氯化氢合成与吸收工艺设计及运行总结.doc

氯化氢合成与吸收工艺设计及运行总结
王真贝，黄建成
（江苏扬农化工集团，江苏 扬州 225000）
[关键词]：氯化氢合成 石墨二合一 氯化氢吸收 设备选型 运行情况
[摘要]：对扬农化工集团产能扩建项目中盐酸合成工艺的设计过程进行了简要的概述。对于设备选型以及后期运行情况进行了分析，并对生产过程出现的异常现象以及处理办法进行了描述。
Hydrogen chloride synthesis and absorption of process design and operation summary
Wang Zhenbei*，Huang Jiancheng

（Jiangsu Yangnong Chemical Industry Co.,Ltd., Jiangsu Yangzhou 225000，China)
[key words]: hydrogen chloride synthetic graphite hydrochloric acid absorption type equipment operation
[Abstract]: the design process of the synthesis of hydrochloric acid production capacity expansion project Yangnong Chemical Industry Co.,Ltd., in brief. For equipment selection and post operation are analyzed, the abnormal phenomenon and appeared on the production process and processing method are described.

1、前言
盐酸是氯碱化工的主要产品之一，目前盐酸合成工艺多数采用合成和吸收两大操作单元组成。合成炉是制造氯化氢气体或盐酸的主要设备。过去工艺上应用比较广泛的是钢制合成炉，而近期均以石墨合成炉为主。由于石墨材料具有耐腐蚀、耐高温、传热效率高等优点，其应用越发广泛。配合夹套冷却的合成炉可以降低炉内氯化氢温度，提高生产能力，甚至可以利用反应热副产蒸汽。[1]
扬农化工集团氯碱分厂离子膜以及隔膜电解工艺碱产能为12万吨/年，配套产生氯气3.5万吨/年，盐酸工段作为氯气平衡的工段之一，采用氢气和氯气反应生成氯化氢，再用吸收水吸收产生32%盐酸作为产品出售。原来盐酸工段有φ700的合成炉2台，单套产能为1.5万吨/年，为满足集团产能扩大的发展需求，新增1台φ1200的石墨二合一氯化氢合成炉，炉体采用内衬石墨，外体钢制的合成炉，配套吸收系统。此类合成工艺具有以下特点：1、炉体温度低 (530±30)℃；2、设备寿命长，平均使用寿命约2年；3、制造及安装方便；4、吸收效率高；5、操作弹性较大；6、系统三废产生量少。

2、工艺设计要求
合成炉选用石墨合成炉。本次设计是在扬农集团多年积累的设计经验、运行的基础上，设计出工艺合理、设备优选、产能以及质量满足要求的φ1200石墨二合一氯化氢合成炉。

3、工艺参数计算
本合成工艺设计按照年产2.5万吨32%盐酸，年生产天数330天计算。合成炉系统工艺由合成炉本体、空冷管道（配马槽通冷水冷却）、石墨冷却器、三级吸收塔、水流泵等部分组成。具体工艺流程见图1。

