化工工程設(shè)計訓練設(shè)計-年產(chǎn)47600噸氯乙烯車間反應工段工藝設(shè)計

1、化工工程設(shè)計訓練設(shè)計說明書化工工程設(shè)計訓練設(shè)計說明書（2016 年）年）題 目： 年產(chǎn)年產(chǎn) 47600 噸噸氯乙烯車間反應工段工藝設(shè)計氯乙烯車間反應工段工藝設(shè)計 學 院： 資源環(huán)境與化工 系： 化學工程 專 業(yè)： 化學工程與工藝 班 級： 化工 121 班 學生姓名： 學號： 指導教師： 職稱： 教授、講師 起訖日期： 2016.1.42016.1.22 i目目 錄錄第一章 緒論.11.1 設(shè)計依據(jù).91.2 工藝流程概述.9第二章 物料衡算.93.1 總物料衡算.93.2 乙炔預冷器.93.3 混合脫水.103.4 轉(zhuǎn)化器.123.5 水洗塔.13第三章 能量衡算.314.1 乙炔預冷器.3

2、14.2 石墨冷卻器.314.3 預熱器.324.4 轉(zhuǎn)化器.334.5 石墨冷卻器.35第四章 輔助設(shè)備選型.37 1第一章 緒論1.1 設(shè)計依據(jù)及主要設(shè)計內(nèi)容1.1.1 設(shè)計依據(jù)（1）南昌大學化工工程設(shè)計訓練任務(wù)書；（2）化工設(shè)計標準圖圖幅和書寫格式 cda2-81；（3）化工工廠初步設(shè)計內(nèi)容深度規(guī)定中有關(guān)內(nèi)容更改的補充 (92)化基發(fā)字 695號；（4）氯乙烯安全技術(shù)規(guī)程 gb 14544-93；（5）中華人民共和國環(huán)境保護法；（6）中華人民共和國大氣污染防治法；（7）化工企業(yè)爆炸和火災危險環(huán)境電力設(shè)計規(guī)程 hgj21-89；（8）中華人民共和國化工行業(yè)標準；（9）工業(yè)設(shè)備、管道防腐蝕工

3、程施工及驗收規(guī)范 hgj229-91；（10）環(huán)境空氣質(zhì)量標準 gb3095-1996；（11）污水綜合排放標準 gb8978-1996。1.1.2 本設(shè)計主要內(nèi)容本設(shè)計工藝采用乙炔與氯化氫氣相合成法。所得產(chǎn)品規(guī)格要求氯乙烯單體中氯乙烯含量大于 99.9%（w） 。本課題的研究內(nèi)容包含以下幾個方面：第一部分：乙炔法合成氯乙烯工藝簡介；第二部分：物料衡算；第三部分：熱量衡算；第四部分：工藝流程圖的繪制。1.2 工藝流程概述本設(shè)計采用乙炔與氯化氫氣相合成法生產(chǎn)氯乙烯，反應工段工藝流程主要包括混合脫水、氯乙烯合成和合成氣水洗三部分所組成，工藝流程見圖 1。（1）混合脫水 由乙炔工段送來的原料乙炔氣，

4、送至預冷器預冷后與從氯化氫工段送來的干燥氯化氫，按一定的分子配比（乙炔/氯化氫=1/1.10）在混合器中充分混合后，進入并聯(lián)的石墨冷卻器，用-35鹽水間接冷卻。混合器中水分以 40%的酸霧部分流出，另一部分則夾帶于氣流中。進入串聯(lián)的酸霧過濾器中，由硅油玻璃棉捕集分離，然后該氣體經(jīng)預熱器預熱后，由流量計控制進入轉(zhuǎn)化器合成氯乙烯 2（vc） 。（2）合成 干燥混合氣由轉(zhuǎn)化器上部進入，通過列管中填裝的吸附于活性炭上的hgcl2觸媒轉(zhuǎn)化為粗氯乙烯，合成反應的熱量通過 ab 型泵循環(huán)的熱水移去。粗氯乙烯在高溫下帶逸的 hgcl2升華物，在填裝活性炭的汞吸附器中除去，然后進入凈化系統(tǒng)。（3）水洗從汞吸附器

