年产10万吨氯碱车间氯化氢合成工段的初步设计论文--本科学位论文.doc

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）
摘要
本设计是以氯化氢为产品，年产10万吨氯碱车间氯化氢合成工段的初步设计。说明书首先阐述了合成氯化氢的意义与作用，国内外氯化氢合成的研究现状以及发展前景。其次介绍了本设计的设计依据，厂址选择，原材料及产品规格。确定工艺路线，工艺流程的简述，以及整个生产过程的物料和热量衡算。对氯化氢合成炉、吸收器以及解析塔等主要设备进行了计算以及相应的选型，并综合各方面因素对车间布置，自动控制，安全和环境保护工程以及公用工程进行了合理的设计。完成了20000字的设计说明书，同时对生产流程图，车间平立面布置图以及主体设备图进行了绘制。

关键词：氯化氢；氯碱；合成；工艺路线

61
Abstract
Hydrogen chloride is the product of the the design, the preliminary design of an annual output of 100,000 tons of chlor-alkali workshop hydrogen chloride Section. Manual first expounded the significance and role of the synthesis of hydrogen chloride, hydrogen chloride synthesis of current research and development prospects at home and abroad. Second, it describes the design basis of the design, site selection, raw material and product specifications. Determine the process route, a brief description of the process, as well as material and heat balance of the entire production process. Hydrogen chloride synthesis furnace, the main equipment of the absorber, as well as analytical tower were calculated and the corresponding selection, and integration of various factors on the plant layout, automatic control, safety and environmental protection engineering and public works for a reasonable design. Completed a 20,000-word design specification, flow chart of production workshop and facade layout and the main equipment Figure drawing.

Keywords: Hydrogen chloride; Chlor-alkali; Synthesis;Process route

目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 总 论 1
1.1概述 1
1.1.1生产的意义与作用 1
1.1.2国内外的现状及发展前景 1
1.1.3产品的性质与特点 2
1.1.4产品的生产方法概述 3
1.2设计依据 4
1.3厂址选择 4
1.4设计规模与生产制度 4
1.4.1设计规模 4
1.4.2 生产制度 5
1.5 原料与产品规格 5
1.5.1 主要原料规格及技术指标 5
1.5.2 产品规格 6
1.6 经济核算 6
第2章 工艺设计和计算 7
2.1 工艺原理 7
2.2 工艺路线的选择 8
2.3 工艺流程简述 9
2.3.1 工艺流程示意图 9
2.3.2 工艺流程简述 9
2.4 物料衡算 10
2.4.1 生产能力及原料氯气与氢气量的计算 10
2.4.2 合成炉的物料衡算 10
2.4.3 降膜吸收器的物料衡算 13
2.4.4 解吸塔的物料衡算 14
2.4.5 尾气吸收塔的物料衡算 15
2.5 热量衡算 16
2.5.1 合成炉的热量衡算 16
2.5.2 石墨冷却器的热量衡算 22
2.5.3降膜吸收器的热量衡算 24
2.5.4解吸塔的热量衡算 26
2.5.5 尾气吸收塔的热量衡算 27
2.5.6石墨换热器的热量衡算 29

2.5.7盐水石墨冷却器的热量衡算 30
2.6 Aspen模拟 31
2.6.1全流程的Aspen模拟图 31
2.6.2氯化氢合成炉的Aspen模拟图 31
2.6.3降膜吸收器的Aspen模拟图 32
第3章 设备选型 35
3.1 关键设备的计算 35
3.1.1合成炉炉体直径的计算 35
3.1.2合成炉换热面积的计算 35
3.1.3合成炉炉高的计算 39
3.1.4合成炉灯头尺寸的计算 39
3.1.5爆破膜尺寸的计算 42
3.1.6 厚度的计算 43
3.1.7 封头的选择及计算 44
3.2 其他设备的计算及选型 45
3.2.1石墨冷却器的计算及选型 45
3.2.2降膜吸收器的计算及选型 46
3.2.3 尾气吸收塔的计算及选型 47
3.2.4解吸塔的计算及选型 48
3.2.5石墨换热器的计算及选型 49
3.2.6盐水石墨冷却器的计算及选型 52
第4章 设备一览表 53
第5章 车间设备布置 54
第6章 自动控制 55
第7章 安全和环境保护 57
7.1 安全 57
7.2 三废产生情况 58
7.3 三废处理情况 58
第8章 公用工程 58
8.1 供水 58
8.2 供电 59
8.3 供暖 59
8.4 通风 60
参考文献 60
致谢 61

