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1、 化工工程设计训练设计说明书 （2023年） 题 目： 年产47600吨氯乙烯车间反映工段工艺设计 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： 杨方麒 学号： 指导教师： 王敏炜、罗美 职称： 专家、讲师 起讫日期： 2023.1.4~2023.1.22
2、 目 录 第一章 绪论 1 1.1 设计依据 9 1.2 工艺流程概述 9 第二章 物料衡算 9 3.1 总物料衡算 9 3.2 乙炔预冷器 9 3.3 混合脱水 10 3.4 转化器 12 3.5 水洗塔 13 第三章 能量衡算 31 4.1 乙炔预冷器 31 4.2 石墨冷却器 31 4.3 预热器 32 4.4 转化器 33 4.5 石墨冷却器 35 第四章 辅助设备选型 37 第一章 绪论 1.1 设计依据及重要设计内容 1.1.1 设计依据 （1）南昌大
3、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）化工公司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 GB8978-1996。 1.
4、1.2 本设计重要内容 本设计工艺采用乙炔与氯化氢气相合成法。所得产品规格规定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，反映工段工艺流程重要涉及混合脱水、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）在混合器中充足
5、混合后，进入并联的石墨冷却器，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，合成反映的热量通过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
6、20%盐酸，塔顶是以高位槽温水喷淋。一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 反映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
7、天天24小时（共7680小时）计算。 车间总收率（以乙炔计）：93%； 原料配比： HCl/C2H2=1.10； （2）原料气规格 表2-1 原料乙炔气规格 组份 C2H2 H2O O2 N2 ∑ w% 99 0.6 0.2 0.2 100 表2-2 原料氯化氢气规格 组份 HCl H2O O2 N2 ∑ w% 96 2.5 0.3 1.2 100 （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映： C2H2 + HCl = C2H3Cl 原料乙炔消耗： 原料乙炔
8、气消耗见表2-3。 表2-3原料乙炔气消耗 组份 C2H2 H2O O2 N2 ∑ w% 99 0.6 0.2 0.2 100 mol% 98.7877 0.8648 0.1622 0.1853 100 kmol/h 106.630824 0.933450 0.175078 0.202312 107.939364 kg/h 2772.401424 16.822100 5.602496 5.600336 2800.406356 取=1.10；HCl的物质的量为106.630824×1.1=117.293906 kmol/h。 原料
9、氯化氢气消耗见表2-4。 表2-4原料氯化氢气消耗 组份 HCl H2O O2 N2 ∑ w% 96 2.5 0.3 1.2 100 mol% 93.2257 4.9229 0.3323 1.5191 100 kmol/h 117.293906 6.193600 0.418090 1.911288 125.816884 kg/h 4281.227569 111.484803 13.378891 53.516067 4459.60733 2.2 乙炔预冷器 （1）计算参数 乙炔气进口温度：25℃；出口温度：5℃；操作压力：1.8
10、 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=1.764×105Pa Y水= 0.4942 % 故 塔釜分出的水分： M水= 18=18×0.880514=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
11、量 kg/h 摩尔流量kmol/h 质量流量 kg/h 气 相 C2H2 106.630824 2772.401424 106.630824 2772.401424 H2O 0.933450 16.802100 0.052908 0.952344 O2 0.175078 5.602496 0.175078 5.602496 N2 0.202312 5.600336 0.202312 5.600336 ∑ 107.939364 2800.406356 107.058823 2784.55666 液 相 水 -- --
12、0.880541 15.849738 ∑总 107.939364 2800.406356 107.939364 2800.406356 2.3 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%盐酸水的饱和蒸汽压计算： = =0.1334mmHg=17.7867Pa 总压P=1.6kgf/cm^2=1.
