Синтез и анализ химико-технологических систем в производстве соляной кислоты - файл n1.doc

приобрести
Синтез и анализ химико-технологических систем в производстве соляной кислоты
скачать (346.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc347kb.15.09.2012 05:42скачать

n1.doc



Министерство образования и науки РФ
Энгельсский технологический институт (филиал)

Саратовского государственного технического университета
Кафедра: «Химическая технология»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Общая химическая технология»

на тему:

«Синтез и анализ ХТС

в производстве соляной кислоты»

Выполнил:

студент группы ТЭП-41з/о

Проверил:

доцент
Энгельс 2011

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение

1. Синтез ХТС.

1.1. Обоснование создания эффективной ХТС.

1.2. Характеристика исходного сырья.

1.3. Характеристика готового продукта.

1.4. Очистка соляной кислоты.

1.5. Определение технологических топологий.

1.6. Установление технологических и конструкционных параметров ХТС, технологических параметров режима и потоков.

1.7. Изображение графических моделей ХТС (функциональной, структурной, операторной, технологической схемы с описанием)

Заключение

Список использованной литературы.


ВВЕДЕНИЕ.
Производство соляной кислоты является одним из традиционных направлений химической промышленности России. Основной спрос на соляную кислоту формируется предприятиями химической, нефтеперерабатывающей, металлургической отраслей и топливно-энергетического комплекса.

Объем российского рынка соляной кислоты ежегодно увеличивается. Однако темпы роста имеют отрицательную динамику, что можно объяснить высокой степенью его насыщения. Одновременно в отрасли происходят структурные изменения, выражающиеся в изменении соотношения выпуска соляной кислоты различными методами.

Российский рынок соляной кислоты можно считать олигопольным: почти 50% выпуска приходится на пять компаний - ОАО "Каустик" (Волгоград), ОАО "Сибур-Нефтехим", ОАО "Химпром" (Кемерово), ОАО "НАК Азот" и ОАО "Каустик" (Стерлитамак).

Соляная кислота применяется в химической, медицинской, пищевой промышленности, цветной и черной металлургии.

Производство кислоты соляной синтетической освоено в 1962 году. За период эксплуатации производился ремонт, усовершенствовалось технологическое оборудование. Высокое качество сырья позволяет получать кислоту высокого качества.

Соляную кислоту применяют для получения хлоридов различных металлов, органических полупродуктов и синтетических красителей, уксусной кислоты, активированного угля, различных клеев, гидролизного спирта, в гальванопластике. Ее применяют для травления металлов, для очистки различных сосудов, обсадных труб буровых скважин от карбонатов, окислов и др. осадков и загрязнений. В металлургии кислотой обрабатывают руды, в кожевенной промышленности – кожу перед дублением и крашением.

Соляная кислота также применяется в производстве пластмасс, ядохимикатов, в электротехнической, текстильной, пищевой промышленности, в медицине и т.д.

Соляная кислота играет важную роль в процессах пищеварения, она является составной частью желудочного сока. Разведенную соляную кислоту назначают внутрь главным образом при заболеваниях, связанных с недостаточной кислотностью желудочного сока.

В связи с наличием такого широкого потребительского спектра выбранная тема является актуальной.

Целью курсовой работы является разработка экономически эффективного, технологически реализуемого и экологически безопасного производства.

Для решения этой проблемы рассмотрим реализуемые в настоящее время в промышленности методы производства соляной кислоты, выберем наиболее подходящий метод. Предложим методы совершенствования реализуемого производства и решение экологических проблем, возникающих при функционировании производства.
1. СИНТЕЗ ХТС.

1.1. ОБОСНОВАНИЕ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ХТС.

Ранее соляную кис­лоту получали из поваренной соли действием на нее серной кис­лотой, так называемый сульфатный способ получения соляной кислоты. При этом кислота была низкой концентрации (22—26% НС1) и содержала большое количество примесей.

Сульфатный метод основан на взаимодействии твердой поваренной соли NaCl с концентрированной серной кислотой H2SO4 (92-93%) при 500-550°С:

2NaCl + H2SO4 = Na2SO4 + 2HCl — Q

Процесс происходит с поглощением тепла, поэтому реагирующую массу необходимо нагревать.

Менее концентрированную серную кислоту не применяют, так как в этом случае хлористый водород был бы чрезмерно разбавлен парами воды, что затруднило бы получение концентрированной соляной кислоты.

Сульфатный способ получения хлористого водорода применялся и применяется только тогда, когда возникала потребность в сульфате натрия. Поэтому в странах и экономических районах, имеющих запасы природного сульфата, удобные для разработки, сульфатный метод получения хлористого водорода не нашел применения.

