一万吨氯乙烯生产工艺设计

1、10000吨氯乙烯生产工艺设计学号：U班级：化工0703班姓名：孙海龙1绪论1.1 氯乙烯聚氯乙烯为世界五大通用塑料之一，氯乙烯是生产聚氯乙烯树脂的原料，在国民生产中占有重要地位。我国2004年氯乙烯产量503万吨，进口211万吨，表观消费714吨。根据各应用领域的发展计划及其消费量的增长情况，预测我国2010年和2015年我国氯乙烯的求量将分别达到1150万吨和1540万吨左右，氯乙烯项目市场前景广阔。1.2氯乙烯的合成工艺1 平衡氧氯化法 此法以乙烯、氧气和氯化氢反应生成二氯乙烷，和直接氯化过程结合在一起，两者所生成的二氯乙烷一并进行裂解得到氯乙烯。整个反应过程中氯化氢始终保持平衡，既不增

2、加也不减少。反应式CH2=CH2 + 2HCl + 2 CH2ClCH2Cl + H2。是目前世界上公认的技术经济较合理的方法，全世界93%以上的氯乙烯是采用平衡氧氯化法生产。2 混合气体法 原料乙烯及乙炔是石脑油裂解得到的混合气。此法虽然摆脱了电石原料，省去了分离乙炔和乙烯的费用，但是其工艺过程复杂，基建投资大，成本高。3 二氯乙烷法 以乙烷为原料与氯气反应生成二氯乙烷，二氯乙烷热裂化制备氯乙烯。该法副产品氯化氢，如果不利用，成本太高。4 直接合成法 目前尚处于研究阶段，可由乙烯或乙烷合成，还没有实现工业生产。5 电石乙炔法 电石乙炔法是最早的生产方法。主要利用乙炔和氯化氢为原料，用氯化汞作

3、催化剂进行加成反应，生产氯乙烯。该法设备、工艺简单，投资低，可以小规模经营，但是电石耗电大，成本上升，反应中使用的催化剂污染严重。但是由于我国电石资源丰富，被广泛采用。 1.3工艺选定本设计的生产规模为年产一万吨，属于较小规模，又鉴于国内实际情况和经济效益，因而本设计选定电石乙炔法生产工艺。反应方程式： + 1248kJ/ml2工艺计算2.1 生产工艺流程简述 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 生产工艺流程图 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=1/1.051.1）在混合器中充分混

4、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2030%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95100左右的循环

5、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。2.2 主要工艺参数本设计工艺参数如表1所示表1 本设计工艺参数设备名称指标名称单位指标压力atm1.5混合器乙炔流量：氯化氢流量1: 1.05混合气温度25石墨冷却器进料温度25出料温度-13盐水进口温度-35盐水出口温度-20多筒过滤器混合气含水%0.08石墨预热器进料温度-13出料温度75循环水进口温度110循环水出口温度

6、95转化器反应温度（新触媒）150反应温度（旧触媒）180卸大盖温度循环水进口温度循环水出口温度放酸转化率60次/小时%951101952.3主要原料和产物的物化性质 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。乙炔是一种易燃易爆的不稳定化合物。易分解放出大量的热而发生爆炸。压力对乙炔有特殊的意义。压力增加时，乙炔气体分子间相密聚，因此，一旦某处乙炔分解，就能迅速扩展到全部气体中。加工业气体乙炔的压力在147kPa(1.47bar)以上温度超过773823K时，使会全部分解，发生爆炸。当温度低于72

7、3K(并有接触物质存在时，可能发生爆炸。乙炔可以发生加成反应，聚合反应。乙炔具有弱酸性，其分子中的氢能被某些金属取代而成盐。例如含有水成氨的工业乙乙炔与氯化亚铜作用，生成具有爆炸性副乙炔铜。所以，工业上乙炔发生系统不能使用铜制的旋塞及管件。纯度：98.5% 不含硫、磷、砷等杂质。 氯化氢分子式：HCl 分子量：36.5性质： 是一种无色有刺激性的气体，遇到湿空气则呈白色烟雾，鼓可做烟雾剂。标准状况下比重为1.639kg/m2，低温低压下可以成为液体，熔点为-114，沸点为-85.03。易溶于水，标准状况下，1升水可溶解525.2升的HCl气体。在潮湿状态下，容易与多种金属作用生成该金属的氯化物

