氯碱氯化氢和盐酸生产基础知识2014

化工厂技术室马宗仁2014年7月能力目标1.了解掌握氯化氢合成工艺流程和设备设施2.掌握合成炉点火操作、合成系统的开车操作和停车操作及正常操作3.能对合成炉和合成系统的常见异常情况进行分析处理学习目标知识目标1.理解氯氢合成相关原料和产品的性质、工业卫生和安全技术、氯氢合成的原理和氯氢合成条件的选择及主要设备的结构和工作原理2.学会氯氢合成主要设备和系统的操作方法。盐酸是化学工业最基础的原料三酸两碱之一，有着广泛的用途。盐酸又称为氢氯酸的水溶液，也是氯碱企业中最基本的无机酸和化工原料之一,同时还是平衡氯气产品生产能力的关键产品。目前在中国的氯碱工业中生产的氯每年有三分之一以上是通过合成氯化氢的方式来制成商品盐酸或用以制造其它氯产品。以商品盐酸为例，每年的产量均在100万吨以上，有效的给各行各业的发展提供了支援。一、氯化氢的性质及用途1.主要物理性质氯化氢的化学式为HCl，常温下为无色、有刺激性气味的气体，其熔点为-114.6℃，沸点为-84.1℃，比重为1.3，氯化氢气体极易溶于水，在标准状况下，约500V氯化氢/1V水，得约46.15%盐酸；其溶解度随温度的升高而降低(制备各种不同浓度的盐酸)，通常浓盐酸为37%。并在溶解过程中强烈放热，氯化氢的水溶液又称为盐酸，是最常用的无机强酸之一。0.1MPa下气态HCl在水中的溶解度温度℃溶解度温度℃溶解度温度℃溶解度0507154593041254912044240386104742542650362氯化氢水溶液的特性是恒沸点。浓盐酸在加热蒸馏时，其馏出物是含有少量水分的氯化氢气体(盐酸脱吸法制备氯化氢的依据)，在0.1MPa下，当盐酸浓度降低到20.24%，温度为108.65℃时，馏出物组成与溶液组成相同，溶液组成不再变化，同时具有恒定沸点。2.主要化学性质(1)分子非常稳定：加热到1500℃才发生分解(生产中可以采用高温操作)(2)水溶液具有强酸性：能与大部分金属反应，生成金属氯化物(避湿，否则腐蚀生产设备)(3)高温盐酸蒸气对碳钢几乎无腐蚀：一般盐酸蒸气在其最高露点108.65℃以上时，对碳钢几乎无腐蚀(根据不同条件选择设备)(4)高温气体对设备的腐蚀在适当范围：若温度保持在其最高露点108.65℃以上、250℃以下时，对碳钢的腐蚀作用可保持在适当范围内(可以用钢制的合成炉)；另外，石英、石棉、酚醛树脂、耐酸陶瓷、塑料以及一些金属合金比较耐氯化氢气体腐蚀(作为盐酸生产中的设备防爆膜、浸渍设备或涂膜防腐蚀)(5)与有机化合物的反应：能与多种有机化合物反应生成有机氯化物。C2H2+HCl→C2H3Cl(生产氯乙烯的反应原理）C2H2+Cl2→CHCCl(氯乙炔爆炸物）+HCl2223()HClCHCHCl生产氯乙烯的反应原理氯化氢的水溶液称为盐酸，是最常用的无机强酸之一。氯化氢与潮湿空气中的水分生成白色的烟雾。在干燥的状态下氯化氢几乎不与金属反应，但在含水或溶于水时，由于其具有盐酸的性能，腐蚀性很强，能与大多数金属反应，反应生成相应的盐类。3.用途①主要用于制染料、香料、药物、各种氯化物及腐蚀抑制剂等，还用于大规模集成电路的生产。②氯化氢是制造合成材料的主要原料，可用来制造聚氯乙烯和氯丁橡胶等。③化学上可用来配制标准溶液对碱性物质进行滴定。二、生产任务氯化氢的合成主要是是将来自氢处理工序、纯度大于98％、含氧小于2％的合格氢气与来自氯处理工序、纯度大于95％、含氢小于0.4％(或液化尾气纯度大于75％，含氢小于3.5％)的氯气在合成炉内经过燃烧合成为氯化氢，通过冷却至常温后,一部分用水吸收制成3l％的商品盐酸，另一部分通过冷冻脱水,将其含水量降至0.06％以下后，用纳氏泵压送至聚氯乙烯车间，供乙炔合成氯乙烯之用。三、氯化氢的合成条件氯化氢的合成过程受温度、水分、触媒、氯氢的分子比等因素影响极大。目前工业生产氯化氢的方法有直接合成法和其它多种方法。