8萬噸年聚氯乙烯裝置VC氣相脫水工藝設計

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。 1.1 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。選擇適當吸附劑和操作流程，可將氣體的濕度降得很低。吸附劑經(jīng)

3、再生后循環(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?shù)奈談?，可得到濕度很低的氣體。吸收劑通?？梢栽偕３Ｓ玫奈談┯腥蚀?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；缺點是設備費用及操

4、作費用都較高，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，一般應優(yōu)先采用此法。1.2 本設計vc氣相脫水技術(shù)概況（1） 降溫減濕羅茨風機抽氣柜中的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

5、水由集水器收集，以備回收廢水中的vc。已冷卻到5的氣相氯乙烯經(jīng)過分離出液相水后進入固堿干燥器。此時vc氣相含水量一般小于2500ppm。（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的熱水夾套，可對沉降在底部的液堿進行加熱，以免冬季液堿固化，不便于排放。經(jīng)過固堿吸濕的氣相vc進入硅膠干燥器，其含水量一般都小于600ppm。第二章 物料衡算2.1 物料衡算的已知條件2.1.1 物料衡算的基礎 本設計、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

6、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/a8.4551078.4551078.4131078.451078.0801078.451078.000107平均流量kg/h10.5710310.5710310.5210310.5710310.1010310.1010310.00103過程消耗進料:出料為:1.005:1(粗vc含97%)進料:出料為:1.01:1進料:出料為:1.01:12.1.2 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

7、水降減濕 固堿吸濕過程工藝流程圖2.1.3 物化數(shù)據(jù)氯乙烯分子量：62.5vc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飽和水蒸汽氯乙烯 臨界溫度156.5（142.0） 臨界壓力55.0（52.5）大氣壓氯乙烯氣體在5-47之間的平均黏度=110p=1.12210-6kgs/m2 47vc氣體的黏度113 p10vc氣體的黏度 95 p2.1.4 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/h10.5710310.5710310.5010312710.4710341.0

8、6壓力mpa0.104？0.1200.1150.117溫度40？551010表中？表示需要通過工藝計算解決的量2.2 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2.2.1 冷卻器示意圖及已知條件（見圖2-2）2.2.2 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分數(shù)等于其分壓數(shù)，做如下計算當t=40時，水的飽和蒸汽壓為55.32mmhg=7.375 106pa，設水的量物質(zhì)的量為n40則有：所以n40=11.079k

9、mol/h當t=5時，水的飽和蒸汽壓為6.54mmhg= 817.9pa，設水的量物質(zhì)的量為n5 則有： 所以n5=1.2378kmol/h 于是，冷卻器的除水量xh2o除=x40-x5=（11.0769-1.2378）18=177kg/h圖2-2 冷卻器已知條件示意圖2.2.3 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水溶解的氯乙烯為156ml/ml 177kg/h水帶走的氯乙烯的量=156177103ml=27613103=1232.7mol/h=77kg/h2.2.4 冷卻器vc氣相出口最低含水量x出預測 x出=2103ppm 冷卻器vc氣相出口含水量設計指標值定為25

10、00ppm，根據(jù)上述的預測值，只要出口溫度能穩(wěn)定控制在5左右，設計指標就可以達到。2.3 固堿干燥器物料衡算2.3.1 固堿干燥器示意條件圖（見圖2-3）2.3.2 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 0.5mmhg 15時 1.1mmhg 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0.5mmhg=66.6pa=0.66710-4mpa。 設干燥器出口vc氣相水的物質(zhì)的量為nh2o則有： nh2o=0.09743kmol/h 固堿吸濕除水量x除=x5-xh2o=(1.2378-0.09743) 18

11、=20.53kg/h 2.3.3 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= 2.3.4 固堿干燥器vc氣相出口最低含水量x含預測=167ppm固堿干燥器vc氣相出口含水量設計指標值定為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左右,設計指標是能達到的.圖2-3 固堿干燥器已知條件示意圖第三章 熱量衡算3.1 熱量衡算已知數(shù)據(jù) 飽和指數(shù)k= vc氣體平均比熱cp=0.22kcal/kg3.2 氯乙烯經(jīng)風機壓縮溫度計算 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=0.12mpa

