年产20万吨氯乙烯单体合成工段设计

年产20万吨氯乙烯单体合成工段设计摘要聚氯乙烯（PVC）的主要原材料为氯乙烯单体（VCM），该原料在建筑、包装及药械等工业领域具有深广的应用价值。鉴于全球对聚氯乙烯需求的持续上升，业界对氯乙烯单体生产工艺的改进需求日益凸显，旨在实现更优的环保标准与生产效能。本设计针对年产20万吨氯乙烯单体合成工段，选取电石乙炔法工艺，优化反应条件和工艺落实高效生产。结合我国“富煤少油”的资源现状，施展其原料成本低、技术成熟的优势。完成了物料衡算、热量衡算及关键设备（如石墨冷凝器、转化器）的选型设计，确保生产效率和能耗的平衡。本设计兼顾生产效率与环保要求，为氯乙烯工业提供一套技术路线，符合“双碳”的目标。关键词：氯乙烯单体，电石乙炔法，物料衡算，热量衡算，设备选型

Designof200,000TonsAnnualOutputVinylChlorideMonomerSynthesisSectionAbstractItisusedinthemanufactureofthecopolymerofmethylchloride,andisthechiefconstituentofPVC.ThegrowingworldmarketforPVChasplacedhigherdemandsonthePVCproductionprocesstobemoreefficientandcleaner.

Forthesynthesissectionofvinylchloridemonomerwithanannualoutputof200,000tons,thecalciumcarbideacetyleneprocessisusedtooptimizethereactionconditionsandprocesstoachieveefficientproduction.CombinedwiththecurrentsituationofChina's"richcoalandlessoil"resources,weshouldgivefullplaytoitsadvantagesoflowrawmaterialcostandmaturetechnology.Completedthematerialbalance,heatbalanceandtheselectionanddesignofkeyequipment(suchasgraphitecondenserandconverter)toensurethebalanceofproductionefficiencyandenergyconsumption.Thedesigntakesintoaccounttherequirementsofproductionefficiencyandenvironmentalprotection,andprovidesasetoftechnicalroutesforthevinylchlorideindustry,whichisinlinewiththegoalof"doublecarbon".Keywords:VinylChlorideMonomer(VCM);CalciumCarbide-AcetyleneMethod;MaterialBalance;HeatBalance;EquipmentSelection目录TOC\o"1-3"\h\u54631绪论 194831.1氯乙烯概况 1198141.2氯乙烯研究背景 1177581.3氯乙烯工业在国民中经济中的意义 1256062氯乙烯生产过程 2100632.1氯乙烯的生产方法及方案的确定 299572.1.1电石乙炔法 256992.1.2联合法 2241852.1.3乙烯法 3247932.1.4乙烯氧氯化法 3119972.1.5烯炔法 3212052.2生产流程及特点 4216542.2.1氯化氢的制备 4325822.3.2乙炔的制备 4175492.3.3氯乙烯的制备 5258943物料衡算 7124753.1生产条件 725073.2原料气的物料衡算 7162223.3混合器的物料衡算 8163353.4石墨冷凝器的物料衡算 9288483.5转化器的物料衡算 10180193.6水洗塔的物料衡算 11203403.7碱洗塔的物料衡算 1231223.8低沸塔的物料衡算 13109703.9高沸塔的物料衡算 14312774热量衡算 15195874.1石墨冷凝器的热量衡算 1535864.2转化器的热量衡算 16296174.2.1反应热Q反 1623194.2.2原料气带入热Q入 17263404.2.3出料带出热Q出 17245824.2.4热损失Q损 18141964.2.5热载体所需量 18144964.3高沸塔的热量衡算 19283924.3.1热量衡算 19281854.3.2再沸器所需GH及冷凝器所需冷冻盐水量GC的计算 21235794.3.3再沸器和冷凝器所需传热面积的估算 2267255设备型计算 2498365.1石墨冷凝器的造型计算 24205985.1.1求取平均温度差 24162695.1.2确定传热面积和传热系数 24247305.1.3利用给热系数验算K值 25206535.1.4最后确定K值和传热面积 29276985.2转化器的选型计算 29261316设备布置图 30297907结论 3232010参考文献 34PAGEPAGE581绪论1.1氯乙烯概况作为一种有机化合物，氯乙烯在常温和常压下呈现无色且有乙醚气味的状态，是塑料工业的关键原料，主要用于制备聚氯乙烯树脂。