年产10万吨盐酸工艺设计毕业论文Word格式.doc
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3.1.1计算依据 14
3.1.2计算 15
3.1.3进出合成炉气体 16
3.1.4三合一合成炉吸收段物料衡算 17
3.1.5尾气吸收塔物料衡算 19
3.2热量衡算 20
第四章尾气吸收塔的设计 23
4.1尾气吸收塔高度与塔径的计算 23
4.1.1塔径D的计算 23
4.1.2填料层高度Z的计算 24
4.2除雾器 26
4.3液体分布器的计算 26
4.4管径尺寸计算 26
4.5筒体壁厚计算 27
4.6人孔 28
4.7封头 28
4.8尾气吸收塔塔高 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附录A尾气吸收塔设备图 32
附录B盐酸工艺流程图 33
摘要：
氯化氢在常温下为无色且具有刺激性气味的气体，氯化氢的水溶液（盐酸）作为基础原料“三酸两碱”之一，广泛应用于钢铁、电镀和钢铁结构件的酸洗过程中，同时也用于化学制药、稀土生产等行业。
近年来随着不透性石墨设备的发展，制取盐酸的合成炉已有最初的铁合成炉发展到“二合一”合成炉、“三合一”石墨合成炉等。
通过对这几种合成炉的比较，本设计采用“三合一”石墨炉，对盐酸生产后期的吸收工段、尾气吸收工段的物料平衡以及能量平衡进行了计算，设计出塔高3840mm，塔径700mm的填料式尾气吸收塔，该塔处理尾气量为612.78m3/h,产出10%稀盐酸量为9975.54kg/h，满足年产10万吨盐酸处理量，达到设计目的。
关键词：
氯化氢合成炉；
工艺设计；
吸收
TheProcessDesignforAnAnnualOutputof100kt
ofHydrochloricAcid
Abstract:
Hydrogenchlorideiscolorlessandexcitantodorofgasinordinarytemperature.Theaqueoussolutionofhydrogenchloride（hydrochloricacid）asoneofbasicmaterial“threeacidtwoalkali”,widelyusedinsteel,electroplatingandsteelstructureintheprocessofacid,alsousedtochemicalmedicine,rareearthinproduction,etc.
Inrecentyears,withnopermeabilitygraphiteequipmentdevelopment,producinghydrochloricacidsynthesisfurnacehasfirstjointintofurnacedevelopmentto"
two-in-one"
synthesisfurnace,"
three-in-one"
graphitesynthesisfurnace,etc.Basedonthecomparisonofseveralsynthesisfurnace,thedesignuses"
graphitefurnace,andthematerialsbalanceandenergybalancearecalculatedinthehydrochloricacidproductionlaterabsorptionsection,andexhaustabsorptionprocess,designahightoweris3840mm,diameteris700mmpackingstyleexhaustabsorber,exhaustgasprocessingcapacityofthetoweris612.78m3/h,theoutput10%hydrochloricacidis9975.54kg/h,meettheannualoutputof100kttonsofhydrochloricacidtreatment,andthedesignpurposesisachieved.
