1、摘要氯堿工業是最基本的化學工業之一，本文介紹了氯堿工業的原理，主要針對氫 氣處理工段做初步設計。從電解槽出來的氫氣，其溫度稍低于電解槽槽溫，并含有 飽和水蒸汽，同時還帶有鹽和堿的霧沫所以在生產過程中應進行冷卻和洗滌，冷 卻后的氫氣有氫氣壓縮機壓縮到一定壓力后經氫氣分配站送到氫氣柜及用氫部門。關鍵詞：氯堿工業，氫氣，塔一、總論（一）概述氫氣（H2）分子量2. 016,在常溫下為無色，無味，無臭的可燃氣體；密度在0C； 760mmHg 時為 0. 08987g/l,沸點為-252. 7C；結晶溫度是-259.C；對空 氣之比重是 00695；在水中溶解度很小， 標準狀態下溶于水中之氫氣體積為 00

2、215。 而在鎳、鈀和鉑內的溶解度很大，一體積能溶解幾百體積氫。氫氣除用于合成氯化氫制取鹽酸和聚氯乙烯外，另一大用途時植物油加氫生產 硬化油。此外還用于生產多晶硅以及有機化合物的加氫，用于氫氧焰、氫氧電池、 充填氣球、冶煉鎢和鉬等重要金屬，制造氨和鹽酸，液態氫可以做火箭或導彈的高 能燃料，氫氣也是未來的新型高能燃料，在有機合成中，氫用于合成甲醇、合成人 造石油和不飽合烴的加成等。氫氣具有廣泛的用途。例如，用它來充灌氣球；氫氣 在氧氣中燃燒放出大量的熱，其火焰 氫氧焰的溫度達3000C，可用來焊接或切 割金屬。液態氫可作火箭或導彈的高能燃料。氫氣作為燃料具有資源豐富、燃燒發 熱量高和污染少的特點

3、。今后如能在利用太陽能和水制取氫氣的技術上有重大突破， 氫氣將成為一種重要的新型燃料。氫氣還在冶金、化學工業等方面有著廣泛的應用。工業上用電解飽和NaCl溶液的方法來制取NaOH、CI2和H2,并以它們為原料生產一系列化工產品，稱為氯堿工業。氯堿工業是最基本的化學工業之一，它的產 品除應用于化學工業本身外，還廣泛應用于輕工業、紡織工業、冶金工業、石油化 學工業以及公用事業。1 .氯堿工業原理（ 1）電解飽和食鹽水反應原理電解飽和食鹽水的原理與電解 CuCl2 溶液的原理是相類似的。在 U 型管里裝入 飽和食鹽水，用一根碳棒作陽極，一根鐵棒作陰極（如下圖）。同時在兩邊管中各 滴入幾滴酚酞試液，并

4、把濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在陽極附近。接通直流電源后， 注意觀察管內發生的現象及試紙顏色的變化。從實驗可以看到，在 U 型管的兩個電極上都有氣體放出。陽極放出的氣體有刺激性氣味，并且能使濕潤的碘化鉀淀粉試紙變藍，說明放出的是CI2 ；陰極放出的氣體是H2,同時發現陰極附近溶液變紅，這說明溶液里有堿性物質生成。陰彊fra圖1電解飽和食鹽水實驗裝置為什么會出現這些實驗現象呢？這是因為NaCI是強電解質，在溶液里完全電離，水是弱電解質，也微弱電離，因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四種離子。當接通直流電源后，帶負電的 0H- 和CI-向陽極移動，帶正電的Na+和H +向陰極移動。在這樣的電解

5、條件下，CI-比 0H- 更易失去電子，在陽極被氧化成氯原子，氯原子結合成氯分子放出，使濕潤的碘化 鉀淀粉試紙變藍。陽極反應：2CI- 2e-=Cl2 f （氧化反應）H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，并結 合成氫分子從陰極放出。陰極反應：2H+ 2e-= H2f （還原反應）在上述反應中，H+是由水的電離生成的，由于 H+在陰極上不斷得到電子而生成 H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續電離出H+和OH-，H+又不斷得到電子變成H2,結果在陰極區溶液里0H-的濃度相對地增大，使酚酞試液變紅。因此， 電解飽和食鹽水的總反應可以表示為：2NaCI+2H

