南昌大学年产20500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 题 目 年年产产 20500 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 112 班 学 号： 5801111053 学生姓名： 毕松岩 指导教师： 张文龙 起讫日期： 2015/1/4- I目目 录录第一章第一章 绪论绪论.11.1 设计依据及主要设计内容.11.2 工艺流程概述.1第二章第二章 物料衡算物料衡算.22.1 总物料衡算.22.2 乙炔预冷器.32.3 混合脱水.42.4 转化器.62.5 水洗塔.8第三章第三章 能量衡算能量衡算.1

2、3.1 乙炔预冷器.13.2 石墨冷却器.13.3 预热器.23.4 转化器.33.5 石墨冷却器.5第四章第四章 设备计算与选型设备计算与选型.74.1 反应器的计算与选型.74.2 传热设备的计算与计算与选型.8 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

3、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

4、、氯乙烯合成和合成气水洗三部分所组成。（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=1/1.1）在混合器中充分混合后，进入石墨冷却器，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（VC） 。 2（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

5、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。气体送往分离工段精制。第二章第二章 物料衡算物料衡算2.1 计算框图及组分编码计算框图及组分编码系统衡算组分编码如下表 2-1 所示：表表 2-1 系统衡算组分编码系统衡算组分编码组分C2H2H2OO2N2HClVCEDCCH3CHOCO2C编码123456789102.1 总物料衡算（1）设计参数年生产时间以320天，每天24小

6、时计算。7680小时小时车间总收率（以乙炔计）：93%； 原料配比：HCl / C2H2=1.10（mol） ；（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（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/92293907.4593. 0/5 .62768010205003原料乙炔气消耗见表 2-3。表表 2-3 原料乙炔气消耗原料

7、乙炔气消耗组份C2H2H2OO2N2w%990.60.20.2100mol%98.78770.86480.16220.1853100kmol/h45.9229390.4020150.0754010.08613946.486495kg/h1194.9960737.2424002.41413352.4141331207.066741取；HCl 的物质的量为1 . 1l22HCHCh/kmol515233.50922939.451 . 1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组份HClH2OO2N2w%962.50.31.2100mol%93.22574.922

8、90.33231.5191100kmol/h50.5152332.6675200.1800600.82313954.18595192kg/h1845.35105648.0560175.76672223.0668881922.2406842.2 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 kg/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=1.8kg/cm2乙炔进口气 F1F11F12F13F14乙炔出口气 F2F21F22F23F24冷凝水 F3F32图图 2-1 乙炔预冷器物料衡算示意乙炔预冷器物料衡算示意图图

9、 4 =1.764105Pa2oH opyp 5871.910.49421.764 10hFFF/kmol313398.464942. 011212hkmolFFF/173097. 0213分出的水分：hkmolFF/173097. 0332M水= 3.118087kg/h计算结果见表 2-5。表表 2-5 C2H2预冷器物料平衡表预冷器物料平衡表进料出料物料Fi,j kg/hw%物料Fi,j kg/hw%F111194.99607399.0%F211194.99607399.26%F127.242400450.60%F224.1240110.34%F132.4141330.20%F232.4

10、141330.20%F142.4141330.20%F242.4141330.20%F11207.066741100.%F21203.948351100.00%F3F323.1180871207.0667411207.0667412.3 混合脱水（1）设计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：1.6kg/cm2；脱下的水得盐酸浓度为的 40%盐酸液（w%）,查得 40%盐酸液水40%盐酸液 F6F62;F65进口乙炔气 F2F21;F22;F23;F24混合脱水系统出口混合气 F5F51;F52 ;F53;F54; F55F52;F65进口氯化氢气 F4

11、F45;F42;F43;F44图图 2-22-2 混合脱水混合脱水物料衡算示意图物料衡算示意图 5的饱和蒸气压计算公式 2647lg9.33923PT=- P=156800Pa 40%盐酸水的饱和蒸汽压计算：=9.33923- 2lgoH Op2647(273.15 14)= 0.133373mmHg=17.781621Pa2OH OP=0.0113403%22OH OH OPyP 设出口处盐酸中 HCl 为 m kmol/h,H2O 为 n kmol/h。 hFF/kmol499349.10042hkmolFF/896438. 24222 041667. 318/4 . 05 .35/6 .

