年產(chǎn)5萬噸燒堿工藝流程初步設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計年產(chǎn)5萬噸燒堿的氫處理工序初步設(shè)計系 部 生物與化工工程系 專 業(yè) 名 稱 化學(xué)工程與工藝 班 級 化 工 1071 班 姓 名 徐 雪 梅 學(xué) 號 200711797 指 導(dǎo) 教 師 何 愛 江 2009年9月23日畢業(yè)設(shè)計選題報告年產(chǎn)5萬噸燒堿的氫處理工序初步設(shè)計設(shè)計畢業(yè)設(shè)計成績評定表（一）年產(chǎn)5萬噸燒堿的氫處理工序初步設(shè)計畢業(yè)設(shè)計成績評定表（二）年產(chǎn)5萬噸燒堿的氫處理工序初步設(shè)計畢業(yè)設(shè)計答辯記錄表年產(chǎn)5萬噸燒堿的氫處理工序初步設(shè)計目錄1概述11.1燒堿生產(chǎn)的氫氣處理方法簡介11.2氫氣的性質(zhì)及其用途1物理性質(zhì)1化學(xué)性質(zhì)1氫氣的用途11.3氫氣處理的目的21.4氫氣處理的工藝流程2

2、1.5氫氣處理工藝流程簡圖21.6氫氣處理中的工藝指標(biāo)32工藝計算32.1一段洗滌塔的物料衡算13一段洗滌塔的物料衡算基準(zhǔn)3一段洗滌塔的出槽氫氣（80）中的水汽含量3一段洗滌塔的物料衡算計算42.2一段洗滌塔熱量衡算5入塔氣體帶入熱量6冷卻水帶出熱量6出塔氣體帶出熱量6一段洗滌塔的熱量守恒的計算6一段洗滌塔熱量衡算表72.3二段洗滌塔的物料衡算7物料衡算的計算依據(jù)7物料衡算的計算72.4二段洗滌塔的熱量衡算8二段進(jìn)塔氣體熱量的計算8冷卻水帶出熱量的計算9二段出塔氣體熱量的計算9二段洗滌塔的熱量守恒的計算9二段洗滌塔熱量衡算表92.5其他氣體中氫氣含量的計算102.6干氣體中氫氣的百分?jǐn)?shù)103主

3、要設(shè)備的工藝計算103.1一段洗滌塔的相關(guān)計算10一段洗滌塔氣體流量的計算10一段洗滌塔冷卻水噴淋量及管徑的計算11一段洗滌塔塔徑的計算12一段洗滌塔塔高度的確定14噴嘴輸送的確定14一段洗滌塔管徑的計算153.2二段洗滌塔的相關(guān)計算15二段洗滌塔進(jìn)塔氣體和出塔氣體流量的計算15二段洗滌塔冷卻水噴淋量及管徑的計算15二段洗滌塔塔徑的計算16二段洗滌塔高度的確定18二段洗滌塔噴嘴數(shù)的確定18二段洗滌塔氣體進(jìn)口管徑和出口管徑的計算193.3氫氣緩沖罐的計算193.4主要設(shè)備一覽表20致謝21參考文獻(xiàn)221概述1.1燒堿生產(chǎn)的氫氣處理方法簡介目前燒堿生產(chǎn)方式主要采?。核y電解法 、隔膜電解法、苛化法

4、、離子膜法三種方法制燒堿。我國主要采取隔膜電解法和離子膜電解法。在這次年產(chǎn)五萬噸燒堿氫處理工序初步設(shè)計中我采取的是隔膜法制燒堿的氫氣處理方法。隔膜法電解總反應(yīng)方程式：2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H21.2氫氣的性質(zhì)及其用途物理性質(zhì)760mmHg時為0.08987g/l，沸點為-252.7；結(jié)晶溫度是-259.1；與空氣之比重是0.0695或；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)的溶解度很大，一體積能解幾百體積氫。氫氣的爆炸上限和下限分別為74.2%和4.1%(體積分?jǐn)?shù))氫氣除用于合成氯化氫制取鹽酸和聚氯乙烯外，另一大用途時植物油加氫生產(chǎn)硬