8、。属强酸，可使蛋白质凝固造成凝固性坏死，严重时可引起受损器官穿孔，斑痕形成，狭窄及畸形。纯度93% 水分0.06% 氯乙烯：分子式：CH2CHCl 分子量：62.50性质：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3.626.4%(体积)氯乙烯在常温常压下为易燃、无色的气体，具有类似醚一般气味，溶于水，溶于乙醚、乙醇、四氯化碳、丙酮和二氯乙烷。主要质量要求(均为重量百分数)氯乙烯 99.99% 乙炔 0.8ppm乙烯 2ppm 氯甲烷 50ppm丁二烯 6ppm 铁 0.5 ppmHCl 0.5ppm 水 80p

9、pm重组分 50ppm2.4物料衡算假设各化工单元操作连续进行，采用倒推法，根据转化率或损失率计算出原料投料，然后再按照操作顺序对各单元操作进行物料衡算。2.4.1 计算依据： 计算标准生产能力：年产1万吨的氯乙烯年工作日：以300天计算日产量：1104103/300=3.3333104 kg小时产量：3.3333104/24=1388.9 kg 化学反应式主反应：副反应： 倒推法计算精馏：（氯乙烯的收率：99.5%）1388.9/99.5%=1395.8 kg=1395.8/62.5kml=22.333kml转化器：（乙炔转化率：95%）22.333/95%=23.508kml进气中CHCH

10、需23.508kml（611.208kg）2.4.2 计算： 混合器的物料衡算CHCHHCl2H2乙炔氯化氢混合器图2 混合器的物料衡算方框图计算依据：CHCH和HCl的摩尔比为：1：1.051.1本设计选取：n CHCH：nHCl=1:1.08i进料气组成表2 进料气组成进料气组分含量/%乙炔气CHCH99.9H20.1氯化氢HCl99.95H20.0120.04进料气需乙炔气：23.508 /99.9%=23.531kml 进料气需氯化氢：23.5311.08/99.95%=25.426kmlCHCH：23.508kml（611.208kg） HCl：23.5311.08=25.413km

11、l（927.575kg）2：25.4260.04%=0.0102kml（0.3264kg）H2：23.5310.1%+25.4260.01%=0.0261kml（0.4698kg） 出料：依据：水分以酸雾的形式进入下一层，有微量水分以浓盐酸形式流出，这里计算时忽略流出的浓盐酸的量3。CHCH：23.519 kml（611.491kg）HCl：23.5191.08=25.400 kml（927.112kg）2：25.4130.04%=0.0102 kml（0.3254kg）H2：23.5420.1%+25.4130.01%=0.0261 kml（0.4696kg） 混合器物料衡算表表3 混合器物

12、料衡算表进料质量/kgW/%出料质量/kgW/%CHCH611.208kg39.723CHCH611.49139.723HCl927.57560.226HCl927.11260.22620.32640.02120.32540.021H20.02610.031H20.02610.0311539.398100.01539.3988100.0 石墨冷却器CHCHHCl2H2石墨冷却器混合气盐酸图3 石墨冷却器物料衡算方框图根据：在石墨冷却器中，用-35盐水（尾气冷凝器下水）间接冷却，混合气中水分一部分则以40%盐酸的形式排出，部分则夹带与气流中。设混合器中水分以40%盐酸排出的量占水总量的30%。

13、进料：CHCH：23.519kml，611.491 kgHCl：25.400 kml，927.115kg2：0.0102 kml，0.3293kgH2：0.0261kml，0.4696 kg 出料：CHCH：23.519kml，611.491 kg2：0.0102 kml，0.3254 kgH2 ：0.02611-30%=0.0183kml=0.3288kg HCl:盐酸： 石墨冷却器物料衡算表表4 石墨冷却器物料衡算表进料质量/kgW/%出料质量/kgW/%CHCH611.49139.723CHCH611.49139.723HCl927.11260.226HCl927.01960.22020

14、.32540.02120.32540.021H20.46960.031H20.32880.021盐酸0.23470.0151539.3983100.01539.3983100.0 多筒过滤器根据在多筒过滤器中，采用35%憎水性有机硅树脂的510um细玻璃纤维，可将大部分酸雾分离下来，以盐酸的形式排出。3设：盐酸为38%，除水量为80%进料：CHCH： 611.491 kgHCl： 927.019kgH2： 0.3288 kg 2： 0.3254 kg出料：CHCH： 611.491 kg2： 0.3254 kgH2： 0.3288（1-80%）=0.0658 kgHCl：盐酸：多筒过滤器物料衡

