鹽酸裝置吸收工段——二段吸收工序工藝設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 20 供給熱 20 第四章、 設計結果與總結 25 主要設備表 25 設計結果 25 設計結果說明 25 致 謝 26 1 引 言 我國鹽酸工業的集中度一直在逐步提高，產業結構 不斷優化。我國鹽酸產業布局從最初的遍地開花，到目前主要集中在江蘇、山東、湖北、浙江等幾個省份，并涌現出了自貢鴻鶴化工 (集團 )有限責任公司、貴州西洋肥業有限公司、中國石化集團南京化學工業有限公司、上海氯堿化工股份有限公司、湖北洋豐股份有限公司等一批優勢企業。 在我國的 “三酸兩堿 ”生產中，鹽酸是生產工藝變化較大的一種。 1949 年我國鹽酸產量僅 萬噸，全部采用合成法生產，其應用領域也極為單一，主要用作化學試劑及食品等很少幾個領域。改革開放后，隨著我國氯堿工業和鹽酸下游行業的迅速發展，為我國的鹽酸工業提供了良好 的發展環境和空間，我國鹽酸生產和消費持續保持較快的發展勢頭。在生產方面，除氯堿行業外，化肥、農藥、聚酯等行業作為副產鹽酸的新生力量發展迅猛。在消費領域，隨著有機合成工業的發展，鹽酸的應用領域也獲得了極大開拓，用途更加廣泛，制藥、礦石選礦處理、化工、飼料添加劑、凈水劑、稀土等下游行業對鹽酸的需求量增長迅猛。 1986 年，我國鹽酸產量首次突破 200 萬噸大關， 1993 年突破 300 萬噸大關， 2020 年達到 萬噸， 2020 年達到 萬噸， 2020 年達到 萬噸， 2020 年達到 萬噸， 規模遞增的速度越來越快。尤其值得一提的是， 1990 年我國 萬噸的鹽酸總產量中，副產鹽酸已占到 萬噸，首次超過合成法鹽酸，表明鹽酸產品結構和技術水平有了質的跨越。此間，美國、日本、加拿大、德國等產量也均超過 500 萬噸，而且都是以副產品鹽酸為主。 經過 60 年的發展，我國鹽酸工業目前已演變為副產酸占主導地位，并躋身世界鹽酸生產大國行列。與此同時，鹽酸的產品結構、生產技術水平也有了突飛猛進的進步。 新中國成立 60 年來，除了產能規模和技術水平有了巨大提升外，我國鹽酸工業的集中度也在逐步提高，產業結構 不斷優化。我國鹽酸產業布局從最初的遍地開花，到目前主要集中在江蘇、山東、湖北、浙江等幾個省份，并涌現出了自貢鴻鶴化工 (集團 )有限責任公司、貴州西洋肥業有限公司、中國石化集團南京化學工業有限公司、上海氯堿化工股份有限公司、湖北洋豐股份有限公司等一批優勢企業。這些企業的鹽酸年產量都在 20 萬噸以上，并且都擁有先進、清潔的鹽酸生產技術，代表著我國鹽酸工業的發展方向。在產量逐年增加的同時，鹽酸生產技術水平也在不斷進步。如從傳統的降膜吸收工藝，過渡到副產鹽酸閉路循環吸收清潔生產工藝；從生產低純度的工業鹽酸，提升到高純度 鹽酸的生產。此外，去除工業鹽酸中鐵鹽、副產鹽酸精制提純塔、含苯副產鹽酸提純裝置、強化傳熱型鹽酸合成爐、石墨鹽酸合成爐、鹽酸合成爐反應余熱回收、鹽酸生產中減少腐蝕等技術，相繼開發成功并已經應用于生產實際。 隨著國民經濟的快速發展，國內鹽酸應用領域不斷拓展，鹽酸的生產規模的不斷擴大，對產品質量要求的不斷提高，人們也在不斷探索鹽酸生產的新技術及工藝。本文首先綜述了鹽酸生產的國內外研究現狀，隨后針對大規模鹽酸生產裝置、吸收工段及二段吸收工序的工藝設計進行了探索性改進，以期能達到提高鹽酸生產效率及裝置合理利用率、降低 成本、更科學的節能減排的目的。 