氯氣處理工藝設計說明書

1、 四川理工學院畢業(yè)設計80kt/a燒堿裝置氯氣處理工序工藝設計摘要本設計為80kt/a燒堿裝置氯氣處理工序工藝設計，采用直接冷卻與間接冷卻相結合，二段組合塔（填料+泡罩）干燥工藝，經(jīng)酸霧除霧器后的工藝氣體中含水量下降到30ppm，使用離心壓縮機進行壓縮輸送；設計對工藝流程與工藝參數(shù)作了具體選擇與詳細說明，進行了物料衡算及熱量衡算，設備設計與選型和車間布置設計；做了環(huán)境保護與經(jīng)濟分析；繪制了帶控制點的工藝流程圖，一段填料干燥塔裝配圖和車間平面布置圖。關鍵詞：氯氣處理； 冷卻； 二段組合塔； 干燥； 離心壓縮機AbstractThis design for the 80 kt/a chlorine

2、 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 eliminator down to about 30 PPM，using centrifug

3、al 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 the environmental protection and econo

4、mic 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目錄第一章 總論- 1 -1.1 設計概況- 1 -1.2 設計依據(jù)- 1 -1.3 氯氣處理工藝介紹- 1 -1.3.1 氯氣處理目的- 1 -1.3.2 氯氣

5、處理工藝原理- 2 -1.3.3 氯氣處理工藝的選擇- 2 -1.4 建設規(guī)模和產(chǎn)品規(guī)格- 4 -1.4.1 建設規(guī)模- 4 -1.4.2 產(chǎn)品規(guī)格- 4 -第二章 工藝流程- 5 -2.1工藝流程概述- 5 -2.2工藝流程說明- 6 -2.2.1 冷卻除沫部分- 6 -2.2.2 干燥部分- 7 -2.2.3 壓縮部分- 8 -第三章 工藝計算- 9 -3.1 物料衡算- 9 -洗滌塔至水霧捕集器前- 10 -鈦列管冷卻器- 11 -水霧捕集器- 13 -氯水箱- 14 -洗滌塔- 14 -干燥塔- 15 -3.2 熱量衡算- 17 -洗滌塔及氯水箱- 17 -鈦列管冷卻器- 19 -一段

6、干燥塔- 20 -二段干燥塔- 21 -第四章 設備設計及選型- 23 -4.1 一段干燥塔（填料吸收塔）- 23 -4.2.1 塔徑- 23 -4.2.2 填料層高度- 25 -4.2.3 填料層壓降- 27 -4.2.4 塔附屬高度- 27 -其他裝置及塔內(nèi)件- 27 -4.3 氯水洗滌塔- 32 -4.3.1 塔徑- 32 -4.3.2 填料層高度- 34 -4.3.3 填料層壓降- 35 -4.4 鈦列管冷卻器- 35 -初選換熱器型號- 36 -核算總傳熱系數(shù)- 37 -核算壓降- 38 -4.5 其他設備選型- 40 -4.5.1 泵- 40 -壓縮機- 42 -除霧器- 42 -

7、貯槽- 44 -4.6設備一覽表- 45 -第五章 車間平面布置設計- 46 -5.1設計依據(jù)- 46 -設計規(guī)范- 46 -基礎資料- 46 -5.2平面布置方案- 46 -車間平面布置內(nèi)容- 46 -第六章 環(huán)境保護與經(jīng)濟分析報告- 48 -6.1環(huán)境評價- 48 -編制依據(jù)- 48 -6.1.2 評價標準與范圍- 49 -6.1.3 評價內(nèi)容和評價重點- 49 -6.1.4 環(huán)境質(zhì)量標準及污染物排放標準- 50 -環(huán)境保護方案- 52 -6.2經(jīng)濟分析- 54 -編制依據(jù)- 54 -產(chǎn)品成本估算- 54 -估算過程- 54 -費用估算- 56 -市場分析- 56 -參考文獻- 58 -設

8、計評述- 59 -致謝- 60 -附圖- 61 -第一章 總論1.1 設計概況本設計為在任務書的要求下設計一個80kt/a燒堿裝置氯氣處理工序工藝，將電解來的高溫濕氯氣經(jīng)洗滌、冷卻、除霧、干燥、加壓輸送出界區(qū)，保證上下工序的安全生產(chǎn)的簡單工藝。1.2 設計依據(jù)1、來自電解工序濕氯氣的工藝數(shù)據(jù)見表1-1。表1-1 來自電解工序濕氯氣的溫度、壓力和組成項目備注項目備注溫度，90氯氣，kg/t100NaOH88512.46 kmol總壓（表），Pa-48不凝性氣體（假設為空氣下同），kg/t100NaOH150.52kmol水蒸汽，kg/t100NaOH31017.22kmol成分（干基）（V/V）

