電石法生產(chǎn)氯乙烯.doc

四川理工學(xué)院課程設(shè)計 5萬噸/年電石法制氯乙烯學(xué) 生：蔣志飛學(xué) 號：07011010110專 業(yè)：過程裝備與控制工程班 級：2007.1指導(dǎo)教師：王維惠 四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院二O一一年一月四 川 理 工 學(xué) 院課 程 設(shè) 計 設(shè)計題目： 5萬噸/年電石法制氯乙烯 學(xué)院： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)： 過程裝備與控制工程 班級： 2007.1 學(xué)生： 蔣志飛 指導(dǎo)教師： 王維惠 系主任: （簽名）一、設(shè)計要求：1、根據(jù)設(shè)計題目，進(jìn)行生產(chǎn)實際調(diào)研或查閱有關(guān)技術(shù)資料，選定合理的流程方案和設(shè)備類型，并進(jìn)行簡要論述。（字?jǐn)?shù)不小于8000字）2、設(shè)計說明書內(nèi)容：封面、目錄、設(shè)計題目、概述與設(shè)計方案簡介、工藝方案的選擇與論證、工藝流程說明、專題論述、參考資料等。3、圖紙要求：工藝流程圖1張（圖幅2號）；設(shè)備平面或立面布置圖1張（圖幅3號）。二、進(jìn)度安排：教學(xué)內(nèi)容學(xué)時地點備注查資料、說明書提綱、流程論證、工藝流程圖第一周設(shè)計室設(shè)備布置圖、說明書整理、答辯。第二周設(shè)計室三、指定參考文獻(xiàn)與資料過程裝備成套技術(shù)設(shè)計指南（兼用本課程設(shè)計指導(dǎo)書）、過程裝備成套技術(shù)、 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計摘要本次課程設(shè)計主要是設(shè)計氯乙烯的生產(chǎn)成套裝置。氯乙烯是生產(chǎn)聚氯乙烯的主要原料，到目前為止，全球有93%以上的氯乙烯采用氧氯化法生產(chǎn)。在國內(nèi)，考慮到石油資源不足，價格較高，而電石資源豐富，所以大部分工廠都采用電石法制取氯乙烯。本次主要介紹電石法制取氯乙烯。先后介紹了從原料氣氯化氫、乙炔的制備到氯乙烯的合成、氯乙烯的精餾等一系列生產(chǎn)過程的工藝流程、工藝原理以及主要設(shè)備選型等問題。關(guān)鍵詞：氯乙烯；電石法；乙炔；氯化氫；工藝流程；精餾前言氯乙烯（簡稱VC），是合成聚氯乙烯（簡稱PVC）的單體。聚氯乙烯樹脂是一種重要的塑料原料，是五大通用合成樹脂之一，具有良好的物理及機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的各個領(lǐng)域。氯乙烯單體的生產(chǎn)是聚氯乙烯工業(yè)中的一個重要環(huán)節(jié)。本次設(shè)計的主要目的是培養(yǎng)正確的設(shè)計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神以及綜合運用所學(xué)知識分析和解決工程實際問題的能力，同時提高在理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖、查閱設(shè)計資料、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的運用和計算機(jī)應(yīng)用方面的能力，鞏固、擴(kuò)展理論知識與初步的專業(yè)技能。本書主要介紹了電石法生產(chǎn)氯乙烯單體的工業(yè)過程，其中主要涉及生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)原理、設(shè)備選型、設(shè)備布置等問題。由于時間有限，本人的水品有限，所以書中的內(nèi)容難免有很多不足，而且很多細(xì)節(jié)問題可能都沒有詳細(xì)介紹，希望老師們批評指正！ 