全球氯乙烯产能分布呈现区域化特点，北美，欧洲和亚洲是主要的生产区域。近年来全球氯乙烯产能扩张趋势明显，主要得益于新兴市场的需求增长和酱油产能的升级改造，特别是在我国随着国内聚氯乙烯产业的快速发展下，乙烯产能不断扩大。1.2氯乙烯研究背景早前1835年，法国科学家V.勒尼奥便首度识别了氯乙烯，而德国法本公司则于1931年成功以乳液聚合法推动了该物质的工业化规模化制造REF_Ref21675\r\h[1]。在以乙烷为核心原料的VCM生产体系中，鉴于天然气供应的充足性，乙烷路线在资源丰富的区域能够有效促进相关技术研发工作的推进REF_Ref14812\r\h[2]。时下市场上，乙烯氧氯化法与电石乙炔法在氯乙烯单体供求率趋于平衡，其中电石法的比率略微占优REF_Ref15853\r\h[3]。EVC公司的乙烷直接氧氯化技术，通过其独特的工艺设计显著削减了生产成本，同时提升了乙烷的转化效率。值得注意的是，此工艺实现了乙烷与氯气在一体化反应单元中的高效转化，即单步生成VCMREF_Ref16095\r\h[4]。氯乙烯在50年前侧重于产量的增长，此后兼顾质量提升与品种拓展REF_Ref16157\r\h[5]。当前电石乙炔法因含汞催化剂，引发了环境污染问题，铜基、铁基及稀土氧化物类催化材料非汞催化材料成为主流研究方向REF_Ref16255\r\h[6]。REF_Ref16255\r\h1.3氯乙烯工业在国民中经济中的意义 氯乙烯（VCM）作为聚氯乙烯（PVC）树脂的惟一单体，是全球产值最大的有机氯产品之一，支撑我国建筑材料、电线电缆等多个支柱行业REF_Ref16386\r\h[7]。在中西部地区，依托电石资源形成区域优势，推动了地方经济转型REF_Ref16464\r\h[8]。通过淘汰汞触媒、推广绿色合成路线，氯乙烯产业与“双碳”战略契合REF_Ref16552\r\h[9]。随着各行业对PVC需求攀升，氯乙烯工业发展不仅带动多行业技术进步，也提升了人民生活水平，对国民经济发展意义重大REF_Ref16751\r\h[10]。

2氯乙烯生产过程2.1氯乙烯的生产方法及方案的确定氯乙烯的制备途径包罗电石乙炔法、石油乙烯法及天然气乙炔法共三种主要工艺REF_Ref16479\r\h[11]。本文将重点围绕电石乙炔法展开研究介绍。2.1.1电石乙炔法电石乙炔法工艺中，食盐电解产生的氢气与氯气在合成炉中进行混合烯烧反应，形成干燥氯化氢，随后，该氯化氢与净化、脱水后的乙炔发生加成反应，生成粗氯乙烯，通过进而精制，可得到纯氯乙烯单体REF_Ref16964\r\h[12]。主要反应式如下：(1)乙炔的发生主反应CaC2+2H2O→C2H2+Ca(OH)2+130KJ/mol(2-1)同时存在CaO、CaS等杂质与水的副反应，生成H₂S、NH₃等气体。(2)氯化氢的合成HaCl2→2HCl+185.04KJ/mol(2-2)(3)生成氯乙烯CH≡CH+HCl→CH2=CHCl+124.8KJ/mol(2-3)当乙炔量过多时，催化剂会发生还原失活。近年来复合床反应技术因其兼具传热效率高和操作稳定性强的特点，被认为具有较好的工业应用前景，尤其在提升转化率和降低副反应方面表现突出REF_Ref17029\r\h[13]。2.1.2联合法将乙烯和乙炔法复合，该反应式如下：C2H4+Cl2→C2H4Cl2(2-4)C2H4Cl2→CH2=CHCl+HCl(2-5)CH≡CH+HCl→CH2=CHCl(2-6)这种方法相较于电石乙炔法生产成本较为低。2.1.3乙烯法(1)BICM法（二氯乙烷法）实现循环利用。由美国公司开发，通过迪肯法将氯化氢氧化为氯。其化学反应原理如下：乙烯氯化C2H4+Cl2→C2H4Cl2(2-7)二氯乙烷热解C2H4Cl2→CH2=CHCl+HCl(2-8)氧化氯化氢为氧2HCl+½O2→Cl2+H2O(2-9)(2)DIANOR法由意大利协同美国公司开发，适宜有稀乙烯和副产氯化氢地区。以石脑油制得的稀乙烯为原料，经脱硫、净化等处理后，在FeCl₂催化下制得1,2-二氯乙烷，再裂解生成氯乙烯，可联产苯乙烯等烯氯化物REF_Ref17120\r\h[14]。2.1.4乙烯氧氯化法氧氯化法是全乙烯制氯乙烯工艺，核心为氯化氢氧化过程。1940年完成实验室研究，1964年实现工业化。主要反应包括：4HCl+O2=2Cl2+2H2O(2-10)氧氯化法的化学反应式如下：(1)乙烯氯化采用分液相和气相法，其中液相法使用无水三氯化铁作为催化剂，并在低温至沸点、低压条件下实施操作：C2H4+Cl2→C2H4Cl2+200.832KJ/mol(2-11)(2)乙烯的氧氯化：C2H4+2HCl+½O2→C2H4Cl2+H2O+263.59KJ/mol(2-12)(3)二氯乙烷裂解：C2H4Cl2→CH2=CHCl+HCl-79.5KJ/mol(2-13)2.1.5烯炔法能实现氯化氢循环利用，但因石脑油资源限制、流程复杂、控制要求高，成本高于氧氯化法，未能广泛应用。各种合成方法的比较表2.1。表2.1氯乙烯单体不同品类合成方法的比较电石乙炔法联合法乙烯法氧氯化法烯炔法建厂投资最低低高高最高原料成本最低高高低高适用规模小～大大大大大自动化要求低高高高高从乙炔法虽自动化不足，但厂房投资与原料费用均偏低，此优势值得注意电石法制造PVC的企业数量逐年增加，受此青睐电石产业的生产规模持续扩大。