15、算表表5 多筒过滤器物料衡算表进料质量/kgW/%出料质量/kgW/%CHCH611.49139.723CHCH644.49139.729HCl927.01960.220HCl926.86260.21920.32540.02120.32540.021H20.32880.021H20.06580.004盐酸0.41920.0271573.177100.01573.177100.0 石墨预热器表6 石墨预热器物料衡算表出料/出料质量/kgW/%CHCH611.49139.740HCl926.86260.23520.32540.021H20.06580.0041538.7444100.0 转化器CH

16、CHHCl2H2转化器CH2=CHClHClCHCH2H2图4转化器物料衡算方框图根据转化率为95%。进料：CHCH： 644.491kgHCl： 926.862kgH2：0.0658kg 2： 0.3254kg出料：CH2=CHCl：kgCHCH：kgHCl：kg2： 0.0658kgH2：0.3254kg转化器物料衡算表表7 转化器物料衡算表进料质量/kgW/%出料质量/kgW/%CHCH611.49139.740CH2=CHCl1396.43390.751HCl926.86260.235CHCH 30.5741.98720.32540.021HCl111.3457.236H20.0658

17、0.00420.32540.021H2 0.06580.0041538.744100.01538.744100.0 除汞器进料同出料表8 除汞器物料衡算表出料/出料质量/kgW/%CH2=CHCl1396.43390.751CHCH 30.5741.987HCl111.3457.23620.32540.021H2 0.06580.0041538.744100.0 石墨冷却器进料同出料表9 石墨冷却器物料衡算表出料/出料质量/kgW/%CH2=CHCl1396.43390.751CHCH 30.5741.987HCl111.3457.23620.32540.021H2 0.06580.00415

18、38.744100.0 水洗泡沫塔：根据：水洗泡沫塔回收过量的氯化氢，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。1 设回收盐酸的回收率为98%进料：CH2=CHCl：1396.433 kgCHCH：30.574kgHCl：111.345kg2：0.3254 kgH2：0.0658+ 436.7347（水洗用水）=436.8kg出料：CH2=CHCl：1396.433 kgCHCH：30.574 kgHCl：回收的盐酸：H2：水洗泡沫塔物料衡算表表10 水洗泡沫塔物料衡算表进料质量/kgW/%出料质量/kgW/%CH2=CHCl1396.43370.683CH2=CHCl1

19、396.43370.683CHCH 30.5741.548CHCH 30.5741.548HCl 111.3455.636HCl2.2270.1132H20.3254436.80.01622.1112H2 0.32540.32650.0160.016盐酸545.59227.6181975.479100.01975.479100.0 碱洗泡沫塔：CH2=CHClCHCHHCl2H2碱洗泡沫塔CH2=CHClCHCH2H2图5 碱洗泡沫塔物料衡算方框图根据：除去多余的氯化氢进料：CH2=CHCl：1396.433kgCHCH：30.574kgHCl：2.227 kg2：0.3254 kgH2：0.

20、3265 kg出料：HCl被碱液吸收，从而出料气中不含HCl气体CH2=CHCl：1396.433kgCHCH：30.574 kg2：0.3254kgH2：0.3265kg碱洗泡沫塔物料衡算表表11 碱洗泡沫塔物料衡算表进料质量/kgW/%出料质量/kgW/%CH2=CHCl1396.43397.660CH2=CHCl1396.43397.660CHCH 30.5742.138CHCH 30.5742.138HCl 2.2270.15620.32540.02320.32540.023H2 0.32650.023H20.32650.023HCl（除去的） 2.2270.1561429.88710

21、0.01795.497100.0 总物料衡算表表12 总物料衡算表进料质量/kgW/%出料质量/kgW/%CHCH611.49130.944CH2=CHCl1396.43370.665HCl927.11246.915CHCH 30.5741.54720.22540.016H20.32650.113H2437.204322.12420.32540.016HCl（碱洗掉的）2.2270.01720%盐酸545.59227.60938%盐酸0.41920.02140%盐酸0.23470.0011975.480100.01975.480100.02.2 热量衡算2.2.1 衡算方法入方： ：物料带入热

22、；：加热剂或冷却剂带入热；：过程热效应；出方：物料带出热；：热损失。设是的5%“-”表示吸热，“”表示放热。设混合平均热容近似等于各组分热容与质量分数乘积之和。即，含量少的物质对混合体系热容地方影响可不计。同种物质的平均比热容2.2.2 标况下有关物化数据表3表13 标况下有关物化数据表项目温度/比热/kcal/（kg·）乙炔250.428750.451100.455HCl250.204750.2081100.2085水蒸气250.45750.4511100.462250.234750.241100.244氯乙烯250.846750.83271100.868盐酸（40%）5-353.