9、96氣體總量， kg/t100%NaOH12152、要求氯氣的含水量小于0.05%（如果用透平壓縮機輸送氯氣，則要求含水量小于100ppm）。1.3 氯氣處理工藝介紹1.3.1 氯氣處理目的由電解槽陽極析出的氯氣溫度可達到90以上，并伴有飽和水蒸汽且夾帶鹽霧等雜質(zhì)，這種濕氯氣對鋼鐵及大多數(shù)金屬有強烈的腐蝕作用，只有少量的貴、稀有金屬或非金屬材料在一定條件才能抵抗?jié)衤葰獾牡母g。因此給氯氣的輸送、使用、貯存等都帶來了極大的麻煩和困難。而干燥后的氯氣對鋼鐵等常用的金屬材料的腐蝕作用在通常的條件之下是比較小的。氯氣處理是氯堿生產(chǎn)中的關鍵工序，氯氣處理運行的質(zhì)量直接影響電解裝置安全、穩(wěn)定生產(chǎn)以及電解槽

10、運行的質(zhì)量和壽命。處理后的氯氣質(zhì)量直接影響著液氯裝置運行質(zhì)量和其他用氯裝置的生產(chǎn)運行。由上述腐蝕速率表可知，隨著氯氣中含水分的增加，每年的腐蝕速率也在增加。因此濕氯氣的脫水和干燥是生產(chǎn)和使用氯氣過程的需要?？梢娐葰馓幚淼哪康木褪且衤葰庵械乃?，使之成為含水分量甚微的干燥氯氣以適應、滿足氯氣輸送、生產(chǎn)、使用的需要。所謂的氯氣處理就是將電解槽陽極室電解析出的飽含水蒸氣的高溫濕氯氣進行冷卻除沫、干燥脫水、除霧凈化、再加壓輸送到各個用氯使用部門。經(jīng)過處理后的氯氣中“含濕量”降低到100ppm 以下，基本不含酸霧的潔凈合格氯氣1。1.3.2 氯氣處理工藝原理國內(nèi)各氯堿企業(yè)選擇不同的氯氣處理生產(chǎn)工藝

11、，控制水平和操作要求也大不相同，處理后的氯氣質(zhì)量特別是氯中含水也有差異。氯氣處理的核心任務便是脫水，脫水方法一般有如下三種：冷卻法，吸收法，冷卻及吸收法。冷卻吸收法是國內(nèi)廣泛采用的一種氯氣處理方法。氯氣處理的工藝流程主要包括四部分：冷卻除沫、干燥脫水、除霧凈化、壓縮輸送。氯氣處理中一般要先冷卻，在干燥，其原理大致如下：在相同壓力下，氣相溫度每下降10，濕氯氣中含水量幾乎下降一半。若濕氯氣溫度由90下降至15，氣相中的含水量可以脫除99.2%。因此通過冷卻可以除去氣相中絕大部分水分，從而可以大大降低干燥負荷，同時也降低了用作吸收劑的濃硫酸的用量。經(jīng)過冷卻，濕氯氣中的水分降低了98%以上。然后將氯

12、氣中余下的水分用濃硫酸脫除，干燥塔最佳進塔溫度為12-182。1.3.3 氯氣處理工藝的選擇一、冷卻工藝氯氣冷卻方式主要有直接冷卻與間接冷卻兩種。工業(yè)采用的工藝流程一般有以下兩種：一是采用兩級間接冷卻；二是采用間接冷卻和直接冷卻相結合。氯氣兩級間接冷卻法采用2級鈦列管冷卻器冷卻后經(jīng)酸霧捕集器送入干燥工序。一般用于規(guī)模低于5萬噸/年燒堿裝置。如圖1-1。圖1-1 氯氣二級間接冷卻工藝流程圖氯氣間接冷卻和直接冷卻相結合的工藝是先經(jīng)填料洗滌塔洗滌后，進入一段鈦列管冷卻器冷卻后經(jīng)酸霧捕集器送入干燥工序。如圖1-2。圖1-2 氯氣間接冷卻和直接冷卻相結合的工藝流程圖從使用單位對兩種工藝的使用經(jīng)驗比較，采

13、用填料洗滌塔代替一段鈦冷能更好的除去濕氯氣中夾帶的鹽霧，故選用間接冷卻與直接冷卻相結合的工藝更優(yōu)越3。二、干燥工藝氯氣干燥工藝最常用的工藝有兩種：一是“填料+篩板”二合一塔工藝；二是“一級填料塔”和“二級填料+泡罩塔”二級復合塔模式，形成兩級干燥工藝。采用二合一塔干燥工藝，干燥后的氯氣含水量約300ppm，可滿足氯氣壓縮采用納氏泵的含水要求。采用二級復合塔的兩級干燥工藝，干燥后的氯氣含水量100ppm，可以滿足氯氣壓縮采用離心式壓縮機（小型透平機）的含水要求4。二合一塔工藝干燥效果比一級填料塔效果好，但總體效果二級干燥工藝更好，且泡罩塔有更好的操作彈性，對總體工序的調(diào)節(jié)更有利。最終確定選擇二級

