電石法制氯乙烯工藝畢業(yè)設(shè)計(jì)

PAGE畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目電石法制氯乙烯工藝設(shè)計(jì)專業(yè)班級姓名學(xué)號指導(dǎo)教師完成日期濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（論文）PAGEI目錄摘要 1第一章文獻(xiàn)綜述 21.1原料產(chǎn)品性質(zhì)及用途 21.1.1氯乙烯的性質(zhì)及用途 21.1.2乙炔的性質(zhì)及用途 21.1.3氯化氫的性質(zhì)及用途 31.2氯乙烯的生產(chǎn)方法 41.2.1電石乙炔法 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第二章氯乙烯生產(chǎn)的工藝流程 72.1乙炔發(fā)生工藝流程 72.2乙炔清凈原理 72.2.1目的——得到符合要求的乙炔 82.2.2清凈劑——次氯酸鈉液體 82.2.3反應(yīng)原理——氧化還原反應(yīng)，生成酸性物質(zhì) 82.3乙炔清凈工藝流程 82.3氯化氫合成的工藝流程圖 92.4粗氯乙烯的生產(chǎn) 102.4.1乙炔加氯化氫制氯乙烯工藝流程 102.4.2對原料乙炔氣的要求 112.4.3對原料氣氯化氫的要求 112.5粗氯乙烯的凈化和壓縮 122.5.1工作原理 122.5.2粗氯乙烯的凈化和壓縮的工藝流程 122.5.3氯乙烯單體的精餾 13第三章電石法制氯乙烯工段物料及熱量衡算方法 153.1乙炔法年產(chǎn)40萬噸氯乙烯反應(yīng)器的物料衡算 153.2氯乙烯反應(yīng)器的物料衡算數(shù)據(jù)作熱量衡算。 17第四章電石法制氯乙烯工段的主要設(shè)備 204.1合成部分設(shè)備 204.2列管式石墨換熱器 214.3水洗泡沫塔設(shè)備 224.3.1構(gòu)造 224.3.2工作原理 234.4轉(zhuǎn)化器 234.4.1構(gòu)造 234.1.2工作原理 244.5高沸物塔 25致謝 27參考文獻(xiàn) 28附圖一 29附圖二 30 -PAGE31-摘要近年我國PVC樹脂產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場的需求，這與我國大部分生產(chǎn)廠家工藝技術(shù)落后，VC原料短缺有直接關(guān)系。我國相關(guān)技術(shù)也基本處于比較落后的水平，且相關(guān)資源也不夠豐富，致使我國有相當(dāng)一部分生產(chǎn)氯乙烯廠家還是使用的比較落后的乙炔法。氯乙烯的制備在PVC的生產(chǎn)過程中是一個非常重要的環(huán)節(jié)，它把從氯化氫裝置送來的干燥氯化氫氣體和從乙炔裝置送來的精制乙炔氣體在這里合成反應(yīng)生成粗氯乙烯，并經(jīng)過脫水、凈化、精餾等工序后，制成精制氯乙烯，即單體，用來滿足聚合的需要。設(shè)計(jì)主要論述了電石法生產(chǎn)氯乙烯，以及原料氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，以及它的用途；還介紹了生產(chǎn)氯乙烯的主要設(shè)備，基本原理和工藝流程。關(guān)鍵詞乙炔氯化氫氯乙烯工藝流程第一章文獻(xiàn)綜述1.1原料產(chǎn)品性質(zhì)及用途1.1.1氯乙烯的性質(zhì)及用途氯乙烯的物理性質(zhì)氯乙烯是無色有醚樣氣味的氣體，沸點(diǎn)-13.9℃，熔點(diǎn)-160.0，閃點(diǎn)-17.8℃，冷凝點(diǎn)-159.7℃，相對密度（水=1）：0.91，易燃易爆，與空氣混合能形成爆炸性混合物。微溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮等多數(shù)有機(jī)溶劑。氯乙烯的化學(xué)性質(zhì)乙炔和氯化氫在氯化汞催化劑作用下生成氯乙烯反應(yīng)式：C2H2+HCl→C3H2Cl+124.8KJ/mol（1）化學(xué)穩(wěn)定性極易燃。氣體比空氣重，可沿地面流動，可能造成遠(yuǎn)處著火，有濕氣存在時(shí)，腐蝕鐵和鋼。（2）燃燒（分解）產(chǎn)物燃燒時(shí)，分解生成氯化氫和光氣等有毒和腐蝕性煙霧。（3）避免接觸條件避免受熱、光照和接觸空氣與潮氣。氯乙烯的用途氯乙烯是塑料工業(yè)的重要生產(chǎn)原料，是生產(chǎn)聚氯乙烯塑料的單體；或與醋酸乙烯、丙烯腈制成共聚物，用作粘合劑、涂料、絕緣材料和合成纖維，也用作化學(xué)中間體或溶劑。氯乙烯是一種非常重要的化工原材料,主要用來制備聚氯乙烯(簡稱PVC)樹脂,也用于制備偏二氯乙烯、冷凍劑等。全世界9%的氯乙烯單體都用于生產(chǎn)聚氯乙烯,我國目前沒有專門的氯乙烯生產(chǎn)企業(yè),所有的氯乙烯裝置均與聚氯乙烯裝置配套建設(shè),完全一體化。