В настоящее время для производства соляной кислоты применяют синтетиче­ский хлористый водород и НС1, являющийся побочным продук­том при хлорировании органических веществ, так называемый абгазный НС1. Из синтетического хлори­стого водорода вырабатывают синтетиче­скую соляную кислоту трех сортов, отличающихся концентрацией и содержа­нием примесей таких, как H2S04, Fe и др.: в соответствии с ТУ 6-01-193—80— марку А, в соответствии с Б-ТУ 6-01-193— 70 I сорт марки Бивсоответствии с Б-ТУ 6-01-193—80— II сорт марки Б, а также реактивную соляную кислоту. Чтобы исключить примеси, реактивную кислоту получают в специальной аппаратуре из кварца, керамики или других ма­териалов.

Кислота, получаемая из абгазов, содержит 22—26% масс. НС1, значительное количество органических примесей и являет­ся весьма коррозионно-активной. Для предотвращения корро­зии в абгазную кислоту добавляют ингибитор. Применение ин­гибитора позволяет хранить и перевозить соляную кислоту в обычных стальных емкостях и железнодорожных цистернах. Такая кислота называется ингибированной и составляет основ­ную часть товарной соляной кислоты, получаемой из абгазов. Часть абгазной кислоты подвергают очистке и используют не­посредственно на заводах для получения чистого концентриро­ванного (100%) хлористого водорода, используемого в произ­водстве хлорорганических продуктов.

Таким образом, в промышленности соляную кислоту получают следующими способами:

- сульфатным;

- синтетическим,

- из абгазов (побочных газов) ряда процессов.

Производство соляной кислоты различной квалификации (реактивной, синтетической, абгазной) заключается в синтезе хлористого водорода с последующей его абсорбцией водой. При поглощении HCl водой возникает проблема снятия тепла абсорбции, величина которого значительна и достигает 72,8 кДж/моль HCl. Этого тепла вполне достаточно, чтобы образовавшаяся кислота закипела, т.к. при теплоемкости 29 кДж/(кг·град) его хватает для повышения температуры до 127°С.

Поэтому в процессе абсорбции необходим отвод тепла, в противном случае не удается получить кислоту нужной концентрации, так как растворимость хлористого водорода с повышением температуры уменьшается.

В зависимости от способа отвода тепла методы абсорбции разделяют на изотермический (при постоянной температуре), адиабатический (без теплообмена с окружающей средой) и комбинированный.

При изотермической абсорбции процесс осуществляется с отводом тепла, и температура кислоты поддерживается по­стоянной за счет непосредственного охлаждения абсорбера, ли­бо благодаря охлаждению циркулирующей кислоты в выносном холодильнике. При этом теоретически можно получить соляную кислоту любой концентрации, так как с понижением температу­ры уменьшается и парциальное давление НС1 над соляной кис­лотой.

Изотермическую абсорбцию следует применять для получе­ния концентрированной соляной кислоты (35-38%) и для пере­работки хлористого водорода низкой концентрации. Однако в последнем случае при содержании в реакционных газах свы­ше 40% примесей азота, водорода, метана и других проведение абсорбции в изотермических условиях нецелесообразно ввиду ухудшения теплопередачи и уменьшения полноты абсорбции.

Изотермическую абсорбцию можно проводить в поверхност­ных абсорберах, где газ проходит над поверхностью неподвиж­ной или медленно текущей жидкости. Так как поверхность жид­кости (а следовательно, и массообмен) незначительна, то та­кие абсорберы применяют лишь при небольших масштабах производства. Обычно устанавливают каскад абсорберов.

К более совершенным типам изотермических поверхностных горизонтальных абсорберов относятся оросительные и плас­тинчатые аппараты, обладающие большой поверхностью тепло­передачи. Наиболее перспективными являются абсорберы, позволяющие извлекать из исходного абгаза от 65-85% HCI.

Адиабатическая абсорбция была предложена Гаспаряном для поглощения хлористого водорода водой с образовани­ем соляной кислоты и нашла широкое применение в российской промышленности.

При адиаба­тической абсорбции процесс осуществляется без отвода тепла. Соляная кислота нагревается до кипения за счет тепла раство­рения хлористого водорода. При этом увеличивается давление паров соляной кислоты и начинается интенсивное испарение воды. Последнее вызывает снижение температуры кипящей кислоты и возрастание концентрации соляной кислоты, что является функцией температуры. Таким образом, кипящая в ади­абатических условиях соляная кислота будет концентрировать­ся. Температура абсорбции определяется точкой кипения кис­лоты соответствующей концентрации.

