年产10万吨氯乙烯工艺设计.doc
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本科毕业设计
（2016届）
题目：
年产10万吨氯乙烯工艺设计
学院：
化学化工学院
专业：
化学工程与工艺
学生姓名：
郑浩东学号：
21207052076
指导教师：
詹益民职称（学位）：
合作导师：
职称（学位）：
完成时间：
2016年月日
成绩：
黄山学院教务处制
学位论文原创性声明
兹呈交的学位论文，是本人在指导老师指导下独立完成的研究成果。
本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。
本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。
声明人（签名）：
年月日
年产10万吨氯乙烯工艺设计
Processdesignofvinylchloridewithannaloutputof100kt
目录
摘要 I
ABSTRACT II
前言 1
第一章绪论 2
1.1聚氯乙烯 2
1.1.1聚氯乙烯性质和用途 2
1.2氯乙烯VC 4
1.2．1氯乙烯在国民经济中的地位和作用 4
1.2.3我国VC的产需状况及预测 5
1.3氯乙烯制取方法 6
1.4氯乙烯的合成 7
1.4.1反应机理 7
1.4.2催化剂的选取 7
1.5氯乙烯生产工艺流程简述 10
1.5.1生产工艺流程 10
1.5.2主要原料和产物的物化性质 11
第二章工艺计算 13
2.1物料衡算 13
2.1.1计算依据 13
2.1.2各单元的物料衡算 13
2.2热量衡算 21
2.2.1热量衡算式 21
2.2.2有关物化数据表 21
2.2.3相应各个设备的热量衡算 22
第三章主要设备及管道管径设计与选型 29
3.1转化器的设计与选型 29
3.1.1已知条件 29
3.1.2数据计算 29
3.1.3手孔 31
3.1.4封头的选择 31
3.2精馏塔的设计与选型 31
3.2.1求精馏塔的气、液相负荷 33
3.2.2求操作线方程 33
3.2.3塔径的计算 34
3.2.4精馏塔有效高度的计算 37
3.2.5管径的计算 37
3.3主要管道管径的计算与选型 39
3.3.1HCl进料管 40
3.3.2乙炔气进料管 40
3.3.3石墨冷却器的进料管 41
3.3.4多筒过滤器的进料管 41
3.3.5转化器的进料管 41
3.3.6转化器的出料管 42
3.3.7石墨冷却器进料管 42
3.3.8部分管道一览表 42
第四章生产中的注意事项 43
4.1生产中常见物质的危害及处理方法 43
结论 51
参考文献 53
附录 54
附录A工艺流程图 54
附录B主要设备图 54
年产10万吨氯乙烯工艺设计
化学化工学院化学工程与工艺郑浩东（21207052076）
指导老师：
詹益民
摘要：
氯乙烯是化学工业重要有机化工原料，其市场供需量也愈来愈庞大，在化工生产中的地位不断攀升。
由于近年来全世界氯乙烯的生产发展很快，其产量及消费需求也都迅猛增长;而在国内也随着我国聚氯乙烯等行业的不断发展，带动了我国氯乙烯消费量的不断增加。
本设计主要对氯乙烯的物性、用途及国内外生产消费现状进行分析，对其现有各种生产工艺做简要介绍，根据设计任务要求确定了本生产工艺流程，对氯乙烯的生产、分离及提纯阶段精馏塔进行详细计算，并根据物性及操作条件等综合因素对塔设备结构进行计算、设计、选型，对辅助设备进行相应的设计计算。
做出我认为年产20万吨氯乙烯理想的设计方案。
关键字：
增加；氯乙烯；聚氯乙烯；精馏塔；计算
Processdesignofvinylchloridewithannaloutputof100kt
Abstract:
