Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Технология производства соляной кислоты

ВВЕДЕНИЕ

Соляная кислота представляет собой бесцветный прозрачный раствор. В присутствии примесей железа, хлора и других соляная кислота приобретает желтовато-зеленый оттенок.

По разнообразию применения в народном хозяйстве и по масштабу использования соляная кислота занимает одно из основных мест среди других неорганических веществ.

Соляная кислота расходуется в производстве различных хлоридов, красителей, каучука, применяется для омыления жиров и масел, травления металлов. При получении сахара, дублении и окраски кож, в гальванопластике. Жидкий и газообразный хлористый водород используют при хлорировании различных органических соединений и т. д.[2]

Ниже приведены показатели качества технической соляной кислоты производств определены на 4,54 т продукции.

Показатели качества

Таким образом данный продукт соответствует ГОСТ 857 – 95 марки «Б» для применения в химической промышленности – для подкисления рассола в производств екаустической соды, для получения хлоридов металлов. В черной и цветной металурги – для снятия окисной пленки с поверхности металлов, в процесах выщелачивания металлов из руд. В других отрослях промышленности – для очистки котлов и химводоочистки, не связанной с питьевым водоснабжением.[3]

1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ

Ранее соляную кислоту получали из поваренной соли действием на нее серной кислотой – это так называемый сульфатный метод. Онпроизводится при 150 0С.[2]

NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl (1.1)

При температуре выше 550 0С и избытке поваренной соли возможна реакция:

2NaCl + H2SO4 = NaSO4 + 2HCl (1.2)

Реакционные газы, отходящие от муфельных печей содержат 50-65% хлороводорода, а газы от реакторов с кипящим слоем до 5% HCI. В настоящее время предложено заменить серную кислоту на смесь SO2 и О2 с использованием в качестве катализатора Fe2O3 и проведением процесса при температуре 540 0С.[2]

Наиболее экономичный способ промышленного использования реакции между хлором и водородом, если последний образуется путем воздействия пара на раскаленный уголь , состоит в пропускании хлора вместе с паром над углем. Полного привращения при этой реакции следует ожидать при 200 0С при этом выделяется 288,9 кДж енергии.

C + 2H2O +2 CI2 = 4HCI + CO2 (1.3)

Температура процесса (1000-1600 °С) зависит от типа угля и наличия в нем примесей, являющихся катализаторами (напр., Fe2O3). Перспективно использование смеси СОс парами воды:

СО + Н2О + Сl2 = 2НСl + СО2 (1.4)

Возможно также получение соляной кислоты путем гидролиза хлоридов магния (нагревается гидратированная соль):

MgCl2 .6H2O = MgO + 2HCl + 5 H2O (1.5)

Эта реакция может идти не до конца с образованием основных хлоридов (оксихлоридов) переменного состава, например:[5]

MgCl2 + H2O = MgOCl2 + 2HCl (1.6)

Хлористыйводородможетбытьполучениз хлористого магниядействием на него водяного пара при температуре в 500 – 600 0С:[4]

MgCl2 + H2O = MgО + 2HCl (1.7)

Cразвитием электролиза хлоридов щелочных металлов с целью производства хлора, водорода и каустической соды стало возможным получать синтетический хлористый водород непосредственным сжиганием хлора в избытке водорода:

Н2 + Cl2 = 2HCl (1.8)

Реакция осуществляется при 1200 – 1500 0C, а что бы хлористый водород не содержал примеси хлора, синтез проводят в избытке водорода (5-20%)[1]

Но получение соляной кислоты различнойквалификации (реактивной, синтетической, абгазной) заключается в синтезе хлористого водовода (полученного в последней реакции) с последующей его адсорбцией водой.[7]

В дальнейшем всвоей роботе я буду рассматривать производство синтетической соляной кислоты[10].

2 КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОЙ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ

Производство синтетической соляной кислоты включает две последовательные стадии: синтез хлористого водорода из хлорида и абсорбцию хлористого водорода водой.

