Технология производства соляной кислоты

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Соляная кислота представляет собой бесцветный прозрачный раствор. В присутствии примесей железа, хлора и других соляная кислота приобретает желтовато-зеленый оттенок.

По разнообразию применения в народном хозяйстве и по масштабу использования соляная кислота занимает одно из основных мест среди других неорганических веществ.

Соляная кислота расходуется в производстве различных хлоридов, красителей, каучука, применяется для омыления жиров и масел, травления металлов. При получении сахара, дублении и окраски кож, в гальванопластике. Жидкий и газообразный хлористый водород используют при хлорировании различных органических соединений и т. д.[2]

Ниже приведены показатели качества технической соляной кислоты производств определены на 4,54 т продукции.

 

Показатели качества

Наименование показателей	Норма	Фактически по анализу
	Марка «Б»
1.Внешний вид	Прозрачная, желтая жидкость	соответствует
2.Массовая доля хлористого  водорода (HCl),%, не менее	31,5	32,3
3.Массовая доля железа,%, не более	0,015	0,003
4. Массовая доля остатка  после прокаливания,%, не более	0,100	0,05
5. Массовая доля свободного хлора,%, не более	0,008	0,001
6. Массовая доля мышьяка, % не более	0,0002	0,0001

 

 

         Таким образом данный продукт  соответствует ГОСТ 857 – 95 марки «Б» для применения  в химической промышленности – для подкисления рассола в производств екаустической соды, для получения хлоридов металлов. В черной и цветной металурги – для снятия окисной пленки с поверхности металлов, в процесах выщелачивания металлов из руд. В других отрослях промышленности – для очистки котлов и химводоочистки, не связанной с питьевым водоснабжением.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ

 

Ранее соляную кислоту получали из поваренной соли действием на нее серной кислотой – это так называемый сульфатный метод. Онпроизводится при 150 0С.[2]

 

NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl (1.1)

 

При температуре выше 550 0С и избытке поваренной соли возможна реакция:

 

2NaCl + H2SO4 = NaSO4 + 2HCl (1.2)

 

Реакционные газы, отходящие от муфельных печей содержат 50-65% хлороводорода, а газы от реакторов с кипящим слоем до 5% HCI. В настоящее время предложено заменить серную кислоту на  смесь SO2 и О2 с использованием в качестве катализатора Fe2O3 и проведением процесса при температуре 540 0С.[2]

Наиболее экономичный способ промышленного использования реакции между хлором и водородом, если последний образуется путем воздействия пара на раскаленный уголь , состоит в пропускании хлора вместе с паром над углем. Полного привращения при этой реакции следует ожидать при 200 0С при этом выделяется 288,9 кДж енергии.

 

C + 2H2O +2 CI2 = 4HCI + CO2 (1.3)

Температура процесса (1000-1600 °С) зависит от типа угля и наличия в нем примесей, являющихся катализаторами (напр., Fe2O3). Перспективно использование смеси СОс парами воды:

СО + Н2О + Сl2 = 2НСl + СО2 (1.4)

Возможно также получение соляной кислоты путем гидролиза хлоридов магния (нагревается гидратированная соль):

 

MgCl2 .6H2O = MgO + 2HCl + 5 H2O (1.5)

 

Эта реакция может идти не до конца с образованием основных хлоридов (оксихлоридов) переменного состава, например:[5] 

MgCl2 + H2O = MgOCl2 + 2HCl (1.6)

 

Хлористыйводородможетбытьполучениз хлористого магниядействием на него водяного пара при температуре в 500 – 600 0С:[4] 

MgCl2 + H2O = MgО + 2HCl (1.7)

 

Cразвитием электролиза хлоридов щелочных металлов с целью производства хлора, водорода и каустической соды стало возможным получать синтетический хлористый водород непосредственным сжиганием хлора в избытке водорода:

 

Н2 + Cl2 = 2HCl (1.8)

 

Реакция осуществляется при 1200 – 1500 0C, а что бы хлористый водород не содержал примеси хлора, синтез проводят в избытке водорода (5-20%)[1]

Но получение соляной кислоты различнойквалификации (реактивной, синтетической, абгазной) заключается в синтезе хлористого водовода (полученного в последней реакции) с последующей его адсорбцией водой.[7]

В дальнейшем всвоей роботе я буду рассматривать производство синтетической соляной кислоты[10].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОЙ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ

 

Производство синтетической соляной кислоты включает две последовательные стадии: синтез хлористого водорода из хлорида и абсорбцию хлористого водорода водой.

Синтез хлористого водорода из хлора и водорода – это обратимый гомогенный экзотермический процесс, протекающий в форме спонтанного (самопроизвольного) невзрывного горения водорода в хлоре, выражаемый уравнением;

 

 (2.1)

 

где  = 183,7 кДж

Реакция горения протекает по цепному механизму и инициируется нагреванием или световым облучением высокой мощности. Состояние равновесия системы существенно зависит от температуры, выше 1500 0С оно сдвигается в право. Константа равновесия реакции диссоциации:[1]

 

 

(где Р – парциальное  давление соответствующих компонентов)

рассчитывается по уравнению:

 

 

где Т – температура, К

При обычной температуре в отсутствие световых лучей реакция образования HCl из элементов идет очень медленно. При нагревании смеси хлора и водорода или под действием яркого света происходит взрыв вследствие протекания цепной реакции:

 

 

В присутствии кислорода реакция хлора с водородом замедляется.