6、2O=2NaOH+H2 仟CI2 f工利用這一反應原理，制取燒堿、氯氣和氫氣。在上面的電解飽和食鹽水的實 驗中，電解產物之間能夠發生化學反應，如NaOH溶液和CI2能反應生成NaCIO、H2和CI2混合遇火能發生爆炸。在工業生產中，要避免這幾種產物混合，常使反應 在特殊的電解槽中進行。（2）離子交換膜法制燒堿目前世界上比較先進的電解制堿技術是離子交換膜法。這一技術在20世紀50年代開始研究，80年代開始工業化生產。圖2離子交換膜電解飽和食鹽水原理離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導電銅棒等組 成，每臺電解槽由若干個單元槽串聯或并聯組成。上圖表示的是一個單元槽的示意 圖。電

7、解槽的陽極用金屬鈦網制成，為了延長電極使用壽命和提高電解效率，鈦陽 極網上涂有鈦、釘等氧化物涂層；陰極由碳鋼網制成，上面涂有鎳涂層；陽離子交 換膜把電解槽隔成陰極室和陽極室。陽離子交換膜有一種特殊的性質，即它只允許 陽離子通過，而阻止陰離子和氣體通過，也就是說只允許Na+通過，而Cl-、OH-和氣體則不能通過。這樣既能防止陰極產生的 H2和陽極產生的CI2相混合而引起爆炸， 又能避免CI2和NaOH溶液作用生成NaCIO而影響燒堿的質量。精制的飽和食鹽水進入陽極室；純水（加入一定量的NaOH溶液）加入陰極室。通電時，H2O在陰極表面放電生成H2，Na+穿過離子滲透膜由陽極室進入陰極 室，導出的

8、陰極液中含有NaOH; CI-則在陽極表面放電生成CI2。電解后的淡鹽水從 陽極導出，可重新用于配制食鹽水。離子交換膜法電解制堿的主要生產流程可以簡單表示如下圖所示：電解僧圖3 離子交換膜法電解制堿主要流程電解法制堿的主要原料是飽和食鹽水，由于粗鹽水中含有泥沙、Cu2+、Mg2+、f+、SO2-雜質，不符合點解要求，因此必須進過精制。精制食鹽水時經常加入 Na2CO3、NaOH、BaCb等，使雜質成為沉淀過濾除去， 然后加入鹽酸調節鹽水的pH。例如：加入Na2CO3溶液以除去Ca2+：加入NaOH溶液以除去Mg2+、Fe3+等：2+2-,Ca +CO3 =CaCO3 J Mg2+ + 20H-

9、= Mg(OH)2 J f+ 30H-= Fe(OH)3 J為了除去SO42-，可以先加入BaCl2溶液，然后再加入Na2CO3溶液，以除去過量 的 Ba2+:coy 4 E宀兔CO訂這樣處理后的鹽水仍含有一些 Ca2+、Mg2+等金屬離子，由于這些陽離子在堿性 環境中會生成沉淀，損壞離子交換膜，因此該鹽水還需送入陽離子交換塔，進一步 通過陽離子交換樹脂除去Ca2+、Mg2+等。這時的精制鹽水就可以送往電解槽中進行 電解了。離子交換膜法制堿技術，具有wiki設備/wiki占地面積小、能連續生產、生產 能力大、產品質量高、能適應電流波動、能耗低、污染小等優點，是氯堿工業發展 的方向。2. 以氯堿

