【文章內容簡介】 收的氯化氫則進入尾氣塔底部。高純水經轉子流量計從尾氣塔頂部噴淋而下，吸收逆流而上對的氯化氫而成稀鹽酸，并經過液封進入三合一石墨爐，從尾氣塔頂出來的尾氣用水力噴射泵抽走，經液封灌分離后，不凝廢氣排入大氣。下水經水泵再打往水力噴射器，往復循環(huán)一段時間后作為稀鹽酸出售，或經堿性物質中和后排入下水道，或作為工業(yè)鹽酸的吸收液。三合一石墨爐內生成氯化氫的燃燒熱和氯化氫溶于水的溶解熱被冷卻水帶走 [1]。 工藝路線的確定 根據(jù)近年來工業(yè)發(fā)展趨勢及國家政策引導，本論文選用三合一石墨鹽酸合成爐為研究對象進行分析計算。 6 三合一石墨爐法工藝過程中存在的問題 經查閱國內外文獻資料分析總結，通常情況下，鹽酸吸收系統(tǒng)存在的問題主要有以下幾點： （ 1） 合成爐氣體出口溫度高于石墨冷卻器的需用溫度， 造成 石墨冷卻器易損壞； （ 2） 夾套內壁有結垢現(xiàn)象，可能會引發(fā)爆炸等危險； （ 3） 石英燈頭容易破損，使用壽命短； （ 4） 視鏡會出現(xiàn)模糊，破裂現(xiàn)象 [3~4]； （ 5） 石墨爐的生產能力通常低于設計能力 [5]； （ 6） 反應熱利用不合理 [6~7]。 以上 的問題其中有些可以依靠經驗解決，有的則是結構問題，是由于沒有系統(tǒng)的分析合成爐以經驗設計導致。這類問題較難解決，通常需要技術加以改進。 在能源日趨緊張的形勢下，節(jié)能減排就是一種能源。氯化氫合成反應放出的大量熱量如何回收利用是我們關心的問題。對于反應熱的利用通常有兩種方法：一是使用鋼制水夾套氯化氫合成爐副產熱水。這種鋼合成爐在爐頂部和底部容易受腐蝕，使用壽命短，副產的熱水應用范圍有限 [8]；二是使用石墨制合成爐副產熱水或 ～ 壓力的蒸汽。因石墨是非金屬脆性材料，受強度和操作溫度的限制，在副產蒸汽 時石墨爐筒是生產蒸汽的受壓部件，安全上存在一定隱患，采用該方法副產的熱水或低壓蒸汽熱能利用率只能達到40%，產生的熱水或蒸汽的溫度都不高，有效能損失較大，利用效果并不理想 [9]。 課題的目的和意義 隨著我國氯堿工業(yè)和鹽酸下游行業(yè)的迅速發(fā)展，為我國的鹽酸工業(yè)提供了良好的發(fā)展環(huán)境和空間，我國鹽酸生產和消費持續(xù)保持較快的發(fā)展勢頭。在消費領域，隨著有機合成工業(yè)的發(fā)展，鹽酸的應用領域也獲得了極大開拓，用途更加廣泛，制藥、礦石選礦處理、化工、飼料添加劑、凈水劑、稀土等下游行業(yè)對鹽酸的需求量增長迅猛。 所以，氯化 氫合成及裝備技術的研究，是一項很有意義的工作。因此，本課題的目的是 通過對現(xiàn)有的鹽酸生產設備及工藝進行研究分析，設計年產 10 萬噸鹽酸的生產工序 。本課題的意義在于，通過對三合一法合成爐的運行工況進行分析，明確了合成爐運行工況的改進的方向。并特別 分析 了 尾氣吸收塔的 運行工況 ， 這就為合成爐運行工況的改進拓展了思路。 通過本設計工作，能為一些企業(yè)的優(yōu)化生產工藝，節(jié)約能源提供借鑒。這既有利于降7 低企業(yè)生產成本，提高資源利用率，增加經濟效益，同時符合我國的建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的基本國家方針政策。 8 第二章 鹽酸生產 工藝流程 產品性質 物理性質 鹽酸是無色液體，具有腐蝕性，是氯化氫的水溶液（工業(yè)用鹽酸會因有雜質三價鐵鹽而略顯黃色）。氯化氫分子量 ，密度大于空氣，標準狀態(tài)下的密度為 ／ L，臨界溫度為 ℃ ，臨界壓力為 8314kPa。氯化氫氣體在水中的溶解度很大，隨著氯化氫的分壓的升高而增加，隨著溫度的上升而降低 [2]。 主要成分：氯化氫，水。 熔點 (℃ )： (純 HCl) 沸點 (℃ )： (20%恒沸溶液 ) 相對密度 (水 =1)： 相對蒸氣密度 (空氣 =1)： 飽和蒸氣壓 (kPa)： (21℃ ) 溶解性：與水混溶，濃鹽酸溶于水有熱量放出。溶于堿液并與堿液發(fā)生中和反應。能與乙醇任意混溶，溶于苯。 氯化氫在 壓力下，沸點為 —85℃ ，凝固點為 —℃ 。 