年产10万吨氯乙烯工艺设计

本科毕业设计本科毕业设计 20162016 届届 题题 目 目 年产 10 万吨氯乙烯工艺设计 学学 院 院 化学化工学院 专专 业 业 化学工程与工艺 学生姓名 学生姓名 郑浩东 学号 学号 21207052076 指导教师 指导教师 詹益民 职称 学位 职称 学位 合作导师 合作导师 职称 学位 职称 学位 完成时间 完成时间 20162016 年年 月月 日日 成成 绩 绩 黄山学院教务处制黄山学院教务处制 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文 是本人在指导老师指导下独立完成的研究 成果 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果 均在 文中以明确方式标明 本人依法享有和承担由此论文而产生的权利 和责任 声明人 签名 声明人 签名 年年 月月 日日 年产 10 万吨氯乙烯工艺设计 Process design of vinyl chloride with annal output of 100kt 目录目录 摘要 I Abstract II 前 言 1 第一章 绪 论 2 1 1 聚氯乙烯 2 1 1 1 聚氯乙烯性质和用途 2 1 2 氯乙烯 VC 4 1 2 1 氯乙烯在国民经济中的地位和作用 4 1 2 3 我国 VC 的产需状况及预测 5 1 3 氯乙烯制取方法 6 1 4 氯乙烯的合成 7 1 4 1 反应机理 7 1 4 2 催化剂的选取 7 1 5 氯乙烯生产工艺流程简述 10 1 5 1 生产工艺流程 10 1 5 2 主要原料和产物的物化性质 11 第二章 工艺计算 13 2 1 物料衡算 13 2 1 1 计算依据 13 2 1 2 各单元的物料衡算 13 2 2 热量衡算 21 2 2 1 热量衡算式 21 2 2 2 有关物化数据表 21 2 2 3 相应各个设备的热量衡算 22 第三章 主要设备及管道管径设计与选型 29 3 1 转化器的设计与选型 29 3 1 1 已知条件 29 3 1 2 数据计算 29 3 1 3 手孔 31 3 1 4 封头的选择 31 3 2 精馏塔的设计与选型 31 3 2 1 求精馏塔的气 液相负荷 33 3 2 2 求操作线方程 33 3 2 3 塔径的计算 34 3 2 4 精馏塔有效高度的计算 37 3 2 5 管径的计算 37 3 3 主要管道管径的计算与选型 39 3 3 1 HCl 进料管 40 3 3 2 乙炔气进料管 40 3 3 3 石墨冷却器的进料管 41 3 3 4 多筒过滤器的进料管 41 3 3 5 转化器的进料管 41 3 3 6 转化器的出料管 42 3 3 7 石墨冷却器进料管 42 3 3 8 部分管道一览表 42 第四章 生产中的注意事项 43 4 1 生产中常见物质的危害及处理方法 43 结 论 51 参考文献 53 附录 54 附录 A 工艺流程图 54 附录 B 主要设备图 54 I 年产年产1010万吨氯乙烯工艺设计万吨氯乙烯工艺设计 化学化工学院 化学工程与工艺 郑浩东 21207052076 指导老师 詹益民 摘要摘要 氯乙烯是化学工业重要有机化工原料 其市场供需量也愈来愈庞大 在化工生产中的地位不断 攀升 由于近年来全世界氯乙烯的生产发展很快 其产量及消费需求也都迅猛增长 而在国内也随着我 国聚氯乙烯等行业的不断发展 带动了我国氯乙烯消费量的不断增加 本设计主要对氯乙烯的物性 用途及国内外生产消费现状进行分析 对其现有各种生产工艺做简要介绍 根据设计任务要求确定了 本生产工艺流程 对氯乙烯的生产 分离及提纯阶段精馏塔进行详细计算 并根据物性及操作条件等 综合因素对塔设备结构进行计算 设计 选型 对辅助设备进行相应的设计计算 做出我认为年产 20 万吨氯乙烯理想的设计方案 关键字关键字 增加 氯乙烯 聚氯乙烯 精馏塔 计算 II Process design of vinyl chloride with annal output of 100kt Abstract Vinyl chloride is an important organic chemical raw materials in chemical industry its market supply and demand quantity will become more and more large and the position of Vinyl chloride will be rise in chemical production Due to the production of vinyl chloride is developi ng very fast in the world the production and consumption demand are growing rapidly With the continuous development of PVC industry in China our country s vinyl chloride consumption als o increased This design mainly analyze the vinyl