年产5万吨PVC的氯乙烯合成工段的工艺设计

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）

年产5万吨聚氯乙烯的氯乙烯合成工段工艺初步设计

姓名： 指导教师：

摘要：本设计是年产5万吨聚氯乙烯的氯乙烯合成工段的初步工艺设计，本设计根据株洲化工集团现场实习有关资料及有关文献，完成物料衡算、热量衡算。此设计配有说明书一份、图纸三份。

说明书内容：1．PVC和VC的发展及发展趋势。2．合成工段的生产原理、流程。3．物料衡算、热量衡算。4．主要设备的设计和选型．5．管道的设计及选型。6．三废处理安全与防火技术。

三副图纸：1．带控制点的物料流程图。2．车间平面布置图。3．主要设备的装配图。 关键词：合成、PVC、VC、工艺、设计。

目录

前言 1 绪论 ............................................................................................................................................................... 3 1.1 聚氯乙烯(PVC) ......................................................................................................................................... 3 1.1.1 聚氯乙烯工业的发展概况 ..................................................................................................................... 3 1.1.2 聚氯乙烯工业在国民经济中的作用 ..................................................................................................... 4 1.1.3 聚氯乙烯系列聚合物的性质 ................................................................................................................. 4 1.1.4 聚氯乙烯制品的开发与应用技术 ....................................................................................................... 5 1.1.5 聚氯乙烯合成方法 ................................................................................................................................. 6 1.2 氯乙烯（VC） ........................................................................................................................................ 10 1.2.1 氯乙烯的合成 ....................................................................................................................................... 10 1.2.2 生产工艺流程简述 ............................................................................................................................... 13 1.2.3 主要工艺参数 ....................................................................................................................................... 14 1.2.4 主要原料和产物的物化性质 ............................................................................................................... 15 2 工艺计算 ..................................................................................................................................................... 16 2.1 物料衡算 .................................................................................................................................................. 16 2.1.1 计算依据 ............................................................................................................................................... 16 2.1.2 计算 ....................................................................................................................................................... 17 2.2 热量衡算 .................................................................................................................................................. 24 2.2.1 衡算方法 ............................................................................................................................................... 24 2.2.2 标况下有关物化数据表 ....................................................................................................................... 25 2.2.3 计算 ....................................................................................................................................................... 25 3 主要设备的设计与选型 ............................................................................................................................. 32 3.1 石墨冷却器的选型 .................................................................................................................................. 32 3.1.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 32 3.1.2 计算两流体的平均温度差 ................................................................................................................... 32 3.2 石墨预热器的选型 .................................................................................................................................. 33 3.2.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 33

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3.2.2 计算两流体的平均温度差 ................................................................................................................... 33 3.3 石墨冷却器Ⅱ的选型 .............................................................................................................................. 34 3.3.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 34 3.3.2 计算两流体的平均温度差 ................................................................................................................... 34 3.4 转化器的设计 .......................................................................................................................................... 35 3.4.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 35 3.4.2 计算 ....................................................................................................................................................... 35 3.4.3 手孔 ....................................................................................................................................................... 37 3.5 泡沫水洗塔的设计 .................................................................................................................................. 37 3.5.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 37 3.5.2 塔径的计算 ........................................................................................................................................... 37 3.5.3 孔的布置 ............................................................................................................................................... 38 3.5.4 塔板的压降 ........................................................................................................................................... 38 3.5.5 稳定性 ................................................................................................................................................... 39 3.5.6 液泛 ....................................................................................................................................................... 39 3.5.7 物沫夹带 ............................................................................................................................................... 40 3.6 主要设备一览表 ...................................................................................................................................... 40 4 主要管道管径计算和选型 ......................................................................................................................... 41 4.1 HCl进料管 ............................................................................................................................................... 41 4.2 乙炔气进料管 .......................................................................................................................................... 41 4.3 石墨冷却器的进料管 .............................................................................................................................. 42 4.4 多筒过滤器进料管 .................................................................................................................................. 42 4.5 转化器进料管 .......................................................................................................................................... 42 4.6 转化器出料管 .......................................................................................................................................... 43 4.7 石墨冷却器进口管 .................................................................................................................................. 43 4.8 40%盐水进料管..................................................................................................................................... 44 4.9 循环水管 .................................................................................................................................................. 44 4.9.1 石墨预热器 ........................................................................................................................................... 44 4.9.2 转化器 ................................................................................................................................................... 44 4.9.3 石墨冷却器 ........................................................................................................................................... 44 4.10 总进水管 ................................................................................................................................................ 45 4.11 部分管道一览表 .................................................................................................................................... 45 5 合成工段中三废的产生及处理 ................................................................................................................. 45 5.1 氯化汞触媒的产生中毒机理及处理 ...................................................................................................... 45 5.1.1 氯化汞触媒的产生 ............................................................................................................................... 45 5.2 尾排氯乙烯外逸的产生中毒机理及处理 .............................................................................................. 46 5.2.1 尾排氯乙烯外逸的产生 ....................................................................................................................... 46 5.2.2 中毒机理 ............................................................................................................................................... 46 5.3 废水的处理 .............................................................................................................................................. 47 5.3.1 废水排放标准 ....................................................................................................................................... 47 5.3.2 废水的处理方法 ................................................................................................................................... 47 5.4其他三废的处理 ....................................................................................................................................... 48 6 安全生产防火技术 ..................................................................................................................................... 48

