天津大學反應(yīng)工程課程設(shè)計---氯乙烯合成

1、課程設(shè)計100000噸/年P(guān)VC裝置氯乙烯合成車間工藝設(shè)計天津大學天 津 大 學課程設(shè)計題目：100000噸/年P(guān)VC裝置氯乙烯合成車間工藝設(shè)計完成期限：2014年2月24日到2014年3月14日學院 化工學院 指導教師 徐艷 專業(yè) 分子科學與工程 職 稱 副教授 學生 學 號 目 錄第一章 文獻綜述41.1氯乙烯和聚氯乙烯的發(fā)展狀況41.1.1氯乙烯41.1.2聚氯乙烯41.2生產(chǎn)工藝41.2.1電石法生產(chǎn)PVC 生產(chǎn)工藝41.2.2生產(chǎn)方法的比較5第二章 氯乙烯合成工藝方案的確定5第三章 物料衡算53.1 設(shè)計依據(jù)63.2 VCM流量73.3 混合器83.4 石墨冷卻器103.5 轉(zhuǎn)化器1

2、13.6 泡沫塔123.7水洗塔123.8 堿洗塔133.9 機前冷卻器133.10 機后冷卻器143.11全凝器143.12高沸塔163.13低沸塔17第四章 熱量衡算184.1 轉(zhuǎn)化器184.2 機前冷卻器204.3機后冷卻器214.4低沸塔224.5低沸塔塔頂冷凝器224.6低沸塔再沸器23第五章 設(shè)備選型計算235.1機前冷卻器235.2機后冷卻器245.3氯乙烯單體儲罐245.4氯乙烯單體壓縮機245.5轉(zhuǎn)化器24第六章 乙炔法氯乙烯合成過程中產(chǎn)生的“三廢”及處理措施25參考文獻26附件27第一章 文獻綜述1.1氯乙烯和聚氯乙烯的發(fā)展狀況氯乙烯是聚氯乙烯的中間體，也是生產(chǎn)聚氯乙烯的原

3、料。而聚氯乙烯( PVC) 是世界五大通用合成樹脂之一。1.1.1氯乙烯氯乙烯是制備聚氯乙烯及其共聚物的單體，也常稱為氯乙烯單體( VCM) , 在世界上是與乙烯和氫氧化鈉等并列的最重要的化工產(chǎn)品之一。氯乙烯沸點- 13.9; 在室溫下是無色氣體; 因存在不飽和雙鍵, 很容易聚合, 能與乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯、偏二氯乙烯、丙烯腈、丙烯酸酯等單體共聚。共聚產(chǎn)物可以制得各種性能的樹脂, 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1。1.1.2聚氯乙烯聚氯乙烯，英文簡稱PVC，是由氯乙烯在引發(fā)劑作用下聚合而成的熱塑性樹脂。PVC為無定形結(jié)構(gòu)的白色粉末，支化度較小，具有

4、較大的多分散性；無固定熔點，8085開始軟化，130變?yōu)檎硰棏B(tài)，160180開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)；有較好的機械性能，抗張強度60MPa左右，沖擊強度510kJ/m2；有優(yōu)異的介電性能。但對光和熱的穩(wěn)定性差，在100以上或經(jīng)長時間陽光曝曬，就會分解而產(chǎn)生氯化氫，并進一步自動催化分解，引起變色，物理機械性能也迅速下降，在實際應(yīng)用中必須加入穩(wěn)定劑以提高對熱和光的穩(wěn)定性2。1.2生產(chǎn)工藝目前, 世界上氯乙烯的生產(chǎn)技術(shù)主要電石乙炔法、乙烯法等等。本次設(shè)計利用的方法是電石乙炔法。1.2.1電石法生產(chǎn)PVC 生產(chǎn)工藝由于我國具有豐富廉價的煤炭資源，用煤炭和石灰石生成碳化鈣(電石)、然后電石加水生成乙炔的VCM

