电石法制氯乙烯工艺毕业设计

PAGE毕业设计(论文)题目电石法制氯乙烯工艺设计专业班级姓名学号指导教师完成日期济源职业技术学院毕业（论文）PAGEI目录摘要 1第一章文献综述 21.1原料产品性质及用途 21.1.1氯乙烯的性质及用途 21.1.2乙炔的性质及用途 21.1.3氯化氢的性质及用途 31.2氯乙烯的生产方法 41.2.1电石乙炔法 41.2.2二氯乙烷法 51.2.3乙烯氧氮化法 51.2.4平衡氧氯化法 5第二章氯乙烯生产的工艺流程 72.1乙炔发生工艺流程 72.2乙炔清净原理 72.2.1目的——得到符合要求的乙炔 82.2.2清净剂——次氯酸钠液体 82.2.3反应原理——氧化还原反应，生成酸性物质 82.3乙炔清净工艺流程 82.3氯化氢合成的工艺流程图 92.4粗氯乙烯的生产 102.4.1乙炔加氯化氢制氯乙烯工艺流程 102.4.2对原料乙炔气的要求 112.4.3对原料气氯化氢的要求 112.5粗氯乙烯的净化和压缩 122.5.1工作原理 122.5.2粗氯乙烯的净化和压缩的工艺流程 122.5.3氯乙烯单体的精馏 13第三章电石法制氯乙烯工段物料及热量衡算方法 153.1乙炔法年产40万吨氯乙烯反应器的物料衡算 153.2氯乙烯反应器的物料衡算数据作热量衡算。 17第四章电石法制氯乙烯工段的主要设备 204.1合成部分设备 204.2列管式石墨换热器 214.3水洗泡沫塔设备 224.3.1构造 224.3.2工作原理 234.4转化器 234.4.1构造 234.1.2工作原理 244.5高沸物塔 25致谢 27参考文献 28附图一 29附图二 30 -PAGE31-摘要近年我国PVC树脂产量远远不能满足市场的需求，这与我国大部分生产厂家工艺技术落后，VC原料短缺有直接关系。我国相关技术也基本处于比较落后的水平，且相关资源也不够丰富，致使我国有相当一部分生产氯乙烯厂家还是使用的比较落后的乙炔法。氯乙烯的制备在PVC的生产过程中是一个非常重要的环节，它把从氯化氢装置送来的干燥氯化氢气体和从乙炔装置送来的精制乙炔气体在这里合成反应生成粗氯乙烯，并经过脱水、净化、精馏等工序后，制成精制氯乙烯，即单体，用来满足聚合的需要。设计主要论述了电石法生产氯乙烯，以及原料气的物理性质和化学性质，以及它的用途；还介绍了生产氯乙烯的主要设备，基本原理和工艺流程。关键词乙炔氯化氢氯乙烯工艺流程第一章文献综述1.1原料产品性质及用途1.1.1氯乙烯的性质及用途氯乙烯的物理性质氯乙烯是无色有醚样气味的气体，沸点-13.9℃，熔点-160.0，闪点-17.8℃，冷凝点-159.7℃，相对密度（水=1）：0.91，易燃易爆，与空气混合能形成爆炸性混合物。微溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮等多数有机溶剂。氯乙烯的化学性质乙炔和氯化氢在氯化汞催化剂作用下生成氯乙烯反应式：C2H2+HCl→C3H2Cl+124.8KJ/mol（1）化学稳定性极易燃。气体比空气重，可沿地面流动，可能造成远处着火，有湿气存在时，腐蚀铁和钢。（2）燃烧（分解）产物燃烧时，分解生成氯化氢和光气等有毒和腐蚀性烟雾。（3）避免接触条件避免受热、光照和接触空气与潮气。氯乙烯的用途氯乙烯是塑料工业的重要生产原料，是生产聚氯乙烯塑料的单体；或与醋酸乙烯、丙烯腈制成共聚物，用作粘合剂、涂料、绝缘材料和合成纤维，也用作化学中间体或溶剂。氯乙烯是一种非常重要的化工原材料,主要用来制备聚氯乙烯(简称PVC)树脂,也用于制备偏二氯乙烯、冷冻剂等。全世界9%的氯乙烯单体都用于生产聚氯乙烯,我国目前没有专门的氯乙烯生产企业,所有的氯乙烯装置均与聚氯乙烯装置配套建设,完全一体化。氯乙烯的生产工艺经历了多年的工业生产和工艺改造后，形成了4种主要的生产工艺:电石乙炔法、二氯乙烷法、乙烯氧氯化法和平衡氧氯化法。1.1.2乙炔的性质及用途乙炔的物理性质乙炔又称电石气。结构简式HC≡CH，是最简单的炔烃。乙炔分子量26.4，气体比重0.91（Kg/m3），火焰温度3150℃，热值12800（千卡/m3）在氧气中燃烧速度7.5，纯乙炔在空气中燃烧2100℃左右，在氧气中燃烧可达3600℃。