編者 2011-1-7目錄 第一章 乙炔的制備1.1 乙炔生產(chǎn)的工藝原理（1）電石的破碎通常廠家采購的電石都是大塊的電石，而電石料塊進(jìn)入發(fā)生器的合理徑為2550mm，因此在進(jìn)發(fā)生器前必須破碎，通常是將大塊的電石放入顎式破碎機(jī)，粗破后料塊直徑為80100mm，通過皮帶機(jī)輸入電石倉庫，然后經(jīng)過二次破碎，徑粒達(dá)到2550mm，破碎后料塊通過皮帶機(jī)徑除鐵器除鐵后輸入日料庫，作為發(fā)生器的入料電石。進(jìn)入破碎機(jī)的電石溫度應(yīng)130，否則會燙壞，燒壞皮帶；進(jìn)入發(fā)生器的電石溫度應(yīng)該80，否則對發(fā)生系統(tǒng)不安全。（2）電石的除塵化學(xué)工程里把氣體與微粒子混合物中分離粒子的操作稱作除塵。針對電石及其粉塵的特性，選用的除塵方法一般有以下幾種。旋風(fēng)除塵。旋風(fēng)除塵器對數(shù)微米以上的粗粉塵非常有效。采用簡單的旋風(fēng)除塵器和風(fēng)機(jī)進(jìn)行除塵，利用電石粉塵在風(fēng)機(jī)的作用下，在除塵器內(nèi)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，將電石粉塵從氣流中分離出來。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，器身無運動部件，不需要特殊的附屬設(shè)備，安裝投資較少，操作、維護(hù)也方便，壓力損失中等，動力消耗不大，運轉(zhuǎn)維護(hù)費用低，也不受濃度、溫度的影響。但由于電石粉塵比較細(xì)，用這種簡單的除塵方式很難達(dá)到環(huán)保要求，除塵效率不高。濕法除塵。濕法除塵具有投資少，結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，特別是對易燃易爆氣體的除塵效果更好，在操作時不會產(chǎn)生捕集到的電石灰塵再飛揚。電石除塵通常采用旋風(fēng)除塵和濕法的沖激式除塵器相結(jié)合。這種除塵方式雖然效率較高，但由于系統(tǒng)壓力損失大，管道容易積灰。冬天用蒸汽時，積灰易受潮結(jié)塊，造成管道堵塞，清理比較困難。除塵器內(nèi)排出的電石渣水，多耗了水又易造成二次污染，除塵器排出的氣體中水蒸氣在寒冷的北方也容易結(jié)冰，因此這種除塵方式適合于氣候濕潤、冬天不冷的地方使用。（3）袋式過濾除塵布袋除塵室依靠編制的或氈織的濾布作為過濾材料來達(dá)到分離含塵氣體中電石塵的目的，除塵效率一般可達(dá)99%。濾布在長期與粉塵的接觸和反復(fù)清理的過程中，其性能會發(fā)生變化，這在實際使用中影響很大。濾布一般在一到兩年內(nèi)大多數(shù)孔眼就會被堵塞，及時清理也不能達(dá)到所需的氣量，或產(chǎn)生濾布破損事故，此時需要更換濾布。因此濾布的選型非常重要，一般要考慮材質(zhì)、織法、透氣率、阻力降、壓損比等。（4）乙炔的發(fā)生倉庫內(nèi)經(jīng)破碎至2550mm的電石，在皮帶機(jī)的輸送下，加入到經(jīng)氮氣置換合格的第一貯斗，再加入到經(jīng)氮氣置換合格的第二貯斗，在由電磁振動加料根據(jù)發(fā)生器的控制需求加入發(fā)生器內(nèi)。電石遇到發(fā)生器內(nèi)的水生成粗乙炔氣體由發(fā)生器頂部逸出，經(jīng)噴淋預(yù)冷器及正水封進(jìn)入噴淋冷卻塔及氣柜中。反應(yīng)所放出的熱量是由過量的冷卻塔廢水和清凈塔廢水及渣漿上清液或工業(yè)補充水連續(xù)加入發(fā)生器并通過溢流管溢流而出，上述加水量以維持發(fā)生溫度在（855）為標(biāo)準(zhǔn)。為了使發(fā)生器液相中的電石顆粒表面因水解反應(yīng)產(chǎn)生的濃渣漿層被耙齒不斷更新破壞，使電石表面不斷地能偶與水充分接觸，發(fā)生器內(nèi)設(shè)置了多層隔板和耙齒，通過耙齒的攪拌使電石顆粒的表面得到不斷的更新并緩緩地向下一層隔板推動，使得水解速度更快，更完全；水解反應(yīng)的副產(chǎn)物電石渣漿不斷從溢流管流出，而較濃的渣漿及矽鐵雜質(zhì)由發(fā)生器內(nèi)的攪拌耙齒送至底部間歇排放。當(dāng)發(fā)生器壓力因加料故障或停車時，壓力低于控制范圍時，氣柜內(nèi)貯存的乙炔將借壓差經(jīng)逆水封，進(jìn)入發(fā)生器內(nèi)以保持設(shè)備處于正壓，確保安全生產(chǎn)。發(fā)生器的安全水封連接管道安裝于發(fā)生器液面略上方的氣相部位。