Виробництво хлороводневої (соляної) кислоти

Перелік умовних позначень

 ¾ динамічна в'язкість, ;

 ¾ густина, ;

 ¾ коефіцієнт дифузії,

¾ діаметр ;

 ¾ площа поверхні масопередачі,

 ¾ площа поперечного перерізу,

 ¾ мольна витрата рідини та газу, відповідно, ;

 ¾ дифузійний критерій Прандтля;

 ¾ тиск, ;

 ¾ число (критерій) Рейнольдса;

 ¾ об'ємна витрата, ;

К ¾ коефіцієнт масопередачі, ;

Кv ¾ об'ємний коефіцієнт масопередачі, ;

 ¾ температура, ;

 ¾ питома поверхня насадки, ;

 ¾ вільний об’єм насадки, ;

  ¾ коефіцієнт змоченості насадки;

 ¾ концентрація цільового компоненту в рідині та газі відповідно, .

Вступ

 

В даному проекті розглянуто виробництво  хлороводневої (соляної) кислоти. Ця кислота  широко використовується в різних галузях  народного господарства і по об’єму виробництва серед кислот займає третє місце – після сірчаної та азотної.

Хлороводнева  кислота HCl – розчин хлороводню у воді, сильна одноосновна кислота із гострим запахом хлороводню.

 

Фізичні властивості

Максимальна концентрація при 20ºС рівна 38% за масою, густина такого розчину 1,19 г/см², в'язкість 2,1 мПа·с, температура кипіння 48ºС, температура плавлення –26ºС.

 

Хімічні властивості

• Взаємодіє з металами, що стоять в електрохімічному ряду металів до водню з утворенням солі і виділенням водню;

• Взаємодіє з оксидами металів з утворенням розчинної солі і води;

• Взаємодіє з гідроксидами металів з утворенням розчинної солі і води (реакція нейтралізації);

• Взаємодіє з солями металів, що утворені більш слабкими кислотами;
• Взаємодіє із сильними окисниками (перманганат калію, діоксид марганцю) з виділенням газоподібного хлору.

 

 

Отримання

Існує ряд методів отримання соляної  кислоти. Однак у всіх випадках технологічний  процес, що здійснюється різними методами, можна розділити на дві стадії: а) отримання хлороводню, б) абсорбція  хлороводню водою.

Хлороводень може бути отриманий декількома методами:

1. Сульфатним, заснованим на взаємодії хлориду натрію з концентрованою сірчаною кислотою ;
2. Синтетичним, в основі якого лежить реакція горіння

3. Отримання соляної кислоти з абгазних газів.

Застосування

В хімічній промисловості соляна кислота  застосовується у виробництві органічних фарбників, різних хлористих солей, активного вугілля, синтетичного каучуку  та ін. В легкій та текстильній промисловості  вона використовується при обробці  текстилю, обробці шерсті, гідролізі  деревини, у виробництві цукру, клею, глюкози. В металообробній промисловості  соляна кислота застосовується для  очистки металів перед гальванізацією, в гідрометалургії кольорових та благородних металів – для  розчинення руд. Застосовується вона і  в сільському господарстві для консервації  кормів.

Особливості використання

Соляна кислота – їдка речовина, при потраплянні на шкіру викликає тяжкі опіки. Особливо небезпечне потрапляння  в очі. При відкриванні посуди з кислотою, утворюється туман  і пари хлороводню, що подразнюють  слизові оболонки і дихальні шляхи. Реагуючи з такими речовинами як хлорне вапно, діоксид марганцю  або перманганат  калію, утворює токсичний газоподібний хлор.

 

1 Технологічна  схема виробництва хлороводневої  кислоти методом горіння

 

1. 1 Фізико-хімічні  основи процесу

 

Найбільш  поширеним способом отримання хлороводневої  кислоти є синтетичний спосіб отримання із хлору і водню  за реакцією [1]

    (1.1)

Синтез  хлороводню з елементів дозволяє отримувати в звичайній апаратурі  концентрований хлористий водень і  чисту соляну кислоту. Реакція (1.1.1)  підкоряється закону діючих мас. константа  швидкості реакції залежить від  температури і виражається рівнянням

При звичайні температурі і при відсутності  світлових променів хлор і водень практично не взаємодіють. При нагрівання суміші хлору з воднем або під  дією яскравого світла реакція проходить  із вибухом.

Присутність кисню в газовій суміші сповільнює реакцію (1.1). це пояснюється тим, що атом водню може з однаковою легкістю вступати в реакцію не тільки із хлором, але і з киснем.