如上，该20万吨设计工厂择选电石乙炔法来制备氯乙烯。2.2生产流程及特点电解产生的氯气和氢气在合成炉中得取氯化氢，随后与电石净化干燥的乙炔交混，于备品氯化汞催化剂的反应器内生成氯乙烯[15]。2.2.1氯化氢的制备氯化氢的制作工艺两种为直接合成法、盐酸脱析法。（1）直接合成法：Cl2：H2=1：（1.05～1.1）H2+Cl2→2HCl+184.7KJ/mol(2-14)（2）盐酸脱析法：电解途中产生的氯气与氢气发生反应变为氯化氢，由冷却降温后吸纳为盐酸后续由解吸塔、再沸器，将盐酸中的氯化氢气体高效能分离，本工艺制得的氯化氢纯度优异，惰性气体含量极低，显著提升了精馏过程的产出率。2.3.2乙炔的制备乙炔制造有电石制乙炔、天然气制乙炔，先施用电石制备乙炔。天然气制乙炔法因设备投资大、运行成本高、技术难度大，应用受限。电石制乙炔法工艺成熟，操作简单，其原理是电石在发生器内水解生成乙炔气，同时伴有CaO、CaS等杂质的副反应。因为反应属于放热衣服，需要大量水，并配备水回收系统。生产方法：湿式乙炔法主反应：CaC2+2H2O→Ca(OH)2+CH≡CH+129.79KJ/mol(2-15)副反应：CaO+H2O→Ca(OH)2(2-16)CaS+2H2O→Ca(OH)2+H2S↑(2-17)Ca3N2+6H2O→3Ca(OH)2+2NH3↑(2-18)Ca3P2+6H2O→3Ca(OH)2+2PH3↑(2-19)Ca2Si+4H2O→2Ca(OH)2+SiH4↑(2-20)Ca3As2+6H2O→3Ca(OH)3+AsH3↑(2-21)当前乙炔工业生产普遍采用湿法工艺，该方法具备操作安全、设备构造简明等特点，能生产高纯度乙炔且精制过程便捷。其中，NaClO可通过循环利用并调控其有效氯浓度（0.08%～0.12%）实现中和塔碱液的循环使用。2.3.3氯乙烯的制备反应制备氯乙烯须乙炔与氯化氢参与，一般用活性炭负载的氯化汞催化剂，核心化学方程式为：CH2=CHCl+124.8KJ/mol(2-22)含水量与温度关系见表2.2。表2.2温度与理论含水量的关系温度/℃-20-17-14-10纯水蒸气分压/0.9271.2071.5492.903盐酸水蒸气分压/0.0740.0980.1450.195乙炔理论含水量/%0.00650.00870.01650.0222生产条件选择依循高产、优质、低耗、流程短、操作安全的准则：分子比：控制C2H2与HCl分子比为1：1.05～1.10，HCl过量5～10%。空速控制在30-60m3催化剂·h的范围之间。催化剂的选择：选择HgCl2/C作催化剂。反应温度的选择：将反应温度控制在100～180℃。压力的选择：国内一般采用1.2～1.5个大气压（施压）为操作压力。原料气体质量指标如下：乙炔气体的体积分数需不低于98.5%，其中磷化物和硫化物的含量应控制在硝酸银试纸无显色反应的范围内，水蒸气含量不得超过0.06%；氯化氢气体的纯度应高于93%，其游离氯浓度需低于0.002%，氧气含量要小于0.5%。惰性气体如N2和CO₂虽不参与反应，却会对反应体系产生稀释效应，从而降低乙炔转化率并提升精馏提纯的能耗。此外，尾气排放会加剧VC的夹带流失，故需严格控制其含量，含量越少对生产越有利。

3物料衡算3.1生产条件生产任务：200000吨PVC/年氯乙烯聚合度：90%氯乙烯合成收率：96～98%年工作日：300天乙炔气和氯化氢气体组分如表3.1所示：表3.1乙炔气氯化氢占比组分 乙炔气体组分（V%）氯化氢气体组分（V%）C2H2N2H2OHCl空气H2O96.630.462.9196.970.092.943.2原料气的物料衡算（1）在200000吨VC/年情况下，每小时需生产的氯乙烯量为200000×1000/(24×300×0.98×0.90)=3149.41Kg/h（2）每小时所需的纯原料量依据化学反应式C2H2+HCl→CH2CHCl，结合原料转化率，可对氯乙烯生产所需原料量进行计算。乙炔转化率规设99%，余下1%乙炔作副反应，产出二氯乙烷等高沸物。基于上述条件，可进一步推导出所需C2H2的具体用量为：3149.41×26.04/[62.50×0.99×(1-0.01)]=1338.81Kg/h=51.4136Kmol/h=1151.66m3/h需HCl的量为:3149.41×36.46/[62.5×0.99×(1-0.01)]=1874.54Kg/h=51.4136Kmol/h=1151.66m3/h生产中为升高乙炔转化效率、降低精氯乙烯内乙炔残留，应用氯化氢执行微过量对策，乙炔与氯化氢化学计量数比大约1：1.05至1：1.1范围内，此条件下氯化氢用量为：51.4136×1.1=56.5550Kmol/h=1266.83m3/h=2061.43Kg/h（3）每小时所需精原料气的量需原料气的量为：1151.66/96.63%=1191.82m3/h=53.2062Kmol/h粗原料气中：N2的量为53.2062×0.46%=0.2447Kmol/hH2O的量为53.2062×2.91%=1.5483Kmol/h需氯化氢精原料气的量为1266.83/96.97%=1306.41m3/h=58.3219Kmol/h粗原料气中：空气的量为58.3219×0.09%=0.05249Kmol/hH2O的量为58.3219×2.94%=1.7147Kmol/h表3.2粗原料气组成C2H2原料气HCl原料气成分组成成分组成C2H251.4136HCl56.5550H2O1.5483H2O1.7147N20.2447空气0.05249总计53.2066总计58.32223.3混合器的物料衡算乙炔与氯化氢原料气在混合器内同步进入，两种成分实现完全混合，并经历微量脱水过程，该过程影响可忽略。