100ktaPVC生产装置——氯乙烯工段预热工序的初步设计 毕业设计.doc

毕业设计 课 题 名 称 100kt/a pvc生产装置 氯乙烯工段预热工序的初步设计 学 生 姓 名 学 号 0940902094 系、年级专业 生物与化学工程系2009级化学工程与工艺 指 导 教 师 职 称 高级工程师 2013年 5 月 21 日 毕业设计(论文)附件课 题 名 称 100kt/a pvc生产装置 氯乙烯工段预热工序的初步设计 学 生 姓 名 目 录1毕业设计（论文）任务书2毕业设计（论文）开题报告3毕业设计（论文）进度考核表4毕业设计（论文）评阅表5工程图纸2013年 5月 21 日iii100kt/apvc生产装置氯乙烯工段预热工序的初步设计 （邵阳学院生物与化学工程系2009级化学工程与工艺专业） 摘 要本次毕业设计课题为年产10万吨pvc生产装置氯乙烯工段预热工序的初步设计。本设计根据株洲化工集团现场实习有关资料及有关文献，完成了氯乙烯工业生产方法的选择和优化，用a2图纸绘制了带控制点的氯乙烯生产工艺流程图；对氯乙烯工段预热工序进行了物料衡算和热量衡算，列出了相应的物料衡算表和热量衡算表；对预热工段主要设备进行了设备结构选型，并作出了详细的工艺及设备设计计算，采用a2图纸绘制了合成转化设备装配图。 本设计在氯乙烯工业生产方法的选择和优化上重点考虑了生产过程的热量回收再利用的问题。利用反应放出热量将热水加热成水蒸汽，进行热量回收供后续工段使用，充分利用热能。关键词：预热、pvc；vc；工艺；设计 i the preliminary design about vinyl chloride section preheating process of pvc 100000 tons per year zhang bo (2009 chemical engineering and technology,biological and chemical engineering department of shaoyang university)tutor: dai youzhiabstract the graduation design topic for the annual output of 100000 tons of production facility of pvc, vinyl chloride preheat section process of preliminary design. according to the zhuzhou chemical industry group scene practice pertinent dates and related dates,the design mainly completes the vinyl chloride method selection and optimization of industrial production to use a2 drawing vinyl chloride production process flow chart with control points; vinyl chloride preheat section process for the material balance and heat balance, and lists the corresponding material balance table and heat balance table; converters on preheat conversion section of main equipment selection, equipment structure and make the detailed process and equipment design calculations, using a2 drawing a composite transformation equipment assembly drawing. this design in the selection of vinyl chloride production method and takes into account the optimization