【《10万吨氯乙烯氧氯化工段工艺设计》6100字（论文）】

第第页共54页10万吨氯乙烯氧氯化工段工艺设计氯乙烯是化学工业上重要的化工原料，是无色、易液化气体。氯乙烯是有毒物质，但它以十分低廉的价格和突出的性能成为十分理想的材料。随着我国国民经济的增长，对氯乙烯的需求量日益增加，因此氯乙烯的发展前景十分良好。本文对10万吨氯乙烯氧氯化工段进行工艺设计，对乙烯氧氯化法的设计生产方法的选择，反应器的设计和换热器的设计并进行强度核算，制定合理的生产方案和工艺流程。同时运用计算机进行模拟并对反应物进行物料衡算，热量衡算。最后绘制带控点的工艺流程图、设备装置图、厂区总平面布置图。关键词乙烯，乙烯氧氯化，反应器，换热器目录TOC\o"1-3"\h\u218691.引言 179781.1厂址建设地概述 1189941.2初步拟定厂址选择 1324002.生产方法 157632.1乙炔法 1284692.2乙烯氧氯化法 211343.工艺叙述部分 492263.1工艺技术方案的论证及选择 4122393.2工艺生产方法叙述 5288134.工艺计算部分 7182324.1物料衡算 786554.2热量衡算 1195565.反应器设计 15144045.1设计条件 1686335.2物流信息 17224605.3结构设计 1848605.4压降 21276665.5强度校核 2262095.6设备装配图 2496186.换热器的选型设计 25244336.1设计选型 2515476.2选型范例 25194836.3结构设计 2796306.4强度校核 32166976.5设计小结 326127.安全技术与环保部分 34307527.1安全技术 3487057.2环境保护及综合利用 37108558.经济分析 38294628.1投资分析 38272038.3投资回收期 403526结论 4121007参考文献 421.引言本项目利用乙烯、氧气和氯气为主要工业原料，通过直接氯化、氧氯化和裂解工艺，生产氯乙烯。项目运用清洁新工艺，实现了绿色化生产和盐酸的资源化利用。1.1厂址建设根据国家对厂址选择的要求,以及利于分厂长期的运行和发展下，选择为内蒙古亿利化学工业。1.2拟定厂址初步拟定厂为蒙古亿利化学工业。在国家实施西部大开发的大开发战略中，该项目旨在利用煤炭，盐，石灰石，焦炭等充足资源。该项目在内蒙古工业发展规划中被列为鄂尔多斯重点建设项目。厂址在市达拉特旗树林召镇，市达拉特旗树林召镇与110、119国道包东高速公路相连。铁路和210专用线运送煤炭穿越厂区，交通十分便利。2.生产方法2.1乙炔法乙炔法是按照1:1.05−1.1比例将选取具有纯度的HCl气体和C2H2气体混合，使用HgCl2催化剂催化，在100−180℃下进行反应。该方法的生产工艺较落后和生产设备比较简单，生产能源的消耗量大，需要的原料成本高，催化水银盐毒性大，并且受到2.2乙烯氧氯化法（1）乙烯直接氯化

（2）二氯乙烷裂解

（3）乙烯氧氯化

其工艺过程示意如图2-1。图2-1乙烯氧氯化平衡法制氯乙烯此图可见，用这种生产方法制造氯化乙烯的原料是C2H4，Cl2和空气，Cl2都可以参与反应，重点是计算C2H4和Cl2的加乙烯氯化CH2=CH2+可以在气相中进行此反应，也可以在溶剂中进行此反应。气相反应因为放热大，并且散热困难而且不容易控制，所以工业上采用的液相反应是存在于极性溶液下的，二氯乙烷是反应溶剂。图2-2直接氯化工序简易流程二氯乙烷热裂解反应式:ClCH2CH反应是可逆的吸热反应，由管式分解炉进行，反应温度500～550℃，压力0.6～1.5mpa。将二氯乙烷的单向转换率控制在50%−70%，抑制二次反应的进行。分解产物进入急冷塔，为了防止副反应持续，用循环二氯乙烷冷却。将产品温度冷却到50～150℃，进入脱氯塔。脱氯塔底部是氯乙烯和二氯乙烷的混合物，在氯乙烯蒸馏塔中蒸馏，可以从塔顶得到高纯度氯化乙烯。底部主要是未参与反应的粗二氯乙烷，蒸馏后也是热分解原料。乙烯氧氯化部分CH2=CH2这是强烈的发热反应。也会发生生成其他氯衍生物的副反应。这些副产品的总量低于二氧乙烷生成量的1%。作为乙烯液相氯化反应的催化剂，FeCl是一般的催化剂。而FeCl3的主要作用是抑制取代反应，使乙烯和氯气的加成反应得到促进，减少乙烯氧氯化图2-3氧氯化单元简易流程3.工艺叙述部分3.1工艺技术方案论证及选择乙烯氧氯化法生产氯乙烯，包括三步反应：1乙烯直接氯化

