乙烯制氯乙烯

1、摘要任务书课 程 设 计 设计题目： 乙烯制氯乙烯 学院： 专业： 班级： 学生： 指导教师： 系主任: （签名）一、设计要求：1、根据设计题目，进行生产实际调研或查阅有关技术资料，选定合理的流程方案和设备类型，并进行简要论述。（字数不小于8000字）2、设计说明书内容：封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述、参考资料等。3、图纸要求：工艺流程图1张（图幅2号）；设备平面或立面布置图1张（图幅3号）。二、进度安排：教学内容学时地点备注查资料、说明书提纲、流程论证、工艺流程图第一周设计室设备布置图、说明书整理、答辩。第二周设计室三、指定参考文献与资

2、料过程装备成套技术设计指南（兼用本课程设计指导书）、过程装备成套技术、 化工单元过程及设备课程设计摘要本文对用乙烯氧化氯化生产氯乙烯进行了工艺设计。简单介绍了VCM合成工段的生产方法、原理、工艺流程，对主要设备参数等进行了设计。通过对原料、中间产物、产品的各种性质的分析和氯乙烯单体合成工段生产原理的了解和掌握，制定出了合理的生产方案及工艺流程。同时以设计任务以及计算机为辅助,对氯乙烯精制工段中的低沸塔进行了物料衡算，热量衡算，塔及其附属设备的计算。最终完成了设备尺寸及对设备材质的选择等工作，并绘制了相应的工艺流程图和设备图。关键词：乙烯;氯乙烯;氯化反应；氧氯化反应目录1前言.11.1氯乙烯概

3、述.11.2氯乙烯的应用.11.3氯乙烯的生产.22工艺流程论证.32.1乙烯制取氯乙烯的方法.32.2氧氯化反应原理.32.3工艺流程及主要参数.42.4主要工艺操作条件及技术指标.5 2.5生产控制要素.63物料衡算.73.1氧氯化单元的物料衡算. .74典型机械设备选型与论证.84.1泵选型.84.2冷凝塔选型.84.3换热器选型.84.4反应器选型.85总结.96参考文献.107致谢.11.前言前言1氯乙烯概述氯乙烯，英文名为VC（vinyl chloride、chloroethylene）；氯乙烯单体，英文名为VCM（vinyl chloride monmer）,分子式为C2H3CL

4、,相对分子量为62.5。在常温常压下氯乙烯是一种无色有乙醛香味的气体，沸点为-13.9oC，临界温度142 oC，临界压力5.29Mpa。氯乙烯易燃易爆，与空气混合会形成爆炸性混合物，爆炸范围为4%-21.7%（体积分数），所以使用氯乙烯时要特别注意安全。氯乙烯对人体有麻醉作用，其表现为困倦、注意力不集中，随后出现视力模糊，走路不稳，手脚麻木；吸入量在0.5%以上时，即可造成头昏，头痛，心神错乱，辨不清方向；在氯乙烯浓度达到20%-40%时，可使人产生急性中毒，而失去知觉，呼吸渐缓以致死亡。长期接触氯乙烯还能引起消化系统、皮肤组织、神经系统等多处不良症状。氯乙烯分子含有不饱和双键和不对称的氯原

5、子，因而很容易发生均聚反应；也能与其他单体发生共聚反应，还能与多种无机或有机化合物进行加成、取代及缩合等化学反应。2氯乙烯的应用氯乙烯的主要应用是在工业上进行均聚或共聚以生产高聚物。目前世界上用于制造聚氯乙烯树脂的氯乙烯单体（VCM）量约占总产量的96%，而美国则高达98%、氯乙烯的聚合物广泛用于工业、农业、建筑业以及人们的日常生活之中。例如，硬聚氯乙烯具有强度高、质量轻、耐磨性能好等特点，广泛用于工业给水、排水、排污、排气和排放腐蚀性流体等用管道、管件以及农业灌溉系统、电缆电线管道等，其总量约占聚氯乙烯（PVC,poly vinyl chloride）消耗量的1/3；目前世界上塑料销量的20