14、組合干燥工藝。三、壓縮輸送壓縮是將冷卻、干燥后的氯氣進行加壓，輸送至液化工序或其他用氯單位，最常用的工藝裝置有液環(huán)式氯氣壓縮機（納氏泵）和透平機。納氏泵是最原始、最常見的氯氣壓縮輸送設備，它是用濃硫酸作密封介質(zhì)，濃硫酸和氯氣經(jīng)葉輪由泵進入口吸入與偏心腔由大室漸至小室進行壓縮加壓后，從泵出口排出，經(jīng)氣液分離，酸又回到泵進口循環(huán)使用；納氏泵工藝簡單，操作方便、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，易于操作，一次性投資少，對氯氣含水和雜質(zhì)要求不嚴格，但輸送出口氯氣壓力低、氣量小、能耗大、運行費用高。透平機是借高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動氯氣通過雙級壓縮輸送氯氣。透平機自動化程度高、勞動強度輕、動力消耗低、輸出壓力高、運行周期長、經(jīng)濟費用

15、低，而對氯氣含水要求嚴格，一般不大于100ppm；不允許硫酸等雜物進入機構，機前加酸霧捕集器5。根據(jù)設計工藝指標，本工藝選擇透平機輸送。1.4 建設規(guī)模和產(chǎn)品規(guī)格1.4.1 建設規(guī)模本設計為80kt/a燒堿裝置的氯氣處理工序工藝設計。處理量：80kt/a NaOH；年生產(chǎn)時間：8000h;1.4.2 產(chǎn)品規(guī)格本設計采用間接冷卻與直接冷卻相結合，二級干燥，最后用透平輸送氯氣至下一工序的工藝，根據(jù)任務書要求以及流程模擬，本設計產(chǎn)品規(guī)格按GB 5138-2006工業(yè)用氯質(zhì)量規(guī)范中表1執(zhí)行，具體內(nèi)容見表1-2。表1-2產(chǎn)品規(guī)格項目指標優(yōu)等品一等品合格品氯氣的體積分數(shù)/% 99.899.699.6水分的

16、質(zhì)量分數(shù)/% 0.010.030.04三氯化氮質(zhì)量分數(shù)/% 0.0020.0040.004蒸發(fā)殘渣的質(zhì)量分數(shù)/% 0.0150.010-注：水分、三氯化氮指標強制。第二章 工藝流程2.1工藝流程概述本項目為80kt/a燒堿裝置的氯氣處理工序部分，來自電解工序的濕氯氣首先進入氯氣洗滌塔中部入口；氯水泵輸送氯水經(jīng)氯水冷卻器冷卻后，由氯水洗滌塔上部噴淋送入，與自下而上的氯氣逆向接觸，直接將氯氣進行洗滌冷卻。然后氯氣從上部進入鈦管冷卻器，被冷凍水間接冷卻至1215；經(jīng)酸霧捕集器的捕集后，分離的冷凝水和冷凝下來的氯水一起進入氯氣洗滌塔循環(huán)使用。氯水因不斷冷凝濕氯氣中的含鹽水蒸汽而增多，為了保持氯氣洗滌塔

17、液位需排出一部分去電解脫氯塔。氯氣從酸霧捕集器上部出來進入一級氯氣填料干燥塔。在填料塔內(nèi)氯氣被93硫酸噴淋干燥，硫酸由硫酸循環(huán)泵輸送經(jīng)硫酸冷卻器冷卻降溫后進入一級氯氣干燥塔，當濃度低于75%時，排到罐區(qū)的稀硫酸罐內(nèi)。干燥后的氯氣從下而上進入二級氯氣干燥塔(填料+泡罩塔）中，逐層通過泡罩式塔板被濃硫酸干燥。93的濃硫酸由濃硫酸高位槽供給，首先進入第一層塔板，經(jīng)降液管溢流逐步進入第二層、三層、四層塔板，然后進入填料層，各層塔板中酸的熱量由冷卻水間接吸收帶走。塔底濃硫酸由濃硫酸循環(huán)泵送入濃硫酸冷卻器,冷卻后經(jīng)二級氯氣干燥塔塔填料層到塔底部循環(huán)使用。干燥后的氯氣經(jīng)酸霧捕集器除去其中的硫酸酸霧和不潔物后

18、，進入透平機一級壓縮，冷卻后進二級壓縮，然后三級壓縮送至下一工序6。設計全流程圖如圖2-1。圖2-1 氯氣處理全流程圖2.2工藝流程說明2.2.1 冷卻除沫部分本設計中冷卻部分采用填料洗滌塔代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的一段鈦列管冷卻器，由電解生產(chǎn)的氯氣經(jīng)管道自然冷卻后，溫度降至八十攝氏度左右，含有大量水蒸氣、鹽霧和少量的有機物等雜質(zhì)，至氯氣處理工序進入氯水洗滌塔，用35氯水洗冷卻，溫度降至4045。氣體的含濕量是與溫度有著密切關系的。在不同的壓力和溫度的情況下，氣體中的含濕量（又稱為水蒸汽分壓）是不同的。飽和濕氯氣中含濕量同樣與溫度有著密切的關系。一般來說，在壓力相同的情況下，溫度較高的氣體中含水量要大于溫