5、生產(chǎn)路線具有明顯的成本優(yōu)勢。乙炔法氯乙烯合成工藝流程是:電石與水反應(yīng)生成乙炔,乙炔與氯化氫在氯化汞的催化作用下合成氯乙烯3。主要采用列管式固定床反應(yīng)器。反應(yīng)管徑為57 mm, 管壁厚度為3.5 mm, 內(nèi)裝有平均尺寸為53×6 mm 的條狀HgCl2 /AC 催化劑。乙炔與經(jīng)過石墨冷凝器的氯化氫氣體按一定比例在混合器中混合后進入石墨冷凝器中, 用- 35 鹽水間接冷卻到- 14 左右, 進入酸霧捕集器, 用硅油玻璃棉捕集酸霧使之生成鹽酸, 放入鹽酸貯槽。除去酸霧的干燥混合氣體進入預(yù)熱器, 由流量計控制從上部進入串聯(lián)轉(zhuǎn)化器組。后臺反應(yīng)器排出的粗氯乙烯氣體在高溫下帶出的氯化汞在填充活性炭

6、的除汞器中除去, 然后進入石墨冷凝器, 用0水間接冷卻到15 以下再進入泡沫塔, 回收過量的氯化氫以制取30% 以上的鹽酸放入酸貯槽4 。1.2.2生產(chǎn)方法的比較乙炔法氯乙烯合成工藝流程是:電石與水反應(yīng)生成乙炔,乙炔與氯化氫在氯化汞的催化作用下合成氯乙烯;乙烯法氯乙烯合成工藝流程是:乙烯經(jīng)氯化或氧氯化反應(yīng)合成二氯乙烷,再裂解生成氯乙烯。下面就這兩種方法的工藝，生產(chǎn)成本方面進行簡單比較。從目前合成工藝路線可知,乙炔法氯乙烯工藝流程較短,技術(shù)較成熟,但生產(chǎn)能力相對較小。乙烯法氯乙烯工藝雖然流程較長,但也具有許多優(yōu)點: 催化劑損失小,冷卻設(shè)備的能耗變小，減少了副反應(yīng)產(chǎn)物，防止其對環(huán)境的污染等等5。在

7、乙烯法PVC 和乙炔法PVC 生產(chǎn)成本構(gòu)成中, 電石價格對乙炔法PVC 生產(chǎn)成本影響很大，爾生產(chǎn)電石的主要原料是電、石灰石和焦炭,影響電石價格走向的主要因素是動力電的價格。目前,乙烯法PVC生產(chǎn)成本與乙炔法PVC 生產(chǎn)成本相比具有較大的優(yōu)勢。我國石油資源匱乏，煤炭儲量相對豐富，因此我國采用電石法生產(chǎn)聚氯乙烯是主要的方法。據(jù)統(tǒng)計，我國2010年乙炔法合成聚氯乙烯產(chǎn)量在國內(nèi)PVC 行業(yè)中占總量的77.7%以上，而國內(nèi)生產(chǎn)的電石有近80% 都用于生產(chǎn)PVC6。第二章 氯乙烯合成工藝方案的確定乙炔和氯化氫在以氯化汞為活性組分、以活性炭為載體的催化劑上氣相反應(yīng)生成氯乙烯。乙炔來源: CaO+ 3CCaC

8、2+ COCaC2+ 2H2OCa( OH) 2+ CHCH主反應(yīng): CHCH+ HClH2C= CHCl主要副反應(yīng): CHCH+ 2HClCH3- CHCl2CHCH+ H2OCH3- CHO反應(yīng)機理:a乙炔先與氯化汞發(fā)生加成反應(yīng), 生成中間產(chǎn)物氯乙烯氯汞CHCH+ HgCl 2ClCH= CH- HgClb氯乙烯氯汞不穩(wěn)定, 和氯化氫反應(yīng)生成氯乙烯ClCH = CH - HgCl + HCl CH2 - CHCl +HgCl2目前乙炔法合成氯乙烯主要采用列管式固定床反應(yīng)器。乙炔與經(jīng)過石墨冷凝器的氯化氫氣體按一定比例在混合器中混合后進入石墨冷凝器中,再進入轉(zhuǎn)化器中催化反應(yīng)。反應(yīng)工藝流程圖如下

