年产10万吨氯碱车间氯化氢合成工段的初步设计

摘要本设计是以氯化氢为产品，年产10万吨氯碱车间氯化氢合成工段的初步设计。说明书首先阐述了合成氯化氢的意义与作用，国内外氯化氢合成的研究现状以及发展前景。其次介绍了本设计的设计依据，厂址选择，原材料及产品规格。确定工艺路线，工艺流程的简述，以及整个生产过程的物料和热量衡算。对氯化氢合成炉、吸收器以及解析塔等主要设备进行了计算以及相应的选型，并综合各方面因素对车间布置，自动控制，安全和环境保护工程以及公用工程进行了合理的设计。完成了20000字的设计说明书，同时对生产流程图，车间平立面布置图以及主体设备图进行了绘制。关键词：氯化氢；氯碱；合成；工艺路线AbstractHydrogenchlorideistheproductofthethedesign,thepreliminarydesignofanannualoutputof100,000tonsofchlor-alkaliworkshophydrogenchlorideSection.Manualfirstexpoundedthesignificanceandroleofthesynthesisofhydrogenchloride,hydrogenchloridesynthesisofcurrentresearchanddevelopmentprospectsathomeandabroad.Second,itdescribesthedesignbasisofthedesign,siteselection,rawmaterialandproductspecifications.Determinetheprocessroute,abriefdescriptionoftheprocess,aswellasmaterialandheatbalanceoftheentireproductionprocess.Hydrogenchloridesynthesisfurnace,themainequipmentoftheabsorber,aswellasanalyticaltowerwerecalculatedandthecorrespondingselection,andintegrationofvariousfactorsontheplantlayout,automaticcontrol,safetyandenvironmentalprotectionengineeringandpublicworksforareasonabledesign.Completeda20,000-worddesignspecification,flowchartofproductionworkshopandfacadelayoutandthemainequipmentFiguredrawing.

Keywords:Hydrogenchloride;Chlor-alkali;Synthesis;Processroute目录摘要 IABSTRACT II第1章总论 11.1概述 11.1.1生产的意义与作用 11.1.2国内外的现状及发展前景 11.1.3产品的性质与特点 21.1.4产品的生产方法概述 31.2设计依据 41.3厂址选择 41.4设计规模与生产制度 41.4.1设计规模 41.4.2生产制度 51.5原料与产品规格 51.5.1主要原料规格及技术指标 51.5.2产品规格 61.6经济核算 6第2章工艺设计和计算 72.1工艺原理 72.2工艺路线的选择 82.3工艺流程简述 92.3.1工艺流程示意图 92.3.2工艺流程简述 92.4物料衡算 102.4.1生产能力及原料氯气与氢气量的计算 102.4.2合成炉的物料衡算 102.4.3降膜吸收器的物料衡算 132.4.4解吸塔的物料衡算 142.4.5尾气吸收塔的物料衡算 152.5热量衡算 162.5.1合成炉的热量衡算 162.5.2石墨冷却器的热量衡算 222.5.3降膜吸收器的热量衡算 242.5.4解吸塔的热量衡算 262.5.5尾气吸收塔的热量衡算 272.5.6石墨换热器的热量衡算 292.5.7盐水石墨冷却器的热量衡算 302.6Aspen模拟 312.6.1全流程的Aspen模拟图 312.6.2氯化氢合成炉的Aspen模拟图 312.6.3降膜吸收器的Aspen模拟图 32第3章设备选型 353.1关键设备的计算 353.1.1合成炉炉体直径的计算 353.1.2合成炉换热面积的计算 353.1.3合成炉炉高的计算 393.1.4合成炉灯头尺寸的计算 393.1.5爆破膜尺寸的计算 423.1.6厚度的计算 433.1.7封头的选择及计算 443.2其他设备的计算及选型 453.2.1石墨冷却器的计算及选型 453.2.2降膜吸收器的计算及选型 463.2.3尾气吸收塔的计算及选型 473.2.4解吸塔的计算及选型 483.2.5石墨换热器的计算及选型 493.2.6盐水石墨冷却器的计算及选型 52第4章设备一览表 53第5章车间设备布置 54第6章自动控制 55第7章安全和环境保护 577.1安全 577.2三废产生情况 587.3三废处理情况 58第8章公用工程 588.1供水 588.2供电 598.3供暖 598.4通风 60参考文献 60致谢 61第1章总论1.1概述1.1.1生产的意义与作用工业上用电解饱和食盐水的方法来制取NaOH、Cl2、H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称之为氯碱工业。NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生产原料，可以进一步加工成多种化工产品，广泛用于各工业。