年产30700吨氯乙烯车间反应工段工艺设计

1、题 目： 年产30700吨氯乙烯车间反应工段工艺设计 学 院： 系： 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 起讫日期： 指导教师： 职称： 系分管主任： 审核日期： 目 录第一章 绪论1.1 设计依据1.2 工艺流程概述1.3 第二章 物料衡算3.1 总物料衡算3.2 乙炔预冷器3.3 混合脱水3.4 转化器3.5 水洗塔第三章 能量衡算4.1 乙炔预冷器4.2 石墨冷却器4.3 预热器4.4 转化器4.5 石墨冷却器第四章 辅助设备选型5.3 反应工段设备一览表第一章 绪论1.1 设计依据及主要设计内容1.1.1 设计依据（1）南昌大学化工工程设计训练任务书；（2）化工设计标准图图幅和书

2、写格式 CDA2-81；（3）化工工厂初步设计内容深度规定中有关内容更改的补充 (92)化基发字695号；（4）氯乙烯安全技术规程 GB 14544-93；（5）中华人民共和国环境保护法；（6）中华人民共和国大气污染防治法；（7）化工企业爆炸和火灾危险环境电力设计规程 HGJ21-89；（8）中华人民共和国化工行业标准；（9）工业设备、管道防腐蚀工程施工及验收规范 HGJ229-91；（10）环境空气质量标准 GB3095-1996；（11）污水综合排放标准 GB8978-1996。1.1.2 本设计主要内容本设计工艺采用乙炔与氯化氢气相合成法。所得产品规格要求氯乙烯单体中氯乙烯含量大于99.

3、9%（w）。本课题的研究内容包含以下几个方面：第一部分：乙炔法合成氯乙烯工艺简介；第二部分：物料衡算；第三部分：热量衡算；第四部分：工艺流程图的绘制。1.2 工艺流程概述本设计采用乙炔与氯化氢气相合成法生产氯乙烯，反应工段工艺流程主要包括混合脱水、氯乙烯合成和合成气水洗三部分所组成，工艺流程见图1。（1）混合脱水 由乙炔工段送来的原料乙炔气，送至预冷器预冷后与从氯化氢工段送来的干燥氯化氢，按一定的分子配比（乙炔/氯化氢=1/1.10）在混合器中充分混合后，进入并联的石墨冷却器，用-35盐水间接冷却。混合器中水分以40%的酸雾部分流出，另一部分则夹带于气流中。进入串联的酸雾过滤器中，由硅油玻璃棉

4、捕集分离，然后该气体经预热器预热后，由流量计控制进入转化器合成氯乙烯（VC）。（2）合成 干燥混合气由转化器上部进入，通过列管中填装的吸附于活性炭上的HgCl2触媒转化为粗氯乙烯，合成反应的热量通过AB型泵循环的热水移去。粗氯乙烯在高温下带逸的HgCl2升华物，在填装活性炭的汞吸附器中除去，然后进入净化系统。（3）水洗从汞吸附器出来的粗氯乙烯气体经石墨冷却器，除去一部分盐酸（水和HCl），再通入泡沫水洗塔回收过量HCl以制取20%盐酸，塔顶是以高位槽温水喷淋。一次循环制得的酸由塔底低位槽流入盐酸储槽供罐装外销。气体再经碱洗泡沫塔除去残余的微量HCl后再送至氯乙烯气柜。气柜中氯乙烯经水封、经机前

5、冷却器脱水和除去微量酸性气体。经气液分离器、压缩机、机后预冷器、油水分离器等设备进一步除去油和水后送至精馏段。图1 反应工段工艺流程示意图a-乙炔砂封;b-乙炔预冷器;c-氯化氢缓冲槽;d-混合器;e-石墨冷却器f-酸储槽;g-酸雾过滤器;h-预热器;i-转化器;j-汞吸附器;k-石墨冷却器;m-水洗塔第二章 物料衡算2.1 总物料衡算（1）设计参数年生产时间以 计算。车间总收率（以乙炔计）：93%； 原料配比： C2H2/HCl=1/1.10；（2）原料气规格表2-1 原料乙炔气规格组份C2H2H2OO2N2w%990.60.20.2100表2-2 原料氯化氢气规格组份HClH2OO2N2w

