年產(chǎn)10萬(wàn)噸氯堿合成工段的初步設(shè)計(jì)

95/104摘要本設(shè)計(jì)是以氯化氫為產(chǎn)品，年產(chǎn)10萬(wàn)噸氯堿車(chē)間氯化氫合成工段的初步設(shè)計(jì)。講明書(shū)首先闡述了合成氯化氫的意義與作用，國(guó)內(nèi)外氯化氫合成的研究現(xiàn)狀以及進(jìn)展前景。其次介紹了本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)依據(jù)，廠址選擇，原材料及產(chǎn)品規(guī)格。確定工藝路線，工藝流程的簡(jiǎn)述，以及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的物料和熱量衡算。對(duì)氯化氫合成爐、汲取器以及解析塔等要緊設(shè)備進(jìn)行了計(jì)算以及相應(yīng)的選型，并綜合各方面因素對(duì)車(chē)間布置，自動(dòng)操縱，安全和環(huán)境愛(ài)護(hù)工程以及公用工程進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)。完成了20000字的設(shè)計(jì)講明書(shū)，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)流程圖，車(chē)間平立面布置圖以及主體設(shè)備圖進(jìn)行了繪制。關(guān)鍵詞：氯化氫；氯堿；合成；工藝路線AbstractHydrogenchlorideistheproductofthethedesign,thepreliminarydesignofanannualoutputof100,000tonsofchlor-alkaliworkshophydrogenchlorideSection.Manualfirstexpoundedthesignificanceandroleofthesynthesisofhydrogenchloride,hydrogenchloridesynthesisofcurrentresearchanddevelopmentprospectsathomeandabroad.Second,itdescribesthedesignbasisofthedesign,siteselection,rawmaterialandproductspecifications.Determinetheprocessroute,abriefdescriptionoftheprocess,aswellasmaterialandheatbalanceoftheentireproductionprocess.Hydrogenchloridesynthesisfurnace,themainequipmentoftheabsorber,aswellasanalyticaltowerwerecalculatedandthecorrespondingselection,andintegrationofvariousfactorsontheplantlayout,automaticcontrol,safetyandenvironmentalprotectionengineeringandpublicworksforareasonabledesign.Completeda20,000-worddesignspecification,flowchartofproductionworkshopandfacadelayoutandthemainequipmentFiguredrawing.

Keywords:Hydrogenchloride;Chlor-alkali;Synthesis;Processroute目錄摘要 IABSTRACT II第1章總論 11.1概述 11.1.1生產(chǎn)的意義與作用 11.1.2國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀及進(jìn)展前景 11.1.3產(chǎn)品的性質(zhì)與特點(diǎn) 21.1.4產(chǎn)品的生產(chǎn)方法概述 31.2設(shè)計(jì)依據(jù) 41.3廠址選擇 41.4設(shè)計(jì)規(guī)模與生產(chǎn)制度 41.4.1設(shè)計(jì)規(guī)模 41.4.2生產(chǎn)制度 51.5原料與產(chǎn)品規(guī)格 51.5.1要緊原料規(guī)格及技術(shù)指標(biāo) 51.5.2產(chǎn)品規(guī)格 61.6經(jīng)濟(jì)核算 6第2章工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算 72.1工藝原理 72.2工藝路線的選擇 82.3工藝流程簡(jiǎn)述 92.3.1工藝流程示意圖 92.3.2工藝流程簡(jiǎn)述 92.4物料衡算 102.4.1生產(chǎn)能力及原料氯氣與氫氣量的計(jì)算 102.4.2合成爐的物料衡算 102.4.3降膜汲取器的物料衡算 132.4.4解吸塔的物料衡算 142.4.5尾氣汲取塔的物料衡算 152.5熱量衡算 162.5.1合成爐的熱量衡算 162.5.2石墨冷卻器的熱量衡算 222.5.3降膜汲取器的熱量衡算 242.5.4解吸塔的熱量衡算 262.5.5尾氣汲取塔的熱量衡算 272.5.6石墨換熱器的熱量衡算 292.5.7鹽水石墨冷卻器的熱量衡算 302.6Aspen模擬 312.6.1全流程的Aspen模擬圖 312.6.2氯化氫合成爐的Aspen模擬圖 312.6.3降膜汲取器的Aspen模擬圖 32第3章設(shè)備選型 353.1關(guān)鍵設(shè)備的計(jì)算 353.1.1合成爐爐體直徑的計(jì)算 353.1.2合成爐換熱面積的計(jì)算 353.1.3合成爐爐高的計(jì)算 393.1.4合成爐燈頭尺寸的計(jì)算 393.1.5爆破膜尺寸的計(jì)算 423.1.6厚度的計(jì)算 433.1.7封頭的選擇及計(jì)算 443.2其他設(shè)備的計(jì)算及選型 453.2.1石墨冷卻器的計(jì)算及選型 453.2.2降膜汲取器的計(jì)算及選型 463.2.3尾氣汲取塔的計(jì)算及選型 473.2.4解吸塔的計(jì)算及選型 483.2.5石墨換熱器的計(jì)算及選型 493.2.6鹽水石墨冷卻器的計(jì)算及選型 52第4章設(shè)備一覽表 53第5章車(chē)間設(shè)備布置 54第6章自動(dòng)操縱 55第7章安全和環(huán)境愛(ài)護(hù) 577.1安全 577.2三廢產(chǎn)生情況 587.3三廢處理情況 58第8章公用工程 588.1供水 588.2供電 598.3供暖 598.4通風(fēng) 60參考文獻(xiàn) 60致謝 61第1章總論1.1概述1.1.1生產(chǎn)的意義與作用工業(yè)上用電解飽和食鹽水的方法來(lái)制取NaOH、Cl2、H2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，稱(chēng)之為氯堿工業(yè)。NaOH、Cl2和H2差不多上重要的化工生產(chǎn)原料，能夠進(jìn)一步加工成多種化工產(chǎn)品，廣泛用于各工業(yè)。因此氯堿工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)品幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。氯化氫在化工生產(chǎn)中液有廣泛的用途。在有機(jī)化學(xué)工業(yè)中，氯化氫是極為重要的基礎(chǔ)原料，可與烯烴與炔烴發(fā)生液相加成反應(yīng)，或在有催化劑作用下進(jìn)行加成反應(yīng)以制取氯乙烯、氯乙烷和氯丁二烯等重要化工產(chǎn)品。