年產(chǎn)1萬噸聚氯乙烯工藝設(shè)計(jì)說明書

摘要本文綜述了PVC的生產(chǎn)方法，確定了電石乙炔法為本設(shè)計(jì)的工藝路線，懸浮聚合法為生產(chǎn)聚氯乙烯的聚合方法。通過物料衡算、熱量衡算和設(shè)備計(jì)算等確定了年產(chǎn)1萬噸PVC樹脂的主要設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)，評(píng)述了本生產(chǎn)工藝的平安與環(huán)保，及技術(shù)經(jīng)濟(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，繪制了工藝流程圖，車間平面布置圖，和聚合釜裝置圖等。通過本次設(shè)計(jì)，了解了化工工藝生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)和實(shí)施步驟，掌握了化工設(shè)計(jì)的根本程序和方法。關(guān)鍵詞：聚氯乙烯；生產(chǎn)工藝；懸浮聚合法；經(jīng)濟(jì)技術(shù)AbstractThisarticleprovidedanoverviewofpolyvinylchloridepolymerproductionmethodandidentifiedcalciumcarbideacetylenemethodforthedesignoftheroute,methodfortheproductionofpolyvinylchloridepolymerpolymerizationbysuspensionpolymerizationmethod.Throughcalculationofmaterialbalance,energyaccountingandequipmenttodetermineanannualoutputof10,000tonsofmaindesignparametersoftheequipmentofpolyvinylchloridepolymerresin.Meanwhile,itreviewstheproductionsafetyandenvironmentalprotectionandtechnicaleconomy.Accordingtodesignresults,processflowdiagrams,workshopfloorplans,andpolymerizationreactorunitfiguresweredrawn.Asaresultofthispractice,wehaveabetterunderstandingofchemicalprocessesinthevarioussegmentsoftheproductionandimplementationofstepstomasterthebasicdesignofchemicalprocessesandmethods.Keywords:Polyvinylchloridepolymer;Processdesign;Suspensionpolymerization;Technicaleconomy目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要IAbstractII第一章文獻(xiàn)綜述11.1聚氯乙烯的性質(zhì)11.2聚氯乙烯的主要用途21.3聚氯乙烯工業(yè)的重要性31.4國內(nèi)外聚氯乙烯開展概況41.4.1國外聚氯乙烯開展動(dòng)態(tài)及趨勢41.4.2國內(nèi)聚氯乙烯開展動(dòng)態(tài)及趨勢5第二章設(shè)計(jì)方案論述62.1VCM生產(chǎn)路線的選擇62.1.1電石法生產(chǎn)路線62.1.2乙烯法生產(chǎn)路線72.1.3兩種生產(chǎn)路線的評(píng)價(jià)82.2聚合方法選擇92.2.1本體聚合92.2.2溶液聚合102.2.3乳液聚合102.2.4懸浮聚合102.2.5四種聚合方法比擬112.3聚合機(jī)理112.3.1自由基聚合機(jī)理112.3.2鏈反響動(dòng)力學(xué)原理122.3.3成粒機(jī)理132.4影響聚合產(chǎn)品質(zhì)量的因素132.4.1聚合工藝132.4.2配方體系142.4.3聚合反響的輔助時(shí)間152.5防粘釜技術(shù)152.5.1粘釜的形成原因152.5.2聚合釜的防粘技術(shù)162.6方案總述16第三章工藝計(jì)算183.1物料衡算183.1.1原料用量計(jì)算183.1.2各工段物料衡算203.2熱量衡算323.2.1石墨冷卻器323.2.2轉(zhuǎn)化器353.2.3全凝器373.2.4尾氣冷凝器393.2.5聚合階段40第四章設(shè)備的工藝計(jì)算與選型424.1低沸塔設(shè)備計(jì)算424.1.1塔板數(shù)的計(jì)算424.1.2低沸塔的塔體工藝尺寸計(jì)算434.1.3塔板主要工藝尺寸的計(jì)算444.1.4篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算464.1.5塔板負(fù)荷性能圖484.1.6低沸塔再沸器選型514.2高沸塔設(shè)備計(jì)算534.2.1塔板數(shù)的計(jì)算534.2.2高沸塔的塔體工藝尺寸計(jì)算544.2.3塔板主要工藝尺寸的計(jì)算554.2.4篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算574.2.5塔板負(fù)荷性能圖594.2.6高沸塔再沸器選型634.2.7成品冷卻器的選型644.3聚合釜設(shè)計(jì)容積的計(jì)算654.3.1聚合釜材質(zhì)的選定654.3.2聚合釜容積確實(shí)定654.3.3聚合釜外形設(shè)計(jì)尺寸的設(shè)計(jì)664.3.4內(nèi)構(gòu)件及攪拌軸封的設(shè)計(jì)684.4設(shè)備工藝條件匯總72第五章平安與環(huán)保735.1工藝過程平安評(píng)述735.2三廢處理情況745.2.1電石渣的處理745.2.2電石渣上清液的處理745.2.3熱水的綜合利用755.2.4尾氣的回收利用755.2.5轉(zhuǎn)化水洗塔水的回收利用75第六章技術(shù)經(jīng)濟(jì)766.1技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析概述766.2主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)766.3投資估算776.3.1總投資費(fèi)用估算776.3.2本錢估算776.3.3收入、稅收和利潤806.3.4經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)81總結(jié)82參考文獻(xiàn)83致謝84第一章文獻(xiàn)綜述1.1聚氯乙烯的性質(zhì)聚氯乙烯〔polyvinylchloride，簡稱PVC〕是氯乙烯單體〔簡稱VCM〕聚合而成的高分子化合物，它的結(jié)構(gòu)式是：式中n表示平均聚合度。聚合度n可用反響溫度及聚合分子量調(diào)節(jié)劑進(jìn)行控制，國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)的通用聚氯乙烯樹脂平均聚合度通?？刂圃?50～1785。由于高分子主鏈上引入氯原子，使其高分子結(jié)構(gòu)不同于聚乙烯，并具有一系列獨(dú)特的性能。物理性質(zhì)聚氯乙烯外觀為白色粉末，相對密度為1.3-1.45，表觀密度為表觀密度為熱容為1.045-1.463J/g·℃〔0-100℃〕，導(dǎo)熱系數(shù)為0.5852kJ/h·m·℃，通常緊密型樹脂的顆粒直徑為30-100μm、疏松型樹脂顆粒直徑為60-150μm，折射率n=1.544，軟化點(diǎn)在75-80℃時(shí)，當(dāng)熱分解點(diǎn)>100℃開始降解放出氯化氫。PVC是高分子化合物，是一種無定形結(jié)構(gòu)的熱塑性塑料。它具有一般非晶態(tài)線性高聚物的3種熱力學(xué)狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)，玻璃化溫度一般為75~85℃。在紫外光照射下，硬PVC產(chǎn)生淺藍(lán)或白色的熒光。PVC的物理機(jī)械性能取決于樹脂的相對分子質(zhì)量、增塑劑及填料的含量，樹脂的相對分子質(zhì)量越大，那么機(jī)械性能、耐寒性、熱穩(wěn)定性越高，但加工溫度也越高，成型比擬困難；樹脂的相對分子質(zhì)量低，那么與上述相反?！?〕化學(xué)性質(zhì)PVC對多數(shù)無機(jī)酸和堿是穩(wěn)定的，受熱不穩(wěn)定而被分解釋放出HCl。PVC的溶解性與相對分子質(zhì)量大小及聚合方法有關(guān)。一般來說，溶解度隨著聚合體分子的增加而減小。PVC在火焰上能燃燒并放出HCl，但離開火焰立即自熄。難燃性和自熄性是PVC的最大特點(diǎn)[1]。1.2聚氯乙烯的主要用途〔1〕一般軟制品利用擠出機(jī)可以擠成軟管、電纜、電線等；利用注射成型機(jī)配合各種模具，可制成塑料涼鞋、鞋底、拖鞋、玩具、汽車配件等?！?〕PVC薄膜PVC與添加劑混合、塑化后，利用三輥或四輥壓延機(jī)制成規(guī)定厚度的透明或著色薄膜，用這種方法加工薄膜，成為壓延薄膜。