aa40万吨烧碱装置氢气处理工序的初步设计大学论文.doc

AAAA大学论文 AA40万吨烧碱装置氢气处理工序的初步设计系 部：专业班级：姓 名：指导教师： 时 间：XXX氢气处理工序目录摘要2关键词2前言21 概述32氢气处理工艺流程确定33氢气处理工艺的几个要点33.1氢气冷却的必要性33.2氢气的洗涤33.3氢气的冷却温度一般控制不高于1644. 氢气处理工艺流程45工艺计算45.1计算依据45.2一段氢气洗涤冷却塔55.3二段氢气洗涤冷却塔76. 主要设备设计及选型96.1一段氢气洗涤塔96.2二段氢气洗涤塔116.3主要管径计算126.4氢气输送设备126.5水输送泵126.6氢气缓冲罐126.7液封循环水池136.8主要设备一览表14设计小结14参考文献15致谢16摘要：从电解来的氢气温度很高（约80-90）。含大量的水分，并含有饱和水蒸汽,同时还带有盐和碱的雾沫.所以在设计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。本次针对一、二段洗涤冷却塔的参量如塔高、塔径等以及氢气的输送设备进行设计和选型，对全塔进行物料和热量的衡算。关键词:氢气缓冲 洗涤 冷却 工艺计算 氢压机压缩 输送前 言氢气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，一体积能解几百体积氢。氢气除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外，用于氢氧焰、氢氧电池、充填气球、冶炼钨和钼等重要金属，制造氨和盐酸，液态氢可以做火箭或导弹的高能燃料，氢气也是未来的新型高能燃料，在有机合成中，氢用于合成甲醇、合成人造石油和不饱合烃的加成等。 氢气具有广泛的用途。例如，用它来充灌气球；氢气在氧气中燃烧放出大量的热，其火焰氢氧焰的温度达3000，可用来焊接或切割金属。液态氢可作火箭或导弹的高能燃料。氢气作为燃料具有资源丰富、燃烧发热量高和污染少的特点。今后如能在利用太阳能和水制取氢气的技术上有重大突破，氢气将成为一种重要的新型燃料。氢气还在冶金、化学工业等方面有着广泛的应用1 概述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，一体积能解几百体积氢。氢气除用于合成氯化氢制取盐酸和聚氯乙烯外，另一大用途时植物油加氢生产硬化油。此外还用于炼钨、生产多晶硅以及有机化合物的加氢等。1.2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。2氢气处理工艺流程确定电解槽出来的饱和湿氢气中含有大量的水和其它气体，鉴于本次设计中不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。选择流程为电解来氢气经缓冲罐后进入一段氢气洗涤塔，经洗涤冷却至50后经二段氢气洗涤塔冷却至30，再经氢气除雾器，最后用氢压机抽送至用户。3氢气处理工艺的几个要点3.1氢气冷却的必要性从电解来的氢气温度很高（约80-90）。含大量的水分，湿氢气所带的饱和水蒸气量与温度有关，温度越高，所带的水蒸汽量也越高。因此采用冷却降温措施，降低湿氢气的温度，减少饱和水蒸汽分压，使大部分水蒸气冷凝下来，就可以降低湿氢气的含水量。同时，温度降低后，相同重量的氢气的体积大为减少，可提高氢压机的输送能力，满足氢气用户的要求。3.2氢气的洗涤从电解来的湿氢气不仅温度很高，而且夹带盐和碱的雾沫，需要洗涤除去，否则不仅影响氢气处理系统设备及泵的正常运行，而且还影响氢气用户的使用。洗涤中，循环水自上流入由塔底流出，氢气从塔底流入塔顶流出。水和气逆流接触，从而起到循环冷却降温的目的。3.3氢气的冷却温度一般控制不高于16 冷却后的氢气温度越低，则含水量就越少，但因冷却水量和设备等原因，也不把温度降得太低，故一般控制在不高于16。