還可與烴類(lèi)發(fā)生氧氯化反應(yīng)生成二氯乙烷、氯苯、三氯乙烯和四氯化碳等氯烴產(chǎn)品。在電子工業(yè)中，氯化氫可用于硅外延生長(zhǎng)、氣相拋光、吸雜、刻蝕和結(jié)晶處理等工藝。在石油工業(yè)中，對(duì)由滲透率低的石灰?guī)r組成的儲(chǔ)油結(jié)構(gòu)進(jìn)行酸化，可擴(kuò)大巖層裂縫，提高油的流淌性和滲透率。1.1.2國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀及進(jìn)展前景氯堿工業(yè)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及進(jìn)展前景世界氯堿生產(chǎn)集中度較高，其中半數(shù)集中在亞洲，但其規(guī)模普遍較小。世界氯堿技術(shù)進(jìn)展總體方向是規(guī)模大型化，節(jié)能降耗技術(shù)將成為重點(diǎn)，新建和擴(kuò)建氯堿產(chǎn)能90%以上將采納離子膜法工藝。我國(guó)氯堿工業(yè)創(chuàng)建于20世紀(jì)20年代。近幾年，我國(guó)的氯堿生成工藝盡管有了較大的變化，采納先進(jìn)的生成工藝的生產(chǎn)裝置逐年增加，然而，總的來(lái)講，生產(chǎn)工藝與國(guó)外相比相對(duì)落后，再加上其他一些因素，生產(chǎn)成本普遍較高[5]。氯化氫合成的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及進(jìn)展前景隨著石油化工的蓬勃興起，對(duì)氯的需求量大幅增長(zhǎng)，推動(dòng)了氯堿工業(yè)的進(jìn)展，為了利用大量的副產(chǎn)物氫氣，合成法制鹽酸進(jìn)展起來(lái)了。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于制備高純度氯化氫的方法專(zhuān)門(mén)多。例如，解吸法，鹽酸脫析法，合成法，工業(yè)副產(chǎn)酸脫析法，石油化工副產(chǎn)氯化氫提純法等。本世紀(jì)上半葉合成法逐漸成為世界各國(guó)生產(chǎn)鹽酸的要緊方法。我國(guó)在合成氯化氫氣體的生產(chǎn)過(guò)程中不斷進(jìn)行革新，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)工藝流程。今年來(lái)，由于石墨爐的廣泛使用，生產(chǎn)效率大幅度提高，也使得氯化氫及鹽酸的合成工藝達(dá)到了新的技術(shù)水平。1.1.3產(chǎn)品的性質(zhì)與特點(diǎn)氯化氫的性質(zhì)1、物理性質(zhì)氯化氫分子量為36.46，在常溫下為無(wú)色氣體，具有刺激性氣味。氯化氫比空氣重，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.639g/L。臨界溫度為51.54℃，臨界壓力為8314KPa，臨界密度為0.42g/cm3。氯化氫在水中的溶解度專(zhuān)門(mén)大，不同溫度下，氯化氫在水中的溶解度見(jiàn)下表。表1-1氯化氫在水中的溶解度（101.3KPa）溫度℃溶解度LHCl/LH2O0506.510473.920442.030411.540385.750361.660338.7氯化氫在101.3KPa壓力下，沸點(diǎn)為-85℃，凝固點(diǎn)為-114.2℃。氯化氫的比熱容在常壓下15℃時(shí)為0.8124KJ/（Kg·℃），在0—1700℃范圍內(nèi)，可按下式計(jì)算（其誤差為1.5%）式中，T為絕對(duì)溫度，K。氯化氫能與空氣中的水蒸氣形成煙霧，因此，氯化氫在空氣中能發(fā)煙。無(wú)水氯化氫在常溫及607.8KPa壓力下可液化，在沸點(diǎn)時(shí)密度為1.194g/ml。2、化學(xué)性質(zhì)（1）干燥的氯化氫不與金屬反應(yīng)。（2）氯化氫與三氧化硫作用可生成氯磺酸：SO2+HCl=HSO3Cl（3）氯化氫與不飽和烴在催化劑作用下可發(fā)生加成反應(yīng)：C2H2+HCl=C2H3Cl鹽酸的性質(zhì)1、物理性質(zhì)氯化氫的水溶液成為鹽酸。鹽酸是一種揮發(fā)性酸，純凈的鹽酸是無(wú)色透明的溶液。但在工業(yè)鹽酸中常有鐵、氯或有機(jī)物而呈黃色。15℃時(shí)不同濃度鹽酸的密度建表1-2表1-2鹽酸溶液的沸點(diǎn)濃度%0.168.1617.1323.8230.5531.5232.4933.4634.4235.38密度g/ml1.0001.0401.0851.1201.1551.1601.1651.1791.1751.180鹽酸溶液在在大氣壓下的沸點(diǎn)見(jiàn)表1-3表1-3鹽酸溶液在在大氣壓下的沸點(diǎn)HCl濃度%（mol）0246810.512141718.526.3溫度（℃）100101.8103.3105.3108.0109.7109.0105.292.082.769.02、化學(xué)性質(zhì)鹽酸容易與許多金屬起反應(yīng)，放出氫氣而生成鹽類(lèi)，與堿類(lèi)發(fā)生中和反應(yīng)生成鹽和水。2HCl+Fe=FeCl2+H2HCl+NaOH=NaCl+H2O1.1.4產(chǎn)品的生產(chǎn)方法概述國(guó)內(nèi)外關(guān)于制備高純氯化氫氣體的方法有專(zhuān)門(mén)多。1、解吸發(fā)。20世紀(jì)70年代往常電子工業(yè)用高純氯化氫的制備，一直是將濃硫酸滴加到鹽酸中，將其中的水汲取掉，使過(guò)飽和氯化氫氣體析出。20世紀(jì)80年代以后制備方法進(jìn)展到用濃硫酸與烘焙干的氯化鉀反應(yīng)，生成高純氯化氫氣體，用壓縮機(jī)壓入鋼瓶中。2、鹽酸脫析法。將濃鹽酸置于脫析塔中加熱脫析制氯化氫氣體。鹽酸脫吸法制高純氯化氫廣泛用于PVC、氯丁二烯和高純鹽酸的生產(chǎn)中。3、合成法。氯氣和氫氣在合成爐中進(jìn)行燃燒反應(yīng)，生成氯化氫氣體是八十年代初為適應(yīng)我國(guó)電子工業(yè)的迅速進(jìn)展而提出的。在技術(shù)上市較先進(jìn)的方法。此種方法生產(chǎn)的氯化氫氣體純度在99.99%以上。4、工業(yè)副產(chǎn)酸脫析法。隨著鹽酸脫析法的逐步推廣，副產(chǎn)酸脫析生產(chǎn)氯化氫工藝的工藝已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。它是通過(guò)稀酸在絕熱汲取塔汲取有機(jī)氯化物生產(chǎn)中的副產(chǎn)氯化氫，提濃后，進(jìn)入解吸塔脫析出來(lái)高濃氯化氫氣體。5、石油化工副產(chǎn)氯化氫提純法。目前電子級(jí)氯化氫出口國(guó)，如美國(guó)，要緊是從石油化工副產(chǎn)氯化氫作為原料來(lái)制備高純氯化氫。石油化工副產(chǎn)氯化氫氣體，其中水含量低，對(duì)不銹鋼和碳鋼差不多無(wú)腐蝕。關(guān)于此種氣體的凈化通常采納精餾或吸附的方法，但由于其中乙炔和乙炔雜質(zhì)的沸點(diǎn)與氯化氫沸點(diǎn)相近，專(zhuān)門(mén)難采納精餾的方法脫除得潔凈，而吸附的方法操作過(guò)程繁瑣，需頻煩的更換吸附劑，生產(chǎn)成本高。本設(shè)計(jì)采納的方法是合成法制備氯化氫氣體。1.2設(shè)計(jì)依據(jù)1、齊齊哈爾大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院下發(fā)的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。