也可以通過剪裁，熱合加工包裝袋、雨衣、桌布、窗簾、充氣玩具等。寬幅的透明薄膜可以供溫室、塑料大棚及地膜之用。經(jīng)雙向拉伸的薄膜，所受熱收縮的特性，可用于收縮包裝?！?〕PVC涂層制品有襯底的人造革是將PVC糊涂敷于布上或紙上，然后在100攝氏度以上塑化而成。也可以先將PVC與助劑壓延成薄膜，再與襯底壓合而成。無襯底的人造革那么是直接由壓延機(jī)壓延成一定厚度的軟制薄片，再壓上花紋即可。人造革可以用來制作皮箱、皮包、書的封面、沙發(fā)及汽車的坐墊等，還有地板革，用作建筑物的鋪地材料?！?〕PVC泡沫制品軟質(zhì)PVC混煉時(shí)，參加適量的發(fā)泡劑做成片材，經(jīng)發(fā)泡成型為泡沫塑料，可作泡沫拖鞋、涼鞋、鞋墊、及防震緩沖包裝材料。也可用擠出機(jī)根底成低發(fā)泡硬PVC板材和異型材，可替代木材試用，是一種新型的建筑才材料?！?〕PVC透明片材PVC中加沖擊改性劑和有機(jī)錫穩(wěn)定劑，經(jīng)混合、塑化、壓延而成為透明的片材。利用熱成型可以做成薄壁透明容器或用于真空吸塑包裝，是優(yōu)良的包裝材料和裝飾材料―如月餅包裝盒?！?〕PVC糊樹脂將PVC分散在液體增塑劑中，使其溶脹塑化而成增塑溶膠，通常用乳液或微懸浮樹脂，還需加穩(wěn)定劑、填料、著色劑等，經(jīng)充分?jǐn)嚢?，脫氣泡后，配成PVC糊[2]，再用進(jìn)、浸漬、澆鑄或搪塑等加工成各種制品。如衣架、工具手柄、圣誕樹等?！?〕PVC硬板和板材PVC中參加穩(wěn)定劑、潤滑劑和填料，經(jīng)混煉后，用擠出機(jī)可擠出各種口徑的硬管、異型管、波紋管，用作下水管、飲水管、電線套管或樓梯扶手。將壓延好的薄片重疊熱壓，可制成各種厚度的硬質(zhì)板材。板材可以切割成所需的形狀，然后利用PVC焊條用熱空氣焊接成各種耐化學(xué)腐蝕的貯槽、風(fēng)道及容器等?！?〕PVC其他門窗有硬質(zhì)異型材料組裝而成。在有些國家已與木門窗鋁窗等共同占據(jù)門窗的市場；仿木材料、代鋼建材〔北方、海邊〕；中空容器。1.3聚氯乙烯工業(yè)的重要性聚氯乙烯PVC是世界上實(shí)現(xiàn)工業(yè)化時(shí)間最早，應(yīng)用范圍最廣范的通用型熱塑性塑料。在三四十年代開始實(shí)際應(yīng)用以來，其產(chǎn)量一直穩(wěn)居塑料工業(yè)之首，后來由于聚氯乙烯開展速度更快，1996年才退居第二位。在美國1990年低密度聚氯乙烯的產(chǎn)量超過了PVC，1992年高密度聚氯乙烯的產(chǎn)量及銷售量已以PVC大致相當(dāng)，他們交替位于第二或第三之間。在日本PVC產(chǎn)量和消費(fèi)量居第二位。在中國PVC塑料制品產(chǎn)量一直位居第一，PVC樹脂產(chǎn)量從1988年開始退居第二，消費(fèi)量低于聚乙烯和聚丙烯而名列第三位。盡管如此聚氯乙烯在其綜合性能、品種的多樣性、用途的廣泛性、性能價(jià)格比及資源利用和對生態(tài)環(huán)境的影像方面，優(yōu)于任何一種塑料。60多年來PVC工業(yè)一直保持著最富活力的技術(shù)革新和持續(xù)穩(wěn)定的開展?fàn)顟B(tài)。PVC是相當(dāng)重要的大宗塑料，它的綜合性能好，改性品種多用途最為廣泛。原料來源豐富、消耗石油少，價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)效益好而且能耗低，作為鋼鐵、有色金屬、木材、玻璃、紙張等傳統(tǒng)材料的替代產(chǎn)品，有利于資源優(yōu)化配置和節(jié)省社會(huì)能源。由于容易改性和提高性能，PVC已由通用性材料打入工程材料、功能材料和強(qiáng)性材料，為PVC工業(yè)注入了新的活力。PVC用途的廣泛性、堿氯產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)性、生產(chǎn)技術(shù)的密集性。使PVC工業(yè)與建筑、汽車、電子機(jī)械及石油化工等國名經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，氯堿工業(yè)等根底原料工業(yè)高新產(chǎn)業(yè)緊密相連。在美國70年代初做過統(tǒng)計(jì)指出PVC和它有關(guān)的原材料、機(jī)械及最終產(chǎn)品綜合產(chǎn)值約占當(dāng)時(shí)美國國民生產(chǎn)總值的10%以上。中國在80年代末也對華東地區(qū)做過調(diào)查每萬噸氯堿可創(chuàng)造5-7億元工業(yè)產(chǎn)值，每億元產(chǎn)值直接影響到下游產(chǎn)業(yè)的15-20億元產(chǎn)值。PVC加工業(yè)是中國塑料工業(yè)中企業(yè)數(shù)最多的行業(yè)，其生產(chǎn)程度之高，應(yīng)用覆蓋面之廣，技術(shù)推動(dòng)性之大是非常明顯的。PVC工業(yè)的開展可以帶動(dòng)和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)許多行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與開展，可以改善人們衣食住行條件，提高人民生活水平。1.4國內(nèi)外聚氯乙烯開展概況1.4.1國外聚氯乙烯開展動(dòng)態(tài)及趨勢世界PVC的生產(chǎn)以乙烯為原料的占90％以上[3]，其余的是以乙炔為原料。國外PVC的開展趨勢主要在改良工藝路線、提高產(chǎn)品性能、減少環(huán)境污染等幾個(gè)方面：〔1〕PVC的生產(chǎn)開展趨勢是裝置大型化。聚合釜單臺(tái)容積已達(dá)135m3左右，多數(shù)為70～110m3。單套裝置能力最大已達(dá)50萬噸／年。〔2〕采用高活性引發(fā)劑、復(fù)合分散劑、快速終止劑，縮短聚合反響周期，提高聚合釜的生產(chǎn)強(qiáng)度，可提高到200t／m3．a(chǎn)以上，有的甚至到達(dá)500t／m3．a(chǎn)。〔3〕優(yōu)化工藝，節(jié)能降耗。如采用高效催化劑，減少設(shè)備尺寸，降低投資，提高收率，降低消耗，簡化凈化流程；粘釜技術(shù)不斷開展，形成噴涂防粘釜和改良釜壁材料兩種體系；開發(fā)節(jié)能型枯燥器等?！?〕開發(fā)新的原料路線，以乙烷為原料，替代價(jià)格相對較貴的乙烯，降低PVC的生產(chǎn)本錢。〔5〕使用將氯化氫轉(zhuǎn)化為氯來替代原平衡氧氯化工藝的氧氯化單元，以簡化生產(chǎn)工藝、降低投資。〔6〕開發(fā)各種復(fù)合助劑、以其優(yōu)良性能向工程應(yīng)用方向開展。如：汽車節(jié)能型PVC速溶膠專用樹脂、抗沖改性專用樹脂、大口徑管材專用樹脂、低發(fā)泡擠出管材專用樹脂、直接擠出成型加工專用樹脂等。研制和生產(chǎn)具有更適宜的性能、更易于加工的各種樹脂，提高樹脂的使用性能和質(zhì)量，不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域?！?〕注重“三廢〞治理、減少污染，對產(chǎn)品中VCM的含量要求嚴(yán)格，以減少在加工和使用過程中的污染。開發(fā)廢舊PVC制品回收技術(shù)，在做好環(huán)境保護(hù)的同時(shí)擴(kuò)大PVC的消費(fèi)領(lǐng)域。1.4.2國內(nèi)聚氯乙烯開展動(dòng)態(tài)及趨勢近年來，中國聚氯乙烯〔PVC〕開展速度驚人，新建、擴(kuò)建工程紛紛上馬，產(chǎn)能迅速擴(kuò)大，產(chǎn)量大幅提高[4]。2023-2023年，中國PVC產(chǎn)能、產(chǎn)量年均增長率分別高達(dá)11.3%和12.5%。2023年全國聚氯乙烯樹酯累計(jì)產(chǎn)量為1015.2萬噸；2023年全國聚氯乙烯樹酯累計(jì)產(chǎn)量到達(dá)1130萬噸；2023年全國聚氯乙烯樹酯累計(jì)產(chǎn)量為1295.2萬噸。我國PVC樹脂工業(yè)原料路線大致有以下4種：〔1〕原料路線落后的電石乙炔法生產(chǎn)VCM，進(jìn)而聚合PVC，該法生產(chǎn)本錢高，技術(shù)落后，裝置規(guī)模小，能耗高，環(huán)境污染嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益較差。〔2〕從國外引進(jìn)具有世界先進(jìn)水的以石油乙烯為原料的乙烯氧氯化法生產(chǎn)VCM單體，進(jìn)而聚合成PVC?！?〕采用二氯乙烷裂解原料路線生產(chǎn)VCM，進(jìn)而聚合成PVC。〔4〕利用進(jìn)口VCM直接聚合制PVC的原料路線。國內(nèi)PVC生產(chǎn)企業(yè)在引進(jìn)國外先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)的同時(shí)，開始了消化、吸收、創(chuàng)新的國產(chǎn)化工作，通過十幾年的技術(shù)攻關(guān)、技術(shù)發(fā)行取得了較大的成績，使我國懸浮法PVC的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量水平邁上了一個(gè)新臺(tái)階，但與國外水平相比，仍有差距。今后十年我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速開展仍將需要大量塑料制品來取代傳統(tǒng)的木材、金屬和水泥等，以節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。因此，我國PVC市場依然潛力巨大。根據(jù)近年來我國相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的開展情況和今后的開展規(guī)劃預(yù)測，今后我國市場對PVC的需求量仍將保持較快速度的增長，2023年將到達(dá)1700萬噸左右。