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域。氯化氢在化工生产中液有广泛的用途。在有机化学工业中，氯化氢是极为重要的基础原料，可与烯烃与炔烃发生液相加成反应，或在有催化剂作用下进行加成反应以制取氯乙烯、氯乙烷和氯丁二烯等重要化工产品。还可与烃类发生氧氯化反应生成二氯乙烷、氯苯、三氯乙烯和四氯化碳等氯烃产品。在电子工业中，氯化氢可用于硅外延生长、气相抛光、吸杂、刻蚀和结晶处理等工艺。在石油工业中，对由渗透率低的石灰岩组成的储油结构进行酸化，可扩大岩层裂缝，提高油的流动性和渗透率。1.1.2国内外的现状及发展前景氯碱工业的国内外现状及发展前景世界氯碱生产集中度较高，其中半数集中在亚洲，但其规模普遍较小。世界氯碱技术发展总体方向是规模大型化，节能降耗技术将成为重点，新建和扩建氯碱产能90%以上将采用离子膜法工艺。我国氯碱工业创建于20世纪20年代。近几年，我国的氯碱生成工艺虽然有了较大的变化，采用先进的生成工艺的生产装置逐年增加，但是，总的来说，生产工艺与国外相比相对落后，再加上其他一些因素，生产成本普遍较高[5]。氯化氢合成的国内外现状及发展前景随着石油化工的蓬勃兴起，对氯的需求量大幅增长，推动了氯碱工业的发展，为了利用大量的副产物氢气，合成法制盐酸发展起来了。目前国内外对于制备高纯度氯化氢的方法很多。例如，解吸法，盐酸脱析法，合成法，工业副产酸脱析法，石油化工副产氯化氢提纯法等。本世纪上半叶合成法逐渐成为世界各国生产盐酸的主要方法。我国在合成氯化氢气体的生产过程中不断进行革新，引进国外先进工艺流程。今年来，由于石墨炉的广泛使用，生产效率大幅度提高，也使得氯化氢及盐酸的合成工艺达到了新的技术水平。1.1.3产品的性质与特点氯化氢的性质1、物理性质氯化氢分子量为36.46，在常温下为无色气体，具有刺激性气味。氯化氢比空气重，标准状态下的密度为1.639g/L。临界温度为51.54℃，临界压力为8314KPa，临界密度为0.42g/cm3。氯化氢在水中的溶解度很大，不同温度下，氯化氢在水中的溶解度见下表。表1-1氯化氢在水中的溶解度（101.3KPa）温度℃溶解度LHCl/LH2O0506.510473.920442.030411.540385.750361.660338.7氯化氢在101.3KPa压力下，沸点为-85℃，凝固点为-114.2℃。氯化氢的比热容在常压下15℃时为0.8124KJ/（Kg·℃），在0—1700℃范围内，可按下式计算（其误差为1.5%）式中，T为绝对温度，K。氯化氢能与空气中的水蒸气形成烟雾，因此，氯化氢在空气中能发烟。无水氯化氢在常温及607.8KPa压力下可液化，在沸点时密度为1.194g/ml。2、化学性质（1）干燥的氯化氢不与金属反应。（2）氯化氢与三氧化硫作用可生成氯磺酸：SO2+HCl=HSO3Cl（3）氯化氢与不饱和烃在催化剂作用下可发生加成反应：C2H2+HCl=C2H3Cl盐酸的性质1、物理性质氯化氢的水溶液成为盐酸。盐酸是一种挥发性酸，纯净的盐酸是无色透明的溶液。但在工业盐酸中常有铁、氯或有机物而呈黄色。15℃时不同浓度盐酸的密度建表1-2表1-2盐酸溶液的沸点浓度%0.168.1617.1323.8230.5531.5232.4933.4634.4235.38密度g/ml1.0001.0401.0851.1201.1551.1601.1651.1791.1751.180盐酸溶液在在大气压下的沸点见表1-3表1-3盐酸溶液在在大气压下的沸点HCl浓度%（mol）0246810.512141718.526.3温度（℃）100101.8103.3105.3108.0109.7109.0105.292.082.769.02、化学性质盐酸容易与许多金属起反应，放出氢气而生成盐类，与碱类发生中和反应生成盐和水。2HCl+Fe=FeCl2+H2HCl+NaOH=NaCl+H2O1.1.4产品的生产方法概述国内外对于制备高纯氯化氢气体的方法有很多。1、解吸发。20世纪70年代以前电子工业用高纯氯化氢的制备，一直是将浓硫酸滴加到盐酸中，将其中的水吸收掉，使过饱和氯化氢气体析出。20世纪80年代以后制备方法发展到用浓硫酸与烘焙干的氯化钾反应，生成高纯氯化氢气体，用压缩机压入钢瓶中。2、盐酸脱析法。将浓盐酸置于脱析塔中加热脱析制氯化氢气体。盐酸脱吸法制高纯氯化氢广泛用于PVC、氯丁二烯和高纯盐酸的生产中。3、合成法。氯气和氢气在合成炉中进行燃烧反应，生成氯化氢气体是八十年代初为适应我国电子工业的迅速发展而提出的。在技术上市较先进的方法。此种方法生产的氯化氢气体纯度在99.99%以上。4、工业副产酸脱析法。随着盐酸脱析法的逐步推广，副产酸脱析生产氯化氢工艺的工艺已广泛应用于生产。它是通过稀酸在绝热吸收塔吸收有机氯化物生产中的副产氯化氢，提浓后，进入解吸塔脱析出来高浓氯化氢气体。5、石油化工副产氯化氢提纯法。目前电子级氯化氢出口国，如美国，主要是从石油化工副产氯化氢作为原料来制备高纯氯化氢。石油化工副产氯化氢气体，其中水含量低，对不锈钢和碳钢基本无腐蚀。对于此种气体的净化通常采用精馏或吸附的方法，但由于其中乙炔和乙炔杂质的沸点与氯化氢沸点相近，很难采用精馏的方法脱除得干净，而吸附的方法操作过程繁琐，需频烦的更换吸附剂，生产成本高。本设计采用的方法是合成法制备氯化氢气体。1.2设计依据1、齐齐哈尔大学化学与化学工程学院下发的毕业设计任务书。2、《化工工艺设计手册》一书3、自身在黑龙江昊华化工有限公司氯碱车间实习的相关信息与知识。4、《化工设备设计手册》1.3厂址选择根据厂址选择的原则与要求，将本设计的厂址选在江苏省盐城市合德镇。盐城市合德镇地处我国东部江苏沿海的中部，东临黄海，南与南通市毗邻，北与连云港接壤，西与扬州、淮安相连，对接长三角，铁路、公路、水路、航空四种运输方式构成了四通八达的交通运输网络。