6万吨盐酸合成工艺设计

1、1.2盐酸的性质与用途1.2.1盐酸的性质物理性质：外观与性状：无色或微黄色易挥发性液体，有刺鼻的气味。pH: 65%, H2/CI2W 4%1.3.3.3 盐酸HCL 31wt%,Fe HCI + H如此下去则光线的一个光量子可使大量分子迅速化合。链的终止：当在链锁反应过程中，如果有外来因素与C1 和H 化合，则反应即被破坏而使活性消失，活性消失的具体条件是：在原料气带入的氧气的存在下可燃破坏 H 的活性而使链锁反应中断，如：H + O2HO 2CP + O2CIO 2在反应过程中出于元素的自身结合也可以使链终止。如：H + HH2CI+C卜 CI2H +CI- HCI在反应过程中由于活性氢

2、原子成活性氯原子与设备内壁碰撞也有时会产生链的终止。但是总 起来说，这些反应的可能性都是很小的，因为氯和氢的原于的浓度与分子浓度相比是极其微 小的。2.2工艺路线确定氯气和氢气的合成反应在常温下进行得很慢，但在高温下则化合反应相当剧烈，合成反 应所释放的热量相当大，氯化氢气体极易融于水，伴有溶解热释放出来。氯化氢在水中的溶 解度与温度有关，温度越高，溶解度越小，为此采用了移去热量的生产工艺流程。2.1.1 具体工艺路线原料氢气由电解系统出来后经冷却、洗涤，大大降低了气相温度，经压力变送器、气液 分离器、流量控制阀、开关安全阀、阻燃器进入合成炉燃烧器。原料氯气经节流稳压调节后， 经压力变送器、流

3、量控制阀、开关安全阀、阻燃器进入合成炉燃烧器，原料氯气和氢气经节流控制，以1.0: 1.05-1.10的比例在石英套筒式燃烧器中混合燃烧。石英的传热较慢，套筒口 积蓄的热量不易散失，能经常保持引发温度以使合成反应持续进行。合成的氯化氢气体中心 温度在1000 c以上，炉壁温度也可达400 500r。为此在炉壁上方设置循环酸分布器，使 循环酸能冷却石墨炉膛壁，在微真空作用下，氯化氢气体进入吸收冷却塔部分，来自尾气吸 收塔的稀酸在吸收塔顶部经分布器加入圆块孔式吸收冷却器，在该部分吸收更多的氯化氢气 体，在吸收塔底部，增浓的盐酸在重力作用下进入盐酸储罐，尾气则进入尾气吸收塔，经来 自顶部的软化水洗涤

4、后排空。往往 中其 用所 盐酸 发生 止突2.1.2 工艺流程示意图总流程图2.3 主要设备选型2.3.1氢气柜在工业化大生产流程中为力求氢气供给持续、稳定 将输氢罗丝鼓风机或水环泵送来的氢气贮存于气柜之 作用在于调节和平衡，即在供给氢气量多于正常合成炉使 需的量时，可将多余部分暂贮存于气柜中；若发生氯化氢或 流量增加时气柜中的氢气会自动供给合成炉。一旦输氢 临时故障气柜内的氢气足以维持其最低流量的供给防 然停炉情况发生。气柜由简体、支架和钟罩三部分组成.详见右图所示。 为圆形柱状，周围有压铁固定，侧而有放水或清理内部用 孔；支架为围绕筒体的钢架结构，柱架上均安有滑轮与钟 连.每个柱架顶端均有

5、槽钢或角钢对应连接固定；钟罩恰似圆锥接简体（倒简体）的盖状物，罩 顶有人孔，罩内周围吊有压铁块，罩顶四周也设有压块以增重加压232 .阻火器阻火器位于氢气和氯气进炉前管道上，是氢气系统特有 其构造与气液分离器相同，详见右图。圆筒体底部的分布板 不是填料，而是鹅卵石及少量的瓷环。其作用在于：一旦输 供氢压力下降.使正常氯氢配比失控，燃烧的火焰很可能从 中倒回，若回火至气柜，爆炸不可避免，阻火器能有效地阻 回入气柜，同时可以使其熄灭于此，相当有效地保护气柜和 路的安全。的设备上放的氨故障,燃烧器挡火焰输氧管2.3.3氯气缓冲器氯气缓冲器位于氯气离心式压缩机出口，进合成炉阻火阀门之前。它是一个卧式的