氯乙烯的生產(chǎn)工藝經(jīng)歷了多年的工業(yè)生產(chǎn)和工藝改造后，形成了4種主要的生產(chǎn)工藝:電石乙炔法、二氯乙烷法、乙烯氧氯化法和平衡氧氯化法。1.1.2乙炔的性質(zhì)及用途乙炔的物理性質(zhì)乙炔又稱電石氣。結(jié)構(gòu)簡式HC≡CH，是最簡單的炔烴。乙炔分子量26.4，氣體比重0.91（Kg/m3），火焰溫度3150℃，熱值12800（千卡/m3）在氧氣中燃燒速度7.5，純乙炔在空氣中燃燒2100℃左右，在氧氣中燃燒可達(dá)3600℃?；瘜W(xué)式C2H2純品乙炔為無色無氣味的氣體，自電石制取的乙炔含有磷化氫、砷化氫、硫化氫等雜質(zhì)而具有特殊的刺激性蒜臭和毒性；常壓下不能液化，升華點(diǎn)為-83.8℃，在1.19×105Pa壓強(qiáng)下，熔點(diǎn)為-81℃；易燃易爆，空氣中爆炸極限很寬，為2.5％～80％；難溶于水，易溶于石油醚、乙醇、苯等有機(jī)溶劑，在丙酮中溶解度極大，在1.2MPa下，1體積丙酮可以溶解300體積乙炔，液態(tài)乙炔稍受震動就會爆炸，工業(yè)上在鋼筒內(nèi)盛滿丙酮浸透的多孔物質(zhì)，在1～1.2MPa下將乙炔壓入丙酮，安全貯運(yùn)。乙炔的化學(xué)性質(zhì)（1）加成反應(yīng)是多種多樣的，可以與水、氫氣、鹵化氫、氫氰酸等進(jìn)行加成，分別獲得乙醛、乙烯、鹵乙烯和丙烯氰等化工產(chǎn)品。（2）聚合反應(yīng)乙炔與乙烯相似，也能發(fā)生聚合反應(yīng)，在含有少量鹽酸的氯化亞銅-氯化銨的水溶液中，通入乙炔，在357K~369K下生產(chǎn)乙烯基乙炔，還可以進(jìn)一步生產(chǎn)二乙烯基乙炔。（3）有弱酸性，其分子中的氫能被某些金屬取代而成鹽。如乙炔能夠與銅、銀、汞等作用，生成具有爆炸性的乙炔銅、乙炔銀、乙炔汞。所以，工業(yè)生產(chǎn)中乙炔發(fā)生系統(tǒng)不能使用銅制的旋塞及管件、慎用汞壓力計(jì)等。乙炔的用途例如：制備聚乙炔，新型導(dǎo)電塑料。合成橡膠、人造樹脂、丙酮、烯酮、炭黑等；同時(shí)乙炔一氧焰廣泛用于金屬的焊接和切割。有機(jī)合成、原子吸收光譜、標(biāo)準(zhǔn)氣、校正氣、合成橡膠、照明。1.1.3氯化氫的性質(zhì)及用途主要物理性質(zhì)（1）顏色氣味：無色、有刺激性氣味的氣體（2）密度：氣態(tài)氯化氫在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度為1.63kg/m3(比空氣重)（3）溶解度：氯化氫氣體極易溶于水，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，約500V氯化氫/1V水，得約46.15%鹽酸；其溶解度隨溫度的升高而降低(制備各種不同濃度的鹽酸)，通常濃鹽酸為37%。（4）恒沸點(diǎn)：這是氯化氫水溶液的特性。濃鹽酸在加熱蒸餾時(shí)，其餾出物是含有少量水分的氯化氫氣體(鹽酸脫吸法制備氯化氫的依據(jù))，在0.1MPa下，當(dāng)鹽酸濃度降低到20.24%，溫度為108.65℃時(shí)，餾出物組成與溶液組成相同，溶液組成不再變化，同時(shí)具有恒定沸點(diǎn)。主要化學(xué)性質(zhì)（1）分子非常穩(wěn)定：加熱到1500℃才發(fā)生分解(生產(chǎn)中可以采用高溫操作)（2）水溶液具有強(qiáng)酸性：能與大部分金屬反應(yīng)，生成金屬氯化物(避濕，否則腐蝕生產(chǎn)設(shè)備)（3）高溫鹽酸蒸氣對碳鋼幾乎無腐蝕：一般鹽酸蒸氣在其最高露點(diǎn)108.65℃以上時(shí)，對碳鋼幾乎無腐蝕(根據(jù)不同條件選擇設(shè)備)（4）高溫氣體對設(shè)備的腐蝕在適當(dāng)范圍：若溫度保持在其最高露點(diǎn)108.65℃以上、250℃以下時(shí)，對碳鋼的腐蝕作用可保持在適當(dāng)范圍內(nèi)(可以用鋼制的合成爐)；另外，石英、石棉、酚醛樹脂、耐酸陶瓷、塑料以及一些金屬合金比較耐氯化氫氣體腐蝕(作為鹽酸生產(chǎn)中的設(shè)備防爆膜、浸漬設(shè)備或涂膜防腐蝕)（5）與有機(jī)化合物的反應(yīng)：能與多種有機(jī)化合物反應(yīng)生成有機(jī)氯化物。氯化氫的用途氯化氫溶于水即得鹽酸，鹽酸是三大強(qiáng)酸之一，可用于制造各種化學(xué)藥品、食品及染色工業(yè)品等；近年來，氯化氫多用于制造聚氯乙烯、氯丁橡膠縮合劑等。1.2氯乙烯的生產(chǎn)方法1.2.1電石乙炔法電石乙炔法是最早的氯乙烯生產(chǎn)方法。它主要利用乙炔和氯化氫為原料,用氯化汞做催化劑進(jìn)行加成反應(yīng),生成氯乙烯。CH2=CH2+HCl→CH2=CHCl其優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟、簡單,設(shè)備投資低,但由于采用電石作為原料,需要消耗大量電能,使氯乙烯成本上升,反應(yīng)中所用的催化劑對環(huán)境的污染嚴(yán)重。