年產(chǎn)20萬噸PVC合成工段初步設(shè)計(共59頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上湖 南 科 技 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）題目年產(chǎn)20萬噸PVC合成工段初步設(shè)計作者學(xué)院專業(yè)學(xué)號指導(dǎo)教師二一二年 六 月 一 日目 錄33331111233344420202222344577778893030313122235556678893940414141414343344557779999950505354致謝55附錄56專心-專注-專業(yè)第一章 前 言圖1.1 聚氯乙烯分子結(jié)構(gòu) 圖1.2 PVC薄膜 polyvinylchloride，主要成份為聚氯乙烯，色澤鮮艷、耐腐蝕、牢固耐用，由于在制造過程中增加了增塑劑、抗老化劑等一些有毒輔助材料來增強(qiáng)其耐熱

2、性，韌性，延展性等，故其產(chǎn)品一般不存放食品和藥品。它是當(dāng)今世界上深受喜愛、頗為流行并且也被廣泛應(yīng)用的一種合成材料。它的全球使用量在各種合成材料中高居第二。PVC正以4%的增長速度在全世界范圍內(nèi)得到生產(chǎn)和應(yīng)用。近年來PVC 在東南亞的增長速度尤為顯著，這要?dú)w功于東南亞各國都有進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迫切需求。在可以生產(chǎn)三維表面膜的材料中，PVC是最適合的材料。PVC(聚氯乙烯)，其單體的結(jié)構(gòu)簡式為CH2=CHCl. 圖1.3 氯乙烯 氯乙烯也稱乙烯基氯，化學(xué)式為CH2CHCl，是的一種，工業(yè)上大量用作生產(chǎn)（PVC）的。它在室溫下是無色有毒的氣體，微溶于水，有樣的氣味氯乙烯（簡稱VCM），是聚氯乙烯的中

3、間體，也是生產(chǎn)聚氯乙烯的原料。通過對二氯乙烷（EDC）裂解后脫除HCl，以及干燥精制可獲得制造PVC級的VCM。96%VCM均用于生產(chǎn)PVC。PVC是由乙炔氣體和氯化氫先合成氯乙烯，再聚合而成。在20世紀(jì)50年代前期是以乙炔電石法生產(chǎn)為主，而50年代后期則轉(zhuǎn)向了原料充足、成本低廉的乙烯氧化法；目前世界上80%以上的PVC樹脂都是由此方法生產(chǎn)的。但到2003年后，因石油價格暴漲，2005年2008年上半年，油價一直高位運(yùn)行，電石法PVC制備工藝的生產(chǎn)成成本反而比乙烯氧化法還要低10%左右，所以PVC的合成工藝又轉(zhuǎn)向了乙炔電石法。本設(shè)計的目的是以乙炔和氯化氫為原料，初步設(shè)計年產(chǎn)能力為噸的聚氯乙烯單

4、體，氯乙烯合成工序，其中包括：氯乙烯的生產(chǎn)方法和比較，乙炔法制取氯乙烯的工藝過程及原理，包括物料衡算和熱量衡算兩部份;主要設(shè)備的尺寸計算和選型；主要管道的尺寸計算與選型，廠房廠址的設(shè)計與選擇；生產(chǎn)安全問題與注意事項(xiàng)；三廢的處理以及經(jīng)濟(jì)效益分析。本設(shè)計是參照株洲化工集團(tuán)PVC廠生產(chǎn)為基礎(chǔ)，查閱化工設(shè)計手冊等設(shè)計資料做參考，按畢業(yè)設(shè)計大綱和設(shè)計任務(wù)書的要求進(jìn)行設(shè)計，附帶有三張?jiān)O(shè)計圖紙，包括一張主要設(shè)備圖，一張物料流程圖，一張廠房平面布置圖。本設(shè)計基于書本理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合株洲化工廠的生產(chǎn)實(shí)際，了解工藝流程，參考各種專業(yè)文獻(xiàn)，力求最合理的設(shè)計，但由于時間和作者能力有限，數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，資料收集不全

5、等原因，本次設(shè)計難免疏漏甚至錯誤，懇請老師原諒以及批評指正。第二章 聚氯乙烯、氯乙烯概述PVC材料用途極廣， 具有加工性能良好，制造成本低，耐腐蝕，絕緣等良好特點(diǎn)，主要用于制作：普瑞文PVC卡片；PVC貼牌；PVC鐵絲；PVC簾；PVC涂塑電焊網(wǎng)；PVC發(fā)泡板、PVC吊頂、PVC水管、PVC踢腳線等以及穿線管、電纜絕緣、塑料門窗、塑料袋等方面。氯乙烯在室溫下是無色氣體。容易與乙烯，丙烯，醋酸乙烯酯，偏二氯乙烯，丙烯酸酯等單體共聚。共聚產(chǎn)物可以制的各種性能的樹脂，加工成管材，板材，薄膜，塑料地板，各種壓塑制品，建筑材料，涂料和合成纖維等氯乙烯是高分子材料工業(yè)的重要單體，產(chǎn)量很大，還可以用于合成1