图1 盐酸合成工艺流程图
3.1合成系统计算
3.1.1合成炉燃烧体积计算
合成工艺采用合成炉作为氯气和氢气反应的场所，本次设计合成炉是石墨二合一合成炉，采用三层灯头，氯气从中间进入，氢气从二层进入，氢气包裹着氯气安静燃烧，最外围一层淌冷凝酸，那么选取合适的燃烧容积V是保证炉内氯气和氢气混合、燃烧状态良好、火焰垂直向上无散射、无偏烧的先决条件。根据扬农化工集团φ700合成炉设计的成功经验。合成炉生产强度取55～95kg(m3·h)为宜，本次设计取90kg/(m3·h)。经计算单台合成炉燃烧容积y取11.1m3。[2]
3.1.2合成炉炉体换热面积计算
合成炉内，氯气和氢气反应生成氯化氢气体，该反应为放热反应，为促进反应向正方向进行，必须及时移出反应热，同时保证生产的安全稳定。散热面积采用下式计算：S=Q/K△￡R，式中：S为散热面积，m2；K为传热系数，kJ／(m2·h·℃)；Q为反应总热量，kJ／h；R为修正系数；△￡为平均温差，℃。根据计算，总移出热量Q=229.56kj/s，总传热系数K=14.58w/m2·℃，平均温差△￡=475℃，修正系数R=1.35，经计算的S为44.8m2。
3.1.3合成炉其它参数选取
炉体结构为圆柱体。炉体内直径为1.2m，外直径为1.6m，高为20m。灯头：气体3层分布，内为φ100管(氯)，外中φ125管(氢)，炉内上升速度：0 120m/s，工作炉温：(570±20)℃，炉压：101.3kPa，校核后，取炉体体积V=11.3m3，炉体换热面积S=68.3m2。
3.1.3冷却器选型
氯化氢气体经冷却后(≤108℃),在含有水的情况下,生成盐酸具有强腐蚀性。因此冷却器选择材质为石墨,顾及系统压降及安全选择石墨径向式园块孔冷却器同时它能经受更大压力的冲击,更能耐高温而不易损坏。
按照冷却器气相进口温度为150℃，出口温度为40℃，冷却水进水温度30℃，出水温度33℃计算，冷凝器总传热系数为2400Kj/hr·m2·℃，冷却负荷为4899814.205Kj/d，冷凝器面积要求为32.59m2，圆整后为33m2，选型JXZ-03。

3.2吸收系统计算
3.2.1 吸收塔塔径选取
经计算，吸收系统混合气体体积流量为17489.6618m3/d，液相体积流量为50.94412m3/d，填料选取25mm*25mm*2.5mm的瓷质拉西环以乱堆方式填充。经计算及查乱堆填料泛点线得出泛点气速umax=1.6m/s，空塔气速的适宜值取泛点气速的60%~80%，本设计取u=1.05m/s作为设计气速，计算圆整后，塔径取0.7m。
3.2.2 吸收塔填料高度选取
工作温度选取30℃，对气相传质系数kyα=0.0116kmol/（m3·s），液相传质系数kLα=0.6732kmol/（m3·s），总传质系数KYα=0.01069kmol/（m3·s），惰性气体流量V=2085.8925kg/d，溶剂流量L=5044.119kg/d，塔截面积Ω=0.1923m2。通过计算得出传质单元高度为0.4027m，传质单元数为7.37，修正系数取1.5，实装填料高度取4.45m，分三级吸收塔安装。[3]
3.2.3合成一级吸收塔选型
盐酸具有强腐蚀性,径向园块孔降膜吸收塔具有耐冲击,压降小,换热效果好等优点,故选择石墨径向式园块孔降膜吸收塔。
按照吸收塔气相进口温度为40℃，出口温度为40℃，冷却水进水温度30℃，出水温度35℃，淌酸温度45℃，进酸质量分数12.8%，淌酸质量分数32%计算，吸收塔总传热系数为2637.81Kj/hr·m2·℃，冷却负荷为264574075Kj/d，冷凝器面积要求为33.89m2，圆整后为35m2，选型MS-07，吸收效率折合拉西环填料高度2.78m。
3.2.4合成二级吸收塔选型
塔类型选择同合成一级吸收塔，按照吸收塔气相进口温度为40℃，出口温度为30℃，冷却水进水温度35℃，出水温度40℃，淌酸温度45℃，进酸质量分数2.2%，淌酸质量分数12.8%计算，吸收塔总传热系数为2637.81Kj/hr·m2·℃，冷却负荷为13205209.99Kj/d，冷凝器面积要求为28.9m2，圆整后为30m2，选型MS-06，吸收效率折合拉西环填料高度1.47m。
3.2.5合成三级吸收塔选型
按照吸收塔气相进口温度为30℃出口温度为27℃，淌酸温度32℃，进酸质量分数0%，淌酸质量分数2.2%，以乱推拉西环填料计算，溶剂流量L=5044.119kg/d，塔截面积Ω=0.1923m2。通过计算得出传质单元高度为0.4027m，传质单元数为0.5，修正系数取1.5，实装填料高度取0.31m。

