8萬噸年聚氯乙烯裝置VC氣相脫水工藝設(shè)計及及

1、第一章 概述安徽氯堿化工集團公司“十一五”規(guī)劃中，聚氯乙稀產(chǎn)品有很大的發(fā)展，其中一個發(fā)展階段是：聚氯乙稀生產(chǎn)規(guī)模由目前的4萬噸/年擴大到8萬噸/年。本設(shè)計課題聚氯乙稀裝置VC氣相脫水工藝,是這個大項目派生出來的一個子項目，所謂氯乙烯氣相脫水工藝，就是氯乙烯在氣相狀態(tài)時利用降溫減濕，固堿吸濕，硅膠等吸附氯乙烯中的水,進而來脫除氯乙烯中的水分。這一工藝中有固堿吸濕過程（即固堿干燥）。固堿干燥實質(zhì)上是通過形成高濃度堿液，減小水在氣相中的分壓，來達到干燥目的。固堿不僅能吸濕脫水，而且能進一步除掉氯乙烯中夾帶的微量氯化氫及鐵，減輕酸腐蝕，延長設(shè)備的使用壽命，還能除掉從聚合過程中回收的氯乙烯中的微量活性分

2、子。這樣節(jié)能減少精餾塔中的自聚物，改善精餾操作狀態(tài)，延長精餾操作周期，減少因精餾操作不良引起的停工時間和停工物料損失，從而氯乙烯單體的產(chǎn)量和質(zhì)量。所以也可以這么說，VC氣相脫水項目也是提高VC單體質(zhì)量的項目，具有一定的操作價值和研究意義。 氣體減濕技術(shù)概述 氣體減濕，即降低氣體濕度，是一種屬于熱質(zhì)傳遞過程的單元操作。在化工生產(chǎn)中，干燥操作所用的熱氣流在加熱前常需經(jīng)過減濕處理，以提高熱能利用率；有些經(jīng)過水冷的氣體，也需經(jīng)減濕處理才能進入下一過程。 減濕常用的方法有：吸附除濕。使氣體與固體吸附劑接觸，氣體所含水汽被吸附后，濕度降低。選擇適當(dāng)吸附劑和操作流程，可將氣體的濕度降得很低。吸附劑經(jīng)再生后循

3、環(huán)使用。此法用于濕度較小而除濕要求較高的場合。吸收除濕。使?jié)駳怏w與某些水汽平衡分壓很低的液體接觸，氣體所含水汽被吸收而減濕。選擇適當(dāng)?shù)奈談?，可得到濕度很低的氣體。吸收劑通?？梢栽偕?。常用的吸收劑有三甘醇(C6H14O4)、溴化鋰、濃硫酸等。壓縮除濕。將氣體壓縮，因而提高了水汽分壓，相應(yīng)提高了露點，然后予以冷卻，使水汽凝結(jié)而減濕。冷卻除濕。濕氣體在間壁式換熱器中冷卻。當(dāng)溫度降至露點以下時，部分水汽凝結(jié)成水或霜，從而使氣體減濕。根據(jù)所要求的減濕程度，冷卻劑可用冷卻水或各種冷凍鹽水（見載冷劑）。此種減濕方法通常用于空調(diào)器或其他類似裝置。這些裝置的優(yōu)點是性能穩(wěn)定，使用方便；缺點是設(shè)備費用及操作費用都

4、較高，低溫時傳熱面結(jié)霜會使熱阻（見傳熱過程）增加。升溫減濕。用間壁式換熱器將氣體加熱，使氣體相對濕度減小，可用于空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)等場合。若不允許溫度升高，此法就不適用。氣液直接接觸除濕。使氣體直接與溫度低于減濕后氣體露點的液體接觸，氣體所含水汽被部分冷凝進入液相，氣體得到減濕。此法雖不能得到濕度很低的氣體，但其操作費用很低，特別適用于大量氣體的減濕。在工業(yè)上，除減濕要求較高的場合外，一般應(yīng)優(yōu)先采用此法。 本設(shè)計VC氣相脫水技術(shù)概況（1） 降溫減濕羅茨風(fēng)機抽氣柜中的VC，按規(guī)定流量送到冷卻器，多余的VC通過FIC/401控制回流至VC氣柜。規(guī)定流量的VC在冷卻器中冷卻到5。冷卻下來的水由集水器收集