4.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： 氢气处理工艺流程图由电解槽出来的饱和湿氢气中含有大量的水和其它气体，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缓冲罐后进入一段氢气洗涤塔，经洗涤冷却至50后经二段氢气洗涤塔冷却至30，再经氢气除雾器，后用氢压机抽送至用户。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。5.工艺计算5.1 计算依据：5.1.1 以1000kg100%NaOH产氢作计算标准5.1.2 到达处理氢气温度为80，每生产1000kg100%NaOH电解液所生产的氢气为25kg，此时饱和的水蒸汽含量为205kg。5.1.3 压缩机以前的操作压力近似为1绝对大气压（0kg/2）。5.1.4 氢气纯度98%。5.1.5 电解氢气经两段洗涤冷却温度从80降至30。5.1.6 查知相关数据如下：表5-1 相关热力学数据物料与项目单位温度805030氢气比热千卡/kg·度343934213409水蒸气比焓千卡/631461916106其它气体比热（空气）千卡/kg·度024402430242水的饱和蒸汽分压千卡/2（绝）048301258004335.1.7 进入氢气系统物料（以1000kg100%NaOH作计算标准）氢气：12.5 kmol (25kg) 水汽：11.39 kmol (205kg) 其他气体：×=0.255 kmol (7.39kg)其它杂质不计。5.2 一段氢气洗涤冷却塔5.2.1 计算依据 氢气在一段冷却塔中温度从80降至50 以1000kg100%NaOH产氢作为计算标准5.2.2 物料衡算 设氢气中冷凝水量为WL，由道尔顿分压定律列出方程：=解设 WL1=172（kg）因气体在水中的溶解度很小，故忽略不计。则出塔气体组成 氢气： 12.5 kmol （25kg）水汽： 1.833 kmol （205-172=33kg）其它气体：0.255 kmol (7.39kg)物料衡算表a以1000kg100%NaOH产氢作为计算标准表5-2 一段洗涤冷却塔物料衡算表名称进一段洗涤冷却塔（kg）出一段洗涤冷却塔（kg）氢气2525水汽20533其他气体739739水172总计2373923739 b.总物料衡算表5-3 一段洗涤冷却塔总物料衡算表名称进一段洗涤冷却塔（kg）出一段洗涤冷却塔（kg）氢气50000005000000水汽410000006600000其他气体14780001478000水34400000总计4747800047478000 5.2.3热量衡算 入塔气体带入热量：Q1=80×25×3.439=6878 kcalQ2=205×631.4=129437 kcalQ3=80×0.244×7.39=144 kcal 冷却水带出热量： 设冷却水量为WL2 kg,温度25，出塔温度为50，出塔水量： WL2+WL1=WL2+172 冷却水带入热量：Q4=WL2×25 冷却水带出热量：Q5=(WL2+172)×50 出塔气体带出热量： Q6=50×25×3.421=4276 kcal Q7=33×619.1=20430 kcal Q8=50×7.39×0.243=90 kcal 忽略热损失： 则Q进=Q出 Q1+Q2+Q3+Q4 = Q5+Q6+Q7+Q8 6878+129437+144+25×WL2=(WL2+172)×50+4276+20430+90 WL2=4122.52 kg 即：进入系统水量为：4122.52 kg ,出系统冷却水量为：4122.52+172=4294.52 kg冷却水带入热量：4122.52×25=103063 kcal冷却水带出热量：(4122.52+172)×50=214726 kcal热量衡算表表5-4 一段氢气洗涤冷却塔热量衡算表输入输出物料名称数量 kg热量 kcal物料名称数量 kg热量 kcal氢气256878氢气254276水汽205129437水汽3320430其他气体739144其他气体73990冷却水412252103063冷却水429452214726总计435991239522总计4359912395225.3 二段氢气洗涤冷却塔5.3.1 计算依据电解氢气经二段洗涤冷却温度从50降至30。 