环境管理_8万吨年聚氯乙烯装置vc气相脱水工艺设计

第一章 概述安徽氯碱化工集团公司“十一五”规划中，聚氯乙稀产品有很大的发展，其中一个发展阶段是：聚氯乙稀生产规模由目前的4万吨/年扩大到8万吨/年。本设计课题聚氯乙稀装置VC气相脱水工艺,是这个大项目派生出来的一个子项目，所谓氯乙烯气相脱水工艺，就是氯乙烯在气相状态时利用降温减湿，固碱吸湿，硅胶等吸附氯乙烯中的水,进而来脱除氯乙烯中的水分。这一工艺中有固碱吸湿过程（即固碱干燥）。固碱干燥实质上是通过形成高浓度碱液，减小水在气相中的分压，来达到干燥目的。固碱不仅能吸湿脱水，而且能进一步除掉氯乙烯中夹带的微量氯化氢及铁，减轻酸腐蚀，延长设备的使用寿命，还能除掉从聚合过程中回收的氯乙烯中的微量活性分子。这样节能减少精馏塔中的自聚物，改善精馏操作状态，延长精馏操作周期，减少因精馏操作不良引起的停工时间和停工物料损失，从而氯乙烯单体的产量和质量。所以也可以这么说，VC气相脱水项目也是提高VC单体质量的项目，具有一定的操作价值和研究意义。 1.1 气体减湿技术概述 气体减湿，即降低气体湿度，是一种属于热质传递过程的单元操作。在化工生产中，干燥操作所用的热气流在加热前常需经过减湿处理，以提高热能利用率；有些经过水冷的气体，也需经减湿处理才能进入下一过程。 减湿常用的方法有：吸附除湿。使气体与固体吸附剂接触，气体所含水汽被吸附后，湿度降低。选择适当吸附剂和操作流程，可将气体的湿度降得很低。吸附剂经再生后循环使用。此法用于湿度较小而除湿要求较高的场合。吸收除湿。使湿气体与某些水汽平衡分压很低的液体接触，气体所含水汽被吸收而减湿。选择适当的吸收剂，可得到湿度很低的气体。吸收剂通常可以再生。常用的吸收剂有三甘醇(C6H14O4)、溴化锂、浓硫酸等。压缩除湿。将气体压缩，因而提高了水汽分压，相应提高了露点，然后予以冷却，使水汽凝结而减湿。冷却除湿。湿气体在间壁式换热器中冷却。当温度降至露点以下时，部分水汽凝结成水或霜，从而使气体减湿。根据所要求的减湿程度，冷却剂可用冷却水或各种冷冻盐水（见载冷剂）。此种减湿方法通常用于空调器或其他类似装置。这些装置的优点是性能稳定，使用方便；缺点是设备费用及操作费用都较高，低温时传热面结霜会使热阻（见传热过程）增加。升温减湿。用间壁式换热器将气体加热，使气体相对湿度减小，可用于空气调节、通风等场合。若不允许温度升高，此法就不适用。气液直接接触除湿。使气体直接与温度低于减湿后气体露点的液体接触，气体所含水汽被部分冷凝进入液相，气体得到减湿。此法虽不能得到湿度很低的气体，但其操作费用很低，特别适用于大量气体的减湿。在工业上，除减湿要求较高的场合外，一般应优先采用此法。1.2 本设计VC气相脱水技术概况（1） 降温减湿罗茨风机抽气柜中的VC，按规定流量送到冷却器，多余的VC通过FIC/401控制回流至VC气柜。规定流量的VC在冷却器中冷却到5。冷却下来的水由集水器收集，以备回收废水中的VC。已冷却到5的气相氯乙烯经过分离出液相水后进入固碱干燥器。此时VC气相含水量一般小于2500ppm。（2） 固碱吸湿含水量小于2500ppm的VC，进入固碱干燥器进一步除掉水份。此过程中放出热量，由5冷媒水通过冷却盘管和冷却夹套换热带走。干燥器底部有60的热水夹套，可对沉降在底部的液碱进行加热，以免冬季液碱固化，不便于排放。经过固碱吸湿的气相VC进入硅胶干燥器，其含水量一般都小于600ppm。