Синтез хлористого водорода из хлора и водорода – это обратимый гомогенный экзотермический процесс, протекающий в форме спонтанного (самопроизвольного) невзрывного горения водорода в хлоре, выражаемый уравнением;

(2.1)

где = 183,7 кДж

Реакция горения протекает по цепному механизму и инициируется нагреванием или световым облучением высокой мощности. Состояние равновесия системы существенно зависит от температуры, выше 1500 0С оно сдвигается в право. Константа равновесия реакции диссоциации:[1]

(где Р – парциальное давление соответствующих компонентов)

рассчитывается по уравнению:

где Т – температура, К

При обычной температуре в отсутствие световых лучей реакция образования HCl из элементов идет очень медленно. При нагревании смеси хлора и водорода или под действием яркого света происходит взрыв вследствие протекания цепной реакции:

В присутствии кислорода реакция хлора с водородом замедляется.

Зависимость скорости фотохимической реакции от концентрации компонентов может быть выражена эмпирической формулой:

где k – константа скорости реакции, зависящая от интенсивности возбуждающего светового луча или теплового импульса.

Считают что определяющей стадией неинициированного процесса является реакция:

Скорость реакции зависит также от присутствия катализаторов – влаги, твердых пористых тел (древесного угля, губчатой платины) и некоторых минеральных веществ (кварца, глины и пр.).

Абсолютно сухие хлор и водород не взаимодействуют между собой. Присутствие следов влаги ускоряет реакцию столь интенсивно, что может произойти со взрывом.

В производственных условиях осуществляется спокойное, невзрывное горение водорода в токе хлора, которое обеспечивается равномерным поступлением хлора и водорода и смешением их только в факеле пламени горелки.[1]

Температуру в реакторе поддерживают в пределах 2300 0С, что позволяет, однако, обеспечить достаточно высокий выход хлористого водорода. Процесс ведут при избытке водорода в 3 – 10% сверх стехиометрического количества. Этом не только способствует сдвигу равновесия вправо, но и обеспечивает отсутствие хлора в отходящих газах, общую экологическуючистоту технологии, работу в безопасных пределах состава смеси «хлор – водород» и позволяет избежать возможность взрыва (табл. 2.1.)

Таблица 2.1. Пределы взрывчатости системы «Н2 – Cl2»

Абсорбция хлористого водорода водой представляет собой гетерогенный обратимый экзотермический процесс образования гидратов хлористого водорода и их растворения в воде.

(2.2)

Тепловой эффект абсорбции (растворения) хлористого водорода зависит от значения n, то есть от концентрации образующейся соляной кислоты и составляет при бесконечном разбавлении 75,1 кДж/моль.

Состояние равновесия процесса абсорции зависит от концентрации хлористого водорода в абсорбируемом газе и температуры. Из рис. 2.2 следует, что с увеличением концентрации HCl в газе степень абсорции и концентрация образующейся соляной кислоты возрастает. Потому на абсорцию направляют газ с содержанием хлористого водовода не менее 90%об.

Рис. 2.2. Влияние содержания хлористого водовода в газе на концентрацию соляной кислоты

Без отвода теплоты из системы получить при абсорбции соляную кислоту концентрацией выше азеотропна (20,2 %) невозможно (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Диаграмма кипения системы «HCl – H2O»

Для получения кислоты более высокой концентрации избыточная теплота абсорбции должна отводиться из системы. Это может бать достигнуто:

– отводом тепла в окружающую среду (изотермическая абсорбция);

– проведеним процесса в адиабатических условиях, корда теплота используется внутри системы для испарения воды и увеличения концентрации кислоты (адиабатическая абсорбция).

Первый метод словен в обеспечении, так как требует тепло-обменной аппаратуры с большой поверхностью охлаждения, работающей в контакте с коррозионно-активной жидкостью.поэтому, наибольшее распространение получил метод адиабатической абсорбции, разработанный А. М. Гаспаряном. При использовании в качестве сырья 75% - ного хлора и 95% - ного водовода этим методом можно получить соляную кислоту концентрацией 33%.[7]

3 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

Сырьем для производства синтетической соляной кислоты служат водород, хлор и вода. Водород получают в производстве каустической соды и хлора диафрагменным, ртутным и мембранным методами. Содержание водорода в техническом продукте не менее 98 об.%. Содержание кислорода регламентируется на уровне 0,3-0,5%. При использовании водорода, полученного ртутным методом электролиза хлорида натрия, содержание ртути должно быть не более 0,01 мг/м3.

