濕氯氣余熱利用及工藝設(shè)備的計(jì)算

1、濕氯氣余熱利用及工藝設(shè)備的計(jì)算氯堿是高耗能產(chǎn)品，如何降低生產(chǎn)能耗不僅是企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的需要，也是響應(yīng)國家“節(jié)能減排”和“可持續(xù)發(fā)展”的需要。目前公司年產(chǎn)燒堿10萬t,聯(lián)產(chǎn)氯氣約8.7萬t、氫氣2500to一方面從電解槽出來的氯氣、氫氣溫度在9095c之間，并被水蒸氣飽和，內(nèi)含大量熱能。該熱能不但沒有被利用，而且要耗大量自來水將這部分熱能移走；另一方面進(jìn)槽鹽水溫度需達(dá)到7580C,而從鹽水工序送到電解工序的精鹽水溫度在47c左右，需用蒸汽將其加熱至75c左右，耗費(fèi)了大量蒸汽。如果能利用從電解槽出來的氯氣或氫氣余熱來提高精鹽水溫度，將降低鹽水預(yù)熱用蒸汽；同時(shí)可節(jié)約氯氣或氫氣冷卻用

2、自來水。1方案選擇不管采用氯氣與精鹽水換熱還是氫氣與精鹽水換熱，行業(yè)內(nèi)都有許多成功的經(jīng)驗(yàn)，到底選擇哪種氣體與精鹽水熱交換呢？首先從理論上講，由于電槽出來的濕氯氣或濕氫氣都被水蒸氣飽和，主要成分是水蒸汽，所以濕氯氣與濕氫氣的熱燃值沒有太多差異。經(jīng)計(jì)算，濕氯氣熱燃略大于濕氫氣。若利用氫氣與進(jìn)槽鹽水換熱，其換熱設(shè)備材質(zhì)可選用碳鋼或是不銹鋼，設(shè)備造價(jià)會(huì)相對(duì)低些。不過，氫氣是從隔膜電槽陰極箱直接進(jìn)入氫氣總管，沒有特定分離空間；而氯氣是從槽蓋上與陽極液分離出來，槽蓋上部可視為有效分離空間。因而氯氣斷電性能要比氫氣好。所以如果選用鹽水與氫氣換熱， 要注意的是設(shè)備使用壽命。 上世紀(jì)七十年代末期我公司就使用過氫

3、氣余熱一一精鹽水換熱工藝，后來因設(shè)備使用壽命太短而取消。據(jù)報(bào)道現(xiàn)在有國內(nèi)同行采用金屬表面處理技術(shù)來提高設(shè)備壽命的，但其制造成本大大提高了。另外文獻(xiàn)介紹，國外有采用氫氣與精鹽水直接進(jìn)行換熱，然后再重飽和精鹽水的工藝，但國內(nèi)尚無使用的報(bào)道。若利用濕氯氣與精鹽水換熱，則換熱設(shè)備只能用鈦材作主材。其造價(jià)是氫氣一鹽水換熱設(shè)備所用不銹鋼材質(zhì)的造價(jià)的三倍。但是鈦換熱設(shè)備使用壽命預(yù)計(jì)可達(dá)二十年甚至更長些。所以最終決定采用濕氯氣與精鹽水換熱的方案。2工藝及設(shè)備計(jì)算2.1計(jì)算依據(jù)燒堿產(chǎn)量10萬t/a;年生產(chǎn)時(shí)間8000h;每生產(chǎn)1噸燒堿，進(jìn)入換熱器氯氣為886kg；每生產(chǎn)1噸燒堿需精鹽水9.2m3;設(shè)進(jìn)換熱器氯氣

4、溫度85C,出換熱器溫度為65C；進(jìn)換熱器鹽水47Co2.2物料計(jì)算2.2.185c時(shí)氯氣組分計(jì)算：設(shè)氯氣純度為94%(V/V),6%為空氣，85c時(shí)氯中含水為0.338kg/kgCl2，65c氯含水為0.0825kg/kgCl2，65c氯在水中溶解度為0.00305kg/kg氯水。氯含水：886X0.338=299.6300kg/t雜質(zhì)氣體：886/71X0.06X29=21.7kg/t（29為空氣分子量）2.2.265c時(shí)氯氣組成冷凝水量W=227kg/t;氯氣量：886227X0.00305=885.3kg/t;雜質(zhì)氣體：21.7kg/t;水蒸汽量：300227=73kg/t。2.3熱量