目前國內(nèi)PVC的消費(fèi)主要集中在華東和華南地區(qū)。華東地區(qū)〔江蘇、浙江、安徽、山東〕的PVC加工業(yè)極為興旺，年P(guān)VC消費(fèi)量約300萬噸以上，主要由本地自產(chǎn)和進(jìn)口滿足，市場極為廣闊。長三角地區(qū)的PVC貿(mào)易商是全國最聚集的地區(qū)之一，對國內(nèi)市場具有導(dǎo)向性作用，引領(lǐng)其他地區(qū)的PVC市場。第二章設(shè)計(jì)方案論述2.1VCM生產(chǎn)路線的選擇VCM的生產(chǎn)路線主要有兩種[5]：電石法和乙烯法，目前常用的是電石法。我國PVC產(chǎn)量自20世紀(jì)90年代以來有了快速開展，但仍然趕不上開展更快的PVC制品加工需求，自給率只能保持在70%左右。需求的旺盛，國內(nèi)乙烯資源的缺乏，反傾銷終裁后進(jìn)口量的下降，國際原油和石化產(chǎn)品的價(jià)格不斷上升使乙烯法生產(chǎn)本錢相應(yīng)升高，也使得電石法成為許多企業(yè)的首選工藝。隨著近五年國際原油價(jià)格的居高不下，以石油天然氣路線制聚氯乙烯的工藝路線將會(huì)受到乙烯供給的限制及本錢的影響，近一段時(shí)期內(nèi)，在市場競爭上不如電石法PVC價(jià)格低。目前我國PVC生產(chǎn)以電石法為主。2.1.1電石法生產(chǎn)路線電石法生產(chǎn)路線是先將電石與水反響，制得乙炔。然后，乙炔再在觸媒存在情況下與氯化氫氣體反響，合成VCM單體。主反響是：C2H2+HCl→C2H3ClΔH=-124.8kJ/mol在氣相中，C2H2和HCl加成生成C2H3Cl，這個(gè)反響在熱力學(xué)上是有利的。但在通常條件下，反響速度較慢?？梢赃x用HgCl2作催化劑，以活性炭作為載體。實(shí)驗(yàn)說明，當(dāng)反響溫度低于140℃時(shí)，催化劑活性穩(wěn)定，但由于溫度低，反響速度慢，乙炔轉(zhuǎn)化率低；當(dāng)反響溫度高于140℃時(shí)，催化劑明顯失活，當(dāng)反響溫度高于200℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量氯化汞升華，而使催化劑活性迅速下降。工業(yè)生產(chǎn)上反響溫度控制在160～180℃。使用氯化汞催化劑時(shí)，氯化氫對乙炔的加成反響機(jī)理通常認(rèn)為是乙炔首先和氯化汞加成生成中間物氯乙烯氯汞：C2H2+HgCl2→ClCH=CH〔HgCl〕中間物碰到氯化氫后，即發(fā)生分解形成氯乙烯：ClCH=CH〔HgCl〕+HCl→CH2=CHCl+HgCl2當(dāng)氯化氫過量時(shí)，生成的氯乙烯和過量的氯化氫進(jìn)一步加成，生成1，1-二氯乙烷，成為過程的一種副產(chǎn)物：CH2=CHCl+HCl→CH3CHCl2當(dāng)乙炔過量時(shí)，過剩的乙炔可使氯化汞復(fù)原為氯化亞汞，甚至轉(zhuǎn)變成金屬汞從而使催化劑喪失活性：C2H2+2HgCl2→ClCH=CHCl+2HgCl基于以上分析，乙炔和氯化氫的氣相加成過程中，可能產(chǎn)生的副產(chǎn)物是二氯乙烷及少量的二氯乙烯。2.1.2乙烯法生產(chǎn)路線乙烯法生產(chǎn)路線是乙烯、氯化氫和氧氣在氯化銅作催化劑的情況下，進(jìn)行氧氯化反響制得氯乙烯。它的反響機(jī)理通常認(rèn)為有以下兩種?！?〕氧化-復(fù)原機(jī)理第1步吸附的乙烯與催化劑作用生成1，2-二氯乙烷，與此同時(shí)，氯化銅被復(fù)原成氯化亞銅：CH2=CH2+2CuCl2→ClCH2CH2Cl+2CuCl第2步氯化亞銅被氧氣氧化成二價(jià)銅，并形成含有氧化銅的絡(luò)合物：2Cu2Cl2+O2→2CuO·CuCl2第3步絡(luò)合物再和氯化氫作用，生成氯化銅和水：CuO·CuCl2+HCl→2CuCl2+H2O反響的控制步驟是第1步。提出這個(gè)機(jī)理的主要依據(jù)如下：①在氯化銅催化劑上，單獨(dú)送入乙烯時(shí)有二氯乙烷生成，此時(shí)氯化銅被復(fù)原成氯化亞銅；②將空氣或氧氣送入被復(fù)原的催化劑氯化亞銅時(shí)，氯化亞銅可全部被氧化成氯化銅；③氧氯化反響速度受乙烯濃度的影響最大?！?〕環(huán)氧乙烷式機(jī)理第1步反響組分的吸附乙烯在催化劑活性位σ1上吸附：C2H4+σ1→C2H4·σ1氧氣在催化劑活性位σ1上解離吸附：O2+2σ1←→2O·σ1氯化氫在催化劑活性位σ2上吸附：HCl+σ2→HCl·σ2第2步外表化學(xué)反響吸附的乙烯和氧反響生成吸附的環(huán)氧乙烷中間物：C2H4·σ1+O·σ1→CH2－CH2·σ1+σ1O吸附的環(huán)氧乙烷中間物和吸附的氯化氫反響生成吸附的產(chǎn)物：CH2-CH2·σ1+2HCl·σ2→ClCH2-CH2Cl·σ1+H2O·σ2+σ2O第3步產(chǎn)物組分的脫附產(chǎn)物組分脫附形成氣相的產(chǎn)物組分，并復(fù)原出空白活性位：ClCH2CH2Cl·σ1→ClCH2CH2Cl+σ1H2O·σ2→H2O+σ2反響的控制步驟是吸附乙烯和吸附氧間的化學(xué)反響，即通常所說的外表化學(xué)反響控制。提出這個(gè)機(jī)理的主要依據(jù)是：乙烯氧氯化反響速度隨反響物乙烯和氧氣的氣相分壓加大而加快；反響速度與反響物氯化氫的氣相分壓變化無關(guān)。2.1.3兩種生產(chǎn)路線的評(píng)價(jià)〔1〕電石法與乙烯法原料路線不同，前者約耗電3000KWh/T〔包括制氯氣，氫氣用電〕約耗電石1.5t/t，后者約耗電3000KWh/T，約耗乙烯0.5t/t。電石耗電約3500KWh/T，因此，電石法PVC實(shí)際上以電為主要原料，綜合耗電約8250KWh/T。所以，供電與電價(jià)是電石法PVC生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。從自備熱電平衡的角度出發(fā)，將大大縮減PVC的生產(chǎn)本錢。在建設(shè)周期尚不能同步的情況下，可先期收購并改造發(fā)電機(jī)組，為一期工程供電供汽，考慮正常發(fā)電利潤〔約8%〕的電力本錢比網(wǎng)上供電價(jià)格要低50%左右，從而保證了把電石法PVC本錢控制在較低的范圍內(nèi)的目標(biāo)，與乙烯法PVC比擬具有相當(dāng)?shù)氖袌鰞r(jià)格競爭力。〔2〕電石法與乙烯法PVC相比，前者生產(chǎn)中有一種副產(chǎn)品：電石渣漿，即含20%左右Ca〔OH〕2的飽和溶液，可用其作為發(fā)電煙氣的脫硫劑，而剩余的局部可以進(jìn)行壓濾，其中Ca〔OH〕296%以上的固相用于生產(chǎn)水泥，其含Ca〔OH〕25%左右的液相全部回收使用?，F(xiàn)在有一種干法乙炔生產(chǎn)技術(shù)值得關(guān)注，可以較好的改善生產(chǎn)過程對社會(huì)環(huán)境的影響，特別是節(jié)水、減少固體及氣體廢物的排放量，降低對電的使用量。〔3〕大規(guī)模和聯(lián)合生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)清潔工藝的根本條件。實(shí)際上，電石法PVC三廢的處理技術(shù)上是根本成熟的。只是，以前電石法PVC企業(yè)主要分布在西部地區(qū)，規(guī)模小，實(shí)力差，技術(shù)落后，沒有經(jīng)濟(jì)能力去解決。大規(guī)模和聯(lián)合生產(chǎn)不僅具備綜合利用，變廢為寶，大幅度降低三廢處理?xiàng)l件，還可為社會(huì)提供具有可觀效益的產(chǎn)品。如用電石渣做水泥，20萬噸/年規(guī)?？梢员１?，100萬噸/年的規(guī)?？捎?。西部的電石法PVC生產(chǎn)企業(yè)有望成為電石法PVC清潔生產(chǎn)工藝的開拓者。此外，從可持續(xù)開展的理念出發(fā)，采取諸如膜過濾，生化處理等技術(shù)達(dá)標(biāo)排放。不管是電石法還是乙烯法PVC生產(chǎn)路線，最后都是由氯乙烯單體聚合生成PVC。氯乙烯單體合成方法主要有乙炔法、聯(lián)合法、烯烴法、乙烯氧氯化法、乙烷一步氧氯化法五種，我國目前普遍采用的為乙炔法〔電石法〕和乙烯氧氯化法兩種。當(dāng)前我國氯堿工業(yè)大局部采用電石法生產(chǎn)PVC以平衡氯氣。雖然此法耗能較高，但因此方法具有投資低，設(shè)備簡單、轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品純度較高等特點(diǎn)，所以，電石法在我國PVC生產(chǎn)中占有很大比例。2.2聚合方法選擇高分子的聚合反響主要是自由基聚合，包括本體聚合、溶液聚合、乳液聚合和懸浮聚合四種[5]。四種聚合方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面將逐一進(jìn)行評(píng)述。