《十二萬噸聚氯乙烯氯乙烯合成工序工藝設計化學畢業(yè)論文》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《十二萬噸聚氯乙烯氯乙烯合成工序工藝設計化學畢業(yè)論文（33頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 摘 要 聚氯乙烯是五大通用樹脂之一，由于具有良好的性能，應用領域最寬，在全世界得到了廣泛應用。我國是世界上PVC生產和消費發(fā)展最快的國家。我國PVC生產多采用電石作為原料，與發(fā)達國家采用的石油乙烯路線相比，存在工藝技術落后、消耗高、污染嚴重的問題。 聚氯乙烯籠統(tǒng)指的是具有重復單元-CH2＝CHCl-的氯乙烯均聚物和具有少量其它共聚單體（如乙酸乙烯酯、偏氯乙烯等）的共聚物。它是僅次于聚乙烯的第二大通用塑料，也是我國產量最大的塑料品種之一，應用十分廣泛，所以其單體氯乙烯的生產也十分重要。本設計是關于乙炔電石法制取氯乙烯單體的工藝設計，它的年產量是十二萬噸，通過此方法生產的氯乙烯單體的合

2、格率為99.9%。本設計主要包括關于設計的一些物料衡算，能量衡算，設備的選型計算等內容。本次設計由于專業(yè)知識和其它學科間知識的銜接問題，只是對流程圖進行了繪制。但是這次設計的創(chuàng)新和改進之處在于對于尾氣回收處理方面：在對原有工藝進行深入研究的基礎上，大膽對原工藝進行了簡化，產生了新的工藝流程，實現(xiàn)了系統(tǒng)的循環(huán)連續(xù)運行，在環(huán)境保護方面也有了重大的突破。 關鍵詞：氯乙烯，氯乙烯生產方法，乙炔法，能量控制 ABSTRACT Poly Vinyl Chloride(PVC)is one of the five general resins，as it

3、s good performance in many areas，PVC has bean widely used over the world．China is the world’s fastest—growing country in producing and consuming of PVC．Compared with oil ethylene as raw material in developed countries，the application of Calcium carbide in China, result in high consumption and pollut

4、ion． The polyvinyl-chloride generally refers has the repetition unit -CH2＝CHCl- chloroethylene homopolymer and has the few other comonomer (for example vinyl acetate, leaning chloroethylene and so on) the copolymer.It is only inferior to the polyethylene second big general plastic, also is one of o

5、ur country output biggest plastic varieties, the application is extremely widespread, therefore its monomer chloroethylene production is extremely important.This design is about the acetylene calcium carbide legal system chloroethylene monomer technological design, its annual output is 120000 tons,

6、through this method production chloroethylene monomer qualified rate is 99.9%.This design mainly includes about design some material balances, the energy graduated. Because this design the specialized knowledge and during other discip-lines the knowledge engagement question, was only has carried on

7、the plan to the flow chart. But this designs innovation and the improvement place of lie in regarding the exhaust recovery processing aspect: In conducts the deep research to the original craft in the foundation, has carried on the simplification boldly to the original craft, has had the new technic

8、al process is, has realized system's circulation continuous running, also had the significant breakthrough in the environmental protection aspect. KKEY WORDS: chloroethylene, chloroethylene production method, acetylene law, energy control 29 目 錄 前 言 1 第一章 設計說明書 3 1.1 設計概況及方法 3 1.1.1 設

9、計的生產規(guī)模 3 1.1.2 生產方法 3 1.2物料和能量的合理利用 4 1.3裝置內三廢治理和環(huán)境保護措施 5 1.4 原材料及產品的主要技術規(guī)格 5 1.5生產流程確定 6 1.5.1 生產原理 6 1.5.2 工藝特點 7 第二章 設計計算書 10 2.1 設計依據(jù) 10 VCM量的計算 10 2.2物料衡算 10 2.2.1 混合器的物料衡算 10 2.2.2 石墨冷卻器的物料衡算 13 2.2.3 轉化器的物料衡算 13 2.2.4 泡沫塔的物料衡算 14 2.2.5 水洗塔的物料衡算 15 2.2.6 堿洗塔的物料衡算 16 2.2.7 機前冷

10、卻器的物料衡算 17 2.2.8 機后冷卻器的物料衡算 17 2.3 能量衡算 17 2.3.1 機前冷卻器的熱量衡算 18 2.3.2 機后冷卻器的熱量衡算 19 2.4 設備選型與設計計算 19 2.4.1 機前冷卻器 19 2.4.2 機后冷卻器 22 第三章 結 論 23 參考文獻 24 附錄1 主要設備一覽表 25 附錄2 原材料消耗定額一覽表 26 附錄3 尾氣處理及三廢排放 27 致 謝 29 前 言 本次畢業(yè)設計任務是年產十二萬噸聚氯乙烯氯乙烯合成工序工藝設計。氯乙烯在常態(tài)下是純凈無色的氣體，微溶于水，易液化[1]。在