盐城市沿海生态环境有相对较好、容量较大的优势，沿海滩涂土地资源也相对充足。氯碱工业的副产物氯气及氯化氢等可用于下游橡胶、塑料、医药工业的发展。再加上政府对于海洋工业的扶植，重点发展盐化工，增加了再此地建氯碱厂的优势。1.4设计规模与生产制度1.4.1设计规模生产能力入下表1-4所示。表1-4生产能力产品名称氢氧化钠生产时间8000小时处理量12.5吨/小时1.4.2生产制度本车间工作人员的工作制度为三班制，每班8小时连续生产，按四班三倒制度运转，其中管理人员实行一班制。人员组成如表1-5所示表1-5车间人员组成序号职能名称人数人员配备班制1车间主任1八小时工作制2班长3四班三倒制3技术员3四班三倒制4分析检验员3四班三倒制5中控室操作员3四班三倒制6操作工12四班三倒制7维修工3四班三倒制1.5原料与产品规格1.5.1主要原料规格及技术指标原料气组成如下表1-6所示表1-6原料气组成物质氯气（V%）氢气（V%）纯度97.1697.45含氢0.3497.45含二氧化碳0.21—含氧气0.990.01含水分0.182.48含氮气1.120.06进料温度（℃）2525进料压力（MPa）.2产品规格本设计工段的主要产品为氯化氢气体及盐酸。产品氯化氢的纯度99.9%产品盐酸浓度20%-22%1.6经济核算化工工程建设项目在筹备阶段就要进行费用估算，目的是给项目主管部门提供决策依据。经济核算必须考虑到一切可能存在的因素：用于原材料、劳动力、设备维修、动力和其他公用工程等方面的直接生产成本，还包括车间的管理费、销售费用以及其他费用。在本设计中，经调查海盐的市场价为240元/吨，冷冻盐水的市场价为1250元/吨，冷却水的市场价为0.4元/吨，低压蒸汽为65元/吨。原料海盐费用的计算如下：=146250t/a所以，W1=146250×240=35100000元冷却水费用的计算如下：所以，W2=0.4×/1000=1853362.80元/年冷冻盐水费用的计算如下：所以，W3=1250×/1000=79367300元/年低压蒸汽费用的计算如下：所以，W4=65×/1000=172723.2元/年本车间定员28人，每人每月平均工资为3000元，则每年工人的工资总费用为1008000元本设计的经济核算见表1-7。表1-7经济核算表序号指标名称计算单位设计指标成本/万元1生产规模t/a10wt氯碱—2车间定员人28100.83原盐t/料水t/a4.5wt37694.7525蒸汽耗量t/a2657.2817.272326冷凝水耗量t/a4633405.2185.336287冷冻盐水t/a63493.847936.738设备数量及投资台104009车间建筑面积m2260100第2章工艺设计和计算2.1工艺原理工业上生产氯化氢目前都是用氯气和氢气直接合成，因原料气中含有氧气，此时氢气也会与氧气发生燃烧反应，合成炉内燃烧方程式如下：Cl2+H2 2HClO2+2H2 2H2O机理分析：氯气和氢气在没有光照射或光线很弱、低温、常压下，其反应速度很慢，只有在加热的条件下，或在光线照射下及触煤的影响下，才能迅速的发生化合作用，甚至发生爆炸性。其反应为链锁反应。(1)链的引发：在合成氯化氢的过程中，氯气与氢气在光照的作用下，首先，氯气分子吸收光量子从而被离解成两个活化的氯原子。(2)链传递：活化的氯原子(C1·)再与氢分子作用生成一个氯化氢分子和一个活化的氢原子(H·)，这个活化的氢原子又与一个氯气分子作用，生成一个氯化氢分子和一个活化的氯原子。这样继续下去构成一个链锁性的反应。即：①②③④(3)链的终止：当在链锁反应过程中，如有外来因素与C1·和H·化合，则反应被破坏而使活性消失。①在氧气的存在下燃烧破坏H·的活性，从而使链锁反应中断，②在反应过程中元素自身的结合也可以使链终止。③在反应过程中，由于活性氢原子与活性氯原子在设备内壁碰撞也会发生链的终止。氯化氢用水吸收后即可成为盐酸。2.2工艺路线的选择本设计采用合成法制备氯化氢以及盐酸。目前合成法制备盐酸主要有三种方法：铁合成炉制备，二合一石墨合成炉制备，三合一合成炉制备。这三种方法的主要区别在于合成炉的不同。铁合成炉制取盐酸工艺的特点：本体不带冷却水套，炉内的氯化氢气体会对炉体造成腐蚀，导致铁离子进入氯化氢气体内，经吸收后制取的盐酸中含铁量过高，颜色发黄，影响产品质量。二合一石墨合成炉制取盐酸工艺的特点：炉内合成的氯化氢气体不与合成炉的钢铁部分接触，生成的氯化氢质量较高；装置的生产能力跟过去比也有很大的提高；出合成炉的氯化氢气体用石墨冷却器冷却，跟钢制冷却盘管相比，冷却效果有了很大提高；二合一炉的热水废热也可在此利用。三合一石墨合成炉制取盐酸工艺的特点：氯气和氢气在套管内混合燃烧，无论负荷大小火焰都能保持稳定；冷却段采用强化传热技术，在水套内增设导流板，迫使冷却液成螺旋状围绕石墨炉筒外壁流动，提高流速；吸收段采用溢流管外加侧稳压环技术，提高了吸收效果，同时保障了盐酸的合格率。铁合成炉制取盐酸的工艺由于生成的盐酸的质量较低，已被许多企业淘汰。石墨三合一合成炉结构紧凑、传热效率高、检修方便、使用寿命长、操作弹性强，被广泛使用。二合一炉合成、在炉内完成冷却，在炉外进行吸收，既可以生产氯化氢气体，又可以部分吸收生产盐酸，可以满足不同的需求，具有更广阔的应用前景。因此本设计采用“二合一”合成炉制取氯化氢气体。2.3工艺流程简述2.3.1工艺流程示意图2.3.2工艺流程简述来自氢气车间的氢气与来自氯气车间的氯气在合成炉底部的燃烧器混合点火燃烧，温度可达到2000℃以上。合成炉夹套的冷却水将反应放出的热量带走，气体在合成炉顶部温度降为350℃左右，经石墨冷却器冷却至170℃左右，进入降膜吸收器，与来自尾气塔的稀酸进行并流吸收，降膜吸收器底部生成的酸的浓度可达35%左右，供解吸塔解吸用。