2.2.1本體聚合本體聚合是指聚合體系中只有單體本身和少量引發(fā)劑〔利用光、熱作引發(fā)劑的聚合那么只有單體〕的聚合方法。優(yōu)點(diǎn)是：1、透光率好；2、工藝工程簡單；3、產(chǎn)物純度高。缺點(diǎn)是：反響溫度難以控制，易發(fā)生爆聚。本體法聚氯乙烯的顆粒特性與懸浮法樹脂相似，疏松，但無皮膜，更潔凈。本體聚合的主要困難是散熱、防粘、保持疏松顆粒特性等問題，采用兩段聚合可以解決這些困難。第一段聚合稱為預(yù)聚合，在立式不銹鋼攪拌釜中進(jìn)行，小局部氯乙烯和少量高活性引發(fā)劑〔如過氧化乙酰基磺?！硡⒓痈獌?nèi)，在50～70℃下預(yù)聚至7%～11%轉(zhuǎn)化率。在渦輪槳快速攪拌下，形成疏松的顆粒骨架。由夾套和釜頂冷凝器帶走的熱量來估算轉(zhuǎn)化率。高活性引發(fā)劑參加量有限，成為死端聚合，防止轉(zhuǎn)化率過高。預(yù)聚物、大局部單體和另一局部引發(fā)劑參加另一聚合釜，內(nèi)裝低速〔30r/min〕攪拌器，使聚合進(jìn)行到70%～90%。預(yù)聚階段早已形成的顆粒骨架，聚合階段那么繼續(xù)張大。預(yù)聚只需1～2h，聚合卻要5～9h，因此一個(gè)預(yù)聚釜可以配用幾臺(tái)聚合釜。聚合結(jié)束后，只要過篩，即得成品。2.2.2溶液聚合溶液聚合是指單體和引發(fā)劑溶于適當(dāng)溶劑中的聚合反響。優(yōu)點(diǎn)是：1、體系黏度較低；2、混合和傳熱較易；3、溫度易控制；4、凝膠效應(yīng)少；5、可防止局部過熱。缺點(diǎn)是：1、單體濃度較低，致使聚合速度慢，設(shè)備生產(chǎn)能力低；2、單體濃度低和向溶劑鏈轉(zhuǎn)移的雙重結(jié)果，使聚合物分子量降低；3、溶劑別離回收費(fèi)用高，除凈聚合物中殘留溶劑困難。氯乙烯的聚合反響暫時(shí)還未進(jìn)行溶液聚合的工業(yè)生產(chǎn)。2.2.3乳液聚合乳液聚合是指單體在水中由乳化劑分散成乳液狀態(tài)的聚合反響。優(yōu)點(diǎn)是：1、以水作介質(zhì)，價(jià)廉平安，乳膠黏度較低，有利于攪拌傳熱、管道輸送和連續(xù)生產(chǎn)；2、聚合速率快，產(chǎn)物分子量高，而且聚合可以在較低的溫度下進(jìn)行；3、有利于乳膠的直接使用和環(huán)境友好產(chǎn)品的生產(chǎn)。缺點(diǎn)是：1、需要固體產(chǎn)品時(shí)，乳液需經(jīng)凝聚、洗滌、脫水、枯燥等工序，本錢高。2、產(chǎn)品中留有乳化劑等雜質(zhì)，難以完全除凈，有損電性能等。乳液聚合生產(chǎn)的聚氯乙烯主要用于制造糊用聚氯乙烯，不需將產(chǎn)品固化，從而降低生產(chǎn)本錢。2.2.4懸浮聚合懸浮聚合是指油溶性的單體以小液滴的形式懸浮在水中所進(jìn)行的一種聚合方法。優(yōu)點(diǎn)是：1、體系黏度低，傳熱和溫度容易控制，產(chǎn)品分子量高且分布比擬穩(wěn)定；2、產(chǎn)品中雜質(zhì)含量比乳液聚合少；3、后處理工序比乳液聚合和溶液聚合簡單，生產(chǎn)本錢低。缺點(diǎn)是：產(chǎn)物中多少帶有少量分散劑殘留物，透光度和絕緣性不如本體聚合好。綜合懸浮聚合的優(yōu)缺點(diǎn)，其工業(yè)應(yīng)用還是比擬廣泛的，80%的氯乙烯的聚合反響均采用此種方法[6]。2.2.5四種聚合方法比擬表2.1聚合方法比擬表本體聚合溶液聚合懸浮聚合乳液聚合配方組成單體、引發(fā)劑單體、引發(fā)劑單體、引發(fā)劑、分散劑、水單體、引發(fā)劑、乳化劑、水聚合場所本體內(nèi)溶液內(nèi)單體液滴內(nèi)膠束和乳膠粒內(nèi)溫度控制困難容易容易容易聚合速率中等小較大大分子量控制困難容易較困難容易生產(chǎn)特征間歇操作可連續(xù)生產(chǎn)間歇生產(chǎn)可連續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)物特性及主要用途聚合物純潔、硬質(zhì)注塑品涂料、粘合劑適合于注塑或擠塑樹脂涂料、粘結(jié)劑本設(shè)計(jì)說明書采用的就是懸浮聚合法。2.3聚合機(jī)理2.3.1自由基聚合機(jī)理氯乙烯懸浮聚合屬于自由基鏈?zhǔn)骄酆戏错?，分為鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止3個(gè)基元反響[5]?！?〕鏈引發(fā)：又稱鏈的開始，主要反響有兩步：形成活性中心——游離基，進(jìn)而游離基引發(fā)單體。主要的副反響是氧和雜質(zhì)與初級(jí)游離基或活性單體相互作用使聚合反響受阻。一般需要有引發(fā)劑進(jìn)行引發(fā)，常用的引發(fā)劑有偶氮引發(fā)劑、過氧類引發(fā)劑和氧化復(fù)原引發(fā)劑等，偶氮引發(fā)劑有偶氮二異丁腈，偶氮二異丁酸二甲酯引發(fā)劑，V-50引發(fā)劑等，過氧類有BPO等?！?〕鏈增長：是活性單體反復(fù)地和單體分子迅速加成，形成大分子游離基的過程。鏈增長反響能否順利進(jìn)行，主要決定于單體轉(zhuǎn)變成的自由基的結(jié)構(gòu)特性、體系中單體的濃度及與活性鏈濃度的比例、雜質(zhì)含量以及反響溫度等因素?！?〕鏈終止：主要由兩個(gè)自由基的相互作用形成，指活性鏈活性的消失，即自由基的消失而形成了聚合物的穩(wěn)定分子。終止的主要方式是兩個(gè)活性鏈自由基的結(jié)合和歧化反響的雙基終止，或二者同時(shí)存在。2.3.2鏈反響動(dòng)力學(xué)原理〔1〕低轉(zhuǎn)化率階段〔小于5%〕產(chǎn)生的聚合主要發(fā)生在單體相中。動(dòng)力學(xué)鏈長的計(jì)算公式：其中，[I]——引發(fā)劑的摩爾濃度[M]——單體的摩爾濃度kp——鏈增長速率常數(shù)Kd——引發(fā)劑分解速率常數(shù)Kt——終止速率常數(shù)〔2〕中等轉(zhuǎn)化率階段〔5%~65%〕聚合反響隨著轉(zhuǎn)化率的上升而，聚合明顯加快。由于兩個(gè)大個(gè)的自由基首先要經(jīng)過擴(kuò)散相遇、碰撞才可能發(fā)生終止反響，隨著轉(zhuǎn)化率上升，聚合物相黏度增大，擴(kuò)散困難，所以聚合加速?！?〕高轉(zhuǎn)化率階段〔65%〕自由單體相消失，蒸汽壓隨之下降，聚合物相黏度繼續(xù)上升，單體VCM不斷消耗，聚合反響依然很快。因此在體系壓力開始下降時(shí)，聚合速率到達(dá)最大值。隨后由于單體濃度越來越低，聚合速率下降。根據(jù)產(chǎn)品性能要求，轉(zhuǎn)化率應(yīng)控制在70%~95%之間。疏松型的樹脂一般在轉(zhuǎn)化率為85%時(shí)終止，而緊密型樹脂在90%左右終止。2.3.3成粒機(jī)理在懸浮聚合中，攪拌和分散劑是兩個(gè)重要因素。懸浮聚合的單體氯乙烯在水中溶解度很小，根本與水不相溶，只是浮在水面呈兩層。在攪拌器強(qiáng)烈的剪切作用下，單體液層分散成液滴。在聚合反響釜中液態(tài)氯乙烯單體在強(qiáng)力攪拌和分散劑的作用下，被破碎為平均直徑30～40μm的液珠分散于水相中，單體液珠與水相得界面上吸附了分散劑。當(dāng)聚合反響發(fā)生以后，界面層上的分散劑發(fā)生氯乙烯接枝聚合反響，使分散劑的活動(dòng)性和分散保護(hù)作用降低，液珠開始由于碰擊而合并為較大粒子，并處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。2.4影響聚合產(chǎn)品質(zhì)量的因素2.4.1聚合工藝〔1〕聚合溫度聚合速度隨著溫度的升高而加快，但溫度升高鏈轉(zhuǎn)移速度加快會(huì)降低聚合度。在PVC生產(chǎn)中，聚合溫度由需要的聚合度確定。聚合溫度越高，生產(chǎn)的PVC聚合度越低?！?〕聚合釜的傳熱能力反響的熱量是靠冷卻水移走的，如不能保證移熱能力，反響溫度就會(huì)失控，產(chǎn)生爆聚，不僅影響PVC質(zhì)量，還會(huì)發(fā)生平安事故。有效地移走反響熱量的措施如下：①提高冷卻水流速，增大換熱系數(shù)。上海氯堿化工股份在擴(kuò)產(chǎn)改造中提高聚合釜冷卻水循環(huán)泵的流量和揚(yáng)程使聚合釜生產(chǎn)強(qiáng)度提高了10％。②降低冷卻水溫度，增大溫差。目前，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)采用7℃冷凍水替代冷卻水來提高聚合釜的移熱能力，但需要重新整定聚合釜控制參數(shù)PID。③釜內(nèi)設(shè)內(nèi)冷管和擋板，通入冷卻水，加大換熱面積和移熱能力。④設(shè)置釜頂回流冷凝器，采用冷凝VCM蒸氣的方法移走反響熱。⑤改良聚合釜夾套結(jié)構(gòu)，提高換熱系數(shù)，新型聚合釜一般采用半管式夾套，夾套移熱能力可提高15％以上。⑥加強(qiáng)釜內(nèi)粘釜物的去除，減少污垢熱阻。目前國外較先進(jìn)的防粘釜技術(shù)能到達(dá)1000釜以上才需清釜，國內(nèi)先進(jìn)的PVC企業(yè)已經(jīng)能到達(dá)500釜以上才需清釜。⑦采用后注水工藝[7]。2.4.2配方體系〔1〕油水比目前，國內(nèi)技術(shù)先進(jìn)企業(yè)的油水比〔物質(zhì)的量比〕控制為1．3：1〔生產(chǎn)PVC—SG5型樹脂〕以上，而技術(shù)落后的企業(yè)油水比〔物質(zhì)的量比〕為0．85：1〔SG一5〕左右。