Зависимость скорости фотохимической реакции от концентрации компонентов может быть выражена эмпирической формулой:

 

 

где k – константа скорости реакции, зависящая от интенсивности возбуждающего светового луча или теплового импульса.

Считают что определяющей стадией неинициированного процесса является реакция:

 

 

Скорость реакции зависит также от присутствия катализаторов – влаги, твердых пористых тел (древесного угля, губчатой платины) и некоторых минеральных веществ (кварца, глины и пр.).

Абсолютно сухие хлор и водород не взаимодействуют между собой. Присутствие следов влаги ускоряет реакцию столь интенсивно, что может произойти со взрывом.

В производственных условиях осуществляется спокойное, невзрывное горение водорода в токе хлора, которое обеспечивается равномерным поступлением хлора и водорода и смешением их только в факеле пламени горелки.[1]

Температуру в реакторе поддерживают в пределах 2300 0С, что позволяет, однако, обеспечить достаточно высокий выход хлористого водорода. Процесс ведут при избытке водорода в 3 – 10% сверх стехиометрического количества. Этом не только способствует сдвигу равновесия вправо, но и обеспечивает отсутствие хлора в отходящих газах, общую экологическуючистоту технологии, работу в безопасных пределах состава смеси «хлор – водород» и позволяет избежать возможность взрыва (табл. 2.1.)

 

Таблица 2.1. Пределы взрывчатости системы «Н2 – Cl2»

Пределы взрывчатости	Содержание компонентов, % об.
	Водород	Хлор
Нижний	5,0	95,0
Верхний	87,5	12,5

 

 

Абсорбция хлористого водорода водой представляет собой гетерогенный обратимый экзотермический процесс образования гидратов хлористого водорода и их растворения в воде.

 

 (2.2)

 

Тепловой эффект абсорбции (растворения) хлористого водорода зависит от значения n, то есть от концентрации образующейся соляной кислоты и составляет при бесконечном разбавлении 75,1 кДж/моль.

Состояние равновесия процесса абсорции зависит от концентрации хлористого водорода в абсорбируемом газе и температуры. Из рис. 2.2 следует, что с увеличением концентрации HCl в газе степень абсорции и концентрация образующейся соляной кислоты возрастает. Потому на абсорцию направляют газ с содержанием хлористого водовода не менее 90%об.

Рис. 2.2. Влияние содержания хлористого водовода в газе на концентрацию соляной кислоты

 

Без отвода теплоты из системы получить при абсорбции соляную кислоту концентрацией выше азеотропна (20,2 %) невозможно (рис. 2.3).

 

 

Рис. 2.3. Диаграмма кипения системы «HCl – H2O»

 

Для получения кислоты более высокой концентрации избыточная теплота абсорбции должна отводиться из системы. Это может бать достигнуто:

 – отводом тепла в окружающую среду (изотермическая абсорбция);

– проведеним процесса в адиабатических условиях, корда теплота используется внутри системы для испарения воды и увеличения концентрации кислоты (адиабатическая абсорбция).

Первый метод словен в обеспечении, так как требует тепло-обменной аппаратуры с большой поверхностью охлаждения, работающей в контакте с коррозионно-активной жидкостью.поэтому, наибольшее распространение получил метод адиабатической абсорбции, разработанный А. М. Гаспаряном. При использовании в качестве сырья 75% - ного хлора и 95% - ного водовода этим методом можно получить соляную кислоту концентрацией 33%.[7]

 

 

 

 

3 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

 

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 конденсациикоторый в норме должен превышать 8мг/м3 согласно ГОСТ 857 – 95[3], 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:

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 [1].

Схема получения синтетической соляной кислоты приведена на рис3.1.

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.

 

Рис. 3.1 Схема получения синтетической соляной кислоты:

1 — огнепреградитель; 2 — печь синтеза НС1; 3 — холодильник; 4 — изотермические абсорберы; 5— емкость соляной кислоты; 6 — санитарная колонна; 7 — насос.

 

Электролитический или абгазный хлор под давлением не ниже 1,6 • 10 МПа (регистрируется прибором) поступает по трубопроводу к печам синтеза 2 . Водород предварительно компримируется и под давлением не более 3 • 10 МПа 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 пинии 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 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 4 (по два на каждую печь).

Через один из штуцеров в изотермический абсорбер 4 подается обессоленная вода, через другой - вода на охлаждение абсорбера. Из изотермического абсорбера 4 газ и соляная кислота при температуре 20–4 °С и при концентрации не ниже 31% поступают в фазоразделитель, из которого кислота далее направляется в общий кислотный коллектор и в емкости- хранилища 5, а газ направляется в абсорбер 4, где образуется разбавленная соляная кислота. Эта кислота идет на орошение абсорбера 4, 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.[8,9]