未被吸收的气体进入尾气吸收塔，用来自解吸塔的稀酸吸收，生成的酸供降膜吸收器使用。由解吸塔脱出的氯化氢气体进入石墨冷却器进行冷却，至40℃，再进入盐水石墨冷却器，由冷冻盐水将氯化氢气体冷却至-12℃—-18℃，得到的干燥氯化氢气体送至下一工段。2.4物料衡算2.4.1生产能力及原料氯气与氢气量的计算生产能力年产10万吨氯碱，年产时间按8000h计算，则氢氧化钠的流量为：氯化氢的产量盐水电解方程式为：所以，在合成HCL反应中，按计算，所以，，表2-1原料气组成物质氯气（mol%）氢气（mol%）纯度97.1697.45含氢0.3497.45含氮气1.120.06含二氧化碳0.21—含水分0.182.48含氧气0.990.01进料温度(℃)2525进料压力(MPa).2合成炉的物料衡算进合成炉的各物质的量原料氢气的量=纯氢气的摩尔量/氢气的摩尔分数原料氢气的量：156.25/0.9745=160.399kmol/h各组分的含量=原料氢气的量×组分的摩尔分数含氮气：160.399×0.06%=0.0962kmol/h含水分：160.399×2.48%=3.976kmol/h含氧气：160.399×0.01%=0.0160kmol/h原料氯气的量=纯氯气的摩尔量/氯气的摩尔分数原料氯气的量：148.81/0.9716=153.16kmol/h各组分的含量=原料氯气的量×组分的摩尔分数含氢气：153.16×0.34%=0.521kmol/h含氮气：1153.16×1.12%=1.715kmol/h含二氧化碳：153.16×0.21=0.3216kmol/h含水分：153.16×0.18%=0.2757kmol/h含氧气：153.16×0.99%=1.516kmol/h各物料总进料：氢气：ΣH2(mol)=156.25+0.521=156.771kmol/hΣH2(m)=156.771×2=313.542kg/h氮气：ΣN2(mol)=0.0962+1.715=1.8112kmol/hΣN2(m)=1.8112×28=50.714kg/h水：ΣH2O(mol)=3.976+0.2757=4.2517kmol/hΣO2(m)=4.2517×18=76.5306kg/h氧气：ΣO2(mol)=0.0160+1.516=1.532kmol/hΣO2(m)=1.532×32=49.024kg/h氯气：ΣCl2(mol)=148.81kmol/hΣO2(m)=148.81×71=10565.5kg/hCO2：ΣCO2(mol)=0.3216kmol/hΣO2(m)=0.3216×44=14.1504kg/h总进料(mol)=156.771+148.81+1.8112+4.2517+1.532+0.3216=313.5kmol/h总进料(m)=313.542+10565.5+50.714+76.5306+49.024+14.1504=11069.461kg/h出合成炉的各物质的量合成炉内的两个反应：①②生成的氯化氢的量为：112=2×=2×148.81=297.62氧气燃烧所消耗的氢气及生成的水的量为：2121.532消耗氢气的量生成水的量=1.532=3.064水的总摩尔量水的总质量剩余的氢气的量为：二氧化碳、氮气没有参与反应量不变⑤总出料(mol)=297.62+7.3517+4.897+1.8112+0.3216=311.97kmol/h总出料(m)=10863.13+131.68+9.794+50.714+14.1504=11069.471kg/h表2-2HCl合成炉的物料平衡表输入，kg/h输出，kg/hH2313.542HCl10863.13N250.714H2O131.68H2O76.5306H29.794O249.024N250.174Cl210565.5CO214.1504CO214.1504总计11069.46111069.471因总进料量(m)≈总出料量(m)，所以物料守衡。2.4.3降膜吸收器的物料衡算吸收剂用量的计算吸收剂用20%的稀盐酸，假定氯化氢的吸收率为99%，出塔盐酸的浓度为35%。根据塔内HCl的量守恒，可得：G=L×(X1-X2)①式中：G——单位时间内由气相转入液相的溶质量，kmol/hL——单位时间内通过吸收塔的溶剂量，kmol/hX1,X2——分别为出塔及进塔液体中溶质组分的摩尔比其中，G=G合×0.954×0.99=311.97×0.954×0.99=294.64kmol/h吸收剂为21%的盐酸，出塔盐酸的浓度为35%。所以，X1=0.2655，X2=0.1311因此，由①式可得，L=所以，吸收剂的量为出塔气体质量流量的计算出塔气体中剩余的氯化氢的量为GHCl=G合×0.954×（1-0.99）=3kmol/h所以，mHCl余=109.5kg/h出塔气体中剩余的混合气体的量为m混合气=206.341kg/h所以，出塔气体总的质量流量为m出塔气=315.84kg/h出塔液体质量流量的计算因为进塔液体与出塔液体中水的量是不变的，所以表2-3降膜吸收器的物料平衡表输入，kg/h输出，kg/h进吸收器混合气HCl10863.13出吸收器混合气HCl109.5H2O131.68H2O131.68H29.794H29.794N250.174N250.174CO214.1504CO214.1504吸收剂用量49954.23出吸收器液体流量60708.74总计61023.70161024.582.4.4解吸塔的物料衡算吸收器的塔底液体全部进入解吸塔进行解析，则解吸塔的物料计算如下：进塔液体质量流量的计算解吸塔的进塔液的量等于吸收塔塔底的出塔液的量出塔液体质量流量的计算出塔液体为20%的盐酸。