6、,1,2-三氯乙烷1,1-二氯乙烷等，因此，乙烷的生產(chǎn)在基本有機(jī)化學(xué)工業(yè)中占有重要的地位。根據(jù)原料的不同,氯乙烯單體的生產(chǎn)方法主要分為乙烯法和乙炔法、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)，因?yàn)榇朔ǔ杀颈容^低廉。2.1 聚氯乙烯、氯乙烯發(fā)現(xiàn)和發(fā)展2.1.1 聚氯乙烯發(fā)現(xiàn)和發(fā)展PVC在19世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)過兩次，一次是 在1835年，另一次是 在1872年發(fā)現(xiàn)的。兩次機(jī)會中，這種聚合物都出現(xiàn)在被放置在太陽光底下的氯乙烯的燒杯中，成為白色固體。，德國人 Fritz Klatte 合成了PVC，并在德國申請了專利，但是在專利過期前沒有能夠開發(fā)出合適的產(chǎn)品。

7、，美國 B.F. Goodrich 公司的 Waldo Semon 合成了PVC并在美國申請了專利。20世紀(jì)初，俄國化學(xué)家 和德國 公司的化學(xué)家 同時嘗試將PVC用于商業(yè)用途，但困難的是如何加工這種堅(jiān)硬的，有時脆性的的聚合物。 和 在1926年開發(fā)了利用加入各種助劑塑化PVC的方法，使它成為更柔韌更易加工的材料并很快得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用。2.1.2 氯乙烯發(fā)現(xiàn)和發(fā)展1835年法國人V.勒尼奧用氫氧化鉀在乙醇溶液中處理二氯乙烷首先得到氯乙烯。20世紀(jì)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(shí)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

8、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(xué)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(xué)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。2.2 聚氯乙烯的發(fā)展展望未來幾年，中國PVC行業(yè)的發(fā)展速度、產(chǎn)業(yè)布局、競爭模式都將發(fā)生變化。1、消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的趨勢。（1）今后，軟制品和硬制品消費(fèi)需求增長速度不同，硬制品的消費(fèi)增長速度較快。（2）消費(fèi)行為呈現(xiàn)多樣化和層次化。  社會

9、的發(fā)展是飛速的，人們的消費(fèi)觀念和消費(fèi)結(jié)構(gòu)也在悄然發(fā)生著變化。（3）某些產(chǎn)品將被同類的替代品淘汰。2、PVC硬制品，諸如管材、型材將成為市場上的主力軍。國際上PVC硬制品的平均消費(fèi)比例約占PVC總消費(fèi)量60%以上，中國目前的硬制品消費(fèi)比例占大約是30%，國家在今后的發(fā)展上支持管材和型材的發(fā)展，以便能代替鋼材和。起到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的作用。3、市場潛力巨大，供給和需求都將不斷上升，短期內(nèi)仍將是供不應(yīng)求的局面，繼續(xù)處于高速增長期。從整個世界的PVC市場的地區(qū)分布情況來看，北美美和亞洲是世界上最大的PVC消費(fèi)市場，而今后幾年，拉美和亞洲的中國將是PVC消費(fèi)增長最快的地區(qū)。2.3 氯乙烯生產(chǎn)消費(fèi)現(xiàn)狀及

10、發(fā)展前景根據(jù)歐洲氯代溶劑協(xié)會(ECSA)統(tǒng)計, 2002年歐洲全氯乙烯的銷售量約為48000噸, 與2001年相比下降了約10。 2002年上半年的出口量約為34500噸, 產(chǎn)品主要出口到亞洲。 2001年西歐全氯乙烯的出口量達(dá)到62356噸。歐洲全氯乙烯的使用量將進(jìn)一步下降, 但其它一些地區(qū)的使用增長和新應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)將在一定程度上彌補(bǔ)歐洲使用量的下降。 預(yù)計全球全氯乙烯的需求量將下降3 。 其中歐洲的下降要稍為嚴(yán)重一些。 中東、南美和中國在未來5-8年內(nèi)對全氯乙烯的需求仍將保持增長的勢頭。 其中中國的需求增長尤為強(qiáng)勁, 需求量的年均增長率將達(dá)到8-10, 中東和那南美地區(qū)對全氯乙烯的需求量

11、的年均增長率將達(dá)到5以上。 HFC134a和HFC125對全氯乙烯的需求量也將不斷增加, 預(yù)計用于生產(chǎn)HFC134a的全氯乙烯需求量的年均增長率將達(dá)到3-6。 而用于生產(chǎn)HFC125的全氯乙烯需求量的年均增長率將達(dá)到10。 但需要指出的是它們的使用基數(shù)都比較低。 第三章 工藝方案的選擇與流程3.1 氯乙烯的生產(chǎn)工藝及成本分析根據(jù)原料的不同,氯乙烯單體的生產(chǎn)方法主要分為乙烯法和乙炔法、聯(lián)合法、烯烴法、乙烯氧氯化法、乙烷一步氧氯化法五種。PVC的生產(chǎn)主要有兩種制備工藝，一是電石乙炔法，主要生產(chǎn)原料是電石、煤炭和原鹽；二是乙烯法，主要原料是石油。國際市場上PVC的生產(chǎn)主要以乙烯法為主，而國內(nèi)受富煤、

