(整理)年产20万吨氯乙烯工艺设计

2022-12-28 来源：易榕旅网

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年产20万吨氯乙烯工艺设计Process design of vinyl

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chloride with annal output of 200kt

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摘要............................................................. I Abstract ........................................................ II 引言 ........................................................... 1 第一章绪论 ..................................................... 2

1.1 聚氯乙烯 .............................................................. 2 1.1.1 聚氯乙烯性质和分类 .................................................. 2 1.1.2 聚氯乙烯的用途 ...................................................... 2 1.1.3聚氯乙烯工业与乙烯工业的关系 ........................................ 4 1.2 氯乙烯VC .............................................................. 4 1.2．1氯乙烯在国民经济中的地位和作用 ..................................... 4 1.2.2 世界VC的产需状况及预测 ............................................. 5 1.2.3我国VC的产需状况及预测 ............................................. 5 1.3氯乙烯制取方法 ........................................................ 6 1.4 氯乙烯的合成 .......................................................... 7 1.4.1 反应机理 ............................................................ 7 1.4.2 催化剂的选取 ........................................................ 7 1.4.3生产条件的选择 ...................................................... 8 1.4.4对原料气的要求 ...................................................... 9 1.5氯乙烯生产工艺流程简述 ............................................... 10 1.5.1生产工艺流程 ....................................................... 10 1.5.2主要原料和产物的物化性质 ........................................... 11

第二章工艺计算 ................................................. 12

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2.1 物料衡算 ............................................................. 13 2.1.1计算依据 ........................................................... 13 2.1.2 各单元的物料衡算 ................................................... 13 2.2 热量衡算 ............................................................. 21 2.2.1 热量衡算式 ......................................................... 21 2.2.2有关物化数据表 ..................................................... 21 2.2.3 相应各个设备的热量衡算 ............................................. 22

第三章主要设备及管道管径设计与选型 ............................. 28

3.1 转化器的设计与选型 ................................................... 28 3.1.1 已知条件 ........................................................... 28 3.1.2数据计算 ........................................................... 29 3.1.3手孔 ............................................................... 30 3.1.4封头的选择 ......................................................... 31 3.2精馏塔的设计与选型 ................................................... 31 3.2.1求精馏塔的气、液相负荷 ............................................. 33 3.2.2 求操作线方程 ....................................................... 33 3.2.3塔径的计算 ......................................................... 34 3.2.4精馏塔有效高度的计算 ............................................... 37 3.2.5管径的计算 ......................................................... 37 3.3 主要管道管径的计算与选型 ............................................. 39 3.3.1 HCl进料管 ......................................................... 39 3.3.2 乙炔气进料管 ....................................................... 40 3.3.3 石墨冷却器的进料管 ................................................. 40 3.3.4 多筒过滤器的进料管 ................................................. 41 3.3.5转化器的进料管 ..................................................... 41 3.3.6 转化器的出料管 ..................................................... 41 3.3.7 石墨冷却器进料管 ................................................... 42 3.3.8部分管道一览表 ..................................................... 42

第四章生产中的注意事项及废水处理 ............................... 42

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4.1生产中常见物质的危害及处理方法 ....................................... 42 4.1.1相应各物质危害及处理 ............................................... 42 4.1.2 对VC泄露的综合治理 ................................................ 43 4.2 废水的处理 ........................................................... 44 4.2.1 废水排放标准 ....................................................... 44 4.2.2 废水的处理方法 ..................................................... 44 4.2.3其他三废的处理 ..................................................... 45

第五章安全生产防火技术 ......................................... 45

5.1 厂区安全生产特点 ..................................................... 45 5.2乙烯合成的安全技术 ................................................... 46 5.3乙炔爆炸 ............................................................. 46 5.3.1 氧化爆炸 ........................................................... 46 5.3.2 分解爆炸 ........................................................... 46 5.3.3 乙炔的化合爆炸 ..................................................... 47 5.4 氯乙烯的燃烧性能 ..................................................... 47 5.5 安全措施 ............................................................. 47 5.6氯乙烯生产中发生过的典型事故 ......................................... 47

结论 .......................................................... 50 致谢............................................ 错误!未定义书签。参考文献 ........................................................ 52 附录 ............................................................ 52

附录A 工艺流程图 ........................................................ 54 附录B 主要设备图......................................................... 52

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年产20万吨氯乙烯工艺设计

摘要：氯乙烯是化学工业重要有机化工原料，其市场供需量也愈来愈庞大，在化工生产中的地位不断攀升。由于近年来全世界氯乙烯的生产发展很快，其产量及消费需求也都迅猛增长;而在国内也随着我国聚氯乙烯等行业的不断发展，带动了我国氯乙烯消费量的不断增加。本设计主要对氯乙烯的物性、用途及国内外生产消费现状进行分析，对其现有各种生产工艺做简要介绍，根据设计任务要求确定了本生产工艺流程，对氯乙烯的生产、分离及提纯阶段精馏塔进行详细计算，并根据物性及操作条件等综合因素对塔设备结构进行计算、设计、选型，对辅助设备进行相应的设计计算。做出我认为年产20万吨氯乙烯理想的设计方案。

关键字：增加；氯乙烯；聚氯乙烯；精馏塔；计算

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Process design of vinyl chloride with annal output of

200kt

Abstract:Vinyl chloride is an important organic chemical raw materials in chemical industry, its market supply and demand quantity will become more and more large and the position of Vinyl chloride will be rise in chemical production. Due to the production of vinyl chloride is developing very fast in the world, the production and consumption demand are growing rapidly; With the continuous development of PVC industry in China, our country's vinyl chloride consumption also increased. This design mainly analyze the vinyl chloride’s physical properties, use and production, and consumption status at home and abroad.Also brifely introducing the existing production process .According to the requirement of design task,making sure the production process and calculating the production, separation and purification of vinyl chloride. Considering the comprehensive factors such as physical properties, operating conditions and so on,we calculate the tower equipment‘s structure, design, select type, and calculate the design of auxiliary equipment.Finally making the ideal design scheme from my side which can output 200 kt of vinyl chloride every year

Key words: Addition;Vinyl chloride;Poly vinyl Chloride;Distillation column;Calculate

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引言

本设计是根据设计任务的要求，对年产二十万吨氯乙烯的工艺初步设计，广泛收集了聚氯乙烯（(Polyvinyl Chloride，简称PVC）、氯乙烯（vinyl Chloride;简称VC）工艺化工设计的相关资料作为设计依据。对PVC的性质和国内外发展状况进行了介绍，并着重对VC工艺发展状况、工艺选择、性质、工艺流程及合成原理，相关的物料性质、物料衡算、设备选型、管道设计作了较为详细的阐述，以理论设计为主，参考了大量资料和书籍，力求接近实际、切合实际。

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第一章绪论

1.1 聚氯乙烯

1.1.1 聚氯乙烯性质和分类[1]

聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，简称PVC)树脂是由氯乙烯单体(Vinyl Chloride，简称VC)聚合而成的热塑性高聚物，工业生产主要采用悬浮法、乳液法、本体法和溶液法以及衍生发展的微悬浮法等方法而实现聚合。其外观为一种白色的无定形粉末，密度1.35～1.45g／cm3，表观密度0.45～0.65g／cm3。生产方法不同得到的树脂颗粒大小不同，一般悬浮法PVC树脂颗粒大小为60～150um，本体法PVC树脂颗粒大小为30～80um，乳液法PVC树脂颗粒大小为1～50um，微悬浮法PVC树脂颗粒大小为20～80um。PVC分子结构式为-(CH2CHCl)n-，其中n表示平均聚合度。

目前，商品化的PVC树脂的平均相对分子质量范围在1．9×105～5．0×106之间。PVC树脂与聚乙烯(PE)树脂相比，由于碳氢链中引入了氯元素，其物理性能具有特点，氯元素的引入导致聚氯乙烯具有难燃性，在火焰上可以燃烧，同时放出HCl、CO和苯等物质，离火即自熄。在常温下耐磨性超过硫化橡胶，抗化学腐蚀性、抗渗透性、综合机械性能、电绝缘性、隔热性等较优异。其缺点是热稳定性和抗冲击性能较差。在受热和在光线照射下，易释放HCl，PVC分类表现出较差的热稳定性，一般在80℃开始软化，于100℃以上时开始分解，颜色逐步变黑。纯硬制PVC的缺口冲击强度只有3～5kJ／m2，属于硬脆材料，特别是低温韧性差，降低温度时迅速变硬变脆，受冲击时极易脆裂；而软质PVC的增塑剂迁移性大，造成污染并使PVC塑料性能下降。聚氯乙烯(PVC)树脂品种近年来有很大发展，目前有一百多种。通用型悬浮法聚氯乙烯树脂一般按照分子量大小来划分型号，工业生产中采用控制不同的聚合反应温度得到不同的树脂型号。

我国通用型悬浮法树脂划分为SGl～SG8共8个型号，其聚合度在800～1600之间。在专用型树脂方面国内自行研究开发了低聚合度PVC(聚合度在400左右)、高聚合度PVC(聚合度为2500、4000、6000等)、糊用掺混PVC、交联PVC、共聚PVC树脂、食品级和医用级PVC树脂、蓄电池隔板和PVC热塑性弹性体等品种。氯化聚氯乙烯(CPVC)树脂和纳米聚氯乙烯等暂时在国内还没有形成生产能力。高性能化和替代某些工程塑料的PVC树脂成为PVC品种发展的新方向。PVC应用广泛，其制品种类繁多。 1.1.2 聚氯乙烯的用途

由于其性能价格比优越，聚氯乙烯树脂广泛应用于国民经济各个领域。以PVC树脂为.................

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基料和增塑剂、填料、稳定剂、着色剂、改性剂等多种助剂混合后经塑化、成型加工而成的聚氯乙烯塑料应用相当广泛。通用型悬浮法聚氯乙烯树脂可以加工成软制品和硬制品。日常生活中常见的电缆外皮、防水卷材、农用膜、密封材料等一般由SG2和SG3树脂和30％～70％增塑剂加工而成，属于软制品，主要通过吹塑、压延、模塑、滚塑等加工方法实现。塑钢门窗，上下水管，硬制板材，管件等一般由SG5型以上树脂和含有0～6％的增塑剂加工而成，称为硬制品，采用压延、挤出、注塑成型工艺。乳液法PVC主要采用浸渍法、涂刮法生产工艺制造人造革、壁纸等。本体法聚氯乙烯树脂的应用领域与悬浮法PVC基本相同，由于生产过程不含有分散剂，制作透明片材的优点较为突出。国外PVC一般以硬制品为主，所占比例达到60％以上，多年来我国一直以软制品为主，经过近几年的发展，硬制品的应用比例逐年提高，也逐步向以硬制品为主的方向发展。近年来世界和中国聚氯乙烯树脂消耗比例分别见表1.1和表1.2。

表1.1近年来世界聚氯乙烯树脂消耗比例

品种 PVC 硬制品

管材护墙板薄膜和片材吹塑制品其他合计

表1.2近年来中国聚氯乙烯树脂消耗比例

品种 PVC 硬制品

管材护墙板薄膜和片材吹塑制品其他合计

比例/% 14 18 15 5 5 57

PVC 软制品

品种

薄膜片材地板地砖合成皮革电线电缆其他合计

比例/% 11 8 7 4 13 43

比例/% 33 8 8 5 6 60

PVC 软制品

品种

薄膜片材地板地砖合成皮革电线电缆其他合计

比例/% 13 3 3 8 13 40

聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS统称为五大通用合成树脂，广泛应用于工业、农业、建筑业、国防事业、人们的衣食住行等国计民生各个领域。聚氯乙烯作为大宗合成树脂，应用领域最宽，市场广阔。在一些发达国家，聚氯乙烯硬制品占70％，软制品涂料和黏合剂占30％；按应用领域划分，建材类占65％，包装类占8％，电子电器占7％，家具／装饰占5％，一般消费占4％，其他占11％。特别是PVC在加工过程中可以添加较.................