當(dāng)發(fā)生器氣相出口管道或冷卻內(nèi)電石渣堵塞而壓力劇增時，乙炔氣經(jīng)管道沖破安全水封自動排空。在濕式發(fā)生器中電石加入液相中發(fā)生水解反應(yīng)，生成乙炔，反應(yīng)式如下：CaC+2HO+由于工業(yè)品電石中含有不少雜質(zhì)，在發(fā)生器水相中也同時進(jìn)行一些副反應(yīng)，生成相應(yīng)的PH、NH等雜質(zhì)氣體，其反應(yīng)時如下：發(fā)生器生成的是由乙炔氣和雜質(zhì)氣體共同組成的、含有大量水蒸氣的粗乙炔氣，進(jìn)入清凈工序。乙炔發(fā)生工藝流程圖見1-1。 （5）乙炔的凈化 粗乙炔氣由于電石內(nèi)雜質(zhì)常含有硫化氫、磷化氫、氨、砷比氫等雜質(zhì)氣體。它們合對氯乙烯合成的氯化高汞觸媒進(jìn)行不可逆吸附，破壞其“活性中心”而加速觸媒活性的下降，其中磷化氯會降低乙炔的自燃點，與空氣接觸會自燃，均應(yīng)徹底脫除。目前多數(shù)工廠均采用次氯酸鈉液體清凈劑，其與雜反進(jìn)行氧化反應(yīng)：清凈過程反應(yīng)產(chǎn)物磷酸、硫酸等由后面的堿洗過程予以中和為鹽類，再由廢堿液排出：對于生產(chǎn)中液體清凈劑次氯酸鈉濃度和pH值的選擇，主要考慮到清凈效果及安全因素兩個方面。塔內(nèi)次氯酸鈉溶液的有效氯含量不低于0.06%，而補充新鮮溶液的有效氯應(yīng)該控制在0.0850.12范圍內(nèi)，pH值在77.5為宜。處理后的乙炔氣經(jīng)乙炔氣冷卻器出去飽和水分，制的純度達(dá)98.5%以上，不含S、P的合格精制乙炔氣送氯乙烯合成工序。1.2 乙炔生產(chǎn)中的主要設(shè)備（1）乙炔發(fā)生器乙炔發(fā)生器是是以電石水解反應(yīng)制取乙炔的主要設(shè)備，目前國內(nèi)多半采用的是濕式立式發(fā)生器。本次設(shè)計采用3.2m的六層隔板發(fā)生器，其乙炔生產(chǎn)能力為每小時2400m以上。其示意圖如圖1-2。圖1-1 乙炔發(fā)生工藝流程圖圖1-2 乙炔發(fā)生器示意圖 (2) 清凈塔清凈塔式清凈系統(tǒng)的主要設(shè)備。圖1-3為典型的填料式清凈塔的結(jié)構(gòu)。清凈塔常用的填料有拉西瓷環(huán)、塑料階梯環(huán)或波紋填料，如采用陶瓷環(huán)尺寸越小，則接觸表面積越大，空隙率越小，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，一般使用2550mm瓷環(huán)，每個瓷環(huán)的填充高度為69米。作為清凈作用的填料塔，推薦空塔氣速在0.20.4m/s，氣體在塔內(nèi)總停留時間為4060s，以確?；瘜W(xué)吸收完全。由于乙炔清凈屬于化學(xué)吸收過程，清凈效果除了與吸收劑濃度、pH值以及吸收溫度有關(guān)外，還與氣液的接觸時間有關(guān)。由于清凈塔的液相介質(zhì)為次氯酸納，以及清凈反應(yīng)生成的硫酸、磷酸等，它對塔體采用的碳鋼有腐蝕作用，需要對其進(jìn)行防腐處理，原來的清凈塔采用的是鋼襯膠，襯膠在有溫度的情況下容易老化脫落，現(xiàn)在有些廠家采用新型的內(nèi)襯材料，如內(nèi)襯PO，內(nèi)襯四氟等，使用壽命長。圖1-3 清凈塔示意圖（3）乙炔水環(huán)泵在乙炔氣輸送設(shè)備的選擇上，首先要考慮乙炔的性質(zhì)和對輸送設(shè)備的要求，從乙炔的化學(xué)、物理性質(zhì)看，它是易燃易爆的氣體，不一在高壓條件下輸送，以確保安全。從輸送要求看，乙炔要經(jīng)過一系列的凈化設(shè)備，必然產(chǎn)生壓力損失，為了克服壓力損失，就要有一定的壓頭，而同時又必須達(dá)到生產(chǎn)所需的氣量，一確保生產(chǎn)平衡。為此，選用水環(huán)泵來輸送乙炔氣體。其特點是葉輪與泵殼間隙較大，不易因碰撞而產(chǎn)生火花，對易燃易爆的氣體輸送安全可靠。泵內(nèi)的工作液為水，使乙炔成濕氣狀態(tài)，抑制了乙炔的爆炸性質(zhì)。水環(huán)泵具有一定的抽氣能力，輸送壓力不是很高，而量大的性能，雖然能量轉(zhuǎn)換效率不高，但對輸送乙炔氣體是相當(dāng)安全、適合的。