5、，以備回收廢水中的VC。已冷卻到5（2） 固堿吸濕含水量小于2500ppm的VC，進入固堿干燥器進一步除掉水份。此過程中放出熱量，由5冷媒水通過冷卻盤管和冷卻夾套換熱帶走。干燥器底部有60第二章 物料衡算 物料衡算的已知條件 物料衡算的基礎(chǔ) 本設(shè)計、項目是8萬噸/年聚氯乙烯大項目中的一個子項目，這個大項目的部分過程的物料消耗表見表2-1表2-1 8萬噸/年聚氯乙烯項目的部分過程的物料消耗表Vc氣柜VC氣相脫水VC精餾VC聚合出:含水粗VC進:含水粗VC出:脫水粗VC進:脫水粗VC出:精VC進:精VC出:PVC年需求量kg/a107107107107107107107平均流量kg/h103103

6、103103103103103過程消耗進料:出料為:1(粗VC含97%)進料:出料為:1進料:出料為:1 氣相脫水降溫減濕，固堿吸濕過程工藝流程簡圖圖2-1氣相脫水降減濕 固堿吸濕過程工藝流程圖 物化數(shù)據(jù)氯乙烯分子量：VC氣柜中粗氯乙烯含量97% 粗氯乙烯含乙炔3% （包括少量的N2和40氯乙烯 臨界溫度（） 臨界壓力（）大氣壓氯乙烯氣體在5-47之間的平均黏度=110p=m247VC氣體的黏度113 p10VC氣體的黏度 95 p 流程中物料工藝常數(shù)表2-2 流程中物料參數(shù)表 流程號123456主要物質(zhì)VC（g）VC（g）VC（g）水（汽）VC（g）NaOH+水流量kg/h103103103

7、127103壓力Mpa溫度40551010表中表示需要通過工藝計算解決的量 VC氣相冷卻器物料衡算 物料衡算總式： F=F1F2XH2O除其中：F為進入冷卻器前的氯乙烯流量、F1為從冷卻器出來后氯乙烯的流量、F2為冷凝水中含有的氯乙烯的量、XH2O除為通過冷卻器除去的水分 冷卻器示意圖及已知條件（見圖2-2） 冷卻器降溫減濕除水量XH2O除的估算根據(jù)理想混合氣體中某組分的mol分?jǐn)?shù)等于其分壓數(shù)，做如下計算當(dāng)t=40時，水的飽和蒸汽壓為= 106pa，設(shè)水的量物質(zhì)的量為n40則有：所以n40=當(dāng)t=5時，水的飽和蒸汽壓為= 設(shè)水的量物質(zhì)的量為n5 則有： 所以n5=h 于是，冷卻器的除水量XH2

8、O除=X40-X5=（）18=177kg/h圖2-2 冷卻器已知條件示意圖 冷卻器的冷凝水帶走的氯乙烯 由氯乙烯在水中溶解度表查得：5 177kg/h水帶走的氯乙烯的量=3ml=h=77kg/h 冷卻器VC氣相出口最低含水量X出預(yù)測 X出=2103ppm 冷卻器VC氣相出口含水量設(shè)計指標(biāo)值定為2500ppm，根據(jù)上述的預(yù)測值，只要出口溫度能穩(wěn)定控制在5 固堿干燥器物料衡算 固堿干燥器示意條件圖（見圖2-3） 固堿干燥器固堿吸濕除水量X除的估算 根據(jù)氯乙烯生產(chǎn)問答知50%固堿溶解的水蒸汽分壓：10時 15時 20時 2mmHg,在本工藝中，VC出固堿干燥器溫度控制在10，則水的飽和蒸汽壓為 設(shè)干