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多的其他改性助剂、大量廉价的填料，在合适的性能下可以更低的成本制造适用产品，所以PVC比其他通用树脂及塑料制品的价格便宜，性能价格比优越，经济效益好，尤其是在建筑领域的角色地位是其他材料所不能取代的。 1.1.3聚氯乙烯工业与乙烯工业的关系

乙烯是化工行业最基本的化工原料，乙烯的生产能力是衡量一个国家的经济实力的具体指标。20世纪60年代以前化工原料，世界各国均采用电石乙炔法制氯乙烯单体，随着电价的不断攀升，而使用石油裂解生产出的乙烯的价格只是电石法制乙炔的一半(石油价格2～3美金／桶)，于是世界各国开始原料路线的转变，淘汰高耗能污染大的电石乙炔法。美国于1969年基本完成了原料路线的转变，日本在1971年绝大部分装置采用乙烯原料路线，其他国家的聚氯乙烯厂也在很短的时间内，于20世纪70年代完成单体原料路线的转变。

1.2 氯乙烯VC

1.2．1氯乙烯在国民经济中的地位和作用

氯乙烯又名乙烯基氯，是一种应用于高分子化工的重要的单体，为无色、易液化气体，是塑料工业的重要生产原料，是生产聚氯乙烯塑料的单体；或与醋酸乙烯、丙烯腈制成共聚物，用作粘合剂、涂料、绝缘材料和合成纤维，也用作化学中间体或溶剂。氯乙烯易液化，这一性质在氯乙烯精制中有着重要的工业意义。除此之外，氯乙烯易溶解于丙酮、乙醇和烃类，微溶于水，它易燃，与空气混合爆炸的极限是4%～22%，它对人体有麻醉的作用，对肝脏有影响，可使人中毒，人对氯乙烯的嗅觉感知的质量浓度为2.4g/3m，长期的接触会使人引起消化系统、皮肤组织、神经系统等多种症状。

氯乙烯分子含有不饱和双键和不对称的氯原子，因而很容易发生均聚反应；也能与其他的单体发生共聚反应，还能与多种无机或有机化合物进行合成、加成、取代及缩合等化学反应。

氯乙烯的主要应用是在工业上进行均聚反应或共聚的以上生产高聚物。目前世界上用于制造聚氯乙烯树脂的上网氯乙烯单体量约占氯乙烯总产量的96%，而美国则达98%。氯乙烯的聚合物广泛用于工业、农业、建筑及人们的日常生活中，例如；硬的聚氯乙烯具有强度高、质量轻、耐磨性能好等特点。广泛用于工业给水、排水、排污、排气及排放腐蚀性的流体等用管道、管件以及农业灌溉系统、电线电缆等管道等，其总量约占氯乙烯的消耗量的30%多，目前世界上塑料销量的20%以上用于建筑，而建筑上的40%是氯乙烯的聚.................

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合物，如塑料地板，不仅可以制成色彩鲜艳的各种图案，而且可以将图案制成表面有浮雕感的多种型材。聚氯乙烯制成得到的门和窗具有较好的隔热、隔冷、隔音性能好的以及耐腐蚀、耐潮湿、耐霉烂等特点。而且由于它们的表面光滑，不需要涂漆、维修方便，比其他的塑料门的材料要便宜好多，因而在国内外的的产业上得到了广泛阿的应用和发展，聚氯乙烯的材料具有色泽鲜艳，花纹有立体感、防潮、防霉、防燃及便易清洗的特点，用做房屋建设具有简单大方，价格便宜等好多的优点。软的聚氯乙烯具有坚韧柔软、耐弯曲、有弹性、耐寒等优点，所以常用作电线电缆的绝缘包皮，以代替铅皮、橡胶与纸张等，聚氯乙烯糊是将聚氯乙烯的颗粒分散在液体悬浮介质中，形成高粘度状的混合物，用于制造人造革、零件及日常生活用品。由于传统的电石乙炔法制氯乙烯需要消耗大量电能, 对环境造成了严重的污染, 我国在几家较大的氯乙烯生产厂引进了日本、欧洲的平衡氧氯化生产工艺, 该工艺由于具有成本低、质量高、污染小、易于大规模生产等优点, 是目前世界上比较通用的氯乙烯生产工艺。

最初的氯乙烯生产全部以乙炔为原料。60年代后期，随着乙烯装置大型化及乙烯氧氯化技术的成熟，乙烯法在经济和环保等方面占有明显的优势，在世界范围内乙炔法迅速被乙烯法取代。迄今为止，全世界氯乙烯装置93%以上采用乙烯法，在工业发达国家如日本，已全部淘汰了乙炔法，仅在我国及其它发展中国家仍占有相当比重 1.2.2世界VC的产需状况及预测

1998 年,世界各国拥有VC 的生产能力合计为304312 万t ,产量合计258017 万t ,开工率达85% ,而1993 - 1998 年世界VC 生产能力和产量的年增长率分别为610 %和516 %。根据目前世界各地区的再建和扩建计划,预计到2003 年和2008 年,全世界VC 的生产能力将分别达到330115 万t 和380910 万t ,依次比1998 年增长815%和2512% ,预计2003 年VC 生产将进入下一个百分点,达到94%。北美和西欧的增长率降低与亚洲和中东地区,亚洲和中东仍将是VC发展的重点地区。 1.2.3我国VC的产需状况及预测

随着国民经济的高速发展,社会需求的增长,刺激了PVC 树脂生产的迅速发展,目前全国有生产企业80 余家,但规模较小,年产10 万吨以上的厂家仅有上海氯碱化工股份有限公司和齐鲁石化总公司。1998 年我国PVC 生产能力是22010 万t ,产量为15415万t ,而表观消费量却达310112 万t ,近年我国PVC 树脂产量远远不能满足市场的需求,这与我国大部分生产厂家工艺技术落后,VC 原料短缺有直接的关系。今后几年,我国塑料加工业对PVC 的需求量会越来越大,特别是聚氯乙烯硬制品的发展迅速,据有关资料统计,2005 年建筑排水管.................

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70%采用塑料管;电线套管80%采用塑料管;2010 年新建住宅室内排水管道80%采用塑料管,电线套管90%采用塑料管;外墙雨水管50%采用塑料管;塑料门窗的市场占有率也将达30%以上,因此2010 年仅化学建材对PVC 树脂的需求量已达200多万t 。可见PVC的发展空间越大,VC 的市场发展前景越好。

1.3氯乙烯制取方法

氯乙烯是生产聚氯乙烯树脂的原料，目前主要采用以下四种方法制取氯乙烯：1.乙烯氧氯化法2.电石乙炔法3.乙烯直接氧化法4.烯炔联合法（原料为乙烯）。前两种方法应用较为普遍，而基于我国现状，目前我国大部分厂家都采用乙炔法。因此，本设计采用乙炔法。

氯乙烯首先在工业上实现生产是在20世纪30年代，当时是使用电石水解成，乙炔和氯化氢进行加成反应得到的。其化学反应方程式为：

CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2 （1-1） C2H2 + HCl → CH2CHCl （1-2）

50年代前，电石是由焦炭与生石灰在电炉中加热生成：

CaO+3C → CaC2 + CO （1-3）

随着氮乙烯需求量的增加，人们致力于寻找生产氯乙烯更廉价的原料来源。在50年代初期，乙烯成为生产氯乙烯更经济、更合理的原料。实现了由乙烯和氯气生产氯乙烯的工业生产路线。该工艺包括乙烯直接氯化生产二氯乙烷及二氯乙烷裂解生产氯乙烯。随后，人们注意到二氯乙烷裂解过程，除生成氯乙烯外还生成氯化氢。由此，工业界想到由氢化氢可以连同乙炔生产工艺一起生产氯乙烯。

CH 2＝CH2十C12 → CH 2C1—CH 2C1 （1-4） CH 2C1—CH 2C1 → CH 2＝CHC1十HC1十HCl → CH 2＝CHC1 （1-5）

50年代后期，开发出乙烯氧氯化工艺以适应不断增长的对氯乙烯的需求。在这个过程中，乙烯、氧气和氯化氢反应生成二氯乙烷，和直接氯化过程结合在一起，两者所生成的二氯乙烷一并进行裂解得到氯乙烯，这种生产方法称为平衡法。至今世界上虽仍有少量的氯乙烯来自于电石乙炔及乙炔—乙烯混合法，而绝大部分氯乙烯是通过基于乙烯和氯气的平衡过程生产。平衡氧氯化生产工艺仍是已工业化的、生产氯乙烯单体最先进的技术，在世界范围内，93％的聚氯乙烯树脂都采用由平衡氧氯化法生产的氯乙烯单体聚合而成。该法具有反应器能力大、生产效率高、生产成本低、单体杂质含量少和可连续操作等特点。 .................

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1.4 氯乙烯的合成[2]

氯乙烯是由乙炔与氯化氢在升汞催化剂存在下的气相加成的。 1.4.1 反应机理

gCl2C2H2HClHCH2CHCl + 124．8kJ/mol （1-6）

上述反应实际上是非均相的，分5个步骤来进行，其中表面反应为控制阶段。 I 外扩散乙快、氯化氢向碳的外表面扩散；

II 内扩散乙炔、氯化氢经碳的微孔通道向外表面扩散；

III表面反应乙炔、氯化氢在升汞催化剂活化中心反应发生加成反应生成氯乙烯； IV 内扩散氯乙烯经碳的微孔通道向外表面扩散； V 外扩散氯乙烯自碳外表面向气流中扩散。 1.4.2 催化剂的选取[15] I 载体活性炭

用作催化剂载体的活性炭，一般是由低灰分的煤加工制成，并经750～950℃高温水蒸气活化，以氧化(或称“烧掉”)成型后炭粒内部的挥发组分，使形成许多微细的“孔穴”和“通道”。因此，活性炭具有非常惊人的表面积，如利用低湿氮气吸附法或苯蒸气动态吸附法，可测得目前常用的活性炭其每克重量就有800～1000m2的表面积，这一数值又称为活性炭的比表面积。活性炭的这一特性使它具有优异的吸附能力，被广泛地应用于气体或液体中微量杂质的吸附分离过程，各种有毒、有害气体的防毒面具以及催化剂的载体。 II 升汞

在常温下是白色的结晶粉末，分子式HgCl2分子量271.52，升华点302℃。在此温度下固态升汞可以直接升华变成蒸气态。升汞在水中具有一定的溶解度，且依温度上升而增加，升汞在水中的离解(或称水解)作用很小，只占溶解的升汞分子总数中的0.1%，且水溶液实际上不导电，说明这种化合物为共价键的性质，升汞在水中的微量离解不产生Hg2+离子，而按独特的方式进行：

HgCl2ClHgCl （1-7）

纯的升汞粉末(无载体活性炭时)对氯乙烯合成反应并无活性，而一旦吸附于活性炭表面，由于两者的相互作用使对该反应有优异的活性和选择性，是迄今为止该化学反应最为理想的催化剂。工业生产中宜选用纯度＞99%的升汞试剂作为催化剂的原料。 III 催化剂及其催化作用 .................