因此，该混合器的进出物料量维持恒定。凭据物质守恒，则得以混合器的进出口物料以表3.3示例。表3.3混合器物料表名称进口物料出口物料Kg/hKmol/hm3/hKg/hKmol/hm3/hHCl2062.0056.55501266.832062.0056.55501266.83C2H21338.8151.41361151.661338.8151.41361151.66N26.85650.24475.48136.85650.24475.4813H2O58.79933.263073.091258.79933.263073.0912空气1.52120.052491.17581.52120.052491.1758总计3467.99111.5292498.243467.99111.5292498.243.4石墨冷凝器的物料衡算经混合器处理后混合气体引入石墨冷凝器，设备负责其中氯化氢与乙炔混合物降温到合适水平，过程能使大部分水蒸气和部分氯化氢反应制为盐酸进行有效离析。进口压力1.5个大气压（1140毫米汞柱），冷凝盐水在-35℃加热于-33℃引入石墨冷凝器，由《氯乙烯生产原理》数据，该压力各出口温度的混合冷冻脱水性能表现表3.4中。表3.4混合冷冻脱水效果总压（大气压）温度冷凝出盐酸水蒸气分压（mmHg）1.5-15℃47.2%0.046表3-4，混合气降到-15℃，总压1140mmHg柱时，氯化氢分压：1140×1.1/(1+1.1)=597.14mmHg=79.61Kpa系统中经由粗氯化氢原料气氯化氢含量算总量，此刻氯化氢分压1.5×101.325×0.5148=78.24Kpa解得混合气经冷冻未凝结水蒸汽量：N水=P水（N总-N水）/(P总-P水)N水=0.046×(113.296-N水)/(1140-0.046)解得：N水=0.004572Kmol/h由于水蒸汽冷凝而得到的水量为：3.2630-0.004572=3.2584Kmol/h=58.7164Kg/h未冷凝的水蒸汽量为：0.004572Kmol/h溶解于水的HCl的量为：解得N=1.4397Kmol/h=52.4915Kg/h计算得混合气体冷冻水操作规程，每小时58.7164Kg水冷凝，52.4915Kg氯化氢气体溶解。脱水后转化器的氯化氢进入量为：56.5550-1.4397=55.1153Kmol/h上式解得石墨冷凝器物料衡算结果如表3.5。表3.5石墨冷凝器物料表名称输入物料输出物料Kg/hKmol/hm3/hV%Kg/hKmol/hm3/hV%HCl2062.0056.55501266.8350.70882009.5055.11531234.5849.4179C2H21338.8151.41361151.6646.09891338.8151.41361151.6646.0989N26.85650.24475.48130.21946.85650.24475.48130.2194H2O(气）58.79933.263073.09122.92570.082390.0045720.10240.004099空气1.52120.052491.17580.047061.52120.052491.17580.04706H2O(液）58.71643.2584--HCl(液）52.49151.4397--总计3467.99111.5292498.241003467.98111.5292393.001003.5转化器的物料衡算冷冻计算58.7164Kg/h水蒸汽冷凝，实际生产酸雾消除速度较为慢，无法忽略影响，使得进入转化器的蒸汽量难以精确按理论值设定。设转化器参数，应混合气水蒸气重量百分比（0.03%）策定脱水目标，并依该标准量化设允许引入转化器蒸汽流量W水为：W水/(总带水量）=0.0003则W水=58.7993×0.0003=0.01764Kg/h=0.0009879Kmol/h=0.2193m3/h引入转化器进口物料量确定，如表3.6。表3.6转化器进口物料量名称Kg/hKmol/hm3/hV%C2H21338.8151.41361151.6648.1280HCl2009.5055.11531234.6851.5930H2O0.017640.00097890.021930.0009163空气1.52120.052491.17580.04914N26.85650.24475.48130.2291总计3356.71106.8272392.92100受氯化氢溶解物料摩尔比定为NC2H2:NHCl=51.4136:55.1153，即1:1.07。经分析合成反应可知，该比例下氯化氢仍处于过量状态。相关反应求解将乙炔指定为基准。计算可得转化器的物料平衡表3.7所示。