電石乙炔法在世界上已基本被淘汰,但這是我國目前主要的氯乙烯生產(chǎn)方法。1.2.2二氯乙烷法二氯乙烷法是以乙烯為原料與氯氣反應(yīng)生成二氯乙烷(EDC),然后由二氯乙烷熱裂化制備氯乙烯的方法。該法的副產(chǎn)物是HCl,如果不加以利用,生產(chǎn)成太高。與電石乙炔法聯(lián)合起來可以解決HCl問題。但這種方法既不能完全向石油天然氣化工方向轉(zhuǎn)化,又不能完全擺脫電石乙炔法,所以沒有發(fā)展前途。1.2.3乙烯氧氮化法氧氯化法是對利用氯化氫合成有機(jī)物的這一類反應(yīng)的總稱。乙烯氧氯化法的化學(xué)反應(yīng)方程式為：CH2=CH2+Cl2→CH2ClCH2Cl；ClCH2CH2Cl→CH2=CHCl+HCl這種方法是目前缺少氯氣的地區(qū)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氣生產(chǎn)EDC，EDC熱裂化生成VCM和氯化氫，再由氯化氫、乙烯和氯氣反應(yīng)生成EDC的方法。2CH2=CH2+2Cl→2ClCH2CH2Cl2CH2=CH2+4HCl+O2→2ClCH2CH2Cl+2H2O4ClCH2CH2Cl→4CH2=CHCl+4HCl總反應(yīng)式：4CH2=CH2+2Cl2+O2→4CH2=CHCl+2H2O方法在整個反應(yīng)中，氯化氫始終保持平衡，不需要補(bǔ)充，也不需要處理，即所謂平衡氧氯化。它是目前世界上比較先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。我國四家大廠引進(jìn)的工藝技術(shù)均屬此法：山東齊魯石化、上海氯堿總廠是引進(jìn)日本三井東亞技術(shù)；北京化工二廠是引進(jìn)德國伍德技術(shù)；天津大沽化工廠是引進(jìn)歐洲EVC技術(shù)，可能在工藝條件和具體設(shè)備上有些差異，但主要裝置都是由直接氯化單元、氧氯化單元、二氯乙烷裂解單元以及相關(guān)的二氯乙烷和氯乙烯精餾單元等工藝單元組成。這4種氯乙烯生產(chǎn)工藝中,除了第一種生產(chǎn)工藝走的是電石路線外,后三種生產(chǎn)工藝均屬于石油路線(即以石油或石油產(chǎn)品為原材料生產(chǎn)氯乙烯)。目前在我國,除齊魯石化、上海氯堿總廠、北京化工二廠和天津大沽化工廠四家較大的聚乙烯生產(chǎn)企業(yè)采用了以乙烯為原料的平衡氧氯化法,天津樂金公司直接以進(jìn)口的氯乙烯為原料外,其余廠家均是電石乙炔法,乙炔法生產(chǎn)氯乙烯占氯乙烯總生產(chǎn)能力的63.4%。電石路線由于存在耗電量大,成本高以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題,正在被世界各國所淘汰，而石油路線則由于成本低、質(zhì)量高、污染小、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),成為目前世界上比較通用的生產(chǎn)工藝。但是,隨著石油資源的日益枯竭以及氯乙烯的需求不斷增加,必須有新的氯乙烯生產(chǎn)工藝的誕生。石油和天然氣通常是相伴而生,在石油和天然氣當(dāng)中,石油的應(yīng)用非常廣泛,而天然氣雖然有極豐富的貯藏量,但其在化學(xué)工業(yè)上的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上石油。如何使天然氣替代或部分替代石油在國民經(jīng)濟(jì)中的作用,是人們一直關(guān)注的課題。尤其是隨，著石油資源的日益減少和天然氣資源的大量發(fā)現(xiàn),天然氣的轉(zhuǎn)化和利用越來越受到人們的重視。在這種情況下,很自然想到用天然氣、油田氣中的乙烷來取代石油中的乙烯，用于氯乙烯的生產(chǎn)。因此,電石法PVC在國內(nèi)還可以生存相當(dāng)長時(shí)間。第二章氯乙烯生產(chǎn)的工藝流程生產(chǎn)氯乙烯的生產(chǎn)原料主要有電石、氯化氫。電石（碳化鈣CaC2），遇水生成乙炔（C2H2），將乙炔與氯化氫（HCl）合成制出氯乙烯單體（CH2CHCl）。2.1乙炔發(fā)生工藝流程乙炔發(fā)生的工藝流程如圖2-1所示：倉庫內(nèi)經(jīng)破碎的小顆粒電石經(jīng)過1皮帶傳輸機(jī)運(yùn)到2電石貯斗，然后經(jīng)3盤式給料機(jī)送往4斗式提升機(jī)。在斗式提升機(jī)的上部出來的小顆粒送往5加料小車，然后把加料小車內(nèi)的料送往6上加料貯斗和7下加料貯斗，然后經(jīng)8振動攪拌器，然后在9小顆粒電石在乙炔發(fā)生器經(jīng)攪拌器15,16進(jìn)行反應(yīng)。從上部出來的乙炔氣經(jīng)10正水封，然后進(jìn)入12冷卻塔，電石渣從16乙炔發(fā)生器下部排出。