6、%以上用于建筑，而建筑用塑料中有40%是氯乙烯的聚合物，如塑料地板，不仅可以制成色彩鲜艳的各种图案，而且可将图案制成表面有浮雕感的多种型材；聚氯乙烯塑料制成的门、窗框具有较好的隔热、隔冷、隔音性能和耐腐蚀、耐潮湿、耐霉烂等特点，而且由于表面光滑，不需要油漆、维修方便、比其他材料门框便宜，因而在国内得到了广泛的应用和发展。聚氯乙烯塑料壁具有色泽鲜艳、花纹有立体感、防潮、防霉、防燃、便于清洗等优点，用于房屋建筑内墙装饰，美观大方，价格便宜。美国、日本、瑞典等国有50%以上的内墙用壁纸装饰。软聚氯乙烯具有坚韧柔软、耐挠曲、有弹性耐寒性高等特点，所以常用作电线电缆的绝缘包皮，以代替铅皮、橡胶、纸张等；

7、还广泛用于软管、垫片及各种零件、人造革和日常用品的生产。聚氯乙烯糊是将聚氯乙烯微粒分散在液体悬浮介质中，形成高黏度糊状混合物，用于制造人造革、纸制黏胶制品，涂于织物、纸张、金属防腐用的涂装材料、微孔塑料、浇铸成型品等表面。泡沫聚氯乙烯抗压强度高、有弹性、不吸水，不氧化，常用作衣物衬里、衬垫、防火壁、绝缘材料及隔音材料等。聚氯乙烯还广泛引用与汽车仪表表皮、门板表面、座椅、车顶内衬、侧面车板等。3氯乙烯的生产氯乙烯的工业生产方法主要有电石法和乙烯氧氯化法。自20世纪60年代以.- 11 -工艺流程论证来，随着石油化工的快速发展，乙烯产量大幅度增加，氯乙烯的工业生产已经发展到乙烯氧氯化法。1987年

8、由北京化工二厂引进的第一套乙烯氧氯化法生产氯乙烯单体（设计生产能力80Kta）的装置是采用美国古得里奇技术，1978年由上海氯碱总厂和齐鲁石化公司先后引进两套设计生产能力为200kt/a的乙烯氧氯化法生产氯乙烯装置是采用日本三井东亚技术等。第一章工艺流程论证（1）乙烯制取氯乙烯的方法乙烯制氯乙烯有两个途径：一、乙烯氧氯化制二氯乙烯乙烷及二氯乙烷的裂解；二、乙烯一步氧氯化制取氯乙烯。由于乙烯氧氯化制氯乙烯工艺路线具有原料价格低廉、丰富，氯化氢得到合理利用，生产收率高，产品质量好等特点，现在已经迅速取代了各种落后的生产方法，成为当今世界氯乙烯生产的主流。国外各主要公司在氧氯化法上又有其各种的特点，

9、其主要的区别在于工艺工艺控制条件及、催化剂的选择、反应设备的设计、热能的利用等方面，形成各自的专利。而乙烯一步氧氯化制取氯乙烯还处在研究阶段，技术还不是很成熟，所以本次课程设计利用乙烯三步氧氯化制氯乙烯。(2)乙烯氧氯化法反应原理氧氯化制取氯乙烯涉及下列三个反应A 乙烯直接氯化 乙烯在在气相或液相进行氯化反应生成二氯乙烷，反应式为主反应 CH2=CH2+CL2 CH2CL -CH2CL 副反应 CH2=CH2+CL2 CH2=CHCL+HCLCH2CL-CH2CL+CL2 CH2CL-CHCL2+HCLCH2=CH2+HCL CH3CH2CLCH2=CHCL+CL2 CH2=CCL2+HCLC

10、H2CL-CHCL2+CL2 CHCL2-CHCL2+HCL反应为氯分子在催化剂作用下解离成氯正负离子，并且氯氯正离子首先和乙烯分子中健结合，经过活化络合物和负氯离子结合成二氯乙烷。B.氧氯化反应 乙烯在铜催化剂存在下与氯化氢在气相进行氧氯化反应生成二氯乙烷，反应式如下主反应CH2=CH2+2HCL+½O2 CH2H4CL2+H2O副反应CH2=CH2+2O2 2CO+2H2OCH2=CH2+3O22CO2+2H2OCH2=CH2+3HCL+O2C2H3CL3+2H2OCH2=CH2+HCL+½O2CH2=CHCL+H2OC.二氯乙烷裂解 二氯乙烷在高温下裂解生成氯乙烯及氯

