次氯酸鈉生產(chǎn)裝置中豎管降膜吸收反應器的設計

付 勇

上海華誼工程有限公司（上海 200235）

工作研究

次氯酸鈉生產(chǎn)裝置中豎管降膜吸收反應器的設計

付 勇

上海華誼工程有限公司（上海 200235）

從布膜器設計和換熱管換熱面積計算的角度，提出了次氯酸鈉生產(chǎn)裝置中豎管降膜反應吸收器的設計方法，選用了相應的數(shù)學計算模型并給出了設計計算實例。

豎管降膜吸收反應器 次氯酸鈉 換熱面積 計算 布膜器

0 前言

最近，上海華誼工程有限公司接到某廠年產(chǎn)10萬t10%（質(zhì)量分數(shù)，下同）次氯酸鈉生產(chǎn)裝置的項目設計委托，針對上述三種生產(chǎn)工藝的特點，我們選擇了豎管降膜反應器吸收生產(chǎn)工藝。在次氯酸鈉生產(chǎn)裝置中，豎管降膜吸收反應過程是為從降膜吸收反應器頂部流入的氫氧化鈉順著垂直管壁流下的下降液膜吸收氯氣，氫氧化鈉液膜吸收氯氣是一個放熱過程，為了保證吸收反應過程的穩(wěn)定進行，吸收反應熱須被外管壁的冷卻水帶走。由于豎管降膜吸收反應器是降膜吸收法生產(chǎn)次氯酸鈉裝置的核心設備，而布膜器和換熱管又是降膜吸收反應器設計中兩個重要的部件，本文從這兩個方面入手，進行豎管降膜吸收反應器的設計和計算，并以年產(chǎn)10萬t 10%次氯酸鈉的豎管降膜吸收反應器為例進行設計。

1 豎管降膜吸收反應器的設計

1.1 液體布膜器設計

液體布膜器是豎管降膜吸收反應器的重要部件之一，其結構設計是否合理、液體分布是否均勻，將直接影響到吸收反應器的成膜效果、液膜穩(wěn)定性、傳熱和反應效率，從而影響到吸收反應器的生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。目前降膜吸收反應器中的液體布膜器有齒縫溢流型液體布膜器、切向孔式液體布膜器、切向槽式液體布膜器、螺旋溝槽式液體布膜器、導流噴淋式液體布膜器和導流齒縫式液體布膜器等[1]，針對氯氣和氫氧化鈉反應系統(tǒng)中氯化鈉易結晶的特點，豎管降膜吸收反應器可以設計成可調(diào)節(jié)高度齒縫溢流型液體布膜器（見圖1），這種布膜器結構簡單，制造、安裝方便，布膜均勻，不易堵塞。

1.2 豎管降膜吸收反應器換熱面積計算

1.2.1 豎管降膜吸收反應器換熱面積的計算模型

（1）管內(nèi)側平均界膜傳熱系數(shù)

沿垂直傳熱管壁下流的管內(nèi)側平均界膜傳熱系

數(shù)采用精度較好的威爾克實驗公式[2]計算。

患者應用雙氯芬酸鈉栓后可能出現(xiàn)不良反應,胃腸道癥狀最為多見,其次為皮膚癥狀,如搔癢等,頭痛、眩暈相對較少。需要觀察癥狀輕重和對身體的影響,必要時采取對癥處理,緩解癥狀。本組患者出現(xiàn)6例皮膚瘙癢、紅疹,2h后自行改善。該藥物經(jīng)肝腎代謝,術前必須檢查肝腎功能,異常者謹慎應用,術后同樣需要監(jiān)測,一旦發(fā)現(xiàn)問題迅速反饋給醫(yī)生,采取有效措施進行處理。

過渡區(qū)的平均界膜傳熱系數(shù)hf1：

流動發(fā)達區(qū)的平均界膜傳熱系數(shù)hf2：

液膜厚度δ：

1.2.3 豎管降膜吸收反應器換熱面積的計算過程

（1）設計計算基礎：次氯酸鈉年產(chǎn)量10萬t，年操作時間為8000h，則1h10%次氯酸鈉的產(chǎn)量為12500kg（100%次氯酸鈉為1250kg/h）；石油化工設計手冊管殼式換熱器總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值[5]中選用Ko=525.8W/(m2·℃)；氯氣和氫氧化鈉的摩爾反應熱為106kJ。

（2）氯氣和氫氧化鈉反應放出的熱量：Q= mΔrHm=1250kg/h÷74.5kg/kmol×1000×106kJ/mol= 1778523.5kJ/h；次氯酸鈉溫升所吸收的熱量：Q1= mlc1Δt=12500kg/h×3.433kJ/(kg·℃)×(30-20)℃=429 125kJ/h；次氯酸鈉換熱對數(shù)溫度差Δtm的計算：循環(huán)水的溫度由7℃升高到12℃，次氯酸鈉的溫度由20℃降到30℃，則Δt1=23℃，Δt2=8℃，Δtm=(Δt2-Δt1)/ ln(Δt2/Δt1)=14.2℃；換熱面積：So=（Q-Q1)/(KoΔtm)=（1 778523.5-429125）÷3.6÷(525.8×14.2)=50.2m2。

