年產10萬噸氯乙烯工藝設計

1、本科畢業(yè)設計本科畢業(yè)設計( ( 20162016 屆屆 ) ) 題題 目：目： 年產 10 萬噸氯乙烯工藝設計 學學 院：院： 化學化工學院 專專 業(yè)：業(yè)： 化學工程與工藝 學生姓名：學生姓名： 鄭浩東 學號：學號： 21207052076 指導教師：指導教師： 詹益民 職稱（學位）：職稱（學位）： 合作導師：合作導師： 職稱（學位）：職稱（學位）： 完成時間：完成時間： 20162016 年年 月月 日日 成成 績：績： 黃山學院教黃山學院教務處務處制制學位論文原創(chuàng)性聲明學位論文原創(chuàng)性聲明茲呈交的學位論文，是本人在指導老師指導下獨立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成

2、果，均在文中以明確方式標明。本人依法享有和承擔由此論文而產生的權利和責任。聲明人（簽名）：聲明人（簽名）：年年 月月 日日年產 10 萬噸氯乙烯工藝設計Process design of vinyl chloride with annal output of 100kt目錄目錄摘要 .IAbstract.II前 言 .1第一章 緒 論 .21.1 聚氯乙烯.21.1.1 聚氯乙烯性質和用途 .21.2 氯乙烯 VC .41.21 氯乙烯在國民經濟中的地位和作用 .41.2.3 我國 VC 的產需狀況及預測 .51.3 氯乙烯制取方法.61.4 氯乙烯的合成 .71.4.1 反應機理 .71.4

3、.2 催化劑的選取 .7 1.5 氯乙烯生產工藝流程簡述.101.5.1 生產工藝流程 .101.5.2 主要原料和產物的物化性質 .11第二章 工藝計算 .132.1 物料衡算.132.1.1 計算依據 .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 .212.2.2 有關物化數據表 .212.2.3 相應各個設備的熱量衡算 .22第三章 主要設備及管道管徑設計與選型 .293.1 轉化器的設計與選型.293.1.1 已知條件 .293.1.2 數據計算 .293.1.3 手孔 .313.1.4 封頭的選擇 .313.2 精餾塔的設計與選型.313.2

4、.1 求精餾塔的氣、液相負荷.333.2.2 求操作線方程 .333.2.3 塔徑的計算 .343.2.4 精餾塔有效高度的計算 .373.2.5 管徑的計算 .373.3 主要管道管徑的計算與選型.393.3.1 HCl 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 .413.3.5 轉化器的進料管 .413.3.6 轉化器的出料管 .423.3.7 石墨冷卻器進料管 .423.3.8 部分管道一覽表 .42第四章 生產中的注意事項 .434.1 生產中常見物質的危害及處理方法 .43結 論 .51參考文獻 .53附錄 .5

5、4附錄 A 工藝流程圖.54附錄 B 主要設備圖.54I年產年產1010萬噸氯乙烯工藝設計萬噸氯乙烯工藝設計化學化工學院 化學工程與工藝 鄭浩東（21207052076）指導老師：詹益民摘要摘要：氯乙烯是化學工業(yè)重要有機化工原料，其市場供需量也愈來愈龐大，在化工生產中的地位不斷攀升。由于近年來全世界氯乙烯的生產發(fā)展很快，其產量及消費需求也都迅猛增長;而在國內也隨著我國聚氯乙烯等行業(yè)的不斷發(fā)展，帶動了我國氯乙烯消費量的不斷增加。本設計主要對氯乙烯的物性、用途及國內外生產消費現(xiàn)狀進行分析，對其現(xiàn)有各種生產工藝做簡要介紹，根據設計任務要求確定了本生產工藝流程，對氯乙烯的生產、分離及提純階段精餾塔進行

6、詳細計算，并根據物性及操作條件等綜合因素對塔設備結構進行計算、設計、選型，對輔助設備進行相應的設計計算。做出我認為年產 20萬噸氯乙烯理想的設計方案 。關鍵字關鍵字：增加；氯乙烯；聚氯乙烯；精餾塔；計算IIProcess design of vinyl chloride with annal output of 100ktAbstract:Vinyl chloride is an important organic chemical raw materials in chemical industry, its market supply and demand quantity will be