11、化物反应式如下。主反应CH2CL-CH2CLCH2=CHCL+HCL副反应2CH2CL-CH2CL2CH3CL+CHCL=CHCLCH2CL-CH2CLC2H2+HCL(3)工艺流程及主要参数（工艺流程图见CAD）a直接氯化单元 乙烯氯气与循环氯化氢经混合后从氯化反应器底部通入，在常压下温度38-53oC下进行液相反应。三氯化铁催化剂用二氯乙烷溶解后送入反应器，反应器保持温度一定，控制反应器中液位不断从支管流出粗二氯乙烷送洗涤器，洗涤后的粗二氯乙烷输送入贮罐，洗涤水经回收二氯乙烷后送废水处理工序，从反应器出来惰性气体经冷凝回收二氯乙烷后送入废弃处理工序。b 氧氯化单元 氧氯化反应器中装填规定量

12、的微型球状的催化剂，来自裂解的氯化氢气体经加氢反应器加氢除炔烃后与乙烯混合进入反应器，空气从反应器底部进入，在分布器上与乙烯，氯化氢混合进入沸腾床，在规定操作条件下进行反应，未反应的混合气体及产物经聚冷塔、热交换器冷凝进行气液分离，液态二氯乙烷经碱洗水后进粗二氯乙烷贮罐，气体经热交换器、分离器进入吸收塔，塔内用溶剂煤油吸收，溶剂经冷却器冷凝循环使用，从冷却器分离出的气体进入汽提塔，用蒸汽加热，汽提塔顶回收二氯乙烷，气体经冷凝及冷却后得粗二氯乙烷输入贮罐，然后排空，聚冷塔废水经中和汽提回收二氯乙烷后送废水处理工序。c 二氯乙烷蒸馏 粗二氯乙烷通过低沸塔除去溶解的惰性气体，水与低沸物、塔底产物再经

13、高沸塔除去三氯乙烷及高沸物所得精二氯乙烷送贮罐，含有高沸物的二氯乙烷送入真空塔回收二氯乙烷，余下废液送焚烧单元处理。d 二氯乙烷裂解单元 精二氯乙烷经烟道气预热后送蒸发炉进行部分蒸发后进入气液分离器，气态二氯乙烷进裂解炉，在高温500oC左右进行热裂解，裂解气经聚冷，液体产物送氯化氢塔，塔顶未凝的氯化氢气体经冷却部分进入缓冲罐，供氧氯化使用。e 氯乙烷蒸馏单元 自裂解聚冷后的液体产物送入氯化氢塔，分离纯氯化氢，塔顶气体除部分冷凝外都送入氯化氢管线供氧氯化用，氯化氢塔底物料经泵送氯乙烯塔，在506.5Kpa(5Kg/cm2)压力进一步分离，塔底液体送高沸塔回收二氯乙烷，塔顶气体经冷凝后送汽提塔除

14、去氯乙烯中的氯化氢，塔底出来的产物送碱洗塔进一步除去氯乙烯中的氯化氢，从碱洗塔底部出来的纯氯乙烯单体进单体贮罐供聚合用。各单元废水经废水处理工序符合标准后排放。各单元的废气及废液可进行焚烧，焚烧气体经水吸收氯化氢后排空。(4)主要工艺操作条件及技术指标氧氯化单元a 工艺操作条件乙烯氧氯化反应新催化剂200oC左右开始反应，当运转了一段时间以后活性略有下降，需逐渐提高温度以保持一定的活性，一般在6个月后温度升至215-225oC,温度再高则副反应增加，并造成选择性下降，乙烯燃烧反应加剧，反应压力为303.9kPa-405.2kPa（3-4kg/cm2）。气体空速300小时-1-500小时-1，气

15、体线速度0.2m/s-0.4m/s左右，原料摩尔比乙烯：空气氢：空气=1.07-1.12:2:4,原料气氯化氢中含有0.3%左右的乙炔需要通过加氢除炔设备，加氢温度为138-177oC，加氢后氯化氢气体含炔<10ppm。b 催化剂以微球状氧化铝为载体铜含量为5%左右，堆密度0.9-1.15g/ml，孔容0.3-0.4ml/g，平均粒度50-60µm。c 反应器采用流化床反应器的反应速度均匀，反应温度易于控制，轴向温度3 oC -5oC，径向温度1oC，没有热点，并可获得副产蒸汽。如年产八万吨氯乙烯单体装置中，氧氯化反应器直径2.8、总高29.3m、主体为碳钢所制，内装催化剂40