氯化氫的比熱容在常壓下 15℃ 時為 ／ kg℃ ，在 0—1700℃ 范圍內，可按下式計算 (其誤差為 ％ ) 50 . 7 5 5 7 5 1 1 . 2 5 0 5CT?? ? ? ?? ,式中， T 為絕對溫度 K。 表 鹽酸濃度密度對照表 化學性質 強酸性，和堿反應生成氯化物和水 HCl + NaOH = NaCl + H2 O 能與碳酸鹽反應，生成二氧化碳，水 K2 CO3 + 2HCl = 2KCl+ CO2↑ + H2 O 能與活潑金屬單質反應 ,生成氫氣 Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑ 濃度 % 密度 g/mL 9 鹽酸能與硝酸銀反應，生成不溶于稀硝酸的氯化銀，氯化銀不能溶于水。 HCl+AgNO3===HNO3+AgCl↓ 產品規(guī)格 表 Q/SHG0040032020 指標名稱 優(yōu)級品 一級品 合格品 總酸度（以 HCI%計） 鐵 硫酸鹽（以 S0 ?24 %計） 砷， % ≤ 灼燒殘渣， % ≤ 氧化物（ C1%計） ≤ 主要原料性質與規(guī)格 原料的理化性質 [10] （ 1）氯氣的理化性質 氯氣是一種黃綠色，有刺激性嗅味的氣體，對人體有刺激粘膜的毒害作用，氯氣密度3,214kg/m3(0℃ ， )，液化溫度 () ℃ (也有 ℃ 或 ℃ )，氯氣溶于水、酒精、四氯化碳等液體中，含水氯氣腐蝕性強， 0℃ 以下．生成 水合氯（ Cl28H2O）的黃綠色結品，因此含水氯氣管道冬季應保溫。 氯氣是有毒性氣體，主要通過呼吸道侵入人體并溶解在黏膜所含的水分里，生成次氯酸和鹽酸，對上呼吸道黏膜造成有害的影響：次氯酸使組織受到強烈的氧化；鹽酸刺激黏膜發(fā)生炎性腫脹，使呼吸道黏膜浮腫，大量分泌黏液，造成呼吸困難，所以氯氣中毒的明顯癥狀是發(fā)生劇烈的咳嗽。 1L 空氣中最多可允許含氯氣 毫克，超過這個量就會引起人體中毒。 助燃性 在 一些反應中，氯氣可以支持燃燒，如，鐵在氯氣中燃燒生成氯化鐵 化學方程式： 2Fe＋ 3Cl2＝ 2FeCl3（條件：點燃） 與金屬反應 鈉在氯氣中燃燒生成氯化鈉 化學方程式： 2Na＋ Cl2＝ 2NaCl（條件：點燃） 10 與非金屬反應 氫氣在氯氣中燃燒或受到光照生成氯化氫氣體 化學方程式： H2+Cl2=2HCl（條件：點燃或光照） （ 2）氫氣的理化性質 氫氣為無色、無味并且是最輕的氣體，氣體密度為 (， 0℃ )，標準狀態(tài)下為 。 氫氣在氧氣中的爆炸范圍為 5%～ %，在空氣中的爆炸范圍 5%～ %，生產中應特別注意防止爆炸事故發(fā)生． 氫氣能和一些強氧化劑作用，以致發(fā)生強烈反應。 H C lCl2121O21H222?? ???????? ??????燃燒燃燒 原料來源 合成鹽酸所用的氯氣是由離子膜工段電解食鹽水制得的，再經氯氣總管送至氯干燥工序處理后，送到氯化氫工序來生產鹽酸的；氫氣是由離子膜工段電解食鹽水制得的，再經氫氣總管送至氫處理工序處理后，送到氯化氫工序來生產鹽酸的。 原料組成 表 原料組成 物質 氯氣（ V%） 氫氣（ V%） 純度 95 98 含氫 98 含氮氣 含二氧化碳 — 含水分 (重量比 ) — 含氧氣 進料溫度 (℃ ) 25 25 進料壓力 (MPa) 11 合成反應條件和機理 氯和氫的合成反應在常溫和散射光線下進行得很慢，但在強光 (直射的陽光或鎂焰等 )照射或高溫下則反應非常迅速劇烈，以致發(fā)生爆炸。氯和氫在光線照射下所起的反應是由許多個別階段構成。這種反應稱 “鏈鎖反應 ”[11]。 氯化氫的合成過程和 溫度、水分、觸煤、氯氫的分子比等等因素關系極大。工業(yè)生產方法有直接合成法和其它多種方法。在直接合成法工藝中必需符合氯化氫合成的各種條件時工藝才得以建立。 主反應式為： H2+Cl2=2HCl kJ/m ??? 副反應： 2H2+O2=2H2O kJ /m 1??? 反應條件 (1) 溫度。氯氣和氫氣在常溫、常壓、無光的條件下反應進行很慢 , 在 440 ℃ 以上即能迅速化合。