IPAGEPAGEVI年產(chǎn)18萬噸聚氯乙烯合成車間化工工藝設計摘要聚氯乙烯，英文名稱為：polyvinylchloride，簡稱PVC，結構式為：[―CH2―CHCl―]n,引發(fā)劑作用下由氯乙烯單體聚合而成的熱塑性樹脂。機械性能良好，介電性能優(yōu)異。添加其他組分可增強聚氯乙烯耐熱性，韌性，延展性等性能，目前廣泛應用于工業(yè)，建筑，日用生活等等領域。經(jīng)過近幾十年的工業(yè)摸索以及發(fā)展，PVC在社會發(fā)展中有十分重要的作用。本設計根據(jù)設計任務書的要求，選用新型干法電石乙炔設計一個年產(chǎn)18萬噸聚氯乙烯（PVC）合成車間的工藝流程，旨在處理氯堿廠廢氣氯氣。本文對聚氯乙烯的研究，生產(chǎn)和應用進行了解析，闡述了聚氯乙烯的用途地位等，確定了生產(chǎn)工藝為干法電石，對氯乙烯合成工段的主要設備進行了物料衡算、熱量衡算和計算選型。并對非工藝部分如三廢處理，供水供電等制作了處理方案。并繪制了氯乙烯合成工段物料流程圖，主要設備圖裝配圖及管道及儀表流程圖。關鍵詞：聚氯乙烯氯乙烯干法電石乙炔物料衡算熱量衡算目錄30434摘要 I3167第一章緒論 1132011.1設計的目的、作用及任務 1201381.1.1畢業(yè)設計的目的和作用 1256021.1.2畢業(yè)設計的任務 1261081.2聚氯乙烯簡介 1307781.2.1聚氯乙烯的性質 177911.2.2聚氯乙烯的用途 2257751.2.3聚氯乙烯在國民經(jīng)濟中的意義 3144021.4建廠依據(jù)及設計指導思想 360841.4.1建廠依據(jù) 3171491.4.3廠址概況 56856第二章工藝生產(chǎn)方法 689482.1原料氯乙烯生產(chǎn)方法的比較 6184242.1.1氯乙烯生產(chǎn)方法簡介 671092.2生產(chǎn)方法的選擇和論證 796072.3原材料和產(chǎn)品的技術規(guī)格以及物化性質 8204052.3.1原材料和產(chǎn)品的物化性質 8138202.4生產(chǎn)過程的基本原理 13253802.4.1原材料的生產(chǎn)及氯乙烯的合成 13205802.4.2由乙炔和氯化氫合成VC的動力學分析 15113732.5主要設備的選擇與論證 18264072.5.1合成轉化器 18235282.5.2低沸塔—冷凝蒸出塔 1867932.5.3高沸塔 1994542.6生產(chǎn)工藝流程的設計與論證 1971882.6.1合成工段 19307362.6.2清凈工段 20211262.6.3精餾工段 208152第三章物料衡算 22271253.1計算依據(jù) 22237633.1.1生產(chǎn)規(guī)模 2267263.1.2全年開工時間 22170813.1.3原料電石標準 22322983.1.4氯乙烯工段原料規(guī)格（干基V%） 23265963.1.5原料配比 23264333.1.6轉化率和收率 24167613.1.7氯乙烯單體（VCM）規(guī)格 24164033.1.8主要設備操作工藝條件 2466453.1.9電石消耗定額計算 25212363.1.10進入氯乙烯工段的原料氣量 25156063.2物料衡算 27176983.2.1混合器 2726823.2.2石墨冷卻器及除霧器 27203663.2.3預熱器 29299313.2.4轉化器 29192523.2.5水洗塔 29186073.2.6堿洗塔 3153573.2.7VC氣柜 34207583.2.8機前冷卻器和機后冷卻器 35115533.2.9全凝器 36199323.2.10分餾系統(tǒng) 4122984第四章熱量衡算及設備計算 5814344.1計算說明 5814254.1.1溫度基準 58258154.1.2熱容數(shù)據(jù) 58115664.1.3各物質熱容Cp值計算 58221784.1.4進出口物料組成 59297144.1.5結果要求 59109554.2主要設備的熱量衡算及選型 5910714.2.1混合器 59161994.2.2混合氣體石冷器（包括除霧器） 59144404.2.3預熱器 6133854.2.4轉化器熱衡及設備計算 62204414.2.5轉化后石墨冷卻器 73326924.2.6機前冷卻器 7461804.2.7機后冷卻器 76269404.2.8全凝器 78121344.2.9尾凝器 81221514.2.10成品冷凝器 84170174.2.11低沸塔 86123054.2.12高沸塔 9147874.2.13低沸塔設備計算 95270034.2.14高沸塔設備計算 1049802第五章生產(chǎn)控制與安全技術 113135265.1生產(chǎn)控制 113248205.2生產(chǎn)安全技術和防范措施 11485165.2.1生產(chǎn)安全技術措施 114282955.2.2生產(chǎn)過程中害因素分析及防范措施 11519385.3三廢處理和綜合利用 117306315.3.1廢氣處理 117319315.3.2廢液處理 11863305.3.3廢渣處理 1183745.4主要控制測量儀表 11855745.4.1主要測量控制儀表 11879955.4.2主要調節(jié)系統(tǒng)和控制點 120230055.5安全技術與勞動保護 12126211第六章其他非工藝部分 12418576.1建筑設計要求 12477556.1.1設計依據(jù)資料 124177756.1.2建筑設計要求和房屋結構特點 124163006.1.3車間布置 12593876.2供電 125211176.3車間室員編制 126273356.3.1車間管理工作人員 126215326.3.2主要、輔助生產(chǎn)工段班組人員 126315396.4消耗定額及成本 126第一章緒論1.1設計的目的、作用及任務1.1.1畢業(yè)設計的目的和作用畢業(yè)設計是本科教學計劃中最后一個重要環(huán)節(jié)，是為實現(xiàn)高等院校培養(yǎng)高級應用型、技術型人才培養(yǎng)目標和城鎮(zhèn)規(guī)劃專業(yè)培養(yǎng)目標所必須的實踐性教學環(huán)節(jié)。畢業(yè)設計的目的在于強化學生對知識的掌握和理解，培養(yǎng)學生思維，進一步提高外語水平，計算機運用水平,查找文獻的能力，書面及口頭表達能力。進一步系統(tǒng)的鞏固所學的專業(yè)基礎理論、關聯(lián)專業(yè)內的知識和和新穎所用的設計觀念，使學生能熟練掌握資料的收集和分析、相關規(guī)范的選擇和運用；掌握化工工藝規(guī)模的確定、管道的布置和計算、設計方案的選擇、成果圖的繪制以及設計文本的編制全過程。為解決工作中的問題奠定了基礎。1.1.2畢業(yè)設計的任務本設計以廣西柳化氯堿公司為原型，為處理公司燒堿車間廢氣的氯氣，設計了年產(chǎn)18萬噸的聚氯乙烯合成車間，并結合當?shù)厍闆r，設計內容包括廠址選擇，廢氣廢水廢渣處理及管道設備布置等。需要完成：（一）、干法電石乙炔生產(chǎn)聚氯乙烯的合成車間的化工工藝設計和計算，說明書撰寫。（二）、繪制CAD圖紙：1.帶控制點的生產(chǎn)工藝流程圖；2.物料流程圖。3.主要設備布置圖；1.2聚氯乙烯簡介1.2.1聚氯乙烯的性質一、物理性質外觀：白色粉末分子量：50000～120000表觀密度：0.40～0.65g/ml密度：1.35～1.45g/ml（20℃）比熱容：（0～100℃）：1.045～1.463J/(g.℃)表觀密度：0.40～0.65g/ml熱導率：0.1626W/（m.K）顆粒直徑：緊密（XJ）型30～100μm輸送型（SG）型60～150μm糊樹脂1.2～2μm熱分解點：>100℃開始降解出氯化氫軟化點：75～85℃溶解性：不溶水、酒精，水及氯乙烯。