毕业设计（论文）-年产8万吨PVC厂转化车间工艺设计

-41-第1章绪论1.1PVC工业的发展概况聚氯乙烯是当今世界上较为普遍又被大规模地应用的一种合成材料。自三十年代以来的很长期间，聚氯乙烯产量在世界塑料中一直居首位。六十年代后期，PVC被聚乙烯代替，而产量仍大于总塑料的四分之一。目前我国改性塑料年总需求量约为500万吨左右，大约占塑料总消费的10%。有着特殊要求的PVC材料，一般都从国外进口，经过我国科研所和生产单位的不断研究，PVC改性材料的生产已达国际先进水平，代替了进口材料，而且很多产品已出口国外[1]。1.2聚氯乙烯的概况 1.2.1聚氯乙烯分子式：结构式：1.2.2聚氯乙烯的特性（1）物理性质白色粉末，简称PVC，属于无定形共聚物。表观密度度0.4~0.65g·cm-3，密度1.35~1.45g·cm-3。比热容：Cp=0.932~1.003KJ·kg-1·℃-1。比重：1.392～1.400，一般是1.38左右。导热系数：0.16W·m-1·℃-1。溶解性：不溶于水、汽油、酒精、氯乙烯。但可以溶解于醚类、酯类和氯化脂肪烃等有机溶剂。折射率：1.52~1.55。（2）化学性质稳定性良好，能够于盐酸中产生氯化反应。PVC树脂只在火焰上燃烧，并且分解出氯化氢，CO，苯等，一离开火焰便马上熄灭。聚氯乙烯可阻燃，被大规模应用于防火。PVC抗冲击强度较好，常温常压时能达10MPa左右。热性能：软化点为80℃，不加热稳定剂的PVC在100℃时开始分解，在130℃上成皮革状。加热久了分解出氯化氢气体（有毒）而变色，加热温度超过180℃时，开始流动，温度超过200℃完全分解。光性能：纯的PVC在光和氧下分解，柔性降低，最后发脆。1.2.3聚氯乙烯制品的应用聚氯乙烯可以分为硬聚氯乙烯和软聚氯乙烯。其聚氯乙烯产品中硬制品占了65%的消费领域，而有35%用于软制品的生产。软PVC一般应用于电缆、地板、薄膜、天花板以及皮革的表层，但软PVC含柔软剂易变脆,不易保存，故其使用范围有一定的局限性。硬PVC不含柔软剂，柔韧性好，具有较好的抗压、抗拉、抗弯和抗冲击能力，具有很大的发展前景和价值，主要应用于型材、门窗、管材等方面。聚氯乙烯也应用于包装、建材、医药等行业，建材行业所用最多，约为60%，再者是包装行业，还应用于其他诸多小范围的行业。在德国，约40%的家具都是用聚氯乙烯来作为表面材料的。我国有聚氯乙烯树脂制造厂超过80家，分布于29个省、市、自治区，总产量约220万吨/年。1.3聚氯乙烯的合成方法（1）悬浮聚合法

原理：通过连续的搅拌使单体小液滴在水中一直处于悬浮的状态，所用的引发剂溶于单体中,聚合反应发生在单体小液滴中，加分散剂防粘并。生产工艺流程见图1-1。[2]干燥混合气精乙炔粗乙炔电石湿式发生清静混合脱水干燥混合气精乙炔粗乙炔电石电石渣HCl+H2O+NaClO电石渣HCl合成气精VC粗VC合成（转化）水洗、碱洗加压精馏悬浮聚合合成气精VC粗VCHgCl2废酸液+H2O废酸液+NaOH加引发剂PVC悬浮液PVC悬浮液湿PVC成品PVC干燥PVC后处理、离心干燥过筛包装成品PVC干燥PVC+NaOH加热风图1-1悬浮聚合生产PVC的工艺流程框图这种方法的优点是以水作为分散介质，安全、散热方便、温度容易控制，产品为固体颗粒，分离和干燥等方便，可用于大规模生产。缺点是分散剂易残留于聚合物中，导致透明度和纯度小。（2）乳液聚合法该法被大规模的用于制造糊树脂。与悬浮聚合法基本上类似。不同的是需要采用更为大量的水溶性乳化剂，溶于单体中而不是溶于水中。能预防聚合物粒子凝聚，从而产物的粒径很小。引发剂一般为含过硫酸盐的氧化还原体系，常采用一些喷雾干燥剂的干燥方法。由于乳化剂不能去除干净，故不能用于制造透明度好的产品或吸水性低的产品。通常情况下悬浮聚合所得到的聚氯乙烯树脂比乳液聚合的树脂便宜。

乳液聚合法的优点是传热、温度较易控制，周期短，产物比较匀而且分子量比较大；缺点是配方复杂，产品纯度差，除直接用乳液其余要经过破乳、洗涤、干燥等后处理，导致生产成本增加且树脂质量较差。（3）本体聚合法该法只加氯乙烯和引发剂。产品的透明度高、纯度高、电绝缘性好、不需要后处理设备、聚合设备也较简单、成本低、投资小、节能、易加工，缺点是聚合体系由于没加溶剂导致粘度大，聚合热难以导出，温度不易控制。如今该法的聚合釜技术不够成熟，处理不好会爆炸。（4）溶液聚合法氯乙烯聚合方法的比较见表1-1。表1-1氯乙烯聚合方法的比较项目悬浮聚合法本体聚合法溶液聚合法乳液聚合法配方组成单体、引发剂、分散剂、水单体、引发剂单体、引发剂单体、引发剂、乳化剂、水聚合场所单体液滴内本体内溶液内胶束与乳胶粒温度控制容易困难容易困难聚合速率较大中等小大分子量控制较困难困难容易容易生产特征间歇生产间歇生产可连续生产可连续生产产物特性及用途适合于注塑或挤塑树脂聚合物纯净、硬质注塑品涂料、黏合剂涂料、黏合剂