化学式C2H2纯品乙炔为无色无气味的气体，自电石制取的乙炔含有磷化氢、砷化氢、硫化氢等杂质而具有特殊的刺激性蒜臭和毒性；常压下不能液化，升华点为-83.8℃，在1.19×105Pa压强下，熔点为-81℃；易燃易爆，空气中爆炸极限很宽，为2.5％～80％；难溶于水，易溶于石油醚、乙醇、苯等有机溶剂，在丙酮中溶解度极大，在1.2MPa下，1体积丙酮可以溶解300体积乙炔，液态乙炔稍受震动就会爆炸，工业上在钢筒内盛满丙酮浸透的多孔物质，在1～1.2MPa下将乙炔压入丙酮，安全贮运。乙炔的化学性质（1）加成反应是多种多样的，可以与水、氢气、卤化氢、氢氰酸等进行加成，分别获得乙醛、乙烯、卤乙烯和丙烯氰等化工产品。（2）聚合反应乙炔与乙烯相似，也能发生聚合反应，在含有少量盐酸的氯化亚铜-氯化铵的水溶液中，通入乙炔，在357K~369K下生产乙烯基乙炔，还可以进一步生产二乙烯基乙炔。（3）有弱酸性，其分子中的氢能被某些金属取代而成盐。如乙炔能够与铜、银、汞等作用，生成具有爆炸性的乙炔铜、乙炔银、乙炔汞。所以，工业生产中乙炔发生系统不能使用铜制的旋塞及管件、慎用汞压力计等。乙炔的用途例如：制备聚乙炔，新型导电塑料。合成橡胶、人造树脂、丙酮、烯酮、炭黑等；同时乙炔一氧焰广泛用于金属的焊接和切割。有机合成、原子吸收光谱、标准气、校正气、合成橡胶、照明。1.1.3氯化氢的性质及用途主要物理性质（1）颜色气味：无色、有刺激性气味的气体（2）密度：气态氯化氢在标准状况下的密度为1.63kg/m3(比空气重)（3）溶解度：氯化氢气体极易溶于水，在标准状况下，约500V氯化氢/1V水，得约46.15%盐酸；其溶解度随温度的升高而降低(制备各种不同浓度的盐酸)，通常浓盐酸为37%。（4）恒沸点：这是氯化氢水溶液的特性。浓盐酸在加热蒸馏时，其馏出物是含有少量水分的氯化氢气体(盐酸脱吸法制备氯化氢的依据)，在0.1MPa下，当盐酸浓度降低到20.24%，温度为108.65℃时，馏出物组成与溶液组成相同，溶液组成不再变化，同时具有恒定沸点。主要化学性质（1）分子非常稳定：加热到1500℃才发生分解(生产中可以采用高温操作)（2）水溶液具有强酸性：能与大部分金属反应，生成金属氯化物(避湿，否则腐蚀生产设备)（3）高温盐酸蒸气对碳钢几乎无腐蚀：一般盐酸蒸气在其最高露点108.65℃以上时，对碳钢几乎无腐蚀(根据不同条件选择设备)（4）高温气体对设备的腐蚀在适当范围：若温度保持在其最高露点108.65℃以上、250℃以下时，对碳钢的腐蚀作用可保持在适当范围内(可以用钢制的合成炉)；另外，石英、石棉、酚醛树脂、耐酸陶瓷、塑料以及一些金属合金比较耐氯化氢气体腐蚀(作为盐酸生产中的设备防爆膜、浸渍设备或涂膜防腐蚀)（5）与有机化合物的反应：能与多种有机化合物反应生成有机氯化物。氯化氢的用途氯化氢溶于水即得盐酸，盐酸是三大强酸之一，可用于制造各种化学药品、食品及染色工业品等；近年来，氯化氢多用于制造聚氯乙烯、氯丁橡胶缩合剂等。1.2氯乙烯的生产方法1.2.1电石乙炔法电石乙炔法是最早的氯乙烯生产方法。它主要利用乙炔和氯化氢为原料,用氯化汞做催化剂进行加成反应,生成氯乙烯。CH2=CH2+HCl→CH2=CHCl其优点是工艺成熟、简单,设备投资低,但由于采用电石作为原料,需要消耗大量电能,使氯乙烯成本上升,反应中所用的催化剂对环境的污染严重。电石乙炔法在世界上已基本被淘汰,但这是我国目前主要的氯乙烯生产方法。1.2.2二氯乙烷法二氯乙烷法是以乙烯为原料与氯气反应生成二氯乙烷(EDC),然后由二氯乙烷热裂化制备氯乙烯的方法。该法的副产物是HCl,如果不加以利用,生产成太高。与电石乙炔法联合起来可以解决HCl问题。但这种方法既不能完全向石油天然气化工方向转化,又不能完全摆脱电石乙炔法,所以没有发展前途。1.2.3乙烯氧氮化法氧氯化法是对利用氯化氢合成有机物的这一类反应的总称。乙烯氧氯化法的化学反应方程式为：CH2=CH2+Cl2→CH2ClCH2Cl；ClCH2CH2Cl→CH2=CHCl+HCl这种方法是目前缺少氯气的地区采用的方法。