年產(chǎn)20萬噸氯乙烯工藝設(shè)計

年產(chǎn)20萬噸氯乙烯工藝設(shè)計Processdesignofvinylchloridewithannaloutputof200kt目錄摘要IAbstractII引言1第一章緒論21.1聚氯乙烯2聚氯乙烯性質(zhì)和分類21.1.2聚氯乙烯的用途21.1.3聚氯乙烯工業(yè)與乙烯工業(yè)的關(guān)系41.2氯乙烯VC41.2．1氯乙烯在國民經(jīng)濟中的地位和作用4世界VC的產(chǎn)需狀況及預(yù)測5我國VC的產(chǎn)需狀況及預(yù)測51.3氯乙烯制取方法61.4氯乙烯的合成71.4.1反響機理71.4.2催化劑的選取7生產(chǎn)條件的選擇8對原料氣的要求91.5氯乙烯生產(chǎn)工藝流程簡述10生產(chǎn)工藝流程10主要原料和產(chǎn)物的物化性質(zhì)11第二章工藝計算132.1物料衡算13計算依據(jù)132.1.2各單元的物料衡算132.2熱量衡算212.2.1熱量衡算式21有關(guān)物化數(shù)據(jù)表212.2.3相應(yīng)各個設(shè)備的熱量衡算22第三章主要設(shè)備及管道管徑設(shè)計與選型293.1轉(zhuǎn)化器的設(shè)計與選型293.1.1條件29數(shù)據(jù)計算29手孔31封頭的選擇313.2精餾塔的設(shè)計與選型31求精餾塔的氣、液相負荷333.2.2求操作線方程33塔徑的計算34精餾塔有效高度的計算37管徑的計算373.3主要管道管徑的計算與選型393.3.1HCl進料管403.3.2乙炔氣進料管403.3.3石墨冷卻器的進料管413.3.4多筒過濾器的進料管41轉(zhuǎn)化器的進料管413.3.6轉(zhuǎn)化器的出料管423.3.7石墨冷卻器進料管42局部管道一覽表42第四章生產(chǎn)中的考前須知及廢水處理434.1生產(chǎn)中常見物質(zhì)的危害及處理方法43相應(yīng)各物質(zhì)危害及處理434.1.2對VC泄露的綜合治理444.2廢水的處理444.2.1廢水排放標(biāo)準(zhǔn)444.2.2廢水的處理方法45其他三廢的處理45第五章平安生產(chǎn)防火技術(shù)465.1廠區(qū)平安生產(chǎn)特點465.2乙烯合成的平安技術(shù)465.3乙炔爆炸475.3.1氧化爆炸475.3.2分解爆炸475.3.3乙炔的化合爆炸475.4氯乙烯的燃燒性能475.5平安措施475.6氯乙烯生產(chǎn)中發(fā)生過的典型事故48結(jié)論51致謝52參考文獻53附錄54附錄A工藝流程圖54附錄B主要設(shè)備圖54年產(chǎn)20萬噸氯乙烯工藝設(shè)計摘要：氯乙烯是化學(xué)工業(yè)重要有機化工原料，其市場供需量也愈來愈龐大，在化工生產(chǎn)中的地位不斷攀升。由于近年來全世界氯乙烯的生產(chǎn)開展很快，其產(chǎn)量及消費需求也都迅猛增長;而在國內(nèi)也隨著我國聚氯乙烯等行業(yè)的不斷開展，帶動了我國氯乙烯消費量的不斷增加。本設(shè)計主要對氯乙烯的物性、用途及國內(nèi)外生產(chǎn)消費現(xiàn)狀進行分析，對其現(xiàn)有各種生產(chǎn)工藝做簡要介紹，根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求確定了本生產(chǎn)工藝流程，對氯乙烯的生產(chǎn)、別離及提純階段精餾塔進行詳細計算，并根據(jù)物性及操作條件等綜合因素對塔設(shè)備結(jié)構(gòu)進行計算、設(shè)計、選型，對輔助設(shè)備進行相應(yīng)的設(shè)計計算。做出我認為年產(chǎn)20萬噸氯乙烯理想的設(shè)計方案。關(guān)鍵字：增加；氯乙烯；聚氯乙烯；精餾塔；計算Processdesignofvinylchloridewithannaloutputof200ktAbstract:Vinyl

chloride

is

an

important

organic

chemical

raw

materials

in

chemical

industry,

its

market

supply

and

demand

quantity

will

become

more

and

more

large

and

the

position

of

Vinyl

chloride

will

be

rise

in

chemical

production.

Due

to

the

production

of

vinyl

chloride

is

developing

very

fast

in

the

world,

the

production

and

consumption

demand

are

growing

rapidly;

With

the

continuous

development

of

PVC

industry

in

China,

our

country's

vinyl

chloride

consumption

also

increased.

This

design

mainly

analyze

the

vinyl

chloride’s

physical

properties,

use

and

production,

and

consumption

status

at

home

and

abroad.Also

brifely

introducing

the

existing

production

process

.According

to

the

requirement

of

design

task,making

sure

the

production

process

and

calculating

the

production,

separation

and

purification

of

vinyl

chloride.