chloride s physical properties use and producti on and consumption status at home and abroad Also brifely introducing the existing production process According to the requirement of design task making sure the production process and cal culating the production separation and purification of vinyl chloride Considering the comprehen sive factors such as physical properties operating conditions and so on we calculate the tower eq uipment s structure design select type and calculate the design of auxiliary equipment Finally making the ideal design scheme from my side which can output 100 kt of vinyl chloride every ye ar Key words Addition Vinyl chloride Poly vinyl Chloride Distillation column Calculate 1 前 言 本设计是根据设计任务的要求 对年产二十万吨氯乙烯的工艺初步设计 广泛收集 了聚氯乙烯 Polyvinyl Chloride 简称 PVC 氯乙烯 vinyl Chloride 简称 VC 工 艺化工设计的相关资料作为设计依据 对 PVC 的性质和国内外发展状况进行了介绍 并 着重对 VC 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 2 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 聚氯乙烯 1 1 1 聚氯乙烯性质和用途 1 常温常压下 氯乙烯 vinyl chloride CH2 CHCl 是无色气体 具有微甜气味 微溶于水 溶于烃类 醇 醚 氯化溶剂和丙酮等有机溶剂中 氯乙烯沸点 13 9 易 聚合 并能与乙烯 丙烯 醋酸乙烯酯 偏二氯乙烯 丙烯腊 丙烯酸酯等单体共聚 而制得各种性能的树脂 加工成管材 面膜 塑料地板 各种压塑制品 建筑材料 涂 料和合成纤维等 近年来世界和中国聚氯乙烯树脂消耗比例分别见表 1 1 和表 1 2 表 1 1 近年来世界聚氯乙烯树脂消耗比例 品 种比例 品 种比例 管材 33 薄膜片材 13 护墙板 8 地板地砖 3 薄膜和片材 8 合成皮革 3 吹塑制品 5 电线电缆 8 其他 6 其他 13 PVC 硬 制 品 合计 60 PVC 软 制 品 合计 40 表 1 2 近年来中国聚氯乙烯树脂消耗比例 品 种比例 品 种比例 管材 14 薄膜片材 11 护墙板 18 地板地砖 8 薄膜和片材 15 合成皮革 7 吹塑制品 5 电线电缆 4 其他 5 其他 13 PVC 硬 制 品 合计 57 PVC 软 制 品 合计 43 3 1 2 氯乙烯 VC 1 2 1氯乙烯在国民经济中的地位和作用 自 1835 年法国化学家 V Regnault 首先发现了氯乙烯 于 1838 年他又观察到聚合体 这就是最早的聚氯乙烯 聚氯乙烯自工业化问世至今 六十多年来仍处不衰之势 占目 前塑料消费总量的 29 以上 到上世纪末 聚氯乙烯树脂大约以 3 的速度增长 这首先 是由于新技术不断采用 产品性能亦不断地得到改进 品种及牌号的增加 促进用途及 市场的拓宽 其次是制造原料来源广 制造工艺简单 产品质量好 在耐燃性 透明性 及耐化学药品性能方面均较其它塑料优异 又它是氯碱行业耗 氯 的大户 对氯碱平 衡起着举足轻重的作用 从目前世界主要聚氯乙烯生产国来说 一般耗用量占其总量的 20 30 特别是 60 年代以来 由于石油化工的发展 为聚氯乙烯工业提供廉价的乙烯 资源 引起了人们极大的注意 因而促使氯乙烯合成原料路线的转换和新制法以及聚合 技术不断地更新 使聚氯乙烯工业获得迅猛的发展 1 2 2 我国 VC 的产需状况及预测 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 1 3 氯乙烯制取方法 1835 年法国人 V 勒尼奥用氢氧化钾在乙醇溶液中处理二氯乙烷首先得到氯乙烯 20 世纪 30 年代 德国格里斯海姆电子公司基于氯化氢与乙炔加成 首先实现了氯乙烯的工 业生产 初期 氯乙烯采用电石 乙炔与氯化氢催化加成的方法生产 简称乙炔法 以 后 随着石油化工的发展 氯乙烯的合成迅速转向以乙烯为原料的工艺路线 1940 年 美国联合碳化物公司开发了二氯乙烷法 为了平衡氯气的利用 日本吴羽化学工业公司 又开发了将乙炔法和二氯乙烷法联合生产氯乙烯的联合法 1960 年 美国陶氏化学公司 开发了乙烯经氧氯化合成氯乙烯的方法 并和二氯乙烷法配合 开发成以乙烯为原料生 