然后經(jīng)13乙炔阻火器，最后送往乙炔的清凈塔，進(jìn)行清凈工序。圖2—1乙炔發(fā)生的工藝流程1-皮帶傳輸機(jī)；2-電石貯斗；3-盤式給料機(jī)；4-斗式提升機(jī)；5-加料小車；6-上加料貯斗；7-下加料貯斗；8-振動加料器；9-乙炔發(fā)生器；10-正水封；11-安全水封；12-冷卻塔；13-阻火器；14-大攪拌器；15-小攪拌器；16-排渣器2.2乙炔清凈原理2.2.1目的——得到符合要求的乙炔2.2.2清凈劑——次氯酸鈉液體2.2.3反應(yīng)原理——氧化還原反應(yīng)，生成酸性物質(zhì)PH3+4NaClO→H3PO4+4NaClH2S+4NaClO→H2SO4+4NaClSiH4+4NaClO→SiO2+2H2O+4NaClAsH3+4NaClO→H3AsO4+4NaCl中和除去酸性物質(zhì)(中和劑為NaOH溶液)H3PO4+3NaOH→Na3PO4+3H2OH3SO4+2NaOH→Na3SO4+2H2OH3AsO4+3NaOH→Na3AsO4+3H2OSiO2+2NaOH→Na3SiO4+H2O2.3乙炔清凈工藝流程乙炔清凈工藝流程如圖2-2所示：來自發(fā)生器經(jīng)冷卻后的粗乙炔氣，進(jìn)入水環(huán)式壓縮機(jī)1加壓，然后經(jīng)兩臺串聯(lián)的清凈塔2、3與含有效氯0.08％～0.12%的次氯酸鈉溶液直接接觸，使粗乙炔氣中的磷、硫雜質(zhì)脫除，再經(jīng)中和塔4以10%～15％液堿中和，經(jīng)冷卻器5初步除去飽和的水分后，純度98.5％以上的精乙炔送氯乙烯裝置使用。圖2—2乙炔清凈工藝流程1-水環(huán)式壓縮機(jī)；2、3-清凈塔；4-中和塔；5-冷卻器；2.3氯化氫合成的工藝流程氯化氫合成的工藝流程如圖2-3所示：氫氣由氣柜出來經(jīng)止逆水封和卸壓水封后，由水環(huán)泵加壓至0.045MPa以上，經(jīng)氫氣緩沖器進(jìn)入合成爐燃燒器；而氯氣則由氯氣處理送來，壓力為0.1MPa以上進(jìn)入合成爐的燃燒器；合成后的氯化氫氣體以0.04MPa壓力送出合成爐，經(jīng)冷卻、除霧后送至氯乙烯合成裝置。圖2-3合成法生產(chǎn)氯化氫的工藝流程1-氫氣柜；2-氫氣緩沖器；3、4-阻火器；5-合成爐；6-空氣冷卻器；7-石墨冷卻器；8、13、17-氯化氫緩沖器；9、10、11-石墨冷卻塔；12-酸霧過濾器；14-納氏泵；15-氣液分離器；16-硫酸冷卻器；18-氯化氫除沫器原料氫氣由電解槽陰極出來，經(jīng)過冷卻、洗滌，大大降低了氣相溫度，消除了氣相中夾帶的堿霧和雜質(zhì)，由輸氫壓縮機(jī)（經(jīng)復(fù)式壓縮機(jī)、羅獲鼓風(fēng)機(jī)或鈉氏泵）送出，在氫氣柜中貯存（在規(guī)模較大的生產(chǎn)工藝中設(shè)置氣柜以確保氫氣穩(wěn)定、壓力平衡。氫氣的純度在98％以上，經(jīng)氣液分離器及阻火器進(jìn)入合成爐5燃燒器。原料氯氣由電解槽陽極出來，經(jīng)過冷卻、干燥、凈化，使氯氣成為含濕量很的干燥氣體。由氯氣壓縮機(jī)（離心式壓縮機(jī)或納氏泵）送入氯氣緩沖罐2，經(jīng)穩(wěn)壓裝置調(diào)節(jié)，以恒壓送入合成爐與燃燒器，其純度在90％以上，氯內(nèi)含氫在0.5％以下。原料氯氣和氫氣經(jīng)節(jié)流控制一定的摩爾比（Cl：H=1：1.05～1.1）分別注入燃燒器的內(nèi)管和外管，氯氣由下而上經(jīng)內(nèi)套管上端側(cè)壁幾個排料孔，切線方向均勻輸出與外套管由下而上的氯氣充分混合燃燒。石英的燃燒器傳熱較慢，套管口積蓄的熱量不易散失，能經(jīng)常保持引發(fā)溫度，以使合成反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，燃燒時(shí)火焰溫度可達(dá)2000℃以上，并發(fā)出青白色火焰。合成后的氯化氫氣體蘊(yùn)蓄著大量熱量，借散熱翅片或夾套冷卻水冷卻，可移去部分熱量，降低了爐壁濕度。出合成爐時(shí)氣體溫度仍可達(dá)400～500℃，經(jīng)鐵制的空氣冷卻導(dǎo)管冷卻后，氣相溫度可降至150℃以下，然后進(jìn)入圓塊孔或石墨換熱器)或列管式石墨冷卻器，用工業(yè)上水將氯化氫氣體冷卻到40℃左右。再經(jīng)過下封頭出口的控制閥門進(jìn)入氣體緩沖器(分離冷凝鹽酸和分配氣體之用)，分兩路分別進(jìn)入兩組串聯(lián)的列管式石墨冷凝器，以﹣25℃冷凍鹽水將氣體冷卻到﹣12～﹣18℃左右，進(jìn)入酸霧分離器，氣相中夾帶的30％左右的鹽酸霧沫，經(jīng)分離器中含氛硅油浸漬處理過的玻璃纖維捕集分離，使氣相氯化氫成為含濕量小于0.06％的干燥氣體，再進(jìn)入緩沖器后被納氏泵抽吸，在泵內(nèi)借助于濃度為93％以上的硫酸作為液環(huán)、密封，由于離心力的作用，使氣體受到壓縮。