12、貧油、少氣的資源稟賦限制，則主要以電石法為主，截至到2007年12月，電石法約占我國PVC總產(chǎn)能的70以上。    值得注意的是，在電石法制備PVC中，原鹽電解后氯化氫用于生產(chǎn)PVC，剩余的鈉部分用于生產(chǎn)燒堿，所以，氯、堿實(shí)際上存在共生關(guān)系，氯堿平衡也是整個行業(yè)發(fā)展過程中不得不考慮的重要因素。3.1.1 電石乙炔法路線電石乙炔法是國內(nèi)一種成熟的生產(chǎn)工藝，在乙炔發(fā)生器中，電石與水劇烈反應(yīng)產(chǎn)生乙炔，經(jīng)精制并與氯化氫混合、干燥后進(jìn)入列管式反應(yīng)器。管內(nèi)盛有用活性炭為載體的氯化汞（含量一般為載體質(zhì)量的10）催化劑。反應(yīng)在常壓下進(jìn)行,管外用加壓和循環(huán)熱水（97105）冷卻，以

13、除去反應(yīng)熱,并且使床層溫度控制在180200。乙炔轉(zhuǎn)化率99,氯乙烯收率在95以上。副產(chǎn)物是1，1-二氯乙烷（約1），也有少量乙烯基乙炔、二氯乙烯、三氯乙烷等。從乙炔法工藝原理可看出，其成本主要有電石費(fèi)用、氯化氫費(fèi)用、水電費(fèi)、加工助劑、管理費(fèi)用等幾大塊構(gòu)成。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：生產(chǎn)一噸氯乙烯消耗電石1.451.5噸（一般以1.45計算，但一般實(shí)際生產(chǎn)過程中消耗會高于這個比例，只有少數(shù)能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)）。每噸氯乙烯消耗氯化氫氣體約為750850 kg。同時乙炔法的另一個顯著特點(diǎn)就是耗電量高，每噸耗電量約450500度。其它項(xiàng)如包裝費(fèi)、引發(fā)劑、水費(fèi)、管理費(fèi)等因生產(chǎn)廠家的不同也不盡相同。3.1.2 乙烯氯化法路

14、線乙烯氧氯化法興起于上世紀(jì)六七十年代，是對利用氯化氫合成有機(jī)物的這一類反應(yīng)的總稱。這種工藝正日趨成熟。第一步乙烯氯化生成二氯乙烷；乙烯和氯加成反應(yīng)在液相進(jìn)行：CH2CH2 +Cl2CH2ClCH2Cl；采用三氯化鐵或氯化銅等作催化劑，產(chǎn)品二氯乙烷為反應(yīng)介質(zhì)。反應(yīng)熱可通過冷卻水或產(chǎn)品二氯乙烷汽化來移出。反應(yīng)溫度40110，壓力0.150.30MPa，乙烯的轉(zhuǎn)化率和選擇性均在99以上。第二步二氯乙烷熱裂解為氯乙烯及氯化氫ClCH2CH2ClCH2CHCl + HCl；反應(yīng)是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，在管式裂解爐中進(jìn)行，反應(yīng)溫度500550,壓力0.61.5MPa；控制二氯乙烷單程轉(zhuǎn)化率約為5070,以抑制副

15、反應(yīng)的進(jìn)行。從乙烯法工藝原理看，影響其成本的主要因素有乙烯消耗量、氯氣消耗量、耗電量，加工助劑、管理人工費(fèi)等。乙烯法每生產(chǎn)1噸PVC要消耗乙烯0.5噸，消耗氯氣0.65噸，兩者約占成本的60%左右。在原料成本中乙烯成本占了主要部分，乙烯價格對聚氯乙烯的成本有較大影響。雖然乙烯法能耗較乙炔法低，但其設(shè)備投資卻十分巨大，因此設(shè)備折舊在成本中比重較大。3.1.3 兩種方法比較乙炔法生產(chǎn)聚氯乙烯工藝雖然能耗較高，運(yùn)行費(fèi)用高，催化劑汞鹽毒性大,并受到安全生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境等條件限制。但是此法具有投資低，設(shè)備簡單，轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品純度高乙烯法具有生產(chǎn)成本低，純度高，性能可靠等乙炔法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。適于大規(guī)模生產(chǎn)，

16、但是隨著國際油價的不斷上漲，乙烯法成本變高，顯示了乙炔法氯乙烯生產(chǎn)成本的優(yōu)越性。通過對比，加之其優(yōu)越的發(fā)展前景，結(jié)合在株洲化工集團(tuán)的實(shí)習(xí)和實(shí)踐，本設(shè)計選用電石乙炔法制取氯乙烯。3.2 生產(chǎn)工藝說明3.2.1 影響混合脫水的因素C2H2與HCl充分混合進(jìn)行冷凍脫水時，汽水分以40%酸霧析出，混合氣體含水量取決于該冷凍條件下約40%鹽酸溶液上的蒸氣分壓。表3.1 蒸汽壓與含水量溫度-20-17-14-10-50510水的蒸汽分壓（mmHg）0.7721.0271.9463.0084.5796.59.240%鹽酸蒸汽分壓（mmHg）0.0740.09980.1460.1950.2880.4360.9