表3.7转化器物料平衡表名称输入物料输出物料Kg/hKmol/hm3/hV%Kg/hKmol/hm3/hV%C2H21338.8151.41361151.6648.12813.38720.514111.51580.9277HCl2009.5055.11531234.5851.593135.153.706883.03236.6890H2O0.017640.00097890.021930.00091630.017640.00097890.021930.001766空气1.52120.052491.17580.049141.52120.052491.17580.04914N26.85650.24475.48130.22916.85650.24475.48130.2291VC3149.4050.39041128.7490.9270EOC50.33960.509011.40160.9185总计3356.71106.8272392.921003356.6755.41851241.371003.6水洗塔的物料衡算20℃条件下，水洗塔取浓度5%水洗液，若未吸收91%HCl气体，则洗水用量考量：解得m=2311.06Kg/H洗涤水量定2300Kg/h，查《化工原理》知20℃水密度998.2Kg/m3，洗水体积：2300/998.2=2.30m3/h由《聚乙烯生产与操作》可知各温度下损失数据，当洗涤水用量为2.30m3/h计算得水洗塔物料衡算如表3.8表3.8水洗塔物料衡算表名称输入物料输出物料Kg/hKmol/hm3/hV%Kg/hKmol/hm3/hV%C2H213.38720.514111.51580.927713.38720.514111.51580.9844HCl135.1503.706883.03236.688813.51500.37178.30370.7127H2O（g）0.017640.00097890.021930.001766空气1.52120.052491.17580.094721.52120.052491.17580.1009N26.85650.24475.48130.44666.85650.24475.48130.4705VC3149.4050.39041128.7490.92793145.2250.32351127.2596.7499EIC50.33960.509011.40160.918550.33960.509011.40160.9786H2O(l）2300.00127.636--2300.02127.637--HCl(l)121.6353.3361--VC（损）4.17930.06687--总计5656.67183.0541241.361005656.87183.0541165.131003.7碱洗塔的物料衡算水洗后气体一部分氯化氢碱液中和反应式：NaOH+HCl→NaCl+H2O物料衡算如表3.9所示。表3.9碱洗塔物料表名称输入物料输出物料Kg/hKmol/hm3/hV%Kg/hKmol/hm3/hV%C2H213.38720.514111.51580.988413.38720.514111.51580.9955HCl13.51500.37078.30370.7127N26.85650.24475.48130.47046.85650.24475.48130.4738空气1.51520.052491.17580.10091.51520.052491.17581.1016VC3145.2250.32351127.2596.74903145.2250.32351127.2597.4434EOC50.33960.509011.40160.978650.33960.509011.40160.9856H2O145.4548.0718--152.1348.4425--NaOH16.16160.4040--1.33440.03336--NaCl21.66630.3707--总计3392.4552.01451165.131003392.4551.64381156.821003.8低沸塔的物料衡算粗氯乙烯单体在转化器产出后，先经水洗和碱洗处理以去除氯化氢，然而残留的氯气、空气以及二氯乙烷等杂质仍对后续聚合过程和产品性能造成较大干扰。为满足聚合需求，必须采用精制技术对杂质进行深度脱除，从而制备出高纯度的精氯乙烯单体。对200000吨PVC/年的低沸塔，含乙炔的摩尔分数设：塔项蒸汽为：Xo=20%塔底釜液为：Xw=0.001%进料液中为：XF=0.5141/(0.5141+0.2447+0.05249+50.3235+0.5090)=0.9955低沸塔内组分因沸点异同，把氯气、空气视为轻组分。精准计算组分于塔顶馏出物及塔底釜液中含量。得低沸塔物料如表3.10。表3.10低沸塔物料表名称进料塔项馏出物塔底釜液Kmol/hmol%Kmol/hmol%Kmol/hmol%N20.24470.47380.24479.5296--空气0.052490.10160.052492.0442--C2H20.51410.99550.513620.00160.0004908VC50.323597.44341.757068.424348.5665EOC0.50900.9856--0.5090总计51.64381002.567810049.07601003.9高沸塔的物料衡算衡算结果如表3.11所示。表3.11高沸塔物料衡算名称进料F塔项馏出物O塔底釜液WKmol/hmol%Kmol/hmol%Kmol/hmol%VC48.566598.962847.7999599.99990.765660.0000EOC0.50901.03720.000047800.00010.510440.0000总计49.075510047.80001001.2760100