Исходный газ, содержащий HCl вводят снизу в контактную башню, противотоком ему поступает абсорбент (обычно вода). Вместо воды или вместе с водой для орошения колонны может применяться разбавленная соляная кислота. Если кислота является единственным абсорбентом, эффективность абсорбции HCl несколько снижается и составляет 95-99% в зависимости от концентрации кислоты и давления паров HCl. Если абсорбентом является вода, хлористый водород может быть полностью поглощен.

Концентрация хлористого водорода в жидкости возрастает в направлении от верха колонны к низу. В соответствии с этим меняется ее температура в колонне. Максимальной является температура кипения азеотропной кислоты (108,5 °С). Выше и ниже этой точки температура в колонне снижается и соот­ветствует температуре кипения кислоты данной концентрации. Температура и концентрация кислоты мало зависят от измене­ния нагрузки в широких пределах.

Распределение температур абсорбции и концентраций соляной кислоты по высоте противоточной абсорбционной колонны показано на рис. 1.1. В каждой точке колонны парциальное давление хлористого во­дорода приближается к равновесному для системы НС1 – H2O при данной температуре. Условия абсорбции в колонне опре­деляются соотношением парциальных давлений паров воды и хлористого водорода.



Рис.1.1. Схема распределения температур (кривая 1) и

концентрации (кривая 2) соляной кислоты

по высоте адиабатического абсорбера.
Наиболее эффективно процесс адиабатической абсорбции может быть осуществлен в насадочной или тарельчатой колон­не. Материалом для изготовления колонн служит полиэфир, армированный стекловолокном, либо сталь, футеро­ванная огнеупорным кирпичом или диабазовой плиткой на диа­базовой замазке на двух слоях гуммировки. Насадочные ко­лонны заполняются насадкой различной формы. Насадки долж­ны обладать большой удельной поверхностью, а также быть коррозионностойкими в солянокислой среде. Это могут быть хордовые насадки из графита, пластмасс, кольцевые насадки из керамики или фарфора, седлообразные и блочные насадки. Самым распространенным видом насадок являются кольца Рашига, хорошо зарекомендовавшие себя в практических условиях, наиболее дешевые, простые в изго­товлении и обладающие достаточной удельной поверхностью.

Недостатком насадочных абсорберов является трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно используют цирку­ляционный отвод тепла в выносных холодильниках.

На рис. 1.2 дана типовая схема адиабатической абсорбции НСl из абгазов, образующихся при хлорировании (например, при получении хлорбензола).

После адиабатического абсорбера 1 пары хлорорганических веществ вместе с парами воды поступают в конденсатор 2, затем – в разделитель 3, где происходит разделение органичес­кой и водной фаз. Органическая фаза возвращается в производ­ственный цикл, а водная фаза (разбавленная кислота) после нейтрализации поступает на очистные сооружения.

Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком, но созданы абсорберы и с нис­ходящим прямотоком. Эти колонны работают со скоростями газа до 10 м/с, что позволяет интенсифицировать процесс при уменьшенных габаритах аппарата и более низком, чем при противотоке, гидравлическом сопротивлении.

Контрольно-измерительная аппаратура адиабатической сис­темы точна, проста и надежна. Регулятор температуры, кон­тролирующий температуру кипения кислоты нужной концентра­ции, регулирует поток исходной жидкости. С помощью регуля­тора уровня жидкости постоянно поддерживается уровень кис­лоты на всасывающем насосе или в холодильнике. В адиабати­ческих системах концентрация кислоты достигает 32%. При получении кислоты с концентрацией более 32% уменьшается эффективность абсорбции.



Рис.1.2. Схема типовой адиабатический абсорбции

соляной кислоты из абгазов:

1 – адиабатический абсорбер; 2 – конденсатор; 3–разделитель;

4 – хвостовая колонна; 5 – флорентийский сосуд;

6 – сборник органической фазы;7 - сборник водной фазы;

8,12 – насосы; 9 – отдувочная колонна;

10- теплообменник, 11 – сборник товарной кислоты.
Получение соляной кислоты из абгазных газов с использованием комбинированной схемы абсорбции, состоящей из двух ступеней – адиабатической и изотермической, представлено в виде типовой схемы на рис. 1.3.

