Синтез и анализ ХТС в производстве соляной кислоты

 
КУРСОВАЯ РАБОТА 
 
по дисциплине 
 
«Общая химическая технология» 
 
на тему: 
 
«Синтез и анализ ХТС 
 
в производстве соляной кислоты» 
 
Выполнил:  
 
студент группы ТЭП-41з/о 
 
Проверил:  
 
доцент  
Энгельс 2011 
 
СОДЕРЖАНИЕ: 
 
Введение 
 
1. Синтез ХТС. 
 
1.1. Обоснование создания эффективной ХТС. 
 
1.2. Характеристика исходного сырья. 
 
1.3. Характеристика готового продукта. 
 
1.4. Очистка соляной кислоты. 
 
1.5. Определение технологических топологий. 
 
1.6. Установление технологических и конструкционных параметров ХТС, технологических параметров режима и потоков. 
 
1.7. Изображение графических моделей ХТС (функциональной, структурной, операторной, технологической схемы с описанием) 
 
Заключение 
 
Список использованной литературы. 
 
 
ВВЕДЕНИЕ. 
Производство соляной кислоты является одним из традиционных направлений химической промышленности России. Основной спрос на соляную кислоту формируется предприятиями химической, нефтеперерабатывающей, металлургической отраслей и топливно-энергетического комплекса. 
 
Объем российского рынка соляной кислоты ежегодно увеличивается. Однако темпы роста имеют отрицательную динамику, что можно объяснить высокой степенью его насыщения. Одновременно в отрасли происходят структурные изменения, выражающиеся в изменении соотношения выпуска соляной кислоты различными методами. 
 
Российский рынок соляной кислоты можно считать олигопольным: почти 50% выпуска приходится на пять компаний - ОАО "Каустик" (Волгоград), ОАО "Сибур-Нефтехим", ОАО "Химпром" (Кемерово), ОАО "НАК Азот" и ОАО "Каустик" (Стерлитамак). 
 
Соляная кислота применяется в химической, медицинской, пищевой промышленности, цветной и черной металлургии. 
 
Производство кислоты соляной синтетической освоено в 1962 году. За период эксплуатации производился ремонт, усовершенствовалось технологическое оборудование. Высокое качество сырья позволяет получать кислоту высокого качества.  
 
Соляную кислоту применяют для получения хлоридов различных металлов, органических полупродуктов и синтетических красителей, уксусной кислоты, активированного угля, различных клеев, гидролизного спирта, в гальванопластике. Ее применяют для травления металлов, для очистки различных сосудов, обсадных труб буровых скважин от карбонатов, окислов и др. осадков и загрязнений. В металлургии кислотой обрабатывают руды, в кожевенной промышленности – кожу перед дублением и крашением.  
 
Соляная кислота также применяется в производстве пластмасс, ядохимикатов, в электротехнической, текстильной, пищевой промышленности, в медицине и т.д. 
 
Соляная кислота играет важную роль в процессах пищеварения, она является составной частью желудочного сока. Разведенную соляную кислоту назначают внутрь главным образом при заболеваниях, связанных с недостаточной кислотностью желудочного сока. 
 
В связи с наличием такого широкого потребительского спектра выбранная тема является актуальной. 
 
Целью курсовой работы является разработка экономически эффективного, технологически реализуемого и экологически безопасного производства. 
 
Для решения этой проблемы рассмотрим реализуемые в настоящее время в промышленности методы производства соляной кислоты, выберем наиболее подходящий метод. Предложим методы совершенствования реализуемого производства и решение экологических проблем, возникающих при функционировании производства. 
1. СИНТЕЗ ХТС. 
 
1.1. ОБОСНОВАНИЕ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ХТС. 
 
Ранее соляную кислоту получали из поваренной соли действием на нее серной кислотой, так называемый сульфатный способ получения соляной кислоты. При этом кислота была низкой концентрации (22—26% НС1) и содержала большое количество примесей.  
 
Сульфатный метод основан на взаимодействии твердой поваренной соли NaCl с концентрированной серной кислотой H₂SO₄ (92-93%) при 500-550°С: 
 
2NaCl + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2HCl — Q  
 
Процесс происходит с поглощением тепла, поэтому реагирующую массу необходимо нагревать. 
 
Менее концентрированную серную кислоту не применяют, так как в этом случае хлористый водород был бы чрезмерно разбавлен парами воды, что затруднило бы получение концентрированной соляной кислоты. 
 
Сульфатный способ получения хлористого водорода применялся и применяется только тогда, когда возникала потребность в сульфате натрия. Поэтому в странах и экономических районах, имеющих запасы природного сульфата, удобные для разработки, сульфатный метод получения хлористого водорода не нашел применения. 
 