19、度較低的氣體，詳見表2-1。由表中可知，在相同的壓力情況下，氣體溫度每下降10，濕氯氣中的“含濕量”幾乎降低近一半。以電解槽陽極出口氯氣溫度為90，經(jīng)自然冷卻后降到85，每千克濕氯氣中所含的水分為395 克。本設計中使用溫度為35的氯水洗滌直接冷卻，使其溫度降低至45；此時每千克濕氯氣含水分為27.3克，可以通過冷卻去除掉水分近350克，幾乎去除掉93.09%的含水分。表2-1不同溫度下飽和濕氯氣中的水蒸汽分壓和含水量溫度 水蒸汽分壓 mmHg水蒸汽含量 g/l1kg 氯氣中水蒸汽含量 g109.29.43.11512.812.84.32017.517.35.93031.830.010.840

20、55.351.219.85092.583.134.960149.413061.670233.719811280355.129321990525.842457195633.95051278在直接冷卻后，除去的水分為93.09%，再通過進入鈦列管冷卻器，用8的10%NaCl冷凍鹽水進行間接冷卻，使溫度下降到15，此時每千克濕氯氣含水分為4.3克，除去水分為98.91%。剩下的水分在干燥塔中用硫酸吸收干燥。按照降低氣相的溫度能夠減少“含濕量”的觀點，即氣相的溫度越低，氣體中水蒸氣分壓也越低，所含水分也就越少。那么繼續(xù)降低氣相的溫度，以求得較低的氣體“含濕量”，但當氯氣的溫度降低到9.6時，將會形成C

21、l28H2O 的結晶體，使冷凝下來的氯水結冰，將冷卻器及其管道堵塞，使氣體無法通過。因此濕氯氣的溫度不可無限制降低，應有適度，最佳的進干燥塔溫度是12 188。即鈦列管冷卻器出口氯氣溫度取15。在冷卻結束，氯氣中還夾帶少量水霧與鹽沫，采用水霧除霧器捕集后再進入干燥塔進行干燥。2.2.2 干燥部分在濕氯氣經(jīng)過冷卻除沫之后，氣流中所含的水蒸汽含量已經(jīng)減少到不足2 %。依據(jù)“先冷卻、后干燥”的工藝原理，干燥脫水是氯氣處理的主要單元操作。干燥脫水采用成熟的 H2O - H2SO4 系統(tǒng)的氣體吸收傳質(zhì)操作方式，是采用氣液相在一個或若干個容器中氣相所含的水蒸汽與不同濃度的硫酸溶液互相接觸，來完成氣相中的水

22、蒸汽被硫酸所吸收的脫水任務。干燥脫水后，氣相最終的含水分量往往取決于最后一個接觸容器中硫酸液面上的水蒸汽分壓，就是說取決于進入最后一個傳質(zhì)吸收容器的干燥劑硫酸的濃度和溫度，才能使氯氣中含水分量達到工藝要求。經(jīng)過干燥脫水氯氣中的最終含水分100ppm以下。本設計中采用組合強化的干燥工藝，干燥出口的氯氣溫度不會超過20；干燥出口的氯氣含水分降低到50ppm 以下，甚至15ppm 以下8。本設計采用二段組合塔干燥工藝，一段為填料干燥塔，二段采用泡罩+填料組合塔。在1段干燥塔中可以除去冷卻后剩余水分的百分之七十五左右。只要控制好出酸的H2SO4質(zhì)量分數(shù)為75%和塔體溫度為18-20，當系統(tǒng)穩(wěn)定后進填料

23、塔酸中的H2SO4質(zhì)量分數(shù)應約為百分之九十二。從計算分析來看，一段填料塔的穩(wěn)定操作是影響干燥質(zhì)量的關鍵因素，特別是出塔氯氣溫度20與30時質(zhì)量分數(shù)為75%的硫酸表面的水蒸氣分壓相差一倍，這也是一段干燥塔選用填料塔而不用板式塔的原因。大量的循環(huán)酸容易控制溫度，在一段干燥塔中熱效應并不十分大，以80kt/a裝置能力為例，熱負荷為12000kcal/h9。二段干燥選用泡罩+填料組合塔，因為二段干燥塔要有足夠的塔板數(shù)保證干燥質(zhì)量，且泡罩塔有較好的操作彈性，工藝要求氯氣處理工序具有較大的操作彈性；通過泡罩塔調(diào)節(jié)后在在下段填料塔強化吸收，以達到最優(yōu)的干燥效果，最終的氯氣出塔溫度為20，含水量在30ppm。

