年產(chǎn)10萬噸氯乙烯工藝設計項目設計方案

1 年產(chǎn) 10 萬噸氯乙烯工藝設計項目設計方案 第一章 緒 論 氯乙烯 氯乙烯性質(zhì)和 用途 1 常溫常壓下，氯乙烯（ 無色氣體，具有微甜氣味，微溶于水，溶于烴類，醇，醚，氯 化溶劑和丙酮等有機溶劑中，氯乙烯沸點 易聚合，并能與乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯，偏二氯乙烯、丙烯臘、丙烯酸酯等單體共聚，而制得各種性能的樹脂，加工成管材、面膜、塑料地板、各種壓塑制品、建筑材料、涂料和合成纖維等。 近年來世界和中國聚氯乙烯樹脂消耗比例分別見表 表 品 種 比例 /% 品 種 比例 /% 制 品 管材 33 制 品 薄膜片材 13 護墻板 8 地板地磚 3 薄膜和片材 8 合成皮革 3 吹塑制品 5 電線電纜 8 其他 6 其他 13 合計 60 合計 40 表 國 聚氯乙烯樹脂消耗比例 品 種 比例 /% 品 種 比例 /% 制 品 管材 14 制 品 薄膜片材 11 護墻板 18 地板地磚 8 薄膜和片材 15 合成皮革 7 吹塑制品 5 電線電纜 4 其他 5 其他 13 合計 57 合計 43 2 乙烯 1 氯乙烯在國民經(jīng)濟中的地位和作用 自 1835 年法國化學家 先發(fā)現(xiàn)了氯乙烯，于 1838 年他又觀察到聚合體，這就是最早的聚氯乙烯。聚氯乙烯自工業(yè)化問世至今，六十多年來仍處不衰之勢。占目前塑料消費總量的 29%以上。到上世紀末，聚氯乙烯樹脂大約以 3%的速度增長。這首先是由于新技術不斷采用，產(chǎn)品性能亦不斷地得到改進，品種及牌號的增加，促進用途及市場的拓寬。其次是制造原料來源廣、制造工藝簡單。產(chǎn)品質(zhì)量好。在耐燃性、透明性及耐化學藥品性能方面均較其它塑料優(yōu)異。又它是氯堿行業(yè)耗“氯”的大戶，對氯堿平衡起著舉足輕重的作用。從目前世界主要聚氯乙烯生產(chǎn)國來說：一般耗用量占其總量 的 20 30%。特別是 60 年代以來，由于石油化工的發(fā)展，為聚氯乙烯工業(yè)提供廉價的乙烯資源，引起了人們極大的注意，因而促使氯乙烯合成原料路線的轉(zhuǎn)換和新制法以及聚合技術不斷地更新，使聚氯乙烯工業(yè)獲得迅猛的發(fā)展。 國 產(chǎn)需狀況及預測 1998 年我國 量和表觀需求量分別為 160 萬噸和 317 萬噸。在世界上產(chǎn) 量僅次于美國（ 639 萬噸）、日本（ 263 萬噸）居第三位。 2000 年前后，計劃新建和擴建 力至少為 88 萬噸 /年，估計此期間大量沒有競爭能力的電石法小廠將閑置，所以總產(chǎn)能有可能達 220 萬噸 /年水平，其中乙烯法將達 噸 /年，從目前占 31%上升到 61%。 乙烯制取方法 1835年法國人 20世紀 30年代，德國格里斯海姆電子公司基于氯化氫與乙炔加成，首先實現(xiàn)了氯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)。初期，氯乙烯采用電石，乙炔與氯化氫催化加成的方法生產(chǎn)，簡稱乙炔法。以后，隨著石油化工的發(fā)展，氯乙烯的合成迅速轉(zhuǎn)向以乙烯為原料的工藝路線。 1940 年，美國聯(lián)合碳化物公司開發(fā)了二氯乙烷法。為了平衡氯氣的利用，日本吳羽化學工業(yè)公司又開發(fā)了將乙炔法和二氯乙烷 法聯(lián)合生產(chǎn)氯乙烯的聯(lián)合法。 1960年，美國陶氏化學公司開發(fā)了乙烯經(jīng)氧氯化合成氯乙烯的方法，并和二氯乙烷法配合，開發(fā)成以乙烯為原料生產(chǎn)氯乙烯的完整方法，此法得到了迅速發(fā)展。乙炔法、混合烯炔法等其他方法由于能耗高而處于逐步被淘汰的地位。 乙烯的合成 2 氯乙烯是由乙炔與氯化氫在升汞催化劑存在下的氣相加成的。 