13、568×10^5Pa = 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 C2H2 106.630824 2772.401424 106.630824 2772.401424 HCl 117.293906 4281.227569
14、 115.248670 4206.576455 O2 0.593168 18.981387 0.593168 18.981387 N2 2.111300 59.116403 2.111300 59.116403 H2O 6.246508 112.437147 0.025581 0.460461 ∑ 232.875706 7244.163930 224.609543 7057.536130 液 相 HCl -- -- 2.045236 74.651114 H2O -- -- 6.220927 111.976686 ∑ --
15、 -- 8.266163 186.627800 ∑ 232.875706 7244.163930 232.875706 7244.163930 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：76~80℃；出口温度：100℃；操作压力：1.5kgf/cm2；冷却水进口温度：97℃；冷却水出口温度：100℃。 反映转化率: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所有转化为乙醛。原料中所有O2所有转化为二氧化碳。 （2）物料衡算 在转化器中进行的反映有：
16、 转化器中各物料计算： 生成VC的量=106.630824×0.97=103.431899 kmol/h 生成DCE的量=106.630824×0.011=1.172939 kmol/h 1） （3-2） 起始量 106.630824 115.248670 0 反映量 103.431899 103.431899 103.431899 剩余量 3.198925 11.816771 103.431
17、899 2） （3-3） 起始量 3.198925 0.025581 0 反映量 0.025581 0.025581 0.025581 剩余量 3.173344 0 0.025581 3） （3-4） 起始量 3.173344 11.816771 0 反映量 1.172939 2.345878 1.172939 剩余量 2.000405 9.
18、470893 1.172939 4） （3-5） 起始量 0.593168 0 反映量 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kg/h 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h 气 相 C2H2 106.630824
19、2772.401424 2.000405 52.010530 HCl 115.248670 4206.576455 9.470893 345.687595 O2 0.593168 18.981387 0 0 N2 2.111300 59.116403 2.111300 59.116403 H2O 0.025581 0.460461 0 0 VC -- -- 103.431899 6464.493688 EDC -- -- 1.172939 116.120961 乙醛 -- -- 0.025581 1.125564 CO
20、2 -- -- 0.593168 26.099392 固 相 C 0.593168 7.118003 -- -- ∑ 225.202710 7064.654133 118.806185 7064.654133 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：10~12℃；出口温度：30℃；吸取水进口温度：5~10℃；HCl脱除率（w%）：96%；吸取得盐酸浓度（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。
21、 则被溶的盐酸量为=345.687595×96%=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（kg/kg水） 溶解量（kg） C2H2 0.00094 1.105999 N2 不溶 0 VC 5.1996×10-5 0.061178 EDC 5.4×10-3 6.353611 乙醛 全溶 1.125564 CO2 1.257×10-3
22、 1.478979 ∑ 10.125331 30℃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 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h 摩尔流量 kmol/h 质量流量 kg/h
23、 气 相 C2H2 2.000405 52.010530 1.957867 50.904331 HCl 9.470893 345.687595 0.378836 13.827504 N2 2.111300 59.116403 2.111300 59.116403 VC 103.431899 6464.493688 103.43092 6464.43251 EDC 1.172939 116.120961 1.108761 109.76735 乙醛 0.025581 1.125564 0 0 CO2 0.593168
24、 26.099392 0.559555 24.620413 H2O 0 0 4.064341 73.158132 ∑ 118.806185 113.61158 6795.826843 液 相 HCl -- -- 9.-092057 331.860091 H2O 69.430707 1249.752713 65.366366 1176.594581 溶解 -- -- 0.166889 10.125331 ∑ 69.430707 1249.752713 74.625312 1518.580003 ∑ 188.23
25、6892 8314.406846 188.236892 8314.406846 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 g C2H2 H2O N2 O2 CP（ kal/kg） 0.418 0.445 0.25 0.22 (3-1) =-23238.40443kcal/h = 15.849738×0.445×（5-25）+15.849738×（-2433.9）/