产氯乙烯的完整方法 此法得到了迅速发展 乙炔法 混合烯炔法等其他方法由于能耗 高而处于逐步被淘汰的地位 1 4 氯乙烯的合成 2 4 氯乙烯是由乙炔与氯化氢在升汞催化剂存在下的气相加成的 1 4 1 反应机理 124 8kJ mol 1 6 ll 2 lg 22 2 CHCCHHCHC CH 上述反应实际上是非均相的 分 5 个步骤来进行 其中表面反应为控制阶段 I 外扩散 乙快 氯化氢向碳的外表面扩散 II 内扩散 乙炔 氯化氢经碳的微孔通道向外表面扩散 III 表面反应乙炔 氯化氢在升汞催化剂活化中心反应发生加成反应生成氯乙烯 IV 内扩散 氯乙烯经碳的微孔通道向外表面扩散 V 外扩散 氯乙烯自碳外表面向气流中扩散 1 4 2 催化剂的选取 15 载体活性炭 升汞 对于 HCl 与 C2H2 化合生成氯乙烯的反应 要求使用的催化剂具有高活性和高选择性 目前 电石法生产氯乙烯常用的催化剂是以活性炭为载体 孔隙率即吸苯率 30 机械强度 90 浸渍吸附质量分数为 10 12 的氯化汞制备而成的 其具体标准参见 YS T31 1992 氯 化汞触媒技术标准 1 5 氯乙烯生产工艺流程简述 1 5 1 生产工艺流程 缓冲器 乙炔砂 封 混 合 器 石墨 冷却 器 多筒 过滤 器 石墨 预热 器 转 化 器 除汞 器 水洗 塔 碱洗 塔 冷却器 图 1 1 生产工艺流程 由乙炔工段送来的精制乙炔气 经乙炔砂封 与氯化氢工序送来的氯化氢气体经缓 冲罐通过孔板流量计调节配比 乙炔 氯化氢 1 1 05 1 1 在混合器中充分混合 进入石 墨冷却器 用 35 盐水间接冷却 冷却到 14 2 乙炔氯化氢混合气在此温度下 部 分水分以 40 盐酸排出 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 5 棉捕集器分离 然后混合气经石墨冷却器 由流量计控制进入串联的第一组转化器 在 列管中填装吸附于活性炭上的升汞催化剂 在催化剂的作用下使乙炔和氯化氢合成转化 为氯乙烯 第一组出口气中尚有 20 30 未转化的乙炔 再进入第二级转化器继续转化 使出口处未转化的乙炔控制在 3 以下 第二组转化器填装活性较高的新催化剂 第一组 则填装活性较低的 即由第二组转化器更换下来的旧催化剂即可 合成反应放出的热量 通过离心泵送来的 95 100 左右的循环水移去 粗氯乙烯在高温下带逸的氯化汞升华物 在填活性炭吸附器中除去 接着粗氯乙烯进入水洗泡沫塔回收过量的氯化氢 泡沫塔顶 是以高位槽低温水喷淋 一次 不循环 接触得 20 盐酸 装大贮槽供罐装外销 气体 再经碱洗泡沫塔 除去残余的微量氯化氢后 送至氯乙烯气柜 最后去精馏工段 1 5 2 主要原料和产物的物化性质 I 氯化氢 分子式 HCl 分子量 36 5 性质 无色有刺激性气味的气体 标准状态下密度为 1 00045 克 升 熔点 114 80 沸点 85 在空气中发白雾 溶于乙醇 乙醚 极易溶于水 标准状况下 1 升水可溶 解 525 2 升的 HCl 气体 规格 纯度 93 水分 0 06 II 乙炔 分子式 C2H2 分子量 26 性质 在常温常压下为无色气体 具有微弱的醚味 工业用乙炔因含有氯化氢 磷 化氢等杂质而具有特殊的刺激性臭气 规格 纯度 98 5 不含硫 磷 砷等杂质 III 氯乙烯 分子式 CH2 CHCl 分子量 62 50 沸点 13 9 熔点 160 0 蒸汽相对密度 2 15 空气为 1 液体相对密度 0 9121 20 爆炸极限 在空气中 3 6 26 4 体积 6 第二章 工艺计算 2 1 物料衡算 由于各化工单元操作连续 故采用倒推法 根据转化率或者损失率计算出原料的投入 量 再按顺序对各个单元操作进行衡算 2 1 1 计算依据 I 计算基准 年产能力 年产 100kt 的氯乙烯 年工作日 以 330 天计算 日产量 100 106 330 3 0455 105 kg 2 1 7 小时产量 3 0455 105 24 12689 5 kg 2 2 即 每小时要合成氯乙烯 12689 5kg 以下计算均以 1 h 为基准 II 化学反应式 主反应 2 3 ll 2 HgCl 22 2 CHCCHHCHC 副反应 2 4 232 lllCHCCHHCCHCCH 2 5 lgllg 2 HgCl 222 CCHHHCCCHHC 2 6 222 lgllglglCHCHCHCCHCCHCHHC III 倒推法计算 精馏 氯乙烯的收率 1 99 5 12689 5 99 5 12753 26 kg 204 052 kmol 2 7 转化器 乙炔的转化率 95 204 052 95 214 7915 kmol 2 8 因此 进气中 C2H2需 214 7915 kmol 2 1 2 各单元的物料衡算 1 混合器的物料衡算 图 2 1 混合器的物料衡算简图 C2H2和 HCl 的最适宜的摩尔比是 1 1 05 1 1 2 本设计选取 nC2H2 nHCl 1 1 08 I 进料气组成 表 2 1 进料气组成 进料气组分含量 乙炔 氯化氢 混合器 C2H2 HCl O2 H2O 8 C2H299 5 乙炔气 H2O0 5 HCl99 95 H2O0 01 氯化氢 惰性气体 以 O2计算 0 04 因此 进料气所需乙炔气 214 7915 99 5 