Для получения синтетической соляной кислоты можно применять абгазный хлор со стадии конденсациикоторый в норме должен превышать 8мг/м3 согласно ГОСТ 857 – 95[3], электролитический хлор, а также хлор испаренный.

Для абсорбции хлористого водорода используется обессоленная вода, в производстве кислоты низших сортов возможно применение промышленной воды.

Производство синтетической соляной кислоты состоит из следующих стадий:

1) компримирование водорода;

2) синтез хлористого водорода;

3) охлаждение хлористого водорода;

4) абсорбция хлористого водорода с получением соляной кислоты и розлив ее в цистерны, полиэтиленовые бочки, бутыли [1].

Схема получения синтетической соляной кислоты приведена на рис3.1.

Перед пуском печь и водородные коммуникации продувают азотом. При понижении давления водорода и хлора срабатывает световая и звуковая сигнализация. Перед печами синтеза на линиях хлора и водорода установлены диафрагмы. Расход хлора и водорода измеряется приборами типа ДМПК-100. Взрывные мембраны изготовляют из оцинкованного железа с паронитовой прокладкой. Печи синтеза НС1 являются котлонадзорными.

Рис. 3.1 Схема получения синтетической соляной кислоты:

1 — огнепреградитель; 2 — печь синтеза НС1; 3 — холодильник; 4 — изотермические абсорберы; 5— емкость соляной кислоты; 6 — санитарная колонна; 7 — насос.

Электролитический или абгазный хлор под давлением не ниже 1,6 • 10 МПа (регистрируется прибором) поступает по трубопроводу к печам синтеза 2 . Водород предварительно компримируется и под давлением не более 3 • 10 МПа последовательно проходит водоотделитель и конденсатор для удаления воды и через огнепреградитель 1 также поступает в печь синтеза 2.. На перемычке, соединяющей коллектор нагнетания и коллектор всасывающей линии водорода, установлен регулирующий клапан, который сбрасывает избыток водорода с пинии нагнетания на линию всасывания компрессора, тем самым поддерживая постоянное давление водорода на линии подачи.

Из печи синтеза 2. выходит хлористый водород при температуре 450°С, охлаждается в трубопроводе за счет естественной теплопередачи в окружающую среду и направляется в холодильник 3, установленный по одному на печь. В холодильнике 3 газ охлаждается до температуры 30 – 45°С промышленной водой и далее по трубопроводу направляется в изотермические абсорберы 4 (по два на каждую печь).

Через один из штуцеров в изотермический абсорбер 4 подается обессоленная вода, через другой - вода на охлаждение абсорбера. Из изотермического абсорбера 4 газ и соляная кислота при температуре 20–4 °С и при концентрации не ниже 31% поступают в фазоразделитель, из которого кислота далее направляется в общий кислотный коллектор и в емкости- хранилища 5, а газ направляется в абсорбер 4, где образуется разбавленная соляная кислота. Эта кислота идет на орошение абсорбера 4, а газ - в хвостовую колонну 6, где происходит окончательная отмывка газа от хлористого водорода.

Сточные воды, содержащие 0,1 – 0,3% НС1, сливают в кислую канализацию и далее - на станцию нейтрализации кислых стоков. Инертные газы (азот, водород, диоксид углерода) выбрасывают в атмосферу. Из емкостей-хранилищ 5 соляная кислота самотеком поступает в разливную трубу и разливается в бутыли, полиэтиленовые бочки и другую тару. Бутыли для соляной кислоты проходят следующую обработку: вначале их устанавливают на поддоне и промывают водой, подогретой паром в пароводосмесителе, а затем они поступают в отделение для упаковки их в обрешетки, откуда направляются в отделение розлива соляной кислоты.[8,9]

Синтетический метод синтеза соляной кислоты практически не имеет отходов, так как в процессе синтеза главным образом получается основной продукт – соляная кислота, без побочных продуктов.