7、come 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 coun

8、trys vinyl chloride consumption also increased. This design mainly analyze the vinyl chlorides 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 prod

9、uction 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 equipments structure, design, select type, and calculate the design of auxiliary equi

10、pment.Finally making the ideal design scheme from my side which can output 100 kt of vinyl chloride every yearKey words: Addition;Vinyl chloride;Poly vinyl Chloride;Distillation column;Calculate1前 言 本設計是根據設計任務的要求，對年產二十萬噸氯乙烯的工藝初步設計，廣泛收集了聚氯乙烯（(Polyvinyl Chloride，簡稱 PVC） 、氯乙烯（vinyl Chloride;簡稱 VC）工藝化工設

11、計的相關資料作為設計依據。對 PVC 的性質和國內外發(fā)展狀況進行了介紹，并著重對 VC 工藝發(fā)展狀況、工藝選擇、性質、工藝流程及合成原理，相關的物料性質、物料衡算、設備選型、管道設計作了較為詳細的闡述，以理論設計為主，參考了大量資料和書籍，力求接近實際、切合實際。2第一章第一章 緒緒 論論1.1 聚氯乙烯 1.1.1 聚氯乙烯性質和用途1常溫常壓下，氯乙烯（vinyl chloride，CH2=CHCl）是無色氣體，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-13.9，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

12、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 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/%管材33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13PVC硬制品合計60PVC軟制品合計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/%管材14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13PVC硬制品合計57PVC軟制品合計4331.2 氯乙烯 VC1.21氯乙烯在

13、國民經濟中的地位和作用自 1835 年法國化學家 V.Regnault 首先發(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。產品質量好。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國來說：一般耗用量占其總量的2030%。

14、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。1.2.2 我國 VC 的產需狀況及預測1998 年我國 PVC 產量和表觀需求量分別為 160 萬噸和 317 萬噸。在世界上產 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 PVC能力至少為 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，所以總產能有可能達 220 萬噸/年水平，其中乙烯法將達 134.6 萬噸/年，從目前占 31%上升

15、到 61%。1.3 氯乙烯制取方法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 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。初期，氯乙烯采用電石，乙炔與氯化氫催化加成的方法生產，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氯乙烯

16、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。1.4 氯乙烯的合成24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。1.4.1 反應機理 + 1248kJ/mol （1-6）ll2lg222CHCCHHCHCCH 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；II 內擴散 乙炔、氯化氫經碳的微孔通道向外表面擴散；III 表面反應乙炔、氯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；IV 內擴散 氯乙烯經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

17、散。 1.4.2 催化劑的選取15 載體活性炭 ，升汞對于 HCl 與 C2H2 化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%)浸漬吸附質量分數為 10%12%的氯化汞制備而成的,其具體標準參見(YS/T31-1992 氯化汞觸媒技術標準)。1.5 氯乙烯生產工藝流程簡述1.5.1 生產工藝流程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化器除汞器水洗塔堿洗塔冷卻器圖 1.1 生產工藝流程由乙炔工段送來的精制乙炔氣，經乙炔砂封，與氯化氫工序送來的氯化氫氣體經緩沖罐通過孔板流量計調節(jié)

18、配比（乙炔/氯化氫=1/1.051.1）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-142，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5棉捕集器分離，然后混合氣經石墨冷卻器，由流量計控制進入串聯(lián)的第一組轉化器，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化為氯乙烯，第一組出口氣中尚有 2030%未轉化的乙炔，再進入第二級轉化器繼續(xù)轉化，使出口處未轉化的乙炔控制在 3%以下，第二組轉化器填裝活性較高的新催化劑，第一組則填裝活性較低的，即由第二組轉化器更換下來的舊催化劑即可。合

19、成反應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。1.5.2 主要原料和產物的物化性質I 氯化氫分子式：HCl 分子量：36.5性質：無色有刺激性氣味的氣體。標準狀態(tài)下密度為 1.00045 克/升，熔點-114.80，沸點-85。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 升水可溶解 525.2 升的 H

