化工工程设计训练设计产47600吨氯乙烯车间反应工段工艺设计.doc

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1、化工工程设计训练设计说明书（2016年）题 目： 年产47600吨氯乙烯车间反应工段工艺设计 学 院： 资源环境与化工 系： 化学工程 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工121班 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 教授、讲师 起讫日期： 2016.1.42016.1.22 目 录第一章 绪论11.1 设计依据91.2 工艺流程概述9第二章 物料衡算93.1 总物料衡算93.2 乙炔预冷器93.3 混合脱水103.4 转化器123.5 水洗塔13第三章 能量衡算314.1 乙炔预冷器314.2 石墨冷却器314.3 预热器324.4 转化器334.5 石墨冷却器35第四章 辅助设备选

2、型37第一章 绪论1.1 设计依据及主要设计内容1.1.1 设计依据（1）南昌大学化工工程设计训练任务书；（2）化工设计标准图图幅和书写格式 CDA2-81；（3）化工工厂初步设计内容深度规定中有关内容更改的补充 (92)化基发字695号；（4）氯乙烯安全技术规程 GB 14544-93；（5）中华人民共和国环境保护法；（6）中华人民共和国大气污染防治法；（7）化工企业爆炸和火灾危险环境电力设计规程 HGJ21-89；（8）中华人民共和国化工行业标准；（9）工业设备、管道防腐蚀工程施工及验收规范 HGJ229-91；（10）环境空气质量标准 GB3095-1996；（11）污水综合排放标准 G

3、B8978-1996。1.1.2 本设计主要内容本设计工艺采用乙炔与氯化氢气相合成法。所得产品规格要求氯乙烯单体中氯乙烯含量大于99.9%（w）。本课题的研究内容包含以下几个方面：第一部分：乙炔法合成氯乙烯工艺简介；第二部分：物料衡算；第三部分：热量衡算；第四部分：工艺流程图的绘制。1.2 工艺流程概述本设计采用乙炔与氯化氢气相合成法生产氯乙烯，反应工段工艺流程主要包括混合脱水、氯乙烯合成和合成气水洗三部分所组成，工艺流程见图1。（1）混合脱水 由乙炔工段送来的原料乙炔气，送至预冷器预冷后与从氯化氢工段送来的干燥氯化氢，按一定的分子配比（乙炔/氯化氢=1/1.10）在混合器中充分混合后，进入并

4、联的石墨冷却器，用-35盐水间接冷却。混合器中水分以40%的酸雾部分流出，另一部分则夹带于气流中。进入串联的酸雾过滤器中，由硅油玻璃棉捕集分离，然后该气体经预热器预热后，由流量计控制进入转化器合成氯乙烯（VC）。（2）合成 干燥混合气由转化器上部进入，通过列管中填装的吸附于活性炭上的HgCl2触媒转化为粗氯乙烯，合成反应的热量通过AB型泵循环的热水移去。粗氯乙烯在高温下带逸的HgCl2升华物，在填装活性炭的汞吸附器中除去，然后进入净化系统。（3）水洗从汞吸附器出来的粗氯乙烯气体经石墨冷却器，除去一部分盐酸（水和HCl），再通入泡沫水洗塔回收过量HCl以制取20%盐酸，塔顶是以高位槽温水喷淋。一

5、次循环制得的酸由塔底低位槽流入盐酸储槽供罐装外销。气体再经碱洗泡沫塔除去残余的微量HCl后再送至氯乙烯气柜。气柜中氯乙烯经水封、经机前冷却器脱水和除去微量酸性气体。经气液分离器、压缩机、机后预冷器、油水分离器等设备进一步除去油和水后送至精馏段。图1 反应工段工艺流程示意图a-乙炔砂封;b-乙炔预冷器;c-氯化氢缓冲槽;d-混合器;e-石墨冷却器f-酸储槽;g-酸雾过滤器;h-预热器;i-转化器;j-汞吸附器;k-石墨冷却器;m-水洗塔第二章 物料衡算2.1 总物料衡算（1）设计参数年生产时间以320天，每天24小时（共7680小时）计算。车间总收率（以乙炔计）：93%； 原料配比： HCl/C