鹽酸生產技術水平也在不斷進步。如從傳統的降膜吸收工藝，過渡到副產鹽酸閉路循環吸收清潔生產工藝；從生產低純度的工業鹽酸，提升到高純度鹽酸的生產。 2 此外，去除工業鹽酸中鐵鹽、副產鹽酸精制提純塔、含苯副產鹽酸提純裝置、強化傳熱型鹽酸合成爐、石墨鹽酸合成爐、鹽酸合成爐反應余熱回收、鹽酸生產中減少腐蝕等技術，相繼開發成功并已經應用于生產實際。 3 第一章、 生產流程綜述 鹽酸的性質特點及應用 鹽酸，學名氫氯酸，是氯化氫（化學式： HCl）的水溶液，相對密度為 ，無色或微黃色易揮發性液體，有刺激 性氣味，是一元酸。鹽酸是一種強酸，濃鹽酸具有極強的揮發性，因此盛有濃鹽酸的容器打開后能在上方看見酸霧，那是氯化氫揮發后與空氣中的水蒸氣結合產生的鹽酸小液滴。鹽酸是一種常見的化學品，在一般情況下，濃鹽酸中氯化氫的質量分數在 37%左右。同時，胃酸的主要成分也是鹽酸。 鹽酸是重要的無機化工原料，廣泛用于染料、醫藥、食品、印染、皮革、冶金等行業。鹽酸能用于制造氯化鋅等氯化物（氯化鋅是一種焊藥），也能用于從礦石中提取鐳、釩、鎢、錳等金屬，制成氯化物。 隨著有機合成工業的發展，鹽酸（包括氯化氫）的用途更廣泛。如用于 水解淀粉制葡萄糖，用于制造鹽酸奎寧（治療瘧疾病）等多種有機藥劑的鹽酸鹽等。在進行焰色反應時，通常用稀鹽酸清洗鉑絲（因為氯化物的溶沸點較低，燃燒后揮發快，對實驗影響較小） 在國民經濟各部門中，鹽酸的用途很廣，主要包括以下幾個方面： （ 1）用于稀有金屬的濕法冶金 例如，冶煉鎢時，先將白鎢礦（鎢酸鈣礦）與碳酸鈉混合，在空氣中焙燒(800℃ ～ 900℃ )生成鎢酸鈉。 CaWO4+Na2CO3 = Na2WO4+CaO+CO2↑ （ 11） 將燒結塊浸在 90℃ 的水中，使鎢酸鈉溶解，并加 鹽酸酸化，將沉淀下來的鎢酸濾出后，再經灼熱，生成氧化鎢。 Na2WO4+2HCl = H2WO4↓+2NaCl （ 12） H2WO4 = WO3+H2O↑ （ 13） 最后，將氧化鎢在氫氣流中灼熱，得金屬鎢。 WO3+3H2 = W+3H2O↑ （ 14） （ 2）用于有機合成 例如，在 180℃ ～ 200℃ 的溫度并有汞鹽（如 HgCl2）做催化劑的條件下，氯化氫與乙炔發生加成反應，生成氯乙烯，再在引發劑的作用下，聚合而成聚氯乙烯。 （ 3）用于漂染工業 例如，棉布漂白后的酸洗，棉布絲光處理后殘留堿的中和，都要用鹽酸。在印染過程中，有些染料不溶于水，需用鹽酸處理，使成可溶性的鹽酸鹽，才能應用。 （ 4）用于金屬加工 例如，鋼鐵制件的鍍前處理，先用燒堿溶液洗滌以除去油污，再用鹽酸浸泡；在金屬焊接之前，需在焊口涂上一點鹽酸等等，都是利用鹽酸能溶解金屬氧化物這一性質，以去掉銹。這樣，才能在金屬表面鍍得牢，焊得牢。 （ 5）用于食品工業 例如，制化學醬油時，將蒸煮過的豆餅等原料浸泡在含有一定量鹽酸的溶液中，保持一定溫度，鹽酸具有催化作用，能促使其中復雜的蛋白質進行水解，經過一定的 4 時間，就生成具有鮮味的氨基酸，再用苛性鈉（或用純堿）中和，即得氨基酸鈉。制造味精的原理與此差不多。 （ 6）用于無機藥品及有機藥物的生產 鹽酸是一種強酸，它與某些金屬、金屬氧化物、金屬氫氧化物以及大多數金屬鹽類（如碳酸鹽、亞硫酸鹽等），都能發生反應，生成鹽酸鹽。因此，在不少無機藥品的生產上要用到鹽酸。 在醫藥上好多有機藥物，例如奴佛卡因、鹽酸硫胺（維生素 B1 的制 劑）等，也是用鹽酸制成的。 