5、出來的粗氯乙烯氣體經(jīng)石墨冷卻器，除去一部分鹽酸（水和hcl） ，再通入泡沫水洗塔回收過量 hcl 以制取 20%鹽酸，塔頂是以高位槽溫水噴淋。一次循環(huán)制得的酸由塔底低位槽流入鹽酸儲槽供罐裝外銷。氣體再經(jīng)堿洗泡沫塔除去殘余的微量 hcl 后再送至氯乙烯氣柜。氣柜中氯乙烯經(jīng)水封、經(jīng)機前冷卻器脫水和除去微量酸性氣體。經(jīng)氣液分離器、壓縮機、機后預冷器、油水分離器等設(shè)備進一步除去油和水后送至精餾段。排放乙炔氣氯化氫氣體jihgfedcbak1324657m5789圖 1 反應工段工藝流程示意圖a-乙炔砂封;b-乙炔預冷器;c-氯化氫緩沖槽;d-混合器;e-石墨冷卻器f-酸儲槽;g-酸霧過濾器;h-預熱器

6、;i-轉(zhuǎn)化器;j-汞吸附器;k-石墨冷卻器;m-水洗塔 3第二章第二章 物料衡算物料衡算2.1 總物料衡算（1）設(shè)計參數(shù)年生產(chǎn)時間以 320 天，每天 24 小時（共 7680 小時）計算。車間總收率（以乙炔計）：93%； 原料配比： hcl/c2h2=1.10；（2）原料氣規(guī)格表表 2-1 原料乙炔氣規(guī)格原料乙炔氣規(guī)格組份c2h2h2oo2n2w%990.60.20.2100表表 2-2 原料氯化氫氣規(guī)格原料氯化氫氣規(guī)格組份hclh2oo2n2w%962.50.31.2100（3）車間物料總衡算乙炔與氯化氫在氯化汞/活性炭催化劑上合成氯乙烯的反應：c2h2 + hcl = c2h3cl原料乙

7、炔消耗： hkmol/630824.10693. 0)5 .627680/(10476003原料乙炔氣消耗見表 2-3。表表 2-3 原料乙炔氣消耗原料乙炔氣消耗組份c2h2h2oo2n2w%990.60.20.2100mol%98.78770.86480.16220.1853100kmol/h106.6308240.9334500.1750780.200012107.939364kg/h2772.40142416.8221005.6024965.6003362800.406356取=1.10；hcl 的物質(zhì)的量為 106.6308241.1=117.293906 kmol/h。22hchcl

8、原料氯化氫氣消耗見表 2-4。表表 2-4 原料氯化氫氣消耗原料氯化氫氣消耗 4組份hclh2oo2n2w%962.50.31.2100mol%93.22574.92290.33231.5191100kmol/h117.2939066.1936000.4180901.911288125.816884kg/h4281.227569111.48480313.37889153.5160674459.607332.2 乙炔預冷器（1）計算參數(shù)乙炔氣進口溫度：25；出口溫度：5；操作壓力：1.8 kgf/cm2。（2）物料衡算由表查得 5時 h2o 的飽和蒸汽壓：p0= 871.91pa總壓 p=1.8

9、kgf/cm2=1.764105pay水= 0.4942 % opp 2211 (fyff）水故hkmolyfff/058823.107%4942. 0-1933450. 0-939364.10711212水hkmolfff/880541. 0058823.107939364.107213塔釜分出的水分： m水= 18=180.880514=15.849738kg/h3f計算結(jié)果見表 2-5。表表 2-5 c2h2預冷器物料衡算表預冷器物料衡算表名稱進料出料組分摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量kg/h摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量kg/hc2h2106.6308242772.401424106.63