20、Cl 氣體。規(guī)格：純度93%水分0.06%II 乙炔分子式：C2H2 分子量：26性質：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、磷化氫等雜質而具有特殊的刺激性臭氣。規(guī)格：純度：98.5% 不含硫、磷、砷等雜質。III 氯乙烯分子式：CH2CHCl 分子量：62.50沸點：-13.9 熔點：-160.0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 3.626.4%(體積)6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，根據轉化率或者損失率計算出原料的投入量，再按順序對各個單元操作進行衡算。2.1.1 計

21、算依據I 計算基準年產能力： 年產 100kt 的氯乙烯年工作日： 以 330 天計算日產量： 100106330=3.0455105 kg （2-17）小時產量： 3.045510524=12689.5 kg （2-2）即，每小時要合成氯乙烯 12689.5kg ，以下計算均以 1 h 為基準。II 化學反應式：主反應： （2-3）ll2HgCl222CHCCHHCHC 副反應： （2-4）232lllCHCCHHCCHCCH （2-5）lgllg2HgCl222CCHHHCCCHHC （2-6）222lgllglglCHCHCHCCHCCHCHHCIII 倒推法計算：精餾（氯乙烯的收率1：

22、99.5%）：12689.599.5%=12753.26 kg = 204.052 kmol（2-7）轉化器（乙炔的轉化率：95%）： 204.05295%=214.7915 kmol （2-8）因此，進氣中 C2H2需 214.7915 kmol 2.1.2 各單元的物料衡算（1）混合器的物料衡算 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：1:1.051.12本設計選?。簄C2H2 : nHCl = 1:1.08I 進料氣組成：表 2.1 進料氣組成進料氣組分含量/%乙炔氯化氫混合器C2H2HClO2H2O8C2H299.5乙炔氣H2O0.5HCl99.95H

23、2O0.01 氯化氫惰性氣體（以 O2計算）0.04因此，進料氣所需乙炔氣： 214.791599.5% = 215.871 kmol （2-9）進料氣所需的氯化氫氣體：214.79151.0899.95% = 232.091 kmol （2-10）即，C2H2 ： 214.7915 kmol （5584.579 kg）HCl ： 231.975 kmol （8467.0875 kg）O2 ： 232.0910.04% = 0.0928 kmol （2.971 kg） （2-11）H2O ： 232.0910.01%+215.8710.5% = 1.1025 kmol （19.845 kg）

24、（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 : 214.7915 kmolHCl ： 231.975 kmolO2 ： 0.0928 kmolH2O ： 1.1025 kmolIII 混合器的物料衡算表表 2.2 混合器的物料衡算表進料質量/kgW/%出料質量/kgW/%9C2H25584.57939.679C2H25584.57939.679HCl8467.087560.159HCl8467.087560.159O22.9710.000211O22.9710.000211H2O19.8450.1410H2O19.8450.14101407

25、4.482510014074.4825100（2） 石墨冷卻器 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鹽水間接冷卻，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：C2H2 : 214.7915 kmol （5584.579kg）HCl ： 231.975 kmol （8467.0875kg）O2 ： 0.0928 kmol （2.971kg）H2O： 1.1025kmol （19.845kg）II 出料氣組成：C2H2 : 214.7915 kmol （558

26、4.579kg）O2 ： 0.0928 kmol （2.971kg）H2O： 1.1025（1-30%） =0.7718 kmol =13.8915 kg （2-13） （2-14）40% 100%mmm2lHClOHHC = （0.40.6） lmHCOH2m混合氣C2H2HClO2H2O石墨冷卻器鹽酸10 = （0.40.6）（9.9225-13.8915） =3.969kg （2-15）HCl： 8467.0875-3.969=8463.1185 kg =231.8665 kmol （2-16）鹽酸：3.969+（19.845-13.8915）=9.9225 kg （2-17）III 石