第1章 总 论
1.1概述
1.1.1生产的意义与作用
工业上用电解饱和食盐水的方法来制取NaOH、Cl2、H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称之为氯碱工业。NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生产原料，可以进一步加工成多种化工产品，广泛用于各工业。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域。
氯化氢在化工生产中液有广泛的用途。在有机化学工业中，氯化氢是极为重要的基础原料，可与烯烃与炔烃发生液相加成反应，或在有催化剂作用下进行加成反应以制取氯乙烯、氯乙烷和氯丁二烯等重要化工产品。还可与烃类发生氧氯化反应生成二氯乙烷、氯苯、三氯乙烯和四氯化碳等氯烃产品。在电子工业中，氯化氢可用于硅外延生长、气相抛光、吸杂、刻蚀和结晶处理等工艺。在石油工业中，对由渗透率低的石灰岩组成的储油结构进行酸化，可扩大岩层裂缝，提高油的流动性和渗透率。
1.1.2国内外的现状及发展前景
1.1.2.1氯碱工业的国内外现状及发展前景
世界氯碱生产集中度较高，其中半数集中在亚洲，但其规模普遍较小。世界氯碱技术发展总体方向是规模大型化，节能降耗技术将成为重点，新建和扩建氯碱产能90%以上将采用离子膜法工艺。
我国氯碱工业创建于20世纪20年代。近几年，我国的氯碱生成工艺虽然有了较大的变化，采用先进的生成工艺的生产装置逐年增加，但是，总的来说，生产工艺与国外相比相对落后，再加上其他一些因素，生产成本普遍较高[5]。
1.1.2.2氯化氢合成的国内外现状及发展前景
随着石油化工的蓬勃兴起，对氯的需求量大幅增长，推动了氯碱工业的发展，为了利用大量的副产物氢气，合成法制盐酸发展起来了。目前国内外对于制备高纯度氯化氢的方法很多。例如，解吸法，盐酸脱析法，合成法，工业副产酸脱析法，石油化工副产氯化氢提纯法等。本世纪上半叶合成法逐渐成为世界各国生产盐酸的主要方法。
我国在合成氯化氢气体的生产过程中不断进行革新，引进国外先进工艺流程。今年来，由于石墨炉的广泛使用，生产效率大幅度提高，也使得氯化氢及盐酸的合成工艺达到了新的技术水平。
1.1.3产品的性质与特点
1.1.3.1氯化氢的性质
1、物理性质
氯化氢分子量为36.46，在常温下为无色气体，具有刺激性气味。氯化氢比空气重，标准状态下的密度为1.639g/L。临界温度为51.54℃，临界压力为8314KPa，临界密度为0.42g/cm3。氯化氢在水中的溶解度很大，不同温度下，氯化氢在水中的溶解度见下表。
表1-1 氯化氢在水中的溶解度（101.3KPa）
温度 ℃
溶解度 LHCl/LH2O
0
506.5
10
473.9
20
442.0
30
411.5
40
385.7
50
361.6
60
338.7
氯化氢在101.3KPa压力下，沸点为-85℃，凝固点为-114.2℃。氯化氢的比热容在常压下15℃时为0.8124KJ/（Kg·℃），在0—1700℃范围内，可按下式计算（其误差为1.5%） 式中，T为绝对温度，K。
氯化氢能与空气中的水蒸气形成烟雾，因此，氯化氢在空气中能发烟。无水氯化氢在常温及607.8 KPa压力下可液化，在沸点时密度为1.194g/ml。
2、化学性质
（1）干燥的氯化氢不与金属反应。
（2）氯化氢与三氧化硫作用可生成氯磺酸：
SO2 + HCl = HSO3Cl
（3）氯化氢与不饱和烃在催化剂作用下可发生加成反应：
C2H2 + HCl = C2H3Cl
1.1.3.2盐酸的性质
1、物理性质
氯化氢的水溶液成为盐酸。盐酸是一种挥发性酸，纯净的盐酸是无色透明的溶液。但在工业盐酸中常有铁、氯或有机物而呈黄色。
15℃时不同浓度盐酸的密度建表1-2
表1-2 盐酸溶液的沸点
浓度%
0.16
8.16
17.13
23.82
30.55
31.52
32.49
33.46
34.42
35.38
密度g/ml
1.000
1.040
1.085
1.120
1.155
1.160
1.165
1.179
1.175
1.180
盐酸溶液在在大气压下的沸点见表1-3
表1-3 盐酸溶液在在大气压下的沸点
HCl浓度%（mol）
0
2
4
6
8
10.5
12
14
17
18.5
26.3
温度（℃）
100
101.8
103.3
