氢气净化工序的设计.doc

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1、 毕业设计任务书设计（论文）题目： 6万吨/年隔膜法制烧碱氢气处理工序装置的设计 系： 材化系 专业： 化学工程与工艺 班级： 应用化工学号： 学生： 指导教师： 刘 勇 接受任务时间 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕业设计的主要内容及基本要求a、设计方案简介：包括对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。b、主要设备的工艺设计计算：包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计。c、典型辅助设备的选型和计算：包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。d、工艺流程简图：以单线图的形式绘制，标出主要设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和

2、主要化工参数测量点。e、主要设备工艺条件图：包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表。f、编写设计说明书：包括设计任务书、目录、设计方案简介与评述、工艺设计及计算、主要设备设计、设计结果汇总表、参考资料等内容，并附工艺流程图和主要设备结构总装图。2指定查阅的主要参考文献及说明a、氯碱工艺b、化工原理课程设计c、物性手册d、常用化工单元设备的设计e、化学工程手册f、化工工艺设计手册3进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1文献查阅2008年3月16日（第二周末）前完成2开题报告2008年3月23日（第三周末）前完成；开展初期教学检查3设计工作 2008年3月26日至2007年5月25日（第十二周

3、末）完全结束；开展中期教学检查4提交设计（论文）初稿2008年6月1日（第十三周末）5答辩时间 2008年6月16日6月20日（第十五周）目 录1 总论11.1 概述11.1.2氯碱工业在国民经济中的地位11.1.3氢气处理的任务和方法21.2氢气处理工艺流程确定22 工艺计算32.1氢气处理工艺流程32.2计算依据32.3工艺计算42.3.1电解饱和食盐水42.3.2盐水氢气热交换器42.3.3洗涤冷却塔73 主要设备设计及选型103.1盐水氢气热交换器103.1.1相关物性数据：103.1.2平均密度，比热容，黏度，导热系数3.1.3设计计算113.1.4总传热系数的校核173.1.5核算

4、压强降213.1.6换热器附件243.2水洗涤冷却塔253.3氢气输送设备313.4水输送泵313.5液封循环水池323.6氢气缓冲罐324 设计评述345 参考文献346 致谢357 附图361 总论1.1 概述1.1.1氢气氢气H2,分子量2.016，在常温下为无色，无味，无臭的可燃气体；密度在0；760mmHg时为0.08987g/l，沸点为-252.7；结晶温度是-259.1；对空气之比重是0.0695；在水中溶解度很小，标准状态下溶于水中之氢气体积为0.0215。而在镍、钯和铂内的溶解度很大，1体积能解几百体积氢。氢气是最轻的气体，最常见的用途是充填氢气球和氢气飞艇。其实氢气是重要的

5、化工原料。如：氢气和氮气在高温、高压、催化剂存在下可直接合成氨气，目前，全世界生产的氢气约有2/3用于合成氨工业。在石油工业上许多工艺过程需用氢气，如加氢裂化，加氢精制、加氢脱硫、催化加氢等。氢气在氯气中燃烧生成氯化氢，用水吸收得到重要的化工原料盐酸。氢气在氧气中燃烧的火焰氢氧焰可达3000高温，可用于熔融和切割金属。氢气和一氧化碳的合成气，净化后经加压和催化可以合成甲醇。在食品工业上，氢气用于动植物油脂的硬化，制人造奶油和脆化奶油等。在冶金工业中，利用氢气的还原性提炼贵重金属。氢气还可以提供防止氧化的还原气氛。氢气除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外，还用于炼钨、生产多晶硅以及有机化合物的加

6、氢等。随着新技术的发展，氢气的应用将更为广泛和重要。氢气是最理想的无污染燃料，液氢还有希望成为动力火箭的推进剂。1.1.2氯碱工业在国民经济中的地位近年来，氯碱工业的技术进步体现在盐水精制、电解过程、固碱生产、氯氢处理、自动控制等生产全过程，新技术的应用推动着氯碱工业不断发展。烧碱是主要的化工原料之一，它广泛用于国民经济个部门，如果用于纺织印染工业，处理棉麻，蚕丝，化学纤维等；用于造纸工业，处理木材等纤维；用于肥皂工业，进行油脂皂化等；还有作精炼油及金属铅，作干燥剂或作化工生产的原料及医药工业等方面的用途。烧碱分为液体烧碱和固体烧碱，烧碱的化学性质很活泼，能与酸强烈反应生成盐和水，并放出大量热

