摘要氯堿工業(yè)是現(xiàn)在我國較為成熟的一種化工行業(yè)，主要是以現(xiàn)行較為基礎(chǔ)的氫氧化鈉和PVC為主要產(chǎn)品。作為基礎(chǔ)的化工行業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品擁有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)市場，特別是PVC現(xiàn)在在的各大化工產(chǎn)品交易平臺(tái)上交易量一直處于前三。而現(xiàn)行的工藝主要是以銅基汞為催化劑，對于生態(tài)環(huán)境不太友好。所以對于現(xiàn)行的工藝進(jìn)行改進(jìn)也是勢在必行。本次設(shè)計(jì)是以XXXXXXXX股份有限公司的年產(chǎn)320kt/aPVC的氯乙烯單體合成車間為依據(jù)的工藝改進(jìn)，為年產(chǎn)100kt/aPVC的氯乙烯單體合成的工藝流程。采用的原料是以現(xiàn)行較為普遍的HCL和C2H2，采用現(xiàn)在較為先進(jìn)的無汞型催化劑進(jìn)行工藝的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括了工藝的方法的確定、工藝的物料與的熱量衡算、所設(shè)計(jì)工藝的設(shè)備選型、設(shè)備布置、廠址的選擇以及管道布置。物料衡算主是為了確定生產(chǎn)原料的消耗量，熱量衡算主要是為了確定公用工程換熱量和換熱器設(shè)計(jì)與校核提供了依據(jù)。設(shè)備的選型包括了換熱器、壓縮機(jī)、液體輸送離心泵、等進(jìn)行設(shè)備類型的計(jì)算與選擇，最后計(jì)算管道的管徑以完成管道布置圖。關(guān)鍵詞：氯乙烯單體；合成；無汞催化AbstractChlor-alkaliindustryisnowmorematureinChinaachemicalindustry,mainlybasedonthecurrentmorebasicsodiumhydroxideandPVCasthemainproduct.Asthebasisofthechemicalindustryproducedbytheproducthasastrongeconomicmarket,inparticular,PVCisnowinthemajorchemicalproductstradingplatformtradingvolumehasbeeninthetopthree.Thecurrentprocessismainlybasedoncopper-basedmercuryasacatalystfortheecologicalenvironmentisnotveryfriendly.Soforthecurrentprocesstoimproveisalsoimperative.ThisdesignisbasedonInnerMongoliaJunzhengChemicalEnergyCo.,Ltd.withanannualoutputof320kt/aPVCvinylchloridemonomersynthesisworkshopbasedontheprocessimprovementfortheannualoutputof100kt/aPVCvinylchloridemonomersynthesisprocess.TherawmaterialsusedarethemostcommonHCLandC2H2,usingthemoreadvancedmercury-freecatalystforthedesignprocess.Thedesignincludesthedeterminationofthemethodoftheprocess,thematerialofthematerialandtheheatbalance,thedesignoftheequipmentselection,equipmentlayout,siteselectionandpipelinelayout.Materialbalanceistodeterminetheconsumptionofrawmaterials,heatbalanceismainlytodeterminetheheattransferandheatexchangerdesignandverificationprovidedthebasis.Equipmentselectionincludesheatexchangers,compressors,liquiddeliverycentrifugalpumps,etc.tocalculateandselectthetypeofequipment,andfinallycalculatethepipediametertocompletethepipelinelayout.Keywords:vinylchloridemonomer;synthesis;mercury-freecatalysis目錄 TOC\o"1-3"\h\u24645引言 引言本設(shè)計(jì)是進(jìn)行氯乙烯單體合成的無汞催化的改進(jìn)，主要是以君正集團(tuán)的氯乙烯合成工藝為基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)。由于君正化工所采用的是現(xiàn)行較為普遍的催化劑（HgCl2/CuCl2）雖然成本較為低，但隨著現(xiàn)今的環(huán)保越來越被重視，這種催化劑帶來不可逆轉(zhuǎn)的化境污染越來越不能被忽略。環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的一再加強(qiáng)導(dǎo)致污水中所含的汞處理的難度不斷增加所帶來的生產(chǎn)成本的不斷攀升和氯堿工業(yè)的飽和等等一系列問題的產(chǎn)生，致使PVC的利潤空間不斷被壓榨。所以新工藝的設(shè)計(jì)與改進(jìn)也是勢在必行。綜合上述的問題和通過文獻(xiàn)的查找，最終本人采用的是現(xiàn)行最為先進(jìn)的催化劑（AuCl3）以及(Ru/AC)進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)，進(jìn)行無排放環(huán)境友好型的工藝設(shè)計(jì)和改進(jìn)。主要是為了解決當(dāng)今氯堿工業(yè)所處的尷尬的局面。本次設(shè)計(jì)目的是年產(chǎn)100kt/aPVC單體的工藝設(shè)計(jì)，本人采用的的方法是C2H2和HCL合成氯乙烯單體的方法。運(yùn)用當(dāng)前最為精確的設(shè)計(jì)軟件ASPENPLUS進(jìn)行生產(chǎn)車間的模擬和物料衡算，采用ASPENPLUSEDR為輔助軟件進(jìn)行換熱器的計(jì)算和選型，以及采用ASPENPLUSENERGEYANALYZER進(jìn)行熱量衡算以及公用工程換熱量的計(jì)算，以及各類小型選型軟件，最終通過各種軟件的通力配合完成本次的工藝設(shè)計(jì)。

