畢業(yè)設(shè)計(jì)6萬(wàn)噸隔膜法制燒堿中氫氣的處理工序初步設(shè)計(jì)說明

1、 . PAGE35 / NUMPAGES38畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目： 6萬(wàn)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)的主要容與基本要求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)算與結(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、編寫設(shè)計(jì)

2、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)與計(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)與說明= 1 * alphabetica、氯堿工藝= 2 * alphabeticb、化工原理課程設(shè)計(jì)= 3 * alphabeticc、物性手冊(cè)= 4 * alphabeticd、常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì)= 5 * alphabetice、化學(xué)工程手冊(cè)= 6 * alphabeticf、化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)3進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱起 止 日 期1文獻(xiàn)查閱2008年3月16日（第二周末）前完成2開題報(bào)告2008年3月23日（第三周末

3、）前完成；開展初期教學(xué)檢查3設(shè)計(jì)工作 2008年3月26日至2007年5月25日（第十二周末）完全結(jié)束；開展中期教學(xué)檢查4提交設(shè)計(jì)（論文）初稿2008年6月1日（第十三周末）5答辯時(shí)間2008年6月16日6月20日（第十五周）目 錄 TOC o 1-3 f h z HYPERLINK l _Toc2002927791 總論 PAGEREF _Toc200292779 h 1HYPERLINK l _Toc2002927801.1 概述 PAGEREF _Toc200292780 h 1HYPERLINK l _Toc2002927821.1.2氯堿工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位 PAGEREF _To

4、c200292782 h 1HYPERLINK l _Toc2002927831.1.3氫氣處理的任務(wù)和方法 PAGEREF _Toc200292783 h 2HYPERLINK l _Toc2002927841.2氫氣處理工藝流程確定 PAGEREF _Toc200292784 h 2HYPERLINK l _Toc2002927852 工藝計(jì)算 PAGEREF _Toc200292785 h 3HYPERLINK l _Toc2002927862.1氫氣處理工藝流程 PAGEREF _Toc200292786 h 3HYPERLINK l _Toc2002927872.2計(jì)算依據(jù) PAGE

5、REF _Toc200292787 h 3HYPERLINK l _Toc2002927882.3工藝計(jì)算 PAGEREF _Toc200292788 h 4HYPERLINK l _Toc2002927892.3.1電解飽和食鹽水 PAGEREF _Toc200292789 h 4HYPERLINK l _Toc2002927902.3.2鹽水氫氣熱交換器 PAGEREF _Toc200292790 h 4HYPERLINK l _Toc2002927912.3.3洗滌冷卻塔 PAGEREF _Toc200292791 h 7HYPERLINK l _Toc2002927923 主要設(shè)備設(shè)計(jì)

6、與選型 PAGEREF _Toc200292792 h 10HYPERLINK l _Toc2002927933.1鹽水氫氣熱交換器 PAGEREF _Toc200292793 h 10HYPERLINK l _Toc2002927943.1.1相關(guān)物性數(shù)據(jù)： PAGEREF _Toc200292794 h 103.1.2平均密度，比熱容，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)HYPERLINK l _Toc2002927963.1.3設(shè)計(jì)計(jì)算 PAGEREF _Toc200292796 h 11HYPERLINK l _Toc2002927973.1.4總傳熱系數(shù)的校核 PAGEREF _Toc200292797

7、h 17HYPERLINK l _Toc2002927983.1.5核算壓強(qiáng)降 PAGEREF _Toc200292798 h 21HYPERLINK l _Toc2002927993.1.6換熱器附件 PAGEREF _Toc200292799 h 24HYPERLINK l _Toc2002928003.2水洗滌冷卻塔 PAGEREF _Toc200292800 h 25HYPERLINK l _Toc2002928013.3氫氣輸送設(shè)備 PAGEREF _Toc200292801 h 31HYPERLINK l _Toc2002928023.4水輸送泵 PAGEREF _Toc20029