6、%962.50.31.2100（3）车间物料总衡算乙炔与氯化氢在氯化汞/活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应：C2H2 + HCl = C2H3Cl原料乙炔消耗：原料乙炔气消耗见表2-3。表2-3原料乙炔气消耗组份C2H2H2OO2N2w%mol%kmol/hkg/h取=1/1.10；HCl的物质的量为 kmol/h。原料氯化氢气消耗见表2-4。表2-4原料氯化氢气消耗组份HClH2OO2N2w%962.50.31.2100mol%kmol/hkg/h2.2 乙炔预冷器（1）计算参数乙炔气进口温度：25；出口温度：5；操作压力：1.8 kgf/cm2。（2）物料衡算由表查得5时H2O的饱和蒸汽压：P

7、0= 总压P=1.8kgf/cm2=1.764×105Pa塔釜分出的水分： 图2-1乙炔预冷器物料衡算示意图M水= kmol/h计算结果见表2-5。表2-5 C2H2预冷器物料衡算表名称进料出料组分摩尔流量kmol/h质量流量kg/h摩尔流量kmol/h质量流量kg/h气相C2H2H2OO2N2液相水总2.3 混合脱水（1）计算参数氯化氢气进口温度：25；乙炔气进口温度：5；气体出口温度：14；操作压力：1.6kgf/cm2；脱下的水的盐酸浓度（w%）：40%。40%盐酸液水的饱和蒸气压计算公式/mmH g： （2）物料衡算 40%盐酸水的饱和蒸汽压计算：= = mmHg= Pa设出

8、口处盐酸中HCl为m kmol/h,H2O为n kmol/h。 40% HCl（aq）的摩尔浓度mol%为： %图2-2混合脱水示意图 计算结果见表2-6。 表2-6混合脱水物料衡算表名称进料出料组分摩尔流量kmol/h质量流量kg/h摩尔流量kmol/h质量流量kg/h气相C2H2HClO2N2H2O液相HClH2O图2-3转化器物料衡算示意图2.4 转化器（1）计算参数原料气进口温度：7680；出口温度：100；操作压力：1.5kgf/cm2；冷却水进口温度：97；冷却水出口温度：100。反应转化率:乙炔(C2H2)转化为氯乙烯(VC)：97%；转化为二氯乙烷(DEC)： 1.1%；原料乙

9、炔和氯化氢气体中所含水全部转化为乙醛。原料中所有O2全部转化为二氧化碳。（2）物料衡算在转化器中进行的反应有： 转化器中各物料计算： 生成VC的量= ×0.97= kmol/h。1） （3-2）起始量 反应量 剩余量 2） （3-3）起始量 反应量 剩余量3） （3-4）起始量 反应量 剩余量4） （3-5） 起始量 反应量 剩余量计算结果见表2-7。表2-7转化器物料衡算表名称进料出料组分摩尔流量kmol/h质量流量kg/h摩尔流量kmol/h质量流量kg/h气相C2H2HClO2N2H2OVCEDC乙醛CO2固相C图2-4水洗塔物料衡算示意图2.5水洗塔（1）计算参数气体进口温度

10、：1012；出口温度：30；吸收水进口温度：510；HCl脱除率（w%）：96%；吸收得盐酸浓度（w%）：22%；操作压力kgf/cm2：1.25。（2）物料衡算 转化气中96%HCl被脱除，形成22%的盐酸。 则被溶的盐酸量为= kg/h 盐酸总量= kg/h需要水量= kg/h各组分30时的水中溶解度见表2-8。表2-8各物质30时水中溶解度组分溶解度（kg/kg水）溶解量（kg）C2H20.00094N2不溶0VC5.1996×10-5EDC5.4×10-3乙醛全溶CO21.257×10-330时，P=1.25kg/cm2=122500Pa则水洗塔出口处：水

11、洗塔出口处带出水量： XH2O= kg/h出口盐酸浓度=计算结果见表2-9。表2-9水洗塔物料衡算表名称进料出料组分摩尔流量kmol/h质量流量kg/h摩尔流量kmol/h质量流量kg/h气相C2H2HClN2VCEDC乙醛CO2H2O液相HClH2O溶解第三章 能量衡算3.1乙炔预冷器以25气相为基准，所以条件下的热容，见表3-1。表3-1各物质15时的热容组分 gC2H2H2ON2O2CP（ kal/kg）0.4180.4450.250.22 (3-1) 图3-1乙炔预冷器能量衡算示意图= kcal/h = kcal/h图3-2水冷焓变过程= kcal/h 制冷剂为0冷冻盐水，CaCl2浓