要到達(dá)較高的油水比，同時(shí)又保證PVC質(zhì)量，有兩項(xiàng)措施：①調(diào)整分散體系的配比，即不同的油水比其分散體系進(jìn)行必要的調(diào)整；②采用高效的后注水工藝。〔2〕聚合釜裝填系數(shù)提高聚合釜的裝填系數(shù)的措施：①具有保證聚合釜系統(tǒng)平安防控體系，平安閥、防爆片、緊急終止劑、手動(dòng)和自動(dòng)放空等完好。要有聚合釜的事故緊急處理預(yù)案等。②根據(jù)不同聚合溫度來決定聚合釜的不同裝填系數(shù)〔要計(jì)算聚合釜在聚合溫度下的的裝填系數(shù)，而不是在冷態(tài)下聚合釜的裝填系數(shù)〕。③設(shè)置回流冷凝器的聚合釜與沒設(shè)置回流冷凝器的聚合釜的裝填系數(shù)不同〔因回流冷凝器具有氣體緩沖和冷卻能力〕?！?〕引發(fā)體系在聚合中，引發(fā)體系對縮短聚合時(shí)間影響很大，要根據(jù)聚合溫度選擇不同的引發(fā)劑復(fù)合，而且選擇活性有差異的引發(fā)劑。〔4〕鏈增長劑生產(chǎn)高聚合度PVC時(shí)，要考慮兩方面的因素：①聚合溫度越低，聚合速度越慢，聚合時(shí)間越長[8]；②聚合溫度越低，聚合釜內(nèi)外溫差減小，聚合移熱能力降低，為保證平穩(wěn)反響，必須放慢聚合引發(fā)速率，延長聚合時(shí)間。在配方中添加鏈增長劑，可以在PVC聚合度保持不變的情況下，有效地提高聚合溫度，縮短聚合時(shí)間?！?〕提高VCM轉(zhuǎn)化率提高VCM轉(zhuǎn)化率可提高聚合釜的生產(chǎn)強(qiáng)度，但VCM轉(zhuǎn)化率過高會(huì)影響PVC質(zhì)量。不同的聚合溫度，VCM轉(zhuǎn)化率對PVC質(zhì)量的影響存在差異，因此要根據(jù)聚合溫度和產(chǎn)品質(zhì)量的要求選擇適宜的最大VCM轉(zhuǎn)化率，以保證聚合釜生產(chǎn)能力最大化，且保證PVC質(zhì)量。2.4.3聚合反響的輔助時(shí)間縮短聚合反響輔助時(shí)間的措施有[9]：〔1〕提高進(jìn)料的流速，即加大進(jìn)料泵的流速?！?〕盡可能同時(shí)進(jìn)料?！?〕采用高溫?zé)崦擕}水技術(shù)，使聚合反響進(jìn)料后直接到達(dá)聚合反響溫度，不再需要進(jìn)行聚合升溫，縮短了聚合輔助時(shí)間?！?〕采用聚合釜全密閉技術(shù)可取消聚合釜抽真空脫空氣的時(shí)間和減少聚合釜開關(guān)人孔及檢查氣密性等時(shí)間，大大降低VCM單耗，減少平安事故。〔5〕在聚合釜外設(shè)置VCM回收槽。縮短了聚合輔助時(shí)間，在聚合釜放料時(shí)用泵輸送，提高放料速度。同時(shí)在放料將結(jié)束時(shí)對聚合釜內(nèi)氣體進(jìn)行回收至常壓，使進(jìn)料更快。2.5防粘釜技術(shù)粘釜會(huì)使聚合釜壁的熱阻大幅度增加，聚合釜傳熱系數(shù)大大降低，聚合反響時(shí)間長，聚合釜生產(chǎn)能力下降，嚴(yán)重的可導(dǎo)致聚合釜移熱困難，聚合釜可能產(chǎn)生超壓和爆聚的危險(xiǎn)。因此，防粘釜是聚合生產(chǎn)中最重要的工序之一。2.5.1粘釜的形成原因聚合釜粘釜現(xiàn)象是由多種因素造成的。且聚合釜內(nèi)部不同部位的粘釜情況大不相同。釜內(nèi)液相局部、釜頂氣相局部，氣一液相界面。攪拌軸和漿葉、攪拌的“死角〞、擋板背側(cè)、釜壁損傷部位等粘釜的程度均有很大差異。氣相局部的粘釜，既可能由引發(fā)劑隨VCM蒸出造成，也可能液體體積收縮等造成。在攪拌薄弱部位往往粘釜比擬嚴(yán)重。在物料流動(dòng)慢的地方，粘釜表現(xiàn)得也比擬突出。粘釜的原因一般分為物理因素和化學(xué)因素[10]。在實(shí)際粘釜過程中，物理和化學(xué)兩因素是同時(shí)發(fā)生和相輔相成的。釜內(nèi)不同部位的粘釜過程也有如下差異：〔1〕釜頂和管道局部的氣相粘釜。主要是液相氯乙烯揮發(fā)時(shí)攜帶一局部引發(fā)劑〔或活性基團(tuán)〕，于金屬壁面冷凝、吸附并聚合而成。有人認(rèn)為，氣相中的氧在壁面上吸附起了促進(jìn)粘釜的作用?！?〕氣液界面粘釜。由于處于氣化和液化的界面處，位于攪拌能量分布較弱的部位，以及反響過程的體積收縮，使聚合物顆粒等易于界面處殘留吸附，而發(fā)生較明顯的由成形粒子構(gòu)成的粘釜帶?！?〕攪拌軸及擋板反面粘釜。由于這些部位都是攪拌能量分布很弱的死角。而成為較嚴(yán)重的類似粒子的粘釜區(qū)?！?〕液相粘釜。主要是由于溶解于水相中的單體〔在50℃和7．8MPa的壓力下，單體在水中溶解度達(dá)1％〕的聚合物，在聚合反響全過程中，予金屬外表發(fā)生上述的物理和化學(xué)過程〔又稱水相聚合〕，而出現(xiàn)較均勻的、根本上由微?！罢辰Y(jié)〞而成的粘釜。2.5.2聚合釜的防粘技術(shù)〔1〕設(shè)備材質(zhì)和處理。采取不銹鋼釜壁拋光，甚至鏡面拋光，以鎳一銅合金代替不銹鋼等?！?〕聚合釜涂布。通常選擇由阻聚劑、固定劑和溶劑組成的涂布液，對聚合釜進(jìn)行噴涂處理。國內(nèi)PVC聚合用防粘釜?jiǎng)┑闹饕贩N為“英國藍(lán)〞和“意大利黃〞兩大體系。〔3〕添加助劑。添加無機(jī)鹽〔如硫化鈉〕和吖嗪類有機(jī)化合物，以及pH調(diào)節(jié)劑等，能減少粘釜過程?！?〕超高壓水清釜。采用壓力為10～25MPa的超高壓水，借助可調(diào)節(jié)的噴槍和旋轉(zhuǎn)的頭可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)的水力清釜，以及釜頂回流冷凝器與氣相管道的清洗。除了設(shè)備材質(zhì)和處理、聚合釜涂布、添加助劑、超高壓水清釜和溶劑清釜，這些防粘技術(shù)外，聚合釜的結(jié)構(gòu)和聚合配方〔包括分散劑、引發(fā)劑以及其他助劑〕的選擇，都會(huì)影響粘釜過程。從防粘釜角度來看，以下原那么是適宜的。①聚合釜應(yīng)采用盡量光潔的拋光外表。②攪拌漿葉和擋板宜在滿足顆粒度要求下，力求結(jié)構(gòu)簡單和數(shù)量少。③聚合配方在滿足加工質(zhì)量要求下，不宜過份降低體系的界面張力。④每次聚合結(jié)束應(yīng)以水沖洗干凈，采用每釜次的涂布法以鈍化金屬外表。經(jīng)屢次聚合后再借人工或高壓水徹底清洗。⑤聚合反響時(shí)添加適量的助劑等[11]。2.6方案總述我國電石的生產(chǎn)原料豐富，產(chǎn)能充足，采用電石法生產(chǎn)聚氯乙烯本錢相對低廉，同時(shí)減少了乙烯的使用，也就相應(yīng)的節(jié)約了化工輕油和原油。近年來，在循環(huán)經(jīng)濟(jì)的指引下，電石渣的綜合利用技術(shù)已經(jīng)日趨成熟與完善，實(shí)現(xiàn)了廢物資源化，在解決環(huán)境污染的同時(shí)直接帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。懸浮法相較于本體聚合、溶液聚合和乳液聚合，體系黏度低，傳熱和溫度容易控制，產(chǎn)品分子量高且分布比擬穩(wěn)定，產(chǎn)品中雜質(zhì)含量比乳液聚合少，后續(xù)處理工序比乳液聚合和溶液聚合簡單，生產(chǎn)本錢低，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。通過上述對兩種生產(chǎn)路線和四種聚合方法的論述，此設(shè)計(jì)選定了電石法生產(chǎn)路線和懸浮聚合法。第三章工藝計(jì)算3.1物料衡算對初始物料經(jīng)反響器，水洗塔，堿洗塔，全凝器，尾氣冷凝器，低沸塔，髙沸塔，聚合釜等設(shè)備作物料衡算。原料用量計(jì)算.1設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：1.生產(chǎn)規(guī)模：1萬噸；2.年工作時(shí)間：8000小時(shí)；3.計(jì)算基準(zhǔn)：連續(xù)過程以kg/h為基準(zhǔn)。具體參數(shù)1.nHCI：nC2H2=1.05:1〔mol〕；2.C2H2合成VC時(shí)的轉(zhuǎn)化率為98.6%；3.C2H2轉(zhuǎn)化為VC的選擇性為99.6%；4.C2H2轉(zhuǎn)化為EDC的選擇性為0.3%。目標(biāo)：a.VC合成的物料計(jì)算；b.