溶于酮類、脂類和氯烴類溶劑。毒性：無毒、無臭二、化學穩(wěn)定性穩(wěn)定性高，高耐藥性三、熱能性無固定熔點，80~85℃軟化，130℃變?yōu)檎硰棏B(tài)，160~180℃開始變?yōu)檎沉鲬B(tài)。在100℃以上或者經(jīng)長時間曝曬，分解產(chǎn)生氯化氫，并進一步自動催化分解，發(fā)生變色：白色→淺黃色→紅色→褐色→黑色。約200℃開始分解。五、光能性在紫外線單色光的照射下為弱藍綠熒光色。長期照射則發(fā)生光氧化分解，聚氯乙烯柔性減弱。六，電能性具良好介電性能，為介電功耗最少的材料之一，溫度越低其介電性能越好。聚氯乙烯制品的增塑劑、穩(wěn)定劑的種類和用量影響其介電性能。1.2.2聚氯乙烯的用途聚氯乙烯為通用樹脂，是我國第一、世界第二大通用型合成樹脂材料。是重要的基礎原材料之一，因為價格低廉，高化學穩(wěn)定性，具有良好的可塑性，聚氯乙烯在建筑、工業(yè)、公用事業(yè)、日常生活等領域應用廣泛。聚氯乙烯制品一般可分為兩大類：硬質制品和軟質制品。硬質制品加工中不添加增塑劑，軟質制品則添加了大量增塑劑。由于添加的增塑劑、穩(wěn)定劑，填料及潤滑劑等的不同，聚氯乙烯可加工成多種多樣的制品。1.2.3聚氯乙烯在國民經(jīng)濟中的意義聚氯乙烯是我國重要的有機合成材料，屬于大宗基礎商品。由于其性能價格比優(yōu)越，聚氯乙烯廣泛用于工業(yè)、日用生活、農(nóng)業(yè)、包裝、建筑、公用事業(yè)等領域。從產(chǎn)品分類角度則PVC屬于三大合成材料中的合成樹脂類。隨著包裝材料，電子電氣制品等方面的快速發(fā)展，市場的需求也不斷增加，聚氯乙烯行業(yè)得到了迅速發(fā)展。原料方面，在我國，石油、天然氣、食鹽以及制造電石的煤與石灰石的來源豐富，因此發(fā)展聚氯乙烯有著極其優(yōu)勢的條件。技術方面，則是生產(chǎn)技術易于掌握。作為四大支柱之一，PVC產(chǎn)品廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域。PVC工業(yè)發(fā)展迅速，與其他行業(yè)關聯(lián)度高，其發(fā)展有利于帶動多行業(yè)共同發(fā)展。對改善人民的生活條件，提高人們生活水平，以及國民經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力提升有很大幫助。1.4建廠依據(jù)及設計指導思想廠址選擇需考慮國家政策方針及經(jīng)濟環(huán)境社會效益。必須遵守國家法律法規(guī)，符合國家地區(qū)規(guī)劃，貫徹落實基本方針，隨機應變。做好三廢處理工作，遵守環(huán)境保護法。1.4.1建廠依據(jù)（一）、在化工廠建設電石乙炔法生產(chǎn)PVC的優(yōu)勢廣西石灰石資源豐富，電石購買成本低。柳州地區(qū)擁有紅水河，柳江等河流，并建有火電廠，水力電力資源豐富。柳州化學工業(yè)集團氯堿廠副產(chǎn)氯氣，為處理氯氣，且因該廠公用設施和輔助設施比較完整，故增建PVC車間，充分利用廢氣。廣西柳州鹿寨交通方便，勞動力充足，且建有工業(yè)園區(qū)，產(chǎn)品生產(chǎn)銷售便利。（二）、設計依據(jù)《化工設計》化學工業(yè)出版社；《化工工藝設計手冊》化學工業(yè)出版社；《設計任務書》北京化工大學；化學工業(yè)部【79】化基字619號文；區(qū)石化局油化基字【1983】195號文“關于666停產(chǎn)，擴建PVC車間以平衡氯氣，穩(wěn)定燒堿生產(chǎn)任務；化工部技術經(jīng)濟研究中心的【83】化技戊字13號文；國家部委辦和自治區(qū)頒布的有關規(guī)范、規(guī)定和標準。1.4.2設計指導思想和原則秉承節(jié)能降耗原則。設計過程中，遵循“自力更生、獨立自主、艱苦奮斗、勤儉建國”和“多快好省的建設社會主義”的方針，盡快形成生產(chǎn)力。設計中力求技術先進，經(jīng)濟合理，采用適當?shù)臋C械化，自動化水平和國外成熟的先進技術，先進設備和改革成果。3.貫徹《中華人民共和國環(huán)境保護法》，注意在生產(chǎn)中的綜合利用，除害興利。充分利用當?shù)氐默F(xiàn)有資源，合理開發(fā)，節(jié)能減排，加快建設進度。1.4.3廠址概況柳州化學工業(yè)集團有限公司位于廣西中部，廣西柳化氯堿有限公司位于柳州鹿寨縣鹿寨鎮(zhèn)新勝村（即鹿寨縣工業(yè)園區(qū)），水陸交通比較發(fā)達；柳州化學工業(yè)集團有限公司廠址位于柳北老工業(yè)園區(qū)內，基礎設施較完善。以生產(chǎn)燒堿為主的綜合性化工企業(yè)副產(chǎn)、產(chǎn)量較多，為廣西柳化氯堿有限公司提供了豐富的原料資源；PVC車間位于工業(yè)園區(qū)內，不占用農(nóng)田，不必增購土地；工廠的設置符合環(huán)境規(guī)定，將環(huán)保、節(jié)能、安全、經(jīng)濟集于一身。第二章工藝生產(chǎn)方法2.1氯乙烯生產(chǎn)方法的確定2.1.1氯乙烯生產(chǎn)方法簡述氯乙烯為生產(chǎn)聚氯乙烯的原料，氯乙烯的生產(chǎn)有乙炔法、聯(lián)合法、乙烯氧氯化法、乙烯平衡氧氯化法四種方法。本次設計采用電石乙炔法，主要對比了干法與濕法電石。乙炔與氯化氫反應生成氯乙烯最先應用于工業(yè)生產(chǎn)，以活性炭為載體，吸附氯化汞為觸媒，在乙炔和氯化氫加成的基礎上在裝滿觸媒的轉化器中進行放熱反應。其化學反應如下：濕法電石乙炔：電石反應為大量反應，水包電石反應。此法優(yōu)點在于反應所需溫度低，乙炔純度高，副產(chǎn)物少，流程簡單，技術成熟，運行穩(wěn)定性強。但電石消耗量大，渣漿含水量高，耗水量大。干法電石乙炔：為少量水噴灑于電石表面的小水量比反應。此法優(yōu)點在于：安全系數(shù)高，電石消耗低，渣漿含水量低易處理，耗水量少，乙炔收率高，電石水解率高。2.2生產(chǎn)方法選擇和論證選擇的生產(chǎn)方法需遵循以下原則：技術上先進，經(jīng)濟上合理，因地制宜。從現(xiàn)代世界生產(chǎn)氯乙烯的工藝條件來說，濕法乙炔為主流，但結合兩種方法優(yōu)缺點及廣西實際情況，干法更為適宜：濕法乙炔廢渣處理步驟復雜：濕法乙炔渣漿含水量過多，處理渣漿工序，復雜資源消耗量大。技術上欠缺：傳統(tǒng)濕法乙炔現(xiàn)狀環(huán)境污染嚴重，電石及乙炔流失大，工藝裝置仍需改善。本次設計氯堿廠渣漿用來對外售賣，且該氯堿廠本有干法電石裝置，因此選擇干法電石更為合適，具體體現(xiàn)在：從技術角度看，該廠曾配置有干法電石乙炔車間，工序方便熟練，在現(xiàn)成的工藝條件下，選擇干法電石乙炔是最優(yōu)的；從原料看，當?shù)赜泻芏嚯娛瘉碓矗腋煞娛乃康停罄m(xù)脫水處理工序較簡單。從經(jīng)濟角度看，采用干法乙炔生產(chǎn)VC，投資少，運用規(guī)模廣，經(jīng)濟效益見效快，可實現(xiàn)廢氣廢渣回收利用升值?？偠灾m干法電石乙炔電力消耗多，設備維修量大，但是在廣西柳化氯堿有限公司選擇干法電石乙炔生產(chǎn)聚氯乙烯更為合理可行。2.3原材料和產(chǎn)品的技術規(guī)格原材料和產(chǎn)品的技術規(guī)格如下表2-1所示：表2-1原材料和產(chǎn)品的技術規(guī)格Table2-1Technicalspecificationsofrawmaterialsandproducts序號名稱控制項目規(guī)定指標1電石碳化鈣>66.92%(W)氯化鈣<22.08%(W)游離鈣<100%(W)氧化鎂<0.40%(W)硫<0.101%(W)磷<0.030%(W)粒度50mm~80mm2氯化氫純度≥≤93~96%游離氧<0.02%含氧量<0.5%3氯乙烯VC含量≥99.9%C2H2含量≤10PPMEDC含量≤10PPMHCl含量≤2PPMFe3+含量≤2PPM4聚氯乙烯XJ：水分及揮發(fā)物含量≤0.3~0.5%XJ：40目≥99.80%XS：30目≥99.80%XS：水分及揮發(fā)物含量≤0.50~0.60%100g樹脂中黃黑色總數(shù)一級品是其和顆粒中黑點不大于15顆XJ：表觀密度≥0.55g/mlXS：表觀密度≤0.55g/ml2.4生產(chǎn)過程的基本原理2.4.1原材料的生產(chǎn)及氯乙烯的合成生產(chǎn)乙炔和氯化氫（1）、工業(yè)上合成乙炔的方法主要有兩類：烴類裂解和電石法。