年产20万吨氯碱盐酸工段工艺设计

1、1引言盐酸，又称氢氯酸,是氯化氢的水溶液。亦是氯碱企业中最基本的无机酸和化工原料之一,也是氯碱厂做好氯气产品生产能力平衡的关键产品和大宗的化学合成法产品。氯碱，即氯碱工业，也指使用饱和食盐水制氯气氢气烧碱的方法。工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。工业上利用氢气与氯气合成的方法生产氯化氢，因此盐酸是氯碱工业的重要产品。1.1盐酸概况物理性质盐酸是无色液体，具有腐蚀性，是氯化氢的水溶液（工业用盐酸会因有杂质三价铁盐而略显黄色）。氯化氢分子量36.46，密度大于空气，标准状态下的密度为1.639gL，临界温度为51.54，

2、临界压力为8314kPa。氯化氢气体在水中的溶解度很大，随着氯化氢的分压的升高而增加，随着温度的上升而降低。在化学上人们把盐酸和硫酸、硝酸、氢溴酸、氢碘酸、高氯酸合称为六大无机强酸，有刺激性气味。由于浓盐酸具有挥发性，挥发出的氯化氢气体与空气中的水蒸气作用形成盐酸小液滴，所以会看到酸雾。 主要成分：氯化氢，水。 熔点()：-114.8(纯HCl) 沸点()：108.6(20%恒沸溶液) 相对密度(水=1)：1.20 相对蒸气密度(空气=1)：1.26 饱和蒸气压(kPa)：30.66(21) 溶解性：与水混溶，浓盐酸溶于水有热量放出。溶于碱液并与碱液发生中和反应。能与乙醇任意混溶，溶于苯。 氯

3、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0.8124kJkg，在01700范围内，可按下式计算(其误差为1.5) (8-1),式中，T为绝对温度K。 浓度%0.168.1817.1323.8230.5531.5232.4933.4634.4235.3839.11密度g/mL1.0001.0401.0851.1201.1551.1601.1651.1701.1751.1801.20015时盐酸的密度与浓度之间的关系 化学性质 a.与酸碱指试剂反应 紫色石蕊(C7H7O4N)n试剂与pH试纸变红色，无色酚酞C20H14O4不变色。 b.和碱发生中

4、和反应，生成氯化物和水 HCl + NaOH = NaCl + H2O c.能与活泼金属单质反应，生成氢气 Fe+ 2HCl =FeCl2+ H2 d.能和金属氧化物反应，生成盐和水 CuO+2HCl=CuCl2+H2O MgO+2HCl=MgCl2+H2O Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O e.能和盐反应，生成新酸和新盐 2HCl+Na2SO3=SO2+H2O+ 2NaCl Na2S2O3+2HCl=2NaCl+H2O+SO2+S FeS+2HCl=H2S+FeCl2 f.能与大部分碳酸盐和碳酸氢盐（HCO3-）反应，生成二氧化碳和水 K2CO3 + 2HCl = 2KCl+CO

5、2+ H2O NaHCO3+HCl=NaCl+CO2+ H2O g、具有还原性 2KMnO4+16HCl（浓）=2KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O 4HCl(浓) + MnO2 =(加热)= MnCl2 + 2 H2O +Cl2 14HCl (浓)+ K2CrO7 = 3Cl2(气体) + 2CrCl3 + 2KCl + 7H2O NaClO+2HCl=NaCl+Cl2+H2O 另外，盐酸能与硝酸银反应，生成不溶于稀硝酸的氯化银，氯化银不能溶于水，产生沉淀。 HCl+AgNO3=HNO3+AgCl 实验室常用盐酸于制取二氧化碳的方法 CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2 电

