Виробництво хлороводневої (соляної) кислоти

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.