12、 p1壓縮前壓力 已知:p1=0,104mpa =即t=47為氯乙烯經(jīng)風機壓縮后溫度 3.3 氯乙烯經(jīng)冷卻器的熱量衡算 3.3.1 冷卻器已知條件及示意圖（見圖3-1）3.3.2 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=10.57kg/h wh2o水蒸汽流量 （kg/h） wh2o=199.4kg/h cp（vc）氯乙烯氣體的平均比熱 cp（vc）=0.924kj/kg cp（h2o） 水蒸汽的平均比熱 cp（h2o）=1.848kj/kg t

13、1vc進冷卻器的溫度 t1=47 t2vc出冷卻器的溫度 t2=5q冷卻=10.57103kg/h0.924kj/kg(47-5)199.4kg/h1.85(47-5)=4.257105kj/h圖3-1 冷卻器熱量衡算示意圖圖中？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=4.319105kj/h(3) 冷卻器的熱負荷（q）q= q冷卻q冷卻=4.257105kj/h4.319105kj/h=8.576105 kj/h

14、3.3.3 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=3.15kj/kg t1冷媒水進口溫度 t1=-5 t2冷媒水出口溫度 t2=0w冷= 3.3.4 對數(shù)平均溫度差（tm）t1=47 t2=5t1=0 t2=-5 t1=47 t2=10 tm=24 3.3.5 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= 3.4 固堿干燥器熱量衡算3.4.1 固堿干燥器示意圖及已知條件圖3

15、-2 固堿干燥器條件示意圖 3.4.2 固堿干燥器中vc氣體的溫升（t）當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=20.53kg/h2490.6kj/h=51132.02kj/h(2) 水溶解于naoh所放出的溶解熱q溶 查化工工藝設計手冊下冊 得naoh溶解熱 hs=42756kj/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 =5113.02kj/h21

16、495kj/h =73075.8kj/h q總=wvccp(vc)tt=7.5 3.4.3 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=12.5。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，就需要從固堿干燥器中拿出的熱量：q=10.493103kg/h0.943kj/kg（12.5-10）=24238.83kj/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=4.2kj/kg t2冷媒水進口溫度 t2=-5 t1冷媒水出口溫度 t1=-2 w冷= 3.4.4 平均溫度差 近似以并流傳

17、熱計算。t1=12.5 t2=10t1=-5 t2=-2 t2=17.5 t1=12 tm= 3.4.5 固堿干燥器平均換熱面積ff=其中，q傳熱量 q=24238.83kj/h k總穿熱系數(shù) k=63kj/m2h tm平均溫度差 tm=14.6f=第四章 設備的工藝計算和選型 4.1 氯乙烯冷卻器工藝計算和選型 4.1.1 冷卻器基本參數(shù)的選定根據(jù)化工工藝設計手冊查得：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，前面計算的換熱面積為567.2m2，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）

18、801根（5000mm）換熱面積（公稱值） 310m22（相同設備兩臺并聯(lián)）換熱管規(guī)格（材質(zhì)） 252.5 (碳鋼)管程通道截面積 0.2516m2公稱壓力 1.6mpa安裝形式 立式4.1.2 冷卻器工藝接管尺寸（見圖4-1）4.1.3 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2.2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=169.12kmol/h11.076kmol/h=180.196kmol/h。溫度t為27347=320k 壓力p=0.12mpa 按理想氣體處理，則有：v= =3996m3

19、/h（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) =1.4 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=0.0478=（91+19.5）1.411=1

20、5.5n/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=1.15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=0.2m d殼體內(nèi)徑 d=1m u0按殼程流通截面積為來計算所得到的殼程流速。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=0.5f0殼程流體摩擦因素當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=0.88kj/kg