105.3
108.0
109.7
109.0
105.2
92.0
82.7
69.0
2、化学性质
盐酸容易与许多金属起反应，放出氢气而生成盐类，与碱类发生中和反应生成盐和水。
2HCl + Fe = FeCl2 + H2
HCl +NaOH=NaCl+H2O
1.1.4产品的生产方法概述
国内外对于制备高纯氯化氢气体的方法有很多。
1、解吸发。20世纪70年代以前电子工业用高纯氯化氢的制备，一直是将浓硫酸滴加到盐酸中，将其中的水吸收掉，使过饱和氯化氢气体析出。20世纪80年代以后制备方法发展到用浓硫酸与烘焙干的氯化钾反应，生成高纯氯化氢气体，用压缩机压入钢瓶中。
2、盐酸脱析法。将浓盐酸置于脱析塔中加热脱析制氯化氢气体。盐酸脱吸法制高纯氯化氢广泛用于PVC、氯丁二烯和高纯盐酸的生产中。
3、合成法。氯气和氢气在合成炉中进行燃烧反应，生成氯化氢气体是八十年代初为适应我国电子工业的迅速发展而提出的。在技术上市较先进的方法。此种方法生产的氯化氢气体纯度在99.99%以上。
4、工业副产酸脱析法。随着盐酸脱析法的逐步推广，副产酸脱析生产氯化氢工艺的工艺已广泛应用于生产。它是通过稀酸在绝热吸收塔吸收有机氯化物生产中的副产氯化氢，提浓后，进入解吸塔脱析出来高浓氯化氢气体。
5、石油化工副产氯化氢提纯法。目前电子级氯化氢出口国，如美国，主要是从石油化工副产氯化氢作为原料来制备高纯氯化氢。石油化工副产氯化氢气体，其中水含量低，对不锈钢和碳钢基本无腐蚀。对于此种气体的净化通常采用精馏或吸附的方法，但由于其中乙炔和乙炔杂质的沸点与氯化氢沸点相近，很难采用精馏的方法脱除得干净，而吸附的方法操作过程繁琐，需频烦的更换吸附剂，生产成本高。
本设计采用的方法是合成法制备氯化氢气体。
1.2设计依据
1、齐齐哈尔大学化学与化学工程学院下发的毕业设计任务书。
2、《化工工艺设计手册》一书
3、自身在黑龙江昊华化工有限公司氯碱车间实习的相关信息与知识。
4、《化工设备设计手册》
1.3厂址选择
根据厂址选择的原则与要求，将本设计的厂址选在江苏省盐城市合德镇。
盐城市合德镇地处我国东部江苏沿海的中部，东临黄海，南与南通市毗邻，北与连云港接壤，西与扬州、淮安相连，对接长三角，铁路、公路、水路、航空四种运输方式构成了四通八达的交通运输网络。盐城市沿海生态环境有相对较好、容量较大的优势，沿海滩涂土地资源也相对充足。氯碱工业的副产物氯气及氯化氢等可用于下游橡胶、塑料、医药工业的发展。再加上政府对于海洋工业的扶植，重点发展盐化工，增加了再此地建氯碱厂的优势。
1.4设计规模与生产制度
1.4.1设计规模
生产能力入下表1-4所示。
表1-4 生产能力
产品名称
氢氧化钠
生产时间
8000小时
处理量
12.5吨/小时
1.4.2 生产制度
本车间工作人员的工作制度为三班制，每班8小时连续生产，按四班三倒制度运转，其中管理人员实行一班制。人员组成如表1-5所示
表1-5 车间人员组成
序号
职能名称
人数
人员配备班制
1
车间主任
1
八小时工作制
2
班长
3
四班三倒制
3
技术员
3
四班三倒制
4
分析检验员
3
四班三倒制
5
中控室操作员
3
四班三倒制
6
操作工
12
四班三倒制
7
维修工
3
四班三倒制
1.5 原料与产品规格
1.5.1 主要原料规格及技术指标
原料气组成如下表1-6所示
表1-6 原料气组成
物质
氯气（V%）
氢气（V%）
纯度
97.16
97.45
含氢
0.34
97.45
含二氧化碳
0.21
—
含氧气
0.99
0.01
含水分
0.18
2.48
含氮气
1.12
0.06
进料温度（℃）
25
25
进料压力（MPa）
0.21
0.21
1.5.2 产品规格
本设计工段的主要产品为氯化氢气体及盐酸。
产品氯化氢的纯度 99.9%
产品盐酸浓度 20%-22%
1.6 经济核算
化工工程建设项目在筹备阶段就要进行费用估算，目的是给项目主管部门提供决策依据。经济核算必须考虑到一切可能存在的因素：用于原材料、劳动力、设备维修、动力和其他公用工程等方面的直接生产成本，还包括车间的管理费、销售费用以及其他费用。
在本设计中，经调查海盐的市场价为240元/吨，冷冻盐水的市场价为1250元/吨，冷却水的市场价为0.4元/吨，低压蒸汽为65元/吨。
原料海盐费用的计算如下：
=146250t/a
所以，W1=146250×240=35 100 000元
冷却水费用的计算如下：