on the process of production of heat recycling problem. will use gives off heat reaction heat hot water into steam, heat recovery is used for subsequent section, make full use of heat energy.key words: preheat；pvc；vc；technological；design ii目 录中文摘要英文摘要1 前言 12 概述 12.1 聚氯乙烯的性质与用途 12.2 氯乙烯工业的重要性 4 2.3 中国聚氯乙烯的发展 52.4 生产工艺简述 52.5 国内需求量和年均增长率 .63 氯乙烯生产工艺 .63.1 原料乙炔的制备 63.2 氯乙烯的合成.93.3 工艺流程图. 124 换热器134.1 换热器的种类与结构形式 134.2 石墨换热器 145 物料衡算.14 5.1 设计参数155.2 原料气用量15 5.3 混合气的物料衡算 165.4 石墨冷凝器的物料衡算185.5 多筒过滤器的物料衡算 .195.6 石墨预热器的物料衡算 205.7 转化器的物料衡算205.8 水洗泡沫塔的物料衡算 .215.9 碱洗泡沫塔的物料衡算 226 热量衡算 .246.1 石墨预热器的物料衡算 247 预热器的设计267.1 流体流经的选择 277.2 预热器的热负荷 277.3 流体两端温度的确定 .277.4总传热系数 277.5 换热面积 277.6 单程换热管数 .277.7 筒体的计算277.8 实际换热面积 287.9 总传热系数的核算 287.10 压降的计算 .318 设备选型328.1 封头 338.2 筒体 338.3 压力容器法兰及垫片 .338.4 管板 338.5 接管 348.6 接管及接管法兰尺寸表 .34总结36参考文献37附：工程图纸 致谢 38 邵阳学院毕业设计（论文）1 前言本设计是根据设计任务书的要求，对100kt/apvc生产装置氯乙烯工段预热工序的初步设计，广泛收集了pvc工艺和化工设计的相关资料作为设计的理论依据。本设计对pvc的工艺发展状况、工艺选择、性质、工艺流程及合成原理，相关的物料性质、物料衡算、设备选型、管道设计作了较为详细的阐述，以理论设计为主，参考了大量资料和书籍，力求接近实际、切合实际。本设计结合了化工生产的实际情况来进行，是培养我们综合运用化工专业基础理论,基本知识和基本技能分析解决实际问题能力的一个重要环节；是本专业各个先前教学环节的深化和检验，通过该毕业设计,我更深刻地了解并掌握化工工艺设计的基本程序和方法，在查阅相关的物性资料书籍，选用合理的公式和数据，用文字、图表表达设计结果及制图等能力方面得到更一层次的提高。在设计过程中我们注重树立正确的设计思路和实事求是、严肃认真的工作作风，这将使我们在实际的化工系统建设,管理，维护工作中,充分利用所学的专业知识，理论联系实际，独立开展工作，从而使我们具备从事化工工作的实际基本能力，为我们能更快地融入社会、更好地适应新的工作打下坚实的基础。 在此次设计中，自始至终都得到了戴友志老师的悉心指导和同学们的热心帮助，在此表示衷心的感谢。 当然由于本人水平有限，时间仓促等问题，此次设计不免存在漏洞与失误，希望能得到专业人士的指导与建议。2 概述 聚氯乙烯（pvc树脂）是世界上最早实现工业化生产的塑料品种之一。由于pvc树脂具有难燃、抗化学腐蚀、耐磨、电绝缘性优良和机械强度较高等优点，在加工过程中可以加入添加剂或采用适当的工艺和设备生产出各种各样的塑料制品，包括板材、管材、管件、异型材等硬制品以及薄膜、人造革、塑料鞋、电缆料、泡沫材料等软制品，在工业、农业、建筑、日用品、包装以及电力等方面具有广泛的应用，因此自20世纪30年代实现工业化生产以来，pvc树脂以其优良的综合性能和较低的价格一直受到各工业国家的普遍重视，保持着长盛不衰的发展势头。2.1 聚氯乙烯的性质与用途2.1.1 聚氯乙烯的性质 pvc属于无定形共聚物，密度1.35-1.45，表观密度度0.4-0.65，比热容1.045-1.465)，热导率2.1，折射率=1.544。85以呈玻璃态。85-175呈粘弹态。175-190时呈熔融态。190-200时呈粘流态。脆化点-50-60。