次氯酸钠生产装置中竖管降膜吸收反应器的设计

付 勇

上海华谊工程有限公司（上海 200235）

工作研究

次氯酸钠生产装置中竖管降膜吸收反应器的设计

付 勇

上海华谊工程有限公司（上海 200235）

从布膜器设计和换热管换热面积计算的角度，提出了次氯酸钠生产装置中竖管降膜反应吸收器的设计方法，选用了相应的数学计算模型并给出了设计计算实例。

竖管降膜吸收反应器 次氯酸钠 换热面积 计算 布膜器

0 前言

最近，上海华谊工程有限公司接到某厂年产10万t10%（质量分数，下同）次氯酸钠生产装置的项目设计委托，针对上述三种生产工艺的特点，我们选择了竖管降膜反应器吸收生产工艺。在次氯酸钠生产装置中，竖管降膜吸收反应过程是为从降膜吸收反应器顶部流入的氢氧化钠顺着垂直管壁流下的下降液膜吸收氯气，氢氧化钠液膜吸收氯气是一个放热过程，为了保证吸收反应过程的稳定进行，吸收反应热须被外管壁的冷却水带走。由于竖管降膜吸收反应器是降膜吸收法生产次氯酸钠装置的核心设备，而布膜器和换热管又是降膜吸收反应器设计中两个重要的部件，本文从这两个方面入手，进行竖管降膜吸收反应器的设计和计算，并以年产10万t 10%次氯酸钠的竖管降膜吸收反应器为例进行设计。

1 竖管降膜吸收反应器的设计

1.1 液体布膜器设计

液体布膜器是竖管降膜吸收反应器的重要部件之一，其结构设计是否合理、液体分布是否均匀，将直接影响到吸收反应器的成膜效果、液膜稳定性、传热和反应效率，从而影响到吸收反应器的生产能力和产品质量。目前降膜吸收反应器中的液体布膜器有齿缝溢流型液体布膜器、切向孔式液体布膜器、切向槽式液体布膜器、螺旋沟槽式液体布膜器、导流喷淋式液体布膜器和导流齿缝式液体布膜器等[1]，针对氯气和氢氧化钠反应系统中氯化钠易结晶的特点，竖管降膜吸收反应器可以设计成可调节高度齿缝溢流型液体布膜器（见图1），这种布膜器结构简单，制造、安装方便，布膜均匀，不易堵塞。

1.2 竖管降膜吸收反应器换热面积计算

1.2.1 竖管降膜吸收反应器换热面积的计算模型

（1）管内侧平均界膜传热系数

沿垂直传热管壁下流的管内侧平均界膜传热系

数采用精度较好的威尔克实验公式[2]计算。

患者应用双氯芬酸钠栓后可能出现不良反应,胃肠道症状最为多见,其次为皮肤症状,如搔痒等,头痛、眩晕相对较少。需要观察症状轻重和对身体的影响,必要时采取对症处理,缓解症状。本组患者出现6例皮肤瘙痒、红疹,2h后自行改善。该药物经肝肾代谢,术前必须检查肝肾功能,异常者谨慎应用,术后同样需要监测,一旦发现问题迅速反馈给医生,采取有效措施进行处理。

过渡区的平均界膜传热系数hf1：

流动发达区的平均界膜传热系数hf2：

液膜厚度δ：

1.2.3 竖管降膜吸收反应器换热面积的计算过程

（1）设计计算基础：次氯酸钠年产量10万t，年操作时间为8000h，则1h10%次氯酸钠的产量为12500kg（100%次氯酸钠为1250kg/h）；石油化工设计手册管壳式换热器总传热系数经验值[5]中选用Ko=525.8W/(m2·℃)；氯气和氢氧化钠的摩尔反应热为106kJ。