11、世界上氯乙烯是與乙烯和氫氧化鈉并列的最重要的化工產品之一，主要用途是用來合成聚氯乙烯。聚氯乙烯是最古老的塑料品種之一，其能大量生產，價廉易得，用途十分廣泛。 目前，國內外生產氯乙烯的主要方法有：電石乙炔法、乙烯氧氯化法、乙烷氧氯化法、烯炔法[2]。電石乙炔法由于電石價格大幅度提高，國外已基本淘汰，但其建廠投資和自動化要求較低，乙炔轉化率高，技術成熟，流程簡單，適于中、小規(guī)模得生產；乙炔氧氯化法對技術和設備條件要求較高、投資大；乙烷氧氯化法盡管避免了處理氯化烴的麻煩，但其工藝中乙烷的單程轉化率很低，而且產物分離困難；烯炔法投資大，工藝復雜，成本也較高。本次設計我們采用了電石乙炔法合成氯乙烯單體

12、的工藝。 雖然聚氯乙烯是僅次于聚乙烯的第二大通用塑料，但是在聚氯乙烯經歷了高速邁進的成熟階段，面臨了世界多次的石油危機和經濟蕭條，嚴重沖擊了建筑市場，造成對聚氯乙烯需求的下降，生產成本的提高,所以世界范圍進行了技術革新，國外的聚氯乙烯生產工藝和設備投資的新工藝、新技術等各方面有了新的進展。例如[3]： (1) 國產化大型PVC成套工藝技術在消化吸收國外先進技術的基礎上已經形成獨特的技術體系，成套技術的優(yōu)勢是工藝成熟先進、采用DCS控制，自動化程度高，產能大、能耗低、產品質量穩(wěn)定。 (2)實現(xiàn)清潔生產和循環(huán)經濟：PVC生產廠必須始終注意環(huán)境保護和資源利用，按照“節(jié)能降耗、減少排放、回收再利

13、用、資源化”的原則，進行產業(yè)循環(huán) 組合、資源循環(huán)利用和清潔文明生產。從源頭上減少污染物的排放，保護環(huán)境，大力發(fā)展循環(huán)經濟，走可持續(xù)發(fā)展道路。 (3)PVC產品要精細化、要開發(fā)新產品：隨著國內產能的迅速擴大，今后產品成本的降低、產品質量和品牌的競爭是未來的必然趨勢。PVC的發(fā)展方向是產品精細化、專業(yè)化，通過調整反應體系及工藝條件開發(fā)出產品性能好、易于加工的PVC樹脂和專用樹脂。雖然今后數(shù)年內國內聚氯乙烯的需求依然旺盛，但據(jù)業(yè)內人士分析[4]，我國聚氯乙烯產業(yè)面臨的壓力正日趨增大，政府需盡快出臺措施加強行業(yè)整合力度，淘汰規(guī)模小、工藝落后、質量差、牌號少的企業(yè)，扶持規(guī)模大、前景好的企業(yè)，引進、推

14、廣先進技術，推動產業(yè)升級換代。 到2010年[5]，全球PVC樹脂和VCM的生產量要達到4000萬噸，以滿足行業(yè)需求增長的需要。大部分新的生產能力將建在亞洲，以減少該地區(qū)對于進口的依賴。一些新的生產能力也可能建在中東，因為該地區(qū)具有充足的低成本燃料和原料。 目前我國聚氯乙烯消費分兩大部分：軟制品和硬制品。軟制品主要包括電線電纜、各種用途的膜(根據(jù)厚度不同可分為壓延膜、防水卷材、可折疊門等)、鋪地材料、織物涂層、人造革、各類軟管、手套、玩具、塑料鞋以及一些專用涂料和密封劑等。硬制品主要包括門窗、各種型材和管材、硬片、瓶罐等。 本次設計完成了生產工藝流程的設計。并進行了物料衡算、能量衡算、設

15、備選型計算，繪制了氯乙烯生產工段的凈化壓縮工藝流程圖。 第一章 設計說明書 1.1 設計概況及方法 1.1.1 設計的生產規(guī)模 年產十二萬噸聚氯乙烯車間。本設計承擔氯乙烯單體壓縮工序工藝設計。 1.1.2 生產方法 工業(yè)上合成氯乙烯的方法有(1) 乙炔法；(2) 烯炔法；(3) 乙烯氧氯化法；(4) 乙烷氧氯化法。 (1) 乙炔法 即采用乙炔和氯化氫在催化劑作用下生產氯乙烯的方法。有液相法和氣相法兩種。液相法不需要高溫，但乙炔轉化率低，產品分離困難，因此多采用氣相法?；瘜W反應式為： 此法以HgCl2做觸媒，活性炭作載體，在列管式固定床轉化器內進行。

16、乙炔轉化率很高，產品純度高，所需設備不很復雜，工藝流程比較簡單，生產技術成熟，因此很適合中、小規(guī)模生產，缺點是HgCl2有毒、價格昂貴、成本高。 (2) 烯炔法 即以乙烯、乙炔同時進料聯(lián)合生產，有聯(lián)合法和混合氣化法，其反應基礎為： CH2＝CH2 + Cl2 C2H4Cl2 裂解 C2H3Cl + HCl CH≡CH + HClC2H3Cl a)聯(lián)合法 石油經裂解得到乙烯，經氯化后生成1，1—二氯乙烷（EDC），再在加壓條件下裂解脫去HCl，即得氯乙烯（VCM），副產物與乙炔反應又可得到氯乙烯。此法避免了乙炔法中處理副產物的麻煩，而且節(jié)約了一半的電石，但這種反