3 應機理 C H H + 124 8kJ/ （ 1 上述反應實際上是非均相的，分 5個步驟來進行，其中表面反應為 控制階段。 I 外擴散 乙快、氯化氫向碳的外表面擴散； 擴散 乙炔、氯化氫經(jīng)碳的微孔通道向外表面擴散； 化氫在升汞催化劑活化中心反應發(fā)生加成反應生成氯乙烯； 擴散 氯乙烯經(jīng)碳的微孔通道向外表面擴散； V 外擴散 氯乙烯自碳外表面向氣流中擴散。 化劑 的選取 15 載體活性炭 ，升汞 對于 合生成氯乙烯的反應 ,要求使用的催化劑具有高活性和高選擇性。目前 ,電石法生產(chǎn)氯乙烯常用的催化劑是以活性炭為載體 (孔隙率即吸苯率 =30%,機 械強度 90%)浸漬吸附質(zhì)量分數(shù)為 10%12%的氯化汞制備而成的 , 其具體標準參見(31化汞觸媒技術標準 )。 乙烯 生產(chǎn)工藝流程簡述 產(chǎn)工藝流程 圖 產(chǎn)工藝流程 由乙炔工段送來的精制乙炔氣，經(jīng) 乙炔 砂封，與氯化氫工序送來的氯化氫氣體經(jīng)緩沖罐通過孔板流量計調(diào)節(jié)配比（乙炔 /氯化氫 =1/混合器中充分混合，進入石墨冷卻器，用 鹽水間接冷卻，冷卻到 2 ，乙炔氯化氫混合氣在此溫度下，部 分水分以 40%鹽酸排出，部分則夾帶于氣流中，進入串聯(lián)的酸霧過濾器中，由硅油玻璃棉捕集器分離，然后混合氣經(jīng)石墨冷卻器，由流量計控制進入串聯(lián)的第一組轉(zhuǎn)化器， 在 列管中緩沖器 乙炔砂封 混 合 器 石墨冷卻器 多筒過濾器 石墨預熱器 轉(zhuǎn)化器 除汞器 水洗塔 堿洗塔 冷卻器 4 填裝吸附于活性炭上的升汞催化劑， 在催化劑的作用下 使乙炔和氯化氫合成轉(zhuǎn)化為氯乙烯，第一組出口氣中尚有 20 30%未轉(zhuǎn)化的乙炔，再進入第二級轉(zhuǎn)化器繼續(xù)轉(zhuǎn)化，使出口處未轉(zhuǎn)化的乙炔控制在 3%以下，第二組轉(zhuǎn)化器填裝活性較高的新催化劑，第一組則填裝活性較低的，即由第二組轉(zhuǎn)化器更換下來的舊催化劑即可。合成反應放出的熱量通過離心泵送來的 95 100 左右的循環(huán)水移去 。粗氯乙烯在高溫下帶逸的氯化汞升華物，在填活性炭吸附器中除去，接著粗氯乙烯進入水洗泡沫塔回收過量的氯化氫。泡沫塔頂是以高位槽低溫水噴淋，一次（不循環(huán)）接觸得 20%鹽酸，裝大貯槽供罐裝外銷，氣體再經(jīng)堿洗泡沫塔，除去殘余的微量氯化氫后，送至氯乙烯氣柜，最后去精餾工段。 要原料和產(chǎn)物的物化性質(zhì) I 氯化氫 分子式： 分子量： 質(zhì)： 無色有刺激性氣味的氣體。標準狀態(tài)下密度為 /升，熔點 沸點 在空氣中發(fā)白霧，溶于乙醇、乙醚，極易溶于水 ，標準狀況下， 1 的 體。 規(guī)格：純度 93%水分 炔 分子式： 分子量： 26 性質(zhì)：在常溫常壓下為無色氣體，具有微弱的醚味，工業(yè)用乙炔因含有氯化氫、磷化氫等雜質(zhì)而具有特殊的刺激性臭氣。 規(guī)格：純度： 不含硫、磷、砷等雜質(zhì) 。 乙烯 分子式： 分子量： 點 ： 熔點： 蒸汽相對密度： 氣為 1) 液體相對密度： 20 ) 爆炸極限：在空氣中 體積 ) 5 第二章 工藝計算 料衡算 由于各化工單元操作連續(xù)，故采用倒推法，根據(jù)轉(zhuǎn)化率或者損失率計算出原料的投入量，再按順序?qū)Ω鱾€單元操作進行衡算。 算依據(jù) I 計算基準 年產(chǎn)能力： 年產(chǎn) 100氯乙烯 年工作日： 以 330 天計算 日產(chǎn)量： 100 106 330=105 （ 2 小時產(chǎn)量： 105 24=12689.5 （ 2 即，每小時要合成氯乙烯 以下計算均以 1 h 為基準。 