215 871 kmol 2 9 进料气所需的氯化氢气体 214 7915 1 08 99 95 232 091 kmol 2 10 即 C2H2 214 7915 kmol 5584 579 kg HCl 231 975 kmol 8467 0875 kg O2 232 091 0 04 0 0928 kmol 2 971 kg 2 11 H2O 232 091 0 01 215 871 0 5 1 1025 kmol 19 845 kg 2 12 II 出料气组成 极少量的水分以浓盐酸的形式流出 此时课忽略流出的浓盐酸量 C2H2 214 7915 kmol HCl 231 975 kmol O2 0 0928 kmol H2O 1 1025 kmol III 混合器的物料衡算表 表 2 2 混合器的物料衡算表 进料质量 kgW 出料质量 kgW 9 C2H25584 57939 679C2H25584 57939 679 HCl8467 087560 159HCl8467 087560 159 O22 9710 000211O22 9710 000211 H2O19 8450 1410H2O19 8450 1410 14074 4825100 14074 4825100 2 石墨冷却器 图 2 2 石墨冷却器的物料衡算简图 由于在石墨冷却器中 用 35 盐水间接冷却 混合气中水分一部分则以 40 盐酸的形式 排出 部分则混合在气流中 查阅相关资料 即设混合器中水分以 40 盐酸排出的量占水总量的 30 2 I 进料气组成 C2H2 214 7915 kmol 5584 579kg HCl 231 975 kmol 8467 0875kg O2 0 0928 kmol 2 971kg H2O 1 1025kmol 19 845kg II 出料气组成 C2H2 214 7915 kmol 5584 579kg O2 0 0928 kmol 2 971kg H2O 1 1025 1 30 0 7718 kmol 13 8915 kg 2 13 2 14 40 100 mm m 2 l HCl OHHC 0 4 0 6 l mHC OH2 m 混合气 C2H2 HCl O2 H2O 石墨冷却器 盐酸 10 0 4 0 6 9 9225 13 8915 3 969kg 2 15 HCl 8467 0875 3 969 8463 1185 kg 231 8665 kmol 2 16 盐酸 3 969 19 845 13 8915 9 9225 kg 2 17 III 石墨冷却器的物料衡算 表 2 3 石墨冷却器的物料衡算表 进料质量 kgW 出料质量 kgW C2H25584 57939 679C2H25584 57939 679 HCl8467 087560 159HCl8463 118560 131 O22 9710 000211O22 9710 000211 H2O19 8450 1410H2O13 89150 000987 盐酸9 92250 000745 14074 4825100 14074 4825100 3 多筒过滤器 由相关资料查得 在多筒过滤器中 采用 3 5 憎水性有机硅树脂的 5 10um 细玻璃纤 维 可将大部分酸雾分离下来 以盐酸的形式排出 假设盐酸为 38 出水量为 80 I 进料气组成 C2H2 214 7915 kmol 5584 579kg HCl 231 975 kmol 8463 1185kg O2 0 0928 kmol 2 971kg H2O 0 7718kmol 13 8915kg II 出料气组成 C2H2 214 7915 kmol 5584 579kg O2 0 0928 kmol 2 971kg H2O 13 8915 1 80 2 7783 kg 盐酸为 38 100 38 2 18 OHHC 2 mm m l HCl 0 38 0 62 HCl m OH2 m 11 0 38 0 62 13 8915 6 8115 kg 2 19 HCl 8463 1185 6 8115 8456 307 kg 2 20 盐酸 6 8115 13 8915 80 17 9247 kg 2 2 1 III 多筒过滤器的物料衡算 表 2 4 多筒过滤器的物料衡算表 进料质量 kgW 出料质量 kgW C2H25584 57939 707C2H25584 57939 707 HCl8463 118560 172HCl8456 30760 125 O22 9710 000211O22 9710 000211 H2O13 89150 000988H2O2 77830 000198 盐酸17 92470 00127 14064 56100 14064 56100 4 石墨预热器 此时无质量交换 即进出口各物料量不变 表 2 5 石墨预热器物料衡算表 进料 出料质量 kgW C2H25584 57939 757 HCl8456 30760 202 O22 9710 000212 H2O2 77830 000198 14046 64100 5 转化器 图 2 3 转化器物料衡算简图 由前面的叙述知 此转化器转化率为 95 3 C2H2 HCl 转化器 CH2CHCl C2H2 HCl 12 I 进料气组成 C2H2 5584 