2、《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》一書(shū)3、自身在黑龍江昊華化工有限公司氯堿車(chē)間實(shí)習(xí)的相關(guān)信息與知識(shí)。4、《化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》1.3廠址選擇依照廠址選擇的原則與要求，將本設(shè)計(jì)的廠址選在江蘇省鹽都市合德鎮(zhèn)。鹽都市合德鎮(zhèn)地處我國(guó)東部江蘇沿海的中部，東臨黃海，南與南通市毗鄰，北與連云港接壤，西與揚(yáng)州、淮安相連，對(duì)接長(zhǎng)三角，鐵路、公路、水路、航空四種運(yùn)輸方式構(gòu)成了四通八達(dá)的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。鹽都市沿海生態(tài)環(huán)境有相對(duì)較好、容量較大的優(yōu)勢(shì)，沿海灘涂土地資源也相對(duì)充足。氯堿工業(yè)的副產(chǎn)物氯氣及氯化氫等可用于下游橡膠、塑料、醫(yī)藥工業(yè)的進(jìn)展。再加上政府關(guān)于海洋工業(yè)的扶植，重點(diǎn)進(jìn)展鹽化工，增加了再此地建氯堿廠的優(yōu)勢(shì)。1.4設(shè)計(jì)規(guī)模與生產(chǎn)制度1.4.1設(shè)計(jì)規(guī)模生產(chǎn)能力入下表1-4所示。表1-4生產(chǎn)能力產(chǎn)品名稱(chēng)氫氧化鈉生產(chǎn)時(shí)刻8000小時(shí)處理量12.5噸/小時(shí)1.4.2生產(chǎn)制度本車(chē)間工作人員的工作制度為三班制，每班8小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，按四班三倒制度運(yùn)轉(zhuǎn)，其中治理人員實(shí)行一班制。人員組成如表1-5所示表1-5車(chē)間人員組成序號(hào)職能名稱(chēng)人數(shù)人員配備班制1車(chē)間主任1八小時(shí)工作制2班長(zhǎng)3四班三倒制3技術(shù)員3四班三倒制4分析檢驗(yàn)員3四班三倒制5中控室操作員3四班三倒制6操作工12四班三倒制7維修工3四班三倒制1.5原料與產(chǎn)品規(guī)格1.5.1要緊原料規(guī)格及技術(shù)指標(biāo)原料氣組成如下表1-6所示表1-6原料氣組成物質(zhì)氯氣（V%）氫氣（V%）純度97.1697.45含氫0.3497.45含二氧化碳0.21—含氧氣0.990.01含水分0.182.48含氮?dú)?.120.06進(jìn)料溫度（℃）2525進(jìn)料壓力（MPa）.2產(chǎn)品規(guī)格本設(shè)計(jì)工段的要緊產(chǎn)品為氯化氫氣體及鹽酸。產(chǎn)品氯化氫的純度99.9%產(chǎn)品鹽酸濃度20%-22%1.6經(jīng)濟(jì)核算化工工程建設(shè)項(xiàng)目在籌備時(shí)期就要進(jìn)行費(fèi)用估算，目的是給項(xiàng)目主管部門(mén)提供決策依據(jù)。經(jīng)濟(jì)核算必須考慮到一切可能存在的因素：用于原材料、勞動(dòng)力、設(shè)備維修、動(dòng)力和其他公用工程等方面的直接生產(chǎn)成本，還包括車(chē)間的治理費(fèi)、銷(xiāo)售費(fèi)用以及其他費(fèi)用。在本設(shè)計(jì)中，經(jīng)調(diào)查海鹽的市場(chǎng)價(jià)為240元/噸，冷凍鹽水的市場(chǎng)價(jià)為1250元/噸，冷卻水的市場(chǎng)價(jià)為0.4元/噸，低壓蒸汽為65元/噸。原料海鹽費(fèi)用的計(jì)算如下：=146250t/a因此，W1=146250×240=35100000元冷卻水費(fèi)用的計(jì)算如下：因此，W2=0.4×/1000=1853362.80元/年冷凍鹽水費(fèi)用的計(jì)算如下：因此，W3=1250×/1000=79367300元/年低壓蒸汽費(fèi)用的計(jì)算如下：因此，W4=65×/1000=172723.2元/年本車(chē)間定員28人，每人每月平均工資為3000元，則每年工人的工資總費(fèi)用為1008000元本設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)核算見(jiàn)表1-7。表1-7經(jīng)濟(jì)核算表序號(hào)指標(biāo)名稱(chēng)計(jì)算單位設(shè)計(jì)指標(biāo)成本/萬(wàn)元1生產(chǎn)規(guī)模t/a10wt氯堿—2車(chē)間定員人28100.83原鹽t/料水t/a4.5wt37694.7525蒸汽耗量t/a2657.2817.272326冷凝水耗量t/a4633405.2185.336287冷凍鹽水t/a63493.847936.738設(shè)備數(shù)量及投資臺(tái)104009車(chē)間建筑面積m2260100第2章工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算2.1工藝原理工業(yè)上生產(chǎn)氯化氫目前差不多上用氯氣和氫氣直接合成，因原料氣中含有氧氣，現(xiàn)在氫氣也會(huì)與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，合成爐內(nèi)燃燒方程式如下：Cl2+H2 2HClO2+2H2 2H2O機(jī)理分析：氯氣和氫氣在沒(méi)有光照耀或光線專(zhuān)門(mén)弱、低溫、常壓下，其反應(yīng)速度專(zhuān)門(mén)慢，只有在加熱的條件下，或在光線照耀下及觸煤的阻礙下，才能迅速的發(fā)生化合作用，甚至發(fā)生爆炸性。其反應(yīng)為鏈鎖反應(yīng)。(1)鏈的引發(fā)：在合成氯化氫的過(guò)程中，氯氣與氫氣在光照的作用下，首先，氯氣分子汲取光量子從而被離解成兩個(gè)活化的氯原子。(2)鏈傳遞：活化的氯原子(C1·)再與氫分子作用生成一個(gè)氯化氫分子和一個(gè)活化的氫原子(H·)，那個(gè)活化的氫原子又與一個(gè)氯氣分子作用，生成一個(gè)氯化氫分子和一個(gè)活化的氯原子。如此接著下去構(gòu)成一個(gè)鏈鎖性的反應(yīng)。即：①②③④(3)鏈的終止：當(dāng)在鏈鎖反應(yīng)過(guò)程中，如有外來(lái)因素與C1·和H·化合，則反應(yīng)被破壞而使活性消逝。①在氧氣的存在下燃燒破壞H·的活性，從而使鏈鎖反應(yīng)中斷，②在反應(yīng)過(guò)程中元素自身的結(jié)合也能夠使鏈終止。③在反應(yīng)過(guò)程中，由于活性氫原子與活性氯原子在設(shè)備內(nèi)壁碰撞也會(huì)發(fā)生鏈的終止。氯化氫用水汲取后即可成為鹽酸。2.2工藝路線的選擇本設(shè)計(jì)采納合成法制備氯化氫以及鹽酸。目前合成法制備鹽酸要緊有三種方法：鐵合成爐制備，二合一石墨合成爐制備，三合一合成爐制備。這三種方法的要緊區(qū)不在于合成爐的不同。鐵合成爐制取鹽酸工藝的特點(diǎn)：本體不帶冷卻水套，爐內(nèi)的氯化氫氣體會(huì)對(duì)爐體造成腐蝕，導(dǎo)致鐵離子進(jìn)入氯化氫氣體內(nèi)，經(jīng)汲取后制取的鹽酸中含鐵量過(guò)高，顏色發(fā)黃，阻礙產(chǎn)品質(zhì)量。