年产20万吨烧碱电解工段的初步工艺设计

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）

第四章 主要设备的工艺计算与选型

4.1 电解槽数量的估算

电解槽是在低电压、大电流下进行操作。因电解槽的电极面积下，单槽生产能力下，所以通常都是由多台电解槽同时运转。因此应根据生产规模来确定最佳槽数。

根据电解槽组成系列生产的特点，必须经常保持电解系列的直流电压和电流与整流器的输出电压和电流相匹配，并且能够使电解槽处于良好状态下运行，所以电解槽必须定期轮换进行检修，即将单台电解槽从电解系列中用除槽装置切离开，进行检修后复原。所以在设计电解槽时，应按照电解槽部件的更换周期计算出必要的备用电解槽。 正常运行的电解槽台数N，可按下式来计算求得：

N1=

式中k—电化当量，g/Ah

I—强度，kA/ m； h—电解槽年运行小时，h； ε—电流效率，%； S—单槽电极面积，m； G—100%氢氧化钠年产量，t。

已知：k=1.493g/Ah，I=1.7kA/ m，ε =95%，G=200000t，S=30.7 m。 年工作320天，每天工作24小时。则有N1=351.8台。

备用电解槽N2：N2=

K?N1 T?m22221000G

k?S?h?I??式中T—单槽更换周期，天/台； m—每天检修槽数，台/天；

K—集中检修系数，（一般取1.1-1.2）； “T”值：金属阳极石棉隔膜取300-360天； “m”值：小企业m=1。

取“K”值1.2，”“T”值320，则有N2=1.32 。为检修方便N2=2 因此，设计电解槽数：N=351.8+2=354台

4.2 氢盐换热器的选型

(1)粗选氢盐换热器 根据《化工原理》流体流经管程或壳程的选择原则，由于混合气体中水蒸气会冷凝成水，为了方便及时排除冷凝水，选择湿氢气走壳程。而精盐水因为容易结垢，为了方便清洗，选择精盐水走管程。 精盐水的定性温度Tm=(90+70)/2=80℃

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湿氢气的定性温度tm=(45+55)/2=50℃

Tm-tm=80-50=30℃<50℃ 由于两流体间的温差不大于50℃，故选用固定管板式换热器。

根据热量衡算，可知氢盐换热器的换热总负荷为： Q=(53980376.59-44041979.56) ×1000/3600=2760665.84W 平均温差的计算：

?tm=

?t2??t1(90?70)?(55?45)10===14.4℃

90?70?t2ln2lnln55?45?t1P=

55?4510=?0.22

90?454590?70R=?2 55?452760665.84?80㎡

2500?13.8Ψ?t=0.96.[3]，所以?tm=Ψ?tm×?tm=0.96×14.4=13.8℃ 设计取总传热系数为K=2500 W/（㎡·℃），则S=

根据《化工设备的选择与设计》，选择G-500-2-16-80型换热器（见表4.1）。

表4.1 氢盐换热器的规格及参数

参数 公称直径 公称压强 公称面积 管程数

数量 500mm 1.6MPa 80m2 2管程

参数 管子尺寸 管长 管子总数 管子排列方法

数量 Φ25×2.5mm

6.0m 172 正三角形排列

实际传热面积：So=nπdo(L-0.1)=172×3.14×0.025×(6-0.1)=79.66 m2

4.3 盐水预热器的选型

由于采用水蒸气冷凝成水作为加热方式，为了使冷凝水能够顺利排出，水蒸气走壳程；又由于精盐水容易结垢，为方便清洗，精盐水走管程。

(1)计算热负荷和蒸汽流量

Q=（89265573.21-53980376.59）×1000/3600=9801443.51w

查《氯碱工业理化常数手册》知：100℃水蒸气的冷凝潜热为：r=2258 kJ/kg

Q9801443.51??4.34kg/s r2258?1000饱和蒸汽的定性温度Tm=100℃，精盐水的定性温度为：tm=1/2（55+90）=72.5℃ 则饱和蒸汽的流量为：Wh=

