烧碱装置氯气处理计算

1.2氯气处理工序的任务、原理及流程图1.2.1 氯气处理工序的任务氯气处理工序的任务是将电解工序来的湿氯气，洗涤、冷却、干燥、压缩、除NCl3后，送往盐酸工序、液氯工序和用户等.1.2.2 氯气处理工序的原理由电解工序来的湿氯气（温度约85℃左右），通过管路输送进入塔氯气洗涤塔底部（温度约80℃左右），氯气贮槽中的氯水经循环泵送至氯气冷却器（换热器），冷却后进入氯气洗涤塔，洗涤塔为填料塔，氯气经塔上部喷淋逆流，与氯气直接接触，氯气冷却到约40～50℃，并除去氯气所夹带的盐雾. 出塔氯气进入冷却器进一步冷却，氯气出口温度控制在12～18℃，因为当氯气温度在9.6℃湿氯气中的水蒸气会与氯气生成Cl2.8H2O结晶，造成设备管路的阻塞并损失氯气. 在冷却过程中大部分的水被冷凝下来，这样节约用于干燥的硫酸用量，同时一部分冷凝水成雾滴存在于氯气中，所以除雾也是一项降低硫酸单耗，减少酸雾夹带的重要措施. 因此，冷却后氯气经水雾分离器进入干燥系统，水雾的补集在99%以上.氯水洗涤塔冷凝下来的氯水用氯水循环泵打入到氯气冷却器经循环水冷却后进入洗涤塔上部，与氯气进行逆流接触，除去氯气中的杂质和盐分，并降低氯气温度，当氯水到一定液位时，溢流入氯水贮槽. 氯水由氯水循环泵送往废气处理或化学水管网进行处理.冷却后12～18℃的氯气进入干燥塔的下部，与硫酸循环泵打入的硫酸在填料段逆流接触除去氯中水分. 塔底出硫酸，浓度控制在75%以上，由于氯气中的水分被硫酸吸收而放热，这部分热量由循环酸冷却器带走. 干燥塔的氯气出口温度为20℃，塔顶入口酸温度为14℃，塔底出口酸温度为20℃.当干燥塔底部的酸液位超过设定值时，调节阀自动开启，将硫酸打至稀酸贮槽；当循环酸降到低液位时，调节阀关闭或关小；当循环酸浓度低于75%，即使干燥塔下部的液位未达到排酸要求，也应排酸.稀酸贮槽的稀酸，装槽车或装罐后送出界区. 干燥后氯气的指标为含量≧98.5%，氯中含水≦30ppm.1.2.3工艺流程图1- 洗涤塔及氯水箱；2- 一级钛冷却器A并B；3- 二级钛冷却器A并B；4- 湿氯除雾器；5-6 干燥塔（填料塔、泡罩塔）；7- 硫酸捕雾器；8- 硫酸高位槽；9- 氯气压缩机；10- 酸雾捕捉器图1-1氯气处理工艺流程图氯气处理采用了淡盐水、冷却水～氯气换热技术， 2 段冷却、 2 段干燥( 泡沫塔和填料塔串联) 技术，工艺流程为：湿氯气→洗涤器→氯气→盐水换热器→一段冷却器→二段冷却器→脱水塔→泡沫塔→填料塔→脱酸塔→氯气泵→氯气分配台→用户及液氯等工段.电解槽出来的85℃湿氯气汇集到氯气总管，经过安全水封后进人氯气洗涤塔，用从换热器和一、二段冷却器中冷凝下来的氯水洗涤氯气，洗涤后氯水排氯水箱，氯气进人换热器，与从盐水工序送来的精盐水进行热交换，再依次进人一段钛冷却塔和二段钛冷却塔，分别用工业水和冷冻水进行冷却，氯气温度降至15℃后进湿氯除雾器脱去水雾，进人泡沫干燥塔，用86% 硫酸进行第一次干燥，再进入填料干燥配台，分配给氯气用户及液氯等工段.第2章 物料衡算和能量衡算2.1计算依据经查西部氯碱厂的电解原料生产氢氧化钠（NaOH ），工业数据查NaOH GB/T1919-94可知固体I 类优等品NaOH 的含量为≥94.0%，除掉检修等等时间的浪费，按每年实际生产时间为8000小时，本设计计算是以西部氯碱厂目前烧碱装置的年产量为基准，生产10万吨/年98%离子膜NaOH ，其生产纯NaOH 的量为：10×104×103×98.0%/（40×8000）=306.250 kmol/h. 电解过程发生的化学反应为：2NaCl+2H 2O=2NaOH + Cl 2 +H 2由电解方程式计算可知理论生产氯气量为：306.250/2=153.1250 kmol/h. 即氯气的理论年产量为：153.1250×8000×70.91/1000=86864.75吨/年.但在实际生产中，考虑到氯气输送过程等条件中有损失，现以2%耗损计算，则进入洗涤塔前氯气的量为：153.1250×（1-2%）=150.0625 kmol/h.经过对电解槽出来的电解气分析可知所含的组分：Cl 2 ，H 2O ，O 2 ，H 2 ，其他杂质（M ）；其中以干基为基准，物料混合气各组分的含量如下（kmol/h ）表示：Cl 2 ：≥98.5%， O 2 ： ≤0.7%，H 2 ：≤0.03%， 其他杂质（M ）：≤0.77%； 以100mol 干基混合气为基准，计算混合气各组分的量:2Cl n =98.5； 2O n =0.7； 2H n =0.03； n 其它=0.77根据气体溶解度可知：氧气、氢气、其他杂质在混合气中含量较少，并且在水中的溶解度非常小，即可将这些气体的含量视为常数,则进入洗涤塔前各组分视为量不变。

为了计算的简洁和方便，按理想化状态，忽略了气体中夹带的少量液态水雾和泡沫。

