年产6万吨PVC配套乙炔工段工艺设计Word下载.doc
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polyvinylchlorideacetylenecalciumcarbideProductivetechnology
前言
聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯单体（VC）均聚或与其他多种单体共聚而制得的合成树脂，聚氯乙烯再配以增塑剂、稳定剂、高分子改性剂、填料、偶联剂和加工助剂，经过提炼、塑化、成型加工成各种材料。
当前，PVC生产面临着严重的挑战。
比如：
生态环境的保护，潜在替代品的市场竞争，资源的进一步优化配置，能量的合理充分利用，生产过程的优化和高效率化，生产和使用效率的提高，应用技术和市场开拓等，都在不同程度上影响着PVC的进一步发展，在上述问题上仍有大量工作要做，对生态环境安全的配套助剂，环境保护技术（包括PVC废弃物的回收，再利用和处理）等方面，更需要花大力气加以研究。
1绪论
1.1产品名称及性质
1.1.1产品名称
乙炔
1.1.2分子式
C2H2，分子量为26.04
1.1.3产品说明
工业电石乙炔中因含有杂质磷化氢等而有特殊臭味。
在温度-83.6℃和0.1MPa压力下，乙炔变为无色、易流动的液体。
温度继续下降，即成为白雪状物质。
在0℃和0.1MPa压力下，1L液态乙炔可得382.5L气态乙炔。
1.2产品特性
1.2.1物理性质
1.2.1.1密度
乙炔气体在不同的温度下的密度分别见表1.1。
表1.1不同温度下乙炔的密度
温度℃
-15
-10
-5
5
10
15
20
25
30
35
密度kg/m3
1.23
1.21
1.19
1.17
1.15
1.13
1.11
1.09
1.07
1.05
1.03
1.2.1.2热容、粘度、导热系数
表1.2乙炔气体热容、粘度、导热系数与温度的关系
温度
/K
定压
热容
J/mol·
K
粘度
μPa·
s
导热系数
×
10-3W/（m·
K）
J/mol·
10-3（m·
200
40.23
6.884
13.06
650
58.78
20.166
63.22
250
42.87
8.641
17.5
700
60.16
21.352
69.5
300
45.43
10.34
22.36
750
61.46
22.501
75.78
350
47.81
11.958
27.55
800
62.63
23.616
82.06
400
50.03
13.492
33.08
850
63.72
24.699
87.92
1.2.1.3溶解度
①在水中的溶解度
乙炔在水中的溶解度随温度的升高而减小；
随压力的升高而增大。
乙炔气体在0.1MPa下在水中的溶解度与温度的关系见表达1.3。
表1.3乙炔气体在0.1MPa下在水中的溶解度与温度的关系
温度/℃
溶解度（升C2H2/升H2O）
1.73
1.49
1.31
0.93
0.84
40
50
60
70
80
90
溶解度（升C2H2/升H2O）
0.65
0.5
0.37
0.25
0.15
0.05
②在其它溶剂中的溶解度
乙炔能溶解在许多无机和有机的溶剂中，乙炔在某些溶剂中的溶解度见表：
表1.4乙炔在某些液体中的溶解度
溶剂
乙炔溶解度
（L/L）
NaCl饱合溶液
0.60
苯
4.00
CS2
1.00
乙醇
6.00
水
1.10
工业乙酸乙酯
14.80
四氯化碳
2.00
丙酮
25.00
1.2.1.4着火点的着火温度
乙炔的着火点为305℃。
表1.5乙炔与空气或氧气混合时的着火温度
气体
乙炔，
空气
乙炔，
氧气
体积组成
50%，
50%
30%，70%
10%，90%
80%，20%
50%，50%
着火温度℃
353
374
387
352±
2
354±
386±
1.2.1.5自燃点
乙炔的自燃点为406～440℃。
1.2.1.6在空气中允许之有害浓度
一般情况下：
C2H2小于0.5毫升/升，如有0.1%PH3存在时：
C2H2小于0.0005mL/L。
1.2.1.7爆炸性