7、，烧碱的腐蚀性很强，特别在高浓度和高温时，对钢铁有严重腐蚀作用。固碱一般为白色固体。暴露在空气中易吸收水分而潮解，湿润固碱对生物有侵蚀作用。固碱易溶于水，并产生大量的热，亦能溶于醇类，但不溶于丙酮。由于它吸水性强，可用作干燥剂。食盐电解联产的烧碱、氯气、氢气，在国民经济的所有部门均很需要，除应用于化学工业本身外，有轻工、纺织、石油化工、有色金属冶炼和公用事业等方面均有很大用途，作为基本化工原料的“三酸二碱”中，盐酸烧碱就占了其中两种，而且氢气还可进一步加工成许多化工产品。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及到国民经济及人民生活的各个领域。1.1.3氢气处理的任务和方法从电解槽出来的氢气,其温度稍低于

8、电解槽槽温,并含有饱和水蒸汽,同时还带有盐和碱的雾沫.所以在生产过程中应进行冷却和洗涤,冷却后的氢气有氢气压缩机压缩到一定压力后经氢气分配站送到氢气柜及用氢部门。1.2氢气处理工艺流程确定电解槽阴极出来的90氢气，含有水蒸汽，盐，碱雾沫，少量氯气等其他杂质，一般采用间接和直接法除去，达到要求。鉴于本次设计中部充分考虑热综合利用，故采用直接法工艺，以简化流程和投资。其选择流程为电解来的氢气经过气体缓冲罐后，进入盐水氢气热交换器，预热盐水，热量回收后，盐水温度上升10，去电解槽电解。这样既节约氢气冷却所需耗用的水量，有减少了盐水提高到进电解槽温度所需的蒸汽消耗。由盐水氢气热交换器出来的氢气（约50

9、）进入洗涤填料塔，经洗涤冷却至冷却至30，氢气中大部分固体杂质及蒸汽冷凝水被冷却水带走排入热水池，而氢气则从塔顶出来进入罗茨鼓风机（氢气压缩机），抽送至用户。公用系统来自工业水，经与氢气换热后进入水池，再用泵抽吸返回公用系统制冷后，再次循环使用。既节约用水又避免工业上水带入大量钙镁与氢气带来的碱反应，使生成的氢氧化钙和氢氧化镁沉淀堵塞填料。2 工艺计算2.1氢气处理工艺流程氢气处理工艺流程图见下，据此进行物料衡算和热量衡算： 图2-1 氢气处理工艺流程图电解来的氢气经过气体缓冲罐后，进入盐水氢气热交换器，预热盐水，热量回收后，盐水温度上升10，去电解槽电解。这样既节约氢气冷却所需耗用的水量，有

10、减少了盐水提高到进电解槽温度所需的蒸汽消耗。由盐水氢气热交换器出来的氢气（约50）进入洗涤填料塔，经洗涤冷却至冷却至30，氢气中大部分固体杂质及蒸汽冷凝水被冷却水带走排入热水池，而氢气则从塔顶出来进入罗茨鼓风机（氢气压缩机），抽送至用户。2.2计算依据1计算基准以1000kg 100%NaOH产氢量做计算基准2操作压力一个标准大气压（1 atm=101.33 kpa）3操作温度管道 盐水氢气热交换器 洗涤冷却器 用氢部门90 80 50 304氢气纯度大于等于98%5年操作时间330天=30024小时=7928小时6年产量6万吨烧碱100%产氢7相关物性数据 表2-1 不同温度下的物料的物性数