Considering

the

comprehensive

factors

such

as

physical

properties,

operating

conditions

and

so

on,we

calculate

the

tower

equipment‘s

structure,

design,

select

type,

and

calculate

the

design

of

auxiliary

equipment.Finally

making

the

ideal

design

scheme

from

my

side

which

can

output

200

kt

of

vinyl

chloride

every

yearKeywords:Addition;Vinylchloride;PolyvinylChloride;Distillationcolumn;Calculate引言本設(shè)計是根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，對年產(chǎn)二十萬噸氯乙烯的工藝初步設(shè)計，廣泛收集了聚氯乙烯〔(PolyvinylChloride，簡稱PVC〕、氯乙烯〔vinylChloride;簡稱VC〕工藝化工設(shè)計的相關(guān)資料作為設(shè)計依據(jù)。對PVC的性質(zhì)和國內(nèi)外開展?fàn)顩r進行了介紹，并著重對VC工藝開展?fàn)顩r、工藝選擇、性質(zhì)、工藝流程及合成原理，相關(guān)的物料性質(zhì)、物料衡算、設(shè)備選型、管道設(shè)計作了較為詳細的闡述，以理論設(shè)計為主，參考了大量資料和書籍，力求接近實際、切合實際。第一章緒論1.1聚氯乙烯聚氯乙烯性質(zhì)和分類[1]聚氯乙烯(PolyvinylChloride，簡稱PVC)樹脂是由氯乙烯單體(VinylChloride，簡稱VC)聚合而成的熱塑性高聚物，工業(yè)生產(chǎn)主要采用懸浮法、乳液法、本體法和溶液法以及衍生開展的微懸浮法等方法而實現(xiàn)聚合。其外觀為一種白色的無定形粉末，密度1.35～1.45g／cm3，表觀密度0.45～0.65g／cm3。生產(chǎn)方法不同得到的樹脂顆粒大小不同，一般懸浮法PVC樹脂顆粒大小為60～150um，本體法PVC樹脂顆粒大小為30～80um，乳液法PVC樹脂顆粒大小為1～50um，微懸浮法PVC樹脂顆粒大小為20～80um。PVC分子結(jié)構(gòu)式為-(CH2CHCl)n-目前，商品化的PVC樹脂的平均相對分子質(zhì)量范圍在1．9×105～5．0×106之間。PVC樹脂與聚乙烯(PE)樹脂相比，由于碳氫鏈中引入了氯元素，其物理性能具有特點，氯元素的引入導(dǎo)致聚氯乙烯具有難燃性，在火焰上可以燃燒，同時放出HCl、CO和苯等物質(zhì)，離火即自熄。在常溫下耐磨性超過硫化橡膠，抗化學(xué)腐蝕性、抗?jié)B透性、綜合機械性能、電絕緣性、隔熱性等較優(yōu)異。其缺點是熱穩(wěn)定性和抗沖擊性能較差。在受熱和在光線照射下，易釋放HCl，PVC分類表現(xiàn)出較差的熱穩(wěn)定性，一般在80℃開始軟化，于100℃我國通用型懸浮法樹脂劃分為SGl～SG8共8個型號，其聚合度在800～1600之間。在專用型樹脂方面國內(nèi)自行研究開發(fā)了低聚合度PVC(聚合度在400左右)、高聚合度PVC(聚合度為2500、4000、6000等)、糊用摻混PVC、交聯(lián)PVC、共聚PVC樹脂、食品級和醫(yī)用級PVC樹脂、蓄電池隔板和PVC熱塑性彈性體等品種。氯化聚氯乙烯(CPVC)樹脂和納米聚氯乙烯等暫時在國內(nèi)還沒有形成生產(chǎn)能力。高性能化和替代某些工程塑料的PVC樹脂成為PVC品種開展的新方向。PVC應(yīng)用廣泛，其制品種類繁多。聚氯乙烯的用途由于其性能價格比優(yōu)越，聚氯乙烯樹脂廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。以PVC樹脂為基料和增塑劑、填料、穩(wěn)定劑、著色劑、改性劑等多種助劑混合后經(jīng)塑化、成型加工而成的聚氯乙烯塑料應(yīng)用相當(dāng)廣泛。通用型懸浮法聚氯乙烯樹脂可以加工成軟制品和硬制品。日常生活中常見的電纜外皮、防水卷材、農(nóng)用膜、密封材料等一般由SG2和SG3樹脂和30％～70％增塑劑加工而成，屬于軟制品，主要通過吹塑、壓延、模塑、滾塑等加工方法實現(xiàn)。塑鋼門窗，上下水管，硬制板材，管件等一般由SG5型以上樹脂和含有0～6％的增塑劑加工而成，稱為硬制品，采用壓延、擠出、注塑成型工藝。乳液法PVC主要采用浸漬法、涂刮法生產(chǎn)工藝制造人造革、壁紙等。本體法聚氯乙烯樹脂的應(yīng)用領(lǐng)域與懸浮法PVC根本相同，由于生產(chǎn)過程不含有分散劑，制作透明片材的優(yōu)點較為突出。國外PVC一般以硬制品為主，所占比例到達60％以上，多年來我國一直以軟制品為主，經(jīng)過近幾年的開展，硬制品的應(yīng)用比例逐年提高，也逐步向以硬制品為主的方向開展。近年來世界和中國聚氯乙烯樹脂消耗比例分別見表1.1和表1.2。表1.1近年來世界聚氯乙烯樹脂消耗比例品種比例/%品種比例/%PVC硬制品管材33PVC軟制品薄膜片材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1.2近年來中國聚氯乙烯樹脂消耗比例品種比例/%品種比例/%PVC硬制品管材14PVC軟制品薄膜片材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聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS統(tǒng)稱為五大通用合成樹脂，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、國防事業(yè)、人們的衣食住行等國計民生各個領(lǐng)域。聚氯乙烯作為大宗合成樹脂，應(yīng)用領(lǐng)域最寬，市場廣闊。在一些興旺國家，聚氯乙烯硬制品占70％，軟制品涂料和黏合劑占30％；按應(yīng)用領(lǐng)域劃分，建材類占65％，包裝類占8％，電子電器占7％，家具／裝飾占5％，一般消費占4％，其他占11％。特別是PVC在加工過程中可以添加較多的其他改性助劑、大量廉價的填料，在適宜的性能下可以更低的本錢制造適用產(chǎn)品，所以PVC比其他通用樹脂及塑料制品的價格廉價，性能價格比優(yōu)越，經(jīng)濟效益好，尤其是在建筑領(lǐng)域的角色地位是其他材料所不能取代的。聚氯乙烯工業(yè)與乙烯工業(yè)的關(guān)系乙烯是化工行業(yè)最根本的化工原料，乙烯的生產(chǎn)能力是衡量一個國家的經(jīng)濟實力的具體指標(biāo)。20世紀(jì)60年代以前化工原料，世界各國均采用電石乙炔法制氯乙烯單體，隨著電價的不斷攀升，而使用石油裂解生產(chǎn)出的乙烯的價格只是電石法制乙炔的一半(石油價格2～3美金／桶)，于是世界各國開始原料路線的轉(zhuǎn)變，淘汰高耗能污染大的電石乙炔法。美國于1969年根本完成了原料路線的轉(zhuǎn)變，日本在1971年絕大局部裝置采用乙烯原料路線，其他國家的聚氯乙烯廠也在很短的時間內(nèi)，于20世紀(jì)70年代完成單體原料路線的轉(zhuǎn)變。1.2氯乙烯VC1.2．1氯乙烯在國民經(jīng)濟中的地位和作用氯乙烯又名乙烯基氯，是一種應(yīng)用于高分子化工的重要的單體，為無色、易液化氣體，是塑料工業(yè)的重要生產(chǎn)原料，是生產(chǎn)聚氯乙烯塑料的單體；或與醋酸乙烯、丙烯腈制成共聚物，用作粘合劑、涂料、絕緣材料和合成纖維，也用作化學(xué)中間體或溶劑。氯乙烯易液化，這一性質(zhì)在氯乙烯精制中有著重要的工業(yè)意義。