受壓后的氯化氯氣體和硫酸一起進(jìn)入氣液分離器，硫酸從底部排出，經(jīng)過冷卻后又被納氏泵吸入循環(huán)使用。而氯化氫氣體則由氣液分離器頂部排出，經(jīng)緩沖器，除沫器18后通往氯乙烯合成裝置。2.4粗氯乙烯的生產(chǎn)2.4.1乙炔加氯化氫制氯乙烯工藝流程乙炔加氯化氫制氯乙烯工藝流程如圖2-4所示：經(jīng)精制處理的干燥精乙炔通過沙封1與干燥的氯化氫氣體在混合氣2中混合均勻，進(jìn)去反應(yīng)器3，在催化劑氯化汞的作用下進(jìn)行加成反應(yīng)。反應(yīng)后的氣體先經(jīng)過水洗塔4除去氯化氫，再經(jīng)過堿洗塔5除去殘余的氯化氫和二氧化碳，然后再預(yù)冷器6中用水間接降溫，可將水冷凝分離出來，其余氣體在全凝器7中用鹽水間接降溫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氣體從塔頂蒸出，釜液送入氯乙烯.9，塔頂餾出液為精氯乙烯單體，釜液是二氯乙烷等高沸物，可另再回收。1-沙封；2-混合器；3-反應(yīng)器；4-水洗塔；5-堿洗塔；6-預(yù)冷器；7-全凝器；8-低沸塔；9-氯乙烯塔。2.4.2對原料乙炔氣的要求1.純度一般要求乙炔純度≥98.5%。因?yàn)榧兌鹊蜁r(shí)，二氧化碳等惰性氣體量多，會降低合成的轉(zhuǎn)化率，尾氣放空量增加，增加乙炔和氯乙烯的損失。2.磷硫雜質(zhì)磷化氫、硫化氫均能與催化劑發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)吸附，使催化劑中毒而縮短催化劑的使用壽命；還能與升汞反應(yīng)生成無活性的汞鹽。3.水分一般原料氣含水分≤0.06%，能滿足生產(chǎn)需要。2.4.3對原料氣氯化氫的要求1.純度氯化氫純度≥93%[純度低時(shí)，組成不穩(wěn)定，與乙炔的配比不易調(diào)整；含有較多的惰性氣體(約占7%)，使尾排氣體增加，乙炔和氯乙烯損失增加，電石定額上升。2.氯化氫中游離氯≤0.002%嚴(yán)格控制氯化氫中游離氯檢出(游離氯與乙炔接觸，發(fā)生激烈反應(yīng)生成氯乙炔爆炸性物質(zhì)，同時(shí)放出大量的熱，造成混合脫水系統(tǒng)的混合器、列管式石墨冷卻器等薄弱環(huán)節(jié)處爆炸而影響生產(chǎn)安全；借游離氯自動測定儀或于混合器出口安裝氣相溫度報(bào)警器，設(shè)定溫度超過50℃時(shí)即關(guān)閉原料乙炔氣總閥)。3.含氧(控制在0.5%以下)在轉(zhuǎn)化率低、放空尾氣中乙炔量較多時(shí)，氧氣在放空氣相中被濃縮，存在潛在危險(xiǎn)；會與炭反應(yīng)生成CO、CO2降低催化劑使用壽命，造成后分離困難；使干燥塔內(nèi)的固堿生成碳酸鈉外殼，影響固堿的脫水效果。2.5粗氯乙烯的凈化和壓縮2.5.1工作原理吸收水自塔頂?shù)谝粔K塔板加入，在該塔板上與上升的粗氯乙烯氣體接觸，形成具有一定高度的泡沫層；在泡沫層內(nèi)氣液相進(jìn)行傳質(zhì)過程，使氣相中的氯化氫被水吸收為鹽酸；經(jīng)由溢流管借位差流入下一層篩板，重復(fù)上述的質(zhì)量傳遞過程；借加入水量的控制，調(diào)節(jié)液體在篩板上泡沫層的停留時(shí)間，使稀酸濃度達(dá)到20~25%范圍(外賣或脫吸法的吸收液)；通過視鏡3可以觀察到篩板上泡沫層的高度及氣液湍動接觸的情況，判斷塔設(shè)備的工作質(zhì)量。2.5.2粗氯乙烯的凈化和壓縮的工藝流程粗氯乙烯的凈化壓縮工藝流程如圖2-5所示：粗氯乙烯在高溫下帶逸的氯化高汞升華物，在填裝活性炭的汞吸附器（除汞器）1中除去，然后由石墨冷卻器將合成氣冷卻到15℃以下，通入水洗泡沫塔2回收過量的氯化氫。泡沫塔頂是以高位槽低溫水噴淋，一次（不循環(huán)）接觸制得20％的鹽酸，由塔底借位差流入鹽酸大貯槽供灌裝外銷。氣體再經(jīng)堿冼泡沫塔3去殘余的微量氯化氫后，送至氯乙烯氣柜4，氣柜中氯乙烯經(jīng)冷堿塔5進(jìn)一步除去微量酸性氣體，至機(jī)前冷卻器6和水分離器7，分離出部分冷凝水，借往復(fù)式壓縮機(jī)8加壓至0.5～0.6MPa（表壓），并經(jīng)機(jī)后油分離器、冷卻器9及分離器等設(shè)備，進(jìn)一步除去油及水后送精餾系統(tǒng)。圖2—5粗氯乙烯的凈化和壓縮的工藝流程1-除汞器；2-水洗泡沫塔；3-堿冼泡沫塔；4-氯乙烯氣柜；5-冷堿塔；6-機(jī)前冷卻器；7-水分離器；8-往復(fù)式壓縮機(jī)；9-機(jī)后油分離器、冷卻器2.5.3氯乙烯單體的精餾氯乙烯精餾的原理液體混合物的精餾過程，是基于不同組成混合物的不同物質(zhì)具有不同的揮發(fā)度，也就是具有不同的蒸氣壓和不同的沸點(diǎn)，借恒壓下降低溫度或升高溫度時(shí)，各物質(zhì)在氣相里的組成和在液相里的組成的差別，來獲得分離的。