24、干燥過程中采用微負壓操作，操作壓力-10kPa。對于硫酸濃度與塔操作溫度的控制也有要求，硫酸溶液的濃度在85%，溫度在7.9就會產(chǎn)生H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O 的結晶，使管道、設備發(fā)生結晶體的堵塞，因此硫酸溶液的冷卻溫度以10為好。而在冬季濃度為98%的濃硫酸很容易結冰，可以采用濃度為93%的硫酸溶液或者采取伴熱措施。硫酸溶液的結晶溫度約束見表2-2。表2-2 硫酸溶液的結晶溫度表硫酸濃度（）結晶溫度（）結晶體70-42H2SO4 2H2O74-40H2SO4 2H2O75-41H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O76-28.1H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O80-3

25、H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O85+7.9H2SO4 2H2O；H2SO4 H2O90-10.2H2SO4 2H2O95-21.8H2SO4 98+0.1H2SO4由于在硫酸干燥脫水工藝中氯氣流與硫酸是呈湍流狀態(tài)進行接觸傳質(zhì)的，硫酸液滴也是呈“霧沫狀態(tài)”挾帶于氣流之中，必須在除霧凈化工序中予以除去，這對采用“氯氣離心式壓縮機組”進行氯氣壓縮輸送工藝來說尤為重要。因為要確保在壓縮機的流體通道內(nèi)不結垢、流體通道暢通，使輸送氣量不受影響是十分重要的。故氯氣在進入壓縮機之前先采用酸霧捕集器進行酸霧吸收。2.2.3 壓縮部分氯氣的壓縮輸送方式是很多的，可以采用離心式鼓風機、“液環(huán)式”壓縮機、往

26、復式壓縮機、螺桿式壓縮機以及離心式壓縮機等；本設計中采用離心壓縮機輸送。氯氣離心式壓縮機是適用于氯氣大流量、中低排出壓力場合下，高效實用的壓縮機。經(jīng)過處理凈化后的氣相氯氣中所含水分已經(jīng)低于100ppm、不含酸霧，完全適用于氯氣的壓縮輸送之用10。一級壓縮進口氯氣壓力表壓-10kPa，即經(jīng)過處理凈化后的氯氣壓力大于0.093MPa，被抽吸進入離心式壓縮機的一級進口，經(jīng)過葉輪壓縮以后，氣相的溫度上升同時靜壓能增高，被引出進入級間冷卻器，將氯氣溫度冷卻至常溫。然后再次被抽吸進入第二級進口，經(jīng)過葉輪壓縮以后，氣相的溫度上升同時靜壓能再次增高，被引出進入級間冷卻器，將氯氣溫度冷卻至常溫。如此經(jīng)過幾段壓縮

27、，直至氣相出口排出壓力達到設計要求，本設計中要求壓縮出口氯氣壓力為0.35MPa。第三章 工藝計算本設計采用直接與間接冷卻相結合，二段復合干燥的工藝處理氯氣。本流程為連續(xù)生產(chǎn)過程，涉及到的物料主要有電解濕氯氣、氯水、93%硫酸以及鈦冷卻器用的冷凍水等，輸入整個生產(chǎn)系統(tǒng)的能量主要有電能、介質(zhì)帶入的能量和進入物料的焓，輸出的能量有冷卻劑帶走的能量和輸出物料的焓。3.1 物料衡算 系統(tǒng)的物料衡算以質(zhì)量守恒為理論基礎，研究某一系統(tǒng)內(nèi)進出物料量及組成的變化，即： 系統(tǒng)累計的質(zhì)量=輸入系統(tǒng)的質(zhì)量 - 輸出系統(tǒng)的質(zhì)量+反應生成的質(zhì)量 - 反應消耗的質(zhì)量 假設系統(tǒng)無泄漏，有:dF/dt=FIN-FOUT+CR

28、-CR當系統(tǒng)無化學反應發(fā)生時，有:dF/dt=FIN-FOUT在穩(wěn)定狀態(tài)下，有： dF/dt=FIN-FOUT=0，F(xiàn)IN=FOUT注：FIN進入系統(tǒng)的物料流率； FOUT流出系統(tǒng)的物料流率； CR反應產(chǎn)生物料速率； CR反應消耗物料速率。通過對系統(tǒng)整體以及部分主要單元的詳細物料衡算，得到主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原料的消耗量，“三廢”的排放量以及最后產(chǎn)品的質(zhì)量指標等關鍵經(jīng)濟技術指標，對所選工藝路線、設計流程進行定量評述，為后階段的設計提供依據(jù)。該系統(tǒng)中氯水冷卻器、硫酸冷卻器以及透平機等設備物料均為一進一出，假設系統(tǒng)無泄漏，故不需對這些設備進行物料衡算；只需對塔設備與其他多進多出的設備進行物料衡算。酸