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6.1 厂区安全生产特点 .................................................................................................................................. 48 6.2 乙烯合成的安全技术 .............................................................................................................................. 48 6.2.1 原料及中间提的闪点、自燃点、爆炸范围 ....................................................................................... 48 6.3乙炔爆炸 ................................................................................................................................................... 49 6.3.1 氧化爆炸 ............................................................................................................................................... 49 6.3.2 分解爆炸 ............................................................................................................................................... 49 6.3.3 乙炔的化合爆炸 ................................................................................................................................... 49 6.4 氯乙烯的燃烧性能 .................................................................................................................................. 49 6.5 安全措施 .................................................................................................................................................. 49 结论 ................................................................................................................................................................. 50 参考文献 ......................................................................................................................................................... 50 致谢 ................................................................................................................................. 错误！未定义书签。

前言

本设计是根据设计任务书的要求，对年产5万吨聚氯乙烯的氯乙烯合成工段进行初步设计，广泛收集了PVC工艺和化工设计的相关资料作为设计的理论依据。

本设计对PVC的工艺发展状况、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。

在此次设计中，自始至终都得到了曾文南老师的悉心指导和同学们的热心帮助，在此表示衷心的感谢。

由于水平有限，设计经验不足，设计汇总难免存在纰漏和不足之处，敬请各位老师和同学批评指正。谢谢！

1 绪论

1.1 聚氯乙烯(PVC)

1.1.1 聚氯乙烯工业的发展概况[1]

20世纪的30年代50年代是塑料工业迅速发展的时期。在此期间有许多合成塑料如聚氯乙烯、聚苯乙烯等形成工业化。

自1835年法国化学家V.Regnault首先发现了氯乙烯，于1838年他又观察到聚合体，这就是最早的聚氯乙烯。1872年包曼(Baumann)报导了氯乙烯的制备，并观察到在强烈阳光照射后，氯乙烯逐渐变成一种无定形的白色固体物。经历数十年直到1910年德国与美国研究了氯乙烯在紫外线和过氧化物存在下的聚合反应。1910年，Ostromislensky在进行氯乙烯研究时，也获得氯乙烯聚合物，称之为Cauprene chloride。1920年，德国研究聚氯乙烯已相当活跃，这时美国联碳化学公司与杜邦公司对氯乙烯聚合物的制备发表了专利。这标志着氯乙烯及其聚合物的制造已进入实用技术阶段。1920年，在美国的柏寨森 (BURGHAUSAN)的瓦克(WACKER)公司制取聚醋酸乙烯，用它与氯乙烯共聚制得一种新材料。该材料易加工，且不再发生分解因它具有内增塑性，可用作涂料和硬模塑制品，开辟了

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以内增塑的办法解决了聚氯乙烯的加工。另一方面也为聚氯乙烯从共聚改性作出了开拓性的工作。对聚氯乙烯发展起到积极的推动作用。又于1932年发现聚氯乙烯的低分子增塑剂。英国帝国化学公司于1937年采用高沸点液体如磷酸酯类增塑聚氯乙烯，得到了类似橡胶的物质，从而第一次打破了传统的橡胶市场，成为橡胶材料的代用品。

德国法本公司于1932年采取乳液聚合法生产聚氯乙烯，定名为“伊奇利特”(Igelit)，以后于1933年美国碳化物和碳化学公司系统的“贝克菜特”(BAKBLITE)公司等用溶液聚合法建立了小型工厂，商品定名为“维尼”利特(ViNYILITE)。