6 學反應式： 主反應： H gC C H （ 2 副反應： 232 H （ 2-4）H gC C H （ 2 222 C H （ 2 推法計算： 精餾（氯乙烯的收率 1： ： = 2 轉(zhuǎn)化器（乙炔的轉(zhuǎn)化率： 95%）： 95%= （ 2 因此，進氣中 單元的物料衡算 （ 1）混合器的物料衡算 圖 合器的物料衡算簡圖 最適宜的摩爾比是： 1: 本設計選取： 1: 進料氣組成： 表 料氣組成 進料氣 組分 含量 /% 乙炔氣 2O 化氫 2O 性氣體（以 此，進料氣所需乙炔氣： = （ 2 進料氣所需的氯化氫氣體： = （ 2 乙炔 氯化氫 混合器 2 7 即， （ （ = （ （ 2 = （ （ 2 出料氣組成： 極少量的水分以濃鹽酸的形式流出，此時課忽略流出的濃鹽酸量。 2 ： 2O ： 合器的物料衡算表 表 混合器的物料衡算表 進料 質(zhì)量 /（ 2） 石墨冷卻器 混合氣 2 墨冷卻器 鹽酸 8 圖 墨冷卻器的物料衡算簡圖 由于在石墨冷卻器中，用 水間接冷卻，混合氣中水分一部分則以 40%鹽酸的形式排出，部分則混合在氣流中。 查閱相關資料，即設混合器中水分以 40%鹽酸排出的量占水總量的 30%2。 I 進料氣組成： （ （ （ （ 料氣組成： （ （ 1 = （ 2 40% 100% l （ 2 （ （ （ = （ 2 （ 2 鹽酸： = （ 2 墨冷卻器的物料衡算 表 墨冷卻器的物料衡算表 進料 質(zhì)量 /（ 3）多筒過濾器 由相關資料查得，在多筒過濾器中，采用 3 5%憎水性有機硅樹脂的 5 10玻璃纖維，可將大部分酸霧分離下來，以鹽酸的形式排出。 9 假設鹽酸為 38%，出水量為 80%。 I 進料氣組成： （ （ （ （ 料氣組成： （ （ 1 = 鹽酸為 38%， 100% = 38% （ 2 （ =（ （ 2 （ 2 鹽酸： 80%= （ 2 筒過濾器的物料衡算 表 筒過濾器的物料衡算表 進料 質(zhì)量 /（ 4）石墨預熱器 此時無質(zhì)量交換，即進出口各物料量不變。 表 進料 /出料 質(zhì)量 /（ 5）轉(zhuǎn)化器 圖 化器物料衡算簡圖 由前面的敘述知，此轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化率為 95%3。 I 進料氣組成： （ （ 2O ： I 出料氣組成： ： 95% （ 2 1 = （ 2 95% （ 2 2O ： 化器的物料衡算： 表 轉(zhuǎn)化器的物料衡算表 進料 質(zhì)量 /（ 6）除汞器 由于汞含量極少，實際操作中課忽略其影響，即物料進、出組分相同。 除汞器的物料衡算： 表 汞器的物料衡算表 進料 質(zhì)量 /（ 7） 石墨冷卻器 表 墨冷卻器物料衡算表 進料 質(zhì)量 /（ 8）水洗泡沫塔 4 查閱相關文獻可知，水洗泡沫塔用來回收過量的氯化氫，泡沫塔是以高位槽低溫水噴淋，一次（不循環(huán)）接觸可得 20%的 鹽酸。假如回收鹽酸的回收率為 98%，加入的水量為3955 I 進料氣組成： ： 2 12 + 3955 = （ 2 料氣組成： ： 2 回收的鹽酸： 98% 20% = （ 2 1 = （ 2 2O ： 3955+ （ 2 沫水洗塔的物料衡算 : 表 沫水洗塔的物料衡算表 進料 質(zhì)量 /（ 9）堿洗泡沫塔 圖 堿洗泡沫塔物料衡算簡圖 I 進料氣組成： ： H 洗泡沫塔 H 13 2O ： I 出料氣組成： 堿液吸收，從而出料氣中不含 體。 ： 2 2O ： 表 洗泡沫塔的物料衡算表 進料 質(zhì)量 /（除去的） 2 2 2O 2O 00 00 量衡算 量衡算式 54321 （ 2 物料帶入熱 加熱劑或冷卻劑帶入熱 過程熱效應 : 物料帶出熱 熱損失 假設 5% 14 此衡算式中，“ +”表示放熱，“ -”表示吸熱。 設混合物的平均比熱容近似等于各組分熱容與質(zhì)量分數(shù)乘積之和，即 ，含量少的物質(zhì)對混合體系熱容的影響可忽略不計。 