8、2802 h 31HYPERLINK l _Toc2002928033.5液封循環(huán)水池 PAGEREF _Toc200292803 h 32HYPERLINK l _Toc2002928043.6氫氣緩沖罐 PAGEREF _Toc200292804 h 32HYPERLINK l _Toc2002928054設(shè)計(jì)評(píng)述 PAGEREF _Toc200292805 h 34HYPERLINK l _Toc2002928055 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc200292805 h 34HYPERLINK l _Toc2002928066 致 PAGEREF _Toc200292806 h 35

9、HYPERLINK l _Toc2002928077 附圖 PAGEREF _Toc200292807 h 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(wú)色，無(wú)味，無(wú)臭的可燃?xì)怏w；密度在0；760mmHg時(shí)為0.08987g/l，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、鈀和鉑的溶解度很大，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

10、氫氣約有2/3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)多晶硅以與有機(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(wú)污染燃料，液氫還

11、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(guó)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(guó)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；還有作精煉油與金屬鉛，作干燥劑或作化工生產(chǎn)的原料與醫(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。

12、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(guó)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)與相關(guān)產(chǎn)品幾乎涉與到國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人民生活的各個(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

13、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與用氫部門。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，氫氣部分固體雜質(zhì)與蒸汽冷凝水被冷卻水帶走排

14、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：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

15、填料塔，經(jīng)洗滌冷卻至冷卻至30，氫氣部分固體雜質(zhì)與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 鹽水氫氣熱交換器 洗滌冷卻器 用氫部門90 8050 304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(wàn)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)物料項(xiàng)目溫度80503025濕氫氣（）CpKJ/Kgk14.45614.42714.375空氣C

16、pKJ/Kg1.0091.0051.005水蒸汽KJ/Kg2642.32587.42549.3水飽和蒸汽壓KPa47.39712.3404.2474水（液）KJ/Kg209.30125.69104.7952.3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(yáng)極反應(yīng)：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

17、 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 （205-172.80=32.20kg）不凝氣體：0.255 kmol (7.39kg) （不凝氣體以空氣的物性數(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739739水0172.80總計(jì)2373923739b.總物料衡算 以年產(chǎn)量6萬(wàn)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

18、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15000001500000水汽123000001932000不凝氣體443400443400水01036800總計(jì)14243400142434003. 熱量衡算 （1） 入換熱器濕氫氣帶入熱量：氫氣： =mCp=2514.45680=28912 kJ不凝氣體： =mCp=7.391.00980=597 KJ水蒸氣： =m=2052642.3=541672 KJ（2） 出換熱器濕氫氣帶出熱量： 氫氣： = mCp=2514.42750=18034 KJ空氣： = mCp=7.391.00550=371 KJ水蒸氣： = m=3

19、2.202587.4=83314 KJ 冷凝水： = m=172.80209.30=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：2030 Cp （KJ/KgK） 3.42 3.45 進(jìn)口鹽水：=3.4220=68.4 出口鹽水：=3.4530=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

20、卻水帶入熱量：=3.4220=68.4=68.412344.58=844369 kJ冷卻水帶出熱量：=3.4530=103.5=103.512344.58=1277364 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7.395977.39371水蒸氣20554167232.2083314鹽水12344.5884436912344.581277364冷凝水00172.836167合計(jì)12581.97141525012581.9714152502.3.3洗滌冷卻塔1計(jì)算依據(jù)（1） 電解氫氣從鹽

21、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

22、：93.76%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739739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)量6萬(wàn)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1500000015000000不凝氣體443400443400水蒸汽1980000622200冷凝水01309800合計(jì)17423400173754003熱量衡算 （1）濕氫氣進(jìn)

23、口熱量： 忽略管道熱損失，與上一工段出口熱量一樣 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=7.391.00530=223 KJ 水蒸氣： = m=10.372549.3=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

24、.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=2944.96104.795=308617 kJ出塔冷卻水帶出熱量：=125.69（+21.83）=2966.79=372896 kJ（5）熱量衡算表表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0

