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

1、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.11.1 设计依据.91.2 工艺流程概述.9第二章 物料衡算.93.1 总物料衡算.93.2 乙炔预冷器.93.3 混合脱水.103.4 转化器.123.5 水洗塔.13第三章 能量衡算.314.1 乙炔预冷器.3

2、14.2 石墨冷却器.314.3 预热器.324.4 转化器.334.5 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

3、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，

4、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

5、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jihgfedcbak1324657m5789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

6、;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c2h2h2oo2n2w%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hclh2oo2n2w%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

7、炔消耗： hkmol/630824.10693. 0)5 .627680/(10476003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c2h2h2oo2n2w%990.60.20.2100mol%98.78770.86480.16220.1853100kmol/h106.6308240.9334500.1750780.200012107.939364kg/h2772.40142416.8221005.6024965.6003362800.406356取=1.10；hcl 的物质的量为 106.6308241.1=117.293906 kmol/h。22hchcl

8、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hclh2oo2n2w%962.50.31.2100mol%93.22574.92290.33231.5191100kmol/h117.2939066.1936000.4180901.911288125.816884kg/h4281.227569111.48480313.37889153.5160674459.607332.2 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=1.8

9、kgf/cm2=1.764105pay水= 0.4942 % opp 2211 (fyff）水故hkmolyfff/058823.107%4942. 0-1933450. 0-939364.10711212水hkmolfff/880541. 0058823.107939364.107213塔釜分出的水分： m水= 18=180.880514=15.849738kg/h3f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/hc2h2106.6308242772.401424106.63

10、08242772.401424h2o0.93345016.8021000.0529080.952344o20.1750785.6024960.1750785.602496气相n20.2000125.6003360.2000125.600336乙炔出口气h2o乙炔进口气 5107.9393642800.406356107.0588232784.55666液相水-0.88054115.849738总107.9393642800.406356107.9393642800.4063562.3 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/

11、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： 2647lg()9.33923()p mmhgt k=-（2）物料衡算 40%盐酸水的饱和蒸汽压计算：= 2lgoh op8749. 01415.273264733923. 9=0.1334mmhg=17.7867pa2oh op总压 p=1.6kgf/cm2=1.568105pa= 2h oy%011344. 010568. 17867.1750pp水设出口处盐酸中 hcl 为 m kmol/h,h2o 为 n kmol/h。总：hkmolff/756248.233816884.125939764.

12、10742乙炔气氯化氢气出口气体40%盐酸 6对水：hkmolff/246508. 6193600. 6052908. 04222041667. 35 .36/4 . 018/6 . 0mn有 即422252415041667. 3ffnfffnmfmn246508. 6%011344. 0756248.233041667. 355nfnmfmn解得：hkmolnhkmolmhkmolf/220927. 6/045236. 2/490085.2255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

13、量流量kg/hc2h2106.6308242772.401424106.6308242772.401424hcl117.2939064281.227569115.2486704206.576455o20.59316818.9813870.59316818.981387n22.11130059.1164032.11130059.116403h2o6.246508112.4371470.0255810.460461气相232.8757067244.163930224.6095437057.536130hcl-2.04523674.651114h2o-6.220927111.976686液相-8.2

14、66163186.627800232.8757067244.163930232.8757067244.1639302.4 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： 2hgcl22280 180c h +hcl

15、()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/h1） （3-2hgcl22 280 180c 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 103.4318992） （3-22

16、23c hh ochcho3）起始量 3.198925 0.025581 0反应量 0.025581 0.025581 0.025581 剩余量 3.173344 0 0.0255813） （3-22222()c hhclclchchcl edc4）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） （3-22coco5） 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

17、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/hc2h2106.6308242772.4014242.00040552.010530hcl115.2486704206.5764559.470893345.687595o20.59316818.98138700n22.11130059.1164032.11130059.116403h2o0.0255810.46046100vc-103.4318996464.493688edc-1.172939116.120961乙醛-0.0255811.125564气相co2-0.

18、59316826.099392固相c0.5931687.118003-225.2027107064.654133118.8061857064.6541332.5 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 /594581.1176860091.33122. 022. 01盐酸总量=331.86

19、0091+1176.594581=1528.454672 kg/h各组分 30时的水中溶解度见表 2-8。 h2o5出口气30转化气1022%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）c2h20.000941.105999n2不溶0vc5.199610-50.061178edc5.410-36.353611乙醛全溶1.125564co21.25710-31.47897910.12533130时，0h2op0.04325atm4382.30625pap=1.25kg/cm2=122500pa则水

20、洗塔出口处：0h2oh2opyp035774. 012250030625.4382出口处干基：hkmolhkghc/957867. 1/904531.50105999. 1010530.52:22hkmolhkghcl/378836. 0/827504.13860091.331687595.345:hkmolhkgvchkmolhkgn/43092.103/43251.6464061178. 0493688.6464:/111300. 2/116403.59:2hkmolhkgcohkmolhkgdce/559555. 0/620413.24478979. 109939.26:/108761.