所以，W2=0.4×/1000=1853362. 80元/年
冷冻盐水费用的计算如下：

所以，W3=1250×/1000=79367300元/年
低压蒸汽费用的计算如下：

所以，W4=65×/1000=172723.2元/年
本车间定员28人，每人每月平均工资为3000元，则每年工人的工资总费用为1008000元
本设计的经济核算见表1-7。
表1-7 经济核算表
序号
指标名称
计算单位
设计指标
成本/万元
1
生产规模
t/a
10wt氯碱
—
2
车间定员
人
28
100.8
3
原盐
t/a
146250
3510
4
原料水
t/a
4.5wt
37694.752
5
蒸汽耗量
t/a
2657.28
17.27232
6
冷凝水耗量
t/a
4633405.2
185.33628
7
冷冻盐水
t/a
63493.84
7936.73
8
设备数量及投资
台
10
400
9
车间建筑面积
m2
260
100
第2章 工艺设计和计算
2.1 工艺原理
工业上生产氯化氢目前都是用氯气和氢气直接合成，因原料气中含有氧气，此时氢气也会与氧气发生燃烧反应，合成炉内燃烧方程式如下：
Cl2 + H2 2HCl
O2 + 2H2 2H2O
机理分析：氯气和氢气在没有光照射或光线很弱、低温、常压下，其反应速度很慢，只有在加热的条件下，或在光线照射下及触煤的影响下，才能迅速的发生化合作用，甚至发生爆炸性。其反应为链锁反应。
(1)链的引发：在合成氯化氢的过程中，氯气与氢气在光照的作用下，首先，氯气分子吸收光量子从而被离解成两个活化的氯原子。