第二章 氯化氫的制備2.1 工藝流程（1）原材料、輔助材料、公用工程規(guī)格及消耗 原材料規(guī)格及消耗（）氯氫處理來的氫氣 99.9%（體積分?jǐn)?shù)，干基） 壓力 0.098Mpa(G) 300ppm(體積分?jǐn)?shù)，濕基) 用量 141.21kmol/h 10.09（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，濕基） （1792.96/h；313.31kg/h）溫度 20（）氯氫處理來的氯氣 98.5%（體積分?jǐn)?shù)，干基） 壓力 0.3Mpa(G) 1.0% (體積分?jǐn)?shù)，干基) 用量 124.81kmol/h 50109（體積分?jǐn)?shù)） （1093.20/h；8799.1 kg/h）溫度 45（）液氯尾氣（廢氯） 80%90% 壓力 0.0919 Mpa(G) 2%（體積分?jǐn)?shù)） 用量 5.41 kmol/h（68.67/h；370.85 kg/h） 溫度 20（）氯化氫氣體 溫度 94%游離氯 0.04%a. 合成總量： 271.15 kmol/h(4751.52/h；9521.05 kg/h) 溫度 45 壓力 0.0509 Mpa(G)b. 去VCM裝置量: 253.92 kmol/h(449.56/h；8915.99 kg/h)c. 去I段降膜吸收器量：17.23 kmol/h（301.96/h:；605.06 kg/h） 輔助材料規(guī)格及消耗（）氮氣供應(yīng)壓力 0.2 Mpa(G) 溫度 常溫（）儀表空氣供應(yīng)壓力 0.6 Mpa(G) 溫度 常溫露點 40 用量 2/h塵、油 無塵、無油 （）循環(huán)水進(jìn)水溫度 30 回水溫度 40進(jìn)水壓力 約0.4 Mpa(G) 回水壓力 約0.2Mpa(G)用量 約244/h （）純水進(jìn)水溫度 25 用量 15 /h進(jìn)水壓力 0.4 Mpa(G)（4）本工序產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及消耗指標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 氯化氫質(zhì)量指標(biāo)氯化氫純度 94% 含游離氯 0.04% 氯化氫消耗指標(biāo)氯化氫消耗指標(biāo)見表2-1。表2-1 氯化氫消耗指標(biāo)氯氣氫氣純水二次水動力電972kg/t30 kg/t3t/t17t/t4.0kWh/t2.2 本工序的生產(chǎn)原理（1）合成氯化氫的反應(yīng)機(jī)理生產(chǎn)氯化氫的主要反應(yīng)時氯氣與氫氣的化合反應(yīng)，氯氣與氫氣在一定的條件下（如光，燃燒或觸媒）下，會迅速化合，發(fā)生鏈反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：在實際生產(chǎn)中，氯氣與氫氣在燃燒前并不混合（否則發(fā)生爆炸反應(yīng)）而是通過一種特殊的設(shè)備“燈頭”使氯與氫均衡燃燒。（2）影響氯化氫合成的因素 溫度的影響。氯氣與氫氣在440以上會迅速化合，但溫度高于1500時，就有顯著的熱分解現(xiàn)象。氯氣與氫氣的反應(yīng)時放熱反應(yīng)，有大量的熱量產(chǎn)生，這種熱量使生成的氯化氫溫度升高，因此必須設(shè)法把合成過程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱出去，反應(yīng)才能向有利于生成氯化氫的方向移動，所以合成爐采用夾套式冷卻移走反應(yīng)熱。 水分和其他觸媒的影響。絕對干燥的氯氣和氫氣是很難起反應(yīng)的，當(dāng)有微量的水分存在時往往可以加快反應(yīng)速度，所以水分是促進(jìn)氯氣與氫氣化合的媒介，但是當(dāng)水分含量超過一定值時，對反應(yīng)速度就沒有多大影響。（3）鹽酸的生成機(jī)理合成氯化氫氣體時，用水吸收，即生成鹽酸。當(dāng)用水吸收氯化氫時，伴隨著溶解的進(jìn)行，將釋放大量的溶解熱，熱量會是鹽酸溫度升高，不利于對氯化氫氣體的吸收，因為當(dāng)氯化氫純度一定時，溶液溫度越高，氯化氫氣體的溶解度就越低，就使得制得的鹽酸濃度越低。