聚氯乙烯自工业化问世至今，六十多年来仍处不衰之势。占目前塑料消费总量的29%以上。到上世纪末，聚氯乙烯树脂大约以3%的速度增长。这首先是由于新技术不断采用，产品性能亦不断地得到改进，品种及牌号的增加，促进用途及市场的拓宽。其次是制造原料来源广、制造工艺简单。产品质量好。在耐燃性、透明性及耐化学药品性能方面均较其它塑料优异。又它是氯碱行业耗“氯”的大户，对氯碱平衡起着举足轻重的作用。从目前世界主要聚氯乙烯生产国来说：一般耗用量占其总量的20～30%。特别是60年代以来，由于石油化工的发展，为聚氯乙烯工业提供廉价的乙烯资源，引起了人们极大的注意，因而促使氯乙烯合成原料路线的转换和新制法以及聚合技术不断地更新，使聚氯乙烯工业获得迅猛的发展。

从上述期间可看出聚氯乙烯树脂在主要生产国的产量与消费量均有近2%的增长率，而在其余国家和地区均略高于3%。

1.1.2 聚氯乙烯工业在国民经济中的作用

合成树脂是塑料工业的基本原料，在一定条件下塑制成一定形状的材料，在常温下它的形状不变，是材料工业的重要组成部分。

作为热塑性塑料的原料之一的聚氯乙烯树脂，在世界各国合成树脂的生产、品种及消费上均处领先地位。我国也是如此，聚氯乙烯塑料制品居于各树脂及加工制品之主。这主要由于以下原因：

（1） 聚氯乙烯材料制品性能优良。有独特的使用功能。

（2） 基础原料资源广，为聚氯乙烯树脂生产发展奠定了物质基础。

（3） 以聚氯乙烯制取的合成材料可代替钢铁和木材使用，而且节能显著，每生产１立方米。通用塑料，其能耗为148.6千焦，而生产1立方米钢材能耗为356.7×10千焦。

（4） 用于农业生产，如地膜、大棚等，为农业生产提供保障。

（5） 聚氯乙烯塑料不仅在建筑、农业及包装工业上有着广泛的用途，在电子器件、交通运输、机械和人民生活等各方面，也均得到重用。

1.1.3 聚氯乙烯系列聚合物的性质

聚氯乙烯在常温下为白色粉末，比重为1.392～1.4不溶于水，汽油，酒精，氯乙烯，可溶于酮类和氯烃类溶剂，无毒无臭。具有很高的化学稳定性和良好的介电性能。

表1 质量标准 GB5761-93

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平均聚合

型号

温度/℃

SG-1

482

粘数

K值

/（ml/g） 154～144

77～75

1800～1650

高级电绝缘材料 电绝缘材料，一般软制

聚合度/P

参考用途

SG-2 505 143～136 74～73 1650～1500

品

电绝缘材料，农膜，塑

SG-2 530 135～127 72～71 1500～1350

料鞋

一般薄膜，软管，人造

SG-4 565 126～119 70～69 1250～1150

革，高强度硬管 透明硬制品，硬管，型

SG-5 580 118～107 68～66 1100～1000

材

唱片，透明片，硬板，

SG-6 618 106～96 64～63 950～850

焊条，纤维

SG-7 655 95～87 62～60 850～750 吹塑瓶，透明片，管件

SG-8 685 86～73 59～55 750～650 过氯乙烯树脂

1.1.4 聚氯乙烯制品的开发与应用技术

聚氯乙烯作为世界五大通用塑料之一，今年发展非常迅速，由于它综合性能优异，广泛应用于农业、工业、国防、人类日常生活等许多领域。当前高速发展的建筑行业的旺盛需求，也推动着中国聚氯乙烯产业的蓬勃发展。当今世界上，还没有一个地区或国家的聚氯乙烯产业，有像中国今天这样拥有一个广阔的应用市场和高速发展态势的局面展现于世人面前。原料和能源圆满解决之际，将是迎来巨头争霸之时。届时中国的聚氯乙烯无论是产量还是市场消费都会跃居世界第一位，中国的聚氯乙烯有着璀璨的前景。

聚氯乙烯树脂广泛地用于塑料加工行业，建材，轻工等行业。可用来加工成金属线包皮，薄片，板材，软管，管道配件，皮革，软质制品和玩具，也可用来加工成食品包装膜，包装盒，食品机药物装瓶，以及硬管，透明片，型木等。

⑴ PVC 型材技术应用

在西欧，每年大约有150万t的PVC 用于制作管材(主要用作输水管) ，是最大的PVC 市场，约占PVC 材料的60%。为了增强竞争力，近几年人们致力于管材的新材料、新工艺的应用开发。新改良的加工技术在使用少量的主要原料后，提高了材料的强度和承受力，同时也降低了制造成本。如今用于污水排放管的芯层发泡管内径逾500 mm。在压力管方面，列式或脱机式执行的分子方向达到了相同的爆裂压力要求，但只需近一半的壁厚。通过挤压成型生产双壁式内管是一种新技术，在满足