1.4设计目的和内容1.4.1设计目的随着建筑、包装等行业的发展，PVC的需求量逐年增加，中国聚氯乙烯产能已不能满足市场的需求，所以扩大聚氯乙烯的生产能力是很有意义的。本设计目的是年产8万吨PVC厂转化车间工艺设计。1.4.2设计内容本设计通过对各种生产聚氯乙烯的方法的比较，确定了采用电石乙炔法生产氯乙烯单体，对该工艺流程进行设计计算，对此工艺进行了物料衡算、热量衡算，对主要设备进行了设计与选型，并用AutoCAD绘制带控制点的工艺流程图，车间布置图，主要设备图。

第2章氯乙烯的生产工艺2.1氯乙烯的简介（1）化学式：CH2CHCl；分子量：62.50；不饱和度：1。（2）外观与性状常温常压下，氯乙烯为易燃、无色、易液化有类似醚气味的气体。（3）性质熔点：-159.7℃；沸点：-13.9℃；临界温度：142℃；临界压力：5.25MPa。饱和蒸气压：346.53kPa(25℃）。闪点：<-17.8℃；引燃温度：415℃。爆炸极限：与空气会形成爆炸混合物，在空气中3.6～26.4%(体积)。2.2合成方法2.2.1电石乙炔法（1）电石制备：乙炔制备：主反应：副反应：（2）氯化氢的合成：（3）氯乙烯的合成：主反应：副反应：目前，该方法在工业上依然采用以活性炭为载体的氯化汞作为反应的催化剂[3]。GJHutchings等人的研究说明氯化汞催化剂的衰减与反应气的流速、乙炔与氯化氢的比重成反比[4]。除杂反应（用次氯酸钠将杂质氧化得到酸性物质，再用NaOH中和酸性物质而除去）2.2.2联合法2.2.3乙烯法（即乙烯氧氯化法）主反应式为：（1）乙烯氧化（2）二氯乙烷热解脱氯化氢（3）氧化氯化氢为氯2.2.4工艺路线选择用于制造氯乙烯有两个商业原材料：乙烯或乙炔[5]。电石乙炔法的好处是工艺和设备都较简单易操作、投入少、收率大；缺点是原材料的成本较大、耗费的能量大、催化剂汞盐具有很高的毒性。汞催化剂失活后其活性不能够再生[6]。这个过程的特点是盐酸和乙炔在含有浸渍氯化汞活性碳催化剂的固定床反应器上简单的加成反应。这些反应器是催化剂填充在管中碳钢的管壳式换热器[7]。乙烯氧氯化法制氯乙烯特点是：利用二氯乙烷热裂解的氯化氢作氯化剂，使氯被充分利用，效率高、成本低、单体和杂质少能连续性操作。

根据任务依据和要求选择电石乙炔法制备氯乙烯。2.3主要原料及产物2.3.1电石分子式CaC2,分子量64.10。能够与水反应得到乙炔和Ca(OH)2。2.3.2氯化氢分子式：HCl，分子量：36.5。属强酸，在潮湿状态下，可以与多种金属反应得到氯化物。规格[8]：a.纯度大于或等于93%b.水分小于或等于0.06%2.3.3乙炔分子式：C2H2，分子量：26，具有弱酸性，无色，气体。其分子中的氢可以被某些金属取代得到盐，易燃易爆不稳定。规格[9]：a.纯度：大于或等于98.5%b.不含硫、磷、砷等杂质2.4其它辅助原料活性炭、氢氧化钠（分子量为40.08）、氯化汞触媒、氯气（分子量70.906）、去离子水、分散剂、引发剂等。2.5转化工艺流程2.5.1乙炔工段（1）发生。提升口的电石吊斗中装已破碎的电石升至三楼再送到发生器加料处贮存。持续通入氮气，先置换出乙炔气。电石通过电磁振动加料器加入到发生器内。发生器内不断通水其目的是与电石水解产生乙炔气并且带走了水解释放的大量热以维持发生器的温度。乙炔气从发生器的顶部逸出再经喷淋冷却进入乙炔气柜和水环压缩机。（2）清净。乙炔气被水环压缩机，通过水分离器再送到两个清净塔。NaOCl溶液通过泵至清净塔的塔顶，由塔底流出。废NaOCl溶液和冷却塔出来的废水回收到废NaOCl储罐，经废NaOCl循环泵至发生器内作补充用水。清净塔塔顶出来的乙炔气到中和塔除酸，再经二列管冷凝器除水，送氯乙烯工序。2.5.2氯化氢工段电解装置将H2和Cl2通过缓冲器和阻火器后按一定的摩尔比[H2:Cl=(1.05～1.1):1]，到合成炉混合燃烧。燃烧时温度约2000℃。靠冷却水散热，至炉顶出口温度降至100～150℃，再经过冷却水石墨冷却器冷却至约40～50℃，进入缓冲器，再到串联的-25℃的冷冻盐水石墨冷却器，冷却至-12℃～-18℃，送至酸雾分离器，冷凝酸排入酸贮槽。氯化氢经缓冲器送到氯乙烯合成装置或到纳氏泵压缩。2.5.3氯乙烯转化（1）混合脱水。粗乙炔气经砂封与HCl送至缓冲罐用孔板流量计调节比例在混合器内充分混合，再到石墨冷却器，用-35℃盐水冷却至-14℃±2℃，至多筒过滤器分离。再到两台石墨预热器预热后到达转化器。（2）合成转化。混合气送至转化器上部，经HgCl2催化剂转化得到粗氯乙烯，反应热被热水带走。粗氯乙烯中的HgCl2升华物于吸附器中脱除，送至水洗塔。（3）水洗、碱洗、氯乙烯压缩。粗氯乙烯经水洗塔、碱洗塔，洗去残留的少量HCl后一部分进入VC气柜一部分进入机前冷却器，除部分夹带液，再经过压缩机，送到机后冷却器除夹带水和油，进入精馏系统。（4）精馏。粗氯乙烯气体通过全凝器，冷凝大部分气体通入低沸塔，未凝气体再经过尾气冷凝器进一步冷凝后，再到低沸塔。通过塔釜的加热器加热把低沸物蒸出，到达塔顶控制部分回流，再到达尾气冷凝器，未冷凝的气体回收后，将惰性气体排空。塔釜的粗氯乙烯用调节阀调节流量，减压后通入高沸塔。氯乙烯高沸加热器加热而逸出。通过塔板分离得到氯乙烯，塔顶将部分物料回流，大部分的氯乙烯到达成品冷凝器，再被送至单体储罐，可以进入聚合车间。高沸物被送至残液槽，一段时间内压到废液处理塔。2.6本章小结本章系统地介绍了氯乙烯单体的三种生产方法：电石乙炔法、乙烯氧氯化法以及联合法，确定了本设计采用的生产方法，即电石法生产氯乙烯单体，介绍了主要物料和产物的相关性质，为下面的物料衡算及热量衡算提供依据。第3章物料衡算与热量衡算3.1物料衡算假设各单元的操作是连续进行的，倒推计算法。即通过转化率或者是损失率计算得到原料的投料量，然后依照操作次序对各单元的操作依次进行物料衡算。3.1.1计算依据（1）计算标准产量要求：年产8万吨的聚氯乙烯年工作日：以300日设计每天产能：每小时产能：因为聚合物通常转化率在85%～90%之间[11]，另外由于在洗涤树脂、包装工段方面有损失，本设计选取转化率为85%。x·85%11111kg所以每小时要生产氯乙烯13071.9kg（2）化学方程式主反应：副反应：