Испарённую в процессе абсорбции, воду можно пускать заново на абсорбцию хлороводорода.

4 КОНСТРУКЦИЯ ОСНОВНЫХ АППАРАТОВ

Камеры сжигания выполнены из стали, графита, кварца, огнеупорного кирпича. Простейшими камерами, применявшимися ранее, являются полые кирпичные камеры, футерованные изнутри огнеупорным кирпичом [1]. Иногда реакционные камеры заполняют контактным материалом - графитом, коксом, кварцем, огнеупорной глиной и т. п. Применяются также вертикальные печи из простых или специальных сталей, снабженные снаружи водяными кожухами, охлаждаемыми проточной водой при температуре не ниже 90-95 °С во избежание конденсации воды из НСl на стенке печи. Стальные печи могут работать под давлением, что увеличивает концентрацию НСl в газе благодаря устранению подсосов воздуха.

Рис.4.1 – слева печь синтеза НС1, справа графитовая камера сжигания с восходящим потоком горения (справа). 1-корпус печн; 2 - горелке; 3 - запальный люк; 4 - смотровой штуцер; 5 - предохранительный лист; 6 - опорная конструкция

В печи диаметром 0,25 м и высотой 2,5 м можно получать НС1 в количестве, достаточном для производства 6-25 т/сут соляной кислоты.

Иногда применяют двухконусные стальные печи с естественным воздушным охлаждением. В этой печи обеспечивается равномерная тепловая нагрузка стенок, так как форма печи близка к форме факела[11]. Корпус печи изготавливается из 8-миллиметровой листовой стали.

Нижняя цилиндрическая часть корпуса и съемное днище печи футерованы огнеупорным кирпичом. В верхнем конце печи расположена предохранительная мембрана, изготавливаемая из поронита или асбеста. В печи поддерживается давление 6 кПа, температура наружной стенки печи достигает 400 °С, а температура выходящего газа должна быть не выше 250°С. Недостатком стальной печи является то, что полученный хлористый водород содержит относительно большое количество железа, остатков от прокаливания. Это отрицательно влияет на качество соляной кислоты.

Кварцевая аппаратура очень дорогая и хрупкая, что создает затруднения при ее обслуживании. Поэтому она применяется очень ограниченно, например при получении НСl для особо чистой соляной кислоты.

В последнее время наибольшее применение в качестве конструкционного материала находит графит, импрегнированный феноло-формальдегидными смолами (коробон, игурит, карбаит). Отличная коррозионная стойкость импрегнированного графита предотвращает загрязнение НСl.

Предложены и используются в промышленности разнообразные конструкции печей, из которых следует выделить два основных типа печей, отличающихся по способу работы и методу охлаждения.

Первый тип представляет собой вертикальную камеру сжигания с восходящим потоком горения. Печь изготовлена из неимлрегнированного графита и состоит из корпуса, дна, крышки и трубки с отверстием для выпуска хлористого водорода. В этой камере применяется наружное охлаждение, причем часть воды просачивается внутрь через раковины в графите. Кроме того, она поступает снизу на дно печи, снижая высокую температуру внутри печи. Благодаря такому охлаждению температура выходящего газа равна 150-220 °С.Непосредственное соединение хлора и водорода проводится в контактных печах, сделанных из жароупорной стали, их высота иногда достигает нескольких метров и диаметр - более полуметра. В нижней части печи имеется горелка, состоящая из двух труб, вставленных одна в другую. Сухой хлор поступает во внутреннюю часть трубы, а водород - в наружную. На выходе водород и хлор сгорают с образованием пламени; так как при реакции выделяется теплота (22000 кал на гмольНСl), то температура пламени доходит до 2400°. С целью предупреждения загрязнения хлористого водорода хлором в горелку подают некоторый избыток водорода, до 5% против теоретически необходимого количества. Полученный хлористый водород затем направляют из верхней части печи на поглощение водой или переводят в жидкое состояние. Ранее поглощение хлористого водорода проводилось в специальных сосудах, охлаждаемых для отвода выделяющегося тепла холодной водой или воздухом и действующих по принципу противотока. Гораздо удобнее поглощение хлористого водорода проводить в адиабатических условиях, т. е. без внешнего отвода (или подвода) тепла. В таких условиях выделяющееся тепло идет на нагревание, а затем на испарение воды, за счет чего и происходит охлаждение системы. При достаточно долгом пропускании хлористого водорода получается концентрированная соляная кислота. Хлористый водород предварительно охлаждают в стальном газоходе 2 до 200-250°, а затем направляют в нижнюю часть поглотительной башни 3, которая имеет внутри насадку из керамических колец. В верхнюю часть башни поступает вода, растекающаяся по насадке. Таким образом, для облегчения поглощения создаются наиболее благоприятные условия: имеется большая поверхность раздела между газовой и жидкой фазами и используется принцип противотока.