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高强度的情况下可以减轻管材质量。

PVC 门窗型材以及含有EVA 与PE 改性剂的PVC 是一种新型材料，可用作护栏杆。在管子改造方面，可将一根预先变形弯曲的管子从破裂的旧管子中穿过，然后用过热蒸汽使其恢复整形。破裂的旧管子宽度最大达450 mm ，该改造工艺简单，管子安装方便、密封性好。

2002 年西欧PVC 挤出型材消费量为130万t ，其中大约有一半用于制造高强度塑钢门窗，其它重要用途如做百叶窗、电缆槽以及发泡型材或实心型材，用于建筑装潢及制造冬季花园、门框以及鞋模等。

⑵ PVC 改性技术

在改性方面，有PVC 接枝共聚物、PMMA 改性及丙烯酸酯改性，这些PVC 改性材料在市场上平均分布。德国PVC 接枝共聚物的消费量逾20万t/ a，占欧洲首位，采用的一种工艺可生产高散重物料，这种物料具有极好的均匀分布，并且可达到人们希望的聚合釜的高产量、高效率以及型材的高品质。

⑶ PVC 专用料应用

硬膜占PVC 原料的最大份额， 除了K值为57～60的标准产品外，还有氯乙烯共聚物和醋酸乙烯酯，这种材料提高了包装膜的拉伸强度，并且也提高了家具膜、信用卡的胶合力和粘合力。乳液PVC明显加快了物料的成形过程，提高了熔融均匀度，减少了流水作业的故障，也提高了抗静电能力。超细粉末PVC 树脂这种超高分子质量专用料有助于消光及表面的结构成形。PVC 接枝共聚物提高了硬膜制品的强度，提高了压延过程的分离作用。

在软膜方面优先发展透气的K值为70的PVC制品。这种特殊制品属于超高分子质量PVC ，用于做软膜具有更好的机械强度，属增强性的EVA 或丙烯酸酯PVC 接枝共聚物。该PVC 软制品减少了增塑剂的迁移，同样也减少了软膜脆化，减少了污染，提高了冷脆性。

2001 年，西欧糊状PVC 树脂加工量为60万t 。该产品的专门用途为地板夹、人造夹、汽车底层保护漆、乙烯护墙纸、平面图、金属板涂层、转轴的旋转铸品以及各种各样的零部件。

一种微细孔径的超细粉末PVC 专用料通过添加增塑剂可形成用于涂料的孔隙率稳定的糊状树脂，这种糊状树脂基体可着色或加热成形，同时可以熔融成PVC 软制品。

根据乳液法生产的PVC 新产品改进了发泡过程，通过发泡可以生产专用精细发泡人造革、高白度墙纸，还可以进一步制成无发泡产品和配方，并可以生产高档快速涂料。

针对糊粘度的下沉问题，在投用橡胶稀释剂过程中，使用了约30μm 的PVC 均聚物或聚乙烯异分子共聚物，或者是醋酸乙烯酯异分子共聚物。开发的单釜生产时间最短的技术，一方面需提高低冷脆性温度，另一方面还需提高快速熔融特性，使专用单分散体橡胶稀释剂在微量的增塑剂作用下用于生产低粘度糊状树脂。

重质乳液糊状树脂用于涂地板夹表层，目的是使其高透明、低吸水，并且保持低浊度。新的超高分子质量专用料提高了研磨性，成为人们理想的无光泽表层涂层。

1.1.5 聚氯乙烯合成方法

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⑴ 聚氯乙烯(PVC) 是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂，也是世界上最早实现工业化的塑料品种之一。在世界众多的塑料品种中，PVC 以其优良的综合性能，便宜的价格以及与氯碱工业关系密切，自30 年代工业化以来，一直受到各工业国的普遍重视，保持着长盛不衰的发展势头，是目前世界上仅次于聚乙烯的第二大宗塑料品种。

到目前为止，世界上PVC 生产的聚合工艺主要有5 种，即悬浮、本体、乳液、微悬浮及溶液聚合工艺。其中悬浮聚合工艺一直是工业生产的主要工艺，绝大部分均聚及共聚产品都是采用悬浮聚合工艺。就拿美国为例，聚氯乙烯生产工艺中，悬浮聚合占87.8 % ，本体聚合占4.4 % ，乳液和微悬浮聚合占6.4 % ，溶液聚合占1.4 %。与美国相比，西欧乳液和本体聚合的比例较大，而日本则悬浮聚合占的比例较大。