由于廣西石油資源不足，乙炔的生產(chǎn)由電石獲得。電石和水發(fā)生乙炔反應的化學方程式：（2）、氯化氫的合成：是把來自氯堿車間的氯氣和氫氣共同通入合成爐進行燃燒生成HCl，反應方程式如下：氯乙烯的合成由乙炔和氯化氫合成VC，一般采用載于活性炭上的氯化高汞作為催化劑，其主副反應如下：主反應：，副反應：，由乙炔和氯化氫合成VC的熱力學分析根據(jù)實驗測定，VC合成的主副反應均為放熱反應，隨著溫度的升高，反應平衡常數(shù)降低。從理論上主副反應均低溫更有利，為達到最高收益，需做熱力學分析來確定最佳溫度。VC的平衡常數(shù)：（2-1）它與溫度T的關系為：（2-2）設乙烯的轉化率為Xe，總壓為P，那么反應開始：110反應結束：1-Xe1-XeXe2-Xe∴（2-3）由（2-4）又∵P=1atm∴（2-5）在25℃時，（2-6）∴1?√同理可求得各溫度下的平衡常數(shù)KD和平衡轉化率列表如下：表2-2平衡常數(shù)和平衡轉化率Table2-2EquilibriumConstantandBalanceConversionRateT(℃)Kp(1)Kp(2)Kp(1)/Kp(2)Xe253.79×10109.6×1053.766×10-60.999995288.14×1072.015×10114.04×10-40.9998892001.85×1047.5×1040.2060.9926482501.73×1031.15×1031.50650.97597由上表可以得以下結論：（1）、隨溫度升高，VC的Kp值和轉化率下降；（2）、低溫下，Kp(2)>Kp(1)，說明低溫對主反應不利，對副反應有利；（3）、隨溫度升高，Kp(2)下降速度比Kp(1)快得多，故采用高溫，對主反應競爭有利，當Kp(1)=Kp(2)時，此時溫度即為T轉；（4）、T上升，,Kp下降，反應熱力學推動力下降，由于工藝上要求Xe≥99.9%，且溫度過高（180℃以上），觸媒、HgCl2易升華，容易被分解，從而失去活性，同時溫度升高，使副反應加劇，高沸物增加，所以反應溫度不能太高，應控制在130~180℃。2.4.2由乙炔和氯化氫合成VC的動力學分析催化劑主反應無cat時，反應速度很慢，且副反應競爭很強，所以生產(chǎn)上要用cat。從熱力學分析可知，在100~200℃范圍的熱力學平衡常數(shù)是很高的，但是VC的合成反應在上述溫度下無催化劑存在時的反應速度幾乎為零。當存在催化劑：AgCl、HgCl2、CuCl2、BaCl2、ZnCl2時，反應速度可以大大加強，而能達到工藝要求的只有HgCl2。因此生產(chǎn)上采用HgCl2/C作為催化劑，它的成分是由8~85%的HgCl2和載體φ3*（6~9）mm圓柱體的活性炭組成，由于HgCl2有毒，易升華，當溫度升高時，升華加快，要求反應溫度小于180℃。所以合成VC的反應溫度為100~180℃。反應機理在氯化汞觸媒存在時，乙炔與氯化氫合成VC的反應機理如下：乙炔先與加成生成中間產(chǎn)物氯乙烯氯汞：此中間加成物很不穩(wěn)定，通氯化氫即分解生成氯乙烯：當乙炔和氯化氫的分子比小時，所生成的VC和HCl加成生成1，1-二氯乙烷：氯乙烯和乙炔的分子比過大，會導致催化劑失活以及副反應比例增大，因此反應過程氯化氫適度過量。反應速度與溫度的關系從動力學角度來看，合成VC反應速度隨反應溫度升高而加快，格列勃開津所得到的合適100—218℃范圍的關系式：克分子C2H2*大氣壓-1/克分子HgCl2*小時上面是合成VC的反應速率常數(shù)與溫度的關系。結果說明在100~200℃使用HgCl2為催化劑時，合成VC的活化能很低，僅為6000卡/克分子,因此反應很容易進行。反應的影響因素及反應條件的選擇選擇反應條件，主考慮原料純度、分子比（原料配比），空速（投料速度的特征值），反應溫度和壓力以及cat等，選擇時盡量達到高產(chǎn)高質低耗，，工藝流程短，操作方便安全等原則。（1）、原料純度1.乙炔純度要求≥99%，但由于工業(yè)電石不純，其雜質能與水發(fā)生反應，產(chǎn)生氣體雜質：這些雜質在氯乙烯的合成中會引起催化劑中毒，使之失去活性，可如下反應：且，PH3與空氣接觸會產(chǎn)生自燃，引起乙炔爆炸，所以無論從生產(chǎn)還是安全角度考慮，都必須把乙炔中的雜質除去，不含S、P等雜質。2.水分原料氣中水分含量≤0.06%。含水量過高，則氯化氫易溶解生成鹽酸，腐蝕設備與管道，產(chǎn)物二氯化鐵結晶易堵塞管道，威脅正常生產(chǎn)。并會造成觸媒結塊，催化劑活性變低，轉化器進出口阻力增加，造成觸媒翻轉困難。此外，還易與C2H2反應生成不利于聚合反應的乙醛。3.氯化氫由于Cl2與乙炔反應易引起爆炸，因此要求HCl≥96%，H2<3.0%，N2<1.0%,不含游離氧。4.惰性氣體原料氣中的惰性氣體氮氣、氫氣等雖然不參與反應，但含量過高會產(chǎn)生稀釋作用，使得乙烯轉化率下降，同時增加了精餾提純等工序的工作量，也會導致VC夾帶損失加重。因此盡量降低惰性氣體含量。（2）、原料配比由Kp=PVC/PC2H2可知，C2H2、HCl的平衡分壓或平衡濃度相互影響，為提高C2H2轉化率，C2H2或HCl須有一方稍過量(即提高分壓或HCl分壓，從而使Kp或K值增加)。因為C2H2過量會使HgCl2還原成Hg2Cl2或Hg，導致催化劑失去活性。因此應選擇HCl過量。HCl稍過量，可提高C2H2的轉化率，避免HgCl2失活。一般認為合成VC時，C2H2于HCl的分子比控制在1：1.05~1.10，即HCl過量5~10%為宜。（3）、反應溫度在熱力學分析中已經(jīng)指出，由和HCl合成VC反應的理論轉化率隨溫度升高而降低，但即使在180℃高溫下仍很高，大于99%。動力學分析曾指出，合成VC的反應速度與溫度成正比，但在180℃以上高溫的條件下，發(fā)生升華，催化劑活性會在的升華量最大之后快速衰減。因此，合成VC的溫度選擇在130~180℃，隨著使用時間的延長，催化劑活性衰減，則逐步提高溫度。（4）、反應壓力由于乙炔和氯化氫合成VC的反應是一個體積減小的反應，理論上增加壓力有利于提高乙炔的轉化率，但高壓條件下乙炔易爆炸，且動力消耗增加，對設備要求較高，因此選擇常壓操作。（5）、空間速度空速較高時，反應物與催化劑接觸時間較短，乙炔轉化率低。反之，空速較低時，乙炔轉化率較高，采用列管式固定床反應器做轉化器，經(jīng)過生產(chǎn)和實驗表明，溫度為130~180℃，壓力1.5atm左右，時，為使乙炔轉化率達到99%，采用左右的空速為宜。2.5主要設備的選擇與論證2.5.1合成轉化器氣固相催化反應中，工業(yè)常用列管式流化床及列管式固化床，本次選用列管式固化床。列管式固定床反應器的優(yōu)點是：1.返混小，催化效率高，選擇性好。2.催化劑損耗少，反應推動力大，轉化率高，生產(chǎn)能力高。3.結構簡單。缺點是：1.傳熱效率較差，溫度難以調控。2.催化劑不能在操作過程更換。3.反應器結構復雜，合金鋼消耗大。4.沿軸向溫差較大，且有熱點出現(xiàn)，徑向也有溫度差。5.對原料氣混合要求高。流化床反應器的優(yōu)點為：1.傳熱好。2.可以分頭進料，操作較安全。3.合金鋼材料消耗少。4.催化劑裝卸方便。5.對原料要求高。缺點：1.cat易磨損，損耗較多。2.返混大，轉化率降低，選擇性下降。