出塔液中水的量为：出塔气体质量流量的计算根据氯化氢守恒，可得G=L×(X1-X2)其中，X1=0.2655，X2=0.1233，所以，G=311.74kmol/h则表2-5解吸塔的物料平衡表进塔物质的量，kg/h出塔物质的量，kg/h进塔液体35%盐酸60708.74出塔气体11380.49出塔液体49328.25总计60708.7460708.742.4.5尾气吸收塔的物料衡算进塔液体质量流量的计算尾气塔的进塔液体的质量流量等于解吸塔的出塔液体的质量流量。所以，进塔气体质量流量的计算进塔气体中氯化氢的摩尔流量为3mol/h，其余混合气体的摩尔流量为14.35kmol/h所以，出塔气体质量流量的计算设从降膜吸收器中未被吸收的氯化氢气体在尾气吸收塔中全部吸收，则出塔液体质量流量的计算出塔液体为21%的盐酸，因为出塔液体与进塔液体中水的量是不变的，则出塔液体的质量流量为表2-4尾气吸收塔的物料平衡表输入kg/h输出kg/h进塔气体HCl109.5出塔气体H2O131.68H2O131.68H29.794H29.794N250.174N250.174CO214.1504CO214.1504吸收剂49328.25出塔液体49437.75总计49644.0949044.092.5热量衡算2.5.1合成炉的热量衡算原料气带入的热量原料气各组分在25℃时的比热容见表2-6表2-6原料气各组分25℃的比热容物质Cl2H2N2O2CO2H2OCP（）2.2214.721.0470.9130.8374.18所以，原料气带入的总热量为合成炉内两个反应摩尔反应热的计算①合成炉内两个反应的反应热的计算式[1][1]合成反应放出的热量的计算式合成炉内放出总的热量为两反应放出的热量之和：式中：Qr——合成氯化氢的反应热，KJ/hGHCl——反应生成氯化氢气体的摩尔流量，kmol/hT——合成炉灯头温度，KΔH0m1(298.15K)——氯化氢合成反应的标准摩尔反应热焓，ΔCPm1——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’r——氧气燃烧的反应热，KJ/hG水——反应生成的水蒸汽的摩尔流量，kmol/hΔH0m2(298.15K)——水蒸汽合成反应的标准摩尔反应热焓，ΔCPm2——水蒸汽合成反应的反应产物与原料的摩尔比热容系数差值，J/mol.K②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见下表2-5。表2-7各物质恒压比热容常数表物质名称abc适用温度氢气27.293.25×10-30.501×105298-2500氯气36.890.24×10-3-2.83×105298-3000氯化氢26.024.07×10-31.08×105298-2500水30.0110.7×10-30.32×105298-2500氧气29.954.17×10-3-1.66×105298-3000因为ΔCP为生成物CP与反应物CP之差，所以两个反应的ΔCP计算如下：生成氯化氢反应：所以摩尔反应热：生成水的反应：所以摩尔反应热：计算灯头温度[9]及反应放出的热量①灯头温度有如下关系式：②式中：G合——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.Kt——合成气入口温度，℃t1——灯头温度，℃混合气体的C’P可用下面的式子算得：合成气出口温度为350℃，由定压比热容的计算式计算得各物质在出口温度下的表2-8各物质在350℃下的比热容物质氯化氢氢气氮气二氧化碳水（）29.9229.4630.8347.5537.4各物质在合成气中的含量：∴=30.09KJ/mol·℃将G合，C’P，t代入②式并联立①、②可得：解之,得T=2736.86K，即合成炉灯头温度为2736.86K。将灯头温度带入①式，可得反应放出的总的热量所以，反应放出的总的热量为：计算冷却水用量合成气入口温度25℃，出口温度350℃，在平均温度187.5℃，查气体比热容共线图可得混合气中各组分的比热容表2-9各物质在187.5℃下的比热容物质N2CO2H2OHClH2（）29.336.8233.929.0228.3所以，合成气带走的热量计算如下：所以，合成气带走的总热量为：冷却水移走的热量取冷却水的温差为25℃，查得=4.18KJ/kg·℃冷却水的用量为表2-10合成炉的热量衡算表输入kJ/h输出kJ/h原料气带入的热量708981.3合成气带走的热量2953740合成反应放出的热量22909394.16冷却水带走的热量20664635.46总计23618375.4623618375.462.5.2石墨冷却器的热量衡算石墨冷却器合成气体入口温度℃，出口温度为℃各物质进石墨冷却器带入的热量表2-11各物质在350℃下的比热容物质N2CO2H2OHClH2（）30.4648.7935.430.5428.3所以，各物质进石墨冷却器带入的热量分别为：所以，进石墨冷却器带入的热量为：各物质出石墨冷却器带入的热量表2-12各物质在170℃下的比热容物质N2CO2H2OHClH2（）29.336.8233.929.0228.3所以，各物质出石墨冷却器带走的热量分别为：

所以，出石墨冷却器带走的热量为：冷却水的用量冷却水的进口温度为27℃，温差为10℃，冷却水的比热容为4.18KJ/kg·℃冷却水移走的热量为：所以，冷却的用量为：表2-13石墨冷却器的热量衡算表输入kJ/h输出kJ/h混合气带入的热量3345240混合气带走的热量1552154.22冷却水带走的热量1793085.78总计334524033452402.5.3降膜吸收器的热量衡算进吸收器的液体带入的热量进塔液体为20%的盐酸溶液，进塔温度为10℃，则进吸收器的液体带入的热量为进吸收器的气体带入的热量假设从石墨冷却管出来的气体进入降膜吸收器时没有热量损失，则氯化氢溶解放出的热量式中：——溶解所放出的总热量、KJ/h——吸收了的氯化氢气体、mol/h——氯化氢的吸收热、KJ/mol吸收塔内吸收了的氯化氢的量为：由文献查得：所以出吸收器气体带走的热量出塔气体的温度为40℃，出塔气体各组分在此温度下的比热容见表2-14表2-14各组分在40℃时的比热容物质HClH2N2CO2H2OCP（kJ/kg﹒℃）0.7728.31.000.764.174所以，混合气体带走的热量为出吸收器液体带走的热量出塔液体为35%的盐酸，温度为40℃，出塔液体带走的热量为冷却水的用量冷却水要移走的热量为：