26、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5.5℃时热容
27、 组分 g C2H2 HCl H2O N2 O2 Cp（ kal/kg） 0.41 0.19 0.442 0.25 0.215 =-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-14℃40%盐酸水的饱和蒸汽压下完毕的，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,相称于588.56kcal/kg 由于Q溶解＝134
28、16.36311 kcal/kmol.HCl 又由于tm=(25+12)/2=18.5℃ 此温度时,H2O(g)和HCl(g)的比热容为， CpH2O(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 g C2H2 HCl H2O
29、 N2 O2 Cp（ kal/kg） 0.423 0.192 0.448 0.252 0.247 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50.5℃条
30、件下的热容 组分 g C2H2 HCl H2O N2 O2 Cp（ kal/kg） 0.423 0.193 0.45 0.251 0.223 2）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 g C2H2 HCl N2 VC C2H4Cl2 CH3CHO CO2 Cp（ kal/kg） 0.425 0.194 0.252 0.23 0.206 0.32 0.218 3）计算反映热△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
31、g C2H2 HCl H2O VC C2H4Cl2 △fHm（ kal/mol） 54.19 -22.062 -59.56 8.4 -31.05 组分 g CH3CHO CO2 C O2 △fHm（ kal/mol） -39.76 -94.051 0 0 由物料衡算中可得各反映中乙炔反映量，以此来计算△rH。 (4-2) 此反映C2H2反映量为103.431899kmol/h (4-3) 此反映C2H2
32、反映量为0.025581kmol/h (4-4) 此反映C2H2反映量为1.172939kmol/h (4-5) C的反映量为0.593168kmol/h 反映中放出的总热量： 4）反映器热向环境散热量约占反映放热总量的20% 507951.7518kcal/h 则热水带走的热量为： 由于进口热水温度为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。
33、 在条件下，各物质热容见表3-7。 表3-7各物质40℃条件下的热容 组分 g C2H2 HCl N2 VC Cp（ kal/kg） 0.4225 0.192 0.25 0.215 组分 g C2H4Cl2 CH3CHO CO2 Cp（ kal/kg） 0.2 0.31 0.215 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)
34、 （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1.2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
35、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 反映气 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 =29.67564℃ R=15 P=0.08714
36、根据经验选 。 附表 附表1 反映工段设备一览表 序号 设备位号 设备名称 技术规格 材料 数量 备注 1 V0101 氯化氢缓冲器 盆底盖立式φ1200×2023 钢 1 2 V0102 乙炔砂封 锥底盆盖卧式φ600×1210 钢 1 3 V0103 大混合器 φ500×1910 钢 1 4 E0101 乙炔预冷器 盆盖卧式列管式φ1200×2023 钢 1 F=80m2 5 V0104 集水器 φ325×1600 钢 1 6 E0102A-B 石墨冷却器 φ
37、900×5270 钢 石墨 2 F=80m2 7 M0101A-D 酸雾过滤器 锥底盆盖立式φ1100×3020 钢 石墨 4 8 E0103A-C 预热器 盆底盖立式列管φ1200×2023 钢 3 F=80m2 9 V0105 酸贮槽 盆底盖立式φ400×1420 钢 1 10 R0101A-B 转化器 盆底锥盖立式φ2400×5300 钢 16 11 M0102A-B 汞吸附器 盆底盖立式φ2400×5300 钢 2 13 E0104A-B 石墨冷却器 φ650×4597 钢 2 F
38、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 C2H2≥99%（wt） 2800.406356 21507.12081 0.433202 2 氯化氢 HCl≥96%（wt） 4459.60733 34249.78429 0.689868 3 工业水 1249.752713 9598.100836 0.193328 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 9476.599625 72780.28512 1.46596 石墨 冷却器 -35℃冷冻盐水 56609.89762 434764.0137 8.7571334 预热器 97℃转化器出 口热水 47001.47172 360971.3028 7.270781 转化器 97℃热水 677269.0023 5202325.938 104.768516 石墨 冷却器 0℃冷冻盐水 26549.58483 203900.8115 4.107025
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