579 kg 214 7915 kmol HCl 8456 307 kg 231 68 kmol O2 2 971 kg H2O 2 7783 kg II 出料气组成 CH2CHCl 214 7915 95 62 5 12753 245 kg 2 2 2 C2H2 5584 579 1 95 279 229 kg 2 23 HCl 8456 307 214 7915 95 36 5 1008 4117kg 2 24 O2 2 971 kg H2O 2 7783 kg III 转化器的物料衡算 表 2 6 转化器的物料衡算表 进料质量 kg W 出料质量 kg W C2H25584 57939 757CH2CHC l 12753 24590 792 HCl8456 30760 202C2H2279 2290 0199 O22 9710 000212HCl1008 41177 179 H2O2 77830 000198O22 9710 000212 H2O2 77830 000198 14046 64100 14046 64100 6 除汞器 由于汞含量极少 实际操作中课忽略其影响 即物料进 出组分相同 除汞器的物料衡算 表 2 7 除汞器的物料衡算表 进料质量 kg W 出料质量 kg W CH2CHC l 12753 24590 792CH2CHC l 12753 24590 792 C2H2279 2290 0199C2H2279 2290 0199 HCl1008 41177 179HCl1008 41177 179 O22 9710 000212O22 9710 000212 13 H2O2 77830 000198H2O2 77830 000198 14046 64100 14046 64100 7 石墨冷却器 表 2 8 石墨冷却器物料衡算表 进料质量 kg W 出料质量 kg W CH2CHCl12753 24590 792CH2CHCl12753 24590 792 C2H2279 2290 0199C2H2279 2290 0199 HCl1008 41177 179HCl1008 41177 179 O22 9710 000212O22 9710 000212 H2O2 77830 000198H2O2 77830 000198 14046 64100 14046 64100 8 水洗泡沫塔 4 查阅相关文献可知 水洗泡沫塔用来回收过量的氯化氢 泡沫塔是以高位槽低温水 喷淋 一次 不循环 接触可得 20 的盐酸 假如回收盐酸的回收率为 98 加入的水 量为 3955 kg I 进料气组成 CH2CHCl 12753 245 kg C2H2 279 229 kg HCl 1008 4117kg O2 2 971 kg H2O 2 7783 3955 3957 7783kg 2 25 II 出料气组成 CH2CHCl 12753 245 kg C2H2 279 229 kg 回收的盐酸 1008 4117 98 20 4941 22 kg 2 26 14 HCl 1008 4117 1 98 20 168 kg 2 27 O2 2 971 kg H2O 3955 2 7783 4941 22 0 8 4 8023 kg 2 28 III 泡沫水洗塔的物料衡算 表 2 9 泡沫水洗塔的物料衡算表 进料质量 kg W 出料质量 kg W CH2CHC l 12753 2450 708CH2CHCl12753 2450 708 C2H2279 2290 0155C2H2279 2290 0155 HCl1008 41170 056HCl20 168 0 00112 O22 9710 000165O22 9710 000165 H2O3957 77830 22H2O4 80230 000264 盐酸 4941 220 274 18001 635100 18001 635100 9 碱洗泡沫塔 CH2 CHCl CH CH HCl 碱洗泡沫塔 CH2 CHCl CH CH 图 2 4 碱洗泡沫塔物料衡算简图 I 进料气组成 CH2CHCl 12753 245 kg C2H2 279 229 kg HCl 20 168 kg O2 2 971 kg 15 H2O 4 8023 kg II 出料气组成 HCl 被碱液吸收 从而出料气中不含 HCl 气体 CH2CHCl 12753 245 kg C2H2 279 229 kg O2 2 971 kg H2O 4 8023 kg III 碱洗泡沫塔的物料衡算 表 2 10 碱洗泡沫塔的物料衡算表 进料质量 kg W 出料质量 kg W CH2CHC l 12753 2450 976CH2CHCl12753 2450 976 C2H2279 2290 0214C2H2279 2290 0214 HCl20 168 0 00154 HCl 除去的 20 168 0 00154 O22 9710 000227O22 9710 000227 H2O4 80230 000364H2O4 80230 000364 13060 415100 13060 415100 2 2 热量衡算 2 2 1 热量衡算式 2 29 54321 QQQQQ Q1 物料带入热 Q2 加热剂或冷却剂带入热 Q3 过程热效应 Q4 