根據(jù)化學(xué)平衡的原理，必須移走這部分熱量，才能使溶液向有利于生成鹽酸的方向進(jìn)行，在化工生產(chǎn)中采用二段降膜式吸收法吸收生產(chǎn)鹽酸。還有采用一段降膜式吸收法和二段絕熱式吸收法進(jìn)行吸收生產(chǎn)鹽酸。氯氫純度、流量、冷卻水量、氯化氫純度等要素都對氯化氫及鹽酸的生產(chǎn)過程有很大的影響。2.3 工藝流程簡述（1）生產(chǎn)氯化氫的工藝流程簡述原料（氫氣）由氯氫處理工序用氫氣壓縮機(jī)壓縮過來，經(jīng)過氫氣緩沖罐，進(jìn)入氫氣管道阻火器，經(jīng)流量計計量后，經(jīng)過回閥、調(diào)節(jié)閥進(jìn)入二合一石墨合成爐燈頭。氫氣通過氫氣緩沖罐上的壓力自動調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)，放空氮氣經(jīng)過氮氣放空阻火器后放空。原料（氯氣）由氯氫處理工序用氯氣壓縮機(jī)送過來、液氯尾氣（廢氯）由液氯工序送過來分別進(jìn)入氯氣緩沖罐，混合后的氯氣進(jìn)入氯氣管道阻火器，經(jīng)流量計計量后，經(jīng)截止閥、調(diào)劑閥進(jìn)入合成爐燈頭。氮、氫氣在合成爐燈頭混合燃燒，生成的氯化氫由合成爐上部送出，經(jīng)冷卻槽、石墨冷卻器冷卻后，進(jìn)入氯化氫分配臺，從氯化氫分配臺出來的氯化氫氣體，按合成車間的需求量經(jīng)流量計計量送往VCM工序，開停車時不合格的氯化氫則進(jìn)入吸收系統(tǒng)用于生產(chǎn)高純鹽酸。從石墨冷卻器中冷凝下來的鹽酸，從石墨冷卻器的底部流入冷凝酸排放槽，然后排入鹽酸儲槽。軟水槽中的軟水，經(jīng)軟水泵加壓后送入二合一石墨合成爐夾套的下部，之下而上流入合成爐，合成爐夾套頂部產(chǎn)生的低壓蒸氣經(jīng)閘閥及壓力自動調(diào)節(jié)閥送入低壓蒸氣管道。（2）生產(chǎn)高純度鹽酸的工藝流程簡述用于制酸的氯化氫氣經(jīng)過氯化氫分配臺上的截止閥進(jìn)入高純鹽酸吸收系統(tǒng)段降膜吸收器上封頭，與來自段降膜吸收器的稀酸從管內(nèi)自上而下并流吸收生成成品鹽酸，成品鹽酸從段降膜吸收器的底部流經(jīng)鹽酸液封罐，然后流入鹽酸儲槽，未被吸收的氯化氫氣體經(jīng)返氣管由段降膜吸收器的上風(fēng)頭進(jìn)入，與水在管內(nèi)自上而下進(jìn)行并流吸收，生成的稀酸經(jīng)U型管進(jìn)入段降膜吸收器，廢氣從段降膜吸收器的底部流出進(jìn)入水流噴射器，痛循環(huán)水一起進(jìn)入循環(huán)液儲槽，經(jīng)過分離后的尾氣排入大氣。成品酸流入酸儲槽，分析合格后用酸泵送去自用或打入鹽酸高位槽供給客戶。2.4 氯化氫合成的主要設(shè)備（1）合成爐合成爐是制造氯化氫氣體的主要設(shè)備。過去工藝上應(yīng)用比較廣泛的是鋼制合成爐，有空氣冷卻式和水冷夾套式兩種?，F(xiàn)在均以石墨合成爐為主。由于石墨合成爐具有耐高溫、耐腐蝕、傳熱效率高等優(yōu)點，石墨合成爐的應(yīng)用十分廣泛。工業(yè)上多見爐內(nèi)體的塊孔壁通入冷卻時的水冷式石墨爐，以降低爐內(nèi)氯化氫的溫度和提高生產(chǎn)能力。尤其是副產(chǎn)低壓蒸汽的合成爐，起副產(chǎn)低壓蒸汽輸送距離較遠(yuǎn)、利用范圍較廣泛，如圖2-1。（2）石墨換熱器石墨換熱器是用于冷卻或加熱氯化氫或其它腐蝕性氣體的設(shè)備，主要有塊孔式（如圖2-2）和列管式（如圖2-3）。列管式石墨換熱器，可用于合成爐經(jīng)空氣冷卻導(dǎo)管后的高溫氯化氫的冷卻，水箱的設(shè)計可以降低氣體進(jìn)口部位特別是上管板的溫度，不至于經(jīng)受高溫而使管板與列管的交接縫處因材料熱膨脹系數(shù)差異而脹裂損壞。對于列管式石墨換熱器，立式安裝比斜式安裝或臥式安裝更有利于浮頭的自由伸縮。塊孔式石墨換熱器是由若干帶有無聊孔道、冷卻水孔道的石墨換熱塊（多塊上下疊加），上下石墨封頭及其金屬蓋板以及圓筒鋼殼體（圓塊孔式）或兩端側(cè)蓋（矩塊孔式）等主要零件組成，零件之間用襯墊密封，并以長螺栓緊固。（3）膜式吸收塔膜式吸收塔是一種等溫吸收器，是喲個不透性石墨制成的，是近年來發(fā)展起來的用于氯化氫吸收制取鹽酸的主要設(shè)備，起基本結(jié)構(gòu)與一般列管式石墨換熱器相似，所不同的是吸收塔在上管板的板孔上設(shè)置有吸收液的分配器。