Горелка, используемая в печах этого типа, состоит из двух графитовых-трубок: наружной и внутренней. Хлор поднимается по внутренней 1 , а водород - по варианты формы и направления отверстий 4 для хлора и водорода в наружной трубке 2 со скоростью 10-20 м/с.[1]

Рис 4.2 – Горелка используемая для синтеза HCl

1,2 – внутренняя и наружная графитовые трубки; 3 – кварц; 4 – выпускные отверстия.

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

В таблице приведены нормы расхода этих ресурсов на 1 тонну выпускаемой соляной кислоты:

Таблица – Усредненные энергетические затраты на 1 тонну 100 %–ой соляной кислоты

Ниже приведены обобщенные нормы расхода для производства соляной кислоты:

Таблица – Расходные нормы по сырью для производства 1 т соляной кислоты

ВЫВОД

В работе было рассмотрена безотходная технология получения соляной кислоты, а именно синтетической. Была приведена реакция на которой основывается вся технология получения продукта, а также условия при которых она протекает. Рассмотрена схема производства продукта выбранным методом сописаниям стадий и конструкций основных аппаратов. И как указано выше синтетическая соляная кислота соответствует нормам показателей качества. Предложен способ частичной утилизации отходов. В работе также указаны расходные коэффициенты по сырью.

ПАТЕНТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРИСТОГО ВОДОРОДА И ТОПКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации

Суть изобретения:

Изобретение относится к получению хлористого водорода. Хлорсодержащий газ сжигают в факеле водородно-углеродного топлива в присутствии паров воды и затем подвергают двухстадийному охлаждению продукты горения: на первой стадии - в теплообменнике воздухом, а на второй - смешением с воздухом, пропущенным через теплообменник. Для осуществления способа используют топку с встроенным в нее теплообменником, разделяющим камеру горения и камеру смешения и имеющим каналы для продуктов горения и для воздуха, не сообщающиеся друг с другом. Данное изобретение позволяет получить газовоздушную смесь определенного состава и температуры, а также высокую степень конверсии хлора. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Описание изобретения:

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к производству магния.В процессе электролиза магния образуется хлорсодержащий газ (70-75% хлора) - "анодный хлор", который может использоваться в виде хлористого водорода при обезвоживании карналлита в кипящем слое для подавления гидролиза хлористого магния.
Топочные газы печи кипящего слоя должны содержать 0,5-6,0% хлористого водорода, иметь температуру 400-500o С и влажность не более 2 % объема, т.к. большая влажность вызовет повышение гидролиза карналлита при обезвоживании.

Известен способ конверсии хлора с получением синтетического хлористого водорода подачей хлорсодержащего газа с водяным паром в факел горения газообразного или жидкого топлива (М.И.Левинский и др. Хлористый водород и соляная кислота. Обзорная информация. М., "Химия", 1985 г.).