物料带出热 Q5 热损失 假设 Q5 是 Q2的 5 此衡算式中 表示放热 表示吸热 16 设混合物的平均比热容近似等于各组分热容与质量分数乘积之和 即 含 iiW CCP 量少的物质对混合体系热容的影响可忽略不计 同种物质的平均比热容 2 30 2 1 21 ln P P PP P C C CC C 2 2 2 有关物化数据表 5 表 2 11 物化数据表 项目温度 比热 kcal kg 250 428 750 45 乙炔 1100 455 250 204 750 208HCl 1100 2085 250 45 750 451 水蒸气 1100 46 250 234 750 24O2 1100 244 250 846 750 8327 氯乙烯 1100 868 盐酸 40 353 214 17 2 2 3 相应各个设备的热量衡算 1 石墨冷却器 表 2 12 石墨冷却器的物料衡算表 进料质量 kg W 出料质量 kg W C2H25584 57939 679C2H25584 57939 679 HCl8467 087560 159HCl8463 118560 131 O22 9710 000211O22 9710 000211 H2O19 8450 1410H2O13 89150 000987 盐酸 9 92250 000745 14074 4825100 14074 4825100 进料温度 t1 25 出料温度 t2 13 以进料温度 t1 25 为计算基准 C 乙炔 1 792 kJ kg C水蒸气 1 8842 kJ kg C氯化氢 0 8541 kJ kg C 氧气 0 9798 kJ kg C 水 l 4 175 kJ kg 水 冷凝热 2229 4636 kJ kg C 40 盐酸 3214 kJ kg 计算 Q1 进料温度为 25 即 Q1 0 Q3 Q3 Q3 1 Q3 2 2 31 Q3 1 生成 40 的盐酸时 HCl 的水溶液生成的热 35430 kcal kmol 5 则冷却器只能中 HCl 溶于水放出的热量为 148345 4 8467 0875 8463 1185 36 5 16131 04 kJ 2 32 Q3 2 水液化放出的热 2435 0 19 845 13 8915 14496 7725 kJ 2 33 Q3 Q3 1 Q3 2 16131 04 14496 7725 30627 8125 kJ 2 34 Q4 Q4 Q乙炔 Q氯化氢 Q氧气 Q水蒸气 Q盐酸 5584 579 1 792 13 25 8467 0875 0 8541 13 25 18 2 971 0 9798 13 25 1 884 13 8915 13 25 9 9225 3214 13 25 380287 4916 274806 0985 110 6175 994 5202 1211854 77 1868053 498 kJ 2 35 Q2 5 Q2 Q5 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 2 32 0 Q2 30627 8125 1868053 498 0 05Q2 2 36 Q2 1998611 906 kJ Q5 Q5 Q2 5 99930 5953 kJ 2 37 表 2 13 石墨冷却器热量衡算表 物料入口 kJ物料出口 kJ C2H20C2H2 380287 4916 HCl0HCl 274806 0985 O20O2 110 6175 H2O0H2O 994 5202 冷凝热 30627 8125 盐酸 1211854 77 盐水吸热 1998611 906 损失 99930 5953 1967984 093 1967984 093 2 石墨预热器 进料温度 t1 13 出料温度 t2 75 以进料温度 t1 13 为计算基准 C 乙炔 1 80 kJ kg C 水蒸气 1 884 kJ kg C 氯化氢 0 858 kJ kg C 氧气 0 9798 kJ kg C 氯乙烯 0 8502 kJ kg 计算 Q1 进料温度为 75 即 Q1 0 Q3 由反应式 19 Q4 Q4 Q乙炔 Q氯化氢 Q氧气 Q水蒸气 5584 579 1 8 75 13 8456 307 0 858 75 13 2 971 0 9798 75 13 2 7783 1 884 75 13 884597 3136 638485 0037 256 1667 460 62 1523799 104kJ 2 38 Q2 Q5 Q2 5 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 0 Q2 0 1523799 104 0 05 Q2 Q2 1603999 057 kJ Q5 Q5 Q2 5 1603999 057 0 05 80199 9528kJ 2 39 表 2 14 石墨预热器热量衡算表 物料入口 kJ物料出口 kJ C2H20C2H2884597 3136 HCl0HCl638485 0037 O20O2256 1667 H2O0H2O460 62 蒸汽加热 1603999 057 损失 80199 9528 1603999 057 1603999 057 3 转化器 由前面计算可知 转化器的物料核算 此处的热损失为 