除此之外，氯乙烯易溶解于丙酮、乙醇和烴類，微溶于水，它易燃，與空氣混合爆炸的極限是4%～22%，它對人體有麻醉的作用，對肝臟有影響，可使人中毒，人對氯乙烯的嗅覺感知的質(zhì)量濃度為2.4g/3m，長期的接觸會使人引起消化系統(tǒng)、皮膚組織、神經(jīng)系統(tǒng)等多種病癥。氯乙烯分子含有不飽和雙鍵和不對稱的氯原子，因而很容易發(fā)生均聚反響；也能與其他的單體發(fā)生共聚反響，還能與多種無機或有機化合物進行合成、加成、取代及縮合等化學(xué)反響。氯乙烯的主要應(yīng)用是在工業(yè)上進行均聚反響或共聚的以上生產(chǎn)高聚物。目前世界上用于制造聚氯乙烯樹脂的上網(wǎng)氯乙烯單體量約占氯乙烯總產(chǎn)量的96%，而美國那么達98%。氯乙烯的聚合物廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑及人們的日常生活中，例如；硬的聚氯乙烯具有強度高、質(zhì)量輕、耐磨性能好等特點。廣泛用于工業(yè)給水、排水、排污、排氣及排放腐蝕性的流體等用管道、管件以及農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)、電線電纜等管道等，其總量約占氯乙烯的消耗量的30%多，目前世界上塑料銷量的20%以上用于建筑，而建筑上的40%是氯乙烯的聚合物，如塑料地板，不僅可以制成色彩鮮艷的各種圖案，而且可以將圖案制成外表有浮雕感的多種型材。聚氯乙烯制成得到的門和窗具有較好的隔熱、隔冷、隔音性能好的以及耐腐蝕、耐潮濕、耐霉?fàn)€等特點。而且由于它們的外表光滑，不需要涂漆、維修方便，比其他的塑料門的材料要廉價好多，因而在國內(nèi)外的的產(chǎn)業(yè)上得到了廣泛阿的應(yīng)用和開展，聚氯乙烯的材料具有色澤鮮艷，花紋有立體感、防潮、防霉、防燃及便易清洗的特點，用做房屋建設(shè)具有簡單大方，價格廉價等好多的優(yōu)點。軟的聚氯乙烯具有堅韌柔軟、耐彎曲、有彈性、耐寒等優(yōu)點，所以常用作電線電纜的絕緣包皮，以代替鉛皮、橡膠與紙張等，聚氯乙烯糊是將聚氯乙烯的顆粒分散在液體懸浮介質(zhì)中，形成高粘度狀的混合物，用于制造人造革、零件及日常生活用品。由于傳統(tǒng)的電石乙炔法制氯乙烯需要消耗大量電能,對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染,我國在幾家較大的氯乙烯生產(chǎn)廠引進了日本、歐洲的平衡氧氯化生產(chǎn)工藝,該工藝由于具有本錢低、質(zhì)量高、污染小、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點,是目前世界上比擬通用的氯乙烯生產(chǎn)工藝。最初的氯乙烯生產(chǎn)全部以乙炔為原料。60年代后期，隨著乙烯裝置大型化及乙烯氧氯化技術(shù)的成熟，乙烯法在經(jīng)濟和環(huán)保等方面占有明顯的優(yōu)勢，在世界范圍內(nèi)乙炔法迅速被乙烯法取代。迄今為止，全世界氯乙烯裝置93%以上采用乙烯法，在工業(yè)興旺國家如日本，已全部淘汰了乙炔法，僅在我國及其它開展中國家仍占有相當(dāng)比重世界VC的產(chǎn)需狀況及預(yù)測1998年,世界各國擁有VC的生產(chǎn)能力合計為304312萬t,產(chǎn)量合計258017萬t,開工率達85%,而1993-1998年世界VC生產(chǎn)能力和產(chǎn)量的年增長率分別為610%和516%。根據(jù)目前世界各地區(qū)的再建和擴建方案,預(yù)計到2003年和2023年,全世界VC的生產(chǎn)能力將分別到達330115萬t和380910萬t,依次比1998年增長815%和2512%,預(yù)計2003年VC生產(chǎn)將進入下一個百分點,到達94%。北美和西歐的增長率降低與亞洲和中東地區(qū),亞洲和中東仍將是VC開展的重點地區(qū)。我國VC的產(chǎn)需狀況及預(yù)測隨著國民經(jīng)濟的高速開展,社會需求的增長,刺激了PVC樹脂生產(chǎn)的迅速開展,目前全國有生產(chǎn)企業(yè)80余家,但規(guī)模較小,年產(chǎn)10萬噸以上的廠家僅有上海氯堿化工股份和齊魯石化總公司。1998年我國PVC生產(chǎn)能力是22023萬t,產(chǎn)量為15415萬t,而表觀消費量卻達310112萬t,近年我國PVC樹脂產(chǎn)量遠遠不能滿足市場的需求,這與我國大局部生產(chǎn)廠家工藝技術(shù)落后,VC原料短缺有直接的關(guān)系。今后幾年,我國塑料加工業(yè)對PVC的需求量會越來越大,特別是聚氯乙烯硬制品的開展迅速,據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,2005年建筑排水管70%采用塑料管;電線套管80%采用塑料管;2023年新建住宅室內(nèi)排水管道80%采用塑料管,電線套管90%采用塑料管;外墻雨水管50%采用塑料管;塑料門窗的市場占有率也將達30%以上,因此2023年僅化學(xué)建材對PVC樹脂的需求量已達200多萬t?？梢奝VC的開展空間越大,VC的市場開展前景越好。1.3氯乙烯制取方法氯乙烯是生產(chǎn)聚氯乙烯樹脂的原料，目前主要采用以下四種方法制取氯乙烯：1.乙烯氧氯化法2.電石乙炔法3.乙烯直接氧化法4.烯炔聯(lián)合法〔原料為乙烯〕。前兩種方法應(yīng)用較為普遍，而基于我國現(xiàn)狀，目前我國大局部廠家都采用乙炔法。因此，本設(shè)計采用乙炔法。氯乙烯首先在工業(yè)上實現(xiàn)生產(chǎn)是在20世紀(jì)30年代，當(dāng)時是使用電石水解成，乙炔和氯化氫進行加成反響得到的。其化學(xué)反響方程式為：CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2〔1-1〕C2H2+HCl→CH2CHCl〔1-2〕50年代前，電石是由焦炭與生石灰在電爐中加熱生成：CaO+3C→CaC2+CO〔1-3〕隨著氮乙烯需求量的增加，人們致力于尋找生產(chǎn)氯乙烯更廉價的原料來源。在50年代初期，乙烯成為生產(chǎn)氯乙烯更經(jīng)濟、更合理的原料。實現(xiàn)了由乙烯和氯氣生產(chǎn)氯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)路線。該工藝包括乙烯直接氯化生產(chǎn)二氯乙烷及二氯乙烷裂解生產(chǎn)氯乙烯。隨后，人們注意到二氯乙烷裂解過程，除生成氯乙烯外還生成氯化氫。由此，工業(yè)界想到由氫化氫可以連同乙炔生產(chǎn)工藝一起生產(chǎn)氯乙烯。CH2＝CH2十C12→CH2C1—CH2CH2C1—CH2C1→CH2＝CHC1十HC1十HCl→CH250年代后期，開發(fā)出乙烯氧氯化工藝以適應(yīng)不斷增長的對氯乙烯的需求。在這個過程中，乙烯、氧氣和氯化氫反響生成二氯乙烷，和直接氯化過程結(jié)合在一起，兩者所生成的二氯乙烷一并進行裂解得到氯乙烯，這種生產(chǎn)方法稱為平衡法。至今世界上雖仍有少量的氯乙烯來自于電石乙炔及乙炔—乙烯混合法，而絕大局部氯乙烯是通過基于乙烯和氯氣的平衡過程生產(chǎn)。平衡氧氯化生產(chǎn)工藝仍是已工業(yè)化的、生產(chǎn)氯乙烯單體最先進的技術(shù)，在世界范圍內(nèi)，93％的聚氯乙烯樹脂都采用由平衡氧氯化法生產(chǎn)的氯乙烯單體聚合而成。該法具有反響器能力大、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)本錢低、單體雜質(zhì)含量少和可連續(xù)操作等特點。1.4氯乙烯的合成[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。反響機理+124．8kJ/mol〔1-6〕上述反響實際上是非均相的，分5個步驟來進行，其中外表反響為控制階段。