17、4混合氣相當(dāng)于乙炔含水量0.00650.0870.01650.02220.02530.06820.0825該分壓可按以下公式計算：LgP=A-B/T式中：PmmHg（蒸氣分壓） A=9.33623 B=26.47 T=273+t冷凍溫度直接影響脫水效果，溫度越低水蒸氣分壓越低。但溫度過低，形成水化物結(jié)晶，影響石墨預(yù)熱器傳熱效果及堵塞設(shè)備。故混合脫水溫度宜控制在-12-16.從理論分析角度來看，起初混合氣體含水量在0.150.20%，而脫水后實(shí)際含水量在0.06%左右，關(guān)鍵在于冷凍后脫去酸霧?；旌侠鋬雒撍^程一般均在列管式石墨冷卻器內(nèi)脫水，其冷凝的40%鹽酸除以液膜狀自列管內(nèi)壁流出外，大部分呈極

18、細(xì)的酸霧（直徑進(jìn)12微米以下）懸浮于混合氣流中。難以用一般氣液相分離設(shè)備捕集。實(shí)際證明，采用浸漬35%憎水性有機(jī)硅樹脂的510mm的玻璃棉可以達(dá)到相應(yīng)的目的。3.2.2 氯乙烯的合成原理氯乙烯是由乙炔與氯化氫在升氯化汞催化劑存在下的氣相加成的。3.2.2.1 反應(yīng)機(jī)理CHCH+HClCH2=CHCl H=124.8 kJ/mol；上述反應(yīng)實(shí)際上是非均相的，分5個步驟來進(jìn)行，其中表面反應(yīng)為控制階段。(1) 外擴(kuò)散 乙快、氯化氫向碳的外表面擴(kuò)散；(2) 內(nèi)擴(kuò)散 乙炔、氯化氫經(jīng)碳的微孔通道向外表面擴(kuò)散；(3) 表面反應(yīng) 乙炔、氯化氫在升汞催化劑活化中心反應(yīng)發(fā)生加成反應(yīng)生成氯乙烯；(4) 內(nèi)擴(kuò)散 氯乙

19、烯經(jīng)碳的微孔通道向外表面擴(kuò)散；(5) 外擴(kuò)散 氯乙烯自碳外表面向氣流中擴(kuò)散。3.2.2.2 對原料氣的要求氯乙烯合成反應(yīng)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。(1) 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%。(2) 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應(yīng)生成無活性的汞鹽。HgCl2+H2S HgS+2HCl 3HgC

20、l2+PH3(HgCl)3P+3HCl工業(yè)生產(chǎn)采用浸硝酸銀試紙?jiān)谝胰矘託庵胁蛔兩?，作為檢測磷、硫雜質(zhì)地標(biāo)準(zhǔn)。(3) 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，水分還易與乙炔反應(yīng)生成聚合有害的雜質(zhì)乙醛：水分的存在還促進(jìn)乙炔與升汞生成有機(jī)絡(luò)合物，后者覆蓋于催化劑表面而降低催化劑活性。一般，原料氣含水分0.06%，能滿足生產(chǎn)需要。(4) 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)，或氯化氫壓力波動造成的，

21、游離氯一旦進(jìn)入混合器與乙炔混合接觸，即發(fā)生激烈反應(yīng)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)安全措施，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時即關(guān)閉原料乙炔氣總閥，作臨時緊急停車處理，待游離氯分析正常時再通入乙炔氣開車。正常生產(chǎn)中，應(yīng)嚴(yán)格控制氯化氫中無游離氯析出。(5) 含氧量原料氣(主要存在于氯化氫中)中含量用較高時，將威脅安全生產(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

22、性碳在高溫下反應(yīng)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應(yīng)形成氯乙烯過氧化物：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，則產(chǎn)生的鐵離子則污染單體，最終還影響到聚合產(chǎn)品的白度和熱穩(wěn)定性。因此，原則上應(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。3.2.2.3 生產(chǎn)工藝流程簡述（1） 生產(chǎn)工藝流程緩沖器乙炔砂封混合器石墨冷卻器酸霧過濾器石墨預(yù)熱器轉(zhuǎn)化器除汞器水洗塔堿洗塔冷

23、卻器圖3.2 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=1/1.051.1）在混合器中充分混合，進(jìn)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，部分水分以40%鹽酸排出，部分則夾帶于氣流中，進(jìn)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(jìn)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2030%未轉(zhuǎn)化的乙炔，再進(jìn)入第二級轉(zhuǎn)化器繼續(xù)轉(zhuǎn)化，使出口處未轉(zhuǎn)