1.2.4平衡氧氯化法平衡氧氯化法是利用乙烯和氯气生产EDC，EDC热裂化生成VCM和氯化氢，再由氯化氢、乙烯和氯气反应生成EDC的方法。2CH2=CH2+2Cl→2ClCH2CH2Cl2CH2=CH2+4HCl+O2→2ClCH2CH2Cl+2H2O4ClCH2CH2Cl→4CH2=CHCl+4HCl总反应式：4CH2=CH2+2Cl2+O2→4CH2=CHCl+2H2O方法在整个反应中，氯化氢始终保持平衡，不需要补充，也不需要处理，即所谓平衡氧氯化。它是目前世界上比较先进的生产工艺。我国四家大厂引进的工艺技术均属此法：山东齐鲁石化、上海氯碱总厂是引进日本三井东亚技术；北京化工二厂是引进德国伍德技术；天津大沽化工厂是引进欧洲EVC技术，可能在工艺条件和具体设备上有些差异，但主要装置都是由直接氯化单元、氧氯化单元、二氯乙烷裂解单元以及相关的二氯乙烷和氯乙烯精馏单元等工艺单元组成。这4种氯乙烯生产工艺中,除了第一种生产工艺走的是电石路线外,后三种生产工艺均属于石油路线(即以石油或石油产品为原材料生产氯乙烯)。目前在我国,除齐鲁石化、上海氯碱总厂、北京化工二厂和天津大沽化工厂四家较大的聚乙烯生产企业采用了以乙烯为原料的平衡氧氯化法,天津乐金公司直接以进口的氯乙烯为原料外,其余厂家均是电石乙炔法,乙炔法生产氯乙烯占氯乙烯总生产能力的63.4%。电石路线由于存在耗电量大,成本高以及环境污染严重等问题,正在被世界各国所淘汰，而石油路线则由于成本低、质量高、污染小、易于大规模生产等优点,成为目前世界上比较通用的生产工艺。但是,随着石油资源的日益枯竭以及氯乙烯的需求不断增加,必须有新的氯乙烯生产工艺的诞生。石油和天然气通常是相伴而生,在石油和天然气当中,石油的应用非常广泛,而天然气虽然有极丰富的贮藏量,但其在化学工业上的应用还远远赶不上石油。如何使天然气替代或部分替代石油在国民经济中的作用,是人们一直关注的课题。尤其是随，着石油资源的日益减少和天然气资源的大量发现,天然气的转化和利用越来越受到人们的重视。在这种情况下,很自然想到用天然气、油田气中的乙烷来取代石油中的乙烯，用于氯乙烯的生产。因此,电石法PVC在国内还可以生存相当长时间。第二章氯乙烯生产的工艺流程生产氯乙烯的生产原料主要有电石、氯化氢。电石（碳化钙CaC2），遇水生成乙炔（C2H2），将乙炔与氯化氢（HCl）合成制出氯乙烯单体（CH2CHCl）。2.1乙炔发生工艺流程乙炔发生的工艺流程如图2-1所示：仓库内经破碎的小颗粒电石经过1皮带传输机运到2电石贮斗，然后经3盘式给料机送往4斗式提升机。在斗式提升机的上部出来的小颗粒送往5加料小车，然后把加料小车内的料送往6上加料贮斗和7下加料贮斗，然后经8振动搅拌器，然后在9小颗粒电石在乙炔发生器经搅拌器15,16进行反应。从上部出来的乙炔气经10正水封，然后进入12冷却塔，电石渣从16乙炔发生器下部排出。然后经13乙炔阻火器，最后送往乙炔的清净塔，进行清净工序。图2—1乙炔发生的工艺流程1-皮带传输机；2-电石贮斗；3-盘式给料机；4-斗式提升机；5-加料小车；6-上加料贮斗；7-下加料贮斗；8-振动加料器；9-乙炔发生器；10-正水封；11-安全水封；12-冷却塔；13-阻火器；14-大搅拌器；15-小搅拌器；16-排渣器2.2乙炔清净原理2.2.1目的——得到符合要求的乙炔2.2.2清净剂——次氯酸钠液体2.2.3反应原理——氧化还原反应，生成酸性物质PH3+4NaClO→H3PO4+4NaClH2S+4NaClO→H2SO4+4NaClSiH4+4NaClO→SiO2+2H2O+4NaClAsH3+4NaClO→H3AsO4+4NaCl中和除去酸性物质(中和剂为NaOH溶液)H3PO4+3NaOH→Na3PO4+3H2OH3SO4+2NaOH→Na3SO4+2H2OH3AsO4+3NaOH→Na3AsO4+3H2OSiO2+2NaOH→Na3SiO4+H2O2.3乙炔清净工艺流程乙炔清净工艺流程如图2-2所示：来自发生器经冷却后的粗乙炔气，进入水环式压缩机1加压，然后经两台串联的清净塔2、3与含有效氯0.08％～0.12%的次氯酸钠溶液直接接触，使粗乙炔气中的磷、硫杂质脱除，再经中和塔4以10%～15％液碱中和，经冷却器5初步除去饱和的水分后，纯度98.5％以上的精乙炔送氯乙烯装置使用。