В колонне адиабатической абсорбции 1 получают 30-32% - ную соляную кислоту, очищенную от хлорорганических примесей. Органическая фаза после конденсатора 2 поступает в фа­зоразделитель 4 для отделения от водной фазы. Соляная кис­лота из колонны 1 после охлаждения в холодильнике 5 направ­ляется из сборника 6 в колонну изотермической абсорбции 8, где донасыщается чистым хлористым водородом при понижен­ной температуре.

Кислоту с повышенной концентрацией HCl производят в колонне изотермической абсорбции при пониженных температурах. Степень извлечения HCl из абгазов при использовании в качестве абсорбентов разбавленных кислот составляет 90-95%. При использовании в качестве абсорбента чистой воды степень извлечения почти полная.



Рис.1.3. Схема получения концентрированной

соляной кислоты из абгазов:

1 - колонна адиабатической абсорбции; 2 - конденсатор;

3-отделитель газов; 4- флорентийский сосуд; 5-холодильник;

6, 9-сборники кислоты; 7-насосы; 8-изотермический абсорбер.
Синтез хлористого водорода из элементов дает концентрированный хлористоводородный газ (содержащий 80-90% и больше HC1), легко поддающийся сжижению, а поглощение его дистиллированной водой позволяет получать чистую реактивную кислоту, концентрация которой при необходимости может достигать 38%.

В основе прямого синтеза соляной кислоты лежит цепная реакция горения:

Н2 + Сl2 ? 2НСl+184,7кДж

Реакция инициируется светом, влагой, твердыми пористыми веществами (древесный уголь, пористая платина) и некоторыми минеральными веществами (кварц, глина). Абсолютно сухие хлор и водород не взаимодействуют между собой. Присутствие следов влаги ускоряет реакцию столь интенсивно, что она может произойти со взрывом. В производственных установках осуществляется спокойное, не взрывное горение водорода в токе хлора. Синтез в камерах сжигания ведут с избытком в 5-10% водорода, что позволяет полностью использовать более ценный хлор и получить незагрязненную хлором соляную кислоту.

Сжигание смеси хлора и водорода производится в печах различных конструкций, представляющих собой небольшие камеры из огнеупорного кирпича, плавленого кварца, графита или металла. Для предотвращения взрывного характера горения реагенты смешивают непосредственно в факеле пламени горелки. В верхней зоне камер сжигания устанавливают теплообменники для охлаждения реакционных газов до 150-160°С. Мощность современных графитовых печей достигает 65т/сут (в пересчете на соляную кислоту содержащую 35% HCl).

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. 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 паронита 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 НС1 для особо чистой соляной кислоты. В последнее время наиболее современным материалом, предотвращающим загрязнение продукта, является графит, импрегнированный феноло-формальдегидными смолами.

В случае дефицита водорода применяют различные модификации процесса. Например, пропускают смесь Cl2 c водяным паром через слой пористого раскаленного угля:

2Сl2 + 2Н2О + С = 4НСL + СО2 + 288,9 кДж

Вследствие большой экзотермичности реакция протекает без внешнего подвода тепла.

Температура процесса составляет 1000-1600°С, зависит от типа угля и наличия в нем примесей, являющихся катализаторами (например Fe203). При работе с активированным углем, коксом и древесным углем с примесью оксида железа в реакционной зоне должна поддерживаться температура 400-450°С. Образующийся газ содер­жит 65-78% НС1, 15-18% С02, 2-4% СО.

Недостаток метода состоит в том, что концентрация полу­чаемого хлористого водорода ниже, чем при прямом синтезе, кроме того, он содержит примеси водяного пара.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что получение соляной кислоты из хлора и водорода - основной способ промышленного производства данного продукта. 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 конденсации, 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 (рис. 1.4.):

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.



Рис. 1.4. Принципиальная схема получения соляной кислоты.

Хлористый водород получают путем сжигания водорода в атмосфере хлора в печи. Печь имеет специальную горелку, опорную конструкцию, смотровой и запальный лючки и люк для осмотра. Днище печи футеровано диабазом. Смотровые люки предназначены для наблюдения за цветом пламени, а запальные - для розжига печи, который осущест­вляют специальной горелкой, присоединенной к водородному коллектору резиновым шлангом. Только после загорания водо­рода в основной горелке в печь синтеза подают хлор.

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.

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНОГО СЫРЬЯ

Простое вещество хлор при нормальных условиях — ядовитый газ желтовато-зелёного цвета, с резким запахом. Молекула хлора двухатомная (формула Cl2).

Хлор очень активен — он непосредственно соединяется почти со всеми элементами периодической системы. Поэтому в природе он встречается только в виде соединений в составе минералов: галита NaCI, сильвина KCl, сильвинита KCl · NaCl, бишофита MgCl2 · 6H2O, карналлита KCl · MgCl2 · 6Н2O, каинита KCl · MgSO4 · 3Н2О.