设冷却水进口温度为27℃，温差为10℃，则冷却水的用量为表2-15降膜吸收器的热量衡算表输入kJ/h输出kJ/h进吸收器气体带入的热量1545052出吸收器液体带走的热量6826353.6进吸收器液体带入的热量386324.54出吸收器气体带走的热量135305.86氯化氢的溶解热18473928冷却水带走的热量13443645.08总计20405304.5420405304.542.5.4解吸塔的热量衡算进塔液体带入的热量出塔液体带走的热量出塔气体带走的热量氯化氢气体从盐酸中解析出来需要的热量所以，氯化氢解析出来所需要的热量为蒸汽用量由再沸器提供的热量为：

再沸器进口蒸汽压力为0.2MPa，由文献查得此时水的汽化热为2205KJ/kg，则蒸汽用量为表2-16解吸塔热量平衡表输入kJ/h输出kJ/h进塔液体带入的热量6826353.6出塔液体带走的热量6905955再沸器提供的热量732422.24出塔气体带走的热量633274.74氯化氢解析需要的热量19546.1总计755877.84755877.842.5.5尾气吸收塔的热量衡算进塔气体带入的热量假设从降膜吸收器出来的气体进入尾气吸收塔时没有热量损失，则进塔气体带入的热量为

进塔液体带入的热量假设从解吸塔出来的液体进入尾气吸收塔时没有热量损失，则进塔液体带入的热量为出塔气体带走的热量出塔气体的温度为35℃，各组分在35℃的比热容为表2-17出塔气体各组分在35℃的比热容物质N2H2CO2H2OCP(kJ/kg﹒℃)1.0128.30.754.174所以，出塔气体带走的热量为氯化氢溶解放出的热量溶解的氯化氢的量为3kmol/h，则出塔液体带走的热量出塔液体为20%的盐酸，根据热量守恒，出塔液体带走的热量为所以，出塔液的质量流量为表2-18尾气吸收塔的热量平衡表输入kJ/h输出kJ/h进塔气体带入的热量135305.86出塔气体带走的热量86952.1进塔液体带入的热量6905955出塔液体带走的热量6954496.86氯化氢的溶解热188.1总计7041448.967041448.962.5.6石墨换热器的热量衡算气体带入的热量假设气体由解吸塔出来进入换热器的过程没有热量损失，则气体带入的热量为气体带走的热量冷却水用量冷却水要移走的热量为冷却水的进口温度为27℃，温差为4℃，则冷却水的用量为:表2-19石墨换热器的热量平衡表输入kJ/h输出kJ/h气体带入的热量633274.74气体带走的热量350491.68冷却水移走的热量282783.06总计633274.74633274.742.5.7盐水石墨冷却器的热量衡算用-25℃的冷冻盐水将氯化氢气体从40℃冷却到-12℃,冷冻盐水出口温度为-16℃气体带入的热量气体带走的热量冷却水用量冷冻盐水要移走的热量为冷冻盐水的比热容为3.473kJ/kg﹒℃，则冷冻盐水的用量为表2-20盐水石墨冷却器的热量平衡表输入kJ/h输出kJ/h气体带入的热量350491.68气体带走的热量冷却水移走的热量248078.28总计350491.68350491.682.6Aspen模拟2.6.1全流程的Aspen模拟图图2-1全流程的Aspen模拟图全流程的Aspen模拟数据见表2-21表2-21全流程的Aspen模拟数据进料kg/h出料kg/h氯气10668.196浓酸53048.144氢气389.326废液9083.798吸收剂55319.362氯化氢4178.238水13.2尾气80.4032.6.2氯化氢合成炉的Aspen模拟图氯化氢合成炉的模拟图及其模拟数据见图2-2与图2-3图2-2氯化氢合成炉的Aspen模拟图图2-3氯化氢合成炉的模拟数据（1）图2-4氯化氢合成炉的模拟数据（2）在反应器中输入原料气氯气，氢气以及各原料气中的各组分，选择物性方法，活度系数法，在stream中输入原料气的压力、温度以及各组分的摩尔分率，点击运行之后，即可得到以上模拟数据。2.6.3降膜吸收器的Aspen模拟图降膜吸收器的模拟图及其模拟数据见下图：图2-5吸收器的Aspen模拟图图2-6降膜吸收器的模拟数据（1）图2-7降膜吸收器的模拟数据（2）图2-8降膜吸收器的模拟数据（3）在吸收器中输入所需吸收剂的量，吸收剂的温度，以及反应的压力，点击运行之后，即可得到以上模拟数据。第3章设备选型3.1关键设备的计算氯化氢的合成炉是本设计工段的关键设备，现对该设备进行详细的计算。3.1.1合成炉炉体直径的计算石墨合成炉炉体是圆柱体，则根据气体状态方程，炉体直径的计算式[6]如下：式中，G合——合成气摩尔流量，kmol/hR——气体常数，J/（mol·K）T——合成炉灯头温度，Ku——合成炉内气速，m/sP总——合成炉工作压力，Pa合成炉内压力为0.25MPa，取合成炉内气速为1m/s由前面计算可知，G合=311.97kmol/h，T=2736.86K，将以上数据带入上式中，有取d=3.2m夹套直径与合成炉炉体直径有下面的公式[10]：式中，B——合成炉炉体内侧到夹套内侧的厚度，一般取为0.265m所以，合成炉夹套直径为：，取夹套直径为3.5m。