乙炔物理性质中最危险的就是其爆炸性，因此，在使用、包装、储运中均应引起高度重视。
①自爆性
乙炔属不饱合烃，很不稳定，较易发生分解爆炸。
在高温高压下，更具有分解爆炸的危险性。
压力0.15MPa的工业乙炔，在温度超过550℃时，将全部分解爆炸，其反应式为：
C2H22C+H2
②乙炔与其它气体混合物的爆炸性
乙炔与空气混合时，其混合气的爆炸极限为乙炔含量2.3%～81%（2.5%～80%体积）,最危险的范围为7%～13%。
乙炔与氧混合时，当乙炔的含量为2.3%～93%在1个大气压下加热至300℃以上即行爆炸最危险的范围为O2含量在30%～50%。
乙炔与氯气混合时，在日光作用下就会激烈反应引起爆炸。
③当乙炔溶解时，其分子为溶剂所分散，此时，乙炔的爆炸能力就降低，而极限压力（超过此压力时，乙炔就爆炸分解）则大大增高，例如溶于丙酮中的乙炔，在压力9.8MPa（表压）时，虽引火也不致发生爆炸。
④当温度在500℃以下时，并无接触剂存在，而空气的浓度又未达到爆炸浓度时，在压力低于0.196MPa（表）时则发生器内的乙炔就不可能发生爆炸分解。
⑤当乙炔与铜盐、银盐及汞盐的水溶液相互作用时，能生成具有爆炸性的各种乙炔化物。
1.2.2化学性质
1.2.2.1加成反应
①加氢反应乙炔在催化剂存在下能与氢加成。
其反应如下：
CH≡CH+H2CH2＝CH2
②加氯反应
CH≡CH+Cl2CHCl＝CHCl
③加卤化氢反应
CH≡CH +HClCH2＝CHCl
2CH≡CH+HClCHCCl＝CH2
④加氢化氰反应
CH≡CH+HCNCH2＝CHCN
⑤加醋酸反应
CH≡CH+CH3COOHCH2＝CHCOOCH3
1.2.2.2水合反应
CH≡CH+H2OCH3CHO
1.2.2.3氨化反应
3CH≡CH+NH3甲基吡啶
1.2.2.4炔化反应
乙炔与丙酮进行炔化反应生成甲基丁炔醇，再经选择加氢和脱水可得异戊二烯。
1.3原料特性
1.3.1电石
1.3.1.1一般性状
电石的学名叫碳化钙，分子式CaC2，分子量64.10。
化学纯碳化钙几乎是无色透明的晶体。
极纯的碳化钙结晶是天蓝色的大晶体，其颜色与淬火的钢相似，不溶于任何溶剂中。
化学纯的碳化钙只能在实验室中用直接加热金属钙和纯炭的方法制得。
通常所说的电石是指工业碳化钙而言，其中主要含有碳化钙外，还含有少量其它杂质。
表1.6含85.3%碳化钙的电石组成
序号
组分
分子式
组成（%）
1
碳化钙
CaC2
85.3
氧化钙
CaO
9.5
3
二氧化硅
SiO2
2.1
4
氧化铁
Fe2O3
1.45
氧化铝
Al2O3
6
氧化镁
MgO
0.35
7
碳
C
1.2
1.3.1.2物理性质
①外观
电石的颜色随其含碳化钙的量不同而异，通常为灰色，有时呈棕黄色或黑色。
电石新断面呈灰色，碳化钙含量较高的电石新断面呈紫色。
电石新断面暴露在空气中就会吸收空气中的水份而失去光泽，变成灰白色粉未。
②熔点
电石的熔点随其碳化钙含量的多少而改变。
③生成温度
电石的生成温度为1800℃。
④粘度
液态电石的粘度很大。
当温度一定时，粘度随碳化钙含量的增加而增大，而当碳化钙含量一定时，其粘度随温度的降低而增加。
液态电石冷却后就变成脆性的固体。
1.3.1.3化学性质
（1）水解反应
电石不仅能被液态水、水蒸汽所分解，而且能被物理和化学的结合水所分解，其分解产物为乙炔和氢氧化钙或氧化钙。
电石浸入水中时的反应：
CaC2+2H2OCa（OH）2+C2H2
将水滴加在电石上的反应：
CaC2+Ca（OH）22CaO+C2H2
用水蒸汽分解电石，与水分解电石的情况一样，有足量水蒸汽时生成氢氧化钙；
蒸汽量不足且温度超过200℃时则生成氧化钙。
（2）氢还原反应
在无任何水的条件下，电石在干燥氢气流中加热至2200℃以上时，发生以下反应：
CaC2+H2Ca+C2H2
（3）氧化反应
干燥的氧气在高温下将电石氧化生成碳酸钙：
2CaC2+3O22CaCO3+2C
（4）与氮气反应
粉状电石与氮气在加热时生成碳酸钙：
CaC2+N2CaCN2+C
（5）卤素反应
电石与干燥的氯在250℃时反应，生成氯化钙和碳。
溴与电石的反应更加激烈。
CaC2+Cl2CaCl2+C
CaC2+Br2CaBr2+2C
（6）硫蒸汽反应