第一章總論1.1說明書1.1.1設(shè)計(jì)依據(jù)《XXX工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)任務(wù)書》《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016-2014）《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50160-92)《化工工藝設(shè)計(jì)施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定》（HG20519-2009）1.1.2設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想（1）符合化工行業(yè)政策，遵守建設(shè)施工的法律法規(guī)。（2）節(jié)約資源，限定生產(chǎn)規(guī)模。（3）保護(hù)環(huán)境，控制三廢的產(chǎn)生（4）采用較合理的工藝確保正常穩(wěn)定的進(jìn)行1.1.3設(shè)計(jì)范圍對于君正化工能源氯乙烯單體合成工段的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，主要包括：合適的工藝路線選擇，工藝參數(shù)的合理設(shè)定，生產(chǎn)車間的合理規(guī)劃，所用設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型，管道工程的合理配置和公用工程合理設(shè)計(jì)（主要是安全方面）。1.1.4設(shè)計(jì)的規(guī)模以及產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)者應(yīng)要求所設(shè)計(jì)出的規(guī)模為100kt/aPVC氯乙烯單體合成的工藝設(shè)計(jì)，本方案是以XXX君正能源化工（烏達(dá)區(qū)）氯乙烯單體合成工藝為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。主要是在于環(huán)保化，無廢排出方面的改進(jìn)。1.1.5主要合成原料及其消耗和來源途徑合成工段主要是將乙炔工段產(chǎn)品和氯氫工段的產(chǎn)品在催化劑和適合的溫度和壓力情況下合成出氯乙烯單體并將單體送至精餾加工和聚合工段的這么一個(gè)過程。所以原材料的組成就是：（1）97%HCL和3%H2O組成（2）100%無C2H2或者97%C2H2和3%H2O組合其中對于消耗量來講：以一年為8000小時(shí)計(jì)算每年的產(chǎn)量大概是200koml,由于本人設(shè)計(jì)的工藝無廢物排出，所以原料消耗量大概在C2H2210kmol/a和HCL240kmol/a(ASPENPLUS模擬中有詳細(xì)計(jì)算)。主要原材料的規(guī)格如表1-1所示。表1-1主要原材料的規(guī)格原料壓力（bar）溫度（℃）水含量（%）HCL0.55253C2H20.552511.1.6合成工藝的描述和工藝流程框圖一．合成工藝的簡述設(shè)計(jì)者考慮到原工藝的浪費(fèi)和環(huán)境的不友好，故而針對次兩個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，一下進(jìn)行簡要的工藝描述。原材料進(jìn)入了合成工段會(huì)進(jìn)入以下幾個(gè)步驟：氯化氫進(jìn)入合成工段由于其中含有較為少量的水，這會(huì)對后繼的合成精餾等設(shè)備造成腐蝕，所以需要進(jìn)行原料的預(yù)處理。原料的預(yù)處理包括：一級石墨冷卻、二級石墨冷卻、一級除酸霧、二級除酸霧、進(jìn)入水汽分離，最終進(jìn)入混合器混合。乙炔進(jìn)入混合器前由于乙炔的低閃點(diǎn)和易燃易爆性質(zhì)，一旦處理不好會(huì)導(dǎo)致爆炸的事故，所以進(jìn)入混合前需要進(jìn)行乙炔阻火處理。混合后的混合氣需要進(jìn)行加壓和控溫的處理以便達(dá)到反應(yīng)的條件才能進(jìn)入反應(yīng)器中反應(yīng)，所以混合氣需要進(jìn)行一級石墨冷卻、二級石墨冷卻、一級除酸霧、二級除酸霧、加壓和反應(yīng)換熱的操作。反應(yīng)后的粗氯乙烯是無法進(jìn)行聚合需要進(jìn)行粗氯乙烯精制，粗氯乙烯需要進(jìn)入低沸塔將所含的氯化氫和乙炔等高沸原料分離出來重新與原料混合打入反應(yīng)器中反應(yīng)。隨后低沸物再次進(jìn)入高沸塔分離出精制氯乙烯和二氯乙烷，二氯乙烷收集后打入另一反應(yīng)器與乙炔反應(yīng)生成氯乙烯，所生產(chǎn)的氯乙烯進(jìn)入儲(chǔ)罐。隨后精制氯乙烯進(jìn)入氯乙烯聚合工段。二．合成工藝流程框圖二級級石墨冷冷卻器一級石墨冷冷卻器二級級石墨冷冷卻器一級石墨冷冷卻器HCLHCLvcm儲(chǔ)罐低沸精餾二氯乙烷反應(yīng)器高沸精餾低沸精餾反應(yīng)前加壓和換熱反應(yīng)器二級除酸霧二級冷卻一級冷卻一級除酸霧混合器HCL乙炔阻火器一級除霧器二級除霧器vcm儲(chǔ)罐低沸精餾二氯乙烷反應(yīng)器高沸精餾低沸精餾反應(yīng)前加壓和換熱反應(yīng)器二級除酸霧二級冷卻一級冷卻一級除酸霧混合器HCL乙炔阻火器一級除霧器二級除霧器1.2廠址概況XXXX有限公司座落在烏海市烏達(dá)區(qū)工業(yè)園區(qū)，園內(nèi)有大約120多所化工企業(yè)，交通便利，面積遼闊切資源分豐富，此地的資源優(yōu)勢顯示的淋漓盡至。