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众所周知，催化剂是一种能改变化学反应速度而本身并不发生化学变化也不能改变化学反应平衡的物质，即当进行可进反应时，催化剂对两个相反方向的反应速度具有相同的效力。以乙炔与氯化氢气相合成氯乙烯的反应来说，在100～180℃范围的热力学平衡常数是很高的，说明在上述温度下该反应如达到平衡，则有获得高收率氯乙烯产品的可能。但反应动力学实验证实，当无催化剂存在时，该反应在上述温度范围的速率几乎等于零，而以升汞的活性炭催化剂用于反应时，反应过程就大大地被加速，这时的平衡常数是很大的，催化剂与乙炔生成了中间络合物，再由中间络合物进一步生成氯乙烯，也即催化剂的存在改变了反应的历程(机理)和反应所需的活化能，以达到加速反应的效果。由于催化剂并不参加化学反应，而只是升华或中毒造成一些损失，所以1kg上述催化剂可合成1000kg以上的氯乙烯单体。目前，工业生产用催化剂，系以活性炭为载体，浸渍吸附8～12%左右的升汞制备而成，这里的含汞量系指每100份活性炭(干基)合升汞8～12份（摩尔比）。如前所述，纯的升汞对合成反应并无催化作用，纯的活性炭也只有较低的催化活性，而当升汞吸附于活性炭表面后(比表面积下降到600～800m3/g，即具有很强的催化活性。 1.4.3生产条件的选择 I 摩尔比

提高原料气乙炔或氯化氢气的浓度(即分压)或使一种原料气配比过量，都有利于反应速度和转化率增加。但当乙炔过量时，易使催化剂中升汞还原为甘汞或水银．造成催化剂很快失去活性，而当氯化氢过量太高，则不但增加原料消耗定额，还会增加已合成的氯乙烯与氯化氢加成生成1,1-二氯乙烷副产物的机会。因此，宜控制乙炔与氯化氢摩尔比在1：1.05～1.10范围，实际生产操作中，应结合合成气中转化氯化氢及乙炔含量的分析值来实现摩尔比控制的。 II 反应温度

提高反应温度有利于加快氯乙烯合成反应的速度，获得较高的转化率。但是，过高的温度易使催化剂吸附的氯化高汞升华而随气流带逸，降低催化剂活性及使用寿命；此外，在较高温度下，催化剂在乙炔气流中可收集到45～70℃馏分的液体，属二氯乙烯类物质，而催化剂上的升汞被还原成甘汞或水银。因此，工业生产中尽可能将合成反应温度控制在100～180℃范围。 III 空间流速

空间流速是指单位时间内通过单位体积催化剂的气体量(气体量习惯以乙炔量来表示，其单位为m3乙炔／催化剂m3·h。乙炔的空间流速对氯乙烯的产率有影响，当空间流速增.................

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加时，气体与催化剂的接触时间减少，乙炔的转化率随之降低。反之，当空间流速减少时，乙炔转化率提高，但高沸点副产物量也随之增多，这时生产能力随之减小。在实际生产中，比较恰当的乙炔空间流速为25～40m3乙炔／m3催化剂·h。此时，既能保证乙炔有较高的转化率，又能保证高沸点副产物含量减少。 1.4.4对原料气的要求

氯乙烯合成反应对原料气乙炔和氯化氢的纯度和杂质含量均有严格的要求。 I 纯度

如果原料气纯度低，使二氧化碳、氢等惰性气体量增多，不但会降低合成的转化率，还特使精馏系统的冷凝器传热系数显著下降，尾气放空量增加，从而降低精馏总收率。一般要求乙炔纯度≥98.5%，氯化氢纯度≥93%。 II 乙炔中磷、硫杂质

乙炔气中的磷化氢、硫化氢等均能与合成汞催化剂发生不可逆的化学吸附，使催化剂中毒而缩短催化剂使用寿命。此外，它们还能与催化剂中升汞反应生成无活性的汞盐。

3HgClPH3（HgCl）3P3HCl （1-8）

工业生产采用浸硝酸银试纸在乙炔样气中不变色，作为检测磷、硫杂质地标准。 III 水分

水分过高易与混合气中氯化氢形成盐酸，使转化器设备及管线受到严重腐蚀，腐蚀的产物二氯化铁、三氯化铁结晶体还会堵塞管道，威胁正常生产。水分还易使催化剂结块，降低催化活性，导致转化器阻力上升，使乙炔流量增高产生困难。此外，水分还易与乙炔反应生成聚合有害的杂质乙醛。

水分的存在还促进乙炔与升汞生成有机络合物，后者覆盖于催化剂表面而降低催化剂活性。

一般，原料气含水分≤0.06%，能满足生产需要。 IV 氯化氢中游离氯

氯化氢中游离氯的存在是由于合成中的氢和氯配比不当，或氯化氢气压力波动造成的，游离氯一旦进入混合器与乙炔混合接触，即发生激烈反应生成氯乙炔等化合物，并放出大量热量引起混合气体的瞬间膨胀，酿成混合脱水系统的混合器、列管式石墨冷凝器等薄弱环节发生爆炸而影响正常生产，因此必须严格控制。作为生产安全措施，一般借游离氯自动测定仪或在混合器出口安装气相温度报警器，设定该温度超过56℃时即关闭原料乙炔气总阀，作临时紧急停车处理，待游离氯分析正常时再通入乙炔气开车。 .................

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正常生产中，应严格控制氯化氢中无游离氯析出。 V 含氧量

原料气(主要存在于氯化氢中)中含量用较高时，将威胁安全生产、特别当合成转化率较差，造成尾气放空中含乙炔量较高时，氧在放空气相中也被浓缩．就更有潜在的危险，系统中的氧能与活性碳在高温下反应生成一氧化碳和二氧化碳，使精馏系统出现问题。更值得注意的是，氧在精馏系统中能与氯乙烯单体反应形成氯乙烯过氧化物：

nH2CCHCl+nO2HCH2COOCln （1-9）

后者与精馏系统中微量水分相遇时，会发生水解而产生盐酸，甲酸、甲醛等酸性物质, 从而降低单体pH值，造成设备管线的腐蚀，则产生的铁离子则污染单体，最终还影响到聚合产品的白度和热稳定性。

因此，原则上应尽量将原料气中含氧量降低到最低值甚至零。仅工业生产上由于电解槽以及氯气、氢气和氯化氢气体的输送处理系统难免将空气泄漏，故一般规定控制在0.5%以下。

1.5氯乙烯生产工艺流程简述

1.5.1生产工艺流程

缓冲器混合石墨冷却器多筒过滤器石墨预热器乙炔砂器碱洗水洗冷却除汞转化器图1.1 生产工艺流程

由乙炔工段送来的精制乙炔气，经乙炔砂封，与氯化氢工序送来的氯化氢气体经缓冲罐通过孔板流量计调节配比（乙炔/氯化氢=1/1.05～1.1）在混合器中充分混合，进入石墨冷却器，用-35℃盐水间接冷却，冷却到-14℃±2℃，乙炔氯化氢混合气在此温度下，部分水分以40%盐酸排出，部分则夹带于气流中，进入串联的酸雾过滤器中，由硅油玻璃棉捕集器分离，然后混合气经石墨冷却器，由流量计控制进入串联的第一组转化器，在列管中填装吸附于活性炭上的升汞催化剂，在催化剂的作用下使乙炔和氯化氢合成转化为氯乙.................

.................

烯，第一组出口气中尚有20～30%未转化的乙炔，再进入第二级转化器继续转化，使出口处未转化的乙炔控制在3%以下，第二组转化器填装活性较高的新催化剂，第一组则填装活性较低的，即由第二组转化器更换下来的旧催化剂即可。合成反应放出的热量通过离心泵送来的95～100℃左右的循环水移去。粗氯乙烯在高温下带逸的氯化汞升华物，在填活性炭吸附器中除去，接着粗氯乙烯进入水洗泡沫塔回收过量的氯化氢。泡沫塔顶是以高位槽低温水喷淋，一次（不循环）接触得20%盐酸，装大贮槽供罐装外销，气体再经碱洗泡沫塔，除去残余的微量氯化氢后，送至氯乙烯气柜，最后去精馏工段。 1.5.2主要原料和产物的物化性质 I 氯化氢

分子式：HCl 分子量：36.5

性质：氯化氢是一种无色有刺激性的气体，遇到湿空气则呈白色烟雾，鼓可做烟雾剂。标准状况下比重为1.639kg/m2，低温低压下可以成为液体，熔点为-114℃，沸点为-85.03℃。易溶于水，标准状况下，1升水可溶解525.2升的HCl气体。在潮湿状态下，容易与多种金属作用生成该金属的氯化物。

属强酸，可使蛋白质凝固造成凝固性坏死，严重时可引起受损器官穿孔，斑痕形成，狭窄及畸形。

规格：纯度≥93%水分≤0.06% II乙炔

分子式：C2H2 分子量：26

性质：在常温常压下为无色气体，具有微弱的醚味，工业用乙炔因含有氯化氢、磷化氢等杂质而具有特殊的刺激性臭气。

乙炔是一种易燃易爆的不稳定化合物。易分解放出大量的热而发生爆炸。压力对乙炔有特殊的意义。压力增加时，乙炔气体分子间相密聚，因此，一旦某处乙炔分解，就能迅速扩展到全部气体中。加工业气体乙炔的压力在147kPa(1.47bar)以上温度超过773～823K时，使会全部分解，发生爆炸。当温度低于723K(并有接触物质存在时，可能发生爆炸。乙炔可以发生加成反应，聚合反应。

乙炔具有弱酸性，其分子中的氢能被某些金属取代而成盐。例如含有水成氨的工业乙乙炔与氯化亚铜作用，生成具有爆炸性副乙炔铜。所以，工业上乙炔发生系统不能使用铜制的旋塞及管件。

规格：纯度：≥98.5% 不含硫、磷、砷等杂质。 .................

................. III 氯乙烯

分子式：CH2＝CHCl 分子量：62.50 沸点：-13.9℃ 熔点：-160.0℃

蒸汽相对密度：2.15(空气为1) 液体相对密度：0.9121（20℃) 爆炸极限：在空气中3.6～26.4%(体积)

.................

第二章工艺计算

.................

2.1 物料衡算

由于各化工单元操作连续，故采用倒推法，根据转化率或者损失率计算出原料的投入量，再按顺序对各个单元操作进行衡算。 2.1.1计算依据 I计算基准

年产能力：年产200kt的氯乙烯年工作日：以330天计算

日产量： 200×106÷330=6.091×105 kg （2-1）小时产量： 6.091×105÷24=25379 kg （2-2）即，每小时要合成氯乙烯25379 kg ，以下计算均以1 h 为基准。 II化学反应式：主反应：

HgCl2CHHClCH2CHCl （2-3） 22

CH3CHCl2副反应： CH2CHClHCl （2-4）

HgCl2CHHgClHCClCHHgCl （2-5） 222

CHClCH2HgCl2 （2-6）

ClCHCHHgClHgCl2III 倒推法计算：

精馏（氯乙烯的收率[1]：99.5%）： 25379÷99.5%=25506.5 kg = 408.104 kmol（2-7）转化器（乙炔的转化率：95%）： 408.104÷95%=429.583 kmol （2-8）因此，进气中C2H2需429.583 kmol （11169.2 kg） 2.1.2 各单元的物料衡算（1）混合器的物料衡算

混合器乙炔氯化氢 C2H2 HCl O2 H2O

图2.1 混合器的物料衡算简图

C2H2和HCl 的最适宜的摩尔比是：1:1.05～1.1[2] .................