23、2142.2.3 计算： 石墨冷却器：已知表：表14 已知量表进料质量/kg出料质量/kgCHCH611.491CHCH611.491HCl927.112HCl927.01920.325420.3254H20.4696H20.328840%盐酸0.23471539.3981539.398进料温度：25，出料温度：-1325为计算基准C 乙炔=1.352 kJ(kg·)-1C 水蒸气=1.8837 kJ(kg·)-1C 氯化氢=0.8581 kJ(kg·)-1C 氧气=0.653 kJ(kg·)-1C 水（l）=4.175 kJ(kg·)-1C

24、水（冷凝热）= -2229.4636 kJ(kg·)-1C40%盐酸=3214 kJ(kg·)-1计算：Q1：进料温度25，则Q1=0Q3：HCl溶于水放出的热以及水气液化放出的热生成40%盐酸时，HCl的水溶液的生成热：3544kcal·kml-1=148351.84 kJ·kml-1。4则HCl溶于水放出的热量为：水液化放出的热：kJQ3=2381.559+17.440=398.9997kJQ4=Q乙炔Q氯化氢 Q氧气Q水蒸气Q盐酸 = -90340.286 kJQ2:5%Q2=Q5Q1Q2Q3=Q4Q50Q2398.9997=-90340.2865

25、%Q2Q2= -95515.0378 kJ Q5= -4775.752 kJ表15 石墨冷却器热量衡算表项目入方/kJ项目出方/kJCHCH0CHCH-131415.952HCl0HCl-30229.091202-8.076H20H2-23.534冷凝热41.8568盐酸-2866.363盐水吸热-95515.038损失-4775.752-95116.038-95116.038 石墨预热器已知表表16 已知量表出料/出料质量/kgCHCH611.491HCl926.86220.3254H20.06581538.7444进料温度：-13，出料温度：75以-13计算为基准C 乙炔=1.80 kJ(

26、kg·)-1C 水(g)=1.884 kJ(kg·)-1C 氯化氢=0.858 kJ(kg·)-1C =0.236 kJ(kg·)-1计算：Q1：进料温度-15，则Q1=0Q3=0Q4 =Q 乙炔Q氯化氢 Q氧气Q水(g) =166881.161 kJQ2:5%Q2=Q5Q1Q2Q3=Q4Q50Q20=166881.1615%Q2Q2=175664.380 kJ Q5=8783.220 kJ 表17 石墨预热器热量衡算表项目入方/kJ项目出方/kJCHCH0CHCH96860.145HCl0HCl69981.82020228.290H20H222.255

27、蒸汽加热175664.380损失8783.220175664.380175664.380 转化器：表18 已知量表进料质量/kg出料质量/kgCHCH611.491CH2=CHCl1396.433HCl926.862CHCH30.57420.3254HCl111.345H20.065820.3254H20.06581538.7441538.744根据：此处热损失率为：1.5%进口温度：75，出口：110，以75为计算标准。C 乙炔=1.894kJ(kg·)-1C 水 (g)=1.907 kJ(kg·)-1C 氯化氢=0.872 kJ(kg·)-1C 氧气=0.24

28、2 kJ(kg·)-1C 氯乙烯=0.8502 kJ(kg·)-1计算：Q1：进料温度75，则Q1=0Q3=124.8131.376103=2788388.571 kJQ4 =Q 氯乙烯Q 乙炔Q氯化氢 Q水(g)Q氧=43920.680 kJQ2:1.5%Q2=Q5Q1Q2Q3=Q4Q50Q22788388.571=43920.6841.5%Q2Q2=-2786261.82 kJ Q5=-41793.9273 kJ表19 转化器热量衡算表项目入方/kJ项目出方/kJCHCH0CH2=CHCl41553.667HCl0CHCH2026.78220HCl2037.585H20

29、22.756反应热2786261.735H20.4388循环水-2786261.735损失-41793.9272126.7532126.753 石墨冷却器已知表表20 已知量表出料/出料质量/kgCH2=CHCl1396.433CHCH30.574HCl111.34520.3254H2436.81538.744进口温度：110，出口温度：25以110为计算标准。C 氯乙烯=0.857 kJ(kg·)-1C 乙炔=1.846 kJ(kg·)-1C 水 (g)=1.9046 kJ(kg·)-1C 氯化氢=0.8623 kJ(kg·)-1C 氧气=1.000