21、vc氣體黏度 查得=108p vc氣體導熱系數(shù)=0.7pr=1.22160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氣體導熱系數(shù) n=0.3（流體被冷卻）= 管外傳熱膜系數(shù)蕾諾數(shù)8式中，當量直徑（m）其中 t=0.032m d0=0.025m=0.02m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=0.2m（折流板間間距） d=1m（冷卻器殼徑） d0=0.025m（管外徑）l=0.032（管間距） s=0.21（1-0.025/0.032）=0.04375m2 冷媒密度 =1168kg/m3 冷媒黏度 =管外有25%原缺形擋板，根據(jù)管

22、殼式換熱器殼程膜系數(shù)計算曲線8，可知當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=0.025m 管壁導熱系數(shù) =162.54可kj/ =56.45kj/和估算的總導熱系數(shù)63kj/相差不多（8） 計算傳熱面積式中，q傳熱量 q=2857593.8kj/ k總傳熱系數(shù) k=56.4556.45kj/ 對數(shù)平均溫度差 =24f=這個換熱面積和熱量衡算中估算的567.2m2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計的要求。4.2 固堿干燥器選型計算 4.2.1 固堿干燥器基

23、本規(guī)格選定根據(jù)前述的物料衡算和熱量衡算有：傳熱面積f=26.4m2，經(jīng)查閱相關(guān)資料，以及前人的實踐經(jīng)驗，又適當參考生產(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 63004.2.2 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

24、口ipn6,dn25平面-5冷水溶液出口jpn6,dn50平面-5冷水溶液進口kpn6,dn50平面-5冷水溶液出口4.2.3 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=設計總供熱面積f=f1+f2=13.6+2.1=15.7m2因為設計供熱面積f=15.7m226.4m2（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。4.3 集水器選型計算集水器是在流程中連續(xù)工作的，其下游的設備vc回收器是間斷工作的，并且設計為每四小時間

25、斷工作一次。4.3.1 集水器有關(guān)物料的計算根據(jù)前2.2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小時的進水量為1774=708kg。因此，集水器的容積v1m3就能滿足工藝要求。4.3.2 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4.4 vc回收器選型計算4.4.1 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

26、回收器的水，在進入前水的狀態(tài)為：壓力p=0.12mpa，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水所以進入vc回收器的水中溶解的vc量wvc=70810=7080g=7.08kg 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 0.105mpa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7.08kg。所以，vc回收流量w回收=7.08/4=1.77kg/h。4.4.2 vc回收器的選型經(jīng)參考集水器選型的結(jié)構(gòu)尺寸，只要在設備外

27、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,dn20平面冷凝水出口4.5 羅茨風機選型計算4.5.1 羅茨風機克服的阻力hf 阻力計算流程示意圖：4-5 羅茨風機克服阻力示意圖 h1+h2的計算管徑dn300 流速u= 直管段管廠估算為90m，管件當量長度的估算：名稱數(shù)量每只當量長度le/d合計當量長度l/d閘閥17790彎頭1240480止回閥1135135流量計11001

28、00le=（7+480+135+100）0.3=217m局部阻力系數(shù)，流程中有一個突然縮小管件，= =0.2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，=0.02h1+h2= h3的計算管徑dn=250流速u=直管段長l=5m，管件當量長度估算：名稱數(shù)量（個）每只當量長度le/d合計當量長度le/d90彎頭340120閘閥177合計127le=1270.25=32m局部阻力系數(shù)取1相對粗糙度=re= 又查得=0.021h3= h冷由4.1節(jié)可知：h冷=6mmh2o h4的計算管徑dn=250流速u=直管長度l=6m 管件當量長度的估算：名稱數(shù)量（個）每只當量長度le/d合計當量長度le/d90彎頭440160閘閥177合計167le=1670.25=42m局部阻力系數(shù)，流程中有一個突然增大管件， =0.09相對粗糙度=re= re= 又查得=0.022h4= h5的計算管徑dn=300流速u=直管長度l=8m 管件當量長度的估算：名稱數(shù)量（個）每只當量長度le/d合計當量長度le/d90彎頭440160le=1600.3=48m局部阻力系數(shù)=0.2相對粗糙度=0.001re= re=又查得=0.02h5=同理，可以計算出：名稱壓力降hf（mmh2o）h675h固50h770名稱壓力降hf（mmh2o）h8123h