二合一石墨合成爐制取鹽酸工藝的特點(diǎn)：爐內(nèi)合成的氯化氫氣體不與合成爐的鋼鐵部分接觸，生成的氯化氫質(zhì)量較高；裝置的生產(chǎn)能力跟過(guò)去比也有專(zhuān)門(mén)大的提高；出合成爐的氯化氫氣體用石墨冷卻器冷卻，跟鋼制冷卻盤(pán)管相比，冷卻效果有了專(zhuān)門(mén)大提高；二合一爐的熱水廢熱也可在此利用。三合一石墨合成爐制取鹽酸工藝的特點(diǎn)：氯氣和氫氣在套管內(nèi)混合燃燒，不管負(fù)荷大小火焰都能保持穩(wěn)定；冷卻段采納強(qiáng)化傳熱技術(shù)，在水套內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板，迫使冷卻液成螺旋狀圍繞石墨爐筒外壁流淌，提高流速；汲取段采納溢流管外加側(cè)穩(wěn)壓環(huán)技術(shù)，提高了汲取效果，同時(shí)保障了鹽酸的合格率。鐵合成爐制取鹽酸的工藝由于生成的鹽酸的質(zhì)量較低，已被許多企業(yè)淘汰。石墨三合一合成爐結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、檢修方便、使用壽命長(zhǎng)、操作彈性強(qiáng)，被廣泛使用。二合一爐合成、在爐內(nèi)完成冷卻，在爐外進(jìn)行汲取，既能夠生產(chǎn)氯化氫氣體，又能夠部分汲取生產(chǎn)鹽酸，能夠滿(mǎn)足不同的需求，具有更寬敞的應(yīng)用前景。因此本設(shè)計(jì)采納“二合一”合成爐制取氯化氫氣體。2.3工藝流程簡(jiǎn)述2.3.1工藝流程示意圖2.3.2工藝流程簡(jiǎn)述來(lái)自氫氣車(chē)間的氫氣與來(lái)自氯氣車(chē)間的氯氣在合成爐底部的燃燒器混合點(diǎn)火燃燒，溫度可達(dá)到2000℃以上。合成爐夾套的冷卻水將反應(yīng)放出的熱量帶走，氣體在合成爐頂部溫度降為350℃左右，經(jīng)石墨冷卻器冷卻至170℃左右，進(jìn)入降膜汲取器，與來(lái)自尾氣塔的稀酸進(jìn)行并流汲取，降膜汲取器底部生成的酸的濃度可達(dá)35%左右，供解吸塔解吸用。未被汲取的氣體進(jìn)入尾氣汲取塔，用來(lái)自解吸塔的稀酸汲取，生成的酸供降膜汲取器使用。由解吸塔脫出的氯化氫氣體進(jìn)入石墨冷卻器進(jìn)行冷卻，至40℃，再進(jìn)入鹽水石墨冷卻器，由冷凍鹽水將氯化氫氣體冷卻至-12℃—-18℃，得到的干燥氯化氫氣體送至下一工段。2.4物料衡算2.4.1生產(chǎn)能力及原料氯氣與氫氣量的計(jì)算生產(chǎn)能力年產(chǎn)10萬(wàn)噸氯堿，年產(chǎn)時(shí)刻按8000h計(jì)算，則氫氧化鈉的流量為：氯化氫的產(chǎn)量鹽水電解方程式為：因此，在合成HCL反應(yīng)中，按計(jì)算，因此，，表2-1原料氣組成物質(zhì)氯氣（mol%）氫氣（mol%）純度97.1697.45含氫0.3497.45含氮?dú)?.120.06含二氧化碳0.21—含水分0.182.48含氧氣0.990.01進(jìn)料溫度(℃)2525進(jìn)料壓力(MPa).2合成爐的物料衡算進(jìn)合成爐的各物質(zhì)的量原料氫氣的量=純氫氣的摩爾量/氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)原料氫氣的量：156.25/0.9745=160.399kmol/h各組分的含量=原料氫氣的量×組分的摩爾分?jǐn)?shù)含氮?dú)猓?60.399×0.06%=0.0962kmol/h含水分：160.399×2.48%=3.976kmol/h含氧氣：160.399×0.01%=0.0160kmol/h原料氯氣的量=純氯氣的摩爾量/氯氣的摩爾分?jǐn)?shù)原料氯氣的量：148.81/0.9716=153.16kmol/h各組分的含量=原料氯氣的量×組分的摩爾分?jǐn)?shù)含氫氣：153.16×0.34%=0.521kmol/h含氮?dú)猓?153.16×1.12%=1.715kmol/h含二氧化碳：153.16×0.21=0.3216kmol/h含水分：153.16×0.18%=0.2757kmol/h含氧氣：153.16×0.99%=1.516kmol/h各物料總進(jìn)料：氫氣：ΣH2(mol)=156.25+0.521=156.771kmol/hΣH2(m)=156.771×2=313.542kg/h氮?dú)猓害睳2(mol)=0.0962+1.715=1.8112kmol/hΣN2(m)=1.8112×28=50.714kg/h水：ΣH2O(mol)=3.976+0.2757=4.2517kmol/hΣO2(m)=4.2517×18=76.5306kg/h氧氣：ΣO2(mol)=0.0160+1.516=1.532kmol/hΣO2(m)=1.532×32=49.024kg/h氯氣：ΣCl2(mol)=148.81kmol/hΣO2(m)=148.81×71=10565.5kg/hCO2：ΣCO2(mol)=0.3216kmol/hΣO2(m)=0.3216×44=14.1504kg/h總進(jìn)料(mol)=156.771+148.81+1.8112+4.2517+1.532+0.3216=313.5kmol/h總進(jìn)料(m)=313.542+10565.5+50.714+76.5306+49.024+14.1504=11069.461kg/h出合成爐的各物質(zhì)的量合成爐內(nèi)的兩個(gè)反應(yīng)：①②生成的氯化氫的量為：112=2×=2×148.81=297.62氧氣燃燒所消耗的氫氣及生成的水的量為：2121.532消耗氫氣的量生成水的量=1.532=3.064水的總摩爾量水的總質(zhì)量剩余的氫氣的量為：二氧化碳、氮?dú)鉀](méi)有參與反應(yīng)量不變⑤總出料(mol)=297.62+7.3517+4.897+1.8112+0.3216=311.97kmol/h總出料(m)=10863.13+131.68+9.794+50.714+14.1504=11069.471kg/h表2-2HCl合成爐的物料平衡表輸入，kg/h輸出，kg/hH2313.542HCl10863.13N250.714H2O131.68H2O76.5306H29.794O249.024N250.174Cl210565.5CO214.1504CO214.1504總計(jì)11069.46111069.471因總進(jìn)料量(m)≈總出料量(m)，因此物料守衡。2.4.3降膜汲取器的物料衡算汲取劑用量的計(jì)算汲取劑用20%的稀鹽酸，假定氯化氫的汲取率為99%，出塔鹽酸的濃度為35%。依照塔內(nèi)HCl的量守恒，可得：G=L×(X1-X2)①式中：G——單位時(shí)刻內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的溶質(zhì)量，kmol/hL——單位時(shí)刻內(nèi)通過(guò)汲取塔的溶劑量，kmol/hX1,X2——分不為出塔及進(jìn)塔液體中溶質(zhì)組分的摩爾比其中，G=G合×0.954×0.99=311.97×0.954×0.99=294.64kmol/h汲取劑為21%的鹽酸，出塔鹽酸的濃度為35%。