24、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(yīng)放出的熱量通過離心泵送來的95100左右的循環(huán)水移去。粗氯乙烯在高溫下容易帶上升華的氯化汞，在填活性炭吸附器中除去，接著粗氯乙烯進(jìn)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。第四章 工藝計算4.1 主要原材料及產(chǎn)品性質(zhì)4.1.1 聚氯乙烯（PVC）密度 1.38g/cm3 熔點(diǎn) 212 °C導(dǎo)熱率 () 0.16

25、 W/m.K熱容 (c) 0.9 kJ/(kgK)吸水率0.04-0.4聚氯乙烯是一種無毒、無臭的白色粉末。它的化學(xué)穩(wěn)定性很高，具有良好的可塑性。除少數(shù)有機(jī)溶劑外，常溫下可耐任何濃度的鹽酸、90%以下的硫酸、5060%的硝酸及20%以下的燒堿，對于鹽類亦相當(dāng)穩(wěn)定；PVC的熱穩(wěn)定性和耐光性較差，在140以上即可開始分解并放出氯化氫(HCl)氣體，致使PVC變色。PVC的電絕緣性優(yōu)良，一般不會燃燒，在火焰上能燃燒并放出HCl，但離開火焰即自熄，是一種“自熄性”、“難燃性”物質(zhì)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，PVC主要用于生產(chǎn)型材、異型材、管材管件、板材、片材、電纜護(hù)套、硬質(zhì)或軟質(zhì)管、輸血器材和薄膜等領(lǐng)域。4.1.

26、2 氯乙烯（VCM）(1) 理化性質(zhì)分子式為：C2H3Cl 分子量：常溫常壓下為無色，帶有甜香氣味。溶點(diǎn)：沸點(diǎn)：（0.1MPa下）燃點(diǎn)：液體：20時為蒸汽：25時為燃燒熱：kJ/mol聚合熱：kJ/mol聚合時收縮率：35%氯又名乙烯基氯（Vinyl chloride）是一種應(yīng)用于的重要的單體，可由乙烯或制得。為無色、易，沸點(diǎn)-13.9，臨界溫度142，臨界壓力5.22MPa。氯乙烯是有毒物質(zhì)，肝癌與長期吸入和接觸氯乙烯有關(guān)。它與空氣形成爆炸，爆炸極限422（體積），在壓力下更易爆炸，貯運(yùn)時必須注意的密閉及氮封，并應(yīng)添加少量阻聚劑。有毒，對人體有麻醉作用，當(dāng)濃度為256g/m3(10%)時，1

27、小時致死，當(dāng)濃度為20-40%時很快引起急性中毒，長時間接觸氯乙烯氣體可使人致癌。氯乙烯性質(zhì)活潑，它能起加成反應(yīng)，易起聚合反應(yīng)，能與丁二烯、乙烯、丙烯腈、醋酸乙烯、丙烯酸脂等共聚。氯乙烯難溶于水，溶于醇、乙醚、丙酮和二氧乙烷。(2) 產(chǎn)品純度規(guī)格VC單體純度 99.95% 異丁烷 2×10-4%1,3-丁二烯 10-3% 氯甲烷 3×10-3%氧 10-4% 水 6×10-4%3-乙烯基乙烷 5×10-4% 氯化氫 10-4%1，2-二氯乙烷 10-4% 偏氯乙烯 2×10-4%1,1-二氯乙烷 10-4% 乙炔 2×10-4%丙烯

28、4×10-4%4.1.3 乙炔(1) 理化性質(zhì)分子式為：C2H2 分子量：比重（密度）1.171kg/m3(0，101.3MPa)比重：0.906（對空氣），0.819（對氧氣）熔點(diǎn)：-81.5，凝固點(diǎn)：-85；沸點(diǎn)：-84臨界溫度（Tc）：36.3，臨界壓力（Pa）:6.16MPa(絕壓)生成熱：H=+229.482kJ/mol比熱：cp=1.68kJ/kg燃燒熱：1308kJ/mol(常壓)折光率：1.00051自燃點(diǎn)：335常溫常壓下為無色氣體，工業(yè)乙炔因含有H2S，PH3等雜質(zhì)而具有刺激性臭味。有毒，但不甚劇烈，在空氣中允許濃度為0.5mg/L。乙炔在高溫加壓下，或與某些物質(zhì)

29、接觸時具有強(qiáng)烈的爆炸能力，表壓力為0.15 MPa得C2H4，若溫度超過550時能產(chǎn)生劇烈爆炸反應(yīng)，濕乙炔的爆炸能力低于干乙炔氣，并隨濕度的升高而減弱。若水蒸氣與乙炔體積比為1：1.15時，通常不發(fā)生爆炸。稍溶于水，溶于乙醇，易溶于丙酮。乙炔與空氣混合爆炸范圍2.381%，其中乙炔含量713%爆炸能力最強(qiáng)?；瘜W(xué)性質(zhì)很活潑，能起取代、加成、聚合和氧化反應(yīng)。在氧氣中燃燒，可產(chǎn)生3500度高溫和強(qiáng)光。(2) 規(guī)格純度98.5%S、P含量用硝酸銀試紙檢驗(yàn)不變色，即：S50mg/m3,P20mg/m3Cl2含量50mg/m34.1.4 氯化氫(1) 理化性質(zhì)分子式：HCl 分子量：36.5熔點(diǎn)：-114