图2—2乙炔清净工艺流程1-水环式压缩机；2、3-清净塔；4-中和塔；5-冷却器；2.3氯化氢合成的工艺流程氯化氢合成的工艺流程如图2-3所示：氢气由气柜出来经止逆水封和卸压水封后，由水环泵加压至0.045MPa以上，经氢气缓冲器进入合成炉燃烧器；而氯气则由氯气处理送来，压力为0.1MPa以上进入合成炉的燃烧器；合成后的氯化氢气体以0.04MPa压力送出合成炉，经冷却、除雾后送至氯乙烯合成装置。图2-3合成法生产氯化氢的工艺流程1-氢气柜；2-氢气缓冲器；3、4-阻火器；5-合成炉；6-空气冷却器；7-石墨冷却器；8、13、17-氯化氢缓冲器；9、10、11-石墨冷却塔；12-酸雾过滤器；14-纳氏泵；15-气液分离器；16-硫酸冷却器；18-氯化氢除沫器原料氢气由电解槽阴极出来，经过冷却、洗涤，大大降低了气相温度，消除了气相中夹带的碱雾和杂质，由输氢压缩机（经复式压缩机、罗获鼓风机或钠氏泵）送出，在氢气柜中贮存（在规模较大的生产工艺中设置气柜以确保氢气稳定、压力平衡。氢气的纯度在98％以上，经气液分离器及阻火器进入合成炉5燃烧器。原料氯气由电解槽阳极出来，经过冷却、干燥、净化，使氯气成为含湿量很的干燥气体。由氯气压缩机（离心式压缩机或纳氏泵）送入氯气缓冲罐2，经稳压装置调节，以恒压送入合成炉与燃烧器，其纯度在90％以上，氯内含氢在0.5％以下。原料氯气和氢气经节流控制一定的摩尔比（Cl：H=1：1.05～1.1）分别注入燃烧器的内管和外管，氯气由下而上经内套管上端侧壁几个排料孔，切线方向均匀输出与外套管由下而上的氯气充分混合燃烧。石英的燃烧器传热较慢，套管口积蓄的热量不易散失，能经常保持引发温度，以使合成反应持续进行，燃烧时火焰温度可达2000℃以上，并发出青白色火焰。合成后的氯化氢气体蕴蓄着大量热量，借散热翅片或夹套冷却水冷却，可移去部分热量，降低了炉壁湿度。出合成炉时气体温度仍可达400～500℃，经铁制的空气冷却导管冷却后，气相温度可降至150℃以下，然后进入圆块孔或石墨换热器)或列管式石墨冷却器，用工业上水将氯化氢气体冷却到40℃左右。再经过下封头出口的控制阀门进入气体缓冲器(分离冷凝盐酸和分配气体之用)，分两路分别进入两组串联的列管式石墨冷凝器，以﹣25℃冷冻盐水将气体冷却到﹣12～﹣18℃左右，进入酸雾分离器，气相中夹带的30％左右的盐酸雾沫，经分离器中含氛硅油浸渍处理过的玻璃纤维捕集分离，使气相氯化氢成为含湿量小于0.06％的干燥气体，再进入缓冲器后被纳氏泵抽吸，在泵内借助于浓度为93％以上的硫酸作为液环、密封，由于离心力的作用，使气体受到压缩。受压后的氯化氯气体和硫酸一起进入气液分离器，硫酸从底部排出，经过冷却后又被纳氏泵吸入循环使用。而氯化氢气体则由气液分离器顶部排出，经缓冲器，除沫器18后通往氯乙烯合成装置。2.4粗氯乙烯的生产2.4.1乙炔加氯化氢制氯乙烯工艺流程乙炔加氯化氢制氯乙烯工艺流程如图2-4所示：经精制处理的干燥精乙炔通过沙封1与干燥的氯化氢气体在混合气2中混合均匀，进去反应器3，在催化剂氯化汞的作用下进行加成反应。反应后的气体先经过水洗塔4除去氯化氢，再经过碱洗塔5除去残余的氯化氢和二氧化碳，然后再预冷器6中用水间接降温，可将水冷凝分离出来，其余气体在全凝器7中用盐水间接降温使氯乙烯和二氯乙烷等全部冷凝。凝液送入低沸物塔8使乙醛等低沸物及乙炔等气体从塔顶蒸出，釜液送入氯乙烯.9，塔顶馏出液为精氯乙烯单体，釜液是二氯乙烷等高沸物，可另再回收。1-沙封；2-混合器；3-反应器；4-水洗塔；5-碱洗塔；6-预冷器；7-全凝器；8-低沸塔；9-氯乙烯塔。2.4.2对原料乙炔气的要求1.纯度一般要求乙炔纯度≥98.5%。因为纯度低时，二氧化碳等惰性气体量多，会降低合成的转化率，尾气放空量增加，增加乙炔和氯乙烯的损失。2.磷硫杂质磷化氢、硫化氢均能与催化剂发生不可逆转的化学吸附，使催化剂中毒而缩短催化剂的使用寿命；还能与升汞反应生成无活性的汞盐。3.水分一般原料气含水分≤0.06%，能满足生产需要。