天津大学反应工程课程设计氯乙烯合成

课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学1天 津 大 学课程设计题目：100000 吨/年 PVC装置氯乙烯合成车间工艺设计完成期限：2014 年 2月 24日到 2014年 3月 14日学院 化工学院 指导教师 徐艳 专业 分子科学与工程 职 称 副教授 学生 学号课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学2目 录第一章 文献综述41.1氯乙烯和聚氯乙烯的发展状况41.1.1氯乙烯41.1.2聚氯乙烯41.2生产工艺41.2.1电石法生产 PVC 生产工艺41.2.2生产方法的比较5第二章 氯乙烯合成工艺方案的确定5第三章 物料衡算53.1 设计依据63.2VCM流量73.3混合器83.4石墨冷却器103.5转化器113.6 泡沫塔123.7水洗塔123.8 碱洗塔133.9 机前冷却器133.10 机后冷却器143.11全凝器143.12高沸塔163.13低沸塔17第四章 热量衡算184.1 转化器184.2 机前冷却器204.3机后冷却器214.4低沸塔224.5低沸塔塔顶冷凝器224.6低沸塔再沸器23课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学3第五章 设备选型计算235.1机前冷却器235.2机后冷却器245.3氯乙烯单体储罐245.4氯乙烯单体压缩机245.5转化器24第六章 乙炔法氯乙烯合成过程中产生的“三废”及处理措施25参考文献26附件27课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学4第一章 文献综述1.1氯乙烯和聚氯乙烯的发展状况氯乙烯是聚氯乙烯的中间体，也是生产聚氯乙烯的原料。而聚氯乙烯( PVC) 是世界五大通用合成树脂之一。1.1.1氯乙烯氯乙烯是制备聚氯乙烯及其共聚物的单体，也常称为氯乙烯单体( VCM) , 在世界上是与乙烯和氢氧化钠等并列的最重要的化工产品之一。氯乙烯沸点- 13.9; 在室温下是无色气体; 因存在不饱和双键, 很容易聚合, 能与乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯、偏二氯乙烯、丙烯腈、丙烯酸酯等单体共聚。共聚产物可以制得各种性能的树脂, 加工成管材、板材、薄膜、塑料地板、各种压塑制品、建筑材料、涂料和合成纤维等 1。1.1.2聚氯乙烯聚氯乙烯，英文简称 PVC，是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂。PVC 为无定形结构的白色粉末，支化度较小，具有较大的多分散性；无固定熔点，8085开始软化，130变为粘弹态，160180开始转变为粘流态；有较好的机械性能，抗张强度60MPa左右，冲击强度 510kJ/m 2；有优异的介电性能。但对光和热的稳定性差，在100以上或经长时间阳光曝晒，就会分解而产生氯化氢，并进一步自动催化分解，引起变色，物理机械性能也迅速下降，在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性 2。1.2生产工艺目前, 世界上氯乙烯的生产技术主要电石乙炔法、乙烯法等等。本次设计利用的方法是电石乙炔法。1.2.1电石法生产 PVC 生产工艺由于我国具有丰富廉价的煤炭资源，用煤炭和石灰石生成碳化钙(电石)、然后电石加水生成乙炔的 VCM 生产路线具有明显的成本优势。乙炔法氯乙烯合成工艺流程是:电石与水反应生成乙炔,乙炔与氯化氢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应器。反应管径为 57 mm, 管壁厚度为 3.5 mm, 内装有平均尺寸为 536 mm 的条状 HgCl2 /AC 催化剂。乙炔与经过石墨冷凝器的氯化氢气体按一定比例在混合器中混合后进入石墨冷凝器中, 用- 35 盐水间接冷却到- 14 左右, 进入酸雾捕集器, 用硅油玻璃棉捕集酸雾使之生成盐酸, 放入盐酸贮槽。除去酸雾的干燥混合气体进入预热器, 由流量计控制从上部进入串联转化器组。后台反应器排出的粗氯乙烯气课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学5体在高温下带出的氯化汞在填充活性炭的除汞器中除去, 然后进入石墨冷凝器, 用 0水间接冷却到 15 以下再进入泡沫塔, 回收过量的氯化氢以制取 30% 以上的盐酸放入酸贮槽 4 。