6、离方程式为：HCl=H+ +Cl- 1.2 盐酸的主要用途生活用途a.人体用途 人类和其他动物的胃壁上有一种特殊的腺体，能把吃下去的食盐变成盐酸。盐酸是胃液的一种成分（浓度约为0.5%），它能使胃液保持激活胃蛋白酶所需要的最适合的pH值，它还能使食盐中的蛋白质变性而易于水解，以及杀死随食物进入胃里的细菌的作用。此外，盐酸进入小肠后，可促进胰液、肠液的分泌以及胆汁的分泌和排放，酸性环境还有助于小肠内铁和钙的吸收。 b.日常用途主要用于制取洁厕灵，除锈剂等产品。 工业用途a.用于稀有金属的湿法冶金 例如，冶炼钨时，先将白钨矿（钨酸钙矿）与碳酸钠混合，在空气中焙烧(800900)生成钨酸钠。 CaW

7、O4+Na2CO3=Na2WO4+CaO+CO2 将烧结块浸在90的水中，使钨酸钠溶解，并加盐酸酸化，将沉淀下来的钨酸滤出后，再经灼热，生成氧化钨。 Na2WO4+2HCl=H2WO4+2NaCl H2WO4=WO3+H2O 最后，将氧化钨在氢气流中灼热，得金属钨。 WO3+3H2=W+3H2O b.有机合成 例如，在180200的温度并有汞盐（如HgCl2）做催化剂的条件下，氯化氢与乙炔发生加成反应，生成氯乙烯，再在引发剂的作用下，聚合而成聚氯乙烯。 c.漂染工业 例如，棉布漂白后的酸洗，棉布丝光处理后残留碱的中和，都要用盐酸。在印染过程中，有些染料不溶于水，需用盐酸处理，使成可溶性的盐酸盐

8、，才能应用。 d.金属加工 例如，钢铁制件的镀前处理，先用烧碱溶液洗涤以除去油污，再用盐酸浸泡；在金属焊接之前，需在焊口涂上一点盐酸等等，都是利用盐酸能溶解金属氧化物这一性质，以去掉锈。这样，才能在金属表面镀得牢，焊得牢。 e.食品工业 例如，制化学酱油时，将蒸煮过的豆饼等原料浸泡在含有一定量盐酸的溶液中，保持一定温度，盐酸具有催化作用，能促使其中复杂的蛋白质进行水解，经过一定的时间，就生成具有鲜味的氨基酸，再用苛性钠（或用纯碱）中和，即得氨基酸钠。制造味精的原理与此差不多。 f.无机药品及有机药物的生产 盐酸是一种强酸，它与某些金属、金属氧化物、金属氢氧化物以及大多数金属盐类（如碳酸盐、亚硫

9、酸盐等），都能发生反应，生成盐酸盐。因此，在不少无机药品的生产上要用到盐酸。 在医药上好多有机药物，例如奴佛卡因、盐酸硫胺（维生素B1的制剂）等，也是用盐酸制成的。 1.3氯化氢的主要用途生产聚氯乙烯在电石法生产聚氯乙烯的工艺中，氯化氢是主要原料之一。二氯乙烷的生产 在乙烯法生产聚氯乙烯的工艺中，乙烯和氯化氢在空气的存在下，可发生氧化反应生成1，2二氯乙烷。2盐酸的生产2.1实验室制法原理 NaCl(s)+H2SO4(浓)=微热=NaHSO4+HCI NaHSO4+NaCI(s) =加热=Na2SO4+HCI 总式 2NaCI(s)+H2SO4(浓)=加热=Na2SO4+2HCI 主要装置：分

10、液漏斗，圆底烧瓶或锥形瓶，倒扣漏斗（防止倒吸）防止冻伤手，还有夹子（防止冷凝水倒流） 2.2工业制法工业主要采用电解法 1.将饱和食盐水进行电解，除得氢氧化钠外，在阴极有氢气产生，阳极有氯气产生： 2NaCl+2H2O=电解=2NaOH+Cl2+H2 2.在反应器中将氢气和氯气通至石英制的烧嘴点火燃烧，生成氯化氢气体，并发出大量热： H2+Cl2=点燃=2HCl 3.氯化氢气体冷却后被水吸收成为盐酸。 在氯气和氢气的反应过程中，有毒的氯气被过量的氢气所包围，使氯气得到充分反应，防止了对空气的污染。在生产上，往往采取使另一种原料过量的方法使有害的、价格较昂贵的原料充分反应。 微观原理： 氯化氢系