.................

本设计选取：nC2H2 : nHCl = 1:1.08 I 进料气组成：

表2.1 进料气组成

进料气组分含量/% C2H2

99.5

乙炔气

H2O

0.5 HCl 99.95 氯化氢

H2O

0.01 惰性气体（以O2计算）

0.04

因此，进料气所需乙炔气： 429.583÷99.5% = 431.742 kmol 进料气所需的氯化氢气体： 429.583×1.08÷99.95% = 464.182 kmol 即，

C2H2 ： 429.583 kmol （11169.158 kg） HCl ： 463.950 kmol （16934.175 kg）

O2 ： 464.182×0.04% = 0.1857 kmol （5.942 kg） H2O ： 464.182×0.01%+431.742×0.5% = 2.205 kmol （39.69 kg） II 出料气组成：

极少量的水分以浓盐酸的形式流出，此时课忽略流出的浓盐酸量。 C2H2 : 429.583 kmol HCl ： 463.950 kmol O2 ： 0.1857 kmol H2O ： 2.205 kmol III混合器的物料衡算表

表2.2 混合器的物料衡算表

进料

质量/kg

W/%

出料

质量/kg

W/%

.................

2-9）2-10）2-11）2-12）（（（（ .................

C2H2 HCl O2 H2O Σ

11169.158 16934.175 5.942 36.69 28148.965

39.679 60.159 0.000211 0.1410 100

C2H2 HCl O2 H2O Σ

11169.158 16934.175 5.942 36.69 28148.965

39.679 60.159 0.000211 0.1410 100

（2）石墨冷却器

混合气石墨冷却器 C2H2 HCl O2 H2O

盐酸图2.2 石墨冷却器的物料衡算简图

由于在石墨冷却器中，用-35℃盐水间接冷却，混合气中水分一部分则以40%盐酸的形式排出，部分则混合在气流中。

查阅相关资料，即设混合器中水分以40%盐酸排出的量占水总量的30%[2]。 I进料气组成：

C2H2 : 429.583 kmol （11169.158kg） HCl ： 463.950 kmol （16934.175kg） O2 ： 0.1857 kmol （5.942kg） H2O： 2.205kmol （39.69kg） II 出料气组成：

C2H2 : 429.583 kmol （11169.158kg） O2 ： 0.1857 kmol （5.942kg） H2O： 2.205×（1-30%）

=1.5435 kmol =27.783 kg （2-13） ∵

mHCl100%  40%mHClmH2O（2-14）

∴ mHCl= （0.4÷0.6） mH2O

= （0.4÷0.6）×（39.69-27.783） =7.938 kg （2-15） .................

.................

HCl： 16934.175-7.938=16926.237 kg =463.733 kmol （2-16）盐酸：7.938+（39.69-27.783）=19.845 kg （2-17） III 石墨冷却器的物料衡算

表2.3 石墨冷却器的物料衡算表

进料 C2H2 HCl O2 H2O Σ

质量/kg 11169.158 16934.175 5.942 39.69

28148.965

W/% 39.679 60.159 0.000211 0.1410 100

出料 C2H2 HCl O2 H2O 盐酸 Σ

质量/kg 11169.158 16926.237 5.942 27.783 19.845 28148.965

W/% 39.679 60.131 0.000211 0.000987 0.000745 100

（3）多筒过滤器

由相关资料查得，在多筒过滤器中，采用3～5%憎水性有机硅树脂的5～10um细玻璃纤维，可将大部分酸雾分离下来，以盐酸的形式排出。假设盐酸为38%，出水量为80%。 I进料气组成：

C2H2 : 429.583 kmol （11169.158kg） HCl ： 463.733 kmol （16926.237kg） O2 ： 0.1857 kmol （5.942kg） H2O： 1.5435kmol （27.783kg） II 出料气组成：

C2H2 : 429.583 kmol （11169.158kg） O2 ： 0.1857 kmol （5.942kg） H2O： 27.783×（1-80%）= 5.5566 kg ∵ 盐酸为38%，

mHCl×100% = 38% （2-18）

mHClmH2O∴

mHCl= （0.38÷0.62）×

mH2O

=（0.38÷0.62）×27.783

=13.623 kg （2-19） HCl： 16926.237-13.623=16912.614 kg （2-20）盐酸：13.623+27.783×80%=35.849 kg （2-21） .................

.................

III 多筒过滤器的物料衡算

表2.4 多筒过滤器的物料衡算表

进料 C2H2 HCl O2 H2O Σ

质量/kg 11169.158 16926.237 5.942 27.783

28129.12

W/% 39.707 60.172 0.000211 0.000988 100

出料 C2H2 HCl O2 H2O 盐酸 Σ

质量/kg 11169.158 16912.614 5.942 5.5566 35.849 28129.12

W/% 39.707 60.125 0.000211 0.000198 0.00127 100

（4）石墨预热器

此时无质量交换，即进出口各物料量不变。

表2.5石墨预热器物料衡算表进料/出料 C2H2 HCl O2 H2O Σ

质量/kg 11169.158 16912.614 5.942 5.5566 28093.3

W/% 39.757 60.202 0.000212 0.000198 100

（5）转化器 CH2CHCl C2H2 C2H2 HCl HCl 转化器图2.3 转化器物料衡算简图

由前面的叙述知，此转化器转化率为95%。 I进料气组成：

C2H2 : 11169.158 kg （429.583 kmol）

HCl ： 16912.64 kg （463.36 kmol）（二者之比为 1:1.078） O2 ： 5.942 kg H2O ： 5.5566 kg II 出料气组成： .................

[3]

.................

CH2CHCl ：429.583×95%×62.5 = 25506.491 kg （2-22） C2H2 : 11169.158×（1-95%）= 558.458 kg （2-23） HCl ： 16912.64-429.583×95%×36.5 = 2016.849 kg （2-24） O2 ： 5.942 kg H2O ： 5.5566 kg III 转化器的物料衡算：

表2.6 转化器的物料衡算表

进料 C2H2

HCl O2 H2O

质量/kg 11169.158 16912.64 5.942 5.5566

28093.3

W/% 39.757 60.202 0.000212 0.000198 100

出料 CH2CHCl C2H2 HCl O2 H2O

质量/kg 25506.491 558.458 2016.849 5.942 5.5566 28093.3

W/% 90.792 0.0199 7.179 0.000212 0.000198 100

（6）除汞器

由于汞含量极少，实际操作中课忽略其影响，即物料进、出组分相同。 ∴ 除汞器的物料衡算：

表2.7 除汞器的物料衡算表

进料 CH2CHCl C2H2 HCl O2 H2O

质量/kg 25506.491 558.458 2016.849 5.942 5.5566 28093.3

W/% 90.792 0.0199 7.179 0.000212 0.000198 100

出料 CH2CHCl C2H2 HCl O2 H2O

质量/kg 25506.491 558.458 2016.849 5.942 5.5566 28093.3

W/% 90.792 0.0199 7.179 0.000212 0.000198 100

Σ Σ

（7）石墨冷却器

表2.8 石墨冷却器物料衡算表

进料 CH2CHCl C2H2

质量/kg

W/%

出料

质量/kg

W/%

25506.491 90.792 558.458 0.0199

CH2CHCl 25506.491 90.792

C2H2 558.458 0.0199

.................

HCl O2 H2O

2016.849 5.942 5.5566 28093.3

[4]

7.179 0.000212 0.000198 100

HCl O2 H2O

2016.849 5.942 5.5566 28093.3 7.179 0.000212 0.000198 100

（8）水洗泡沫塔

查阅相关文献可知，水洗泡沫塔用来回收过量的氯化氢，泡沫塔是以高位槽低温水喷淋，一次（不循环）接触可得20%的盐酸。假如回收盐酸的回收率为98%，加入的水量为7910 kg。 I进料气组成：

CH2CHCl ： 25506.491 kg C2H2 : 558.458 kg HCl ： 2016.849 kg O2 ： 5.942 kg

H2O ： 5.5566 + 7910 = 7915.557kg II 出料气组成：

CH2CHCl ： 25506.491 kg C2H2 : 558.458 kg

回收的盐酸： 2016.849×98%÷20% = 9882.56 kg HCl ： 2016.849 ×（1-98%）= 40.337kg O2 ： 5.942 kg

H2O ： 7910+5.5566-9882.56×0.8 = 9.5085 kg

III 泡沫水洗塔的物料衡算:

表2.9 泡沫水洗塔的物料衡算表

进料

质量/kg

W/%

出料

质量/kg

W/%

CH2CHCl 25506.491 0.708

C2H2 558.458 0.0155

.................

2-25）（2-26）（2-27）（2-28）（ .................

HCl O2 H2O

2016.849 5.942 7915.557

36003.297

0.056 0.000165 0.22 100

HCl O2 H2O 盐酸

40.337 5.942 9.5085 9882.56 36003.297

0.00112 0.000165 0.000264 0.274 100

Σ Σ

（9）碱洗泡沫塔

CH2=CHCl CH≡CH HCl 碱洗泡沫塔 CH2=CHCl CH≡CH 图2.4 碱洗泡沫塔物料衡算简图

I进料气组成：

CH2CHCl ： 25506.491 kg C2H2 : 558.458 kg HCl ： 40.337kg O2 ： 5.942 kg H2O ： 9.5085 kg II 出料气组成：

HCl被碱液吸收，从而出料气中不含HCl气体。 CH2CHCl ： 25506.491 kg C2H2 : 558.458 kg O2 ： 5.942 kg H2O ： 9.5085 kg

III碱洗泡沫塔的物料衡算

表2.10 碱洗泡沫塔的物料衡算表

进料

质量/kg

W/%

出料 CH2CHCl C2H2

质量/kg

W/%

CH2CHCl 25506.491 0.976 C2H2 558.458 0.0214

25506.491 0.976

558.458 0.0214

.................

HCl O2 H2O

40.337 5.942 9.5085 26120.737

0.00154 0.000227 0.000364 100

HCl（除去的） 40.337 O2 5.942 H2O 9.5085

26120.737 Σ

0.00154

0.000227 0.000364 100

2.2 热量衡算

2.2.1 热量衡算式

Q1Q2Q3Q4Q5 （2-29）

Q1 : 物料带入热

Q2 : 加热剂或冷却剂带入热 Q3 : 过程热效应 Q4 : 物料带出热 Q5 : 热损失假设Q5 是Q2的5%

此衡算式中，“+”表示放热，“-”表示吸热。

设混合物的平均比热容近似等于各组分热容与质量分数乘积之和，即 CPCiWi，含量少的物质对混合体系热容的影响可忽略不计。

同种物质的平均比热容 CPCP1CP2（2-30）

CP1lnCP2

2.2.2有关物化数据表[5]

表2.11物化数据表

项目乙炔

温度/℃ 25 75

比热/kcal/（kg·℃）

0.428 0.45

.................