氢气纯度98%5.3.2 物料衡算 二段洗涤冷却塔氢气出口温度为30，则冷凝水量为WL3同理，由道尔顿分压定律列出方程： = 解得 WL3=22.61 kg故出塔气体组成： 氢气： 12.5 kmol (25kg) 水汽： 0.577 kmol (33-22.61=10.39kg) 其它气体： 0.255 kmol (7.39kg) 出塔气体中氢的含量：93.76%干气体中氢的百分数：98% 物料衡算表a.以1000kg100%NaOH产氢作为计算标准表5-5 二段氢气洗涤冷却塔物料衡算表名称进二段洗涤冷却塔（kg）出二段洗涤冷却塔（kg）氢气2525水汽331039其他气体739739水2261总计65396539 b.总物料衡算表5-6 二段洗涤冷却塔总物料衡算表名称进二段洗涤冷却塔（kg）出二段洗涤冷却塔（kg）氢气50000005000000水汽66000002078000其他气体14780001478000水4522000总计13078000130780005.3.3 热量衡算气体带出热量Q6=4276 kcalQ7=20433 kcalQ8=90 kcal 气体带出热量Q9=30×25×3.049=2557 kcalQ10=10.39×610.6=6344 kcalQ11=30×7.39×0.242=54 kcal 冷却水带出热量设进入系统冷却水量为WL4 kg ,温度25，出塔温度30，则出塔水量 WL4+WL2=WL4+22.61 入塔水带入热量： Q13=WL4×25 出塔水带出热量：Q12=(WL4+22.61)×30 忽略热损失，由Q进=Q出Q9+Q10+Q11+Q12=Q6+Q7+Q8+Q13 2557+6344+54+(WL4+22.61)×30=4276+20430+90+WL4×25WL4=3032.54 kg故入塔冷却水量3032.54 kg ,出塔冷却水量为：3032.54+22.61=3055.15 kg入塔冷却水带入热量：3032.54×25=75813.5 kcal出塔冷却水带出热量：(3032.54+22.61)×30=91654.5 热量衡算表表5-7 二段洗涤冷却塔热量衡算表输入输出物料名称数量 kg热量 kcal物料名称数量 kg热量 kcal氢气256878氢气254276水汽33129437水汽3320430其他气体739144其他气体73990冷却水412252103063冷却水429452214726总计433741239522总计433741239522 6. 主要设备设计及选型6.1 一段氢气洗涤塔6.1.1塔气体流量 进塔气体温度为80，操作压力为1大气压， 气体总摩尔数为：(12.5+11.39+0.255)×26.52=640.33 kmol/h则气体体积V=22.4×640.33××1 =18546.58 m3/h出塔气体总摩尔数: (12.5+1.833+0.255)×26.52=386.87 kmol/h则气体体积 V=22.4×38876.××1 =10253.05 m3/h平均气体V=14399.82 m3/h6.1.2 塔气体直径空塔速度取0.3 m/s, D=4.12 m取塔径D=4.2 m6.1.3 喷嘴数的确定及布置设上水压力为0.2Mpa,考虑水垢的阻塞，喷嘴直径d=3.5mm查表及喷水量约360 kg/h,则喷嘴总数由物料衡算需25冷却水109.33t/h则喷嘴总数：n=303.69个考虑分布可能的阻塞，取400个。