5、化油。此外還用于煉鎢、生產(chǎn)多晶硅以及有機化合物的加氫等。化學(xué)性質(zhì)（1）氫氣具有可燃性，當(dāng)它不純凈時燃燒反應(yīng)發(fā)生爆炸；但是其純度很高時能在空氣里安靜的燃燒。（2）氫氣具有還原性，它能與某些金屬氧化物反應(yīng)使金屬還原。（3）氫氣具有穩(wěn)定性，氫氣在常溫下的化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的。氫氣的用途（1）氫氣可以用于焊接或切割金屬，熔化熔點很高的石英和加工石英制品。因為它在純氧中燃燒的火焰（氫氧焰）可達(dá)3000，可以使許多金屬熔化。（2）氫氣可以產(chǎn)生氫氧焰、制氫氧電池，可以填充氣球、冶煉金屬鎢和鉬。氫用于合成甲醇，合成人工石油等。（3）氫還是一種理想的燃料氫氣的燃燒產(chǎn)物是水且污染少。液態(tài)的氫是一種高能燃料，可供發(fā)射火

6、箭、宇宙飛船、導(dǎo)彈等使用。氫氣做為燃料具有很好的發(fā)展前途。同時氫氣也是重要的化工原料。綜上所述：由以上敘述可以看出燒堿生產(chǎn)中所產(chǎn)生的氫氣具有很高的回收價值，并且氫氣處理工序較為簡單，投資費用不高，高純度的氫氣可以供多種行業(yè)使用。因此須對制燒堿中的氫氣進(jìn)行處理。1.3氫氣處理的目的在電解過程中，H2是以鼓泡的形式出來的，所以其帶有較高的溫度和部分雜質(zhì)。（1）其帶有大量的水蒸氣，溫度越高，在蒸汽中的飽和水蒸氣量越大，會影響氫氣的純度。表1-1 飽和水蒸氣表（按溫度排列）溫度 90807060504030飽和水氣焓（kal/kgf）635.3631.1626.8622.5618.0613.5608.

7、9（2）氫氣中還帶有NaOH 、NaCl。因為氫氣是從電解液中出來的，不可避免的就帶有NaOH、NaCl等鹽類雜質(zhì)這些雜質(zhì)必須除去。（3）從電解槽中以鼓泡的形式出來的氫氣溫度太高（一般在8090），必須進(jìn)行降溫，否則會影響后續(xù)的加工工藝要求。所以氫氣主要通過冷卻水洗滌的處理方式達(dá)到降低氫氣溫度除去水分，洗去NaOH、NaCl等水溶性雜質(zhì)的目的以提高氫氣的純度和利用價值。1.4氫氣處理的工藝流程 電解出來的飽和濕氫氣中含有大量的水和其他氣體，一般采用間接法和直接法除去以達(dá)到工藝要求。由于在本次設(shè)計中不充分考慮熱綜合利用，所以采用直接法進(jìn)行氫氣的處理，可以簡化工藝流程，節(jié)約投資費用。它是由電解槽中

8、出來的氫氣經(jīng)氫氣緩沖罐后進(jìn)入一段洗滌塔洗去一部分的雜質(zhì)及使氫氣冷卻至50后在經(jīng)二段洗滌塔除雜質(zhì)及冷卻至30，之后再經(jīng)過絲網(wǎng)除霧器除去鹽和堿的霧沫后，用羅茨鼓風(fēng)機抽送至分配臺進(jìn)行下一階段的分配。1.5氫氣處理工藝流程簡圖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： 1.6氫氣處理中的工藝指標(biāo)（1）氫氣純度指標(biāo)：98（2）冷卻水溫度；252工藝計算2.1一段洗滌塔的物料衡算1一段洗滌塔的物料衡算基準(zhǔn)（1）以生產(chǎn)5萬噸100NaOH為基準(zhǔn)有化學(xué)方程式：2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2 + Cl2 2×40 2 5 ×107 m計算可得： m=0.125&

9、#215;107（Kg）m生產(chǎn)5萬噸燒堿的H2的質(zhì)量（2）經(jīng)處理后的氫氣純度為98。（3）出電解槽后的氫氣溫度按80計算。（4）查相關(guān)數(shù)據(jù)得：進(jìn)入冷卻塔的氫氣溫度為80是飽和水蒸氣分壓為0.483Kgf/cm2，為50時飽和水蒸氣分壓為0.1258 Kgf/cm2，為30時飽和水蒸氣分為0.0433 Kgf/cm2（5）由于氫氣在水中的溶解度很小，故氫氣在水的溶解度忽略不計。（6）飽和水蒸氣含量及水量計算：按道爾頓分壓定律計。一段洗滌塔的出槽氫氣（80）中的水汽含量設(shè)出槽氫氣（80）中的水汽含量為X；據(jù)道爾頓分壓定律1：得則出槽氣體組成：氫氣：0.625×106Kmol 0.125&