10、工業為基礎的化工生產NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生產原料，可以進一步加工成多種化工產品， 廣泛用于各工業。所以氯堿工業及相關產品幾乎涉及國民經濟及人民生活的各個領 域。由電解槽流出的陰極液中含有30%的NaOH，稱為液堿，液堿經蒸發、結晶可 以得到固堿。陰極區的另一產物濕氫氣經冷卻、洗滌、壓縮后被送往氫氣貯柜。陽 極區產物濕氯氣經冷卻、干燥、凈化、壓縮后可得到液氯。以氯堿工業為基礎的化 工生產及產品的主要用途見下圖。圖4 氯堿工業產品隨著人們環境保護意識的增強，對以氯堿工業為基礎的化工生產過程中所造成 的污染及其產品對環境造成的影響越來越重視。例如，現已查明某些有機氯溶劑有 致癌作用，

11、氟氯烴會破壞臭氧層等，因此已停止生產某些有機氯產品。我們在充分 發揮氯堿工業及以氯堿工業為基礎的化工生產在國民經濟發展中的作用的同時，應 盡量減小其對環境的不利影響。3. 我國氯堿工業的發展我國最早的氯堿工廠是1930年投產的上海天原電化廠（現上海天原化工廠的前 身），日產燒堿2t。到1949年解放時，全國只有少數幾家氯堿廠，燒堿年產量僅1. 5 萬噸，氯產品只有鹽酸、液氯、漂白粉等幾種。近年來，我國的氯堿工業在產量、質量、品種、生產技術等方面都得到很大發展。到1990年，燒堿產量達331萬噸，僅次于美國和日本，位于世界第三位。1995 年，燒堿產量達496萬噸，其中用離子交換膜電解法生產的達

12、 56. 2萬噸，占總產 量的11. 3%。到2000年，燒堿年產量已達540萬噸，其中用離子膜電解法生產的 將達180萬噸，占33. 3%。4. 氫氣處理的任務和方法從電解槽出來的氫氣，其溫度稍低于電解槽槽溫，并含有飽和水蒸汽，同時還 帶有鹽和堿的霧沫.所以在生產過程中應進行冷卻和洗滌，冷卻后的氫氣有氫氣壓 縮機壓縮到一定壓力后經氫氣分配站送到氫氣柜及用氫部門。5. 氫氣處理工藝流程確定電解槽出來的飽和濕氫氣中含有大量的水和其它氣體，鑒于本次設計中不充分考慮熱綜合利用，故采用直接法工藝，以簡化流程和投資。選擇流程為電解來氫氣 經緩沖罐后進入一段洗滌塔，經洗滌冷卻至 50 r后經二段洗滌塔冷卻

13、至30 r，再經絲網除沫器，最后用羅茨鼓風機抽送至用戶二、工藝計算（一）氫氣處理工藝流程氫氣處理工藝流程圖見下，據此進行物料衡算和熱量衡算:圖5氫氣處理工藝流程圖由電解槽出來的飽和濕氫氣中含有大量的水和其它氣體，一般采用間接和直接 法除去，達到要求。鑒于本次設計中不充分考慮熱綜合利用，故采用直接法工藝， 以簡化流程和投資。其選擇流程為電解來的氫氣經緩沖罐后進入一段洗滌塔，經洗 滌冷卻至50C后經二段洗滌塔冷卻至30C，再經絲網除霧器，后用羅茨鼓風機抽送 至用戶。公用系統來自工業水，經與氫氣換熱后進入水池，再用泵抽吸返回公用系 統制冷后，再次循環使用。（二）計算依據1相關條件計算基準：以1000

14、kg100%NaOH產氫作計算標準到達處理氫氣溫度為80C,每生產1000kg100%Na0H電解液所生產的氫為25kg 此時飽和的水蒸汽含量為205kg 0壓縮機以前的操作壓力近似為1絕對大氣壓（0kg/cm 2）。氫氣純度98% o電解氫氣經兩段洗滌冷卻溫度從 80T降至30C。2.相關數據表1相關熱力學數據物料與項目單位溫度C805030氫氣比熱千卡/kg 度3. 4393. 4213. 409水蒸氣比焓千卡/ kg631. 4619. 1610. 6其它氣體比熱（空氣）千卡/kg 度0. 2440. 2430 . 242水的飽和蒸汽分壓千卡/ cm 2 （絕）0. 4830. 1258