10、08242772.401424h2o0.93345016.8021000.0529080.952344o20.1750785.6024960.1750785.602496氣相n20.2000125.6003360.2000125.600336乙炔出口氣h2o乙炔進口氣 5107.9393642800.406356107.0588232784.55666液相水-0.88054115.849738總107.9393642800.406356107.9393642800.4063562.3 混合脫水（1）計算參數(shù)氯化氫氣進口溫度：25；乙炔氣進口溫度：5；氣體出口溫度：14；操作壓力：1.6kgf/

11、cm2；脫下的水的鹽酸濃度（w%）：40%。40%鹽酸液水的飽和蒸氣壓計算公式/mmh g： 2647lg()9.33923()p mmhgt k=-（2）物料衡算 40%鹽酸水的飽和蒸汽壓計算：= 2lgoh op8749. 01415.273264733923. 9=0.1334mmhg=17.7867pa2oh op總壓 p=1.6kgf/cm2=1.568105pa= 2h oy%011344. 010568. 17867.1750pp水設(shè)出口處鹽酸中 hcl 為 m kmol/h,h2o 為 n kmol/h?？偅篽kmolff/756248.233816884.125939764.

12、10742乙炔氣氯化氫氣出口氣體40%鹽酸 6對水：hkmolff/246508. 6193600. 6052908. 04222041667. 35 .36/4 . 018/6 . 0mn有 即422252415041667. 3ffnfffnmfmn246508. 6%011344. 0756248.233041667. 355nfnmfmn解得：hkmolnhkmolmhkmolf/220927. 6/045236. 2/490085.2255計算結(jié)果見表 2-6。表表 2-6 混合脫水物料衡算表混合脫水物料衡算表名稱進料出料組分摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量kg/h摩爾流量kmol/h質(zhì)

13、量流量kg/hc2h2106.6308242772.401424106.6308242772.401424hcl117.2939064281.227569115.2486704206.576455o20.59316818.9813870.59316818.981387n22.11130059.1164032.11130059.116403h2o6.246508112.4371470.0255810.460461氣相232.8757067244.163930224.6095437057.536130hcl-2.04523674.651114h2o-6.220927111.976686液相-8.2

14、66163186.627800232.8757067244.163930232.8757067244.1639302.4 轉(zhuǎn)化器（1）計算參數(shù)原料氣進口溫度：7680；出口溫度：100；操作壓力：1.5kgf/cm2；冷卻水進口溫度：97；冷卻水出口溫度：100。反應轉(zhuǎn)化率:乙炔(c2h2)轉(zhuǎn)化為氯乙烯(vc)：97%；轉(zhuǎn)化為二氯乙烷(dec)： 1.1%；原料乙炔和氯化氫氣體中所含水全部轉(zhuǎn)化97水100水76進口氣體100出口氣體圖 2-3 轉(zhuǎn)化器物料衡算示意圖 7為乙醛。原料中所有 o2全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳。（2）物料衡算在轉(zhuǎn)化器中進行的反應有： 2hgcl22280 180c h +hcl

15、()chchcl vc 2223c hh ochcho 22222()c hhclclchchcl edc22coco轉(zhuǎn)化器中各物料計算： 生成 vc 的量=106.6308240.97=103.431899 kmol/h 生成 dce 的量=106.6308240.011=1.172939 kmol/h1） （3-2hgcl22 280 180c h+ hcl()chchcl vc 2）起始量 106.630824 115.248670 0反應量 103.431899 103.431899 103.431899剩余量 3.198925 11.816771 103.4318992） （3-22

16、23c hh ochcho3）起始量 3.198925 0.025581 0反應量 0.025581 0.025581 0.025581 剩余量 3.173344 0 0.0255813） （3-22222()c hhclclchchcl edc4）起始量 3.173344 11.816771 0反應量 1.172939 2.345878 1.172939 剩余量 2.000405 9.470893 1.172939 4） （3-22coco5） 起始量 0.593168 0反應量 0.593168 0.593168 0.593168剩余量 0 0.593168計算結(jié)果見表 2-7。 8表表

17、2-7 轉(zhuǎn)化器物料衡算表轉(zhuǎn)化器物料衡算表名稱進料出料組分摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量 kg/h摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量kg/hc2h2106.6308242772.4014242.00040552.010530hcl115.2486704206.5764559.470893345.687595o20.59316818.98138700n22.11130059.1164032.11130059.116403h2o0.0255810.46046100vc-103.4318996464.493688edc-1.172939116.120961乙醛-0.0255811.125564氣相co2-0.