在合成VC的反應中，由于乙炔的轉化率要求較高，≥99%，催化劑HgCl2貴重，觸媒HgCl2/C機械強度高,流化床反應器催化劑損失大，轉化效率達不到要求。列管式固定床反應器能夠減少催化劑磨損，且能夠達到較高轉化效果。2.5.2低沸塔—冷凝蒸出塔在低沸塔進行的精餾過程中，塔頂出來的是不凝氣體，輕組分及少量VC，要求上升蒸汽量較低，下降液體流量較大，且泡罩塔較少發(fā)生漏液，操作彈性好，因此選擇泡罩式塔板。低采用塔頂冷凝器的回流方式，則是因為過程回流比大，冷凝器回流可以減少設備費用。2.5.3高沸塔由于高沸塔塔頂出來的是VC產(chǎn)品，上升蒸汽量大，下降液體流量較少，所以選擇浮閥塔采用塔頂冷凝器的內回流方式。浮閥塔的特點：操作彈性大，塔板效率高，氣體壓降及液面落差較小，塔的造價低。2.6生產(chǎn)工藝流程的設計與論證2.6.1合成工段生產(chǎn)工藝流程的設計由乙炔裝置送來的精制乙炔氣與HCl裝置送來的干燥HCl按比例調節(jié)C2H2/HCl=1:1.05~1.10（克分子比），在混合器中進行混合，后進入石墨冷卻器進行冷卻和脫水。一部分水和HCl氣體變?yōu)?0%的鹽酸排出，部分則夾帶于氣流中，進入除霧器，然后該氣體經(jīng)過預熱器預熱，先進入第Ⅰ組轉化器，反應生成氯乙烯，然后再進入第Ⅱ組轉化器，合成反應的熱量是通過95~100℃的循環(huán)水移走。論證混合冷凍脫水：乙炔氣和氯化氫氣互成90度角按切線方向進入混合器內，此時混合氣內由于氣體回旋運動產(chǎn)生的離心力把其中較大的液滴甩向器壁發(fā)生冷凝，又借鹽酸本身的重力順壁流下來，達到氣體與水分初步分離的作用，混合氣進入石墨冷卻器進一步脫水達到脫水的要求?；旌蠚怏w進入石墨冷卻器時，由于溫度突然下降，也會形成高度過飽和而產(chǎn)生酸霧，因此要用除霧器進行除霧。從除霧器出來的氣體溫度太低，若此時進入反應器不僅反應慢，而且轉化率低，因此要用預熱器進行預熱。若只用Ⅰ一組轉化器，則轉化率較低，乙炔沒有反應完全，給后面的工序增加負擔，因此采用第Ⅱ轉化器，第Ⅱ組轉化器（可采用聯(lián)合并聯(lián)操作），填充活性高的觸媒。這樣不僅提高轉化率而且觸媒可得到充分利用。2.6.2清凈工段生產(chǎn)流程設計從轉化器出來的氣體經(jīng)石墨冷卻器，除汞器，水洗塔，堿洗塔，從堿洗塔出來的氣體，一部分氣體分到氣柜，一部分到機前冷卻器，水分離器，然后到壓縮機，出來經(jīng)過油水分離器再到機后冷卻器。論證在轉化器中，由于反應溫度較高，氯化汞易升華，并隨合成氣一起出來，而氯化汞毒性很大，因此要用除汞器把它除掉。在合成反應中，氯化氫過量，通過水洗塔低溫水噴淋除去合成氣中的大部分氯化氫，再由堿洗塔洗去殘余的微量氯化氫及酸性氣體。進入壓縮機的氣體的溫度小于30℃，此溫度下有液體水產(chǎn)生，水會對壓縮機有嚴重損害，因此，在混合器進入壓縮機前要進行冷凍脫水。由于VC的沸點在常溫常壓下為-13.9℃，為了提高其沸點，因此要對VC進行加壓。機后冷卻器，粗VC在進入精餾操作之前，必須嚴格的脫水干燥，否則，即使存在微量的水分也會引起精餾系統(tǒng)因凍結而被堵塞，因此，壓縮后用機后冷卻器使水冷卻下來并除去。2.6.3精餾工段工藝流程設計從機后冷卻器出來后，粗VC到全凝器，全凝器中，排出C2H2，液體VC過低沸塔，然后到高沸塔，，最后純VC經(jīng)冷凝后成品去聚合工段。論證1.為了節(jié)約成本，低沸塔的進料為液相，因此，在進料前要把全凝器中粗VC氣體冷凝為液體。2.先除低沸物，再除高沸物，與先除高沸物再除低沸物比有以下優(yōu)點：（1）、成品精餾的VC由塔頂氣相出料冷凝下來，可減少因設備腐蝕產(chǎn)生的鐵離子和塔內生成的自聚物含量，可滿足聚合過程對單體中雜質含量的要求。（2）、由于高沸塔采用液相進料，由圖解計算，在一定回流比下只要采用極少的理論板數(shù)，就可獲得含量99.9~99.99%以上的高純度單體，而采用氣相進料流程時，要獲得同樣純度的單體，則所要的理論板數(shù)就要增加幾倍。（3）、由于高沸塔在低沸塔之后，所需的壓力比低沸塔的低，可以減少所需的理論塔板數(shù)。附圖1：工藝流程簡圖第三章物料衡算3.1計算依據(jù)3.1.1生產(chǎn)量年產(chǎn)18萬噸PVC樹脂3.1.2全年開工時間更換催化劑：每年兩次，一次三天小修：一次一天，每年進行十次大修：一次十四天，每年一次停車：每年七天總非生產(chǎn)時間：37天/年每年生產(chǎn)總時長：328×24=7872h設計全年生產(chǎn)時長為7900h3.1.3原料電石標準氯乙烯的生產(chǎn)原料電石按照以下國標：表3-1電石國家標準的技術條件Table3-1NationalStandardsofthetechnicalconditionsofcalciumcarbide項目指標優(yōu)等品一等品合格品發(fā)氣量（20oC、101.3kPa）/（L/kg）≥300280260乙炔中磷化氫的體積分數(shù)/%≤0.060.080.08乙炔中硫化氫的體積分數(shù)/%≤0.100.100.10粒度（5~80mm）質量分數(shù)/%≥858585篩下物（205mm以下）質量分數(shù)/%≤555在壓力760mmHg、20℃時，1kg純電石（含CaC2100%）的發(fā)氣量為372.63L，因此，不同純度的電石的發(fā)氣量為：優(yōu)等品含CaC2≥80.6%發(fā)氣量≥372.63×0.806≥300L/kg一等品含CaC2≥75.14%發(fā)氣量≥372.63×0.7514≥280L/kg合格品含CaC2≥69.77%發(fā)氣量≥372.63×0.6977≥260L/kg實物電石中，CaC2的含量（Wt%）為72%，CaO含量（Wt%）為22.08%，少量雜質（如MgO、CaS、C、Al2O3等）5.92%。3.1.4原料規(guī)格（干基V%）乙炔原料氣乙炔原料氣中包含99%的C2H2和1%的氣體雜質如氮氣，氫氣。為溫度10攝氏度，壓力1120mmHg的混合氣體。、氯化氫氣體氯化氫原料氣中包含96%的HCl和4%的雜質氣體，如氫氣和氮氣，為溫度十攝氏度，壓力1100mmHg的混合氣。3.1.5原料配比摩爾比：C2H2：HCl=1:1.093.1.6收率及轉化率乙炔工段收率為97.0%，3%的損失主要為乙炔發(fā)生時造成以及清凈損失。氯乙烯合成工段乙炔生成氯乙烯反應轉化率為99.5%，其中假定副反應水分子轉化率百分百。3.1.7氯乙烯單體規(guī)格VC≥99.999%，EDC（高沸物）<0.001%，C2H2<0.001%，常溫常壓下氯乙烯沸點為：-13.9+0.1℃3.1.8主要設備工藝條件混合器T=10℃，P=141.9645kPa石墨冷卻器（包括除霧器）石墨冷卻器及除霧器溫度為T1=10℃及T2=-12℃，操作壓力為137.299kPa。所用的深冷鹽水溫度分別是t1=-35℃及t2=-33℃。預熱器T1=-12℃，T2=80℃，t1=95℃，t2=90℃P=135.966kPa轉化器T1=80℃，T2=105℃，P=133.30kPa（1000mmHg）T1=95℃，t2=101℃最佳反應溫度段130~180℃，轉化器溫度選擇160度。