因此，X1=0.2655，X2=0.1311因此，由①式可得，L=因此，汲取劑的量為出塔氣體質(zhì)量流量的計(jì)算出塔氣體中剩余的氯化氫的量為GHCl=G合×0.954×（1-0.99）=3kmol/h因此，mHCl余=109.5kg/h出塔氣體中剩余的混合氣體的量為m混合氣=206.341kg/h因此，出塔氣體總的質(zhì)量流量為m出塔氣=315.84kg/h出塔液體質(zhì)量流量的計(jì)算因?yàn)檫M(jìn)塔液體與出塔液體中水的量是不變的，因此表2-3降膜汲取器的物料平衡表輸入，kg/h輸出，kg/h進(jìn)汲取器混合氣HCl10863.13出汲取器混合氣HCl109.5H2O131.68H2O131.68H29.794H29.794N250.174N250.174CO214.1504CO214.1504汲取劑用量49954.23出汲取器液體流量60708.74總計(jì)61023.70161024.582.4.4解吸塔的物料衡算汲取器的塔底液體全部進(jìn)入解吸塔進(jìn)行解析，則解吸塔的物料計(jì)算如下：進(jìn)塔液體質(zhì)量流量的計(jì)算解吸塔的進(jìn)塔液的量等于汲取塔塔底的出塔液的量出塔液體質(zhì)量流量的計(jì)算出塔液體為20%的鹽酸。出塔液中水的量為：出塔氣體質(zhì)量流量的計(jì)算依照氯化氫守恒，可得G=L×(X1-X2)其中，X1=0.2655，X2=0.1233，因此，G=311.74kmol/h則表2-5解吸塔的物料平衡表進(jìn)塔物質(zhì)的量，kg/h出塔物質(zhì)的量，kg/h進(jìn)塔液體35%鹽酸60708.74出塔氣體11380.49出塔液體49328.25總計(jì)60708.7460708.742.4.5尾氣汲取塔的物料衡算進(jìn)塔液體質(zhì)量流量的計(jì)算尾氣塔的進(jìn)塔液體的質(zhì)量流量等于解吸塔的出塔液體的質(zhì)量流量。因此，進(jìn)塔氣體質(zhì)量流量的計(jì)算進(jìn)塔氣體中氯化氫的摩爾流量為3mol/h，其余混合氣體的摩爾流量為14.35kmol/h因此，出塔氣體質(zhì)量流量的計(jì)算設(shè)從降膜汲取器中未被汲取的氯化氫氣體在尾氣汲取塔中全部汲取，則出塔液體質(zhì)量流量的計(jì)算出塔液體為21%的鹽酸，因?yàn)槌鏊后w與進(jìn)塔液體中水的量是不變的，則出塔液體的質(zhì)量流量為表2-4尾氣汲取塔的物料平衡表輸入kg/h輸出kg/h進(jìn)塔氣體HCl109.5出塔氣體H2O131.68H2O131.68H29.794H29.794N250.174N250.174CO214.1504CO214.1504汲取劑49328.25出塔液體49437.75總計(jì)49644.0949044.092.5熱量衡算2.5.1合成爐的熱量衡算原料氣帶入的熱量原料氣各組分在25℃時(shí)的比熱容見(jiàn)表2-6表2-6原料氣各組分25℃的比熱容物質(zhì)Cl2H2N2O2CO2H2OCP（）2.2214.721.0470.9130.8374.18因此，原料氣帶入的總熱量為合成爐內(nèi)兩個(gè)反應(yīng)摩爾反應(yīng)熱的計(jì)算①合成爐內(nèi)兩個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱的計(jì)算式[1][1]合成反應(yīng)放出的熱量的計(jì)算式合成爐內(nèi)放出總的熱量為兩反應(yīng)放出的熱量之和：式中：Qr——合成氯化氫的反應(yīng)熱，KJ/hGHCl——反應(yīng)生成氯化氫氣體的摩爾流量，kmol/hT——合成爐燈頭溫度，KΔH0m1(298.15K)——氯化氫合成反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)熱焓，ΔCPm1——氯化氫合成反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物與原料的摩爾比熱容系數(shù)差值，J/mol.KQ’r——氧氣燃燒的反應(yīng)熱，KJ/hG水——反應(yīng)生成的水蒸汽的摩爾流量，kmol/hΔH0m2ΔCPm2——水蒸汽合成反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物與原料的摩爾比熱容系數(shù)差值，J/mol.K②合成爐內(nèi)兩個(gè)反應(yīng)的摩爾反應(yīng)熱恒壓比熱容的計(jì)算式為：CP=a+bT+cT-2，式中：a、b、c為常數(shù)，由文獻(xiàn)[3]查得各物質(zhì)的a、b、c見(jiàn)下表2-5。表2-7各物質(zhì)恒壓比熱容常數(shù)表物質(zhì)名稱(chēng)abc適用溫度氫氣27.293.25×10-30.501×105298-2500氯氣36.890.24×10-3-2.83×105298-3000氯化氫26.024.07×10-31.08×105298-2500水30.0110.7×10-30.32×105298-2500氧氣29.954.17×10-3-1.66×105298-3000因?yàn)棣P為生成物CP與反應(yīng)物CP之差，因此兩個(gè)反應(yīng)的ΔCP計(jì)算如下：生成氯化氫反應(yīng)：因此摩爾反應(yīng)熱：生成水的反應(yīng)：因此摩爾反應(yīng)熱：計(jì)算燈頭溫度[9]及反應(yīng)放出的熱量①燈頭溫度有如下關(guān)系式：②式中：G合——合成氣的摩爾流量，kmol/hC’p合——合成氣的恒壓摩爾比熱容，J/mol.Kt——合成氣入口溫度，℃t1——燈頭溫度，℃混合氣體的C’P可用下面的式子算得：合成氣出口溫度為350℃，由定壓比熱容的計(jì)算式計(jì)算得各物質(zhì)在出口溫度下的表2-8各物質(zhì)在350℃下的比熱容物質(zhì)氯化氫氫氣氮?dú)舛趸妓ǎ?9.9229.4630.8347.5537.4各物質(zhì)在合成氣中的含量：∴=30.09KJ/mol·℃將G合，C’P，t代入②式并聯(lián)立①、②可得：解之,得T=2736.86K，即合成爐燈頭溫度為2736.86K。將燈頭溫度帶入①式，可得反應(yīng)放出的總的熱量因此，反應(yīng)放出的總的熱量為：計(jì)算冷卻水用量合成氣入口溫度25℃，出口溫度350℃，在平均溫度187.5℃，查氣體比熱容共線圖可得混合氣中各組分的比熱容表2-9各物質(zhì)在187.5℃下的比熱容物質(zhì)N2CO2H2OHClH2（）29.336.8233.929.0228.3因此，合成氣帶走的熱量計(jì)算如下：因此，合成氣帶走的總熱量為：冷卻水移走的熱量取冷卻水的溫差為25℃，查得=4.18KJ/kg·℃冷卻水的用量為表2-10合成爐的熱量衡算表輸入kJ/h輸出kJ/h原料氣帶入的熱量708981.3合成氣帶走的熱量2953740合成反應(yīng)放出的熱量22909394.16冷卻水帶走的熱量20664635.46總計(jì)23618375.4623618375.462.5.2石墨冷卻器的熱量衡算石墨冷卻器合成氣體入口溫度℃，出口溫度為℃各物質(zhì)進(jìn)石墨冷卻器帶入的熱量表2-11各物質(zhì)在350℃下的比熱容物質(zhì)N2CO2H2OHClH2（）30.4648.7935.430.5428.3因此，各物質(zhì)進(jìn)石墨冷卻器帶入的熱量分不為：因此，進(jìn)石墨冷卻器帶入的熱量為：各物質(zhì)出石墨冷卻器帶入的熱量表2-12各物質(zhì)在170℃下的比熱容物質(zhì)N2CO2H2OHClH2（）29.336.8233.929.0228.3因此，各物質(zhì)出石墨冷卻器帶走的熱量分不為：