9、燥器出口VC氣相水的物質(zhì)的量為nH2O則有： nH2O=h 固堿吸濕除水量X除=X5-XH2O= 18=h 固堿干燥器排放燒堿溶液的量W 燒堿溶液是以50%的水溶液排放 溶液排放量= 固堿干燥器VC氣相出口最低含水量X含預(yù)測=167ppm固堿干燥器VC氣相出口含水量設(shè)計指標(biāo)值定為600ppm,根據(jù)上述計算,只要固堿干燥器出口溫度能穩(wěn)定在10圖2-3 固堿干燥器已知條件示意圖第三章 熱量衡算 熱量衡算已知數(shù)據(jù) 飽和指數(shù)K= VC氣體平均比熱Cp=kg 氯乙烯經(jīng)風(fēng)機壓縮溫度計算 按理想氣體絕熱過程考慮,有 4其中,T壓縮后溫度 T1壓縮前溫度 已知:T1=313K P壓縮后壓力 已知:P= P1壓

10、縮前壓力 已知:P1=0,104Mpa =即t=47 氯乙烯經(jīng)冷卻器的熱量衡算 冷卻器已知條件及示意圖（見圖3-1） 冷卻器熱負荷(1) 冷卻器中冷卻熱負荷(Q冷卻)(Q冷卻)=QVCQH2O=WVCCP（VC）（T1-T2）WH2OCP（H2O）（T1-T2）其中，WVC氯乙烯氣體流量（kg/h） WVC=h WH2O水蒸汽流量 （kg/h） WH2O=h CP（VC）氯乙烯氣體的平均比熱 CP（VC）=kg CP（H2O） 水蒸汽的平均比熱 CP（H2O）=kg T1VC進冷卻器的溫度 T1=47 T2VC出冷卻器的溫度 T2=5Q冷卻=kg(47-5)(47-5)=h圖3-1 冷卻器熱量

11、衡算示意圖圖中表示要通過熱量衡算解決的量(2) 冷卻器的冷凝負荷（Q冷凝）Q冷凝=WH2OH汽化其中，WH2O冷凝水的流量 WH2O=177kg/h H汽化水的平均汽化熱 H汽化=2440KJ/hQ冷凝=177kg/h2440KJ/h=h(3) 冷卻器的熱負荷（Q）Q= Q冷卻Q冷卻=hh= kJ/h 冷媒水的流量（W冷） 在忽略熱損失的情況下，熱流體放出的熱量=冷流體吸收的熱量 Q=W冷CP（t1-t2）其中，W冷冷媒水流量 CP冷媒水平均比熱 CP=kg t1冷媒水進口溫度 t1=-5 t2冷媒水出口溫度 t2=0W冷= 對數(shù)平均溫度差（tm）T1=47 T2=t1=0 t2= t1=47

12、 t2= tm=24 傳熱面積F（m2）的計算F= 其中，Q傳熱量 Q=857600kJ/h K總傳熱系數(shù) 根據(jù)校驗取K=63KJ/m2h tm對數(shù)平均溫度差 tm=24F= 固堿干燥器熱量衡算 固堿干燥器示意圖及已知條件圖3-2 固堿干燥器條件示意圖 固堿干燥器中VC氣體的溫升（t）當(dāng)VC氣體進入固堿干燥器中，固堿會吸收VC氣體中的水分，轉(zhuǎn)化為50%的燒堿溶液，這一過程中，有兩個問題需要考慮：一是水蒸汽的冷凝熱（Q凝）；二是水溶解于燒堿所放出的溶解熱（Q溶）。 (!) 水蒸汽的冷凝熱Q凝Q凝=h=h(2) 水溶解于NaOH所放出的溶解熱Q溶 查化工工藝設(shè)計手冊下冊 得NaOH溶解熱 Hs=4