11、电解食盐水得到的氯气与氢气经燃烧而成，反应式为：H2 +Cl22HCl184.1KJ（44千卡克分子）反应实质是个链锁性反应，在受光的作用下，首先是氯气分子吸收光量子后被解离成两个活化的氯原子。这两个活化的氯原子（Cl）再与氢分子作用生成一氯化氢分子和一个活性氢原子（），这个活化的氢原子又与一个氯原子作用，生成一个氯化氢分子和一个活性的氯原子。即：（表是一个光量子） Cl22Cl·（活性氯原子） Cl·H2HClH·（活性氢原子） H·Cl2HClCl· 如此继续下去。影响反应的主要因素除原料气的纯度外，氯化氢纯度主要取决于氯气、氢气的压力、配

12、比与合成温度。压力平稳才能确保配比准确，氯气、氢气的配比通常为1：1.051.1（体积），过小则造成反应不完全而存在游离氯；过大则造成氯化氢纯度下降，冷量消耗增加，同时还会影响安全，有可能造成爆炸危险。合成炉温一般不宜过高或过低，过高影响设备寿命，过低则有可能使反应不安全。氯化氢在1700以上才显著离解。故可以认为氯化氢的合成为一不可逆过程。氯氢合成氯化氢的反应，可以看成氢气在氯气中均衡地燃烧，火焰应为青白色，并伴生大量的热。燃烧时火焰的温度按理论计算约为2500，但在实际合成时，由于氯气过量不纯气体及水分的带入，以及氯化氢离解等因素，使火焰温度降至2000以下。2.3合成工艺及流程工艺流程简

13、图尾气塔降膜吸收器HCL 合 成 炉降膜吸收器氢气缓冲罐氯气缓冲罐酸泵酸储罐喷射泵水泵循环水池包装制酸工艺的选择 制造氯化氢和盐酸的主要设备是合成炉。a.铁合成炉制取盐酸工艺的特点铁合成炉制取盐酸的特点是本体不带冷却水套，氯气、氢气在合成炉内反应生成氯化氢气体，氯化氢气体直接和铁合成炉的内壁接触，造成对炉体氧化腐蚀较严重，导致铁离子进入氯化氢气体中，经吸收后制取的盐酸中含铁量偏高，颜色发黄，影响产品质量；铁合成炉因材质问题，易造成合成炉灯头腐蚀，灯头更换频繁；冷却盘管利用空气进行自然冷却，冷却盘管也易被腐蚀，容易形成三氯化铁堵塞空气冷却盘管及石墨冷却器入口，增加系统阻力，降低生产能力；由于反应

14、过程放出大量的热，在空气中自然冷却，合成炉周围的操作环境温度更高。b.“二合一”合成炉制取盐酸工艺的特点石墨二合一合成炉(以下简称为二合一炉)具有高产、质优等特点，特别是在生产氯化氢及高纯盐酸时可节约投资成本、减少运行费用、降低能耗。 经过处理的氢气经过氢气阻火器后，进入到二合一炉底部灯头部位，干燥后的氯气也进入到该位置与氢气进行燃烧。冷却水经冷却水循环泵进入二合一炉上部的冷却段冷却至40以下，再进入冷却器冷至30以下，去合成PVC或进入吸收塔生产盐酸。 热水槽中的热水经热水循环泵进入二合一炉下部的燃烧段外夹套，吸收炉内的燃烧热后温度上升，再进人换热器与温度低的暖气回水进行换热，温度降低后回到

15、热水槽，开始下一轮的循环。冷却水经冷却水循环泵进入二合一炉上部的冷却段外夹套，吸热降低氯化氢的温度后。进入冷却塔进行冷却，再回到冷却循环水池。开始下一轮的循环。二合一炉与铁合成炉相比有以下的优点：氯化氢中铁含量极低甚至不含铁。炉体几乎不受腐蚀。产量大。l台二合一炉氯化氢的产量相当于2台铁合成炉的产量。操作弹性大，可按设计能力的30100进行生产。没有高温炉体的热辐射，改善了工作环境。存在的问题：二合一炉的产量大，开始安装时安装的是两层灯头氯气是否过量用火焰观察不明显，不易操作，易造成氯化氢的游离氯在瞬间超标。原来5台铁合成炉开1台100m3h的循环水泵，泵出口压力为02 MPa；开1台二合一炉