因此，出石墨冷卻器帶走的熱量為：冷卻水的用量冷卻水的進(jìn)口溫度為27℃，溫差為10℃，冷卻水的比熱容為4.18KJ/kg·℃冷卻水移走的熱量為：因此，冷卻的用量為：表2-13石墨冷卻器的熱量衡算表輸入kJ/h輸出kJ/h混合氣帶入的熱量3345240混合氣帶走的熱量1552154.22冷卻水帶走的熱量1793085.78總計(jì)334524033452402.5.3降膜汲取器的熱量衡算進(jìn)汲取器的液體帶入的熱量進(jìn)塔液體為20%的鹽酸溶液，進(jìn)塔溫度為10℃，則進(jìn)汲取器的液體帶入的熱量為進(jìn)汲取器的氣體帶入的熱量假設(shè)從石墨冷卻管出來(lái)的氣體進(jìn)入降膜汲取器時(shí)沒(méi)有熱量損失，則氯化氫溶解放出的熱量式中：——溶解所放出的總熱量、KJ/h——汲取了的氯化氫氣體、mol/h——氯化氫的汲取熱、KJ/mol汲取塔內(nèi)汲取了的氯化氫的量為：由文獻(xiàn)查得：因此出汲取器氣體帶走的熱量出塔氣體的溫度為40℃，出塔氣體各組分在此溫度下的比熱容見(jiàn)表2-14表2-14各組分在40℃時(shí)的比熱容物質(zhì)HClH2N2CO2H2OCP（kJ/kg﹒℃）0.7728.31.000.764.174因此，混合氣體帶走的熱量為出汲取器液體帶走的熱量出塔液體為35%的鹽酸，溫度為40℃，出塔液體帶走的熱量為冷卻水的用量冷卻水要移走的熱量為：

設(shè)冷卻水進(jìn)口溫度為27℃，溫差為10℃，則冷卻水的用量為表2-15降膜汲取器的熱量衡算表輸入kJ/h輸出kJ/h進(jìn)汲取器氣體帶入的熱量1545052出汲取器液體帶走的熱量6826353.6進(jìn)汲取器液體帶入的熱量386324.54出汲取器氣體帶走的熱量135305.86氯化氫的溶解熱18473928冷卻水帶走的熱量13443645.08總計(jì)20405304.5420405304.542.5.4解吸塔的熱量衡算進(jìn)塔液體帶入的熱量出塔液體帶走的熱量出塔氣體帶走的熱量氯化氫氣體從鹽酸中解析出來(lái)需要的熱量因此，氯化氫解析出來(lái)所需要的熱量為蒸汽用量由再沸器提供的熱量為：

再沸器進(jìn)口蒸汽壓力為0.2MPa，由文獻(xiàn)查得現(xiàn)在水的汽化熱為2205KJ/kg，則蒸汽用量為表2-16解吸塔熱量平衡表輸入kJ/h輸出kJ/h進(jìn)塔液體帶入的熱量6826353.6出塔液體帶走的熱量6905955再沸器提供的熱量732422.24出塔氣體帶走的熱量633274.74氯化氫解析需要的熱量19546.1總計(jì)755877.84755877.842.5.5尾氣汲取塔的熱量衡算進(jìn)塔氣體帶入的熱量假設(shè)從降膜汲取器出來(lái)的氣體進(jìn)入尾氣汲取塔時(shí)沒(méi)有熱量損失，則進(jìn)塔氣體帶入的熱量為

進(jìn)塔液體帶入的熱量假設(shè)從解吸塔出來(lái)的液體進(jìn)入尾氣汲取塔時(shí)沒(méi)有熱量損失，則進(jìn)塔液體帶入的熱量為出塔氣體帶走的熱量出塔氣體的溫度為35℃，各組分在35℃的比熱容為表2-17出塔氣體各組分在35℃的比熱容物質(zhì)N2H2CO2H2OCP(kJ/kg﹒℃)1.0128.30.754.174因此，出塔氣體帶走的熱量為氯化氫溶解放出的熱量溶解的氯化氫的量為3kmol/h，則出塔液體帶走的熱量出塔液體為20%的鹽酸，依照熱量守恒，出塔液體帶走的熱量為因此，出塔液的質(zhì)量流量為表2-18尾氣汲取塔的熱量平衡表輸入kJ/h輸出kJ/h進(jìn)塔氣體帶入的熱量135305.86出塔氣體帶走的熱量86952.1進(jìn)塔液體帶入的熱量6905955出塔液體帶走的熱量6954496.86氯化氫的溶解熱188.1總計(jì)7041448.967041448.962.5.6石墨換熱器的熱量衡算氣體帶入的熱量假設(shè)氣體由解吸塔出來(lái)進(jìn)入換熱器的過(guò)程沒(méi)有熱量損失，則氣體帶入的熱量為氣體帶走的熱量冷卻水用量冷卻水要移走的熱量為冷卻水的進(jìn)口溫度為27℃，溫差為4℃，則冷卻水的用量為:表2-19石墨換熱器的熱量平衡表輸入kJ/h輸出kJ/h氣體帶入的熱量633274.74氣體帶走的熱量350491.68冷卻水移走的熱量282783.06總計(jì)633274.74633274.742.5.7鹽水石墨冷卻器的熱量衡算用-25℃的冷凍鹽水將氯化氫氣體從40℃冷卻到-12℃,冷凍鹽水出口溫度為-16℃氣體帶入的熱量氣體帶走的熱量冷卻水用量冷凍鹽水要移走的熱量為冷凍鹽水的比熱容為3.473kJ/kg﹒℃，則冷凍鹽水的用量為表2-20鹽水石墨冷卻器的熱量平衡表輸入kJ/h輸出kJ/h氣體帶入的熱量350491.68氣體帶走的熱量冷卻水移走的熱量248078.28總計(jì)350491.68350491.682.6Aspen模擬2.6.1全流程的Aspen模擬圖圖2-1全流程的Aspen模擬圖全流程的Aspen模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表2-21表2-21全流程的Aspen模擬數(shù)據(jù)進(jìn)料kg/h出料kg/h氯氣10668.196濃酸53048.144氫氣389.326廢液9083.798汲取劑55319.362氯化氫4178.238水13.2尾氣80.4032.6.2氯化氫合成爐的Aspen模擬圖氯化氫合成爐的模擬圖及其模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2-2與圖2-3圖2-2氯化氫合成爐的Aspen模擬圖圖2-3氯化氫合成爐的模擬數(shù)據(jù)（1）圖2-4氯化氫合成爐的模擬數(shù)據(jù)（2）在反應(yīng)器中輸入原料氣氯氣，氫氣以及各原料氣中的各組分，選擇物性方法，活度系數(shù)法，在stream中輸入原料氣的壓力、溫度以及各組分的摩爾分率，點(diǎn)擊運(yùn)行之后，即可得到以上模擬數(shù)據(jù)。2.6.3降膜汲取器的Aspen模擬圖降膜汲取器的模擬圖及其模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)下圖：圖2-5汲取器的Aspen模擬圖圖2-6降膜汲取器的模擬數(shù)據(jù)（1）圖2-7降膜汲取器的模擬數(shù)據(jù)（2）圖2-8降膜汲取器的模擬數(shù)據(jù)（3）在汲取器中輸入所需汲取劑的量，汲取劑的溫度，以及反應(yīng)的壓力，點(diǎn)擊運(yùn)行之后，即可得到以上模擬數(shù)據(jù)。第3章設(shè)備選型3.1關(guān)鍵設(shè)備的計(jì)算氯化氫的合成爐是本設(shè)計(jì)工段的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。3.1.1合成爐爐體直徑的計(jì)算石墨合成爐爐體是圓柱體，則依照氣體狀態(tài)方程，爐體直徑的計(jì)算式[6]如下：式中，G合——合成氣摩爾流量，kmol/hR——?dú)怏w常數(shù)，J/（mol·K）T——合成爐燈頭溫度，Ku——合成爐內(nèi)氣速，m/sP總——合成爐工作壓力，Pa合成爐內(nèi)壓力為0.25MPa，取合成爐內(nèi)氣速為1m/s由前面計(jì)算可知，G合=311.97kmol/h，T=2736.86K，將以上數(shù)據(jù)帶入上式中，有取d=3.2m夾套直徑與合成爐爐體直徑有下面的公式[10]：式中，B——合成爐爐體內(nèi)側(cè)到夾套內(nèi)側(cè)的厚度，一般取為0.265m因此，合成爐夾套直徑為：，取夾套直徑為3.5m。