Самые большие запасы хлора содержатся в составе солей вод морей и океанов (содержание в морской воде 19 г/л). Растворы хлоридов – обязательная составная часть живых организмов. В организме человека и животных хлор содержится в основном в межклеточных жидкостях (в том числе в крови) и играет важную роль в регуляции осмотических процессов, а также в процессах, связанных с работой нервных клеток.

Хлор хорошо растворим в неполярных жидкостях, хуже - в воде. В концентрированных растворах NaCl растворимость С12 в несколько раз ниже, чем в воде. В водном растворе хлора устанавливается равновесие:

Cl2 + H2O ? HClO + Cl- + H+

Газообразный хлор относительно легко сжижается. Начиная с давления в 0,8 МПа (8 атмосфер), хлор будет жидким уже при комнатной температуре. При охлаждении до температуры в ?34 °C хлор тоже становится жидким при нормальном атмосферном давлении.

Жидкий хлор — жёлто-зелёная жидкость, обладающая очень высоким коррозионным действием (за счёт высокой концентрации молекул). Повышая давление, можно добиться существования жидкого хлора вплоть до температуры в +144 °C (критической температуры) при критическом давлении в 7,6 МПа.

Хлор непосредственно реагирует почти со всеми металлами (с некоторыми только в присутствии влаги или при нагревании), с неметаллами (кроме углерода, азота, кислорода и инертных газов) образует соответствующие хлориды. При реакции с фтором, образуется не хлорид, а фторид. Хлор очень сильный окислитель.

На свету или при нагревании активно реагирует (иногда со взрывом) с водородом по радикальному механизму. Смеси хлора с водородом, содержащие от 5,8 до 88,3 % водорода, взрываются при облучении с образованием хлороводорода. Непосредственное взаимодействие водорода и хлора используют для промышленного получения хлористого водорода. Смесь хлора с водородом в небольших концентрациях горит бесцветным или желто-зелёным пламенем. Максимальная температура водородно-хлорного пламени 2200°C.

С кислородом хлор образует оксиды, в которых он проявляет степень окисления от +1 до +7: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7. Они имеют резкий запах, термически и фотохимически нестабильны, склонны к взрывному распаду.

Первоначально промышленный способ получения хлора основывался на методе Шееле, то есть реакции пиролюзита с соляной кислотой:

MnO2 + 4HCl ? MnCl2 + Cl2? + 2H2O

Сегодня хлор в промышленных масштабах получают вместе с гидроксидом натрия и водородом путём электролиза раствора поваренной соли:

Анод: 2Cl? — 2е? ? Cl20?

Катод: 2H2O + 2e? ? H2? + 2OH?

Применяется три варианта электрохимического метода получения хлора. Два из них электролиз с твердым катодом: диафрагменный и мембранный методы, третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым легким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути.

В лабораториях для получения хлора обычно используют процессы, основанные на окислении хлороводорода сильными окислителями (например, оксидом марганца (IV), перманганатом калия, дихроматом калия):

2KMnO4 + 16HCl ? 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2? +8H2O

K2Cr2O7 + 14HCl ? 3Cl2 + 2KCl + 2CrCl3 + 7H2O

Водородпервый элемент периодической системы элементов. Атом водорода наименьший по размерам и самый легкий среди атомов всех элементов.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения ?252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9Ч106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от ?252,76 до ?259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая и текучая. Критические параметры водорода очень низкие: температура ?240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода.

Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре:

СН4 + 2Н2O = CO2? + 4Н2 ?165 кДж

Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком. Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

Хлористый водород - применяется для получения хлоридов металлов, органических продуктов - хлоропрена, органических красителей, гидролизного спирта, глюкозы, сахара, желатины и клея; для дубления и окраски кож, омыления жиров; при производстве активного угля, крашении тканей, травлении металлов; в гидрометаллургических процессах; в гальванопластике, нефтедобыче.

Хлористый водород получается взаимодействием Н2 и Сl2 при ~2400° или NaCl с H2SO4 при 500-550°; как побочный продукт в процессах хлорирования органических соединений; в некоторых процессах неорганической технологии.

Хлористый водород - бесцветный газ с резким запахом. Т. плавл. -114,2°; т. кип. -85,1е; плотн. 1,639 г/л; давл. паров 25,46 кгс/см2 (0°), 45,58 кгс/см2 (20°); коэфф. раств. в воде 485,6 (20°), 477,2 (30°). В воздухе образует белый туман. Образует ряд жидких гидратов. Сухой хлористый водород на металлы почти не действует.