软化点75-85。玻璃化转化温度在80上下。100以上时开始分解，180以上时快速分解。200以上剧烈分解并变黑。pvc在火焰上能燃烧，并降解释放出hcl、co，苯等低分子化合物，离火自熄。耐电击穿，可用于1万伏低压电缆。较耐老化，但在光照和氧的作用下会缓慢分解，释放盐酸、形成羰基、共轭键而变色。化学稳定性好，在酸、碱、盐溶液中较为稳定。并且在室温条件下耐磨性超过硫化橡胶。聚氯乙烯的突出优点是难燃性、耐磨性、抗化学腐蚀性、水汽低渗透性好。此外，综合机械性能、制品透明性、电绝缘性、隔热、消声、消震性好。时性价比最为优越的通用型材料。缺陷是热稳定性、抗冲击性较差，降低温度时迅速变硬变脆。受冲击时极易脆裂。但pvc极易改性，通过化学、物理方法可大大改善其性能。并且可通过分子链交联或引入功能基团等手段赋予新的功能。 例如，将pvc树脂化后氯化，氯含量提高了10%以上，即保留了pvc的优良耐化学性，尺寸稳定性及良好的绝缘性能又提高了耐热性、拉伸强度、弹性模量及阻燃抑烟性能。按配方不同，其玻璃化转化温度从pvc的80提高到115-135，热变形温度从70升至85-104。氯化聚氯乙烯优良的耐化学性、阻燃抑烟性、高度的刚性、合适的密度及耐热性使之制造的管道、管件、阀门能用于输送热水、冷水、工业腐蚀性液体，高温液体和消防系统特用管材管件；可以用于制造飞机机舱内的低烟制品等。2.1.2 聚氯乙烯的用途 (1) pvc一般软制品利用挤出机可以挤成软管、电缆、电线等；利用注射成型机配合各种模具，可制成塑料凉鞋、鞋底、拖鞋、玩具、汽车配件等。 (2) pvc薄膜 pvc与添加剂混合、塑化后，利用三辊或四辊压延机制成规定厚度的透明或着色薄膜，用这种方法加工薄膜，成为压延薄膜。也可以通过剪裁，热合加工包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。宽幅的透明薄膜可以供温室、塑料大棚及地膜之用。经双向拉伸的薄膜，所受热收缩的特性，可用于收缩包装。 (3) pvc涂层制品 有衬底的人造革是将pvc糊涂敷于布上或纸上，然后在100摄氏度以上塑化而成。也可以先将pvc与助剂压延成薄膜，再与衬底压合而成。无衬底的人造革则是直接由压延机压延成一定厚度的软制薄片，再压上花纹即可。人造革可以用来制作皮箱、皮包、书的封面、沙发及汽车的坐垫等，还有地板革，用作建筑物的铺地材料。 (4) pvc泡沫制品 软质pvc混炼时，加入适量的发泡剂做成片材，经发泡成型为泡沫塑料，可作泡沫拖鞋、凉鞋、鞋垫、及防震缓冲包装材料。也可用挤出机基础成低发泡硬pvc板材和异型材，可替代木材试用，是一种新型的建筑才材料。 (5) pvc透明片材 pvc中加冲击改性剂和有机锡稳定剂，经混合、塑化、压延而成为透明的片材。利用热成型可以做成薄壁透明容器或用于真空吸塑包装，是优良的包装材料和装饰材料。 (6) pvc硬板和板材 pvc中加入稳定剂、润滑剂和填料，经混炼后，用挤出机可挤出各种口径的硬管、异型管、波纹管，用作下水管、饮水管、电线套管或楼梯扶手。将压延好的薄片重叠热压，可制成各种厚度的硬质板材。板材可以切割成所需的形状，然后利用pvc焊条用热空气焊接成各种耐化学腐蚀的贮槽、风道及容器等。 (7) pvc其它 门窗有硬质异型材料组装而成。在有些国家已与木门窗铝窗等共同占据门窗的市场；仿木材料、代钢建材（北方、海边）；中空容器。 pvc（permanent virtual circuit）永久虚电路：两台计算机通过面向连接网络的连接。pvc能经受计算机的重新自举或电源的波动，从这个意义上说它是永久的；pvc是虚拟的，因为它是将路径放在路由表中，而不是建立物理连接。 虚电路是分组交换网络提供的服务之一(另一种是数据报服务)，简单地说，就是通过网络内部的控制机制，在用户主机之间建立虚拟的逻辑连接，并且保证在其上传送信包的正确性和顺序性，通信前后要进行虚电路的建立和拆除。永久虚电路是一种在网络初始化时建立的虚电路，并且该虚电路一直保持。x.25网络和b-isdn都提供pvc服务。2.2 氯乙烯工业的重要性 聚氯乙烯pvc是世界上实现工业化时间最早，应用范围最广范的通用型热塑性塑料。在三四十年代开始实际应用以来，其产量一直稳居塑料工业之首，后来由于聚氯乙烯发展速度更快，1996年才退居第二位。