Дослідженнями радянських вчених, встановлено, що вибухонебезпечні  суміші в газах утворюються лише при певних співвідношеннях компонентів. Отриманні дані дозволили розробити  технологічний режим виробництва, що забезпечує спокійне, не вибухове горіння  хлору у струмені  водню при  невеликому надлишку останнього від  стехіометричного (3 – 5%). При цьому соляна кислота і вихлопні гази не засмічені хлором.

 

 

 

1.2 Опис  технологічної схеми процесу  виробництва хлороводневої кислоти  методом зануреного горіння

 

Технологічна  схема представлена на рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 – Технологічна схема процесу виробництва соляної кислоти методом зануреного горіння:

I – піч зануреного горіння; II – колона каплевловлювач; III – пластинчастий холодильник-абсорбер, IV – сепаратор; V – збірник готового продукту; VI – хвостовий скрубер.

 

Синтез  хлороводню здійснюється в печі –  котлі під шаром рідини (рис.1.1, І). піч зануреного горіння представляє  собою вертикальний пустотілий циліндр  зі сферичною кришкою, футерований  всередині в два шари діабазової плитки на діабазовому мастилі. На кришці печі – котла є три штуцера, в один з яких, що розташований в  центрі, вставляється пальник, в другий подається вода, а третій з’єднаний з башнею–каплевловлювачем. Підпалюють піч через пальник, в якому підпалюють водень. Далі піч заповнюють водою до рівня, щоб забезпечувалось занурення пальника в рідину.

Безперервна подача води починається в момент виділення парів хлороводню і  води, що спостерігається зазвичай при 105-107ºС, з урахуванням забезпечення постійного рівня рідини в печі. Суміш парів конденсується в печі і частково у фаолітовій колоні, що розташована над піччю. Після виходу з колони хлороводень поступає на абсорбцію в пластинчастий холодильник-абсорбер, де хлороводень поглинається водою. Пари, що не сконденсувались, направляються у фаолітів скрубер, де поглинаються водою. Отримана слабка кислота подається на зрошення в холодильник-абсорбер і піч-котел.

Установка компактна, проста в обслуговуванні і забезпечує можливість отримання  концентрованої соляної кислоти, що містить 35-36% хлороводню.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Розрахунок  матеріальних та теплових балансів  прожеро виробництва хлороводневої  кислоти

 

2.1 Структурний  аналіз ХТС

 

В цьому підрозділі мова йде про  побудову структури ХТС (Рисунок  2.1) і її аналіз [2]. Буде знайдено комплекси, складено попередню послідовність розрахунку схеми – ППРС, список суміжності, побудовано прадерево комплексу, отримано контури комплексу, складено матрицю контурів, визначено оптимальну множину розриваємих дужок, і на основі цього визначено, які дужки можна розривати.

Рисунок 2.1  -  Графічне зображення структури ХТС

Розглянемо  метод виділення комплексів на основі матриці суміжності [3]:

С=АνА² νА³….. А¹⁴

Далі  використовуємо логічне множення матриці  С і С транспонованої:

D=C&C’

Для розрахунків користуємось програмним пакетом MATLAB.

MATLAB - це досить простий засіб для  роботи з математичними матрицями,  малювання функцій, роботи з  алгоритмами, створення робочих  оболонок (user interfaces) з програмами в інших мовах програмування. Хоча цей продукт спеціалізується на чисельному обчисленні, спеціальні інструментальні засоби працюють з програмним забезпеченням Maple, що робить його повноцінною системою для роботи з алгеброю. MATLAB надає користувачеві велику кількість функцій для аналізу даних, які покривають майже всі області математики.

 

Спочатку  знайдемо комплекси, для цього складемо матрицю суміжності:

A =

     0     1     0     0     0

     0     0     1     0     0

     0     0     0     1     1

     0     0     0     0     0

     1     1     0     0     0

Виконаємо пошук комплексів у ХТС використовуючи алгоритм на основі зведення матриці  А у степені в командному режимі Matlab:

C =

     1     1     1     1     1

     1     1     1     1     1

     1     1     1     1     1

     0     0     0     0     0

     1     1     1     1     1

D =

     1     1     1     0     1

     1     1     1     0     1

     1     1     1     0     1

     0     0     0     0     0

     1     1     1     0     1

 

Отже, маємо 1 комплекс

К = ( 1, 3, 4, 6)

Складаємо попередню послідовність  розрахунку схеми – ППРС:

ППРС = (К, 5).