2二氯乙烷裂解

3乙烯氧氯化

总反应式

其工艺过程示意如图3-1图3-1乙烯氧氯化平衡法制氯乙烯此图可见，用这种生产方法制造氯化乙烯的原料是乙烯，氯气和空气，氯气都可以参与反应，重点是计算乙烯和氯的加成反应和乙烯氯化反应的反应量，氯化乙烯所需的氯化氢是二氯乙烷分解所产生的。使得氯化氢是在整体过程中一直处于平衡。3.2工艺生产方法叙述3.2.1工艺反应公式乙烯直接氯化主反应：副反应：乙烯氧氯化主反应：副反应：二氯乙烷裂解主反应：副反应：3.2.2生产流程乙烯直接氯化与裂解工段图3-2原料乙烯与氯气在90℃直接氯化反应器中合成二氯乙烷和其他杂质，通过塔顶输送二氯乙烷，其他杂质由塔底排出。之后由泵加压送到蒸发器进行加热，二氯乙烷从气相变为液相。再进热解炉前进行预热到500℃，然后进行热裂解。热裂解后产生氯乙烯，CO，等产物。然后，产物进入到急冷塔进行降温，蒸汽随后进入下一个冷凝器，由气相转化为液相，液体进入盐酸分离塔进行分离，塔顶流出盐酸进入到乙烯氧氯化工段，其余的进入氯乙烯分离塔，塔顶分离出氯乙烯产品，塔顶分离出二氯乙烷。二氯乙烷进入循环。图3-3原料乙烯和氧气以及从裂解工段输送来的盐酸在乙烯氧氯化反应器中反应生成二氯乙烷及其他副产品。经塔顶分离气相与液相产品，液相产品二氯乙烷，三氯乙烷和水通过泵输送到三氯乙烷分离塔。在此设备中将三氯乙烷从塔顶分离出去，其余的进入到二氯乙烷分离塔。在此设备中将水从塔中分离出，二氯乙烷从塔底分离输送到裂解工段。4.工艺计算部分4.1物料衡算下表适用各种品种平衡的方法：对于分厂，采取连续操作300天（7200小时）的年开工，在一年中用于固定的停车对设备进行检修和对于紧急情况发生时的处理的时间是四~五周（约36天）。计算裂解工段的物料衡算工作：300天氯乙烯损失率1.6%

设计裕量4%每小时氯乙烯产量：由表4-1数据计算反应物：二氯乙烷：生成物：氯乙烯：235.05kmol/h=1468.233kg/h乙炔：C:氢气：盐酸：二氯乙烷：得到结果如表4-3用上述计算方法计算出其他设备物料衡算4.1.1乙烯直接氧化工段4.1.2乙烯氧氯化工段4.1.3裂解工段4.2热量衡算对于连续系统，有：Q+W=∑其中：Q—设备的热负荷；W—输入系统的机械能；∑H∑H以第一步乙烯直接氯化为案例主反应：

