氯化氢合成工艺设计

毕业设计说明书1成人高等教育本科毕业设计题目氯化氢合成工艺设计学院XX学院专业化学工程与工艺班级化学工程与工艺姓名XXX指导教师XXX（2015年07月）毕业设计说明书2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一级发展前景。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守恒。对氯化氢合成炉、吸收器等主要设备进行了计算以及相应的选择型，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进行了合理的设计。关键词：氯化氢；合成；工艺路线毕业设计说明书3目录引言第一章、总论1.1国内外的发展前景第二章、氯化氢的性质2.1物理性质2.2化学性质第三章、原料与产品的规格3.1主要原料3.2规格第四章、工艺设计和计算4.1工艺原理4.2工艺流程简述与流程图4.3工艺指标及控制参数4.4工艺路线的选择第五章、物料衡算5.1进合成炉各物质的量5.2出合成炉各物质的量5.3吸收水用量计算第六章、热量恒算6.1合成炉热量恒算6.2降膜吸收器热量恒算第七章、主体设备设计计算7.1管道计算7.1.1氢气管道计算7.1.2氯气管道计算7.2氯化氢总管计算7.3循环水管道计算7.4设备计算7.5设备一览表第八章、设备布置8.1车间布置的基本原则8.2氯化氢合成车间的布置第九章、安全注意事项9.1安全技术9.2氯化氢对人体的伤害9.3预防措施第十章、参考文献毕业设计说明书4引言氯化氢是氯碱企业中最基本的无机酸和化工原料之一，也是氯碱做好氯气产品生产能力平衡的关键产品和大的化学合成法产品，其在居民经济的所有部门均很重要，除应用于化学工业本身，有轻工、纺织、石油化工、有色金属冶炼和公用事业等方面均有很大用途。本设计是设计氯气和氢气合成氯化氢，用水吸收制成盐酸和高纯酸。氯化氢气体送入氯乙烯工序与乙炔反应生成氯乙烯。毕业设计说明书5第一章总论1.1氯化氢合成的国内外现状和发展前景随着石油化工的蓬勃兴起，对氯的需求量增大，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，国内外对制备高纯酸的方法很多，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等，本世纪上半叶合成法逐渐成为全世界各国生产氯化氢的主要方法。我国在合成氯化氢生产过程中不断进行革新，引进国外发展流程，近年来，由于石墨炉的广泛使用，生产效率大幅度提高，也使得氯化氢和盐酸的合成工艺达到了新的技术水平。第二章氯化氢的性质2.1氯化氢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，氯化氢比氢气重，标准状态下，密度为1.639g/L，临界温度51.54℃，临界压力为8314Kpa，临界密度为0.42g/cm³，氯化氢在水中溶解度很大，不同温度下，氯化氢在水中的溶解度表如下2-1：毕业设计说明书6表2-1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温下15℃时为0.8124KJ/(kg℃)，在0-1700℃范围内，可按下式计算(误差1.5％)：C=0.775+11.2505×10－5T式中T为绝对温度氯化氢能与空气中的水气形成烟雾，氯化氢在空气中能发，无水氯化氢在常温及667.8Kpa压力下可液化，在沸点时，密度为1.194g/ml2.2化学性质⑴干燥的氯化氢不与金属反应⑵氯化氢与金属反应2Hcl+Fe=FeCl2+H2↑温度溶解度0506.510473.920442.030411.540385.750361.660338.7毕业设计说明书7⑶氯化氢与碱反应Hcl+NaOH=NaCl+H2O第三章原料与产品规格3.1主要原料见表3-1：表3-13.2产品规格本工段的主要产品为氯化氢气体及盐酸氯化氢纯度92％～94％盐酸31％～33％物质氯气氢气含氢≤0.4≥98含氧≤3.0≤3.0含水分0.182.48纯度≥97≥98毕业设计说明书8第四章工艺设计和计算4.1工艺原理氢气与氯气在无光照射或者光线很弱、低温、常压下，其反应速度很慢，而在加热、明亮的光线照射下有触媒影响作用下，会迅速的化合甚至产生爆炸性化合，氯气与氢气燃烧合成氯化氢过程会放出大量的热，反应式如下:H2+Cl2=2HCl+184.62KJ氯气和氢气的反应机理为连锁反应链的生成:在合成氯化氢过程中，氯与氢在受光线的作用以后，首先氯分子吸收光量子而被解离成2个活化的氯原子Cl，这俩个活化的氯原子在与氢分子作用生成1个氯化氢分子和1个活化的氢原子H，这个活化的氢原子又与1个氯分子作用，生成1个活化的氯原子，如此继续下去构成一个连锁的反应，如下式:Cl2+△→2HClCl+H2→HCl+H+Cl2→HCl+ClCl+H2→HCl+H……….△—光量子Cl—活化氯原子H—活化氢原子影响氯化氢合成的条件：①温度的影响毕业设计说明书9氯气和氢气在常温、常压下，无光条件下反应很慢，在440℃以上迅速反应，但高于1500℃时有显著分解现象②水分的影响绝对干燥的氯化氢和氢气很难反应，当有微量水分时，往往可以加慢反应速度，但水分超过5×10–5时，对反应速度没有多大影响，反而产生过多的冷凝酸。③触媒的影响触媒是一种催化剂，当氯化氢反应时，触媒接触石英灯头时，也可起接触作用，促使反应速度。4.2工艺流程域简述4.2.1工艺流程图：4.2.2工艺简述来自氯氢处理岗位合格的氢气和氯气经缓冲罐、总管、阻火器，按比例进入合成炉，在灯头上合成燃烧，生成的氯化氢气体从合成炉的冷却段底部导出，温度控制在45℃以下，进入分配台供PVC或进入降膜吸收器制成盐酸或高纯酸，氯化氢经过一级降膜吸收器吸收后，剩余的氯化氢进入二级降膜吸收器再次吸收，吸收后的稀酸进一级降膜吸收器吸收，二级降膜吸收器的尾气抽入循环酸罐后由泵输送至一级降膜吸收器再次吸收，各合成炉和氯化氢总管的冷凝酸进入回收酸罐由泵输送至盐酸储罐。