12、 0nm0041667. 3896438. 2000113403. 0499349.100m55nmnFnF整理得 885476. 2948658. 0665216.965nmF计算结果见表 2-6。表表 2-62-6 混合脱水物料衡算表混合脱水物料衡算表进料出料物料Fi,j kg/hw%物料Fi,j kg/hw%F211194.99607399.26%F511194.99607339.31%F224.1240110.34%F520.1974860.01%F2F232.4141330.20%F5F538.1808560.27% 6F242.4141330.20%F5425.4810220.84

13、%1203.948351100.0%F551810.69602859.57%F451845.35105696.00%3039.551465100.00%F4248.0560172.50%F6251.98254240.00%F435.7667220.30%F6534.65502860.00%F4423.0668881.20%F686.637570100.00%F41922.240684100.0%3126.1890353126.1890352.4 转化器（1）设计参数原料气进口温度：7680；出口温度：100；操作压力：1.5kg/cm2；冷却水进口温度：97；冷却水出口温度：100。反应转化率

14、:乙炔(C2H2)转化为氯乙烯(VC)： 97%；转化为二氯乙烷(EDC)： 1.1%；原料乙炔和氯化氢气体中所含水全部转化为乙醛。原料中所 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()CHCHCl VC 2223C HH OCHCHO22222()C HHClClCHCHCl EDC22COCO转化器中各物料计算： 生成 VC 的量=45.922939070.97=44.5452509 kmol/h。转化器进口混合气F5F51;F52 ;F53;F54; F55出口合成气 F7F71;F74;F75;F76; F77;F78

15、; F792-3 转化器物料衡算示意图转化器物料衡算示意图 71） 2HgCl22 280 180C H+ HCl()CHCHCl VC起始量 45.92293907 49.5665751 0反应量 44.5452509 44.5452509 44.5452509剩余量 1.377688172 5.021324203 44.5452509 （kmol/h） 2） 2223C HH OCHCHO起始量 1.377688172 0.010962144 0反应量 0.010962144 0.010962144 0.010962144 剩余量 1.366726028 0 0.010962144 （km

16、ol/h） 3） 22222()C HHClClCHCHCl EDC起始量 1.366726028 5.021324203 0反应量 0.50515233 1.010304659 0.50515233 剩余量 0.861573698 4.0110195430 0.50515233 （kmol/h） 4） 22COCO起始量 0.255461013 0反应量 0.255461013 0.255461013 剩余量 0 0.255461013 （kmol/h）计算结果见表 2-7。表表 2-7 转化器物料衡算表转化器物料衡算表进料出料物料Fi,j kg/hw%物料Fi,j kg/hw%F51119

17、4.99607339.3%F7122.4196710.74%F520.1974860.01%F7425.4833120.84%F538.1808560.27%F75146.5248944.82%F5425.481021690.84%F762786.41030591.58%F551810.69602859.5%F7750.0519781.65%F53039.551465100.%F7F780.4827400.02% 8固相C3.0661190F7911.2446840.37%3042.6175843042.6175832.5 水洗塔（1）设计参数气体进口温度：1012；气体出口温度：30；吸收水

18、进口温度：510；HCl 脱除率（w%）：96%； 吸收得盐酸浓度（w%）：22%；操作压力/kg/cm2：125。（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:hF/kg663898.14096. 075需要水量:hkg /717457.498663898.14022. 022. 01盐酸总量:140.663898+498.717457= 639.3813551kg/h各组分 30时的水中溶解度见表 2-8。表表 2-82-8 各物质各物质 3030时水中溶解度时水中溶解度组分溶解度（kg/kg 水）溶解量（kg）C2H20.000940.468794N

19、2不溶0VC5.199610-50.025931EDC5.410-32.693074乙醛全溶0.482740CO21.25710-30.6268884.29742830时，0H2OP0.04325atm4382.30625paP=1.25kg/cm2=122500Pa则水洗塔出口处：进口合成气 F7F71;F74;F75;F76; F77;F78; F79出口合成气 F9F91;F94;F95;F96; F97;F99,F92吸收水 F8F82水洗塔吸收水 F10F10,2; F10,5；溶解解图图 2-42-4 水洗塔物料衡算示意图水洗塔物料衡算示意图 9= 0.0357740H2OH2OP