（3）倒推法计算精馏：（氯乙烯的收率：99.5%）：转化器：（乙炔转化率：95%）：可得进气中：3.1.2计算混合器物料衡算（1）混合器的物料方框图，见图3-1。CH≡CHCH≡CHHClO2H2O乙炔乙炔氯化氢混合器混合器图3-1混合器的物料方框图计算依据：CH≡CH和HCl的摩尔比为：1：1.05～1.1[11]。本次设计中取：（2）进料气体中各成分的比重，见表3-1。表3-1进料气体成分比重进料气成分百分比，%乙炔乙炔99.9水0.1氯化氢氯化氢99.95水0.01氧气0.04通过上表计算可得：进料气中乙炔气：进料气的氯化氢量也就是CH≡CH:HCl:O2:H2O:（3）出料：依据：水分大部分以酸雾到达下一层，而有微量的水分以浓盐酸出来，本次设计中计算时可以忽略掉流出的浓盐酸的量[10]。CH≡CH:HCl:O2:H2O:（4）混合器物料衡算，见表3-2。表3-2混合器物料衡算表进料质量，kg百分比，%出料质量，kg百分比，%CH≡CH5752.878639.699CH≡CH5752.878639.699HCl8730.982560.25HCl8730.982560.25O23.06340.021O23.06340.021H2O4.41750.03H2O4.41750.03总物料量Σ14491.342100总物料量Σ14491.342100石墨冷却器物料衡算CH≡CHHClO2CH≡CHHClO2H2O石墨冷却器混合气石墨冷却器混合气盐酸盐酸图3-2石墨冷却器物料方框图根据：在石墨换热器中，用约-35℃的盐水间接性冷却，混合气中的水分中的一部分会以40%盐酸的方式流出，还有一部分夹带于气流中而排出[12]。本设计混合器中，选择作为40%盐酸排出的水分量与总水量的百分比为30%。（2）进料：CH≡CH:HCl:O2:H2O:（3）出料：CH≡CH:O2:H2O:因为所以那么HCl:盐酸:

（4）石墨冷却器物料衡算表，见表3-3。表3-3石墨冷却器物料衡算表进料质量，kg百分比，%出料质量，kg百分比，%CH≡CH5752.878639.699CH≡CH5752.878639.699HCl8730.982560.25HCl8730.098860.244O23.06340.021O23.06340.021H2O4.41750.03H2O3.0920.021——————盐酸2.2090.015总物料量Σ14491.342100总物料量Σ14491.3418100多筒过滤器物料衡算依据多筒过滤器中，采用3～5%憎水性有机硅树脂的5～10um细玻璃纤维，能把大部分酸雾分离，然后以盐酸的形式排出[10]。本设计选择：盐酸百分比为38%，除水量百分比为80%。（1）进料：CH≡CH:HCl:8730.0988kg（239.1808kmol）H2O:3.092kg（0.1718kmol）O2:3.0634kg（0.0957kmol）（2）出料：CH≡CH:5752.8786kgO2:3.0634kgH2O:因为所以HCl:盐酸:

（3）多筒过滤器物料衡算，见表3-4。表3-4多筒过滤器物料衡算表进料质量，kg比重，%出料质量，kg比重，%乙炔5752.878639.705乙炔5752.878639.705HCl8730.098860.253HCl8728.582760.242O23.06340.021O23.06340.021H2O3.0920.021H2O0.61840.004——————盐酸3.98970.028总物料量Σ14489.1328100.0总物料量Σ14489.1328100.0石墨预热器物料衡算石墨预热器物料衡算见表3-5。表3-5石墨预热器物料衡算表出料质量，kg比重，%CH≡CH5752.878639.716HCl8728.582760.259O23.06340.021H2O0.61840.004总物料量Σ14485.1431100.0转化器物料衡算（1）转化器物料方框图，见图3-3。CH≡CHCH≡CHHClO2H2O转化器CH2=CHClHClCH≡CHO2H2O图3-3转化器物料方框图根据转化率为95%[10]。（2）进料：CH≡CH:5752.8786kg（221.265kmol）HCl:8728.5827kg（239.1393kmol）H2O:0.6184kg（0.0344kmol）O2:3.0634kg（0.0957kmol）

（3）出料：CH2CHCl:CH≡CH:HCl:O2:3.0634kgH2O:0.6184kg（4）转化器物料衡算，见表3-6。表3-6转化器物料衡算表进料质量，kg百分比，%出料百分比，kg百分比，%HCl8728.582760.259CH≡CH287.64391.986O23.06340.021HCl1056.22337.292H2O0.61840.004O23.06340.021——————H2O0.61840.004总物料量Σ14485.1431100.0总物料量Σ14485.1584100.0除汞器物料衡算除汞器物料衡算，见表3-7。表3-7除汞器物料衡算表出料质量，kg百分比，%CH2=CHCl13137.609490.697CH≡CH287.64391.986HCl1056.22337.292O23.06340.021H2O0.61840.004总物料量Σ14485.1584100.0