⑵ 典型聚合工艺概述 ⅰ 悬浮聚合

悬浮聚合是一种成熟的工艺，典型的悬浮聚合过程是向聚合釜中加入无离子水和悬浮剂，加入引发剂后密闭聚合釜，真空脱除釜内空气和溶于物料中的氧，然后加入单体氯乙烯之后开始升温，搅拌，反应开始后维持温度在50 ℃左右，压力0.88～1.22 MPa ，当转化率达到70 %左右开始降压，在压力降至0.13～0.48 MPa 时即可停止反应。聚合完毕抽出未反应单体，料浆进行汽提，回收氯乙烯单体。汽提后的料浆进行离心分离，使聚氯乙烯含水25 %，再进入干燥器干燥至含水0.3 %～0.4 % ，过筛后即得产品，工艺流程见图1 。

无 离 热 子 助 蒸 空 水 剂 汽 气 氯乙烯 料浆 产品 料浆气提 离心分离 干燥 悬浮聚合 单体 未聚合乙烯 水 水蒸气 产品

图1 悬浮聚合流程

ⅱ 本体聚合

本体聚合工艺不以水为介质，也不加入分散剂等各种助剂，而只加入氯乙烯和引发剂，因此可大大简化生产工艺。由于本体聚合过程中物料状态是由低粘液相逐渐变成粘稠而最终形成粉料，所以聚合就被分为“预聚合”和“后聚合”两个过程，预聚合是在一个有剧烈搅拌的立式反应釜中进行，反应热靠反应釜冷却水套及回流冷凝器传出。氯乙烯转化率达到7%～12%时即将物料送入后聚合釜继续反应，后聚合釜是本体聚合的关键设备，在此物料经历从液相低粘度到糊状再到粉末相的转化。聚合反应结束后，对未反应的氯乙烯进行回收。离开聚合釜的物料是干粉，通过气流送到聚氯乙烯贮斗中，

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经多层振动筛分后产品送至称量包装机中包装。

ⅲ 乳液聚合

乳液聚合是生产糊树脂的方法，通常采用水溶性引发剂(H2O2 或K2S2O8 等) 。把氯乙烯单体、水溶性引发剂、水、乳化剂及非离子型表面活性剂加入聚合釜中，在40～55℃下聚合达到预定转化率(85%～90%) 时停止聚合反应，聚合物胶乳经喷雾干燥，即得产品。回收未聚合单体。

ⅳ 微悬浮聚合

微悬浮聚合工艺，首先将氯乙烯单体、无离子水、乳化剂、油溶性引发剂以及其它助剂按比例预混合均化，使含引发剂的氯乙烯均化成小液珠，然后将其均化料通入聚合反应釜，升温至聚合温度。待达到预定的转化率时停止反应，回收未聚合单体，聚合所得胶乳经喷雾干燥即得产品。

ⅴ 溶液聚合

溶液聚合是在聚合釜中氯乙烯单体在醋酸丁酯、丙酮等各种溶剂中进行聚合。这种方法有溶剂回收和使用时氯乙烯单体污染问题，并且生产成本高，所以仅适用于特殊用途。

⑶ 典型聚合工艺技术特性比较

表2 4种主要聚合工艺特性比较

序号 1 2 续表2 序号 3 （1） （2）

项目 工业类型 生产能力（万t/a）

项目 反应器/ m 类型 效率/t/a/ m 温度/℃

4. 反 应 条 件

时间/h 批量时间/h 转化率/% 总收率/%

5. 原 料 (以 氯

(3) 引发剂Ⅰ (4) 悬浮剂Ⅰ

0.0667 0.1000

0.009 0.0227 0.0066

0.0011 —

— 0.1000

(1) 氯乙烯 (2) 水

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悬浮法 间歇 20 悬浮法 6×133 立式 251 57 6.0 8.2 88.0 99.3 100.00 200.00