При этом устанавливается равновесие:

H2O + Cl2 = 2HCl + 0,5O2 + 20,8 ккал

Термодинамические расчеты реакции показали, что равновесный состав продуктов реакции зависит от температуры, содержания кислорода и водяного пара в газовой фазе. Для сдвига равновесия в сторону образования хлористого водорода необходима высокая температура (не ниже 1500oC), избыток паров воды и минимальное количество кислорода.

После сжигания хлорсодержащего газа продукты горения охлаждают различными способами с применением в качестве охлаждающего агента воды, воздуха или раствора соляной кислоты. Происходит закалка продуктов горения (J.G.HornathandJ.O.S.Macdonald, Processtechnology, international, январь, 1973, s.61).

Известны процессы высокотемпературного сжигания, применяемые фирмами, выпускающими хлорорганические продукты, при переработке хлорорганических отходов (ХОО) с превращением их в газообразный хлористый водород (В.И.Абрамова и др. Переработка, использование и уничтожение отходов в производстве хлорорганических продуктов. Обзорная информация. Сер. "Хлорная промышленность". М., 1977).

Процесс фирмы "Рон-Пуленк" включает в себя сжигание ХОО в циклонной топке при температуре 1200oC, охлаждение продуктов горения в графитовом теплообменнике водой, абсорбцию соляной кислотой и дистилляцию.
В Японии, США и Западной Европе используется процесс фирмы "Ниттеу": высокотемпературное сжигание ХОО с применением циклонной топки, закалка продуктов горения в аппарате погружного охлаждения раствором соляной кислоты, десорбция водой и последующая экстрактивная дистилляция. Топка, в которой сжигают ХОО, состоит из корпуса, горелки, камеры горения и выходного отверстия для газов.

Недостатком перечисленных процессов является применение в качестве охлаждающего агента воды и растворов соляной кислоты, что неминуемо приведет к значительному повышению содержания паров воды в газовой фазе, а это недопустимо для газа, используемого в печах КС. Кроме того, степень конверсии хлора составляла всего 95-96%.
Технической задачей изобретения является получение смеси хлористого водорода с воздухом заданного состава, обеспечение высокой степени конверсии хлора.

Способ заключается в сжигании хлорсодержащего газа в факеле горения топлива в присутствии паров воды и двухстадийном охлаждении продуктов горения: на первой стадии - до температуры 750-800oC в теплообменнике воздухом, а на второй стадии - до температуры 450- 500oC прямым контактом с воздухом, пропущенным через теплообменник на первой стадии.

Топка для сжигания хлорсодержащих газов в пламени углеродно-водородного топлива в присутствии паров воды состоит из корпуса, горелки, камер горения и смешения, разделенных теплообменником; теплообменник имеет каналы, соединяющие камеру горения с камерой смешения, а также каналы для воздуха с входными отверстиями на наружной поверхности корпуса топки и выходом в камеру смешения.

Топка состоит из корпуса 1, горелки 2, камеры горения 3, камеры смешения 4, теплообменника 5, каналов для продуктов горения 6, каналов 7 и патрубков 8 для подачи вторичного воздуха, выходного отверстия 9 для газовоздушной смеси.

Способ осуществляется следующим образом.

В топку через горелку 2 подают углеродно-водородное топливо, воздух, хлорсодержащий газ, водяной пар. В камере горения 3 происходит конверсия хлора и образуется газовая смесь, содержащая хлористый водород, с температурой 1300-1600oC. Продукты горения поступают из камеры горения 3 в камеру смешения 4, проходя через теплообменник 5 по каналам 6. Кроме каналов для продуктов горения 6 теплообменник имеет каналы 7 с наружными входными отверстиями, патрубками 8 и выходом в камеру смешения. Через эти каналы подается вторичный воздух. Каналы не сообщаются друг с другом.В теплообменнике 5 продукты горения нагревают воздух до 300-400oC, а сами быстро охлаждаются до 750-800oC и с этой температурой поступают в следующую камеру, где смешиваются с нагретым воздухом из теплообменника. Полученная газовоздушная смесь с температурой 400-500oC выводится из топки через выходное отверстие 9 и направляется в печь кипящего слоя.