110 25

HCl

75 110 25

水蒸气

75 110 25

氯乙烯

75 110

盐酸（40%）

-35

0.455 0.204 0.208 0.2085 0.45 0.451 0.46 0.234 0.24 0.244 0.846 0.8327 0.868 3.214

2.2.3 相应各个设备的热量衡算（1）石墨冷却器

表2.12 石墨冷却器的物料衡算表

进料 C2H2 HCl O2 H2O

质量/kg 11169.158 16934.175 5.942 39.69

28148.965

W/% 39.679 60.159 0.000211 0.1410 100

出料 C2H2 HCl O2 H2O 盐酸

质量/kg 11169.158 16926.237 5.942 27.783 19.845 28148.965

W/% 39.679 60.131 0.000211 0.000987 0.000745 100

Σ Σ

进料温度： t1 = 25℃ 出料温度： t2 = -13℃

以进料温度t1 = 25℃为计算基准： C 乙炔=1.792 kJ/（kg·℃） C水蒸气=1.8842 kJ/（kg·℃） C氯化氢=0.8541 kJ/（kg·℃） C 氧气=0.9798 kJ/（kg·℃） C 水（l）=4.175 kJ/（kg·℃） γ水（冷凝热）= -2229.4636 kJ/（kg·℃） C 40%盐酸=3214 kJ/（kg·℃） .................

................. 计算：

Q1 : 进料温度为25℃，即Q1 =0

Q3 : Q3= Q3.1 + Q3.2 （2-31）

Q3.1 ：生成40%的盐酸时，HCl的水溶液生成的热，35430 kcal/kmol[5] 则冷却器只能中HCl溶于水放出的热量为：

148345.4×（16934.175-16926.237）÷ 36.5 = 32262.1 kJ （2-32） Q3.2 ：水液化放出的热，2435.0×（36.69-27.783）= 21688.545 kJ （2-33）

Q3 = Q3.1 + Q3.2 = 32262.1+21688.545 = 53950.645 kJ （2-34） Q4 : Q4 = Q乙炔＋Q氯化氢＋Q氧气＋Q水蒸气＋Q盐酸

= 11169.158×1.792×（-13-25）+16926.273×0.8541×（-13-25）+5.942×0.9798

×（-13-25）+1.884×27.783×（-13-25）+19.845×3214×（-13-25） = -760574.983-549355.731-221.235-1989.041-2423709.54

= -3735850.53 kJ （2-35） Q2 : 5% ×Q2=Q5

∵ Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5 （2-32）

∴ 0+ Q2+53950.645 = -3735850.53+0.05Q2 （2-36） ∴ Q2 = -3989264.4 kJ

Q5 ： Q5 = Q2×5% = -199463.22 kJ （2-37）

表2.13 石墨冷却器热量衡算表

物料 C2H2 HCl O2 H2O 冷凝热盐水吸热

入口/kJ 0 0 0 0

53950.645 -3989264.4 -3935313.755

物料 C2H2 HCl O2 H2O 盐酸损失

出口/kJ -760574.983 -549355.731 -221.235 -1989.041 -2423709.54 -199463.22 -3935313.75

（2）石墨预热器进料温度： t1 = -13℃ 出料温度： t2 = 75℃

以进料温度t1 = -13℃为计算基准： C 乙炔=1.80 kJ/（kg·℃） C 水蒸气=1.884 kJ/（kg·℃） .................

.................

C 氯化氢=0.858 kJ/（kg·℃） C 氧气=0.9798 kJ/（kg·℃） C 氯乙烯=0.8502 kJ/（kg·℃）计算：

Q1 : 进料温度为75℃，即Q1 =0 Q3 : 由反应式，

Q4 : Q4 = Q乙炔＋Q氯化氢＋Q氧气＋Q水蒸气

= 11169.158×1.8×（75+13）+16912.64×0.858×（75+13）+5.942×0.9798 ×

（75+13）+5.5566×1.884×（75+13）

= 1769194.627+1276971.971+512.334+921.24 （2-38） Q2： Q5 = Q2×5% ∵ Q1＋Q2＋Q3 = Q4＋Q5

∴ 0+ Q2+0 = 3047600.168+0.05 Q2 ∴ Q2 = 3208000 kJ Q5 ： Q5 = Q2×5% = 3208000×0.05

= 160400 kJ （2-39）

表2.14 石墨预热器热量衡算表

物料 C2H2

HCl O2 H2O

蒸汽加热

入口/kJ 0 0 0 0

3208000 3208000

物料 C2H2 HCl O2 H2O 损失

出口/kJ 1769194.627 1276971.971 512.334 921.24 160400 3208000

（3）转化器

由前面计算可知，转化器的物料核算此处的热损失为1.5%。进料温度： t1 = 75℃ 出料温度： t2 = 110℃

以进料温度t1 = 75℃为计算基准： C 乙炔= 1.884 kJ/（kg·℃） .................

.................

C 水蒸气= 1.888 kJ/（kg·℃） C 氯化氢= 0.871 kJ/（kg·℃） C 氧气= 1.005 kJ/（kg·℃） C 氯乙烯= 0.8502 kJ/（kg·℃）计算：

Q1 : 进料温度为75℃，即Q1 =0 Q3 : 由反应式，

Q3 = 124.8×429.583×103

= 53611958.4 kJ （2-40） Q4 : Q4 = Q氯乙烯+Q乙炔＋Q氯化氢＋Q氧气＋Q水蒸气

= 25506.491×0.8502×（110-75）+558.458×1.884×（110-75）+2016.849×0.871

×（110-75）+5.5566×1.888×（110-75）+5.942×1.005×（110-75）

= 758996.653+36824.721+61483.642+367.18+209.01

= 857881.206 kJ （2-41） Q2 ： Q5 = Q2×1.5%

∵ Q1＋Q2＋Q3 = Q4＋Q5

∴ 0+ Q2+53611958.4 = 857881.206+0.015 Q2 ∴ Q2 = -53557438.78 kJ Q5 ： Q5 = Q2×5%

= -53557438.78×0.015 = -803361.582 kJ

表2.15 转化器热量衡算表

物料 C2H2

HCl O2 H2O 反应热

入口/kJ 0 0 0 0

53611958.4

物料 CH2CHCl C2H2 HCl O2 H2O

出口/kJ 758996.653 36824.721 61483.642 209.01 367.180

.................

循环水

-53557438.78 54519.62

损失

-803361.582 54519.62

（4）石墨冷却器进料温度： t1 = 110℃ 出料温度： t2 = 25℃

以进料温度t1 = 110℃为计算基准： C 乙炔= 1.905 kJ kJ/（kg·℃） C 水蒸气= 1.926 kJ kJ/（kg·℃） C 氯化氢= 0.873 kJ kJ/（kg·℃） C 氧气= 1.021 kJ kJ/（kg·℃） C 氯乙烯= 0.857 kJ kJ/（kg·℃）计算：

Q1 : 进料温度为110℃，即Q1 =0 Q3 : Q3 = 0 （无反应或冷凝热产生） Q4 : Q4 = Q氯乙烯+Q乙炔＋Q氯化氢＋Q氧气＋Q水蒸气

= 25506.491×0.857×（25-110）+558.458×1.905×（25-100）+2016.849×0.873

×（25-100））+5.5566×1.926×（25-100））+5.942×1.021×（25-100））

= -1858020.357-90428.312-149660.28-909.671-515.676

= -2099534.276 kJ （2-42） Q2 ： Q5 = Q2×1.5%

∵ Q1＋Q2＋Q3 = Q4＋Q5

∴ 0+ Q2+0= -2099534.276+0.05 Q2 ∴ Q2 = -2210036.08 kJ Q5 ： Q5 = Q2×5%

= -2210036.08×0.05 = -110501.804 kJ

表2.16 石墨冷却器热量衡算表

进料 CH2CHCl

C2H2 HCl O2 H2O 循环水

入口/kJ 0 0 0 0 0

-2210036.08

物料 CH2CHCl C2H2 HCl O2 H2O 损失

出口/kJ -1858020.337 -90428.312 -149660.28 -515.676 -909.671 -110501.804

.................

-2210036.08

Σ -2210036.08

（5）冷却水消耗： I 盐水：

已知：盐水用于石墨冷却器除去水气，进料温度： t1 = -35℃ 出料温度： t2 = -20℃

40%盐水的比热容：C 盐水 = 3.214 kJ/（kg·℃） ∴ Q = mCP(t2-t1)= 39892640.4

m = 3989264.4÷(15×3.214)

= 82747.654 kJ II 循环水：在石墨预热器中，进料温度： t1 = 110℃ 出料温度： t2 = 95℃

95℃时： C水 = 4.214 kJ/（kg·℃） 110℃时：C水 = 4.238 kJ/（kg·℃） C平均 = （4.214+4.238）÷2

= 4.226 kJ/（kg·℃） Q = 3208000 kJ

∴ 需水量： m = 3208000÷（4.226×15） = 50607.351 kg ①

在转化器中，

进料温度： t1 = 95℃ 出料温度： t2 = 110℃ Q = 53557438.78 kJ

∴ 需水量： m =53557438.78÷4.226÷（110-95）

= 844887.818 kg ②

在石墨冷却器中，

进料温度： t1 = 15℃ 出料温度： t2 = 95℃ .................

2-43）2-44）

2-45）2-46）（（

（（ .................

95℃时： C水 = 4.214 kJ/（kg·℃） 15℃时： C水 = 4.187 kJ/（kg·℃） C平均 = （4.214+4.187）÷2

= 4.2 kJ/（kg·℃）（2-47）

Q = 2210036.08 kJ

∴ 需水量： m = 2210036.08÷（4.2×80）= 6577.488 kg 表2.17 水消耗综合表

物料相应设备热量/kJ 质量/kJ 盐水

石墨冷却器 3989264.4 82747.654 循石墨预热器 3208000 50607.351 环转化器 53557438.78 844887.818 水

石墨冷却器

2210036.08

6577.488

∵ 石墨预热器中的水可由转化器出来的水来提供。石墨冷却器中出来的水又可以提供给转化器 ∴ 实际用水844887.818 kg

第三章主要设备及管道管径设计与选型

3.1 转化器的设计与选型

3.1.1 已知条件[1]

此处的转化器为列管式固定床反应器。

催化剂粒度： 0.75～6.5 mm ，载体机械强度应≥90% HgCl2含量： 10.5%～12.5% 水分的含量：小于0.3% .................

2-48）

（.................

松装粒度： 540～640 g/L

空速： 25～40 m3/（m3催化剂·h）时，转化率最高。反应温度：新触媒，150℃：旧触媒，180℃ 反应压力： 0.05MPa 采用经验设计法[6]：

SVV （3-1） VRV — 原料混合气进料流量，m3 VR — 催化剂床层体积，m3 SV — 空间流速，h-1

∴ 假定空间流速SV = 30 m3/（m3催化剂·h）

表3.1 转化器的进料组分表

进料质量/kg 物质的量/kmol C2H2 11169.158 429.583 HCl 16912.64 463.36 O2 5.942 0.186 H2O

5.5566 0.309 Σ

28093.3

893.438

3.1.2数据计算

混合气的体积流量：V = 893.438×22.4 = 20013.011m3 ∴ 由①式得：VR = 20013.011÷30 = 667.1 m3

选管子： Φ57×3.5 mm

∴ 管子内径d = 0.05m ，管长6m，催化剂的装填高度为5.7m。

n 667.1∴ 管子数：

240.055.7 59636 根每个转化器用2401根管子，则转化器为59636÷2401可取为26个转化器。 .................

（3-2） 3-3）

（

.................

循环水带走的传热量53557438.78kJ，由于进出口温度变化不大，即近似为恒温。

（11095）（11075）∴ tm（3-4）

= 25 ℃

K 取经验值100.