本体法 间歇 10 本体法 第一 第二 1×38 5×63

立式 283 67 70 0.25 3.0 1.80 7.65 8.0 67.0 99.0 59.65 40.35

—

乳液法法 间歇 5 乳液法法 6×35 立式 238 52 6.0 7.8 82.3 98.7 100.00 90.88

微悬浮法 间歇 5 微悬浮法 6×35 立式 238 50 10 11.8 91.8 98.9 100.00 87.50

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乙 烯 计）

(5) 悬浮剂Ⅱ (6) 乳化剂Ⅰ (7) 乳化剂Ⅱ (8) 乳化剂Ⅲ

0.1000 — — —

— — — —

1.1400 1.1400 0.2100 1.2200

0.0200 0.0200 0.0079 0.3000

就以上4 种主要聚合工艺来讲，本体法具有工艺流程简单，装置占地面积小，同时基本上无废液排放，排气可以达到最低程度，因而环境污染少且产品质量好、纯度高，特别适用透明包装材料和电缆料等特点。悬浮法是一种相对最成熟的工艺，在目前世界聚氯乙烯生产中占有绝对的份额，且产品转化率最高，产品品种最多，容易适应市场。乳液法是生产糊树脂的方法，工艺复杂、成本较高且树脂质量较差。而微悬浮法也是生产糊树脂的方法，只用于特殊用途。

⑷ 本设计采用技术最成熟的悬浮法工艺，所以在此重点介绍一下悬浮法。 ⅰ 悬浮法PVC生产技术进展

目前，世界发达国家聚氯乙烯树脂生产技术都较为成熟，普遍采用大釜密闭技术，先进的防粘釜工艺，改进了搅拌装置，用后掠式搅拌器代替平桨式搅拌器，并在搅拌器和挡板中通冷却水，提高了聚合釜的传热能力。目前，世界最大的聚合釜是德国许尔斯公司使用的200m3 聚合釜。美国吉昂公司采用75m3 悬浮聚合釜，由于采用深冷水作冷却介质，除传热效果好、聚合釜生产效率高外， 单釜年生产PVC 树脂可达到2.5万t 。欧洲索尔维公司和日本信越公司采用的聚合釜容积在127m3 左右。为了增加移热能力，大釜普遍采用了釜顶设计回流冷凝器、釜夹套采用大循环回流水量的方式来增加传热系数，以强化换热效果。

目前，在聚合配方上采用高油水配比，以增加聚合釜的产量；采用氨水和碳酸氢铵混合溶液取代氢氧化钠溶液作pH 值调节剂，提高了产品白度，缩短了PVC 加工塑化时间；采用无毒溶剂和过碳酸类引发剂取代偶氮腈根类引发剂，使产品的环境安全性能更高；采用多元高效引发剂复合取代二元引发剂，提高了聚合引发速度和反应放热的均匀性，缩短了聚合时间；采用多元分散体系取代二元分散体系，改善产品的加工性能；采用反应中补加水技术有效地提高反应换热能力，缩短聚合反应时间，目前国内聚合反应时间已有厂家缩短到3～4h/釜左右；采用高温热脱盐水技术和水乳性引发剂取代溶剂型引发剂，使聚合釜能在加料结束后直接达到反应温度，节约了聚合升温时间，且对产品质量没有影响；采用同时加料及釜外VCM（氯乙烯） 回收的方式减少聚合辅助时间。

对超低聚合度PVC 的生产采用添加链转移剂的方法，以降低反应温度和压力，提高 品质量；对于高聚合度和超高聚合度PVC 的生产采用添加扩链剂的方法来提高反应温度，以提高聚合釜的移热能力和缩短反应时间；对于通用树脂，在PVC 生产中采用添加改性剂的方法来降低产品的“鱼眼”数，提高产品白度，缩短产品塑化时间，改善加工质量；添加纳米无机材料或者优化分散剂种类和比例来提高PVC 颗粒的表观密度，提高后加工的速度；添加特殊助剂生产如抗静电PVC、阻燃PVC、消光PVC、耐放射线PVC 等；与其他单体共聚生产耐热PVC、内增塑PVC 等。

VCM 回收压缩单元改变了原来直接全部进气柜后再压缩冷凝的过程。充分利用回收气体的固有

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压能，回收气体压力高时直接冷凝，压力稍低一点时增压冷凝，压力低于0.12MPa 时进行抽压和压缩冷凝，取消了气柜，节约了设备投资和电耗。目前，VCM 尾气中VCM 的回收方法主要有活性炭吸附、膜法吸附和溶剂吸附3种，前两种方法目前采用较多，最后一种方法因成本较高采用较少。

PVC 浆料汽提技术的发展是从汽提槽发展到穿流筛板汽提塔，再发展到溢流筛板汽提塔， PVC浆料中VCM 含量有大幅度降低。上海氯碱化工股份有限公司汽提过程采用螺旋板换热器进行余热回收，不仅节约50%左右的蒸汽，提高汽提塔处理能力20%左右，而且使PVC浆料中VCM含量进一步降低。