同種物質(zhì)的平均比熱容 2121（ 2 關物化數(shù)據(jù)表 5 表 項目 溫度 / 比熱 / ） 乙炔 25 5 10 5 5 10 蒸氣 25 5 10 2 25 5 10 乙烯 25 5 10 酸（ 40%） 15 應各個設備的熱量衡算 （ 1）石墨冷卻器 表 墨冷卻器的物料衡算表 進料 質(zhì)量 /： 25 出料溫度： 以進料溫度 25為計算基準： C 乙炔 = ） C 水蒸氣 = ） C 氯化氫 = ） C 氧 氣 = ） C 水（ l） = ） 水（冷凝熱 ） = ） C 40%鹽酸 =3214 ） 計算： 進料溫度為 25，即 0 （ 2 生成 40%的鹽酸時， 水溶液生成的熱， 35430 則冷卻器只能中 于水放出 的熱量為： （ 2 ：水液化放出的熱， = （ 2 = （ 2 : Q 乙炔 Q 氯化氫 Q 氧氣 Q 水蒸氣 Q 鹽酸 = + + + +3214（ = （ 2 16 5% 5 4 2 0+ （ 2 5% = （ 2 表 墨冷卻器 熱量衡算表 物料 入口 /料 出口 /2 2 0 2O 0 凝熱 酸 水吸熱 失 2） 石墨預熱器 進料溫度： 出料溫度： 75 以進料溫 度 計算基準： C 乙炔 = ） C 水蒸氣 = ） C 氯化氫 = ） C 氧 氣 = ） C 氯乙烯 = ） 計算： 進料溫度為 75，即 0 由反應式， : Q 乙炔 Q 氯化氫 Q 氧氣 Q 水蒸氣 = 75+13） + 75+13） +（ 75+13） + 75+13） = = （ 2 5% 17 0+ =2 5 ： 5% = （ 2 表 墨預熱器熱量衡算表 物料 入口 /料 出口 /2 2 0 2O 0 汽加熱 失 3） 轉(zhuǎn)化器 由前面計算可知，轉(zhuǎn)化器的物料核算 此處的熱損失為 進料溫度： 75 出料溫度： 110 以進料溫度 75為計算基準： C 乙炔 = ） C 水蒸氣 = ） C 氯化氫 = ） C 氧 氣 = ） C 氯乙烯 = ） 計算： 進料溫度為 75，即 0 由反應式， 103 = （ 2 Q 氯乙烯 +Q 乙炔 Q 氯化氫 Q 氧氣 Q 水蒸氣 = 110+ 110+8 （ 110+ 110+ 110 = （ 2 0+ 2 5 ： 5% = 轉(zhuǎn)化器 熱量衡算表 物料 入口 /料 出口 /2 2 0 2O 0 應熱 2O 環(huán)水 失 4） 石墨冷卻器 進料溫度： 110 出料溫度： 25 以進料溫 度 110為計算基準： C 乙炔 = kJ ） C 水蒸氣 = kJ ） C 氯化氫 = kJ ） C 氧 氣 = kJ ） C 氯乙烯 = kJ ） 計算： 19 進料溫度為 110，即 0 0 （無反應或冷凝熱產(chǎn)生） Q 氯乙烯 +Q 乙炔 Q 氯化氫 Q 氧氣 Q 水蒸氣 = 25+ 25+ 25+ 25+ 25 = （ 2 0+ = 2 5 ： 5% = = 墨冷卻器熱量衡算表 進料 入口 /料 出口 / 2 2 0 2O 0 環(huán)水 失 5） 冷卻水消耗： I 鹽水： 已知： 鹽水用于石墨冷卻器除去水氣， 進料溫度： 出料溫度： 40%鹽水的比熱容： C 鹽水 = ） Q = m = (15 = （ 2 環(huán)水： 在石墨預熱器中， 20 進料溫度： 110 出料溫度： 95 95時： C 水 = ） 110時： C 水 = ） C 平均 = （ 2 = ） （ 2 =需水量： m = 15） = （ 2 在轉(zhuǎn)化器中， 進料 溫度： 95 出料溫度： 110 Q = 需水量： m = 110 = （ 2 在石墨冷卻器中， 進料溫度： 15 出料溫度： 95 95時： C 水 = ） 15時： C 水 = ） C 平均 = （ 2 = 4.2 ） （ 2 = 需水量： m = 95= （ 2 表 消耗綜合表 物料 相應設備 熱量 /量 /水 石墨冷卻器 環(huán) 石墨預熱器 化器 21 水 石墨冷卻器 石墨預熱器中的水可由轉(zhuǎn)化器出來的水來提供。 石墨冷卻器中出來的水又可以提供給轉(zhuǎn)化器 實際用水 三章