石墨冷却器Ⅱ物料衡算石墨冷却器Ⅱ物料衡算见表3-8。表3-8石墨冷却器Ⅱ物料衡算表出料质量，kg百分比，%CH2=CHCl13137.609490.697CH≡CH287.64391.986HCl1056.22337.292O23.06340.021H2O0.61840.004总物料量Σ14485.1584100水洗泡沫塔物料衡算根据：水洗泡沫塔所回收的过量的氯化氢，水洗泡沫塔用高位槽低温水喷淋，一次（不循环）喷淋能得到20%的盐酸[11]。设回收盐酸的回收率为98%（1）进料：CH2=CHCl:13137.6094kgCH≡CH:287.6439kgHCl:1056.2233kgO2:3.0634kgH2O:（2）出料： CH2=CHCl:13137.6094kgCH≡CH:287.6439kgHCl:回收的盐酸：H2O:

（3）水洗泡沫塔物料衡算，见表3-9。表3-9水洗泡沫塔物料衡算表进料质量，kg百分比，%出料质量，kg百分比，%CH2=CHCl13137.609470.535CH2=CHCl13137.609470.535CH≡CH287.64391.544CH≡CH287.64391.544HCl1056.22335.671HCl21.12450.113O23.06340.016O23.06340.016H2O4141.013722.233H2O0.61830.003——————盐酸5175.494227.787总物料量Σ18625.5537100.0总物料量Σ18625.5537100.0碱洗泡沫塔物料衡算（1）碱洗泡沫塔物料方框图，见图3-4。CHCH2=CHClCH≡CHHClO2H2O碱洗泡沫塔CH2=CHClCH≡CHO2H2O图3-4碱洗泡沫塔物料方框图（2）进料：（3）出料：由于HCl和碱液中和被吸收，故出料气中不含有HCl气体

（4）碱洗泡沫塔物料衡算，见表3-10。表3-10碱洗泡沫塔物料衡算表出料质量，kg百分比，%出料质量，kg百分比，%CH2=CHCl13137.609497.677CH2=CHCl13137.609497.677CH≡CH287.64392.139CH≡CH287.64392.139HCl21.12450.157O23.06340.023O23.06340.023H2O0.61830.005H2O0.61830.005HCl（除去的）21.12450.157总物料量Σ13450.0595100.0总物料量Σ13450.0595100.00总物料衡算总物料衡算，见表3-11。表3-11总物料衡算表进料质量，kg百分比，%出料质量，kg百分比，%CH≡CH5752.878630.877CH2=CHCl13137.609470.512HCl8730.982546.861CH≡CH287.64391.544O23.06340.016H2O0.61830.003H2O4144.816522.246O23.06340.016——————HCl（碱洗掉的）21.12450.113——————20%盐酸5175.494227.778——————38%盐酸3.98970.021——————40%盐酸2.2090.012总物料量Σ18631.741100.0总物料量Σ18631.7524100.0注：进料中水的量为：3.2热量衡算3.2.1衡算方法 （3-1）入方：Q1：物料带入热； Q2：加热剂或冷却剂带入热； Q3：过程热效应；出方： Q4：物料带出热； Q5：热损失。设Q5是Q2的5%“-”表示吸热，“＋”表示放热。 （3-2）式中：ci：i组分的热容；wi：i组分的质量分数（含量少的物质对混合体系热容的影响可不计）同种物质的平均比热容： （3-3）其中，Cp1和Cp2为状态1和状态2下的比热容。3.2.2计算石墨冷却器热量衡算石墨冷却器物料表，见表3-12。表3-12物料表进料质量，kg出料质量，kgCH≡CH5752.8786CH≡CH5752.8786HCl8730.9825HCl8730.0988O23.0634O23.0634H2O4.4175H2O3.092————40%盐酸2.209总物料量Σ14491.342总物料量Σ14491.3418进料温度：25℃，出料温度：-13℃。25℃为计算基准。计算：Q1：进料温度25℃，则Q3：HCl溶于水释放的热以和水蒸气液化所释放的热生成40%盐酸时，HCl的水溶液的生成热为：则HCl溶于水放出的热量为：水液化放出的热：则Q2：因为所以所以

故可得出石墨冷却器热量衡算，见表3-13。表3-13石墨冷却器热量衡算表名称入，kJ名称出，kJCH≡CH0CH≡CH-295559.891HCl0HCl-284669.3157O20O2-76.0152H2O0H2O-221.8759冷凝热6546.894盐酸-269789.588盐水吸热-901961.6629损失-45098.0831Σ-895414.7689Σ-895414.7689石墨预热器热量衡算石墨预热器物料表，见表3-14。表3-14物料表出料质量，kgCH≡CH5752.8786HCl8728.5827O23.0634H2O0.6184总物料量Σ14485.1431进料温度：-13℃，出料温度：75℃。以-13℃计算为基准计算：Q1：进料温度-13℃，则Q2：因为所以所以故可知石墨预热器热量衡算，见表3-15。表3-15石墨预热器热量衡算表名称入，kJ名称出，kJCH≡CH0CH≡CH911255.9702HCl0HCl659042.9082O20O263.6207H2O0H2O102.5258蒸汽加热1653121.079损失82656.054Σ1653121.079Σ1653121.07转化器热量衡算转化器物料表，见表3-16。表3-16物料表进料质量，kg出料质量，kgCH≡CH5752.8786CH2=CHCl13137.6094HCl8728.5827CH≡CH287.6439O23.0634HCl1056.2233H2O0.6184O23.0634————H2O0.6184总物料量Σ14485.1431总物料量Σ14485.1584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。计算：Q1：进料温度75℃，则Q2：因为所以所以故可知转化器热量衡算，见表3-17。表3-17转化器热量衡算表名称入，KJ名称出，KJCH≡CH0CH2=CHCl390935.8429HCl0CH≡CH19067.9141O20HCl32235.9351H2O0O225.947反应热26233122.24H2O41.2751循环水-26183568.86损失-392753.5329∑49553.38∑49553.38