17、應復雜，需要設備很多，不能擺脫電石的使用，也不能向電石原料轉變。 b)混合氣化法 此法是對聯(lián)合法的重要改進，以石腦油和氯氣為原料，得到氯乙烯產品。生產流程為： 石腦油裂解 熱裂解 等摩爾的C2H3Cl和C2H4 合成 C2H4和VCM HCl C2H4 + Cl2 合成 EDC 該方法中乙烯和乙炔不需分離，沒有副產物，但工藝流程很復雜，一次性投資費用很大。 (3) 乙炔氧氯化法 在觸媒存在下

18、，將氯化氫的氯化和烴的氯化一步進行的方法。此法以乙烯為原料，經氧氯化生成二氯乙烷（EDC），然后裂解生成氯乙烯，反應方程式如下： 2C2H4 + Cl2 CH2＝CHCl + 2HCl 該反應需在觸媒存在下進行，實際使用的觸媒以二價銅鹽（CuCl2、CuSO4）為主劑，以堿金屬鹽類（NaCl、KCl、MgCl2、NaHSO4、Na2SO4）等作助劑，此外還要加入稀士金屬鹽類做第三成份構成復合觸媒，這種方法對技術和設備條件要求較高，投資大。 (4) 乙烷氧氯化法 采用特制的熔鹽為觸媒，使石油裂解氣中的乙烷在反應器中進行氧氯化和裂解反應，從而制得氯乙烯。這是一條新的工藝路

19、線，有液相法和氣相法，其中液相法比較成熟，其反應為： C2H6 + HCl + O2 KCl－CuCl2－CuCl2 C2H3Cl + 2H2O 2C2H6 + 2HCl + O2 2C2H3Cl + 2H2O C2H6 + 2HCl + O2 C2H4Cl2 +H2O 這種方法可以省去裂解乙烯的步驟，可直接采用粗氯化烴類作氯源，避免了處理氯化烴的麻煩。但該工藝中乙烷的單程轉化率很低，僅為28%左右，而且產物復雜，分離起來也很困難。 綜上所述，乙炔法的建廠投資最低，自動化要求低，乙炔轉化率較高，技術成熟，流程簡單，適合中、小規(guī)模生產。按照設計任務書要

20、求，本次設計我們采用了電石乙炔合成工藝。 1.2物料和能量的合理利用 在氯乙烯的生產過程中的能源管理，首先在配備好各種水、電、氣、計量儀表的條件下，搞好能源調查和能量衡算，測算每噸氯乙烯產品的水、電、氣等單項能耗以及綜合能耗。對于冷卻用的工業(yè)水，要盡量重復使用，并加強循環(huán)回收，反應器移熱用的熱水循環(huán)回熱水罐，用于預熱器加熱和為再沸器提供熱量?；旌厦撍团菽懦龅臐舛容^大的鹽酸，經回收后出售或運送至其他車間。高沸塔釜出料經定期閃蒸后的參液回收處理后出售。 1.3裝置內三廢治理和環(huán)境保護措 氯乙烯生產中主要污染物有氯乙烯氣體、高沸物殘液、氯化高汞以及廢酸和廢堿等。生產環(huán)境保護的核

21、心是最大程度的減少或消除這些污染物在生產中的流失，要盡量做到回收利用。氯乙烯氣體在排放前經過徹底的尾氣吸附，用活性炭加以回收利用，廢氣排放于高空，高廢殘液排入殘液儲槽定期回收。氯化高汞的脫除采用活性炭除汞器。廢酸、廢堿大量的回收后重新利用，剩余極少量的廢酸、廢堿經處理后，排放于排污口。 1.4 原材料及產品的主要技術規(guī)格 原材料及產品的主要技術規(guī)格如下表所示： 表1-1 原材料技術規(guī)格[7] 序號 名稱 規(guī)格 分析方法 國家標準 備注 1 乙炔氣 （干基） C2H2 99% 化學法 N2 0.97% CO2 0.03% 2 氯化氫 （干

22、基） HCl 90% 化學法 H2 8% CO2 1.6% O2 0.4% 表1-2 產品技術規(guī)格表[8] 序號 名稱 規(guī)格 分析方法 國家標準 備注 1 PVC VCM 99.99% 色譜法 EDC ＜0.01% C2H2 ＜0.001% 表1-3 氯化汞觸媒的規(guī)格表[9] 指標名稱 規(guī)格 7gCl2(%) 10~13 H2O(%) ≤0.3 機械強度(%) >90 裝填密度(g/l) 500~600 粒度（%） >65 ≤5 2.75~65 ≥85 1.0~2.75 ≤

23、15 >1.0 ≤1 1.5生產流程確定 1.5.1 生產原理 氯乙烯單體的制備采用電石乙炔法。氫氣和氯氣在合成爐中發(fā)生反應得到氯化氫氣體，電石在反應器中與水反應生成乙炔氣體，乙炔和氯化氫經混合、冷凍脫水、預熱，在以活性炭為載體的氯化汞觸媒的列管式轉化器內進行合成，生成氯乙烯及副產物，后經加壓精餾制得高純度氯乙烯。 主反應： 副反應：C2H2 + H2O CH3CHO C2H2 + 2HCl C2H4Cl2 1，1—二氯乙烷（EDC） 1.5.2 工藝特點 1. 混合冷凍脫水 (1) 利用氯化氫的吸