4、结论与讨论
4.1 运行总结
2012年7月14日，合成炉点火成功，经过一系列调试，各项运行指标达到了设计要求：氯化氢体积分数为86.5%~92%，无游离氯；炉压为0.02~0.03MPa；氯化氢出口温度为45~55℃；吸收水转子流量控制范围在0.5m3/h~1.4m3/h；高纯酸比重在1.158~1.160kg/m3，对应的酸浓度为31~32%。
对比之前使用的铁质合成炉，石墨二合一合成炉具有以下优点：1、石墨材料耐腐性强，使用过程炉体腐蚀小，使用至今没有发现炉体有腐蚀现象，使用周期较铁质合成炉长；2、生产负荷高，产能大，炉体采用夹套水冷却，冷却效果好，可调控空间大，降低后续吸收系统冷却负荷，查看过去生产记录，目前该合成炉的日产量相当于过去使用的同规格铁制合成炉1.5倍以上；3、成品酸质量提高，产出氯化氢中含铁量低，产酸质量达标率高，目前生产的高纯酸质量分数为31.2%~32.2%，含Ca2++Mg2+≤200PPm，Fe3+≤500PPm。4、炉体带有夹套水冷却，内衬石墨，外用钢材，导热效果好且防腐蚀不易漏，无高温辐射，安全稳定，工作环境得到明显改善。

4.2 存在问题
1、开车初期，由于合成炉进气量大，炉头火焰观察困难，控制进气H2：Cl2=1.15：1较难，容易过氯，造成氯化氢的游离氯在瞬间超标，影响了正常以及操作；
2、开车点火后，塔内炉压容易偏高，导致易熄火的现象，经过逐一排查的办法，发现水流泵抽力较低，如果系统压力有波动，易导致炉内压力高；
3、停车，抽真空，正常检修过程中，出现防爆膜爆裂现象，经过检查发现观察炉火的视镜出漏真空的现象，同时检查炉顶的防爆膜，由于采用利旧的防爆膜，出现了老化的现象；
4、三级吸收塔淌酸管道存在淌酸不畅现象，同时易发生爆鸣，经过检查发现三级吸收塔淌酸管道液封前走向有一定的上扬，导致管内气体难以排出，产生酸封气以及爆鸣的现象。

4.3 整改措施
1、清理观察视镜，方便观察。对氯气进气管道孔板流量计重新核查，由于孔板流量计孔径大小选择偏大，导致流量系数C0变大，同时孔截面积A0增加，导致按照压差调节时精度降低，控制过程容易产生偏差，导致过氯现象。针对现有工况对孔板流量计的孔径重新计算选型，通过计算，将孔板内径由原来的Φ50mm调整到Φ45mm，再根据压力、温度等条件计算孔板流量计出对应刻度的摩尔数，并对三班员工进行培训，严格控制进气比在技控点要求范围内；
2、对水流泵的抽力进行重新计算确定，更换水流泵由原来的配套金属水流泵更换为四氟水流泵，对于看开车点火前水流泵的运行操作进行规范，针对此合成炉的特点，调整炉压技控点指标，保证炉内压力在合理的技控点指标内；
3、对炉头观察炉火的视镜进行紧固，对炉内防爆压力进行核算，选定适宜规格的防爆膜并更换，制定定期工作，增加防爆膜处的巡回点；
4、对液封前的管路进行调整，将原来的上扬趋势改为有一定的向下倾斜趋势，利于将淌酸夹带的气体排回吸收塔，消除淌酸不畅以及爆鸣等安全隐患。

参考文献
[1] 二合一石墨合成炉生产氯化氢运行总结。氯碱工业，2004（7）：30-43。
[2] 40t/d氯化氢合成炉设计。氯碱工业，1994（7）：24-27。
[3] 化工工艺设计手册（第三版）。北京：化学工业出版社，2003。

[作者简介]王真贝（1989—），男，本科学历，现于江苏扬农化工集团氯碱分厂从事工艺设计及管理工作。