I外擴散乙快、氯化氫向碳的外外表擴散；II內(nèi)擴散乙炔、氯化氫經(jīng)碳的微孔通道向外外表擴散；III外表反響乙炔、氯化氫在升汞催化劑活化中心反響發(fā)生加成反響生成氯乙烯；IV內(nèi)擴散氯乙烯經(jīng)碳的微孔通道向外外表擴散；V外擴散氯乙烯自碳外外表向氣流中擴散。催化劑的選取[15]I載體活性炭用作催化劑載體的活性炭，一般是由低灰分的煤加工制成，并經(jīng)750～950℃高溫水蒸氣活化，以氧化(或稱“燒掉〞)成型后炭粒內(nèi)部的揮發(fā)組分，使形成許多微細的“孔穴〞和“通道〞。因此，活性炭具有非常驚人的外表積，如利用低濕氮氣吸附法或苯蒸氣動態(tài)吸附法，可測得目前常用的活性炭其每克重量就有800～1000m2的外表積，這一數(shù)值又稱為活性炭的比外表積。活性炭的這一特性使它具有優(yōu)異的吸附能力，被廣泛地應(yīng)用于氣體或液體中微量雜質(zhì)的吸附別離過程，各種有毒、有害氣體的防毒面具以及催化劑的載體。II升汞在常溫下是白色的結(jié)晶粉末，分子式HgCl2分子量271.52，升華點302℃。在此溫度下固態(tài)升汞可以直接升華變成蒸氣態(tài)。升汞在水中具有一定的溶解度，且依溫度上升而增加，升汞在水中的離解(或稱水解)作用很小，只占溶解的升汞分子總數(shù)中的0.1%，且水溶液實際上不導(dǎo)電，說明這種化合物為共價鍵的性質(zhì)，升汞在水中的微量離解不產(chǎn)生Hg2+離子，而按獨特的方式進行〔1-7〕純的升汞粉末(無載體活性炭時)對氯乙烯合成反響并無活性，而一旦吸附于活性炭外表，由于兩者的相互作用使對該反響有優(yōu)異的活性和選擇性，是迄今為止該化學(xué)反響最為理想的催化劑。工業(yè)生產(chǎn)中宜選用純度＞99%的升汞試劑作為催化劑的原料。III催化劑及其催化作用眾所周知，催化劑是一種能改變化學(xué)反響速度而本身并不發(fā)生化學(xué)變化也不能改變化學(xué)反響平衡的物質(zhì)，即當(dāng)進行可進反響時，催化劑對兩個相反方向的反響速度具有相同的效力。以乙炔與氯化氫氣相合成氯乙烯的反響來說，在100～180℃范圍的熱力學(xué)平衡常數(shù)是很高的，說明在上述溫度下該反響如到達平衡，那么有獲得高收率氯乙烯產(chǎn)品的可能。但反響動力學(xué)實驗證實，當(dāng)無催化劑存在時，該反響在上述溫度范圍的速率幾乎等于零，而以升汞的活性炭催化劑用于反響時，反響過程就大大地被加速，這時的平衡常數(shù)是很大的，催化劑與乙炔生成了中間絡(luò)合物，再由中間絡(luò)合物進一步生成氯乙烯，也即催化劑的存在改變了反響的歷程(機理)和反響所需的活化能，以到達加速反響的效果。由于催化劑并不參加化學(xué)反響，而只是升華或中毒造成一些損失，所以1kg上述催化劑可合成1000kg以上的氯乙烯單體。目前，工業(yè)生產(chǎn)用催化劑，系以活性炭為載體，浸漬吸附8～12%左右的升汞制備而成，這里的含汞量系指每100份活性炭(干基)合升汞8～12份〔摩爾比〕。如前所述，純的升汞對合成反響并無催化作用，純的活性炭也只有較低的催化活性，而當(dāng)升汞吸附于活性炭外表后(比外表積下降到600～800m3/g，即具有很強的催化活性。生產(chǎn)條件的選擇I摩爾比提高原料氣乙炔或氯化氫氣的濃度(即分壓)或使一種原料氣配比過量，都有利于反響速度和轉(zhuǎn)化率增加。但當(dāng)乙炔過量時，易使催化劑中升汞復(fù)原為甘汞或水銀．造成催化劑很快失去活性，而當(dāng)氯化氫過量太高，那么不但增加原料消耗定額，還會增加已合成的氯乙烯與氯化氫加成生成1,1-二氯乙烷副產(chǎn)物的時機。因此，宜控制乙炔與氯化氫摩爾比在1：1.05～1.10范圍，實際生產(chǎn)操作中，應(yīng)結(jié)合合成氣中轉(zhuǎn)化氯化氫及乙炔含量的分析值來實現(xiàn)摩爾比控制的。II反響溫度提高反響溫度有利于加快氯乙烯合成反響的速度，獲得較高的轉(zhuǎn)化率。但是，過高的溫度易使催化劑吸附的氯化高汞升華而隨氣流帶逸，降低催化劑活性及使用壽命；此外，在較高溫度下，催化劑在乙炔氣流中可收集到45～70℃餾分的液體，屬二氯乙烯類物質(zhì)，而催化劑上的升汞被復(fù)原成甘汞或水銀。因此，工業(yè)生產(chǎn)中盡可能將合成反響溫度控制在100～180℃范圍。III空間流速空間流速是指單位時間內(nèi)通過單位體積催化劑的氣體量(氣體量習(xí)慣以乙炔量來表示，其單位為m3乙炔／催化劑m3·h。乙炔的空間流速對氯乙烯的產(chǎn)率有影響，當(dāng)空間流速增加時，氣體與催化劑的接觸時間減少，乙炔的轉(zhuǎn)化率隨之降低。反之，當(dāng)空間流速減少時，乙炔轉(zhuǎn)化率提高，但高沸點副產(chǎn)物量也隨之增多，這時生產(chǎn)能力隨之減小。在實際生產(chǎn)中，比擬恰當(dāng)?shù)囊胰部臻g流速為25～40m3乙炔／m3催化劑·h。此時，既能保證乙炔有較高的轉(zhuǎn)化率，又能保證高沸點副產(chǎn)物含量減少。對原料氣的要求氯乙烯合成反響對原料氣乙炔和氯化氫的純度和雜質(zhì)含量均有嚴(yán)格的要求。I純度如果原料氣純度低，使二氧化碳、氫等惰性氣體量增多，不但會降低合成的轉(zhuǎn)化率，還特使精餾系統(tǒng)的冷凝器傳熱系數(shù)顯著下降，尾氣放空量增加，從而降低精餾總收率。一般要求乙炔純度≥98.5%，氯化氫純度≥93%。II乙炔中磷、硫雜質(zhì)乙炔氣中的磷化氫、硫化氫等均能與合成汞催化劑發(fā)生不可逆的化學(xué)吸附，使催化劑中毒而縮短催化劑使用壽命。此外，它們還能與催化劑中升汞反響生成無活性的汞鹽?！?-8〕工業(yè)生產(chǎn)采用浸硝酸銀試紙在乙炔樣氣中不變色，作為檢測磷、硫雜質(zhì)地標(biāo)準(zhǔn)。III水分水分過高易與混合氣中氯化氫形成鹽酸，使轉(zhuǎn)化器設(shè)備及管線受到嚴(yán)重腐蝕，腐蝕的產(chǎn)物二氯化鐵、三氯化鐵結(jié)晶體還會堵塞管道，威脅正常生產(chǎn)。水分還易使催化劑結(jié)塊，降低催化活性，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化器阻力上升，使乙炔流量增高產(chǎn)生困難。此外，水分還易與乙炔反響生成聚合有害的雜質(zhì)乙醛。水分的存在還促進乙炔與升汞生成有機絡(luò)合物，后者覆蓋于催化劑外表而降低催化劑活性。一般，原料氣含水分≤0.06%，能滿足生產(chǎn)需要。IV氯化氫中游離氯氯化氫中游離氯的存在是由于合成中的氫和氯配比不當(dāng)，或氯化氫氣壓力波動造成的，游離氯一旦進入混合器與乙炔混合接觸，即發(fā)生劇烈反響生成氯乙炔等化合物，并放出大量熱量引起混合氣體的瞬間膨脹，釀成混合脫水系統(tǒng)的混合器、列管式石墨冷凝器等薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生爆炸而影響正常生產(chǎn)，因此必須嚴(yán)格控制。作為生產(chǎn)平安措施，一般借游離氯自動測定儀或在混合器出口安裝氣相溫度報警器，設(shè)定該溫度超過56℃正常生產(chǎn)中，應(yīng)嚴(yán)格控制氯化氫中無游離氯析出。V含氧量原料氣(主要存在于氯化氫中)中含量用較高時，將威脅平安生產(chǎn)、特別當(dāng)合成轉(zhuǎn)化率較差，造成尾氣放空中含乙炔量較高時，氧在放空氣相中也被濃縮．就更有潛在的危險，系統(tǒng)中的氧能與活性碳在高溫下反響生成一氧化碳和二氧化碳，使精餾系統(tǒng)出現(xiàn)問題。更值得注意的是，氧在精餾系統(tǒng)中能與氯乙烯單體反響形成氯乙烯過氧化物：〔1-9〕后者與精餾系統(tǒng)中微量水分相遇時，會發(fā)生水解而產(chǎn)生鹽酸，甲酸、甲醛等酸性物質(zhì),從而降低單體pH值，造成設(shè)備管線的腐蝕，那么產(chǎn)生的鐵離子那么污染單體，最終還影響到聚合產(chǎn)品的白度和熱穩(wěn)定性。