9、：第三章 物料衡算3.1設(shè)計依據(jù)設(shè)計任務(wù)：PVC裝置氯乙烯合成車間工藝設(shè)計設(shè)計規(guī)模：年產(chǎn)100000 噸聚氯乙烯年生產(chǎn)時： 8000小時 計；設(shè)計裕量： 5%；原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格：表1 原材料技術(shù)規(guī)格1序號名稱規(guī)格1分析方法國家標準備注1乙炔氣（干基）C2H299化學法N20.97CO20.032氯化氫（干基）HCl90化學法H28CO21.6O20.4表2 產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格表序號名稱規(guī)格分析方法國家標準備注1VCMVC99.99化學法EDC0.01C2H20.001表3 氯化汞觸媒的規(guī)格表指標名稱規(guī)格HgCl2，1013H2O，0.3機械強度，90裝填密度，g/l500600粒度，655

10、2.7565851.02.75151.01其中，乙炔加成反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為99%，主反應(yīng)的收率為98.7% 。氯乙烯單體的聚合率按 88.5% 計，合成收率98.7%，合成反應(yīng)未反應(yīng)的VCM回收率20%。3.2 VGM流量由已知條件：年產(chǎn)量100000噸聚氯乙烯，年工作小時8000，設(shè)計裕量5%，得到：PVC 產(chǎn)量為100000噸 ×1.05 / 8000 小時 = 13.125 噸/小時由已知條件：VC 合成收率98.7%得到：聚合所需的氯乙烯單體量為13.125 噸/小時 / 98.7% = 13.2979 噸/小時由已知條件：氯乙烯單體的聚合率按88.5 %計，合成反應(yīng)未反應(yīng)的VC

11、M 回收率為20%則計算進入聚合釜的氯乙烯單體量如下：y/(x+y)=0.2 則 x=12.0208 t/h13.2979/(x+y)=0.885 y=3.0052 t/h即：進入聚合釜的氯乙烯單體量為12.0208 t/h (即192.3328 kmol/h)，合成反應(yīng)未反應(yīng)的氯乙烯單體量為3.0052 t/h，由于氯乙烯在精制過程中存在損失，手工計算設(shè)計時，預(yù)先考慮損失率按11%即192.3328×（1+11%）=213.49 kmol/h3.3混合器a乙炔合成轉(zhuǎn)化率99%，主反應(yīng)收率98.7%，反應(yīng)方程式為：主反應(yīng)： 副反應(yīng)： b實際操作中，為防止反應(yīng)生成Hg2Cl2 和 C2

12、H2Cl2，氯化氫投料過量10% (vt )；由以上已知條件可知：合成氯乙烯所需的乙炔氣量為213.49 kmol/h / (99%×98.7%) = 218.487kmol/h合成氯乙烯所需的氯化氫量為218.487kmol/h × 1.10 = 240.336 kmol/hc原料規(guī)格條件表：原料C2H2 (vt%)HCl(vt%)H2 (vt%)N2 (vt%)CO2 (vt%)O2 (vt%)C2H2990.970.03HCl9081.60.4由以上原料規(guī)格可以得知：乙炔氣總流量為218.487 kmol/h / 99%=220.694 kmol/h，其中C2H2 2

13、20.694 kmol/h × 99%= 218.487 kmol/hN2 220.694 kmol/h × 0.97%= 2.1407 kmol/hCO2 220.694 kmol/h ×0.03%= 0.0663 kmol/h氯化氫總流量為240.336 kmol/h / 90%= 267.04 kmol/h，其中HCl 267.04 kmol/h × 90%= 240.336 kmol/hH2 267.04 koml/h × 8%= 21.3632 kmol/hCO2 267.04kmol/h × 1.6%= 4.2726 km

14、ol/hO2 267.04 kmol/h ×0.4%=1.0682 kmol/hd乙炔氣進料條件：10.5，164 Kpa查化學工藝設(shè)計手冊下冊查得該溫度下的水的飽和蒸汽壓為：1.274 Kpa則乙炔氣中含水的百分數(shù)為1.274164=0.007768則乙炔氣中含水量為：220.694kmol/h（1 -0.007768）×0.007768= 1.7278 kmolh由此得到乙炔氣進料即管線1組成為： 摩爾流量 摩爾組成 質(zhì)量流量 質(zhì)量組成 kmolh mol% kgh w %C2H2 218.487 98.23 5680.7 98.37N2 2.1407 0.9625 5