В настоящее время для производства соляной кислоты применяют синтетический хлористый водород и НС1, являющийся побочным продуктом при хлорировании органических веществ, так называемый абгазный НС1. Из синтетического хлористого водорода вырабатывают синтетическую соляную кислоту трех сортов, отличающихся концентрацией и содержанием примесей таких, как H₂S0₄, Fe и др.: в соответствии с ТУ 6-01-193—80— марку А, в соответствии с Б-ТУ 6-01-193— 70 I сорт марки Бивсоответствии с Б-ТУ 6-01-193—80— II сорт марки Б, а также реактивную соляную кислоту. Чтобы исключить примеси, реактивную кислоту получают в специальной аппаратуре из кварца, керамики или других материалов. 
 
Кислота, получаемая из абгазов, содержит 22—26% масс. НС1, значительное количество органических примесей и является весьма коррозионно-активной. Для предотвращения коррозии в абгазную кислоту добавляют ингибитор. Применение ингибитора позволяет хранить и перевозить соляную кислоту в обычных стальных емкостях и железнодорожных цистернах. Такая кислота называется ингибированной и составляет основную часть товарной соляной кислоты, получаемой из абгазов. Часть абгазной кислоты подвергают очистке и используют непосредственно на заводах для получения чистого концентрированного (100%) хлористого водорода, используемого в производстве хлорорганических продуктов. 
 
Таким образом, в промышленности соляную кислоту получают следующими способами: 
 
- сульфатным; 
 
- синтетическим, 
 
- из абгазов (побочных газов) ряда процессов. 
 
Производство соляной кислоты различной квалификации (реактивной, синтетической, абгазной) заключается в синтезе хлористого водорода с последующей его абсорбцией водой. При поглощении HCl водой возникает проблема снятия тепла абсорбции, величина которого значительна и достигает 72,8 кДж/моль HCl. Этого тепла вполне достаточно, чтобы образовавшаяся кислота закипела, т.к. при теплоемкости 29 кДж/(кг·град) его хватает для повышения температуры до 127°С. 
 
Поэтому в процессе абсорбции необходим отвод тепла, в противном случае не удается получить кислоту нужной концентрации, так как растворимость хлористого водорода с повышением температуры уменьшается.  
 
В зависимости от способа отвода тепла методы абсорбции разделяют на изотермический (при постоянной температуре), адиабатический (без теплообмена с окружающей средой) и комбинированный. 
 
При изотермической абсорбции процесс осуществляется с отводом тепла, и температура кислоты поддерживается постоянной за счет непосредственного охлаждения абсорбера, либо благодаря охлаждению циркулирующей кислоты в выносном холодильнике. При этом теоретически можно получить соляную кислоту любой концентрации, так как с понижением температуры уменьшается и парциальное давление НС1 над соляной кислотой. 
 
Изотермическую абсорбцию следует применять для получения концентрированной соляной кислоты (35-38%) и для переработки хлористого водорода низкой концентрации. Однако в последнем случае при содержании в реакционных газах свыше 40% примесей азота, водорода, метана и других проведение абсорбции в изотермических условиях нецелесообразно ввиду ухудшения теплопередачи и уменьшения полноты абсорбции. 
 
Изотермическую абсорбцию можно проводить в поверхностных абсорберах, где газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно текущей жидкости. Так как поверхность жидкости (а следовательно, и массообмен) незначительна, то такие абсорберы применяют лишь при небольших масштабах производства. Обычно устанавливают каскад абсорберов. 
 
К более совершенным типам изотермических поверхностных горизонтальных абсорберов относятся оросительные и пластинчатые аппараты, обладающие большой поверхностью теплопередачи. Наиболее перспективными являются абсорберы, позволяющие извлекать из исходного абгаза от 65-85% HCI. 
 
Адиабатическая абсорбция была предложена Гаспаряном для поглощения хлористого водорода водой с образованием соляной кислоты и нашла широкое применение в российской промышленности.  
 
При адиабатической абсорбции процесс осуществляется без отвода тепла. Соляная кислота нагревается до кипения за счет тепла растворения хлористого водорода. При этом увеличивается давление паров соляной кислоты и начинается интенсивное испарение воды. Последнее вызывает снижение температуры кипящей кислоты и возрастание концентрации соляной кислоты, что является функцией температуры. Таким образом, кипящая в адиабатических условиях соляная кислота будет концентрироваться. Температура абсорбции определяется точкой кипения кислоты соответствующей концентрации. 
 
Исходный газ, содержащий HCl вводят снизу в контактную башню, противотоком ему поступает абсорбент (обычно вода). Вместо воды или вместе с водой для орошения колонны может применяться разбавленная соляная кислота. Если кислота является единственным абсорбентом, эффективность абсорбции HCl несколько снижается и составляет 95-99% в зависимости от концентрации кислоты и давления паров HCl. Если абсорбентом является вода, хлористый водород может быть полностью поглощен. 
 