6、2H2=1.10；（2）原料气规格表2-1 原料乙炔气规格组份C2H2H2OO2N2w%990.60.20.2100表2-2 原料氯化氢气规格组份HClH2OO2N2w%962.50.31.2100（3）车间物料总衡算乙炔与氯化氢在氯化汞/活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应：C2H2 + HCl = C2H3Cl原料乙炔消耗： 原料乙炔气消耗见表2-3。表2-3原料乙炔气消耗组份C2H2H2OO2N2w%990.60.20.2100mol%98.78770.86480.16220.1853100kmol/h106.6308240.9334500.1750780.200012107.939364kg

7、/h2772.40142416.8221005.6024965.6003362800.406356取=1.10；HCl的物质的量为106.6308241.1=117.293906 kmol/h。原料氯化氢气消耗见表2-4。表2-4原料氯化氢气消耗组份HClH2OO2N2w%962.50.31.2100mol%93.22574.92290.33231.5191100kmol/h117.2939066.1936000.4180901.911288125.816884kg/h4281.227569111.48480313.37889153.5160674459.607332.2 乙炔预冷器（1）计算

8、参数乙炔气进口温度：25；出口温度：5；操作压力：1.8 kgf/cm2。（2）物料衡算由表查得5时H2O的饱和蒸汽压：P0= 871.91Pa总压P=1.8kgf/cm2=1.764105PaY水= 0.4942 % 故塔釜分出的水分： M水= 18=180.880514=15.849738kg/h计算结果见表2-5。表2-5 C2H2预冷器物料衡算表名称进料出料组分摩尔流量kmol/h质量流量kg/h摩尔流量kmol/h质量流量kg/h气相C2H2106.6308242772.401424106.6308242772.401424H2O0.93345016.8021000.0529080.

9、952344O20.1750785.6024960.1750785.602496N20.2000125.6003360.2000125.600336107.9393642800.406356107.0588232784.55666液相水-0.88054115.849738总107.9393642800.406356107.9393642800.4063562.3 混合脱水（1）计算参数氯化氢气进口温度：25；乙炔气进口温度：5；气体出口温度：14；操作压力：1.6kgf/cm2；脱下的水的盐酸浓度（w%）：40%。40%盐酸液水的饱和蒸气压计算公式/mmH g： （2）物料衡算 40%盐酸水的

10、饱和蒸汽压计算：= =0.1334mmHg=17.7867Pa总压P=1.6kgf/cm2=1.568105Pa= 设出口处盐酸中HCl为m kmol/h,H2O为n kmol/h。总：对水：有 即解得：计算结果见表2-6。表2-6混合脱水物料衡算表名称进料出料组分摩尔流量kmol/h质量流量kg/h摩尔流量kmol/h质量流量kg/h气相C2H2106.6308242772.401424106.6308242772.401424HCl117.2939064281.227569115.2486704206.576455O20.59316818.9813870.59316818.981387N2

11、2.11130059.1164032.11130059.116403H2O6.246508112.4371470.0255810.460461232.8757067244.163930224.6095437057.536130液相HCl-2.04523674.651114H2O-6.220927111.976686-8.266163186.627800232.8757067244.163930232.8757067244.163930图2-3转化器物料衡算示意图2.4 转化器（1）计算参数原料气进口温度：7680；出口温度：100；操作压力：1.5kgf/cm2；冷却水进口温度：97；冷却水出

12、口温度：100。反应转化率:乙炔(C2H2)转化为氯乙烯(VC)：97%；转化为二氯乙烷(DEC)： 1.1%；原料乙炔和氯化氢气体中所含水全部转化为乙醛。原料中所有O2全部转化为二氧化碳。（2）物料衡算在转化器中进行的反应有： 转化器中各物料计算： 生成VC的量=106.6308240.97=103.431899 kmol/h 生成DCE的量=106.6308240.011=1.172939 kmol/h1） （3-2）起始量 106.630824 115.248670 0反应量 103.431899 103.431899 103.431899剩余量 3.198925 11.816771 1

13、03.4318992） （3-3）起始量 3.198925 0.025581 0反应量 0.025581 0.025581 0.025581 剩余量 3.173344 0 0.0255813） （3-4）起始量 3.173344 11.816771 0反应量 1.172939 2.345878 1.172939 剩余量 2.000405 9.470893 1.172939 4） （3-5） 起始量 0.593168 0反应量 0.593168 0.593168 0.593168剩余量 0 0.593168计算结果见表2-7。表2-7转化器物料衡算表名称进料出料组分摩尔流量kmol/h质量流量k