1.2.2生产方法的比较乙炔法氯乙烯合成工艺流程是:电石与水反应生成乙炔,乙炔与氯化氢在氯化汞的催化作用下合成氯乙烯;乙烯法氯乙烯合成工艺流程是:乙烯经氯化或氧氯化反应合成二氯乙烷,再裂解生成氯乙烯。下面就这两种方法的工艺，生产成本方面进行简单比较。从目前合成工艺路线可知,乙炔法氯乙烯工艺流程较短,技术较成熟,但生产能力相对较小。乙烯法氯乙烯工艺虽然流程较长,但也具有许多优点: 催化剂损失小,冷却设备的能耗变小，减少了副反应产物，防止其对环境的污染等等 5。在乙烯法 PVC 和乙炔法 PVC 生产成本构成中, 电石价格对乙炔法 PVC 生产成本影响很大，尔生产电石的主要原料是电、石灰石和焦炭,影响电石价格走向的主要因素是动力电的价格。目前,乙烯法 PVC生产成本与乙炔法 PVC 生产成本相比具有较大的优势。我国石油资源匮乏，煤炭储量相对丰富，因此我国采用电石法生产聚氯乙烯是主要的方法。据统计，我国 2010年乙炔法合成聚氯乙烯产量在国内 PVC 行业中占总量的 77.7%以上，而国内生产的电石有近 80% 都用于生产 PVC6 。第二章 氯乙烯合成工艺方案的确定乙炔和氯化氢在以氯化汞为活性组分、以活性炭为载体的催化剂上气相反应生成氯乙烯。乙炔来源:CaO+ 3CCaC 2+ COCaC2+ 2H2OCa( OH) 2+ CHCH主反应:CHCH+ HClH 2C= CHCl主要副反应:CHCH+ 2HClCH 3- CHCl2CHCH+ H 2OCH 3- CHO反应机理:a 乙炔先与氯化汞发生加成反应, 生成中间产物氯乙烯氯汞CHCH+ HgCl 2ClCH= CH- HgClb氯乙烯氯汞不稳定, 和氯化氢反应生成氯乙烯ClCH = CH - HgCl + HCl CH 2 - CHCl +HgCl2目前乙炔法合成氯乙烯主要采用列管式固定床反应器。乙炔与经过石墨冷凝器的氯化氢气体按一定比例在混合器中混合后进入石墨冷凝器中,再进入转化器中催化反应。反应工课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学6艺流程图如下：第三章 物料衡算3.1设计依据设计任务：PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计设计规模：年产 100000 吨聚氯乙烯年生产时：8000 小时 计；设计裕量：5%；原材料及产品的主要技术规格：表 1 原材料技术规格 1序号 名称 规格 1 分析方法 国家标准 备注C2H2 99N2 0.971乙炔气（干基）CO2 0.03化学法HCl 90H2 8CO2 1.62氯化氢（干基）O2 0.4化学法课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学7表 2 产品技术规格表序号 名称 规格 分析方法 国家标准 备注VC 99.99EDC 0.011 VCMC2H2 0.001化学法表 3 氯化汞触媒的规格表指标名称 规格HgCl2， 1013H2O， 0.3机械强度， 90装填密度，g/l 50060065 52.7565 851.02.75 15粒度，1.0 1其中，乙炔加成反应的转化率为 99%，主反应的收率为 98.7%。氯乙烯单体的聚合率按 88.5% 计，合成收率 98.7%，合成反应未反应的 VCM回收率 20%。3.2 VGM流量由已知条件：年产量 100000吨聚氯乙烯，年工作小时 8000，设计裕量 5%，得到：PVC 产量为 100000吨 1.05 / 8000 小时 = 13.125 吨/小时由已知条件：VC 合成收率 98.7%得到：聚合所需的氯乙烯单体量为 13.125 吨/小时 / 98.7% = 13.2979 吨/小时由已知条件：氯乙烯单体的聚合率按 88.5 %计，合成反应未反应的 VCM 回收率为 20%则计算进入聚合釜的氯乙烯单体量如下：y/(x+y)=0.2 则 x=12.0208 t/h课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学813.2979/(x+y)=0.885 y=3.0052 t/h即：进入聚合釜的氯乙烯单体量为 12.0208 t/h (即 192.3328 kmol/h)，合成反应未反应的氯乙烯单体量为 3.0052 t/h，由于氯乙烯在精制过程中存在损失，手工计算设计时，预先考虑损失率按 11%即192.3328（1+11%）=213.49kmol/h3.3混合器a乙炔合成转化率 99%，主反应收率 98.7%，反应方程式为：主反应： 副反应： b实际操作中，为防止反应生成 Hg2Cl2和 