6、圆筒体，两端 为椭圆形封头，详见右图。其上部有个较大的人孔 便于清理，底部设有排净口，旁路设有稳压装置.其作用在于使氯气流缓冲减压，配上稳压自控。有效地控制、调节氯气压力为稳定合成 炉生产，调节进炉氯、氢配比起重要平衡作用234合成炉目前，国内外的炉型主要分为两大类：铁制炉和石墨 制炉耐腐蚀性能差，使用寿命短，合成反应难以利用，操 境较差，目前采用较少。我所在的氯化氢工段前段时间还 用铁制炉的，不过现在已经停止使用了，因为铁质炉反应 灵敏了，而且都是手动阀来调节的，生产的量也比较小本, 现是在用石墨合成炉在生产盐酸的。石墨合成炉一般是立式圆筒型石墨设备，由炉体、冷 置、燃烧反应装制、安全防爆装

7、置、吸收装置、视镜等附 成。石墨炉分而合一石墨炉和三合一石墨炉。二合一石墨 将合成和冷却集为一体，三合一石墨炉是将合成、冷却、 集为一体的炉子。石墨合成炉一般是立式圆筒型石墨设备，由炉体、冷 置、燃烧反应装制、安全防爆装置、吸收装置、视镜等附 成。炉。铁作环在使太不工段却装 件组 炉是 吸收却装件组三合一石墨炉，石英燃烧器安装在炉的顶部，喷出的火焰方向朝下。合成段为一圆筒状, 由酚醛浸渍的不透性石墨制成，设有冷却水夹套，炉顶有一环型的稀酸分配槽，内径与合成 段筒体相同。从分配槽溢出的稀酸沿内壁向下流，一方面冷却炉壁，另一方面与氯化氢接触 形成浓度稍高的稀盐酸作吸收段的吸收剂。与合成段相连的吸收

8、段由六块相同的圆块孔式石 墨元件组成，其轴孔为吸收通道，径向孔为冷却水通道。为强化吸收效果，增加流体的扰动, 每个块体的轴向孔首末端加工成喇叭口状，并在块体上表面加工有径向和环形沟槽，经过上 一段吸收的物料在此重新分配进入下一块体，直至最下面的块体。未经吸收的氯化氢，经下 封头汽液分离后去尾气塔，成品盐酸经液封送入储槽。根据HCI的产量计算得到31册酸504.5662t/d,选用SHL-90型三合一合成炉6台项目HHDg重量(kg)产量(35%)盐酸t/d)SHL-9084757804084061160540070 902.3.5尾气吸收塔格尾气进行 替甩气鼓风 为可靠的鼓 风量；另外 所示。

9、其外 钢。前端有 上，用底脚尾气吸收塔的作用在于将膜式吸收塔未吸 收的氯化氢气体再次吸收，使气相成为合格 尾气。吸收液是一次水或脱吸后的稀酸。常见 的尾气吸收塔为绝热填料塔或膜式吸收塔、大 筛孔的穿流塔。考虑到尾气中含氯化氢量不多， 采用绝热吸收是可以将这部分氯化氢气体吸收 掉的。尾气填料塔结构详见右图所示。从结构看，尾气吸收塔也可分为三个部分。上部为吸收液分播段，采用同一水平面高的 玻璃管插入橡皮塞子中，直通吸收段填料层上 部；底部是带有挡液器的圆柱体；中部为圆柱 形简体的吸收段，内填充有瓷环。236陶瓷尾气鼓风机尾气鼓风机的作用在于将来自尾气吸收塔的合 抽吸排空。水资源丰富的地区可采用水喷

10、射泵来代 机。陶瓷制的尾气鼓风机耐腐蚀、运行稳定，是较 风抽吸设备。在其进口配有调节蝶阀或闸板以调节 还可以在进出口管间装上回流管。其结构详见右图壳为钢制，内衬陶瓷，叶轮同过去的陶瓷改为玻璃 塑料压盖，并有八颗压盖螺丝固定；机身置于支座 螺栓固定住；叶轮用止动螺栓固定在悬臂梁上。第三章工艺计算3.1合成系统3.1.1物料衡算3.1.1.1进合成炉的各物料的量原料氢气的量：93.75/0.9745=96.203kmol/h 含氮气：96.203 0.06%=0.0577kmol/h 含水分：96.203 248%=2.3859kmol/h含氧气：96.203 %.01%=0.0096kmol/h

