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 :