Химическое производство соляной кислоты
Соляной кислоту назвали из-за того, что водный раствор получают из поваренной соли. Эта сульфатная технология была долго единственным способом производства. Спустя некоторое время вещество начали синтезировать из водорода и хлора, а затем, как побочный продукт хлорирования органики. На сегодняшний день промышленными считаются три способа:
- сульфатный;
- синтетический;
- из побочных газов технологических процессов (абгазов).
Но в любой технологии получения реализованы два вышеназванных этапа: производство хлористого водорода и его поглощение водой. На второй стадии выделяется много тепла – до 72,8 кДж/моль, в зависимости от способа его отвода процессы классифицируют:
- изотермические, происходящие при неизменной температуре;
- адиабатические, они не предполагают теплообмена с окружающей средой;
- комбинированные.
Для получения соляной кислоты на российских производственных площадках преимущественно используются схемы адиабатической абсорбции. В этом случае абгазные газы пропускают через нижнюю часть абсорбера, а разбавленную водой соляную кислоту пускают по нижней части противотоком. НСl растворяется, выделяя тепло, так соляная кислота нагревается до температуры кипения.
Сульфатный метод
Эта технология базируется на реакции серной кислоты Н2SO4 в концентрации от 92 до 93% с хлоридом натрия. Взаимодействие происходит при температурах от +500 до +550 градусов С. Химическая формула реакции: 2NaCl + H2SO4 > Na2SO4 + 2HCl. Менее концентрированный раствор Н2SO4 не используют, поскольку хлористый водород будет разбавляться парами воды чрезмерно. Это затрудняет получение концентрата соляной кислоты.
В технологических процессах преимущественно используется выварочная крупнозернистая соль, поскольку ее характеризует наличие больших пор, которые разрешают легко и быстро пропитываться кислотой. В результате образуются однородные массы. Но такой материал содержит влагу в переменных объемах, что делает дозировку сырья затруднительным, как и определение оптимальной температуры в печах.
Постоянные показатели влажности присущи каменной соли, но в ней много примесей, таких как Fe2O3 и CaSO4, которые в технологических процессах превращаются в сульфат натрия. Дополнительные проблемы создает необходимость измельчения каменной соли и ее более интенсивного перемешивания, в сравнении с вываренным сырьем, с серной кислотой.
Выходящие из муфельных печей реакционные газы содержат до 65% хлороводорода, из реакторов с кипящей верхней массой они выходят с 5-процентным содержанием НСl. Сегодня существует перспективное предложение заменить в технологическом процессе Н2SO4 на смесь О2 с SO2, в качестве катализатора планируется использовать Fe2O3, а реакции проводить при температуре в +540 градусов С.
Синтетический метод
Синтез хлористого водорода из H2 и Cl2 разрешает получать концентрат хлористоводородного газа с содержанием HCl от 80% и более. Такой состав легко сжижается, а если он поглощается дистиллированной водой, то происходит чистая реактивная реакция. В результате которой можно получать концентрацию продукта в 38%.
Методика прямого синтеза хлористоводородной кислоты базируется на цепной реакции горения, выраженной в формуле: Н2 + Сl2 — 2НС1 + 184,7 кДж. Она провоцируется влагой, минеральными компонентами (это может быть глина или кварц), пористыми твердыми веществами, например, губчатыми пластинами или древесным углем, и светом.
Сухие компоненты – водород и хлор не вступают во взаимодействие. Наличие небольшого количества влаги может спровоцировать столь интенсивную реакцию, что она происходит со взрывом. В промышленных установках создаются условия для спокойного горения водорода в потоке хлора. Н2 подается в резервуары с небольшим избытком – до 10%. Это разрешает создать эффективную реакцию с экономичным расходом хлора, а в результате получить чистую соляную кислоту без загрязнений хлором.
Сжигание смеси компонентов осуществляется в различных типах печей. Они представляют собой компактные камеры из металла, огнеупорного кирпича, графита или плавленого кварца. Более предпочтительны графитовые печи из современного инновационного материала, наполненного пропиткой – фенолоформальдегидными смолами. Он купирует риски загрязнений готового продукта материалом конструкции.
Чтобы предотвратить взрывной характер взаимодействия компонентов в процессе горения, вещества смешивают непосредственно в пламени. В камерах сверху устанавливают теплообменники, которые предназначены для охлаждения реакционных газов до температуры в +150 или +160 градусов С.
Производительность современных печей из инновационного графита достигает до 65 тонн 35% НСl в сутки. Такие мощности делают синтетический метод производства соляной кислоты из водорода и хлора основным для промышленности. Если обнаруживаются недостаточные объемы водорода, то процесс синтеза можно модернизировать. Например, пропустить смесь водяного пара и Сl2 через слой раскаленного пористого угля. В этом случае произойдет реакция по следующей формуле: 2С12 + 2Н2О + С > 4НС1 + СО2 + 288,9 кДж. Взаимодействие осуществляется при температуре от +1000 до +1600 градусов С. Режим зависит от качества угля, количества и качества примесей в нем, например Fe2O3.
Также перспективным способом является использование смеси водяных паров и СО. Реакция выражается следующей формулой: СО + Н2О + Сl2 > 2НС1 + СО2.