27、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量/kgW/%出料質量/kgW/%C2H25584.57939.679C2H25584.57939.679HCl8467.087560.159HCl8463.118560.131O22.9710.000211O22.9710.000211H2O19.8450.1410H2O13.89150.000987鹽酸9.92250.00074514074.482510014074.4825100（3）多筒過濾器由相關資料查得，在多筒過濾器中，采用 35%憎水性有機硅樹脂的 510um 細玻璃纖維，可將大部分酸霧分離下來，以鹽酸的形式排出。假設鹽酸

28、為 38%，出水量為 80%。I 進料氣組成：C2H2 : 214.7915 kmol （5584.579kg）HCl ： 231.975 kmol （8463.1185kg）O2 ： 0.0928 kmol （2.971kg）H2O： 0.7718kmol （13.8915kg）II 出料氣組成：C2H2 : 214.7915 kmol （5584.579kg）O2 ： 0.0928 kmol （2.971kg）H2O： 13.8915（1-80%）=2.7783 kg 鹽酸為 38%，100% = 38% （2-18OHHC2mmmlHCl） = （0.380.62）HClmOH2m11

29、=（0.380.62）13.8915 =6.8115 kg （2-19）HCl： 8463.1185-6.8115=8456.307 kg （2-20）鹽酸：6.8115+13.891580%=17.9247 kg （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量/kgW/%出料質量/kgW/%C2H25584.57939.707C2H25584.57939.707HCl8463.118560.172HCl8456.30760.125O22.9710.000211O22.9710.000211H2O13.89150.000988H2O2.77830.00019

30、8鹽酸17.92470.0012714064.5610014064.56100（4）石墨預熱器此時無質量交換，即進出口各物料量不變。 表 2.5 石墨預熱器物料衡算表進料/出料質量/kgW/%C2H25584.57939.757HCl8456.30760.202O22.9710.000212H2O2.77830.00019814046.64100（5）轉化器 圖 2.3 轉化器物料衡算簡圖由前面的敘述知，此轉化器轉化率為 95%3。C2H2HCl轉化器CH2CHClC2H2HCl12I 進料氣組成：C2H2 : 5584.579 kg （214.7915 kmol）HCl ： 8456.307

31、 kg （231.68 kmol） O2 ： 2.971 kgH2O ： 2.7783 kgII 出料氣組成：CH2CHCl ：214.791595%62.5 = 12753.245 kg （2-22）C2H2 : 5584.579（1-95%）= 279.229 kg （2-23）HCl ： 8456.307-214.791595%36.5 = 1008.4117kg （2-24）O2 ： 2.971 kgH2O ： 2.7783 kgIII 轉化器的物料衡算：表 2.6 轉化器的物料衡算表進料質量/kgW/%出料質量/kgW/%C2H25584.57939.757CH2CHCl12753.

32、24590.792HCl8456.30760.202C2H2279.2290.0199O22.9710.000212HCl1008.41177.179H2O2.77830.000198O22.9710.000212H2O2.77830.00019814046.6410014046.64100（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 2.7 除汞器的物料衡算表進料質量/kgW/%出料質量/kgW/%CH2CHCl12753.24590.792CH2CHCl12753.24590.792C2H2279.2290.0199C2H2279.22

33、90.0199HCl1008.41177.179HCl1008.41177.179O22.9710.000212O22.9710.00021213H2O2.77830.000198H2O2.77830.00019814046.6410014046.64100（7） 石墨冷卻器 表 2.8 石墨冷卻器物料衡算表進料質量/kgW/%出料質量/kgW/%CH2CHCl12753.24590.792CH2CHCl12753.24590.792C2H2279.2290.0199C2H2279.2290.0199HCl1008.41177.179HCl1008.41177.179O22.9710.0002

34、12O22.9710.000212H2O2.77830.000198H2O2.77830.00019814046.6410014046.64100（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 kg。I 進料氣組成：CH2CHCl ： 12753.245 kgC2H2 : 279.229 kg HCl ： 1008.4117kg O2 ： 2.971 kgH2O ： 2.7783 + 3955 = 3957.7783kg （2-25）II 出料氣組成：C