Tm-tm=100-72.5=27.5℃<50℃，所以选用固体管板式预热器。

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(2) 计算平均温差 按单壳程，多管程计算 逆流时的平均温差为：

?tm=

(T?t1)?(T?t2)(100?55)?(100?90)??23.3℃

T?t1100?55lnln100?90T?t2(3)初选换热器规格 根据管外水蒸气冷凝来加热管内的水溶液（u?2?10?3 Pa?s），总传热系数经验值的范围为（1160—4070）W/（㎡?℃），初选 Ko=4000W/（㎡?℃）

因此传热面积 S0?QK0?tm?9801443.51?105.2㎡

4000?23.3由《化工设备选型与设计》换热器的系列标准，选用G-600-4-25-110型换热器，其规格参数如下表4.2所示。

表4.2 盐水预热器的规格参数

参数 公称直径 公称压强 公称面积 管程数

数量 600mm 2.5MPa 110m2 4管程

参数 管子尺寸 管长 管子总数 管子排列方法

数量 Φ25×2.5mm

6.0m 242 正三角形排列

该换热器的实际传热面积为：S实= nπdo(L-0.1)=242×3.14×0.025×(6-0.1)=112.1 m2 则 K=Q/( S实Δtm)= 9801443.51/(112.1×23.3)=3752.57 W/(m2?℃)<4000W/(m2?℃)

所以换热器是合适的。

4.4 其他设备的选型

(1)精盐水泵的选型 精盐水的密度为：ρ=1132kg/m3精盐水的体积流量为：

Vs=W/ρ=285074.42/1132=251.8m3/h

参考《中国化工机械设备大全》，选择型号为：150FB-22A化工耐腐蚀泵，流量为173.5 m3/h，数量为2台并联。

(2)电解碱液泵的选型 对于10.7%的电解液，其密度按照10.7%的NaOH和(1-10.7%)的水来计算，且忽略温度的影响，10.7% NaOH的密度ρ=2130 kg/m3

则：ρ=2130×10.7%+1000×(1-10.7%)=1120.9 kg/m3 实际密度稍大于此，取ρ=1200kg/m3。

电解碱液的体积流量为：ρ=243380.06/1200=202.8 m3/h

参考《中国化工机械设备大全》，选择型号为：100FB-57化工耐腐蚀泵，流量为100.8 m3/h，数量为2台并联。

(3) 气液分离器和修槽工段的设备选型 由于此设计和株洲化工厂的生产规模一

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致，则参考株洲化工厂的设备选型。

设备一览表如表4.3所示。

表4.3 设备一览表

名称 精盐水泵 电解碱液泵 电解槽 精盐水贮槽 盐水高位槽 氯气气液分离器 氢气气液分离器

氢气水封 电解碱液槽 氢盐换热器 盐水预热器 电动梁桥起重机

真空泵 加压泵 苛化槽 吸膜槽 真空罐 缓冲罐 碱液槽 清水池 散热片 磅秤 有轨小车 氢气器液分离器

规格及型号 150FB-22A Q=35m3/h 100FB-57 Q=35m3/h

DSA-30-Ⅲ Φ4400×2000, V=32 m3/h Φ4400×2000, V=16 m3/h

Φ500×1180 Φ500×1050 Φ600×800

Φ4000×2000 ，V=35 m3/h

G-500-2-16-80 G-600-4-25-110 Spah=13.5m LH=16m

SZ-3

65WX-140，Q=14.4 m3/h

3200×2200×1200 3200×2200×1200 Φ1400×2740

Φ700 Φ1000×2550 Φ2000×3000×1200

GL2-15-36 TGT-100 Q=3t Φ500×1050

台数 2 2 354 1 1 1 1 2 1 1 ２ 1 ２ １ １ １ ２ １ １ １ １ １ ２ １

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