相關(guān)反響物、產(chǎn)物及產(chǎn)量并列表。.2物料流程圖圖3.1反響器物料示意圖.3計(jì)算過程年產(chǎn)量：1萬噸=1.0×107kg年工作時(shí)間：8000hVC每小時(shí)產(chǎn)量：1.0×107×1.008÷8000=1260kg/h〔即20.16kmol/h〕VC收率：0.986×0.996=0.9821乙炔起始量：20.16÷0.9821=20.53〔即533.74kg/h〕進(jìn)口乙炔質(zhì)量分?jǐn)?shù)：99%進(jìn)口氣體總質(zhì)量流量：533.74÷0.99=539.131kg/h進(jìn)口氮?dú)獾馁|(zhì)量流量：539.131×0.0097=5.230kg/h進(jìn)口水的質(zhì)量流量：539.131×0.0003=0.1617kg/h因?yàn)閚HCI：nC2H2=1.05:1〔mol〕故氯化氫的摩爾流量：20.53×1.05=21.5565kmol/h〔即786.812kg/h〕總氣體質(zhì)量流量：786.812÷0.99=794.76kg/h進(jìn)口氮?dú)獾馁|(zhì)量流量：786.812×0.0097=7.632kg/h進(jìn)口水的質(zhì)量流量：786.812×0.0003=0.236kg/h進(jìn)口組分質(zhì)量流量：乙炔：533.74kg/h氯化氫：786.812kg/h氮?dú)猓?.23＋7.632=12.862kg/h水：0.1617＋0.236=0.3977kg/h二氯乙烷的收率：0.986×0.003=0.00296二氯乙烷的生成量：20.53×0.00296=0.06073kmol/h乙醛的收率：0.986×0.001=0.000986乙醛的生成量：20.53×0.000986=0.0202426kmol/h出口組分質(zhì)量流量：VC：1260kg/h未反響的乙炔：20.53×〔1－0.986〕=0.28742kmol/h〔即7.47292kg/h〕未反響的氯化氫：21.5565－20.16－0.06073×2=1.27504kmol/h〔46.53896kg/h〕二氯乙烷：0.06073kmol/h〔即6.01227kg/h〕乙醛：0.0202426kmol/h〔即0.890674kg/h〕氮?dú)猓?2.862kg/h水：0.3977—0.0202426×18=0.03333kg/h.4物料衡算表表3.1反響器進(jìn)出口物料一覽表組分進(jìn)口出口kmol/hkg/h%〔mol〕kmol/hkg/h%〔mol〕C2H2HClN2H2OVCCH3CHOCH2Cl2合計(jì)20.5321.55650.459360.0220900042.5680533.74786.81212.8620.39770001333.8120.48230.50640.01080.000500010.287421.275040.459360.00185220.160.02024260.0607322.264657.4729246.5389612.8620.0333312600.890676.012271333.8010.01290.05730.02068.318×10-50.90559.092×10-42.728×10-31各工段物料衡算.1水洗工段〔1〕設(shè)計(jì)參數(shù)a.合成器經(jīng)水洗后98%〔wt〕的HCl被洗掉；b.一圈全部被洗掉，不考慮EDC、C2H2在水中的溶解損失；c.水洗后廢水含酸2%〔wt〕；d.VC損失為總量的1%〔wt〕；e.水洗塔的壓力位850mmHg，水洗溫度為35℃。〔2〕物料流程圖圖3.2水洗塔物料示意圖〔3〕計(jì)算過程被洗掉的氯化氫：46.53896×0.98=45.6082kg/h被洗掉的乙醛：0.89067kg/h生成的廢水的量：45.6082÷0.02=2280.409kg/hVC的損失量：1260×0.01=12.6kg/h剩余VC量：1260×0.99=1247.4kg/h〔即19.9584kmol/h〕二氯乙烷：6.01227kg/h〔即0.06073kmol/h〕乙炔：7.47292kg/h〔即0.28742kmlo/h〕氯化氫：46.53896×0.02=0.93078kg/h〔即0.0255kmol/h〕氮?dú)猓?2.862kg/h〔即0.45936kmol/h〕總摩爾流量：19.9584+0.06073+0.28742+0.0255+0.45936=20.7914kmol/h根據(jù)道爾頓分壓定律[11]，水蒸氣的摩爾數(shù)：〔即19.3961kg/h〕設(shè)進(jìn)口水量為X，有溶解公式和物料恒算解以下方程：得X=2253.991kg/hVC溶解量：〕]÷1000=1.676kg/hVC機(jī)械夾帶：12.6-1.676=10.924kg/h〔4〕物料衡算表表3.2水洗塔進(jìn)口物料一覽表組分進(jìn)口出口kmol/hkg/h%〔mol〕kmol/hkg/h%〔mol〕C2H2HCLN2H20VCCH3CHOCH2CL2合計(jì)0.287421.275040.45936125.2217220.160.02024260.06073147.48457.4729246.5389612.8622253.99112600.890676.012273587.76780.001950.008650.003110.8490.13671.373×10-44.1177×10-310.287420.02550.459361.076119.958400.0607321.86757.472920.9307812.86219.36911247.406.012271294.0470.013141.166×10-30.0210.049210.912702.777×10-31.2堿洗工段〔1〕設(shè)計(jì)參數(shù)a.采用10%〔wt〕的氫氧化鈉溶液，并循環(huán)至其5%時(shí)放掉；b.堿洗溫度30℃，壓力795mmHg；c.VC損失為水洗后的1%〔wt〕；d.EDC不參與反響，不考慮EDC溶解夾帶損失?！?〕物料流程圖圖3.3堿洗塔物料示意圖〔3〕計(jì)算過程VC機(jī)械夾帶：1247.4×0.01=12.474kg/h氯化氫被全部消耗掉：0.93078kg/h〔既0.0255kmol/h〕消耗的氫氧化鈉的量：0.0255kmol/h〔既1.02kg/h〕設(shè)參加的氫氧化鈉溶液的質(zhì)量為X，由氣態(tài)冷凝的水的質(zhì)量為Y；解以下方程：解得X=25.26kg/hY=3.929kg/h既參加氫氧化鈉的量為25.26kg/h，冷凝的氣態(tài)水的量為3.929kg/h剩余VC的量：1247.4-12.474=1234.926kg/h物料衡算表表3.3堿洗塔進(jìn)出口物料一覽表組分進(jìn)口出口kmol/hkg/h%〔mol〕kmol/hkg/h%〔mol〕C2H2HCLN2H20VCCH2CL2合計(jì)0.287420.02550.459361.076119.95840.0607321.86757.742920.9307812.86219.36911247.46.012271294.0470.013141.166×10-30.0210.049210.912752.777×10-310.2874200.459360.8577819.75880.0607321.4247.74292012.86215.4401234.9266.01227166.71320.0134200.021440.040.92232.835×10-31.3全凝器的物料衡算〔1〕設(shè)計(jì)依據(jù)a.單體VC冷凝率為99.5%〔wt〕；b.粗油中乙炔溶解量控制在0.02%〔wt〕以下；c.N2、C2H2在此條件下不冷凝。〔2〕物料流程圖圖3.4全凝器物料示意圖〔3〕計(jì)算過程單體VC冷凝量：設(shè)乙炔溶解量為X，由溶解度公式解以下方程：解得VC溶解和機(jī)械夾帶損失量：全凝器液相出口中VC量：物料衡算表表3.4全凝器出口物料一覽表組分氣相出口液相出口kmol/hkg/h%〔mol〕kmol/hkg/h%〔mol〕C2H2〔g〕VC〔g〕N2〔g〕H2O〔g〕H2O〔l〕C2H2〔l〕VC〔l〕EDC〔l〕合計(jì)0.2874219.75880.459360.85778000021.363367.472921234.92612.86215.44000001270.71.345%92.94%2.15%4.015%000010.277970.09880.4593600.857789.454×10-319.6010.0607321.3657.227126.1746312.862015.4400.24581225.0656.012271273.0271.3%0.46%2.15%04.01%0..044%91.74%0.285%1.4粗餾〔1〕設(shè)計(jì)依據(jù)a尾冷器液化率0.8；b高沸塔液態(tài)出口只含VC、EDC，其摩爾分?jǐn)?shù)分別為60%、40%；c高沸塔氣態(tài)出口VC含量99.9%〔mol〕，EDC含量為0.005%〔mol〕，乙炔小于0.001%。〔2〕物料流程圖〔3〕計(jì)算過程設(shè)V1中N2的摩爾分?jǐn)?shù)為：55.37%，那么C2H2的摩爾分?jǐn)?shù)為：其中：N2的物質(zhì)的量為：〔即0.2873kmol/h〕〔即0.0830kmol/h〕設(shè)高沸塔氣相出口V2中VC、EDC、C2H2總物質(zhì)的量為X，液相出口W2中VC、EDC總物質(zhì)的量為Y。