Keyword:
hydrochloricacidsynthesisfurnace;
processdesign;
absorption
引言
在我国的“三酸两碱”生产中，盐酸是生产工艺变化较大的一种。
1949年我国盐酸产量仅0.3万吨，应用领域也非常单一，主要用作化学试剂及食品等很少几个领域。
改革开放后，随着我国氯碱工业和盐酸下游行业的迅速发展，为我国的盐酸工业提供了良好的发展环境和空间，在生产方面，除氯碱行业外，化肥、农药、聚酯等行业作为盐酸的新生力量发展迅猛。
在消费领域，随着有机合成工业的发展，盐酸的应用领域也获得了极大开拓，用途更加广泛，制药、矿石选矿处理、化工、饲料添加剂、净水剂、稀土等下游行业对盐酸的需求量增长迅猛。
经过60年的发展，我国盐酸工业目前大多采用石墨制三合一盐酸合成炉生产盐酸，三合一炉是将合成盐酸生产过程中氯化氢气体的合成、吸收、冷却三个化工单元过程合并在一个设备中完成。
在我国合成盐酸生产中应用二十多年来,尤其是在农药、氯碱行业中的应用,取得了良好的效果，无论盐酸品质、种类还是产量都已跻身世界盐酸生产大国行列。
32
第一章综述
1.1盐酸的性质及用途
盐酸的化学式HCl，相对分子质量36.46，是氯化氢的水溶液，可和水以任意比例混合。
它是一种重要的化工产品，是工业“三酸”之一。
纯净的盐酸是无色、有刺激性气味的液体，具有较强的挥发性。
通常市售的浓盐酸的密度为1.19g/ml，其中HCl的质量分数为31%。
工业用的盐酸因含有FeCl3杂质而略带黄色。
盐酸是强酸，具有酸的通性。
能使酸碱指示剂变色，能与金属活动顺序表中排在氢你的金属发生置换反应，能与碱发生中和反应，能与盐发生复分解反应等。
盐酸的用途很广泛，在化工、食品、机械、纺织、皮革、冶金、电镀、轧钢、焊接、搪瓷等工业中有着广泛的应用。
在化学工业中用于生产无机氯化物、有机氯化物等；
例如作为生产氯化铵、氯化钙、氯化锌、氯化钡等氯化物的原料。
在食品工业上常用盐酸来制造酱油、味精，也用于淀粉制造、水解酒精与葡萄糖等。
在机械加工中盐酸常用于钢铁制品的酸洗，以除去铁锈、氧化膜、氧化铁皮。
在印刷工业中还用于制造燃料，在纺织工业纤维织物漂白时用作漂白粉液的分解促进剂，用于织物漂白后酸洗，丝光处理后中和等。
在医药行业制造药物，如盐酸麻黄素、氯化锌等。
在冶金工业中用于钻采和提取稀有金属，用于电镀、钢铁、蚀刻工业、金属表面清洗剂[1~2]。
1.2盐酸的工艺历史
15世纪意大利的手稿中记载如何制成盐酸，但这种水溶液在此前就为炼金术师所使用，那是将食盐和硫酸铁共同蒸馏发生的气体溶解于水而成。
1650年前后Glauder开发用硫酸分解食盐的制法。
1772年Priestley最先捕集到氯化氢气体制得纯盐酸并试验其性质。
1810年Davy证明其为氧与氢的化合物。
1791年法国的科学家获得路布兰制碱法的专利，拥有日产250—300kg的工厂。
该法用硫酸钠、石灰石和制造纯碱。
但欧洲缺乏天然的硫酸钠矿，因此用硫酸和食盐为原料制造硫酸钠并副产盐酸。
由于法国革命，工厂在1793年关闭。
爱尔兰人趁英国政府取消重盐税之机会采用路布兰法于1823年在英国设厂。
开始时副产的氯化氢气体用150m高的烟筒排放空中，但因其相对密度较大，已构成雾幕下降，对植物造成严重损害。
1836年采用焦炭为填料的洗涤塔用水吸收此气体以减少工厂对周围的影响。
1863年英国政府颁布了世界上第一个有关环境保护法的碱工业法令，限各工厂必须将产生的氯化氢气体回收95%以上，并规定排出气体中氯化氢含量不得超过0.454g/m3。
早期盐酸的用途不大，市场需求量很少。
由于纺织工业的发展需用大量的漂粉，许多盐酸便被二氧化锰氧化用来制造氯气，作为漂粉的原料。
MnO2+4HCl→MnCl2+Cl2+2H2O
此过程氯化氢的利用率仅有一半，而且二氯化锰没有工业用途，致使漂粉成本很高。
后来通过1866年的Weldon法和1870年的Deacon法提高了氯气回收率和原料的利用率，大大降低了成本，正适应英国纺织工业发展的需要。
