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第三章 工艺计算
3.1 物料衡算
对初始物料经反应器，水洗塔，碱洗塔，全凝器，尾气冷凝器，低沸塔，髙沸塔，聚合釜等设备作无聊衡算。
3.1.1原料用量计算
3.1.1.1设计依据
设计参数如下：
a. 生产规模：3×1.008=3.024万吨；
b. 年工作时间：8000小时；
c. 计算基准：连续过程以kg为基准。
具体参数
a. nHCI：nC2H2=1.05:1(mol)；
b. C2H2合成VC时的转化率为97.8%；
c. C2H2转化为VC的选择性为99.02%；
d. C2H2转化为EDC的选择性为0.90%。
目标：
a. VC合成的物料计算；
b. 相关反应物、产物及产量并列表。
3.1.1.2物料流程图

VC
未反应的C2H2
未反应的HCI
EDC、CH3CHO
N2、H2O

VC
合成
反应器
C2H2

HCI

图3.1 反应器物料示意图
3.1.1.3计算过程
年产量：3×1.008=3.024万吨=3.024×107kg
年工作时间：8000h
VC每小时产量：3.024×107÷8000=3780kg/h (即60.48kmol/h)
VC收率：0.986×0.996=0.9821
乙炔起始量：60.48÷0.9821=61.5851(即1601.2122kg/h)
进口乙炔质量分数：99%
进口气体总质量流量：1601.2122÷0.99=1617.3860kg/h
进口氮气的质量流量：1617.3860×0.0097=15.6886kg/h
进口水的质量流量：1617.3860×0.0003=0.4852kg/h
因为nHCI：nC2H2=1.05:1(mol)
故氯化氢的摩尔流量：61.5851×1.05=64.6643kmol/h (即2360.2483kg/h)
总气体质量流量：2360.2483÷0.99=2384.0892kg/h
进口氮气的质量流量：2384.0892×0.0097=23.1257kg/h
进口水的质量流量：2384.0892×0.0003=0.7152kg/h
进口组分质量流量：
乙炔：1601.2122kg/h
氯化氢：2360.2483kg/h
氮气：15.6886＋23.1257=38.8143kg/h
水：0.4852＋0.7152=1.2004kg/h
二氯乙烷的收率：0.986×0.003=0.00296
二氯乙烷的生成量：61.5851×0.00296=0.1822kmol/h
乙醛的收率：0.986×0.001=0.000986
乙醛的生成量：61.5851×0.000986=0.0607kmol/h
出口组分质量流量：
VC：3780kg/h
未反应的乙炔：61.5851－(1－0.986)=0.8622kmol/h (即22.4170kg/h)
未反应的氯化氢：64.6643－60.48－0.1822×2=3.8200kmol/h(139.4299kg/h)

二氯乙烷：0.1822kmol/h (即18.0347kg/h)
乙醛：0.0607 kmol/h (即2.6718 kg/h )
氮气：38.8143 kg/h
水：1.2004－0.0607 ×18=0.1074 kg/h

3.1.14 物料衡算表

表3.1 反应器进出口物料一览表

组分

进口
出口
kmol/h
kg/h
% (mol)
kmol/h
kg/h
% (mol)
C2H2

HCl

N2

H2O

VC

CH3CHO

CH4Cl2

合计

61.5851

64.6643

1.3862

0.0667

0

0

0

127.7023

1601.2122

2360.2483

38.8143

1.2004

0

0

0

4001.4752

0.4823

0.5064

0.0109

0.0005

0

0

0

1

0.8622

3.8200

1.3862

0.0060

60.4800

0.0607

0.1822

66.7973

22.4170

139.4300

38.8143

0.1074

3780

2.6718

18.0347

4001.4752

0.0129

0.0572

0.0208

0.0001

0.9054

0.0009

0.0027

1

3.12 各工段物料衡算

3.1.2.1 水洗工段
(1) 设计参数
a. 合成器经水洗后98%(wt)的HCL被洗掉;
b. 一圈全部被洗掉，不考虑EDC、C2H2在水中的溶解损失;
c. 水洗后废水含酸2%(wt);
d. VC损失为总量的1%(wt);
e. 水洗塔的压力位850mmHg，水洗温度为35℃
(2) 物料流程图