硫蒸汽与电石反应生成硫化钙和二硫化碳：
CaC2+5SCaS+2CS2
（7）与氨反应
粉状电石在500～600℃下与氨反应，分解成氮和氢；
在650℃下就生成氰氨化钙、氰化铵和氢：
CaC2+4NH3CaCN2+NH4CN+4H2
（8）与磷、砷反应
磷、砷与电石反应生成Ca3P2和Ca3As2，其反应如下：
3CaC2+2PCa3P2+6C
3CaC2+2AsCa3As2+6C
（9）与氯化氢反应
氯化氢在加热时与电石反应析出碳、氢和乙炔。
（10）与金属氧化物反应
电石可还原铝、锡、锌、铁、锰、镍、钴、铬、等金属氧化物生成钙的合金。
（11）与重金属盐反应
电石与重金属盐类的水溶液反应生成相应的金属碳化物，例如：
2CaC2+2CuCl2+2H2OCuC2+Cu（OH）2+2CaCl2+C2H2
用同样的方法，可用铁、镍、钴、锰和汞的氯化物制得相应的金属碳化物。
（12）与硝酸银反应
硝酸银与电石反应，生成C2Ag2、AgNO3。
（13）与浓硫酸反应
浓硫酸与电石反应，生成丁烯醛和树脂。
用重度为1.75的硫酸长时间与电石作用，可生成含硫的化合物。
1.3.2液氯
1.3.2.1性质
黄绿色液体，沸点-34.6℃。
熔点-100.98℃。
在常压下就汽化成气体故需压力下包装在钢瓶中才能储存和运输。
有毒性，具有窒息的气体，吸入人体能严重中毒，有强烈刺激性臭味和腐蚀性。
在日光下与其它易燃气体混合时发生燃烧和爆炸。
氯是很活泼的元素，可以和大多数元素（或化合物）起反应。
1.3.2.2用途
液氯一般汽化后使用，用途极为广泛。
为强氧化剂，用于纺织造纸工业的漂白，自来水的净化、消毒，镁及其它金属的炼制。
制取农药、洗涤剂、塑料、橡胶、医药等各种含氯化合物。
1.4产品的主要用途
1.4.1化学工业
乙炔广泛的应用于基本有机化工合成和三大合成材料。
如丁醇、辛醇、乙醛、醋酸、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯、1，4-丁二醇、丙烯酸等。
合成树脂中的聚氯乙烯，合成纤维单体中的丙烯腈、聚乙烯醇，合成橡胶中的氯丁橡胶等。
乙炔还可以用作许多精细化工产品的原料。
1.4.2金属加工业
乙炔大量用于金属的切割和焊接。
1.4.3其它工业
乙炔可生产炭黑用于制造干电池、无线电原料、导电橡胶等。
1.5产品的包装、贮运方法
1.5.1包装
工业乙炔可包装在专用的钢瓶内。
溶解乙炔包装在内充活性炭和丙酮溶液的特别钢瓶内。
1.5.2输送
工业乙炔大部分用管道输送，少量乙炔用车船输送。
溶解乙炔钢瓶用车船输送。
乙炔为易燃、易爆气体，在管道内输送的流速要小于6m/s，输送压力要小于0.14MPa。
1.5.3储存
乙炔储存在钟罩式气柜内，乙炔钢瓶要储存在离火源和热源规定距离的仓库内。
2工艺方案的选择及流程
2.1工艺方案的选择
由电石发生乙炔，根据工艺过程的特点可分为湿法和干法。
2.1.1湿法乙炔发生
湿法是将电石投入过量的水中，每公斤电石需10～20公斤水。
反应放出的热量大部分被水所吸收。
其杂质为石灰乳。
水澄清后返回发生器使用。
渣浆用泵送至排渣场。
CaC2+2H2OC2H2+Ca（OH）2+30.4Kcal/mol
根据发生器的型式，又可分为立式和卧式两种。
立式发生器的优点是乙炔纯度高，操作温度低，较安全。
2.1.2干法乙炔发生
干法是把少量的水洒在电石上，水量一般为理论量的1.2～1.3倍。
反应热靠过量的水蒸发吸收掉，维持正常的操作温度（100～110℃），其反应式为：
CaC2+H2OCaO+C2H2
干法生产使用的电石粒度小（小于５ｍｍ），其渣为干的粉末，容易处理，但设备复杂，移动设备多，严密性高，操作技术要求高。
2.1.3湿法和干法乙炔发生的比较
表2.1湿法和干法乙炔发生的比较
项目
干法
湿法
电石粒度及质量
粉末状
不能用低级品及粉未
发生器生产能力
大
小
操作法
连续
间歇式半连续
发生器温度
100C~110℃
80±
5℃
发生器压力
乙炔纯度
98.5%左右
98.5%以上
H3P含量
0.05～0.08%
0.05～0.07%
8
H2S含量
0.02～0.05%
30ml/m3
9
经清净后的乙炔纯度
良
电石收率
97%