16、-42t，生产时密相段高度约12.8-14.2m，反应器下部装有管式气体分布器，反应段内有冷却列管，反应器顶部装有一组三级内旋风分离器，以回收催化剂，e 产率以乙烯计二氯乙烷回收率93.5% 以氯化氢计二氯乙烷回收率98.6% 氯化氢转化率99.7% 乙烯转化率96.7% 产物二氯乙烷纯度99.1%直接氯化单元常压下温度为35-50oC氯和乙烯在二氯乙烷液相中进行反应，由于催化剂不断随产物氯二乙烷带走，所以在反应过程中需要定期补加催化剂以保持二氯乙烷中三氯化铁的浓度。 产物二氯乙烷收率以乙烯计为96% 以氯气计为97% 二氯乙烷纯度为99.2%（重量）二氯乙烷裂解单元液体二氯乙烷蒸发气化后进裂

17、解炉，裂解炉为辐射壁型炉，里面装有加热盘管，管内操作压力2026-2532.5kPa（20-25kgf/cm2），温度500oC，二氯乙烷转化率50%。f 消耗定额：原料及动力消耗量原料及动力消耗量乙烯，（100%），kg氯，（100%），kg蒸汽，1114.3kpa(11kgf/cm2),t冷却水，M3485630（1.9）380电KJ(KWh)燃料气KJ(kcal)氧氯化催化剂kg8.64*105(240)5.23335*106(1.25*106)0.26（5）生产控制要素1乙烯直接氯化单元(1)二氯乙烷水分含量控制。水分含量是氯乙烯装置的最重要的控制点。由于直接氯化的二氯乙烷中含氯、含酸

18、，含水分高会造成设备腐蚀；若二氯乙烷带水进入后续工序（二氯乙烷精致单元）不及时发现会一直带到下工序，使二氯乙烷精制单元水分高，造成二氯乙烷精制单元的设备腐蚀；如还未发现会带到二氯乙烷裂解单元后果更为严重，因为裂解产物氯化氢含水量会引起对裂解单元乃至氯乙烯精制单元全线设备腐蚀的严重后果。造成二氯乙烷水分高的原因主要是反映进气带入所致。由于乙烯是经底温分馏而得，基本上不带水分，氯气水分，氯气水分高时造成生成物二氯乙烷含水分高的原因之一；二是直接氯化冷凝器泄露造成。由于冷凝器制作质量问题或是氯气中含水较高致使冷凝器腐蚀造成泄漏。（2）反映尾气的含量控制。控制反应尾气中氧气中的氧含量主要是从安全生产度

19、考虑。乙烯在氧气中爆炸极限上限为79.9%。所以要控制尾气中的氧含量符合要求，是生产安全运行。2.乙烯氧氯化单元（1）反应温度的控制。反应器中的反应温度是一个十分重要的工艺指标。在一定负荷下，以低温操作为佳。反应温度过高，对催化剂的寿命有一定影响，副反应增加，乙烯消耗高，对设备的材质也有一定影响。但反应温度太低时，由于催化剂活性减小，将引起氯化氢的转化率下降。造成反应温度偏高的原因多种，一般认为氧氯化反应器中的反应中的反应过程是传递、传质控制，而不是化学反应控制。所以可采用提高气速、增加催化剂用量、调整参加反应气体的摩尔比等措施来控制工艺参数。另外，由于反应物和反应生成物中有氯化氢和水，所以对

20、设备的防腐要求特别高。整个反应器系统保持在较高的温度，防止温度较低时析出水分，腐蚀生成设备。（2）流化气速的控制。增大流化气速可以使床内的时间传质，提高传热系数，增加传热效果，有利于催化剂的分散和流态化，使氯化氢转化率提高。但是它受到旋风分离器气速流速度设计的限制；否则会造成催化剂的流失。另外，在同一负荷下循环气量增加，使各反应组分浓度下降，接触时间减少，又会影响时间减少，又会影响氯化氢的转换率。因此，循环气量的增加也会受到制约。3.二氯乙烷裂解单元（1）裂解温度。提高反应温度对裂解反应的平衡和速度都有利。当温度小于45oC时，转化率很低；当温度提高至500oC时，反应速度显著加快。但温度过高

21、，二氯乙烷深度裂解为乙炔和碳的副反应也加快。当温度超过600oC是副反应速度将大于主反应速率。因此，反应温度要从二氯乙烷转化率和氯乙烯和氯乙烷收率两方面考虑。（2）停留时间。停留时间与裂解反应转化率为线性关系；停留时间长能提高转化率，但同时结焦也加快，使氯乙烯产率降低。所以生产上常用较短的停留时间以期获得较高的产率。通常停留时间为10s。第二章物料衡算1氧氯化单元的物料衡算图2-1乙烯氧氯化生产氯乙烯的工艺过程以乙烯氧氯化单元为对象进行物料衡算化学式：CH2=CH2+2HCL+½O2 CH2H4CL2+H2O已知以一个小时为单位进料摩尔比：HCL:C2H4:O2=2:1.6:0.63