24、濕性質，在混合時吸收乙炔氣中的部分水分變成濃鹽酸，以降低乙炔氣中的水蒸氣分壓。 (2) 利用冷凍的方法使混合氣中的殘余水分冷凝，使氣體中的水蒸氣分壓進一步降低，從而達到脫水的目的。 (3) 采用濕氯化氫氣體與濕乙炔氣一次冷凍脫水，可省去氯化氫干燥系統(tǒng)，排酸輸送管道采用耐腐蝕的PVC管材或鋼襯里管。 (4) 良好的脫水效果可以減少轉化器因鹽酸腐蝕引起的滲透檢修次數(shù)，提高轉化設備的運轉率，這不但節(jié)約檢修工時和費用，更重要的是保證了氯乙烯單體的穩(wěn)定生產。 2．使用列管式固定床反應器 氯乙烯合成的轉化器是一種氣固相接觸的等溫固定床反應器，有如下優(yōu)點： (1) 床層內流體呈軸向流動，可以近似

25、認為理想的活塞流，推動力大，催化的生產能力較高。 (2) 流體的停留時間可以嚴格控制，溫度分布可以適當調節(jié)，因而有利于提高化學反應的轉化率和選擇性。 (3) 固定床的觸媒不易磨損，因此減少了觸媒耗用量，可在高溫操作下使用。 但固定床反應器也有如下缺點： (1) 結構復雜，合金鋼材的耗量較大。 (2) 傳熱效果差，需要很大的傳熱面，掃應溫度不易控制，熱穩(wěn)定性差。 (3) 軸向溫差較大，存在熱點，容易出現(xiàn)飛溫現(xiàn)象和事故。 (4) 觸媒的裝卸不便，如裝填不均勻，容易造成氣體短路或溝通。 (5) 原料氣需充分混合方能進入反應器，故原料氣組成嚴格受到爆炸極限限制。 3. 水洗堿洗凈化

26、工藝流程簡介 (1) 原水洗堿洗工藝 由轉化工序除汞器送來的粗氯乙烯進入合成氣石墨冷卻器將氣體冷卻至四十攝氏度左右, 進組合吸收系統(tǒng), 用塔內的二級組合吸收技術(泡罩和填料) 吸收噴淋的工業(yè)水, 吸收合成氣中的過量氯化氫, 制得質量分數(shù)為30%～31%的副產鹽酸。再用堿洗塔凈化吸收二氧化碳等雜氣, 獲得精制的氯乙烯供聚合用。新鮮的工業(yè)水從組合塔頂部連續(xù)加入, 成品酸亦連續(xù)產出, 堿液則定時更換, 當其中碳酸鈉濃度超標后, 必須更換一定濃度的氫氧化鈉溶液作為吸收液。 (2) 水洗堿洗凈化原理簡述 在本工序中有2 個主要的任務要完成。一個是去除HCl氣體, 一個是去除CO2等雜質氣。HCl

27、氣體可用新鮮的工業(yè)水去吸收。由于HCl氣體在溶解于水的過程中, 會有大量的溶解熱釋放出來, 需要不斷地將這些熱量移去, 并且從經濟效益上考慮, 制成30%～31%鹽酸最為合算。目前, 移去這些熱量的方法主要是用石墨冷卻器通入0～5oC水來冷卻。CO2等雜質氣則可用NaOH水溶液循環(huán)吸收。在水洗堿洗凈化工序中, 除去粗氯乙烯單體氣中HCl氣體是最關鍵的內容。但是, 在用水吸收粗氯乙烯單體氣中的HCl氣體時, 必然伴隨有大量的溶解熱釋放出來。要制成質量分數(shù)為30%的副產鹽酸,每克水需溶解0.428g的HCl氣體, 其溶解生成熱為736.5 J/g。由于釋放了大量的熱量, 系統(tǒng)溫度必然升高。系統(tǒng)溫度

28、過高時, 不但會造成系統(tǒng)主要的襯膠設備變形損壞, 而且使成品鹽酸的濃度難以達到百分之三十以上。因此, 降低吸收系統(tǒng)的溫度即成為水洗堿洗凈化工序的關鍵問題。 4．氯乙烯的精制采用加壓精餾，并采用了先除低沸物，后除高沸物的流程，使產品從塔頂出料 (1) 合成氣壓縮。因為氯乙烯在常壓下的沸點為-13.9oC，采用加壓操作，可以提高氯乙烯的產量，加壓操作可降低每噸氯乙烯產品的電耗和生產成本，因為溫度降低，對于相同的耗冷量，其動力消耗將顯著增加，使用兩段壓縮可節(jié)省功耗。 (2) 先除低沸物，后除高沸物，可節(jié)約能耗，并保證產品從塔頂出料，從而提高產品純度。 5．氯乙烯的合成采用兩段轉化流程。每段內

29、轉化器采用并聯(lián)方式，這樣可以提高產品收率。 整個工藝流程大體上可分為三個階段即：混合脫水、凈化壓縮、單體精制。 混合脫水 來自乙炔站的濕乙炔經計量后，經過乙炔冷卻器后由乙炔砂封與氯化氫氣體沿混合器切線平行進入混合器。進入混合器的乙炔氣體和氯化氫氣體的體積比是1：1.05~1.1，混合后進入兩個并列的石墨冷卻器中，用-35oC鹽水進行冷凍干燥，除掉混合氣中夾帶的水分和酸，并控制氣體出口溫度在-10 ~ -14oC之間，再經除霧器（高效除霧）除掉氣體中夾帶的酸霧?；旌厦撍O備分離下來的酸，匯集后進入壓酸罐，定期用氮氣壓制鹽酸貯罐。 凈化壓縮 粗氯乙烯在高溫下帶逸的氯化高汞生化物，在填裝活