30、， 沸點(diǎn)為-85.3；比熱容：cp=0.77 kJ/kg是一種無色有刺激性的氣體，遇濕空氣則成白色煙霧，故可做煙霧劑。標(biāo)準(zhǔn)狀況下比重為1.693kg/m3，低溫低壓下可以成為液體。易溶于水，標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1L水可溶解525.2L的氣體。在潮濕狀態(tài)下，易與多種金屬作用生成該金屬的氯化物。屬強(qiáng)酸，可使蛋白質(zhì)凝固造成組織壞死，嚴(yán)重可以引起受損器官穿孔，瘢痕及畸形。(2) 規(guī)格純度93%（體積百分比）水分0.06%（重量百分比）溫度40不帶液態(tài)水、酸霧。4.1.5 氯化汞(1) 理化性質(zhì)分子式：HgCl2 分子量：271.5白色易碎結(jié)晶體，比重5.4。熔點(diǎn)：276，沸點(diǎn)301，易升華（200300）毒性

31、：高毒，對腎臟毒性作用明顯。致死量為29 mg/kg(2) 規(guī)格（質(zhì)量按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）含量99.5%水中不溶物0.02%鐵0.005%砷0.0005%硫化氫沉淀物0.02%4.1.6 HgCl2觸媒符合中華人民共和國有色金素行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS/T31-92技術(shù)要求：HgCl2含量為10.5%12.5%；水分含量應(yīng)小于0.3%；松裝密度為540640 g/L外觀為圓柱形顆粒狀顆粒試樣經(jīng)一定的機(jī)械磨損、碰撞和篩分：篩分上部分的試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)大于90%。4.2 聚氯乙烯合成工段的工藝計算4.2.1 物料衡算假設(shè)各化工單元操作連續(xù)進(jìn)行，采用倒推法，根據(jù)轉(zhuǎn)化率或損失率計算出原料投料，然后再按照操作順

32、序?qū)Ω鲉卧僮鬟M(jìn)行物料衡算。計算依據(jù)：生產(chǎn)能力：年產(chǎn)20萬噸的聚氯乙烯年工作日：以300天計算日產(chǎn)量20×104×103÷300=6.667×105 kg小時產(chǎn)量：6.667×105÷24=27779.2kg 聚合物一般進(jìn)行到轉(zhuǎn)化率為85%90%2，再加上在洗滌樹脂、包裝工段的損失，這里取轉(zhuǎn)化率為88%，聚合物損失率為4%。 27779.2÷（88%×96%）=32882.6 kg每小時合成32882.6 kg倒推法計算精餾：（氯乙烯的收率：96.5%）32882.6kg÷96.5%=34075.23 k

33、g=34075.23/62.5 kmol=545.117kmol轉(zhuǎn)化器：（乙炔轉(zhuǎn)化率：97%，VC的選擇率：99.5%）545.117÷（97%×99.5%）=564.8 kmol進(jìn)氣中CHCH需568.4 kmol（14684.8 kg）4.2.2 主設(shè)備計算CHCHHClO2H2O（1） 混合器乙炔氯化氫 混合器 圖4.1 混合器的物料衡算方框圖表4.2 混合器進(jìn)料組成乙炔氣組成含量%氯化氫氣組成含量%C2H299.2HCl99.95H2O0.8H2O0.04O20.01CHCH和HCl的摩爾比為：1：1.051.11。本設(shè)計選?。簄CHCH：nHCl=1:1.09進(jìn)料

34、乙炔氣量： kmol進(jìn)料氯化氫量：kmol進(jìn)出料各組分含量：kg：kg =（615.632 kmol）：kg= (4.80 kmol)：kg =（0.0062 kmol）物料衡算表：表4.3 混合器物料衡算表進(jìn)料（乙炔氣）質(zhì)量（kg）百分含量進(jìn)料（氯化氫氣）質(zhì)量（kg）百分含量出料質(zhì)量（kg）百分含量C2H214684.899.2HCl22470.56899.95C2H214684.839.432H2O81.9940.8H2O4.4340.04HCl22470.5560.334O21.970.01H2O86.40.232O1.970.00514766.79410022476.972100372

35、43.72100(2) 石墨冷卻器在石墨冷卻器中，用35鹽水間接冷卻。混合器中水分一部分以40%鹽酸的形式排出，一部分夾帶在氣流中，設(shè)水分以40%鹽酸排出的量占總水分含量的32%。CHCHHClO2H2O石墨冷卻器混合氣鹽酸圖4.4 石墨冷卻器物料衡算方框圖進(jìn)料各組分的量=14684.8kg =（564.8 kmol） =22470.568kg =（615.632 kmol）=86.4kg =（4.80 kmol） =1.97kg =（0.06 kmol）出料各組分的量=14684.8 kg=kg =（615.13 kmol）=kg=1.97 kg40%=kg石墨冷卻器物料衡算表表4.5 石墨