(2)链传递：活化的氯原子(C1·)再与氢分子作用生成一个氯化氢分子和一个活化的氢原子(H·)，这个活化的氢原子又与一个氯气分子作用，生成一个氯化氢分子和一个活化的氯原子。这样继续下去构成一个链锁性的反应。即：
①
②
③
④
(3)链的终止：当在链锁反应过程中，如有外来因素与C1·和H·化合，则反应被破坏而使活性消失。
①在氧气的存在下燃烧破坏H·的活性，从而使链锁反应中断，

②在反应过程中元素自身的结合也可以使链终止。

③在反应过程中，由于活性氢原子与活性氯原子在设备内壁碰撞也会发生链的终止。氯化氢用水吸收后即可成为盐酸。
2.2 工艺路线的选择
本设计采用合成法制备氯化氢以及盐酸。目前合成法制备盐酸主要有三种方法：铁合成炉制备，二合一石墨合成炉制备，三合一合成炉制备。这三种方法的主要区别在于合成炉的不同。
铁合成炉制取盐酸工艺的特点：本体不带冷却水套，炉内的氯化氢气体会对炉体造成腐蚀，导致铁离子进入氯化氢气体内，经吸收后制取的盐酸中含铁量过高，颜色发黄，影响产品质量。
二合一石墨合成炉制取盐酸工艺的特点：炉内合成的氯化氢气体不与合成炉的钢铁部分接触，生成的氯化氢质量较高；装置的生产能力跟过去比也有很大的提高；出合成炉的氯化氢气体用石墨冷却器冷却，跟钢制冷却盘管相比，冷却效果有了很大提高；二合一炉的热水废热也可在此利用。
三合一石墨合成炉制取盐酸工艺的特点：氯气和氢气在套管内混合燃烧，无论负荷大小火焰都能保持稳定；冷却段采用强化传热技术，在水套内增设导流板，迫使冷却液成螺旋状围绕石墨炉筒外壁流动，提高流速；吸收段采用溢流管外加侧稳压环技术，提高了吸收效果，同时保障了盐酸的合格率。
铁合成炉制取盐酸的工艺由于生成的盐酸的质量较低，已被许多企业淘汰。石墨三合一合成炉结构紧凑、传热效率高、检修方便、使用寿命长、操作弹性强，被广泛使用。二合一炉合成、在炉内完成冷却，在炉外进行吸收，既可以生产氯化氢气体，又可以部分吸收生产盐酸，可以满足不同的需求，具有更广阔的应用前景。
因此本设计采用“二合一”合成炉制取氯化氢气体。
2.3 工艺流程简述
2.3.1 工艺流程示意图

2.3.2 工艺流程简述
来自氢气车间的氢气与来自氯气车间的氯气在合成炉底部的燃烧器混合点火燃烧，温度可达到2000℃以上。合成炉夹套的冷却水将反应放出的热量带走，气体在合成炉顶部温度降为350℃左右，经石墨冷却器冷却至170℃左右，进入降膜吸收器，与来自尾气塔的稀酸进行并流吸收，降膜吸收器底部生成的酸的浓度可达35%左右，供解吸塔解吸用。未被吸收的气体进入尾气吸收塔，用来自解吸塔的稀酸吸收，生成的酸供降膜吸收器使用。由解吸塔脱出的氯化氢气体进入石墨冷却器进行冷却，至40℃，再进入盐水石墨冷却器，由冷冻盐水将氯化氢气体冷却至-12℃—-18℃，得到的干燥氯化氢气体送至下一工段。
2.4 物料衡算
2.4.1 生产能力及原料氯气与氢气量的计算
2.4.1.1 生产能力
年产10万吨氯碱，年产时间按8000h计算，则
氢氧化钠的流量为：
2.4.1.2 氯化氢的产量
盐水电解方程式为：
所以，
在合成HCL反应中，按计算，
所以， ，
表2-1原料气组成
物质
氯气（mol%）
氢气（mol%）
纯度
97.16
97.45
含氢
0.34
97.45
含氮气
1.12
0.06
含二氧化碳
0.21
—
含水分
0.18
2.48
含氧气
0.99
0.01
进料温度(℃)
25
25
进料压力(MPa)
0.21
0.21
2.4.2 合成炉的物料衡算