Концентрация хлористого водорода в жидкости возрастает в направлении от верха колонны к низу. В соответствии с этим меняется ее температура в колонне. Максимальной является температура кипения азеотропной кислоты (108,5 °С). Выше и ниже этой точки температура в колонне снижается и соответствует температуре кипения кислоты данной концентрации. Температура и концентрация кислоты мало зависят от изменения нагрузки в широких пределах. 
 
Распределение температур абсорбции и концентраций соляной кислоты по высоте противоточной абсорбционной колонны показано на рис. 1.1. В каждой точке колонны парциальное давление хлористого водорода приближается к равновесному для системы НС1 – H₂O при данной температуре. Условия абсорбции в колонне определяются соотношением парциальных давлений паров воды и хлористого водорода. 
 
 
 
Рис.1.1. Схема распределения температур (кривая 1) и 
 
концентрации (кривая 2) соляной кислоты 
 
по высоте адиабатического абсорбера. 
Наиболее эффективно процесс адиабатической абсорбции может быть осуществлен в насадочной или тарельчатой колонне. Материалом для изготовления колонн служит полиэфир, армированный стекловолокном, либо сталь, футерованная огнеупорным кирпичом или диабазовой плиткой на диабазовой замазке на двух слоях гуммировки. Насадочные колонны заполняются насадкой различной формы. Насадки должны обладать большой удельной поверхностью, а также быть коррозионностойкими в солянокислой среде. Это могут быть хордовые насадки из графита, пластмасс, кольцевые насадки из керамики или фарфора, седлообразные и блочные насадки. Самым распространенным видом насадок являются кольца Рашига, хорошо зарекомендовавшие себя в практических условиях, наиболее дешевые, простые в изготовлении и обладающие достаточной удельной поверхностью. 
 
Недостатком насадочных абсорберов является трудность отвода тепла в процессе абсорбции. Обычно используют циркуляционный отвод тепла в выносных холодильниках.  
 
На рис. 1.2 дана типовая схема адиабатической абсорбции НСl из абгазов, образующихся при хлорировании (например, при получении хлорбензола).  
 
После адиабатического абсорбера 1 пары хлорорганических веществ вместе с парами воды поступают в конденсатор 2, затем – в разделитель 3, где происходит разделение органической и водной фаз. Органическая фаза возвращается в производственный цикл, а водная фаза (разбавленная кислота) после нейтрализации поступает на очистные сооружения. 
 
Движение газа и жидкости в насадочных абсорберах обычно осуществляется противотоком, но созданы абсорберы и с нисходящим прямотоком. Эти колонны работают со скоростями газа до 10 м/с, что позволяет интенсифицировать процесс при уменьшенных габаритах аппарата и более низком, чем при противотоке, гидравлическом сопротивлении. 
 
Контрольно-измерительная аппаратура адиабатической системы точна, проста и надежна. Регулятор температуры, контролирующий температуру кипения кислоты нужной концентрации, регулирует поток исходной жидкости. С помощью регулятора уровня жидкости постоянно поддерживается уровень кислоты на всасывающем насосе или в холодильнике. В адиабатических системах концентрация кислоты достигает 32%. При получении кислоты с концентрацией более 32% уменьшается эффективность абсорбции. 
 
 
 
Рис.1.2. Схема типовой адиабатический абсорбции 
 
соляной кислоты из абгазов: 
 
1 – адиабатический абсорбер; 2 – конденсатор; 3–разделитель; 
 
4 – хвостовая колонна; 5 – флорентийский сосуд; 
 
6 – сборник органической фазы;7 - сборник водной фазы; 
 
8,12 – насосы; 9 – отдувочная колонна; 
 
10- теплообменник, 11 – сборник товарной кислоты. 
Получение соляной кислоты из абгазных газов с использованием комбинированной схемы абсорбции, состоящей из двух ступеней – адиабатической и изотермической, представлено в виде типовой схемы на рис. 1.3.  
 
В колонне адиабатической абсорбции 1 получают 30-32% - ную соляную кислоту, очищенную от хлорорганических примесей. Органическая фаза после конденсатора 2поступает в фазоразделитель 4 для отделения от водной фазы. Соляная кислота из колонны 1 после охлаждения в холодильнике 5 направляется из сборника 6 в колонну изотермической абсорбции 8, где донасыщается чистым хлористым водородом при пониженной температуре. 
 
Кислоту с повышенной концентрацией HCl производят в колонне изотермической абсорбции при пониженных температурах. Степень извлечения HCl из абгазов при использовании в качестве абсорбентов разбавленных кислот составляет 90-95%. При использовании в качестве абсорбента чистой воды степень извлечения почти полная. 
 
 
 
Рис.1.3. Схема получения концентрированной 
 
соляной кислоты из абгазов: 
 
1 - колонна адиабатической абсорбции; 2 - конденсатор; 
 
3-отделитель газов; 4- флорентийский сосуд; 5-холодильник; 
 
6, 9-сборники кислоты; 7-насосы; 8-изотермический абсорбер. 
Синтез хлористого водорода из элементов дает концентрированный хлористоводородный газ (содержащий 80-90% и больше HC1), легко поддающийся сжижению, а поглощение его дистиллированной водой позволяет получать чистую реактивную кислоту, концентрация которой при необходимости может достигать 38%. 
 