29、霧捕集器、水霧捕集器的除霧過程為等溫除霧，它主要的目的就是除去混合氣中少量的水霧酸霧與鹽沫，減少混合氣體中水霧（酸霧與鹽沫）的夾帶。在計算中，按理想狀態(tài)下，忽略了混合氣體中夾帶的少量泡沫和水霧，經(jīng)過冷卻器出來的各組分全部以氣體的形式存在，則物流經(jīng)過除霧器后可忽略各組分的微小變化。根據(jù)氣體溶解度可知：氯氣中的不凝性氣體，（以空氣代替）在混合氣中含量較少，并且在水中的溶解度非常小，即可將這些氣體的含量視為常數(shù),則進出系統(tǒng)前后不凝性氣體視為量不變。為了計算的簡潔和方便，按理想化狀態(tài)，忽略了氣體中夾帶的少量液態(tài)水霧和泡沫?；旌衔锔鹘M分進行編號：Cl2a； H2Ob； AIR(不凝性氣體) c；生產(chǎn)在1

30、0-20mm H2O微負壓下操作，但是對于常壓10.33m H2O而言，可忽略不計，認為系統(tǒng)是在常壓下操作。以表1-1中濕氯氣組成為設計數(shù)據(jù)來源，本設計為80kt/a燒堿裝置，按年生產(chǎn)時間8000h計算，則進入洗滌塔前的混合濕氯氣物料總量：n總=302kmol/h其中nCl2=124.6 kmol/h nH2O=172.2 kmol/h nAIR=5.2 kmol/h3.1.1洗滌塔至水霧捕集器前 將洗滌塔至水霧捕集器前的整個系統(tǒng)看做一個整體進行物料衡算，冷卻器的冷物流走殼程，不參與物流交換，則輸入該系統(tǒng)的物料只有來自電解槽的90濕氯氣F0，輸出該系統(tǒng)的物料有氯水箱外排氯水F1、冷卻器出料F7

31、，如圖3-1。 冷鹽水 水霧捕集器F冷卻器5F7 F8電解氣 洗滌塔F0 98%酸電解槽F3 F6 冷鹽水 F2 氯水箱 F1 外排氯水圖3-1洗滌塔至水霧捕集器前的物料衡算系統(tǒng)對該系統(tǒng)混合物各組分進行物料衡算：FIN=FOUT由于該系統(tǒng)無化學反應發(fā)生，則：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 AIR（不凝性氣體）: n0,c=n7,c=5.2 kmol/h 查飽和蒸汽壓表可知：T=15時，水的飽和蒸汽壓為：Ps=1.7053kPa

32、.由道爾頓分壓定律得：=，即 = 表3-1 氯氣的溶解度數(shù)據(jù)S/g 1.460.9800.7160.5620.4510.3860.3240.2740.2190.125t/0102030405060708090查表3-1可知：T=65時，氯氣的溶解度S=0.299g/100gH2O.則= 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 kmol/h在前面的理想假設中忽略了不凝性氣體的溶解度，所以在F1中不存在這些組分的含量,全部在F7中.則洗滌塔至濕氯除霧器總的物料衡算數(shù)據(jù)如表3-2。表3-2 洗滌

33、塔至水霧捕集器物料平衡表輸入（F0）輸出（F1、F7）組分質(zhì)量kg/h組分質(zhì)量kg/hCl2H2O124.6×70.91=8835.38172.2×18.02=3103.04Cl2H2O(0.10+124.50)×70.91=8835.38(131.20+41.00)×18.02=3103.04AIR5.2×29=150.8AIR5.2×29=150.8總計12089.22總計12089.22從物料計算數(shù)據(jù)中可見，水的飽和蒸汽壓與溫度是成正比關系的，冷卻后的溫度越低，含水量就越少，含水量少對氯氣干燥越有利，同時對降低硫酸消耗量也有利。

34、但溫度不能過低，當?shù)陀?.6時，氯氣和水形成Cl2.8H2O水合結晶，導致管道堵塞，溫度控制指標范圍為：1218。3.1.2鈦列管冷卻器在氯堿工業(yè)中，冷卻器是不可缺少的設備，冷卻器的主要作用是降低混合氣的溫度，即可降低水蒸氣的飽和蒸汽壓，使水蒸氣形成液態(tài)水排除出，本設計中鈦列管冷卻器熱物流為來自洗滌塔直接降溫后的45濕氯氣，冷物流選用8的冷凍鹽水（NaCl溶液），冷卻后凝結的水分由管箱排液空排往氯水箱；控制冷卻器的出口溫度為15（指標范圍1218），不能過低，防止形成Cl2.8H2O水合結晶，堵塞管道如圖3-2。冷卻器F5（45） F7（15） F6（15）圖3-2鈦列管冷卻器物料衡算 此設備

35、混合物各組分的物料衡算： FIN=FOUT由于該系統(tǒng)無化學反應發(fā)生，則：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查飽和蒸汽壓表可知：T=45時，水的飽和蒸汽壓為：Ps=9.5837kPa.由道爾頓分壓定律得：=即 = 查表3-1可知：T=15時,氯氣的溶解度S=0.848g/100gH2O 則 = 解方程可得： n5,a=124.51 kmol/h ； n5,b=9.70 kmol/h；n6,a=0.01 kmol/h； n