在觸媒存在的條件下 , 150 ℃ 就能劇烈化合 , 甚至發(fā)生爆炸 , 所以在溫度高的情況下反應完全。但在溫度高于 1 500 ℃ 時 , 有顯著的熱解現(xiàn)象。 (2) 水分。絕對干燥的氯氣和氫氣是很難起反應的。有微量水分存在時 , 可以加速反應速度 , 水是促進氯與氫化合的媒介。 (3) 氯、氫的分子比。按氯化氫的合成原理 , 氯和氫可按 1∶ 1 的分子比化合。但實際操作時都是控制氫過量 , 過剩量一般在 5%以下 , 最多不超過 10%。在氯過剩情況下會影響氯化氫的質量。在氫過量太多時會造成發(fā)生爆炸的不安全因素 [12]。 （ 4）最佳合成條件 摩爾比。 n(Cl2):n(H2)=1:（ ～ ）為最佳摩爾比。 合成溫度。一般指合成爐出口溫度 400℃ 左右為最好。 合成壓力。氯化氫合成的壓力控制在 ～ (表壓 )。 反應機理分析 氯氣與氫氣在無光照射或光線很弱、低溫、常壓下，其反應速度很慢，只有在加熱氯氫混合氣體，或在明亮的光線照射下及觸煤的影響作用下，才能迅速的化合，甚至產生爆炸性的化合。其反應為鏈鎖反應。反應式如下： 12 2HC lClH 22 ? ??? 鏈的引發(fā)：在合成氯化氫的生產過程 中，氯與氫在受光線的作用以后，首先，氯分子吸收光量子而被解離成為兩個活化的氯原子。 ??? ?? 2ClCl 2 光和熱 鏈傳遞：活化的氯原于 (C1)再與氫分子作用生成一個氯化氫分子和一個活性氫原子(H)，這個活化的氫原子又與一個氯分子作用，生成一個氯化氫分子和一個活性的氯原于。如此繼續(xù)下去則構成一個鏈鎖性的反應。即： C l H 2 H C l+ H+ C l 2 C lH C l +H + C l 2 C lH C l +H + C l H 2 H C l+ H+ 如此下去則光線的一個光量子可使大量分子迅速化合。 鏈的終止：當在鏈鎖反應過程中，如果有外來因素與 C1和 H化合，則反應即被破壞而使活性消失，活性消失的具體條件是： 在原料氣帶入的氧氣的存在下可燃破壞 H的活性而使鏈鎖反應中斷，如： H + O 2 H O 2 +C l O 2 C lO 2 H H 2+ H C l2+C l C l H C l H C l+ 在反應過程中由于活性氫原子成活性氯原子與設備內壁碰撞也有時會產生鏈的終止。但是總起來說，這些反應的可能性都是很小的，因為氯和氫的原于的濃度與分子濃度相比是極其微小的。氫氯燃燒合成關系采取氫過剩，以確保氯完全反應。氯化氫被水或稀鹽酸吸收后，就可制成鹽酸 [1~2]。 13 生產工序及生產流程說明 氯化氫合成 原料氯氣和 氫氣由電解系統(tǒng)出來后經冷卻、洗滌，沿管道分別經過阻火器、控制閥、流量計、小阻火器、燃燒器進入合成爐。 燃燒器是以兩支不同直徑鋼制同心套管組成，裝于圓臺形鋼制合成爐底部，燃燒器外層通氫氣，內層通氯氣。 原料氯氣和氫氣經節(jié)流控制，以 ： 的比例在石英套筒式燃燒器中混合燃燒完成生成氯化氫的反應，火焰最高為 1400℃ ，合成的氯化氫經合成爐爐壁散熱，出合成爐氣體溫度在 400500℃ 左右，為此在爐壁上方設置循環(huán)酸分布器，使循環(huán)酸能冷卻石墨爐膛壁。 氯化氫吸收 在微真空作用下，氯化氫氣體 進入吸收冷卻塔部分。來自尾氣吸收塔的稀酸在吸收塔頂部經分布器加入圓塊孔式吸收冷卻器，在管內并流向下流動吸收更多的氯化氫氣體，增濃的鹽酸在重力作用下在吸收塔底部流出，經過液封進入鹽酸儲罐。 在吸收冷卻塔不能吸收氣體和少量末吸收的氯化氫氣體由塔底部排出經上升管引至尾部吸收塔底部進入，在尾部吸收塔內與頂部加入的軟化水接觸，逆流高效吸收，不能吸收的氣體由尾部塔頂部經氣液分離器分離后，由水流泵抽出經處理后排空，分離出的鹽酸流回尾部塔，生成的稀酸經液封管流入合成塔塔項。 產品的貯存 當酸貯缶液面接近 米 時，應另換其它空槽，根據(jù)包裝容器的具體情況，開動酸泵，直接裝入火車槽車，或者汽車槽車運往廠外，也可用酸泵打至高位槽供廠內生產使用。 主要設備 [1] （ 1） 三合一石墨合成爐 三合一爐是由分離器、殼體、吸收段、合成段、分液盤、爐頭以及螺桿連接成的圓形整體結構。將合成、冷卻、吸收三個單元操作集為一體，因而具有占地面積