1.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ГОТОВОГО ПРОДУКТА

Соляная кислота (хлористоводородная кислота, хлороводородная кислота) – сильная одноосновная кислота, раствор хлористого водорода в воде.

Соляная кислота - бесцветная жидкость с острым запахом хлористого водорода. Техническая соляная кислота имеет желтовато-зеленый цвет из-за примесей хлора и солей железа. Максимальная концентрация соляной кислоты при 20°C равна 38% по массе, плотность такого раствора 1,19 г/см3, на воздухе он «дымит», т.к. выделяющийся HCl образует с водяным паром мельчайшие капельки.

Растворимость хлористого водорода в воде зависит от температуры и парциального давления хлористого водорода в газовой смеси. При затвердевании соляная кислота даёт кристаллогидраты составов HCl∙H2O, HCl∙2H2O, HCl∙3H2O, HCl∙6H2O.

НС1 образует с водой азеотропную смесь. В системе HCl-вода существуют три эвтектические точки: -74,7°С (23,0% по массе НС1), -73,0°С (26,5% НО), -87,5°С (24,8% НС1, метастабильная фаза). Известны кристаллогидраты НС1-пН2О, где n = 8, 6 (Тпл. -40 °С); 4, 3 (Тпл. -24,4°С); 2 (Тпл. -17,7°С) и 1 (Тпл. -15,35°С). Лед кристаллизуется из 10%-ной соляной кислоты при -20°С, из 15%-ной при -30°С, из 20%-ной при -60°С и из 24%-ной при -80°С.

Соляная кислота химически весьма активна. Растворяет с выделением водорода все металлы, имеющие отрицательный нормальный потенциал, со многими оксидами и гидроксидами металлов образует хлориды, выделяет свободные кислоты из таких солей, как фосфаты, силикаты, бораты и др.

Будучи сильной кислотой, она обладает всеми свойствами кислот. Соляная кислота реагирует со следующими веществами:

- с металлами стоящими в электрохимическом ряду металлов до водорода;

- оксидами всех металлов;

- с гидроксидами металлов;

- с солями металлов образованных более слабыми кислотами.

Некоторые органические вещества, добавленные к соляной кислоте, сильно тормозят растворение ею металлов. Чем концентрированнее кислота, с тем меньшей скоростью она растворяет металл в присутствии незначительного количества ингибитора. К числу распространенных относятся ингибиторы ПБ - полимеры бутилимина. Тормозящее действие ингибиторов объясняется адсорбцией органического вещества на поверхности металла, в результате которой образуется защитный слой, повышающий перенапряжение выделения водорода на металле. Большинство ингибиторов проявляют свое защитное действие ниже 70-80оС. К ингибиторам, стойким при более высокой температуре (100-110оС), относятся уротропин, акридин, "пенореагент" ПР-1.

Ингибированная кислота растворяет сталь в десятки и в сотни раз медленнее, чем неингибированная. Средняя скорость растворения стали в ингибированной кислоте не превышает 0,15 г/м-ч, что соответствует уменьшению толщины стенок резервуара всего на 0,16 мм в год. Ингибированную соляную кислоту применяют для травления. В процессах травления ингибированная кислота легко (с такой же скоростью, как и неингибированная) очищает поверхность черного металла от ржавчины, окалины, накипи и других отложений, растворимых в соляной кислоте. При этом не происходит разрушение самого металла.

Соляная кислота применяется для получения ее солей (хлорида бария, хлорида цинка и др.), при травлении металлов, а также в пищевой промышленности и медицине. Как реагент используется во всех химических лабораториях.

1.4. ОЧИСТКА СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ

В абгазном хлористом водороде и получаемой из него соляной кислоте всегда содержатся различные примеси, обусловленные, главным образом, процессами хлорирования, гидрохлорирова­ния, дегидрохлорирования и фторирования. Для использования абгазной соляной кислоты взамен синтетической или абгазного хлористого водорода для синтетических целей нербходима очистка этих продуктов от примесей.

Большинство примесей, сопутствующих абгазному хлорис­тому водороду, можно разделить на четыре группы: инертные вещества (трудносорбируемые газы - азот, водород, метан и др.); органические соединения, малорастворимые в воде (хлорбензол, хлорметаны) и водорастворимые (хлораль, уксусная кислота и др.); соединения кислотного характера(02, С1 2, HF и т. п.); вода.

Выбор метода очистки абгазного НС1 от примесей зависит от их природы и особенностей технологического процесса, в котором используется хлористый водород.