25、021.832744冷卻水2944.963086172944.96371052合計(jì)3009.554103363009.554103363 主要設(shè)備設(shè)計(jì)與選型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)物料名稱密度kg/比熱容kJ/kgk黏度Pas導(dǎo)熱系數(shù)w/(m)氫氣0.069814.389.660.0206空氣1.04451.0752.0320.02931水蒸氣0.16111.8951120.0218鹽水11863.2921.900.5883.1.2平均密度，比熱容，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)（1）進(jìn)口總摩爾量：=+=12

26、.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=0.68850.0698+0.0141.0445+0.16110.2975=0.1106 kg/（5）比熱容=0.688514.38+0.0141.075+0.29751.895=10.47944 kJ/kgk（6）黏度=65.2991 Pas（7）導(dǎo)熱系數(shù)=0.021375 w/(m)3.1.3設(shè)計(jì)計(jì)算

27、（1）計(jì)算依據(jù)：由氯堿工業(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)圍在200500 kcal/(m2h)，即233582 w/(m2)（2） 類型選擇：查換熱器設(shè)計(jì)5a,目前換熱器有三種規(guī)格：固定管板式，浮頭式，U形管其中，固定管板式，金屬耗量低，造價(jià)低，適用與冷熱流體溫差低于60，殼體壓強(qiáng)不高，可利用膨脹節(jié)進(jìn)行溫差。 本工段選用固定管板式b,流體路徑本工段是鹽水預(yù)熱器，使能量回收，鹽水在進(jìn)入本工段時(shí)已經(jīng)精制，不易產(chǎn)生污垢，而且熱流體中飽和水蒸氣有相變，為便于與時(shí)排除冷凝水故選濕氫氣管程精鹽水殼程（3）熱負(fù)荷Q= (-)因?yàn)?存在相變Q= (-)+r =245.1310.49744(8

28、0-50)/3600+1551.46(2587.4-209.34)/3600=1046.40 kw（4）假設(shè)k=480 w/(m2)則 估算的傳熱面積為S=Q/Ktm (3-1)其中，Q換熱器熱負(fù)荷，W K總傳熱系數(shù)，W/(m2)tm對(duì)數(shù)平均溫差，.=1.67由于 1.67 2所以 =40R=3P=0.167圖3-2 對(duì)數(shù)平均溫度差校正系數(shù)值溫度差校正系數(shù) =0.966由于 =0.9660.8 ， 可見單管程單殼程適合。所以平均溫度差=0.96640=38.65則由式（3-1）有S0=1046400/(48038.65)=56.434考慮15的面積裕度，則所需傳熱面積為：S=1.15 S0=1

29、.1556.434=64.85 查化工原理4附錄可知傳熱面積符合要求。（5）選用252.5，3m長(zhǎng)的鋼管， 所需管數(shù)N= (3-2)其中， A0傳熱面積，換熱管外徑，m l換熱管長(zhǎng)度，m 。N =245根（6）管子的排列方式與管子與管板的連接方式的選定 管子的排列方式，采用正三角形排列，因?yàn)閷?duì)于一樣殼徑，管徑和管間距的換熱器，正三角形排列大約可多15%的傳熱面積。因此，此設(shè)計(jì)選用正三角形排列。由于其在一定的管板面積上可配置較多的管子，而且管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大；管子與管板的連接，采用焊接法（7）計(jì)算外殼直徑管子中心距 t=1.25=1.2525=32mm橫過管束中心線的管數(shù) =1.1=1.1=1

30、7.22取整 =18根按殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整。取 D=600mm因?yàn)?5 在46的圍，管長(zhǎng)徑合適（8）折流板直徑、數(shù)量機(jī)器有關(guān)尺寸確定選取折流板與殼體見的間隙為 3.5mm折流板的直徑=600-23.5=593 mm切去弓形高度h=0.25D=0.25600=150 mm折流板數(shù)量=-1 （3-4）其中 折流板數(shù)量，塊；折流板間距，mm； L管子長(zhǎng)度，mm；折流板間距 =300mm，那么=-1=8.67取整得 =9 塊實(shí)際折流板間距為=290mm（9）拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定選用12 mm鋼拉桿，數(shù)量6條。定距管采用與換熱器一樣的管子，即 25 mm2.5 mm鋼管。（10）溫度補(bǔ)償