30、kJ(kg·)-1计算：Q1：进料温度110，则Q1=0Q3=0Q4 =Q氯乙烯+Q乙炔+Q氯化氢 +Q水(g)+Q氧气 =-114720.048 kJQ2: 5%Q2=Q5Q1+Q2+Q3=Q4+Q50+Q2+0=-114720.048+5%Q2Q2=-120757.956 kJ Q5=-6037.898 kJ表21 石墨冷却器热量衡算表项目入方/kJ项目出方/kJCHCH0CH2=CHCl-101723.187HCl0CHCH-4797.44320HCl-816.111H202-27.66循环水-120757.946H2-27.66损失-6037.897-120757.946-1

31、20757.946 冷却水消耗 盐水：已知：盐水用于石墨冷却器除去水气，进口温度：-35，出口温度：-2040%盐水的比热容：C盐水=3214 kJ(kg·)-1。5Q=3214m-20-（-35）=95515.038 kJm=1981.23 kg 循环水：在石墨预热器时，进口温度：110，出口温度：95。95时，C水蒸气=4.214 kJ(kg·)-1110时，C水蒸气=4.238 kJ(kg·)-1C平均=（4.2144.238）÷2=4.226 kJ(kg·)-1Q=175664.380 kJ需水量m=175664.380÷4.

32、226÷（110-95）=2771.669 kg 在转化器中，进口温度：95，出口温度：110。Q=2786261.735kJ需水量m=2786261.735÷4.226÷（110-95）=43954.280 kg 在石墨冷却器中，进口温度：15出口温度：9595时，C水气=4.214 kJ(kg·)-115时，C水气=4.187 kJ(kg·)-1C平均=（4.2144.187）÷2=4. 2 kJ(kg·)-1Q=120757.946kJ需水量m=120757.946÷4.2÷（95-15）=359.

33、399 kg表22 水消耗综合表项目分相热量/kJ质量/kg盐水石墨冷却器95515.0381981.23循环水石墨预热器175664.3843954.28转化器2786261.735359.399石墨冷却器120757.6547084.8483082684.14347084.848石墨预热器中的水可以由转化器的出水来提供；石墨冷却器出口处的水又可以提供给转化器。实际用水43954.28kg 。3 主要设备的设计与选型3.1 石墨冷却器的选型3.1.1 已知条件总热负荷：Q=561628.422 kJ/h盐水流量：11649.625 kg/h进口温度：-35出口温度：-20混合气进口温度：25

34、出口温度：-133.1.2 计算两流体的平均温度差而：查文献5得查文献5，列管式换热器中的总传热系数K的经验值设K=100w/（m2·）查文献4，浮头列管式石墨换热器系列参数组合，参考查文献3，选用换热管有效长度为5000mm，换热管根数为625根，型号：CHA1100-260（F），A型。3.2 石墨预热器的选型：3.2.1 已知条件：总热负荷：Q=1032906.553 kJ/h盐水流量：11649.625 kg/h进口温度：110出口温度：95混合气进口温度：75出口温度：-133.2.2 计算两流体的平均温度差而：查文献，图4-17，得查文献5，列管式换热器中的总传热系数K的

35、经验植设K=100w/（m2·）查文献4，浮头列管式石墨换热器系列参数组合，参考文献3，选用换热管有效长度为5000mm，换热管根数为721根，型号：CHA1200-305（F），A型。3.3 石墨冷却器的选型3.3.1 已知条件：总热负荷：Q=710056.72 kJ/h盐水流量：11649.625 kg/h进口温度：15出口温度：95混合气进口温度：25出口温度：1103.3.2 计算两流体的平均温度差而：查文献5，得（四壳程）查文献5，列管式换热器中的总传热系数K的经验植设K=100w/（m2·）查文献4，浮头列管式石墨换热器系列参数组合，参考文献3，选用换热管有效长

36、度为5000mm，换热管根数为313根，型号：CHA900-105（F），A型32mm。3.4 转化器的设计3.4.1 已知条件：空速为2540m3/m3催化剂·h时，转化率最大1反应温度：新触媒：150，旧触媒：180HgCl2含量：10.5%12.5%水分含量：小于0.3%松装粒度：540640 g/L粒度：0.756.50mm（大于92%）采用经验设计法6空间速度：，V0原料混合气进料流量，m3（STP/h）VR催化剂床层体积，m3SV空间流速，h-1，表23 已知量表进料质量kg物质的量kmlCHCH3595.566138.291HCl5449.951149.314H20.38660.021521.91360.05989047.8168287.68633.4.2 计算：混合气的体积流量：V0 =287.6863 22.4 =6444.17