3.1.2合成爐換熱面積的計(jì)算合成爐內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算依照合成爐內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，氯氣與氫氣在燈頭處混合燃燒，并迅速?lài)娚渲翣t體，因此選用Chilton和Tebens關(guān)聯(lián)式作為合成爐體內(nèi)側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)數(shù)學(xué)模型[6]：式中，hi——合成爐內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)——合成氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)di——合成爐爐體直徑，m——合成氣在爐體內(nèi)單位面積的質(zhì)量流速，kg/（m2·s）——合成氣的粘度，Pa·s——合成氣在壁溫下的粘度，Pa·s——合成氣的比熱容，kJ/kg·℃合成爐內(nèi)各物質(zhì)的物性參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱容）見(jiàn)下表表3-1各物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)表物質(zhì)HClCO2N2H2OH2λ（W/m·k）0.18×100.29×100.34×100.6750.14×10表3-2各物質(zhì)粘度表物質(zhì)HClCO2N2H2OH2μ（cp）0.02080.0210.02400.01450.011表3-3各物質(zhì)比熱容表物質(zhì)HClCO2N2H2OH2CP（kJ/kg·℃）0.790.891.054.41714.43合成氣導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算合成氣粘度的計(jì)算合成氣質(zhì)量流率的計(jì)算合成氣比熱容的計(jì)算因此，合成爐外側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算合成爐為立式圓筒形設(shè)備，夾套側(cè)物相變化并作強(qiáng)制對(duì)流，因此，采納Wiegand關(guān)聯(lián)式作為夾套側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)數(shù)學(xué)模型[6]：式中，h0——合成爐夾套側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·℃)——合成爐夾套側(cè)冷卻水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)——合成爐夾套側(cè)流道的當(dāng)量直徑，m——合成爐夾套側(cè)冷卻水的單位面積的質(zhì)量流速，kg/（m2·s）——合成爐夾套側(cè)冷卻水的粘度，Pa·s——合成爐夾套側(cè)冷卻水的比熱容，kJ/kg·℃d1——合成爐爐體外徑，m——合成爐夾套內(nèi)徑，m由文獻(xiàn)[1]查得，μ0=8.62×10-4Pa·s，λ0=67.98×10-2W/(m·K)，CP0=4.18kJ/kg·℃，取u0=1.5m/s現(xiàn)在夾套可看作是外徑為的內(nèi)管和內(nèi)徑為d1的管構(gòu)成的環(huán)形通道，則=－d1=0.25m冷卻水的質(zhì)量流率：將以上數(shù)據(jù)代入合成爐夾套側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)公式，可得：合成爐總傳熱系數(shù)的計(jì)算合成爐總傳熱系數(shù)按下式計(jì)算式中：U——總傳熱系數(shù)，W/m2·℃Rso——合成爐夾套側(cè)的熱阻，m2.℃/WRsi——合成爐爐體內(nèi)壁側(cè)的熱阻，m2.℃/Wd1——合成爐爐體的外徑，mdm——合成爐爐體的對(duì)數(shù)平均直徑，mλ——爐體材料導(dǎo)熱系數(shù)（本設(shè)計(jì)爐體材料為石墨），W/m.℃b——合成爐爐體的壁厚，m由文獻(xiàn)[1]查得：Rso=34.39×10-5m2·℃/W，Rsi=17.197×10-5m2·℃/W，λ=110m2·℃/W合成爐爐體外徑為d1=3.25m，取b=0.05m，因此合成爐爐體的對(duì)數(shù)平均直徑為：將以上數(shù)據(jù)代入總傳熱系數(shù)式中：因此，U=36.54W/m2·℃合成爐傳熱面積的計(jì)算合成爐換熱面積的計(jì)算公式為：式中，S——合成爐換熱面積,m2Q——傳熱速率，WΔtm——平均對(duì)數(shù)溫差，℃平均對(duì)數(shù)溫差的計(jì)算公式為：高溫側(cè)流體溫差：Δt1=2436.71-27=2436.71℃低溫側(cè)流體溫差：Δt2=350-52=298℃?zhèn)鳠崴俾蔠將以上數(shù)據(jù)代入換熱面積計(jì)算公式：3.1.3合成爐爐高的計(jì)算因?yàn)橐虼耍铣蔂t爐高的計(jì)算公式為：3.1.4合成爐燈頭尺寸的計(jì)算氯氣管直徑的計(jì)算氯氣管直徑的計(jì)算式：式中：——進(jìn)合成爐氯氣的摩爾量，kmol/h——進(jìn)合成爐氯氣的溫度，K——進(jìn)合成爐氯氣的壓力，Pa——進(jìn)合成爐氯氣氣速，m/s由前面的計(jì)算可知：，，MPa，氯氣的進(jìn)口氣速一般為5~10m/s，那個(gè)地點(diǎn)取8m/s，將以上數(shù)據(jù)代入公式得：因此，取氯氣管的規(guī)格為Φ325×8[8]的鋼襯PE管。氫氣管直徑的計(jì)算氫氣套管直徑的計(jì)算式[6]為：式中：——進(jìn)合成爐氯氣的摩爾量，kmol/h——進(jìn)合成爐氯氣的溫度，K——進(jìn)合成爐氯氣的壓力，Pa——進(jìn)合成爐氯氣氣速，m/s——氯氣管的外徑，m由前面的計(jì)算可知：=156.771kmol/h，=298.15K，=325mm，=0.21MPa，而氯氣的入口速度一般為5~9m/s，那個(gè)地點(diǎn)取8m/s將上面的數(shù)據(jù)代入公式，得取氫氣管的規(guī)格為Φ426×10[8]的鋼管冷卻水進(jìn)出口管直徑的計(jì)算進(jìn)口管管徑的計(jì)算公式：式中：——水的體積流速，m3/s——水的進(jìn)口速度，m/s水在不同溫度下的溫度為27℃，由文獻(xiàn)[1]查得不同溫度下水的密度見(jiàn)表3-4表3-4不同溫度下水的密度表溫度，℃30405060密度，kg/m3998.2995.7988.1983.2因冷卻水的進(jìn)口溫度為27℃，用插值法可求的此溫度下的密度：因此，水的流速一般為0.5~3m/s，那個(gè)地點(diǎn)取水的流速為2m/s將以上數(shù)據(jù)代入進(jìn)口管管徑的計(jì)算公式中，可得：取冷卻水進(jìn)口管的規(guī)格為Φ203×6[8]的熱軋無(wú)縫鋼管。出口管管徑的計(jì)算公式與計(jì)算進(jìn)口管管徑的公式一樣，水的流速依舊取2m/s，現(xiàn)在密度不一樣，依照表3-4中密度的數(shù)值，用插值法計(jì)算密度，得：將數(shù)據(jù)代入計(jì)算式，得因此，取合成爐冷卻水出口管規(guī)格為Φ203×6的熱軋無(wú)縫鋼管[8]。合成氣出口管的計(jì)算合成氣出口管管直徑的計(jì)算式為：式中：——進(jìn)合成爐氯氣的摩爾量，kmol/h——進(jìn)合成爐氯氣的溫度，K——進(jìn)合成爐氯氣的壓力，Pa——進(jìn)合成爐氯氣氣速，m/s由前面的計(jì)算可知：=311.97kmol/h，=623.15K，=0.25MPa，而氯氣的入口速度一般為5~10m/s，那個(gè)地點(diǎn)取10m/s將上面的數(shù)據(jù)代入公式，得取氫氣管的規(guī)格為Φ500×9[8]的鋼襯PE管3.1.5爆破膜尺寸的計(jì)算假如停、開(kāi)車(chē)時(shí)爐內(nèi)的氣體沒(méi)有置換潔凈，或是其他緣故，造成氫氣和其他氣體的混合比例達(dá)到爆炸范圍時(shí)，均可引起爆炸事故。因此，除了注意安全操作外，合成爐還應(yīng)設(shè)置安全防爆裝置。最常用的爆破裝置有爆破膜或重力式防爆蓋。而重力式防爆蓋常用于噴淋式合成爐中，因此本設(shè)計(jì)采納的浸沒(méi)式石墨合成爐所用的防爆裝置為爆破膜。