自1895年食盐溶液电解法制氯和烧碱工业化以来，盐酸可以用电解产生的氯和氢直接合成。
第一次世界大战后各国纷纷调整其工业结构。
1923年英国最后一个路布兰制碱法的工厂关闭，盐酸的生产逐渐为直接合成法所代替。
第二次世界大战以后，石油化工和塑料等聚合物工业的迅速发展，使氯化氢和盐酸生产路线又起了变化。
总的来说，副产氯化氢和盐酸产量比重增大，而合成盐酸的比重下降。
从70年代后期以来，由于越来越多的国家对氟氯烃产品的生产陆续加以限制，副产氯化氢产量的比例持续下降，而合成氯化氢的产量则有所上升。
工业上制取盐酸时，首先在反应器中将氢气点燃，然后通入氯气进行反应，制得氯化氢气体。
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。
然后用水吸收生成的氯化氢气体，其中氯化氢是在合成塔里合成的。
1.3盐酸的生产历史
自1772年由Priesly最先搜集到氯气和氢气制得纯盐酸并试验其性质，至今有230多年的历史了。
在我国生产盐酸也有近70年的历史了，盐酸的生产一般都包括气体的产生、冷却、吸收。
从我国目前的生产工艺看,主要有以下几种：
（1）铁炉合成、风冷、水冷、石墨冷、绝热吸收、膜式吸收。
（2）石墨炉合成、水冷、风冷、绝热吸收、膜式吸收。
（3）合成、冷却、吸收为一体的“三合一”炉生产，该工艺最为先进。
近年来，我国多数厂家均走过了铁炉、水冷、风冷、石墨冷、绝热吸收或膜式吸收，近而改为“三合一”生产工艺。
当然也有正在使用铁炉生产氯化氢气体，采用风冷、水冷、石墨冷却氯化氢气体供生产用，并且将在我国持续相当长一段时间。
“三合一”炉生产盐酸，自投运以来，由于存在诸多因素防腐材料及技术不过关，真正坚持下来，并且发挥作用的生产厂家极少。
设备生产厂也举步维艰。
但由于该工艺结构紧凑，占地面积小，生产弹性大等诸多优点。
在经历了年代到年代中期的低潮后，终于被广大氯碱厂所重视。
图1.1盐酸的生产工艺流程图
从目前的生产设备看，主要设备是合成炉，其次是尾气吸收塔、稀酸槽罐缓冲器、冷却塔、循环水池等。
1.4盐酸工艺及存在问题
1.4.1盐酸生产工艺流程简介
盐酸的生产方法主要分为合成法和副产法，其中合成法根据使用不同的合成炉又分为铁合成炉和膜式吸收法、石墨合成炉和膜式吸收法、三合一石墨炉法。
铁合成炉和膜式吸收法一般用来生产纯度要求不高的盐酸产品，用这种方法生产出的盐酸一般含铁都能达到0.2mg/L以下，但达到0.1mg/L以下较困难。
石墨合成炉和膜式吸收法采用二合一石墨炉，所以被一些企业称为二合一法，该法的特点是可以方便的将氯化氢气体分配给盐酸生产或PVC生产。
三合一石墨炉法主要用于高纯盐酸的生产。
副产法主要是利用在有机合成工业中的氯化过程可得到的副产物，将生成的氯化氢同有机氯化物RCl设法分离后，用水吸收氯化氢便得到了盐酸。
这里对常用的石墨合成炉和膜式吸收法和三合一石墨炉法的典型流程做一简述。
（1）石墨合成炉和膜式吸收法工艺流程
原料氢气由电解氢气站送来，经氢气缓冲罐，压力为0.07~0.1MPa再经阻火器进入石墨合成炉底部的石英灯头。
原料氯气是氯氢处理来的氯气或者是液化后的废氯，经缓冲罐，压力0.08~0.28MPa，然后进入石墨炉底部的石英灯头。
该石英灯头为双层石英玻璃套筒式，氯气走里层，氢气走外层。
氯气和氢气以（1：
1.15）~（1:
1.20）的比例在石英灯头上方燃烧，生成的氯化氢从石墨炉顶部出来，经浸在水里的石墨冷却管冷却后进入石墨冷却器。
从石墨冷却器底部出来的氯化氢（温度≤60℃）进入洗涤器的底部，用一级膜式吸收器出来的部分盐酸进行洗涤。
这部分盐酸自洗涤器顶部进入，与氯化氢呈逆流接触，洗涤氯化氢后成浓酸从底部流出，流入浓酸储槽后当试剂酸出售。
经过洗涤的氯化氢通过洗涤器顶部的丝网除雾器后依次进入一级石墨降膜吸收器、二级吸收器、尾气塔，最后经水力喷射器抽吸，由分离罐分离后排空。
吸收水是高纯水，用不锈钢管输送来，经玻璃转子流量计计量后首先进入尾气塔，吸收大部分氯化氢尾气后成稀酸，再依次进入二级降膜石墨吸收器、一级石墨吸收器。