2.4.3对原料气氯化氢的要求1.纯度氯化氢纯度≥93%[纯度低时，组成不稳定，与乙炔的配比不易调整；含有较多的惰性气体(约占7%)，使尾排气体增加，乙炔和氯乙烯损失增加，电石定额上升。2.氯化氢中游离氯≤0.002%严格控制氯化氢中游离氯检出(游离氯与乙炔接触，发生激烈反应生成氯乙炔爆炸性物质，同时放出大量的热，造成混合脱水系统的混合器、列管式石墨冷却器等薄弱环节处爆炸而影响生产安全；借游离氯自动测定仪或于混合器出口安装气相温度报警器，设定温度超过50℃时即关闭原料乙炔气总阀)。3.含氧(控制在0.5%以下)在转化率低、放空尾气中乙炔量较多时，氧气在放空气相中被浓缩，存在潜在危险；会与炭反应生成CO、CO2降低催化剂使用寿命，造成后分离困难；使干燥塔内的固碱生成碳酸钠外壳，影响固碱的脱水效果。2.5粗氯乙烯的净化和压缩2.5.1工作原理吸收水自塔顶第一块塔板加入，在该塔板上与上升的粗氯乙烯气体接触，形成具有一定高度的泡沫层；在泡沫层内气液相进行传质过程，使气相中的氯化氢被水吸收为盐酸；经由溢流管借位差流入下一层筛板，重复上述的质量传递过程；借加入水量的控制，调节液体在筛板上泡沫层的停留时间，使稀酸浓度达到20~25%范围(外卖或脱吸法的吸收液)；通过视镜3可以观察到筛板上泡沫层的高度及气液湍动接触的情况，判断塔设备的工作质量。2.5.2粗氯乙烯的净化和压缩的工艺流程粗氯乙烯的净化压缩工艺流程如图2-5所示：粗氯乙烯在高温下带逸的氯化高汞升华物，在填装活性炭的汞吸附器（除汞器）1中除去，然后由石墨冷却器将合成气冷却到15℃以下，通入水洗泡沫塔2回收过量的氯化氢。泡沫塔顶是以高位槽低温水喷淋，一次（不循环）接触制得20％的盐酸，由塔底借位差流入盐酸大贮槽供灌装外销。气体再经碱冼泡沫塔3去残余的微量氯化氢后，送至氯乙烯气柜4，气柜中氯乙烯经冷碱塔5进一步除去微量酸性气体，至机前冷却器6和水分离器7，分离出部分冷凝水，借往复式压缩机8加压至0.5～0.6MPa（表压），并经机后油分离器、冷却器9及分离器等设备，进一步除去油及水后送精馏系统。图2—5粗氯乙烯的净化和压缩的工艺流程1-除汞器；2-水洗泡沫塔；3-碱冼泡沫塔；4-氯乙烯气柜；5-冷碱塔；6-机前冷却器；7-水分离器；8-往复式压缩机；9-机后油分离器、冷却器2.5.3氯乙烯单体的精馏氯乙烯精馏的原理液体混合物的精馏过程，是基于不同组成混合物的不同物质具有不同的挥发度，也就是具有不同的蒸气压和不同的沸点，借恒压下降低温度或升高温度时，各物质在气相里的组成和在液相里的组成的差别，来获得分离的。精馏必须具备两个条件：一是由塔底加热釜(或称再沸器)使物料产生上升的蒸气；二是由塔顶冷凝器使部分蒸气冷凝为向下流的液体(又称回流)。在连续精馏塔的每一块理论塔板上，均发生部分气化和部分冷凝。塔顶部的蒸气所含易挥发组分(低沸点组分)较多，温度也低些；塔底部的液体所含难挥发组分(高沸点组分)较多，温度也较高些。以低沸塔某一层塔板为例，当上层塔板下流的液体(含有较多的易挥发乙炔)与下层塔板上升的蒸气(含有较少的易挥发乙炔)接触时，两者发生了气液相之间的热量和物质传递，使易挥发组分乙炔以扩散方式逸入上升的蒸气中，而难挥发组分氯乙烯则以相反的方向进入向下流的液体中。也即，气液通过一次接触，上升蒸气中易挥发组分乙炔的含量将因液体的部分气化而增多；向下流的液体中难挥发组分氯乙烯的含量将因蒸气的部分冷凝而增多。通过许多块塔板上气液相间的热量和物质传递，使上升蒸气达到塔顶部时，含有很浓的易挥发组分乙炔，而向下流的液体到达塔底部时，则含有很浓的难挥发组分氯乙烯(几乎不含乙炔)，从而实现完全的分离。氯乙烯单体的精馏的工艺流程图2—6氯乙烯精馏工艺流程图1-全凝器2-水分离器3-低沸塔4-中间槽5-尾冷凝器6-水分离器7-高沸塔8-成品冷凝器9-单体贮槽第三章电石法制氯乙烯工段物料及热量衡算方法3.1乙炔法年产40万吨氯乙烯反应器的物料衡算（1）计算范围以反应器为计算范围,如图所示.图3—1氯乙烯物料衡算框图（2）主、副反应C2H2+HCl==CH2=CHClC2H2+2HCl==CH3CHCl2C2H2+H2O==CH3CHO按反应乙炔计，氯乙烯产率99.4%，二氯乙烷产率0.54%乙醛产率0.66%（3）计算任务原料消耗量和产物气摩尔组成。