1.3地質(zhì)水文條件及氣象資料烏達(dá)工業(yè)園區(qū)地處于黃河上游，擁有較為便利的水資源。烏海的煤炭儲(chǔ)備相當(dāng)豐富為化工提供了有效的能源。而且園區(qū)內(nèi)是溫帶大陸性氣候、氣候干燥、雨量較少、為設(shè)備腐蝕損耗的降低提供了可能性。第二章工藝系統(tǒng)2.1工藝概述2.1.1裝備設(shè)計(jì)與組成及工序簡介PVC年產(chǎn)100kt/a的氯乙烯單體合成，所消耗的原料大概為氯化氫240kmol/a，乙炔210kmol/a。裝備的組成組要有：除霧器3臺(tái)、換熱器21臺(tái)、壓縮機(jī)6臺(tái)、反應(yīng)器8臺(tái)、精餾塔3座、氯乙烯氣柜一臺(tái)。氯乙烯合成由于有化學(xué)反應(yīng)所以工藝過程較為復(fù)雜，而且精餾伴隨著相態(tài)變化所以能耗也是較為其他工藝相對較多一些。和新階段就是乙炔法合成氯乙烯。2.1.2VCM合成的現(xiàn)狀及公司選擇此方法的原因一．VCM合成的現(xiàn)狀現(xiàn)行的氯乙烯合成較為普遍的的方法，也是當(dāng)今全球范圍內(nèi)一直延續(xù)使用的方法大概分為：電石-乙炔合成率乙烯法、乙烯-氯氣合成氯乙烯法、乙烷-乙烯合成氯乙烯法、乙烷合成氯乙烯法等四種較為常見的方法。電石乙炔法合成氯乙烯單體工藝是乙炔和氯化氫在催化劑的催化作用和適宜的溫度壓力下發(fā)生的乙炔加成反應(yīng)，從而獲得氯乙烯產(chǎn)品。此工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、設(shè)備供應(yīng)來源廣、規(guī)范操作詳細(xì)等。表2.1乙炔法反應(yīng)式乙炔來源CaO+3C→CaC2+COCaC2+2H2O→Ca(OH)2+CH≡CH主反應(yīng):CH≡CH+HCl→H2C=CHCl主要副反應(yīng):CH≡CH+2HCl→CH3-CHCl2CH≡CH+H2O→CH3-CHO反應(yīng)機(jī)理:CH≡CH+HgCl2→ClCH=CH-HgClClCH=CH-HgCl+HCl→CH2-CHCl+HgCl乙烯法合成氯乙烯單體工藝所謂的乙烯直接氯化就是將乙烯碳原子上的一個(gè)氫原子用氯原子進(jìn)行替換還，直接氯化一般分為兩種方法：液相替換與氣相替換。液相替換是指以二氯乙烷為溶劑氯化鐵為催化劑，通入原料使物料在適宜的溫度、壓力下反應(yīng)最終獲得產(chǎn)物的方法。氣相替換是指物料是以氣相形式采用鐵、鋁、鈣的氯化物為催化劑，在適宜的溫度與壓力下反應(yīng)獲得最終產(chǎn)物。而工業(yè)上一般以液相法為主要的生產(chǎn)方法。反應(yīng)原理乙烯直接氯化以液相法為例，反應(yīng)物料在以二氯乙烷（EDC）為溶劑的環(huán)境下，采用的是氯化鐵為催化劑溶解在EDC中。這種反應(yīng)是一種兩相放熱反應(yīng)。反應(yīng)物料從反應(yīng)器的下端進(jìn)入，在溶劑上層生成氯乙烯，下層生成副產(chǎn)物二氯乙烷。表2.2乙烯法合成氯乙烯法反應(yīng)式主反應(yīng):C2H4+Cl2→C2H4Cl2(EDC)副反應(yīng):C2H4Cl2(EDC)+Cl2→CH2Cl-CHCl2+HClC2H4+HCl→C2H5Cl乙炔-乙烯法合成氯乙烯單體工藝這種方法是兩種方法的集合，乙炔法的的優(yōu)點(diǎn)是流程簡單、設(shè)備少，但是來的缺點(diǎn)就是生產(chǎn)能力相對較小無法滿足但工業(yè)生產(chǎn)的要求，而乙炔法優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟能夠滿足進(jìn)行大工業(yè)的生產(chǎn)的需求，但是生產(chǎn)流程過長間接提高了生產(chǎn)的成本。而此方法綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了流程較為簡單，生產(chǎn)能力出眾的要求。但由于其中原料的的來源為輕質(zhì)烴類，所以并未被大范圍接受使用。表2.3乙炔-乙烯法合成反應(yīng)式主反應(yīng)C2H4+Cl2→C2H4ClC2H4Cl→C2H3Cl+HClC2H2+HCl→C2H3Cl乙烷法合成氯乙烯單體工藝乙烷法是一種新興的氯乙烯合成法，此方法合成的原料富含乙烷的天然氣，原料的直接來自于大自然，所以帶來的成本極大地降低?，F(xiàn)如今許多工藝開發(fā)公司都在開發(fā)關(guān)于乙烷合成氯乙烯的工藝，由于原料的限制和工藝的不成熟此工藝并未在各地區(qū)廣泛使用。反應(yīng)式為:C2H6+2Cl2→C2H3Cl+3HCl二．公司選擇此方法的原因君正化工選擇的工藝是電石乙炔法合成氯乙烯單體工藝原因有以下幾點(diǎn)：（1）工藝成熟，這個(gè)工藝是大部分工廠所選擇的工藝。主要是其較高的穩(wěn)定性不容易發(fā)生生產(chǎn)事故，安全措施較完善時(shí)基本不會(huì)發(fā)生停車維修的事故?？梢员ＷC一年300天的，滿額生產(chǎn)。（2）轉(zhuǎn)化率高，配合氯化汞催化劑（師傅們稱之為觸媒）實(shí)際生產(chǎn)催化轉(zhuǎn)化率基本可以達(dá)到99.5%以上，而其他的催化劑實(shí)際生產(chǎn)中無法達(dá)到理論值。（3）催化劑穩(wěn)定性較高，催化劑更換一般是20~30天為一周期。為生產(chǎn)大大節(jié)省了生產(chǎn)成本。（4）價(jià)格較低，相比于其他貴金屬催化劑來說汞催化劑的價(jià)格較低，節(jié)省生產(chǎn)成本。（5）君正有自己的電石生產(chǎn)車間，不需要外購電石這一生產(chǎn)材料。節(jié)省了生產(chǎn)成本。