1 5 进料温度 t1 75 出料温度 t2 110 以进料温度 t1 75 为计算基准 C 乙炔 1 884 kJ kg C 水蒸气 1 888 kJ kg 20 C 氯化氢 0 871 kJ kg C 氧气 1 005 kJ kg C 氯乙烯 0 8502 kJ kg 计算 Q1 进料温度为 75 即 Q1 0 Q3 由反应式 Q3 124 8 214 7915 103 2840660 546 kJ 2 40 Q4 Q4 Q氯乙烯 Q乙炔 Q氯化氢 Q氧气 Q水蒸气 12753 245 0 8502 110 75 279 229 1 884 110 75 1008 4117 0 871 110 75 2 7783 1 888 110 75 2 971 1 005 110 75 379498 3115 18412 3603 30741 4307 183 5901 104 5049 428940 1974 kJ 2 41 Q2 Q5 Q2 1 5 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 0 Q2 2840660 546 428940 1974 0 015 Q2 Q2 2448447 054 kJ Q5 Q5 Q2 5 2448447 054 0 015 36726 7058 kJ 21 表 2 15 转化器热量衡算表 物料入口 kJ物料出口 kJ C2H20CH2CHCl379498 3115 HCl0C2H218412 3603 O20HCl30741 4307 H2O0O2104 5049 反应热 2840660 546H2O183 59010 循环水 2448447 054 损失 36726 7058 392213 4916 392213 4916 4 石墨冷却器 进料温度 t1 110 出料温度 t2 25 以进料温度 t1 110 为计算基准 C 乙炔 1 905 kJ kJ kg C 水蒸气 1 926 kJ kJ kg C 氯化氢 0 873 kJ kJ kg C 氧气 1 021 kJ kJ kg C 氯乙烯 0 857 kJ kJ kg 计算 Q1 进料温度为 110 即 Q1 0 Q3 Q3 0 无反应或冷凝热产生 Q4 Q4 Q氯乙烯 Q乙炔 Q氯化氢 Q氧气 Q水蒸气 12753 245 0 857 25 110 279 229 1 905 25 100 1008 4117 0 873 25 100 2 7783 1 926 25 100 2 971 1 021 25 100 946354 5452 45214 1558 74829 1902 454 8355 257 8382 1067110 565 kJ 2 42 Q2 Q5 Q2 1 5 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 0 Q2 0 1067110 565 0 05 Q2 22 Q2 1123274 279 kJ Q5 Q5 Q2 5 1123274 279 0 05 56163 7140 kJ 表 2 16 石墨冷却器热量衡算表 进料入口 kJ物料出口 kJ CH2CHCl0CH2CHCl 946354 5452 C2H20C2H2 45214 1558 HCl0HCl 74829 1902 O20O2 257 8382 H2O0H2O 454 8355 循环水 1123274 279 损失 56163 7140 1123274 279 1123274 279 5 冷却水消耗 I 盐水 已知 盐水用于石墨冷却器除去水气 进料温度 t1 35 出料温度 t2 20 40 盐水的比热容 C 盐水 3 214 kJ kg Q mCP t2 t1 1998476 924 m 1998476 924 15 3 214 41453 5765 kJ 2 43 II 循环水 在石墨预热器中 进料温度 t1 110 出料温度 t2 95 95 时 C水 4 214 kJ kg 110 时 C水 4 238 kJ kg C平均 4 214 4 238 2 4 226 kJ kg 2 44 23 Q 1603999 057 kJ 需水量 m 1603999 057 4 226 15 25303 6608 kg 2 45 在转化器中 进料温度 t1 95 出料温度 t2 110 Q 2448447 054 kJ 需水量 m 2448447 054 4 226 110 95 38625 131 kg 2 46 在石墨冷却器中 进料温度 t1 15 出料温度 t2 95 95 时 C水 4 214 kJ kg 15 时 C水 4 187 kJ kg C平均 4 214 4 187 2 4 2 kJ kg 2 47 Q 1123274 279 kJ 需水量 m 1123274 279 4 2 95 15 3343 0782 kg 2 48 表 2 17 水消耗综合表 物料相应设备热量 kJ质量 kJ 盐水石墨冷却器1998476 92441453 5765 石墨预热器1603999 05725303 6608 转化器2448447 05438625 131 循 环 水石墨冷却器1123274 2793343 0782 石墨预热器中的水可由转化器出来的水来提供 