水池按設(shè)計(jì)規(guī)范要求，換熱器與洗滌塔間距為1.5m,以四周墻體間距為0.8m,則，液封循環(huán)水池長(zhǎng)：0.8 2+3.6+3.0+1.5=9.7 m圓 整 為10m, 即 將 洗 滌 塔 間 距 由1.5m 延 長(zhǎng) 至1.8m ， 寬0.8 2+3.6=5.2m深即高，以 1 小時(shí)水量為基準(zhǔn)，則：H=0.4 m圓整為 1m即， 循環(huán)水池規(guī)格為10000520010003.6 氫氣緩沖罐以出塔氣體為基準(zhǔn)，則體積 V=0.73m 3s 查化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì) 【 8】 可知：圓整后設(shè)備規(guī)格為： 1500 19004 設(shè)計(jì)評(píng)述本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是 6 萬噸隔膜法制燒堿中氫氣的處理工序初步設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的主要意

25、義在于，通過主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算以及輔助設(shè)備的選型和計(jì)算，找出一種最有效的處理氫氣的方法，提高燒堿的產(chǎn)率，從而最大限度的利用氫氣合成其他產(chǎn)品。或者作為一種能源使用。在本次設(shè)計(jì)中，首先對(duì)氫氣做了物料衡算和熱量衡算，并分別選取了一定的計(jì)算基準(zhǔn)，以方便計(jì)算，由于從電解槽出來的氫氣，含有飽和水蒸氣同時(shí)還帶有鹽和堿的霧沫，所以在生產(chǎn)過程中先進(jìn)行冷卻和洗滌，冷卻后的氫氣經(jīng)氫氣壓縮機(jī)壓縮到一定壓力后經(jīng)氫氣分配站送到氫氣柜及用氫部門。因此本次設(shè)計(jì)應(yīng)用到了換熱器和冷卻塔。其選型分別參照了換熱器設(shè)計(jì)和塔設(shè)備設(shè)計(jì) 。由于氫氣中混有部分其他氣體會(huì)爆炸，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不可避免的要考慮到氫氣的純度問題，對(duì)氫氣的指標(biāo)進(jìn)行一定的分析。并