4热量衡算4.1石墨冷凝器的热量衡算进口温度28℃，出口温度-15℃，冷冻盐水进/出温度分别-35℃、-33℃。该计算用于专业领域：(4-1)其中：Q——物质由温度t1到t2时放出的热量，KJ；——物质的质量流量，Kg/h；CP——物质的比热，KJ/Kg.℃根据《氯乙烯生产原理》，混合气体组分数据见附录表4.1。表4.1气体的有关数据名称比热KJ/Kg.℃溶解热KJ/Kg冷凝热KJ/KgHCl0.782957.78C2H21.6824H2O(l)4.1868H2O(g)1.81232491.15N2.空气1.005冷冻盐水2.67计算得混合气体组分放热量如表4.2。表4.2混合气体各组分放热量各组分名称放热量水蒸汽冷凝热Q1146271.28氯化氢气体溶解热Q23032.96乙炔气降温时放热Q396853.80氯化氢气降温时放热Q467649.21氯、空气降温时放热Q5632.039水蒸汽降至0℃时放热Q64.1808冷凝水蒸汽降至-15℃时放热Q72.2397冷凝下的水降至-15℃时放热Q83687.51总计317863.22所需-35℃冷冻盐水的量：Wh=Q/(CP×OX)=317863.22/[2.67×(-33+35)]=59524.95Kg/h4.2转化器的热量衡算4.2.1反应热Q反设计反应器，转化器总反应热Q反由主、副反应热构成。热量衡算应以0℃为基准，相关反应热数据需对应此0℃条件。在氯乙烯制备过程中存在多种副反应，其中与氯化氢的加成反应最为显著出。此副反应与主反应类似，均呈现放热特性。相关研究证实，该反应的热效应在0℃与25℃下的数值差异不大。在热量平衡核算时，可将25℃的反应热值作为0℃下的近似值进行计算，该替代方法导致的偏差在工程实践中可接受且可忽略。具体而言，25℃下多种化合物的生成热数据已汇总于表4.3。表4.3各组分生成热组分乙炔氯化氢氯乙烯二氯乙烷生成热KJ/mol226.90-92.3737.26-131.05乙炔和氯化氢合成1mol氯乙烯反应热：37.26-（226.90-92.37）=97.27KJ合成1mol二氯乙烷的反应热：-131.05-（37.26-92.37）=-75.94KJ总反应热即主、副之和，Q反放热为正数：Q主=50.3904×1000×97.27=4901474.21KJ/hQ副=0.5090×1000×75.94=38653.46KJ/hQ反=Q主+Q副=4901474.21+38653.46=4940127.67KJ/h4.2.2原料气带入热Q入原料气带入或带出热量按下式求解(4-2)其中，为i物料流量，Cp为比热，Q是所需要（或放出）的热量。查询出多种物料平均比热如表4.4。表4.4各种物料平均比热名称C2H2HClN2H2O(g)VCEOC空气比热KJ/Kg.℃1.7420.78291.0051.8130.86251.2601.005参考《氯乙烯生产原理》设转化器中气体入口温度取80℃，则C2H2带入热Q1:Q1=1338.81×1.742×(80-0)=186576.56KJ/hHCl带入热Q2:Q2=2009.50×0.7829×(80-0)=125859.00KJ/hN2带入热Q3:Q3=6.8565×1.005×(80-0)=551.263KJ/h空气带入热Q4:Q4=1.5212×1.005×(80-0)=122.304KJ/h水蒸汽带入热Q5:Q5=0.01764×1.813×(80-0)=2.5585KJ/h总带入量Q入：Q入=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=186576.56+125859.00+551.263+122.304+2.5585=313111.69KJ/h4.2.3出料带出热Q出参考《氯乙烯生产原理》设转化器中气体流出温度为120℃，则：C2H2带入热Q1:Q1=13.3872×1.724×(120-0)=2798.46KJ/hHCl带入热Q2:Q2=135.15×0.7829×(120-0)=12697.07KJ/hN2带入热Q3:Q3=6.8565×1.005×(120-0)=826.894KJ/h空气带入热Q4:Q4=1.5212×1.005×(120-0)=183.457KJ/h水蒸汽带入热Q5:Q5=0.01764×1.813×(120-0)=3.8378KJ/h氯乙烯带出热Q6:Q6=3149.40×0.8625×(120-0)=325962.90KJ/h二氯乙烷带出热Q7:Q7=50.3396×1.260×(120-0)=7611.35KJ/h则总带出热量Q出：Q出=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7=2798.46+12697.07+826.894+183.457+3.8378+325962.90+7611.35=350083.97KJ/h4.2.4热损失Q损Q反+Q入远大于Q出，所以转化器中导出热量为：Q冷=Q反+Q入-Q出-Q损=4940127.67+313111.69-350083.97-0.05Q冷解得Q冷=4669671.80KJ/h则Q损=0.05×4669671.80=233483.59KJ/h由以上计算得转化器中热量衡算如表4-5。