31、圈的選用 由于=65-25=40 50 所以 不用考慮設(shè)置溫度補(bǔ)償圈（11）換熱器參數(shù)表3-2 換熱器結(jié)構(gòu)基本參數(shù)外殼直徑： =600 mm換熱面積： 64.85換熱管數(shù)量： 245根管長(zhǎng)： 3m管子規(guī)格： 252.5管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程數(shù)： 1殼程數(shù)： 1折流板數(shù)量： =9 塊折流板間距： =290mm拉桿數(shù)量： 6條拉桿直徑： 12 mm定距管： 與換熱管一樣規(guī)格通過管板中心的管子數(shù)： =18根（12）換熱器重要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定換熱器的重要構(gòu)件有封頭，筒體法蘭，管板，筒體，折流板，支座等。接管有：流體進(jìn)出口接管，排氣管，排液管等。 筒體(殼體)壁厚的

32、確定 （3-5）選取設(shè)計(jì)壓力P=0.6Mpa，殼體材料為Q235，查得其相應(yīng)的許用應(yīng)力=113Mpa；焊縫系數(shù)=0.65，腐蝕裕度C=3+0.5=3.5mm，所以=mm 根據(jù)鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)，取厚度為6mm鋼板，即=6mm 封頭，筒體法蘭，管板均有標(biāo)準(zhǔn)可選用，具體結(jié)構(gòu)尺寸查看本工段換熱器附件表。 流體進(jìn)出口直徑的計(jì)算 （3-6）其中， d接管直徑，m；Vs 質(zhì)量流量，kg/；u 流速，m/s；濕氫氣進(jìn)出口接管，取=25 m/s，那么 = =0.058經(jīng)圓整后取57 mm3.5mm熱扎無(wú)縫鋼管（GB8163-87），實(shí)際濕氫氣進(jìn)出口管流速為=25.78 m/s鹽水進(jìn)出口接管，取=1.5 m/s，那么

33、=0.05 m經(jīng)圓整后取50mm3.5mm熱扎無(wú)縫鋼管（GB8163-87），實(shí)際濕氫氣進(jìn)出口流速為：= =1.559m/s3.1.4總傳熱系數(shù)的校核+ Rso+ Rsi+（3-7）（1）管程傳熱系數(shù)的計(jì)算混合氣體的傳熱系數(shù)用西德爾和塔特關(guān)聯(lián)式 （3-8）其中， 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2)，管子徑，m；流體黏度，PaSRe雷諾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次，Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次。L管子長(zhǎng)度，m；a.管程流體流通截面積 （3-9）3.14/40.022245/10.07693其中，管子徑，m；殼程數(shù)； N管子數(shù)量，根；b.管程流體流速 ui=Vs/ （3-10）=3.47 m/s其中，Vs流體在殼體的體積流量，m3

34、/h。c.雷諾數(shù) Rei （3-11）27.08 （層流）其中， 流體在殼程的流速，m/s，流體平均密度，kg/m3，流體平均粘度，pas。d.普蘭特?cái)?shù) Pr= （3-12）320.4其中，Cpm流體平均比熱，kJ/(kg)；流體平均導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m)本工段條件下，管徑較小，流體黏度較大，自然對(duì)流影響可忽略因?yàn)槭菤怏w，粘度校正1 ，則由式（3-8），得： =7.032水蒸氣相變傳熱系數(shù) （3-13）其中， r 飽和水蒸氣的汽化熱，KJ/Kg；冷凝液的密度，kg/冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m)；冷凝液的黏度，Pas水蒸氣的飽和溫度和壁面溫度之差， L管子長(zhǎng)度，m；由化工原理4查得在80下飽和水蒸