11、原料氯气的量：89.286/0.9716=91.896kmol/h含氢气：91.896 0.34%=0.3125kmol/h含氮气：91.896 X.12%=1.0293kmol/h含氧气：91.896 %.99%=0.9098kmol/h含水分：91.896 %.18%=0.1654kmol/h含二氧化碳：91.896 %.21=0.1930kmol/h各物料总进料：氢气：H(mol)= 93.75+0.3125=94.0625kmol/h艺H(m)= 94.0625 2=188.1250kg/h氮气：N(mol)= 0.0577+1.0293=1.0870kmol/h艺N(m)= 1.08

12、70 23=30.4360kg/h氧气：O(mol)= 0.0096+0.9098=0.9194kmol/h艺 02(m)= 0.9194 32=29.4208kg/hCO2： 艺 CO(mol)= 0.1930kmol/h艺 CO (m)= 0.1930 44=8.4920kg/h水：2H2O(mol)= 2.3859+0.1654=2.5513kmol/h2 02(m)= 2.5513 13=45.9234kg/h氯气：C(mol)= 91.896kmol/h艺02(m)= 89.2861 71=6339.3131kg/h总进料：总进料(mol)= 94.0625+1.0870+0.919

13、4+0.1930+2.5514+89.2861 =188.0993kmol/h总进料(m)= 188.1250+30.4360+29.4208+8.4920+45.9252+6339.3131=6641.7121 kg/h3.1.1.2出合成炉的各物料的量合成炉内的两个反应：H2+CI 2HCl2H2 +O2 2H2O生成的氯化氢的量为：H2 + Cl2: 2HCl89.2861 89.28612*89.2861摩尔量：2X89.2861=178.5922kmol/h 质量：178.5722 36.5=6517.8853kg/h氧气燃烧所消耗的氢气及生成的水的量为:2H2 +O2k2H2O2*

14、0.9194 0.91942*0.9194生成水的量为：2 0.9194=1.8388kmol/h水的总摩尔量：1.8388+2.5513=4.3901kmol/h水的总质量：4.3901 X8=79.0218kg/h剩余的氢气的量为：总氢气量-生成氯化氢用的-氧气燃烧所用的量=94.0625-89.2861-0.9194=3.8570kmol/h二氧化碳、氮气没有参与反应量不变，所以总出料总出料(mol)= 178.5922+4.3902+3.8570+0.1930+1.0870 =188.0993kmol/h总出料(m)= 6518.6153+79.0236+3.8570 2X8.4920

15、+30.4360=6641.7121 kg/h因总进料量(m)=总出料量(m)，所以物料守衡则每合成炉台:合成气进料kmol/hkg/hHCI29.76201086.3142H20.64281.2857H2O0.731713.1703N20.18125.0727CO0.03221.4153总量31.35001106.95203.1.3热量衡算3.1.3.1合成炉内两个反应反的相关计算合成炉内两个反应反应热的计算式H 92.31KJ / molH 241.82KJ / molH2 +CI2 2HCl2H2+O2 2H2O合成反应放出的热量计算式为：QuGhci X?H0m1(298.15K)+(

16、 f298.15?CPm1dt) X0-30TK3Qr Gh2。 Hm2（298.15K） （ 298.15K Cpm2dT） 10 Q 总 Qr Qr式中：Qr合成氯化氢的反应热、KJ/hGhci反应生成氯化氢气体气摩尔流量、kmol/hT合成炉灯头温度、K Hm1（298.15K）氯化氢合成反应的标准摩尔反应热焓、KJ/hCPm1氯化氢合成反应的反应产物与原料的摩尔比热容系数差值、J/mol.KQ 氧气燃烧的反应热、KJ/hG水一一反应生成的水蒸汽的摩尔流量、kmol/h Hm2（298.15K）水蒸汽合成反应的标准摩尔反应热焓、 KJ/molCpm2水蒸汽合成反应的反应产物与原料的摩尔比

17、热容系数差值、J/mol.K合成炉内两个反应的摩尔反应热恒压比热容的计算式为：Cp=a+bT+cT-2，式中：a、b、c为常数，由文献3查得各物质 的a、b、c见表。生成氯化氢反应:C Pm12C P(HCl)CP(H2) CP(Cl2)各物质恒压比热容常数表物质名称abc适用温度氢气27.283.26 10 30.502105298-2500氯气36.900.25 10 3-2.82105298-3000氯化氢26.034.06 10 31.09 105298-2500水30.0010.7110 30.33 105298-2500氧气29.964.18 10 3-1.67105298-300