在美国1990年底密度聚氯乙烯的产量超过了pvc，1992年高密度聚氯乙烯的产量及销售量已以pvc大致相当，他们交替位于第二或第三之间。在日本pvc产量和消费量居第二位。在中国pvc塑料制品产量一直位居第一，pvc树脂产量从1988年开始退居第二，消费量低于聚乙烯和聚丙烯而名列第三位。尽管如此聚氯乙烯在其综合性能、品种的多样性、用途的广泛性、性能价格比及资源利用和对生态环境的影像方面，仍然任何一种塑料。60多年来pvc工业一直保持着最富活力的技术革新和持续稳定的发展状态。 pvc是相当重要的大宗塑料，它的综合性能好，改性品种多用途最为广泛。原料来源丰富、消耗石油少，价格低廉、经济效益好而且能耗低，作为钢铁、有色金属、木材、玻璃、纸张等传统材料的替代产品，有利于资源优化配置和节省社会能源。由于容易改性和提高性能，pvc已由通用性材料打入工程材料、功能材料和强性材料，为pvc工业注入了新的活力。pvc用途的广泛性、碱氯产品的关联性、生产技术的密集性。使pvc工业与建筑、汽车、电子机械及石油化工等国名经济的支柱产业，氯碱工业等基础原料工业高新产业紧密相连。在美国70年代初做过统计指出pvc和它有关的原材料、机械及最终产品综合产值约占当时美国国民生产总值的10%以上。德国1995年pvc企业销售额18亿马克，而pvc加工机塑料机械销售总额达189亿马克，比列位1:10；pvc企业生产员工为6800人，而pvc加工机塑料机械等行业的员工为98200人，比列为1:14据德国化学工业调查，化学工业销售额的60%来自于氯有关的化学品。1995年德国国内销售额1800亿马克，其中1100亿马克与氯有关。从事氯化工人员有25万人，占化工职工总数的50%如果按pvc得比列推算到氯的最终产品，则将涉及全国360万从业人员。中国在80年代末也对华东地区做过调查每万吨氯碱可创造5-7亿元工业产值，每亿元产值直接影响到下游产业的15-20亿元产值。pvc加工业是中国塑料工业中企业数最多的行业，其生产程度之高，应用覆盖面之广，技术推动性之大是非常明显的。pvc工业的发展可以带动和促进国民经济许多行业的技术进步与发展，可以改善人们衣食住行条件，提高人民生活水平。因此，pvc工业在国民经济中占有一定地位。发展好pvc工业的意义十分重大。2.3 中国聚氯乙烯的发展聚氯乙烯（pvc）是世界第二大通用树脂，1998年世界pvc树脂生产能力约为2980万吨，产量大约为2350万吨，次于聚乙烯树脂（生产能力5680万吨，产量4370万吨），与聚丙烯树脂（生产能力2994万吨，产量2550万吨）相差不多。 pvc是由液态的氯乙烯单体（vcm）经悬浮、乳液、本体或溶液法工艺聚合而成，其中悬浮工艺在世界pvc生产装置中大约占90的比例。在世界pvc总产量中均聚物也占大约90的比例。pvc是应用最广泛的热塑性树脂，可以制造强度和硬度很大的硬质制品如管材和管件、门窗和包装片材，也可以加入增塑剂制造非常柔软的制品如薄膜、片材、电线电缆、地板、合成革、涂层和其它消费性产品。硬质制品目前占pvc总消费量的6570，今后pvc消费量进一步增长的机会主要是在硬质制品应用领域。目前pvc在建筑领域中的消费量占总消费量的一半以上。1998年我国pvc产量和表观需求量分别为160万吨和317万吨。在世界上产量仅次于美国（639万吨）、日本（263万吨）居第三位。2000年前后，计划新建和扩建pvc能力至少为88万吨/年，估计此期间大量没有竞争能力的电石法小厂将闲置，所以总产能有可能达220万吨/年水平，其中乙烯法将达134.6万吨/年，从目前占31%上升到61%。报道的项目有万县市6万吨/年本体法pvc装置，天津渤海公司同韩国乐喜公司、美国西方化学公司合资的10万吨/年pvc装置，(其中引进的8万吨/年乙烯法vcm装置于1997年建成、投产)，上海天原化工厂同伊滕忠商事、旭硝子公司合资的24万吨/年vcm和20万吨/年pvc装置，泰国正大集团在宁波的12万吨/年pvc装置，辽河集团与乐喜金星公司合资的8万吨/年pvc装置，上海氯碱化学公司已使vcm产能增大到30万吨/年，计划到40万吨/年，这意味pvc产能将由目前的22万吨/年增加到36万吨/年，北京化工二厂将增加pvc能力7.6万吨/年，齐鲁公司将增加pvc能力10万吨/年，广州化工厂8万吨/年乙烯法vcm/pvc项目已通过评审。 