那么F〔EDC〕=V〔EDC〕+W〔EDC〕F〔VC〕=V〔VC〕+V+W〔VC〕+W損失〔VC〕代入數(shù)據(jù)：解得即檢驗(yàn)：由尾冷器的液化率可得：由物料衡算得：帶入數(shù)據(jù)，聯(lián)立兩方程得：解方程得低沸塔塔頂組成如下：設(shè)F1’全部為VC，根據(jù)進(jìn)出口物料平衡：塔頂VC的含量：塔頂C2H2的含量：〔即〕〔4〕物料衡算表表3.5低沸塔進(jìn)出口料一覽表物料進(jìn)料塔頂塔釜kmol/h%〔mol〕kmol/h%〔mol〕kmol/h%〔mol〕VC19.6010.99640.923750.9919.52750.9969C2H29.454×10-34.806×10-49.331×10-30.011.23×10-46.27×10-6EDC0.060733.087×10-3000.060733.096×10-3合計(jì)19.671210.9331119.61841表3.6高沸塔進(jìn)出口一覽表物料進(jìn)料塔頂塔釜kmol/h%〔mol〕kmol/h%〔mol〕kmol/h%〔mol〕VC19.52750.996919.43670.999940.09080.6C2H21.23×10-46.27×10-61.23×10-46.328×10-600EDC0.060733.096×10-39.728×10-45.0047×10-50.059760.4合計(jì)19.6184119.437810.150561.5聚合釜工段物料衡算根本參數(shù)投料量：VCM計(jì)算公式：原料純度：轉(zhuǎn)化率：生產(chǎn)周期：6h反響溫度：℃進(jìn)料溫度恒溫溫度：℃相關(guān)物料量計(jì)算〔1〕進(jìn)料投料量純VCM為〔體積〕進(jìn)料單體密度d：進(jìn)料純VCM〔質(zhì)量〕M：〔2〕水取VCM的120%：〔3〕引發(fā)劑無VCM的0.08%：配成60%水分散液，那么分散液量為：〔4〕分散劑取單體量的0.055%：〔5〕涂壁劑：〔6〕緩沖劑：〔7〕取轉(zhuǎn)化率為82%，那么聚合釜中全部轉(zhuǎn)化的VCM量為：生產(chǎn)規(guī)模：1萬噸／年生產(chǎn)時(shí)間：8000h生產(chǎn)周期：6h每頓PVC消耗定額：1.008噸VCM〔100%〕相當(dāng)于需多生產(chǎn)PVC才能控制損失：萬噸/年聚合釜數(shù)：平安系數(shù)：1.2—1.5取1.3那么故取釜個(gè)數(shù)為1個(gè)。工藝流程：圖3.6工藝流程圖〔包括助劑，雜質(zhì)〕：進(jìn)〔總〕：出〔總〕：進(jìn)出物料完全平衡。沉析槽：VCM〔2%〕:12.6183×103×2%/98%PVC+H2O+VCM=257.5kg/釜沉析槽PVC:10.347×103kg/釜H2O〔90%〕:15.1858×103×90%=13.6672×103kg/釜VCM:2.2713×103-257.5=2.0138×103kg/釜H2O〔10%〕:15.1858×103×10%=1.51858×103kg/釜物料衡算進(jìn)〔總〕：27.804×103kg/釜出〔總〕：進(jìn)出物料平衡。汽提塔PVC:VCM:H2O:PVC+VCM+H2OPVC:1.26×103kg/h汽提塔1.26×10331.361.6632×103H2O〔90%〕:1.6632×103×90%kg/hkg/hkg/h=1.4969×103kg/hVCM:31.36kg/hH2O:1.6632×103×10%=166.32kg/h物料衡算進(jìn)〔總〕：出〔總〕：進(jìn)出物料平衡。離心PVC+H2OPVC:1.26×103kg/h離心H2O〔27%〕:1.26×103×27%/73%1.26×1031.4969×103=0.466×103kg/hkg/hkg/hH2O:1.4969×103-0.466×103=1.0309×103kg/h物料衡算進(jìn)〔總〕：出〔總〕：進(jìn)出物料平衡。枯燥：離心離心PVC+H2O+熱空氣離心PVC:1.26×103kg/h1.26×1030.466×1031.2509×104H2O〔0.1%〕:1.26×103×0.1%/99.9%kg/hkg/hkg/h=1.2613kg/h濕空氣H2絕干物料量：物料進(jìn)出枯燥器濕含量：w1=0.37kg水/kg濕物料w2=0.003kg水/kg濕物料濕物料進(jìn)口溫度：℃絕干物料篩析數(shù)據(jù)平均粒徑：最大粒徑：dMax=1000μM濕含量H1=0.012kg/kg絕干氣枯燥管中的氣流速度：ug=25M/s進(jìn)入枯燥管熱風(fēng)溫度：t1=150℃出枯燥管排氣溫度：t2=60℃絕干物料量：枯燥出去的水份量：熱風(fēng)物料平衡：〔I〕排氣溫度℃枯燥系統(tǒng)物料出口溫度℃由[12]那么，進(jìn)入枯燥管的氣體熱焓：離開枯燥系統(tǒng)的氣體熱焓：對全枯燥系統(tǒng)進(jìn)行熱量平衡由：〔II〕由〔I〕，〔II〕得：L〔枯燥用熱空氣流量〕=12508.76kg/h3.2熱量衡算石墨冷卻器.1設(shè)計(jì)依據(jù)a冷凝鹽酸濃度40%〔wt〕,不計(jì)損失；b原料氣進(jìn)口溫度-15℃；c壓力300mmHg；d鹽水溫度-35℃；.2物料流程圖3.7石墨冷卻器物料示意圖.3計(jì)算過程40%鹽酸上的水蒸氣分壓可用一下公式計(jì)算[13]：〔單位：mmHg〕其中設(shè)冷卻下來的水為Xkg/h,由鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可知溶解的鹽酸的量為2/3Xkg/h由水蒸氣分壓得：那么X=0.3172kg/h所以溶解的HCI的量為2/3X,即0.21147kg冷凝的鹽酸的量為：0.3172+0.21147=0.52867kg/h.4計(jì)算過程各組分冷凝所釋放的熱量計(jì)算：表3.7各組分比熱容一覽表組分比熱容，Cp，kJ/〔kg/℃〕H2O〔l〕4.2H2O〔g〕1.812C2H21.684HCl〔g〕0.8N21.0046EDC1.26VC0.862鹽酸2.3熱量計(jì)算公式[12]：水在該溫度下的汽化潛熱為2109.22kJ/kg,〔B〕==0.21147620.34=131.1833kJ/hH2O〔g〕==〔-15-10〕1.812〔0.3977-0.3172〕=-3.64665kJ/hH2O〔l〕==〔0-10〕1.8120.3172-2109.220.3172+〔-15-0〕4.20.3172=-694.77585kJ/hC2H2==〔-15-10〕1.684533.74=-22470.454kJ/hN2==〔-15-10〕1.004612.862=-323.029kJ/hHCl==〔-15-10〕0.8〔786.812-0.21147〕=-15732.011kJ/hHCl在此溫度下的溶解熱為620.34kJ/kg鹽酸溶解降溫放熱：交換總熱量為：=H2O〔g〕+H2O〔l〕+C2H2+N2+HCl++=-39123.1322kJ/h轉(zhuǎn)化器.1設(shè)計(jì)依據(jù)采用串聯(lián)轉(zhuǎn)化〔二級(jí)〕一級(jí)轉(zhuǎn)化熱量計(jì)算設(shè)一級(jí)轉(zhuǎn)化的C2H2轉(zhuǎn)化率為70%，忽略副反響的熱效應(yīng)，轉(zhuǎn)化器的溫度150℃，進(jìn)入轉(zhuǎn)化器的物料溫度為80℃，轉(zhuǎn)化后的物料溫度為110℃，忽略過程的熱損失：二級(jí)轉(zhuǎn)化熱量計(jì)算不考慮副反響的熱效應(yīng)，二級(jí)轉(zhuǎn)化的C2H2轉(zhuǎn)化率為27.6%，二次轉(zhuǎn)化溫度為140℃，進(jìn)料溫度取110℃；二級(jí)轉(zhuǎn)化過后物料溫度為110℃，忽略過程的熱損失：循環(huán)熱水：一級(jí)轉(zhuǎn)化進(jìn)口水溫度為97℃，出口水溫度為102℃，二級(jí)轉(zhuǎn)化進(jìn)口水溫度為97℃，出口水溫度為100℃。循環(huán)水消耗計(jì)算式[13]：：進(jìn)出水的平均比熱，取4.1858；0.02：汽化水量與進(jìn)水量的百分比；γ：水的汽化潛熱2258.66；t：蒸汽溫度，取100℃.2計(jì)算過程一級(jí)轉(zhuǎn)化熱量計(jì)算：150℃下主反響的反響熱124.8kJ/mol；乙炔的一級(jí)轉(zhuǎn)化率為70%；故放出的熱量為：未轉(zhuǎn)化的物料的熱量變化：產(chǎn)物放熱：參與反響了的物質(zhì)的熱量變化：故轉(zhuǎn)化的總熱量為：冷卻水用量：二級(jí)轉(zhuǎn)化熱量計(jì)算：經(jīng)過一級(jí)轉(zhuǎn)化后，進(jìn)入二級(jí)轉(zhuǎn)化器的組成：1400C下主反響的反響熱為：Q主參與了反響的物質(zhì)的熱量變化：QC2H2=QHCl=轉(zhuǎn)化的總熱量為：冷卻水用量：全凝器.1設(shè)計(jì)依據(jù)冷凝器效率99.5%，氮?dú)猓胰膊焕淠?；物料進(jìn)口溫度45℃，出口溫度25℃冷凍水進(jìn)口溫度5℃，出口溫度8℃.2物料流程圖.3計(jì)算過程氣液相組成：Hi—i物質(zhì)氣相焓值hi—i物質(zhì)液相焓值水的焓值：計(jì)算各物質(zhì)的潛熱公式[14]如下：,可得：對于VC：對于乙炔：對于EDC:對于水：計(jì)算各物質(zhì)所釋放的熱量：Q1,N2=qmCpt=12.862×1.0046×〔45-35〕=258.4233kJ/hQ2,H2O=qm=15.440×〔〕=37807.82kJ/h對于EDC：Q3F=qmCpΔt+qm=6.01227×45×1.26+646.34×6.01227=4226.8663kJ/hQ3B=qmCpt=6.01227×25×1.26=189.3865kJ/hQ3,EDC=Q3F-Q3B=4226.8663-189.3865=4037.4798kJ/h對于乙炔：Q3F=qmCpΔt+qm=1.684×〔7.22712+0.2458〕×45+7.22712×641.27=5200.833kJ/hQ4D=qmCpΔt+qm=1.684×7.22712×45+7.22712×641.27=5182.2064kJ/hQ4B=qmCpΔt=1.684×0.2458×25=10.3482kJ/hQ4,C2H2=Q4F-Q4D-Q4B=5200.833-5182.2064-10.3482=8.2784kJ/h對于VC：Q5F=qmCpΔt+qm=〔0.862×45+363.03〕×〔6.17463+1225.065〕=494736.708kJ/hQ5D=qmCpΔt+qm=0.862×6.17463×45+363.03×6.17463=2481.09kJ/hQ5B=qmCpΔt=1225.065×0.862×25=26400.1508kJ/hQ5,VC=Q5F-Q5D-Q5B=494736.708-2481.09-26400.1508=465855.467kJ/hQ==507967.469kJ/h尾氣冷凝器.1設(shè)計(jì)依據(jù)a.