35、氣的汽化熱為2343.3 KJ/Kg。取壁面溫度為25 ，則 定性溫度=52.5由附錄查得在52.5下水的物性為= 0.509 Pas=0.6507 w/(m)=986.8 kg/水蒸氣在垂直圓管冷凝的傳熱系數(shù) = =5893.71管程總傳熱系數(shù)=（+）+ =（0.6885+0.014）14.48+0.29755893.71 =1168.55（2）殼程傳熱系數(shù)的計(jì)算用克恩法計(jì)算o0.36（）Re0.55Pr1/3（）0.14 (3-14)其中，導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2)，de公稱直徑，m，Re雷諾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次，Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次。a.當(dāng)量直徑：de (3-15)0.02038 m 其中， t管

36、間距，m， do換熱管外徑，mb.殼程流通截面積 AhD(1-)0.150.6（10.01905/0.024）0.0197 其中，h折流板間距，m， D殼體公稱直徑，m，c.殼程流體流速 uoVs/A0.147 m/sd.雷諾數(shù)Reo1805e.普蘭特?cái)?shù)Pr10.637因?yàn)橐后w被加熱，所以粘度校正1.05，則由式（3-14）得：o0.36（）Re0.55Pr1/3（）0.14=0.36（）18050.5510.6371/31.051369.95 W/(m2)（3）污垢熱阻和管壁熱阻管外側(cè)污垢熱阻：Rso1.719710-4 m2/W管側(cè)污垢熱阻：Rsi2.126910-4 m2/W附錄13查得

37、，碳剛在該條件下的導(dǎo)熱系數(shù)為50.08W/（m2），即=50.08 W/（m2）（4）總傳熱系數(shù)+ Rso+ Rsi+=+ 1.719710-4+ 2.126910-4+17.73610-4則 K=563.83 W/(m2)由前面的計(jì)算可知，選用的換熱器的總傳熱系數(shù)為 480 W/(m2)，在規(guī)定的流動(dòng)條件下，計(jì)算出的K值為563.83 W/(m2)=1.175 在1.151.25之間 故： 所選換熱器適用3.1.5核算壓強(qiáng)降（1）管程壓強(qiáng)降Pi=(P1+P2)FtNpNs(3-16)其中， P1，P2分別為直徑與回彎管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降，paFt結(jié)垢校正因數(shù)，無(wú)因次，取1.4， Np管

38、程數(shù)， Ns串連的殼程數(shù)。a.管程流體流通截面積 3.14/40.022245/10.07693b.管程流體流速 ui=Vs/=3.47m/sc.雷諾數(shù) Rei27.07 （層流）因?yàn)槭菍恿?，所?2.65所以=2.65 =609Pa因?yàn)闆]有彎管，即 則由式（3-16）得：Pa（2）.殼程壓強(qiáng)降： (3-17) 其中，P1流體橫過管束的壓降，paP2流體流過折流板缺口的壓強(qiáng)降，pa Fs殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢正因數(shù)，無(wú)因次，取1.15 Ns串連殼程數(shù)。 (3-18)其中，F(xiàn)管子排列方式對(duì)壓強(qiáng)降的校正因數(shù) fo殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)Re500，f=5.0Re-0.228 Nc橫過管束中心線的管子數(shù) N

39、B折流擋板數(shù)管子為三角形排列，F(xiàn)=0.5，NB=9，Nc=1.1=1.1=18，a.殼程流通截面積 AhD(1-)0.150.6（10.01905/0.024）0.0197 b.殼程流體流速 uoVs/A0.147m/sc.雷諾數(shù)Reo1807 500所以 =0.18由式（3-18），得：=207Pa =9（3.5） =346Pa所以 Po=（346+609）1.15=1098.25Pa殼程和管程的壓力降幾乎都能滿足要求。3.1.6換熱器附件選用Dg800的標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)參考（1）管板表3-3 管板 公稱直徑DD1D2D3D5=D6D7螺栓孔數(shù)80093089079079380085032102