副反应：计算：结果如下表：4.2.1乙烯直接氧化工段4.2.2乙烯氧氯化工段4.2.3裂解工段5.反应器设计本次设计针对反应器的正确设计，对筒体的各部件的壁厚计算和设计以及反应器的强度进行验证，反应器的设计包括对反应器工作压力的设计、反应器温度的设计以及对反应管内径和反应管长度的计算，并对反应器进行了压降检测温度核算，应满足反应器在过程中作出反应的场所的条件如下：1）反应器的传热性能应优良；2）反应器内的温度由内到外，应均匀分布；3）拥有厚度足够的壁厚,可以承受各种复杂化学反应的巨大压力；4）反应器的结构能够承受发生的反应，使反应能够充分进行；5）反应器材料必须是满足反应物腐蚀条件的反应器材料；6）确保高转化率和理想的响应率；7）降低反应过程中副反应发生的水平。在常用的固定床反应器的下部设置多孔板，在多孔板上放置固体催化剂。流体在反应器的上部流动，经过催化床后从底部流出。催化粒子保持静止，被称为固定床反应器。固定床反应器的操作原则：1.为防止固定床反应器中的流体排出，流体一般从床下通过，流向床上;2.为了确保固定床反应器的床层有合适的温度，在固定床反应器的床层内设置了各多种换热元件；3.为了防止固定床反应器流体流动的压降过大，所以反应器中使用的催化剂粒径不应太小，为了减少反应物内扩散对反应器中反应的影响，所使用催化剂的粒径不应太大。最合适的粒径大小为2−4.为了防止通道靠近壁面流动，管径的8倍必须大于催化剂的粒径，大小范围5.1反应器的设计条件5.1.1反应器设计温度根据Aspen模拟的结果，反应器内的最高温度为149℃，所以这时将设计温度取为180℃。5.1.2反应器设计压力经过优化，反应器管程工作压力是12.4bar，壳程工作压力是3.5设计的反应器选用的是1.10倍的最高工作压力，所以经过计算，反应器的管程工作压力是13.6bar，壳程工作压力是3.8bar。5.1.3反应器反应空速反应器反应空速为5.2反应器进出口物流信息5.3反应器结构设计5.3.1反应管的长度反应器的反应管选取φ38mm×2.6mm的材质为Q345A不锈钢管，从Aspen的结果来看，催化剂在反应管内的有效装填段高度是7000mm。反应管内支撑弹簧在填充底部的高度为150mm，反应管内填充的支撑剂高度为150mm。顶部填充的保护剂高度为200mm。5.3.2反应管的数量停留时间从Aspen模拟结果读得为7.433s，进口气体流量从Aspen模拟结果读得为4166cum/hr。反应管内催化剂的密度424kg/cum，床层的空隙率0.40。根据计算得到管数为3638.1根，与Aspen模拟的结果相比较；计算结果与模拟结果3546根接近，圆整后反应管管数选用3640根。5.3.3反应器内径根据之前计算反应管根数圆整取为3640根，反应管一般是内径38mm的换热管，t是反应器反应管管心距取为48mm。反应管排列分布见下图tt图5-SEQ图\*ARABIC\s11反应管排列分布示意图壳体内径的计算公式为：热套式热电偶插入标准长度是100mm。3648+100∗2mm=3848mm。壳体内径5.3.4筒体壁厚由于热流体中含有醋酸走管程有腐蚀性，壳程走冷流体无腐蚀性，故壳体材料和管材料都采用Q345。内压容器筒体壁厚的计算公式为，其中许用应力为185MPa，工作压力为0.381MPa，反应器筒体的内径为4000mm。得钢板厚度负偏差C1一般取0.3mm，腐蚀裕量C2一般取2圆整后：所以反应器筒体的壁厚是8因为反应器壳体间为气液两相，故采取气压试验校核反应器筒体的应力：反应器筒体的应力满足要求。5.3.5封头厚度计算受外压的椭圆形封头的厚度设计参照《化工设备机械基础》（喻健良、王立业编），选择封头为标准椭圆形封头,材料为Q345，具体设计步骤如下：假设δn=15mm，与筒体厚度相同，则对于标准椭圆形封头ab=2，及所以说，hiP故封头厚度与筒体厚度相同，封头壁厚为12mm。由表可知，h5.3.6折流挡板的设计本工艺采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为：h=0.25D=0.25×1800=450mm所以取h=450mm。取折流板间的距离B=0.2D=0.2×1800=360mm。折流板的数目为：NB=7000/360-1=18块折流板厚度由下表确定为：δ=14mm5.3.7支座因为本设计反应器的体积比较大且高径比一般，所以支座选为圆筒形裙座。高度所以厚度根据经验选为20mm，开一个规格为DN600mm5.3.8反应器高度筒体高度：H1裙座高度：H2封头深度：H3上管板与上封头之间预留高度：L=300mm；标准椭圆形封头的直边高度由下表确定：h=40mm由于进料管为∅400×8mm，则反应器底部留出约1000mm位置安装进料管以及气体分布器。故反应器总高H=5.3.9出料管由物料衡算知反应前物料流量为V=5970.3m3/h。设物料的出A则可计算得D=圆整到∅400×8mm。5.3.10进料管由物料衡算模拟数据可知，进料气在体积流率为