石墨冷却器热量衡算石墨冷却器物料表，见表3-18。表3-18物料表出料质量，kgCH2=CHCl13137.6094CH≡CH287.6439HCl1056.2233O23.0634H2O0.6184总物料量Σ14485.1584进口温度：110℃，出口温度：25℃。以110℃为计算标准。计算：Q1：进料温度110℃，则Q2：因为所以所以故可知石墨冷却器热量衡算，见表3-19。表3-19石墨冷却器热量衡算表名称入，kJ名称出，kJCH≡CH0CH2=CHCl-957009.1567HCl0CH≡CH-45574.2995O20HCl-77416.4149H2O0O2-260.389循环水-1137221.446H2O-100.1134————损失-56861.0723∑-1137221.446∑-1137221.44冷却水消耗（1）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：-20℃。40%盐水的比热容[8]：。所以所以（2）循环水：在石墨预热器时，进口温度：110℃，出口温度：95℃。95℃时，110℃时，则消耗水的质量①在转化器中，进口温度：95℃，出口温度：110℃。则消耗水的质量②在石墨冷却器Ⅱ中，进口温度：15℃，出口温度：95℃95℃时，15℃时，则消耗水的质量由计算可得水的消耗统计，见表3-20。表3-20水的消耗统计表名称分相热量，kJ质量，kg盐水石墨冷却器901961.662918709.016循环水石墨预热器1653121.07926078.5783转化器26233122.24413836.9181石墨冷却器Ⅱ1137221.4463384.5876∑∑29925426.43462009.1由于水的循环利用从石墨冷却器到达转化器中被利用再到石墨预热器被利用。故：实际上水的消耗量=m转化器-m石墨冷却器-m石墨冷却器Ⅱ3.3本章小结本章通过氯乙烯生产反应原理，绘制了氯乙烯生产工艺各设备的物料方框图，结合各物质相关物性数据，对设备进行了物料衡算和热量衡算，并列出了物料衡算表和热量衡算表，为接下来的设备选型提供了相关数据依据。

第4章主要设备的设计与选型4.1转化器的设计4.1.1主要的工艺条件反应混合气进口温度为75℃,反应温度为150℃,循环冷却水进口温度为95℃,出口温度为99℃,体积空速为SV=3000h-1,管内压力为0.049Mpa,管外压力为1MPa。原料气体的进料体积流量为：则催化剂的填充量反应器的床层高度为：床层截面积为：常见的列管式反应器，见表4-1。表4-1常见的列管式反应器列管根数列管，mm×mm传热面积，m2氯化汞容积，m361357×3.53353.6137745×3.55844.6880357×3.54004.7160050×39808故选择转化器的规格为器内的列管规格为Φ50mm×3mm(直径×壁厚)的列管数量选取1600根,换热面积980m2。管间距,管长度。对数平均温差(以逆流计算)： （4-1） 其中，与分别是换热器进、出口处两侧液体温度差4.1.2计算 （1）选择氯乙烯转化器反应管材质为A3钢,假设,因此按工厂实际经验，取圆整取6台，同时设1台备用，则总转化器的台数为7台，分两组，一组3台，另一组4台。由于A实际﹥A需要，所以此种转化器能满足要求，物料并没有占满整个转化器。（2）壳体大于400mm用钢板卷焊而成[13]，壳体内径D取决于传热管数n，排列方式和管心距： （4-2）其中：t：管心距，d0：换热管的外径nc：横过管束中心线的管数，该值与管子排列有关本设计采用正三角排列，则圆整到2400mm查找资料，为了保证反应气体流速平稳，固定床反应器的长径比通常为2~4。由于本设计的,故本设计所选的反应器规格符合条件。（3）封头的选择选择20R的材料作为筒体和封头的材料，选用DN=2400mm的标准椭圆封头。曲边高度h1=600mm，直边高度h2=40mm，内表面积A=6.5453m2，容积为V=1.9905m3。（4）筒体厚度计算： （4-3）封头的壁厚： （4-4）式中：Pc：计算压力，取；；：设计温度t下的许用应力采用双面焊，局部无损检测，焊缝接头系数；查文献[13]得20R在150℃的（标准椭圆封头）；筒体厚度：取腐蚀余量，设计厚度取钢板厚度负偏差（假定钢板在8~25mm），则：圆整后取名义厚度检查：时，、C1无变化，故取合适。封头厚度：取腐蚀余量，设计厚度取钢板厚度负偏差（假定钢板在8~25mm），则：圆整后取名义厚度检查：时，、C1无变化，故取合适。查找资料[10]，为了满足及时转移反应释放的热量，以确保反应温度不超过最大限额，可以采用将转化器换热分为三层，三层同时进行散热[10]。（5）水压试验时压力及应力校核筒体的有效厚度查找化工设备基础资料得：， （4-5）则： （4-6）则： ，满足水试验要求。4.1.3主要管道的选型查找资料[14]，最实用的管径的选择方法：对于长距离管道或大直径管道应根据最经济管径选择；对于较小直径的管道，往往根据经验决定也可用计算式，近似地估算经济管径。碳钢管的计算方法如下： （4-7）其中：：最经济的管径，mmG：流量，kg·s-1：密度，kg·m-3 （4-8）其中：P：压力，atm； （4-9）其中：Mi：i组分的摩尔质量xi：i组分的百分比（1）转化器进料管圆整到116mm查找资料[14]，选择型号。选用，材料无缝钢管。

（2）转化器出料管圆整到96mm。查找资料[14]，选择型号。选用，材料的无缝钢管。（3）转化器循环水管圆整到62mm查找资料[14]，选择型号。选用，材料16Mn的无缝钢管。4.1.4其它附件采用凹面法兰A2400-0.25，材料为20R，标准号JB4701-92。分布板采用ZB04-FYQ28，20R材料的。分配环选用ZB04-FYQ28，20R材料的。筒体选用ZB04-FYQ28，20R材料的。

4.2石墨冷却器的选型4.2.1已知条件总热负荷：盐水流量：进口温度t1：-35℃出口温度t2：-20℃混合气进口温度T1：25℃出口温度T2：-13℃4.2.2计算和选型 （4-7） （4-8）其中，T：热流体温度t：冷流体温度则：