40、332殼程接管法蘭表3-4 接管法蘭墊片螺栓外徑徑厚度DD1D2重量數(shù)量直徑長(zhǎng)度石墨250273370335312144.6512M16553122733.2（3）管程接管法蘭表3-5 接管法蘭墊片螺栓外徑徑厚度DD1D2重量數(shù)量直徑長(zhǎng)度石墨125133235200178101.988M16551781333.2（4）封頭表3-6 橢圓封頭曲面高度直邊高度表面積容積m3厚度800200400.7920.087183.2水洗滌冷卻塔1填料塔填料塔也是種應(yīng)用頗為廣泛的氣液傳質(zhì)設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，塔體為圓筒形簡(jiǎn)充填一定高度的填料。液體自塔頂經(jīng)分布器均勻噴灑于塔截面上。沿填料表面下流，與自塔

41、底上升的氣而呈逆流連續(xù)接觸，進(jìn)行傳熱傳質(zhì)的作用。 與板式塔相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，阻力小，填料易于用耐腐蝕材料制造。特別適用于處理量小或有腐蝕性的物料，或要求壓力降小的傳質(zhì)系統(tǒng)。 填料塔在操作上與板式塔相比，其特點(diǎn)是氣液接觸是連續(xù)進(jìn)行的；氣液接觸面積是由填料提供的，這些特點(diǎn)決定了填料塔所特有的結(jié)構(gòu)與操性能。圖3-3 填料塔總體結(jié)構(gòu) 塑料填料質(zhì)輕，具有良好的韌性，耐沖擊，不易破碎。它的通量大、壓降低，而且耐腐蝕性能較好。填料塔流程的操作平穩(wěn)，彈性較大，特別是本工段剛開車時(shí)氫氣的氣流量小，它幾乎同滿負(fù)荷操作一樣能達(dá)到對(duì)水分的要求指標(biāo)。綜上優(yōu)點(diǎn)，本工段選取塑料鮑爾環(huán)25251.2（亂堆），材質(zhì)為聚丙烯（P

42、P）。殼體材料為聚氯乙烯玻璃鋼（PVC+FRP），濕填料因子285 m-1。2進(jìn)出口數(shù)據(jù)：（1）濕氫氣進(jìn)口質(zhì)量流量： =189.203 kg/h濕氫氣出口質(zhì)量流量： =189.203kg/h冷卻水進(jìn)口質(zhì)量流量： =22287.79kg/h冷卻水出口質(zhì)量流量： =22453.06kg/h（2）進(jìn)口濕氫氣總摩爾流量：=110.08 kmol/h 體積 =22.4110.08=2946.19/h出口濕氫氣總摩爾流量：=102.28kmol/h體積 =22.4102.28=2622.62 /h濕氫氣平均體積 =/h冷卻水平均體積 =22.43/h3塔徑D （1）泛點(diǎn)氣速 50濕氫氣的密度： =0.17

43、 kg/ 清水的密度： =996.95 kg/則 =0.59由埃克特通用關(guān)聯(lián)圖中的亂堆填料泛點(diǎn)線查出，橫坐標(biāo)為0.595時(shí)的縱坐標(biāo)熟知為0.038。即：=0.038圖3-4 ?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖查表得知，25mm25mm1.2mm塑料鮑爾環(huán)（亂堆）的填料因子=285 ；又因?yàn)橐合酁榍逅室后w密度校正系數(shù)=1；水的黏度=1 mPa.s。泛點(diǎn)氣速為= =2.77 m/s (3-19)塔徑取空塔氣速為泛點(diǎn)氣速的60%，即 u=0.6=0.62.77=1.66 m/s則 （3-20）其中， D 塔徑，m；Vs 體積流量，/h；u 流速，m/s；D=0.771m圓整塔徑 D=0.80 m。再計(jì)算空塔氣速，