20、YP出口处干基总量：47.016927kmol/h水洗塔出口处带出水量：h/g425490.3118035774. 0035774. 0-1016927.47出口盐酸浓度:%2001. 0%100081747.292995F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进料出料物料Fi,j kg/hw%物料Fi,j kg/hw%F7122.4196710.74%F9121.9508770.75%F7425.4833120.84%F9231.4254901.07%F75146.5248944.82%F9425.4833120.87%F762786.41030591.58%F

21、955.8609960.20%F7750.0519781.65%F962786.38437395.13%F780.4827400.02%F9747.3589041.62%F7911.2446840.37%F9910.6177960.36%F73042.617583100.0%F92929.081747100.00%F8F82530.142947F10,2498.71745777.4792%F10,5140.663898121.8531%溶解4.2974280.6676%F10643.678783100.00%3572.760533572.76053 1第三章 能量衡算3.1 乙炔预冷器以 25

22、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 (4-1) 2iPiHWCt=-10049.56372kcal/h 图 3-1 乙炔预冷器能量衡算示意图 hHTCWHKPOHlOH/kcal771134.1841184. 4)9 .2433(118390. 3)255(445. 0118390. 3298l ,3,22冷凝，123HHHPQ 放热=11891.33486kcal/h 图 3-2 水冷焓变过程 制冷剂为 0冷冻盐水，CaCl2

23、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hTCQWPP/kg783389.3456)04(86. 033486.11891冷制冷剂3.2 石墨冷却器取 25气相为基准，H1由乙炔预冷器算得。H1=-10049.56372 kcal/hH2=0tm=（25-14）/2=5.5条件下，各物质热容见表 3-2。25 H2Og25 H2Ol5 H2OlH3H冷凝H3乙炔出口气H2O乙炔进口气 2 表表 3-23-2 各物质各物质 5.5时热容时热容 组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.410.19

24、0.4420.250.215 hkcaltCWHPi/68548.32845i3图 3-3 石墨冷却器能量衡算示意图hHOH/kcal66829.30797184. 4886.2478982542.512冷凝，因为kmolQ/kj82156.57001-3-04164. 33-5852.54-048.64852.541000-）（溶解hH/43kcal-12924.289184. 4948658. 082156.57001-溶解又因为 tm=(25+12)/2=18.5 此温度时,H2O(g)和 H2O(l)的比热容为，CpH2O(g)=0.446 kcal/kg CpHCl(g)=0.191

25、kcal/kg hHHtCWHOHPi/kcal40094.44109-28943.12924-66829.30797-655028.34191. 0982542.51446. 025-122i4）（）（溶解冷凝，hHHHHQP/kcal52269.669054321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=hTCQWPP/kg89334.25732)37(33(65. 052269.66905放热冷剂3.3 预热器乙炔气氯化氢气出口气体40%盐酸 3取-14时

26、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表表 3-3 各物质各物质 33时的热容时的热容组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.4230.1920.4480.2520.247预热器采用转化器出口热水加热。 2Cp1kcal/kgH O根据能量守恒有：hkcaltCWHPi/72985.80996i2hHHQ/kcal72985.8099621吸热 hkgTCQWOPH/18246.20249)9397(172985.809962吸热冷剂 图 3-4 预热器能量衡算示意图3.4 转化器取 25时气相作为基准。 1）计算H1 在

27、条件下，m7625t50.52各物质的比热见表 3-4。 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t1=-14H19793t2=80H2100出口气体76进口气体100水97水 4组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.4230.1930.450.2510.223hkcalTCWHPi/08702.44026i12）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

28、/kg）0.4250.1940.2520.230.2060.320.218hkcaltCWHPi/51597.52362i23）计算反应热rH在 25条件下各物质生成热见表 3-6表表 3-63-6 各物质各物质 25条件下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。 (3-2) 2HgCl22280 180C H +HCl()CHCHCl VC mol

29、kcalHHBmfBm/728.23)(1此反应 C2H2反应量为 44.5452509 kmol/h hkcalrH/713.10569695452509.441000728.231 (3-3) 2223C HH OCHCHOmolkcalHHBmfBm/39.34)(2此反应 C2H2反应量为 0.010962kmol/hhkcalrH/98813.376010962. 0100039.342 5 (3-4) 22222()C HHClClCHCHCl EDCmolkcalHHBmfBm/-41.116)(3此反应 C2H2反应量0.505152kmol/hhkcalrH/84319.20