12、度为10%，tm=（0+4）/2=2，2时溶液的比热为Cp=0.86 kcal/kg.。 W制冷剂=Qp/CPT= kg/h3.2石墨冷却器图3-3石墨冷却器能量衡算示意图取25气相为基准，H1由乙炔预冷器算得：H1= kcal/h，H2=0。tm=（25-14）/2=5.5条件下，各物质热容见表3-2。表3-2各物质5.5时热容 组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.410.190.4420.250.215 = kcal/h 其中H冷凝,H2O= kcal/h因为Q溶解13416.36311 kcal/kmol.HCl则：H溶解= kcal/h又因为tm=(25+12

13、)/2=18.5 此温度时,H2O(g)和HCl(g)的比热容为，CpH2O(g)=0.446 kcal/kg CpHCl(g)=0.191kcal/kg H4= = kcal/hQP放热=H1+H2+H3+H4 = = kcal/h制冷剂用冷冻盐水，CaCl2浓度为28.4%，在条件下，溶液比热为：。根据能量守恒有 W冷剂=QP放热/CPT= kg/h3.3预热器取-14时气相作为基准。则H1=0图3-4预热器能量衡算示意图计算H2， 在条件下，各物质热容见表3-3。 表3-3各物质33时的热容组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.4230.1920.4480.252

14、0.247预热器采用转化器出口热水加热。 ，根据能量守恒有： W冷剂= kg/h 3.4转化器取25时气相作为基准。 1）计算H1 在条件下，各物质的比热见表3-4。H1=WiCpiT = = kcal/h 图3-5转化器能量衡算示意图 表3-4各物质50.5条件下的热容 组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.4230.1930.450.2510.2232）计算H2同样在条件下，各物质的比热见表3-5。表3-5各物质62.5条件下的热容组分 gC2H2HClN2VCC2H4Cl2CH3CHOCO2Cp（ kal/kg）0.4250.1940.2520.230.2060.

15、320.2183）计算反应热rH在25条件下各物质生成热见表3-6表3-6 各物质25条件下的生成热组分 gC2H2HClH2OVCC2H4Cl2fHm（ kal/mol）54.19-22.062-59.568.4-31.05组分 gCH3CHOCO2CO2fHm（ kal/mol）-39.76-94.05100由物料衡算中可得各反应中乙炔反应量，以此来计算rH。(1) (4-2) rHm1=vBfHm(B)= kcal/mol此反应C2H2反应量为 kmol/h =(2) (4-3) rHm2=vBfHm(B)= kcal/mol此反应C2H2反应量为 kmol/h=(3) (4-4) rH

16、m3=vBfHm(B)= kcal/mol此反应C2H2反应量为 kmol/hrH3=(4) (4-5)rHm4=vBfHm(B)= kcal/molC的反应量为 kmol/hrH4= kcal/h(5) rH=rHi= = kcal/h反应中放出的总热量：Q放热=H1+H2+rH= 4）反应器热向环境散热量约占反应放热总量的20% 则热水带走的热量为：Q=Q放Q热损= 因为进口热水温度为97，出口为100。 则所需总热水量：W水=Q/CP水T=每台反应器用热水量：W水单=3.5石墨冷却器取70气相为基准 H1=0。在条件下，各物质热容见表3-7。表3-7各物质40条件下的热容组分 gC2H2

17、HClN2VCCp（ kal/kg）0.42250.1920.250.215组分 gC2H4Cl2CH3CHOCO2Cp（ kal/kg）0.20.310.215H2=WiCpiT=图3-6石墨冷却器能量衡算示意图Q放热= 再用0的冷冻盐水作冷剂，在条件下，Cp=0.86kcal/kgW冷剂=第四章 辅助设备选型热量计算公式： (4-1) （1）乙炔预冷器管程：低温流体，冷剂：0冷冻盐水 进口0，出口4。壳程：高温流体， 乙炔气，进口温度25 ，出口温度5。传热量： kcal/h选用双管程单壳程换热器 (4-2) 查得： (4-3)=0.8×11.1492=8.91936=传热面积扩

18、大1.2倍，则A=1.2A1=选择标准型号换热器： （2）石墨冷却器管程：高温流体 混合气 进口12，出口 -14。壳程：低温流体 -35冷冻盐水 进口-37，出口-33。传热量： kcal/h查得：eDtm= 根据经验选 。A=1.2A1=选标准型号换热器： （3）预热器管程：高温流体 热气 进口97，出口 93壳程：低温流体 混合器 进口-14，出口80传热量： kcal/h 查得： 根据经验选 。A=1.2A1=选标准型号：（4）石墨冷却器管程：高温流体 反应气 进口70，出口 10壳程：低温流体 冷剂 0冷冻盐水 进口0，出口4传热量： kcal/h查得：eDtm= 根据经验选 。A=1.2A1=选标准型号： 附表附表1 反应工段设备一览表序号设备位