2.4.2.1 进合成炉的各物质的量
原料氢气的量=纯氢气的摩尔量/氢气的摩尔分数
原料氢气的量：156.25/0.9745=160.399kmol/h
各组分的含量=原料氢气的量×组分的摩尔分数
含氮气：160.399×0.06%=0.0962kmol/h
含水分：160.399×2.48%=3.976kmol/h
含氧气：160.399×0.01%=0.0160kmol/h
原料氯气的量=纯氯气的摩尔量/氯气的摩尔分数
原料氯气的量：148.81/0.9716=153.16kmol/h
各组分的含量=原料氯气的量×组分的摩尔分数
含氢气：153.16×0.34%=0.521kmol/h
含氮气：1153.16×1.12%=1.715kmol/h
含二氧化碳：153.16×0.21=0.3216kmol/h
含水分：153.16×0.18%=0.2757kmol/h
含氧气：153.16×0.99%=1.516kmol/h
各物料总进料：
氢气：ΣH2(mol)=156.25+0.521=156.771kmol/h
ΣH2(m)= 156.771×2=313.542kg/h
氮气：ΣN2(mol)=0.0962+1.715=1.8112kmol/h
ΣN2(m)= 1.8112×28=50.714kg/h
水： ΣH2O(mol)=3.976+0.2757=4.2517kmol/h
ΣO2(m)= 4.2517×18=76.5306kg/h
氧气：ΣO2(mol)=0.0160+1.516=1.532kmol/h
ΣO2(m)= 1.532×32=49.024kg/h
氯气：ΣCl2(mol)=148.81kmol/h
ΣO2(m)= 148.81×71=10565.5kg/h
CO2： ΣCO2(mol)=0.3216kmol/h
ΣO2(m)= 0.3216×44=14.1504kg/h
总进料(mol)=156.771+148.81+1.8112+4.2517+1.532+0.3216
=313.5kmol/h
总进料(m)=313.542+10565.5+50.714+76.5306+49.024+14.1504
=11069.461kg/h
2.4.2.2 出合成炉的各物质的量
合成炉内的两个反应： ①
②
① 生成的氯化氢的量为：
1 1 2

=2×=2×148.81=297.62

② 氧气燃烧所消耗的氢气及生成的水的量为：

2 1 2
1.532
消耗氢气的量
生成水的量=1.532=3.064

水的总摩尔量
水的总质量
剩余的氢气的量为：

二氧化碳、氮气没有参与反应量不变
⑤总出料(mol)=297.62+7.3517+4.897+1.8112+0.3216
=311.97kmol/h
总出料(m)=10863.13+131.68+9.794+50.714+14.1504
=11069.471kg/h
表2-2 HCl合成炉的物料平衡表
输入，kg/h
输出，kg/h
H2 313.542
HCl 10863.13
N2 50.714
H2O 131.68
H2O 76.5306
H2 9.794
O2 49.024
N2 50.174
Cl2 10565.5
CO2 14.1504
CO2 14.1504