则，A需Q53557438.78= 21422.98 ㎡（3-5） Ktm10025A实际 = 3.14ndl

= 3.14×26×2401×0.05×5.7

= 55865.027 ㎡（3-6） ∵ A实际 › A需要 ∴ 能满足要求。

选取：壳体大于400mm 用钢板卷焊而成[7]，

壳体内径D取决于传热管数n，排列方式和管心距。 D = t （nC-1）+ （2～3）d。式中： t — 管心距，t = 1.25d。 d。— 换热管外径

nC — 横过管束中心线的管数，该值与管子排列有关。

本设计采用正三角形排列，则nC = 1.1n = 1.12401 = 54 （3-7） t = 1.25d。 = 1.25×0.057

= 0.07125 m （3-8） D = t（nC-1）+2.5d。 = 0.07125×54+2.5×0.057

= 3.9185 m （3-9）圆整到4000mm

参考文献，为了满足及时转移反应放出的热量，采用把转化器换热分为三层，三层同时进行散热。 3.1.3手孔[8]

∵ 反应最高压力为1.5 atm .................

.................

∴ 选用平焊法兰手孔。

公称压力PN0.06MPa，公称直径DN250mm，H1 = 190mm 采用Ⅱ类材料，垫片的材料采用普通的石棉橡胶板。其标记为：手孔Ⅱ （A.G） 250-0.6 HG/T 21529-95 3.1.4封头的选择

根据手册[6]，选用锥形封头。

由于该设备可直接看做列管式换热器，故可直接查阅手册[8]，可得在0.6MPa下，管径为4000mm的封头厚度可取14mm。

3.2精馏塔的设计与选型[6]

由碱洗塔顶部出来的粗氯乙烯气体经排水罐部分脱水后进入机前冷却器冷却至5～10℃，除去粗VC中的大部分水分、提高了气体的密度后，经氯乙烯压缩机压缩至≤0.75MPa，送机后冷却器降温至50℃左右除去部分油水进入精馏段。

氯乙烯的精馏主要是将压缩岗位送来的氯乙烯气体在0.55～0.60MPa下，在全凝器全部液化为15℃的过冷液体，VC液体进水分离器，含有不凝气体氯乙烯气体进入尾气冷凝器，用-35℃冷冻盐水进一步分离，冷凝液体也进入水分离器，由水分离器的液体VC先送至低沸塔进行一级精馏去除乙炔和氮气、氧气等低沸物，再送至高沸塔经二级精馏除去二氯乙烷等高沸物，在塔顶可得到纯度大于99.95%的精制单体送至聚合工序。 A — 轻组分： C2H2 沸点温度： t = -83.6℃ B — 产品VC ： CH2CHCl 沸点温度： t = -13.9℃ C — 重组分： CH2ClCH2Cl 沸点温度： t = 57～60℃ 以上沸点均为常压。 I已知条件：

在精馏段以前由于二氯乙烷的含量极少，故将其视为氯乙烯一同进行各种物料和热量衡算。由于此时要精制氯乙烯故将其视为单一化合物进行计算。由前面转化器的物料衡算可知，此转化器的转化率为95%，主反应的收率为94.44%，因此得：均以小时计算二氯乙烷的摩尔质量：21.479 kmol 氯乙烯的摩尔质量： 385.413 kmol 乙炔的摩尔质量： 22.691 kmol

总的进料量： F = 21.479+385.413+22.691

= 429.583 kmol （3-10） .................

................. II 设计条件：

操作压力： 0.7MPa 进料热状况：泡点进料回流比： R = 2Rmin 单板压降： ≤0.7 kpa 板效率： 30%

原料液及塔顶、塔底产品的摩尔分率及其对应的沸点： xF = 0.05 t = 40℃ xD = 0.3 t = -5℃ xW = 0.00001 t = 50℃ III 精馏塔的物料衡算：

乙炔的摩尔质量： MA = 26 kg/kmol 氯乙烯的摩尔质量：MB = 62.5 kg/kmol 总物料衡算： 429.583=D+W

乙炔物料衡算：429.583×0.05=0.3D+0.00001W （3-11）

联立解得：

D = 71.597 kmol/h W = 357.986 kmol/h IV 塔板数的计算[7]： ① 理论板数NT的求取采用图解法求理论板数：

由《聚氯乙烯工艺学》查得乙炔—氯乙烯的气液平衡数据，绘出x—y图。 ② 求最小回流比及操作回流比

采用作图法求最小回流比。在x—y图中的对角点上，自点e（0.05,0.05）作垂线ef即为进料线（q线），该线与平衡线的交点坐标为 yQ = 0.2 xq = 0.05 故最小回流比为：

Rmin.................

xDyqyqxq0.30.20.670.20.05（3-12）

................. 取操作回流比为：

R = 2Rmin

= 1.34 （3-13） 3.2.1求精馏塔的气、液相负荷 L = RD

= 1.34×71.597

= 95.94 kmol/h V = (R+1)D

= (1.34+1)×71.597

= 167.54 kmol/h L` = L+F = 95.94+429.583

= 525.52 kmol/h V` = V = 167.54 kmol/h 3.2.2 求操作线方程精馏段操作线方程为：

yLVxDVxD95.94167.54x71.597167.540.30.57x0.128 提馏段操作线方程为：

y`L`V`x`WV`xW525.52357.167.54x986525.520.000013.137x`6.8106 图解法求理论板数

采用图解法求理论板数，求解结果为：精馏段板数=1.7 块提馏段板数=5块 .................

3-14） 3-15）

3-16） 3-17） 3-18）（（（（（ .................

由于乙炔与氯乙烯属于非同类化合物，与理想溶液的拉乌尔定律有较大误差，故取板效率为30%，即

精馏段实际板数=1.7/0.3=5.667≈6 块提馏段实际板数=5/0.3=16.67≈17块即第6块板为进料板。 3.2.3塔径的计算[8] I已知条件

操作压力： 0.7MPa

操作温度：塔顶温度：进料板温度： tF = 40 ℃ 精馏段平均温度： tm = （40-5）/2 = 17.5 ℃ II平均摩尔质量

塔顶平均摩尔质量的计算： MVD = 0.3×26+（1-0.3）×62.5

= 51.55 kg/mol 进料板平均摩尔质量的计算： MVF ≈ 62.5 kg/mol ∴ 精馏段的平均摩尔质量： MVm = （51.55+62.5）/2

= 57 kg/mol 取 MVm≈MLm III平均密度

气相平均密度的计算：由理想气体状态方程计算，即

PMVmVmRTm700578.314(17.5273.15)16.51kg/m3 液相平均密度的计算： .................

tD = -5 ℃ （3-19） 3-20）（3-21）

（ .................

液相平均密度依下式计算，即

1/Lmai/i

（3-22）

塔顶液相平均密度的计算：由tD = -5℃，由手册[6]查得：

A470kg/m3B948kg/m3（3-23）

3LDm10.3/4700.7/948726.38kg/m

进料板液相平均密度计算由tF = 40℃，由手册查得：

A230kg/m3B890kg/m3

此处由于aB教大，故可近似为LFm890kg/m3精馏段液相平均密度为：

Lm（890726.38）/2808.19kg/m3 IV.液体表面张力的计算：

液相平均表面张力可依下式计算，即

Lmxii

由手册查得，液相平均表面张力近似为2.567 mN/m V塔径的计算：

精馏段的气、液相体积流率为：

VVmSVM3600Vm167.5457360016.510.161m3/s

LLMLmS3600Lm95.94573600808.190.00188m3/s

.................

3-24） 3-25）

3-26）

3-27）

（（（（.................

由umaxCLV （3-28） V式中C由手册查图得，图的横坐标为:

LhL1/2()VnV0.0001883600808.191/2()（3-29）

0.161360016.510.082 取板间距HT=0.4m,板上液层高度hL=0.06m 则，HT-hL=0.4-0.06=0.34m 再由图得C20=0.068

CCL0.220(20)0.0682.5670.2200.0451u808.19-16.51max0.045116.510.312m/s 取安全系数为0.7，则空塔气速为 u=0.7umax

= 0.7×0。312 = 0.218 m/s

D4VSu40.1610.2180.97m 按标准塔径圆整后为D = 1.0m 塔截面积为：

AT4D24120.785m2 .................

3-30）

3-31） 3-32）

3-33）

（

（（

（................. 实际空塔气速：

u0.161（3-34） 0.205m/s0.785

3.2.4精馏塔有效高度的计算精馏段有效高度为：

Z精（N精-1）HT（6-1）0.45m

提留段有效高度为：

Z提（N提-1）HT（17-1）0.412.4m

在进料板上方开一人孔，其高度为0.6m 故精馏塔的有效高度为：

ZZ精Z提0.6512.40.618m

3.2.5管径的计算

二氯乙烷的摩尔质量：MA99kg/kmol 氯乙烯：MB62.5kg/kmol 乙炔：MC26kg/kmol

二氯乙烷的密度：A1235kg/m3 氯乙烯的密度：B1380kg/m3 乙炔的密度：C620kg/m3 （1）进料管径的计算

摩尔分率：二氯乙烷 0.045 氯乙烯 0.897 乙炔 0.058

所以M0.0459962.50.8970.0582662.03kg/kmol 12350.04513800.8976200.0581329.4kg/m 所以 q429.58362.03v,v1329.436005.57103m3/s 取u1.6m/s .................

（3-35）

（3-36）

（3-37）

（3-38）

（3-39）

（3-40）

.................

45.57103（3-41） 67mm3.141.6

所以D所以选用733mm的无缝钢管，其内径为D67mm

45.571031.58m/s重新核算流速：u（3-42）

3.14(0.067)2

（2）塔顶蒸汽管径

摩尔分率：乙炔 0.3 氯乙烯 0.7

所以 M62.50.70.32651.55kg/kmol 1.2932.150.71.2930.910.32.30kg/m3 所以q167.5451.55v,v2.3036001.04m3/s 取u25m/s

所以D41.043.1425230mm 所以选用2453mm的无缝钢管，其内径为D239mm

重新核算流速：u41.043.14(0.239)223.2m/s （3）回流管径

经计算得： q71.59762.5v,v0.910313803600m3/s 取u2m/s

所以 D40.91033.14224mm 所以选取323mm的无缝钢管，其内径为D26mm

重新核算流速：u40.91033.14(0.026)21.7m/s （4）塔釜出口管径

氯乙烯的摩尔分率：0.749 二氯乙烷的摩尔分率：0.251 .................

（3-43）

（3-44）

（3-45）

（3-46）（3-47）

（3-48）

（3-49）（3-50）

.................

所以M62.50.7490.2519971.66kg/kmol （3-51）

13800.74812350.2511343.6kg/m3 （3-52）

所以qv,v取u1.8m/s

所以D45.3103（3-54） 61mm3.141.8

357.98671.665.3103m3/s（3-53）

1343.63600

所以选取683mm的无缝钢管，其内径为D62mm

45.31031.76m/s重新核算流速：u（3-55） 23.14(0.062)

3.3 主要管道管径的计算与选型

根据书册[9]，采用最经济管径的选择：

管道投资费用与克服管道阻力所消耗的动力费用有关，管径越大，管道的投资越大，但动力消耗可以降低；管径小，管道的投资降低，但动力消耗增加，因此，选择管径时，应将管道投资费用与动力消耗（即生产费用）同时考虑，并使二者费用之和最低，对于长距离管道或大直径管道应根据最经济管径选择；对于较小直径的管道，往往根据经验决定也可用计算式，近似地估算经济管径。

其计算式为：

D最佳282G0.520.37 （3-56）

D最佳——最经济管径，mm

G—流量，kg/s

—密度，kg/m3

MP273（3-57） 22.4TT

P—压力，atm 3.3.1 HCl进料管

M平均 =

Mxi

= 99.95%×36.5+0.01%×18+0.04%×32 .................