Процессы очистки абгазного НС1 основаны на следующих методах:



1.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОПОЛОГИИ ХТС

Определение видов связи между аппаратами в технологической схеме производства синтетической соляной кислоты.

В этой схеме в используется последовательный тип соединения аппаратов.

Огнепреградитель, печь синтеза HCl и игуритовый холодильник имеют последовательное соединение. Абсорберы I и II соединены между собой обратной связью, так как образовавшаяся во II абсорбере разбавленная соляная кислота возвращается в I абсорбер для его орошения. Соляная кислота из изотермического абсорбера подается последовательно в фазоразделитель, общий кислотный коллектор, далее в емкость-хранилища соляной кислоты. А газ направляется в абсорбер II, где образует­ся разбавленная соляная кислота. Непоглощенные газы, содержащие Н2, N2, хлористый водород и пары воды из абсорбера II последовательно поступают в санитарную колонну, где проис­ходит окончательная отмывка непоглощенного газа от хлористого водорода.

Так как в схеме существует обратная технологическая связь, то схема является замкнутой.
1.6. УСТАНОВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ

ПАРАМЕТРОВ ХТС, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА И ПОТОКОВ.

Синтез хлористого водорода из хлора и водорода ведут в печи синтеза - вертикальном цилиндрическом сварном аппа­рате, выполненном из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. При диаметре печи 2м и высоте примерно 10м производительность печи 20 т/сут. В печи поддерживается повышенное давление (не более 3 · 105 Па), что исключает подсос воздуха, благо­даря чему исключается также образование в печи взрывоопас­ных смесей водорода и кислорода.

Синтез хлористого водорода идет энергично с большим вы­делением тепла и образованием светящегося пламени. Все пе­чи синтеза работают в водородном режиме, исключающем про­скок хлора в хлористом водороде. Соотношение С12 : Н2 = 1: 1,03-1,1.

Факел пламени сгорающих газов имеет температуру около 2000°С и понижается по высоте печи до 800-1200°С. Температура наружной стенки печи должна быть не ниже 200 и не выше 400°С.

Абсорбционные колонны выполнены из фаолита и снабжены насадкой из колец Рашинга размером 25х25х3 мм. Температура абсорбции составляет 82-85°С, она регулируется за счет испарения воды, подаваемой на абсорбцию.

Санитарная колонна заполнена насадкой из колец Рашинга и орошается водой.

1.7. ИЗОБРАЖЕНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ХТС

Химическая модель

H2 + Cl2 = 2H2Cl

Функциональная схема




H2
Операторная схема



Структурная схема



1 - огнепреградитель;

2 – печь синтеза HCl;

3-холодильник;

4- изотермические абсорберы;

5-емкость соляной кислоты;

6-санитарная колонна;

7-насос;

8- фазоразделители.

Технологическая схема



1 - огнепреградитель;

2 – печь синтеза HCl;

3-холодильник;

4- изотермические абсорберы;

5-емкость соляной кислоты;

6-санитарная колонна;

7-насос;

8- фазоразделители.

Вспомогательное оборудование имеет следующую характе­ристику. Огнепреградитель - стальной, сварной, вертикальный цилиндрический аппарат с приварным сферическим днищем и съемной крышкой на болтах. Заполнен насадкой из гравия с зернами размером 3-4 мм. Холодильник игуритовый, противоточный пластинчатый. Поверхность теплообмена 10-22 м2. Изотермический холодильник - из пропитанного графита - противоточный, пластинчатый. Поверхность теплообмена 11 м2. Хвостовая колонна - вертикальный цилиндрический аппарат, за­щищен диабазовой плиткой по гуммировке. Емкость для соля­ной кислоты (50 м3) - сварная цилиндрическая с приварным сферическим днищем и съемной сферической крышкой на бол­тах. Емкость футерована диабазовой плиткой на диабазовой замазке в два слоя по гуммировке.

Электролитический или абгазный хлор под давлением не ниже 1,6 · 105 Па (регистрируется прибором) поступает по трубопроводу к печам синтеза 2 . Водород предварительно компримируется и под давлением не более 3 · 105 Па 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 линии 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 игуритовый 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 4I и 4II (по два на каждую печь).