В основе прямого синтеза соляной кислоты лежит цепная реакция горения: 
 
Н₂ + Сl₂ ? 2НСl+184,7кДж 
 
Реакция инициируется светом, влагой, твердыми пористыми веществами (древесный уголь, пористая платина) и некоторыми минеральными веществами (кварц, глина). Абсолютно сухие хлор и водород не взаимодействуют между собой. Присутствие следов влаги ускоряет реакцию столь интенсивно, что она может произойти со взрывом. В производственных установках осуществляется спокойное, не взрывное горение водорода в токе хлора. Синтез в камерах сжигания ведут с избытком в 5-10% водорода, что позволяет полностью использовать более ценный хлор и получить незагрязненную хлором соляную кислоту.  
 
Сжигание смеси хлора и водорода производится в печах различных конструкций, представляющих собой небольшие камеры из огнеупорного кирпича, плавленого кварца, графита или металла. Для предотвращения взрывного характера горения реагенты смешивают непосредственно в факеле пламени горелки. В верхней зоне камер сжигания устанавливают теплообменники для охлаждения реакционных газов до 150-160°С. Мощность современных графитовых печей достигает 65т/сут (в пересчете на соляную кислоту содержащую 35% HCl).  
 
Иногда применяют двухконусные стальные печи с естественным воздушным охлаждением. В этой печи обеспечивается равномерная тепловая нагрузка стенок, так как форма печи близка к форме факела. Корпус печи изготавливается из 8-миллиметровой листовой стали. 
 
Нижняя цилиндрическая часть корпуса и съемное днище печи футерованы огнеупорным кирпичом. В верхнем конце печи расположена предохранительная мембрана, изготавливаемая из паронита или асбеста. В печи поддерживается давление 6 кПа, температура наружной стенки печи достигает 400°С, а температура выходящего газа должна быть не выше 250 °С. Недостатком стальной печи является то, что полученный хлористый водород содержит относительно большое количество железа, остатков от прокаливания. Это отрицательно влияет на качество соляной кислоты. 
 
Кварцевая аппаратура очень дорогая и хрупкая, что создает затруднения при ее обслуживании. Поэтому она применяется очень ограниченно, например при получении НС1 для особо чистой соляной кислоты. В последнее время наиболее современным материалом, предотвращающим загрязнение продукта, является графит, импрегнированный феноло-формальдегидными смолами. 
 
В случае дефицита водорода применяют различные модификации процесса. Например, пропускают смесь Cl₂ c водяным паром через слой пористого раскаленного угля: 
 
2Сl₂ + 2Н₂О + С = 4НСL + СО₂ + 288,9 кДж 
 
Вследствие большой экзотермичности реакция протекает без внешнего подвода тепла. 
 
Температура процесса составляет 1000-1600°С, зависит от типа угля и наличия в нем примесей, являющихся катализаторами (например Fe₂0₃). При работе с активированным углем, коксом и древесным углем с примесью оксида железа в реакционной зоне должна поддерживаться температура 400-450°С. Образующийся газ содержит 65-78% НС1, 15-18% С0₂, 2-4% СО. 
 
Недостаток метода состоит в том, что концентрация получаемого хлористого водорода ниже, чем при прямом синтезе, кроме того, он содержит примеси водяного пара. 
 
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что получение соляной кислоты из хлора и водорода - основной способ промышленного производства данного продукта. 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 конденсации, 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 (рис. 1.4.):  
 
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. 
 
 
 
Рис. 1.4. Принципиальная схема получения соляной кислоты. 
 
Хлористый водород получают путем сжигания водорода в атмосфере хлора в печи. Печь имеет специальную горелку, опорную конструкцию, смотровой и запальный лючки и люк для осмотра. Днище печи футеровано диабазом. Смотровые люки предназначены для наблюдения за цветом пламени, а запальные - для розжига печи, который осуществляют специальной горелкой, присоединенной к водородному коллектору резиновым шлангом. Только после загорания водорода в основной горелке в печь синтеза подают хлор. 
 
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. 
 
1.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНОГО СЫРЬЯ 
 
Простое вещество хлор при нормальных условиях — ядовитый газ желтовато-зелёного цвета, с резким запахом. Молекула хлора двухатомная (формула Cl₂). 
 
Хлор очень активен — он непосредственно соединяется почти со всеми элементами периодической системы. Поэтому в природе он встречается только в виде соединений в составе минералов: галита NaCI, сильвина KCl, сильвинита KCl · NaCl, бишофита MgCl₂ · 6H2O, карналлита KCl · MgCl₂ · 6Н₂O, каинита KCl · MgSO₄ · 3Н₂О.  
 