18、0因为AC为生成物Cp与反应物Cp之差，所以两个反应的 AC计算如下:CP(H2)27.28 3.26 10 3 0.502 105T 2CP(Cl2)36.90 0.25 10 3 ( 2.82) 105T 2Cp(hci)26.03 4.06 10 3 1.09 105T 2CPm1(2 26.0327.2836.9)(2 4.063.260.25) 10 3T(2 1.090.5022.82)105T 26.06 2.305 10 3T 2.265 105T 2所以摩尔反应热:TK298.15KCpm1dT)10TK298.15K(6.0632.305 10 T522.2645 10 T

19、 )dT10298.15) 106 2 21.153 10 T 0.0067T 1.909 2.265 10 /仃生成水的反应：CPm22CP(H2O) CP(H 2) CP(Cl2)Cp(h2o) 30.00 10.71 10 3T 0.33 105T 2Cp(o2)29.96 4.18 10 3T 1.67 105T 2Cpm2 (2 30 29.96 27.28)(2 10.714.18 3.26) 10 3T52(2 0.33 1.67 0.502) 10 T35212.26 5.63 10 T 0.663 10 T所以摩尔反应热:TKTK298.15 KC Pm2dT )10 329

20、8.15K(佗2635.63 10 3T50.663 105T22)dT 102.815 10 3T2 13.938T3905.55 0.663 105/(T298.15) 103.1.3.2计算灯头温度及反应放出的热量合成炉内放出总的热量为两反应放出的热量之和:Q 总 Qr Qr(1)362245.244 10 92.31 1.153 10 T 0.0067T 1.9092.265 102/(T 298.15)245.244 103 241.82 2.8115 10 6T20.0014T 3.906 0.66 102/(T 298.15)22.768 10 6 0.29T2 1678.477

21、T 55.152 105/(T 298.15)此时得到一个热量与合成炉灯头温度的关系试，而灯头温度有下面的关系式:t1式中：G合一一合成气的摩尔流量、kmol/hC p合合成气的恒压摩尔比热容、J/mol.K物质氯化氢氢气氮气二氧化碳水CP / KJ.kmol/C)29.1233.9329.12137.12933.577t合成气入口温度/ T-298.15）、Ct1灯头温度、C由文献3查得各物质定性温度下的Cp见表2-3。混合气体的Cp可用下面的式子算得:C P y HCl CHCl yH2CH2 yH2OC H2O yCO2 C CO2 yN2CN2定性温度下各物质的Cp各物质在合成气中的含

22、量：yHClGHClG合29.76200.949331.3500yH2Gh24.036531.35000.0205G合Gh2oG合0.731731.35000.0233yCO2G合0.032231.35000.0010Gn20.181231.35000.0058 Cp合=0.9493 29.12+0.0205 38.93+0.0233 38.577+0.0010 37.129+0.0058 29.12=29.3276KJ./kmolC将G合，Cp, t代入式并联立(1)、(2)可得：31.3500 29.3276 (T - 298.15)=-2.8646 106+0.0364T2- 200.4

23、298T- 6.7894 105/(T - 298.15) 解之得T=2441.77C，则合成炉灯头温度为2426.75Co所以反应放出的总的热量为：Q总(t1 -t) G合Cp合(2441.77 298.15) 31.3500 29.32766=2.519110 KJ /h3.1.3.3计算冷却水的用量设定合成气出口温度为350C, T 出=273.15+350=623.15K,则合成气带走的热量如下计算:氮气:10 3623.15K-Qn227.86 4.27 10 3T dT295.15 K27.86623.15 298.15-23234.27 10 3 623.15 298.15 10

24、 39.28KJ/mol QdN2氧化碳:Q nN2QC2Qnv5k 0.1812295.1544.141.6815 103K5J/h2水蒸汽: Q(325 44.14化笑n聊廳轴QH2。295.15K103 9.2q9.06 10 T ( 8.54 105T 2)dT 101 9.06 10 3 3252 8.53 105 325 1) 10 32 33|322 10173.48860.56Q1 10 KJ/h 310.71 10 T 0.33 10 T )dT 10氯化氢: Qd(325 30 1 10.71 10 3 3252 0.33 105 325 1) 10 3233h2o nH2

25、o10Q14KJ/m0317 103 10.214 7.4726 103KJ/hQhci623.15K3523295 15K (26.03 4.60 10 T 1.09 10 T )dT 101(325 26.03 -28.3796KJ/mol4.60 10 3 3252 1.09 105 325 1) 10 3氢气：QHcinHCIQhci 29.7620623.15K103 8.3796 249.3937 103 KJ/h295.15K(27.28 326 10 3T .502 10打 2)dT 103(325 27.28 1 3.26 10 332520.502njQJ/mSr6428