（3）按照化工工藝設計手冊換熱器系列[6]選用中參考設定降膜吸收反應器外徑D為0.6m和折流板間距h為0.5m，換熱管外徑do為25mm、壁厚b為2mm、管心距t為0.038m、長度L為4.5m，計算出換熱管根數(shù)n為142根。

（4）管內(nèi)側平均界膜傳熱系數(shù)的計算

通過1.2.1（1）公式可以計算得出完全層流的臨界雷諾數(shù)Reu=719.3，液膜雷諾數(shù)Re=1235.5，液膜厚度δ=0.474mm；傳熱面單位寬度流量m=1334.3 kg/(m·h），通過查過渡區(qū)的長度曲線得出過渡區(qū)長度L1=0.44m；過渡區(qū)的平均界膜傳熱系數(shù)hf1=2 586.8W/(m2·℃)，流動發(fā)達區(qū)的平均界膜導熱系數(shù)hf2=3256.4W/(m2·℃)，得出hf=3190.9W/(m2·℃)。

（5）管外側平均對流傳熱系數(shù)的計算

通過1.2.1（2）公式計算出：管間最大截面積A= 0.10263m2，當量直徑de=0.0387m，流速uo=0.17m/ s，雷諾數(shù)Re=5095.8（此雷諾數(shù)在應用范圍內(nèi)），管外側平均對流傳熱系數(shù)αo=1251.7W/(m2·K)。

（6）總傳熱系數(shù)和換熱面積的計算

通過1.2.1（3）公式計算得出總傳熱系數(shù)Ko= 526.3W/(m2·K)，換熱面積So=50.1m2，與前面（2）計算出來的換熱面積基本一致。

（7）形成液膜所必要的最小允許液體負荷的計算

通過1.2.1（1）公式計算得出：液膜所必要的最小允許液體負荷mmin=417.8kg/(m·h），該數(shù)值小于傳熱面單位寬度的流量，因此次氯酸鈉液體在傳熱面下流時不會出現(xiàn)干表面。

綜上所述，得出年產(chǎn)10萬t10%次氯酸鈉的降膜吸收器尺寸：降膜吸收器殼體直徑為0.6m，換熱管外徑為25mm、壁厚為2mm、管心距為38mm、長度為4.5m、根數(shù)為142根，折流板間距為0.5m。

2 結語

本文從布膜器設計和換熱管換熱面積計算的角度，提出了次氯酸鈉生產(chǎn)裝置中豎管降膜吸收器的設計方法并選用了相應的數(shù)學計算模型，同時給出了以年產(chǎn)10萬t10%次氯酸鈉的豎管降膜吸收反應器的設計計算實例。雖然本設備還沒有進入生產(chǎn)階段，不過之前上海華誼工程有限公司為某氯堿廠按照該方法設計了一臺年產(chǎn)4萬t次氯酸鈉的豎管降膜吸收器，其運行性能良好，能夠滿足生產(chǎn)要求，因此生產(chǎn)實踐證明該設計方法合理可行。

[1] 王向舉.大型豎管降膜吸收器分布裝置的研究（D）.天津:河北工業(yè)大學,2008:1-4.

[2] 尾花英朗.換交換器設計手冊[M] .徐中權譯.北京:烴加工出版社,1987:376-387.

[3] 姚玉英.化工原理(上冊)[M] .天津:天津大學出版社, 1999:246-249.

[4] 北京石油化工工程公司編.氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊[M] .北京:化學工業(yè)出版社,1988:108-110,868-909.

[5] 王松漢編.石油化工設計手冊[M] .3卷.北京:化學工業(yè)出版社，2002:599-601.

[6] 中國石化集團上海工程有限公司編.化工工藝設計手冊下冊[M] .北京:化學工業(yè)出版社,2012:760.

Design of Vertical Tube Falling-film Absorption Reactor for the Production Device of Sodium Hypochlorite

Fu Yong

From the view of the film distributor design and calculation of heat exchange area，puts forward the design method of vertical tube falling-film absorption reactor for the production device of sodium hypochlorite, selects corre－sponding mathematical model, and gives examples of design and calculation.

Vertical tube falling-film absorption reactor; Sodium hypochlorite; Calculation of heat exchange area; Film distributor

TQ115

2014年5月

付 勇 男 1980年生 碩士 研究生 目前主要從事工藝系統(tǒng)設計工作 已發(fā)表論文2篇