18、59316826.099392固相c0.5931687.118003-225.2027107064.654133118.8061857064.6541332.5 水洗塔（1）計算參數(shù)氣體進口溫度：1012；出口溫度：30；吸收水進口溫度：510；hcl 脫除率（w%）：96%；吸收得鹽酸濃度（w%）：22%；操作壓力 kgf/cm2：1.25。（2）物料衡算 轉(zhuǎn)化氣中 96%hcl 被脫除，形成 22%的鹽酸。 則被溶的鹽酸量為=345.68759596%=331.860091kg/h 需要水量= hkg /594581.1176860091.33122. 022. 01鹽酸總量=331.86

19、0091+1176.594581=1528.454672 kg/h各組分 30時的水中溶解度見表 2-8。 h2o5出口氣30轉(zhuǎn)化氣1022%hcl溶液圖 2-4 水洗塔物料衡算示意圖 9表表 2-8 各物質(zhì)各物質(zhì) 30時水中溶解度時水中溶解度組分溶解度（kg/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時，0h2op0.04325atm4382.30625pap=1.25kg/cm2=122500pa則水

20、洗塔出口處：0h2oh2opyp035774. 012250030625.4382出口處干基：hkmolhkghc/957867. 1/904531.50105999. 1010530.52:22hkmolhkghcl/378836. 0/827504.13860091.331687595.345:hkmolhkgvchkmolhkgn/43092.103/43251.6464061178. 0493688.6464:/111300. 2/116403.59:2hkmolhkgcohkmolhkgdce/559555. 0/620413.24478979. 109939.26:/108761.

21、 1/76735.109353611. 6120961.116:2干基總量：hkmol/547239.109水洗塔出口處帶出水量： hkg /158132.7318035774. 0035774. 01547239.109出口鹽酸濃度=13.827504/（50.904531+13.827504+59.116403+6464.4325+109.76735+24.62043+73.158132）=0.0203471%計算結(jié)果見表 2-9。表表 2-9 水洗塔物料衡算表水洗塔物料衡算表名稱進料出料 10組分摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量kg/h摩爾流量kmol/h質(zhì)量流量kg/hc2h22.0004

22、0552.0105301.95786750.904331hcl9.470893345.6875950.37883613.827504n22.11130059.1164032.11130059.116403vc103.4318996464.493688103.430926464.43251edc1.172939116.1209611.108761109.76735乙醛0.0255811.12556400co20.59316826.0993920.55955524.620413氣相h2o004.06434173.158132118.806185113.611586795.826843hcl-9.-

23、092057331.860091h2o69.4307071249.75271365.3663661176.594581液相溶解-0.16688910.12533169.4307071249.75271374.6253121518.580003188.2368928314.406846188.2368928314.406846 1第三章 能量衡算3.1 乙炔預冷器以 25氣相為基準，所以1h0條件下的熱容，見表 3-1。m255t152表表 3-1 各物質(zhì)各物質(zhì) 15時的熱容時的熱容組分 gc2h2h2on2o2cp（ kal/kg）0.4180.4450.250.22 (3-1) 2ipihw