6.1.4 塔高的确定喷嘴分7层排布，下层50个朝上喷嘴，上层35个朝下喷嘴，中间5层，每层60个喷嘴，与上下各层错开排列，朝下喷水，管间距800mm，上部考虑除沫室等为1000mm,下部有进气口等为2000mm,则整个塔高为：H=1000+2000+7×800=8600mm6.1.5 管径的选择 取管内气体流速为5m/s 入塔气体的流量为：18546.58m3/h=5.15 m3/h 故进塔气体管径d1=1200mm 同理：出塔管径计算 出塔气体流量:10253.05m3/h=2.85m3/s d2=0.85md2=850mm 冷却水进口计算，取流速2m/s,由物料衡算：d3=0.139m取d3=150mm6.2 二段氢气洗涤塔6.2.1 塔气体流量 V=10253.05m3/h出塔气体体积：出塔气体温度为30，操作压力约1大气压，则出塔气体总摩尔数：（12.5+0.577+0.255）×26.52=353.565 kmol/hV2=22.4×353.565××1=8790.17=9521.616.2.2 塔径的确定取生产实测值，空塔速度取0.3m/s则D=3.35m取塔径3500mm 6.2.3 喷嘴数的确定设上水压力为0.2Mpa,考虑到水垢的阻塞，喷嘴直径d=2.5mm, 查表及喷水量为280kg/h.由物料衡算数=299.04个考虑分布及可能的阻塞，取350个6.2.4 塔高的确定 喷嘴分7层，上层30个朝下喷嘴，中间5层，每层55各喷嘴，与上下各层错开排列，朝下喷水，下层45个朝上喷嘴，管间距取800mm，上部考虑除沫室等为1000mm，下部有进气口等为2000mm,则整个塔高为： H=1000+2000+7×800=8600mm6.2.5 管径选择 气体进口管 d1=d2=850mm 出塔气体管 ds=0.789 m 取d5=800mm 冷却水进口管径计算： 取流速2m/s,由物料衡算 d6=0.122m 取 d6=130mm6.3 主要管径计算6.3.1 来系统氢气管 D1=d1=1200mm6.3.2 经压缩送出氢气管，取流速12m/s则D2=0.509m圆整 D2=530mm6.3.3 入系统25水总管D3=0.185m 取D3=200mm6.3.4 送出系统冷却水总管D4=0.817m取D4=200mm6.4 氢气输送设备因氢气小时输送量为8790.17m3/h,即146.5m3/min,效率以80%计，则氢气输送设备能力应为183.13m3/min,用三台并联运行，效率为60%，则单台风机能力为101.74m3/min.选用氢气压缩机4台，流量范围2.61207m3/min,升压9.8196Kpa.6.5 水输送泵循环水池送出水量为（113.89+84.33）=198.22m3/h设送出位差和阻力损失为20m(实际以管路实际阻力而定)，则从化工工艺设计手册P1-72查知，150F-35型耐腐蚀离心泵参数为：流量：234m3/h,扬程：29.7m,电机功率30KW，轴功率25.2KW.鉴于在电解来的氢气中含一定量的碱雾，在洗涤后，使循环水显碱性，故选择防腐蚀泵150F-35型泵两台，开一备一。6.6 液封循环水池按设计规范要求，一、二段氢气洗涤塔间距为1.5m,以四周墙体间距为0.8m,则，液封循环水池长：0.8×2+3.6+3.0+1.5=9.7 m圆整为10m,即将洗涤塔间距由1.5m延长至1.8m，宽0.8×2+3.6=5.2m深即高，以半小时水量为基准，则： H=1.91m圆整为2m即， 循环水池规格为10000×5200×20006.7 氢气缓冲罐以出塔气体为基准，则体积V=2.44m3/s圆整后设备规格为：1500×19006.8 主要设备一览表 主要设备一览表序号设备位号设备名称规格数量单位1T-101-1一段洗涤冷却塔Dg42001台2T-101-2二段洗涤冷却塔Dg35001台3P-101循环水输送泵150F-352台4C-101氢气压缩机TR型4台5V-101氢气缓冲罐1500×19001台设计小结本次设计的任务是40万吨烧碱装置氢气处理工序的初步设计。