2.1.3改進(jìn)后方法介紹由于現(xiàn)行的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)越來越高，汞催化劑的優(yōu)勢一直被壓榨導(dǎo)致生產(chǎn)的成本不斷攀升，君正的工藝主管也不斷抱怨污水處理難的問題。所以設(shè)計(jì)者此次突破了現(xiàn)行的限制放棄了現(xiàn)行最為普遍的汞催化劑而選擇了AuCl3催化劑。下邊進(jìn)行催化劑的比較：表2.4催化劑的性能比較HgCl2AuCl3轉(zhuǎn)化率%99.599.9選擇性%99100(48小時(shí)內(nèi))穩(wěn)定性穩(wěn)定穩(wěn)定環(huán)境友好度不友好友好設(shè)計(jì)者在參考君正化工工藝的同時(shí)發(fā)現(xiàn)工廠生產(chǎn)的二氯乙烷基本都分離后外排，設(shè)計(jì)者認(rèn)為這種處理方式會(huì)對環(huán)境造成較大的污染而且對于生產(chǎn)的原材料也是一種浪費(fèi)。無形中也增加了生產(chǎn)的成本。所以設(shè)計(jì)者考慮如果以二氯乙烷為原料采用工藝方法將其轉(zhuǎn)化為氯乙烯存在可能性，那將會(huì)減少一大部分的生產(chǎn)成本。通過查找文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)有一種催化劑可以在適當(dāng)?shù)臏囟认聦⒍纫彝榕c乙炔轉(zhuǎn)化為氯乙烯，這種催化劑是Ru/AC。在此催化劑作用下的反應(yīng)方程式是：CH2ClCH2Cl2+C2H2→C2H3ClΔH=-52KJ/mol由于此催化劑的存在直接可以解決過量乙炔氣無法處理和二氯乙烷的浪費(fèi)，設(shè)計(jì)者認(rèn)為這是本次設(shè)計(jì)的出眾點(diǎn)。2.1.4生產(chǎn)制度生產(chǎn)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)時(shí)間8000h/a,采用四班三倒的倒班制度，一個(gè)班工作時(shí)間為8小時(shí)。2.2產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格現(xiàn)行的產(chǎn)品有較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)規(guī)格，如果生產(chǎn)沒有達(dá)到產(chǎn)品的規(guī)格是無法售賣出去的。也就是說沒有利潤可言。ASPENPLUS工藝流程模擬3.1工藝流程氯乙烯單體合成工段包括了原料前處理，進(jìn)料前處理，反應(yīng)合成，粗氯乙烯精餾，過量原料循環(huán)，二氯乙烷反應(yīng)幾個(gè)工序組成。下邊介紹個(gè)各工工藝的實(shí)施。進(jìn)料前處理：出了包括HCl和C2H2的處理，HCL處理具體是由于HCl氣體中含有3%的水。如果不處理會(huì)對后續(xù)設(shè)備腐蝕，嚴(yán)重影響了設(shè)備的壽命。這里采用HCl首先進(jìn)入一級、二級的石墨冷凝和一級、二級除霧器，隨后進(jìn)入水汽分離器獲得水含量極低的HCl氣體。而乙炔工段出來的乙炔氣體也含有少量的水混合后也會(huì)對設(shè)備腐蝕，故而也需要其做除水操作。步驟與氯化氫處理類似。進(jìn)料前處理是當(dāng)兩種氣體混合后需要將混合氣體通入一級、二級石墨冷凝器和一級、二級除霧器除去揮發(fā)的酸霧氣體，隨后進(jìn)入壓縮機(jī)和換熱器組提升溫度以及壓力以準(zhǔn)備進(jìn)入反應(yīng)器?；旌蠚怏w進(jìn)入反應(yīng)器后在催化劑和合適的溫度壓力下發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)出氯乙烯單體。粗氯乙烯單體無法進(jìn)入聚合工段所以需要將其精制，粗氯乙烯首先進(jìn)入低沸塔分離出的低沸物重新打回混合器再次反應(yīng)，高沸物進(jìn)入高沸塔塔頂分離出的為精制氯乙烯單體，塔底的二氯乙烷進(jìn)入二氯乙烷反應(yīng)工段。二氯乙烷在催化劑和適宜的溫度壓力下與乙炔反應(yīng)生成氯乙烯。在此工段設(shè)計(jì)者在此工段放置了一個(gè)低沸塔塔頂分離出的是氯乙烯乙炔的混合器打入粗氯乙烯低沸精餾塔中，而塔底的二氯乙烷重新打回反應(yīng)器中。

綜述上述步驟，設(shè)計(jì)的工藝完成原料循環(huán)。最終得到了一個(gè)沒有外排、物料完全反應(yīng)的循環(huán)工藝。3.2流程模擬圖3.1ASPENPLUS流程圖3.2.1ASPENPLUS模擬各模塊的選擇一．換熱器模塊的選擇Aspen模擬本工藝的時(shí)候一般需要先考慮在原生氣體通過加熱和加壓的處理以達(dá)到目標(biāo)溫度和壓力才能讓其進(jìn)入反應(yīng)器中參加反應(yīng)，所以換熱器加入模擬過程中是本次設(shè)計(jì)不可缺少的。設(shè)計(jì)者本次采用的換熱器模塊是Heater（簡潔式換熱器計(jì)算模塊），因?yàn)樵O(shè)計(jì)者認(rèn)為如果僅限于溫度的提升這種模塊是最為直接和方便的。在后續(xù)過程中會(huì)選擇ASPENEDR軟件進(jìn)行精確的選型和校核。二．分離器模塊的選擇設(shè)計(jì)者先前提到過的前處理工段，目的是為了除去氣體中含有的水組分以防止設(shè)備的腐蝕。這里設(shè)計(jì)者選擇的是閃蒸模塊（flash2計(jì)算模塊），設(shè)計(jì)者的思想是將氣體通過降溫后通過閃蒸根據(jù)同壓降下不同的揮發(fā)性的氣體性質(zhì)以達(dá)到分離的效果。三．反應(yīng)器模塊的選擇反應(yīng)器的模擬是相對復(fù)雜的一種模塊，因?yàn)槔镞叞鞣磻?yīng)和副反應(yīng)，里邊一旦出現(xiàn)輸入?yún)?shù)出錯(cuò)或者說反應(yīng)環(huán)境的未匹配，出現(xiàn)的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)天差地別。