在降膜石墨吸收器中顺流吸收氯化氢。
从一级降膜吸收器中出来的31%的高纯盐酸，小部分去洗涤器，绝大部分盐酸作为成品流入酸储槽。
（2）三合一石墨炉法的工艺流程
由氢氯工段处理来的氢气和氯气分别经过氢气缓冲罐和氯气缓冲罐、氯气阻火器和各自流量调节阀，以一定的比例进入石墨合成炉顶部的石英灯头。
氯气走石英灯头的内层，氢气走石英灯头的外层，两者在石英灯头前混合燃烧，化合成氯化氢气体。
生成的氯化氢向下进入冷却吸收段。
从尾气塔来的稀酸也从合成炉顶部进入，经分布环成膜状沿合成段壁流到吸收段，经再分配流入块孔式石墨吸收段的轴向孔，与氯化氢一起顺流而下。
与此同时，氯化氢不断地被稀酸吸收，氯化氢浓度变得越来越低，稀酸浓度变得越来越高，最后未被吸收的氯化氢由三合一石墨底部的封头出来，进行气液分离，浓盐酸流入盐酸储槽，而未被吸收的氯化氢则进入尾气塔底部。
高纯水经转子流量计从尾气塔顶部喷淋而下，吸收逆流而上对的氯化氢而成稀盐酸，并经过液封进入三合一石墨炉，从尾气塔顶出来的尾气用水力喷射泵抽走，经液封灌分离后，不凝废气排入大气。
下水经水泵再打往水力喷射器，往复循环一段时间后作为稀盐酸出售，或经碱性物质中和后排入下水道，或作为工业盐酸的吸收液。
三合一石墨炉内生成氯化氢的燃烧热和氯化氢溶于水的溶解热被冷却水带走[1]。
1.4.2工艺路线的确定
根据近年来工业发展趋势及国家政策引导，本论文选用三合一石墨盐酸合成炉为研究对象进行分析计算。
1.4.3三合一石墨炉法工艺过程中存在的问题
经查阅国内外文献资料分析总结，通常情况下，盐酸吸收系统存在的问题主要有以下几点：
（1）合成炉气体出口温度高于石墨冷却器的需用温度，造成石墨冷却器易损坏；
（2）夹套内壁有结垢现象，可能会引发爆炸等危险；
（3）石英灯头容易破损，使用寿命短；
（4）视镜会出现模糊，破裂现象[3~4]；
（5）石墨炉的生产能力通常低于设计能力[5]；
（6）反应热利用不合理[6~7]。
以上的问题其中有些可以依靠经验解决，有的则是结构问题，是由于没有系统的分析合成炉以经验设计导致。
这类问题较难解决，通常需要技术加以改进。
在能源日趋紧张的形势下，节能减排就是一种能源。
氯化氢合成反应放出的大量热量如何回收利用是我们关心的问题。
对于反应热的利用通常有两种方法：
一是使用钢制水夹套氯化氢合成炉副产热水。
这种钢合成炉在炉顶部和底部容易受腐蚀，使用寿命短，副产的热水应用范围有限[8]；
二是使用石墨制合成炉副产热水或0.2～0.3MPa压力的蒸汽。
因石墨是非金属脆性材料，受强度和操作温度的限制，在副产蒸汽时石墨炉筒是生产蒸汽的受压部件，安全上存在一定隐患，采用该方法副产的热水或低压蒸汽热能利用率只能达到40%，产生的热水或蒸汽的温度都不高，有效能损失较大，利用效果并不理想[9]。
1.5课题的目的和意义
随着我国氯碱工业和盐酸下游行业的迅速发展，为我国的盐酸工业提供了良好的发展环境和空间，我国盐酸生产和消费持续保持较快的发展势头。
所以，氯化氢合成及装备技术的研究，是一项很有意义的工作。
因此，本课题的目的是通过对现有的盐酸生产设备及工艺进行研究分析，设计年产10万吨盐酸的生产工序。
本课题的意义在于，通过对三合一法合成炉的运行工况进行分析，明确了合成炉运行工况的改进的方向。
并特别分析了尾气吸收塔的运行工况，这就为合成炉运行工况的改进拓展了思路。
通过本设计工作，能为一些企业的优化生产工艺，节约能源提供借鉴。
这既有利于降低企业生产成本，提高资源利用率，增加经济效益，同时符合我国的建设资源节约型、环境友好型社会的基本国家方针政策。
第二章盐酸生产工艺流程
2.1产品性质
2.1.1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1.639g／L，临界温度为51.54℃，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[2]。
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。