 

 

 

Для отриманого комплексу:

• складаємо список суміжності (таблиця 2.1):

Таблиця 2.1 - Список суміжності

1	3	4	6	6
3	4	6	3	3

 

• побудуємо прадерево зв’язків (рисунок 2.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Прадерево зв’язків

• отримуємо контури комплексу:

І.  1 – 3 – 4 –6 – 1

ІІ. 3 – 4 – 6 – 3

• складаємо матрицю контурів:

Таблиця 2.2 – Матриця контурів

	1 - 3	3 - 4	4 - 6	6 - 1	6 - 3
I	1	1	1	1	0
II	0	1	1	0	1
f	1	2	2	1	1
p	7	7	7	7	7

 

 

• визначаємо оптимальну множину  розриваємих дужок:

ОРМД = {(3-4)}

На  схемі розриваємо потік (3-4)

 

 

Рисунок 2.3  -  Графічне зображення структури ХТС після розриву потоків

Визначаємо  послідовність розрахунку схеми.

Кожний  елемент, який входить в схему, може бути розрахований тільки тоді, коли відомі параметри всіх його вхідних потоків.

ОПРС = (4,6,1,3,5 )

Відповідно  до отриманої послідовності розраховуємо матеріальний баланс.

 

2.2 Розрахунок  матеріального балансу процесу  виробництва хлороводневої кислоти

 

Хіміко-технологічні розрахунки складають головну, найбільш трудомістку частину проекту  будь-якого хімічного виробництва, вони ж є завершуючою стадією лабораторного технологічного дослідження і виконуються також при обстеженні працюючих цехів і установок. Метою цих розрахунків може бути визначення кінетичних констант і оптимальних параметрів виробництва або ж обчислення реакційних об'ємів і основних розмірів хімічних реакторів.

Матеріальні розрахунки, разом з тепловими, є  основою технологічних розрахунків. До них слід віднести визначення виходу основного і побічних продуктів, витратних коефіцієнтів по сировині, виробничих втрат. Тільки визначивши матеріальні потоки, можна провести необхідні конструктивні розрахунки виробничого обладнання і комунікацій, оцінити економічну ефективність і доцільність процесу, складання матеріального балансу необхідне як при проектуванні нового, так і при аналізі роботи існуючого виробництва. При проектуванні нових виробництв використовується досвід тих, що існують з урахуванням результатів сучасних новітніх досліджень. На основі порівняльного техніко-економічного  аналізу виробництв, що діють, можливо вибрати раціональнішу технологічну схему, оптимальні конструкції апаратів і умови здійснення процесу.

Основою матеріального балансу є закони збереження маси речовини і стехіометричних співвідношень.

Матеріальний  баланс складають по рівнянню основної сумарної реакції з урахуванням  побічних реакції згідно закону збереження маси речовини. Загальна маса всіх матеріалів, які поступають в апарат (або в  цех) тобто прихід, рівний загальній  масі матеріалів, що виходять, тобто  витраті. Матеріальний баланс складають  на одиницю маси основного продукту (кг, т) або на одиницю часу (год, доба).

Матеріальний  баланс може бути представлений рівнянням, ліву частину якого складає маса всіх видів сировини і матеріалів, що поступають на переробку  , а праву — маса отримуваних продуктів плюс виробничі втрати :

Для розрахунку МТБ використовуємо спеціалізоване програмне забезпечення HYSYS та MathCAD.

 

 

 

2.2.1 Розрахунок  матеріального балансу в програмному  забезпеченні MathCad

 

Попередні розрахунки (для зручності числами  позначено номера потоків, що відповідають нумерації в технологічній схемі) [1].

Часова  продуктивність цеху m8.

Кількість HCl і H₂O в хлороводневій кислоті:

,

,

Кількість HCl і H₂O, що поступають в холодильник-абсорбер (конденсується 98% HCl і 99.9% H₂O):

,

,

Кількість парів хлороводню і води, що поступають в холодильник-абсорбер:

,

,

,

,

Тобто до холодильника-абсорбера подається  додатково рідини:

,

Концентрація  HCl  в парах, що поступають в абсорбер:

Кількість HCl і H₂O, що конденсується в башні-каплевідділювачі:

,

,

Кількість хлороводню і парів води, що виходять з печі:

,

,

Склад парів, що виходять з печі:

Матеріальний  баланс печі.

 

 

Кількість 100% хлору, що подається в піч:

,

або

,

Об’єм технічного хлору, що поступає в піч:

,

Кількість домішок в технічному хлорі:

• за об’ємом

,

,

,

,

 

• за массою

,

,

,

,

Кількість 100% водню, необхідного для спалювання хлору:

,

або

,

Кількість 100% водню, що подається в піч (з  урахуванням необхідного надлишку):

,

або

,

Кількість водню, що подається з технічним  воднем:

,

або

,

Об’єм  технічного водню, що подається в  піч:

,

або

,

Кількість домішок в технічному водні:

• за об’ємом

,

,

• за масою

,

,

Кількість водню, що необхідно для спалювання кисню, в кількість води, що при  цьому утворюється:

,

,

,

Надлишок  вільного водню:

,

Кількість печі, що поступає з живленням печі:

,

,

В основу розрахунку матеріального балансу  башні-каплевідділювача лежить розрахований матеріальний баланс печі.

Матеріальний  баланс холодильника-абсорбера складається  на основі даних матеріального балансу  башні-каплевідділювача і даних розрахунку концентрації хлороводневої кислоти в печі.

Визначаємо  кількість газоподібного хлороводню і парів води, що виходять з холодильника-абсорбера. Як вказано у вихідних даних, температура  33.5% хлороводневої кислоти на виході з холодильника-абсорбера 40ºС. таку температуру мають пари і гази, що знаходяться з нею в контакті. При цих умовах тиск хлороводню над кислотою 227.5 мм рт. ст., а тиск парів води 12.4 мм рт. ст. [2]. Тоді тиск інших газів складає:

, мм рт. ст.

Звідси:

,

Аналогічно  для парів води.

Для розрахунку матеріального балансу  скрубера маємо наступні дані: кількість  і склад газів, що поступають, кількість  рідини, що уходить в піч і в  холодильник. Необхідно розрахувати  склад газів на виході з апарату  і кількість води, що подається  на зрошення.

При 20ºС тиск водяного пару у випадку  повного насичення рівний 0.023·10⁵ н/м². Звідси:

,

,

Звідси, кількість води, що виходить зі скрубера:

,

Якщо  врахувати, кількість парів, що поступають до скрубера із холодильника, то отримаємо  кількість води, що подається на зрошення.

Результат загального матеріального балансу  наведено в таблиці 2.1. Більш детальний  розрахунок представлено у додатку  А.

Таблиця 2.3 – Зведений матеріальний баланс виробництва хлороводневої кислоти  методом зануреного горіння

2.2.2 Розрахунок матеріального балансу в програмному забезпеченні HYSYS

Для формування технологічної схеми  у HYSYS були використані стандартні прийоми роботи з програмними стимуляторами.

Процес  моделювання в HYSYS включає наступні основні кроки:

• Старт нової роботи
• Створення набору одиниць вимірювання
• Вибір компонентів
• Створення пакету властивостей
• Створення і параметризація потоків сировини
• Визначення параметрів  устаткування
• Запуск моделювання
• Отримання результатів
• Вивід  результатів та друк

 

Для забезпечення заданого виходу продукту (враховуючи продуктивність установки  1250 кг/год хлороводневої кислоти) необхідні відповідні початкові витрати сировини – технічного хлору і технічного водню.

Схема апаратів у HYSYS зображена на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4 – Схема апаратів у програмі – симуляторі HYSYS

У системі MathCad було попередньо розраховано необхідну кількість початкової суміші. Кількість технічного хлору, що необхідно подавати до реактору складає 416,6 кг/год, технічного водню – 20 кг/год, зрошуючої води – 828,76 кг/год.

Введені дані для вхідних потоків у  системі HYSYS зображені на рисунку 2.5, 2.6, 2.7.

Рисунок 2.5 – Початкові дані для  потоку «Технічний хлор»

Рисунок 2.6 – Початкові дані для  потоку «Технічний водень»

Рисунок 2.7 – Початкові дані для  потоку «Зрошуюча вода»

Результати  представлено у вигляді таблиць  вхідних і вихідних потоків. Таблиці  наведено у додатку Б.

З таблиць видно, що суми всіх вхідних  потоків дорівнюють сумі всіх вихідних, отже МТБ розрахований правильно. Кінцевий вихід продукту – хлороводневої кислоти, концентрацією 33,5% мас., становить 1250,6 кг/год.

 

 

 

 

3 Розробка  програмного модуля розрахунку  абсорбера

 

3.1 Технічне  завдання на розробку програмного  модуля

 

Розробити програмне забезпечення в середовищі Visual Basic 6.0 для конструктивного розрахунку насадкової абсорбційної колони, яка використовується для процесу поглинання хлороводню водою. Паро-газова суміш поступає із печі зануреного горіння, де утворюється хлороводень. Вода поступає зі скрубера, де частково абсорбує хлороводень.

Вихідні дані для розрахунку (табл. 3.1):

Таблиця 3.1 – Вихідні дані

Потужність абсорбера	1250 кг/год	15,8 моль/с
Витрата газу	437,34 кг/год	3,36 моль/с
Витрата води	835,76 кг/год	12,87 моль/с
Вміст хлороводню в газі, поступаючого в абсорбер	96,72% мас.	95,77% мол.
Вміст хлороводню у воді, що поступає в абсорбер	0,48% мас.	0,24% мол.
Вміст хлороводню у воді на виході з абсорбера	33,5% мас.	19,89% мол.
Температура, ºС	40

 

 

3.2 Математичне  забезпечення обчислювального модуля

 

В технологічній схемі виробництва  хлороводневої кислоти передбачено  відведення тепла, що виділяється під  час абсорбції за допомогою пластинчатого  холодильника. Тобто можна вважати, що процес абсорбції буде протікати  при постійній температурі.

Враховуючи  труднощі, що виникають при розрахунку насадкового абсорбера в реальних умовах, доцільно прийняти ряд допущень:

1. Газ і поглинач не взаємодіють між собою;
2. Потоки рідини і газу рухаються в одному напрямку в поршневому режимі;
3. Масові витрати і швидкості відповідних потоків постійні;
4. Швидкості і концентрації однакові по перетину;
5. Процес абсорбції протікає в ізотермічному режимі.

 

На основі допущень математичну  модель процесу абсорбції хлороводню можна представити у наступному вигляді:

(3.1)

Початкові умови:

 моль HCl/моль поглинача (вміст хлороводню у воді);

 моль HCl/моль газу (вміст хлороводню у газовій суміші);

- знаходиться з експериментальних  даних за допомогою пакету  MathCad;

де – мольні витрати рідини і газу відповідно, моль/с; – об'ємний коефіцієнт масопередачі, моль/(с·м³); – площа поперечного перетину апарату, м²; - концентрація цільового компоненту в рідині, моль/моль поглинача; – концентрація цільового компоненту в газі, моль/моль газу; - концентрація цільового компоненту в газовій фазі рівноважна з рідиною.

Об'ємний коефіцієнт масопередачі визначається за формулою [1]:

      (3.2)

де К – коефіцієнт масопередачі (3.3), моль/(м²·с), σ – питома поверхня насадки, м²/м³, ψ – коефіцієнт змоченості насадки.

      (3.3)

де β_х, β_у – коефіцієнти масовіддачі, моль/(м²·с), m – тангенс кута нахилу лінії рівноваги.

Розрахуємо  діаметр колони. Для початку знайдемо значення фіктивної швидкості ω_з з формули [1]:

де  ε – вільний об’єм насадок, , – густина рідини і газу відповідно, кг/м³, - динамічний коефіцієнт в’язкості рідини, мПа·с, де – масові витрати рідини і газу відповідно, кг/с.

Робочу  швидкість приймають рівною .

Діаметр абсорбційної колони розрахуємо за рівнянням  витрати для газового потоку:

де  V – об'ємна витрата газу, м³/с.

Обираємо  діаметр із нормального ряду діаметрів  колони [2].

Коефіцієнти масовіддачі  знаходяться за критеріальними рівняннями:

    (3.4)

    (3.5)

де Re – критерій Рейнодса, Pr – дифузійний критерій Прандтля, D_x, D_y – коефіцієнти дифузії, м²/с, δ – приведена товщина рідкої плівки, м, d_e – еквівалентний діаметр насадки, м.

 

Критерій Рейнольдса:

а) для рідкої фази

де L – масова витрата рідини, кг/с, – площа поперечного перетину апарату, м², ψ – коефіцієнт змоченості насадки, - динамічний коефіцієнт в’язкості, мПа·с.

б) для газової фази

де  – густина парогазової суміші, кг/м³, ω – робоча швидкість газу, м/с.

Критерій Прантля:

а) для рідкої фази

б) для газової фази

де  , – динамічний коефіцієнт в’язкості рідини і газу відповідно, мПа·с, , – коефіцієнт дифузії компоненту, що поглинається в рідині і в газі відповідно, м²/с.

Розрахунок висоти шару насадок.