石墨冷却器中出来的水又可以提供给转化器 实际用水 38625 131 kg 24 第三章 主要设备及管道管径设计与选型 3 1 转化器的设计与选型 3 1 1 已知条件 1 此处的转化器为列管式固定床反应器 催化剂粒度 0 75 6 5 mm 载体机械强度应 90 HgCl2含量 10 5 12 5 水分的含量 小于 0 3 松装粒度 540 640 g L 空 速 25 40 m3 m3 催化剂 h 时 转化率最高 反应温度 新触媒 150 旧触媒 180 反应压力 0 05MPa 采用经验设计法 6 3 1 R V V V S 原料混合气进料流量 m3 V 催化剂床层体积 m3 R V SV 空间流速 h 1 假定空间流速 SV 30 m3 m3 催化剂 h 表 3 1 转化器的进料组分表 进料质量 kg物质的量 kmol 25 C2H25584 579214 7915 HCl8456 307231 68 O22 9710 093 H2O2 77830 1545 14046 64446 7183 3 1 2 数据计算 混合气的体积流量 446 7183 22 4 10006 49m3 3 V 2 由 式得 10006 49 30 333 5497 m3 R V 选管子 57 3 5 mm 管子内径 d 0 05m 管长 6m 催化剂的装填高度为 5 7m 管子数 3 3 根 29803 7 505 0 4 5497 333 n 2 每个转化器用 2401 根管子 则转化器为 298 3 2401 可取为 13 个转化器 循环水带走的传热量 2448447 054kJ 由于进出口温度变化不大 即近似为恒温 3 4 2 7511095110 tm 25 K 取经验值 100 则 979 3788 3 5 25100 054 2448447 tm K Q A需 A实际 3 14ndl 3 14 13 2401 0 05 5 7 27932 5137 3 6 A实际 A需要 能满足要求 26 选取 壳体大于 400mm 用钢板卷焊而成 7 壳体内径 D 取决于传热管数 n 排列方式和管心距 D t nC 1 2 3 d 式中 t 管心距 t 1 25d d 换热管外径 nC 横过管束中心线的管数 该值与管子排列有关 本设计采用正三角形排列 则 nC 1 1 1 1 54 3 7 n2401 t 1 25d 1 25 0 057 0 07125 m 3 8 D t nC 1 2 5d 0 07125 54 2 5 0 057 3 9185 m 3 9 圆整到 4000mm 参考文献 为了满足及时转移反应放出的热量 采用把转化器换热分为三层 三层同时 进行散热 3 1 3 手孔 8 反应最高压力为 1 5 atm 选用平焊法兰手孔 公称压力 PN0 06MPa 公称直径 DN250mm H1 190mm 采用 类材料 垫片的材料采用普通的石棉橡胶板 其标记为 手孔 A G 250 0 6 HG T 21529 95 3 1 4 封头的选择 根据手册 6 选用锥形封头 由于该设备可直接看做列管式换热器 故可直接查阅手册 8 可得在 0 6MPa 下 管径为 4000mm 的封头厚度可取 14mm 27 3 2 精馏塔的设计与选型 6 由碱洗塔顶部出来的粗氯乙烯气体经排水罐部分脱水后进入机前冷却器冷却至 5 10 除去粗 VC 中的大部分水分 提高了气体的密度后 经氯乙烯压缩机压缩至 0 75MPa 送机后冷却器降温至 50 左右除去部分油水进入精馏段 氯乙烯的精馏主要是将压缩岗位送来的氯乙烯气体在 0 55 0 60MPa 下 在全凝器全 部液化为 15 的过冷液体 VC 液体进水分离器 含有不凝气体氯乙烯气体进入尾气冷凝 器 用 35 冷冻盐水进一步分离 冷凝液体也进入水分离器 由水分离器的液体 VC 先 送至低沸塔进行一级精馏去除乙炔和氮气 氧气等低沸物 再送至高沸塔经二级精馏除 去二氯乙烷等高沸物 在塔顶可得到纯度大于 99 95 的精制单体送至聚合工序 A 轻组分 C2H2 沸点温度 t 83 6 B 产品 VC CH2CHCl 沸点温度 t 13 9 C 重组分 CH2ClCH2Cl 沸点温度 t 57 60 以上沸点均为常压 I 已知条件 在精馏段以前由于二氯乙烷的含量极少 故将其视为氯乙烯一同进行各种物料和热量衡 算 由于此时要精制氯乙烯故将其视为单一化合物进行计算 由前面转化器的物料衡算 可知 此转化器的转化率为 95 主反应的收率为 94 44 因此得 均以小时计算 二氯乙烷的摩尔质量 21 479 kmol 氯乙烯的摩尔质量 385 413 kmol 乙炔的摩尔质量 22 691 kmol 总的进料量 F 21 479 385 413 22 691 214 7915 kmol 3 10 II 设计条件 操作压力 0 7MPa 进料热状况 泡点进料 回流比 R 2Rmin 单板压降 0 7 kpa 28 板效率 30 原料液及塔顶 塔底产品的摩尔分率及其对应的沸点 xF 0 05 t 40 xD 0 3 t 5 xW 0 00001 t 50 III 精馏塔的物料衡算 乙炔的摩尔质量 MA 26 kg kmol 氯乙烯的摩尔质量 MB 62 5 kg kmol 总物料衡算 214 7915 D W 乙炔物料衡算 214 7915