主反應副反應轉化后氣體冷卻器T1=105℃，T2=50℃，t1=30℃，t2=33℃3.1.9電石消耗定額計算PVC年生產(chǎn)量18萬噸，年生產(chǎn)時長7900小時，則每小時PVC產(chǎn)量=kgPVC/h思路：標準電石（一級）實物電石（二級）CaC2粗乙炔精乙炔粗VCVCM粗PVC成品PVC實物電石消耗量=22785÷62.5÷0.975÷0.965÷0.99÷0.975÷0.72×64.1×7900=282325.3665噸/年3.1.10氯乙烯合成工段的原料氣進入量氯化氫原料氣組成及含量PVC每小時產(chǎn)量=180000×1000÷7900=22784.8kg/h理論所需VCM量=22784.8÷62.5=364.6kmol/h聚合工段損失2%，實際所需VCM量（C2H2的理論量）373.9487kmol/h實際過程中，C2H2的轉化率（轉化為VC）為99%，精制過程損失3.0%，所以C2H2的實際需求量389.41kmol/h進入氯乙烯合成工段的乙炔氣量（干基）393.34kmol/h計算可得乙炔原料氣組分和具體含量，列表3-2如下：表3-2乙炔原料氣組成（干基）Table3-2Acetylenefeedgascomposition(drybasis)組成mol%kmol/hC2H299398.41O20.31.180N20.72.753∑100393.3410℃下，=1.2279kPa，P總=149.30kPa含H2O（g）的體積百分比為1.2279÷149.30×100%=0.8224%乙炔原料氣總量（濕基）=393.34×（1+0.8224%）=396.5748kmol/h由此可知氯乙烯工段的乙炔原料氣總量和組成列表3-3如下：表3-3乙炔原料氣組成（濕基）Table3-3Acetylenefeedgascomposition(wetbasis)組成C2H2O2N2H2O∑kmol/h389.411.1802.7533.2318396.5748mol%98.19330.29750.69420.8149100.0000氯化氫原料氣的量和組成純HCl的理論量=389.41×1.09=424.4569kmol/h96%的氯化氫氣體量=389.41×1.09÷96%=442.1426kmol/h氯化氫原料氣干基組成如下表：表3-4氯化氫原料氣的干基組成Table3-4Dryhydrogenchloridegascompositionofrawmaterials組成HClH2N2∑kmol/h424.456913.26434.4214442.1426mol%9631100查《化工設計手冊》得：10℃時，在30%鹽酸上H2O的蒸汽壓=2.73mmHg=0.3639kPa故氯化氫原料氣中水蒸氣的比例為：0.3639/146.63×100%=0.2482%氯化氫原料氣總量（濕基）=442.1426/（1-0.2482%）=443.2427kmol/h所以，氯化氫原料氣的濕基組成列表3-5如下：表3-5氯化氫原料氣的濕基組成Table3-5Wetbasisofhydrogenchloridegascompositionofrawmaterials組分HClH2N2H2O（g）Σkmol/h424.456913.26434.42141.1001443.2427mol%95.76162.99260.99750.2482100.00003.2物料衡算3.2.1混合器混合器出口溫度為10℃，壓力為141.9645kPa?；旌掀魑锪虾馑懔斜?-6如下：表3-6混合器進出口物料組成Table3-6Importandexportofmaterialsintegralmixer進口出口組成kmol/hmol%組分kmol/hmol%乙炔氣396.5478100.00C2H2389.4146.3648C2H2389.410098.1933HCl424.456950.5416O21.1800.2975O21.1800.1405H2O（g）3.23180.8149N27.17440.8543N22.7530.6942H213.26431.5794氯化氫氣443.2427100.00H2O（g）4.33190.5158HCl424.456995.7617Σ839.8175100.0000H213.26432.9926N24.42140.9975H2O（g）1.10010.24823.2.2石墨冷卻器及除霧器水蒸汽壓計算公式：logP=A–B/T查表可知A=9.33923，B=2647∴l(xiāng)ogP=9.33923–2647/（-12+273.15）=-0.7967，可得P=0.02129kPa出口水蒸氣含量=0.02129/137.229×100%=0.01551%設冷凝所得鹽酸中，含水分xkmol，HClykmol，4.3319?x(3-2)解得：x=3.4198y=1.1243故水蒸氣含量=3.5242–3.4198=0.1044kmol/h；氯化氫含量=337.9068–1.1243=336.7825kmol/h.石墨冷卻器進出口物料含量如表3-7所示：表3-7石墨冷卻器進出口物料組成Table3-7Importandexportofmaterialcomposedofgraphitecooler進口出口組分kmol/hmol%組分kmol/hmol%C2H2389.410046.6138C2H2389.410046.9281HCl424.456950.8091HCl423.072850.9848O21.18000.1413O21.18000.1422N27.17440.8588N27.17440.8646H213.26431.5878H213.26431.5985H2O（g）4.33190.5185H2O（g）0.12160.01465Σ839.8175100.0000Σ829.8017100.0000H2O（l）4.2103HCl（l）1.3841總計839.8175總計835.39613.2.3預熱器假定預熱器中原料氣沒有損失。3.2.4轉化器因混合氣中氯化氫過量，所以選擇乙炔為計算基準，乙炔轉化率和選擇性均為99.2%。VC生成量=389.41×99.2%×（1–0.008）=383.2044kmol/h進入轉化器的H2O全部轉化為CH3CHOCH≡CH+H2O=CH3CHO0.12160.12160.1216即生成CH3CHO所消耗的乙炔氣量=0.1216kmol/h合成塔發(fā)生副反應總乙炔氣量=389.41×99.2%×0.8%=3.0904kmol/h∴副產(chǎn)物中二氯乙烷（EDC）的量=3.0904–0.1206=2.9688kmol/h轉化器出口氣體中乙炔氣量=389.41×0.8%=3.1153kmol/hHCl的量=423.0728–383.2044–2.9688×2=33.9308kmol/h表3-8轉化器進出口物料組成Table3-8Convertercomposedofimportandexportofmaterials進口出口組成分子量kmol/hkg/hmol%kmol/hkg/hmol%C2H226389.410010124.6646.67943.115380.99780.7001HCl36.5423.072815442.157250.714633.93081238.47427.6256O2321.180037.76000.14141.180037.76000.2652N2287.1744200.88320.86007.1744200.88321.6124H2213.264326.52861.590013.264326.52862.9810H2O180.12162.18880.2624000VC62.5000383.204423950.275086.1212EDC990002.9688293.91120.6672CH3CHO440000.12165.35040.02733Σ834.223125834.1778100444.959625834.18041003.2.5水洗塔已知條件副產(chǎn)物CH3CHO全部溶于水。30℃時，氯乙烯水中的溶解度為8.9×10-3kgVC/kgH2O。