30、性炭的汞吸附器中除去，然后由石墨冷卻器將合成器冷卻到15oC以下，通入水洗泡沫塔中回收過量氯化氫。泡沫塔頂是以高位槽低溫水噴淋，一次接觸制得20%的鹽酸，由塔底借位差流入鹽酸大貯槽供灌裝外銷。氣體再經堿洗泡沫塔去殘余的微量氯化氫后，送至氯乙烯氣柜，氣柜中氯乙烯經冷堿塔進一步除去微量酸性氣體，至機前冷卻器和水分離器，分理處部分冷凝水，借往復式壓縮機加壓至0.5～0.6MPa，并經機后油分離器，冷卻器及分離器等設備，進一步除去油及水后送精餾系統(tǒng)。 單體精制 在全凝器中用0oC的水將大部分氯乙烯冷凝成液體，氯乙烯液體進入中間槽除去水分，全凝器沒有凝下來的氣體進入尾凝器，用-35oC的鹽水繼續(xù)冷卻

31、，冷凝下來的液體直接進入低塔塔頂，沒有冷凝下來的氣體經乙烯回收罐進入尾氣吸附器，用活性炭纖維將氯乙烯吸附，沒有吸附的惰性氣體等經空壓閥排空。 從中間槽出來的氯乙烯液體進入低塔，低塔塔釜用轉化熱水間接加熱，將冷凝液中低沸物蒸出（經塔頂冷卻器用0oC水控制）再進入高沸塔，高塔釜將氯乙烯蒸出，經塔頂冷凝器控制部分回流，大部分精氯乙烯進入產品冷凝器，用0oC水將氯乙烯冷凝，氯乙烯液體再進入單體貯槽，待聚合需料時送出。高沸塔分離出的高沸物壓入貯罐后進入閃蒸塔，其中的氯乙烯自塔頂進入氣柜，高沸物進入殘液貯罐，定期處理。  第二章 設計計算書

32、 2.1 設計依據(jù) (1) 生產能力：年產十二萬噸疏松型聚氯乙烯樹脂。 (2) 年開工時間：乙炔，氯化氫，氯乙烯工序為8400小時/年，聚合工序為8200小時/年。 (3) 電石定額：300 L/kg的電石，1660公斤/噸的聚氯乙烯(見附錄2)。 (4) 總收率為85%，其中乙炔站收率為96%，氯乙烯合成工段收率為96%，聚合工段收率為92%。 (5) 原料氣體純度：乙炔純度為99%，氯化氫純度為94%，氯乙烯純度為99.9%，含乙炔≤0.001%，高廢物≤0.001%。 含乙炔≤0.001%，高廢物≤0.001%。 VCM量的計算 年產PVC 120000 噸，

33、年開工時間為8400小時，則PVC產量為14.29 t/h。 由VCM轉化成PVC的轉化率為85% Y /（X+Y）=0.1 解得： X= 15.12 t/h 14.29 /（X+Y）=0.85 Y=1.68t/h 因此需要VCM的量為：15.12 t/h，合計241.92 kmol/h 由以乙炔計的VCM總收率為95%，得混合器處乙炔氣的進料量為： 254.65 kmol/h 2.2物料衡算 2.2.1 混合器的物料衡算 1. 乙炔氣進料（管線1） 每小時C2H2的進料為254.65 kmol/h，則其中含： C2H2：254.65 k

34、mol/h N2：1.78 kmol/h CO2：0.76 kmol/h 進料條件：10oC，164.225 KPa 查《化學工藝設計手冊》[10]下冊，得該溫度下水的飽和蒸汽壓為： 1.274 KPa，則乙炔干氣中含水的百分數(shù)為：1.274/(164.225-1.274) = .00782 則含水量為：257.19×0.00782 =2.006 kmol/h 乙炔氣進料（管線1）組成如表2-1所示： 表2-1 混合器乙炔氣進料（管線1）組成 摩爾流量 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 W% C2H2

35、254.65 98.232 6289.92 97.36 N2 1.78 0.694 47.88 0.74 CO2 0.76 0.3 32.12 0.50 H2O 2.006 0.77 34.38 0.53 總計 259.196 100 6460.43 100 2. 氯化氫氣進料（管線2） 實際生產中取C2H2：HCl=1：1.1（摩爾比），則氯化氫進料： 254.65×1.1=280.115 kmol/h 干基氯化氫氣為：280.115/0.9=311.24 kmol/h H2： 311.24×8%=248.99kmol/h CO

36、2： 311.24×1.6%=4.98 kmol/h O2： 311.24×0.4%=1.245kmol/h 進料條件：10 oC，164.225 KPa 與氣體相平衡的鹽酸濃度為：40% 查《化學工藝設計手冊》，得 40%鹽酸上方水的飽和蒸汽壓為：Ps=0.13569 KPa， 氯化氫氣體中水與氯化氫的摩爾比為： 135.69/（164225-135.69）=0.00827 氯化氫氣體中含水量為： 311.24×0.00827=2.574 kmol/h 氯化氫氣的總量為： 311.24+2.574=313.814 kmol/h 氯化氫氣進料（管線2）組成如表2

37、-2所示： 表2-2 混合器氯化氫氣進料（管線2）組成 摩爾流量 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 W% HCl 280.115 89.261 10224.198 96.222 H2 24.9 7.935 49.8 0.469 CO2 4.98 1.587 219.12 2.062 O2 1.245 0.397 39.84 0.375 H2O 2.574 0.82 46.332 0.436 總計 313.814 100 10625.622 100 3. 混合氣（管線3） 操作條