15、9.9 1.04CO2 0.0663 0.0307 2.92 0.05H2O 1.7278 0.7768 31.1 0.54總計 A=222.4218 100 5774.62 100e氯化氫氣進料條件：10.5，164 Kpa；與氣體相平衡的鹽酸濃度為40%；查化學工藝設(shè)計手冊得40%鹽酸上方水的飽和壓PS=0.13569KPaHCl氣體中水份含量：135.69 /164000=0.0008274HCl氣體中的含水量：267.04 kmol/h / (1-0.0008274) ×0.0008274 = 0.2211 kmol/hHCl氣的總量為：267.04 kmol/h + 0.2

16、211 kmol/h = 267.2611 kmol/h由此得到氯化氫氣流量與組成如下表：氯化氫氣進料即管線2組成為： 摩爾流量 摩爾組成 質(zhì)量流量 質(zhì)量組成 kmolh mol% kgh w %HCl 240.336 89.93 8772.264 97.03H2 21.3632 7.99 42.7264 0.47CO2 4.2726 1.60 187.9944 2.08O2 1.0682 0.4 34.1824 0.38H2O 0.2211 0.08 3.9798 0.04總計 B=267.2611 100 9041.147 100f混合器中有水冷凝下來；操作條件：10.5，164 KPa4

17、0%鹽酸中：nHCLnH2O=（4036.5）（6018）=0.3288設(shè)冷凝下的水的摩爾流量為x，則含有HCl為0.3288x故135.69 164000=（1.7278+ 0.2211 -x）（222.4218+ 267.2611-1.3288 x）解之：得x= 1.5454 kmolh則混合器出口含水量為：D= 1.7278 + 0.2211-1.5454 = 0.4035 kmolh則溶解的HCl：C= 0.3288×x = 0.508 kmolh混合器出口中HCl量為：240.336 -C=240.336-0.508=239.828 kmolh混合器出口即管線3組成如下：

18、摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% HCl 239.828 49.18C2H2 218.487 44.81H2O 0.4035 0.08N2 2.1407 0.44H2 21.3632 4.38O2 1.0682 0.22CO2 4.3389 0.89總計 E=487.6295 1003.4石墨冷卻器操作條件：259.15K（-14）和 164 KPa已知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PS=17.779Pa設(shè)冷凝下來的水為y，則HCL含量為0.3288y17.779164000=（0.4035-y）（487.6295-1.3288y）解得y = 0.3507

19、 kmol/h故冷卻下的HCl：0.3288×y = 0.1153 kmol/h石墨冷卻器出口即管線4組成如下： 摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% HCl J=239.7127 49.21C2H2 218.487 44.85H2O F=0.0528 0.001N2 2.1407 0.44H2 21.3632 4.39O2 1.0682 0.219CO2 4.3389 0.89總計 487.1635 1003.5轉(zhuǎn)化器已知乙炔加成反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為99%，主反應(yīng)收率98.7%，反應(yīng)方程式如下：反應(yīng)方程式為：主反應(yīng)： 副反應(yīng)： 參加主反應(yīng)的C2H2：218.487×99%&

20、#215;98.7%= 213.49 kmol/h參加主反應(yīng)的HCl：213.49 kmol/h生成的CH2 CHCl（VCM）：213.49 kmol/h由于此處水的含量很少，C2H2含量相對較大，故可認為水完全反應(yīng)。故與水反應(yīng)的C2H2為：0.0528kmol/h生成的CH3CHO為：0.0528kmol/h參加第二個副反應(yīng)的C2H2：218.487×99%-213.49-0.0528= G = 2.759kmol/h生成EDC的量為2.759kmol/h參加副反應(yīng)的HCl：G×2 = 2.759×2=H=5.518 kmol/h剩余HCl：J213.49 -