水洗塔操作條件：P=111.97kPa，T=30℃計算氯化氫吸的量=33.9308×90%=30.5377kmol/h水洗塔出口氯化氫含量=33.9308×10%=3.3931kmol/h20%（W）的鹽酸中水的量=VC水洗塔中損失量=8.9×10-3×4458.5042=39.6807Kg/h=0.6349kmol/h水洗塔出口VC含量=383.2044-0.6349=382.5695kmol/h查表知30℃時20%（W）的鹽酸中，水的飽和蒸汽壓P=2.5331kPa得水洗塔出口H2O（g）的百分含量=2.5331/111.97×100%=2.2623%設出口氣中H2O（g）的含量為xkmol/h，則：(3-3)得：x=9.5751kmol/h水的用量=9.5751+4458.5042÷18=257.2698kmol/h出口液態(tài)含水量=257.2698-9.5751=247.6947kmol/h出口總氣流量=444.9596-30.5377-0.6349-0.1216+9.5751=423.2405kmol/h表3-9水洗塔物料衡算Table3-9Thematerialbalanceofwashingtower進口出口組成kmol/hmol%kmol/hmol%氣相444.9596100.0000423.2405100.0000C2H23.11530.70013.11530.7361HCl33.93087.62563.39310.8017CO21.18000.26521.18000.2788N27.17441.61247.17441.6951H213.26432.981013.26433.1440H2O（g）009.57512.2623VC383.204486.1212382.569590.3897EDC2.96880.66722.96880.7014CH3CHO0.12160.0273300液相257.2698100.0000278.9889100.0000HCl0030.537710.9458H2O257.2698100.0000247.694788.7830.CH3CHO000.12160.04359VC000.63490.2276Σ702.229470.22943.2.6堿洗塔已知條件堿液循環(huán)使用，排除廢堿液量為5%（W）操作條件為：T=30℃，P=107.97kPa氯乙烯溶解損失考慮在內。計算查《化工物性圖算手冊》得此條件下，水蒸氣的飽和蒸汽壓為28.1mmHg,即p=3.7457kPa，則堿洗塔出口H2O（g）的百分含量=堿洗塔內的反應式：NaOH+HClNaCl+H2O1.82121.82121.82122NaOH+CO2Na2CO3+H2O1.93200.96600.96600.966假設堿液用量為xkg/h，出口氣中水蒸氣含量為ykmol/h，則進口氣量=423.2405kmol/h則，H2O（g）的冷凝量=（9.5751-y）kmol/hVC溶解損失量===廢堿液總量=x+3.3931×36.5+1.1800×44+（9.5751-y）×18+8.9×10-3×（0.9x-18y+190.8972）（kg/h）=1.00801x-18.1602y+349.819（kg/h）堿洗塔出口氣量=423.2405-1.1800-3.3931-（9.5751-y）-1.424×10-4×（0.9x-18y+254.6676）=409.0560+1.0026y-1.2816×10-4x（kmol/h）列方程組如下：(3-4)(3-5)解得：x=4732.197kg/hy=14.2047kmol/h∴VC損失量=1.4240×10-4×（0.9×4732.197+254.6676-18×14.2047）堿洗塔出口VC總量=382.5659-0.6063=381.9632kmol/h10%（W）堿液中含NaOH的量=4732.1970×10%=473.2197kg/h==11.8305kmol/h廢堿液中NaOH的量=11.8305-3.3931-2.3600=6.0774kmol/h堿洗塔進口液中H2O（l）含量=4732.1970×90=4258.9773kg/h=236.6099kmol/h出口液中H2O（l）的含量=4258.9773+（3.3931+1.1800+9.5751-14.2047）×18=4257.9603kg/h=236.5534kmol/h物料衡算結果列表3-10如下：表3-10堿洗塔物料衡算Table3-10Thematerialbalanceofsodascrubber進口出口組分分子量kmol/hkg/hmol%kmol/hkg/hmol%氣相423.240524861.034699.9999422.690724529.8222100C2H2263.115380.99780.73613.115380.99780.7370HCl36.53.3931123.84820.8017000CO2441.1851.92000.2788000N2287.1744200.88321.69517.1744200.88321.6973H2213.264326.52863.144013.264326.52863.1381H2O189.5751172.35182.262314.2047255.68463.3605VC62.5382.569523910.593890.3897381.963223872.700090.3647EDC992.9688293.91120.70142.9688293.91120.7024液相278.98894732.1982100248.44514704.7292100.0001Na2CO31060001.1800125.08000.4750H2O18236.60994258.978295.7595236.55344258.978295.2136NaCl58.50003.3931198.49641.3657NaOH4011.8305473.22004.24056.0774243.0962.4462VC62.50.6349001.241277.57500.4996Σ702.229429593.2328671.135829234.55123.2.7氯乙烯氣柜已知條件操作條件：P=106.64kPa，t=25℃，采用間歇操作計算聚氯乙烯產(chǎn)量=全天24小時連續(xù)生產(chǎn)：22784.8×24=546835.2kg/d拋除精制損失和未轉化的量，每天7釜（批），實際每批（釜）VC投料量：(3-5)25℃時VCM（l）的密度ρ=904kg/m3，每釜投料VCM的體積為：97.3363m3投料比為VC：H2O=1：1.09加水量（體積）=97.3363×1.09=106.0966m3每批裝料體積=97.3363+106.0966≈204m3平均每小時投VCM的量=氯乙烯回收量=410.6249×8%=32.8504kmol/h回收氣85%為氯乙烯，剩余為氮氣和水蒸氣去?？偦厥諝獾牧繛?查文獻知30℃下水的飽和蒸汽壓=4.246kPa，則H2O（g）的百分含量=∴回收氣中H2O（g）的含量=38.6475×3.9816%=1.5388kmol/h氮氣含量為=15%-3.9816%=11.0184%回收氣中氮氣含量為=38.6475-32.8504-1.5388=4.2583kmol/h物料衡算結果如下：表3-11VC氣柜物料衡算Table3-11ThematerialbalanceofVCgastank進口出口組分kmol/hmol%kmol/hmol%堿洗塔100.0000378.3000100.0000C2H23.11530.45933.11530.4213N27.17441.664011.43272.4384H213.26433.043313.26432.7914H2O14.24073.469213.28433.5116VC381.963290.9373414.813690.4457EDC2.96880.42702.96880.3916回收氣38.6475100.0000VC32.850485.0001N24.258311.0184H2O1.53883.9815Σ100.0000461.3382100.00003.2.8機前冷卻器和機后冷卻器已知條件機前冷卻器：T1=30℃，T2=10℃，P=103.974kPa機后冷卻器：T1=90℃，T2=45℃計算10℃時H2O（g）的飽和蒸汽壓=1.2881kPa，則機前冷卻器中H2O（g）的百分含量=出口氣總量=出口氣中含H2O（g）量=450.9210×1.1812%=5.3263kmol/h被冷凝的H2O（l）量=15.7435-5.3263=10.4172kmol/h物料衡算結果如下：表3-12機前冷卻器物料衡算Table3-12Thefrontofcooler'smaterialbalance組分進口出口kmol/hmol%kmol/hmol%C2H23.11530.42133.11530.4213N211.43272.438411.43272.4384H213.26432.791413.26432.7914H2O(g)15.74353.51165.32631.1533VC414.813690.4457414.813690.4458EDC2.96880.39162.96880.3916H2O(l)0010.41722.3582Σ461.3382100.0000461.3382100.00003.2.9全凝器已知條件1.