35、H2CHCl ： 12753.245 kgC2H2 : 279.229 kg 回收的鹽酸： 1008.411798%20% = 4941.22 kg （2-26）14HCl ： 1008.4117（1-98%）= 20.168 kg （2-27） O2 ： 2.971 kgH2O ： 3955+2.7783-4941.220.8 = 4.8023 kg （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量/kgW/%出料質量/kgW/%CH2CHCl12753.2450.708CH2CHCl12753.2450.708C2H2279.2290.0155C2H22

36、79.2290.0155HCl1008.41170.056HCl20.168 0.00112O22.9710.000165O22.9710.000165H2O3957.77830.22H2O4.80230.000264鹽酸4941.220.27418001.63510018001.635100（9）堿洗泡沫塔 CH2=CHClCHCHHCl堿洗泡沫塔CH2=CHClCHCH圖 2.4 堿洗泡沫塔物料衡算簡圖I 進料氣組成：CH2CHCl ： 12753.245 kgC2H2 : 279.229 kg HCl ： 20.168 kg O2 ： 2.971 kg15H2O ： 4.8023 kgI

37、I 出料氣組成：HCl 被堿液吸收，從而出料氣中不含 HCl 氣體。CH2CHCl ： 12753.245 kgC2H2 : 279.229 kg O2 ： 2.971 kgH2O ： 4.8023 kgIII 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量/kgW/%出料質量/kgW/%CH2CHCl12753.2450.976CH2CHCl12753.2450.976C2H2279.2290.0214C2H2279.2290.0214HCl20.168 0.00154HCl（除去的）20.168 0.00154O22.9710.000227O22.9710.000227H

38、2O4.80230.000364H2O4.80230.00036413060.41510013060.4151002.2 熱量衡算2.2.1 熱量衡算式 （2-29）54321QQQQQQ1 : 物料帶入熱Q2 : 加熱劑或冷卻劑帶入熱Q3 : 過程熱效應Q4 : 物料帶出熱Q5 : 熱損失假設 Q5 是 Q2的 5% 此衡算式中， “+”表示放熱， “-”表示吸熱。16設混合物的平均比熱容近似等于各組分熱容與質量分數乘積之和，即 ，含iiWCCP量少的物質對混合體系熱容的影響可忽略不計。 同種物質的平均比熱容 （2-30）2121lnPPPPPCCCCC2.2.2 有關物化數據表5表 2.1

39、1 物化數據表項目溫度/比熱/kcal/（kg）250.428750.45乙炔1100.455250.204750.208HCl1100.2085250.45750.451水蒸氣1100.46250.234750.24O21100.244250.846750.8327氯乙烯1100.868鹽酸（40%）-353.21417 2.2.3 相應各個設備的熱量衡算（1）石墨冷卻器表 2.12 石墨冷卻器的物料衡算表進料質量/kgW/%出料質量/kgW/%C2H25584.57939.679C2H25584.57939.679HCl8467.087560.159HCl8463.118560.131O2

40、2.9710.000211O22.9710.000211H2O19.8450.1410H2O13.89150.000987鹽酸9.92250.00074514074.482510014074.4825100進料溫度： t1 = 25出料溫度： t2 = -13以進料溫度 t1 = 25為計算基準：C 乙炔=1.792 kJ/（kg）C水蒸氣=1.8842 kJ/（kg）C氯化氫=0.8541 kJ/（kg）C 氧氣=0.9798 kJ/（kg）C 水（l）=4.175 kJ/（kg）水（冷凝熱）= -2229.4636 kJ/（kg）C 40%鹽酸=3214 kJ/（kg）計算：Q1 : 進料

41、溫度為 25，即 Q1 =0Q3 : 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，35430 kcal/kmol5 則冷卻器只能中 HCl 溶于水放出的熱量為： 148345.4（8467.0875-8463.1185） 36.5 = 16131.04 kJ （2-32）Q3.2 ：水液化放出的熱，2435.0（19.845-13.8915）= 14496.7725 kJ （2-33） Q3 = Q3.1 + Q3.2 = 16131.04+14496.7725 = 30627.8125 kJ （2-34）Q4 : Q4 = Q乙炔