锦化化工(集团) 有限责任公司对沸腾床干燥技术进行了改进，通过降低前几室的温度，取消了后室冷却的工艺，可降低蒸汽单耗20%左右。上海氯碱化工股份有限公司等采用了旋风干燥器技术，。进一步有效降低了干燥蒸汽单耗。江苏北方氯碱化工集团有限公司等采用国内开发的旋流床干燥工艺，据介绍，该工艺比旋风干燥器技术蒸汽单耗还低5%。江苏华苏塑料有限责任公司采用了滴流床工艺，据说该工艺技术蒸汽单耗更低。

干燥蒸汽冷凝水已得到普遍回收利用，离心水已得到部分回收利用，天津LG大沽化学有限公司采用臭氧氧化废水处理工艺，上海氯碱化工股份有限公司采用生化方法处理废水，效果均很好。

ⅱ 生产工艺流程简述

湿式发生 清静 混合脱水 电石 粗乙炔

+H2O +NaClO 精乙炔 干燥混合气 HgCl2 电石渣 HCl 合成（转化） 合成气 水洗、碱洗 粗 VC 加压精馏 精 VC 悬浮聚合 + H2O 加悬浮剂 +NaOH 废酸液 加引发剂

悬浮液 后处理、离心 湿 PVC 干燥 干燥 PVC 过筛包装 PVC

+NaOH 加热风

成品PVC 图2 悬浮法PVC生产工艺流程

1.2 氯乙烯（VC）

氯乙烯是生产聚氯乙烯树脂的原料，本设计就是电石法合成聚乙烯的合成氯乙烯单体的工段。 1.2.1 氯乙烯的合成[1]

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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。 ⑴ 反应机理

CHCH+HClHgCl2CH2CHCl + 124．8kJ/mol

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。 ⑵ 催化剂 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?

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

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

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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。

⑶ 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。

HgCl23HgCl2++H2SPH3HgS+(HgCl)3P+2HCl 3HCl

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：

CHCH+H2OHgCl2Hg2Cl2CH3CHO

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

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。

⑷ 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／m3催化剂·h。

乙炔的空间流速对氯乙烯的产率有影响，当空间流速增加时，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。 1.2.2 生产工艺流程简述 ⑴ 生产工艺流程

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缓冲器 混 合 器 石墨冷却器 多筒过滤器 石墨预热器 乙炔砂封 转碱洗塔 水洗塔 冷却器Ⅱ 除汞器 化器 图3 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。

1.2.3 主要工艺参数 本设计工艺参数如表3所示

表3 本设计工艺参数

设备名称

混合器

混合气温度 进料温度 出料温度

石墨冷却器

盐水进口温度 盐水出口温度

多筒过滤器

混合气含水

℃ ℃ %

-35 -20 ﹤0.08

℃ ℃ ℃

25 25 -13

指标名称 压力

乙炔流量：氯化氢流量

单位 atm

指标 ﹤1.5 1: 1.05

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进料温度 出料温度

石墨预热器

循环水进口温度 循环水出口温度 反应温度（新触媒） 反应温度（旧触媒）

卸大盖温度

转化器

循环水进口温度 循环水出口温度

放酸 转化率

℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 次/小时 %

-13 75 110 95 ≤150 ≤180 ≤60 95 110 1 ≥95

1.2.4 主要原料和产物的物化性质 ⑴ 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[2]： 纯度：≥98.5%

不含硫、磷、砷等杂质。 ⑵ 氯化氢：

分子式：HCl 分子量：36.5 性质：

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。

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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[2]： 纯度≥93% 水分≤0.06% ⑶ 氯乙烯：

分子式：CH2＝CHCl 分子量：62.50 性质：

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)

氯乙烯在常温常压下为易燃、无色的气体，具有类似醚一般气味，溶于水，溶于乙醚、乙醇、四氯化碳、丙酮和二氯乙烷。

规格[3]：

主要质量要求(均为重量百分数) 氯乙烯 ≥ 99.99% 乙炔 ≤ 0.8ppm 乙烯 ≤ 2ppm 氯甲烷 ≤ 50ppm 丁二烯 ≤ 6ppm 铁 ≤ 0.5 ppm HCl ≤ 0.5ppm 水 ≤ 80ppm 重组分≤ 50ppm