10、#215;107Kg水汽：0.594×106Kmol 1.07×107Kg其他氣體：12755Kmol 369895Kg2.1.3一段洗滌塔的物料衡算計算（1）據(jù)公式：n=得=0.625×106(Kmol ) 其他氣體組成：（kmol）（2）根據(jù)道爾頓分壓定律計算水量：設(shè)管路中（由80降至50）的冷凝水量為W這時氣體中水的分子為：（1.07×107-W）/18氣體的分子總數(shù)為：據(jù)道爾頓分壓定律7：則出他氣體組成：氫氣：0.625×106（kmol） （1.25×106 Kg）水氣：0.102×106（kmol） （1.07&

11、#215;107-8.86×106=1.84 ×106 Kg）其他氣體：12755（kmol）（12755×29=369895 Kg）表2-1 第一段洗滌塔總物料衡算表名稱進(jìn)一段洗滌冷卻塔（kg）出一段洗滌冷卻塔（kg）氫氣1.25×1061.25×106水汽1.07×1071.84×106其他氣體369895369895氫氣冷凝水量8.86×106年產(chǎn)5萬噸100%燒堿氫氣處理中氫氣：0.625×106（kmol）一段進(jìn)塔氫氣中含水汽含量：0.594×106（kmol）一段出塔氫氣中含水總量：

12、0.102×106（koml）其它氣體：12755（kmol）2.2一段洗滌塔熱量衡算查相關(guān)數(shù)據(jù)得：相關(guān)熱力數(shù)據(jù)表【1】【8】2-2 相關(guān)熱力數(shù)據(jù)物料與項目單位溫度（）805030氫氣比熱容4.187KJ/（Kg·K）3.4393.4213.409水蒸氣比焓KJ/Kg2642.42587.62549.5其他氣體比焓（空氣）4.187KJ/（Kg·K）0.2440.2430.242水的飽和蒸汽壓(絕壓)Kgf/cm20.4830.12580.0433入塔氣體帶入熱量Q1=(80+273)×1.25×106×3.439×4.18

13、7=6.354×109 KJQ2=1.07×107×2642.4=2.827×1010 KJQ3=(80+273)×369895×0.244×4.187=1.334×108 KJ冷卻水帶出熱量設(shè)冷卻水量為W2 kg,溫度25，冷卻水出塔溫度為35；此時出塔冷卻水比熱熔約為1×4.187 KJ/（Kg·K）。則出塔水量： W2+W1=W2+8.86×106 冷卻水帶入熱量：Q4=W2×(273+25) ×1×4.187 冷卻水帶出熱量：Q5=(W2+8.86

14、×106)×(273+35)×1×4.187出塔氣體帶出熱量Q6=(273+35)×1.25×106×3.421×4.187=5.783×109 KJQ7=1.84×106×2587.6=4.761×109KJQ8= (273+50)×369895×0.243×4.187=1.216×108 KJ一段洗滌塔的熱量守恒的計算 則Q進(jìn)=Q出 Q1+Q2+Q3+Q4 = Q5+Q6+Q7+Q86.354×109+2.827×

15、;1010+1.334×108+W2×(273+25)×1×4.187=(W2+8.86×106)×(273+35)×1×4.187+5.783×109+4.761×109+1.216×108W2=3.024×108 kg 即：進(jìn)入系統(tǒng)水量為：3.024×108 kg ,出系統(tǒng)冷卻水量為：3.024×108+8.86×106=3.113×108 kg冷卻水帶入熱量：3.024×108×(273+25) ×1

16、×4.187= 3.773×1011KJ冷卻水帶出熱量(3.024×108+8.86×106) ×(273+35)×1×4.187=4.015×1011KJ一段洗滌塔熱量衡算表表2-3 一段洗滌塔總熱量衡算表輸入輸出物料名稱數(shù)量(Kg)熱量(KJ)物料名稱數(shù)量(kg)熱量(KJ)氫氣1.25×1076.354×109氫氣1.25×1075.783×109水汽1.07×1072.827×1010水汽1.84×1064.761 ×109其他

17、氣體3698951.334×108其他氣體3698951.216×108冷卻水3.024×1083.773×1011冷卻水3.113×1084.015×10112.3二段洗滌塔的物料衡算物料衡算的計算依據(jù)（1） 電解氫氣經(jīng)二段洗滌冷卻溫度從50降至30。（30時的飽和水蒸汽壓為0.0433Kg/cm2）（2）干氫氣純度98%物料衡算的計算設(shè)二段洗滌塔使氫氣溫度由50降至30的冷凝水量為WO則有道爾頓分壓定律1：得則其他氣體組成：氫氣：625000（kmol） （1.25×106 Kg）水汽：28889 （kmol） （1.8