42、Q氯化氫 Q氧氣Q水蒸氣Q鹽酸 = 5584.5791.792（-13-25）+8467.08750.8541（-13-25）18+2.9710.9798（-13-25）+1.88413.8915（-13-25）+9.92253214（-13-25） = -380287.4916-274806.0985-110.6175-994.5202-1211854.77 = -1868053.498 kJ （2-35）Q2 : 5% Q2=Q5 Q1Q2Q3=Q4Q5 （2-32） 0+ Q2+30627.8125 = -1868053.498+0.05Q2 （2-36） Q2 = -1998611.9

43、06 kJ Q5 ： Q5 = Q25% = -99930.5953 kJ （2-37）表 2.13 石墨冷卻器熱量衡算表物料入口/kJ物料出口/kJC2H20C2H2-380287.4916HCl0HCl-274806.0985O20O2-110.6175H2O0H2O-994.5202冷凝熱30627.8125鹽酸-1211854.77鹽水吸熱-1998611.906損失-99930.5953-1967984093（2） 石墨預熱器進料溫度： t1 = -13出料溫度： t2 = 75以進料溫度 t1 = -13為計算基準：C 乙炔=1.80 kJ/（kg）C 水

44、蒸氣=1.884 kJ/（kg）C 氯化氫=0.858 kJ/（kg）C 氧氣=0.9798 kJ/（kg）C 氯乙烯=0.8502 kJ/（kg）計算：Q1 : 進料溫度為 75，即 Q1 =0Q3 : 由反應式，19Q4 : Q4 = Q乙炔Q氯化氫 Q氧氣Q水蒸氣 = 5584.5791.8（75+13）+8456.3070.858（75+13）+2.9710.9798 （75+13）+2.77831.884（75+13） = 884597.3136+638485.0037+256.1667+460.62 = 1523799.104kJ （2-38）Q2： Q5 = Q25% Q1Q2Q

45、3 = Q4Q5 0+ Q2+0 =1523799.104+0.05 Q2 Q2 =1603999.057 kJQ5 ： Q5 = Q25% =1603999.0570.05=80199.9528kJ （2-39）表 2.14 石墨預熱器熱量衡算表物料入口/kJ物料出口/kJC2H20C2H2884597.3136HCl0HCl638485.0037O20O2256.1667H2O0H2O460.62蒸汽加熱1603999.057損失80199.95281603999.0571603999.057（3） 轉化器 由前面計算可知，轉化器的物料核算此處的熱損失為 1.5%。進料溫度： t1 = 7

46、5出料溫度： t2 = 110以進料溫度 t1 = 75為計算基準：C 乙炔= 1.884 kJ/（kg）C 水蒸氣= 1.888 kJ/（kg）20C 氯化氫= 0.871 kJ/（kg）C 氧氣= 1.005 kJ/（kg）C 氯乙烯= 0.8502 kJ/（kg）計算：Q1 : 進料溫度為 75，即 Q1 =0Q3 : 由反應式， Q3 = 124.8214.7915103 = 2840660.546 kJ （2-40）Q4 : Q4 = Q氯乙烯+Q乙炔Q氯化氫 Q氧氣Q水蒸氣 = 12753.2450.8502（110-75）+279.2291.884（110-75）+1008.41

47、170.871（110-75）+2.77831.888（110-75）+2.9711.005（110-75） = 379498.3115+18412.3603+30741.4307+183.5901+104.5049 = 428940.1974 kJ （2-41）Q2 ： Q5 = Q21.5% Q1Q2Q3 = Q4Q5 0+ Q2+2840660.546 = 428940.1974+0.015 Q2 Q2 = -2448447.054 kJQ5 ： Q5 = Q25% = -2448447.0540.015 = -36726.7058 kJ21表 2.15 轉化器熱量衡算表 物料入口/kJ

48、物料出口/kJC2H20CH2CHCl379498.3115HCl0C2H218412.3603O20HCl30741.4307H2O0O2104.5049反應熱2840660.546H2O183.59010循環(huán)水-2448447.054損失-36726.7058392213.4916392213.4916（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為計算基準：C 乙炔= 1.905 kJ kJ/（kg）C 水蒸氣= 1.926 kJ kJ/（kg）C 氯化氫= 0.873 kJ kJ/（kg）C 氧氣= 1.021 kJ kJ/（kg）