查找资料[13]知：查找资料[14]，列管式换热器中的总传热系数K的经验值，取。查找资料[15]，浮头列管式石墨换热器系列参数组合，采用反应液走壳程，循环盐水走管程，管内流速为0.5m·s-1，管径选的传热管。；则单程传热管数为：单程管所需传热管的长度为：按照单程管设计时传热管过长，故采用多管程结构。取传热管长l=5m，则管程数为传热管根数为：管子采用正三角排列，管心距隔板中心到离其最近一排管中心距离：各程相邻管心距为44mm。取管板利用率，换热器内径为圆整至1100mm选用换热管有效长度为5000mm，换热管根数为792根，型号：CHA1200-305（F），A型。4.3石墨预热器的选型4.3.1已知条件总热负荷：盐水流量：进口温度T1：110℃出口温度T2：95℃混合气进口温度t1：-13℃出口温度t2：75℃4.3.2计算和选型则：查找资料[13]，可知查找资料[14]，列管式换热器中的总传热系数K的经验值，取。查找资料[15]，浮头列管式石墨换热器系列参数组合，选用换热管有效长度为5000mm，换热管根数为450根，型号CHA1300-350（F），A型。4.4石墨冷却器Ⅱ的选型4.4.1已知条件总热负荷：盐水流量：进口温度t1：15℃出口温度t2：95℃混合气进口温度T1：150℃出口温度T2：25℃4.4.2计算和选型则：查找资料[16]，可知查找资料[14]，列管式换热器中的总传热系数K的经验值，取。查找资料[15]，浮头列管式石墨换热器系列参数组合，选用换热管有效长度为5000mm，换热管根数为761根，型号：CHA1000-150（F），A型。4.5水洗塔的设计4.5.1水洗塔的物料量水洗塔物料，见表4-2。表4-2泡沫水洗塔的物料量表进料质量，kg物质的量，kmolCH=CHCL13137.6094210.2018CH≡CH287.643911.0632HCl1056.223328.9376H2O0.61830.0344O23.06340.0957Σ14485.1583250.3327塔内液体表面张力混合气密度：液体密度L：1000kg·m-3混合气流速：另加水4141.0137kg·h-1液体流速：4.5.2塔径的计算取塔板间距HT为0.40m,板上液层高度hL为0.07m.则查表得则经验系数安全系数为0.8，则空塔气速为：初步估塔径按标准塔径圆整后取塔径为，厚度为10mm，实际内径横截面积为：实际操作空塔气速4.5.3塔板主要工艺尺寸的计算因塔径D=1.2m,可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘，计算如下：（1）堰长lw，（2）溢流堰高度hw由于选用平直堰，堰上液层高度how为：近似取，则：取板上清液层高度故：（3）弓形降液管宽度Wd和截面积Af由，查图得：,故降液管面积则允许的有效空塔速度4.5.4雾沫夹带量，故在本设计中雾沫夹带量ev在允许范围内。

4.5.5停留时间从以上计算可以初步认为塔径取1.2m是合适的。4.5.6塔板布置（1）边缘区宽度确定取,，（2）每层板上开孔区面积Aa计算其中则（3）筛孔计算及其排列取筛孔直径，筛孔按正三角形排列，取孔中心距为：筛孔数n：个开孔率：每层板上筛孔的面积气体通过阀孔的气速为：通过以上所有的计算和验算，故从理论上可知该塔完全符合操作工艺。结构如下：塔身：Φ1200×10×5450mm，材料：A3钢内有10mm的喷涂层塔板：厚度为30mm，材料：酚醛层压板共6块。溢流管：Dg=125mm，材料：耐酸酚醛管。4.6本章小结本章对转化器的直径、列管规格、高度、封头、壁厚以及各接管规格，与之配套的换热器的直径、长度、管数等进行了设计和选型，并确定了最终尺寸，同时进行了水压测试，证明所设计的设备均能满足反应要求。还对水洗泡沫塔的塔径、塔板等进行了设计和选型。

结论通过阅读大量的相关资料，结合我国的现实情况确定了年产8万吨聚氯乙烯厂转化车间的生产方法和流程，确定了相应设备的型号。并且学会了AutoCAD作图法，利用该软件绘制了带控制点的工艺流程图、车间布置图、设备图等相关设计图纸。这次的设计让我了解了有关聚氯乙烯的合成方法，并且熟悉了单体氯乙烯的相关性质、生产方法以及各种方法的优缺点，掌握了设计计算及设备选型的方法。也让我意识到了理论与实际的差别，意识到自己知识的缺乏，以后应该努力全面学习知识。由于掌握的知识不够全面，这次设计中不免有很多不足，希望老师和同学们批评指正。

致谢在这三个月的设计中，参考了其他的工艺和文献，特别是郭老师的悉心指导，使我的论文更完美。郭老师的严肃认真以及耐心的指导使我受益匪浅，老师对我们的帮助和关心使我记忆深刻。在这里我要特别感谢郭英老师的帮助。在此，我也要特意感谢在这次设计中帮助到我的同学，尤其是张同学和邢同学，给了我很多的建议，谢谢。