36、6,b=31.30 kmol/h表3-4冷卻器物料平衡表輸入（F5）輸出(F6、F7)組分質(zhì)量/（kg/h）組分質(zhì)量/（kg/h）Cl2H2O124.51×70.91=8829.0441.00×18.02=738.82Cl2H2O(0.01+124.50)×70.91=8829.04(31.30+9.70)×18.02=738.82AIR5.2×29=150.8AIR5.2×29=150.8總計9718.66總計9718.663.1.3水霧捕集器水霧捕集過程為等溫除霧，它主要的目的就是除去混合氣中少量的水霧，減少混合氣體中水霧的夾帶，

37、降低氯氣中含水率；在計算中，按理想狀態(tài)下，忽略了混合氣體中夾帶的少量泡沫和水霧，經(jīng)過冷卻器出來的各組分全部以氣體的形式存在，則經(jīng)過濕氯氣水霧除霧器后可忽略各組分的微小變化，如圖3-3。 F7(15)水霧除霧器 F8 (15)圖3-3 水霧除霧器物料衡算系統(tǒng)則濕氯除霧器的物料衡算： FIN=FOUT由于該系統(tǒng)無化學反應發(fā)生，則：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；3.1.4氯水箱氯水箱是為氯水洗滌塔提供循環(huán)氯水，并收集因

38、為保持洗滌塔液位排出洗滌塔的循環(huán)氯水與冷卻器冷凝下來的氯水。F2為洗滌塔排出氯水，F(xiàn)3為去往洗滌塔的循環(huán)氯水，F(xiàn)6為來自冷卻器的冷凝氯水，如圖3-4。氯水箱 F2 F3 F6 F1圖3-4 氯水箱物料衡算系統(tǒng)對該系統(tǒng)混合物各組分進行物料衡算：ni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；n2,b=2802.29kmol/h表3-5 氯水箱物料平衡表輸入（F2、F6）輸出(F1、F3

39、)組分質(zhì)量/（kg/h）組分質(zhì)量/（kg/h）Cl2H2O(2.13+0.01）×70.91=151.75(2802.29+13.30)×18.02=50737.03Cl2H2O(0.10+2.04)×70.91=151.75(131.20+2684.40)×18.02=50737.03總計50888.78總計50888.783.1.5洗滌塔以上的計算過程中進、出洗滌塔的各物料的數(shù)據(jù)都已求得，由表3-6可知，洗滌塔各物料守衡。表3-6 洗滌塔物料平衡表輸入(F0、F3)輸出(F4、F2)組分質(zhì)量/（kmol/h）組分物質(zhì)的量/（kmol/h）Cl2H2O

40、(124.6+2.04)×70.91=8980.22(172.2+2684.40) ×18.02=50659.47Cl2H2O(2.15+124.49)×70.91=8980.22 (2802.29+9.70)×18.02=50659.47AIR5.2×29=150.8AIR5.2×29=150.8總計59790.49總計59790.493.1.6干燥塔干燥塔是氯氣處理工序的重要設備，干燥效果的好壞直接影響氯氣的指標。在這里主要計算干燥塔上頂?shù)某隹谖锪辖M成，濃硫酸的質(zhì)量消耗流量，稀硫酸的質(zhì)量排放流量。F11 20 F15 18組合塔

41、F12 填料塔 F10 F10 F14F9 20 F13 F8 15圖3-5 干燥部分物料衡算系統(tǒng) 本設計中填料干燥塔濃硫酸的除水除水效率取75%，忽略Cl2在93%的濃硫酸中微量的溶解，即n8,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本設計中F15中水含量取30ppm，忽略Cl2在93%的濃硫酸中微量的溶解，即n8,a=n11,a= n15,a =124.50 kmol/h.則 即 =30ppm解得：n15,b=0.0177 koml/h.一、一段干燥塔在一段填

42、料干燥塔中，主要計算干燥塔上頂?shù)某隹贔11物料組成，進料濃硫酸F10的質(zhì)量消耗流量，出料稀硫酸F9的質(zhì)量排放流量。忽略氯氣在濃硫酸中的溶解，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在實際生產(chǎn)中，為防止冬季硫酸結冰，用93%濃硫酸作為干燥劑，對濕氯氣進行干燥，當硫酸降為75%時進行外排。設93%、75%的硫酸中純硫酸物質(zhì)的量為 N kmol/h.（分子量M=98.07）則： 98.07N=93%×（9

43、8.07×N+18.02×n10,b） 98.07N=75%×（98.07×N+18.02×n9,b） 解方程可得： N=5.1776, n10,b=2.1209, n9,b=9.3936則 93%硫酸的質(zhì)量流量為：L1=N×M(H2SO4)+M(H2O)×n10,b=5.1776×98.07+18.02×2.1209=508.16 kg/h.75%硫酸的質(zhì)量流量為：L2=N×M(H2SO4)+M(H2O)×n9,b=5.1776×98.07+18.02×9.393

44、6=639.21 kg/h.表3-7 一段填料干燥塔物料平衡表輸入(F8、F10)輸出(F9、F11)組分質(zhì)量/（kg/h）組分質(zhì)量/（kg/h）Cl2H2O124.50×70.91=8828.32（9.70+2.12）×18.02=212.96Cl2H2O124.50×70.91=8828.32（2.4243+9.39）×18.02=212.96AIRH2SO45.2×29=150.85.1776×98.07=507.78AIRH2SO45.2×29=150.85.1776×98.07=507.78總計9699.