以上列舉的只是在工業生產上應用鹽酸的一些例子。實際上，鹽酸的用途還很多。在日常生活上，我們有時也用到它例如缺乏胃酸，消化不良，醫生就給我們一定量的稀鹽酸以補胃酸的不足。在化學實驗和科學研究上，用到鹽酸的地方就更多了。有些水果中有一些不同的酸性物質，所以有酸味，但酸性不是很強 ,叫弱酸性物質。 鹽酸的制備及工藝 鹽酸的工業制法 工業上制取鹽酸時，首先在反應器中將氫氣點燃，然后通入氯氣進行反應，制得氯化氫氣體。氯化氫氣體冷卻后被水吸收成為鹽酸。在氯氣和氫氣的反應過程中，有毒的氯氣 被過量的氫氣所包圍，使氯氣得到充分反應，防止了對空氣的污染。在生產上，往往采取使另一種原料過量的方法使有害的、價格較昂貴的原料充分反應。然后用水吸收生成的氯化氫氣體，其中氯化氫是在合成塔里合成的。 首先用水煤氣法制氫氣： C(s)+H2O(g) = CO(g)+H2(g) （ 15） CO(g)+H2O(g) = CO2 (g)+H2 (g) （ 16） 然后電解氯化鎂得到鎂與氯氣 ： MgCl2(s) = Mg(s)+Cl2↑(g) （ 17） 以上方法較為繁瑣，不如電解飽和食鹽水： 2NaCl+2H2O = 2NaOH+Cl2↑+H2↑ （ 18） 在反應器中將氫氣點燃，然后通入氯氣進行反應，制得氯化氫氣體： H2+Cl2 = 2HCl （ 19） 氯化氫氣體冷卻后被水吸收成為鹽酸 。 近年來，工業上還發展了由生產含氯有機物的副產品氯化氫制鹽酸。例如，氯氣跟乙烯反應，生成二氯乙烷 (C2H4Cl2)。它再經過反應生成氯乙烯，后者是制聚氯乙烯的原料。氯化氫只是制氯乙烯的副產品。 C2H4Cl2 = C2H3Cl（氯乙烯） +HCl （ 110） 鹽酸的生產工藝 自 1772年由 Priesly最先搜集到氯氣和氫氣制得純鹽酸并試驗其性質，至今有 230多年的歷史了。在我國生產鹽酸也有近 70 年的歷史了，鹽酸的生產一般都包括氣體的產生、冷卻、吸收。 鹽酸工業的生產工藝主要有合成法和副產法。隨著有機合成工業的飛速發展，綜合利用有機化合物在氯化過程中大量產生的氯化氫氣體，用來生產 5 副產品鹽酸成為大勢所趨。從上世紀 50 年代開始，在工業發達國家中，副產品鹽酸的產量已經超過合成法生產的鹽酸，時至今日副產鹽酸依然是鹽酸工業中性價比和資源利用效率最高的工藝路線。 從我國目前的生產工藝看 , 主要有以下幾種： （ 1）鐵爐合成、風冷、水冷、石墨冷、絕熱吸收、膜式吸收。 （ 2）石墨爐合成、水冷、風冷、絕熱吸收、膜式吸收。 （ 3）合成、冷卻、吸收為一體的 “ 三合一 ”爐生產，該工 藝最為先進。 近年來，我國多數廠家均走過了鐵爐、水冷、風冷、石墨冷、絕熱吸收或膜式吸收 , 近而改為 “三合一 ”生產工藝。當然也有正在使用鐵爐生產氯化氫氣體 , 采用風冷、水冷、石墨冷卻氯化氫氣體供生產用，并且將在我國持續相當長一段時間。 “三合一 ”爐生產鹽酸 , 自投運以來，由于存在諸多因素防腐材料及技術不過關 , 真正堅持下來 , 并且發揮作用的生產廠家極少。設備生產廠也舉步維艱。但由于該工藝結構緊湊 , 占地面積小 , 生產彈性大等諸多優點。在經歷了年代到年代中期的低潮后 , 終于被廣大氯堿廠所重視。 圖 11 鹽酸 的生產工藝流程圖 從目前的生產設備看 , 主要設備是合成爐 , 其次是尾氣吸收塔 , 稀酸槽罐緩沖器、冷卻塔、循環水池等。 