26、1 03 8884 57106KJ/h所以合成炉混合气体带走的热量为各物质带走的热量之和:QdC6105 325 1) 10 3 QdH1.6815 0.56317.4936 249.3937合成炉移出的热量为=0总 0.Q648 =(2.5K9h-0.2648) 102.2543冷却水用量计算35.7106103沐06 KJ/h冷却水用量计算公式:式中：G水一一冷却水的质量流量、kg/h q合成炉移出的热量、KJ/h 冷却水进出口的温差、CC P水冷却水比热容、KJ/kg. C考虑到冷却水的性质，取冷却水温差为10C，查得水的比热容为4.18KJ/kg. C2.2543 10610 4.18

27、53930.6220kg/h3.2冷却系统已知：合成气流量冷却段合成气体入口温度t1 =350C，出口温度t2=170C稀盐酸氯化氢含量较少作纯水计算，冷却水入口温度27C，温差4C,冷却水的比热容为 4.18J/mol.K3.2.1计算合成气带走的总热量氮气:443.1533Q n2(27.86 4.27 10 3T)dT 10 3298.15(145 27.864.27 1452 10 30.5) 10 3 KJ/mo12.67KJ/moI氮气带走的热量为：Q 氧化碳：dN22.67 0.1812 1030.4838 103KJ/h水:443.15KQc2198.15K (44141 (1

28、45 44.14213.22KJ/mol氧化碳带走的热量为：Qh 2o443.15 K(30 10.71298.15K1(145 30 10.7122.55KJ/mol水蒸汽带走的热量为: 氯化氢：IQhci443.15K298.15K (26.31(145 26.03 -21.34KJ/mol氯化氢带走的热量为: 氢气：Qh9.069.06QCq10 3t1010 3T 8.54 105 T10 314528.54 10513.220.3314520.0322 103105T0.332)dT 10 3145 1) 10 30.4257 103 KJ/h2)dT 10 3105 145 1)

29、10 3qH2o4.604.6010QHci2.55 0.7317103 1.8658 103KJ/h3T 1.09 105T 2)dT 10 310 3 1 452 1.09 1 05) 10 31.34 29.7620 10339.8811 103 KJ/h2298.15K(2728 3.26 10 3T443.15K0.502 105T2)dT 10 31 3(145 27.28 3.26 10 323.642KJ/mol14520.502105 1451) 10 3氢气带走的热量为：Qh合成气出冷却系统带走的总热量为：Q 总=(0.4838+0.4257+1.8658+39.8811+

30、2.3417103=42.4143 103 KJ/hd23.6430.6428 1032.3417 103 KJ/h3.2.2计算冷却水流量所以冷却水要移走的热量:q=入冷却系统口的热量-出冷却系统口的热量=264800-42414.3=260.6X 103KJ/h将已知数据q、t、Cp水代入计算公式有计算冷却水流量：3厂260.6 10G 水15585.3kg/h4 4.183.3吸收及尾气处理系统331计算吸收剂用量这里以吸收塔与尾气塔为隔离体系进行物料衡算：HCL 的量：36.5 倉i 0.9493+Li X2%=L20.31惰性气体：Gb=Gi-Ghc卜G水L2=Li+Gi0.9493

31、 36.5式中：Li吸收剂(2%盐酸)的用量L2吸收塔塔底流出液(31%盐酸)的量Gb惰性气体的量 Gi=31.3500,连立上面、可得：Li=2417.9225kg/h L2=3434.1508kg/h GB=31.3500-29.7620-0.7317=00.8563kmol/h已知：吸收塔的气体温度为170C操作压力：常压(管程压力 0.3MPa,壳程压力：0.1MPa)吸收液为2%的稀盐酸，出口液为31%的浓盐酸吸收剂为2%的稀盐酸，进入尾气塔的温度为50 C；选择了型号可知气体入口管径为1160mm；进入吸收塔的混合气体中含 HCI 94.93%。在气体吸收过程中，溶质 HCI不断被吸 收，流动过程中由于吸收了溶质，L不断增大，由于做物料衡算要找到前后不变的物质，所 以对于气体是其中惰性气体的流率 Gb,其中95%的HCI被吸收，所以：以吸收塔为隔