36、冷卻器物料衡算表進(jìn)料質(zhì)量（kg）百分含量出料質(zhì)量（kg）百分含量出料（40%鹽酸）質(zhì)量（kg）百分含量C2H214684.839.429C2H214684.839.483HCl18.43240HCl22470.56860.334HCl22452.13660.359H2O27.64860H2O86.40.232H2O58.7520.158O1.970.005O1.970.00537243.73810037197.65810046.08100(3) 多筒過濾器在多筒過濾器中，采用35憎水性有機(jī)硅樹脂的510mm玻璃棉，可以分離大部分酸霧，以40鹽酸形式排出，混合氣體含水量為0.158設(shè)脫水量為80

37、。進(jìn)料各組分的量=14684.8kg =（564.8kmol） =22452.136kg =（615.13kmol）=86.4kg =（4.80kmol） =1.97kg =（0.062kmol）出料各組分的量=14684.8kg=kg=kg=1.97kg40%= kg多筒過濾器物料衡算表表4.6 多筒過濾器物料衡算進(jìn)料質(zhì)量（kg）百分含量出料質(zhì)量（kg）百分含量出料（40%鹽酸）質(zhì)量（kg）百分含量C2H214684.838.8049C2H214684.839.562HCl31.334440HCl22452.13659.9423HCl22420.8060.396H2O47.001660H2O

38、58.7521.2367H2O11.35040.062O1.970.0160O1.970.00537197.65810037119.3210078.336100(4) 轉(zhuǎn)化器本設(shè)計取乙炔轉(zhuǎn)化率97，氯乙烯選擇率99.5轉(zhuǎn)化器物料流CHCHHClO2H2O轉(zhuǎn)化器CH2=CHClHClCHCHO2H2O圖4.7 轉(zhuǎn)化器物料流程進(jìn)料各組分的量=14684.8kg =（564.8kmol） =22420.80kg =（614.268kmol）=11.3504kg =（0.6528kmol） =1.97kg =（0.062kmol）出料各組分的量=kg =（16.944 kmol）=11.3504kg

39、=（0.6528 kmol）;=1.97 kg=kg = (545.117kmol)=kg = (2.74 kmol)=kg =（63.67 kmol）表4.8 轉(zhuǎn)化器物料衡算表進(jìn)料質(zhì)量（kg）百分含量出料質(zhì)量（kg）百分含量C2H214684.839.564C2H2440.5441.187HCl22420.8060.399HCl2322.0106.254H2O11.35040.062C2H3Cl34072.24691.792O21.970.052C2H4Cl2271.1890.731H2O11.35040.062O21.970.00537119.320410037119.3094100(5)

40、 泡沫水洗平衡系統(tǒng)采用密閉循環(huán)水洗泡沫系統(tǒng)，用于吸收出料HCl。一次（不循環(huán)）接觸可得20鹽酸，設(shè)HCl吸收率為98%.+進(jìn)料各組分的量=440.544kg， 水洗用水=kg 額外進(jìn)水量=9110.119211.3504=9098.3688kg =（505.465kmol）=34072.246kg =271.189kg=1.97kg =2322.010kg出料各組分的量=440.544kg=kg =（1.273kmol）=34072.246kg=271.189kg=1.97kg20鹽酸=kg水洗凈化系統(tǒng)物料衡算表表4.9 水洗凈化系統(tǒng)物料衡算表進(jìn)料質(zhì)量（kg）百分含量出料質(zhì)量（kg）百分含量出

41、料（20%鹽酸）質(zhì)量（kg）百分含量C2H2440.5440.593C2H2440.5441.265HCl2277.5420HCl2322.0105.024HCl46.48020.133H2O9110.1280C2H3Cl34072.24673.737C2H3Cl34072.24697.818C2H4Cl2271.1890.587C2H4Cl2271.1890.779O21.970.004O21.970.006水洗用水9110.119219.69446223.07810034835.42910011387.7100(6) 石墨冷卻器進(jìn)過石墨冷卻器主要是將其中多余的水分冷凝排除，使其中的水分在要

42、求的范圍之內(nèi)，是物料純度變高。顯然石墨冷卻器中物料守衡。石墨冷卻器物料衡算表如下：表4.10 石墨冷卻器物料衡算表進(jìn)料質(zhì)量（kg）百分含量出料質(zhì)量（kg）百分含量C2H2440.5441.265C2H2440.5441.265HCl46.48020.133HCl46.48020.133C2H3Cl34072.24697.818C2H3Cl34072.24697.818C2H4Cl2271.1890.779C2H4Cl2271.1890.779O21.970.006O21.970.00634835.4310035835.43100(7) 堿洗塔堿洗塔用于除去殘余微量HCl，為便于設(shè)計，設(shè)HCl全

43、部被吸收。堿洗塔物料流程CH2=CHClCHCHHClO2H2O堿洗泡沫塔CH2=CHClCHCHO2H2O圖4.11 堿洗塔物料流程CH2=CHCl =34072.246 kgC2H4Cl2 =271.189kgCHCH =440.544kgHCl =46.4802 kg;O2 =1.97 kg出料：HCl被堿液吸收，從而出料氣中不含HCl氣體CH2=CHCl =34072.246 kgC2H4Cl2 =271.189kgCHCH =440.544kg ;O2 =1.97 kg堿洗塔物料衡算表表4.12 堿洗塔物料衡算表進(jìn)料質(zhì)量（kg）百分含量出料質(zhì)量（kg）百分含量C2H3Cl34072.