16、和4台铁合成炉。循环水泵出口压力为016 MPa，二合一炉热水出口管线上的出口阀门全开，管线内易出现真空，造成炉体燃烧室上部夹套短暂缺水.c.“三合一”炉制取盐酸工艺的特点石墨三合一盐酸合成炉具有结构紧凑、生产强度大、操作弹性强、盐酸质量好等诸多优点，在氯碱行业被广泛采用。自1996年至今，南阳新旺氯碱化工有限公司(以下简称为新旺公司)的三合一盐酸合成炉运行状况良好。三合一石墨合成炉盐酸生产工艺流程氯气液化后的尾氯经过氯气缓冲罐、氯气分配台后，与来自氢处理工段的经过氢气缓冲罐、氢气分配台、阻火器后的氢气进入三合一炉顶部的石英灯头，反应生成的氯化氢向下进入吸收冷却段。自尾气塔来的稀酸进入三合一炉

17、炉头分水盘后，沿合成段内壁成膜状流至吸收段，经过吸收段上部分配头后，以均匀膜状流至吸收管内壁，与氯化氢气体一道顺流而下。稀酸吸收大部分氯化氢后变成浓酸，浓酸经炉底气液分离器、液封器进入成品盐酸贮槽，未被吸收的氯化氢和其他气体进入尾气塔底部。氯化氢被从塔顶加入的吸收水吸收变成稀盐酸，经液封后进入三合一炉。尾气被水力喷射器抽走，不凝气排人大气，酸性下水进入循环槽后用稀酸循环泵送至水力喷射器和尾气吸收塔。反应热和氯化氢溶解热由夹套内冷却水带出，冷却水经凉水塔降温后循环使用。石墨制三合一炉(见上图)是选用酚醛树脂浸渍的人造石墨制成。由燃烧器、燃烧炉交换器及分离器三部分组成。燃烧器装在顶部，火焰喷射而下

18、，与稀酸并流一起进入胶式吸收管，边冷却边吸收直至分离器。浓酸从底部流出，来吸收的少量氯化氢气体进往尾气吸收塔。三合一炉底部有一石墨板制成的防爆膜，另外还有点火孔、视孔等。此炉的优点在于集合成、冷却、吸收于一体，精简了工艺流程，但结构复杂，不易清理结垢和检修。 该设计选用三合一石墨合成炉。3计算3.1计算依据1生产规模：年产20万吨烧碱装置生产盐酸2年操作时间：300天，三班生产。3原料气的组成氯气组成氢气组成成分体积百分数，%重量百分数，%成分体积百分数，%重量百分数，%成分体积百分数，%重量百分数，%Cl295.0 N22.48 H298.0 H20.5 O20.62 O20.4 CO21.

19、3 H2O0.0462 N21.6 CO0.1 H2O3.2合成炉的物料衡算生产规模为年产20万吨烧碱装置能产生氯气、氢气的物质的量为：（若氯化氢的吸收率为100%）n=kmol/h能生产盐酸物质的量为：HCl的物质的量n'=2n=kmol/h输入在合成炉中发生如下反应：1.进合成炉的原料氯气中各组分的质量 kmol/hkg/h =4.7514kmol/hkg/h =1.8275kmol/h3.6550kg/h =0.3655kmol/h10.2339kg/h =9.0892kmol/hkg/h =4.7645kmol/hkg/h在原料氯气中水的重量可根据氯气中含水量进行计算，设氯气中