第二章 物料衡算2.1 物料衡算的已知条件2.1.1 物料衡算的基础 本设计、项目是8万吨/年聚氯乙烯大项目中的一个子项目，这个大项目的部分过程的物料消耗表见表2-1表2-1 8万吨/年聚氯乙烯项目的部分过程的物料消耗表Vc气柜VC气相脱水VC精馏VC聚合出:含水粗VC进:含水粗VC出:脱水粗VC进:脱水粗VC出:精VC进:精VC出:PVC年需求量kg/a8.4551078.4551078.4131078.451078.0801078.451078.000107平均流量kg/h10.5710310.5710310.5210310.5710310.1010310.1010310.00103过程消耗进料:出料为:1.005:1(粗VC含97%)进料:出料为:1.01:1进料:出料为:1.01:12.1.2 气相脱水降温减湿，固碱吸湿过程工艺流程简图图2-1气相脱水降减湿 固碱吸湿过程工艺流程图2.1.3 物化数据氯乙烯分子量：62.5VC气柜中粗氯乙烯含量97% 粗氯乙烯含乙炔3% （包括少量的N2和40饱和水蒸汽氯乙烯 临界温度156.5（142.0） 临界压力55.0（52.5）大气压氯乙烯气体在5-47之间的平均黏度=110p=1.12210-6kgs/m2 47VC气体的黏度113 p10VC气体的黏度 95 p2.1.4 流程中物料工艺常数表2-2 流程中物料参数表 流程号123456主要物质VC（g）VC（g）VC（g）水（汽）VC（g）NaOH+水流量kg/h10.5710310.5710310.5010312710.4710341.06压力Mpa0.104？0.1200.1150.117温度40？551010表中？表示需要通过工艺计算解决的量2.2 VC气相冷却器物料衡算 物料衡算总式： F=F1F2XH2O除其中：F为进入冷却器前的氯乙烯流量、F1为从冷却器出来后氯乙烯的流量、F2为冷凝水中含有的氯乙烯的量、XH2O除为通过冷却器除去的水分2.2.1 冷却器示意图及已知条件（见图2-2）2.2.2 冷却器降温减湿除水量XH2O除的估算根据理想混合气体中某组分的mol分数等于其分压数，做如下计算当t=40时，水的饱和蒸汽压为55.32mmHg=7.375 106pa，设水的量物质的量为n40则有：所以n40=11.079kmol/h当t=5时，水的饱和蒸汽压为6.54mmHg= 817.9pa，设水的量物质的量为n5 则有： 所以n5=1.2378kmol/h 于是，冷却器的除水量XH2O除=X40-X5=（11.0769-1.2378）18=177kg/h图2-2 冷却器已知条件示意图2.2.3 冷却器的冷凝水带走的氯乙烯 由氯乙烯在水中溶解度表查得：5水溶解的氯乙烯为156ml/ml 177kg/h水带走的氯乙烯的量=156177103ml=27613103=1232.7mol/h=77kg/h2.2.4 冷却器VC气相出口最低含水量X出预测 X出=2103ppm 冷却器VC气相出口含水量设计指标值定为2500ppm，根据上述的预测值，只要出口温度能稳定控制在5左右，设计指标就可以达到。2.3 固碱干燥器物料衡算2.3.1 固碱干燥器示意条件图（见图2-3）2.3.2 固碱干燥器固碱吸湿除水量X除的估算 根据氯乙烯生产问答知50%固碱溶解的水蒸汽分压：10时 0.5mmHg 15时 1.1mmHg 20时 2mmHg,在本工艺中，VC出固碱干燥器温度控制在10，则水的饱和蒸汽压为0.5mmHg=66.6pa=0.66710-4Mpa。 