進(jìn)口VC氣體溫度為15℃，出口尾氣溫度為-25℃，液體回流溫度為22℃。b.冷凍鹽水溫度為-35℃.2物料流程圖.3計(jì)算過程Q進(jìn)=qmCpΔt+qm[12]Q移=Q進(jìn)-Q出對于N2，只有冷卻熱：QN2=qmCpΔt=12.862×1.0046×〔-25-22〕=－607.295kJ/h對于VC氣體：QVC=qmCpΔt+qm=〔5.18512+3.32×62.5〕×〔0.862×〔-25-22〕+363.03〕=6.8595×104kJ/h對于C2H2氣體：QC2H2=qmCpΔt=7.46972×1.684×〔-25-22〕=-591.2134kJ/h聚合階段20~57.5℃，0.75h圖3.10聚合釜示意圖〔1〕預(yù)熱階段〔20~57.5℃,0.75h〕①聚合釜傳熱〔吸熱〕聚合釜材料不銹鋼：釜重：M釜=51660kg②VCM傳熱Cp=MVCM=×103kg③水傳熱MVCM=kg④攪拌器傳熱電機(jī)功率：⑤熱水溫降：80℃85℃℃由預(yù)熱階段能量守恒，流量：〔2〕聚合階段〔4.4h〕①反響熱〔放熱〕每聚氯乙烯聚合熱：1507.3②攪拌熱〔放熱〕③冷卻水〔吸熱〕〔-1℃1.9℃〕由能量守恒得：流量：第四章設(shè)備的工藝計(jì)算與選型4.1低沸塔設(shè)備計(jì)算表4.1低沸塔進(jìn)出口物料一覽表物料進(jìn)料塔頂塔釜kmol/h%〔mol〕kmol/h%〔mol〕kmol/h%〔mol〕VCC2H2EDC合計(jì)19.6019.454×10-30.0607319.67120.99644.806×10-43.087×10-310.923759.331×10-300.93310.990.010119.52751.23×10-40.0607319.61840.99696.27×10-63.096×10-314.1.1塔板數(shù)的計(jì)算〔1〕最小回流比確實(shí)定設(shè)泡點(diǎn)進(jìn)料，以EDC作基準(zhǔn)，那么：aEDC=1；aC2H2=153；aVC=22.7由恩德伍德公式[12]經(jīng)試差求得：q=152.57782，Rm=2.45，取R=1.5Rm=3.68〔2〕最少理論塔板數(shù)確實(shí)定取情關(guān)鍵組分為乙炔，中關(guān)鍵組分為VC，此溫度下塔頂各物質(zhì)的K值如下；KVC=0.7243；KC2H2=4.9；KEDC=0.0319塔出口各物質(zhì)的K值分別為：KVC=0.985；KC2H2=5.84；KEDC=0.1295由由芬斯克方程[12]：即可算出Nm其中，故，=3.0利用吉利蘭圖[12]求N經(jīng)查吉利蘭圖得，,那么N=5.7進(jìn)料位置和實(shí)際塔板數(shù)確實(shí)定利用柯克布萊德公式[12]：故聯(lián)立n+m=5.7得n=0.35，m=5.4取塔板效率為30%，那么實(shí)際塔板數(shù)為：精餾段n=2塊，提餾段m=18塊〔包括再沸器〕應(yīng)選取19塊塔板〔不包括再沸器〕，其結(jié)構(gòu)為浮動(dòng)噴射塔板。4.1.2低沸塔的塔體工藝尺寸計(jì)算〔1〕塔徑的計(jì)算精餾段和提餾段的氣，液相流率：精餾段:L=RD=3.68×0.9331=3.4338kmol/hV=L+D=〔R+1〕D=4.68×0.9331=4.367kmol/h提留段:L’=L+F=3.4338+19.6712=23.105kmol/hV’=V=4.367kmol/hVs=nRT/P==0.0315m/sD=取=0.5m/s,有D==0.2833m因精餾段和提留段的氣、液相負(fù)荷及物性數(shù)據(jù)接近，故全塔取塔徑=300mm?！?〕低沸塔有效高度的計(jì)算精餾段的有效高度：Z=〔N-1〕H=20.35=0.7m；提留段的有效高度：Z=〔-1〕H=〔18-1〕0.35=5.95m；在進(jìn)料板上方開一人孔，其高度為0.8m；故精餾塔的有效高度：Z=Z+Z+0.8=0.7+5.95+0.8=7.45m4.1.3塔板主要工藝尺寸的計(jì)算〔1〕溢流裝置計(jì)算因塔徑D=0.3m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤，各項(xiàng)計(jì)算如下：堰長l取l=0.6D=0.60.3=0.18m濫流堰高度h由h=h一h[12]選用平直堰，堰上液層高度h由公式[14]計(jì)算：h=近似取E=l，液體密度近似為VC的密度，即894.72kg/mh==h=取板上清夜高度層h=60mm故h847=0.05153m弓形降液管寬度W和截面積A由l/D=0.6，查弓形降液管參數(shù)圖[13]得：A/A=0.0556，W/D=0.107故A=0.0556A=0.05560.07065=0.003928mW=0.124D=0.1070.3=0.0321m驗(yàn)算液體在降液管中的停留時(shí)間，即=3600AH/L=3600×0.003928×0.35/0.927=5.34s>5s故降液管設(shè)計(jì)合理．降液管底隙高度hh===0.01788mh-h=0.05656-0.01788=0.03365m>0.006m故降液管底隙高度設(shè)計(jì)合理．〔2〕塔板布置塔板的分塊因D=300mm，故采用單塊式；邊緣區(qū)寬度確實(shí)定取Ws=Ws'=0.03m；Wc=0.03m開孔區(qū)面積計(jì)算開孔區(qū)面積A，按以下公式[13]計(jì)算：A==D/2-〔W+W〕=0.3/2-〔0.0321+0.03〕=0.0879m=D/2-W=0.3/2-0.03=0.12m故A=2篩孔計(jì)算及其排列：由于所處理的物系無腐蝕性，可選用的碳鋼板。取篩孔直徑；篩孔按正三角形排列，取孔中心距t為：篩孔數(shù)目n為：開孔率為：氣體通過閥孔的氣速為：4.1.4篩板的流體力學(xué)驗(yàn)算〔1〕塔板壓降干板阻力有以下公式[14]計(jì)算：由，查干孔篩的流量系數(shù)圖得故液柱氣體通過液層的阻力為計(jì)算查充氣系數(shù)關(guān)聯(lián)圖得，故液柱液體外表張力的阻力液柱氣體通過每層塔板的液柱高度可按下式計(jì)算，即液柱〔2〕液面落差由于篩板塔的液面落差很小，且設(shè)計(jì)的塔徑和液流量均不大，故可以忽略液落差的影響?！?〕液沫夾帶由亨特經(jīng)驗(yàn)是式[14]：[5]〔4〕漏液對篩板塔，漏液總氣速，由公式計(jì)算：孔速為穩(wěn)定系數(shù)[14]為：〔5〕液泛為防止塔內(nèi)發(fā)生液泛，降液管內(nèi)液層高度應(yīng)滿足：取，那么而，板上不設(shè)進(jìn)口堰，可用下式計(jì)算液注液注故，即不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。4.1.5塔板負(fù)荷性能圖〔1〕漏液線整理得：〔2〕液沫夾帶線以氣為限，求關(guān)系如下：〔3〕液相負(fù)荷下限線對于平衡堰，取堰上液層高度作為最小液體負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)。故，〔4〕液相負(fù)荷上限線以作為液體在降液管中停留時(shí)間的下限〔5〕溢流液泛線令；；；；；由以上幾式聯(lián)立可得：忽略，將與，與的關(guān)系式代入上式，整理得：其中，代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：故，根據(jù)以上各線方程，可作出塔的設(shè)備的負(fù)荷性能圖，如圖4.1所示：圖4.1低沸塔負(fù)荷性能圖在負(fù)荷性能圖上，作出操作點(diǎn)A，連接OA，即作出操作線，如上圖所示，該塔的操作線上限位液泛控制，下限為漏液控制。；故操作彈性為低沸塔再沸器選型〔1〕設(shè)計(jì)依據(jù)a.進(jìn)口釜溫度39.5，出口氣體溫度39.5b.熱水進(jìn)口溫度98，出口溫度78〔2〕物料流程圖圖4.2低沸塔再廢器物料示意圖〔3〕計(jì)算過程再沸器給出熱量可近似看做塔底產(chǎn)品汽化所需熱量，39.2℃下VC的汽化潛熱可為363.33kJ/kg。℃取K=188.361查工程手冊[15]知，采用一臺(tái)換熱面積為12m2的列管式換熱器并聯(lián)使用〔管子規(guī)格：Ф25×2.5；管數(shù)：26；管長：6m〕熱水用量：4.2高沸塔設(shè)備計(jì)算表4.2高沸塔進(jìn)出口物料一覽表物料進(jìn)料塔頂塔釜kmol/h%〔mol〕kmol/h%〔mol〕kmol/h%〔mol〕VCC2H2EDC合計(jì)19.52751.23×10-40.0607319.61840.99696.27×10-63.096×10-3119.43671.23×10-49.728×10-419.43780.999946.328×10-65.0047×10-510.090800.059760.150560.600.414.2.1塔板數(shù)的計(jì)算〔1〕最小回流比確實(shí)定設(shè)泡點(diǎn)進(jìn)料，以EDC作基準(zhǔn)，那么：