因此，原那么上應(yīng)盡量將原料氣中含氧量降低到最低值甚至零。僅工業(yè)生產(chǎn)上由于電解槽以及氯氣、氫氣和氯化氫氣體的輸送處理系統(tǒng)難免將空氣泄漏，故一般規(guī)定控制在0.5%以下。1.5氯乙烯生產(chǎn)工藝流程簡述生產(chǎn)工藝流程緩沖器緩沖器乙炔砂封混合器石墨冷卻器多筒過濾器石墨預(yù)熱器轉(zhuǎn)化器除汞器水洗塔堿洗塔冷卻器Ⅱ圖1.1生產(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=1/1.05～1.1〕在混合器中充分混合，進入石墨冷卻器，用-35℃鹽水間接冷卻，冷卻到-14℃±2℃，乙炔氯化氫混合氣在此溫度下，局部水分以40%鹽酸排出，局部那么夾帶于氣流中，進入串聯(lián)的酸霧過濾器中，由硅油玻璃棉捕集器別離，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，第一組那么填裝活性較低的，即由第二組轉(zhuǎn)化器更換下來的舊催化劑即可。合成反響放出的熱量通過離心泵送來的95～100主要原料和產(chǎn)物的物化性質(zhì)I氯化氫分子式：HCl分子量：36.5性質(zhì)：氯化氫是一種無色有刺激性的氣體，遇到濕空氣那么呈白色煙霧，鼓可做煙霧劑。標(biāo)準(zhǔn)狀況下比重為1.639kg/m2，低溫低壓下可以成為液體，熔點為-114℃，沸點為-85.03易溶于水，標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1升水可溶解525.2升的HCl氣體。在潮濕狀態(tài)下，容易與多種金屬作用生成該金屬的氯化物。屬強酸，可使蛋白質(zhì)凝固造成凝固性壞死，嚴(yán)重時可引起受損器官穿孔，斑痕形成，狹窄及畸形。規(guī)格：純度≥93%水分≤0.06%II乙炔分子式：C2H2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。乙炔是一種易燃易爆的不穩(wěn)定化合物。易分解放出大量的熱而發(fā)生爆炸。壓力對乙炔有特殊的意義。壓力增加時，乙炔氣體分子間相密聚，因此，一旦某處乙炔分解，就能迅速擴展到全部氣體中。加工業(yè)氣體乙炔的壓力在147kPa(1.47bar)以上溫度超過773～823K時，使會全局部解，發(fā)生爆炸。當(dāng)溫度低于723K(并有接觸物質(zhì)存在時，可能發(fā)生爆炸。乙炔可以發(fā)生加成反響，聚合反響。乙炔具有弱酸性，其分子中的氫能被某些金屬取代而成鹽。例如含有水成氨的工業(yè)乙乙炔與氯化亞銅作用，生成具有爆炸性副乙炔銅。所以，工業(yè)上乙炔發(fā)生系統(tǒng)不能使用銅制的旋塞及管件。規(guī)格：純度：≥98.5%不含硫、磷、砷等雜質(zhì)。III氯乙烯分子式：CH2＝CHCl分子量：62.50沸點：-13.9℃熔點：蒸汽相對密度：2.15(空氣為1)液體相對密度：0.9121〔20℃爆炸極限：在空氣中3.6～26.4%(體積)第二章工藝計算2.1物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。計算依據(jù)I計算基準(zhǔn)年產(chǎn)能力：年產(chǎn)200kt的氯乙烯年工作日：以330天計算日產(chǎn)量：200×106÷330=6.091×105kg〔2-1〕小時產(chǎn)量：6.091×105÷24=25379kg〔2-2〕即，每小時要合成氯乙烯25379kg，以下計算均以1h為基準(zhǔn)。II化學(xué)反響式：主反響：〔2-3〕副反響：〔2-4〕〔2-5〕〔2-6〕III倒推法計算：精餾〔氯乙烯的收率[1]：99.5%〕：25379÷99.5%=25506.5kg=408.104kmol〔2-7〕轉(zhuǎn)化器〔乙炔的轉(zhuǎn)化率：95%〕：408.104÷95%=429.583kmol〔2-8〕因此，進氣中C2H2需429.583kmol〔11169.2kg〕各單元的物料衡算〔1〕混合器的物料衡算混合器C2混合器C2H2HClO2H2O乙炔氯化氫圖2.1混合器的物料衡算簡圖C2H2和HCl的最適宜的摩爾比是：1:1.05～1.1[2]本設(shè)計選取：nC2H2:nHCl=1:1.08I進料氣組成：表2.1進料氣組成進料氣組分含量/%乙炔氣C2H299.5H2O0.5氯化氫HCl99.95H2O0.01惰性氣體〔以O(shè)2計算〕0.04因此，進料氣所需乙炔氣：429.583÷99.5%=431.742kmol〔2-9〕進料氣所需的氯化氫氣體：429.583×1.08÷99.95%=464.182kmol〔2-10〕即，C2H2：429.583kmol〔11169.158kg〕HCl：463.950kmol〔16934.175kg〕O2：464.182×0.04%=0.1857kmol〔5.942kg〕〔2-11〕H2O：464.182×0.01%+431.742×0.5%=2.205kmol〔39.69kg〕〔2-12〕II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。C2H2:429.583kmolHCl：463.950kmolO2：0.1857kmolH2O：2.205kmolIII混合器的物料衡算表表2.2混合器的物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%C2H211169.15839.679C2H211169.15839.679HCl16934.17560.159HCl16934.17560.159O25.9420.000211O25.9420.000211H2O36.690.1410H2O36.690.1410Σ28148.965100Σ28148.965100〔2〕石墨冷卻器CC2H2HClO2H2O混合氣石墨冷卻器混合氣石墨冷卻器鹽酸鹽酸圖2.2石墨冷卻器的物料衡算簡圖由于在石墨冷卻器中，用-35℃查閱相關(guān)資料，即設(shè)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：C2H2:429.583kmol〔11169.158kg〕HCl：463.950kmol〔16934.175kg〕O2：0.1857kmol〔5.942kg〕H2O：2.205kmol〔39.69kg〕II出料氣組成：C2H2:429.583kmol〔11169.158kg〕O2：0.1857kmol〔5.942kg〕H2O：2.205×〔1-30%〕=1.5435kmol=27.783kg〔2-13〕∵〔2-14〕∴=〔0.4÷0.6〕=〔0.4÷0.6〕×〔39.69-27.783〕=7.938kg〔2-15〕HCl：16934.175-7.938=16926.237kg=463.733kmol〔2-16〕鹽酸：7.938+〔39.69-27.783〕=19.845kg〔2-17〕III石墨冷卻器的物料衡算表2.3石墨冷卻器的物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%C2H211169.15839.679C2H211169.15839.679HCl16934.17560.159HCl16926.23760.131O25.9420.000211O25.9420.000211H2O39.690.1410H2O27.7830.000987鹽酸19.8450.000745Σ28148.965100Σ28148.965100〔3〕多筒過濾器由相關(guān)資料查得，在多筒過濾器中，采用3～5%憎水性有機硅樹脂的5～10um細玻璃纖維，可將大局部酸霧別離下來，以鹽酸的形式排出。假設(shè)鹽酸為38%，出水量為80%。