Самые большие запасы хлора содержатся в составе солей вод морей и океанов (содержание в морской воде 19 г/л). Растворы хлоридов – обязательная составная часть живых организмов. В организме человека и животных хлор содержится в основном в межклеточных жидкостях (в том числе в крови) и играет важную роль в регуляции осмотических процессов, а также в процессах, связанных с работой нервных клеток. 
 
Хлор хорошо растворим в неполярных жидкостях, хуже - в воде. В концентрированных растворах NaCl растворимость С1₂ в несколько раз ниже, чем в воде. В водном растворе хлора устанавливается равновесие:  
 
Cl₂ + H₂O ? HClO + Cl^- + H⁺ 
 
Газообразный хлор относительно легко сжижается. Начиная с давления в 0,8 МПа (8 атмосфер), хлор будет жидким уже при комнатной температуре. При охлаждении до температуры в ?34 °C хлор тоже становится жидким при нормальном атмосферном давлении. 
 
Жидкий хлор — жёлто-зелёная жидкость, обладающая очень высоким коррозионным действием (за счёт высокой концентрации молекул). Повышая давление, можно добиться существования жидкого хлора вплоть до температуры в +144 °C (критической температуры) при критическом давлении в 7,6 МПа. 
 
Хлор непосредственно реагирует почти со всеми металлами (с некоторыми только в присутствии влаги или при нагревании), с неметаллами (кроме углерода, азота,кислорода и инертных газов) образует соответствующие хлориды. При реакции с фтором, образуется не хлорид, а фторид. Хлор очень сильный окислитель. 
 
На свету или при нагревании активно реагирует (иногда со взрывом) с водородом по радикальному механизму. Смеси хлора с водородом, содержащие от 5,8 до 88,3 % водорода, взрываются при облучении с образованием хлороводорода. Непосредственное взаимодействие водорода и хлора используют для промышленного получения хлористого водорода. Смесь хлора с водородом в небольших концентрациях горит бесцветным или желто-зелёным пламенем. Максимальная температура водородно-хлорного пламени 2200°C. 
 
С кислородом хлор образует оксиды, в которых он проявляет степень окисления от +1 до +7: Cl₂O, ClO₂, Cl₂O₆, Cl₂O₇. Они имеют резкий запах, термически и фотохимически нестабильны, склонны к взрывному распаду. 
 
Первоначально промышленный способ получения хлора основывался на методе Шееле, то есть реакции пиролюзита с соляной кислотой: 
 
MnO₂ + 4HCl ? MnCl₂ + Cl₂? + 2H₂O 
 
Сегодня хлор в промышленных масштабах получают вместе с гидроксидом натрия и водородом путём электролиза раствора поваренной соли: 
 
Анод: 2Cl^? — 2е^? ? Cl₂⁰? 
 
Катод: 2H₂O + 2e^? ? H₂? + 2OH^? 
 
Применяется три варианта электрохимического метода получения хлора. Два из них электролиз с твердым катодом: диафрагменный и мембранный методы, третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым легким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути. 
 
В лабораториях для получения хлора обычно используют процессы, основанные на окислении хлороводорода сильными окислителями (например, оксидом марганца (IV), перманганатом калия, дихроматом калия): 
 
2KMnO₄ + 16HCl ? 2KCl + 2MnCl₂ + 5Cl₂? +8H₂O 
 
K₂Cr₂O₇ + 14HCl ? 3Cl₂ + 2KCl + 2CrCl₃ + 7H₂O 
 
Водород – первый элемент периодической системы элементов. Атом водорода наименьший по размерам и самый легкий среди атомов всех элементов. 
 
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул,атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре. 
 
Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха. 
 
Молекула водорода двухатомна — Н₂. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения ?252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9Ч10⁶ Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре. 
 
Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от ?252,76 до ?259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая и текучая. Критические параметры водорода очень низкие: температура ?240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. 
 
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре: 
 
СН₄ + 2Н₂O = CO₂? + 4Н₂ ?165 кДж 
 
Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком. Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой. 
 
Хлористый водород - применяется для получения хлоридов металлов, органических продуктов - хлоропрена, органических красителей, гидролизного спирта, глюкозы, сахара, желатины и клея; для дубления и окраски кож, омыления жиров; при производстве активного угля, крашении тканей, травлении металлов; в гидрометаллургических процессах; в гальванопластике, нефтедобыче. 
 
Хлористый водород получается взаимодействием Н₂ и Сl₂ при ~2400° или NaCl с H₂SO₄ при 500-550°; как побочный продукт в процессах хлорирования органических соединений; в некоторых процессах неорганической технологии. 
 