参考文献[1]孙立梅，陈占勋．聚氯乙烯耐热性研究的现状与进展[J]．青岛：青岛科技大学，2012．2

，54（1）：22-23

．[2]余国琮．化工工艺设计手册[J]．化学工业出版社，2003,23（1）：402-403．[3]NKOSIB,COVILLENJ,HUTCHINGGJ.Vapourphasehydrochelorinati-onofacetylenewithgroupVIIIandIBmetalchloridecatalysts[J].AppliedCatalysis,1988,43(1):33-39.[4]BREMERH,LIESKH.KineticsofthehydrochlorinationofacetyleneonHgCl2activecarboncatalysis[J].AppliedCatalysis,1985,8(1):191-203.[5]ROYT.Poly(vinylchloride)TheVinylInstitute.ADivisionoftheSocietyofthePlasticsIndustry,NewYork,NY100172TennecoPolymers,Inc,Flem-ington[J].AppliedCatalysis,1988,46(1):18-22.[6]HUTCHINGSGJ,GRADYDT.Hydrochlorinationofacetylene.Theeffectofmercuricconcentrationoncatalystlife[J].AppliedCatalysis,1985,17(1):155-160.[7]DUWELIUSA.GOODRICHBF,OHIO,C.VinylChlorideMonomerandPoly(vinylchloride)[J].AppliedCatalysis,1975,19(1):44-115.[8]时钧，汪家鼎，陈敏恒．氯碱工业理化常数手册[J]．中国石化出版社，1998，8(1)：206-207．[9]韩冬冰．化工工艺学[J]．中国石化出版社．1980，7（1）：216-220． [10]丁荣军，冯江华，刘可安．株化诚信公司工艺技术规程[J]．中国石化出版社，1989，9（8）3-7，15-18，22-25，42-48，67-73，76-77．[11]王书芳．氯碱化工生产工艺：聚氯乙烯及有机氟分册[J]．化学工业出版社，1995，33（1）：1-3，59-64，50-64，165-167，174-175．[12]傅启名．化工设计[J]．中国科学技术出版社，1995，37（1）：83-90．[13]刁玉玮，王立业，喻建良．化工设备机械基础第六版[J]．大连理工大学出版社．1985，42（1）：47-52．[14]余国琮．化工机械工程手册[J]．化学工业出版社，2003，8（1）：56-62．[15]王志魁，刘丽英，刘伟．化工原理课程设计[J]．中国石化出版社，2009，9（1）：44-45．[16]张受谦．《化工手册》[J]．化学工业出版社，1997，6（1）：188-193．