VC、EDC、C2H2、N2、H2O、HCL(去碱洗）

水
洗
塔
水

VC损失（溶解，机械夹带）
合成气

废水（H2O、C2H4O、HCL）

图3.2水洗塔物料示意图
(3) 计算过程
被洗掉的氯化氢：139.4300 ×0.98=136.6414 kg/h
被洗掉的乙醛：2.6718 kg/h
生成的废水的量：136.6414 ÷0.02=6832.0691 kg/h
VC的损失量：3780×0.01=37.8 kg/h
剩余VC量：3780×0.99=3742.2 kg/h (即59.8752 kmol/h)
二氯乙烷：18.0347 kg/h (即0.1822 kmol/h)
乙炔：22.4170 kg/h (即0.8622 kmlo/h)
氯化氢：139.4300 ×0.02=2.7886 kg/h (即0.0764 kmol/h)
氮气：38.8143 kg/h (即1.3862 kmol/h)
总摩尔流量：59.8752 +0.1822 +0.8622 +0.0764 +1.3862 =62.3822 kmol/h
更据道尔顿分压定律[17],水蒸气的摩尔数：
(即58.1146 kmol/h)
设进口水量为X，有溶解公式和物料恒算[15,17]解下列方程：

得X=6742.9608 kg/h

VC溶解量：0.75×[6742.9608 -(58.1146 -0.1074]÷1000=5.0137 kg/h
VC机械夹带：37.8 -5.0137 =32.7863 kg/h

（4） 物料衡算表

表3.2 水洗塔进口物料一览表

组分

进口
出口
kmol/h
kg/h
% (mol)
kmol/h
kg/h
% (mol)

C2H2

HCl

N2

H2O

VC

CH3CHO

CH4Cl2

合计

0.8622

3.8200

1.3862

374.6089

60.48

0.0607

0.1822

441.4003
22.4170

139.4300

38.8143

6742.9608

3780

2.6718

18.0347

10744.328
0.0020

0.0087

0.0031

0.8487

0.1370

0.0001

0.0004

1
0.8622

0.0764

1.3862

3.2286

59.8752

0

0.1822

65.6108
22.4170

2.7886

38.8143

58.1146

3742.2

0

18.0347

3882.3692
0.0131

0.0012

0.0211

0.0492

0.9126

0

0.0028

1

3.1.2.2 碱洗工段
（1） 设计参数
a.采用10%（wt）的氢氧化钠溶液，并循环至其5%时放掉；
b.碱洗温度30℃，压力795mmHg；
c.VC机械夹带损失为水洗后的1%（wt）；
d.EDC不参与反应，不考虑EDC溶解夹带损失。

（3） 物料流程图

10%氢氧化钠 碱洗气去压缩冷凝
碱 洗 塔 （VC、EDC、C2H2、N2、H2O）
水洗气体 VC损失
碱洗废液

图3.3碱洗塔物料示意图

（3）计算过程
VC机械夹带：3742.2×0.01=37.422 kg/h
氯化氢被全部消耗掉：2.7886 kg/h (既0.0764 kmol/h)
消耗的氢氧化钠的量：0.0764 kmol/h (既3.0560 kg/h)
设加入的氢氧化钠溶液的质量为X，由气态冷凝的水的质量为Y；解下列方程：

解得X=119.6529 kg/h Y=55.7443 kg/h
既加入氢氧化钠的量为119.6529 kg/h，冷凝的气态水的量为55.7443 kg/h
溶解的VC的量：0.781×(0.9×119.6529 +55.7443 )÷1000=0.1276 kg/h
剩余VC的量：3742.2-37.422 -0.1276=3704.6504 kg/h