15、0. 04333.進入氫氣系統物料(以1000kg100%Na0H作計算標準)氫氣：12. 5 kmol (25kg) 水汽：11. 39 kmol (205kg) 其他氣體： 絲 X 002 =0. 255 kmol (7. 39kg)20.98其它雜質不計（三）工藝計算1.一段洗滌冷卻塔(1) 計算依據氫氣在一段冷卻塔中溫度從80C降至50C以1000kg100%NaOH產氫作為計算標準(2) 物料衡算 道爾頓分壓定律計算設氫氣中冷凝水量為 WL ,由道爾頓分壓定律列出方程:205 WL.18252 0.980.12581 0.1258解設 WLi=172( kg)20因氣體在水中的溶解度

16、很小,故忽略不計。則出塔氣體組成氫氣：12. 5 kmol(25kg)水汽： 1. 833 kmol(205-172=33kg)其它氣體：0. 255 kmol(7. 39kg) 物料衡算表以1000kg100%Na0H產氫作為計算標準表2 一段洗滌冷卻塔物料衡算表名稱進一段洗滌冷卻塔(kg)出一段洗滌冷卻塔(kg)氫氣2525水汽20533其他氣體7. 397. 39水172總計237. 39237. 39 總物料衡算表3 一段洗滌冷卻塔總物料衡算表名稱進一段洗滌冷卻塔（kg）出一段洗滌冷卻塔（kg）氫氣50000005000000水汽410000006600000其他氣體147800014

17、78000水34400000總計4747800047478000(3)熱量衡算 入塔氣體帶入熱量Q=80X 25X 3. 439=6878 kcalQ=205X 631. 4=129437 kcalQ=80X 0. 244x 7. 39=144 kcal 冷卻水帶出熱量 設冷卻水量為 WLkg，溫度25C，出塔溫度為50C,出塔水量： WL 2+W匸WL+172冷卻水帶入熱量：Q=WLX 25冷卻水帶出熱量：Q=(WL+172) X 50 出塔氣體帶出熱量Q 6=50X 25X 3. 42仁4276 kcalQ 7=33X 619. 1=20430 kcalQ 8=50X 7. 39X 0.

18、243=90 kcal 忽略熱損失則Q進=Q出/. Q計 Q+Q+Q = Q5+Q+Q+Q6878+129437+144+25 X WL=(WL+172) X 50+4276+20430+90 WL=4122. 52 kg即：進入系統水量為：4122. 52 kg ,出系統冷卻水量為：4122. 52+172=4294 52 kg冷卻水帶入熱量：4122. 52X25=103063 kcal冷卻水帶出熱量：(4122 . 52+172) X 50=214726 kcal 熱量衡算表表4 一段洗滌冷卻塔熱量衡算表輸入輸出物料名稱數量kg熱量kcal物料名稱數量kg熱量kcal氫氣256878氫氣

19、254276水汽205129437水汽3320430其他氣體7. 39144其他氣體7 . 3990冷卻水4122. 52103063冷卻水4294. 52214726總計4359. 91239522總計4359. 912395222 .二段洗滌冷卻塔(1) 計算依據 電解氫氣經二段洗滌冷卻溫度從 50C降至30C。 氫氣純度98%(2) 物料衡算 二段洗滌冷卻塔氫氣出口溫度為30 T，則冷凝水量為 WL同理，由道爾頓分壓定律列出方程：33 WL318=0.0433251 0.04332 0.98解得 WLa=22. 61 kg故出塔氣體組成：氫氣： 12. 5 kmol (25kg)水汽：