14、g/h摩尔流量kmol/h质量流量kg/h气相C2H2106.6308242772.4014242.00040552.010530HCl115.2486704206.5764559.470893345.687595O20.59316818.98138700N22.11130059.1164032.11130059.116403H2O0.0255810.46046100VC-103.4318996464.493688EDC-1.172939116.120961乙醛-0.0255811.125564CO2-0.59316826.099392固相C0.5931687.118003-225.20271

15、07064.654133118.8061857064.654133图2-4水洗塔物料衡算示意图2.5水洗塔（1）计算参数气体进口温度：1012；出口温度：30；吸收水进口温度：510；HCl脱除率（w%）：96%；吸收得盐酸浓度（w%）：22%；操作压力kgf/cm2：1.25。（2）物料衡算 转化气中96%HCl被脱除，形成22%的盐酸。 则被溶的盐酸量为=345.68759596%=331.860091kg/h 需要水量= 盐酸总量=331.860091+1176.594581=1528.454672 kg/h各组分30时的水中溶解度见表2-8。表2-8各物质30时水中溶解度组分溶解度（k

16、g/kg水）溶解量（kg）C2H20.000941.105999N2不溶0VC5.199610-50.061178EDC5.410-36.353611乙醛全溶1.125564CO21.25710-31.47897910.12533130时，P=1.25kg/cm2=122500Pa则水洗塔出口处：出口处干基：干基总量：水洗塔出口处带出水量： 出口盐酸浓度=13.827504/（50.904531+13.827504+59.116403+6464.4325+109.76735+24.62043+73.158132）=0.0203471%计算结果见表2-9。表2-9水洗塔物料衡算表名称进料出料组分

17、摩尔流量kmol/h质量流量kg/h摩尔流量kmol/h质量流量kg/h气相C2H22.00040552.0105301.95786750.904331HCl9.470893345.6875950.37883613.827504N22.11130059.1164032.11130059.116403VC103.4318996464.493688103.430926464.43251EDC1.172939116.1209611.108761109.76735乙醛0.0255811.12556400CO20.59316826.0993920.55955524.620413H2O004.064341

18、73.158132118.806185113.611586795.826843液相HCl-9.-092057331.860091H2O69.4307071249.75271365.3663661176.594581溶解-0.16688910.12533169.4307071249.75271374.6253121518.580003188.2368928314.406846188.2368928314.406846第三章 能量衡算3.1乙炔预冷器以25气相为基准，所以条件下的热容，见表3-1。表3-1各物质15时的热容组分 gC2H2H2ON2O2CP（ kal/kg）0.4180.4450.

19、250.22 (3-1) =-23238.40443kcal/h = 15.8497380.445（5-25）+15.849738（-2433.9）/4.184=-9361.109828kcal/h=32599.50271kcal/h 图3-2水冷焓变过程制冷剂为0冷冻盐水，CaCl2浓度为10%，tm=（0+4）/2=2，2时溶液的比热为Cp=0.86 kcal/kg.。 图3-3石墨冷却器能量衡算示意图3.2石墨冷却器取25气相为基准，H1由乙炔预冷器算得：H1=18808.80442 kcal/h，H2=0。tm=（25-14）/2=5.5条件下，各物质热容见表3-2。表3-2各物质5.

20、5时热容 组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.410.190.4420.250.215 =-76244.91159kcal/h 说明：混合冷却脱水过程中水一部分以40%酸雾形式流出，另一部分夹带在出口气流中，由酸雾过滤器捕集。故脱水是在-1440%盐酸水的饱和蒸汽压下完成的，这样除去比较完全；但石墨冷却器出口盐酸的温度是控制在12。12饱和水的汽化潜热为247.95kj/kg,相当于588.56kcal/kg因为Q溶解13416.36311 kcal/kmol.HCl又因为tm=(25+12)/2=18.5 此温度时,H2O(g)和HCl(g)的比热容为，CpH2O(

21、g)=0.446 kcal/kg CpHCl(g)=0.191kcal/kg 制冷剂用冷冻盐水，CaCl2浓度为28.4%，在条件下，溶液比热为：。根据能量守恒有 3.3预热器取-14时气相作为基准。则H1=0图3-4预热器能量衡算示意图计算H2， 在条件下，各物质热容见表3-3。 表3-3各物质33时的热容组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.4230.1920.4480.2520.247预热器采用转化器出口热水加热。 ，根据能量守恒有： 3.4转化器取25时气相作为基准。 1）计算H1 在条件下，各物质的比热见表3-4。 图3-5转化器能量衡算示意图 表3-4各物质