精餾必須具備兩個條件：一是由塔底加熱釜(或稱再沸器)使物料產(chǎn)生上升的蒸氣；二是由塔頂冷凝器使部分蒸氣冷凝為向下流的液體(又稱回流)。在連續(xù)精餾塔的每一塊理論塔板上，均發(fā)生部分氣化和部分冷凝。塔頂部的蒸氣所含易揮發(fā)組分(低沸點(diǎn)組分)較多，溫度也低些；塔底部的液體所含難揮發(fā)組分(高沸點(diǎn)組分)較多，溫度也較高些。以低沸塔某一層塔板為例，當(dāng)上層塔板下流的液體(含有較多的易揮發(fā)乙炔)與下層塔板上升的蒸氣(含有較少的易揮發(fā)乙炔)接觸時(shí)，兩者發(fā)生了氣液相之間的熱量和物質(zhì)傳遞，使易揮發(fā)組分乙炔以擴(kuò)散方式逸入上升的蒸氣中，而難揮發(fā)組分氯乙烯則以相反的方向進(jìn)入向下流的液體中。也即，氣液通過一次接觸，上升蒸氣中易揮發(fā)組分乙炔的含量將因液體的部分氣化而增多；向下流的液體中難揮發(fā)組分氯乙烯的含量將因蒸氣的部分冷凝而增多。通過許多塊塔板上氣液相間的熱量和物質(zhì)傳遞，使上升蒸氣達(dá)到塔頂部時(shí)，含有很濃的易揮發(fā)組分乙炔，而向下流的液體到達(dá)塔底部時(shí)，則含有很濃的難揮發(fā)組分氯乙烯(幾乎不含乙炔)，從而實(shí)現(xiàn)完全的分離。氯乙烯單體的精餾的工藝流程圖2—6氯乙烯精餾工藝流程圖1-全凝器2-水分離器3-低沸塔4-中間槽5-尾冷凝器6-水分離器7-高沸塔8-成品冷凝器9-單體貯槽第三章電石法制氯乙烯工段物料及熱量衡算方法3.1乙炔法年產(chǎn)40萬噸氯乙烯反應(yīng)器的物料衡算（1）計(jì)算范圍以反應(yīng)器為計(jì)算范圍,如圖所示.圖3—1氯乙烯物料衡算框圖（2）主、副反應(yīng)C2H2+HCl==CH2=CHClC2H2+2HCl==CH3CHCl2C2H2+H2O==CH3CHO按反應(yīng)乙炔計(jì)，氯乙烯產(chǎn)率99.4%，二氯乙烷產(chǎn)率0.54%乙醛產(chǎn)率0.66%（3）計(jì)算任務(wù)原料消耗量和產(chǎn)物氣摩爾組成。（4）基準(zhǔn)年工作時(shí)8000h。400000×1000kg÷8000h=50000kg/h以小時(shí)為基準(zhǔn)（以下計(jì)算中，不再寫1/h）.（5）選擇數(shù)據(jù)產(chǎn)物氣冷凝、精餾等質(zhì)量收率96.5%。乙炔轉(zhuǎn)化率為98.5%C2H2:HCl=1:1.1(摩爾分?jǐn)?shù))原料乙炔組成(摩爾分?jǐn)?shù))乙炔99.0%，氮0.97%，水0.03%。原料氯化氫組成（摩爾分?jǐn)?shù)）氯化氫95.0%，氫4.97%，水0.03%。（6）計(jì)算過程產(chǎn)物氣氯乙烯量=50000÷96.5%=51813.47kg=3238341.88mol主反應(yīng)乙炔量=51813.47kg÷62.5g/mol×26g/mol=21554.40kg=56041440mol主反應(yīng)氯化氫量=56041440mol=1535381.92kg乙炔總反應(yīng)量=21554.40÷99.4%=21684.51kg=834019.62mol純乙炔加入量=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純氯化氫加入量=841640×1.1=925804mol=33791.85kg原料氯化氫加入量=925804÷95.0%=974530.53mol原料氯化氫中含氫量=974530.53×4.57%=44536.05=89.07kg原料氯化氫中含水量=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副反應(yīng)消耗氯化氫量=445.87×2×36.5g/mol÷99g/mol=328.77kg剩余氯化氫量=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水反應(yīng)量=22.02kg÷44g/mol×18g/mol=9.01kg剩余水量=4.59kg+5.33kg-9.01kg=0.91kg原料乙炔加入質(zhì)量=21882.64kg+230.90kg+4.59kg=22118.13kg原料氯化氫加入質(zhì)量=33791.85kg+89.07kg+5.33kg=33886.25kg氮、氫不參加反應(yīng)。