I進料氣組成：C2H2:429.583kmol〔11169.158kg〕HCl：463.733kmol〔16926.237kg〕O2：0.1857kmol〔5.942kg〕H2O：1.5435kmol〔27.783kg〕II出料氣組成：C2H2:429.583kmol〔11169.158kg〕O2：0.1857kmol〔5.942kg〕H2O：27.783×〔1-80%〕=5.5566kg∵鹽酸為38%，×100%=38%〔2-18〕∴=〔0.38÷0.62〕×=〔0.38÷0.62〕×27.783=13.623kg〔2-19〕HCl：16926.237-13.623=16912.614kg〔2-20〕鹽酸：13.623+27.783×80%=35.849kg〔2-21〕III多筒過濾器的物料衡算表2.4多筒過濾器的物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%C2H211169.15839.707C2H211169.15839.707HCl16926.23760.172HCl16912.61460.125O25.9420.000211O25.9420.000211H2O27.7830.000988H2O5.55660.000198鹽酸35.8490.00127Σ28129.12100Σ28129.12100〔4〕石墨預(yù)熱器此時無質(zhì)量交換，即進出口各物料量不變。表2.5石墨預(yù)熱器物料衡算表進料/出料質(zhì)量/kgW/%C2H211169.15839.757HCl16912.61460.202O25.9420.000212H2O5.55660.000198Σ28093.3100〔5〕轉(zhuǎn)化器CH2CH2CHClC2H2HClC2H2HCl轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化器圖2.3轉(zhuǎn)化器物料衡算簡圖由前面的表達知，此轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化率為95%[3]。I進料氣組成：C2H2:11169.158kg〔429.583kmol〕HCl：16912.64kg〔463.36kmol〕〔二者之比為1:1.078〕O2：5.942kgH2O：5.5566kgII出料氣組成：CH2CHCl：429.583×95%×62.5=25506.491kg〔2-22〕C2H2:11169.158×〔1-95%〕=558.458kg〔2-23〕×95%×36.5=2016.849kg〔2-24〕O2：5.942kgH2O：5.5566kgIII轉(zhuǎn)化器的物料衡算：表2.6轉(zhuǎn)化器的物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%C2H211169.15839.757CH2CHCl25506.49190.792HCl16912.6460.202C2H2558.4580.0199O25.9420.000212HCl2023.8497.179H2O5.55660.000198O25.9420.000212H2O5.55660.000198Σ28093.3100Σ28093.3100〔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?！喑鞯奈锪虾馑悖罕?.7除汞器的物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%CH2CHCl25506.49190.792CH2CHCl25506.49190.792C2H2558.4580.0199C2H2558.4580.0199HCl2023.8497.179HCl2023.8497.179O25.9420.000212O25.9420.000212H2O5.55660.000198H2O5.55660.000198Σ28093.3100Σ28093.3100〔7〕石墨冷卻器表2.8石墨冷卻器物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%CH2CHCl25506.49190.792CH2CHCl25506.49190.792C2H2558.4580.0199C2H2558.4580.0199HCl2023.8497.179HCl2023.8497.179O25.9420.000212O25.9420.000212H2O5.55660.000198H2O5.55660.000198Σ28093.3100Σ28093.3100〔8〕水洗泡沫塔[4]查閱相關(guān)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。假設(shè)回收鹽酸的回收率為98%，參加的水量為7910kg。I進料氣組成：CH2CHCl：25506.491kgC2H2:558.458kgHCl：2016.849kgO2：5.942kgH2O：5.5566+7910=7915.557kg〔2-25〕II出料氣組成：CH2CHCl：25506.491kgC2H2:558.458kg回收的鹽酸：2023.849×98%÷20%=9882.56kg〔2-26〕HCl：2023.849×〔1-98%〕=40.337kg〔2-27〕O2：5.942kg×0.8=9.5085kg〔2-28〕III泡沫水洗塔的物料衡算:表2.9泡沫水洗塔的物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%CH2CHCl25506.4910.708CH2CHCl25506.4910.708C2H2558.4580.0155C2H2558.4580.0155HCl2023.8490.056HCl40.3370.00112O25.9420.000165O25.9420.000165H2O7915.5570.22H2O9.50850.000264鹽酸9882.560.274Σ36003.297100Σ36003.297100〔9〕堿洗泡沫塔CHCH2=CHClCH≡CHHCl堿洗泡沫塔CH2=CHClCH≡CH圖2.4堿洗泡沫塔物料衡算簡圖I進料氣組成：CH2CHCl：25506.491kgC2H2:558.458kgHCl：40.337kgO2：5.942kgH2O：9.5085kgII出料氣組成：HCl被堿液吸收，從而出料氣中不含HCl氣體。CH2CHCl：25506.491kgC2H2:558.458kgO2：5.942kgH2O：9.5085kgIII堿洗泡沫塔的物料衡算表2.10堿洗泡沫塔的物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%CH2CHCl25506.4910.976CH2CHCl25506.4910.976C2H2558.4580.0214C2H2558.4580.0214HCl40.3370.00154HCl〔除去的〕40.3370.00154O25.9420.000227O25.9420.000227H2O9.50850.000364H2O9.50850.000364Σ26120.737100Σ26120.7371002.2熱量衡算熱量衡算式〔2-29〕Q1:物料帶入熱Q2:加熱劑或冷卻劑帶入熱Q3:過程熱效應(yīng)Q4:物料帶出熱Q5:熱損失假設(shè)Q5是Q2的5%此衡算式中，“+〞表示放熱，“-〞表示吸熱。設(shè)混合物的平均比熱容近似等于各組分熱容與質(zhì)量分?jǐn)?