30、769505152. 01000116.413 (3-5)22COCOmolkcalHHBmfBm/-94.051)(4C 的反应量为0.255461kmol/hhkcalrH/36372.2402625546101000051.944。hkcalHHi/08-1102142.9反应中放出的总热量：hHHHQ/kcal337.1110479-21放热4）反应器热向环境散热量约占反应放热总量的 20% hQQ/kcal8675.2220952 . 0放热热损则热水带走的热量为：hQQQ/kcal4698.888383-热损放因为进口热水温度为 97，出口为 100。 1/Cpkcal kg水则所

31、需总热水量：hkgCQWP/8233.296127)97100(14698.888383t水水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 4-7 各物质各物质 40条件下的热容条件下的热容组分 gC2H2HClN2VC 6Cp（ kal/kg）0.42250.1920.250.215组分 gC2H4Cl2CH3CHOCO2Cp（ kal/kg）0.20.310.215hkcaltCWHPi/90717.39337-i2hHHQ/kcal90717.39337-21放热 再用 0的冷冻盐水作冷剂， 在图 3-6 石墨冷却器能量衡算示

32、意图 条件下，Cp=0.86kcal/kgm04t22 hkgCQWP/43813.11435)04(86. 090717.39337t冷剂t2=10H204t1=70H1 7第四章第四章 设备计算与选型设备计算与选型4.1反应器的计算与选型设计选用列管组装对外换热式固定床反应器，反应器规格为：外径 ，列管数 610 根，列管规格：57mm3.5mm，管长：3m，内装催化2.4mD外=剂。床层空隙率：B=0.34；床层密度：400kg/m3；装料系数：0.99。设计条件下的反应速率-rA与转化率 xA的关联数据见表 。表表 设计条件下的反应速率设计条件下的反应速率- -rA与转化率与转化率 x

33、A的关联数据的关联数据XA00.10.20.30.40.50.60.70.80.8910.982-rA10-3kmol/h.kgcat20.6319.0217.7116.5815.0112.911.028.96.32.9990.1365运用辛普生公式（抛物线法）计算： (4-1)0AxAOAWdxFr30.11111111114210320.636.319.0216.5812.98.917.7115.0111.0261.54. /kgcat h kmol30.091111410267.4949675. /36.32.9990.1365kgcat h kmol 61.54267.49496753

34、29.0349675. /AOWkgcat h kmolFhFHC/kmol922939.4522kgcatW25276450349675.3293400/Bkg m22022111() ()()2()4()3nnbAAAAniiaiihf xdxf xf xf xf x 8所以， 3cat77563191.3740025276.15110mWVcat 315720395.3899. 077563191.3799. 0mVVcatR单台反应器装填催化剂体积为：32m3715098. 234. 0-14610305. 0）（V则所需则所需反应器台数为：台17089836

35、08.163715098. 215720395.38VVnR分为两组，组内并联，组间串联。4.2 传热设备的计算与计算与选型热量计算公式： (4-2) 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: 11891.33486kcal/h选用双管程单壳程换热器 (4-3)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=- 9 查得：0.8mteD= (

36、4-4)91936. 81492.118 . 0t1mDmDteDtm2/kcal30mhK21440165.4491936. 83033486.11891tmKDQAm传热面积扩大 1.2 倍，则214836297.532.1mAA选择标准型号换热器：DN500，A 56.6m2，L4500。（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：66905.52269kcal/h778665.32)37(14()33(12(ln)37(14()33(12(lnt21211mDtDtDtDtD5 . 637-33)14

37、(12）（冷流体温升热流体温降R0816. 037-1237-33）（）（两流体最初温差冷流体温升P查得：5 . 0eDtm389333.16778665.325 . 0t1mDmDteDtm根据经验选. hmK2/kcal5521222916.74778665.325 . 05552269.66905tmKDQAm21067499.892 . 1mAA选标准型号换热器： DN600，A109.3m2，L3000。（3）预热器 10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：80996.72985kcal/h）（923267.48)14(93()8097(ln14-93()8097(lnt21211mDtDtDtDtD04256. 014-8093-97）（冷流体温升热流体温降R8468. 014-9714-80）（）（两流体最初温差冷流体温升P 查得： 98. 0eDtm944802.47923267.4898. 0t1mDmDteDtm根据经验选hmK2/kcal9021770829.18944802.479072985.8