V取流速1m/s，则D=故圆整到∅400×7mm。5.4反应器压降压降计算公式如下：用Aspen得到相关物性数据如下表。空催化剂当量直反应器的压降小于反应器压力的15%，所以反应器压降满足本次设计的要求。5.5强度校核图5-2R0101设备校核结果5.6设备装置图6.换热器设计6.1设计选型6.2选型确定6.2.1工艺参数流股参数用Aspen对换热器进行计算，根据计算得到了换热器各流股参数如下表：压力设计经过优化，反应器管程工作压力是8.5bar，壳程工作压力是1设计的换热器选用的是设计温度下的最高工作压力，换热器的管程工作压力是9.4bar，壳程工作压力是温度设计本设计中将壳程的温度设为45℃，管程的温度设为110℃。6.2.2数据输入图6-2数据输入6.3换热器结构设计6.3.1结构参数图6-SEQ图\*ARABIC\s13Aspen数据截图6.3.2接管设计液体在壳程入口处的体积流量是31.64，液体在壳程入口处的流体流速是2m/s所以接管内径是：将所得数据圆整后，计算出接管尺寸是Ф77.93×5.49。液体在壳程出口处的体积流量是31.64，液体在壳程出口处的流体流速是2m/s所以计算液体在壳程出口处的接管内径是：将所得数据圆整后，计算出接管尺寸是Ф77.93×5.49。图6-SEQ图\*ARABIC\s14壳程出入口接管尺寸气体在管程入口处的体积流量是6，气体在管程入口处的流体流速是2m/s所以计算气体在管程入口处的接管内径是：将所得数据圆整后，计算出接管尺寸是Ф42.16×3.56。气体在壳程出口处的体积流量是5.6，气体在管程出口处的流体流速是2m/s所以计算气体在管程出口处的接管内径是：将所得数据圆整后，计算出接管尺寸是Ф42.16×3.56。图6-SEQ图\*ARABIC\s14管程出入口接管尺寸剩下的参数都是系统默认值。换热器的主要结构参数如图：图6-SEQ图\*ARABIC\s16结构选型参数6.3.3校核图6-SEQ图\*ARABIC\s17校核结果图6-SEQ图\*ARABIC\s18设备图图6-SEQ图\*ARABIC\s19换热器管板布置图6.4强度校核图6-SEQ图\*ARABIC\s110强度校核6.5设计小结图6-11设计小结安全技术与环保部分7.1安全技术1.生产的火灾危险性分类2．装置的火灾危险性分类本设计的车间分别是直接氯化车间、氧氯化车间以及热裂解车间。所以装置火灾危险性划分如下表。建筑物耐火等级划分建筑物耐火等级划分界区内装置间设计距离说明装置间距离见表。本项目与周边的设计距离说明装置与厂区周围距离见表。7.2环境保护7.2.1废气处理废气的主要成分是醋酸乙烯，属于有机化合物。现常用有机化合物处理方案有热破坏法、吸附法、生物降解处理方法、变压吸附分离与净化技术[11]。在装卸过程中，厂区内发生进、卸料废气泄漏，厂区应及时进行泄漏报警和处理，并且将泄漏的废气进行收集，集中运送到到厂区内的同一地点，抑制废气的再扩散。同时可以送到火炬处进行燃烧处理。7.2.2水质指标7.2.3固体废物产生情况及防治措施固体废弃物包括以下几种：乙烯氧氯化工段产生的催化剂残渣、EDC精制工艺产生的废弃物、EDC裂解产生的焦油，废催化剂和焦油按照国家低沸点危险废物处理和高焚烧材料管理系统进行运输和处理。8.经济分析8.1投资分析项目总投资汇总见下表。主要技术经济指标主要技术经济指标见下表。8.2现金流量估算8.3投资回收期到第八年累计净现金流量出现正值，第七年的累计净现金流量绝对值为7771.9万元，当年净现金流量为5468.5万元。故所以态投资回收期=8−1−5468.5/7771.9=6.30年＜10年结论本设计为10万吨氯乙烯氧氯化工段工艺设计。本次设计分为生产方案的选择、计算、总结，其中乙烯氧氯化工段的计算又分为物料衡算、反应器和换热器的计算及各部件的设计计算和强度核算。并对本方案进行经济分析。传统的乙炔法生产工艺和生产设备简单，生产能源消耗大，需要的原料成本高，催化水银盐毒性大，并且受到一系列限制，此法不适合大批量生产。本方案与乙炔法而言拥有良好的经济效益，较大地降低了规模以上单位工业的增加值能耗、二氧化碳排放量、用水量，大幅提升了工业固体废物综合利用率，提高了节能环保的能力。参考文献[1]张清亮，姜瑞霞，杜淼，纪业.固定床和流化床乙烯氧氯化工艺对比.[B].聚氯乙烯.2015.43(10).35-36.[2]刘革.氯乙烯生产技术进展及市场分析.[B].上海化工.2020.45(4).60-64.[3]李静.氯乙烯市场分析及预测.[B].现代化工.2020.20(3).42-44.乔玉元.乙烯和氯化氢生产氯乙烯的工艺研究.[B].化工管理.2020.06.200-201.[5]刘岭梅.乙烯氧氯化法氯乙烯技术进展.[B].中国氯碱.2007.14.14-15.[6]左志远，李涛，裴洪礼.乙烯氧氯化法氯乙烯生产过程及污染防治措施浅析.[B].中国氯碱.2014.12.29-31.[7]赵东涛，王浩.乙烯氧氯化法与电石法生产聚氯乙烯的环保效益.[B