总计 11069.461
11069.471
因总进料量(m)≈总出料量(m)，所以物料守衡。
2.4.3 降膜吸收器的物料衡算

2.4.3.1吸收剂用量的计算
吸收剂用20%的稀盐酸，假定氯化氢的吸收率为99%，出塔盐酸的浓度为35%。
根据塔内HCl的量守恒，可得：
G=L×(X1-X2) ①
式中：G——单位时间内由气相转入液相的溶质量，kmol/h
L——单位时间内通过吸收塔的溶剂量，kmol/h
X1,X2——分别为出塔及进塔液体中溶质组分的摩尔比
其中， G=G合×0.954×0.99=311.97×0.954×0.99=294.64kmol/h
吸收剂为21%的盐酸，出塔盐酸的浓度为35%。
所以， X1=0.2655，X2=0.1311
因此，由①式可得，L=

所以，吸收剂的量为
2.4.3.2出塔气体质量流量的计算
出塔气体中剩余的氯化氢的量为GHCl=G合×0.954×（1-0.99）=3kmol/h
所以，mHCl余=109.5kg/h
出塔气体中剩余的混合气体的量为m混合气=206.341kg/h
所以，出塔气体总的质量流量为m出塔气=315.84kg/h
2.4.3.3出塔液体质量流量的计算
因为进塔液体与出塔液体中水的量是不变的，所以

表2-3降膜吸收器的物料平衡表
输入，kg/h
输出，kg/h
进吸收器混合气 HCl 10863.13
出吸收器混合气 HCl 109.5
H2O 131.68
H2O 131.68
H2 9.794
H2 9.794
N2 50.174
N2 50.174
CO2 14.1504
CO2 14.1504
吸收剂用量 49954.23
出吸收器液体流量 60708.74
总计 61023.701
61024.58
2.4.4 解吸塔的物料衡算

吸收器的塔底液体全部进入解吸塔进行解析，则解吸塔的物料计算如下：
2.4.4.1进塔液体质量流量的计算
解吸塔的进塔液的量等于吸收塔塔底的出塔液的量

2.4.4.2出塔液体质量流量的计算
出塔液体为20%的盐酸。出塔液中水的量为：

2.4.4.3出塔气体质量流量的计算
根据氯化氢守恒，可得
G=L×(X1-X2)
其中，X1=0.2655，X2=0.1233，
所以，
G=311.74kmol/h
则
表2-5解吸塔的物料平衡表
进塔物质的量，kg/h
出塔物质的量，kg/h
进塔液体 35%盐酸 60708.74
出塔气体 11380.49

出塔液体 49328.25
总计 60708.74
60708.74
2.4.5 尾气吸收塔的物料衡算

2.4.5.1进塔液体质量流量的计算
尾气塔的进塔液体的质量流量等于解吸塔的出塔液体的质量流量。
所以，
2.4.5.2进塔气体质量流量的计算
进塔气体中氯化氢的摩尔流量为3mol/h，其余混合气体的摩尔流量为14.35kmol/h
所以，
2.4.5.3出塔气体质量流量的计算
设从降膜吸收器中未被吸收的氯化氢气体在尾气吸收塔中全部吸收，则

2.4.5.4出塔液体质量流量的计算
出塔液体为21%的盐酸，因为出塔液体与进塔液体中水的量是不变的，则出塔液体的质量流量为

表2-4尾气吸收塔的物料平衡表
输入 kg/h
输出 kg/h
进塔气体 HCl 109.5
出塔气体 H2O 131.68
H2O 131.68
H2 9.794
H2 9.794
N2 50.174
N2 50.174
CO2 14.1504
CO2 14.1504

吸收剂 49328.25
出塔液体 49437.75
总计 49644.09
49044.09
2.5 热量衡算
2.5.1 合成炉的热量衡算

2.5.1.1原料气带入的热量
原料气各组分在25℃时的比热容见表2-6
表2-6 原料气各组分25℃的比热容
物质
Cl2
H2
N2
O2
CO2
H2O
CP（）
2.22
14.72
1.047
0.913
0.837
4.18
所以，原料气带入的总热量为