11、据物料项目温度80503025湿氢气（）CpKJ/Kgk14.45614.42714.375空气CpKJ/Kg1.0091.0051.005水蒸汽KJ/Kg2642.32587.42549.3水饱和蒸汽压KPa47.39712.3404.2474水（液）KJ/Kg209.30125.69104.7952.3工艺计算2.3.1电解饱和食盐水电解槽中的电化学和化学反应阳极反应： 阴极反应： 2.3.2盐水氢气热交换器1计算依据（1）湿氢气从电解槽阴极出来，温度稍低于电解槽温度，大致为90，在管道中输送至本工段时，由于管道的热损失，温度大致为80。（2）设盐水温度 2030 湿氢气温度 8050（3

12、）假定出口压力为 100.34 Kpa 忽略在水中的溶解。2物料衡算 （1）设换热器中湿氢气冷凝水量为 L，由道尔顿分压定律列出方程：解得： =172.80 Kg 则出塔气体组成氢气： 12.5 kmol （25kg）水汽： 1.79 kmol （205-172.80=32.20kg）不凝气体：0.255 kmol (7.39kg) （不凝气体以空气的物性数据来计算）（2）物料衡算表 a以1000kg100%NaOH产氢作为计算标准表2-2 盐水氢气热交换器物料衡算表名称进盐水氢气热交换（kg）出盐水氢气热交换器（kg）氢气2525水汽20532.20不凝气体739739水0172.80总计2

13、373923739 b.总物料衡算 以年产量6万吨烧碱100%产氢作为计算基准表2-3 盐水氢气热交换器总物料衡算表名称进盐水氢气热交换（kg）出盐水氢气热交换器（kg）氢气15000001500000水汽123000001932000不凝气体443400443400水01036800总计14243400142434003. 热量衡算 （1） 入换热器湿氢气带入热量：氢气： =mCp=2514.45680=28912 kJ不凝气体： =mCp=7.391.00980=597 KJ水蒸气： =m=2052642.3=541672 KJ（2） 出换热器湿氢气带出热量： 氢气： = mCp=2514

14、.42750=18034 KJ 空气： = mCp=7.391.00550=371 KJ 水蒸气： = m=32.202587.4=83314 KJ 冷凝水： = m=172.80209.30=36167 KJ（3） 盐水带出热量： 设盐水量为 kg,温度20，出塔温度为30， （此盐水温度以春季盐水温度作为计算基准） 查氯碱工艺学【1】得： 20 30 Cp （KJ/KgK） 3.42 3.45 进口盐水：=3.4220=68.4 出口盐水：=3.4530=103.5（4） 忽略热损失： 则 = + = + 28912+597+541672+68.4=18034+371+83314+3616

15、7+103.5 =12344.58 kg 即：进入系统水量为： 12344.58 kg ,出系统冷却水量为：12344.58 kg冷却水带入热量：=3.4220=68.4=68.412344.58=844369 kJ冷却水带出热量：=3.4530=103.5=103.512344.58=1277364 kJ（5） 热量衡算表 表2-4 盐水氢气热交换器热量衡算表物料输入输出数量 kg热量 kJ数量 kg热量 kJ氢气25286122518034不凝气体7.395977.39371水蒸气20554167232.2083314盐水12344.5884436912344.581277364冷凝水00

16、172.836167合计12581.97141525012581.9714152502.3.3洗涤冷却塔1计算依据（1） 电解氢气从盐水氢气换热器中出来，达到系统要求温度，进入本工段氢气温度为50，经本工段洗涤冷却温度从50降至30。（2）设盐水温度 2530 湿氢气温度 5030（3）假定出口压力为98.2474 kPa 氢气纯度98% 忽略在水中的溶解2物料衡算（1）洗涤冷却塔湿氢气出口温度为30，则冷凝水量为,同理，由道尔顿分压定律列出方程： =解得：=21.83 kg则出塔气体组成： 氢气： 12.5 kmol (25kg) 不凝气体： 0.255 kmol (7.39kg) 水蒸汽：

