化工工程设计训练设计-年产47600吨氯乙烯车间反应工段工艺设计.doc

化工工程设计训练设计说明书化工工程设计训练设计说明书 （2016 年）年） 题 目： 年产年产 47600 吨吨氯乙烯车间反应工段工艺设计氯乙烯车间反应工段工艺设计 学 院： 资源环境与化工 系： 化学工程 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工 121 班 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 教授、讲师 起讫日期： 2016.1.42016.1.22 i 目目 录录 第一章 绪论1 1.1 设计依据9 1.2 工艺流程概述9 第二章 物料衡算9 3.1 总物料衡算9 3.2 乙炔预冷器9 3.3 混合脱水10 3.4 转化器12 3.5 水洗塔13 第三章 能量衡算31 4.1 乙炔预冷器31 4.2 石墨冷却器31 4.3 预热器32 4.4 转化器33 4.5 石墨冷却器35 第四章 辅助设备选型37 1 第一章 绪论 1.1 设计依据及主要设计内容 1.1.1 设计依据 （1）南昌大学化工工程设计训练任务书； （2）化工设计标准图图幅和书写格式 cda2-81； （3）化工工厂初步设计内容深度规定中有关内容更改的补充 (92)化基发字 695 号； （4）氯乙烯安全技术规程 gb 14544-93； （5）中华人民共和国环境保护法； （6）中华人民共和国大气污染防治法； （7）化工企业爆炸和火灾危险环境电力设计规程 hgj21-89； （8）中华人民共和国化工行业标准； （9）工业设备、管道防腐蚀工程施工及验收规范 hgj229-91； （10）环境空气质量标准 gb3095-1996； （11）污水综合排放标准 gb8978-1996。 1.1.2 本设计主要内容 本设计工艺采用乙炔与氯化氢气相合成法。所得产品规格要求氯乙烯单体 中氯乙烯含量大于 99.9%（w） 。本课题的研究内容包含以下几个方面： 第一部分：乙炔法合成氯乙烯工艺简介； 第二部分：物料衡算； 第三部分：热量衡算； 第四部分：工艺流程图的绘制。 1.2 工艺流程概述 本设计采用乙炔与氯化氢气相合成法生产氯乙烯，反应工段工艺流程主要 包括混合脱水、氯乙烯合成和合成气水洗三部分所组成，工艺流程见图 1。 （1）混合脱水 由乙炔工段送来的原料乙炔气，送至预冷器预冷后与从氯化氢工段送来的 干燥氯化氢，按一定的分子配比（乙炔/氯化氢=1/1.10）在混合器中充分混合后， 进入并联的石墨冷却器，用-35盐水间接冷却。混合器中水分以 40%的酸雾部 分流出，另一部分则夹带于气流中。进入串联的酸雾过滤器中，由硅油玻璃棉 捕集分离，然后该气体经预热器预热后，由流量计控制进入转化器合成氯乙烯 2 （vc） 。 （2）合成 干燥混合气由转化器上部进入，通过列管中填装的吸附于活性炭上的 hgcl2触媒转化为粗氯乙烯，合成反应的热量通过 ab 型泵循环的热水移去。粗 氯乙烯在高温下带逸的 hgcl2升华物，在填装活性炭的汞吸附器中除去，然后 进入净化系统。 （3）水洗 从汞吸附器出来的粗氯乙烯气体经石墨冷却器，除去一部分盐酸（水和 hcl） ，再通入泡沫水洗塔回收过量 hcl 以制取 20%盐酸，塔顶是以高位槽温水 喷淋。一次循环制得的酸由塔底低位槽流入盐酸储槽供罐装外销。气体再经碱 洗泡沫塔除去残余的微量 hcl 后再送至氯乙烯气柜。气柜中氯乙烯经水封、经 机前冷却器脱水和除去微量酸性气体。经气液分离器、压缩机、机后预冷器、 油水分离器等设备进一步除去油和水后送至精馏段。 排 放 乙炔气 氯化氢气体 ji h g f e d c b a k 1 3 2 4 6 5 7 m 5 7 8 9 图 1 反应工段工艺流程示意图 a-乙炔砂封;b-乙炔预冷器;c-氯化氢缓冲槽;d-混合器;e-石墨冷却器 f-酸储槽;g-酸雾过滤器;h-预热器;i-转化器;j-汞吸附器;k-石墨冷却器;m-水洗塔 3 第二章第二章 物料衡算物料衡算 2.1 总物料衡算 （1）设计参数 年生产时间以 320 天，每天 24 小时（共 7680 小时）计算。 车间总收率（以乙炔计）：93%； 原料配比： hcl/c2h2=1.10； （2）原料气规格 表表 2-1 原料乙炔气规格原料乙炔气规格 组份c2h2h2oo2n2 w%990.60.20.2100 表表 2-2 原料氯化氢气规格原料氯化氢气规格 组份hclh2oo2n2 w%962.50.31.2100 （3）车间物料总衡算 乙炔与氯化氢在氯化汞/活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应： c2h2 + hcl = c2h3cl 原料乙炔消耗： hkmol/630824.106 93 . 0 ) 5 . 627680/(1047600 3 原料乙炔气消耗见表 2-3。 表表 2-3 原料乙炔气消耗原料乙炔气消耗 组份c2h2h2oo2n2 w%990.60.20.2100 mol%98.78770.86480.16220.1853100 kmol/h106.6308240.9334500.1750780.200012107.939364 kg/h2772.40142416.8221005.6024965.6003362800.406356 取=1.10；hcl 的物质的量为 106.6308241.1=117.293906 kmol/h。 22h c hcl 原料氯化氢气消耗见表 2-4。 表表 2-4 原料氯化氢气消耗原料氯化氢气消耗 4 组份hclh2oo2n2 w%962.50.31.2100 mol%93.22574.92290.33231.5191100 kmol/h117.2939066.1936000.4180901.911288125.816884 kg/h4281.227569111.48480313.37889153.5160674459.60733 2.2 乙炔预冷器 （1）计算参数 乙炔气进口温度：25；出口温度：5；操作压力：1.8 kgf/cm2。 （2）物料衡算 由表查得 5时 h2o 的饱和蒸汽压： p0= 871.91pa 总压 p=1.8kgf/cm2=1.764105pa y水= 0.4942 % o p p 221 1 (fyff） 水 故hkmol y ff f/058823.107 %4942 . 0 -1 933450 . 0 -939364.107 1 121 2 水 hkmolfff/880541 . 0 058823.107939364.107 213 塔釜分出的水分： m水= 18=180.880514=15.849738kg/h 3 f 计算结果见表 2-5。 表表 2-5 c2h2预冷器物料衡算表预冷器物料衡算表 名称进料出料 组分 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h c2h2106.6308242772.401424106.6308242772.401424 h2o0.93345016.8021000.0529080.952344 o20.1750785.6024960.1750785.602496 气 相 n20.2000125.6003360.2000125.600336 乙炔出口气 h2o 乙炔进口气 5 107.9393642800.406356107.0588232784.55666 液 相 水-0.88054115.849738 总107.9393642800.406356107.9393642800.406356 2.3 混合脱水 （1）计算参数 氯化氢气进口温度：25；乙炔气进口温度：5；气体出口温度：14； 操作压力：1.6kgf/cm2；脱下的水的盐酸浓度（w%）：40%。 40%盐酸液水的饱和蒸气压计算公式/mmh g： 2647 lg()9.33923 () p mmhg t k =- （2）物料衡算 40%盐酸水的饱和蒸汽压计算： = 2 lg o h o p8749 . 0 1415.273 2647 33923 . 9 =0.1334mmhg=17.7867pa 2 o h o p 总压 p=1.6kgf/cm2=1.568105pa = 2h o y%011344 . 0 10568 . 1 7867.17 5 0 p p水 设出口处盐酸中 hcl 为 m kmol/h, h2o 为 n kmol/h。 总：hkmolff/756248.233816884.125939764.107 42 乙炔气氯化氢气 出口气体 40%盐酸 6 对水：hkmolff/246508 . 6 193600 . 6 052908. 0 4222 041667. 3 5 . 36/4 . 0 18/6 . 0 m n 有 即 422252 415 041667. 3 ffnf ffnmf mn 246508 . 6 %011344 . 0 756248.233 041667 . 3 5 5 nf nmf mn 解得： hkmoln hkmolm hkmolf /220927 . 6 /045236 . 2 /490085.225 5 计算结果见表 2-6。 表表 2-6 混合脱水物料衡算表混合脱水物料衡算表 名称进料出料 组分 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h c2h2106.6308242772.401424106.6308242772.401424 hcl117.2939064281.227569115.2486704206.576455 o20.59316818.9813870.59316818.981387 n22.11130059.1164032.11130059.116403 h2o6.246508112.4371470.0255810.460461 气 相 232.8757067244.163930224.6095437057.536130 hcl-2.04523674.651114 h2o-6.220927111.976686 液 相-8.266163186.627800 232.8757067244.163930232.8757067244.163930 2.4 转化器 （1）计算参数 原料气进口温度：7680；出口温度： 100；操作压力：1.5kgf/cm2；冷却水进口 温度：97；冷却水出口温度：100。 反应转化率:乙炔(c2h2)转化为氯乙烯 (vc)：97%；转化为二氯乙烷(dec)： 1.1%； 原料乙炔和氯化氢气体中所含水全部转化 97水 100 水 76进口 气体 100出口 气体 图 2-3 转化器物料衡算示意图 7 为乙醛。原料中所有 o2全部转化为二氧化 碳。 （2）物料衡算 在转化器中进行的反应有： 2hgcl 222 80 180 c h +hcl()chchcl vc : 2223c hh ochcho 22222()c hhclclchchcl edc22coco 转化器中各物料计算： 生成 vc 的量=106.6308240.97=103.431899 kmol/h 生成 dce 的量=106.6308240.011=1.172939 kmol/h 1） （3- 2hgcl 22 2 80 180 c h+ hcl()chchcl vc : 2） 起始量 106.630824 115.248670 0 反应量 103.431899 103.431899 103.431899 剩余量 3.198925 11.816771 103.431899 2） （3-2223c hh ochcho 3） 起始量 3.198925 0.025581 0 反应量 0.025581 0.025581 0.025581 剩余量 3.173344 0 0.025581 3） （3-22222()c hhclclchchcl edc 4） 起始量 3.173344 11.816771 0 反应量 1.172939 2.345878 1.172939 剩余量 2.000405 9.470893 1.172939 4） （3-22coco 5） 起始量 0.593168 0 反应量 0.593168 0.593168 0.593168 剩余量 0 0.593168 计算结果见表 2-7。 8 表表 2-7 转化器物料衡算表转化器物料衡算表 名称进料出料 组分 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h c2h2106.6308242772.4014242.00040552.010530 hcl115.2486704206.5764559.470893345.687595 o20.59316818.98138700 n22.11130059.1164032.11130059.116403 h2o0.0255810.46046100 vc-103.4318996464.493688 edc-1.172939116.120961 乙醛-0.0255811.125564 气 相 co2-0.59316826.099392 固 相 c0.5931687.118003- 225.2027107064.654133118.8061857064.654133 2.5 水洗塔 （1）计算参数 气体进口温度：1012；出口温度： 30；吸收水进口温度：510；hcl 脱 除率（w%）：96%；吸收得盐酸浓度（w%）： 22%；操作压力 kgf/cm2：1.25。 （2）物料衡算 转化气中 96%hcl 被脱除，形成 22% 的盐酸。 则被溶的盐酸量为 =345.68759596%=331.860091kg/h 需要水量= hkg /594581.1176860091.331 22 . 0 22 . 0 1 盐酸总量=331.860091+1176.594581=1528.454672 kg/h 各组分 30时的水中溶解度见表 2-8。 h2o 5 出口气 30 转化气 10 22%hcl溶 液 图 2-4 水洗塔物料衡算示意图 9 表表 2-8 各物质各物质 30时水中溶解度时水中溶解度 组分溶解度（kg/kg 水）溶解量（kg） c2h20.000941.105999 n2不溶0 vc5.199610-50.061178 edc5.410-36.353611 乙醛全溶1.125564 co21.25710-31.478979 10.125331 30时， 0 h2o p0.04325atm4382.30625pa p=1.25kg/cm2=122500pa 则水洗塔出口处： 0 h2o h2o p y p 035774 . 0 122500 30625.4382 出口处干基： hkmolhkghc/957867 . 1 /904531.50105999 . 1 010530.52: 22 hkmolhkghcl/378836. 0/827504.13860091.331687595.345: hkmolhkgvc hkmolhkgn /43092.103/43251.6464061178 . 0 493688.6464: /111300 . 2 /116403.59: 2 hkmolhkgco hkmolhkgdce /559555 . 0 /620413.24478979 . 1 09939.26: /108761 . 1 /76735.109353611 . 6 120961.116: 2 干基总量： hkmol/547239.109 水洗塔出口处带出水量： hkg /158132.7318035774 . 0 035774 . 0 1 547239.109 出口盐酸浓度 =13.827504/（50.904531+13.827504+59.116403+6464.4325+109.76735+24.62043+ 73.158132）=0.0203471% 计算结果见表 2-9。 表表 2-9 水洗塔物料衡算表水洗塔物料衡算表 名称进料出料 10 组分 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h c2h22.00040552.0105301.95786750.904331 hcl9.470893345.6875950.37883613.827504 n22.11130059.1164032.11130059.116403 vc103.4318996464.493688103.430926464.43251 edc1.172939116.1209611.108761109.76735 乙醛0.0255811.12556400 co20.59316826.0993920.55955524.620413 气 相 h2o004.06434173.158132 118.806185113.611586795.826843 hcl-9.-092057331.860091 h2o69.4307071249.75271365.3663661176.594581 液 相溶解-0.16688910.125331 69.4307071249.75271374.6253121518.580003 188.2368928314.406846188.2368928314.406846 1 第三章 能量衡算 3.1 乙炔预冷器 以 25气相为基准，所以 1 h0 条件下的热容，见表 3-1。 m 255 t15 2 表表 3-1 各物质各物质 15时的热容时的热容 组分 gc2h2h2on2o2 cp（ kal/kg）0.4180.4450.250.22 (3-1) 2ipi hwct =-23238.40443kcal/h 3h2o,lh2o,l hwcpht 冷凝，298k = 15.8497380.445（5-25） +15.849738（-2433.9）/4.184=- 9361.109828kcal/h 123 hhh p q 放热 =32599.50271kcal/h 图 3-2 水冷焓变过程 制冷剂为 0冷冻盐水，cacl2浓度为 10%，tm=（0+4）/2=2，2时溶液 的比热为 cp=0.86 kcal/kg.。 t=qpwcp 制冷剂冷 hkg tc q w p /599625.9476 )04(86 . 0 50271.32599 冷 冷剂 3.2 石墨冷却器 取 25气相为基准，h1由乙炔预冷器算得： h1=18808.80442 kcal/h，h2=0。tm=（25-14） /2=5.5条件下，各物质热容见表 3-2。 表表 3-2 各物质各物质 5.5时热容时热容 组分 gc2h2hclh2on2o2 cp（ 0.410.190.4420.250.215 25 h2og 25 h2ol 5 h2ol h3 h冷凝 h3 乙炔出口气 h2o 乙炔进口气 乙炔气氯化氢气 出口气体 40%盐酸 图 3-3 石墨冷却器能量衡算示意图 2 kal/kg） 3ipi hwct =-76244.91159kcal/h 4ipi hwch+ ht 冷凝，h 2o溶解 说明：混合冷却脱水过程中水一部分以 40%酸雾形式流出，另一部分夹带 在出口气流中，由酸雾过滤器捕集。故脱水是在-1440%盐酸水的饱和蒸汽压 下完成的，这样除去比较完全；但石墨冷却器出口盐酸的温度是控制在 12。 12饱和水的汽化潜热为 247.95kj/kg,相当于 588.56kcal/kg hkcalh/99831.65904-56.588-976686.111 冷凝，水 因为 q溶解13416.36311 kcal/kmol.hcl hkcalh/6288.27439-36311. 2 - 溶解 又因为 tm=(25+12)/2=18.5 此温度时,h2o(g)和 hcl(g)的比热容为， cph2o(g)=0.446 kcal/kg cphcl(g)=0.191kcal/kg hkcalh/22665.94179 4 hkcalhhhhq/7338.147185 4321 放热 制冷剂用冷冻盐水，cacl2浓度为 28.4%，在条件下，溶 m 3337 t35 2 液比热为：。根据能量守恒有 c p=0. 65kcal / kg p q 冷剂放热 w c p t= hkgw/89762.56609 37-33-65 . 0 7338.147185 冷剂 3.3 预热器 取-14时气相作为基准。则h1=0 计算h2， 在条件下，各物质热容见表 3-3。 m 1480 t33 2 t1=-14 h1 97 93 t2=80 h2 图 3-4 预热器能量衡算示意图 3 表表 3-3 各物质各物质 33时的热容时的热容 组分 gc2h2hclh2on2o2 cp（ kal/kg）0.4230.1920.4480.2520.247 hkcal/8869.188005 2 hkcalhhq/8869.188005 21 吸热 预热器采用转化器出口热水加热。 ，根据能量守恒有： 2 cp1kcal/kg h o hkgw/471272.47001 93-971 8869.188005 冷剂 3.4 转化器 取 25时气相作为基准。 1）计算h1 在条件下， m 7625 t50.5 2 各物质的比热见表 3-4。 hkcaltcwh pii /5399.102197 1 图 3-5 转化器能量衡算示意图 表表 3-4 各物质各物质 50.5条件下的热容条件下的热容 组分 gc2h2hclh2on2o2 cp（ kal/kg）0.4230.1930.450.2510.223 2）计算h2 同样在条件下，各物质的比热见表 3-5。 m 10025 t62.5 2 表表 3-5 各物质各物质 62.5条件下的热容条件下的热容 组分 gc2h2hcln2vcc2h4cl2ch3choco2 cp（ kal/kg） 0.4250.1940.2520.230.2060.320.218 100出口 气体 76进口 气体 100 水 97水 4 hkcaltcwh pii /2137.121565 2 3）计算反应热rh 在 25条件下各物质生成热见表 3-6 表表 3-6 各物质各物质 25条件下的生成热条件下的生成热 组分 gc2h2hclh2ovcc2h4cl2 fhm（ kal/mol） 54.19-22.062-59.568.4-31.05 组分 gch3choco2co2 fhm（ kal/mol） -39.76-94.05100 由物料衡算中可得各反应中乙炔反应量，以此来计算rh。 (4-2) 2hgcl 222 80 180 c h +hcl()chchcl vc : molkcalhvrh bmfbm /728.2319.54062.224 . 8 1 此反应 c2h2反应量为 103.431899kmol/h hkcalrh/199.24542321000728.23431899.103 1 (4-3) 2223c hh ochcho molkcalhvrh bmfbm /39.3456.5919.5476.39 2 此反应 c2h2反应量为 0.025581kmol/h hkcalrh/73059.879100039.34025581 . 0 2 (4-4) 22222()c hhclclchchcl edc m3m(b) hh=31.0554.192 (22.062)=41.116kcal/mol rbf 此反应 c2h2反应量为 1.172939kmol/h hkcalrh/55992.482261000116.41172939 . 1 3 (4-5)22coco molkcalhvrh bmfbm /051.94 4 c 的反应量为 0.593168kmol/h hkcalrh/04357.557881000051.94593168 . 0 4 5 hkcalhrrh i /433.2559126 反应中放出的总热量： hkcalhrhhq/759.25397582137.121565433.25591265399.102197 21 放热 4）反应器热向环境散热量约占反应放热总量的 20% 507951.7518kcal/h0.2qq 热损放 则热水带走的热量为： hkcalqqq/007.2031807- 热损放 因为进口热水温度为 97，出口为 100。 1/cpkcal kg 水 则所需总热水量： hkgw/0023.677269 97-1001 007.2031807 水 3.5 石墨冷却器 取 70气相为基准 h1=0。 在条件下，各物质热容见表 3-7。 m 70 10 t40 2 表表 3-7 各物质各物质 40条件下的热容条件下的热容 组分 gc2h2hcln2vc cp（ kal/kg） 0.42250.1920.250.215 组分 gc2h4cl2ch3choco2 cp（ kal/kg） 0.20.310.215 hkcalh/57183.91330 2 hkcalhhq/57183.91330 21 放热 再用 0的冷冻盐水作冷剂，在 条件下，cp=0.86kcal/kg m 04 t2 2 t2=10 h2 0 4 t1=70 h1 图 3-6 石墨冷却器能量衡算示意图 6 hkgw/58483.26549 0-486 . 0 57183.91330 冷剂 7 第四章 辅助设备选型 热量计算公式： (4-1) mqkat=d需 （1）乙炔预冷器 管程：低温流体，冷剂：0冷冻盐水 进口 0，出口 4。 壳程：高温流体， 乙炔气，进口温度 25 ，出口温度 5。 传热量：32599.50271kcal/h 选用双管程单壳程换热器 (4-2) 12 1 1 2 m t tt t ln t - = dd d d d (254)(50) 11.1492 254 50 ln - = - - r = 热流体温降 冷流体温升 25 5 5 4 0 = - - p = 冷流体温升 两流体最初温差 4 0 0.16 25 0 = - - 查得：0.8 mt e d = (4-3) 1 m m mt tte d dd= 0.8 11.14928.91936= 2 30 kcal/mhk = 2 1 8305.121 91936 . 8 30 50271.32599 m kd q a tm 传热面积扩大 1.2 倍，则 2 1 1966.1462 . 1maa 8 （2）石墨冷却器 管程：高温流体 混合气 进口 12，出口 -14。 壳程：低温流体 -35冷冻盐水 进口-37，出口-33。 传热量：147185.7338kcal/h 12 1 1 2 m t tt t ln t - = dd d d d 根据经验选 。 2 55 kcal/mhk = 2 1 283292.163 389333.1655 7338.147185 m kd q a tm 2 1 939951.1952 . 1maa （3）预热器 管程：高温流体 热气 进口 97，出口 93 壳程：低温流体 混合器 进口-14，出口 80 传热量：188005.8869kcal/h 12 1 1 2 m t tt t ln t - = dd d d d r = 热流体温降 冷流体温升 p = 冷流体温升 两流体最初温差 查得： 0.5 mt e d = 1 m m