20、水的重量为X kg/h，则：解得：X=10.6237kg/h=0.5902kmol/h2.进合成炉的原料氢气中各组分的质量在盐酸生产中过量510%，现取5%（体积）则原料氢气中各组分的质量如下： kmol/h729.16 kg/h kmol/h47.6186 kg/h kmol/h166.67kg/h在原料氢气中水的千摩尔数可根据气体分压定律进行计算： 式中，为原料中除水蒸气以外的所有气体的千摩尔数， =364.58+1.4881+5.9524=372.02 kmol/h为40时饱和水蒸气分压等于73747kPa()；为原料气体中除水蒸气以外的所有气体的分压。 = kmol/h411.1473

21、 kg/h二输出合成反应生成物的计算1. 进炉：347.22kmol/h生成： kmol/h消耗：347.22kmol/h2. 进炉CO：0.3655 kmol/h生成：0.3655 kmol/h消耗： kmol/h3. 在合成炉内混合气体中尚有剩余氧气的千摩尔数为： 4.7645+1.4881-0.1828=6.0698 kmol/h生成水： kmol/h消耗：12.1396 kmol/h合成炉气的组成见下表。合成炉气的组成成分kmol/hkg/hvol,%wt,%694.4425347.0691.7194.995.1169225.140.680.877.047914.09580.930.0

22、54315.0416421.16481.991.6235.5713640.28344.702.47合 计757.2226647.75100100合成炉的物料衡算见下表。输入kg/h输入kg/h原料氯气 25293.5其中 24653.0 209.06 3.6550 10.2339 254.50 152.46 10.6237 合成炉气 26647.75其中 25347.06 225.14 14.0958 421.1648 640.2834原料氢气 1354.62 729.16 47.6186 166.67 411.1673总计 26648.12 26647.75由上表可知，忽略计算误差，反应前后

23、物料守恒。3.3 氯化氢冷却器的物料衡算1进入冷却器的氯化氢气体组成见下表左部。2氯化氢气体的温度由冷却至50，部分水蒸气被冷凝，生成浓度为37.3%的盐酸，其温度为40。 冷却后气体带走的水分计算： 式中，为合成炉气的千摩尔数，=694.44+5.1169+7.0479+15.0416=721.6464 kmol；为40 时37.3%盐酸液面上的水蒸气分压，等于2.4394kPa (18.3mmHg)；为合成炉气的分压力，等于98.8686kPa(760-18.3=741.7mmHg)。 = 17.81 kmol/h=320.4952 kg/h所以冷凝水=640.2834-320.4952=

24、319.7882kg/h冷凝酸量W=510.0290 kg/h消耗量=190.24 kg/h=5.2121 kmol/h氯化氢冷却器的物料平衡表输入kg/h输出kg/h 合成炉气 26647.75其中 25347.06 225.14 14.0958 421.1648 640.2834一、合成炉气 26137.71其中 25156.82 225.14 14.0958 421.16 320.49二、37.3%冷凝酸 510.03其中 190.24 319.79总计 26647.75 26647.74比较以上两个数据，忽略计算误差，冷却前后物料守恒。3.4 氯化氢吸收系统的物料衡算 氯化氢吸收系统包

25、括膜式吸收器及尾气吸收塔两部分。进入该系统的物料有氯化氢冷却气、吸收水以及由冷却系统来的冷凝酸。从该系统出来的物料有成品酸和废气。吸收的总效率约为998。一、输入1输入吸收塔的氯化氢气体的量等于从氯化氢冷却系统输出的量。2吸收水量的计算。在吸收系统中生成成品酸时所需要的水量为： 55985.01 kg/h337.3冷凝酸稀释为成品酸时需要的水量为： 103.65 kg/h由于从尾气塔中输出的废气内含有7.2852kgh水分(见输出计算)，所以实际需要的吸收水量为 kg/h二、输出1成品酸量的计算。成品酸量为： kg/h2废气量的计算。从尾气吸收塔输出的废气包括未被吸收的HCl气体及合成炉中其它

26、气体，如、等。 尾气中未被吸收的气体的量为： kg/h=1.3785 kmol/h尾气中其它气体的组分见表8-1。如果废气的温度为60，则废气中的水蒸气的量可根据式下式计算： kmol/h 所以 kg/h所以从尾气吸收塔输出的 kg/h氯化氢吸收系统的物料平衡表输入kg/h输出kg/h1、 合成炉气26137.71其中 25156.82 225.14 14.0958 421.16 320.49二、37.3%冷凝酸 510.03其中 190.24 319.79三、吸收水 55775.45一、 成品酸 81602.41其中 25296.75 56305.66二、尾气 718.00其中 50.216

