年产10万吨氯碱车间氯化氢合成工段的初步设计-毕业论文设计

年产10万吨氯碱车间氯化氢合成⼯段的初步设计_毕业论⽂设计(此⽂档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)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-alkaliworkshopchlorideSection.Manualfirstexpoundedthesignificanceandroleofthesynthesisofchloride,chloridesynthesisofcurrentresearchanddevelopmentprospectsatbasisofthedesign,siteselection,rawmaterialandproductspecifications.Determinetheprocessroute,abriefdescriptionoftheprocess,aswellasmaterialandprocess.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(1)1.1概述(1)1.1.1⽣产的意义与作⽤(1)1.1.2国内外的现状及发展前景(1)1.1.3产品的性质与特点(2)1.1.4产品的⽣产⽅法概述(3)1.2设计依据(4)1.3⼚址选择(4)1.4设计规模与⽣产制度(4)1.4.1设计规模(4)1.4.2⽣产制度(5)1.5原料与产品规格(5)1.5.1主要原料规格及技术指标(5)1.5.2产品规格(6)1.6经济核算(6)第2章⼯艺设计和计算(7)2.1⼯艺原理(7)2.2⼯艺路线的选择(8)2.3⼯艺流程简述(9)2.3.1⼯艺流程⽰意图(9)2.3.2⼯艺流程简述(9)2.4物料衡算(10)2.4.1⽣产能⼒及原料氯⽓与氢⽓量的计算(10)2.4.2合成炉的物料衡算(10)2.4.3降膜吸收器的物料衡算(13)2.4.4解吸塔的物料衡算(14)2.4.5尾⽓吸收塔的物料衡算(15)2.5热量衡算(16)2.5.1合成炉的热量衡算(16)2.5.2⽯墨冷却器的热量衡算(22)2.5.3降膜吸收器的热量衡算(24)2.5.4解吸塔的热量衡算(26)2.5.5尾⽓吸收塔的热量衡算(27)2.5.6⽯墨换热器的热量衡算(29)2.5.7盐⽔⽯墨冷却器的热量衡算(30)2.6Aspen模拟(31)2.6.1全流程的Aspen模拟图(31)2.6.2氯化氢合成炉的Aspen模拟图(31)2.6.3降膜吸收器的Aspen模拟图(32)第3章设备选型(35)3.1关键设备的计算(35)3.1.1合成炉炉体直径的计算(35)3.1.2合成炉换热⾯积的计算(35)3.1.3合成炉炉⾼的计算(39)3.1.4合成炉灯头尺⼨的计算(39)3.1.5爆破膜尺⼨的计算(42)3.1.6厚度的计算(43)3.1.7封头的选择及计算(44)3.2其他设备的计算及选型(45)3.2.1⽯墨冷却器的计算及选型(45)3.2.2降膜吸收器的计算及选型(46)3.2.3尾⽓吸收塔的计算及选型(47)3.2.4解吸塔的计算及选型(48)3.2.5⽯墨换热器的计算及选型(49)3.2.6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(57)7.1安全(57)7.2三废产⽣情况(58)7.3三废处理情况(58)第8章公⽤⼯程(58)8.1供⽔(58)8.2供电(59)8.3供暖(59)8.4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⻝盐⽔的⽅法来制取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1.639gL。临界温度为51.54℃，临界压⼒为8314KPa，临界密度为0.42gcm3。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LHClLH2O0506.510473.920442.030411.540385.750361.660338.7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%）50.7557511.250510pCT-=+?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1.194gml。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gml1.0001.0401.0851.1201.1551.1601.1651.1791.1751.180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0246810.512141718.526.3度%（mol）温度100101.8103.3105.3108.0109.7109.0105.292.082.769.0（℃）2、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：m=146250ta海盐所以，W1=146250×240=35100000元冷却⽔费⽤的计算如下：（）m=197747.7+42896.79+321618.3+16912.8680=4633405200kg冷却⽔所以，W2=0.4×46334052001000=1853362.80元年冷冻盐⽔费⽤的计算如下：m=7936.738000=6349盐⽔所以，W3=1250×634938401000=79367300元年低压蒸汽费⽤的计算如下：m=332.168000=2657蒸汽所以，W4=65×26572801000=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ta10wt氯碱—2车间定员⼈28100.83原盐t料⽔ta4.5wt37694.7525蒸汽耗量ta2657.2817.272326冷凝⽔耗量ta4633405.2185.336287冷冻盐⽔ta63493.847936.738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+H22HClO2+2H22H2O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。Cl2Cl热或光(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：ClHHCl+H+①ClClHCl+H+②ClClHCl+H+③ClHHCl+H+④(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，H+O2+ClO2②在反应过程中元素⾃⾝的结合也可以使链终⽌。HH2+HCl2+ClClHCl+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：321.5kmol/hNaOHG=氯化氢的产量盐⽔电解⽅程式为：222222NaClHONaOHClH+→++所以，22156.25kmol/hClHGG==在合成HCL反应中，按22:1.05:1HCl=计算，所以，2156.25kmol/hClG=，2148.81kmol/hHG=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合成炉的物料衡算合成⽓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：156.250.9745=160.399kmol--sg——重⼒加速度，kgm2·s3αε——⼲填料因⼦，m-1µL——液相粘度，cpρg，ρL——⽓相、液相密度，kgm3L，G——液相，⽓相流量，kgs3.2