45、06總計9699.06知填料干燥塔濃硫酸的除水能力為：131.0550 kg/h，除水效率75%.二、二段干燥塔（泡罩+填料） 在組合干燥塔中，帶水氯氣F11從塔底進入，干燥后從塔頂F15出塔；濃硫酸F12從塔頂進料，依次溢流通過5層泡罩塔板后進入填料層，塔底硫酸由循環(huán)泵打入塔中部循環(huán)到填料層進料F14,濃度低于75%的硫酸由F13排出。如圖3-6： F15 18組合塔 F12 F14 F11 F13圖3-6 二段組合干燥塔忽略氯氣在濃硫酸中的溶解，各物料的衡算式 ni，入=ni，出，Cl2: n8,a=n15,a=124.50kmol/hH2O: n12,b+n11,b =n13,b+n15

46、,b 即 2.4243+n12,b=0.0177+n13,b AIR: 5.2 kmol/h在實際生產(chǎn)中，用93%濃硫酸作為干燥劑，對濕氯氣進行干燥，當硫酸降為75%時進行外排.設93%、75%的硫酸中純硫酸物質(zhì)的量為 N kmol/h.（分子量M=98.07）則： 98.07N=93%×（98.07×N+18.02×n12,b） 98.07N=75%×（98.07×N+18.02×n13,b） 解方程可得： N=1.7133, n12,b=0.1290, n13,b=2.5356則 93%硫酸的質(zhì)量流量為：L1=N×M(H

47、2SO4)+M(H2O)×n10,b=1.7133×98.07+18.02×0.1290=170.36 kg/h.75%硫酸的質(zhì)量流量為：L2=N×M(H2SO4)+M(H2O)×n9,b=1.7133×98.07+18.02×2.5356=213.72 kg/h.表3-8 二段組合干燥塔的物料平衡表輸入(F8、F10)輸出(F9、F11)組分質(zhì)量/（kg/h）組分質(zhì)量/（kgl/h）Cl2:H2O:24.5004×70.91=8828.32(2.4243+0.1290)×18.02=46.01Cl2:H

48、2O:24.5004×70.91=8828.32(0.0177+2.5356)×18.02=46.01AIR:H2SO4: 5.2×29=150.81.7133×98.07=168.02AIR:H2SO4:5.2×29=150.81.7133×98.07=168.02總計：9193.15總計：9193.15從表中可知填料干燥塔濃硫酸的除水能力為：43.37 kg/h，除水效率99.27%.3.2 熱量衡算 系統(tǒng)的熱量衡算熱量守恒為理論基礎，研究某一系統(tǒng)內(nèi)各類型的熱量的變化對后續(xù)計算提供依據(jù)：(1) 確定流程中機械所需的功率，為設備設計

49、和選型提供依據(jù)。 (2) 確定各單元操作中所需的熱量或冷量及傳遞速率，確定加熱劑和冷劑的用量，為后續(xù)換熱和公用工程的設計做準備。 (3) 最終計算出所需的熱量和費用，判定工藝過程的經(jīng)濟性。3.2.1洗滌塔及氯水箱 在該系統(tǒng)中，來自電解槽的90高溫濕氯氣經(jīng)過洗滌塔35氯水噴淋洗滌直接冷卻后溫度下降到45，氯水由氯水箱經(jīng)氯水循環(huán)泵打入。輸入系統(tǒng)的熱量，由90濕氯氣帶入熱量，冷卻器冷凝氯水F6帶入熱量；輸出系統(tǒng)的熱量，出塔45濕氯氣F5帶走熱量，排出氯水帶走熱量，如圖3-7。 F5（45）洗滌塔 F0（90） F3F2氯水箱 F6（15） F1（65）圖3-7 洗滌塔及氯水箱系統(tǒng)表3-9水標準焓值、

50、氯氣標準焓值 溫度物質(zhì)152040456580H2OkJ/kgl62.8083.74167.47188.41272.40334.94g2520.502530.102568.602577.802615.502642.30Cl2kCal/kg 164.70165.04166.23166.48167.24167.47一丶洗滌塔熱量衡算因為其他組分的含量較少，引起微小的熱量變化可忽略不計，需要水和氯氣的物性參數(shù)即可。假設此系統(tǒng)可忽略熱量損失。 系統(tǒng)的熱量衡算： H=H出-H入 即 H=H5+H1-H0-H6（1）H0=mo,i×h0,imo,a×h0,a+mo,b×h0,b =167.47×4.1868×124.6×70.91+2642.30×18.02×133.8024 =14394222.41 kJ/h（2）H6=m6,i×h6,i=m6,a×h6,a+m6,b×h6,b=164.70×4.1868×70.91×0.0101+62.80×18.02&#