在本次设计中，氢气的处理工艺参照了氯碱工业2000年1月第一期29页的一篇新式氢气处理工艺简介中的工艺流程。新工艺以干燥效果好（含水1.5×10-5以下）、氢气输送压力大、设备少、系统阻力小、操作稳定、经济性能优越而为大家认同。该工艺采用两塔串联工艺，双塔串联工艺具有以下特点：结构紧凑，占地面积较小；塔压差小；氢气中含水量小于1.5×10-5;由于氢气是易燃、易爆气体，所以在输送和使用过程中千万要注意安全。在此次设计过程中，由于资料及数据的欠缺，在一、二段氢气冷却塔的设计中存在着许多的不足，尤其是在塔高的计算方面，简直是无从着手。在冷却器的设计中，资料相对较为完整，因此，冷却器的设计就作为了此次设计的重点设计部分。由于本人的能力有限，加之资料的欠缺，这次设计中一定还有好些不足的地方，望评审老师多多包涵，提出宝贵意见。参考文献1方度，蒋兰荪，吴正德主编，氯碱工艺学，化学工业出版社，19902陆忠兴，周元培主编，氯碱化工生产工艺（氯碱分册），化学工业出版社，1995。3北京石油化工工程公司编，氯碱工业理化常数手册，化学工业出版社，19884姚玉英主编化工原理新版（上、下册），天津大学出版社，19995化工设备设计全书编辑委员会，塔设备设计，上海科学技术出版社，19886国家医药管理局上海医药设计院编，化工工艺设计手册（上、下册），化学工业出版社，19897涂伟萍，陈佩珍，程达芳编化工过程及设备设计，化学工业出版社，20008陈声宗主编，化工设计，化学工业出版社，20019天津大学物理化学教研室编，物理化学第三版（上册），高等教育出版社，199210黄璐，王保国编，化工设计，化学工业出版社，200111王德祥，新式氯气处理工艺简介，氯碱工业2000年1月第一期致谢首先，感谢学校给我们这次机会，让我有幸体会实习。实习，是从学校生涯走入工作的第一步，应该说我的这次实习是一个从一无所知的象牙塔中的学子走向成熟的过程，实习让我感受到了社会的气氛，职场的氛围。也让我变得成熟，学会了蜕变，学会了如何长大。倘若说毕业意味着从学生向职业人身份的转变，那实习无疑是这种转变的前奏曲短短几个多月的实习，我体会到了不仅仅是对待工作要有责任心、使命感、团队精神，而最重要的是向我提出了一个新问题，如何更好地转变自己的角色，从一名在校生，转变为一名工作者。我想这是需要时间考验和锤炼的，我也相信自己在真正走上工作岗位后，也能一如既往地、执着工作、努力向上，尽自己最大努力为用人单位作出自己的贡献。我所要做的是在今后的工作中不断积累，将现在的和未来的更好地运用到以后的社会生活中去。我深信：积累到一定程度才会有质的飞跃。通过这段实习的初体验，我认为要将工作做好，首先要有一个明确的目标，对自己的职业生涯要有一个规划，明白自己要做什么。有了目标，才会有奋斗的动力，有努力的方向。其次，需要高度的责任感，做任何事都有一种责任意识，以主人翁的态度，这样才会对工作投以更大的热情，用心去做，争取把工作做得更好。其次，感谢我最敬爱的老师们。是你们教会我理论知识、做人道理，让我在实习中受益匪浅。外面的世界与学校有太多的不同，远远比学校复杂得多，所以在外面如果还存在较强的依赖心理的话就会使自己到处碰壁。在学校，有一个在各方面都很接近的群体，很多问题都比较容易沟通、较容易理解和能得到较好的解决。但在外面可不一样，你要面对各种各样的人，你要面对形形色色的事，孤独无助的你必须要发挥自身的主观能动性去想办法，去寻求一切可能的途径去解决。 本次设计令我受益匪浅，可以将所学的知识系统化、条理化。但仍存在些许错误和不足，敬请我的指导老师在审阅中尽可能多的批评、纠正。