24、ct =-23238.40443kcal/h 3h2o,lh2o,lhwcpht冷凝，298k= 15.8497380.445（5-25）+15.849738（-2433.9）/4.184=-9361.109828kcal/h123hhhpq 放熱=32599.50271kcal/h 圖 3-2 水冷焓變過程制冷劑為 0冷凍鹽水，cacl2濃度為 10%，tm=（0+4）/2=2，2時溶液的比熱為 cp=0.86 kcal/kg.。 t=qpwcp 制冷劑冷hkgtcqwp/599625.9476)04(86. 050271.32599冷冷劑3.2 石墨冷卻器取 25氣相為基準，h1由乙炔預冷

25、器算得：h1=18808.80442 kcal/h，h2=0。tm=（25-14）/2=5.5條件下，各物質(zhì)熱容見表 3-2。表表 3-2 各物質(zhì)各物質(zhì) 5.5時熱容時熱容 組分 gc2h2hclh2on2o2cp（ 0.410.190.4420.250.21525 h2og25 h2ol5 h2olh3h冷凝h3乙炔出口氣h2o乙炔進口氣 乙炔氣氯化氫氣出口氣體40%鹽酸圖 3-3 石墨冷卻器能量衡算示意圖 2kal/kg） 3ipihwct =-76244.91159kcal/h 4ipihwch+ ht 冷凝，h 2o溶解說明：混合冷卻脫水過程中水一部分以 40%酸霧形式流出，另一部分夾

26、帶在出口氣流中，由酸霧過濾器捕集。故脫水是在-1440%鹽酸水的飽和蒸汽壓下完成的，這樣除去比較完全；但石墨冷卻器出口鹽酸的溫度是控制在 12。12飽和水的汽化潛熱為 247.95kj/kg,相當于 588.56kcal/kghkcalh/99831.65904-56.588-976686.111冷凝，水因為 q溶解13416.36311 kcal/kmol.hclhkcalh/6288.27439-36311 2-溶解又因為 tm=(25+12)/2=18.5 此溫度時,h2o(g)和 hcl(g)的比熱容為，cph2o(g)=0.446 kcal/kg cphcl

27、(g)=0.191kcal/kg hkcalh/22665.941794hkcalhhhhq/7338.1471854321放熱制冷劑用冷凍鹽水，cacl2濃度為 28.4%，在條件下，溶m3337t352 液比熱為：。根據(jù)能量守恒有 c p=0. 65kcal / kgpq冷劑放熱w c p t=hkgw/89762.5660937-33-65. 07338.147185冷劑3.3 預熱器取-14時氣相作為基準。則h1=0計算h2， 在條件下，各物質(zhì)熱容見表 3-3。m1480t332 t1=-14h19793t2=80h2圖 3-4 預熱器能量衡算示意圖 3表表 3-3 各物質(zhì)各物質(zhì) 33

28、時的熱容時的熱容組分 gc2h2hclh2on2o2cp（ kal/kg）0.4230.1920.4480.2520.247hkcal/8869.1880052hkcalhhq/8869.18800521吸熱預熱器采用轉(zhuǎn)化器出口熱水加熱。 ，根據(jù)能量守恒有： 2cp1kcal/kgh o hkgw/471272.4700193-9718869.188005冷劑3.4 轉(zhuǎn)化器取 25時氣相作為基準。 1）計算h1 在條件下，m7625t50.52各物質(zhì)的比熱見表 3-4。hkcaltcwhpii/5399.1021971 圖 3-5 轉(zhuǎn)化器能量衡算示意圖 表表 3-4 各物質(zhì)各物質(zhì) 50.5條件

29、下的熱容條件下的熱容組分 gc2h2hclh2on2o2cp（ kal/kg）0.4230.1930.450.2510.2232）計算h2同樣在條件下，各物質(zhì)的比熱見表 3-5。m10025t62.52表表 3-5 各物質(zhì)各物質(zhì) 62.5條件下的熱容條件下的熱容組分 gc2h2hcln2vcc2h4cl2ch3choco2cp（ kal/kg）0.4250.1940.2520.230.2060.320.218100出口氣體76進口氣體100水97水 4hkcaltcwhpii/2137.12156523）計算反應熱rh在 25條件下各物質(zhì)生成熱見表 3-6表表 3-6 各物質(zhì)各物質(zhì) 25條件下