（4）基准年工作时8000h。400000×1000kg÷8000h=50000kg/h以小时为基准（以下计算中，不再写1/h）.（5）选择数据产物气冷凝、精馏等质量收率96.5%。乙炔转化率为98.5%C2H2:HCl=1:1.1(摩尔分数)原料乙炔组成(摩尔分数)乙炔99.0%，氮0.97%，水0.03%。原料氯化氢组成（摩尔分数）氯化氢95.0%，氢4.97%，水0.03%。（6）计算过程产物气氯乙烯量=50000÷96.5%=51813.47kg=3238341.88mol主反应乙炔量=51813.47kg÷62.5g/mol×26g/mol=21554.40kg=56041440mol主反应氯化氢量=56041440mol=1535381.92kg乙炔总反应量=21554.40÷99.4%=21684.51kg=834019.62mol纯乙炔加入量=21554.40÷98.5%=21882.64kg=841640mol原料乙炔加入量=841640mol÷99.0%=850141.41mol原料乙炔中含氮量=850141.41×0.97%=8246.37mol=230.90kg原料乙炔含水量=850141.41×0.03%=255.04mol=4.59kg纯氯化氢加入量=841640×1.1=925804mol=33791.85kg原料氯化氢加入量=925804÷95.0%=974530.53mol原料氯化氢中含氢量=974530.53×4.57%=44536.05=89.07kg原料氯化氢中含水量=974530.53×0.03%=292.36mol=5.33kg生成二氯乙烷量=21684.51×26g/mol×99g/mol×0.54%=445.87kg副反应消耗氯化氢量=445.87×2×36.5g/mol÷99g/mol=328.77kg剩余氯化氢量=33791.85kg-30259.07kg-328.77kg=3204.01kg剩余乙炔量=21882.64kg-21684.51kg=198.13kg生成乙醛量=21684.51kg÷26g/mol×44g/mol×0.06%=22.02kg水反应量=22.02kg÷44g/mol×18g/mol=9.01kg剩余水量=4.59kg+5.33kg-9.01kg=0.91kg原料乙炔加入质量=21882.64kg+230.90kg+4.59kg=22118.13kg原料氯化氢加入质量=33791.85kg+89.07kg+5.33kg=33886.25kg氮、氢不参加反应。（7）列出物料衡算表表3-1物料衡算表物料名称相对分子质量输入输出质量/kg质量分数/(%)质量/kg质量分数/(%)乙炔氯化氢水氮气氢气氯乙烯二氯乙烷乙醛2636.51828262.5994421882.6433791.859.92230.9089.0739.2360.590.0180.410.16198.133204.019.01230.9089.0751813.47445.8722.020.355.720.0160.410.15992.500.7960.039合计56004.38100.056002.48100.0年总计448035040448019840年产40万吨氯乙烯，乙炔的年输入量为17.51万吨，年输出量为1.59万吨，年反应消耗量为15.92万吨；氯化氢的年输入量为27.03万吨，年输出量为2.56万吨，年反应消耗量为24.47万吨；水的年输入量为79.36吨，年输出量为72.08吨，年反应消耗量为7.28吨。氯乙烯年产量为41.45万吨，二氯乙烷年产量为0.36万吨，乙醛年产量为176吨。3.2氯乙烯反应器的物料衡算数据作热量衡算。(1)计算范围以反应器为计算范围。(2)主、副反应C2H2+HCl==CH2=CHClC2H2+2HCl==CH3CHCl2C2H2+H2O==CH3CHO按反应乙炔计，氯乙烯产率99.4%，二氯乙烷产率0.54%乙醛产率0.66%（3）计算任务移出热量和循环冷却水量。