38、件：10oC，164.225kPa，查得水的飽和蒸汽壓為：Ps=135.69Pa，則水分壓：（2.574+2.006）×164225/（313.814+259.196）=1312.63 Pa>135.690Pa 故在混合器中有水凝下來，40%鹽酸中：nHCl/nH2O=（40/36.5）/（60/18）=0.329 設凝下的水的摩爾流量為x，則含有HCl為0.329x，故 135.690/164225=（4.58-x）/（573.01-1.329x）解得：x=4.105 mol/h 則混合器出口含水量為：4.58-4.105=0.475 kmol/h 則溶解的HCl量為：0.329×

39、4.105=1.351 kmol/h 混合器出口中HCl量為：280.115-1.351=278.264 kmol/h 混合器出口氣（管線3）組成如表2-3所示： 表2-3 混合器出口氣（管線3）組成 摩爾流量 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 w% HCl 278.764 49.183 10174.886 59.282 C2H2 254.65 44.928 6620.9 38.576 H2O 0.475 0.084 8.55 0.050 N2 1.78 0.314 49.84 0.294 H2

40、 24.9 4.393 49.8 0.290 O2 1.245 0.220 39.84 0.232 CO2 4.98 0.879 219.12 1.277 總計 566.794 100 17162.936 100 2.2.2 石墨冷卻器的物料衡算 操作條件：259.15 K，164.225 kPa 石墨冷卻器冷卻下來的鹽酸濃度為40%，查得此時水的飽和蒸汽壓為： Ps=17.779 Pa，設冷凝下的水為y，則HCl含量為0.329y， 17.779/164.225=(0.475-y)/(566.794-1.329y) 解得：y=0.3

41、54 kmol/h 故冷卻下的HCl：0.329×0.354=0.116 kmol/h 表2-4 石墨冷卻器出口（管線4）組成 摩爾流量 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 W% HCl 278.648 49.203 10170.652 59.296 C2H2 254.65 44.970 6620.9 38.603 H2O 0.121 0.011 2.178 0.006 N2 1.78 0.318 49.84 0.294 H2 24.9 4.397 49.8 0.290 O2 1.245

42、 0.214 39.84 0.232 CO2 4.98 0.879 219.12 1.278 總計 566.324 100 17152.33 100 2.2.3 轉化器的物料衡算 乙炔加成反應的轉化率為99%，主反應收率為96% 反應方程式如下： 主反應： C2H2+ HCl→CH2CHCl 副反應： C2H2+ H2O→CH3CHO ⑴ C2H2+ 2HCl→CH2ClCH2Cl ⑵ 參加主反應的C2H2：254.65×96%=244.464kmol/

43、h 參加主反應的HCl：244.464 kmol/h 生成的CH2CHCl(VCM)：244.464 kmol/h 由于此處的水含量很少，C2H2含量相對較大，故可以認為水完全反應，故與水反應的C2H2為：0.121kmol/h 參加副反應⑵的C2H2為：254.65×0.99-244.464-0.121=7.519 kmol/h 參加副反應的HCl為：7.519×2=15.038 kmol/h 生成EDC的量為：15.038kmol/h 剩余HCl為：278.648-244.464-15.038=19.146 kmol/h；C2H2為：2.546 kmol/h 摩爾流量

44、 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 W% HCl 19.146 6.051 698.829 3.876 C2H2 2.546 0.811 66.196 0.370 VCM 244.464 77.815 15279 85.352 EDC 15.038 4.824 1488.762 8.382 CH3CHO 0.121 0.020 5.324 0.0140 N2 1.78 0.792 49.84 0.282 H2 24.9 7.904 49.8 0.278 O2 1.245 0.3

45、95 39.84 0.222 CO2 4.98 1.605 219.12 1.224 總計 314.22 100 17896.711 100 轉化器出口（管線5）組成如表2-5所示： 表2-5 轉化器出口（管線5）組成 2.2.4 泡沫塔的物料衡算 乙醛易溶于水，在此塔中全部除去 取泡沫塔的吸收率為70%，設進入泡沫塔的洗液鹽酸濃度為5%（WT），出口鹽酸濃度為20%（WT） 惰性氣體量為：G=245.910 kmol/h 進口HCl占惰性氣體的摩爾分率為： Y1=19.146/245.910=0.078 出口HCl占惰性氣體的摩爾分率為： Y2

46、=0.3×0.078=0.023 20%鹽酸中氯化氫與水的摩爾比為： X1=（20/36.5）/（80/18）=0.123 5%鹽酸中氯化氫與水的摩爾比為： X2=（5/36.5）/（95/18）=0.026 設鹽酸中含水的量為L，對泡沫塔進行物料衡算有： G(Y1- Y2）=L(X1- X2） (2-1） 得： L = G（Y1- Y2）/（X1- X2） =245.910×（0.078-0.023）/（0.123-0.026）=139.43 kmol/h 被吸收掉的HCl量為：19.146×0.7=13.402 kmol/h 剩

47、余HCl量為：5.744 kmol/h 泡沫塔出口（管線6）組成如表2-6所示： 表2-6 泡沫塔出口（管線6）組成 摩爾流量 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 W% HCl 5.744 1.896 209.656 1.196 C2H2 2.546 0.847 66.196 0.380 VCM 244.464 81.273 15279 87.745 EDC 15.038 5.039 1488.762 8.616 N2 1.78 0.598 49.84 0.289 H2 24.9 8.2

