劉 震,苑 麗
(滄州大化TDI有限責任公司,河北 滄州 061000)
上游工序來氯化氫氣體進入氯化氫吸收塔,用水對氯化氫氣體進行吸收,生成的產品鹽酸可用于金屬加工、有機合成、冶金等行業,產生較大的經濟效益。
來自上游工序的混合氣體(主要成分為氯化氫)自塔釜進入氯化氫吸收塔,與下塔節上部噴淋的稀鹽酸在陶瓷規整填料表面逆流接觸,進行傳質,絕大部分氯化氫被稀鹽酸吸收,未被吸收的少量氯化氫進入上塔節,被塔頂部噴淋的工藝水進行二次吸收,塔釜中的30%~32%鹽酸一部分作為成品酸采出,另一部分通過塔底循環泵加壓后進入鹽酸換熱器,移走氯化氫吸收過程中產生的熱量,冷卻后的鹽酸自下塔節頂部進入吸收塔,與上塔節新鮮水吸收氯化氫產生的稀鹽酸混合,進入下塔節吸收自塔釜進入的氯化氫,惰性氣體自塔頂放空,工藝流程見圖1。
氯化氫在水中的溶解度很大,在101.33kPa、60℃時,1體積水能溶解338.7體積氯化氫,氯化氫在水中的溶解度隨著氣相中氯化氫分壓的升高而增加,隨著溫度的升高而降低。
圖1 氯化氫吸收工藝流程圖
氯化氫溶于水產生大量的熱,在生成氯化氫質量分數為30%的溶液時,溶解熱為1 712 kJ/kg氯化氫。如果這部分熱量不能被及時移走,系統溫度會逐漸升高,氯化氫溶解度隨之下降,如在101.33 kPa、30℃時氯化氫在水中的溶解度為40.23%,而在101.33 kPa、60℃時,氯化氫的溶解度降至35.94%,同時,隨著溫度的升高,氯化氫-水系統平衡時氣相中氯化氫濃度升高,同樣不利于氯化氫的吸收,因此這部分熱量只有及時移出系統,控制氯化氫吸收溫度在要求范圍內,才能保證生產的正常進行。該公司氯化氫吸收系統塔釜溫度≤75℃,鹽酸中氯化氫質量分數為30%~31%范圍內時,能夠平穩、正常運行。
以日產為30%鹽酸500t,成品酸采出溫度為75℃,吸收溫度為57℃,放空的惰性氣體溫度為25℃為例。
氯化氫氣量控制在6 250 kg/h,溶于水時放出的熱量:
6 250×1 712=10.7×106(kJ)
吸收塔新鮮水量控制在14 583 kg/h,溫度由25℃升至57℃時吸收的熱量:
14 583×4.2×(57-25)=1 959 955(kJ)
氯化氫進口溫度控制在5℃,溫度升至57℃時吸收的熱量,氯化氫的等壓比熱容為0.8117J/(g·℃)
6 250×0.811 7×(57-5)=263 793(kJ)
采出成品鹽酸帶走的熱量:
20 833×(75-57)×2.771=1 039 158(kJ)
惰性氣體帶走的熱量:
127×(25-5)×0.975=2 478(kJ)
熱損失忽略不計。
由以上數據可知,需由換熱器移走的溶解熱為:
1.07 ×106-1 959 955-263 793-1 039 158-2 478
=7 434 616(kJ)
由此可見,需及時移走氯化氫溶于水產生的大量溶解熱,才能保證整個吸收系統的正常運行。
氯化氫吸收系統正常生產時,氯化氫進料量和進料溫度、惰性氣體放空量和放空溫度、新鮮水的進料量和進料溫度以及鹽酸采出量基本保持不變,因此,氯化氫吸收系統循換熱器換熱效果的好壞直接決定吸收溫度的變化。
正常生產時,氯化氫溶解于水放出的熱量基本不變,根據公式Q=KA△T均可知,傳熱速率與換熱器的傳熱系數K,換熱面積A,冷熱流體主體的平均溫度差△T均有關。當氯化氫吸收裝置換熱器換熱面積一定,影響換熱效果的只有傳熱系數和冷熱流體主體的平均溫度差。
換熱器中鹽酸冷卻用循環水的傳熱過程屬于變溫傳熱,換熱器入口根據公式:
式中,△T大:換熱器入口鹽酸與循環水入口溫度差,K;△T?。簱Q熱器出口鹽酸與循環水出口溫度差,K;φ:校正系數。
正常生產時,當循環水溫度發生變化時,△T均也隨著發生變化,循環水溫度升高,平均溫度差下降,傳熱速率降低,系統溫度升高;對比夏季與冬季氯化氫吸收系統的溫度變化,夏季隨著循環水溫度的升高,氯化氫吸收系統的溫度也相應升高;冬季隨著循環水溫度的降低,氯化氫吸收系統的溫度降低,冬季塔底溫度為57℃,夏季溫度高達75℃。
K值對傳熱速率的影響:
式中,λ為熱導率。
冷卻器為浸漬石墨換熱器,石墨的熱導率151期W/(m·K),熱導率大,δ為壁面厚度,a1、a2為冷熱流體的對流傳熱膜系數,R垢為換熱器垢層熱阻,λ、δ值隨著換熱器使用時間的增長不會發生變化,因長時間使用,結垢R垢會有所增大,體現到冷卻器上,循環水側、鹽酸側結垢,K值減小,換熱器傳熱速率下降,系統溫度升高。
提高a1、a2的數值。對于鹽酸冷卻器,可通過加大循環水流量,加大鹽酸循流量的辦法提高流體流速,加大湍流程度,從而提高K值,因此,當冷卻器內循環酸流量和循環水流量降低后,K值減小,傳熱速率降低,氯化氫吸收系統溫度上升。
隨著鹽酸冷卻器使用時間的延長,循環水和鹽酸中攜帶的雜質會附著在冷卻器內,日積月累,造成冷卻器鹽酸側和循環水側部分堵塞,換熱器的換熱面積減小,A減小,Q減小,系統溫度上升,直至不能正常運行。
氯化氫吸收系統能否正常運行,與以上各種因素是分不開的,當系統溫度發生變化時,要仔細分析和研究各項參數的變化情況,找出原因,加以解決,保證生產裝置安全、穩定、優質、高效運行。
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