四、氯化氢合成的工艺原理氯化氢合成的主要原料是氯气与氢气，具体过程为氯气与氢气在适宜的条件（如光，燃烧或触媒）下，迅速化合，发生链锁反应，其总的反应式如下：22ClH2HCl1842kJ.具体反应历程如下：1.链的生成：在氯气和氢气化合生成氯化氢的过程中，一个氯分子吸收光量子后，被离解成两个游离的氯原子即活性氯原子。Cl2+hr→2Cl·2.链的传递：每个活性氯原子会和一个氢分子进行作用，生成一个氯化氢分子和一个游离氢原子即活性氢原子,这个活性的氢原子接着又与一个氯分子发生作用，生成一个氯化氢分子和一个游离的氯原子，如此循环进行就构成一个链锁性反应。2ClHHClH2HClHClCl2ClHHClH3.链的终止：在链锁反应过程中，如果外界的因素发生改变，就会破坏链锁反应，使链传递终止，反应结束。影响因素主要有以下几种：（1）在反应过程中，由于生成的活性原子的自身结合可以使链锁反应终止。2HHH2ClClClClHHCl（2）在合成炉中，当有氧气存在时，就能破坏H的活性而使链锁反应中断。如：22HOHO22ClOClO（3）反应过程中，由于游离氢原子或游离氯原子在运动的过程中，与设备的内壁发生碰撞，或与设备内存在的惰性物质分子碰撞，使活化的氯、氢失去过剩的能量而变成非活化分子，使链反应终止。（4）反应过程中，改变封闭系统中任何物质的浓度都可使链传递终止,另外如果存在负催化剂的作用，也可以使链中断。总之，每一次链的中断，都会减少反应继续发展的可能性，如果存在不利条件时，还可能会使反应完全终止。在氯碱企业的实际生产中，氯气与氢气在燃烧前并不混合（否则会发生爆炸反应），而是通过一种特殊的设备“灯头”使氯与氢达到均衡燃烧，生成的活化氢原子和活化氯原子的浓度相对来说是极其微小的，所以不会出现链终止的现象。五、影响合成的因素1.温度通常氯气和氢气在常温、常压、无光的条件下反应进行很慢，当温度达到440℃后会迅速化合。如果有触煤存在的条件下，在150℃就能剧烈化合，甚至还可能发生爆炸。2.水分绝对干燥的氯气和氢气是很难起反应的。当有微量水分存在时，就可以加快反应速率，水就成为促进氯与氢化合的媒介。据有关资料显示，当氯和氢的水分含量超过0.005%时，水分的存在对反应速率就没有多大影响。3.触媒触媒一般起催化的作用，由于反应过程中离子偶极的相互作用或由于生成氢键，质点可以极化，因而它的反应能力也起了变化。如果有海棉状铂、木炭等多孔物质和石英、泥土等矿物质存在时能起到接触的作用，从而提高反应速率。4.氯氢的分子比根据氯化氢的合成原理，化合时氯和氢的比例为1:1的分子比。但在实际的生产操作过程中都是控制氢过剩，一般过剩量在5%以下，最多不超过10%，因为氢过量太多会引起爆炸等不安全因素，并且氯过剩会影响成品氯化氢的质量。一、氯化氢合成工艺流程对于氯化氢的合成工艺，目前主要有两种方法。一种是用铁制合成炉或石墨合成炉合成氯化氢，另一种是三合一石墨法。这两种方法各有优缺点，在氯碱企业都有所应用。上述两种方法对于合成氯化氢的流程大体是一样的，主要的工艺流程为：来自氯氢处理岗位的合格的氢气和氯气经阻火器，按一定的配比进入合成炉（多余的氢气放空处理），在灯头上燃烧。生成的氯化氢气体从合成炉的冷却器底部导出，温度在45℃以下，进入分配台，供PVC或去吸收制成盐酸或高纯酸。去吸收的氯化氢气体经吸收塔吸收后，进入尾气塔，再吸收，然后尾气自然放空，成品酸从吸收塔底部出来进入盐酸计量槽，经分析合格后，由酸泵打入盐酸贮罐待售。盐水工序基础知识去盐酸罐储罐视镜视镜取样放空HCL分配台氯气氢气氯化氢氯气氢气Cl2缓冲罐H2缓冲罐合成炉吸收塔尾气塔阻火器阻火器盐酸工艺流程图去VCM合成工段主要设备一、二合一石墨合成炉：合成炉是本工序的重要设备，它是集合成冷却于一体的具有容量大，生产能力大．使用寿命长等特点的二合一石墨合成炉．在合成炉顶部装有防爆膜以耐高温．