设干燥器出口VC气相水的物质的量为nH2O则有： nH2O=0.09743kmol/h 固碱吸湿除水量X除=X5-XH2O=(1.2378-0.09743) 18=20.53kg/h 2.3.3 固碱干燥器排放烧碱溶液的量W 烧碱溶液是以50%的水溶液排放 溶液排放量= 2.3.4 固碱干燥器VC气相出口最低含水量X含预测=167ppm固碱干燥器VC气相出口含水量设计指标值定为600ppm,根据上述计算,只要固碱干燥器出口温度能稳定在10左右,设计指标是能达到的.图2-3 固碱干燥器已知条件示意图努力了的才叫梦想，不努力的就是空想！如果你一直空想的话，无论看多少正能量语录，也赶不走满满的负能量！你还是原地踏步的你，一直在看别人进步。第三章 热量衡算3.1 热量衡算已知数据 饱和指数K= VC气体平均比热Cp=0.22kcal/kg3.2 氯乙烯经风机压缩温度计算 按理想气体绝热过程考虑,有 4其中,T压缩后温度 T1压缩前温度 已知:T1=313K P压缩后压力 已知:P=0.12Mpa P1压缩前压力 已知:P1=0,104Mpa =即t=47为氯乙烯经风机压缩后温度 3.3 氯乙烯经冷却器的热量衡算 3.3.1 冷却器已知条件及示意图（见图3-1）3.3.2 冷却器热负荷(1) 冷却器中冷却热负荷(Q冷却)(Q冷却)=QVCQH2O=WVCCP（VC）（T1-T2）WH2OCP（H2O）（T1-T2）其中，WVC氯乙烯气体流量（kg/h） WVC=10.57kg/h WH2O水蒸汽流量 （kg/h） WH2O=199.4kg/h CP（VC）氯乙烯气体的平均比热 CP（VC）=0.924KJ/kg CP（H2O） 水蒸汽的平均比热 CP（H2O）=1.848KJ/kg T1VC进冷却器的温度 T1=47 T2VC出冷却器的温度 T2=5Q冷却=10.57103kg/h0.924KJ/kg(47-5)199.4kg/h1.85(47-5)=4.257105KJ/h图3-1 冷却器热量衡算示意图图中？表示要通过热量衡算解决的量(2) 冷却器的冷凝负荷（Q冷凝）Q冷凝=WH2OH汽化其中，WH2O冷凝水的流量 WH2O=177kg/h H汽化水的平均汽化热 H汽化=2440KJ/hQ冷凝=177kg/h2440KJ/h=4.319105KJ/h(3) 冷却器的热负荷（Q）Q= Q冷却Q冷却=4.257105kJ/h4.319105kJ/h=8.576105 kJ/h3.3.3 冷媒水的流量（W冷） 在忽略热损失的情况下，热流体放出的热量=冷流体吸收的热量 Q=W冷CP（t1-t2）其中，W冷冷媒水流量 CP冷媒水平均比热 CP=3.15kJ/kg t1冷媒水进口温度 t1=-5 t2冷媒水出口温度 t2=0W冷= 3.3.4 对数平均温度差（tm）T1=47 T2=5t1=0 t2=-5 t1=47 t2=10 tm=24 3.3.5 传热面积F（m2）的计算F= 其中，Q传热量 Q=kJ/h K总传热系数 根据校验取K=63KJ/m2h tm对数平均温度差 tm=24F= 3.4 固碱干燥器热量衡算3.4.1 固碱干燥器示意图及已知条件图3-2 固碱干燥器条件示意图 3.4.2 固碱干燥器中VC气体的温升（t）当VC气体进入固碱干燥器中，固碱会吸收VC气体中的水分，转化为50%的烧碱溶液，这一过程中，有两个问题需要考虑：一是水蒸汽的冷凝热（Q凝）；二是水溶解于烧碱所放出的溶解热（Q溶）。 (!) 水蒸汽的冷凝热Q凝Q凝=20.53kg/h2490.6kJ/h=51132.02kJ/h(2) 水溶解于NaOH所放出的溶解热Q溶 查化工工艺设计手册下册 得NaOH溶解热 Hs=42756KJ/Kmol每小时溶解所放出的热量Q溶=21945kJ/h(3) VC气体温升 固碱干燥器放出的热量：Q总=Q凝Q溶 =5113.02kJ/h21495kJ/h =73075.8kJ/h Q总=WVCCp(vc)tt=7.5 3.4.3 冷媒水的流量W冷 如果无冷却措施，则VC气体温度将升到t=12.5。