膜式吸收塔具有典型的氣液相在固定界面?zhèn)髻|(zhì)的特點，因而出酸濃度高，溫度低，操作穩(wěn)定，易于修剪等特點。其許用的技術(shù)特性： 許用溫度。氣體入口溫度250； 許用壓力。殼程0.3Mpa,管程0.1 Mpa。圖2-1 副產(chǎn)低壓蒸汽的氯化氫合成爐和塊孔式石墨換熱器 圖2-2 塊孔式石墨換熱器 圖2-3 列管式石墨換熱器第三章 氯乙烯的制備3.1 工藝流程乙炔工段送來的精制乙炔氣體（純度98.5%）經(jīng)乙炔砂封后，與氯化氫工段送來的氯化氫（純度93%），不含游離氫）在混合器以一定的比例（1:1.05）混合后進(jìn)入一級石墨冷卻器，用35度冷凍水冷卻至（24），再經(jīng)二級石墨冷卻器用35,冷凍鹽水間接冷卻至（142）左右，在這兩級石墨設(shè)備內(nèi)各依重力作用出去大部分冷凝液后一次進(jìn)入一級酸霧過濾器、二級酸霧過濾器，由氟硅油玻璃棉過濾捕集出去少量晶粒很小的酸霧，排出40%的鹽酸送氯化氫脫吸或作為副產(chǎn)品包裝銷售。得到含水分0.06%的混合氣體一次進(jìn)入石墨預(yù)熱器，蒸氣預(yù)熱器預(yù)熱至7080送入串聯(lián)的兩端裝有氯化高汞觸媒的轉(zhuǎn)化器，課分別由數(shù)臺并聯(lián)操作，反應(yīng)生成粗氯乙烯，第一段轉(zhuǎn)化器出口氣體中尚有20%30%的乙炔未轉(zhuǎn)化，再進(jìn)入第二段轉(zhuǎn)化器繼續(xù)反應(yīng)，使其出口處的乙炔含量控制在3%以下。第二段轉(zhuǎn)化器裝填的是活性高的新催化劑，第一段轉(zhuǎn)化器裝填的則是活性低的催化劑，即由第二段更換下來的舊催化劑。合成反應(yīng)熱通過轉(zhuǎn)化器列管間的循環(huán)熱水移去。粗氯乙烯經(jīng)過裝有活性炭填料的除汞除去大部分汞以后，進(jìn)入粗氯乙烯冷卻器冷卻至30，進(jìn)入一級水洗組合塔，以二級水洗塔填料的稀酸及解吸后的稀酸吸收混合氣體中的大部分氯化氫氣體，制的氯化氫含量為28%30%的鹽酸送氯化氫脫吸或做為副產(chǎn)品包裝銷售；經(jīng)過吸收后的粗氯乙烯氣體進(jìn)入二級填料水洗塔二次清洗，水洗后含有微量的氯化氫酸霧、二氧化碳及惰性氣體，進(jìn)入堿洗塔用8%20%的NaOH溶液洗滌，凈化后的氣體經(jīng)汽水分離部分脫水后送入壓縮工序。生產(chǎn)間的流動則有設(shè)置的氯乙烯氣柜來實現(xiàn)緩沖。3.2 工藝原理（1）混合氣脫水 利用氯化氫吸濕性質(zhì)，預(yù)先吸收乙炔氣體中的大部分水，生成40%左右的鹽酸，降低混合氣體中的水分；利用冷凍方法混合脫水，是利用鹽酸冰點低，鹽酸上水蒸氣分壓低的原理，將混合氣體冷凍脫酸，以降低混合氣體中水蒸氣分壓來降低氣相中水含量，達(dá)到進(jìn)一步降低混合氣體中水分至所必需的工藝指標(biāo)。在混合氣體冷凍脫水過程中，冷凝的40%鹽酸，除少量是以液膜狀自石墨冷卻器列管內(nèi)壁流出外，大部分呈極細(xì)微（2m）的“酸霧”懸浮于混合氣體流中，形成“氣溶膠”，該“氣溶膠”無法依靠重力自然沉降，要采用3%5%憎水性有機(jī)氟硅油的510m細(xì)玻璃長纖維過濾除霧，“氣溶膠”中的液體微粒于垂直排列的玻璃纖維想碰撞后，大部分霧粒被截留，在重力作用下向下流動的過程中液滴逐漸增大，最后滴落下來并排出。工藝條件的選擇：冷凍混合脫水的關(guān)鍵是溫度的控制，溫度高達(dá)氣體含水達(dá)不到工業(yè)要求，會腐蝕碳鋼設(shè)備和管道，還會在轉(zhuǎn)化器內(nèi)和乙炔發(fā)生反應(yīng)生成乙醛類的縮合物（粘稠狀），觸媒結(jié)塊堵塞轉(zhuǎn)化器列管，部分觸媒失去作用，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)阻力增大：溫度太低，低于濃鹽酸冰點（18），則鹽酸結(jié)冰，該冰堵塞設(shè)備通道，系統(tǒng)阻力增大、流量下降，揚中市流量降為零，無法繼續(xù)生產(chǎn)。因此，混合脫水二級石墨冷卻器出口的氣體溫度必須穩(wěn)定地控制在（142）范圍內(nèi)。經(jīng)混合脫水后的混合氣體溫度很低，需要在預(yù)熱器中加熱到7080后才能進(jìn)入轉(zhuǎn)化器進(jìn)行反應(yīng)。