3.1.2合成炉换热面积的计算合成炉内侧对流传热系数的计算根据合成炉内的结构特点，氯气与氢气在灯头处混合燃烧，并迅速喷射至炉体，因此选用Chilton和Tebens关联式作为合成炉体内侧对流传热系数数学模型[6]：式中，hi——合成炉内对流传热系数，W/(m2·℃)——合成气体的导热系数，W/(m·K)di——合成炉炉体直径，m——合成气在炉体内单位面积的质量流速，kg/（m2·s）——合成气的粘度，Pa·s——合成气在壁温下的粘度，Pa·s——合成气的比热容，kJ/kg·℃合成炉内各物质的物性参数（导热系数、粘度、比热容）见下表表3-1各物质导热系数表物质HClCO2N2H2OH2λ（W/m·k）0.18×100.29×100.34×100.6750.14×10表3-2各物质粘度表物质HClCO2N2H2OH2μ（cp）0.02080.0210.02400.01450.011表3-3各物质比热容表物质HClCO2N2H2OH2CP（kJ/kg·℃）0.790.891.054.41714.43合成气导热系数的计算合成气粘度的计算合成气质量流率的计算合成气比热容的计算所以，合成炉外侧对流传热系数的计算合成炉为立式圆筒形设备，夹套侧物相变化并作强制对流，因此，采用Wiegand关联式作为夹套侧对流传热系数数学模型[6]：式中，h0——合成炉夹套侧对流传热系数,W/(m2·℃)——合成炉夹套侧冷却水的导热系数，W/(m·K)——合成炉夹套侧流道的当量直径，m——合成炉夹套侧冷却水的单位面积的质量流速，kg/（m2·s）——合成炉夹套侧冷却水的粘度，Pa·s——合成炉夹套侧冷却水的比热容，kJ/kg·℃d1——合成炉炉体外径，m——合成炉夹套内径，m由文献[1]查得，μ0=8.62×10-4Pa·s，λ0=67.98×10-2W/(m·K)，CP0=4.18kJ/kg·℃，取u0=1.5m/s此时夹套可看作是外径为的内管和内径为d1的管构成的环形通道，则=－d1=0.25m冷却水的质量流率：将以上数据代入合成炉夹套侧对流传热系数公式，可得：合成炉总传热系数的计算合成炉总传热系数按下式计算式中：U——总传热系数，W/m2·℃Rso——合成炉夹套侧的热阻，m2.℃/WRsi——合成炉炉体内壁侧的热阻，m2.℃/Wd1——合成炉炉体的外径，mdm——合成炉炉体的对数平均直径，mλ——炉体材料导热系数（本设计炉体材料为石墨），W/m.℃b——合成炉炉体的壁厚，m由文献[1]查得：Rso=34.39×10-5m2·℃/W，Rsi=17.197×10-5m2·℃/W，λ=110m2·℃/W合成炉炉体外径为d1=3.25m，取b=0.05m，所以合成炉炉体的对数平均直径为：将以上数据代入总传热系数式中：所以，U=36.54W/m2·℃合成炉传热面积的计算合成炉换热面积的计算公式为：式中，S——合成炉换热面积,m2Q——传热速率，WΔtm——平均对数温差，℃平均对数温差的计算公式为：高温侧流体温差：Δt1=2436.71-27=2436.71℃低温侧流体温差：Δt2=350-52=298℃传热速率W将以上数据代入换热面积计算公式：3.1.3合成炉炉高的计算因为所以，合成炉炉高的计算公式为：3.1.4合成炉灯头尺寸的计算氯气管直径的计算氯气管直径的计算式：式中：——进合成炉氯气的摩尔量，kmol/h——进合成炉氯气的温度，K——进合成炉氯气的压力，Pa——进合成炉氯气气速，m/s由前面的计算可知：，，MPa，氯气的进口气速一般为5~10m/s，这里取8m/s，将以上数据代入公式得：所以，取氯气管的规格为Φ325×8[8]的钢衬PE管。氢气管直径的计算氢气套管直径的计算式[6]为：式中：——进合成炉氯气的摩尔量，kmol/h——进合成炉氯气的温度，K——进合成炉氯气的压力，Pa——进合成炉氯气气速，m/s——氯气管的外径，m由前面的计算可知：=156.771kmol/h，=298.15K，=325mm，=0.21MPa，而氯气的入口速度一般为5~9m/s，这里取8m/s将上面的数据代入公式，得取氢气管的规格为Φ426×10[8]的钢管冷却水进出口管直径的计算进口管管径的计算公式：式中：——水的体积流速，m3/s——水的进口速度，m/s水在不同温度下的温度为27℃，由文献[1]查得不同温度下水的密度见表3-4表3-4不同温度下水的密度表温度，℃30405060密度，kg/m3998.2995.7988.1983.2因冷却水的进口温度为27℃，用插值法可求的此温度下的密度：所以，水的流速一般为0.5~3m/s，这里取水的流速为2m/s将以上数据代入进口管管径的计算公式中，可得：取冷却水进口管的规格为Φ203×6[8]的热轧无缝钢管。出口管管径的计算公式与计算进口管管径的公式一样，水的流速依然取2m/s，此时密度不一样，根据表3-4中密度的数值，用插值法计算密度，得：将数据代入计算式，得所以，取合成炉冷却水出口管规格为Φ203×6的热轧无缝钢管[8]。合成气出口管的计算合成气出口管管直径的计算式为：式中：——进合成炉氯气的摩尔量，kmol/h——进合成炉氯气的温度，K——进合成炉氯气的压力，Pa——进合成炉氯气气速，m/s由前面的计算可知：=311.97kmol/h，=623.15K，=0.25MPa，而氯气的入口速度一般为5~10m/s，这里取10m/s将上面的数据代入公式，得取氢气管的规格为Φ500×9[8]的钢衬PE管3.1.5爆破膜尺寸的计算如果停、开车时炉内的气体没有置换干净，或是其他原因，造成氢气和其他气体的混合比例达到爆炸范围时，均可引起爆炸事故。因此，除了注意安全操作外，合成炉还应设置安全防爆装置。最常用的爆破装置有爆破膜或重力式防爆盖。而重力式防爆盖常用于喷淋式合成炉中，因此本设计采用的浸没式石墨合成炉所用的防爆装置为爆破膜。爆破膜材料有不透性石墨和高温石棉橡胶板，较常用的为不透型石墨。爆破膜直径的确定：要求在发生爆炸事故时，能通过爆破口迅速将爆破气体尽快地排出设备，以保证炉体的安全，爆破口的尺寸应尽可能大一些，一般要求其直径大于炉体直径的一半，有的爆破膜直径等于炉体直径[2]。