（4）基准时间1h,温度298k（25℃），相态为气态。（5）选择数据298k标准生成热如下：△fHmq（CH2CHCl）=35.17KJ/mol△fHmq(C2H2)=226.89KJ/mol△fHmq(HCl)=－92.36KJ/mol△fHmq(CH3CHCl2)=－130.01KJ/mol△fHmq(CH3CHO)=－166.48KJ/mol△fHmq(H2O)=－242.01KJ/mol表3-2摩尔定压热容数据物质摩尔定压热容Cp,m/「KJ.(mol.k)-1」25～80℃25～160℃C2H2HClH2ON246.629.133.834.129.2物质摩尔定压热容Cp,m/「KJ.(mol.k)-1」25～80℃25～160℃H2CH2CHClCH3CHCl2CH3CHO28.929.160.986.162反应混合气进口温度80℃，反应温度160℃，产物气出口温度160℃。冷却水进口温度95℃，出口温度99℃。热损失为反应放热的2%。（6）计算过程298K反映热效应：△rHmq（主）=37.17KJ/mol-226.89KJ/mol+92.36KJ/mol=-97.36KJ/mol△rHmq（深加成）=-130.01KJ/mol-226.89KJ/mol+242.0KJ/mol=-151.36KJ/mol△rHmq（水合）=-166.48KJ/mol-226.89KJ/mol+242.0KJ/mol=-151.36KJ/molQ放(298K)=-∑△rHmq=834019.62×（97.36×99.4%+172.18×0.54%+151.36×0.06%）KJ=834019.62×99.785KJ=83222647.78KJ反应混合气带入热：Q带入=(21882.6÷26×46.6+33791.85÷36.5×29.2+9.92÷18×33.8+230.90÷28×29.2+89.07÷2×28.9)×（80-25）KJ=67800.389×55KJ=3729.02MJ产物气带入热：Q带出=（198.13÷26×51.1+3204.01÷36.5×29.8+9.01÷18×34.1+230.90÷28×29.2+89.07÷2×28.9+51813.47÷62.5×60.9+445.87÷99×86.1+22.02÷44×62）×（160-25）KJ=55464.96×135KJ=7487.77MJ热损失：Q损=2%×83222.65=1664.45MJQ放（298K）+Q带入=Q带出+Q移出+Q损Q移出=Q放（298K）+Q带入-Q带出-Q损=83222.65MJ+3729.02MJ-7487.77MJ-1664.45MJ=77799.45MJ冷却水量：m=Q/c△t=79463.9÷4.187÷（99-95）t=4744.68t(7)列出热量衡算表表3-3热量衡算表输入输出项目热量/MJ%项目热量/MJ%反应器带入热298k反应放热3729.0283222.654.2995.71产物气带出热移出热热损失7487.7777799.451664.458.6189.471.92合计86951.67100总计86951.67100年总计695613360695613360本设计年产40万吨氯乙烯，通过热量衡算，反应带入热为29832万MJ；298K反应放热为66578万MJ。产物气带出热为59902万MJ，移出热为62239万MJ，热损失为1331万MJ。第四章电石法制氯乙烯工段的主要设备4.1合成部分设备合成炉是制造氯化氢气(或盐酸)的主要设备。目前工艺上应用比较广泛的是调制合成炉，它又分为空气冷却式和水冷夹套式两种。图4-1给出了日产I00吨盐酸，设备容积32m³的大型空气冷却式钢制合成炉的结构。其炉体是由中间圆柱筒体和上下双锥形顶底盖构成，外壁均匀烧焊有32条散热翅片，以增加空气自然冷却面积。炉底装有氢气和氯气混合燃烧的石英灯头，氯气的分配管靠上端的地方，均匀设置30只宽度18㎜的长孔，以使氢气均匀地与氯气混合燃烧。烧灯头处有快开式点火手孔及观察火焰的视镜，炉顶部设量防爆孔，防爆膜可采用石棉高压纸板材料，由防爆孔法兰夹套(上设防雨罩)，为有利散热，合成炉一般均置于露天操作．