22、50.5条件下的热容组分 gC2H2HClH2ON2O2Cp（ kal/kg）0.4230.1930.450.2510.2232）计算H2同样在条件下，各物质的比热见表3-5。表3-5各物质62.5条件下的热容组分 gC2H2HClN2VCC2H4Cl2CH3CHOCO2Cp（ kal/kg）0.4250.1940.2520.230.2060.320.2183）计算反应热rH在25条件下各物质生成热见表3-6表3-6 各物质25条件下的生成热组分 gC2H2HClH2OVCC2H4Cl2fHm（ kal/mol）54.19-22.062-59.568.4-31.05组分 gCH3CHOCO2C

23、O2fHm（ kal/mol）-39.76-94.05100由物料衡算中可得各反应中乙炔反应量，以此来计算rH。 (4-2) 此反应C2H2反应量为103.431899kmol/h (4-3) 此反应C2H2反应量为0.025581kmol/h (4-4) 此反应C2H2反应量为1.172939kmol/h (4-5)C的反应量为0.593168kmol/h反应中放出的总热量：4）反应器热向环境散热量约占反应放热总量的20% 507951.7518kcal/h则热水带走的热量为：因为进口热水温度为97，出口为100。 则所需总热水量：3.5石墨冷却器取70气相为基准 H1=0。在条件下，各物质

24、热容见表3-7。表3-7各物质40条件下的热容组分 gC2H2HClN2VCCp（ kal/kg）0.42250.1920.250.215组分 gC2H4Cl2CH3CHOCO2Cp（ kal/kg）0.20.310.215图3-6石墨冷却器能量衡算示意图 再用0的冷冻盐水作冷剂，在条件下，Cp=0.86kcal/kg第四章 辅助设备选型热量计算公式： (4-1) （1）乙炔预冷器管程：低温流体，冷剂：0冷冻盐水 进口0，出口4。壳程：高温流体， 乙炔气，进口温度25 ，出口温度5。传热量：32599.50271kcal/h选用双管程单壳程换热器 (4-2) 查得： (4-3)传热面积扩大1.

25、2倍，则（2）石墨冷却器管程：高温流体 混合气 进口12，出口 -14。壳程：低温流体 -35冷冻盐水 进口-37，出口-33。传热量：147185.7338kcal/h根据经验选 。（3）预热器管程：高温流体 热气 进口97，出口 93壳程：低温流体 混合器 进口-14，出口80传热量：188005.8869kcal/h 查得： 根据经验选 。（4）石墨冷却器管程：高温流体 反应气 进口70，出口 10壳程：低温流体 冷剂 0冷冻盐水 进口0，出口4传热量：91330.57183kcal/h=29.67564R=15P=0.08714根据经验选 。附表附表1 反应工段设备一览表序号设备位号设

26、备名称技术规格材料数量备注1V0101氯化氢缓冲器盆底盖立式12002015钢12V0102乙炔砂封锥底盆盖卧式6001210钢13V0103大混合器5001910钢14E0101乙炔预冷器盆盖卧式列管式12002015钢1F=80m25V0104集水器3251600钢16E0102A-B石墨冷却器9005270钢 石墨2F=80m27M0101A-D酸雾过滤器锥底盆盖立式11003020钢 石墨48E0103A-C预热器盆底盖立式列管12002015钢3F=80m29V0105酸贮槽盆底盖立式4001420钢110R0101A-B转化器盆底锥盖立式24005300钢1611M0102A-B汞

27、吸附器盆底盖立式24005300钢213E0104A-B石墨冷却器6504597钢2F=80m2 附表2原料及辅助原料消耗表序号名称规格单消耗量kg/h年消耗量T/Y每吨产品消耗量T/T（VC）1乙炔C2H299%（wt）2800.40635621507.120810.4332022氯化氢HCl96%（wt）4459.6073334249.784290.6898683工业水1249.7527139598.1008360.193328附表3换热介质消耗一览表设备名称换热介质单消耗量kg/h年消耗量T/N每吨产品消耗量T/T（VC）乙炔预冷器0冷冻盐水9476.59962572780.285121.46596石墨冷却器-35冷冻盐水56609.89762434764.01378.7571334预热器97转化器出口热水47001.47172360971.30287.270781转化器97热水677269.00235201425.938104.768516石墨冷却器0冷冻盐水26549.58483203900.81154.107025