21、H= L=239.7127-213.49-5.518=20.7047kmol/h剩余C2H2：218.487 213.49 -0.0528-2.759=2.1852 kmol/h反應(yīng)器出口即管線5組成如下： 摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% C2H2 2.18520.82HCl 20.7047 7.72VCM 213.49 79.63EDC 2.759 1.03CH3CHO 0.0528 0.03N2 2.1407 0.79H2 21.3632 7.97O2 1.0682 0.39CO2 4.3389 1.62總計 268.1027 1003.6泡沫塔已知進入泡沫塔的洗液鹽酸濃度為5%

22、（質(zhì)量），出口鹽酸濃度為20%（質(zhì)量）。惰性氣體量：G=268.1027-20.7047=247.398kmol/h進口HCl占惰性氣體的摩爾分率為Y1=20.7047247.398=0.0837出口HCl占惰性氣體的摩爾分率為Y2=（1-0.7）×0.0837 = 0.025120%鹽酸中的HCl與H2O的摩爾比為：X1=（2036.5）（8018）= 0.12335%鹽酸中HCl與水的摩爾比為：X2=（536.5）（9518）= 0.026設(shè)鹽酸中含水的量為L，對泡沫塔進行物料衡算：G（Y1-Y2）= L（X1-X2） L = G（Y1-Y2）（X1-X2）L =247.398&

23、#215;（0.0837-0.0251）（0.1233-0.026）=148.998kmol/h被吸收掉的HCl量為：20.7047×0.65=13.458 kmol/h剩余：7.2467 kmol/h泡沫塔出口即管線6組成如下： 摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% C2H2 2.1852 0.86HCl 7.2467 2.85VCM 213.49 83.86EDC 2.759 1.08N2 2.1407 0.84H2 21.3632 8.39O2 1.0682 0.42CO2 4.3389 1.7總計 254.5919 1003.7水洗塔已知水洗塔與泡沫塔總的吸收率為99.8

24、% ，即（Y1-Y3）Y1=99.8%，則Y3 = 0.0001674塔頂一次水的進入流量：148.998 kmol/hG=254.5919-7.2467=247.3452 Y=7.2467/247.3452=0.0293吸收的HCl為：247.3452×（0.0293-0.0001674）=7.2058 kmol/h剩余HCl為：7.2467-7.2058=0.0409 kmol/h水洗塔出口即管線7組成如下： 摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% C2H2 2.1852 0.88HCl 0.0409 0.01VCM 213.49 86.3EDC 2.759 1.12N2 2.

25、1407 0.87H2 21.3632 8.64O2 1.0682 0.43CO2 4.3389 1.75總計 247.3861 1003.8堿洗塔已知：操作條件：30，115KPa堿洗塔是化學吸收塔，所以將CO2和HCl全部吸收，出口帶走部分水蒸汽。查得30時，水的飽和蒸汽壓PS = 31.82mmHg = 4245.3Pa，則堿洗塔出口含水量為：（247.3861-0.0409-4.3389）（1-4245.3115000）×(4245.3/115000)= 9.3146kmol/h堿洗塔出口即管線8組成如下： 摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% C2H2 2.1852 0

26、.87VCM 213.49 84.61EDC 2.759 1.09N2 2.1407 0.85H2 21.3632 8.47O2 1.0682 0.41H2O 9.3146 3.7總計 252.3209 1003.9機前冷卻器已知操作條件：10，115KPa當t=10時，查得水的飽和蒸汽壓PS=1228.8Pa則此時的飽和水量為：1228.8×243.0063（115000-1228.8）=2.6246kmol/h機前冷卻器冷凝下的水量為9.31462.6246= 6.69kmol/其它組成不變，機前冷卻器出口即管線9的組成如下： 摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% C2H2

27、2.1852 0.8896VCM 213.49 86.915EDC 2.759 1.123N2 2.1407 0.8715H2 21.3632 8.697O2 1.0682 0.4349H2O 2.6246 1.069總計 245.6309 1003.10機后冷卻器已知操作條件：40，0.6MPa查得40時水的飽和蒸汽壓PS=7380.6Pa則機后冷卻器出口若含水蒸汽量為：7380.6×243.0063（600000-7380.6）=3.026kmol/h >2.6246 kmol/h，未達到飽和混合氣經(jīng)過機后冷卻器時沒有水冷凝下來，故機后冷卻器即管10與管線9組成相同。3.1