Vinyl chloride is an important organic chemical raw materials in chemical industry, its market supply and demand quantity will become more and more large and the position of Vinyl chloride will be rise in chemical production. Due to the production of vinyl chloride is developing very fast in the world, the production and consumption demand are growing rapidly; With the continuous development of PVC industry in China, our country's vinyl chloride consumption also increased. This design mainly analyze the vinyl chloride’s physical properties, use and production, and consumption status at home and abroad.Also brifely introducing the existing production process .According to the requirement of design task,making sure the production process and calculating the production, separation and purification of vinyl chloride. Considering the comprehensive factors such as physical properties, operating conditions and so on,we calculate the tower equipment‘s structure, design, select type, and calculate the design of auxiliary equipment.Finally making the ideal design scheme from my side which can output 100 kt of vinyl chloride every year
Keywords:
Addition;Vinylchloride;PolyvinylChloride;Distillationcolumn;Calculate
II
前言
本设计是根据设计任务的要求，对年产二十万吨氯乙烯的工艺初步设计，广泛收集了聚氯乙烯（（PolyvinylChloride，简称PVC）、氯乙烯（vinylChloride;简称VC）工艺化工设计的相关资料作为设计依据。
对PVC的性质和国内外发展状况进行了介绍，并着重对VC工艺发展状况、工艺选择、性质、工艺流程及合成原理，相关的物料性质、物料衡算、设备选型、管道设计作了较为详细的阐述，以理论设计为主，参考了大量资料和书籍，力求接近实际、切合实际。
第一章绪论
1.1聚氯乙烯
1.1.1聚氯乙烯性质和用途[1]
常温常压下，氯乙烯（vinyl chloride，CH2=CHCl）是无色气体，具有微甜气味，微溶于水，溶于烃类，醇，醚，氯化溶剂和丙酮等有机溶剂中，氯乙烯沸点-13.9℃，易聚合，并能与乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯，偏二氯乙烯、丙烯腊、丙烯酸酯等单体共聚，而制得各种性能的树脂，加工成管材、面膜、塑料地板、各种压塑制品、建筑材料、涂料和合成纤维等。
近年来世界和中国聚氯乙烯树脂消耗比例分别见表1.1和表1.2。
表1.1近年来世界聚氯乙烯树脂消耗比例
品种
比例/%
品种
比例/%
PVC
硬
制
品
管材
33
PVC
软
制
品
薄膜片材
13
护墙板
8
地板地砖
3
薄膜和片材
8
合成皮革
3
吹塑制品
5
电线电缆
8
其他
6
其他
13
合计
60
合计
40
表1.2近年来中国聚氯乙烯树脂消耗比例
品种
比例/%
品种
比例/%
PVC
硬
制
品
管材
14
PVC
软
制
品
薄膜片材
11
护墙板
18
地板地砖
8
薄膜和片材
15
合成皮革
7
吹塑制品
5
电线电缆
4
其他
5
其他
13
合计
57
合计
43
1.2氯乙烯VC
1.2．1氯乙烯在国民经济中的地位和作用
自1835年法国化学家V.Regnault首先发现了氯乙烯，于1838年他又观察到聚合体，这就是最早的聚氯乙烯。