并且會(huì)對后續(xù)的設(shè)備模擬計(jì)算產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。設(shè)計(jì)者這里選擇的反應(yīng)器模塊是Rstoic(化學(xué)計(jì)量反應(yīng)器)這個(gè)模塊的優(yōu)勢是根據(jù)化學(xué)系數(shù)推算出反應(yīng)熱和產(chǎn)出物料的流量。四．塔器模塊的選擇在本工藝中塔器模塊主要是用于粗氯乙烯單體的分離和剩余原料的循環(huán)再利用，設(shè)計(jì)者在多方考慮之下，認(rèn)為以簡潔精餾模塊進(jìn)行操作即可完成所需要的工作。所以選擇了DSTWU（簡介精餾塔模塊）用于分離和原料打循環(huán)的操作。3.2.2ASPENPLUS工藝模擬步驟和各模塊模擬情況的簡介ASPENPLUS模擬工藝主要分為以下幾個(gè)步驟：首先去確定整個(gè)工藝中所需要的組分（包括生產(chǎn)中的原料和產(chǎn)品），確定之后在aspen的數(shù)據(jù)庫中選擇對應(yīng)的組分并輸入component中并且確定各組分計(jì)算模型。隨后選擇各個(gè)模擬模塊置于stimulate面板中，并將參數(shù)輸入各個(gè)模塊中。鏈接各個(gè)物料線并且輸入起始組分和百分比。運(yùn)行軟件進(jìn)行計(jì)算，查看結(jié)果進(jìn)行錯(cuò)誤和警告的修改，隨后進(jìn)行結(jié)果的調(diào)優(yōu)處理。查看模擬結(jié)果，記錄各種數(shù)據(jù)以備用。一．換熱器模擬的情況工藝的模擬過程中一共采用了13個(gè)換熱器模擬模塊，如果將其一一鋪述開會(huì)很影響說明書的流暢性。所以本人挑選了一個(gè)特例進(jìn)行描述。設(shè)計(jì)者在次選擇了原料預(yù)處理的一級石墨冷凝器作為參考。表3-155KPa下一級石墨冷卻器模擬（summary）Outlettemp（℃）Outletpre(bar)VapfarHeatduty(gcal/h)Netduty15.82909360.550.981385703-0.058601445-0.058601445表3-255KPa下一級石墨冷卻器模擬結(jié)果（balance）TotalUnitsInOutRef.diffMole-flowkmol/hr2402400Mass-flowkg/hr8529.209288529.209280EnthalpyGcal/hr-5.72365426-5.782255710.0101347031據(jù)表可知換熱器輸出溫度是16℃左右，這遠(yuǎn)達(dá)不到進(jìn)入閃蒸設(shè)備的要求，所以需要進(jìn)行二次冷去處理，這也符合了工藝設(shè)計(jì)的兩級冷卻的觀點(diǎn)。二．閃蒸罐模擬的情況設(shè)計(jì)者在模擬的過程中采用了兩個(gè)flash2模塊，第一個(gè)是為了除去水蒸氣第二個(gè)是為了除去酸霧。兩者具有相通的原則，所以本人選擇除水的閃蒸罐進(jìn)行介紹表3-3除水閃蒸罐的模擬（summary）Outlettemp（℃）Outletpre(bar)VapfarHeatduty(gcal/h)Netduty-64.23433811.450.9-0.218477678-0.218477678表3-4除水閃蒸罐的模擬（balance）TotalUnitsInOutRef.diffMole-flowkmol/hr2402400Mass-flowkg/hr8529.209288529.20928-4.26531779E-16EnthalpyGcal/hr-5.72365426-5.782255710.0361103207使用閃蒸模塊的目的是為了將水出去從結(jié)果（balance）來看可知進(jìn)出料不恒等有原料的損失也就是說明這在進(jìn)行除水期間水將原料氣帶走了極小部分，這部分可以算作物料損失，也是符合化工設(shè)計(jì)的原則。三．反應(yīng)器模擬的情況表3-5反應(yīng)器的模擬（summary）Outlettemp（℃）Outletpre(bar)VapfarHeatduty(gcal/h)Netduty1705.451-5.61074347-5.61074347表3-6反應(yīng)器的模擬（balance）TotalUnitsInOutRef.diffMole-flowkmol/hr55486.465355277.0578-2.62260628E-16Mass-flowkg/hr2021069.282021069.28-2.30403427E-16EnthalpyGcal/hr-1152.14013-1157.750880.0048462442四．塔模擬的情況工藝中有三個(gè)塔作為分離的設(shè)備，所以設(shè)計(jì)者選用了氯乙烯高沸塔器作為示例作為分析。表3-7反應(yīng)器的模擬（summary）Minimumrefluxratio0.286486371Actualrefluxratio0.343783646Minimumnumberofstages8.15951374Numberofactualstages26.4498097Feedstage10.3283208Numberofactualstagesabovefeed9.32832081Reboilerheatingrequired1.63946862Gcal/hrCondensercoolingrequired0.495594809Gcal/hrDistillatetemperature29.9383817CBottomtemperature115.399076CDistillatetofeedfraction0.505828649表3-8反應(yīng)器的模擬（balance）TotalUnitsInOutRel.diffMole-flowkmol/hr424.978141424.9683182.31E-05Mass-flowkg/hr34070.991334070.01912.85E-05EnthalpyGcal/hr-7.24660208-6.10234728-0.157902254可以看出高沸精餾塔實(shí)際板的數(shù)量是27塊板，進(jìn)料板數(shù)為11