爆破膜厚度的确定：爆破膜的厚度目前还没有较准确的计算方法，可用下式进行估算爆破膜厚度。爆破膜厚度式中：P爆——膜片的额定爆破压力，Paσ——材料抗弯强度，Pad——爆破口直径，mm爆破膜的设计爆破压力为P爆=2×104Pa，由文献查得，不透性石墨的抗弯强度≥50MPa，在本设计中取爆破膜的直径为d=2200m将以上数据代入爆破膜厚度的计算式，可得：mm取爆破膜厚度为20mm3.1.6厚度的计算筒体厚度一般按照以下公式计算：式中：——筒体厚度，mmP——设计压力，MPa——圆筒内直径，mm——材料在设计温度下的许用应力，MPa——焊接接头系数——壁厚附加量，mm其中，式中：——负偏差，mm——腐蚀余量，mm查得，=0.8mm，=2mm，=375MPa=0.9[13]，所以，圆整后取=5mm强度校核按以下公式进行校核：所以，强度符合要求。3.1.7封头的选择及计算根据设备要求，本设备选择圆形平板封头。封头厚度按下式计算：式中：——封头厚度，mm——封头的计算直径，mm——结构特征系数——设计压力，MPa——封头材料的许用应力，MPa——焊接接头系数查得，=0.25，=300MPa，=0.9[13]所以3.2其他设备的计算及选型3.2.1石墨冷却器的计算及选型选取列管式石墨换热器，根据工厂经验值，总传热系数K=50W/m2·℃合成气进石墨冷却器的温度为350℃，出口为170℃，冷却水进口为27℃，出口温度为52℃。石墨冷却器换热面积的计算公式为：式中，S——石墨冷却器的换热面积,m2Q——传热速率，WΔtm——平均对数温差，℃高温侧流体温差：Δt1=350-52=298℃低温侧流体温差：Δt2=170-27=143℃W所以，石墨冷却器的换热面积为所以，选择GHA700-60(F)型号的列管换热器，公称面积60m2，换热管的有效长度为3000mm，换热管根数为235根。3.2.2降膜吸收器的计算及选型降膜吸收器实际上是一种垂直安装的列管式或圆块孔式换热器。换热器的列管（或块孔上的纵向孔道）相当于许多并列的水冷湿壁塔。上部设置有分配吸收液的溢流管。中间吸收冷却部分的结构与换热器中段相同，底部为气液分离器[2]。本设计在这里选用列管式降膜吸收器。降膜吸收器换热面积的计算公式为：式中，S——降膜吸收器的换热面积,m2Q——传热速率，WΔtm——平均对数温差，℃由文献[3]查得总传热系数K=2090W/m2·℃。冷却水进口温度为27℃，出口温度为37℃，氯化氢气体由170℃降至40℃。高温侧流体温差：Δt1=170-37=133℃低温侧流体温差：Δt2=40-27=13℃W所以，降膜吸收器的换热面积为所以，选择GX650-35型号的管壳式石墨降膜吸收器，系列参数见表3-5表3-5GX650-35型号的管壳式石墨降膜吸收器系列参数公称直径mm固定管板厚度mm管程数管心距mm吸收管根数换热面积m2吸收面积m2吸度收管有效长度mm6502001421393529.230003.2.3尾气吸收塔的计算及选型泛点的计算依据Bain-hougen关联式，计算泛点速度式中：——泛点空塔气速，m/sg——重力加速度，kg/m2·s——干填料因子，m-1μL——液相粘度，cpρg，ρL——气相、液相密度，kg/m3L，G——液相，气相流量，kg/hA——常数ε——填料空隙率已知：L=49328.25kg/h，G=315.84kg/h填料选用瓷拉西环，其规格为d=50mm，高×厚=50×4.5mm2，=177m-1，ε=0.81m3/m3，A=0.022，由文献[1]查得：ρg=1.3kg/m3，ρL=1100，μL=2cp，将以上数据代入泛点计算式得：解得，=0.33m/s塔径的计算塔径的计算公式为式中：VS——气体的体积流量，m3/su——空塔气速，m/s空塔气速等于泛点的0.5~0.8，这里取0.6，则空塔气速u=0.6×0.33=0.198m/s所以，圆整后D=700mm塔高的计算填料层高度的计算式为：h=NT×HETP式中：h——填料层高度，mNT——理论塔板数HETP——填料的等板高度，m根据Aspen模拟的结果，理论塔板数为10，查得50mm拉西环的等板高度为0.9m[4]，所以，填料层的高度h=10×0.9=9m取填料塔的封头高度为0.9m，支座为1.5m，所以，填料塔的塔高为H=9+0.9+1.5=11.4m3.2.4解吸塔的计算及选型泛点的计算依据Bain-hougen关联式，计算泛点速度式中：——泛点空塔气速，m/sg——重力加速度，kg/m2·s——干填料因子，m-1μL——液相粘度，cpρg，ρL——气相、液相密度，kg/m3L，G——液相，气相流量，kg/hA——常数ε——填料空隙率已知：L=49328.25kg/h，G=11380.494kg/h解得，=3.68m/s塔径的计算塔径的计算公式为式中：VS——气体的体积流量，m3/su——空塔气速，m/s空塔气速等于泛点的0.5~0.8，这里取0.6，则空塔气速u=0.6×3.68=2.21m/s所以，圆整后D=1200mm塔高的计算填料层高度的计算式为：h=NT×HETP式中：h——填料层高度，mNT——理论塔板数HETP——填料的等板高度，m根据Aspen模拟的结果，理论塔板数为15，查得50mm拉西环的等板高度为0.9m，所以，填料层的高度h=15×0.9=13.5m取填料塔的封头高度为0.9m，支座为1.5m，所以，填料塔的塔高为H=13.5+0.9+1.5=15.9m3.2.5石墨换热器的计算及选型管外侧对流传热系数的计算氯化氢气体的定性温度为(70+40)/2=55℃，由文献[1]查得该温度下氯化氢的各物化性质数据见表3-6表3-655℃下氯化氢气体的物化性质数据表性质粘度（cp）导热