Хлористый водород - бесцветный газ с резким запахом. Т. плавл. -114,2°; т. кип. -85,1е; плотн. 1,639 г/л; давл. паров 25,46 кгс/см2 (0°), 45,58 кгс/см2 (20°); коэфф. раств. в воде 485,6 (20°), 477,2 (30°). В воздухе образует белый туман. Образует ряд жидких гидратов. Сухой хлористый водород на металлы почти не действует.  
 
1.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ГОТОВОГО ПРОДУКТА 
 
Соляная кислота (хлористоводородная кислота, хлороводородная кислота) – сильная одноосновная кислота, раствор хлористого водорода в воде.  
 
Соляная кислота - бесцветная жидкость с острым запахом хлористого водорода. Техническая соляная кислота имеет желтовато-зеленый цвет из-за примесей хлора и солей железа. Максимальная концентрация соляной кислоты при 20°C равна 38% по массе, плотность такого раствора 1,19 г/см³, на воздухе он «дымит», т.к. выделяющийся HCl образует с водяным паром мельчайшие капельки. 
 
Растворимость хлористого водорода в воде зависит от температуры и парциального давления хлористого водорода в газовой смеси. При затвердевании соляная кислота даёт кристаллогидраты составов HCl∙H₂O, HCl∙2H₂O, HCl∙3H₂O, HCl∙6H₂O. 
 
НС1 образует с водой азеотропную смесь. В системе HCl-вода существуют три эвтектические точки: -74,7°С (23,0% по массе НС1), -73,0°С (26,5% НО), -87,5°С (24,8% НС1, метастабильная фаза). Известны кристаллогидраты НС1-пН₂О, где n = 8, 6 (Тпл. -40 °С); 4, 3 (Тпл. -24,4°С); 2 (Тпл. -17,7°С) и 1 (Тпл. -15,35°С). Лед кристаллизуется из 10%-ной соляной кислоты при -20°С, из 15%-ной при -30°С, из 20%-ной при -60°С и из 24%-ной при -80°С. 
 
Соляная кислота химически весьма активна. Растворяет с выделением водорода все металлы, имеющие отрицательный нормальный потенциал, со многими оксидами и гидроксидами металлов образует хлориды, выделяет свободные кислоты из таких солей, как фосфаты, силикаты, бораты и др. 
 
Будучи сильной кислотой, она обладает всеми свойствами кислот. Соляная кислота реагирует со следующими веществами: 
 
- с металлами стоящими в электрохимическом ряду металлов до водорода; 
 
- оксидами всех металлов; 
 
- с гидроксидами металлов; 
 
- с солями металлов образованных более слабыми кислотами. 
 
Некоторые органические вещества, добавленные к соляной кислоте, сильно тормозят растворение ею металлов. Чем концентрированнее кислота, с тем меньшей скоростью она растворяет металл в присутствии незначительного количества ингибитора. К числу распространенных относятся ингибиторы ПБ - полимеры бутилимина. Тормозящее действие ингибиторов объясняется адсорбцией органического вещества на поверхности металла, в результате которой образуется защитный слой, повышающий перенапряжение выделения водорода на металле. Большинство ингибиторов проявляют свое защитное действие ниже 70-80^оС. К ингибиторам, стойким при более высокой температуре (100-110^оС), относятся уротропин, акридин, "пенореагент" ПР-1. 
 
Ингибированная кислота растворяет сталь в десятки и в сотни раз медленнее, чем неингибированная. Средняя скорость растворения стали в ингибированной кислоте не превышает 0,15 г/м-ч, что соответствует уменьшению толщины стенок резервуара всего на 0,16 мм в год. Ингибированную соляную кислоту применяют для травления. В процессах травления ингибированная кислота легко (с такой же скоростью, как и неингибированная) очищает поверхность черного металла от ржавчины, окалины, накипи и других отложений, растворимых в соляной кислоте. При этом не происходит разрушение самого металла. 
 
Соляная кислота применяется для получения ее солей (хлорида бария, хлорида цинка и др.), при травлении металлов, а также в пищевой промышленности и медицине. Как реагент используется во всех химических лабораториях. 
 
1.4. ОЧИСТКА СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ 
 
В абгазном хлористом водороде и получаемой из него соляной кислоте всегда содержатся различные примеси, обусловленные, главным образом, процессами хлорирования, гидрохлорирования, дегидрохлорирования и фторирования. Для использования абгазной соляной кислоты взамен синтетической или абгазного хлористого водорода для синтетических целей нербходима очистка этих продуктов от примесей. 
 
Большинство примесей, сопутствующих абгазному хлористому водороду, можно разделить на четыре группы: инертные вещества (трудносорбируемые газы - азот, водород, метан и др.); органические соединения, малорастворимые в воде (хлорбензол, хлорметаны) и водорастворимые (хлораль, уксусная кислота и др.); соединения кислотного характера(0₂, С1 2, HF и т. п.); вода. 
 
Выбор метода очистки абгазного НС1 от примесей зависит от их природы и особенностей технологического процесса, в котором используется хлористый водород. 
 