毕业设计说明书104.3工艺指标及控制参数氢气纯度≥98％氯气纯度≥97％氯含氢≤0.4％氯气总管压力0.07MPa~0.12MPa氢气总管压力0.08MPa~0.1MPa氯化氢压力≤0.06Mpa氯含氢温度≤45℃氯含氢纯度91％~94％氯含氢含游离氯0盐酸浓度31％~34％下酸温度≤45℃点炉前炉内含氢≤0.4％循环水压力150KPa~200KPa盐酸储罐液位≤6.0m高纯酸储罐液位2.0m~6.0m合成热水罐4.0m~5.0m采暖热水罐2.5m~4.0m循环酸罐1.0m~2.0m4.4工艺路线的选择二合一合成炉工艺特点，炉内合成的氯含氢气体不与合成炉的钢铁部分接触，生成的氯含氢质量较高，出合成炉的气体用石墨冷却器冷却，冷却效果很大提高，热水废热也可再此利用。氢气和氯气在力混合燃烧，无论负荷大小火焰都保持稳定，冷却段都采用强化传热技术，在水套内增设导流板，迫使冷却液围绕石墨筒外流动，提高流速。吸收段采用溢流管外加侧稳压环技术，提高吸收率。二合一合成炉技能产生氯化氢气体，又能部分制成盐酸，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氯化氢气体。毕业设计说明书11第五章物料恒算5.1进合成炉的各物质的量（表5-1）原料氢气量＝纯氢气摩尔量/氢气摩尔分数原料氢含量:156.25/0.9745＝160.399kmol/h各组分的含量＝原料氢气量×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原料氯气含量＝纯氯气摩尔量/氯气摩尔分数原料氯气量:148.81/0.9716=153.16kmol/h各组分的含量＝原料氯气量×组分摩尔分数含氢气:153.16×0.34%=0.521kmol/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:∑H2（mol）＝156.25+0.521=156.77kmol/h∑H2（m）＝156.771×2=313.542kg/h氯气:∑Cl2（mol）=148.81kmol毕业设计说明书12∑Cl2（m）=148.81×71=10565.5kg/h氮气:∑N2（mol）=0.0962+1.715=1.8112kmol/h∑N2（m）=1.8112×28=50.714kg/h水:∑H2O（mol）=3.976+0.2757=4.2517kmol/h∑H2O（m）=4.2517×18=76.5306kg/h氧气:∑O2（mol）=0.0160+1.1516=1.532kmol/h∑O2（m）=1.532×32=49.02kg/h总进料:（mol）=156.77+1.8112+4.2517+1.532+148.81=313.174总进料:（m）=313.542+10565.5+50.714+76.5306+49.042=11055.26565.2出合成炉各物质量（表5-1）合成炉的俩个反应:①H2+Cl2→2HCl②2H2+O2→2H2O生成氯化氢的量为:H2+Cl2→2HClG氢气=G氯气=148.81kmol/hG氯化氢=2×G氯气=2×148.81=297.62kmol/hm氯化氢=G氯化氢×M氯化氢=297.62×36=510kg/h氧气燃烧所消耗的氢气及合成的水量为：2H2+O2→2H2O212毕业设计说明书13G氢气1.532G水消耗氢气量：G氢气=2×G氧气=2×1.532=3.064kmol/h生成水的量：G水=2×G氧气=2×1.532=3.064kmol/hm水=3.06×4=15.2kg/h水的总摩尔质量：G水=4.2175+3.064=7.3157kmol/h水的总质量：M水=7.315×18=131.68kg/h剩余氢气的量为：G氢气=156.711-148.81-3.064=4.897kmol/hM氢气=4.89×7=29.794kg表5-1输入kg/h输出Kg/hH2313.542HCl10863.13N250.714H2O131.68H2O76.5306H29.794O249.024N250.174Cl210565.5总计：11069.46111069.471因总进料量≈总出料量，所以物料守恒5.3吸收剂用量计算毕业设计说明书14吸收剂为20%的稀盐酸，假定吸率99%，出酸浓度为33%,根据HCl守恒可得：G=2×(x1+x2)式中G—单位时间内气相转向液相的溶质量kmol/h2—单位时间内通过吸收器的溶剂量kmol/hx1，x2—分别为进出吸收器液体中溶质组分比其中G=G合×0.99=294.64kmol/h所以x1=0.2655x2=0.1311L=1311.02655.064.294=2192192.62kmol/hm水=2192.62×18=39460.68kg/h所以，吸收剂量为m吸收剂=79.0m水=49950.23kg/h第六章热量衡算6.1合成炉的热量守恒原料气带入的热量：物质Cl2H2N2O2H2OKJ/Kg.℃2.221.4721.0470.0134.18毕业设计说明书15所以，原料气带入的总热量为：Q=C×m×△t=(313.542×14.27+50.714×1.047+76.5306×4.18+49.02×0.917+10565.5×2.22+14.1504×0.837)×25=70898.13合成炉内俩个反应摩尔反应热计算：①两反应计算：H2+Cl2→2HCl△H=92.31KJ2H2+O2→2H2O△H=241.82KJ②反应放出热量计算：Q1=GHCL×［△Hm1(298.15k)］+(715.298△Cpm1dT)×10-3Q2=GH2O×［△Hm2(298.15k)］+(715.298△Cpm2dT)×10-3两反应之和：Q总=Q1+Q2式中：Q1，