5、計(jì)算85c時(shí)，氯氣比熱Cpi：34.91kJ/kmolC；水蒸汽烙q1：2648.88kJ/kg一，.、,、，氯氣溶解熱C:22081kJ/kmol.仝氣熱燃HI:2281.92kJ/kg65c時(shí)，氯氣比熱Cp2：34.86kJ/kmolC水蒸汽焰q2：2609.34kJ/kg空氣熱燃H2：598.03kJ/kg冷凝水比熱CpH2O：4.187kJ/kgC2.3.1進(jìn)換熱器熱燃氯氣帶入熱焰Q1=G1C-At=463395kJ/h;水蒸汽熱燃Q2=G2-q=9945171kJ/h;氯氣溶解熱焰Q3=G3C=2918kJ/h;其它氣體熱焰Q4=G4H1=618970kJ/h;進(jìn)換熱器總熱燃Q進(jìn)=Q

6、1+Q2+Q3+Q4=11030481kJ/h。2.3.2出換熱器熱烙（65C）氯氣帶出熱焰Q1=G1cp2t=353178kJ/h;水蒸汽熱燃Q2=G2q=2388663kJ/h;冷凝水熱燃Q3=G3CpH20-t=772003kJ/h;雜質(zhì)氣體熱焰Q5=G5H2=162409kJ/h;出換熱器總熱焰Q出=Q1+Q2+Q3+Q5=3676630kJ/h。2.3.3可利用熱量Q（換熱器負(fù)荷）Q=Q進(jìn)一Q出=110304813676630=7353851kJ/h2.3.4鹽水升溫鹽水流量G=9.2X12.5=115m3/h,鹽水比熱Cp：3886kJ/m3由式Q=G，C。At得At=Q/（G-C

7、）=7353851/（115X3886）=16.5C則理想狀態(tài)下，鹽水最終溫度：47+16.5=63.56362.4換熱器設(shè)計(jì)采用列管式換熱器，殼程走氯氣（不易結(jié)垢），管程走鹽水（易結(jié)垢，便于清洗），傳熱管采用25X1,5X4006鈦管。傳熱K值取1005kJ/m2-h-C2.4.1傳熱面積熱負(fù)荷1756353.3千卡/h;傳熱溫差殼程設(shè)置二塊折流板（即三程），管程為2。Atm=（At1At2）/ln（At1/At2）FT氫氣：85c65C,鹽水：63c-47cAt1=85-63=22C,At?=65-47=18CR=1.25,S=0.42查圖，F(xiàn)T=0.87Atm=（2218）/ln22/1

8、8X0.87=17.4C。傳熱面積F=Q/At K=7353851/17.4X1005=420m22.4.2管數(shù)計(jì)算n=420/0.0235X4X兀=1425根（中徑）查表圓整為1459根，六角形層數(shù)為20,對(duì)角線管數(shù)41,弓形第一排為16,第二排為13根，因管程為2,所以中間管子取消；實(shí)際布管為1420,花板厚度為50,管有效傳熱長度3.9m,F有效=408m2（中徑）。2.4.3殼徑管間距pt取32mm；殼徑：40X32+30X2=1340mm,圓整為1400。2.4.4傳熱K值效驗(yàn)傳熱K值計(jì)算公式如下：K=1/1/“o+1/ai（Ao/Ai）+r0+h（Ao/Ai）+rw（Ao/Am）式

9、中：ao管外傳熱膜系數(shù)；ro管外污垢系數(shù)，按蒸儲(chǔ)水計(jì)，0.0001m2-C/w；ri管內(nèi)污垢系數(shù)，0.0002m2C/w；rw傳熱管管壁熱阻，0.0001m2C/w;ai管內(nèi)膜系數(shù)；Ai以內(nèi)徑為傳熱面積單位，0.0748m2/m；Am平均傳熱面積單位，0.0738m2/m;Ao-以外徑為傳熱面積單位，0.0785m2/m。由式ao=1.133600入3丫2v/LAt4可求得：ao=17619kj/m2-h-C式中：v為冷凝潛熱；入為凝液的導(dǎo)熱系數(shù)；丫為凝液重度；為凝液粘度；At為水蒸氣與壁面的溫差；L為管長。由式ai=JHCpGi（Cp/入）-2/3（3口）-0.14可求得：ai=1250kj

