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 杨方麒 学号 5801112036 指导教师 王敏炜 罗美 职称 教授 讲师 起讫日期 2016 1 4 2016 1 22 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 0 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 1 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 2 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 630824 1 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 3 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 1 764 105Pa 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 18 0 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 4 107 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 cm 2 1 568 10 5Pa 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 5 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 76 80 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 6 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 EDC 22COCO 转化器中各物料计算 生成 VC 的量 106 630824 0 97 103 431899 kmol h 生成 DCE 的量 106 630824 0 011 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 7 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 10 12 出口温度 30 吸收水进口温度 5 10 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 687595 96 331 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 8 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 1996 10 50 061178 EDC5 4 10 36 353611 乙醛全溶1 125564 CO21 257 10 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 9 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 0 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 849738 0 445 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 1 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 14 40 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 363112 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 2 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 3 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 4 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 5 hkgW 58483 26549 0 486 0 57183 91330 冷剂 6 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 7 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 mt tte D DD 根据经验选 2 90 kcal mhK 8