（7）列出物料衡算表表3-1物料衡算表物料名稱相對分子質(zhì)量輸入輸出質(zhì)量/kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(%)質(zhì)量/kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(%)乙炔氯化氫水氮?dú)鈿錃饴纫蚁┒纫彝橐胰?636.51828262.5994421882.6433791.859.92230.9089.0739.2360.590.0180.410.16198.133204.019.01230.9089.0751813.47445.8722.020.355.720.0160.410.15992.500.7960.039合計(jì)56004.38100.056002.48100.0年總計(jì)448035040448019840年產(chǎn)40萬噸氯乙烯，乙炔的年輸入量為17.51萬噸，年輸出量為1.59萬噸，年反應(yīng)消耗量為15.92萬噸；氯化氫的年輸入量為27.03萬噸，年輸出量為2.56萬噸，年反應(yīng)消耗量為24.47萬噸；水的年輸入量為79.36噸，年輸出量為72.08噸，年反應(yīng)消耗量為7.28噸。氯乙烯年產(chǎn)量為41.45萬噸，二氯乙烷年產(chǎn)量為0.36萬噸，乙醛年產(chǎn)量為176噸。3.2氯乙烯反應(yīng)器的物料衡算數(shù)據(jù)作熱量衡算。(1)計(jì)算范圍以反應(yīng)器為計(jì)算范圍。(2)主、副反應(yīng)C2H2+HCl==CH2=CHClC2H2+2HCl==CH3CHCl2C2H2+H2O==CH3CHO按反應(yīng)乙炔計(jì)，氯乙烯產(chǎn)率99.4%，二氯乙烷產(chǎn)率0.54%乙醛產(chǎn)率0.66%（3）計(jì)算任務(wù)移出熱量和循環(huán)冷卻水量。（4）基準(zhǔn)時(shí)間1h,溫度298k（25℃），相態(tài)為氣態(tài)。（5）選擇數(shù)據(jù)298k標(biāo)準(zhǔn)生成熱如下：△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摩爾定壓熱容數(shù)據(jù)物質(zhì)摩爾定壓熱容Cp,m/「KJ.(mol.k)-1」25～80℃25～160℃C2H2HClH2ON246.629.133.834.129.2物質(zhì)摩爾定壓熱容Cp,m/「KJ.(mol.k)-1」25～80℃25～160℃H2CH2CHClCH3CHCl2CH3CHO28.929.160.986.162反應(yīng)混合氣進(jìn)口溫度80℃，反應(yīng)溫度160℃，產(chǎn)物氣出口溫度160℃。冷卻水進(jìn)口溫度95℃，出口溫度99℃。熱損失為反應(yīng)放熱的2%。（6）計(jì)算過程298K反映熱效應(yīng)：△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反應(yīng)混合氣帶入熱：Q帶入=(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產(chǎn)物氣帶入熱：Q帶出=（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熱損失：Q損=2%×83222.65=1664.45MJQ放（298K）+Q帶入=Q帶出+Q移出+Q損Q移出=Q放（298K）+Q帶入-Q帶出-Q損=83222.65MJ+3729.02MJ-7487.77MJ-1664.45MJ=77799.45MJ冷卻水量：m=Q/c△t=79463.9÷4.187÷（99-95）t=4744.68t(7)列出熱量衡算表表3-3熱量衡算表輸入輸出項(xiàng)目熱量/MJ%項(xiàng)目熱量/MJ%反應(yīng)器帶入熱298k反應(yīng)放熱3729.0283222.654.2995.71產(chǎn)物氣帶出熱移出熱熱損失7487.7777799.451664.458.6189.471.92合計(jì)86951.67100總計(jì)86951.67100年總計(jì)695613360695613360本設(shè)計(jì)年產(chǎn)40萬噸氯乙烯，通過熱量衡算，反應(yīng)帶入熱為29832萬MJ；298K反應(yīng)放熱為66578萬MJ。產(chǎn)物氣帶出熱為59902萬MJ，移出熱為62239萬MJ，熱損失為1331萬MJ。第四章電石法制氯乙烯工段的主要設(shè)備4.1合成部分設(shè)備合成爐是制造氯化氫氣(或鹽酸)的主要設(shè)備。目前工藝上應(yīng)用比較廣泛的是調(diào)制合成爐，它又分為空氣冷卻式和水冷夾套式兩種。圖4-1給出了日產(chǎn)I00噸鹽酸，設(shè)備容積32m3的大型空氣冷卻式鋼制合成爐的結(jié)構(gòu)。其爐體是由中間圓柱筒體和上下雙錐形頂?shù)咨w構(gòu)成，外壁均勻燒焊有32條散熱翅片，以增加空氣自然冷卻面積。爐底裝有氫氣和氯氣混合燃燒的石英燈頭，氯氣的分配管靠上端的地方，均勻設(shè)置30只寬度18㎜的長孔，以使氫氣均勻地與氯氣混合燃燒。燒燈頭處有快開式點(diǎn)火手孔及觀察火焰的視鏡，爐頂部設(shè)量防爆孔，防爆膜可采用石棉高壓紙板材料，由防爆孔法蘭夾套(上設(shè)防雨罩)，為有利散熱，合成爐一般均置于露天操作．借下錐體上的四只文耳安裝于鋼架上。