2.5.1.2 合成炉内两个反应摩尔反应热的计算
①合成炉内两个反应的反应热的计算式
[1]
[1]
合成反应放出的热量的计算式

合成炉内放出总的热量为两反应放出的热量之和：

式中：Qr——合成氯化氢的反应热，KJ/h
GHCl——反应生成氯化氢气体的摩尔流量，kmol/h
T——合成炉灯头温度，K
ΔH0m1(298.15K)——氯化氢合成反应的标准摩尔反应热焓，KJ/h
ΔCPm1——氯化氢合成反应的反应产物与原料的摩尔比热容系数差值，J/mol.K
Q’r——氧气燃烧的反应热，KJ/h
G水——反应生成的水蒸汽的摩尔流量，kmol/h
ΔH0m2(298.15K)——水蒸汽合成反应的标准摩尔反应热焓，KJ/mol
ΔCPm2——水蒸汽合成反应的反应产物与原料的摩尔比热容系数差值，J/mol.K
②合成炉内两个反应的摩尔反应热
恒压比热容的计算式为：CP=a+bT+cT-2，式中：a、b、c为常数，由文献[3]查得各物质的a、b、c见下表2-5。
表2-7 各物质恒压比热容常数表
物质名称
a
b
c
适用温度
氢气
27.29
3.25×10-3
0.501×105
298-2500
氯气
36.89
0.24×10-3
-2.83×105
298-3000
氯化氢
26.02
4.07×10-3
1.08×105
298-2500
水
30.01
10.7×10-3
0.32×105
298-2500
氧气
29.95
4.17×10-3
-1.66×105
298-3000
因为ΔCP为生成物CP与反应物CP之差，所以两个反应的ΔCP计算如下：
生成氯化氢反应：

所以摩尔反应热：

生成水的反应：

所以摩尔反应热：

2.5.1.3计算灯头温度[9]及反应放出的热量
①

灯头温度有如下关系式：
②
式中：G合——合成气的摩尔流量，kmol/h
C’p合——合成气的恒压摩尔比热容，J/mol.K
t——合成气入口温度，℃
t1——灯头温度，℃
混合气体的C’P可用下面的式子算得：

合成气出口温度为350℃，由定压比热容的计算式计算得各物质在出口温度下的
表2-8 各物质在350℃下的比热容
物质
氯化氢
氢气
氮气
二氧化碳
水
（）
29.92
29.46
30.83
47.55
37.4
各物质在合成气中的含量：

∴
=30.09KJ/mol·℃
将G合，C’P，t代入②式并联立①、②可得：

解之,得T=2736.86K，即合成炉灯头温度为2736.86K。
将灯头温度带入①式，可得反应放出的总的热量
所以，反应放出的总的热量为：

2.5.1.4计算冷却水用量
合成气入口温度25℃，出口温度350℃，在平均温度187.5℃，查气体比热容共线图可得混合气中各组分的比热容
表2-9 各物质在187.5℃下的比热容
物质
N2
CO2
H2O
HCl
H2
（）
29.3
36.82
33.9
29.02
28.3
所以，合成气带走的热量计算如下：

所以，合成气带走的总热量为：

冷却水移走的热量

取冷却水的温差为25℃，查得=4.18KJ/kg·℃
冷却水的用量为

表2-10 合成炉的热量衡算表
输入 kJ/h
输出 kJ/h
原料气带入的热量 708981.3
合成气带走的热量 2953740
合成反应放出的热量 22909394.16
冷却水带走的热量 20664635.46
总计 23618375.46
23618375.46
2.5.2 石墨冷却器的热量衡算

石墨冷却器合成气体入口温度℃，出口温度为℃
2.5.2.1 各物质进石墨冷却器带入的热量
表2-11 各物质在350℃下的比热容
物质
N2
CO2
H2O
HCl
H2
（）
30.46
48.79
35.4
30.54
28.3
所以，各物质进石墨冷却器带入的热量分别为：

所以，进石墨冷却器带入的热量为：

2.5.2.2 各物质出石墨冷却器带入的热量
表2-12 各物质在170℃下的比热容
物质
N2
CO2
H2O
HCl
H2
（）
29.3
36.82