Через один из штуцеров в изотермический абсорбер 4II по­дается обессоленная вода, через другой - вода на охлаждение абсорбера. Из изотермического абсорбера 4I газ и соляная кислота при температуре 20-40°С и при концентрации не ни­же 31% поступают в фазоразделитель 8, из которого кислота далее направляется в общий кислотный коллектор и в емкости- хранилища 5, а газ направляется в абсорбер 4II , где образует­ся разбавленная соляная кислота. Эта кислота идет на ороше­ние абсорбера 4I, 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В мировой практике производится около 25 млн. т хлора. Зна­чительная часть его расходуется на производство хлорсодержащих продуктов, в результате которых более 50% используе­мого хлора превращается в побочный продукт - так называе­мый абгазный хлористый водород или абгазную соляную кислоту.

Соляная кислота — важнейший продукт химической промышленности. Она идёт на получение хлоридов различных металлов и синтез хлорсодержащих органических продуктов. Соляную кислоту применяют для травления металлов, для очистки различных сосудов, обсадных труб буровых скважин от карбонатов, окислов и др. осадков и загрязнений. В металлургии ею обрабатывают руды, в кожевенной промышленности — кожу перед дублением. Соляная кислота — важный реактив в лабораторной практике. Транспортируют соляную кислоту в стеклянных бутылях или гуммированных (покрытых слоем резины) металлических сосудах.

Непременным условием научно-технического прогресса явля­ется комплексное использование сырьевых ресурсов. Одной из важных народнохозяйственных проблем является утилизация хлористого водорода - побочного продукта многих производств.

При получении хлор- и фторсодержащих растворителей и моно­меров, фреонов, пестицидов, при хлорировании парафиновых и ароматических углеводородов, первичных и вторичных спир­тов, кетонов и кислот более половины используемого хлора расходуется на образование хлористого водорода. Значитель­ное его количество образуется также при гидролизе неоргани­ческих хлоридов, например, при переработке хлорида магния в оксид, в производстве аэросила из тетрахлорида кремния и т. п. В то же время большие количества хлора используются для производства синтетического хлористого водорода, техни­ческой и реактивной соляной кислоты.

Поэтому рациональное получение и последующая переработка побочно образующегося хлористого водорода имеет не только экономическое значение, но позволяет также предотвратить загрязнение окружающей среды.

Возможны следующие основные пути решения этой проблемы:

  1. комбинирование производств, в основе которых лежат процессы прямого хлорирования и гидрохлорирования непре­дельных соединений, прямого и окислительного хлорирования, прямого хлорирования, дегидрохлорирования и гидрохлорирова­ния с заменой синтетического хлористого водорода на абгазный;

  2. замена синтетической соляной кислоты кислотой, побоч­но образующейся в производстве хлорорганических и хлорнеорганических продуктов;

  3. использование соляной кислоты вместо других мине­ральных кислот, например вместо серной кислоты, для травле­ния металлов или для производства фосфорной кислоты;

  4. регенерация хлора электролизом соляной кислоты или каталитическим окислением хлористого водорода.

При этом следует учитывать, что побочный хлористый во­дород загрязнен разнообразными примесями исходного сырья, полупродуктов, побочных и целевых продуктов неорганического и органического происхождения. Применение неочищенного хлористого водорода или соляной кислоты приводит к отравле­нию катализаторов, образованию других побочных продуктов и к снижению выхода и качества промышленной продукции. По­этому побочно образующиеся хлористый водород или соляная кислота должны быть очищены от лимитируемых примесей в тех случаях, когда эти продукты применяются для синтеза, электролиза, окисления и получения синтетической или реак­тивной соляной кислоты.

Одно из важных преимуществ синтетической соляной кислоты, полученной из электролитического хлора и водорода, по сравнению с тем же продуктом, изготовленным химическими способами,— ее высокая чистота.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Левинский М. И. Хлористый водород и соляная кислота/ М.И. Левинский, А. Ф. Мазанко, И. Н. Новиков – М.: Химия, 1985. – 160 с., ил.

  2. Якименко Л. М., Пасманик М. И., Справочник по производству хлора, каустической соды и основных хлорпродуктов, 2 изд., М., 1976.

  3. Мельников Е.Я. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений / Е.Я. Мельников, В.П. Салтанова, А.М. Наумова, Ж.С. Блинова – М.: Химия, 1983. – 432 с., ил.

  4. Пахомов А.Н. Основы моделирования химико-технологических систем: учебное пособие / А.Н. Пахомов, В.И. Коновалов, Н.Ц. Гатапова, А.Н. Колиух. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 80 с.

  5. Основы химической технологии / под ред. И.П. Мухлёнова. -- 4-е изд., перераб. и доп. - М: Высшая школа, 1991. - 463с.

  6. Соколов Р.С. Химическая технология. Учеб. пособие для вузов. Т.1. – М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. – 368с.





Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации