年产五万吨氯乙烯工艺设计-毕业论文

年产五万吨年产五万吨氯乙烯工艺设计氯乙烯工艺设计 Vinyl Chloride Monomer Manufacturing Process with Capacity of 50000 Tons/year 专 业 化学工程 研 究 生 刘 威 指导教师 刘丽艳 企业导师 黄华军 天津大学化工学院 2013 年 10 月 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 万方数据 摘摘 要要 氯乙烯是当今世界与乙烯、氢氧化钠并列的最重要的化工产品之一，主要用 来合成用途十分广泛的、最原始塑料品种之一的聚氯乙烯。 当前，世界生产聚氯乙烯的主要方法有电石乙炔法、乙烷氧氯化法、乙烯氧 氯化法和烯炔法。其中电石乙炔法建厂投资和自动化要求较低，乙炔转化率高、 流程简单、技术成熟，适于中、小规模企业的生产。本课题针对电石乙炔法合成 氯乙烯单体的工艺过程开展工作，对整个工艺流程进行物料衡算和能量衡算。该 工艺过程的设计原则在满足环保节能减排要求的前提下， 尽可能降低成本，因此 重点对整个工艺进行优化改造。工作重点从四个方面开展：一是渣浆回收乙炔气 项目的设计，该项目大幅度降低了生产的电石消耗，在节省生产成本的同时，还 减少了环境的污染； 二是在合成转化工艺设计的基础上增加了转化器余热回收利 用项目方案设计，该项目回收转化器产生的废热水，通过先进的工艺变废为宝， 将热能转化成充足的工艺冷源以及低压蒸汽源， 是生产系统能量优化节能改造项 目的一项成果，具有显著的经济效益和社会效益；三是增加了变压吸附法净化回 收精馏尾气项目设计,该项目可使精馏尾气排放指标达到国家排放标准，脱附后 的氯乙烯单体可回收再进行聚氯乙烯的合成，即达到节能减排目的，又可降低生 产成本；四是精馏尾气制氢气项目，该项目可回收净化气中的氢气作为生产氯化 氢的原料或作为天然气的替代能源，大幅度降低能耗，提高经济效益。 关键词：关键词： 氯乙烯； 电石乙炔法； 工艺设计；工艺优化 万方数据 Abstract vinyl chloride, together with ethylene and sodium hydroxide, is one of the most important chemical products in the world nowadays. It is mainly used for synthesizing PVC, which is the original type of plastic. Polyvinyl chloride (PVC) can be produced on a large scale industrially and widely used. At present, the main industry production methods of polyvinyl chloride include calcium carbide method, ethane oxychlorination, ethylene oxychlorination and acetylene and ethylene method. Because of the calcium carbide method needs less investment of the factory building and automating, the method is suitable for medium and small enterprise industrial production that also has high conversion rate of acetylene, the most simple process and mature technology. This paper concentrates on the design of the synthesis process of vinyl chloride monomer by calcium carbide acetylene method, gives the optimization of the vinyl chloride synthesis and refining section, calculates the refined process by the each plate method and determines the theory plate number of distillation separation. The paper also focus on calculating the balance of the materiel and energy of the whole process, designing the tower structure and the pipeline instrument flow chart, selecting equipment and calculating. In this process, a complete set of tail gas recovery system is set up, which not only add the exhaust pressure swing adsorption device, but also introduce the most advanced technology of hydrogen recovery from vinyl chloride rectification tail gas. At the same time calcium carbide slag slurry acetylene gas recycling device is also added, which reduced the energy consumption. Keywords: VCM; calcium carbide method; process design; process optimization 万方数据 i 目目 录录 第一章 文献综述 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外研究进展 . 2 1.3 生产特点及概况 . 3 1.3.1 生产方法 . 3 1.3.2 工艺特点 . 4 1.3.3 原材料及产品的主要技术规格 . 5 1.3.4 危险性物料主要物性 . 5 1.3.5 原材料及动力消耗定额及消耗量 . 6 1.4 节能环保项目介绍 . 6 1.4.1 电石渣浆回收乙炔气技术 . 6 1.4.2 转化器余热回收利用技术 . 7 1.4.3 变压吸附技术 . 8 1.4.4 尾气制氢技术 . 10 1.5 本课题工作目的及内容 . 10 第二章 乙炔发生工序设计计算及工艺优化 . 11 2.1 乙炔发生工序工艺流程介绍 . 11 2.2 乙炔发生工序物料衡算 . 12 2.2.1 设计依据 . 12 2.2.2乙炔发生系统物料衡算 . 12 2.2.3 乙炔清净系统物料衡算 . 14 2.3 发生器能量衡算 . 16 2.4 乙炔发生工序工艺优化设计（电石渣浆回收乙炔气项目） . 17 2.4.1 设计原理 . 17 2.4.2 设计依据 . 17 2.4.3 生产工艺流程设计 . 18 2.4.4 装置设计能力预算及项目收益估算 . 19 2.4.5 小结 . 20 第三章 合成转化工序设计计算及工艺优化 . 21 3.1 合成转化工序工艺流程设计 . 21 3.2 合成转化工序物料衡算 . 22 3.2.1 设计依据 . 22 3.2.2 混合脱水系统物料衡算 . 22 3.2.3 单体转化系统物料衡算 . 24 3.3 合成转化工序能量衡算 . 27 3.3.1 第一段混合脱水石墨冷却器能量衡算 . 27 3.3.2 第二段石墨冷却器能量衡算 . 27 万方数据 ii 3.3.3 预热器能量衡算 . 28 3.3.4 泡沫脱酸塔能量衡算 . 28 3.4 工艺优化设计(转化器余热回收利用项目) . 28 3.4.1 设计思路 . 29 3.4.2 设计原理 . 29 3.4.3 设计参数 . 31 3.4.4 生产工艺流程设计 . 32 3.4.5 余热回收系统经济性评价 . 33 3.4.6 小结 . 35 第四章 氯乙烯精制工序设计计算及工艺优化 . 36 4.1 氯乙烯精制工序工艺流程介绍 . 36 4.2 氯乙烯精制工序物料衡算 . 36 4.2.1 设计依据 . 37 4.2.2 氯乙烯精制工序物料衡算 . 37 4.2.3 氯乙烯精制工序能量衡算 . 43 4.3 工艺改造及优化（变压吸附尾气净化及尾气制氢项目） . 50 4.3.1 精馏尾气净化改造方案 . 50 4.3.2 精馏尾气制氢优化方案 . 57 第五章 结 论 . 61 参考文献. 62 致 谢 . 64 万方数据 第一章 文献综述 1 第一章 文献综述 1.1 引言 氯乙烯主要用于塑料原料及有机合成,也可用作冷冻剂等。当前世界上用来制造聚 氯乙烯树脂的氯乙烯单体大概占氯乙烯总产量的96%，在美国更是高达98%。聚氯乙烯树 脂是全球五大热塑性合成树脂之一，它占合成树脂总消费量的29%左右，位居第二位。 由于聚氯乙烯树脂的优良性能，而且易于加工且成本又低，因此聚氯乙烯树脂制品广泛 应用于工业、农业、电子电器、建筑及生活的各个领域。 目前，聚氯乙烯生产工艺主要为石油乙烯法和电石乙烯法两大类，全球绝大多数聚 氯乙烯装置均采用石油乙烯法生产工艺，该工艺以石油化工所产生的乙烯基类的单体产 品为原料。中国内地受到缺油、贫气、相对富煤和石灰石的能源结构及产业布局等因素 影响，石油乙烯法生产装置难以深入到内地，国内75%以上的聚氯乙烯产量以电石法聚 氯乙烯装置生产，所以电石乙烯法生产工艺将继续作为我国聚氯乙烯行业基础和最重要 组成部分。我国电石法聚氯乙烯装置总能力已经占到全球聚氯乙烯装置总能力25%甚至 更高。 2010 年，为提高市场竞争力，调整产品结构，增加了微悬浮糊树脂生产工艺，该项 目投产后，某公司聚氯乙烯和糊树脂总生产能力达 27 万吨/年的规模。生产能力提高后 需要增加原料产能，因此在原有产能的基础上增加一条 5 万吨的氯乙烯生产线，基于此 背景，设计电石乙炔法生产氯乙烯的整套工艺流程。本课题以某氯乙烯合成车间为参考 进行设计，对整套流程重新进行了物料衡算、能量衡算。 由于我国是个工业污染相对严重的国家，化工企业对环境生态的污染问题日益突 出，尤其受能源结构的制约，如何合理用能，做好循环经济，做好节能减排工作是化工 企业长远发展的重要战略问题。 本次设计兼顾了环境保护、 技术创新、 节能降耗等问题， 将重点工作放在工艺优化和改造中，如通过乙炔工序优化设计，回收了渣浆产生的乙炔 气，降低生产成本，减少环境污染；通过合成转化工序的优化设计，使废热能源可以整 合再利用，不仅给企业带来极大的经济效益，同时也为企业的资源综合平衡利用、进一 步降低成本， 发展循环经济等方面开创了一条新的道路； 通过变压吸附改造项目的实施， 回收了尾气中的氯乙烯单体和乙炔气，不但降低成本，而且使尾气排放达到国家排放标 准，减少环境污染；尾气制氢项目的优化设计，使回收的氢气直接进入系统作为原料生 成氯化氢，电解富裕的氢气可作为天然气的替代能源，实现降低废气排放、节约能源同 时产生经济效益三重功效。通过创新设计和部分项目的实际应用，已经给公司创造了经 济效益，未实施的项目也处在立项过程中，相信该课题成果具有一定的应用价值。 万方数据 第一章 文献综述 2 1.2 国内外研究进展 纯净氯乙烯在常态下是无色气体、微溶于水且容易液化，与乙烯、氢氧化钠并称的 最重要化工产品。早在 1835 年，法国人 Regnank 发现了氯乙烯，到 20 世纪 30 年代才 开始工业规模的生产，起初均是小规模建厂，一般为 5000 吨/年或 10000 吨/年的生产能 力。 50 年代之前， 氯乙烯主要采用电石乙炔和氯化氢制造， 之后产生了联合法和烯炔法， 其中联合法以 1,2-二氯乙烷（EDC）裂解来制取氯乙烯并副产氯化氢，以氯化氢与电石 乙炔再合成氯乙烯，然后两种粗氯乙烯通过精制后得到纯氯乙烯。二战后，美国石油化 学工业迅速发展，其中以天然气为原料制取廉价乙烯，并将乙烯和氯气在液相反应制得 EDC，然后对它进行热裂解制得氯乙烯。其中裂解产物的副产物氯化氢在原料转换初期 曾使用于电石乙炔法中，构成联合法的基础。烯炔法是用石脑油裂解得到乙烯、乙炔裂 解气， 不经分离直接制取氯乙烯， 后来又用原油作裂解气的原料。 但是烯炔法投资较大， 工艺复杂，成本也高，直到 1971 年停止了运转。 1964 年美国采用固特里奇工艺建成了第一套乙烯氧氯化装置，因为此工艺成本较 低、生产能力比较大，得以迅速推广。当时出现的乙烯氧氯化工艺，主要是斯托弗固定 床法和固特里奇沸腾床。氧氯化法的成功不仅使制造 VCM 的碳源由乙炔完全转变为乙 烯，而且还为联合平衡法制造 VCM 奠定基础。联合平衡法主要是将乙烯直接氯化、乙 烯氧氯化和 EDC 的热裂解 3 个主反应联合起来。当前世界上有 90的 VCM 产量是用 联合平衡法生产。在六七十年代，为保证氯气的大量需求，在烧碱的工艺制法上，初步 完成了氨碱法向食盐电解法的转变。后来，还出现纯氧为原料的氧氯化法，即在低于 EDC 沸点条件下，在液相中直接氧化乙烯，生成气相 EDC，该法简化了分离、洗涤工 艺，使得热能充分利用。 经过半个多世纪，其制法日渐成熟，通过不断发展和革新，聚氯乙烯的制法由传统 的电石乙炔法发展到乙烯氧氯化法等多种工艺路线，随着工艺和设备的不断改进，氯乙 烯单体中的乙炔、高沸物杂质含量越来越低，单体纯度一般可达到 99.9%以上。由于电 石法能耗大， 粉尘污染严重等问题， 国外氯乙烯单体的生产工艺绝大部分采用乙烯路线， 其中 93的氯乙烯单体采用石油乙烯路线生产。 目前， 国外氯乙烯生产技术仍在不断进 步中，发明了各种简化生产流程、减少设备投入的新技术和新工艺，从而降低了聚氯乙 烯树脂的生产成本。 我国氯乙烯的生产受能源结构制约，70以上仍采用传统的电石乙炔法原料路线。 近年来国内电石乙炔法氯乙烯单体生产技术虽有较大的改进，但没有重大的突破。只是 应环保和节能减排的要求，在后处理上不断创新，解决高污染和高能耗问题。就目前和 未来的发展趋势来看，电石乙炔法在国内仍将占有统治地位，各聚氯乙烯厂家不断在技 万方数据 第一章 文献综述 3 术上创新，在激烈的市场竞争中保持顽强的生命力。 在以乙烯为基础的氯乙烯生产工艺中，采用热裂解高沸物制取氯乙烯。当今最先进 的高沸物生产技术是 Inovyl 公司高温直接氯化生产高沸物工艺、凯洛格公司、孟山都公 司合作开发的 Partec 工艺和 Vintec 公司的贫氧氯化生产高沸物工艺等。 Inovyl 公司技术是乙烯和氯生产高沸物的高能效工艺，采用乙烯、氯气为原料，在 新型沸腾反应器中来进行液相催化反应，直接生成高沸物，没有蒸馏提纯步骤。该技术 的优点是蒸汽消耗少、节约能源、原料转化率高，乙烯和氯气转化成高沸物的效率分别 是 98.5和 99.0，同时烧碱耗量少。德国伍德公司己经采用该技术在比利时的 Rssendedo 地区建设了一套 25 万吨年规模的高沸物装置。 Vintec 公司贫氧工艺是采用乙烯、无水盐酸和氧等为原料，用 Vinnolit 工艺生产的 高沸物， 该工艺已经应用于 10 个地区 13 台反应器中。 它的优点是易于控制、 生产安全、 利于环保、费用低。 在平衡氧氯化工艺中，为了解决其中副产的大量水腐蚀设备问题，孟山都公司和凯 洛格公司(Mon SentoKellog)合作开发 Partec 工艺，该新工艺采取了直接氯化乙烯生产 二氯乙烷，并在二氯乙烷裂解生产氯乙烯的过程中副产氯化氢，经氧化生成氯，再返回 直接氯化段使用，去掉氧氯化单元，并且节约大量工艺操作和维护费用，其单体的生产 成本大幅降低，降幅达 27，排气量可达最小，并且无任何污染物和含重金属废水。 台塑公司使用在二氯乙烷精制单元中添加一种特殊阻垢剂并使其循环使用，确保了 物料在二氯乙烷精制单元再沸器中不易缩聚结垢堵塞，延长二氯乙烷精制单元检修的周 期，提高二氯乙烷精制收率，节省了加热蒸汽。 为降低氯乙烯单体生产成本，国外开发了乙烷直接氧氯化工艺，该种工艺使用裂解 气 C2H6为原料，采用了新的含铜成分引发剂体系和回收的工艺，直接氧氯化反应产出 氯乙烯。EVC 公司经过近 10 年的研究，成功开发了该技术，建设成功了 1000 吨年的 氯乙烯中试设备，氯乙烯的生产成本比平衡法制氯乙烯降低 30。现在，欧洲乙烯公司 正在筹建一套 30 万吨年氯乙烯生产装置，并使这项技术投入工业化。 降低原材料消耗、节约能源是氯乙烯行业持续和健康发展的前提条件和重要内容。 氯乙烯行业应当通过结构调整、技术创新、改善环境、节能降耗、加强管理等措施，使 本行业原材料和能耗指标明显下降，并积极推动氯乙烯行业向低成本、先进、清洁、规 模化方向发展。同时氯乙烯行业应该加大煤制烃、以天然气为原料等创新型工艺路线的 开发力度，并通过技术进步，努力提升其现有原料路线技术及环保水平。 1.3 生产特点及概况 1.3.1 生产方法生产方法 万方数据 第一章 文献综述 4 本课题采用电石乙炔法生产氯乙烯，氯乙烯单体合成的完整工艺流程分为三个主要 阶段：乙炔发生及精制工序；混合脱水及单体转化工序；单体精制工序。简单的过程是 用乙炔和氯化氢为原料，在催化剂氯化汞的作用下，进行气相加成反应，然后在列管式 固定床转化器中进行转化反应，反应生成的合成气经泡沫塔、水洗塔、碱洗塔除去原来 的酸性气体，再进行压缩、冷凝、气液分离、精馏，最后得到纯度为 99.99的氯乙烯 单体。 主要反应方程式如下： 主反应： CaC2 + H2O C2H2 + Ca(OH)2 (1-1) C2H2 + HCl CH2CHCl (1-2) 副反应： C2H2 + H2O CH3CHO (1-3) C2H2 + 2HCl CH2ClCH2Cl (1-4) 此方法建厂投资不高，自动化要求低，乙炔转化率高，流程简单，技术成熟。 1.3.2 工艺特点工艺特点 (1)混合冷冻脱水 利用氯化氢吸湿特性，在混合时吸收乙炔气中的部分水变成浓盐酸，来降低乙炔 气中的水蒸气分压； 利用冷冻方法使混合器总的残余水分冷凝，并使水蒸气分压进一步降低，而达到 脱水目的； 利用湿氯化氢气体和湿乙炔气一次冷冻脱水，可免去氯化氢干燥装置； (2)使用列管式固定床反应器 优点： 列管式固定床层内流体成轴向流动，可以近似理解为是理想的活塞流，催化能力 强，推动力大； 流体的停留时间可以加以控制，温度分布可以加以调节，有利于提高其反应转化 率和选择性； 列管式固定床触媒不易磨损，可以减少触媒耗量，并可以在高温下使用。 缺点： 结构复杂，合金钢耗量较大； 传热效果差，需要较大的传热面积，而且反应温度不容易控制，热稳定性差； 轴向温差较大，存在热点，容易飞温； 触媒的装卸不方便，若装不均匀，容易造成气体短路和沟流； 原料气充分混合方能进入反应器，所以原料气的组成严格受到爆炸极限限制。 万方数据 第一章 文献综述 5 (3)氯乙烯精制采用低塔和高塔加压精馏 因为氯乙烯在常压下的沸点为-13.9，采取加压操作可减少制冷剂用量，降低聚 氯乙烯单位产品的生产成本和电耗； 首先除低沸物，再除掉高沸物，可节约能源消耗，并保证了产品从塔顶出料，提 高产品纯度。 1.3.3 原材料及产品的主要技术规格原材料及产品的主要技术规格 原材料、产品的主要技术规格如下表所示： 表 1-1 原材料技术规格 名称 规格/% 分析方法 国家标准 备注 乙炔气 （干基） C2H2 99 化学法 - - N2 0.97 CO2 0.03 氯化氢 （干基） HCl 90 化学法 - - H2 8 CO2 1.6 O2 0.4 表 1-2 产品技术规格表 产品 成分 规格/% 分析方法 国家标准 备注 VCM VC 99.99 化学法 - - EDC 0.001 C2H2 0.001 表 1-3 氯化汞触媒的规格表 指标名称 规格 HgCl2 811 H2O 0.4 机械强度 90 装填密度 g/l 500600 粒度 65 7 2.7565 85 1.02.75 15 1.0 1 1.3.4 危险性物料主要物性危险性物料主要物性 危险性物料是指决定厂房或装置防爆、防火等级，及操作环境中有害物质地浓度超 过国家标准或应采取隔离、置换（空气）等措施的主要物料。本装置危险性物料主要是 乙炔和氯乙烯单体，现列表说明主要物性和危害如下： 万方数据 第一章 文献综述 6 表 1-4 危险性物料主要物性 名称 分子量 熔点 沸点 闪点 燃点 在空气中的 爆炸极限 国家标准 上限 下限 C2H2 26.036 -81.8 -84 -17.78 -30.5 2.4 82 GBZ-2010 VC 62.494 -153.8 -13.9 -78 472.2 3.6 33 GBZ-2010 说明液态氯乙烯无论是从设备还是管道向外泄漏，始终都极其危险。因为液态氯乙 烯遇到火源就会爆炸起火；此外，由于液态氯乙烯是一种高绝缘性液体，它在有压力存 在下会快速喷射并产生静电积聚，从而自发引火爆炸。所以，输送液态氯乙烯的时侯宜 选用低流速，同时将设备及管道防静电接地。 从上表可知，按生产过程中的火灾危险性，该生产车间属于甲级防火车间。 1.3.5 原材料原材料及动力及动力消耗定额及消耗量消耗定额及消耗量 表 1-5 原材料消耗定额及消耗量 名称 规格 单位 消耗定额 消耗量 每小时 每年 标准电石 工业级 t 0.55328 0.6916 5532.8 氯化氢 工业级 t 0.8314 1.0392 8313.6 催化剂 工业级 t 1.8 2.25 18000 液碱 工业级 t 0.1286 0.1611 1285.95 表 1-6 动力（水、汽、电、气）消耗定额及消耗表 名称 规格 单位 消耗定额 水 工业级 m 3 34-66 电 工业级 Kwh 572 1.4 节能环保项目介绍 1.4.1 电石渣浆回收乙炔气电石渣浆回收乙炔气技术技术 随着经济的快速发展，各行业的能源和原料的供应越来越紧张，电石是一种高能耗 产品，所以近年来电石价格节节上涨，对于使用电石作为原料的企业，特别是电石法聚 氯乙烯和维尼纶生产企业，降低电石的消耗对于成本控制来说是至关重要的。 根据相关行业数据，湿法乙炔发生器排出的渣浆还含有少量乙炔，这些乙炔主要以 溶解乙炔和未反应的电石小核体的形式存在，含量一般在250400毫克公斤范围内， 如果这部分乙炔气随电石渣浆排放掉了，污染了环境，又造成原料的损耗，同时会产生 安全隐患。 在发生器里电石与水反应生成乙炔，开始是大块电石表面与水反应，其后是微小颗 万方数据 第一章 文献综述 7 粒电石发生反应，乙炔在此工序损失的渠道主要表现在四个方面： (1)没有反应完全的微小颗粒电石。电石从上部加进发生器与水反应，电石渣从底 部排到渣浆池，渣浆池中仍有气泡产生，表明还有没完全反应完的微小颗粒电石。电石 质量越差，其活性越差，反应时间就越长，未完全反应的微小颗粒电石就越多，损失的 乙炔就越多。 (2)电石在 85时反应生成的渣浆，通过溢流排出，乙炔在渣浆中的溶解为过饱和 溶解，进入渣浆渡槽后随着温度的下降，散发到空气中造成乙炔的损失。 (3)电石与水反应生成的电石渣成分中有少量的氢氧化钙，氢氧化钙具有超强的吸 附能力，氢氧化钙会吸附大量乙炔气并随渣浆排到渣池。 (4)发生器排渣次数越多，随排渣损失的乙炔气也越多。 通过对湿法乙炔发生器乙炔损失机理的研究和实践经验，对电石渣浆进行采用负压 闪蒸脱析的方法回收其中的乙炔气，实际运行效果良好。在负压状态下，将乙炔发生器 电石渣浆送入脱析塔，将吸附在电石渣及水中的乙炔气脱析出来，同时未分解的微小电 石颗粒的包裹层会遭到破坏， 使其进一步水解。 所脱析出来的的乙炔气， 经处理后回用， 以降低 PVC 电石消耗，进而达到降低 PVC 生产成本，减少环境污染，提高企业效益的效 果。 1.4.2 转化器余热回收利用技术转化器余热回收利用技术 当前我国能源利用仍存在利用效率低、经济效益差，生态环境以及节能减排压力大 等现实问题，如何降低生产成本、降低能耗、提高能源综合利用率始终是能源发展战略 规划的核心内容。由于我国工业领域能源消耗占全国能源消耗总量的 70%，除了生产工 艺落后，产业结构不合理外，工业消耗高的原因主要是由于工业余热利用率低，能源没 有得到充分综合利用。余热资源属二次能源，它是一次能源或可燃物转换后的产物。工 业余热种类繁多，其中冷却介质余热是指在工业生产中为了满足工艺流程冷却要求或保 护高温生产设备等由冷却介质带走的余热，它占工业余热资源总量的 20%。 目前工业余热回收利用方式有很多种，根据余热资源在使用过程中能量的传递或转 换方式，可将余热利用技术分为热交换技术、热功转换技术和余热制冷制热技术。其中 热交换技术是依据传热机理， 用传统的间壁式换热器、 蓄热式热交换器等在介质间传热； 热功转换技术分为以低沸点工质的有机工质发电技术和传统的以水为工质的蒸汽透平 发电技术；与传统压缩式制冷机组相比，吸附式或吸收式制冷系统可采用廉价能源或低 品位热能而防止耗电，解决电力供应不足的问题，采用天然制冷剂，不含对臭氧层破坏 的物质，具有显著的环保效果和节电能量，在 20 世纪末得到广泛应用。其中以溴化锂 水溶液为工质的吸收式制冷系统应用最为广泛，一般利用 80-250的低温热源制取 万方数据 第一章 文献综述 8 0或 5以上的冷媒用于工业用冷冻水； 余热制热技术是应用热泵技术将余热量大的烟 气、水汽等余热资源回收，热泵消耗一部分高质能（电能、热能或机械能）作为补偿， 通过制冷机组的热力循环，把低温余热的热量泵送到高温热媒，当前压缩式热泵中以水 源热泵技术应用最广泛，该技术的使用减少了燃煤的耗量，达到节能降耗的目的。 作为国有大型企业，肩负着国家节能减排的重任，本项目的实施不仅会使我公司节 能减排目标责任的履行情况得到进一步的保证，更会对企业的可持续发展产生积极影响 和促进作用。同时在回收废热水，变废为宝，提供充足的工艺冷源以及低压蒸汽源。具 体改造方案包括两部分： （1）余热回收制取工艺冷源：采用回收工艺产生的废热水，利用余热回收系统实 现降低转换工艺循环水温度的同时，提供工艺所需冷源，使全年 8 个月的生产达到设计 工况，一方面降低公司能源消耗，废热排放，另一方面变废为宝，保证工艺的稳定，提 高产品竞争力。 （2）余热回收制取工艺热源：采用回收工艺产生的废热水，利用热泵余热回收系 统实现降低转换工艺循环水温度的同时，提供工艺所需低压蒸汽热源，使全年 4 个月的 生产达到设计工况，一方面降低公司能源消耗，废热排放，另一方面变废为宝，提供了 工艺上需要的维温的热源，也保证了工艺的稳定，提高产品竞争力。 1.4.3 变压吸附变压吸附技术技术 精馏工序在聚氯乙烯树脂生产过程中非常重要。而以往粗放式生产中精馏尾气是做 为废气被排放。其中含有大量的乙炔、VC 和氢气等成分。为了使尾气排放指标达到国家 标准，更好地利用精馏尾气，把其中的有用组分提取出来充分利用,研发出了变压吸附 技术。变压吸附（Pressure SwingAdsorption 简称 PSA）气体分离技术，由于具有工艺 简单，可一步除去多种杂质组分，产品纯度高，操作弹性大，自动化程度高，操作费用 低，吸附剂寿命长，投资省，维护方便等优点，因而发展迅速，它已成为空气干燥、氢 气纯化、中小规模空气分离及其它混合其它分离、纯化的主要技术之一。所谓变压吸附 法（PSA）实际上就是采用减压解吸而实现吸附剂再生的吸附法，循环可在常温下进行， 由于压力的变化是很迅速的，因而循环通常只需要数分钟甚至几秒钟就能快速完成，尽 管吸附容量不是很高，但吸附剂利用率高，处理量可以很大。 变压吸附吸附剂的再生无需外加热量，另外吸附剂的导热系数通常很小，过程近于 绝热操作，变压吸附的循环周期很短，吸附热来不及散失，因此可供解吸之用，吸附热 和解吸热引起的床层温度变化不大，可近似看做等温过程。 由于常温吸附剂的空隙率都很高，而且变压吸附中吸附在压力下进行，因此床层中 吸附剂颗粒间空隙（通常称之为床层死空间）中包含的气体量是不可忽略的。在降压解 万方数据 第一章 文献综述 9 吸中，随着较强吸附组分的解吸，床层死空间中的弱吸附组分将排出床层而造成轻质产 品的损失。早期变压吸附技术的产品回收率较低称为该技术的主要缺点，近年来在如何 回收床层死空间中的产品组分方面做了许多工作，使回收率已有很大提高。 变压吸附工艺的循环过程通常包括下列步骤:吸附，顺向降压，逆向放压，冲洗或 抽空，均压充压及最终充压等步骤。这里以从非吸附相得到产品的简单变压吸附工艺为 例对工艺过程的主要步骤的作用加以说明。 吸附步骤：原料气在循环的最高压力下进入吸附床，较强吸附的组分被吸附在吸附 剂上，弱吸附剂组分作为产品输出，部分产品气用于另一个床层的最终升压。 吸附步 骤进行到吸附前沿离产品出口端还有一段距离时便停止了，使产品出口端附近还保留一 段未被利用的吸附剂，供顺向降压时吸附前沿推进之用。 顺向降压步骤:完成了吸附步骤的床层顺向放压而将放气引入另一个已完成清洗而 处于较低压力下的床层，使两床的出口端相连通，均压结束时两床的压力相等，都处于 较高的中间压力，这是一个压力均衡的步骤。它起了回收已完成吸附的床层中的压力和 产品气的作用，因而提高了产品气的回收率。在均压步骤中吸附前沿向产品出口端推进 但杂质组分尚未发生穿透，因此均压步骤的排放气基本上为纯的产品气。 逆向降压步骤：关闭产品出口端阀门而打开进料端阀门，使床层内的气体以进料相 反的方向排出床层，床层内的压力由较低的中间压力放压到循环的最低压力，通常为大 气压力或负压。在整个步骤中吸附剂吸附的杂质组分解吸并排出床层，而且产品出口端 附近的死空间中余留的产品组分浓度较高的气体在逆向流动中对床层起了清洗的作用， 使进料端附近的杂质组分在整个步骤中排出床层。 冲洗或抽空步骤：床层在循环的最低压力下由另一个正进行顺放步骤的床层的排放 气进行逆流清洗。在清洗过程中使杂质组分的分压降低而从吸附剂上解吸并被清洗出床 层，并把吸附前沿推向进料端，因此清洗结束时吸附剂的再生就基本完成了。或者使用 真空泵对吸附床进行抽空使其达到负压以强化吸附剂的再生。 均压充压步骤：已完成再生但出于循环较低压力的床层必须充压到吸附压力才能进 行下一步的吸附操作，其充压先是采用另一个正进行放压步骤的床层的排放气进行充 压，使两床的出口端相互连通，床层的压力从循环的最低压力升压到较低的中间压力。 逆流充压可以将吸附前沿推向进料端而保证产品端比较干净。 最终充压步骤：床层从较低的中间压力升压到吸附压力可以采用原料气顺流充压， 也可以采用产品气逆向充压。用产品气逆向充压可以将杂质的吸附前沿推向床层进料 端，并将其浓度前沿尽量压平，对下一步吸附操作有利，但需消耗较多的产品气。充压 方法可以由原料气充压到较高的中间压力后再用产品气逆向充压至吸附压力，还可以冲 床层两端同时用原料气和产品气进行最终充压等。 万方数据 第一章 文献综述 10 床层在最终充压步骤后已完成一个循环操作，并准备好进行下一循环的吸附操作。 采用上述新工艺可以使尾气中 VCM 和乙炔的回收率大于 99.9%，尾气净化后排放气 体中的 VCM 含量不小于 36mg/m 3 ，而乙炔含量小于 150 mg/m3。此工艺与传统工艺相比， 具有自动化程度高、回收率高、 尾气排放达标、 经济效益显著等优点。 1.4.4 尾气制氢技术尾气制氢技术 上述聚氯乙烯精馏尾气经变压吸附后，氯乙烯和乙炔气得到回收，净化气排空，但 处理后的净化气中含有大量氢气等惰性气体， 其中氢气含量在 70%左右， 如果直接排空， 不但污染环境，而且是原料的极大浪费。 精馏尾气制氢装置的原料气是精馏尾气变压吸附处理后的废气，经过一定的压力变 化和吸附剂的作用，将氢气提纯后送到合成炉或作为其它替代能源，剩余下来的净化气 ( 绝大多数是氮气) 经过减压解析排放，类似前面提到的变压吸附技术。 1.5 本课题工作目的及内容 本课题结合某原有氯乙烯生产车间特点，采用电石乙炔法合成氯乙烯单体的工艺， 对整套工艺的乙炔发生工序、合成转化工序及氯乙烯精制工序进行物料衡算和能量衡 算，设计过程中考虑回收渣浆中的乙炔气、系统热能回收利用、排放尾气回收净化及再 利用，期望从根本上解决氯乙烯生产高能耗、高污染等困扰生产的问题，在设计过程中 以降低成本、节能降耗以及环境治理为目的，全面实施技术改造和创新设计。希望通过 该项目的实施提高清洁生产节能减排的经济效益、环境效益和社会效益，为氯碱行业推 行清洁生产、实现节能减排降耗起到示范性作用。 万方数据 第二章 乙炔发生工序设计计算及工艺优化 11 第二章 乙炔发生工序设计计算及工艺优化 2.1 乙炔发生工序工艺流程介绍 电石从给料机，经皮带运输机输送后，在连续通氮气情况下，通过加料斗，再经上 下贮斗连续加入发生器内，在发生器内电石遇水迅速的分解，产生乙炔气从发生器的顶 部逸出。电石分解时会放出大量热，因此要不断加水维持温度，补充消耗水分，电石反 应后的稀电石渣浆从溢流管不断流出，再经渣浆槽由渣浆泵输送到排渣场，剩余浓渣浆 由发生器底部，经排渣考克定期排到渣浆池，再经浓渣泵打到渣浆槽内。发生器顶部逸 出的乙炔气经渣浆分离器到正水封，再经水洗塔与废次氯酸钠接触预清净，后经冷却塔 冷却后进入气柜或水环压缩机。为了维持发生器压力稳定，设有安全水封和逆水封，当 发生器压力低时（特别是停车时） ，乙炔气通过气柜由逆水封进入发生器保持其正压。 反之发生器压力过高时，其通过安全水封来泄压。压缩的乙炔气进入气液分离器，水环 液再经冷却器用 0水冷却后回到水环压缩机循环使用。从气液分离器分离出来的乙炔 气进入清