板，輸入?yún)?shù)時(shí)選擇的是全回流，最終的出來的各物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3-9所示：表3-9高沸塔精餾流股數(shù)據(jù)S29S26S27TemperatureC71.4115.429.9Pressurebar654.7VaporFrac001MoleFlowkmol/hr424.978210.002214.966MassFlowkg/hr34070.99120780.87813289.141VolumeFlowcum/hr33.29620.2841152.574EnthalpyGcal/hr-7.247-7.4211.319MoleFlowkmol/hrC2H20.086trace0.086HCL5.508trace5.508H2O0.001trace0.001C2H3CL209.3720.021209.351C2H4CL2190.025190.0060.0191:2-D-0119.98619.976至此介紹完了上述關(guān)鍵設(shè)備模擬的結(jié)果。物料衡算4.1簡述本次設(shè)計(jì)工藝是氯乙烯單體合成工藝的設(shè)計(jì)和改進(jìn)目的是為了實(shí)現(xiàn)原料氣的高效利用和無排放以及無汞催化劑的首次使用。為原料的節(jié)省和環(huán)境的保護(hù)提供了依據(jù)。4.2物料衡算4.2.1物料衡算的基本原理物料衡算是基于物料守恒的一種計(jì)算方式：（進(jìn)料和）-（出料和）=（系統(tǒng)物料積累量）當(dāng)系統(tǒng)中有化學(xué)反應(yīng)時(shí)可表示為：（進(jìn)料和）-（出料和）+（反應(yīng)所消耗物料量）-（反應(yīng)生成產(chǎn)品量）=（系統(tǒng)物料累積量）利用以上兩個(gè)關(guān)系，可以對整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行物料衡算。4.2.1總工藝的物料衡算根據(jù)模擬可知年消耗乙炔為210kmol/hr、氯化氫為240kmol/hr而年產(chǎn)氯乙烯單體為209kmol/hr。各流股具體數(shù)據(jù)詳見附錄一換熱網(wǎng)與能量集成5.1換熱網(wǎng)5.1.1換熱網(wǎng)概述氯乙烯單體合成工藝上對于溫度的要求是比較苛刻的，所以在反應(yīng)前、反應(yīng)時(shí)、精餾等過程中均存在流股溫度的提高與降低，而且對于精餾塔頂和塔釜出來的氣體個(gè)或者其他換熱器換熱物料均存在可利用的能量。所以換熱網(wǎng)絡(luò)的意義就是在于將可利用的能量進(jìn)行合理的分配，以達(dá)到能量的最有效地利用。5.1.2換熱網(wǎng)集成此工藝的換熱流股存在多條加熱流股和多條冷卻流股比如：反應(yīng)器前預(yù)熱、塔的再沸器是需要加熱的。而石墨冷卻器、塔頂冷凝器是需要冷卻的。所以需要將不同的的換熱流股進(jìn)行計(jì)算求夾點(diǎn)以計(jì)算出最小的冷熱工程用量。這里設(shè)計(jì)者是通過將ASPENPLUS的數(shù)據(jù)帶入energyanalyzer中進(jìn)行的換熱模擬。通過此軟件能夠進(jìn)行清晰的分析。換熱信息如表5-1表5-1換熱網(wǎng)絡(luò)物流信息（部分）流股物流符號(hào)入口溫度出口溫度Mcp焓值S31_To_S32040.9255397170.925541610954.088209424031.9S18_To_S300-51.2670122-1.267012191608434.16880421708.444_To_51152.49409216.49409161367779.1041_To_2122.829093615.8290936245352.51752_To_3015.829093622.8290936245352.5175S5_To_S6180.70097796.700977939492.447106702441.08565.2夾點(diǎn)和最小冷熱工程用量ASPENPLUS中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入energyanalyzer中后可以確定是以上的物料信息，通過建立方案可以得到相應(yīng)的最小溫差，得到相對應(yīng)的H-T圖如圖5-1。圖5-1工藝設(shè)計(jì)H-T經(jīng)過模擬可以看出最小溫度差是10℃，可以由圖可知此時(shí)夾點(diǎn)以熱流股為基準(zhǔn)是20℃、以冷流股為基準(zhǔn)夾點(diǎn)溫度為10℃。此時(shí)需要的公用工程提供能量為0KJ/hr.根據(jù)上述H-T圖可以設(shè)計(jì)出換熱方案，換熱網(wǎng)絡(luò)圖如下：圖5-2換熱網(wǎng)絡(luò)圖通過網(wǎng)絡(luò)圖可以得知換熱方案換熱器各項(xiàng)指標(biāo)見于附錄二設(shè)備選型6.1概述前邊描述了物料衡算，熱量衡算之后。為了能夠承載上述的能量和物料量并且能夠達(dá)到工藝的要求需要對工藝中的設(shè)備進(jìn)行選型。設(shè)計(jì)者的設(shè)備選型包括了：換熱器、反應(yīng)器、壓縮機(jī)的選型。6.2換熱器的選型在換熱器的選型中，設(shè)計(jì)者通過ASPENEDR換熱器設(shè)計(jì)和校核軟件進(jìn)行換熱器的選型。從而對換熱器長度、管程、殼程、折流板、換熱管的排布方式有一個(gè)較為直觀的認(rèn)識(shí)。再次設(shè)計(jì)者選用了3個(gè)換熱器進(jìn)行換熱器的選型。6.2.1換熱器選型的步驟參考ASPENPLUS模擬數(shù)據(jù)選取所需要的物性參數(shù)，例如：溫度、壓力、流速，流股物質(zhì)、換熱介質(zhì)等將上述參數(shù)一一輸入ASPENEDR點(diǎn)擊run按鈕等待結(jié)果修改結(jié)果中的警告和錯(cuò)誤選取合適的管徑和管布置方式提取裝配圖保存為cad格式6.2.2除霧器前換熱器設(shè)計(jì)與校核除霧器前換熱的目的是將物料HCl進(jìn)行冷卻以達(dá)到進(jìn)入除霧器的溫度范圍，目的是為了將物料HCl中3%的水除去。