（2）氯气和氢氧化钠反应放出的热量：Q= mΔrHm=1250kg/h÷74.5kg/kmol×1000×106kJ/mol= 1778523.5kJ/h；次氯酸钠温升所吸收的热量：Q1= mlc1Δt=12500kg/h×3.433kJ/(kg·℃)×(30-20)℃=429 125kJ/h；次氯酸钠换热对数温度差Δtm的计算：循环水的温度由7℃升高到12℃，次氯酸钠的温度由20℃降到30℃，则Δt1=23℃，Δt2=8℃，Δtm=(Δt2-Δt1)/ ln(Δt2/Δt1)=14.2℃；换热面积：So=（Q-Q1)/(KoΔtm)=（1 778523.5-429125）÷3.6÷(525.8×14.2)=50.2m2。

（3）按照化工工艺设计手册换热器系列[6]选用中参考设定降膜吸收反应器外径D为0.6m和折流板间距h为0.5m，换热管外径do为25mm、壁厚b为2mm、管心距t为0.038m、长度L为4.5m，计算出换热管根数n为142根。

（4）管内侧平均界膜传热系数的计算

通过1.2.1（1）公式可以计算得出完全层流的临界雷诺数Reu=719.3，液膜雷诺数Re=1235.5，液膜厚度δ=0.474mm；传热面单位宽度流量m=1334.3 kg/(m·h），通过查过渡区的长度曲线得出过渡区长度L1=0.44m；过渡区的平均界膜传热系数hf1=2 586.8W/(m2·℃)，流动发达区的平均界膜导热系数hf2=3256.4W/(m2·℃)，得出hf=3190.9W/(m2·℃)。

（5）管外侧平均对流传热系数的计算

通过1.2.1（2）公式计算出：管间最大截面积A= 0.10263m2，当量直径de=0.0387m，流速uo=0.17m/ s，雷诺数Re=5095.8（此雷诺数在应用范围内），管外侧平均对流传热系数αo=1251.7W/(m2·K)。

（6）总传热系数和换热面积的计算

通过1.2.1（3）公式计算得出总传热系数Ko= 526.3W/(m2·K)，换热面积So=50.1m2，与前面（2）计算出来的换热面积基本一致。

（7）形成液膜所必要的最小允许液体负荷的计算

通过1.2.1（1）公式计算得出：液膜所必要的最小允许液体负荷mmin=417.8kg/(m·h），该数值小于传热面单位宽度的流量，因此次氯酸钠液体在传热面下流时不会出现干表面。

综上所述，得出年产10万t10%次氯酸钠的降膜吸收器尺寸：降膜吸收器壳体直径为0.6m，换热管外径为25mm、壁厚为2mm、管心距为38mm、长度为4.5m、根数为142根，折流板间距为0.5m。

2 结语

本文从布膜器设计和换热管换热面积计算的角度，提出了次氯酸钠生产装置中竖管降膜吸收器的设计方法并选用了相应的数学计算模型，同时给出了以年产10万t10%次氯酸钠的竖管降膜吸收反应器的设计计算实例。虽然本设备还没有进入生产阶段，不过之前上海华谊工程有限公司为某氯碱厂按照该方法设计了一台年产4万t次氯酸钠的竖管降膜吸收器，其运行性能良好，能够满足生产要求，因此生产实践证明该设计方法合理可行。

[1] 王向举.大型竖管降膜吸收器分布装置的研究（D）.天津:河北工业大学,2008:1-4.

[2] 尾花英朗.换交换器设计手册[M] .徐中权译.北京:烃加工出版社,1987:376-387.

[3] 姚玉英.化工原理(上册)[M] .天津:天津大学出版社, 1999:246-249.

[4] 北京石油化工工程公司编.氯碱工业理化常数手册[M] .北京:化学工业出版社,1988:108-110,868-909.

[5] 王松汉编.石油化工设计手册[M] .3卷.北京:化学工业出版社，2002:599-601.

[6] 中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册下册[M] .北京:化学工业出版社,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 硕士 研究生 目前主要从事工艺系统设计工作 已发表论文2篇