鹽酸吸收工藝及存在問題 鹽酸吸收系統的作用 鹽酸吸收系統的主要作用是把反應爐生成的高溫氯化氫混合氣體降溫冷卻洗去硫化物等雜質，再用水或稀酸吸收生成質量分數為 35％的濃鹽酸，以供解吸工序使用，并且使尾部排空氣體中氯化氫體積分數不超過限定值。達到環保要求。 吸收系統的另一個重要作用是為反應爐制造 ～ kPa的負壓，這樣才能使反應爐產生的高溫、有毒有害的氯化氫氣體不外溢，從而保證工作 人員的安全。 吸收工藝流程簡述 從氫氣處理工序送來的氫氣經緩沖罐和阻火器后，與從液氯工序送來的氯氣體積分數大于 70％的尾氯同時進入鹽酸合成爐下部的燈頭內燃燒，生成氯化氫氣體。為保 6 證氯氣反應完全，要嚴格控制進爐氫氣適當的過量。氯化氫氣體經爐體夾套、冷卻水槽和石墨冷卻器用循環水冷卻至 45℃ 左右后，進人降膜吸收器，被由尾氣塔過來的稀酸吸收，產出質量分數為 ％～ ％ 的成品酸。降膜吸收器中未被吸收的氯化氫氣體由水流噴射泵抽至尾氣塔，用純水吸收，其他不凝性氣體經液封槽放空。 吸收過程存在的問題 經查閱 國內外文獻資料分析總結，通常情況下，鹽酸吸收系統存在的問題主要有以下幾點： （ 1）從洗滌塔出來的氯化氫氣體，夾帶有大量水霧、泡沫，進入吸收器后，影響到氯化氫與列管水膜的充分接觸，且鹽酸生成時產生的熱量不易移走，以致吸收效率不高。 （ 2）從回收塔出來的尾氣中也帶有大量的水霧，在引風機中容易冷凝成弱酸性液體，直接沖擊運轉的葉輪，引起風機振動加大，風機故障率升高，增加了設備維修量；同時，由于風機效率的下降，使工藝操作波動大，吸收效率更差，尾氣排放經常超標，對周圍居住環境造成污染，常引起周圍居民的投訴。 （ 3）舊鹽 酸吸收系統的洗滌塔、清洗塔、回收塔等設備全部采用玻璃鋼材料制作，投資成本高，且設備制作周期長。 本文研究主要內容及意義 針對上述問題，本文提出在現有的鹽酸吸收系統流程上進行重新優化設計，通過綜合技術改造，降低投資成本，創建資源節約型和環境友好型企業。 本文研究主要內容如下： （ 1）通過對現有的鹽酸生產設備及工藝進行優化選擇，設計年產 的生產工序； （ 2）針對目前的鹽酸生產企業普遍存在的鹽酸吸收工藝的不足之處，設計鹽酸吸收工段及二段吸收工藝。 我國大部分企業仍然停留在高耗低產的運轉 現狀。隨著環境保護保護要求的日益提高，對生產系統尾氣的排放更加嚴格，那些高能耗、高污染，低產出的企業最后必將被淘汰。通過本設計工作，能為一些企業的優化生產工藝，節約能源提供借鑒。這既有利于降低企業生產成本，提高資源利用率，增加經濟效益，同時符合我國的建設資源節約型、環境友好型社會的基本國家方針政策。 7 第二章、 鹽酸生產工藝流程 產品性質 物理性質 鹽酸是無色或淺黃色的液體，有氧化氫的刺激氣味，有毒有腐蝕性，濃鹽酸在潮濕空氣中岡放出氯化氫而發煙，鹽酸是一種揮發性酸，也爛極強的無機酸。 鹽酸的密度隨濃度增加而上升，隨濃 度的增加而降低， 20℃ 時 %鹽酸密度為， %的鹽酸密度為 。 鹽酸是恒沸點液體，而恒沸點組成與恒沸點溫度卻隨壓力不同稍改變。 表 l 恒沸點組成．吲豆沸點溫度隨壓力變化表 項目 數據 壓力 KPa 700 740 760 800 恒沸點 壓力 KPa 化學性質 鹽酸易和許多金屬反應，也可與堿金屬和堿 |．金屬進行激 烈地應。多金屬氧化物及其它金屬鹽類作用。 產品規格 Q/SHG0040032020 指標名稱 優級品 一級品 合格品 總酸度（以 HCI%計） 鐵 硫酸鹽（以 S04%計） 砷， % ≤ 灼燒殘渣， % ≤ 氧化物（ C1%計） ≤ 表 3 食品添加劑鹽酸的