CC BY
31
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ХЛОРОВОДОРОДА
В.А. Ермолаева, канд. хим. наук, доцент В.В. Кузнецова, студент
Муромский институт Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых (Россия, г. Муром)
DOI:10.24412/2500-1000-2022-2-2-190-196
Аннотация. Дана характеристика процесса производства синтетической соляной кислоты. Произведена характеристика целевого продукта - хлороводорода. Охарактеризовано исходное сырье - хлор и водород. Рассмотрено и описано основное технологическое оборудование и технологический процесс. Произведен практический расчет материального и теплового баланса производства. Определен состав продуктов реакции, количество примесей, теоретический расход водорода и хлора. Результаты расчетов представлены в сводных таблицах. Изучена безопасность технологического процесса производства хлороводорода синтетическим методом, вопросы охраны труда техники безопасности при использовании оборудования.
Ключевые слова: хлор, водород, производство хлороводорода, материальный и тепловой баланс.
Соляная кислота - очень активное едкое вещество, растворяющее многие металлы. Сегодня соляная кислота широко используется в промышленности при извлечении металлов из руд, травлении металлов и т.д. Соляную кислоту получали разложением поваренной соли серной кислотой, при этом основным продуктом считался образующийся сульфат натрия, а соляная кислота рассматривалась как побочный продукт. Кислоту получали в пламенных печах, а затем в муфельных печах, имеющих муфель и чугунную чашу, обогреваемую снаружи топочными газами. В печь загружалось не более 240 кг поваренной соли. За сутки перерабатывали от 1,4 до 1,9 т.
Характеристика исходного сырья и целевого продукта
Данная работа посвящена изучению производства синтетической соляной кислоты. Произведена характеристика исходного сырья: водорода и хлора. Простое вещество хлор - при нормальных условиях - газ желтовато-зеленого цвета, с резким запахом, очень активен. Поэтому в природе встречается только в виде соединений в составе минералов: галита
NaCl; сильвина KCl; сильвинита KCbNaCl; и др.
Водород - первый элемент периодической системы, самый
распространенный элемент во Вселенной, наименьший по размерам и самый легкий среди атомов всех элементов. Водород -самый легкий газ без цвета, запаха и вкуса.
Характеристика технологического процесса
Рассмотрено и проанализировано основное технологическое оборудование и технологический процесс производства хлороводорода. В промышленности соляную кислоту получают сульфатным, синтетическим способами и из абгазов ряда процессов. Процесс заключается в получении HCI с последующей его абсорбцией водой.
Производство соляной кислоты из синтез - газа, получаемого из хлора сжиганием избытка водорода, является широко распространенным технологическим процессом. Для получения концентрированной соляной кислоты применяют изотермическую абсорбцию с отводом тепла от абсорбционного раствора. Соляная кислота нагревается до температуры кипения благодаря температуре растворения HCI.
Хлороводород поглощается в абсорбере, а остатки малорастворимых в воде органических веществ отделяют от воды после конденсации в аппарате, дочищают в хвостовой колонне и сепараторах и получают товарную соляную кислоту. Степень извлечения НС1 при использовании в качестве абсорбентов разбавленных кислот составляет 90-95%. При использовании в качестве абсорбента чистой воды степень извлечения почти полная. Хлористый водород используют для производства хло-рорганических продуктов методом гидрохлорирования.
Расчет материального и теплового баланса стадии абсорбции соляной кислоты
Произвели расчет теплового баланса (стадии абсорбции хлороводорода в абсорбере, после сжигания в печи исходных газов). Исходное сырьё вводится в реакционное пространство с температурой 2000С. Рассчитали тепло, вносимое с поступающими в аппарат
Произвели практический расчет материального баланса производства по следующим исходным данным: расчет на 10 т 35% соляной кислоты. Считать, что хлороводород полностью поглощается сорбентом (водой), что 5% воды для растворения хлороводорода испаряется, что степень превращения по хлору равна 100%, что водород подается с избытком в 5% и чистотой 100%, что хлор подаётся в печь с чистотой 95%.
Определили часовую
производительность абсорбера для потоков входящих и выходящих из печи. Полученные результаты сводим в таблицу.
исходными веществами и выносимое из аппарата с продуктами синтеза, тепловой эффект основной и побочной реакций, потери тепла, тепловую нагрузку.
Результаты расчетов представлены в сводной таблице теплового баланса.
Таблица 2. Тепловой баланс
Приход Расход
Тепловые потоки Дж % Тепловые потоки Дж %
Газовая фаза, 44086,68 15,4 Газовая фаза, Рз 15306,96 5,3
Жидкая фаза, Р2 356,6 0,11 Жидкая фаза, Р4 18811,9 6,6
Выделившаяся теплота Рр 242191,7 84,5 Тепловые потери Рпот 573,3 0,2
Отводимое тепло Ротв 251942,8 87,9
Итого 286634,98 100 Итого 286634,98 100
Таблица 1. Материальный баланс процесса абсорбции
Приход
Статья приход Количество
Поток Компонент
кг м3 кг м3 % об.
1. Поток HCl Примеси Избыток H2 2. Поток воды 3683,7 6863,3 2239,87 3400 287,55 5,589 6863,3 2089,58 90,72 62,6 94,91 2,72 2,37
Итого 10547 2239,87 10547 2263,2 100
Статья расход Количество
Поток Компонент
кг м3 кг м3 % об.
1.Поток соляной кислоты 2.Поток отводных газов Примеси Избыток H2 H2O 10000 547 2239,87 3400 6600 287,55 5,589 363,3 90,72 62,6 62,6 46,24
Итого 10547 2239,87 10547 115,26 100
Расчет материального баланса потоков, входящих и выходящих из печи синтеза хлороводорода
Исходные данные.
1. Производительность печи на 100%-ный хлористый водород 10 т/сутки
2. Состав технического хлор-газа (в объемн. %): CI2 - 92; O2 - 0,7; N2 - 2,3; H2 - 3; CO2 -
2.
3. Состав технического водорода — газа (в объемн. %): H2 - 97; O2 - 0,7; N2 - 2,3. Избыток водорода 5%.
Расход сырья.
1. Расход 100%-ного хлора определяем из уравнения:
г Ghct-MCI^ GCl2
Grl = - или Vn = -
Cl2 24-2MHCI Cl2 PCI2
_ 10000^71 _ лг\г ir U - 405,25 _ ^
Gcl =-= 405,25 или Vcl =-= 126
Cl2 24^36,5 ci2 3,214
где - 100% -ный хлор, кг/ч; Mci2 - молекулярная масса хлора, кг; M^ci - молекулярная масса хлористого водорода, кг; Vci - объем хлора, м3/ч; Pci2 - плотность хлора,
кг/м3.
2. Расход технического хлора (а %) находим из уравнения:
_ va, ■ 100
'Ci,
т/Т. х _ УП- —
92
у™ — — 136,96
126^100 2 92
Vcj X - объем технического хлора, м3/ч.
В этом объеме содержится следующее количество других газов (в м3/ч): кислорода
~ „ Vri X^0,7 136 96^0 7 у т. X _ Lt2 _ 136,96 0,7 _ q gg.
О2 — 100 = 100 — , ;
азота
т/т х ^С-'-ЁгХ2,3 136,96-2,3
Уд/. х = —-=-= 3,2;
™2 100 100
водорода
ут. х= = 136,96^3 = 41
Н2 100 100 , ;
углекислого газа
^т. X
гт. X _ • сг2 2 _
т/т X VCl2 ^ 136,96^2
^то X = —— =-= 2,7.
СО2 100 100
3. Расход 100% водорода на синтез хлористого водорода:
GHcrMH2 gh2
Uo —- или Vo — —;
Н2 24^2MHCI Н2 PH2 ;
_ 10000^2 _ ^ ^ -Л4_-1?7
Go —-— 11,4 или Vo —-— 12/
H2 24^36,5 H2 0,0898
где G^ - водород 100%, кг/ч; Mh2 - молекулярная масса водорода, кг; Vh2 - объем водорода, м3/ч; Рн2 - плотность водорода, кг/м3.
4. Расход 100% водорода с учетом 5%-ного избытка находим из равенства: СЙЗб = 1^Н2 или ^Ни2эб = 1,03Ун2 .
С^6 = 1,03 • 11,4 = 11,7 или УНТ = 1,03 • 127 = 130,8.
5. Расход технического водорода:
к?зб-100
Т/ТВ _ и2_
-
12 97 '
гТВ _ 130,8^100
КР - ' - 134,8.
и2 97
V^P - технический водород, м3/ч.
'2
В этом объеме содержится (в м3/ч): кислорода
утв = ^0,7 = 130,8^0,7 = О2 100 100 , ' азота
Т/ТВ _ - 130,8^2,3 _
^ w — — — 3.
™2 100 100
6. Расход водорода на связывание кислорода. Поступление кислорода: с техническим
т/Т X ^ / л т X / т тТВ ^ / л ТВ /
хлором Ко2 м3/ч или üq2 кг/ч; с техническим водородом I/q2 м3/ч или üq2 кг/ч.
^тв J0
гвода _ (G¿2X+G¿B2)^4,032
ÜH2 - 32 ;
^Вода _ (2,8+0,08>4,032 _ и.
32
„Вода _ (Уо2Х+УоТ2ВМ,°32 ^И2 = PO2 ;
уВОда _ (0,96+0,9)^4,032 _
И2 1,973 , .
^ИВОда — количество водорода на образование воды.
7. Количество образующейся воды:
ТВ
_ 36,032^(СО9Х+СОВ) --
32
_ 36,032^2,88 _ °н20 - 32 -3,2
8. Остаток водорода будет равен (в кг/ч или м3/ч):
гост _ гизб ^вода г т/ост _ т/изб т/вода тт
Ы - &Н2 - ^Н2 -°Н2 или ^Н2 - ^Н2 - ^Н2 -УН2. СН;т - 11,7 - 0,3 - 11,4 - 0 или 7Н°2ст - 130,8 - 3,8 - 127 - 0
9. Количество образующегося хлористого водорода:
Г! _ GHC1 лтГ _ G'HCl
ь нс1 - —тт или V нс1 --—;
24 РНС1
Снс1 - ^ООО0 - 416,6 « 417 или У'нс1 - - 271,8 ~ 272;
Снс1 и У'нс1 - масса и объем образующегося хлористого водорода, кг/ч и м3/ч; Рнс1 - плотность хлористого водорода, кг/м3.
Таблица 3 Материальный баланс для потоков входящих и выходящих из печи
Приход Количество
П оток Компонент
кг м кг м % об.
1. Поток хлора Примеси 2. Поток водорода В том числе технический Н2 405,25 12,1 136,96 134,8 405,25 11,7 0,4 126 10,96 130,8 4 46,36 4,04 48,13 1,47
Итого 417,35 271,76 417,36 271,76 100
Расход Количество
Поток Компонент
кг м кг м % об.
1.Поток хлороводорода Примеси, в том числе вода 420,2 274,2 417 3,2 272 2,2 99,2 0,8
Итого 420,2 274,2 420,2 274,2 100
Тепловой баланс Приход тепла:
1. Количество тепла, поступающее с техническим хлором Ql (в кДж), определяют из уравнения:
& = (^сг2 • ссг2 + • с02 + • + Сс02 • сС02 + СЯ2 • сНг) • t; & = (405,25 • 0,5 + 2,8 • 0,92 + 9,32 • 1 + 8,1 • 1 + 12,2 • 14,2) • 300 = 118758,3
где , , , £со2, ^Я2 - расход технического хлора, кислорода, азота, углекислого газа, водорода, кг/ч; С^ , С^, С^2, ссо2, СЯ2, - теплоемкость газов, кДж (кгК); t -температура поступающих газов, К.
2. Количество тепла, поступающее с техническим водородом Q2 (в кДж), определяют из уравнения:
^2 = (^я2 • сЯ2 + Со2 • Со2 + £'л2 • с^2) • £';
= (11,7 • 14,2 + 0,08 • 0,92 + 0,27 • 1) • 300 = 49954,08 £'я2 , ^'о2, - расход водорода, кислорода, азота, кг/ч; Ь' - температура поступающих тазов, К.
3. Количество тепла реакции образования хлористого водорода Qз:
_ Gнcl■l000gнcг Мнсг ;
а3 = 10000-1°00-(92,31) = 252904,11
36,5
^ясг — количество тепла, выделяющееся при синтезе НС1, кДж/моль;
4. Количество тепла реакции образования воды Q4:
_ Gн2O■l000gн2o
= Мн20 ; а4 = 3,2-1000'(258,84) = 46016-
х-4 18
^н20 - масса образовавшейся воды, т/ч; - количество тепла, выделяющееся при
образовании воды, кДж/моль; Мн2о - молекулярная масса воды, кг.
Общий приход тепла 0пр(в Кдж):
Опр = 01 + 02 + Оз + 04;
Опр = 118758,3 + 49954,08 + 252904,11 + 46016=467632,5.
Расход тепла:
1. Физическое тепло отходящих газов 05 находим из уравнения:
- СНС12НС1 + + ^'м2)см2 + ^со2ссо2 + (^"я2ся2) ' + СН20сН20; д5 - 10000 ■ 2,5 + 9,37 ■ 1 + 8,1 ■ 1 + 3,3 ■ 2 - 25023,87;
6"я2 - масса водорода в отходящих газах, кг/ч; 2нс1 — теплоемкость хлористого водорода, кДж/кг.
2. Потери тепла в окружающую среду 06 определяют как разность между приходом тепла и физическим теплом отходящих газов
06 = Опр - 05;
06 = 467632,5 - 25023,87=442608,63
Таблица 4. Сводная таблица теплового баланса.
Приход Расход
Тепловые потоки кДж % Тепловые потоки Вт %
Тепло, поступающее с техни- 118758,3 25,4 Тепло 25023,87 5,4
ческим хлором отходящих
Тепло, поступающее с техни- 49954,08 10,7 газов
ческим водородом
Тепло реакции образования 252904,11 54,1 Потери тепла в 442608,63 94,6
хлористого водорода окружающую
Тепло реакции образования 46016 9,8 среду
воды
Итого 467632,5 100 Итого 467632,5 100
Заключение хлороводорода, основное технологическое
Таким образом, в работе исследовали оборудование, рассчитали материальный и технологический процесс производства тепловой балансы.
Библиографический список
1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химических технологий. - 2-е изд. - часть 1,2. - М.: Химия, 1995.
2. Получение соляной кислоты. Печь синтеза соляной кислоты. [Электронный ресурс] -Режим доступа: https://www.ngpedia.ru/id334113
3. Ермолаева В.А. Алгоритмы расчета и расчетные характеристики химико-технологических процессов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2018. - № 5. - С. 28-33.
4. Семочкина К.Ю., Ермолаева В.А. Расчет технологических характеристик трубчатой печи // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2018. - Т. 1, №10. -С. 220-222.
DESIGN CHARACTERIES OF THE HYDROGEN CHLORIDE PRODUCTION
TECHNOLOGY
V.A. Ermolaeva, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor V.V. Kuznetsova, Student
Murom Institute of Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletovs (Russia, Murom)
Abstract. The characteristic of the process of production synthetic hydrochloric acid is given. The target product, hydrogen chloride, has been characterized. The main technological equipment and the technological process are considered and described. A practical calculation of the material and heat balance of production was made. The composition of the reaction products, the amount of impurities, the theoretical consumption of hydrogen and chlorine were determined. The calculation results are presented in summary tables. Studies the safety of the technological process ofproduction of hydrogen chloride by the synthetic method, issues of labor protection and safety when using equipment.
Keywords: chlorine, hydrogen, production of hydrogen chloride, material and heat balance.