C 2H2Cl2，氯化氢投料过量 10% (vt )；由以上已知条件可知：合成氯乙烯所需的乙炔气量为 213.49kmol/h / (99%98.7%) = 218.487kmol/h合成氯乙烯所需的氯化氢量为 218.487kmol/h 1.10 = 240.336kmol/hc原料规格条件表：原料 C2H2(vt%) HCl(vt%) H2(vt%) N2(vt%) CO2(vt%) O2(vt%)C2H2 99 0.97 0.03HCl 90 8 1.6 0.4由以上原料规格可以得知：乙炔气总流量为218.487kmol/h / 99%=220.694kmol/h，其中C2H2220.694kmol/h 99%= 218.487kmol/hN2220.694kmol/h 0.97%= 2.1407kmol/hCO2220.694kmol/h 0.03%= 0.0663kmol/h氯化氢总流量为240.336kmol/h / 90%= 267.04kmol/h，其中HCl267.04kmol/h 90%= 240.336kmol/hH2267.04koml/h 8%= 21.3632kmol/hCO2267.04kmol/h 1.6%= 4.2726kmol/hO2267.04kmol/h 0.4%=1.0682kmol/h课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学9d乙炔气进料条件：10.5，164 Kpa查化学工艺设计手册下册查得该温度下的水的饱和蒸汽压为：1.274 Kpa则乙炔气中含水的百分数为 1.274164=0.007768则乙炔气中含水量为：220.694kmol/h（1 -0.007768）0.007768= 1.7278kmolh由此得到乙炔气进料即管线 1组成为：摩尔流量 摩尔组成 质量流量 质量组成kmolhmol% kghw %C2H2 218.487 98.23 5680.7 98.37N22.1407 0.9625 59.9 1.04CO20.0663 0.0307 2.92 0.05H2O 1.7278 0.7768 31.1 0.54总计 A=222.4218 100 5774.62 100e氯化氢气进料条件：10.5，164 Kpa；与气体相平衡的盐酸浓度为 40%；查化学工艺设计手册得 40%盐酸上方水的饱和压 PS=0.13569KPaHCl气体中水份含量：135.69 /164000=0.0008274HCl气体中的含水量：267.04kmol/h / (1-0.0008274) 0.0008274 = 0.2211kmol/hHCl气的总量为：267.04kmol/h + 0.2211kmol/h = 267.2611kmol/h由此得到氯化氢气流量与组成如下表：氯化氢气进料即管线 2组成为：摩尔流量 摩尔组成 质量流量 质量组成kmolhmol% kghw %HCl 240.33689.93 8772.264 97.03H221.3632 7.99 42.7264 0.47CO24.2726 1.60 187.9944 2.08O2 1.0682 0.4 34.1824 0.38H2O 0.2211 0.08 3.9798 0.04总计 B=267.2611 100 9041.147 100f混合器中有水冷凝下来；操作条件：10.5，164 KPa40%盐酸中：nHCLnH 2O=（4036.5）（6018）=0.3288设冷凝下的水的摩尔流量为 x，则含有 HCl为 0.3288x故 135.69 164000=（1.7278+ 0.2211 -x）（222.4218+ 267.2611-1.3288 x）课程设计 100000 吨/年 PVC 装置氯乙烯合成车间工艺设计 天津大学10解之：得 x= 1.5454kmolh则混合器出口含水量为：D= 1.7278 + 0.2211-1.5454 = 0.4035 kmolh则溶解的 HCl：C= 0.3288x =0.508 kmolh混合器出口中 HCl量为：240.336 -C=240.336-0.508=239.828kmolh混合器出口即管线 3组成如下：摩尔流量 摩尔组成 kmolhmol% HCl 239.82849.18C2H2218.487 44.81H2O 0.4035 0.08N22.1407 0.44H221.3632 4.38O2 1.06820.22CO24.3389 0.89总计 E=487.6295 1003.4石墨冷却器操作条件：259.15K（-14）和 164KPa已知石墨冷却器冷却下来的盐酸浓度为