但是工艺要求VC气体出口温度为10，这样就要求固碱干燥器要有冷却措施，把VC气体出口温度控制在10，如此，就需要从固碱干燥器中拿出的热量：Q=10.493103kg/h0.943kJ/kg（12.5-10）=24238.83kJ/h Q=W冷Cp（t2-t1） 其中，W冷冷媒水的流量 Cp冷媒水的平均比热 Cp=4.2kJ/kg t2冷媒水进口温度 t2=-5 t1冷媒水出口温度 t1=-2 W冷= 3.4.4 平均温度差 近似以并流传热计算。T1=12.5 T2=10t1=-5 t2=-2 t2=17.5 t1=12 tm= 3.4.5 固碱干燥器平均换热面积FF=其中，Q传热量 Q=24238.83kJ/h K总穿热系数 K=63kJ/m2h tm平均温度差 tm=14.6F=第四章 设备的工艺计算和选型 4.1 氯乙烯冷却器工艺计算和选型 4.1.1 冷却器基本参数的选定根据化工工艺设计手册查得：列管式固定管板换热器基本参数和前面的物料，热量衡算数据基本相当，前面计算的换热面积为567.2m2，考虑生产中不稳定性的因素很多，所以放大一些余量，现选定的冷却器的基本参数如下：公称直径 DN1000管程数 I程管数（管长） 801根（5000mm）换热面积（公称值） 310m22（相同设备两台并联）换热管规格（材质） 252.5 (碳钢)管程通道截面积 0.2516m2公称压力 1.6Mpa安装形式 立式4.1.2 冷却器工艺接管尺寸（见图4-1）4.1.3 冷却器气相入口流速u1和管程入口出流速u2 （1） 冷却器入口体积流量V 由上述2.2章节“VC气相冷却器物料衡算”知道，冷却器气相入口为VC气体和饱和的水蒸汽的混合物，其摩尔流量为n=169.12Kmol/h11.076Kmol/h=180.196Kmol/h。温度T为27347=320K 压力P=0.12Mpa 按理想气体处理，则有：V= =3996m3/h（2） 冷却器入口流速u1 （3） 管程入口流速u2u2=图4-1 冷却器接管尺寸示意图表4-1 冷却器工艺接管表管口代号接管规格法兰密封面形式用途aPN6,DN250平面VC气相入口bPN6,DN100平面冷却水出口cPN6,DN250平面VC气相出口dPN6,DN50平面冷凝水出口ePN6,DN100平面冷却水出口 （4） 冷却器冷却水出口流速u3= （5） 冷却器管程压力降Pi计算公式8式中，每程直管压降 每程回管压降 管程压力降结垢校正系数 =1.4 壳程数 =1 管程数 =1其中，u的计算以平均温度下的体积流量计算。又相对粗糙度查得=0.0478=（91+19.5）1.411=15.5N/m2（6） 冷却器壳程压力降（）计算公式8式中流过管束的压力降 流过折流板缺口的压力降 壳程压力降结垢校正系数 取=1.15又管束压降流过折流板缺口的压力降式中，折流板数目 横过管束中心线的管数，本冷却器为三角形排列的管束。（式中801为壳程的管子总数） B折流板间距 B=0.2m D壳体内径 D=1m u0按壳程流通截面积为来计算所得到的壳程流速。