49、 C 氯乙烯= 0.857 kJ kJ/（kg）計算：Q1 : 進料溫度為 110，即 Q1 =0Q3 : Q3 = 0 （無反應或冷凝熱產生）Q4 : Q4 = Q氯乙烯+Q乙炔Q氯化氫 Q氧氣Q水蒸氣 = 12753.2450.857（25-110）+279.2291.905（25-100）+1008.41170.873（25-100）+2.77831.926（25-100）+2.9711.021（25-100） = -946354.5452-45214.1558-74829.1902-454.8355-257.8382 = -1067110.565 kJ （2-42）Q2 ： Q5 =

50、Q21.5% Q1Q2Q3 = Q4Q5 0+ Q2+0= -1067110.565+0.05 Q222 Q2 = -1123274.279 kJQ5 ： Q5 = Q25% = -1123274.2790.05 = -56163.7140 kJ表 2.16 石墨冷卻器熱量衡算表進料入口/kJ物料出口/kJCH2CHCl0CH2CHCl-946354.5452C2H20C2H2-45214.1558HCl0HCl-74829.1902O20O2-257.8382H2O0H2O-454.8355循環(huán)水-1123274.279損失-56163.7140-1123274.279-1123274.27

51、9（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： t1 = -35出料溫度： t2 = -2040%鹽水的比熱容：C 鹽水 = 3.214 kJ/（kg） Q = mCP(t2-t1)=1998476.924 m = 1998476.924(153.214) = 41453.5765 kJ （2-43）II 循環(huán)水：在石墨預熱器中，進料溫度： t1 = 110出料溫度： t2 = 9595時： C水 = 4.214 kJ/（kg）110時：C水 = 4.238 kJ/（kg）C平均 = （4.214+4.238）2 = 4.226 kJ/（kg） （2-442

52、3） Q =1603999.057 kJ需水量：m =1603999.057（4.22615）=25303.6608 kg （2-45）在轉化器中，進料溫度： t1 = 95出料溫度： t2 = 110Q = 2448447.054 kJ 需水量： m =2448447.0544.226（110-95） = 38625.131 kg （2-46）在石墨冷卻器中，進料溫度： t1 = 15出料溫度： t2 = 9595時： C水 = 4.214 kJ/（kg）15時： C水 = 4.187 kJ/（kg）C平均 = （4.214+4.187）2 = 4.2 kJ/（kg） （2-47） Q =

53、1123274.279 kJ 需水量： m = 1123274.2794.2（95-15）= 3343.0782 kg （2-48）表 2.17 水消耗綜合表物料相應設備熱量/kJ質量/kJ鹽水石墨冷卻器1998476.92441453.5765石墨預熱器1603999.05725303.6608轉化器2448447.05438625.131循環(huán)水石墨冷卻器1123274.2793343.0782 石墨預熱器中的水可由轉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化器 實際用水 38625.131 kg24第三章 主要設備及管道管徑設計與選型3.1 轉化器的設計與選型3.1.1 已

54、知條件1 此處的轉化器為列管式固定床反應器。 催化劑粒度： 0.756.5 mm ，載體機械強度應90% HgCl2含量： 10.5%12.5% 水分的含量： 小于 0.3% 松裝粒度： 540640 g/L 空 速： 2540 m3/（m3 催化劑h）時，轉化率最高。 反應溫度： 新觸媒，150：舊觸媒，180 反應壓力： 0.05MPa采用經驗設計法6： （3-1）RVVVS 原料混合氣進料流量，m3V 催化劑床層體積，m3RVSV 空間流速，h-1 假定空間流速 SV = 30 m3/（m3 催化劑h）表 3.1 轉化器的進料組分表進料質量/kg物質的量/kmol25C2H25584.5