13、2756KJ/Kmol每小時溶解所放出的熱量Q溶=21945kJ/h(3) VC氣體溫升 固堿干燥器放出的熱量：Q總=Q凝Q溶 =h21495kJ/h =h Q總=WVCCp(vc)tt= 冷媒水的流量W冷 如果無冷卻措施，則VC氣體溫度將升到t=。但是工藝要求VC氣體出口溫度為10，這樣就要求固堿干燥器要有冷卻措施，把VC氣體出口溫度控制在10，如此，就Q=kg（）=h Q=W冷Cp（t2-t1） 其中，W冷冷媒水的流量 Cp冷媒水的平均比熱 Cp=kg t2冷媒水進口溫度 t2=-5 t1冷媒水出口溫度 t1=-2 W冷= 平均溫度差 近似以并流傳熱計算。T1= T2=10t1=-5 t2

14、= t2= t1=12 tm= 固堿干燥器平均換熱面積FF=其中，Q傳熱量 Q=h K總穿熱系數(shù) K=63kJ/m2h tm平均溫度差 tm=F=第四章 設(shè)備的工藝計算和選型 氯乙烯冷卻器工藝計算和選型 冷卻器基本參數(shù)的選定根據(jù)化工工藝設(shè)計手冊查得：列管式固定管板換熱器基本參數(shù)和前面的物料，熱量衡算數(shù)據(jù)基本相當(dāng)，前面計算的換熱面積為，考慮生產(chǎn)中不穩(wěn)定性的因素很多，所以放大一些余量，現(xiàn)選定的冷卻器的基本參數(shù)如下：公稱直徑 DN1000管程數(shù) I程管數(shù)（管長） 801根（5000mm）換熱面積（公稱值） 310m22（相同設(shè)備兩臺并聯(lián)）換熱管規(guī)格（材質(zhì)） (碳鋼)管程通道截面積 公稱壓力 安裝形式

15、 立式 冷卻器工藝接管尺寸（見圖4-1） 冷卻器氣相入口流速u1和管程入口出流速u2 （1） 冷卻器入口體積流量V 由上述章節(jié)“VC氣相冷卻器物料衡算”知道，冷卻器氣相入口為VC氣體和飽和的水蒸汽的混合物，其摩爾流量為n=hh=h。溫度T為27347=320K 壓力P= 按理想氣體處理，則有：V= =3996m3（2） 冷卻器入口流速u1 （3） 管程入口流速u2u2=圖4-1 冷卻器接管尺寸示意圖表4-1 冷卻器工藝接管表管口代號接管規(guī)格法蘭密封面形式用途aPN6,DN250平面VC氣相入口bPN6,DN100平面冷卻水出口cPN6,DN250平面VC氣相出口dPN6,DN50平面冷凝水出口

16、ePN6,DN100平面冷卻水出口 （4） 冷卻器冷卻水出口流速u3= （5） 冷卻器管程壓力降Pi計算公式8式中，每程直管壓降 每程回管壓降 管程壓力降結(jié)垢校正系數(shù) = 殼程數(shù) =1 管程數(shù) =1其中，u的計算以平均溫度下的體積流量計算。又相對粗糙度查得=8=（91+）11=m2（6） 冷卻器殼程壓力降（）計算公式8式中流過管束的壓力降 流過折流板缺口的壓力降 殼程壓力降結(jié)垢校正系數(shù) 取=又管束壓降流過折流板缺口的壓力降式中，折流板數(shù)目 橫過管束中心線的管數(shù)，本冷卻器為三角形排列的管束。（式中801為殼程的管子總數(shù)） B折流板間距 B= D殼體內(nèi)徑 D=1m u0按殼程流通截面積為來計算所得

17、到的殼程流速。F管子排列形式對壓力降的校正因素，本冷卻器為三角形排列F=f0殼程流體摩擦因素當(dāng)Re0500時，殼程Re0的求取，500=5448N/m2（7） 換熱總系數(shù)K 管內(nèi)傳熱膜系數(shù)10000式中，VC氣體的比熱 查得=kg VC氣體黏度 查得=108p VC氣體導(dǎo)熱系數(shù)=Pr=160管長和管徑之比50對于氣體可用下式計算傳熱膜系數(shù)即，式中，d管子內(nèi)徑 VC氣體導(dǎo)熱系數(shù) n=（流體被冷卻）= 管外傳熱膜系數(shù)蕾諾數(shù)8式中，當(dāng)量直徑（m）其中 t= d0=流速（m/s），管外流速可根據(jù)流體流過的最大截面積S計算，S=其中，h=（折流板間間距） D=1m（冷卻器殼徑） D0=（管外徑）l=（管