10、/m2-h-C,其中（科/w）-0.14=1式中：入為鹽水導(dǎo)熱系數(shù)；Gi為鹽水質(zhì)量流速；W為鹽水粘度；Cp為鹽水比熱；di為管內(nèi)徑。管內(nèi)摩擦因子JH=3.0X10-3那么，傳熱K值為：K=1/1/“o+1/ai(Ao/Ai)+ro+i(Ao/Ai)+rw(Ao/Am)=950kJ/m2-h-C傳熱總系數(shù)的儲(chǔ)熱系數(shù)r=(1005-950)/1005=5%V10%該設(shè)定K值符合要求；因此換熱器面積采用設(shè)計(jì)值F=420m22.4.5壓降計(jì)算管程壓力降NP=2,p=1170kg/m3,l=4.0m,di=0.022m,/叱1._-3Re=2498.4,查圖得：管內(nèi)摩擦因子Jf=7X10,物料流速m=G

11、i/pX3600=498781.5/1170X3600=0.118m/s由公式R=NP0.816XJ(l/di)(邛/w)-m+0.255Xpt2/2得R=21.8mmH2O殼程壓力降由公式：PS=2APQ+3(N-1)APQ+NAPW，八一PQ=1+(NW/NC)PQ=1.3032APQ，Po=4Fofs(Gc2N/2gp)2P(.t/3w)-0,4，.P=exp-3.8FBP(1-(2NS/Ne)，計(jì)算得9P=0.173kgf/m2,Pw=81.4kgf/m2,P0=0.609kgf/m2PS=2APQ+3(N-1)APo+NAPw=1.7kPa3效益經(jīng)過工藝及設(shè)備計(jì)算，制作了一臺(tái)有效面積

12、為408m2,封頭為不銹鋼碳鋼復(fù)合板，其余為鈦材的換熱器，并與2007年11月底投入運(yùn)行。其運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：月份換熱器前精鹽水溫度（C）換熱器后精鹽水溫度（C）溫差（C）殼層壓降（kPa）2007-12455271.42008-01455271.52008-024757101.62008-034758111.6從表中數(shù)據(jù)可知，精鹽水升溫在711C,離工藝?yán)碚撚?jì)算值有一定差距，其原因可能有：（1）理論計(jì)算是以進(jìn)槽鹽水理論消耗為基準(zhǔn)，而實(shí)際生產(chǎn)中為了保證生產(chǎn)正常平穩(wěn)的進(jìn)行，從鹽水工序送往電解工序的精鹽水過量10%20%,當(dāng)精鹽水與濕氯氣換熱后進(jìn)入鹽水高位槽，其過量部分溢流回鹽水工序，所以實(shí)際精鹽水量

13、大于理論流量。氯氣熱能利用了，只是在鹽水溫差中未反映出來。（2）運(yùn)行數(shù)據(jù)系冬春時(shí)節(jié)所測(cè)，環(huán)境溫度較低。由于殼程走氯氣，換熱器外殼未有保溫層，因而散熱較大?？紤]到我廠所在地全年的氣溫，預(yù)計(jì)全年精鹽水平均溫1213C,如果精鹽水溫升按年均12c計(jì)，每小時(shí)產(chǎn)堿12.5噸，每小時(shí)利用熱量：Q=9.2X12.5X3886X12=6236717kJ/h。精鹽水加熱用蒸汽按8kgf/cm2計(jì)，汽化潛熱為2050.8kJ/kg;每小時(shí)節(jié)汽G=6263717+2050.8=2614.6kg/h;噸堿節(jié)約蒸汽量為：G=2614.6-12.5=209.2kg/t;按年產(chǎn)10萬tNaoH,全年節(jié)約蒸汽量：209.2X100000+1000=20920t;按120元/t蒸汽計(jì)算，一年節(jié)約成本：120X20