17、 0.576 kmol (32.20-22.83=10.37kg)冷凝水： 1.213 kmol （21.83kg）（2） 出塔气体中氢的含量：93.76%干气体中氢的百分数：98%（3） 物料衡算表a.以1000kg100%NaOH产氢作为计算标准表2-5 洗涤冷却塔物料衡算表名称进洗涤冷却塔（kg）出洗涤冷却塔（kg）氢气2525不凝气体739739水蒸汽32.2010.37冷凝水021.83合计64.5964.59 b.总物料衡算 以年产量6万吨烧碱100%产氢作为计算标准表2-6 洗涤冷却塔总物料衡算表名称进洗涤冷却塔（kg）出洗涤冷却塔（kg）氢气1500000015000000不凝

18、气体443400443400水蒸汽1980000622200冷凝水01309800合计17423400173754003热量衡算 （1）湿氢气进口热量： 忽略管道热损失，与上一工段出口热量相同 故氢气： =18034 kJ不凝气体： =371 kJ水蒸气：=83314 kJ （2）湿氢气出口热量氢气： = mCp=2514.37530=10781 KJ 空气： = mCp=7.391.00530=223 KJ 水蒸气： = m=10.372549.3=26436 KJ （3） 冷却水带出热量设进入系统冷却水量为 kg ,温度25，出塔温度30，则 出塔水量 +=+21.83 kg入塔水带入热量

19、： = m=104.795 出塔水带出热量： = m=125.69（+21.83） （4） 忽略热损失则Q进=Q出 +=+18034+371+83314+104.795=10781+223+26436+125.69（+21.83）解得：=2944.96 kg故入塔冷却水量 2944.96 kg ,出塔冷却水量为： 2944.96+21.83=2966.79 kg入塔冷却水带入热量：=104.795=2944.96104.795=308617 kJ出塔冷却水带出热量：=125.69（+21.83）=2966.79=372896 kJ （5）热量衡算表表2-7 洗涤冷却塔热量衡算表物料名称输入输出

20、数量 kg热量 kJ数量 kg热量 kJ氢气25180342510781不凝气体7.393717.39223水蒸气32.208331410.3726436冷凝水0021.832744冷却水2944.963086172944.96371052合计3009.554103363009.554103363 主要设备设计及选型3.1盐水氢气热交换器3.1.1相关物性数据：热流体定性温度： =65冷流体定性温度： =25表3-1 定性温度下相关物性数据物料名称密度kg/比热容kJ/kgk黏度Pas导热系数w/(m)氢气0.069814.389.660.0206空气1.04451.0752.0320.029

21、31水蒸气0.16111.8951120.0218盐水11863.2921.900.5883.1.2平均密度，比热容，黏度，导热系数（1）进口总摩尔量：=+=12.5+0.255+11.37kmol=24.125kmol（2）出口总摩尔量：=+=12.5+0.255+1.79kmol=14.545kmol故=0.518 =0.859=0.010 =0.018=0.472 =0.123（3）平均摩尔质量=0.68=0.014=0.2975（4）平均密度=0.68850.0698+0.0141.0445+0.16110.2975=0.1106 kg/（5）比热容=0.688514.38+0.014

22、1.075+0.29751.895=10.47944 kJ/kgk（6）黏度=65.2991 Pas（7）导热系数=0.021375 w/(m)3.1.3设计计算（1）计算依据：由氯碱工业理化常数手册3中查知，盐水氢气换热器的总传热系数范围在200500 kcal/(m2h)，即233582 w/(m2)（2） 类型选择：查换热器设计【5】 a,目前换热器有三种规格：固定管板式，浮头式，U形管其中，固定管板式，金属耗量低，造价低，适用与冷热流体温差低于60，壳体内压强不高，可利用膨胀节进行温差。 本工段选用固定管板式 b,流体路径本工段是盐水预热器，使能量回收，盐水在进入本工段时已经精制，不易

23、产生污垢，而且热流体中饱和水蒸气有相变，为便于及时排除冷凝水故选湿氢气管程精盐水壳程（3）热负荷Q= (-)因为 存在相变Q= (-)+r =245.1310.49744(80-50)/3600+1551.46(2587.4-209.34)/3600=1046.40 kw（4）假设k=480 w/(m2)则 估算的传热面积为S=Q/Ktm (3-1)其中，Q换热器热负荷，W K总传热系数，W/(m2) tm对数平均温差，.=1.67由于 1.67 2所以 =40R=3P=0.167 图3-2 对数平均温度差校正系数值温度差校正系数 =0.966由于 =0.9660.8 ， 可见单管程单壳程适合