混合物各组分进行编号：Cl 2——a ； H 2O ——b ； O 2——c ； H 2——d ； 其它杂质(M)——m ；生产中以10-20mm H 2O 微负压下操作，但是对于常压10.33m H 2O 而言，可忽略不计，认为系统是在常压下操作.前面叙述中知道进洗涤塔前物料的温度约为：80℃.查饱和水蒸气压表[8]可知：80℃时P s =47.345kPa,根据道尔顿分压定律[9]得：OH O H n n 22100+=P p s 即 O H O H n n 22100+=325.101345.47解得： O H n 2=87.708.进入塔前氯气的量为：2Cl n =150.0625 kmol/h. （占的含量为98.5%）则： 8024.1330625.1505.98708.872=⨯=O H n kmol/h.0664.10625.1505.987.02=⨯=O n kmol/h.0457.00625.1505.9803.02=⨯=H n kmol/h.1731.10625.1505.9877.0=⨯=其他杂质n kmol/h. 由上面的计算可知进塔前物料各组分的流量为：2CL n =150.0625 kmol/h ； O H n 2=133.8024 kmol/h ；2O n =1.0664 kmol/h ；2H n =0.0457 kmol/h ； 其他杂质n =1.1731 kmol/h ；2.2洗涤塔至湿氯除雾器的物料衡算F 酸8（15℃）（65℃）图2-1洗涤塔至湿氯除雾器的物料衡算系统对该系统混合物各组分进行物料衡算：∑n i 入=∑n i 出Cl 2: n 0,a =n 1,a +n 8,a 即 150.0625= n 1,a +n 8,a …………………① H 2O: n 0,b =n 1,b +n 8,b 即133.8024= n 1,b +n 8,b …………………② O 2 : n 0,c =n 8,c =1.0664 H 2 ： n 0,d =n 8,d =0.0457 其他杂质（M ）：n 0,m =n 8,m =1.1731表2-1 氯气的溶解度数据[10]S/g 1.46 0.980 0.716 0.562 0.451 0.386 0.324 0.274 0.219 0.125 t/℃102030405060708090查饱和蒸汽压表[8]可知：T=15℃时，水的饱和蒸汽压为：P s =1.7053kPa.由道尔顿分压定律得： P p s =ib n n ,8,8即 325.1017053.1=1731.10457.00664.1,8,8,8++++b a b n n n …………………③查表2-1可知：T=65℃时，氯气的溶解度S=2274.0324.0+=0.299g/100gH 2O.则 02.18/10091.70/299.0=ban n ,1,1 …………………④解①～④方程可得：n 1,a =0.0996, n 1,b =131.1992, n 8,a =149.9629, n 8,b =2.6032在前面的理想假设中忽略了氧气、氢气、杂质的溶解度，所以在F 1中不存在这些组分的含量,全部在F 8中.则洗涤塔至湿氯除雾器总的物料衡算数据如下表所示：表2-2 洗涤塔至湿氯除雾器的物料衡算数据输入（F0）输出（F1、F8）组分 物质的量/（kmol/h ） 组分 物质的量/（kmol/h ） Cl 2: H 2O:150.0625 133.8024Cl 2: H 2O:0.0996+149.9629=150.0625 131.1992+2.6032=133.8024O2 : H2 : 杂质M1.06640.04571.1731O2 :H2 :杂质M1.06640.04571.1731总计：286.1501 总计：286.1501从物料计算数据中可见，水的饱和蒸汽压与温度是成正比关系的，冷却后的温度越低，含水量就越少，含水量少对氯气干燥越有利，同时对降低硫酸消耗量也有利.但温度不能过低，当低于9.6℃时，氯气和水形成Cl2.8H2O水合结晶，导致管道堵塞，温度控制指标范围为：12～18℃[11].2.2.1 湿氯除雾器的物料衡算F)图2-2 湿氯除雾器物料衡算系统此过程为等温除雾，它主要的目的就是除去混合气中少量的水雾，减少混合气体中水雾的夹带，降低氯气中含水率，从而降低干燥塔中硫酸的用量.它的工作原理是：管式过滤器材质经过特殊浸渍工艺处理上网超细玻璃棉为滤芯纤维除雾器，湿氯气由外至内通过过滤器，其夹带的水雾截留在玻璃棉中，达到降低含水率的目的.在前面的计算中，按理想状态下，忽略了混合气体中夹带的少量泡沫和水雾，经过冷却器出来的各组分全部以气体的形式存在，则经过湿氯除雾器后可忽略各组分的微小变化.