28、1全凝器操作條件：15，0.5MPaH2 、N2、O2可視為不凝氣體，故經(jīng)全凝器全部凝為氣相，其液相分率可忽略不計。查各組分的飽和蒸汽壓如表所示組分平衡常數(shù)C2H2：K1 = y1x1 = P1SP = 26003800 = 6.8421VCM：K2= y2x2 = P2SP = 21503800 = 0.5658EDC：K3= y3x3 = P3SP = 1503800 = 0.03947H20：K4= y4x4 = P4SP = 12.793800 = 0.00337全凝器進料組成：C2H2：Z1=0.008896 VCM：Z2=0.86915EDC：Z3=0.01123 H20：Z4=0

29、.01069N2：Z5=0.008715 H2：Z6=0.08697O2：Z7=0.004349由于xi=Zie+Ki（1-e），于是有x1= Z1/e+K1(1-e)x2= Z2/e+K2(1-e)x3= Z3/e+K3(1-e)x4= Z4/e+K4(1-e)x1+x2+x3+x4=1解得：e=0.7654x1 =0.003753；x2 =0.9677；x3 =0.0145；x4=0.01395則氣相組成：y1=k1x1=0.02568 y2=k2x2=0.5475y3=k3x3=0.0005723 y4=k4x4=0.00005e = 0.7654，氣相總量：245.6309×

30、（1-0.7654）=57.625Kmol/hy5 = 2.1407/57.625= 0.03715y6= 21.3632/57.625=0.3707y7= 1.0682/57.625= 0.01854yi= 1.0002液相出口： C2H2：245.6309×0.7654×0.003753=0.7056Kmol/hVCM：245.6309×0.7654×0.9677= 181.93Kmol/hEDC：245.6309×0.7654×0.0145= 2.7261Kmol/hH2O：245.6309×0.7654×0

31、.01395= 2.6227Kmol/h氣相出口： C2H2：245.6309×（1-0.7654）×0.02568=1.4798Kmol/hVCM：245.6309×（1-0.7654）×0.5475=31.5497 Kmol/hEDC：245.6309×（1-0.7654）×0.0005723=0.03298Kmol/hH2O：245.6309×（1-0.7654）×0.00005 =0.003132Kmol/h其它氣體量不變?nèi)鞯臍庀喑隹诩垂芫€11的組成如下： 摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% C2

32、H2 1.4798 2.57VCM 31.5497 54.74EDC 0.03298 0.057H2O 0.003132 0.013N2 2.1407 3.71H2 21.3632 37.06O2 1.0682 1.85總計 57.64 100全凝器液相出口即管線12的組成如下： 摩爾流量 摩爾組成 kmolh mol% C2H2 0.7056 0.37VCM 181.93 96.78EDC 2.7261 1.45H2O 2.6227 1.4總計 187.98 1003.12高沸塔為了簡化設(shè)計計算，這里物料衡算需要按照氯乙烯產(chǎn)能要求，對高沸塔、低沸塔進行物料衡算。根據(jù)已知條件，以VCM為關(guān)鍵組

33、分，進料XF = 0.98；XD= 0.9999；XW= 0.6；因為高沸塔的精餾液流量應(yīng)滿足氯乙烯的產(chǎn)能要求，由此做全塔的物料衡算如下：根據(jù)氯乙烯的產(chǎn)能要求，氯乙烯的流量為213.49kmol/h，塔頂精餾液流量D為213.49/99.99% = 213.5114 kmol/h；做全塔的物料衡算如下：D + W = FD×XD+W×XW= F×XF；得到F=224.69kmol/h；W= 11.1786kmol/h；因此高沸塔物料平衡表：組分進料(F)餾出液(D)殘液(W)流量 kmol/h組成 xi流量 kmol/h組成 xi流量 kmol/h組成 xi氯乙烯224.200.98213.490.99996.710.60二氯乙烷0.490.020.02140.00014.46860.40合計224.691.00213.51141.000011.17861.003.13低