2.4 生产工艺简述 pvc树脂可以用悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合或溶液聚合四种基本工艺生产。聚合反应由自由基引发，反应温度一般为4070，反应温度和引发剂的浓度对聚合反应速率和pvc树脂的分子量分布影响很大。悬浮聚合生产工艺成熟、操作简单、生产成本低、产品品种多、应用范围广，一直是生产pvc树脂的主要方法，目前世界上90%的pvc树脂 (包括均聚物和共聚物) 都是出自悬浮法生产装置。美国悬浮法均聚pvc树脂的生产能力不断提高，1987年占84%，1996年为90%。pvc树脂生产技术已经十分成熟，近年来主要是针对已经基本定型的工艺技术进行一些改进。90年代中期以来有关pvc树脂工艺技术的专利集中在改进防结焦涂层、改进引发剂体系、改进乳化剂以及减少残留单体含量等方面。经过30多年的发展，我国已经建成包括先进的悬浮法、本体法和生产糊树脂的乳液法、微悬浮法等在内的工艺齐全的pvc树脂生产装置。但是, 整个行业的技术水平还比较低。我国生产装置规模普遍较小，国外先进国家悬浮法装置生产规模一般在1020万吨/年，在我国70余生产厂只有3套装置达到这样的规模；目前国外乙烯氧氯化法路线生产的pvc树脂已占90%以上的比例，发达国家基本淘汰了电石乙炔法路线，我国采用乙烯路线的pvc树脂仅占pvc树脂总能力的1/3。 2.5 国内需求量和年均增长率 我国1998年聚氯乙烯产量为160万吨，净进口量约157万吨，表观需求量为317万吨。考虑到进口产品中有相当部分不属于一般贸易方式（如1998年来料加工、进料加工、保税仓库等方式进口占总进口量的89.7%）,但由于来、进料加工等贸易方式进口的树脂并未能全部复出口，粗估国内的需求大约为248万吨。15年来我国聚氯乙烯树脂的表观满足率和满足率分别为80.6%和87.5%，高于其它通用树脂。需求的年均增长率为9.8%，是同期gdp年均增长率（10.3%）的0.95倍,低于其它通用树脂。然而，从1983-1998年我国聚氯乙烯树脂需求增长趋势看，90年代的需求增长率明显高于80年代，90年代国内需求满足率明显低于80年代。 3 氯乙烯生产工艺 3.1 原料乙炔的制备3.1.1 乙炔概述 纯品为无色略带芳香气味的气体，工业品（俗称电石气则具轻微大蒜臭。常压下不能液化，升华点-83.8 ，易燃易爆，是有机合成工业的重要原料，也是有特定用途的优质高热值燃料。生产方法工业上有许多种生产乙炔的方法，按原料来源可分为两大类：碳化钙法和烃类裂解法。碳酸钙法又名电石法，是最古老惬意今人在工业上普遍使用的乙炔生产方法。它是使电石与水在乙炔发生器中作用而制得乙炔： 电石为固体物料，运输方便，制得乙炔浓度很高，只需简单精制即可使用，故碳化钙法应用比较普遍，既可大规模生产，也可少量发生以用于焊接或切割，但生产电石能耗太高，发展受到限制。碳酸钙法乙炔浓度为96-98.5%，含有硫化物、磷化氢、砷化氢、氨和乙炔衍生物等杂质，此等物质能使催化剂中毒或腐蚀金属，在作为化工原料使用前常用稀硫酸、次氯酸钠溶液（氯通入稀氢氧化钠溶液）分别洗涤净化，少量的乙炔也可用干法净化，采用重铬酸盐净化剂、三氯化铁净化剂均可达到净化要求。3.1.2 生产原理 (1) 电石法 电石制备：cao + 3c cac2 + co 乙炔制备：主反应 cac2 + 2h2o ca（oh）2+ c2h2 副反应 cao + h2o ca（oh）2 cas + 2h2o ca （oh）2 + h2s ca3p2 + 6h2o 3ca （oh）2 + 2ph3 ca3n2 + 6h2o 3ca （oh）2 + 2nh3 ca2si + 4h2o 3ca （oh）2 + sih4 ca3as2 + 6h2o 3ca （oh）2 + 2ash3 从上述反应可以看出在生成乙炔的同时还存在喜多杂质气体。这种含有众多杂质气体的乙炔称为粗乙炔，用粗乙炔生产氯乙烯不适宜，容易造成合成工段触媒中毒，还会影响氯乙烯质量，为此必须进行清净处理。常用的清净剂是次氯酸钠，利用次氯酸钠的氧化性，将粗乙炔中的硫化氢、磷化氢等杂质气体氧化呈酸性物质而除去。 其反应方程式如下： 4naocl + h2s h2so4 + 4nacl 4naocl + ph3 h3po4 + 4nacl 4naocl + sih4 sio2 + 2h2o + 4nacl 4naocl + ash3 h3aso3 + 4nacl 上述清净化应可以看出清净过程称重产生了酸性物质，需用naoh中和。 (2) 天然气氧化裂解制乙炔的方法： ch4 c2h2 + 3h2 ch4 + 2o2 co2 + 2h2o 上面两个反应方程式构成甲烷氧化裂解过程，与此同时还发生如下几种反应：甲烷不完全氧化反应：ch4 + 1/2o2 co + 2h2 一氧化碳变换反应： co + h2o co2 + h2 乙炔分解反应： c2h2 2c + h2 3.1.3 工艺路线的选择 电石法是生产乙炔较为古老的方法。这种方法耗电量大、成本高、但技术成熟、乙炔含量较高、生产工艺流程简单、应用较为普遍，随着石油工业的飞速发展，以天然气为原料通过裂解生产乙炔已成为主要方法，这种方法生产成本较低，同时还副产有用的副产物。但在石油资源贫乏而水资源丰富的地区，一旦水电资源得到充分开发，电价大幅度降低。此电石乙炔路线可以与石油乙烯路线竞争。这就是电石乙炔厂家赖以生存的原因。从长远分析地球的石油资源有限，而水电资源是大量的，因此，乙炔路线还是有一定的生命力。3.1.4 反应原理 cao + 3c cac2 + co2 cac2 + h2o ca（oh）2+ c2h2 (1) 电石粒度 电石粒度不宜过小，否则水解速度太快，是反应放出的热量不能及时移走易发生局部过热而引起乙炔分解和热聚，进而使温度剧升而发生爆炸。粒度过大，则水解反应缓慢发生器底部间歇排出渣浆中容易夹带未水解的电石。造成电石额定消耗上升。因此，根据目前发生器结构及电石破碎损耗等因素考虑。粒度控制在80 mm以下，对于4-5层挡板可选用80 mm以下，对于2-3层挡板者宜选用50 mm以下。 (2) 反应温度 温度对于电石水解反应的速度的影响是显著的，相同粒度下测定温度在2-80 范围内的影响关系，发现在50 以下每升高1 使水解速度加快1%；而在-35 以下的寒冷地区，电石在盐水中的反应速度是非常缓慢的。 理论上，每吨电石水解需要0.56吨的水，在绝热反应下，水解反应会使系统温度剧升到几百度以上。因此在湿式发生器中，都采用过量水移出反应热，并稀释副产的氢氧化钙以利益管道排放。总加水量与电石投料量之比即称作水比。因此，在湿式反应器中温度和水比是相对应的，工业生产上就是借减少加水量来提高反应温度。反应温度越高则乙炔总损失越少，而发生器排出的电石渣浆含固量也相应上升。过高反应温度将导致排渣困难，另外，粗乙炔气中水真气含量相应增加，冷却负荷加大，以及从安全等方面考虑，不宜使反应温度控制过高，一般根据已有生产经验以80-90 为宜。 3.2 氯乙烯的合成3.2.1 氯乙烯概述 (1) 外观与性状 无色、有醚样气味的气体，熔点-159.8 ，沸点-13.4 ，相对密度（水=1）：0.91，相对蒸汽密度(空气=1）：2.15，饱和蒸汽压346.53(25 ),临界温度142 ，临界压力5.60，辛醇/水分配系数的对数值1.38，引燃温度415 ，微溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮等多数有机溶剂。 (2)主要用途 用作塑料原料及有机合成，也用作冷冻剂等。3.2.2 生产原理 生产方法：乙炔和氯化氢在氯化汞的催化作用下合成氯乙烯。 制备氯乙烯有：电石乙炔法氯乙烯、直接氯化法制氯乙烯、乙烯氧氯化法制氯乙烯。 电石乙炔法制备氯乙烯工艺的优点是，工艺和设备简单、投资少、收率高；缺点是能量消耗高、原料成本高、催化剂汞盐毒性大。 乙烯氧氯化法制氯乙烯特点是：反映器能力大、生产效率高生产成本低、单体和杂质含量少可以连续操作。 用乙炔与氯化氢反应生成氯乙烯。乙炔与氯化氢的摩尔比为1:1,使用氯化汞作催化剂。反应压力为0.17 mpa，反应温度95-105 ，一般转化率可达到98%直到50年代乙炔法仍在世界范围占有主要位置。 直接氯化反应使用二氯乙烷做溶剂，在液相中进行直接氯化反应。反应压力为0.45 mpa，反应温度通常为60 ，反应过程中使用略过量的乙烯进行反应，转化率科达100%，使用选择性大于99%的氯化铁催化剂可加速反应，提高生产效率，然后，将高纯度的二氯乙烷（99.5%）在550 和2.76 mpa压力条件下进行裂解，生产出氯乙烯单体但副产物氯化氢难于处理。 50年代末，乙烯氧氯化法工业化，并在60年代推广开来。