48、78 49.8 0.286 O2 1.245 0.411 39.84 0.229 CO2 4.98 1.656 219.12 1.258 總計 300.697 100 17402.214 100 2.2.5 水洗塔的物料衡算 取水洗塔與泡沫塔總的吸收率為99.8%， 即（Y1-Y3）/ Y1=99.8% 則：Y3=0.000156 塔頂一次水的進入流量為：139.43kmol/h 吸收的HCl量為： 245.910×（0.023-0.000175）=5.618 kmol/h 剩余HCl量為： 5.744-5.618=0.126 kmol/h

49、 其它物料組成不變 水洗塔出口（管線7）組成如表2-7所示： 表2-7 水洗塔出口（管線7）組成 摩爾流量 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 W% HCl 0.126 0.018 4.599 0.012 C2H2 2.546 0.863 66.196 0.385 VCM 244.464 82.829 15279 88.797 EDC 15.038 5.135 1488.762 8.720 N2 1.78 0.610 49.84 0.293 H2 24.9 8.436 49.

50、8 0.289 O2 1.245 0.422 39.84 0.231 CO2 4.98 1.687 219.12 1.273 總計 295.079 100 17197.157 100 2.2.6 堿洗塔的物料衡算 操作條件：30oC，120 KPa 因為為化學吸收，所以將CO2和HCl全部吸收，出口帶走部分水蒸汽，查得此時的水的飽和蒸汽壓為：Ps=4245.3 Pa 設堿洗塔出口中含水量為： 4245.3×241.760/（120000-424.3）=8.867 kmol/h 堿洗塔出口（管線8）組成如表2-8所示： 表2-8 堿洗塔出口（管線8

51、）組成 摩爾流量 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 W% C2H2 2.546 0.847 66.196 0.385 VCM 244.464 81.285 15279 88.950 EDC 15.038 5.039 1488.762 8.735 N2 1.78 0.598 49.84 0.293 H2 24.9 8.279 49.8 0.290 O2 1.245 0.414 39.84 0.232 H2O 8.867 3.538 159.606 1.115 總計 298.

52、84 100 17133.044 100 2.2.7 機前冷卻器的物料衡算 操作條件：10oC，115 KPa 當t=10oC，查得此時的水的飽和蒸汽壓為：Ps=1228.8 Pa 則此時飽和水的量為： 1228.8×241.760/（115000-1228.8）=2.611 kmol/h 機前冷卻器冷凝下的水的量為： 8.867-2.611=6.256 kmol/h 其它組成不變，則 機前冷卻器出口（管線9）組成如表2-9所示： 表2-9 機前冷卻器出口（管線9）組成 摩爾流量 kmol/h 摩爾組成 mol% 質量流量 kg/h 質量組成 W

53、% C2H2 2.546 0.868 66.196 0.389 VCM 244.464 83.366 15279 89.860 EDC 15.038 5.168 1488.762 8.824 N2 1.78 0.614 49.84 0. 296 H2 24.9 8.491 49.8 0.293 O2 1.245 0.424 39.84 0.234 H2O 2.611 1.068 14.524 0.103 總計 292.584 100 16987.962 99.999 2.2.8 機后冷卻器的物料衡算 操作條件：

54、40oC，0.6 MPa 查得此時的水的飽和蒸汽壓為：Ps=7380.6 Pa 則機后冷卻器出口若達到飽和，含水蒸汽量為： 7380.6×241.760/（600000-7380.6）=3.011 kmol/h >0.8069 kmol/h 故混合器經機后冷卻器時沒有水冷凝下來 因此機后冷卻器出口（管線10）組成與（管線9相同） 2.3 能量衡算 各物質的熱容計算公式如下[11]： A C2H2： 6.406+1.810x10-2T-1.196x10-5T2 B C2H3Cl： 1.421+4.823x10-2T-3.669x10-5T2 C

55、HCl： 7.235-0.172x10-2T+2.976x10-6T2 D H2O(g)： 7.701+4.595x10-4T+2.521x10-6T2 E N2： 7.440-0.324x10-2T+6.400x10-6T2 F H2： 6.483+2.215x10-3T-3.298x10-6T2 G O2： 6.713-0.879x10-2T+4.170x10-6T2 H CO2： 4.728+1.754x10-2T-1.338x10-5T2 I CH3CHO： 1843+4.353x10-2

56、T-2.404x10-5T2 J C2H4Cl2： 2.979+6.439x10-2T-4.896x10-5T2 單位為kcal/ kmol?k 2.3.1 機前冷卻器的熱量衡算 1. 物料溫度由30oC降至10oC ΔH(VCM)=244.464×(-253.858)=-6.206×104 kcal/ h ΔH(H2O)=8.867×(-160.615)=-1424.177 kcal/ h ΔH(H2)=24.9×(-137.897)=-3433.635 kcal/ h ΔH(C2H2)=2.546×(-215.377)=-548.350 kcal/h ΔH(E