（4）物料衡算表

表3.3 碱洗塔进出口物料一览表

组分

进口
出口
kmol/h
kg/h
% (mol)
kmol/h
kg/h
% (mol)
C2H2

HCl

N2

H2O

VC

CH4Cl2

合计
0.8622

0.0764

1.3862

3.2286

59.8752

0.1822

65.6108
22.4170

2.7886

38.8143

58.1146

3742.2

18.0347

3882.3692
0.0131

0.0012

0.0211

0.0492

0.9126

0.0028

1
0.8622

0

1.3862

0.1317

59.2744

0.1822

61.8367
22.4170

0

38.8143

2.3704

3704.6504

18.0347

3786.2867
0.0139

0

0.0224

0.0021

0.9586

0.0029

1

3.1.2.3 全凝器的物料衡算

（1） 设计依据
a.单体VC冷凝率为99.5%（wt）；
b.粗油中乙炔溶解量控制在0.02%（wt）以下；
c.N2、C2H2在此条件下不冷凝。

（2）物料流程图

（g）VC、C2H2、N2
碱洗压缩气（45℃）
5℃ 8℃
全 凝 器

VC、EDC、C2H2、H2O（25℃）

图3.4 全凝器物料示意图
（3） 计算过程
单体VC冷凝量：3704.6504×0.995=3686.127 kg/h
设乙炔溶解量为X，由溶解度公式【17】解下列方程：

解得X=0.7374 kg/h
VC溶解和机械夹带损失量：3686.127×0.003=11.0584 kg/h
全凝器液相出口中VC量：3686.127×(1-0.003)=3675.0687 kg/h
（4） 物料衡算表
表3.4 全凝器出口物料一览表
组分
气相出口
液相出口
kmol/h
kg/h
% (mol)
kmol/h
kg/h
% (mol)
C2H2 (g)
VC (g)
N2 (g)
EDC (g)
H2O (g)
H2O (l)
C2H2 (l)
VC (l)
EDC (l)
合计
0.8622
59.2744
1.3862
0.1822
0.1317
0
0
0
0
61.8367
22.4170
3704.6504
38.8143
18.0347
2.3704
0
0
0
0
3786.2867
0.0139
0.9586
0.0224
0.0029
0.0021
0
0
0
0
1
0.8338
0.2964
1.3862
0
0
0.1317
0.0284
58.8011
0.1822
61.6598
21.6796
18.5233
38.8143
0
0
2.3704
0.7374
3675.0687
18.0347
3775.2283
0.0135
0.0048
0.0225
0
0
0.0021
0.0005
0.9536
0.003
1

3.1.2.4 粗馏
(1)设计依据
a. 尾冷器液化率0.8;
b. 高沸塔液态出口只含VC、EDC，其摩尔分数分别为60%、40%；
c. 高沸塔气态出口VC含量99.9% (mol)，EDC含量为0.005% (mol)，乙炔小于0.001%；

(2)物料流程图

V1
F
尾冷器

V1'
全凝器

V2'
粗 馏 塔

F' F1
水分
F1'
高沸塔

F2

W1

D
W2

图3.5 精馏物料示意图
(3)计算过程
F1=18.0347 +3675.0687 +0.7374 +2.3704 =3696.2112 kg/h
D=2.3704 kg/h
F1=F1-D=3696.2112-2.3704=3693.8408 kg/h
V1'=21.6796 +18.5233 +38.8143 =79.0172 kg/h
设V1中N2的摩尔分数为：55.49%，则C2H2的摩尔分数为：1-10%-55.49%=34.51%
其中：N2的物质的量为：n=1.3862 kmol/h
qm (C2H2)=1.3862÷55.49%×26×34.51%=22.4151 kg/h (即0.8621 kmol/h)
qm (VC)=1.3862÷55.49%×62.5×10%=15.6136 kg/h (即0.2498 kmol/h)
设高沸塔气相出口V2中VC、EDC、C2H2总物质的量为X，液相出口W2中VC、EDC总物质的量为Y。
则