18、4×106-1.32×106=0.52×106Kg）其他氣體：12755（kmol）（12755×29=369895Kg）表2-4 二段洗滌塔總物料衡算表名稱進(jìn)二段洗滌冷卻塔（kg）出二段洗滌冷卻塔（kg）氫氣1.25×1061.25×106水汽1.84×1060.52×106其他氣體369895369895氫氣冷凝水量8.86×1061.32×106年產(chǎn)5萬噸100%燒堿氫氣處理中氫氣：625000（kmol）二段進(jìn)塔氫氣中含水汽量：102000（kmol）二段出塔氫氣中含水汽量：28889（

19、koml）其它氣體：12755（kmol）2.4二段洗滌塔的熱量衡算查上述相關(guān)熱力數(shù)據(jù)表（2-2）可知：二段進(jìn)塔氣體熱量的計算 Q6=(273+35)×1.25×106×3.421×4.187=5.783×109 KJQ7=1.84×106×2587.6=4.716×109KJQ8= (273+50)×369895×0.243×4.187=1.216×108 KJ冷卻水帶出熱量的計算設(shè)進(jìn)入二段系統(tǒng)冷卻水量為W3 kg，冷卻水進(jìn)塔溫度25，出塔溫度30；此時水的蒸氣比熱熔約為1

20、×4.187 KJ/（Kg·K）。則出塔水量 Wo+W3=W3+1.32×106入塔冷卻水帶入熱量： Q9= W3×(273+25) ×1×4.187出塔冷卻水帶出熱量：Q10=(W3+1.32 ×106)×(273+30) ×1×4.187二段出塔氣體熱量的計算Q11=(273+30)×1.25×106×3.409×4.187=5.406×109 KJQ12=0.52×106×2549.5=1.326×109KJQ

21、13= (273+30)×369895×0.242×4.187=1.136×108 KJ二段洗滌塔的熱量守恒的計算由Q進(jìn)=Q出Q6+Q7+Q8+Q9=Q10+Q11+Q12+Q13 5.783×109+4.761×109+1.216×108+W3×(273+25)×1×4.187=(W3+1.32×106)×(273+30)×1×4.187+5.406×109+1.326×109+1.136×1081.067×101

22、0+1247.726W3=1268.661W3+1.675×109+5.406×109+1.326×109+1.136×1081.067×1010+1247.726W3=1268.661W3+8.521×1092.149×109=20.935W3W3=1.027×108Kg故入塔冷卻水量1.027 ×108 Kg出塔冷卻水量為： 1.027 ×108+1.32×106= 1.04×108Kg入塔冷卻水帶入熱量：1.027×108×(273+25)×

23、;1×4.187=1.281×1011KJ出塔冷卻水帶出熱量：(1.027×108+1.32 ×106)×(273+30) ×1×4.187 =1.319×1011KJ二段洗滌塔熱量衡算表表2-5 二段洗滌冷卻塔熱量衡算表輸入輸出物料名稱數(shù)量Kg熱量KJ物料名稱數(shù)量kg熱量KJ氫氣0.125×1075.783×109氫氣0.125×1075.406×109水汽1.84×1064.761×109水汽0.52×1061.326×109其他氣

24、體3698951.216×108其他氣體3698951.136×108冷卻水1.027×1081.281×1011冷卻水1.04×1081.319 ×10112.5其他氣體中氫氣含量的計算 2.6干氣體中氫氣的百分?jǐn)?shù)H2= 3主要設(shè)備的工藝計算3.1一段洗滌塔的相關(guān)計算一段洗滌塔氣體流量的計算計算條件:年工作日330天為基準(zhǔn)，則年總工作小時330×24=7920 h進(jìn)塔氣體溫度為80，操作壓力為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓由PV=nRT得 V=R=8.314KJ/(kmol.k) 換算=0.08206atmm3/(kmol.k)據(jù)查表得2