Процессы очистки абгазного НС1 основаны на следующих методах: 

•  
  абсорбция или адсорбция хлористого водорода из газовой смеси с последующей десорбцией (селективное выделение);
•  
  отгонка, экстракция, конденсация или химическая обработка примесей с переводом в легкоотделяемые от НС1 соединения;
•  
  ректификация хлористого водорода из его смеси с примесями.

 
 
 
1.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ  ТОПОЛОГИИ ХТС 
 
Определение видов связи между аппаратами в технологической схеме производства синтетической соляной кислоты. 
 
В этой схеме в используется последовательный тип соединения аппаратов. 
 
Огнепреградитель, печь синтеза HCl и игуритовый холодильник имеют последовательное соединение. Абсорберы I и II соединены между собой обратной связью, так как образовавшаяся во II абсорбере разбавленная соляная кислота возвращается в I абсорбер для его орошения. Соляная кислота из изотермического абсорбера подается последовательно в фазоразделитель, общий кислотный коллектор, далее в емкость-хранилища соляной кислоты. А газ направляется в абсорбер II, где образуется разбавленная соляная кислота. Непоглощенные газы, содержащие Н₂, N₂, хлористый водород и пары воды из абсорбера II последовательно поступают в санитарную колонну, где происходит окончательная отмывка непоглощенного газа от хлористого водорода. 
 
Так как в схеме существует обратная технологическая связь, то схема является замкнутой. 
1.6. УСТАНОВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ 
 
ПАРАМЕТРОВ ХТС, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА И ПОТОКОВ. 
 
Синтез хлористого водорода из хлора и водорода ведут в печи синтеза - вертикальном цилиндрическом сварном аппарате, выполненном из нержавеющей стали1Х18Н9Т. При диаметре печи 2м и высоте примерно 10м производительность печи 20 т/сут. В печи поддерживается повышенное давление (не более 3 · 10⁵ Па), что исключает подсос воздуха, благодаря чему исключается также образование в печи взрывоопасных смесей водорода и кислорода. 
 
Синтез хлористого водорода идет энергично с большим выделением тепла и образованием светящегося пламени. Все печи синтеза работают в водородном режиме, исключающем проскок хлора в хлористом водороде. Соотношение С1₂ : Н₂ = 1: 1,03-1,1. 
 
Факел пламени сгорающих газов имеет температуру около 2000°С и понижается по высоте печи до 800-1200°С. Температура наружной стенки печи должна быть не ниже 200 и не выше 400°С. 
 
Абсорбционные колонны выполнены из фаолита и снабжены насадкой из колец Рашинга размером 25х25х3 мм. Температура абсорбции составляет 82-85°С, она регулируется за счет испарения воды, подаваемой на абсорбцию. 
 
Санитарная колонна заполнена насадкой из колец Рашинга и орошается водой. 
 
1.7. ИЗОБРАЖЕНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ХТС 
 
Химическая модель 
 
H₂ + Cl₂ = 2H₂Cl 
 
Функциональная схема 
 
 
 
 
H₂ 
Операторная схема  
 
 
 
Структурная схема 
 
 
 
1 - огнепреградитель;  
 
2 – печь синтеза HCl;  
 
3-холодильник; 
 
4- изотермические абсорберы;  
 
5-емкость соляной кислоты; 
 
6-санитарная колонна;  
 
7-насос; 
 
8- фазоразделители. 
 
Технологическая схема  
 
 
 
1 - огнепреградитель;  
 
2 – печь синтеза HCl;  
 
3-холодильник; 
 
4- изотермические абсорберы;  
 
5-емкость соляной кислоты; 
 
6-санитарная колонна;  
 
7-насос; 
 
8- фазоразделители. 
 
Вспомогательное оборудование имеет следующую характеристику. Огнепреградитель - стальной, сварной, вертикальный цилиндрический аппарат с приварным сферическим днищем и съемной крышкой на болтах. Заполнен насадкой из гравия с зернами размером 3-4 мм. Холодильник игуритовый, противоточный пластинчатый. Поверхность теплообмена 10-22 м². Изотермический холодильник - из пропитанного графита - противоточный, пластинчатый. Поверхность теплообмена 11 м².Хвостовая колонна - вертикальный цилиндрический аппарат, защищен диабазовой плиткой по гуммировке. Емкость для соляной кислоты (50 м³) - сварная цилиндрическая с приварным сферическим днищем и съемной сферической крышкой на болтах. Емкость футерована диабазовой плиткой на диабазовой замазке в дваслоя по гуммировке. 
 
Электролитический или абгазный хлор под давлением не ниже 1,6 · 10⁵ Па (регистрируется прибором) поступает по трубопроводу к печам синтеза 2 . Водород предварительно компримируется и под давлением не более 3 · 10⁵ Па 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 линии 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 игуритовый 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_I и 4_II (по два на каждую печь). 
 