57、DC)=15.038×(-360.508)=-5421.319 kcal/ h ΔH(N2)=1.78×(-139.401)=-248.134 kcal/ h ΔH(O2)=1.245×(-88.611)=-110.321 kcal/ h ΔH1=-7.319×104 kcal/ h=-30.595×104 kJ/ h 2. 氣化潛熱 查表得[9]：10oC時水的氣化潛熱為：589.6 kcal/kg 水液化移走的熱量為： ΔH2=-37.028×589.6=-21831.7 kcal/ h=-9.126×104 kJ/ h 3. 總的熱量變化 Q=ΔH1+ΔH2=-3.97

58、2×105 kJ/ h 4. 所需冷劑的量 用0oC的水冷卻，溫度變化為0oC到5oC，物性常數(shù)為[15]： Cp=4.21 kJ/(kg?oC) 則需要水的量為： (2—3） 2.3.2 機后冷卻器的熱量衡算 1. 物料溫度由60oC降至45oC ΔH(VCM)=244.464×(-204.441)=-4.998×104 kcal/ h ΔH(H2O)=2.611×(-121.325)=-316.780 kcal/ h ΔH(H2)=24.9×(-103.764)=-2583.724 kcal/ h ΔH(C2H2)

59、=2.546×(-167.224)=-425.752 kcal/h ΔH(EDC)=15.038×(-289.119)=-4347.772 kcal/ h ΔH(N2)=1.78×(-104.530)=-186.063 kcal/ h ΔH(O2)=1.245×(-63.074)=-78.527kcal/ h Q=-5.78×104kcal/ h=-2.418×105 kJ/ h 2. 所需冷劑的量 用30oC的水冷卻，溫度變化為30oC到40oC，物性常數(shù)為[15]： Cp=4.21 kJ/(kg?oC) 則需要水的量為： 2.4 設備選型與設計計算 2.4.1

60、機前冷卻器 1. 選定換熱器 熱物料由30oC降至10oC,冷卻水從0oC升至10oC 查物料的物性數(shù)據(jù)[6]為： Cp=4189.4 J/(kg?oC) ρ=2.248 kg/m3 λ=0.007466 W/(m?oC) μ=1.031×10-5 Pa?s 查水的物性數(shù)據(jù)[6]為： Cp=960 J/(kg?oC) ρ=999.85 kg/m3 λ=0.5567 W/(m?oC) μ=1.6677×10-3 Pa?s (2-4） 計算得：oC

61、Q= 3.972×105 kJ/ h = 110333 W 認為K= 50 W/(m2?oC) (2-5） 所選換熱器參數(shù)如表2-21所示： 表2-21 機前冷卻器換熱器參數(shù) DN/mm PN/MP N n L/m d0/mm di/mm A/ m2 S/ m2 1000 0.6 I 749 3 25 20 0.2594 170.5 核算傳熱系數(shù)，物料走管程，水走殼程 V = m/ρ=14169.336/(3600×2.248)=1.751 m3/s u

62、 = V/A=15.746 m/s 管程給熱系數(shù)： (2-6） =93.685 W/(m2?oC) 管束為正三角形排列，管中心間距t=0.032 m 水的流速為：u=1.5 m/s 當量直徑： (2-7） =0.0274m; (2-8） => 500 (2-9） 殼程給熱系數(shù)為： (2-10） 查得污垢熱阻[8]為：R

63、0=0.21 (m2?oC)/kW， Ri=0.176 (m2?oC)/kW 傳熱系數(shù)為： (2-11） =47.04 W/(m2?oC) 與所估計較為接近。 2. 核算壓強降 管程壓降： 取管壁粗糙度ε=0.15 m，ε/d=0.0075，查圖[10]得：λ=0.035 (2-12） =(0.035×1/0.02+3)×1.5×1×15.7462×2.248/2 =1620 Pa=1.620 KPa< 7.5 KP

64、a 可行 殼程壓降：fs=1.15 取折流擋板間距B=0.2 m，管束中心線的管數(shù)為： NTC =1.1×（NT）0.5 (2-13) NTC=1.1×（NT）0.5=1.1×（342）0.5=20.3 殼程流動面積A2為： A2 = B×(D- NTC×d0) (2-14) A2=B×(D- NTC×d0)=0.2×(1.6-20.3×0.25)=0.157 m2 u0 =qm /(ρ×A2

65、) (2-15） u0=qm /(ρ×A2) =18161.758/(3600×0.157×999.85)=0.0321 m/s (2-16） > 500 f0=5×Re-0.228 (2-17） f0=5×Re-0.228=5×(962)-0.228=4.28 擋板數(shù)為： NB =L/B-1

66、(2-18） NB =L/B-1=39 管子為正三角形排列，取校正系數(shù)F=0.5 ΔP2 = (F×NTC×(NB +1)+ NB(3.5-2B/D))×fS×u02×ρ/2 (2-19) ΔP2=(F×NTC×(NB +1)+ NB(3.5-2B/D))×fS×u02×ρ/2 =(0.5×20.3×(39+1)+39(3.5-2×0.2/1.6))×1.15×0.03212×999.85/2 =631 Pa < 7.5 KPa 可行 2.4.2 機后冷卻器 熱物料由60oC降至45oC,冷卻水從30oC升至40oC oC Q=2.418×105 kJ/ h=67167 W 認為K= 50 W/(m2?oC) 所選換熱器參數(shù)如表2-22所示： 表2-22 機后冷卻器換熱器參數(shù) DN/mm PN/MP N n L/m d0/mm di/mm A/ m2 S/m2 700 0.6 1 355 3 25 20 0.1230 80.0 第三章 結 論 本次畢業(yè)設計我采用了