25、 1kJ=0.102kgfcm1kgf/=0.9678atm1kgfcm=0.9678atm1=1cal=Kcal（8.3140.1020.9678/=0.08206atm/(KmolK) Vs平=3.1.2一段洗滌塔冷卻水噴淋量及管徑的計算（1）冷卻水噴淋量計算已知：根據(jù)一段洗滌塔熱量衡算得冷卻量為：冷卻水溫度為25，大氣壓為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；L=1×103kg/m3據(jù)公式m=得（2）冷卻水管徑的計算 因為水及一般液體常用流速范圍u?。?.53）m/s2 所以：設(shè)冷卻水流速u=2m/s=2×3600=7200m/h據(jù)公式圓整得：一段洗滌塔冷卻水噴淋管徑D冷=100mm一段洗

26、滌塔塔徑的計算（1）空塔速度的計算洗滌塔內(nèi)填料選用2的陶瓷拉西環(huán)以亂堆方式進(jìn)行填充。因為空塔氣速應(yīng)小于泛點氣速，一般空塔氣速是泛點氣速的（50%85%）即u=（0.500.85）uf2 所以：設(shè)空塔氣速取泛點氣速的50%根據(jù)洗滌塔泛點和壓降通用關(guān)聯(lián)圖（1）橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)求出再求出u圖1填料塔泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖氣體混合物的平均分子量M為：1 據(jù)公式 混合氣體密度為： 混合氣體流量因為冷卻水密度冷卻水噴淋量為 據(jù)通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)： 查圖（1）亂堆填料泛點線，當(dāng)橫坐標(biāo)為0.471時縱坐標(biāo)為0.05即查表2亂堆陶瓷拉西環(huán)的填料因子，比表面積。冷卻水密度校正系數(shù)查附錄2，25時的冷卻水的粘度據(jù)縱坐

27、標(biāo)求出（2）一段洗滌塔塔徑的計算 已知： 據(jù)公式：D塔徑=得D塔徑=一段洗滌塔徑圓整得D塔徑=1200mm4校核：。一段洗滌塔塔高度的確定 根據(jù)經(jīng)驗得到塔高度H=5×1200mm=6000mm=6000×10-3=6m噴嘴輸送的確定設(shè)上水壓力為0.2Mpa,考慮水垢的阻塞，噴嘴直徑d=3.5mm查表及噴水量約360 kg/h,則噴嘴總數(shù)由物料衡算需25冷卻水量39305.556/h則噴嘴總數(shù)：n=個考慮分布可能的阻塞，取200個。一段洗滌塔管徑的計算一段洗滌塔進(jìn)氣管和出氣管管徑因為易燃易爆氣體的在管道中流速范圍8m/s；而氫氣屬于易燃易爆氣體；則氫氣在管道內(nèi)的流速取為5m/

28、s入塔氣體流量為：4505m3/h出塔氣體流量為：2476m3/h由u=得到d入=同理可得d出=則一段洗滌塔物料進(jìn)口管管徑為d入=580mm；出口管管徑為d出=450mm3.2二段洗滌塔的相關(guān)計算二段洗滌塔進(jìn)塔氣體和出塔氣體流量的計算由一段洗滌塔出來的氣體流量是進(jìn)入二段洗滌塔的氣流量；則V2=V3 則Vs平= 二段洗滌塔冷卻水噴淋量及管徑的計算（1）冷卻水噴淋量計算已知：根據(jù)二段洗滌塔熱量衡算得冷卻量為：冷卻水溫度為25，大氣壓為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；L=1×103kg/m3據(jù)公式m=得（2）二段冷卻水管徑計算 因為水及一般液體常用流速范圍u?。?.53）m/s 所以：設(shè)冷卻水流速u=2m

29、/s=2×3600=7200m/h據(jù)公式圓整得：二段洗滌塔冷卻水噴淋管徑D冷=70mm8二段洗滌塔塔徑的計算（1）空塔速度的計算洗滌塔內(nèi)填料選用的陶瓷拉西環(huán)以亂堆方式進(jìn)行填充。因為空塔氣速應(yīng)小于泛點氣速，一般空塔氣速是泛點氣速的（50%85%）即u=（0.500.85）uf 所以：設(shè)空塔氣速取泛點氣速的50% 根據(jù)洗滌塔泛點和壓降通用關(guān)聯(lián)圖（1）橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)求出再求出u氣體混合物的平均分子量M為：據(jù)公式 混合氣體密度為： 混合氣體流量因為冷卻水密度冷卻水噴淋量為據(jù)通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)： 查圖（1）亂堆填料泛點線，當(dāng)橫坐標(biāo)為0.383時縱坐標(biāo)為0.053即查表亂堆陶瓷拉西環(huán)的填料因子，比表面積。冷卻水密度校正系數(shù)查附錄，25時的冷卻水的粘度據(jù)縱坐標(biāo)求出（2）二段洗滌