则湿氯除雾器的物料衡算：∑ni,入=∑ni,出即：F7,i=F8,i；Cl2: n7,a= n8,a=149.9629 ； H2O:n7,b= n8,b=2.6032 ；O 2 : n7,c=n8,c=1.0664 ； H2: n7,d=n8,d=0.0457；其它杂质（M）：n7,m=n8,m=1.1731；2.2.2冷却器的物料衡算F 5（图2-3 冷却器物料衡算系统在氯碱工业中，冷却器是不可缺少的设备，有着相当高的地位，此设备被广泛推广使用.冷却器的主要作用是降低混合气的温度，即可降低水蒸气的饱和蒸汽压，使水蒸气形成液态水排除出，从而降低混合气中水的含量.本设计中控制冷却器的出口温度为15℃（指标范围12～18℃）.不能过低，防止形成Cl 2.8H 2O 水合结晶，堵塞管道.此设备混合物各组分的物料衡算： ∑n i,入=∑n i,出Cl 2: n 5,a =n 7,a +n 6,a 即 n 5,a =149.9629+n 6,a …………………① H 2O: n 5,b =n 7,b +n 6,b 即n 5,b = 2.6032+n 6,b …………………② O 2 : n 5,c =n 7,c =1.0664H 2 : n 5,d =n 7,d =0.0457 ； 其它杂质（M ）：n 5,m =n 7,m =1.1731查饱和蒸汽压表[1]可知：T=45℃时，水的饱和蒸汽压为：P s =9.5837kPa. 由道尔顿分压定律得：P p s =in n b,5,5 即 325.1015837.9=1731.10457.00664.1,5,5,5++++b a b n n n …………………③查表2-1可知：T 6=15℃时,氯气的溶解度S=2716.0980.0+=0.848g/100gH 2O则02.18/10091.70/848.0=ban n ,6,6 …………………④解①～④方程可得：n 5,a =149.9730 ； n 5,b =15.9075 ； n 6,a =0.0101 ； n 6,b =13.3043表2-3 冷却器的物料衡算数据输入（F5）输出(F6、F7)组分 物质的量/（kmol/h ）组分 物质的量/（kmol/h ） Cl 2: H 2O: 149.9730 15.9075 Cl 2: H 2O: 0.0101+149.9629=149.9730 13.3043+2.6032=15.9075O 2: H 2: 杂质M 1.0664 0.0457 1.1731 O 2: H 2: 杂质M 1.0664 0.0457 1.1731 总计：168.1657总计：168.16572.2.3分离器的物料衡算等温过程（45℃）图2-4 分离器物料衡算系统分离器的作用是除去洗涤塔出来的混合气中少量的泡沫.前面假设理想状态时，忽略了混合气中少量的泡沫，物料中只能有纯气体存在.此过程是等温过程，因此分离器前后物料各组分的量不变.物料衡算为： ∑n i,入=∑n i,出 即F 4,i =F 5,iCl 2 ： n 4,a = n 5,a =149.9730 ； H 2O : n 4,b = n 5,b =15.9075 ；O 2 : n 4,c =n 5,c =1.0664 ； H 2 : n 4,d =n 5,d =0.0457 ；其它杂质（M ）：n 4,m =n 5,m =1.1731 ；2.3 洗涤塔及氯水箱的能量衡算及循环氯水量的计算4 （45℃）F 06（15℃）图2-5 洗涤塔及氯水箱系统2.3.1洗涤塔及氯水箱的能量衡算表2-4 水的标准焓值[8]、氯气标准焓值[10]H 2O kJ/kg l 62.80 83.74 167.47 188.41 272.40 334.94 g2520.50 2530.10 2568.60 2577.80 2615.50 2642.30 Cl 2 kCal/kg164.70165.04166.23166.48167.24167.47因为其他组分的含量较少，引起微小的热量变化可忽略不计，需要水和氯气的物性参数即可.假设此系统可忽略热量损失.1 kCal/kg =4.1868 kJ/kg 系统的能量衡算： △H=∑H 出-∑H 入 即 △H =△H 4+△H 1-△H 0-△H 6 （1）ΔH 0=∑m o,i ×h 0,i ≈m o,a ×h 0,a +m o,b ×h 0,b=167.47×4.1868×150.0625×70.91+2642.30×18.02×133.8024 =13831932.32 kJ/h（2）ΔH 6=∑m 6,i ×h 6,i =m 6,a ×h 6,a +m 6,b ×h 6,b =164.70×4.1868×70.91×0.0101+62.80×18.02×13.3043 =15549.7518 kJ/h.（3）ΔH 1=∑m 1,i ×h 1,i =m 1,a ×h 1,a +m 1,b ×h 1,b。