這是因為混合氣體加熱后，使未除盡的霧滴全部氣化，可以降低氯化氫對碳鋼的腐蝕性，氣體溫度接近轉(zhuǎn)化溫度有利于提高轉(zhuǎn)化反應(yīng)的效率。（2）氯乙烯的合成一定純度的乙炔氣體和氯化氫氣體按照1：（1.051.07）的比例混合后，在氯化高汞觸媒的作用下，在100180溫度下反應(yīng)生成氯乙烯。反應(yīng)方程式如下：在合成反應(yīng)中還有少量的副反應(yīng)發(fā)生：乙炔在與氯化氫反應(yīng)生成二氯乙烷：副反應(yīng)是我們所不希望的，既消耗掉寶貴的原料乙炔，又給氯乙烯精餾增加了負(fù)荷，其關(guān)鍵是催化劑的選擇、摩爾比、反應(yīng)熱的及時移出和反應(yīng)溫度的控制。生產(chǎn)條件的選擇如下。摩爾比：使一種原料氣的配比過量，可使另一種原料氣的轉(zhuǎn)化率增加。因此大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)利用這一原理，使價值低的原料過量，盡量使價值高的原料反應(yīng)完全。由于乙炔的價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氯化氫，因此要將氯化氫過量配比。但氯化氫過量太多，則不但增加了原料消耗，還會增加生成1,1-二氯乙烷副產(chǎn)物。實驗與實踐的經(jīng)驗，控制乙炔與氫氣的摩爾比在1：（1.051.07）范圍為宜。實際操作中，是通過控制乙炔和氯化氫流量計來進(jìn)行摩爾配比，并以合成二段轉(zhuǎn)化器出口粗氯乙烯氣體中氯化氫和乙炔的含量分析值來進(jìn)行校正的。催化劑：目前乙炔法氯乙烯合成所使用的催化劑都是氯化汞類的催化劑。這是因為該催化劑的得率和選擇性都很高，價格又不算貴，但伴隨有汞污染。雖然國內(nèi)的許多科學(xué)家對無汞類的催化劑進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用實驗，但人未能找到能與氯化汞相比肩的催化劑，非汞類催化劑的研究是一個漫長而艱巨的任務(wù)。氯乙烯合成所使用的催化劑，是將氯化汞吸附在活性炭載體上。純的氯化高汞對合成反應(yīng)并不催化作用，純的活性炭也只有較低的催化作用，而當(dāng)氯化高汞吸附到活性炭上后，即具有很強(qiáng)的催化活性。對氯乙烯催化劑載體的活性炭是又相應(yīng)要求的，其內(nèi)部“通道”是由10m左右的微孔構(gòu)成的多孔結(jié)構(gòu)，比表面積應(yīng)在8001000/g。目前做氯乙烯催化載體的是36mm顆?；钚蕴浚瑸榱藵M足內(nèi)部孔隙率其吸苯率應(yīng)30%，機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)90%。一般來講，椰子殼或核桃殼制得的活性炭效果較好。反應(yīng)溫度：溫度對氯乙烯很成反應(yīng)有較大影響。提高反應(yīng)溫度有加快合成反應(yīng)的速度，獲得較高轉(zhuǎn)化率；但是過高的溫度會使催化劑吸附的氯化高汞升華，降低催化劑活性和使用壽命，還會使副反應(yīng)產(chǎn)物二氯乙烷增多，催化劑上的升汞易會被還原成干汞和水銀。工業(yè)生產(chǎn)中盡可能將合成反應(yīng)溫度控制在100180。要控制反應(yīng)溫度就要控制適當(dāng)?shù)囊胰部臻g流速和提高轉(zhuǎn)化器的傳熱能力，最佳的反應(yīng)帶溫度應(yīng)該在130150之間，只是可以做到的。反應(yīng)壓力：乙炔與氯化氫的合成反應(yīng)時兩分子合成一分子的反應(yīng)，是體積減小的反應(yīng)，加大反應(yīng)壓力有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行。要實現(xiàn)較高的反應(yīng)壓力，則需要較大的流體輸送動力，過大的反應(yīng)壓力對流體輸送機(jī)械提出了更高的要求，有較大的困難，且輸送動力過大也不經(jīng)濟(jì)；乙炔在較高的壓力下安全性下降。因此合成反應(yīng)壓力控制在0.040.05Mpa為宜?？臻g流速：空間留宿是指單位時間內(nèi)通過單位體積催化劑的氣體流量（習(xí)慣上用乙炔氣體來表示），其單位為乙炔/（催化劑h）。