20、0. 577 kmol (33-22. 61=10. 39kg)其它氣體： 0 . 255 kmol (7. 39kg) 出塔氣體中氫的含量100%93. 76%12.50.5770.255干氣體中氫的百分數：100%98%12.512.50.255 物料衡算表以1000kg100%NaO產氫作為計算標準表5二段洗滌冷卻塔物料衡算表名稱進二段洗滌冷卻塔（kg）出二段洗滌冷卻塔（kg）氫氣2525水汽3310. 39其他氣體7. 397. 39水22. 61總計65. 3965. 39 總物料衡算表6二段洗滌冷卻塔總物料衡算表名稱進二段洗滌冷卻塔（kg）出二段洗滌冷卻塔（kg） 氫氣500000

21、05000000水汽66000002078000其他氣體14780001478000水4522000總計1307800013078000（3）熱量衡算 氣體帶出熱量Q=4276 kcalQ7=20433 kcalQ8=90 kcal 氣體帶出熱量Q9=30X 25X 3. 049=2557 kcalQo=1O. 39X 610. 6=6344 kcalQ1=30X 7. 39X 0. 242=54 kcal 冷卻水帶出熱量設進入系統冷卻水量為 WL kg，溫度25C，出塔溫度30C,則出塔水量 WL+W4WI+22. 61入塔水帶入熱量：Qi3=WLX 25出塔水帶出熱量：Q2=(WL+22.

22、 61) X 30 忽略熱損失由Q進=Q出Q+Q o+Q*i+Q2=Q+Q+Q+Q32557+6344+54+(W4+22. 61) X 30=4276+20430+90+WX 25 WL=3032. 54 kg故入塔冷卻水量3032. 54 kg ,出塔冷卻水量為：3032. 54+22. 61=3055. 15 kg入塔冷卻水帶入熱量：3032. 54 X 25=75813. 5 kcal出塔冷卻水帶出熱量：(3032 . 54+22. 61) X 30=91654. 5 熱量衡算表表7二段洗滌冷卻塔熱量衡算表輸入輸出物料名稱數量kg熱量kcal物料名稱數量kg熱量kcal氫氣256878

23、氫氣2 . 54276水汽33129437水汽3320430其他氣體7. 39144其他氣體7 . 3990冷卻水4122. 52103063冷卻水4294. 52214726總計4337. 41239522總計4337. 41239522三、主要設備設計及選型(一)一段洗滌塔1 塔氣體流量進塔氣體溫度為80 r，操作壓力為1大氣壓，氣體總摩爾數為：(12 . 5+11. 39+0. 255) X 26. 52=640. 33 kmol/h 則氣體體積 V=22 4X 640. 33X 273 80 X 12733=18546. 58 m/h出塔氣體總摩爾數:(12. 5+1. 833+0.

24、255) X 26. 52=386. 87 kmol/h則氣體體積V=22 . 4X 386. 87X匹 50 X 1273=10253. 05 m3/h平均氣體 v=18546.58 10253.05 =14399. 82 m3/h22. 塔氣體直徑空塔速度取0. 3 m/s ,14399.820.785 3600 0.3=4. 12 m取塔徑D=4. 2 m3. 噴嘴輸鹵的確定及布置設上水壓力為0. 2Mpa考慮水垢的阻塞，噴嘴直徑 d=3. 5mm 查表及噴水量約360 kg/h，則噴嘴總數由物料衡算需25C冷卻水109.33t/h則噴嘴總數：n=10933=303. 69個0.36考慮

25、分布可能的阻塞，取400個。4. 塔高的確定噴嘴分7層排布，下層50個朝上噴嘴，上層35個朝下噴嘴，中間5層，每 層60個噴嘴，與上下各層錯開排列，朝下噴水，管間距 800mm 上部考慮除沫 室等為1000mm下部有進氣口等為 2000mm則整個塔高為：H=1000+2000+X 800=8600mm5. 管徑的選擇取管內氣體流速為5m/s入塔氣體的流量為：18546. 58nVh=5. 15 m3/s故進塔氣體管徑d1=1200mm同理：出塔管徑計算出塔氣體流量：10253 . 05mVh=2 . 85mVsd2=850mm冷卻水進口計算，取流速2m/s，由物料衡算:139m109.33 門