由于HCl含水時(shí)對設(shè)備有腐蝕性，所以物料走管程而換熱介質(zhì)殼程比較合理。通過ASPENPLUS中獲得數(shù)據(jù)如表6-1所示:表6-1除霧器前換熱物性數(shù)據(jù)物性ID管程殼程質(zhì)量流kg/h10609氣相分率in11氣相分率out11進(jìn)口溫度℃91.7-55出口溫度℃-49.2-49進(jìn)口壓力bar5.455.45出口壓力bar5.255.35允許壓降bar0.250.1一．殼體的結(jié)構(gòu)選擇設(shè)計(jì)者為配合工藝的要求，殼體的選擇選用的是E型殼體；前封頭選擇的是制作較為便捷的B型封頭。由于管程和殼程都是氣體壓降比較大，所以選擇M型固定管板式。殼側(cè)選擇的是錯(cuò)流式換熱。殼體內(nèi)徑選擇遵循著325-1800mm的規(guī)則選擇了1045mm作為換熱器殼體內(nèi)徑，設(shè)計(jì)出的是臥式換熱器，所以殼體的方向也應(yīng)為水平方向。二．折流板的結(jié)構(gòu)選擇折流板也是換熱器中一個(gè)不可或缺的組件，這里設(shè)計(jì)者選擇用的是singlesegmental，折流板的方向是垂直于殼體的方向，也就是說折流板同樣垂直于流量的流向。剪切的面積一般規(guī)定于25%-35%之間本次選用的是30%，折流板的間距也是嚴(yán)格遵循與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用管程的1/3.三．管的結(jié)構(gòu)選擇管的選擇有較為寬泛的選擇范圍，從種類來說一般換熱管分為：光滑、粗糙、螺紋三種。從長度來說可以選擇3-6m的管程。如是沒有相態(tài)的變化，則管程甚至可以選擇6-9m.管徑一般可選用19.05、20、25mm如過特殊定制將會(huì)有特殊的管徑可選。管徑的排布方式分為30°、45°60°排布。而本次換熱器設(shè)計(jì)選擇了20mm換熱管徑、排布方式選擇了30°的排布方式、又由于管內(nèi)帶有腐蝕氣體所以選擇光滑管。6.2.2二氯乙烷反應(yīng)前換熱器設(shè)計(jì)與校核二氯乙烷前換熱器是將反應(yīng)物料進(jìn)行加熱到反應(yīng)規(guī)定溫度的一臺(tái)換熱器，反應(yīng)物料主要包括二氯乙烷和乙炔，換熱介質(zhì)選用過熱水蒸氣，為了保持溫度的穩(wěn)定選用換熱介質(zhì)經(jīng)管程較為合適。物性參數(shù)同樣是從aspenplus中選取出來的具體內(nèi)容如下表：表6-2二氯乙烷反應(yīng)前處理換熱器參數(shù)物性ID管程殼程質(zhì)量流kg/h23515氣相分率in11氣相分率out11進(jìn)口溫度℃300142.5出口溫度℃270266.2進(jìn)口壓力bar75.45出口壓力bar6.95.35允許壓降bar0.10.1一．殼體的結(jié)構(gòu)選擇設(shè)計(jì)者為配合工藝的要求，殼體的選擇選用的是E型殼體；前封頭選擇的是制作較為便捷的B型封頭。由于管程和殼程都是氣體壓降比較大，所以選擇M型固定管板式。殼側(cè)選擇的是錯(cuò)流式換熱。殼體內(nèi)徑選擇遵循著325-1800mm的規(guī)則選擇了770mm作為換熱器殼體內(nèi)徑，設(shè)計(jì)出的是臥式換熱器，所以殼體的方向也應(yīng)為水平方向。二．折流板的結(jié)構(gòu)選擇折流板也是換熱器中一個(gè)不可或缺的組件，這里設(shè)計(jì)者選擇用的是singlesegmental，折流板的方向垂直于殼體的方向，也就是說折流板同樣垂直于流量的流向。剪切的面積一般規(guī)定于25%-35%之間本次選用的是30%，折流板的間距也是嚴(yán)格遵循與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用管程的1/3.三．管的結(jié)構(gòu)選擇管的選擇有較為寬泛的選擇范圍，從種類來說一般換熱管分為：光滑、粗糙、螺紋三種。從長度來說可以選擇3-6m的管程。如是沒有相態(tài)的變化，則管程甚至可以選擇6-9m，設(shè)計(jì)者選擇了3.02m為管長.管徑一般可選用19.05、20、25mm如過特殊定制將會(huì)有特殊的管徑可選。管徑的排布方式分為30°、45°60°排布。而本次換熱器設(shè)計(jì)選擇了25mm換熱管徑、排布方式選擇了30°的排布方式。6.2.3氯乙烯單體合成反應(yīng)前換熱器設(shè)計(jì)與校核氯乙烯合成反應(yīng)前換熱器的目的和上述的二氯乙烷前換熱器是一樣的的作用，目的就是使換熱物料的溫度上升到可以達(dá)到反應(yīng)要求的溫度，反應(yīng)物料氯化氫氣體和乙炔的混合氣體，換熱介質(zhì)依舊是過熱水蒸氣。反應(yīng)物料中有腐蝕性氣體存在所以需要將反應(yīng)物料走管程。物料的參數(shù)來自于ASPENPLUS模擬結(jié)果，物性參數(shù)如下表：表6-3氯乙烯合成反應(yīng)前換熱器物性ID管程殼程質(zhì)量流kg/h10556氣相分率in11氣相分率out11進(jìn)口溫度℃53200出口溫度℃163170進(jìn)口壓力bar5.453出口壓力bar5.452.85允許壓降bar0.10.15一．殼體的結(jié)構(gòu)選擇設(shè)計(jì)者為配合工藝的要求，殼體的選擇選用的是E型殼體；前封頭選擇的是制作較為便捷的B型封頭。由于管程和殼程都是氣體壓降比較大，所以選擇M型固定管板式。殼側(cè)選擇的是錯(cuò)流式換熱。殼體內(nèi)徑選擇遵循著325-1800mm的規(guī)則選擇了390mm作為換熱器殼體內(nèi)徑，設(shè)計(jì)出的是臥式換熱器，所以殼體的方向也應(yīng)為水平方向。二．折流板的結(jié)構(gòu)選擇折流板也是換熱器中一個(gè)不可或缺的組件，這里設(shè)計(jì)者選擇用的是singlesegmental，折流板的方向垂直于殼體的方向，也就是說折流板同樣垂直于流量的流向。