在實際生產(chǎn)過程中，比較恰當(dāng)?shù)囊胰部臻g流速為2535乙炔/（催化劑h），在這一空間流速范圍內(nèi)，既能保證乙炔有較高的轉(zhuǎn)化率，又能保證高沸點副產(chǎn)物的含量少。（3）粗氯乙烯的凈化 凈化目的。除去過量配比的氯化氫、未反應(yīng)的乙炔、氮氣、氫氣、二氧化碳和為除盡的微量汞蒸氣等氣體，以及副產(chǎn)物反應(yīng)所產(chǎn)生的乙醛、二氯乙烷、二氯乙烯、三氯乙烯、乙炔基乙烯等雜質(zhì)氣體。 凈化原理。水洗和堿洗。水洗是屬于一種對于氣體的物理吸收的操作。是利用適當(dāng)?shù)囊后w作為吸收劑來處理氣體混合物，即利用吸收劑吸收混合氣體中溶解度大的氣體組分，使之達(dá)到分離的目的。水洗石粗氯乙烯凈化的第一步，除去了溶解度較大的氯化氫、乙醛及汞蒸氣等，二氧化碳可以通過堿洗除去，通常用10%15%的氫氧化鈉溶液作吸收劑，粗氯乙烯氣體經(jīng)堿洗至中性（4）鹽酸脫吸副產(chǎn)鹽酸脫吸是將水洗脫酸塔產(chǎn)出的含有雜質(zhì)的廢酸進(jìn)行脫吸，可以回收其中的氯化氫，并返回前部繼續(xù)生產(chǎn)氯乙烯。由濃酸槽來的31%以上的濃鹽酸進(jìn)入脫吸塔頂部，在塔內(nèi)與經(jīng)再沸器加熱而沸騰上升的氣液混合物充分接觸，進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，利用水蒸氣冷凝時釋放出的冷凝熱將濃鹽酸中的氯化氫氣體脫吸出來，直至達(dá)到沸騰狀態(tài)平衡為止。塔頂脫吸出來的氯化氫氣體經(jīng)冷卻使溫度降低至510、除去水分和酸霧后，其純度可達(dá)99.9%以上，送往氯乙烯合成前部；塔底排出的稀酸經(jīng)冷卻后送往水洗塔，作為水洗劑循環(huán)使用。3.3 氯乙烯合成的主要設(shè)備 （1）酸霧過濾器 根據(jù)氣體處理量的大小，酸霧過濾器有單筒式和多筒式兩種結(jié)構(gòu)形式。多筒式結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 為了防止鹽酸腐蝕，設(shè)備筒體、花板、濾筒可采用鋼襯膠或硬聚氯乙烯制作。 過濾器的每個筒可包扎硅油玻璃棉3.5kg，厚度35mm左右，總的過濾面積為8m,這樣的過濾器可處理乙炔流量1500以上。一般，限制混合氣體截面流速在0.1m/s一下。設(shè)備夾套內(nèi)通入冷凍鹽水，以保證脫水過程中的溫度控制。圖3-1 酸霧過濾器（2）氯乙烯合成轉(zhuǎn)化器氯乙烯合成轉(zhuǎn)化器是電石乙炔法生產(chǎn)氯乙烯的關(guān)鍵設(shè)備，是列管式固定床板反應(yīng)器。電石法生產(chǎn)氯乙烯適合我國國情，隨著產(chǎn)量和裝置的增大，該轉(zhuǎn)化器的運行防漏和大型化越來越引起廣大用戶的關(guān)注和重視。 結(jié)構(gòu)。如圖3-2所示為轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)化器實際上是一種大型固定管板式換熱器。主要由上下管箱及中間管束三大部分組成。上下管箱均由乙型平焊法蘭基錐形封頭組成，其中上管箱頂部配有4個熱電偶溫度計接口、4個手孔，混合氣體入口處還設(shè)有氣體分布盤；下管箱內(nèi)襯瓷磚，并設(shè)有用于支撐大小磁環(huán)及活性炭的多孔板、合成氣體出口及放酸口。中間管束主要由上下兩板管，換熱管、殼體、支耳等部分組成。 工作原理。乙炔與氮氣混合氣經(jīng)冷卻脫水、進(jìn)入用氯化汞作催化劑的轉(zhuǎn)化器列管中進(jìn)行反應(yīng)，合成轉(zhuǎn)化為氯乙烯氣體，該反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)帶中心的溫度高達(dá)190上下，該反應(yīng)放出大量的熱量必須經(jīng)殼程中90100循環(huán)水冷卻介質(zhì)帶走。第四章 氯乙烯的精餾4.1 生產(chǎn)原理 利用多組分的混合物在定壓下各組分的沸點或在定溫下各組分的蒸氣壓（或揮發(fā)度）不同經(jīng)過傳質(zhì)傳熱的過程，即：氣相中難揮發(fā)組分和液相中易揮發(fā)組分，進(jìn)行多次的反方向擴(kuò)散而得到較完全分離