55、79214.7915HCl8456.307231.68O22.9710.093H2O2.77830.154514046.64446.71833.1.2 數據計算混合氣的體積流量 ： = 446.718322.4 = 10006.49m3 （3-V2） 由式得 ： = 10006.4930 = 333.5497 m3RV 選管子： 573.5 mm 管子內徑 d = 0.05m ，管長 6m，催化劑的裝填高度為 5.7m。 管子數： （3-3）根 29803 7 . 505. 045497.333n 2每個轉化器用 2401 根管子，則轉化器為 298.32401 可取為 13 個轉化器。循環(huán)水

56、帶走的傳熱量 2448447.054kJ，由于進出口溫度變化不大，即近似為恒溫。 （3-4）27511095110tm）（）（ = 25 K 取經驗值 100.則，= 979.3788 （3-5）25100054.2448447tmKQA需A實際 = 3.14ndl = 3.141324010.055.7 = 27932.5137 （3-6） A實際 A需要 能滿足要求。26選取： 殼體大于 400mm 用鋼板卷焊而成7， 殼體內徑 D 取決于傳熱管數 n，排列方式和管心距。 D = t （nC-1）+ （23）d。式中： t 管心距，t = 1.25d。 d。 換熱管外徑 nC 橫過管束中心

57、線的管數，該值與管子排列有關。本設計采用正三角形排列，則 nC = 1.1 = 1.1 = 54 （3-7）n2401t = 1.25d。= 1.250.057 = 0.07125 m （3-8）D = t（nC-1）+2.5d。= 0.0712554+2.50.057 = 3.9185 m （3-9）圓整到 4000mm參考文獻，為了滿足及時轉移反應放出的熱量，采用把轉化器換熱分為三層，三層同時進行散熱。3.1.3 手孔8 反應最高壓力為 1.5 atm 選用平焊法蘭手孔。 公稱壓力 PN0.06MPa，公稱直徑 DN250mm，H1 = 190mm 采用類材料，墊片的材料采用普通的石棉橡膠

58、板。 其標記為： 手孔 （A.G） 250-0.6 HG/T 21529-953.1.4 封頭的選擇根據手冊6，選用錐形封頭。由于該設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。273.2 精餾塔的設計與選型6由堿洗塔頂部出來的粗氯乙烯氣體經排水罐部分脫水后進入機前冷卻器冷卻至510，除去粗 VC 中的大部分水分、提高了氣體的密度后，經氯乙烯壓縮機壓縮至0.75MPa，送機后冷卻器降溫至 50左右除去部分油水進入精餾段。氯乙烯的精餾主要是將壓縮崗位送來的氯乙烯氣體在 0.550.60MPa 下，在全凝器全部液化為 15的

59、過冷液體，VC 液體進水分離器，含有不凝氣體氯乙烯氣體進入尾氣冷凝器，用-35冷凍鹽水進一步分離，冷凝液體也進入水分離器，由水分離器的液體 VC 先送至低沸塔進行一級精餾去除乙炔和氮氣、氧氣等低沸物，再送至高沸塔經二級精餾除去二氯乙烷等高沸物，在塔頂可得到純度大于 99.95%的精制單體送至聚合工序。A 輕組分 ： C2H2 沸點溫度： t = -83.6B 產品 VC ： CH2CHCl 沸點溫度： t = -13.9C 重組分 ： CH2ClCH2Cl 沸點溫度： t = 5760以上沸點均為常壓。I 已知條件：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

60、。由于此時要精制氯乙烯故將其視為單一化合物進行計算。由前面轉化器的物料衡算可知，此轉化器的轉化率為 95%，主反應的收率為 94.44%，因此得：均以小時計算二氯乙烷的摩爾質量：21.479 kmol氯乙烯的摩爾質量 ： 385.413 kmol乙炔的摩爾質量 ： 22.691 kmol總的進料量 ： F = 21.479+385.413+22.691 =214.7915 kmol （3-10）II 設計條件： 操作壓力： 0.7MPa進料熱狀況：泡點進料回流比： R = 2Rmin單板壓降： 0.7 kpa28板效率： 30%原料液及塔頂、塔底產品的摩爾分率及其對應的沸點： xF = 0.0