表2.1盐酸浓度密度对照表
浓度%
0.16
8.18
17.13
23.82
30.55
32.49
33.46
35.38
39.11
密度g/mL
1.000
1.040
1.085
1.120
1.155
1.165
1.170
1.180
1.200
2.1.2化学性质
强酸性，和碱反应生成氯化物和水
HCl+NaOH=NaCl+H2O
能与碳酸盐反应，生成二氧化碳，水
K2CO3+2HCl=2KCl+CO2↑+H2O
能与活泼金属单质反应,生成氢气
Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑
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。
HCl+AgNO3===HNO3+AgCl↓
2.1.3产品规格
表2.2Q/SHG-004003-2005
指标名称
优级品
一级品
合格品
总酸度（以HCI%计）
35.0
铁
0.006
0.008
0.01
硫酸盐（以S0%计）
0.005
0.03
砷，%≤
0.0001
灼烧残渣，%≤
0.08
0.10
0.15
氧化物（C1%计）≤
0.010
2.2主要原料性质与规格
2.2.1原料的理化性质[10]
（1）氯气的理化性质
氯气是一种黄绿色，有刺激性嗅味的气体，对人体有刺激粘膜的毒害作用，氯气密度3,214kg/m3（0℃，101.325kPa），液化温度（101.325kPa）-33.9℃（也有-34.05℃或-34.6℃），氯气溶于水、酒精、四氯化碳等液体中，含水氯气腐蚀性强，0℃以下．生成水合氯（Cl28H2O）的黄绿色结品，因此含水氯气管道冬季应保温。
氯气是有毒性气体，主要通过呼吸道侵入人体并溶解在黏膜所含的水分里，生成次氯酸和盐酸，对上呼吸道黏膜造成有害的影响：
次氯酸使组织受到强烈的氧化；
盐酸刺激黏膜发生炎性肿胀，使呼吸道黏膜浮肿，大量分泌黏液，造成呼吸困难，所以氯气中毒的明显症状是发生剧烈的咳嗽。
1L空气中最多可允许含氯气0.001毫克，超过这个量就会引起人体中毒。
助燃性
在一些反应中，氯气可以支持燃烧，如，铁在氯气中燃烧生成氯化铁
化学方程式：
2Fe＋3Cl2＝2FeCl3（条件：
点燃）
与金属反应
钠在氯气中燃烧生成氯化钠
2Na＋Cl2＝2NaCl（条件：
与非金属反应
氢气在氯气中燃烧或受到光照生成氯化氢气体
H2+Cl2=2HCl（条件：
点燃或光照）
（2）氢气的理化性质
氢气为无色、无味并且是最轻的气体，气体密度为0.180kg/m3（101.325kPa，0℃），标准状态下为21.5ml/L。
氢气在氧气中的爆炸范围为5%～95.26%，在空气中的爆炸范围5%～72.5%，生产中应特别注意防止爆炸事故发生．
氢气能和一些强氧化剂作用，以致发生强烈反应。
2.2.2原料来源
合成盐酸所用的氯气是由离子膜工段电解食盐水制得的，再经氯气总管送至氯干燥工序处理后，送到氯化氢工序来生产盐酸的；
氢气是由离子膜工段电解食盐水制得的，再经氢气总管送至氢处理工序处理后，送到氯化氢工序来生产盐酸的。
2.2.3原料组成
表2.2原料组成
物质
氯气（V%）
氢气（V%）
纯度
95
98
含氢
0.5
含氮气
2.58
1.6
含二氧化碳
1.3
—
含水分
0.168（重量比）
含氧气
0.62
0.4
进料温度（℃）
25
进料压力（MPa）
0.21
2.3合成反应条件和机理
氯和氢的合成反应在常温和散射光线下进行得很慢，但在强光（直射的阳光或镁焰等）照射或高温下则反应非常迅速剧烈，以致发生爆炸。
氯和氢在光线照射下所起的反应是由许多个别阶段构成。
这种反应称“链锁反应”[11]。
氯化氢的合成过程和温度、水分、触煤、氯氢的分子比等等因素关系极大。
工业生产方法有直接合成法和其它多种方法。
在直接合成法工艺中必需符合氯化氢合成的各种条件时工艺才得以建立。
主反应式为：
H2+
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