44、24697.818C2H3Cl34072.24697.818C2H4Cl2271.1890.779C2H4Cl2271.1890.779C2H2440.5441.265C2H2440.5441.265HCl46.48020.133O21.970.006O21.970.006HCl（堿吸收）46.48020.13334835.429210034835.42921004.3 熱量衡算4.13 標(biāo)況下有關(guān)物化數(shù)據(jù)表【4】項(xiàng)目溫度/比熱/kcal/（kg·）乙炔250.428750.451100.455HCl250.204750.2081100.2085水蒸氣250.45750.451110

45、0.46O2250.234750.241100.244氯乙烯250.846750.83271100.868鹽酸（40%）5-353.214計算以小時為基準(zhǔn)：其中：Q1物料帶入的熱量，kJ；Q2加熱劑或冷卻劑帶入的熱，kJ；Q3過程熱效應(yīng)，kJ；Q4物料帶出熱，kJ；Q5熱損失，kJ。 Q5是Q2的5%。設(shè)混合平均熱容近似于各組分熱容與質(zhì)量分?jǐn)?shù)乘積之后和，即：C=CiWi（量少的可以忽略）主設(shè)備熱量衡算如下：4.3.1 石墨冷卻器由之前物料衡算算得石墨冷卻器的物料衡算表為：表4.14 石墨冷卻器物料衡算表進(jìn)料質(zhì)量（kg）百分含量出料質(zhì)量（kg）百分含量C2H214684.839.429C2H21

46、4684.839.432HCl22470.56860.334HCl22452.13660.281H2O86.40.232H2O58.7520.158O1.970.005O1.970.0540鹽酸46.080.12437243.73810037243.738100混合氣進(jìn)口溫度25 出口溫度14以25為計算基準(zhǔn)，查閱化工工藝設(shè)計手冊【4】有=1.884kJ/kg =0.854 kJ/kg=1.792kJ/kg =0.980 kJ/kg=2.512kJ/kg=2229.4636kJ/kgQ1：進(jìn)料溫度25，則Q1=0Q3：HCl溶于水放出的熱以及水氣液化放出的熱生成40%鹽酸水溶液的生成熱：354

47、4kcal·kmol-1=14838.091 kJ·kmol-1。4則HCl溶于水放出的熱量為：kJ水液化放出的熱：kJQ3=7493.033+61640.21=69133.243kJ= =.665kJQ1Q3Q4Q5Q2Q2=.627kJQ5=88196.281kJ表4.15 石墨冷卻器熱量衡算表類型傳入熱量Q（kJ）傳出熱量Q（kJ）物料帶入的熱量Q10加熱劑或冷卻劑帶出的熱Q2.627過程熱效應(yīng)Q369133.243物料帶出熱Q4.665熱損失Q588196.28169133.24369133.2434.3.2 石墨預(yù)熱器表4.16 石墨預(yù)熱器物料衡算表出料質(zhì)量（kg

48、）百分含量C2H214684.839.481HCl22420.8060.272H2O11.35040.062O21.970.00540鹽酸78.3360.2137197.6564100混合氣進(jìn)口溫度14，出口溫度75以14為基準(zhǔn)；查化工工藝設(shè)計手冊【4】有=1.858kJ/kg=0.958kJ/kg=0.832kJ/kg=1.667kJ/kgQ1=0 Q3= 0= Q1+Q2+Q3=Q4+Q5Q2=.702kJQ5=.2851kJ表4.17 石墨預(yù)熱器熱量衡算表類型傳入熱量Q（kJ）傳出熱量Q（kJ）物料帶入的熱量Q10加熱劑帶入的熱Q2.702過程熱效應(yīng)Q30物料帶出熱Q4.417熱損失Q5

49、.2851.702.7024.3.3 轉(zhuǎn)化器表4.18 轉(zhuǎn)化器物料衡算表出料質(zhì)量（kg）百分含量C2H2440.5441.187HCl2322.0106.254C2H3Cl34072.24691.792C2H4Cl2271.1890.731H2O11.35040.062O21.970.00537124.7094100進(jìn)氣溫度75 出口溫度150查化工工藝設(shè)計手冊【4】有=1.926kJ/kg，=1.005kJ/kg=0.871kJ/kg，=1.884kJ/kg=0.859kJ/kg，=0.8502kJ/kg以75為計算基準(zhǔn)計算：Q1=0Q3=.96kJ Q1Q3Q4 Q5Q2Q2=.1kJQ5=.955kJ表4.19 轉(zhuǎn)化器熱量衡算類型傳入熱量（kJ）傳出熱量（kJ）物料帶入