94～96%
11
电石消耗
略大
12
使用水量
少
多
13
用N2量
14
工时
沉淀池
不需
需要大的
16
熟石灰
较易
不易
17
操作技术
要求高
一般
18
设备要求
复杂
简单
虽然干法乙炔的电石收率高，生产能力大，可以节约生产成本，但技术要求高，设备复杂，在国内干法乙炔的工艺还不够成熟，故目前采用此法的厂不如湿法的多。
本设计依然是采用湿法乙炔发生装置。
2.2湿法乙炔生产原理及工艺流程
2.2.1乙炔发生
2.2.1.1反应原理
电石遇水生成乙炔气和氢氧化钙，同时放出很大的热量。
因工业电石不纯，其中杂质遇水后也能起反应，生成相应的杂气。
其主副反应如下：
主反应：
CaC2+2H2OC2H2+Ca（OH）2+126.9KJ/mol
副反应：
CaO+H2OCa（OH）2+62.76KJ/mol
CaS+2H2OCa（OH）2+H2S
Ca3P2+6H2O3Ca（OH）2+2PH3
Ca3N2+6H2O3Ca（OH）2+2NH3
Ca2Si+6H2O2Ca（OH）2+SiH4
CaAs2+6H2O3Ca（OH）2+2AsH3
由于发生上述副反应，故在粗乙炔气冲含有PH3、H2S、NH3、SiH4、AsH3等杂质。
电石水解生成大量Ca（OH）2碱性介质，使PH3、H2S的水解反应不完全，且由于H2S在水中溶解度大于PH3，因此粗乙炔气中含有较多的PH3，PH3尚可以H4P2形式存在，其在空气中会自然。
2.2.1.2影响发生的因素
（1）电石纯度的影响
电石纯度越高，水解速度越快，单位发气量越大，反之则慢。
（2）电石粒度的影响
电石水解反应是液—固相反应，电石粒度越小，则与水接触表面积越大，反应速度越快。
但粒度也不宜过小，否则水解速度过快，使反应热不能及时移走，发生局部过热而引起分解爆炸危险。
粒度过大，则电石反应慢，在排渣时容易带走未水解的电石，造成电石耗量上升。
表2.2电石粒度与反应速度的关系
电石粒度/mm
2~4
5~8
8~15
15~25
25~50
50~80
1kg电石完全水解时间（分）
1.65
1.82
4.23
13.6
16.57
（3）电石在发生器内停留时间的影响
电石在发生器内的停留时间主要是由发生器的结构决定的，如挡板层数、搅拌速率、耙齿角度等因素对停留时间影响很大。
对一定粒度的电石必须保证其完全水解的停留时间，并能很好地更新电石表面，使电石表面的Ca（OH）2及时移走，以便电石于水有良好的接触，一般有3～5层挡板的发生器，电石停留时间约为10分钟以上。
即使发生器的结构完善，在电石渣中仍有超过反应温度下饱和溶解度的乙炔。
由于乙炔对电石渣固相微粒（5～10mm）表面的吸附作用，以及位反应完的电石微粒为12倍于其直径的Ca（OH）2紧包着，使电石不易分解。
2.2.1.3反应温度的影响
电石水解反应了是加入过量水移去，通常理论上每吨电石水解需水量为0.56吨。
为控制在一定的温度，一般发生器加水量（包括所用废水）会适当增加。
反应温度的高低是通过调节加水量的多少来控制的。
不同粒度的电石在不同温度下水解速度的区别是较大的。
随着温度的升高，水解速度加快，小粒度电石更为显著。
同时，随着反应温度的上升，乙炔在电石渣中溶解度下降，显著的降低电石消耗。
因此，适当提高反应温度是比较有利的。
反应温度越高，排渣含固量越高，造成排渣困难，另外，反应温度越高，粗乙炔气中水蒸气含量增加及浆渣夹带增加，造成后面冷却负荷加大及堵塞管道。
因此，综合上述情况及安全等方面考虑，水解温度不宜过高，一般控制在80℃±
5℃为宜。
2.2.2乙炔气的压缩
2.2.2.1原理
水环压缩机又叫水环泵，泵的外壳为圆形中有偏心安装的转子，转子上有叶板，泵内以水充满到一定高度，当转子旋转是形成水环，由于具有偏心距，此水封将叶板封着，而使叶板间形成许多小室。
在旋转的前半周，这些小室增大，由于通过进口处将气体吸入，在旋转的后半周，小室的体积缩小，于是将气体压缩，迫使气体从压出口排出，往返连续运行，即乙炔连续压送的过程。
2.2.3乙炔清净
2.2.3.1原理
乙炔清净主要是除去乙炔中对后面工序正常生产有
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