除空冷式合成爐外，還有水冷夾套式合成爐，圖4-2為大型(日產(chǎn)45噸)水冷式剛制合成爐結(jié)構(gòu)圖。由于強(qiáng)化傳熱過程，可使其生產(chǎn)能力提高1／3左右；在不降低爐溫條件下，可延長爐子的使用壽命(至3～5年)，充分利用氯化氫反應(yīng)的余熱(如用作采暖熱水)。因此，這種水冷夾套式合成爐愈來愈廣泛地被人們所采用，為避免爐壁溫度過低而發(fā)生爐體內(nèi)水蒸汽冷凝而腐蝕設(shè)備，有人建議將進(jìn)水溫度控制在60～80℃以上，尚能在夾套側(cè)形成沸騰給熱而提高余熱利用率。由于石墨具有耐腐蝕、耐高溫、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，石墨制合成爐的應(yīng)用也越來越廣泛。工業(yè)上多見用爐外壁噴淋冷卻水的水冷式石墨爐，以降低爐內(nèi)氯化氫溫度和提高生產(chǎn)能力。這種爐子是由爐底、爐蓋和爐身三部分組成的圓筒狀設(shè)備，筒體直徑常見在400～600mm。爐身為不浸漬(透性)石墨材料，外壁涂以石墨粉為填樹的酚醛涂料；爐底和爐蓋則用酚醛浸漬的不透性石墨制作。由于爐身是透性石墨材料，爐壓一般是負(fù)壓操作。圖4-1空氣冷卻鋼制合成爐結(jié)構(gòu)圖圖4-2水冷膠套是鋼制合1-防爆膜；2-爐體；3-點(diǎn)火口1-防爆膜；2-爐體；3-點(diǎn)火4-氯氣燈頭；5-氫氣燈頭；4-套管式燈頭；5-視鏡6-視鏡；6-支座；7水冷夾套7-浮頭；8-鋼殼4.2列管式石墨換熱器石墨換熱器是用于冷卻或加熱氯化氫或其他腐蝕性氣體的設(shè)備，主要有列管式和塊孔式。圖4-3給出了上蓋設(shè)置冷卻水箱的浮頭列管式石墨換熱器，可用于合成爐經(jīng)空氣冷卻導(dǎo)管后的高溫氯化氫氣的冷卻，水箱的設(shè)置可以降低氣體進(jìn)口部位特別是上管板的溫度，不致經(jīng)受高溫而使管板與列管的膠接縫處因材料熱膨脹系數(shù)差異而脹裂損壞。由圖可見。與氣體接觸部分均用石墨材料制造，這種石墨是浸漬過酚醛或糠銅樹脂的所為“不造性石墨”。如上、下管板是由小尺寸石墨塊交叉膠接后，經(jīng)過車圓、浸漬、鉆孔、浸漬、再精加工而完成的，列管則是由石墨粉與酚醛樹脂捏合擠壓成型的；列管與管板(或浮頭)間借酚醛膠泥粘合而成。列管外的殼體是通入冷卻水，所以可用普通低碳鋼制作，折流扳選用硬聚氯乙烯樹料。下管板又稱浮頭，當(dāng)操作溫度高于或低于安裝溫度時(shí)，石墨列管由于具有較大的熱膨脹系數(shù)，使它比鋼質(zhì)的外殼體發(fā)生較大的伸長或收縮．鋼殼體與浮頭間的填料函結(jié)構(gòu)，就是為了防止因這種溫差引起的伸縮不致使石墨管或膠接處拉裂而產(chǎn)生泄漏的結(jié)構(gòu)。也就是說，借支耳立式安裝的石墨換熱器，上管板和鋼殼是固定的，當(dāng)操作溫度變化時(shí)，由于列管與外殼伸縮下一致，導(dǎo)致浮頭、底蓋，乃至與底蓋相連的管道都有觀察不到的伸縮(或稱作浮動)，這就是浮頭式石墨換熱器的重要性，所以，當(dāng)與底蓋連接的管道直徑較大，彎頭直管段較短難以自然熱補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)根據(jù)伸縮情況加設(shè)管道熱補(bǔ)償器。顯而易見，對于列管式石墨換熱器，立式安裝比斜式或臥式安裝更有利于浮頭的白由仲箔。圖4-3列管式石墨換熱器結(jié)構(gòu)圖1-法蘭；2-上管板3-填料；4-壓蓋；5-半開環(huán)；6-底蓋；7-支座；8-散熱翅片；9-石墨列管；10-折流板；11-支耳；12-冷卻水箱4.3水洗泡沫塔設(shè)備4.3.1構(gòu)造塔身1為了防止鹽酸的腐蝕和氯乙烯的溶脹作用，采用襯一層橡膠作為底襯，再襯兩層石墨磚，總厚度達(dá)33mm左右；篩板2采用厚度6~8mm的耐酸酚醛玻璃布層壓板，經(jīng)鉆孔加工而成；篩板共4~6塊，均夾于塔身大法蘭之間，這種不加支撐環(huán)的篩板結(jié)構(gòu)有利于增加整個塔截面積的利用率；溢流管4可由硬聚氯乙烯焊制，再借硬聚氯乙烯套環(huán)夾焊固定于篩板上，上管端伸出篩板的高度自下而上逐漸減小。4.3.2工作原理吸收水自塔頂?shù)谝粔K塔板加入，在該塔板上與上升的粗氯乙烯氣體接觸，形成具有一定高度的泡沫層；在泡沫層內(nèi)氣液相進(jìn)行傳質(zhì)過程，使氣相中的氯化氫被水吸收為鹽酸；經(jīng)由溢流管借位差流入下一層篩板，重復(fù)上述的質(zhì)量傳遞過程；借加入水量的控制，調(diào)節(jié)液體在篩板上泡沫層的停留時(shí)間，使稀酸濃度達(dá)到20~25%范圍(外賣或脫吸法的吸收液)；通過視鏡3可以觀察到篩板上泡沫層的高度及氣液湍動接觸的情況，判斷塔設(shè)備的工作質(zhì)量。圖4-4水洗泡沫塔結(jié)構(gòu)圖1-塔身；2-篩板；3-視鏡；4-溢流管；5-花板；6-濾網(wǎng)4.4轉(zhuǎn)化器4.4.1構(gòu)造轉(zhuǎn)化器