26、 =0.2 36004取 d3=150mm(二)二段洗滌塔1. 塔氣體流量塔氣體流量 V=10253. 05mVh出塔氣體溫度為30r，操作壓力約1大氣壓，則出塔氣體總摩爾數：(12. 5+0. 577+0. 255)X 26. 52=353. 565 kmol/hV2=22. 4X 353. 565X 273 30 X 仁8790. 17rrVh27310253.058790.173 小v2 =9521. 61m/h2 22. 塔徑的確定取生產實測值，空塔速度取 0. 3m/s則 d= 9521.6=3. 35m4 3600 0.3取塔徑3500mm3. 噴嘴數的確定設上水壓力為0. 2Mp

27、a考慮到水垢的阻塞，噴嘴直徑 d=2. 5mm查表及噴水量為280kg/h .由物料衡算數8373 =299. 04個0.28考慮分布及可能的阻塞，取 350個4. 塔高的確定噴嘴分7層，上層30個朝下噴嘴，中間5層，每層55各噴嘴，與上下各 層錯開排列，朝下噴水，下層 45個朝上噴嘴，管間距取800mm上部考慮除沫 室等為1000mm下部有進氣口等為2000mm則整個塔高為：H=1000+2000+T 800=8600mm5. 管徑選擇氣體進口管di=d2=850mm出塔氣體管 ds=. 一8790.17=0. 789 m5 3600 0.875取 ds=800mm冷卻水進口管徑計算:取流速

28、2m/s，由物料衡算6=8373.2 3600 0.875=0.122m取 d 6=130mm（三）主要管徑計算來系統氫氣管D1=d1=1200mm經壓縮送出氫氣管，取流速12m/s血,8790.17 門貝U D=J=0. 509m12 3600 0.875圓整 D2=530mm入系統25r水總管/ 109.33 83.73 MB=0.2 3600 0.785185m取 D3=200mm送出系統冷卻水總管D4=113.89 84.33 =0.817m2 3600 0.785取 D=200mm（四）氫氣輸送設備因氫氣小時輸送量為8790. 17nVh，即146. 5nVmin，效率以80%+，則

29、氫 氣輸送設備能力應為183. 13nVmin，用三臺并聯運行，效率為 60%則單臺風 機能力為101. 74nVmin .選用TR系列雙級羅茨鼓風機4臺，流量范圍2. 61 207nVmin，升壓 9. 8 196Kpa（五）水輸送泵循環水池送出水量為（113. 89+84. 33） =198. 22nVh設送出位差和阻力損失為20m實際以管路實際阻力而定），則從化工工藝 設計手冊P1-72查知，150F-35型耐腐蝕離心泵參數為：流量：234riVh，揚程：29. 7m 電機功率30KV，軸功率25. 2KW鑒于在電解來的氫氣中含一定量的堿霧，在洗滌后，使循環水顯堿性，故選擇防腐蝕泵150

30、F-35型泵兩臺，開一備一。（六）液封循環水池按設計規范要求，一、二段洗滌塔間距為1.5m以四周墻體間距為0.8m 則液封循環水池長：0. 8X2+3. 6+3. 0+1. 5=9. 7 m圓整為10m即將洗滌塔間距由1. 5m延長至1. 8m寬0. 8X2+3. 6=5. 2m深即高，以半小時水量為基準，貝H=198.2210 5.2 2=1. 91m圓整為2m 即, 循環水池規格為10000 X 5200 X 2000（七）氫氣緩沖罐以出塔氣體為基準，則體積 V 8790.17 =2. 44nVs 3600圓整后設備規格為：1500 X 1900表8主要設備一覽表序號設備位號設備名稱規格數量單位1E-1001鈦冷卻器700X100002臺2V-1003除沫器700X 9002臺3T-1001硫酸干燥塔IDg = 12001臺4T-1002P 硫酸干燥塔nDl = 9001臺5T-101-1一段洗滌塔Dg =