爆破膜材料有不透性石墨和高溫石棉橡膠板，較常用的為不透型石墨。爆破膜直徑的確定：要求在發(fā)生爆炸事故時(shí)，能通過(guò)爆破口迅速將爆破氣體盡快地排出設(shè)備，以保證爐體的安全，爆破口的尺寸應(yīng)盡可能大一些，一般要求其直徑大于爐體直徑的一半，有的爆破膜直徑等于爐體直徑[2]。爆破膜厚度的確定：爆破膜的厚度目前還沒(méi)有較準(zhǔn)確的計(jì)算方法，可用下式進(jìn)行估算爆破膜厚度。爆破膜厚度式中：P爆——膜片的額定爆破壓力，Paσ——材料抗彎強(qiáng)度，Pad——爆破口直徑，mm爆破膜的設(shè)計(jì)爆破壓力為P爆=2×104Pa，由文獻(xiàn)查得，不透性石墨的抗彎強(qiáng)度≥50MPa，在本設(shè)計(jì)中取爆破膜的直徑為d=2200m將以上數(shù)據(jù)代入爆破膜厚度的計(jì)算式，可得：mm取爆破膜厚度為20mm3.1.6厚度的計(jì)算筒體厚度一般按照以下公式計(jì)算：式中：——筒體厚度，mmP——設(shè)計(jì)壓力，MPa——圓筒內(nèi)直徑，mm——材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa——焊接接頭系數(shù)——壁厚附加量，mm其中，式中：——負(fù)偏差，mm——腐蝕余量，mm查得，=0.8mm，=2mm，=375MPa=0.9[13]，因此，圓整后取=5mm強(qiáng)度校核按以下公式進(jìn)行校核：因此，強(qiáng)度符合要求。3.1.7封頭的選擇及計(jì)算依照設(shè)備要求，本設(shè)備選擇圓形平板封頭。封頭厚度按下式計(jì)算：式中：——封頭厚度，mm——封頭的計(jì)算直徑，mm——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)——設(shè)計(jì)壓力，MPa——封頭材料的許用應(yīng)力，MPa——焊接接頭系數(shù)查得，=0.25，=300MPa，=0.9[13]因此3.2其他設(shè)備的計(jì)算及選型3.2.1石墨冷卻器的計(jì)算及選型選取列管式石墨換熱器，依照工廠經(jīng)驗(yàn)值，總傳熱系數(shù)K=50W/m2·℃合成氣進(jìn)石墨冷卻器的溫度為350℃，出口為170℃，冷卻水進(jìn)口為27℃，出口溫度為52℃。石墨冷卻器換熱面積的計(jì)算公式為：式中，S——石墨冷卻器的換熱面積,m2Q——傳熱速率，WΔtm——平均對(duì)數(shù)溫差，℃高溫側(cè)流體溫差：Δt1=350-52=298℃低溫側(cè)流體溫差：Δt2=170-27=143℃W因此，石墨冷卻器的換熱面積為因此，選擇GHA700-60(F)型號(hào)的列管換熱器，公稱(chēng)面積60m2，換熱管的有效長(zhǎng)度為3000mm，換熱管根數(shù)為235根。3.2.2降膜汲取器的計(jì)算及選型降膜汲取器實(shí)際上是一種垂直安裝的列管式或圓塊孔式換熱器。換熱器的列管（或塊孔上的縱向孔道）相當(dāng)于許多并列的水冷濕壁塔。上部設(shè)置有分配汲取液的溢流管。中間汲取冷卻部分的結(jié)構(gòu)與換熱器中段相同，底部為氣液分離器[2]。本設(shè)計(jì)在那個(gè)地點(diǎn)選用列管式降膜汲取器。降膜汲取器換熱面積的計(jì)算公式為：式中，S——降膜汲取器的換熱面積,m2Q——傳熱速率，WΔtm——平均對(duì)數(shù)溫差，℃由文獻(xiàn)[3]查得總傳熱系數(shù)K=2090W/m2·℃。冷卻水進(jìn)口溫度為27℃，出口溫度為37℃，氯化氫氣體由170℃降至40℃。高溫側(cè)流體溫差：Δt1=170-37=133℃低溫側(cè)流體溫差：Δt2=40-27=13℃W因此，降膜汲取器的換熱面積為因此，選擇GX650-35型號(hào)的管殼式石墨降膜汲取器，系列參數(shù)見(jiàn)表3-5表3-5GX650-35型號(hào)的管殼式石墨降膜汲取器系列參數(shù)公稱(chēng)直徑mm固定管板厚度mm管程數(shù)管心距mm汲取管根數(shù)換熱面積m2汲取面積m2吸度收管有效長(zhǎng)度mm6502001421393529.230003.2.3尾氣汲取塔的計(jì)算及選型泛點(diǎn)的計(jì)算依據(jù)Bain-hougen關(guān)聯(lián)式，計(jì)算泛點(diǎn)速度式中：——泛點(diǎn)空塔氣速，m/sg——重力加速度，kg/m2·s——干填料因子，m-1μL——液相粘度，cpρg，ρL——?dú)庀?、液相密度，kg/m3L，G——液相，氣相流量，kg/hA——常數(shù)ε——填料空隙率已知：L=49328.25kg/h，G=315.84kg/h填料選用瓷拉西環(huán)，其規(guī)格為d=50mm，高×厚=50×4.5mm2，=177m-1，ε=0.81m3/m3，A=0.022，由文獻(xiàn)[1]查得：ρg=1.3kg/m3，ρL=1100，μL=2cp，將以上數(shù)據(jù)代入泛點(diǎn)計(jì)算式得：解得，=0.33m/s塔徑的計(jì)算塔徑的計(jì)算公式為式中：VS——?dú)怏w的體積流量，m3/su——空塔氣速，m/s空塔氣速等于泛點(diǎn)的0.5~0.8，那個(gè)地點(diǎn)取0.6，則空塔氣速u(mài)=0.6×0.33=0.198m/s因此，圓整后D=700mm塔高的計(jì)算填料層高度的計(jì)算式為：h=NT×HETP式中：h——填料層高度，mNT——理論塔板數(shù)HETP——填料的等板高度，m依照Aspen模擬的結(jié)果，理論塔板數(shù)為10，查得50mm拉西環(huán)的等板高度為0.9m[4]，因此，填料層的高度h=10×0.9=9m取填料塔的封頭高度為0.9m，支座為1.5m，因此，填料塔的塔高為H=9+0.9+1.5=11.4m3.2.4解吸塔的計(jì)算及選型泛點(diǎn)的計(jì)算依據(jù)Bain-hougen關(guān)聯(lián)式，計(jì)算泛點(diǎn)速度式中：——泛點(diǎn)空塔氣速，m/sg——重力加速度，kg/m2·s——干填料因子，m-1μL——液相粘度，cpρg，ρL——?dú)庀?、液相密度，kg/m3L，G——液相，氣相流量，kg/hA——常數(shù)ε——填料空隙率已知：L=49328.25kg/h，G=11380.494kg/h解得，=3.68m/s塔徑的計(jì)算塔徑的計(jì)算公式為式中：VS——?dú)怏w的體積流量，m3/su——空塔氣速，m/s空塔氣速等于泛點(diǎn)的0.5~0.8，那個(gè)地點(diǎn)取0.6，則空塔氣速u(mài)=0.6×3.68=2.21m/s因此，圓整后D=1200mm塔高的計(jì)算填料層高度的計(jì)算式為：h=NT×HETP式中：h——填料層高度，mNT——理論塔板數(shù)HETP——填料的等板高度，m依照Aspen模擬的結(jié)果，理論塔板數(shù)為15，查得50mm拉西環(huán)的等板高度為0.9m，因此，填料層的高度h=15×0.9=13.5m取填料塔的封頭高度為0.9m，支座為1.5m，因此，填料塔的塔高為H=13.5+0.9+1.5=15.9m3.2.5石墨換熱器的計(jì)算及選型管外側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算氯化氫氣體的定性溫度為(70+40)/2=55℃，由文獻(xiàn)[1]查得該溫度下氯化氫的各物化性質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3-6表3-655℃下氯化氫氣體的物化性質(zhì)數(shù)據(jù)表性質(zhì)粘度（