表4.5转化器的热量衡算热量名称热量KJ/h反应热Q反4940127.67原料带入热Q入313111.69出料带出热Q出350083.97热损失Q损233483.59热载体带走热Q冷4669671.804.2.5热载体所需量温度130~180℃区间为适宜，若定97℃为进口处温度，出口温度105℃，得冷却水量计算公式：G=P水×V水=Q/(CP×△t)其中，G是水的质量流量，P水是水的密度，V水是水的体积流量所以水的体积流量V水：V水=Q/(CP×△t×P水)=4669671.80/[4.1868×(105-97)×958.3]=145.483m3/h4.3高沸塔的热量衡算《氯乙烯生产原理》高沸塔参数：设备平均操作压力0.5Mpa（绝对压力）。工艺参数配置为：塔顶气相温度恒定在34±0.5℃，塔釜液相温度严格控制在51.5±0.3℃区间内。进料方式选择沸点进料工艺，经测定原料液的泡点温度为34.5℃，与进料板温度保持良好匹配。高沸塔进给于氯乙烯以及二氯乙烷，XO=0.99999，Xf=0.9896。由《氯乙烯生产原理》查得表3.14：Yf=0.99896，则：Rmm=(X0-Yf)/(Yf-Xf)=(0.99999-0.99896)/(0.99896-0.9896)=0.11即高沸塔回流比取R=热量衡算在精馏工艺的实施中，通过热量平衡计算可精确量化塔底再沸器（或称塔釜）的加热需求，同时亦可确定塔底冷凝器与冷却器所需冷却水或冷媒的供应量。实施该高沸塔设备的热量平衡分析前，必须预先完成其物料平衡计算。物性参数与基础符号信息于表4.6中。表4.6高沸塔物料衡算及有关物性数据组成名称VCEOC合计进料tf=34.5℃Kg/h3035.4150.3401Gg=3085.75质量分数gf.i0.98370.016311.00Kmol/h48.56650.509049.0755摩尔分数0.98960.010371.00比热KJ/Kg.℃Cf.i1.42351.2979-塔顶to=34℃Kg/h2987.50微量Go=2987.50质量分数g.O.i～1`～01.00Kmol/h47.79995微量47.8000摩尔分数～1～01.00比热KJ/Kg.℃Cr.i0.8792--蒸发潜热KJ/Kg.℃ri293--塔釜tw=51.5℃Kg/h47.850050.4786Gw=98.3286质量分数gw.i0.48660.51341.00Kmol/h0.76560.51041.2760摩尔分数0.600.401.00比热KJ/Kg.℃Cw.i1.50721.3188-回流进料tl=34℃Kg/h597.499微量GL=597.50质量分数gL.i～1～01.00Kmol/h9.5600微量9.5600摩尔分数～1～01.00比热KJ/Kg.℃CL.i1.4235--进料带入热量QF:QF=GF×(gf.i×Cfi+Gf2×Cf2)×tf=3085.75×(0.9837×1.4235+0.01631×1.2979)×34.5=151327.39KJ/h回流液带入的热量QL:QL=GL×CL×tL=597.50×1.4235×34=28918.40KJ/h塔项蒸汽带出热量Qv(塔顶蒸汽量GV=GO+GL):QV=(GO+GL)×(CV.1To+ri)=(2987.50+597.50)×(0.8792×34+293)=1157570.69KJ/h塔釜残液带引出热量Qw:QW=GW×(Gw.1CW.1+Gw2×CW.2)×tw=98.3286×(0.4866×1.5072+0.5134×13.3188)×51.5=7142.51KJ/h塔釜加热水带入热量QH:QHL=(QV+QW)-(QF+QL)=(1157570.69+7142.51)-(151327.39+28918.40)=984467.41KJ/hQ损=QHI×0.1=98446741×0.1=98446.74KJ/hQH=1.1QHI=1.1×984467.41=1082914.15KJ/h计算结果得高沸塔热量衡算如表4.7。表4.7高沸塔热量衡算表名称热量QV1KJ/h入塔热量进料带入热量QF151327.39回流带入热量QL28918.40加热水带入热量QH1082914.15合计1263159.94出塔热量塔项蒸汽带引热量QV1157570.69塔釜残液带引热量QW7142.51热损失Q损98446.74合计1263159.944.3.2再沸器所需GH及冷凝器所需冷冻盐水量GC的计算再沸器进出口温度、冷凝器进出口温度图4.1及4.2。8585℃热水51.5℃混合液90℃热水51.5℃混合液-5℃氯化钙盐水-8℃氯化钙盐水34℃氯乙烯蒸汽图4.1高沸塔再沸器温度分布图4.2高沸塔冷凝器温度分布再沸塔需加热水量GH:GH=QH/(CP×△t)=1082914.15/[4.1868×(90-85)]=51729.92Kg/h冷凝器所需25%CaCl2盐水量GC:GC=(GO+GL)×Yi/(CPl×△t1)=(2987.50+597.50)×293/[2.8889×(-5+8)]=121200.11Kg/h式中：CP——水的平无比热CP=4.1868KJ/Kg.℃CP1——25%CaCl2比热(-10~-5℃时)，CP1=2.8889KJ/Kg.℃4.3.3再沸器和冷凝器所需传热面积的估算（1）再沸器的传热面积计算根据QH=K×F×△tm得再沸器的最小传热面积：Fmin=QH/K×△tm其中，QH是加热水带入的热量，K是传热数，△tm是平均温度差计算可得Qr1=1082914.15KJ/h取传热系数：K=150×4.1868=1465.38KJ/m2.h.