F管子排列形式对压力降的校正因素，本冷却器为三角形排列F=0.5f0壳程流体摩擦因素当Re0500时，壳程Re0的求取，500=5448N/m2（7） 换热总系数K 管内传热膜系数10000式中，VC气体的比热 查得=0.88KJ/kg VC气体黏度 查得=108p VC气体导热系数=0.7Pr=1.22160管长和管径之比50对于气体可用下式计算传热膜系数即，式中，d管子内径 VC气体导热系数 n=0.3（流体被冷却）= 管外传热膜系数蕾诺数8式中，当量直径（m）其中 t=0.032m d0=0.025m=0.02m流速（m/s），管外流速可根据流体流过的最大截面积S计算，S=其中，h=0.2m（折流板间间距） D=1m（冷却器壳径） D0=0.025m（管外径）l=0.032（管间距） S=0.21（1-0.025/0.032）=0.04375m2 冷媒密度 =1168kg/m3 冷媒黏度 =管外有25%原缺形挡板，根据管壳式换热器壳程膜系数计算曲线8，可知当Re=1041时： 取 则 即， 冷却器传热总系数K式中，= = 管内侧污垢热阻 = 管外侧污垢热阻 = b管壁厚度 b=0.025m 管壁导热系数 =162.54可kJ/ =56.45kJ/和估算的总导热系数63KJ/相差不多（8） 计算传热面积式中，Q传热量 Q=.8kJ/ K总传热系数 K=56.4556.45kJ/ 对数平均温度差 =24F=这个换热面积和热量衡算中估算的567.2m2相差的不是很多，所选的换热面积为740m2，保险系数=14%，所以，所选的冷却器符合工艺设计的要求。4.2 固碱干燥器选型计算 4.2.1 固碱干燥器基本规格选定根据前述的物料衡算和热量衡算有：传热面积F=26.4m2，经查阅相关资料，以及前人的实践经验，又适当参考生产上的某些不稳定性因素和放大一些余量，我们选定的固碱干燥器的基本规格为：1200 63004.2.2 固碱干燥器结构尺寸图 图4-2 固碱干燥器结构示意图工艺接管规格表如下：表4-2 固碱干燥器工艺接管表符号接管规格法兰密封面形式用途aPN6,DN250平面VC气相入口bPN6,DN250平面VC气相出口cPN6,DN500平面人空dPN6,DN50平面排液碱口ePN6,DN25平面60热水进口fPN6,DN25平面60热水出口g平面液面计开口hPN6,DN25平面-5冷水溶液进口iPN6,DN25平面-5冷水溶液出口jPN6,DN50平面-5冷水溶液进口kPN6,DN50平面-5冷水溶液出口4.2.3 传热面积的校核夹套换热面积F1= 盘管所盘圆的直径D=400mm，盘管与圈之间距离l=250mm，管子规格32（不锈钢管共13圈，直管供热面积F=设计总供热面积F=F1+F2=13.6+2.1=15.7m2因为设计供热面积F=15.7m226.4m2（计算供热面积）所以，单台干燥器是不能满足工艺要求的，因此，我们采用同样规格的干燥器两台并联，这样就满足了工艺要求。4.3 集水器选型计算集水器是在流程中连续工作的，其下游的设备VC回收器是间断工作的，并且设计为每四小时间断工作一次。4.3.1 集水器有关物料的计算根据前2.2节“VC气相冷却器物料衡算”，集水器的进水量为177kg/h，这样4小时的进水量为1774=708kg。因此，集水器的容积V1m3就能满足工艺要求。4.3.2 集水器选型集水器结构尺寸如下图：图4-3 集水器结构示意图容积V= ，满足工艺要求工艺接管表：表4-3 集水器工艺接管表符号接管规格法兰密封形式用途aPN6，DN50平面进水口bPN6，DN50平面出水口cPN6，DN25平面气相平衡口4.4 VC回收器选型计算4.4.1 VC回收器有关物料的计算 进入VC回收器的水中所溶解的VC的量进入VC回收器的水量，已知W=708kg进入VC回收器的水，在进入前水的状态为：压力P=0.12Mpa，温度t=5，根据氯乙烯在水中的溶解度与温度的关系3，得溶解度S=10gVC/1000g水所以进入VC回收器的水中溶解的VC量WVC=70810=7080g=7.08kg VC回收器操作条件以及回收器后废水中的VC量操作条件：温度 70压力 0.105Mpa在操作条件下，VC的溶解度几乎为零3，所以，废水中的VC含量可以忽略不计。 