.................

= 36.482+0.00018+0.0128

= 36.50 g/mol （3-58）

36.5127.31.493kg/m322.41298 （3-59）

16934.175G4.704kg/s3600

D最佳282G0.520.37 2824.7040.521.4930.37（3-60） 543.779

圆整到544mm 查文献，选型：

选用Φ600×6，材料：1Cr18Ni9Ti的无缝钢管。 3.3.2 乙炔气进料管

M乙炔99.5%260.0051826g/mol2612731.06kg/m322.41298

11169.158G3.103kg/s3600D最佳2823.1030.521.0630.37496.77mm（3-61）

圆整到497mm 查文献，选型：

选用Φ500×5mm，材料1Cr18Ni9Ti的无缝钢管。 3.3.3 石墨冷却器的进料管

M平均0.396792636.50.60159320.00000211180.00141031.9g/mol31.912731.327kg/m322.41298

28148.965G7.819kg/s3600D最佳2827.8190.521.3270.37740.39mm

（3-62）

圆整到741mm。查文献，选型：

选用Φ800×6mm，材料16Mn的无缝钢管。 .................

.................

3.3.4 多筒过滤器的进料管

M平均0.397072636.50.60173320.000211%180.000988%32.29g/mol32.2912731.514kg/m322.41260

28129.12G7.814kg/s3600D最佳2827.8140.521.5140.37704.82mm

（3-63）

圆整到705mm。查文献，选型：

选用Φ750×6mm，材料：1Cr18Ni9Ti的无缝钢管 3.3.5转化器的进料管

M平均0.397572636.50.60202320.000212%180.000198%32.31g/mol32.2912731.132kg/m322.4139828093.3/13G0.6kg/s3600D最佳2820.60.521.1320.37206.5mm（3-64）

圆整到207mm。查文献，选型：

选用Φ250×3.5mm，材料：1Cr18Ni9Ti的无缝钢管 3.3.6 转化器的出料管

M平均0.0199%2636.57.179%320.000212%180.000198%59.371g/mol59.37112731.889kg/m322.41383

28093.3/13G0.6kg/s3600D最佳2820.60.521.8890.37170.88mm

（3-65）

圆整到171mm。

查文献，选型：

选用Φ200×3.5mm，材料：1Cr18Ni9Ti的无缝钢管

.................

3.3.7 石墨冷却器进料管

M平均59.371g/mol59.37112731.889kg/m322.41383

28093.3G7.804kg/s3600D最佳2827.8040.521.8890.37648.7mm（3-66）

圆整到650mm

选用Φ650×6mm，材料：1Cr18Ni9Ti的无缝钢管 3.3.8部分管道一览表

表3.2 部分管道一览表

管道名称氯化氢进料管乙炔进料管石墨冷却器的进料管道多筒过滤器的进料管道

转化器进料管转化器出料管石墨冷却器进口管

管径mm Φ600×6 Φ500×5 Φ800×6 Φ750×6 Φ250×3.5 Φ200×3.5 Φ650×6

材料

1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti

16Mn

1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti

第四章生产中的注意事项及废水处理

4.1生产中常见物质的危害及处理方法[10]

4.1.1相应各物质危害及处理

(1)乙炔属微毒类化合物，具有轻微的麻醉作用。车间空气中最高允许浓度／1500毫克／米3，大量吸入乙炔后应及时呼吸新鲜空气，反应较严重的患者应采取人工呼吸或输氧治疗。

(2)氢氧化钠对皮肤有腐蚀和刺激作用，高浓度碱液引起皮肤及眼睛等灼伤或溃烂。操作或检修时必须戴涂胶手套、防护眼镜或面罩，如溅入皮肤或眼睛，应立即用大量冷水反复冲洗，或用硼酸水(期)或稀醋酸(2％)中和，必要时再凃软膏。 .................

.................

(3)氯化氢和盐酸对人体、眼和呼吸道粘膜等具有强烈的刺激作用。长期接触可造成慢性支气管炎、胃肠道功能障碍和牙齿损害。氯化氢极易溶于水而成盐酸，即腐蚀皮肤和织物，较长时间接触会引起严重溃烂。车间操作空气中，氯化氢的最高允许浓度为15毫克／米3。操作人员应备有防毒面具、防护照拽、橡胶鞋及橡胶手套。在吸入大量氯化氢时，应立即将患者移至新鲜空气货必要时进行输氧。皮肤或眼角沾上盐酸时，应立即用温水冲洗。

(4)氯乙烯通常由呼吸道吸入人体内，较高浓度能引起急性轻度中毒，呈现麻醉前期症状．有晕眩、头痛、恶心、胸闷、步态蹒跚和丧失定向能力，严重中毒时可致昏迷。慢性毒主要为肝脏损害、神经衰弱症候群、胃肠道及肢端溶骨症等综合症。车间操作区空气中最高允许浓度为30毫米／米3，而人体凭嗅觉发现(嗅觉阀)氯乙烯的浓度为1290毫克／米3，比标准高出40多倍，因此凭嗅觉检查是极不可靠的。急性中毒时，应立即移离现场，使呼吸新鲜空气，必要时施以人工呼吸或输氧。当皮肤或眼睛受到液体氯乙烯污染时，应尽快用大量水冲洗。

(5)升汞通常呈升华蒸气状态经呼吸道吸入人体，能引起口腔发炎、齿龈糜烂红肿、牙根松弛，又能作用于中枢神经系统，引起肌肉和眼球震颤、胆怯、多疑、记忆减退和失眠等。车间操作区空气中最高允许浓度为0.1毫克／米3。由于升汞对人体皮肤、衣服和建筑等均有吸附作用，因此接触升汞操作后(特别在饭前)，应勤洗手、洗澡，操作区经常用水冲洗汞等污染物，以减少二次污染。 4.1.2 对VC泄露的综合治理

各国制定了有关VC在空气中的允许浓度标准：

表5.1 各国有关VC在空气中的允许浓度标准表

国家允许浓度

（ppm）

美国 1

日本 2±0.4

西德意大利法国荷兰加拿大中国 5

11.7

近年来，各生产厂家与科研单位为治理VC污染改善环境做了大量的工作，取得了一定的成绩，采取了许多行之有效的方法，主要有：

减轻粘釜，延长清釜周期；

高压水清釜：聚合釜密闭入料，聚合釜开盖前加水排气回收氯乙烯；沉析槽密闭回收VC；尾气回收，残液回收VC。

.................

4.2 废水的处理[11]

氯乙烯及其聚合过程中徘放的废水经过汽提、中和等方法处理后，pH值达到中性，但是其中的固体杂质和微量有机毒物未达到国家规定的排放际准。为了保护水源的清洁和生态环境的平衡，必须进一步处理，符合排放标准才允许排入江河之中。 4.2.1 废水排放标准

表5.2 废水排放标准表项目 pH CODCr SS NH3-N

指标 6～9 ≦100 mg/L ≦25 mg/L ≦15 mg/L

PH值，指水的酸碱度，一般要求为中性。

COD——化学耗气量，是指用强氧化剂对废水中有机物质进行化学氧化时所消耗氧的含量。

由于废水中有机物质的含量与氧化的所消耗的氧量成正比，所以用COD表示废水中有机物质的含量。

CODCr中的Cr表示用重铬酸作氧化剂。由于COD能在短时间内测得数据，所以用于指导生产比用BOD简便。

SS——悬浮固体，是指属于不溶解的，可以被过滤器截留的团体物质。

NH3—N-氨氮，氨氮浓度是使水体黑臭最重要的指标之一，也是废水净化度的重要指标。氨氮浓度愈低愈好。 4.2.2 废水的处理方法

废水处理方法是根据废水的流量、水质、受纳水体的自净能力而选定的,按其作用原理

一部分为三大类：物理处理法、物理化学处理法、生物处理法。校其处理程度又可分为：一级处理、二级处理、三级处理、深度处理四类。一船物理、化学处理法称为一级处理，生物处理法称为二级处理。 ⑴ 物理处理法

物理处理法包括：过滤法、重力分离法、吸附法、溶剂萃取法、吹脱法、汽提法等。主要用于去除废水中的无机溶解物质和悬浮固体。其中汽提法则是将废水中含有的挥发性物质通过水蒸气加热的办法，使其自液相解吸提取出来。 .................

.................

⑵ 物理化学处理法

物理化学处理法包括：中和法、混凝沉淀法、氧化还原法、氧化法、焚烧法等。主通用

于去除废水中的胶体颗粒及有机物质。其中焚烧法是在高温下用空气中的氧气氧化废水中的有机物质使其转化成C02和无机盐的有效方法。 ⑶ 生物处理法

生物处理法是利用生物的生命活动过程，对废水中的有机毒物进行分解转移和转化，使废水获得净化的方法。主要用于处理含有微量有机毒物的废水，作为二级废水处理手段。称生化处理。 4.2.3其他三废的处理

在PVC生产红。还有混合冷冻的废盐酸，采用成熟的回收工艺，设备齐全，回收的废盐酸可以装罐出售。

第五章安全生产防火技术

5.1 厂区安全生产特点

氯乙烯的安全生产特点是由生产中所采用的原料路线或生产方法及所使用的原料、中间物的物化所决定的。从事合成工段的人员应该掌握本工段安全生产特点和有关安全技术知识，了解原材料的特性、在生产中严格贯彻执行安全技术规程，遵守各项安全生产制度是保障工厂安全运行，保障工人身体健康的十分重要的条件。

随着生产规模的扩大和原料路线的变化，大型氯乙烯厂安全生产具有以下特点[9]： ⑴ 生产过程的高度连续性；

⑵ 生产中接触大量易燃、易爆、有害物质；

⑶ 设备和管道要求采用耐腐蚀，耐高温或耐低温的特殊材料； .................

.................

⑷ 化工管道和电路仪表线路错综复杂，部分电器设备在高压下进行。

5.2乙烯合成的安全技术

火灾爆炸危险是由生产过程中原料、中间物料易燃易爆的特性决定的。为确保生产装置的安全运行，采用科学严格的防火防爆是氯乙烯合成安全技术的重要内容。原料及中间提的闪点、自燃点、爆炸范围

[12]

表6.1 原料及中间提的闪点、自燃点、爆炸范围

名称 CH≡CH

闪点小于-50℃

自燃点空气中305℃ 氧气中296℃

1.5～100% 3.8～29.3% 2.5～93% 爆炸范围

其他特性

点火能最小为0.019毫焦爆，延时间为2.7s

VC -78℃ 415℃

闪点——指危险品与空气混合无在接近火源或因大量外泄时引起的内燃（即燃烧不变不蔓延并立即熄灭）时的最低温度，是确定化合物火灾危险性的重要指标。

自燃点——指危险品未与火源（火或火星）接触而着火的温度。

爆炸延滞时间——指气体混合物刚点燃时，初压升高到最高爆炸压力的时间，如果设备、管道能在时间内放空泄压，则可防止爆炸。

5.3乙炔爆炸

5.3.1 氧化爆炸[13]

乙炔与空气或氧气混合达到一定的容积比，遇到火或静火花产生爆炸，其化学反应方程为：

2CHCH+5O24CO2+2H2O+Q

（5-1）

Q：在常压下1m3乙炔约为58157.6kJ 1kg乙炔约为50172kJ

氧化爆炸产生的最大爆炸压力约为起始压力的11～13倍。 5.3.2 分解爆炸

乙炔的解爆炸主要取决于它的瞬间压力和温度，当温度超过200～300 ℃ 时，乙炔就开始分解，同时放热。在通常情况下，乙炔压力超过1.5atm，温度超过300 ℃，即可引起分解爆炸

.................