℃安全数取1.20再沸器的平均温度差为：△tm=[(T1-t2)-(T2-t2)/ln[(T1-t1)-(T2-t1)]=[(90-51.5)-(85-51.5)]/ln[(90-51.5)/(85-51.5)]=36℃则再沸器的最小传热面积F1：F1=Q/(K×△tm)=1082914.15/(1465.38×36)=20.53m2在再沸器设计过程中，为确保设备长期稳定运行并应对可能的工艺波动，需在理论计算的最小传热面积基础上引入安全裕度，即：F=1.2F1=1.2×20.53=24.64m2(2)冷凝器传热面积根据Q冷=K×F×△tm将冷凝器所需的最小传热面积：F1=Q冷/(K×△tm)其中Q冷=Gr×rGr为塔项的蒸汽量，r是发潜热现取冷凝器的传热数K=180×4.1868=753.624KJ/m2.h.℃逆流计算将安全系数定1.3，冷凝器平均温差：△tm=[(T2-t1)-(T1-t1)/lm[(T2-t2)/(T2-t1)]=[(34+8)-(34+5)]/ln[(34+8)/(34+5)]=40℃则冷凝器的最小传热面积为：QH=(GO+GL)×ri=(2987.50+597.50)×293=1050405.00KJ/hF1=QH/(K×△tm)=1050405.00/(753.624×40)=34.85m2为确保长期运作F=1.3F1=1.3×34.85=45.31m2

5设备型计算5.1石墨冷凝器的造型计算-15℃混合气-35℃冷冻盐水-33℃冷冻盐水-15℃混合气-35℃冷冻盐水-33℃冷冻盐水28℃混合气图为石墨冷却器图5.1石墨冷凝器工作原理示意图换热器的运行机制可通过上述图示进行阐释。。混合气在石墨冷却器内的流动遵循自下而上的单向路径，而冷冻盐水则通过逆向循环实现自上而下的流动，从而构建起冷热流体间的逆流换热格局。在此过程中，热量由热流体持续向冷流体传递，前者温度沿流动方向从起始值t1递减至T2，再者温度从入口温度t2提至出口温度T2。鉴于逆流操作中各流体温度的动态演变特性，平均温度差△tm的计算需借助对数平均法以获得精确结果。其理论依据与计算模式为：（5-1）5.1.2确定传热面积和传热系数本研究检验φ32/22尺寸、5米长的120根圆柱形石墨冷凝器的性能，首要步骤是计算其换热面积F:F=nπdmL（5-2）其中，F是传热面积，n是列管数120根，L是管长，dm是管的对数平均直径，其值为(5-3)其中，d是管外径32mm，do是管内径22mm将上数据代入式（5-3）中得：所以由式（5-2）得传热面积F:F=120×3.14×0027×5=50.87m2传热系数K:5.1.3利用给热系数验算K值列管式传热系数的计算公式为：(5-4)式中，a1,a2分别为管外，管内流体的给熟系数，d,do分别为列管的外径和内径，r1,r2分别为管外，管内污垢系数，δ为列管厚度，λ为列管的导热系数，dm为列管的对数平均直径现就用式（5-4）计算传热系数K，下列数据已知：石墨导热系数λ=502.42KJ/m2.h.℃由《化工流体流动与传热》一书查得：根据《化工流体流动与传热》，管内混合气体污垢系数r2确定为4.78×10-5KJ/m2.h.℃：石墨管壁厚do=22mmd=32mm定准流动形态，求雷诺准数Re:(5-5)式中：Z为以量泊为单位的粘度，25厘泊（查得），de为当量直径，可用式（5-6）计算（5-6）式中：Ds是换热器外壳内径，600mm（所选石墨冷凝器规格），n是列管数，120根，d是列管外径，0.032m代入式（5-6）得：Gu重量流速，可由式（5-7）计算(5-7)公式定义Wh代表冷冻盐水的重量流量，其值可依据总热量传递计算，特定工况下Wh为59524.95KJ/h，代入式（5-7）后可进行后续求解。把上面数据代入式（5-5）得：算出雷诺数Re<2000，故为层流，以下式计算a1:冷冻盐水给热系数(5-8)式中：层流常数C取值0.93n（加热工况下为0.4），导热系数λ为1.53KJ/m.h.℃（数据源自查得），当量直径de为0.0534m，排列系数δ依据《换热器》一书确定，其中三角形及转三角形排列的系数值为该文献提供：（5-9）式中：P——管间距39mmdo——管外径32mm代入式（5-9）得：Pr——普兰德准数(5-10)式中：u=25CpCp=2.66KJ/Kg.℃λ=1.53KJ/m2.H.℃把上述已知数据代入（5-10）得：Pr=3600×25×9.81×2.66/(9810×1.53)=157把上面数据代入式（5-8）得管外冷冻盐水给给热系数a1:同求给热系数a2比热CP=1.2KJ/Kg.℃，导热系数λ=0.0611KJ/m2.h.℃，粘度u=0.0123厘泊，密度P=1.373Kg/m3Wh=3467.99Kg/h根据公式（5-7）得：Gu=3467.99/0.785×(0.62-120×0.0322)=18635.09Kg/m2.h根据公式（5-5）得：Re=0.053×18635.09×1000/(3600×0.0123)=22473.21将已知数据代入式（5-10）得Pr=3600×0.0123×9.81×1.2/(9810×0.0611)=0.87应用已确定数值代入式a2=0.023×(λ/do)×re0.8×Pr0.3中计算求解把a1、a2代入式（5-4）得解得：K=104.921KJ/m2.h.℃若计算值比前K值小，则不合适，可得该情况不合适。选两台（φ32122长5m）石墨冷凝器