VC回收流量W回收因为，废水中的VC是每四小时回收一次，每次能回收VC为7.08kg。所以，VC回收流量W回收=7.08/4=1.77kg/h。4.4.2 VC回收器的选型经参考集水器选型的结构尺寸，只要在设备外壳增加一个加热夹套，就能满足工艺要求，其结构尺寸如下图：图4-4 VC 回收器示意图表4-4 VC回收器接管表管口代号接管规格法兰密封面形式用途aPN6,DN50平面进水口bPN6,DN50平面排水口cPN6,DN32平面VC出口dPN6,DN32平面蒸汽ePN6,DN20平面冷凝水出口4.5 罗茨风机选型计算4.5.1 罗茨风机克服的阻力hf 阻力计算流程示意图：4-5 罗茨风机克服阻力示意图 h1+h2的计算管径DN300 流速u= 直管段管厂估算为90m，管件当量长度的估算：名称数量每只当量长度le/d合计当量长度l/d闸阀17790弯头1240480止回阀1135135流量计1100100Le=（7+480+135+100）0.3=217m局部阻力系数，流程中有一个突然缩小管件，= =0.2相对粗糙度=Re=查：摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系，=0.02h1+h2= h3的计算管径DN=250流速u=直管段长l=5m，管件当量长度估算：名称数量（个）每只当量长度le/d合计当量长度le/d90弯头340120闸阀177合计127le=1270.25=32m局部阻力系数取1相对粗糙度=Re= 又查得=0.021h3= h冷由4.1节可知：h冷=6mmH2O h4的计算管径DN=250流速u=直管长度l=6m 管件当量长度的估算：名称数量（个）每只当量长度le/d合计当量长度le/d90弯头440160闸阀177合计167le=1670.25=42m局部阻力系数，流程中有一个突然增大管件， =0.09相对粗糙度=Re= Re= 又查得=0.022h4= h5的计算管径DN=300流速u=直管长度l=8m 管件当量长度的估算：名称数量（个）每只当量长度le/d合计当量长度le/d90弯头440160le=1600.3=48m局部阻力系数=0.2相对粗糙度=0.001Re= Re=又查得=0.02H5=同理，可以计算出：名称压力降hf（mmH2O）h675h固50h770名称压力降hf（mmH2O）h8123h975h1070h11123h硅51罗茨风机所克服的阻力：=690+71+6+70+123+75+50+70+123+75+51+70+123=1579mmH2O =1.54104pa4.5.2 罗茨风机进气流量V=75.2m3/min4.5.3 拟选罗茨鼓风机主要性能参数规格型号L50073-80/0.20.5流量80m3/min压力2000-5000mmH2O温度60转速960rpm功率70KW4.6 结论经过工艺计算，本设计能完全满足8万吨/年聚氯乙烯工序中，VC气相脱水工艺设计的各项参数。参考文献：1.谭天恩,麦本熙,丁惠华等编.化工原理.化学工业出版社,1990.2.方度.氯碱工艺学.化学工业出版社,1990.3.郑石子.聚氯乙烯生产问答.化学工业出版社.1990.4.天津大学物理化学教研室.物理化学(上).高等教育出版社.1983.5.上海医药设计院.化工工艺