24、。所以平均温度差 =0.96640=38.65则由式（3-1）有S0 =1046400/(48038.65)=56.434考虑15的面积裕度，则所需传热面积为：S =1.15 S0=1.1556.434=64.85 查化工原理【4】附录可知传热面积符合要求。（5）选用252.5，3m长的钢管， 所需管数N= (3-2)其中， A0传热面积， 换热管外径，m l换热管长度，m 。N =245根（6）管子的排列方式及管子与管板的连接方式的选定 管子的排列方式，采用正三角形排列，因为对于相同壳径，管径和管间距的换热器，正三角形排列大约可多15%的传热面积。因此，此设计选用正三角形排列。由于其在一定的

25、管板面积上可配置较多的管子，而且管外表面传热系数较大；管子与管板的连接，采用焊接法（7）计算外壳内直径管子中心距 t=1.25=1.2525=32mm横过管束中心线的管数 =1.1=1.1=17.22取整 =18根按壳体直径标准系列尺寸圆整。取 D=600mm因为 =5 在46的范围内，管长径合适（8）折流板直径、数量机器有关尺寸确定选取折流板与壳体见的间隙为 3.5mm折流板的直径 =600-23.5=593 mm切去弓形高度 h=0.25D=0.25600=150 mm折流板数量 =-1 （3-4）其中 折流板数量，块； 折流板间距，mm； L管子长度，mm； 折流板间距 =300mm，那

26、么 =-1=8.67取整得 =9 块实际折流板间距为 =290mm（9）拉杆的直径和数量与定距管的选定选用12 mm钢拉杆，数量6条。定距管采用与换热器相同的管子，即 25 mm2.5 mm钢管。（10）温度补偿圈的选用 由于=65-25=40 50 所以 不用考虑设置温度补偿圈（11）换热器参数表3-2 换热器结构基本参数外壳直径： =600 mm换热面积： 64.85换热管数量： 245根管长： 3m管子规格： 252.5管中心距： t=32mm管子排列方式： 正三角形管程数： 1壳程数： 1折流板数量： =9 块折流板间距： =290mm拉杆数量： 6条拉杆直径： 12 mm定距管： 与

27、换热管相同规格通过管板中心的管子数： =18根（12）换热器重要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器的重要构件有封头，筒体法兰，管板，筒体，折流板，支座等。接管有：流体进出口接管，排气管，排液管等。 筒体(壳体)壁厚的确定 （3-5）选取设计压力P=0.6Mpa，壳体材料为Q235，查得其相应的许用应力=113Mpa；焊缝系数=0.65，腐蚀裕度C=3+0.5=3.5mm，所以=mm 根据钢板厚度标准，取厚度为6mm钢板，即=6mm 封头，筒体法兰，管板均有标准可选用，具体结构尺寸查看本工段换热器附件表。 流体进出口直径的计算 （3-6）其中， d接管直径，m；Vs 质量流量，kg/；u 流速，m/

28、s；湿氢气进出口接管，取=25 m/s，那么 = =0.058经圆整后取57 mm3.5mm热扎无缝钢管（GB8163-87），实际湿氢气进出口管内流速为=25.78 m/s盐水进出口接管，取=1.5 m/s，那么=0.05 m经圆整后取50mm3.5mm热扎无缝钢管（GB8163-87），实际湿氢气进出口流速为：= =1.559m/s3.1.4总传热系数的校核+ Rso+ Rsi+ （3-7）（1）管程传热系数的计算 混合气体的传热系数用西德尔和塔特关联式 （3-8）其中， 导热系数，W/(m2)， 管子内径，m；流体黏度，PaSRe雷诺准数，无因次，Pr普兰特准数，无因次。L管子长度，m；