聚氯乙烯自工业化问世至今，六十多年来仍处不衰之势。
占目前塑料消费总量的29%以上。
到上世纪末，聚氯乙烯树脂大约以3%的速度增长。
这首先是由于新技术不断采用，产品性能亦不断地得到改进，品种及牌号的增加，促进用途及市场的拓宽。
其次是制造原料来源广、制造工艺简单。
产品质量好。
在耐燃性、透明性及耐化学药品性能方面均较其它塑料优异。
又它是氯碱行业耗“氯”的大户，对氯碱平衡起着举足轻重的作用。
从目前世界主要聚氯乙烯生产国来说：
一般耗用量占其总量的20～30%。
特别是60年代以来，由于石油化工的发展，为聚氯乙烯工业提供廉价的乙烯资源，引起了人们极大的注意，因而促使氯乙烯合成原料路线的转换和新制法以及聚合技术不断地更新，使聚氯乙烯工业获得迅猛的发展。
1.2.2我国VC的产需状况及预测
1998年我国PVC产量和表观需求量分别为160万吨和317万吨。
在世界上产 量仅次于美国（639万吨）、日本（263万吨）居第三位。
2000年前后，计划新建和扩建PVC能力至少为88万吨/年，估计此期间大量没有竞争能力的电石法小厂将闲置，所以总产能有可能达220万吨/年水平，其中乙烯法将达134.6万吨/年，从目前占31%上升到61%。
1.3氯乙烯制取方法
1835年法国人V.勒尼奥用氢氧化钾在乙醇溶液中处理二氯乙烷首先得到氯乙烯。
20世纪30年代，德国格里斯海姆电子公司基于氯化氢与乙炔加成，首先实现了氯乙烯的工业生产。
初期，氯乙烯采用电石，乙炔与氯化氢催化加成的方法生产，简称乙炔法。
以后，随着石油化工的发展，氯乙烯的合成迅速转向以乙烯为原料的工艺路线。
1940年，美国联合碳化物公司开发了二氯乙烷法。
为了平衡氯气的利用，日本吴羽化学工业公司又开发了将乙炔法和二氯乙烷法联合生产氯乙烯的联合法。
1960年，美国陶氏化学公司开发了乙烯经氧氯化合成氯乙烯的方法，并和二氯乙烷法配合，开发成以乙烯为原料生产氯乙烯的完整方法，此法得到了迅速发展。
乙炔法、混合烯炔法等其他方法由于能耗高而处于逐步被淘汰的地位。
1.4氯乙烯的合成[2]
氯乙烯是由乙炔与氯化氢在升汞催化剂存在下的气相加成的。
1.4.1反应机理
+124．8kJ/mol（1-6）
上述反应实际上是非均相的，分5个步骤来进行，其中表面反应为控制阶段。
I外扩散乙快、氯化氢向碳的外表面扩散；
II内扩散乙炔、氯化氢经碳的微孔通道向外表面扩散；
III表面反应乙炔、氯化氢在升汞催化剂活化中心反应发生加成反应生成氯乙烯；
IV内扩散氯乙烯经碳的微孔通道向外表面扩散；
V外扩散氯乙烯自碳外表面向气流中扩散。
1.4.2催化剂的选取[15]
载体活性炭，升汞
对于HCl与C2H2化合生成氯乙烯的反应,要求使用的催化剂具有高活性和高选择性。
目前,电石法生产氯乙烯常用的催化剂是以活性炭为载体（孔隙率即吸苯率>=30%,机械强度>90%）浸渍吸附质量分数为10%~12%的氯化汞制备而成的,其具体标准参见（YS/T31-1992氯化汞触媒技术标准）。
1.5氯乙烯生产工艺流程简述
1.5.1生产工艺流程
缓冲器
乙炔砂封
混
合
器
石墨冷却器
多筒过滤器
石墨预热器
转化器
除汞器
水洗塔
碱洗塔
冷却器Ⅱ
图1.1生产工艺流程
由乙炔工段送来的精制乙炔气，经乙炔砂封，与氯化氢工序送来的氯化氢气体经缓冲罐通过孔板流量计调节配比（乙炔/氯化氢=1/1.05～1.1）在混合器中充分混合，进入石墨冷却器，用-35℃盐水间接冷却，冷却到-14℃±2℃，乙炔氯化氢混合气在此温度下，部分水分以40%盐酸排出，部分则夹带于气流中，进入串联的酸雾过滤器中，由硅油玻璃棉捕集器分离，然后混合气经石墨冷却器，由流量计控制进入串联的第一组转化器，在列管中填装吸附于活性炭上的升汞催化剂，在催化剂的作用下使乙炔和氯化氢合成转化为氯乙烯，第一组出口气中尚有20～30%未转化的乙炔，再进入第二级转化器继续转化，使出口处未转化的乙炔控制在3%以下，第二组转化器填装活性较高的新催化剂，第一组则填装活性较低的，即由第二组转化器更换下来的旧催化剂即可。
合成反应放出的热量通过离心泵送来的95～100℃左右的循环水移去。
粗氯乙烯在高温下带逸的氯化汞升华物，在填活性炭吸附器中除去，接着粗氯乙烯进入水洗泡沫塔回收过量的氯化氢。
泡沫塔顶是以高位槽低温水喷淋，一次（不循环）接触得20%盐酸，装大贮槽供罐装外销，气体再经碱洗泡沫塔，除去残余的微量氯化氢后，送至氯乙烯气柜，最后去精馏工段。