操作壓力P=588.42kPa組分i的摩爾分率為：其中，(3-6)2.操作條件下氮氣和氫氣不冷凝。計算1.計算各組分的相平衡常數(shù)ki查表可得20℃下各組分的：∵其中，∴又∵，得2.計算干基混合氣的組成Zi冷卻器來的氣體干基總量=450.921-5.3262=445.5947kmol/h∴計算結果列表3-13如下：表3-13各組分平衡常數(shù)和摩爾分率Table3-13Componentsoftheequilibriumconstantsandthemolefraction組分Fi(kmol/h)(%)VC334.37160.5749414.413693.0921C2H24132.9827.10643.11530.6991EDC26.66440.045852.96880.6663N2∞∞11.43272.5657H2∞∞13.26432.9768Σ445.1947100.00003.試差法計算e(3-7)設e=0.8670，由公式，計算各組分的xi，得：(3-8)(3-9)(3-10)則：=1.000605＞1迭代結果如下：表3-14液化率計算匯總Table3-14Summaryofliquefiedrate液相組成e=0.86700.86800.86830.86835xVC0.9935470.9931000.9929660.9929435xC2H20.0027100.0027180.00272050.0027209xEDC0.0046490.0046440.0046420.00464213∑1.0006151.0001621.00002851.00000654.計算油相組成由得，油相總量L=eF=0.86835×445.5947=386.9322kmol/h計算結果列表3-15如下：表3-15油相組成Table3-15OilphasecompositionFizikixiLi組分kmol/hmol%mol%kmol/hVC414.813693.09210.574999.2944384.2020C2H23.11530.69917.10600.24210.9368EDC2.96880.66630.045850.46421.7961N211.43272.5657∞00H213.26432.9768∞00Σ445.5947100.0000100.0000386.93225.未凝氣體組成計算干基量=445.5947-386.9322=58.6625kmol/h其中：VC的量=414.8136-384.2020=30.6116kmol/hC2H2的量=3.1153-0.9368=2.1785kmol/hEDC的量=2.9688-1.7961=1.1727kmol/hH2的量=13.2643kmol/hN2的量=11.4327kmol/h6.計算未凝氣體中H2O（g）的含量查表得20℃、588.42kPa時水的飽和蒸汽壓∴全凝器中H2O（g）的含量=未凝氣體總含量=其中水蒸氣含量=58.8966-58.6625=0.2341kmol/h氣體組成如下：表3-16未凝氣體組成Table3-16Non-coagulategascomposition組分VCC2H2EDCN2H2H2OΣkmol/h30.61162.17851.172711.432713.26430.234158.8933mol%51.97813.69911.991219.412600022.52260.3975100.00007.冷凝液中水相含量混合進料器中水蒸氣含量=未凝氣中水蒸氣的量+水相量水相量=503263-0.2341=5.0922kmol/h全凝器物料衡算列表3-17如下：表3-17全凝器物料衡算Table3-17Thematerialbalanceoffullcondenser進口出口組分kmol/hmol%kmol/hmol%氣相450.9210100.000058.8939100.0000C2H23.11530.69092.71583.6990N211.43272.535411.432719.4124H213.26432.941613.264322.5224H2O(g)5.32631.18120.23410.3975VC414.813691.992530.611651.9775EDC2.96880.65841.17271.9912液相0392.0271100.0000VC384.202098.0053C2H20.93680.2390EDC1.79610.4582H2O(l)5.09221.2990Σ450.9210450.92103.2.10分餾系統(tǒng)物料估算1.假設：低沸物全部從塔頂排出，高沸物從塔底排出。2.高沸塔釜排出量W的估算假設只有氯乙烯和二氯乙烷兩種成分查表操作條件下兩者飽和蒸汽壓為：40℃下。飽和蒸汽壓為：由此可得39.5℃時各組分的飽和蒸汽壓：(3-11)同理(3-12)Ki=，得(3-13)(3-14)由相平衡方程：Yi=ΣKiXi，得由方程：ΣXi=1，得(3-15)可得方程組：解得假設EDC全部從高沸塔底排出，則WEDC=2.9688kmol/h∴W總=2.9688/0.2018=14.7116kmol/hWVC=14.7116-2.9688=11.7428kmol/h3.尾氣放空量估算氫氣，氮氣和乙炔全部尾氣排出=13.2643kmol/h=11.4327mol/h=3.1153kmol/h查表得-30℃時，-20℃時，∴-25℃下，由相平衡方程：Xi=Yi/Ki由歸一化方程：又得同理得聯(lián)解方程組，得：∴4.成品（VCM）量D的估算D=F–W–V–冷凝水量=445.5947-14.7116-46.5665-5.3263=378.9903kmol/h低沸塔頂上升蒸汽量V＇的估算1.設T=15℃10℃時，20℃時，則，15℃下，查15℃下，∴=30.6116+0.4394V＇-4.7917=25.8119+0.4394V＇查0℃時，-5℃時，-10℃時，得：-2.65℃時=2568.1817kPa=153.6976kPa∴，即（3-17）整理得：解得：∴尾凝器物料估算列表3-18如下：表3-18尾凝器物料估算Table3-18Thecondensermaterialoftheendestimates進料出料組分未凝氣V＇總進料V總尾凝液kmol/hkmol/hkmol/hkmol/hC2H22.17851.10103.28053.11530.1652N211.4327011.432711.43270H213.2643013.264313.26430H2O(g)0.234100.234100.2341VC30.61160.863731.47534.791726.6836EDC1.172701.172700.1727小計59.43391.965760.859646.566425.9456低沸塔物料估算列表3-19如下：表3-19低沸塔物料估算Table3-19EstimationoflowboilingmaterialsTower進口出口全凝器油相尾凝器油相總進料摩爾分率V＇W組分kmol/hkmol/hkmol/hmol%kmol/hkmol/hVC384.202026.6836410.885699.01900.8637410.0219EDC1.79611.17272.96880.7154023.8279C2H20.96380.16521.10200.26561.10200小計386.934928.0215414.9564100.00001.9657412.849低沸塔物料衡算兩股進料1.