44、即=1.54 m/s核算塔徑泛點(diǎn)率 = 100% =55.60% 在5080% 之間 符合要求因?yàn)樘盍蠟?5mm25mm1.2mm，塔徑與填料尺寸之比大于8，按下式計(jì)算 （3-21） 其中， 最小噴淋密度，/（s）最小潤(rùn)濕速率，/（s）填料的比表面積，/因?yàn)?填料尺寸小于75mm，所以查表（3-6）得=0.08 /（h） =213 /則 =0.08213=17.04 /（h）操作條件下的噴淋密度為=90.65 /（h） 經(jīng)核算，選用塔徑0.8 m 符號(hào)要求。4填料層高度Z 對(duì)于吸收操作，用傳質(zhì)單元法計(jì)算填料層高度。設(shè)吸收率=95%，平衡關(guān)系為Y=10.2X。即，m=10.2。填料層的體積傳質(zhì)系

45、數(shù) 250 kmol/h）濕氫氣中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為=0.123氣體摩爾流量=97.49 kmol/h液體摩爾流量=1236.75kmol/h=0.5024 S=0.81清水吸收，則 =95.36/2500.5204=0.76 =8.04所以 Z=0.768.04=6.11 m實(shí)際填料層高度 =1.36.11=7.94 m由于 = 6m ，故填料塔分兩段，每段4m。5填料層的壓強(qiáng)降縱坐標(biāo) =0.011橫坐標(biāo) =0.595根據(jù)以上二數(shù)值在圖中確定塔的操作點(diǎn)，此點(diǎn)位于=100 Pa/m與=150 Pa/m兩條等壓線之間，用插法估值可以求得每米填料層的壓強(qiáng)降約為145Pa/m。則=10145=145

46、0 Pa即填料塔的總壓強(qiáng)降為 1450 Pa冷卻塔進(jìn)出口壓降=100.34-98.2474=2092.6 Pa 1450 Pa可知 壓強(qiáng)滿足要求6塔頂除沫裝置氣速 （3-22）其中，密度，kg/；k系數(shù)，可取0.080.11；u氣速，m/s取系數(shù)k=0.1。 則=7.54 m/s絲網(wǎng)盤直徑 （3-24）其中， Vs氣體處理量，/s； =0.371 m絲網(wǎng)層厚度對(duì)于金屬絲網(wǎng)，當(dāng)絲網(wǎng)直徑為007604 mm時(shí)，在適宜氣速下，絲網(wǎng)層的厚度取為100150 mm時(shí)，就能把氣體中的絕大部分霧滴分離下來 查常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)13可知：在此工段選用 H=150 mm7管口接管 氣體和液體的進(jìn)出口裝置流體的

47、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要確定的是管口直徑。根據(jù)管口所輸送氣體或液體的流量大小，由下式計(jì)算管口直徑： （3-25）其中， Vs流體的體積流量，/s；u適宜的流體速度，m/s；常壓塔氣體進(jìn)出口管氣速可取10一20 m/s (高壓塔氣速低于此值)；液體進(jìn)出口速度可取081.5 m/s (必要時(shí)可加大些)，對(duì)高粘度的液體可取0.51.0 m/s。假設(shè) 濕氫氣進(jìn)出口速度為 15 m/s則濕氫氣進(jìn)口：=0.263 m圓整得：取273 mm6 mm熱扎無(wú)縫鋼管（GB8163-87）濕氫氣出口：=0.248m圓整得：取245 mm6 mm熱扎無(wú)縫鋼管（GB8163-87）假設(shè) 冷卻水進(jìn)出口速度為1.2 m/s則冷卻水進(jìn)口：=0.081 m圓整得：取83 mm6 mm熱扎無(wú)縫鋼管（GB8163-87）冷卻水出口：=0.0815 m圓整得：取83 mm6 mm熱扎無(wú)縫鋼管（GB8163-87）3.3氫氣輸送設(shè)備因氫氣小時(shí)輸送量278