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〔2-30〕有關(guān)物化數(shù)據(jù)表[5]表2.11物化數(shù)據(jù)表工程溫度/℃比熱/kcal/〔kg·℃〕乙炔250.428750.451100.455HCl250.204750.2081100.2085水蒸氣250.45750.4511100.46O2250.234750.241100.244氯乙烯250.846750.83271100.868鹽酸〔40%〕-353.214相應(yīng)各個設(shè)備的熱量衡算〔1〕石墨冷卻器表2.12石墨冷卻器的物料衡算表進料質(zhì)量/kgW/%出料質(zhì)量/kgW/%C2H211169.15839.679C2H211169.15839.679HCl16934.17560.159HCl16926.23760.131O25.9420.000211O25.9420.000211H2O39.690.1410H2O27.7830.000987鹽酸19.8450.000745Σ28148.965100Σ28148.965100進料溫度：t1=25出料溫度：t2=-13以進料溫度t1=25℃C乙炔=1.792kJ/〔kg·℃〕C水蒸氣=1.8842kJ/〔kg·℃〕C氯化氫=0.8541kJ/〔kg·℃〕C氧氣=0.9798kJ/〔kg·℃〕C水〔l〕=4.175kJ/〔kg·℃〕γ水〔冷凝熱〕=-2229.4636kJ/〔kg·℃〕C40%鹽酸=3214kJ/〔kg·℃〕計算：Q1:進料溫度為25℃Q3:Q3=Q3.1+Q3.2〔2-31〕Q3.1：生成40%的鹽酸時，HCl的水溶液生成的熱，35430kcal/kmol[5]那么冷卻器只能中HCl溶于水放出的熱量為：148345.4×〔16934.175-16926.237〕÷36.5=32262.1kJ〔2-32〕Q3.2：水液化放出的熱，2435.0×〔36.69-27.783〕=21688.545kJ〔2-33〕Q3=Q3.1+Q3.2=32262.1+21688.545=53950.645kJ〔2-34〕Q4:Q4=Q乙炔＋Q氯化氫＋Q氧氣＋Q水蒸氣＋Q鹽酸=11169.158×1.792×〔-13-25〕+16926.273×0.8541×〔-13-25〕+5.942×0.9798×〔-13-25〕+1.884×27.783×〔-13-25〕+19.845×3214×=-3735850.53kJ〔2-35〕Q2:5%×Q2=Q5∵Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5〔2-32〕∴0+Q2+53950.645=-3735850.53+0.05Q2〔2-36〕∴Q2=-3989264.4kJQ5：Q5=Q2×5%=-199463.22kJ〔2-37〕表2.13石墨冷卻器熱量衡算表物料入口/kJ物料出口/kJC2H20C2H2-760574.983HCl0HCl-549355.731O20O2-221.235H2O0H2O-1989.041冷凝熱53950.645鹽酸-2423709.54鹽水吸熱-3989264.4損失-199463.22Σ-3935313.755Σ-3935313.75〔2〕石墨預(yù)熱器進料溫度：t1=-13出料溫度：t2=75以進料溫度t1=-13℃C乙炔=1.80kJ/〔kg·℃〕C水蒸氣=1.884kJ/〔kg·℃〕C氯化氫=0.858kJ/〔kg·℃〕C氧氣=0.9798kJ/〔kg·℃〕C氯乙烯=0.8502kJ/〔kg·℃〕計算：Q1:進料溫度為75℃，即Q1Q3:由反響式，Q4:Q4=Q乙炔＋Q氯化氫＋Q氧氣＋Q水蒸氣=11169.158×1.8×〔75+13〕+16912.64×0.858×〔75+13〕+5.942×0.9798×〔75+13〕+5.5566×1.884×〔75+13〕=1769194.627+1276971.971+512.334+921.24〔2-38〕Q2：Q5=Q2×5%∵Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5∴0+Q2+0=3047600.168+0.05Q2∴Q2=3208000kJQ5：Q5=Q2×5%=3208000×0.05=160400kJ〔2-39〕表2.14石墨預(yù)熱器熱量衡算表物料入口/kJ物料出口/kJC2H20C2H21769194.627HCl0HCl1276971.971O20O2512.334H2O0H2O921.24蒸汽加熱3208000損失160400Σ3208000Σ3208000〔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1.5%。進料溫度：t1=75出料溫度：t2=110以進料溫度t1=75℃C乙炔=1.884kJ/〔kg·℃〕C水蒸氣=1.888kJ/〔kg·℃〕C氯化氫=0.871kJ/〔kg·℃〕C氧氣=1.005kJ/〔kg·℃〕C氯乙烯=0.8502kJ/〔kg·℃〕計算：Q1:進料溫度為75℃，即Q1Q3:由反響式，Q3=124.8×429.583×103=53611958.4kJ〔2-40〕Q4:Q4=Q氯乙烯+Q乙炔＋Q氯化氫＋Q氧氣＋Q水蒸氣=25506.491×0.8502×〔110-75〕+558.458×1.884×〔110-75〕+2023.849×0.871×〔110-75〕+5.5566×1.888×〔110-75〕+5.942×1.005×〔110-75〕=758996.653+36824.721+61483.642+367.18+209.01=857881.206kJ〔2-41〕Q2：Q5=Q2×1.5%∵Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5∴0+Q2+53611958.4=857881.206+0.015Q2∴Q2=-53557438.78kJQ5：Q5=Q2×5%=-53557438.78×0.015=-803361.582kJ表2.15轉(zhuǎn)化器熱量衡算表物料入口/kJ物料出口/kJC2H20CH2CHCl758996.653HCl0C2H236824.721O20HCl61483.642H2O0O2209.01反響熱53611958.4H2O367.180循環(huán)水-53557438.78損失-803361.582Σ54519.62Σ54519.62〔4〕石墨冷卻器進料溫度：t1=110出料溫度：t2=25以進料溫度t1=110℃C乙炔=1.905kJkJ/〔kg·℃〕C水蒸氣=1.926kJkJ/〔kg·℃〕C氯化氫=0.873kJkJ/〔kg·℃〕C氧氣=1.021kJkJ/〔kg·℃〕C氯乙烯=0.857kJkJ/〔kg·℃〕計算：Q1:進料溫度為110℃，即Q1Q3:Q3=0〔無反響或冷凝熱產(chǎn)生〕Q4:Q4=Q氯乙烯+Q乙炔＋Q氯化氫＋Q氧氣＋Q水蒸氣=25506.491×0.857×〔25-110〕+558.458×1.905×〔25-100〕+2023.849×0.873×〔25-100〕〕+5.5566×1.926×〔25-100〕〕+5.942×1.021×〔25-100〕〕=-2099534.276kJ〔2-42〕Q2：Q5=Q2×1.5%∵Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5∴0+Q2+0=-2099534.276+0.05Q2∴Q2=-2210036.08kJQ5：Q5=Q2×5%=-2210036.08×0.05=-110501.804kJ表2.16石墨冷卻器熱量衡算表進料入口/kJ物料出口/kJCH2CHCl0CH2CHCl-1858020.337C2H20C2H2-90428.312HCl0HCl-149660.28O20O2-515.676H2O0H2O-909.671循環(huán)水-2210036.08損失-110501.804Σ-2210036.08Σ-2210036.08〔5〕冷卻水消耗：I鹽水：：鹽水用于石墨冷卻器除去水氣，進料溫度：t1=-35出料溫度：t2=-2040%鹽水的比熱容：C鹽水=3.214kJ/〔kg·℃〕∴Q=mCP(t2-t1)=39892640.4m=3989264.4÷(15×3.214)=82747.654kJ〔2-43〕II循環(huán)水：在石墨預(yù)熱器中，進料溫度：t1=110出料溫度：t2=9595℃時：C水=4.214kJ/〔kg·℃110℃時：C水=4.238kJ/〔kg·℃C平均=〔4.214+4.238〕÷2=4.226kJ/〔kg·℃〕〔2