29、a.管程流体流通截面积 （3-9）3.14/40.022245/10.07693其中，管子内径，m； 壳程数； N管子数量，根；b.管程流体流速 ui=Vs/ （3-10）=3.47 m/s其中，Vs流体在壳体的体积流量，m3/h。c.雷诺数 Rei （3-11）27.08 （层流）其中， 流体在壳程的流速，m/s， 流体平均密度，kg/m3，流体平均粘度，pas。d.普兰特数 Pr= （3-12）320.4其中，Cpm流体平均比热，kJ/(kg)； 流体平均导热系数，w/(m)本工段条件下，管径较小，流体黏度较大，自然对流影响可忽略因为是气体，粘度校正1 ，则由式（3-8），得： =7.03

30、2 水蒸气相变传热系数 （3-13）其中， r 饱和水蒸气的汽化热，KJ/Kg； 冷凝液的密度，kg/ 冷凝液的导热系数，w/(m)； 冷凝液的黏度，Pas水蒸气的饱和温度和壁面温度之差， L管子长度，m；由化工原理【4】查得在80下饱和水蒸气的汽化热为2343.3 KJ/Kg。取壁面温度为25 ，则 定性温度=52.5由附录查得在52.5下水的物性为 = 0.509 Pas=0.6507 w/(m)= 986.8 kg/水蒸气在垂直圆管内冷凝的传热系数 = =5893.71 管程总传热系数 = （+） + =（0.6885+0.014）14.48+0.29755893.71 =1168.55

31、（2）壳程传热系数的计算用克恩法计算o0.36（）Re0.55Pr1/3（）0.14 (3-14)其中，导热系数，W/(m2)，de公称直径，m，Re雷诺准数，无因次，Pr普兰特准数，无因次。a.当量直径：de (3-15)0.02038 m 其中， t管间距，m， do换热管外径，m b.壳程流通截面积 A hD(1-) 0.150.6（10.01905/0.024）0.0197 其中，h折流板间距，m， D壳体公称直径，m， c.壳程流体流速 uoVs/A 0.147 m/s d.雷诺数Reo 1805 e.普兰特数Pr 10.637因为液体被加热，所以粘度校正1.05，则由式（3-14）

32、得：o0.36（）Re0.55Pr1/3（）0.14=0.36（）18050.5510.6371/31.051369.95 W/(m2)（3）污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻：Rso1.719710-4 m2/W管内侧污垢热阻：Rsi2.126910-4 m2/W附录13查得，碳刚在该条件下的导热系数为50.08W/（m2），即=50.08 W/（m2）（4）总传热系数+ Rso+ Rsi+ =+ 1.719710-4+ 2.126910-4+17.73610-4则 K=563.83 W/(m2)由前面的计算可知，选用的换热器的总传热系数为 480 W/(m2)，在规定的流动条件下，计算出的K

33、值为563.83 W/(m2) =1.175 在1.151.25之间 故： 所选换热器适用3.1.5核算压强降（1）管程压强降Pi=(P1+P2)FtNpNs (3-16)其中， P1，P2分别为直径及回弯管中因摩擦阻力引起的压强降，pa Ft结垢校正因数，无因次，取1.4， Np管程数， Ns串连的壳程数。a.管程流体流通截面积 3.14/40.022245/10.07693b.管程流体流速 ui=Vs/ =3.47m/sc.雷诺数 Rei 27.07 （层流）因为是层流，所以=2.65所以=2.65 =609Pa因为没有弯管，即 则由式（3-16）得： Pa（2）.壳程压强降： (3-17

34、) 其中，P1流体横过管束的压降，paP2流体流过折流板缺口的压强降，pa Fs壳程压强降的结垢正因数，无因次，取1.15 Ns串连壳程数。 (3-18) 其中，F管子排列方式对压强降的校正因数 fo壳程流体的摩擦系数，当Re500，f=5.0Re-0.228 Nc横过管束中心线的管子数 NB折流挡板数管子为三角形排列，F=0.5，NB=9，Nc=1.1=1.1=18，a.壳程流通截面积 A hD(1-) 0.150.6（10.01905/0.024）0.0197 b.壳程流体流速 uoVs/A 0.147m/sc.雷诺数Reo 1807 500所以 =0.18由式（3-18），得： =207Pa =9（3.5） =346Pa所以 Po=（346+609）1.15=1098.25Pa壳程和管程