18、間距） S=1（）= 冷媒密度 =1168kg/m3 冷媒黏度 =管外有25%原缺形擋板，根據(jù)管殼式換熱器殼程膜系數(shù)計算曲線8，可知當(dāng)Re=1041時： 取 則 即， 冷卻器傳熱總系數(shù)K式中，= = 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 = 管外側(cè)污垢熱阻 = b管壁厚度 b= 管壁導(dǎo)熱系數(shù) =可kJ/ =和估算的總導(dǎo)熱系數(shù)63KJ/相差不多（8） 計算傳熱面積式中，Q傳熱量 Q= K總傳熱系數(shù) K= 對數(shù)平均溫度差 =24F=這個換熱面積和熱量衡算中估算的相差的不是很多，所選的換熱面積為740m2，保險系數(shù)=14%，所以，所選的冷卻器符合工藝設(shè)計的要求。 固堿干燥器選型計算 固堿干燥器基本規(guī)格選定根據(jù)前述的物料衡

19、算和熱量衡算有：傳熱面積F=，經(jīng)查閱相關(guān)資料，以及前人的實踐經(jīng)驗，又適當(dāng)參考生產(chǎn)上的某些不穩(wěn)定性因素和放大一些余量，我們選定的固堿干燥器的基本規(guī)格為：1200 6300 固堿干燥器結(jié)構(gòu)尺寸圖 圖4-2 固堿干燥器結(jié)構(gòu)示意圖工藝接管規(guī)格表如下：表4-2 固堿干燥器工藝接管表符號接管規(guī)格法蘭密封面形式用途aPN6,DN250平面VC氣相入口bPN6,DN250平面VC氣相出口cPN6,DN500平面人空dPN6,DN50平面排液堿口ePN6,DN25平面60熱水進口fPN6,DN25平面60熱水出口g平面液面計開口hPN6,DN25平面-5冷水溶液進口iPN6,DN25平面-5冷水溶液出口jPN6

20、,DN50平面-5冷水溶液進口kPN6,DN50平面-5冷水溶液出口 傳熱面積的校核夾套換熱面積F1= 盤管所盤圓的直徑D=400mm，盤管與圈之間距離l=250mm，管子規(guī)格32（不銹鋼管共13圈，直管供熱面積F=設(shè)計總供熱面積F=F1+F2=+=因為設(shè)計供熱面積F=（計算供熱面積）所以，單臺干燥器是不能滿足工藝要求的，因此，我們采用同樣規(guī)格的干燥器兩臺并聯(lián)，這樣就滿足了工藝要求。 集水器選型計算集水器是在流程中連續(xù)工作的，其下游的設(shè)備VC回收器是間斷工作的，并且設(shè)計為每四小時間斷工作一次。 集水器有關(guān)物料的計算根據(jù)前節(jié)“VC氣相冷卻器物料衡算”，集水器的進水量為177kg/h，這樣4小時的

21、進水量為1774=708kg。因此，集水器的容積V1m3 集水器選型集水器結(jié)構(gòu)尺寸如下圖：圖4-3 集水器結(jié)構(gòu)示意圖容積V= ，滿足工藝要求工藝接管表：表4-3 集水器工藝接管表符號接管規(guī)格法蘭密封形式用途aPN6，DN50平面進水口bPN6，DN50平面出水口cPN6，DN25平面氣相平衡口 VC回收器選型計算 VC回收器有關(guān)物料的計算 進入VC回收器的水中所溶解的VC的量進入VC回收器的水量，已知W=708kg進入VC回收器的水，在進入前水的狀態(tài)為：壓力P=，溫度t=5，根據(jù)氯乙烯在水中的溶解度與溫度的關(guān)系3，得溶解度S=10gVC/1000g所以進入VC回收器的水中溶解的VC量WVC=7