-44〕Q=3208000kJ∴需水量：m=3208000÷〔4.226×15〕=50607.351kg〔2-45〕在轉(zhuǎn)化器中，進料溫度：t1=95出料溫度：t2=110Q=53557438.78kJ∴需水量：m=53557438.78÷4.226÷〔110-95〕=844887.818kg〔2-46〕在石墨冷卻器中，進料溫度：t1=15出料溫度：t2=9595℃時：C水=4.214kJ/〔kg·℃15℃時：C水=4.187kJ/〔kg·℃C平均=〔4.214+4.187〕÷2=4.2kJ/〔kg·℃〕〔2-47〕Q=2210036.08kJ∴需水量：m=2210036.08÷〔4.2×80〕=6577.488kg〔2-48〕表2.17水消耗綜合表物料相應(yīng)設(shè)備熱量/kJ質(zhì)量/kJ鹽水石墨冷卻器3989264.482747.654循環(huán)水石墨預(yù)熱器320800050607.351轉(zhuǎn)化器53557438.78844887.818石墨冷卻器2210036.086577.488∵石墨預(yù)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應(yīng)轉(zhuǎn)化器∴實際用水844887.818kg第三章主要設(shè)備及管道管徑設(shè)計與選型3.1轉(zhuǎn)化器的設(shè)計與選型條件[1]此處的轉(zhuǎn)化器為列管式固定床反響器。催化劑粒度：0.75～6.5mm，載體機械強度應(yīng)≥90%HgCl2含量：10.5%～12.5%水分的含量：小于0.3%松裝粒度：540～640g/L空速：25～40m3/〔m3催化劑·h〕時，轉(zhuǎn)化率最高。反響溫度：新觸媒，150℃：舊觸媒，反響壓力：0.05MPa采用經(jīng)驗設(shè)計法[6]：〔3-1〕—原料混合氣進料流量，m3—催化劑床層體積，m3SV—空間流速，h-1∴假定空間流速SV=30m3/〔m3催化劑·h〕表3.1轉(zhuǎn)化器的進料組分表進料質(zhì)量/kg物質(zhì)的量/kmolC2H211169.158429.583HCl16912.64463.36O25.9420.186H2O5.55660.309Σ28093.3893.438數(shù)據(jù)計算混合氣的體積流量：=893.438×22.4=20013.011m3〔3-2〕∴由①式得：=20013.011÷30=667.1m3選管子：Φ57×3.5mm∴管子內(nèi)徑d=0.05m，管長6m，催化劑的裝填高度為5.7m?！喙茏訑?shù)：〔3-3〕每個轉(zhuǎn)化器用2401根管子，那么轉(zhuǎn)化器為59636÷2401可取為26個轉(zhuǎn)化器。循環(huán)水帶走的傳熱量53557438.78kJ，由于進出口溫度變化不大，即近似為恒溫?！唷?-4〕=25K取經(jīng)驗值100.那么，=21422.98㎡〔3-5〕A實際=3.14ndl=3.14×26×2401×0.05×5.7=55865.027㎡〔3-6〕∵A實際?A需要∴能滿足要求。選?。簹んw大于400mm用鋼板卷焊而成[7]，殼體內(nèi)徑D取決于傳熱管數(shù)n，排列方式和管心距。D=t〔nC-1〕+〔2～3〕d。式中：t—管心距，t=1.25d。d?！獡Q熱管外徑nC—橫過管束中心線的管數(shù)，該值與管子排列有關(guān)。本設(shè)計采用正三角形排列，那么nC=1.1=1.1=54〔3-7〕t=1.25d。=1.25×0.057=0.07125m〔3-8〕D=t〔nC-1〕+2.5d。=0.07125×54+2.5×0.057=3.9185m〔3-9〕圓整到4000mm參考文獻，為了滿足及時轉(zhuǎn)移反響放出的熱量，采用把轉(zhuǎn)化器換熱分為三層，三層同時進行散熱。手孔[8]∵反響最高壓力為1.5atm∴選用平焊法蘭手孔。公稱壓力PN0.06MPa，公稱直徑DN250mm，H1=190mm采用Ⅱ類材料，墊片的材料采用普通的石棉橡膠板。其標(biāo)記為：手孔Ⅱ〔A.G〕250-0.6HG/T21529-95封頭的選擇根據(jù)手冊[6]，選用錐形封頭。由于該設(shè)備可直接看做列管式換熱器，故可直接查閱手冊[8]，可得在0.6MPa下，管徑為4000mm的封頭厚度可取14mm。3.2精餾塔的設(shè)計與選型[6]由堿洗塔頂部出來的粗氯乙烯氣體經(jīng)排水罐局部脫水后進入機前冷卻器冷卻至5～10℃，除去粗VC中的大局部水分、提高了氣體的密度后，經(jīng)氯乙烯壓縮機壓縮至≤0.75MPa，送機后冷卻器降溫至50℃氯乙烯的精餾主要是將壓縮崗位送來的氯乙烯氣體在0.55～0.60MPa下，在全凝器全部液化為15℃的過冷液體，VC液體進水別離器，含有不凝氣體氯乙烯氣體進入尾氣冷凝器，用-35A—輕組分：C2H2沸點溫度：t=-83.6B—產(chǎn)品VC：CH2CHCl沸點溫度：t=-13.9C—重組分：CH2ClCH2Cl沸點溫度：t=57～60以上沸點均為常壓。I條件：在精餾段以前由于二氯乙烷的含量極少，故將其視為氯乙烯一同進行各種物料和熱量衡算。由于此時要精制氯乙烯故將其視為單一化合物進行計算。由前面轉(zhuǎn)化器的物料衡算可知，此轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化率為95%，主反響的收率為94.44%，因此得：均以小時計算二氯乙烷的摩爾質(zhì)量：21.479kmol氯乙烯的摩爾質(zhì)量：385.413kmol乙炔的摩爾質(zhì)量：22.691kmol總的進料量：F=21.479+385.413+22.691=429.583kmol〔3-10〕II設(shè)計條件：操作壓力：0.7MPa進料熱狀況：泡點進料回流比：R=2Rmin單板壓降：≤0.7kpa板效率：30%原料液及塔頂、塔底產(chǎn)品的摩爾分率及其對應(yīng)的沸點：xF=0.05t=40xD=0.3t=-5xW=0.00001t=50III精餾塔的物料衡算：乙炔的摩爾質(zhì)量：MA=26kg/kmol氯乙烯的摩爾質(zhì)量：MB=62.5kg/kmol總物料衡算：429.583=D+W乙炔物料衡算：429.583×0.05=0.3D+0.00001W〔3-11〕聯(lián)立解得：D=71.597kmol/hW=357.986kmol/hIV塔板數(shù)的計算[7]：理論板數(shù)NT的求取采用圖解法求理論板數(shù)：由《聚氯乙烯工藝學(xué)》查得乙炔—氯乙烯的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出x—y圖。求最小回流比及操作回流比采用作圖法求最小回流比。在x—y圖中的對角點上，自點e〔0.05,0.05〕作垂線ef即為進料線〔q線〕，該線與平衡線的交點坐標(biāo)為yQ=0.2xq=0.05故最小回流比為：〔3-12〕取操作回流比為：R=2Rmin=1.34〔3-13〕求精餾塔的氣、液相負荷L=RD=1.34×71.597=95.94kmol/h〔3-14〕V=(R+1)D=(1.34+1)×71.597=167.54kmol/h〔3-15〕L`=L+F=95.94+429.583=525.52kmol/h〔3-16〕V`=V=167.54kmol/h求操作線方程精餾段操作線方程為：〔3-17〕提餾段操作線方程為：〔3-18〕圖解法求理論板數(shù)采用圖解法求理論板數(shù)，求解結(jié)果為：精餾段板數(shù)=1.7塊提餾段板數(shù)=5塊由于乙炔與氯乙烯屬于非同類化合物，與理想溶液的拉烏爾定律有較大誤差，故取板效率為30%，即精餾段實際板數(shù)=1.7/0.3=5.667≈6塊提餾段實際板數(shù)=5/0.3=16.67≈17塊即第6塊板為進料板。塔徑的計算[8]I條件操作壓力：0.7MPa操作溫度：塔頂溫度：tD=-5進料板溫度：tF=40精餾段平均溫度：tm=〔40-5〕/2=17.5