借下锥体上的四只文耳安装于钢架上。除空冷式合成炉外，还有水冷夹套式合成炉，图4-2为大型(日产45吨)水冷式刚制合成炉结构图。由于强化传热过程，可使其生产能力提高1／3左右；在不降低炉温条件下，可延长炉子的使用寿命(至3～5年)，充分利用氯化氢反应的余热(如用作采暖热水)。因此，这种水冷夹套式合成炉愈来愈广泛地被人们所采用，为避免炉壁温度过低而发生炉体内水蒸汽冷凝而腐蚀设备，有人建议将进水温度控制在60～80℃以上，尚能在夹套侧形成沸腾给热而提高余热利用率。由于石墨具有耐腐蚀、耐高温、传热效率高等优点，石墨制合成炉的应用也越来越广泛。工业上多见用炉外壁喷淋冷却水的水冷式石墨炉，以降低炉内氯化氢温度和提高生产能力。这种炉子是由炉底、炉盖和炉身三部分组成的圆筒状设备，筒体直径常见在400～600mm。炉身为不浸渍(透性)石墨材料，外壁涂以石墨粉为填树的酚醛涂料；炉底和炉盖则用酚醛浸渍的不透性石墨制作。由于炉身是透性石墨材料，炉压一般是负压操作。图4-1空气冷却钢制合成炉结构图图4-2水冷胶套是钢制合1-防爆膜；2-炉体；3-点火口1-防爆膜；2-炉体；3-点火4-氯气灯头；5-氢气灯头；4-套管式灯头；5-视镜6-视镜；6-支座；7水冷夹套7-浮头；8-钢壳4.2列管式石墨换热器石墨换热器是用于冷却或加热氯化氢或其他腐蚀性气体的设备，主要有列管式和块孔式。图4-3给出了上盖设置冷却水箱的浮头列管式石墨换热器，可用于合成炉经空气冷却导管后的高温氯化氢气的冷却，水箱的设置可以降低气体进口部位特别是上管板的温度，不致经受高温而使管板与列管的胶接缝处因材料热膨胀系数差异而胀裂损坏。由图可见。与气体接触部分均用石墨材料制造，这种石墨是浸渍过酚醛或糠铜树脂的所为“不造性石墨”。如上、下管板是由小尺寸石墨块交叉胶接后，经过车圆、浸渍、钻孔、浸渍、再精加工而完成的，列管则是由石墨粉与酚醛树脂捏合挤压成型的；列管与管板(或浮头)间借酚醛胶泥粘合而成。列管外的壳体是通入冷却水，所以可用普通低碳钢制作，折流扳选用硬聚氯乙烯树料。下管板又称浮头，当操作温度高于或低于安装温度时，石墨列管由于具有较大的热膨胀系数，使它比钢质的外壳体发生较大的伸长或收缩．钢壳体与浮头间的填料函结构，就是为了防止因这种温差引起的伸缩不致使石墨管或胶接处拉裂而产生泄漏的结构。也就是说，借支耳立式安装的石墨换热器，上管板和钢壳是固定的，当操作温度变化时，由于列管与外壳伸缩下一致，导致浮头、底盖，乃至与底盖相连的管道都有观察不到的伸缩(或称作浮动)，这就是浮头式石墨换热器的重要性，所以，当与底盖连接的管道直径较大，弯头直管段较短难以自然热补偿时，应根据伸缩情况加设管道热补偿器。显而易见，对于列管式石墨换热器，立式安装比斜式或卧式安装更有利于浮头的白由仲箔。图4-3列管式石墨换热器结构图1-法兰；2-上管板3-填料；4-压盖；5-半开环；6-底盖；7-支座；8-散热翅片；9-石墨列管；10-折流板；11-支耳；12-冷却水箱4.3水洗泡沫塔设备4.3.1构造塔身1为了防止盐酸的腐蚀和氯乙烯的溶胀作用，采用衬一层橡胶作为底衬，再衬两层石墨砖，总厚度达33mm左右；筛板2采用厚度6~8mm的耐酸酚醛玻璃布层压板，经钻孔加工而成；筛板共4~6块，均夹于塔身大法兰之间，这种不加支撑环的筛板结构有利于增加整个塔截面积的利用率；溢流管4可由硬聚氯乙烯焊制，再借硬聚氯乙烯套环夹焊固定于筛板上，上管端伸出筛板的高度自下而上逐渐减小。4.3.2工作原理吸收水自塔顶第一块塔板加入，在该塔板上与上升的粗氯乙烯气体接触，形成具有一定高度的泡沫层；在泡沫层内气液相进行传质过程，使气相中的氯化氢被水吸收为盐酸；经由溢流管借位差流入下一层筛板，重复上述的质量传递过程；借加入水量的控制，调节液体在筛板上泡沫层的停留时间，使稀酸浓度达到20~25%范围(外卖或脱吸法的吸收液)；通过视镜3可以观察到筛板上泡沫层的高度及气液湍动接触的情况，判断塔设备的工作质量。图4-4水洗泡沫塔结构图1-塔身；2-筛板；3-视镜；4-溢流管；5-花板；6-滤网4.4转化器4.4.1构造转化器