27、7 225.14 14.0958 421.16 7.2852总计 82423.1982320.41比较以上两个数据，忽略计算误差，氯化氢吸收前后物料守恒。4 主要生产设备41 合成炉 制造氯化氢和盐酸的主要设备是合成炉。氯和氢在其中进行化合反应，并释放出大量反应热，在生产中必须及时除去。该设计选用三合一石墨合成炉。石墨制三合一炉(见图)是选用酚醛树脂浸渍的人造石墨制成。由燃烧器、燃烧炉交换器及分离器三部分组成。燃烧器装在顶部，火焰喷射而下，与稀酸并流一起进入胶式吸收管，边冷却边吸收直至分离器。浓酸从底部流出，来吸收的少量氯化氢气体进往尾气吸收塔。三合一炉底部有一石墨板制成的防爆膜，另外还有点火

28、孔、视孔等。此炉的优点在于集合成、冷却、吸收于一体，精简了工艺流程，但结构复杂，不易清理结垢和检修。径向式石墨热交换器结构示意图42 热交换器热交换器按其结构类型大致可分为：(1)管束式石墨热交换器，如列管式、喷淋式(2)径向式石墨热交换器：(3)板室式石墨热交换器。 由于氯化氢的冷却，目前大多数采用)径向式石墨热交换器（见图）。它由基体换热块、石墨封头、金属外壳等组成，石墨块之间采用氟橡胶“O”型密封圈或柔性石墨密封圈密封。氯化氢气体走纵向孔，冷却水或冷冻盐水走横向孔。此设备具有结构简单、传热效果好、耐腐蚀、易于操作和维修等特点。43 吸收器(塔) 绝热吸收塔、尾气塔、干燥塔可选用填料塔，内

29、衬瓷砖或橡胶或酚醛胶泥或酚醛石墨。径向式石墨降膜吸收器(见图819)由气液混合室、气液分离器、吸收堰、吸收基本换热块、气液分配器及金同外壳等组成。所有石墨件均经酚醛浸渍加工而成。石墨块之间采用氟橡胶或柔性石墨“O型圈密封。稀酸由顶部入塔进酸管应在液面以下，防止炉气走短路去尾气吸收塔。每根吸收管都有布酸器，校正在同一水平面上，使每根吸收管均匀布入稀酸。合成炉气冷却后与稀酸由吸收管上部一起顺流而下，管外有水冷却，使管壁上的酸膜边冷却边吸收炉气中的氯化氢，塔底是成品酸与贫气的出口。此设备维护时，应注意： (1)进入吸收器的氯化氢气体，温度不能过高，应小于170，否则容易烧坏石墨件； (2)定期清理冷

30、却水夹套污垢，维持高效率运转；(3)抽查冷却水出口含酸，发现损坏或渗漏应及时处理。44脱吸塔与再沸器脱吸塔也称解吸塔，用于制造高纯氯化氢气体。一股选用填料塔，钢壳内衬瓷砖或酚醛石墨，填料选用瓷环。再沸器一般选用酚醛石墨制的列管式热交换器(见图)。此设备应防止震撞、过热；加入蒸气时，防止冲击和局部过热，一般控制蒸气压力小于0.3MPa盐酸脱吸塔及再沸器 45其它设备 输送盐酸用泵可选用陶瓷泵、玻璃泵，聚三氟乙烯泵氯化聚醚泵等耐酸泵。容器如盐酸贮槽、分离器及管路等，可选用聚氯乙烯、酚醛玻璃钢、钢衬橡胶、瓷砖玻璃、酚酸石墨、搪玻璃等材料创造。结论论文在设计过程中参考了xxx集团的生产指标，也采取了三合一合成炉进行生产。二合一合成炉主要是用于合成HCl气体，目的是为生产PVC或多晶硅等