30、的生成熱條件下的生成熱組分 gc2h2hclh2ovcc2h4cl2fhm（ kal/mol）54.19-22.062-59.568.4-31.05組分 gch3choco2co2fhm（ kal/mol）-39.76-94.05100由物料衡算中可得各反應中乙炔反應量，以此來計算rh。 (4-2) 2hgcl22280 180c h +hcl()chchcl vc molkcalhvrhbmfbm/728.2319.54062.224 . 81此反應 c2h2反應量為 103.431899kmol/hhkcalrh/199.24542321000728.23431899.1031 (4-3)

31、 2223c hh ochcho molkcalhvrhbmfbm/39.3456.5919.5476.392此反應 c2h2反應量為 0.025581kmol/hhkcalrh/73059.879100039.34025581. 02 (4-4) 22222()c hhclclchchcl edcm3m(b)hh=31.0554.192 (22.062)=41.116kcal/molrbf 此反應 c2h2反應量為 1.172939kmol/hhkcalrh/55992.482261000116.41172939. 13 (4-5)22coco molkcalhvrhbmfbm/051.94

32、4c 的反應量為 0.593168kmol/hhkcalrh/04357.557881000051.94593168. 04 5hkcalhrrhi/433.2559126反應中放出的總熱量：hkcalhrhhq/759.25397582137.121565433.25591265399.10219721放熱4）反應器熱向環(huán)境散熱量約占反應放熱總量的 20% 507951.7518kcal/h0.2qq熱損放則熱水帶走的熱量為：hkcalqqq/007.2031807-熱損放因為進口熱水溫度為 97，出口為 100。 1/cpkcal kg水則所需總熱水量：hkgw/0023.67726997

33、-1001007.2031807水3.5 石墨冷卻器取 70氣相為基準 h1=0。在條件下，各物質(zhì)熱容見表 3-7。m70 10t402表表 3-7 各物質(zhì)各物質(zhì) 40條件下的熱容條件下的熱容組分 gc2h2hcln2vccp（ kal/kg）0.42250.1920.250.215組分 gc2h4cl2ch3choco2cp（ kal/kg）0.20.310.215hkcalh/57183.913302hkcalhhq/57183.9133021放熱 再用 0的冷凍鹽水作冷劑，在條件下，cp=0.86kcal/kgm04t22 t2=10h204t1=70h1圖 3-6 石墨冷卻器能量衡算示

34、意圖 6hkgw/58483.265490-486. 057183.91330冷劑 7第四章 輔助設(shè)備選型熱量計算公式： (4-1) mqkat=d需（1）乙炔預冷器管程：低溫流體，冷劑：0冷凍鹽水 進口 0，出口 4。殼程：高溫流體， 乙炔氣，進口溫度 25 ，出口溫度 5。傳熱量：32599.50271kcal/h選用雙管程單殼程換熱器 (4-2)12112mttttlnt-=ddddd(254)(50)11.149225450ln-=-r =熱流體溫降冷流體溫升25 554 0=-p =冷流體溫升兩流體最初溫差4 00.1625 0=- 查得：0.8mted= (4-3)1mmmttte

35、ddd=0.8 11.14928.91936=230 kcal/mhk =218305.12191936. 83050271.32599mkdqatm傳熱面積擴大 1.2 倍，則211966.1462 . 1maa 8（2）石墨冷卻器管程：高溫流體 混合氣 進口 12，出口 -14。殼程：低溫流體 -35冷凍鹽水 進口-37，出口-33。傳熱量：147185.7338kcal/h12112mttttlnt-=ddddd根據(jù)經(jīng)驗選 。255 kcal/mhk =21283292.163389333.16557338.147185mkdqatm21939951.1952 . 1maa（3）預熱器管程：高溫流體 熱氣 進口 97，出口 93殼程：低溫流體 混合器 進口-14，出口 80傳熱量：188005.8869kcal/h12112m