剪切的面積一般規(guī)定于25%-35%之間本次選用的是30%，折流板的間距也是嚴(yán)格遵循與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用管程的1/3.三．管的結(jié)構(gòu)選擇管的選擇有較為寬泛的選擇范圍，從種類來說一般換熱管分為：光滑、粗糙、螺紋三種。從長度來說可以選擇3-6m的管程。如是沒有相態(tài)的變化，則管程甚至可以選擇6-9m，但是由于換熱量過于小管程太長帶來陳本過高，故而設(shè)計(jì)者選擇了1.85m為管長.管徑一般可選用19.05、20、25mm如過特殊定制將會(huì)有特殊的管徑可選。管徑的排布方式分為30°、45°60°排布。而本次換熱器設(shè)計(jì)選擇了20mm換熱管徑、排布方式選擇了30°的排布方式、又由于管內(nèi)帶有腐蝕氣體所以選擇光滑管。6.3反應(yīng)器的選型轉(zhuǎn)化器物料進(jìn)料170℃出料140℃，冷流體入口117℃出口125℃6.3.1傳熱面積計(jì)算傳熱面積F=（6-1）其中K=125.4KJ/m2h℃，=（45+23）/2=34℃所以F=3142.88m2列管式反應(yīng)器相對于其他反應(yīng)器節(jié)能降耗、易于維修，故采用列管式反應(yīng)器，本次設(shè)計(jì)選用φ57×3.5，管長為3m，613根管，三角形排列，管間距84mm，外殼2.4m的反應(yīng)器共需要管子數(shù)n=(6-2)n=5854根共需n/613=9.55=10臺(tái)，共有6130根管F=3291m26.3.2催化劑的裝填量催化劑裝填體積VK與催化劑生產(chǎn)能力和轉(zhuǎn)化器生產(chǎn)任務(wù)有關(guān)，其關(guān)系為VK=(6-3)已知催化劑生產(chǎn)能力GK=300kg/m3h，生產(chǎn)任務(wù)GP=13084.5kg/h故VK=43.615m3每臺(tái)設(shè)備裝填體積為:V=(6-4)V=3.61m3，十三臺(tái)為46.93lm3>43.615m3符合要求空速Sv=3141.33/3.61=870.7m3乙炔/m3催化劑為了使反應(yīng)效率最高，需要控制空速在40-45之間，故需要26臺(tái)轉(zhuǎn)化器才能滿足需要。6.4輸液泵的選型物流輸送免不了要用到離心泵，所以對于泵的選型就變得異常重要了。這里選泵用到的是智能選泵的軟件進(jìn)行泵型號(hào)的選擇。由于此軟件是運(yùn)用比較普遍的，所得到的結(jié)果自然也是較為精確的。6.4.1選泵的安裝信息6.4.2選泵的安裝尺寸6.4.3選泵的安裝尺寸車間布置7.1概述根據(jù)工藝的設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的計(jì)算，若要將工藝設(shè)備準(zhǔn)確合理的分布在車間，則需要進(jìn)行設(shè)備布置，設(shè)備布置圖有嚴(yán)格的規(guī)定。7.2設(shè)備布置的依據(jù)和范圍7.2.1設(shè)計(jì)依據(jù)（1）01版《總制圖標(biāo)準(zhǔn)》（2）09版《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》（3）12版《工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》7.2.2范圍描述設(shè)計(jì)者本次設(shè)計(jì)的部分包括：設(shè)備布置的設(shè)計(jì)、維修區(qū)、設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、管廊設(shè)計(jì)、公用工程設(shè)計(jì)等。7.3車間布置形式設(shè)計(jì)者認(rèn)為本次的設(shè)計(jì)主要是在于工藝的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，所以車間布置上我認(rèn)為需要先做好設(shè)備布置的設(shè)計(jì)，對于公用工程和建筑預(yù)留等輔助設(shè)計(jì)暫且不做考慮。設(shè)備布置以平面圖的形式展開。7.3.1車間具體參數(shù)車間的跨度為300m×300m，儲(chǔ)藏室大概為10m×2m。車間高度選用較為平常易見的6m。基柱是混泥土工字鋼材料，二層以上選擇以鐵網(wǎng)作為地面鋪設(shè)。7.4露天設(shè)備防護(hù)由于反應(yīng)器數(shù)量多且密集排布所以不太適于放入車間房內(nèi)，所以會(huì)面臨著環(huán)境對設(shè)備的腐蝕，所以設(shè)計(jì)是一定需要考慮設(shè)計(jì)防雨措施。安全設(shè)計(jì)與三廢處理問題8.1安全問題的可能出現(xiàn)分析壓縮機(jī)壓縮機(jī)是屬于高壓設(shè)備，若是出現(xiàn)問題例如：出口堵塞或者接口漏氣，潤滑油添加不及時(shí)等均會(huì)造成程度不同的危險(xiǎn)，還有附帶的電機(jī)也會(huì)出現(xiàn)漏電、卷入等危險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)一定需要考慮相應(yīng)的防護(hù)措施。反應(yīng)器反應(yīng)器也是屬于高溫高壓設(shè)備，一點(diǎn)出現(xiàn)泄露怎會(huì)出現(xiàn)氣體燙傷，而且氣體易燃易爆、閃點(diǎn)低所以對于避明火也是需要考慮的。塔設(shè)備對于塔設(shè)備來說，若是偏離正常范圍會(huì)出現(xiàn)泛液，情況嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)物料溢出，由于易燃易爆氣體泄露則會(huì)出現(xiàn)爆炸的情況，同時(shí)對環(huán)境也有相當(dāng)大的影響。塔屬于高設(shè)備，所以維修時(shí)也需要墜落問題。8.2安全問題防護(hù)措施加強(qiáng)管理，有嚴(yán)格的生產(chǎn)規(guī)范加強(qiáng)員工教育，提高員工素質(zhì)做到設(shè)計(jì)合理、安裝合理、運(yùn)行合理的原則8.3三