代入数据： 0.1822 =0.005%X+0.4Y
58.8011=+99.9%X+0.6Y
解得 X=58.4609 mol/h Y=0.4481 mol/h
即W2=0.4481 mol/h V2=58.4609 mol/h
W2(EDC)=Y×0.4=0.1792 kmol/h
W(VC)=Y×0.6=0.2689 kmol/h
V2(VC)=99.9%X=58.4024 kmol/h
V2(EDC)=0.005%X=0.0029 kmol/h
W(C2H2)=(21.6796 +0.7374 -22.4151 )÷26=0.0001 kmol/h
qm (VC) 损=3675.0687 ×0.003=11.0252 kg/h
检验：0.0019 ÷(26×58.4024 )=1.252×10-6=1.252pmm<10pmm
由尾冷器的液化率可得：

由物料衡算得：

带入数据，联立两方程得：

+2.5164=+2.4982

解方程得 =9.9927 kmol/h =9.9744 kmol/h
低沸塔塔顶组成如下：
设全部为VC,根据进出口物料平衡：
塔顶VC的含量：0.0283 ÷0.01×0.99=2.8005 kmol/h
塔顶C2H2的含量：0.8621 -0.8338 =0.0283 kmol/h
（4） 物料衡算表

表 3.5 低沸塔进出口料一览表

物 料
进料
塔顶
塔釜
kmol/h
% (mol)
kmol/h
%（mol）
kmol/h
%（mol）
VC
58.8011
0.9964
2.8005
0.99
58.6713
0.9969
C2H2
0.0284
0.0005
0.0283
0.01
7.3115×10-5
1.2423×10-6
EDC
0.1822
0.0031
0
0
0.1822
0.0031
合计
59.0116
1
2.8287
1
58.8535
1

表3.6 高沸塔进出口一览表

物 料
进料
塔顶
塔釜
kmol/h
%(mol)
kmol/h
%（mol）
kmol/h
%（mol）
VC
58.6713
0.9969
58.4024
0.99995
0.2689
0.6
C2H2
7.3115×10-5
1.2423×10-6
7.3115×10-5
1.2518×10-6
0
0
EDC
0.1822
0.0031
0.0029
4.8749×10-5
0.1792
0.4
合计
58.8535
1
58.4054
1
0.4481
1

3.1.2.5 聚合釜工段物料衡算
基本参数
投料量：27.5M3/釜
VCM 计算公式：d=0.9471-0.001746t-0.00000324t2
原料纯度：
转化率：
生产周期：
反应温度：57.50.2℃
进料温度恒温温度：25℃
相关物料量计算
（1）进料投料量纯VCM为（体积）

　　　　进料单体密度d：

　　　 =0.9014g/cm3
　　　 进料纯VCM（质量）M：

（2）水取VCM的120%：

（3）引发剂无VCM的0.08%：

配成60%水分散液，则分散液量为：

（4）分散剂取单体量的0.055%：

（5）涂壁剂：
（6）缓冲剂：
（7）取转化率为82%，则聚合釜中全部转化的VCM量为：

　　生产规模：3万吨/年
生产时间：8000h　
生产周期：6h
每顿PVC消耗定额：1.008吨VCM (100%)
相当于需多生产PVC才能控制损失：3×1.008=3.024万吨/年
聚合釜数：
安全系数：1.2—1.5 取1.3
则N=1.3×1.115=1.45
由于两个聚合釜公用一个加料槽，故取釜个数为2个。
工艺流程：

聚 合　　　　
引发剂
沉析槽
涂壁剂
缓冲剂

　 　　 分散剂　
　　离心脱水　　　　　　　　　　　

汽提塔

汽提　　　　　　　　　

　汽提　　　

　　　 筛包分装 PVC

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　VCM
反应助剂　聚合釜

物料衡算出：

　　　　　　　　（包括助剂，杂质）：

进（总）：

出（总）：
进出物料完全平衡。
沉析槽：
VCM(2%):24.7861×103×2%/98%
PVC+H2O+VCM =0.5058×103kg/釜
沉 析 槽 PVC:20.3246×103kg/釜
H2O(90%):29.81×103×90%
=26.829×103kg/釜