22、 出口CL2转化率：98.6%可知消耗的HCL为： 0.986*2=1.972mol 消耗的C2H2为： 0.986*1=0.986mol 消耗的O2为： 0.986/2=0.493mol C2H2的转化率： 0.986/1.6=61.625% O2的转化率： 0.493/0.3=78.25%表2-1下面是氧氯化单元的物料衡算表：流股123摩尔量摩尔比率摩尔比率摩尔比率摩尔比率摩尔比率C2H21.637.8%000.61422.8%HCL00247.2%0.031%O20.6315%000.1074%C2H4CL200000.98636.1%H2O00000.98636.1%第三章典型机械设备

23、的选型与论证氯乙烯生产装置的材质要求。无论气态还是液态氯乙烯，对于精馏系统压力操纵场合，由于单体常呈现微酸性，对阀座和焊缝易产生电腐蚀，因此特别要注意管道焊缝质量，尽管采用无缝钢管和法兰连接，单体贮槽底部，由于易积水积酸而腐蚀，应特别加以注意。合成转化器阀门可用加厚橡胶垫防漏，较低温度下可用隔膜阀，部分气相管道除用无缝钢管为，也用聚丙稀管或硬聚氯乙烯管者，但要防止静电积聚。1.本设计选的泵为离心泵离心泵扬程受流量变化的影响小，在零流量附近最大扬程可达到设计扬程的1.1-1.2倍。蒸汽透平驱动，配置性能良好的调速系统，电动机驱动要考虑到转差率。用排出管道上的控制阀开、闭进行控制。 2,本设计选用

24、的冷凝器是直接接触式换热器 这类换热器又称混合式换热器。它是利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热的换热器。为达到增加两流体的接触面积，以达到充分换热，在设备中放置填料和栅板，通常采用塔结构。直接接触式换热器具有传热效率高、单位容积提供的传热面积大、设备结构简单、价格便宜等优点。3,本设计选用的换热器是管壳式换热器中的U形换热器 U形换热器只有一块管板，管束由多根U形管组成，管的两端固定在同一块管板上，管子可以自由伸缩。当管壳与U形换热管有温差时，不会产生热应力。U形管式换热器结构比较简单、价格比较便宜，承压能力强，适用于管、壳壁温差较大或壳程介质易积垢需要清洗。特别适用于管内走清洁而不宜结

25、垢的高温吧、高压、腐蚀性强的物料。4,本设计选用的反应器中乙烯氯化反应器用流化床，其他用塔式反应器。流化床反应器传热好，温度均匀且易控制，催化剂有效系数大，粒子传输容易；特别适合用于乙烯氧氯化制氯乙烯。填料塔反应器是广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气、液相反应器，由于液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。适用于瞬间反应、快速和中速反应过程。填料塔反应器具有结构简单、压降下、易于适应各种腐蚀介质和不易造成溶液起泡的优点。填料塔反应器也有不少缺点。首先，它无法从塔体中直接移去热量，当反应热较高时，必须借助增加液体喷淋量以显热形式带出热量；其次，由于存在最低

26、润湿率的问题，在很多情况下需采用自身循环才能保证填料的基本润湿，但这种自身循环破坏了逆流的原则。尽管如此，填料塔反应器还是气液反应和化学吸收的常用设备。特别是在常压和低压下，压降成为主要矛盾时和反应溶剂易于起泡时，采用填料塔反应器尤为适合。 总结总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作

27、前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次工厂工艺流程设计工作的实际训练从而培养和提高我独立工作能力，巩固与扩充了过程装备成套技术等课程所学的内容，掌握工艺流程设计的方法和步骤，掌握工艺流程设计技能懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了课程的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体现出自己单独设计课程的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。主要表现在对从前学过知识的遗忘，本次设计中需要大量的用到化工原理的知识，比如物料衡算与能量衡算。此外对CAD的操作也不是那么熟悉了刚开始还什么都要翻书才能画图。在本次设计中还锻炼了我们自学的能力。本次设计中涉及到了各种管道的选型，而这些在课堂却没有讲，必须在设备工艺手册上才能查到，通过查手册让我们掌握了更多关于管道的知识。管道的大小不同安装的