根據(jù)分離任務選取關鍵組分冷凝段(回收段)：VC設定回收度蒸發(fā)段(提餾段)：C2H2設定蒸出度2.假設TF=37.8℃，P=588.42kPa，計算結果如表3-20所示：表3-20計算結果Table3-20Results組分XiPi0(mmHg)Ki=Pi/PYi=KiXiC2H20.265645939.710.40880.0277VC99.01904309.10.97630.9667EDC0.7154375.60.08510.0006Σ100.00000.9950由此可知，∑Yi=∑KiXi1，所以假設TF=37.8℃正確。3.計算各溫度下的Ki值Ki=Pi/P，P=588.42kPa，計算結果如表3-21所示：表3-21計算結果Pi0：KPaTable3-21ResultsPi0：KPa組分15℃26.4℃38.5℃39.2℃Pi0KiPi0KiPi0KiPi0KiC2H25079.21228.63206227.4510.58337858.01112.8917656.31513.0116VC265.7490.4516369.6850.6283507.47940.8624515.13260.8755EDC18.83120.032031.19510.053051.19270.087052.61901.01144.其他組分計算=0.945×0.6283/10.5833=0.05610=0.945×0.6283/0.053=11.2027>>1∴?。?）、的計算已知，T蒸=38.6℃假設蒸出段理論板數(shù)N理=12~13塊蒸出度，S=VK/L其中，S-蒸出因子C-液量V-蒸汽量對于C2H2，用試差法求解，設，則假設成立∴則：同理，得：（2）、計算塔的進料狀態(tài)函數(shù)q料液溫度T=19.7℃，泡點溫度為38℃r-氣化潛熱Cp-平均溫度下的比熱∵VC在進料中的損失mol%很大，∴可以用代替查表得10℃時，30℃時，∴28.75℃時，查表得30℃時，rVC=70kcal/kg40℃時，rVC=68kcal/kg∴泡點溫度T泡=37.8℃下，∴（3-18）進料氣態(tài)量a=（1-q）F=（1-1.0882）F=-0.0882F<0計算結果列表3-22如下：表3-22冷凝-蒸出塔計算結果Table3-22Condensation-steamoutofthetowerresults組分F起始混合物26.5℃、588.42kPa時的Ki38.6℃、588.42kPa時的Ki回收度Cu\kmol/h氣體a液體bC2H21.1020-0.009721.199210.583312.89050.0561VC410.8856-36.2401447.12570.62830.86240.9450EDC2.9688-0.26183..32060.0530.08701Σ414.9564-36.5992451.5556續(xù)表：組分蒸出度CoX=Cu·Co1/(1-X)C2H20.99900.05601.0594VC0.12350.11671.1321EDC0.00920.00921.0092Σ1.17540.22533.2549續(xù)表：冷凝段組分a+b·Co總和氣體回收的殘余氣體V＇=()(a+b·Co)/(1-X)(a+b·Co)·Cu/(1-X)kmol/hmol%C2H21.10081.16620.065421.100830.4863VC27.626631.276129.55591.720269.5137EDC-0.1893-0.1406-0.14060.00000.0000Σ24.516827.183829.48072.5395100.00000其中，-0.0350的負號表示熱量交換負號續(xù)表：蒸出段組分b+a·Cu總和液體L蒸出的V殘余液體W=(L-V)(b+a·Cu)/(1-X)Co(b+a·Cu)/(1-X)kmol/hmol%C2H21.19371.26461.26330.00130.0003VC386.2937437.323154.0094383.313799.8576EDC2.96882.99620.027452.96870.1421Σ387.5067441.583955.3002385.3492100.00005.校核蒸出段的，與所設基本相符∴所設理論級數(shù)N=13塊合適6.塔溫校核（1）、計算結果如下：表3-23塔頂溫度校核Pi0：kpaTable3-23TemperaturecalibrationtowerPi0：KPa組分V＇(kmol/h)Yi15℃、588.42kPa時的Pi0KiXi=Yi/KiPi0/PC2H21.10200.56065079.21228.63200.93510.0.0888VC0.86370.4394265.74920.45160.0649Σ1.96571.00001.0000ΣXi≈1，∴所設溫度TV＇=15℃合理、計算結果如下：表3-24塔釜溫度校核Pi0：KPaTable3-24TowerreactortemperaturecheckPi0：KPa組分Wi(kmol/h)Xi(mol%)39.2℃、588.42kPa下的Pi0KiYi=Xi·KiC2H20.00130.00037675.314913.01160.0007VC383.807799.2324515.13261.01141.0110EDC2.96870.767552.61900.089420.0001Σ386.7765100.00001.0111ΣYi=1.0111≈1，∴所設TW=39.2℃合理、計算結果列表3-25如下：表3-25尾凝器出口溫度校核Table3-25LastCheckcondenseroutlettemperature組分ViYiKiXi=Yi/KiC2H23.11530.0956104502.36770.0405VC4.79170.1470467.50.153200.9595H213.26430.4068∞∞0N211.43270.3507∞∞0Σ32.60401.00001.0000ΣXi=1，∴所設溫度TV總=-25℃合理（4）、校核尾凝器進料溫度，原設T進=19.7℃尾凝器有兩股進料：VI=59.4339kmol/h，VII=1.9657kmol/h，得：VI:VII=59.4339:1.9657=30.2355:1進料（I）為20℃，進料（II）為15℃∴，得：所設溫度T進=19.7℃合理，此溫度為實際進料溫度。高沸塔物料衡算1.高沸塔進料進料F=低沸塔釜液2.計算（1）、用試差法計算TF計算結果列表3-26如下：表3-26進料溫度計算結果Table3-26Theresultsoffeedtemperature組分Fi(kmol/h)Xi%Pi0(mmHg)KiYi=KiXiC2H20.00130.00034225611.48910.0000VC383.807799.23243283.76990.89290.8859EDC2.96870.7675313.18850.085150.0006Σ386.7765100.0000.9513ΣYi=1.0070≈1，TF=32.80℃符合計算（2）、按清晰分割法計算按照假設，則解得：對C2H2組分，有：，解得：又∴同理對于EDC組分得：解得：由，得：（3-19）∴由此可知：由表可知，當TD=32.59℃時，當TD=32.6℃時，∵，∴TD=32.59℃符合要求。求塔釜溫度TW結果列表3-29如下：表3-29塔釜溫度TW校核P