VCM:4.4615×103-0.5058×103=3.9557×103
H2O(10%):29.81×103×10%=2.981×103kg/釜

物料衡算 进（总）：54.5961×103 kg/釜
出（总）：

进出物料平衡。

汽提塔
PVC: 3.0×107÷8000×1.008=3.78×103kg/h
VCM:3.78×103×0.5058÷20.3246=0.0941×103kg/h
H2O:3.78×103×26.829÷20.3246=3.8738×103kg/h

PVC + VCM + H2O PVC:3.78×103 kg/h
汽提塔
3.78×103 0.0941×103 3.8738×103 H2O(90%):3.8738×103×90%
kg/h kg/h kg/h =3.4864×103kg/h

VCM:0.0941×103kg/h
H2O:3.8738×103×10%=0.3874×103kg/h

物料衡算 进 (总): 3.78×103+0.0941×103+3.8738×103=7.7479×103kg/h
出（总）：3.78×103+3.4864×103+0.0941×103+0.3874×103
=7.7479×103kg/h
进出物料平衡。
离心

PVC + H2O PVC: 3.78×103 kg/h
离 心 H2O(27%):3.78×103×27%/73%
3.78×103 3.4864×103 =1.3981×103kg/h
kg/h kg/h

H2O:3.4864×103 -1.3981×103=2.0883×103kg/h

物料衡算 进（总）：3.78×103+3.4864×103=7.2664×103kg/h
出（总）：3.78×103+1.3981×103+2.0883×103
=7.2664×103kg/h
进出物料平衡。
干燥：

PVC + H2O + 热空气 PVC:3.78×103 kg/h
干 燥
3.78×103 1.3981×103 7.528×10 H2O(0.1%):3.78×103 ×0.1%/99.9%
kg/h kg/h kg/h =3.7838kg/h
湿空气 H2

绝干物料量：G=6万吨/年 物料进出干燥器湿含量：w1=0.37kg水/kg湿物料
w2=0.003kg水/kg湿物料 湿物料进口温度：tM1=35℃
绝干物料筛析数据 平均粒径：dp =105μM 最大粒径：d Max=1000μM
湿含量H1=0.012kg/kg绝干气
干燥管中的气流速度：u g=25M/s 进入干燥管热风温度：t1=150℃
出干燥管排气温度：t2=60℃

绝干物料量：G0=kg/h
干燥出去的水份量：
热风物料平衡： ( I )
排气温度℃ 干燥系统物料出口温度℃
由
则，进入干燥管的气体热焓：

离开干燥系统的气体热焓：

对全干燥系统进行热量平衡由：

( II )
由（I）（II）得：
L（干燥用热空气流量）=75280kg/h

3.2 热量衡算
3.2.1 石墨冷却器
3.2.1.1 设计依据

a 冷凝盐酸浓度40%（wt), 不计损失；
b 原料气进口温度-15℃；
c 压力300mmHg；
d 盐水温度-35℃；

3.2.1.2 物料流程

C2H2 N2 H2O HCI ( 10oC )

-35 oC盐水

石墨冷却器
-35 oC 盐水 CH N HO HCI (-15 oC )

H2O HCI

图3.6石墨冷却器物料示意图

3.2.1.3 计算过程

40%盐酸上的水蒸气分压可用一下公式【17】计算：
（单位：mmHg)
其中

设冷却下来的水为Xkg/h,由盐酸的质量分数可知溶解的盐酸的量为2/3Xkg/h
由水蒸气分压得：

则 X=0.9401 kg/h
所以溶解的HCI的量为2/3X , 即 0.6268 kg
冷凝的盐酸的量为：0.9401+0.6268 =1.5669 kg/h

3.2.1.4 计算过程

各组分冷凝所释放的热量计算：

组分 比热容，Cp，kJ/(kg/℃)
H2O(l) 4.2
H2O(g) 1.812
C2H2 1.684
HCl(g) 0.8