22、0810=7080 VC回收器操作條件以及回收器后廢水中的VC量操作條件：溫度 70壓力 在操作條件下，VC的溶解度幾乎為零3，所以，廢水中的VC含量可以忽略不計。 VC回收流量W回收因為，廢水中的VC是每四小時回收一次，每次能回收VC為。所以，VC回收流量W回收=4=h。 VC回收器的選型經(jīng)參考集水器選型的結(jié)構(gòu)尺寸，只要在設(shè)備外殼增加一個加熱夾套，就能滿足工藝要求，其結(jié)構(gòu)尺寸如下圖：圖4-4 VC 回收器示意圖表4-4 VC回收器接管表管口代號接管規(guī)格法蘭密封面形式用途aPN6,DN50平面進水口bPN6,DN50平面排水口cPN6,DN32平面VC出口dPN6,DN32平面蒸汽ePN6,D

23、N20平面冷凝水出口 羅茨風(fēng)機選型計算 羅茨風(fēng)機克服的阻力hf 阻力計算流程示意圖：4-5 羅茨風(fēng)機克服阻力示意圖 h1+h2的計算管徑DN300 流速u= 直管段管廠估算為90m，管件當(dāng)量長度的估算：名稱數(shù)量每只當(dāng)量長度le/d合計當(dāng)量長度l/d閘閥17790彎頭1240480止回閥1135135流量計1100100Le=（7+480+135+100）=217m局部阻力系數(shù)，流程中有一個突然縮小管件，= =相對粗糙度=Re=查：摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對粗糙度的關(guān)系，=h1+h2= h3的計算管徑DN=250流速u=直管段長l=5m，管件當(dāng)量長度估算：名稱數(shù)量（個）每只當(dāng)量長度le/d合計當(dāng)量長

24、度le/d90彎頭340120閘閥177合計127le=32m局部阻力系數(shù)取1相對粗糙度=Re= 又查得=h3= h冷由節(jié)可知：h冷=6mmH2O h4的計算管徑DN=250流速u=直管長度l=6m 管件當(dāng)量長度的估算：名稱數(shù)量（個）每只當(dāng)量長度le/d合計當(dāng)量長度le/d90彎頭440160閘閥177合計167le=42m局部阻力系數(shù)，流程中有一個突然增大管件， =相對粗糙度=Re= Re= 又查得=h4= h5的計算管徑DN=300流速u=直管長度l=8m 管件當(dāng)量長度的估算：名稱數(shù)量（個）每只當(dāng)量長度le/d合計當(dāng)量長度le/d90彎頭440160le=48m局部阻力系數(shù)=相對粗糙度=R

25、e= Re=又查得=H5=同理，可以計算出：名稱壓力降hf（mmH2O）h675h固50h770名稱壓力降hf（mmH2O）h8123h975h1070h11123h硅51羅茨風(fēng)機所克服的阻力：=690+71+6+70+123+75+50+70+123+75+51+70+123=1579mmH2O = 羅茨風(fēng)機進氣流量V=min 擬選羅茨鼓風(fēng)機主要性能參數(shù)規(guī)格型號L50073-80/流量80m3壓力2000-5000mmH2O溫度60轉(zhuǎn)速960rpm功率70KW 結(jié)論經(jīng)過工藝計算，本設(shè)計能完全滿足8萬噸/年聚氯乙烯工序中，VC氣相脫水工藝設(shè)計的各項參數(shù)。參考文獻：1.譚天恩,麥本熙,丁惠華等編.化工原理.化學(xué)工業(yè)出版社,1990.2.方度.氯堿工藝學(xué).化學(xué)工業(yè)出版社,1990.3.鄭石子.聚氯乙烯生產(chǎn)問答.化學(xué)工業(yè)出版社.1990.4.天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)(上).高等教育出版社.1983.5.上海醫(yī)藥設(shè)計院.化工工藝手冊(上).1986.6.上海醫(yī)藥設(shè)計院.化工工藝手冊(下).1986.7.化學(xué)工程手冊編委會.化學(xué)工程手冊（8）.傳熱設(shè)備及工藝爐.化學(xué)工業(yè)出版社.1987.8.上?；W(xué)院.化學(xué)