耐腐蚀的材料制作，底部装有钢制或石英玻璃制的燃烧器（灯头）；燃烧器内外三层套装而成，内层是圆筒形氢气套筒，与外层套筒进入的氯气在内外套筒间的流道内均匀混合形成氢包氯向上燃烧合成氯化氢气体．燃烧火焰呈青白色，其中心火焰温度可达２５００摄氏度．石墨冷却器的技术特性可用温度为：–20℃～165℃，可用的压力纵向为0.4MPa，径向压力为o.4～0.6MPa，圆块孔式石墨冷却器与石墨列管式冷却器相比，具有更能经受压力冲击(列管式许用压力仅0.2MPa)、更耐高温。盐水工序基础知识HCL合成炉剖面图HCL气体在炉中走向至HCL总管视镜炉门防爆膜防爆膜HCL出口石墨块HCL合成炉剖面图HCL气体在炉中走向至HCL总管视镜炉门防爆膜防爆膜HCL出口石墨块二、吸收器将经过冷却至常温的氯化氢气体用水或稀盐酸吸收，成为一定浓度的合格的工业盐酸．膜式吸收塔是因为氯化氢气体溶于水所释放的熔解热可以经过石墨管壁传给冷却水带走，因而吸收温度较低，吸收率较高一般可以达到８５％～９０％甚至达到９５％以上，所以出酸浓度相应较高．膜式吸收塔结构可分为三个部分上封头是个圆柱形石墨筒体，在上官板的每个管端设置有吸收液的分配器，在分配器内由尾气吸收塔来的吸收液经过环行的分布环及分配管在分配，当进入处于同一水平面的分液管v形切口时吸收液呈螺旋线状的自上而下的液膜（又称降膜）。盐水工序基础知识进气口HCI吸收器剖面图出水口出气口下酸口进水口进液口出气口降膜式吸收塔的特点一般用的膜式吸收塔优于绝热式填料吸收塔，主要是因为在氯化氢气体溶于水时所释放的溶解热可以经过石墨管壁传给冷却水而被带走，因而经过吸收后的温度较低，使吸收得效率较高，一般可以达到85～90％，有时甚至可达95％以上，而且出酸口的浓度较高。而填料塔的吸收效率一般仅为60～70％。膜式吸收器的技术特性为：可用的温度气体进口不得超过250℃，可用的压力壳程为0.3MPa、管程为0.1MPa。尾气吸收塔的作用主要是从膜式吸收塔过来的未被吸收的氯化氢气体再次进行吸收，最后使气相成为合格的尾气。所用的吸收液是一次水或脱吸后的稀酸。常用的尾气吸收塔为绝热填料塔或膜式吸收塔、大筛孔的穿流塔。但是考虑由于尾气中含氯化氢量不多，因此一般采用绝热吸收塔，将氯化氢气体进行吸收掉。三、阻火器阻火器是位于氢气进炉前管道上的，是氢气系统特有的设备，其圆筒体底部分布板上的不是填料，而是鹅卵石或大量的瓷片，作用在于一旦输氢故障供氢压力下降使正常的氯氢配比失控，燃烧的火焰能从灯头倒回，若回火至缓冲器及管道爆炸不可避免，阻火器有效的阻止火焰回入缓冲器，可以使其熄灭于此，相当有效的保护输氢管道的安全。四、氯、氢气缓冲罐：氯氢缓冲罐位于进合成炉阻火器之前，是个圆筒体，有人孔，排污口，防爆膜．其作用在于使原料气流缓冲减压，有效的控制调节原料气压力，为合成炉安全生产，调节进炉氯氢配比起重要平衡作用．HCl生产中的安全技术主要是和氢气的易燃易爆性质分不开，氢气和氯气、氧气、空气的混合气，都能形成爆炸混合物，它们在合成炉高温操作条件下，很容易爆炸燃烧。虽然合成炉顶部设置有防爆膜，可以使危害和损失降低到较低的水平，但在点火、紧急熄火或氯氢配比突然波动时，仍应特别注意“氯内含氢”和“氢内含氯”，严格控制氯内氢0.4%，操作中防止氢中混入空气，具体举例说明如下：（1）合成炉点火时，点火人不可正对点火孔，以免火焰喷出灼伤头部；点不着火时，必须等氢气切断后才可抽出点火棒。点火棒取出后，须经鼓风机或水流泵抽10min以上方可重新点炉。否则若剩余氢气没抽净，再点炉时容易引起炉子爆炸。（2）正常停车时应逐渐调节进炉气量，氯气减少到最低流量并关闭氢气阀，然后立即关闭氯气调节阀，最后再关闭氢气调节阀（先断氢气后断氯气）。（3）正常情况下停炉后，不得停尾气鼓风机或水流泵，但可减少抽量，让鼓风机或水流泵继续运转。在停炉时间较长时，开始停鼓风机或水流泵。（4）刚停炉时炉温较高，炉内尚有大量剩气，因此不能马上打开炉门，否则使大量空气吸入炉内，和剩余氢气形成爆炸混合物，有使炉子发生爆炸的危险。一般，在停炉