Через один из штуцеров в изотермический абсорбер 4_II подается обессоленная вода, через другой - вода на охлаждение абсорбера. Из изотермического абсорбера 4_I газ и соляная кислота при температуре 20-40°С и при концентрации не ниже 31% поступают в фазоразделитель 8, из которого кислота далее направляется в общий кислотный коллектор и в емкости- хранилища 5, а газ направляется в абсорбер 4_II , где образуется разбавленная соляная кислота. Эта кислота идет на орошение абсорбера 4_I, 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. 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
 
В мировой практике производится около 25 млн. т хлора. Значительная часть его расходуется на производство хлорсодержащих продуктов, в результате которых более 50% используемого хлора превращается в побочный продукт - так называемый абгазный хлористый водород или абгазную соляную кислоту. 
 
Соляная кислота — важнейший продукт химической промышленности. Она идёт на получение хлоридов различных металлов и синтез хлорсодержащих органических продуктов. Соляную кислоту применяют для травления металлов, для очистки различных сосудов, обсадных труб буровых скважин от карбонатов, окислов и др. осадков и загрязнений. В металлургии ею обрабатывают руды, в кожевенной промышленности — кожу перед дублением. Соляная кислота — важный реактив в лабораторной практике. Транспортируют соляную кислоту в стеклянных бутылях или гуммированных (покрытых слоем резины) металлических сосудах. 
 
Непременным условием научно-технического прогресса является комплексное использование сырьевых ресурсов. Одной из важных народнохозяйственных проблем является утилизация хлористого водорода - побочного продукта многих производств.  
 
При получении хлор- и фторсодержащих растворителей и мономеров, фреонов, пестицидов, при хлорировании парафиновых и ароматических углеводородов, первичных и вторичных спиртов, кетонов и кислот более половины используемого хлора расходуется на образование хлористого водорода. Значительное его количество образуется также при гидролизе неорганических хлоридов, например, при переработке хлорида магния в оксид, в производстве аэросила из тетрахлорида кремния и т. п. В то же время большие количества хлора используются для производства синтетического хлористого водорода, технической и реактивной соляной кислоты.  
 
Поэтому рациональное получение и последующая переработка побочно образующегося хлористого водорода имеет не только экономическое значение, но позволяет также предотвратить загрязнение окружающей среды. 
 
Возможны следующие основные пути решения этой проблемы: 

1.  
   комбинирование производств, в основе которых лежат процессы прямого хлорирования и гидрохлорирования непредельных соединений, прямого и окислительного хлорирования, прямого хлорирования, дегидрохлорирования и гидрохлорирования с заменой синтетического хлористого водорода на абгазный;
2.  
   замена синтетической соляной кислоты кислотой, побочно образующейся в производстве хлорорганических и хлорнеорганических продуктов;
3.  
   использование соляной кислоты вместо других минеральных кислот, например вместо серной кислоты, для травления металлов или для производства фосфорной кислоты;
4.  
   регенерация хлора электролизом соляной кислоты или каталитическим окислением хлористого водорода.

 
При этом следует учитывать, что  побочный хлористый водород загрязнен разнообразными примесями исходного сырья, полупродуктов, побочных и целевых продуктов неорганического и органического происхождения. Применение неочищенного хлористого водорода или соляной кислоты приводит к отравлению катализаторов, образованию других побочных продуктов и к снижению выхода и качества промышленной продукции. Поэтому побочно образующиеся хлористый водород или соляная кислота должны быть очищены от лимитируемых примесей в тех случаях, когда эти продукты применяются для синтеза, электролиза, окисления и получения синтетической или реактивной соляной кислоты. 
 
Одно из важных преимуществ синтетической соляной кислоты, полученной из электролитического хлора и водорода, по сравнению с тем же продуктом, изготовленным химическими способами,— ее высокая чистота. 
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 

1.  
   Левинский М. И. Хлористый водород и соляная кислота/ М.И. Левинский, А. Ф. Мазанко, И. Н. Новиков – М.: Химия, 1985. – 160 с., ил.
2.  
   Якименко Л. М., Пасманик М. И., Справочник по производству хлора, каустической соды и основных хлорпродуктов, 2 изд., М., 1976.
3.  
   Мельников Е.Я. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений / Е.Я. Мельников, В.П. Салтанова, А.М. Наумова, Ж.С. Блинова – М.: Химия, 1983. – 432 с., ил.
4.  
   Пахомов А.Н. Основы моделирования химико-технологических систем: учебное пособие / А.Н. Пахомов, В.И. Коновалов, Н.Ц. Гатапова, А.Н. Колиух. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 80 с.
5.  
   Основы химической технологии / под ред. И.П. Мухлёнова. -- 4-е изд., перераб. и доп. - М: Высшая школа, 1991. - 463с.
6.  
   Соколов Р.С. Химическая технология. Учеб. пособие для вузов. Т.1. – М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. – 368с