1.5.2主要原料和产物的物化性质
I氯化氢
分子式：
HCl分子量：
36.5
性质：
无色有刺激性气味的气体。
标准状态下密度为1.00045克/升，熔点-114.80℃，沸点-85℃。
在空气中发白雾，溶于乙醇、乙醚，极易溶于水，标准状况下，1升水可溶解525.2升的HCl气体。
规格：
纯度≥93%水分≤0.06%
II乙炔
分子式：
C2H2分子量：
26
性质：
在常温常压下为无色气体，具有微弱的醚味，工业用乙炔因含有氯化氢、磷化氢等杂质而具有特殊的刺激性臭气。
规格：
纯度：
≥98.5%不含硫、磷、砷等杂质。
III氯乙烯
分子式：
CH2＝CHCl分子量：
62.50
沸点：
-13.9℃熔点：
-160.0℃
蒸汽相对密度：
2.15（空气为1）液体相对密度：
0.9121（20℃）
爆炸极限：
在空气中3.6～26.4%（体积）
第二章工艺计算
2.1物料衡算
由于各化工单元操作连续，故采用倒推法，根据转化率或者损失率计算出原料的投入量，再按顺序对各个单元操作进行衡算。
2.1.1计算依据
I计算基准
年产能力：
年产100kt的氯乙烯
年工作日：
以330天计算
日产量：
100×106÷330=3.0455×105kg（2-1）
小时产量：
3.0455×105÷24=12689.5kg（2-2）
即，每小时要合成氯乙烯12689.5kg，以下计算均以1h为基准。
II化学反应式：
主反应：
（2-3）
副反应：
（2-4）
（2-5）
（2-6）
III倒推法计算：
精馏（氯乙烯的收率[1]：
99.5%）：
12689.5÷99.5%=12753.26kg=204.052kmol（2-7）
转化器（乙炔的转化率：
95%）：
204.052÷95%=214.7915kmol（2-8）
因此，进气中C2H2需214.7915kmol
2.1.2各单元的物料衡算
（1）混合器的物料衡算
混合器
C2H2
HCl
O2
H2O
乙炔
氯化氢
图2.1混合器的物料衡算简图
C2H2和HCl的最适宜的摩尔比是：
1:
1.05～1.1[2]
本设计选取：
nC2H2:
nHCl=1:
1.08
I进料气组成：
表2.1进料气组成
进料气
组分
含量/%
乙炔气
C2H2
99.5
H2O
0.5
氯化氢
HCl
99.95
H2O
0.01
惰性气体（以O2计算）
0.04
因此，进料气所需乙炔气：
214.7915÷99.5%=215.871kmol（2-9）
进料气所需的氯化氢气体：
214.7915×1.08÷99.95%=232.091kmol（2-10）
即，
C2H2：
214.7915kmol（5584.579kg）
HCl：
231.975kmol（8467.0875kg）
O2：
232.091×0.04%=0.0928kmol（2.971kg）（2-11）
H2O：
232.091×0.01%+215.871×0.5%=1.1025kmol（19.845kg）（2-12）
II出料气组成：
极少量的水分以浓盐酸的形式流出，此时课忽略流出的浓盐酸量。
C2H2:
214.7915kmol
HCl：
231.975kmol
O2：
0.0928kmol
H2O：
1.1025kmol
III混合器的物料衡算表
表2.2混合器的物料衡算表
进料
质量/kg
W/%
出料
质量/kg
W/%
C2H2
5584.579
39.679
C2H2
5584.579
39.679
HCl
8467.0875
60.159
HCl
8467.0875
60.159
O2
2.971
0.000211
O2
2.971
0.000211
H2O
19.845
0.1410
H2O
19.845
0.1410
Σ
14074.4825
100
Σ
14074.4825
100
（2）石墨冷却器
C2H2
HCl
O2
H2O
混合气
石墨冷却器
盐酸
图2.2石墨冷却器的物料衡算简图
由于在石墨冷却器中，用-35℃盐水间接冷却，混合气中水分一部分则以40%盐酸的形式排出，部分则混合在气流中。
查阅相关资料，即设混合器中水分以40%盐酸排出的量占水总量的30%[2]。
I进料气组成：
C2H2:
214.7915kmol
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