21、 1/76735.109353611. 6120961.116:2干基总量：hkmol/547239.109水洗塔出口处带出水量： hkg /158132.7318035774. 0035774. 01547239.109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/hc2h22.0004

22、0552.0105301.95786750.904331hcl9.470893345.6875950.37883613.827504n22.11130059.1164032.11130059.116403vc103.4318996464.493688103.430926464.43251edc1.172939116.1209611.108761109.76735乙醛0.0255811.12556400co20.59316826.0993920.55955524.620413气相h2o004.06434173.158132118.806185113.611586795.826843hcl-9.-

23、092057331.860091h2o69.4307071249.75271365.3663661176.594581液相溶解-0.16688910.12533169.4307071249.75271374.6253121518.580003188.2368928314.406846188.2368928314.406846 1第三章 能量衡算3.1 乙炔预冷器以 25气相为基准，所以1h0条件下的热容，见表 3-1。m255t152表表 3-1 各物质各物质 15时的热容时的热容组分 gc2h2h2on2o2cp（ kal/kg）0.4180.4450.250.22 (3-1) 2ipihw

24、ct =-23238.40443kcal/h 3h2o,lh2o,lhwcpht冷凝，298k= 15.8497380.445（5-25）+15.849738（-2433.9）/4.184=-9361.109828kcal/h123hhhpq 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hkgtcqwp/599625.9476)04(86. 050271.32599冷冷剂3.2 石墨冷却器取 25气相为基准，h1由乙炔预冷

25、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 gc2h2hclh2on2o2cp（ 0.410.190.4420.250.21525 h2og25 h2ol5 h2olh3h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 2kal/kg） 3ipihwct =-76244.91159kcal/h 4ipihwch+ 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

26、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/kghkcalh/99831.65904-56.588-976686.111冷凝，水因为 q溶解13416.36311 kcal/kmol.hclhkcalh/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

27、(g)=0.191kcal/kg hkcalh/22665.941794hkcalhhhhq/7338.1471854321放热制冷剂用冷冻盐水，cacl2浓度为 28.4%，在条件下，溶m3337t352 液比热为：。根据能量守恒有 c p=0. 65kcal / kgpq冷剂放热w c p t=hkgw/89762.5660937-33-65. 07338.147185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。m1480t332 t1=-14h19793t2=80h2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

28、时的热容时的热容组分 gc2h2hclh2on2o2cp（ kal/kg）0.4230.1920.4480.2520.247hkcal/8869.1880052hkcalhhq/8869.18800521吸热预热器采用转化器出口热水加热。 ，根据能量守恒有： 2cp1kcal/kgh o hkgw/471272.4700193-9718869.188005冷剂3.4 转化器取 25时气相作为基准。 1）计算h1 在条件下，m7625t50.52各物质的比热见表 3-4。hkcaltcwhpii/5399.1021971 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

29、下的热容条件下的热容组分 gc2h2hclh2on2o2cp（ kal/kg）0.4230.1930.450.2510.2232）计算h2同样在条件下，各物质的比热见表 3-5。m10025t62.52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 gc2h2hcln2vcc2h4cl2ch3choco2cp（ kal/kg）0.4250.1940.2520.230.2060.320.218100出口气体76进口气体100水97水 4hkcaltcwhpii/2137.12156523）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

30、的生成热条件下的生成热组分 gc2h2hclh2ovcc2h4cl2fhm（ kal/mol）54.19-22.062-59.568.4-31.05组分 gch3choco2co2fhm（ 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) 2hgcl22280 180c h +hcl()chchcl vc molkcalhvrhbmfbm/728.2319.54062.224 . 81此反应 c2h2反应量为 103.431899kmol/hhkcalrh/199.24542321000728.23431899.1031 (4-3)

31、 2223c hh ochcho molkcalhvrhbmfbm/39.3456.5919.5476.392此反应 c2h2反应量为 0.025581kmol/hhkcalrh/73059.879100039.34025581. 02 (4-4) 22222()c hhclclchchcl edcm3m(b)hh=31.0554.192 (22.062)=41.116kcal/molrbf 此反应 c2h2反应量为 1.172939kmol/hhkcalrh/55992.482261000116.41172939. 13 (4-5)22coco molkcalhvrhbmfbm/051.94

32、4c 的反应量为 0.593168kmol/hhkcalrh/04357.557881000051.94593168. 04 5hkcalhrrhi/433.2559126反应中放出的总热量：hkcalhrhhq/759.25397582137.121565433.25591265399.10219721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/0023.67726997

33、-1001007.2031807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。m70 10t402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 gc2h2hcln2vccp（ kal/kg）0.42250.1920.250.215组分 gc2h4cl2ch3choco2cp（ kal/kg）0.20.310.215hkcalh/57183.913302hkcalhhq/57183.9133021放热 再用 0的冷冻盐水作冷剂，在条件下，cp=0.86kcal/kgm04t22 t2=10h204t1=70h1图 3-6 石墨冷却器能量衡算示

34、意图 6hkgw/58483.265490-486. 057183.91330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)12112mttttlnt-=ddddd(254)(50)11.149225450ln-=-r =热流体温降冷流体温升25 554 0=-p =冷流体温升两流体最初温差4 00.1625 0=- 查得：0.8mted= (4-3)1mmmttte

35、ddd=0.8 11.14928.91936=230 kcal/mhk =218305.12191936. 83050271.32599mkdqatm传热面积扩大 1.2 倍，则211966.1462 . 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/h12112mttttlnt-=ddddd根据经验选 。255 kcal/mhk =21283292.163389333.16557338.147185mkdqatm21939951.1952 . 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/h12112m