5.3.3 乙炔的化合爆炸

乙炔与铜、银等金属长期接触，能生成Cu2C2和Ag2C2等易爆炸物质，当它们加热到110～120 ℃时，或受到撞击回产生爆炸，另外，乙烯与氯接触易产生不稳定的氯乙炔（CH=CCl）引起爆炸，爆炸产物是HCl和C。

5.4 氯乙烯的燃烧性能

VC与空气形成的混合物范围为3.8～29.3%即为爆炸范围，充入N2或CO2可缩小爆炸为

表6.2 氯乙烯的燃烧性能表

VC 空气混合物爆炸范围

充入N2 20%

4.2～171

充入N2 40%

4.7～8.2

充入CO2 20%

4.5～11.8

充入CO2 40% 5～4.82

VC与乙炔两种易燃易爆气体混合物的爆炸范围，随混合比（VC：C2H2）的缩小而扩大。

5.5 安全措施

合成工段属于甲级防爆单位。为了防止VC和C2H2等气体、液体在设备管道中高速流动摩擦产生静电积蓄而起火爆炸的可能，一般液体的流速不超过4～5m/s，气体流速不超过10～15m/s（干燥乙炔目前以10m/s为限度）同时所有设备管道应设有消除静电设备，以使静电较快的导至地下。

由于各工序都有可燃性气体向空中排放，故在房顶均应设置防雷装置，各易燃气体放空管上应安装阻火器，以防止雷击起火倒抽入设备。

加强岗位操作安全责任感，生产实践证明，操作不当，巡回检查不及时，或误操作均回造成重大事故。

5.6氯乙烯生产中发生过的典型事故[14]

国内外氯乙烯生产装置中发生过的典型事故列举如下： ① 氯化氢含游离氯造成混合脱水系统爆炸

1975年4月12日某厂和1976年8月7日某厂，出于氯化氢合成炉的原料氢气和氯气压力波动，使氯化氢含有较高的游离氯，引起混合脱水系统的混合器等设备爆炸，造成紧急停车。

1972年10月9口及1976年2月9门，某厂因氯化氢含游离氯高，在混合器中与乙炔混合后，即激烈反应，引起石墨冷凝器爆炸而紧急停车。其中第二次事故，系出于油漆工不慎碰到输氢机按钮造成忽然停氢，影响氯化氢合成的氯气与氢气配比，瞬时间氯化氢中游离氯骤增，最后波及氯乙烯系统的爆炸事故。 .................

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② 未冷却的焊接件遇氯乙烯燃烧

1962年4月，某厂转化器因扩建而临时停车，拆出口总管盲板时，因转化器停车温度下降产生负压，将盲板橡皮床吸入管道内，一时无法取出，即焊接一根长钩插入总管内，又因焊接处未冷却遇管内氯乙烯气体，立即引起着火。后来及时从转化器上盖充入氮气排出乙炔和氯乙烯才将火馅扑火，末造成更大事故。 ③ 疏通堵塞的阀门时，氯乙烯喷出因静电着火

美国某厂，为清理堵塞的氯乙烯碱洗塔阀门，当松开塔顶盖螺栓，采用蒸汽加热阀门后，因原活塞的阀门突然疏通，氛乙烯和碱从该阀门喷入塔中，并自顶盖喷出。出于高流速产生静电而着火，造成在场工人一名烧死的事故。 ④ 氯乙烯回收系统中过氧化物积聚引起爆炸

1971年美国某厂，在清理未聚合的氯乙烯回收系统的过滤器、泵和管道时，于泵出口处发生了爆炸，使一人严重骨折。经研究发现回收系统中存在筑乙烯过氧化物，在干燥状态无单体或水时，在常温下即易于发生自加速分解作用，变为一氧化碳、氯化氢和甲醛，已证实氯乙烯过氧化物的生成是与引发剂残留基团、氧、乙醛、乙炔、氯化铁、盐酸等物质的存在分不开的。

1978年l 2月29日，西德某厂也发生了一次同样的强烈爆炸，使回收装置全部烧毁。 ⑤ 非防爆排风扇遇氯乙烯而着火

1960年6月，某厂大检修时，在氯乙烯气柜胶水清理时，为减少气柜内挥发的氯乙烯气味，用不防煤的排风扇吹散，刚启动风扇就因电火花引起氯乙烯着火，当场将一名工人面部烧伤。

⑥ 操作工睡岗使气柜抽瘪

1970年6月16日，某厂氯乙烯压缩机操作工睡岗，使300米气柜严重抽瘪，造成停车检修。

⑦ 氯乙烯压缩机开车时忘关放空阀，造成机房爆炸

1971年日本某厂，氯乙烯装置压缩机紧急停车处理，因重新开车时忘记关闭压缩机上放空阀，致使气体大量泄漏入压缩机室，引起厂房爆炸，造成9人受伤和3人死亡的惨重事故。

⑧ 疏通常压精馏尾气冷凝器给水时，因管间未排净的液氨蒸发而压力剧增，使机壳爆炸

1960年6月13月，某厂用蒸汽处理尾气冷凝器结冰堵塞，因该厂精馏系统为常压操.................

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作，尾气冷凝器管间系由液氨直接蒸发制冷，停车处理时操作工未与冷冻站联系，以将管间剩余的液氨抽净，而错误地关闭氨进出口阀门。当蒸汽由尾气出口处通入时，即引起管间液氨急骤蒸发，压力灾然上升而造成外壳爆炸，致使两人受伤和一人死亡。 ⑨ 液体氯乙烯贮槽裂损，造成氯乙烯爆炸着火

1980年2月，某厂新装氯乙烯贮槽时，未按液化气体受压容器的设计规范要求，而错误地选择旧设备代用。因壁厚及焊缝结构不符合规范要求，电器设备又未按防爆等级安装，投入运转中因人孔处开裂而喷出氯乙烯，而造成爆炸着火的重大事故。

1981年12月3日，莱厂氯乙烯贮槽(内存有单体20吨)的底部接管裂损，造成氯乙烯喷出着火事故。当时由于处理比较正确而未将事故扩大，如，将贮槽与其它相连的阀门关闭；及时扑灭滋出的液体氯乙烯燃烧体(而接管裂口处的火焰不予扑灭)；集中水源，以2.6升／秒的高水量对贮槽进行喷淋冷却降温，以防过热而发生本体爆炸等。经过5个多小时的抢救，终于将火扑灭，该贮槽内向剩余6吨多单体，邻近的贮槽和装置也未受到影响。 ⑩ 拧断液体氯乙烯阀门，造成全装置爆炸着火的严重事故

1973年10月28日(星期日)，日本某厂2．7万吨／年的氯乙烯装置．为清理粗氯乙烯过滤器，操作工将其进出口阀门(系铸铁阀，宜用铸钢阀)关闭后，打开过滤器盖子时，发现进口阀泄漏氯乙烯。当时误认为该阀门未关紧(实际是阀座被单体酸性腐蚀引起，而又错误地用半米长的F扳手使劲地关阀门，致使阀上支承筋拧断，贮槽中4吨单体借压力在1～2分钟内由此阀处喷出，汽化成1500米3的氯乙烯气化弥漫在一千多米2的厂区，形成离地面0.2～1.5米高的白雾。15分钟后，由于邻近触媒制备装置的冷冻机自控继电器仍在动作，产生电火花而引起第一次爆炸，产生了一个数十米高的火拄。爆炸的冲击波严重损坏了附近的设备、气柜及管道，造成更大量的可燃易燃气体泄漏，助长了火势，终于酿成一场重大的爆炸火灾事故。这次事故是聚氯乙烯工业化以来的重大事故之一，其损失是惊人的：死1人，伤23人；出动消防车70多辆，烧毁建筑物七千多米2(二千多米内的门窗玻璃全部震毁)；损坏设备一千多台；烧掉氯乙烯等物料近二百吨；因燃烧而产生的氯化氢造成农作物受害面积达十六万米”．

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结论

本设计根据设计任务的要求，广泛收集了聚氯乙烯（(Polyvinyl Chloride，简称PVC）、氯乙烯（vinyl Chloride;简称VC）工艺化工设计的相关资料作为设计依据。对PVC的性质和国内外发展状况进行了介绍，并着重对VC工艺发展状况、工艺选择、性质、工艺流程及合成原理，相关的物料性质、物料衡算、设备选型、管道设计作了较为详细的阐述，以理论设计为主，参考了大量资料和书籍，力求接近实际、切合实际。主要对氯乙烯的物性、用途及国内外生产消费现状进行分析，对其现有各种生产工艺做简要介绍，根据设计任务要求确定了本生产工艺流程，对氯乙烯的生产、分离及提纯阶段精馏塔进行详细计算，并根据物性及操作条件等综合因素对塔设备结构进行计算、设计、选型，对辅助设备进行相应的设计计算。 .................

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在本次毕业设计过程中，我受益匪浅：一方面我所学的专业知识得到了巩固和加强，使我的知识理性上升到理论与实践结合，并且应用到现实生活中，做到学以致用；另一方面培养了自己的创新意识，提高了自己分析问题和解决问题的能力，培养了自己团队合作精神，这些对我以后的工作都会将会有很大的帮助。

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参考文献

[1]邴涓林，黄志明．聚氯乙烯工艺技术[M]．北京：化学工业出版社,2008，1-18,54-70.

[2]王书芳．氯碱化工生产工艺：聚氯乙烯及有机氟分册[M]．北京: 化学工业出版

社,1995,1-3,50-64,165-167,174-175． [3]李瑞棉．泡沫水洗塔的设计和实际应用[J].1-4．

[4]北京石油化工工程公司．氯碱工业理化常数手册[M]．1998,206-207．

[5]中国石化集团公司上海工程有限公司．化工工艺设计手册[M]．北京:化学工业出版社,2003,402-403． [7]严福英.聚氯乙烯工艺学[M]．天津:天津大学出版社,1990,101-159．

[7]贾绍义 ,柴诚敬.化工原理课程设计[M]．天津:天津大学出版社,1995,101-159．

[8]刁玉玮,王立业．化工设备机械基础[M]．大连:大连理工大学出版社,2006,103-119,188-193． [9]傅启名．化工设计[M]．北京:中国科学技术出版社,1995,83-90． [10]郑石子．聚氯乙烯生产问答[M]．化学工业出版社,1986．

[11]天津大学物理化学教研室编.物理化学第五版[M].高等教育出版社，2009.5 [12]黄璐王保国.化工设计[M]．化学工业出版社,2001.2

[13]刘岭梅.氧氯化法制氯乙烯技术进展与研究动向[M]．中国氯碱第一期，2000.1 [14]梁晓东.氯乙烯生产过程中优化控制研究[M].大连理工大学，2007.12

[15]李玉芳，伍小明.氯乙烯生产技术的研究开发进展[J].江苏氯碱第三期，2010.6

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附录

附录A：工艺流程图附录B：主要设备图

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