乙烯氧氯化法使用乙烯、氧气、氯化氢反应得到二氯乙烷，反应在230-315 条件下进行，压力为1.38 mpa，使用金属氯化物催化剂，使反应在高转化率和高选择性条件下进行。二氯乙烷再经裂解生成氯乙烯，副产的氯化氢再回收到氧氯化工段使用，在消除氯化氢副产物后生成一些水。 3.2.3 工艺路线选择 根据任务依据和要求选择电石乙炔法制备氯乙烯，同时这种方法还有投资少、工艺设备简单收率高等优点，有一定的生命力。3.2.4 反应原理主反应：副反应： 3.2.5 工艺条件 (1) 反应温度 反应温度对氯乙烯的合成影响很大，温度升高，反应速度加快，乙炔转化率提高。 表1 反应温度对乙炔转化率的影响反应温度（k）433453473乙炔转化率（%）95.696.3898.83反应温度过高，副反应增加，同时由于温度过高会破坏催化剂的活性结晶表面，是氯化汞升华加剧，高温还会使乙炔聚合成树枝状聚合物沉积在催化剂表面从而遮盖催化剂的活性中心使催化剂活性下降。因此，在工业生产中反应温度一般采用催化剂的活性温度范围120-150 。 (2) 反应压力根据反应原理可知，该反应系统为一个气体分子数减少的反应系统，加压操作会提高转化率，但加压对设备材料要求也相应提高，若系统出现负压反应物料易燃、易爆，一旦漏入空气将引起爆炸。常压下转化率已相当高，因此工业上采用常压操作，绝对压力为0.12-0.15。 (3) 空间速度在氯乙烯合成中，反应气体的体积习惯上指乙炔气体的体积，其单位为乙炔/（催化剂h）。空间速度越大通入的反应气量越多，生产能力越大，深度加工副产物越少，高沸点物越少；但空间速度增大，反应气体与催化剂接触时间就缩短，乙炔转化率减小。空间速度过大，气体通入量过多，反应激烈，气体分布不均匀，局部容易过热，使催化剂升华加剧活性下降寿命缩短。根据实践空速一般取30-60。 (4) 反应物配比从反应机理可以看出，当乙炔过量时，催化剂中的氯化汞会被乙炔还原成氯化亚汞和金属汞，使催化剂失活；同时副产物二氯乙烯等，造成产品分离困难。另外由于乙炔不容易除去，微量的乙炔还会影响氯乙烯的聚合。因此，生产中常采用氯化氢过量，以保证乙炔反应完全，避免乙炔过量造成催化剂中毒。另一方面，氯化氢较乙炔价格低廉，并且过量部分可以很容易的用水洗或碱洗除掉，同时氯化氢不能过量太多会造成吸收率降低，二氯乙烷产量增加，增加碱的消耗量，增加了产品的成本。 (5) 催化剂目前工业生产催化剂是以活性炭为载体，吸附氯化汞制备而成。其符合中国有色金属行业标准ys/t31-92技术要求：hgcl2含量为10.5%-12.5%，水分含量应小于0.3%，松装密度为540-640 g/l，外观为黑色圆柱形颗粒状。作为活性组分的氯化汞含量越高，乙炔的转化率越高。但是氯化汞含量过高时在反应温度下极易升华而降低活性，且冷凝后会堵塞管道影响正常生产，另外氯化汞含量过高反应激烈，温度不易控制，已发生局部过热，为抑制氯化汞升华可加入适量的氯化钡。研究表明，纯的氯化汞对合成反应并无催化作用，纯的活性炭只有较低的催化活性。3.3 工艺流程图工艺流程概述： （1）混合脱水工段：由乙炔工段送来的粗乙炔气体经砂封与来自氯化氢工序的氯化氢经缓冲罐通过孔板流量计调节配比在混合器内充分混合，进入石墨冷却器内在-35度盐水下进行冷却到-142度，乙炔、氯化氢混合气体在此温度下，部分水分以40%左右酸雾析出，部分酸雾夹带于气相中进入多桶过滤器中，由含硅氟油棉拥集分离，精二级石墨预热器预热后进入转化器。 （2）合成转化工段：干燥预热后的气体由转化器上部进入，通过列管中填装的吸附于活性炭上的氯化汞触媒转化为粗氯乙烯，转化过程反应放热则通过热水循环泵循环的热水移去。粗氯乙烯在高温下带逸的氯化汞升华物在填装活性炭的吸附器中脱除，进入精馏段。（3）水洗、碱洗、氯乙烯压缩工段：除汞后的粗氯乙烯进入水洗塔，经碱洗塔除去残余的微量氯化氢后进入氯乙烯气柜或经机前冷却器，气液分离器除去部分夹带液，经单体压缩机加压到0.50.6兆帕，经机后冷却器、油水分离器除去夹带水和油后，送精馏。4 换热器4.1 换热器的种类与结构形式换热器作为传热设备被广泛用于耗能用量大的领域。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：4.1.1换热器按传热原理可分为 (1) 表面式换热器 表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。 (2) 蓄热式换热器 蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。(3) 流体连接间接式换热器 流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。 (4) 直接接触式换热器 直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。4.1.2 换热器按用途分为 (1) 加热器 加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。 (2) 预热器 预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。 (3) 过热器 过热器用于把流体(工艺气或蒸汽)加热到过热状态。 (4) 蒸发器 蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。4.1.3 按换热器的结构可分为 可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、u形管板换热器、板式换热器等。4.2 石墨换热器 石墨换热器是传热组件用石墨制成的换热器。制造换热器的石墨应具有不透性,常用浸渍类不透性石墨和压型不透性石墨。 石墨换热器按其结构可分为块孔式管壳式和板式3种类型。 块孔式:由若干个带孔的块状石墨组件组装而成。管壳式：管壳式换热器在石墨换热器中占有重要地位,按结构又分为固定式和浮头式两种。 板式:板式换热器用石墨板粘结制成。此外,还有沉浸式喷淋式和套管式等(见蛇管式换热器套管式换热器)。石墨换热器耐腐蚀性能好,传热面不易结垢,传热性能良好。但石墨易脆裂,抗弯和抗拉强度低,因而只能用于低压,即使承压能力最好的块孔状结构,其工作压力一般也仅为0.30.5兆帕。石墨换热器的成本高,体积大,使用不多。它主要用于盐酸硫酸醋酸和磷酸等腐蚀性介质的换热,如用作醋酸和醋酸酐的冷凝器等。 石墨换热器的选择：本次设计采用板式：板式换热器用石墨板粘结制成。此外，还有沉浸式、喷淋式和套管式等（见蛇管式换热器、套管式换热器）。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。板式换热器是液液、液汽进行热交换的理想设备。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占 地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换 热器高3-5倍，占地面积为管式换热器的三分之一，热回收率可高达90%以上。 石墨换热器耐腐蚀性能好，传热面不易结垢，传热性能良好。但石墨易脆裂，抗弯和抗拉强度低,因而只能用于低压,即使承压能力最好的块孔状结构，其工作压力一般也仅为0.30.5兆帕。石墨换热器的成本高，体积大，使用不多。它主要用于盐酸、硫酸、醋酸和磷酸等腐蚀性介质的换热，如用作醋酸和醋酸酐的冷凝器等。主要用在氯碱化工、石油化工、氟化盐、钛白、锆业、氯乙酸、氯化石蜡、单晶硅氟化工等生产行业。5 物料衡算 假设各化工单元操作连续进行，采用倒推法，根据转化率或损失率计算出原料投料，然后再按照操作顺序对各单元操作进行物料衡算。5.1 设计参数生产能力：10万t/a pvc生产时间：t=7200 h（一年按300天计算）合成收率：=95%聚合收率：=96%单体纯度：=99.95%乙炔纯度：=99%氯化氢纯度：=95%原料配比：5.2 原料气用量5.2.1 氯乙烯聚合工段每小时需要纯氯乙烯量 - 则粗氯乙烯量为： 5.2.2 氯乙烯合成工段每小时需要乙炔量 (1) 生成氯乙烯消耗的乙炔量： 231.6 231.6 231.6 (2) 进入合成塔的纯乙炔量为：5.2.3 进入合成塔的乙炔混合气体的量为 则：进入合成塔的纯氯化氢气体的量为：则：氯化氢混合气体的用量为：原料气体总量：5.3 混合器的物料衡算气体混合适配器就是气体混合器，就是把两种不同的气体按照一定适量的比例进行充分混合，输出一定比例的混合气体，从而有利于反应的进行。乙炔氯化氢 混合器chchhclo2h2on2游离氯（可忽略） 图5.1 混合器的物料衡算方框图5.3.