附录A氯乙烯单体和聚（氯乙烯）L.A.DUWELIUSB.F.GoodrichChemicalCo.,3135EuclidAve.,Cleveland,Ohio44115H.R.SHEELYandS.T.SHIANGTheBadgerCo.,Inc.,OneBroadway,Cambridge,Mass.02142在过去的几年里，世界范围内聚氯乙烯[聚（氯乙烯）]的消费急剧增加。它现在的消费突破80亿磅每年。VCM（氯乙烯单体）的生产也得到了扩展，以满足PVC需求。VCM和PVC生产在未来五年趋势的预测在于原料来源，生产VCM和PVC不同的工艺技术，以及它们的相对经济性，技术优势和局限性的基础上。VCM将主要通过乙烯流化床氧氯化氢处理和氯化乙烯的热裂解的乙烯路径制造。PVC将通过生产专门针对特定终端市场和新的加工技术的更专业的PVC品种的各种方法生产。聚（氯乙烯），像这样今天许多年轻的篮球运动员，是“七英尺高，并还在不断增长。”自1926年在迷人的实验室被发现，它已经成长为塑胶行业的探明主力。PVC在美国和世界的消费在过去的二十年中一直稳步推进，最近，以每年10％的速度增长。随着新的应用领域不断被开发，并与其他竞争材料相比价格仍然是有吸引力的，但预计在70年消费将以高速率继续增加。PVC发展图1显示了从1950年初到现在PVC消费在欧洲（1）美国（2）和日本（3,4），的不断壮大，并指出，这种趋势有望继续。到1975年，每一个领域应该产生超过40亿磅/年。图2显示了在美国（2）聚氯乙烯的平均价格在相同的时间段如何下降的。这些数字代表包括除了通用树脂的特色产品的平均价格。未来五年的小幅上升趋势表示主要是通货膨胀的结果。图1.PVC消费（基于来自参考文献的内容1，2,3，和4）图2.美国PVC价格（基于文献资料2）要了解PVC在与其他几十个塑料材质的相比的PVC使用急剧增加，我们必须超越最初聚合物的价格不断下降的结果的假设。螺旋式消费是产物的有用性的主要结果。该价格下降是技术进步的结果，主要是在单体生产，加上聚合物市场竞争日趋激烈的领域。例如，在美国聚合物生产的数量在过去的20年从六个增加至26。换句话说，PVC的流行是因为它的多功能性。由于它的普及，制造商一直在积极地开发更高效，更便宜的PVC，也就是生产它。PVC应用这种聚合塑料材料的非凡的多功能，使得它今天成为最广泛使用的无数聚合物和共聚物之一，被其最终使用范围证明。PVC产品具有结合度强，亮度和惰性，良好的韧性，优良的色彩吸收，电绝缘性能，结晶度，并容易用许多方法加工成巨大的多种形式的能力的特性。由PVC制成的产品具有从一个柔软的，有弹性的手感的娃娃的脸颊到高冲击强度的刚性管道的属性。作为增塑溶胶或有机溶胶，聚氯乙烯可通过旋转模塑或涂凝模塑来形成，转化为海绵或泡沫，或涂覆到复杂的固体形状。PVC乳胶是用在涂料，密封剂和粘合剂上。图3显示了美国（5）PVC的制备，最终用途，排列成类。约35％的PVC树脂被挤压成管，复杂的形式，或平板。另外32％碾成电影和地板材料。约12％的注射成型或吹塑成型为包，履历，和其它形式;较少量涂布到纸或织物。大约有4％用于出口。很容易发现这种非常通用的材料的需求如何刺激其生产的极大兴趣。图3.美国PVC最终用途（基于文献数据5）VCM生产生产氯乙烯单体（VCM）的技术进步导致了聚合物的价格下降。图4显示了这一说法;氯乙烯单聚体（1）20年表示全年两个不同的基物乙炔和乙烯制成的单体的价格作两条曲线。经典的乙炔路线是第一个进行商业开发的，但其受欢迎程度已经下降，因为更多的进程被开发，可以利用乙烯，更便宜的基础物质。使用乙烯代替乙炔作为生产氯乙烯单体的基础物质代表的不仅在原料成本的节省，也在于生产成本的降低（3，6，7），如示于图5.在这些图中，从三个来源的单位成本已经降低到一个共同的基础。总的制造成本，以及原材料成本，乙烯基较乙炔基低，而运营成本，即生产成本减去原料成本，乙炔较乙烯高。在图5中所示的三个途径是经典的全乙炔，全乙烯路线，以及利用乙炔和乙烯的混合物“平衡”的路线。在三个不同的路径生产VCM这一点上的审查将有助于确定存在于成本因素之间的关系。图4.美国VCM生产和价格（数据参考文献1）图5.美国VCM制造成本和生产原材料成本（根据数据从参考文献3,6和7）全乙炔路线。全乙炔路线，图6，是第一个被开发。1937年古德里奇建立一个VCM和PVC中试工厂，并在1940年尼亚加拉大瀑布的位置它被商业化生产PVC。这个过程（8）的特点是盐酸和乙炔在含有浸渍氯化汞活性碳催化剂的固定床反应器上简单的加成反应。这些反应器是催化剂填充在管中碳钢的管壳式换热器。各种技术被用来确保流体通过许多管均匀分布流动，避免出现热点，并从该催化剂获得最大生产率。该过程的其余部分包括气体干燥进料，VCM的回收和纯化，未反应的乙炔的恢复，和废物处理。乙炔过程的终产物为含有一些含水的杂质如乙醛，还有与其他进程相关联的的一些有机杂质如丁二烯，乙烯和丙烯的高纯度单体。乙炔乙烯路线。“平衡”路线（8），是在1950年同时由几家公司开发的，作为更便宜的石化原料开始进入画面。在此过程中，基础物质是从全乙炔变为一半乙炔和半乙烯，由此对相对较高的价格的乙炔提供一些缓解。它也允许从无水盐酸转换到氯气，因此大大降低氯乙烯的成本。这个过程在图7中被示意性指出，进料的乙烯中部分与氯在氯化铁催化剂的存在下（9）在液相中通过简单的加成反应产生1,2-二氯乙烷（EDC）。热脱氯化氢或开裂生成中间EDC，然后生产氯乙烯单体和副产物盐酸（1）。乙炔仍然需要作为所有原料的其他一部分，与该副产物HCl反应生成VCM作用在全乙炔路线。EDC的裂解是这个过程的一个组成部分。在工厂设计要点包括裂解炉，其利用合金管，如镍铬合金或者镍铬铁合金，急冷塔温度快速下降过程和蒸馏塔分离HCl和净化VCM。开裂压力决定了盐酸塔的设计。低压生产的工艺中，炉出口气体必须被压缩，或者盐酸隔板必须被设计为工作在非常低的温度和高的制冷负荷。图6.全乙炔路线VCM现在许可最成功的EDC裂化过程是Goodrich和FarbewerkeHoechstStauffer以及ToyoSoda和Kureha.Farbewerke的联合流程。这些方法通常是相似的，但其操作条件可变性很大。大多数工厂使用乙炔和乙烯的独立的进料流，但也有一些使用混合进料流。联合碳化物公司，Kureha,和日本的Geon都是用混合乙炔-乙烯原料生产VCM的过程。图7.均衡的乙炔，乙烯路线VCM武尔夫过程，是在欧洲和南美不同程度的操作成功，采用裂解轻质石油馏分的双蓄热式加热炉。炉中的混合气体产物首先与HCl相结合，可与乙炔反应形成VCM。然后，乙烯与氯反应生成EDC。一个EDC裂化工艺将EDC转化为VCM和HCl，HCl再循环与混合气体产物中的乙炔发生反应。应用于日本的Kureha过程，采用石脑油或在某些情况下重质馏分的火焰开裂。混合气体的处理基本上与武尔夫过程的说明相同。在日本的GeonGPA过程中，混合气体流中的乙炔是萃取和浓缩的溶剂。乙炔再与来自EDC裂解厂的HCl反应生成VCM。剩余的乙烯被氯化为二氯乙烷，然后裂解以形成VCM和HCl。图8.生产VCM的全乙烯路线全乙烯路线。在60年代早期的全乙烯路线（6，10，11，12，13，14，15，16，17，18）生产VCM，如图8所示，氧氯化氢处理进程的发展使其成为可能。在这个过程中，它取代了均衡路线的乙炔盐酸部分，从EDC裂化反应产生的副产物HCl与乙烯和氧气在氯化铜催化剂存在的情况下，生产EDC。该氧氯化氢处理过程可以利用流化床，固定床或液体和固定床串联的任意一种。公布的经济数据（3）表明，这些设计的各种各样反应器提供了同样的潜在的经济收益;然而，流体床系统在商业运作上一直是最成功的，原因如下：单程转化率高，消除了原料再循环流（b）优越的温度控制，生产的高纯度的粗产物（c）没有热点，导致催化剂寿命不确定（d）易于操作的催化剂（e）不存在反应器的腐蚀，允许使用碳钢结构（f）传热系数高，这使得在反应器中直接产生的高压蒸汽。有原料成本低的优点，同时，尽管可能存在反应堆腐蚀，单程转化率低，温度分布差造成热点的弊端的固定床系统被广泛的许可应用。流化床氧氢氯化系统目前最广泛用于工业中。聚合氯乙烯单体的生产只是聚氯乙烯生产的一部分。单体的聚合结束整个过程。商业上，它是通过悬浮法，乳液法或本体法三种方法之一的间歇操作。在所有的三种方法中，化学反应是自由基引发链反应。过氧化物或氧化还原体系通常被用来提供初始自由基。该悬浮法的过程中，这是第一个发展，如今仍然是最常用的方法，采用在水中聚合以解决排热难的问题。通过加入悬浮剂助剂例如聚（乙烯醇）不断搅拌使单体液滴分散在水中保持悬浮状态。未反应的氯乙烯单体被回收，并且该聚合物是通过离心分离，干燥，包装。悬浮方法被用于生产通用树脂，后由挤出，压延，注塑成型制成的。另一种方法，乳液法的生产过程中，发展于欧洲，以满足具有小粒径，高堆积密度和低增塑剂吸收性能的树脂的需求。这些特性在制备增塑溶胶和有机溶胶，其中的树脂分散在液体增塑剂中是特别理想的。在该聚合过程中，加入乳化剂，并且将溶液搅拌以保持单体液滴分散。引发剂必须是水溶性的;它通常是一种无机过硫酸盐或有机过氧化物。不像反应发生在本体单体液滴内的悬浮法生产的过程，在乳液法生产过程中，它在水相中被启动，在单体的聚合物乳胶颗粒内生长发生。因为平均粒径过小不允许离心分离，浆料通常喷雾干燥方法。当液体增塑剂与所得树脂混合时，该产品是一种增塑溶胶;此