2 工艺计算

2.1 物料衡算

假设各化工单元操作连续进行，采用倒推法，根据转化率或损失率计算出原料投料，然后再按照操作顺序对各单元操作进行物料衡算。 2.1.1 计算依据： ⑴ 计算标准

生产能力：年产5万吨的聚氯乙烯 年工作日：以300天计算

日产量：5×104×103/300=1.667×105 kg 小时产量：1.667×105/24=6944.4 kg

∵聚合物一般进行到转化率为85%～90%[2]，再加上在洗涤树脂、包装工段的损失，这里取转化率为85%。

nH2CCHClHCH2CCln

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x·85% 6944.4 kg x=6944.4/85%=8169.9 kg

∴每小时要合成氯乙烯8169.9 kg ⑵ 化学反应式 主反应：

CHCH+HClHgCl2CH2CHCl

副反应：

H2CCHCl+HClCHCl2CH3

CHCH+H2OHgCl2CHHg3CHO2Cl2

CHCH+HgCl2HgCl2HCClCHHgCl

ClCHCHHgCl+HgCl2CHClCH2+HgCl2

⑶ 倒推法计算

精馏：（氯乙烯的收率：99.5%）8169.9/99.5%=8211.0 kg=8211.0/62.5kmol=131.376kmol 转化器：（乙炔转化率：95%）131.376/95%=138.291kmol ∴进气中CH≡CH需138.291kmol（3595.566kg） 2.1.2 计算： ⑴ 混合器的物料衡算 乙炔 混合器 CH≡CH 氯化氢 HCl O2 H2O 图4 混合器的物料衡算方框图 计算依据：

CH≡CH和HCl的摩尔比为：1：1.05～1.1[1]。 本设计选取：n CH≡CH：nHCl=1:1.08 ⅰ 进料气组成

表4 进料气组成

进料气 组分 含量/% CH≡CH

99.9

乙炔气

H2O 0.1 HCl

99.95 氯化氢

H2O 0.01 O2

0.04

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∴进料气需乙炔气：138.291/99.9%=138.429kmol 进料气需氯化氢：138.429×1.08/99.95%=149.429kmol ∴CH≡CH：1.38291kmol（3595.566kg）

HCl：138.291×1.08=149.354kmol（5451.421kg） O2：149.429×0.04%=0.0598kmol（1.9136kg）

H2O：1.38.429×0.1%+149.429×0.01%=0.1534kmol（2.7612kg） ⅱ 出料：

依据：水分以酸雾的形式进入下一层，有微量水分以浓盐酸形式流出，这里计算时忽略流出的浓盐酸的量[3]。

CH≡CH：138.291 kmol（3595.566kg）

HCl：138.291×1.08=149.354 kmol（5451.421kg） O2：149.429×0.04%=0.0598 kmol（1.9136kg）

H2O：1.38.429×0.1%+149.429×0.01%=0.1534 kmol（2.7612kg） ⅲ 混合器物料衡算表

表5 混合器物料衡算表

进料 CH≡CH HCl O2 H2O Σ

质量/kg 3595.566 5451.421 1.9136 2.7612 9051.6618

W/%

出料

质量/kg 3595.566 5451.421 1.9136 2.7612 9051.6618

W/% 39.723 60.226 0.021 0.031 100.0

39.723 CH≡CH 60.226 0.021 0.031 100.0

HCl O2 H2O Σ

⑵ 石墨冷却器

混合气 石墨冷却器 CH≡CH HCl O2 H2O 盐酸 图5 石墨冷却器物料衡算方框图

根据：在石墨冷却器中，用-35℃盐水（尾气冷凝器下水）间接冷却，混合气中水分一部分则以40%盐酸的形式排出，部分则夹带与气流中。[10] 设混合器中水分以40%盐酸排出的量占水总量的30%。

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ⅰ 进料：

CH≡CH：138.291 kmol，3595.566 kg HCl：149.354 kmol，5451.421 kg O2：0.0598 kmol，1.9136 kg H2O：0.1534 kmol，2.7612 kg ⅱ 出料：

CH≡CH：138.291 kmol，3595.566 kg O2：0.0598 kmol，1.9136 kg H2O ：

0.1534??1?30%? ?0.1074kmol

?1.9332kg∵

mHCl?100%?40%

mHCl?m水∴mHCl?HCl：

0.4m水 0.60.4??2.7612?1.9332?0.6

(5451.421?1.9332)??5450.869kg?148.802kmol盐酸：

?2.7612?1.9332??0.4??2.7612?1.9332??1.38kg

0.6ⅲ 石墨冷却器物料衡算表

表6 石墨冷却器物料衡算表

进料 CH≡CH HCl O2 H2O Σ

质量/kg 3595.566 5451.421 1.9136 2.7612 9051.6618

W/%

出料

质量/kg 3595.566 5450.869 1.9332 1.9136 1.38 9051.6618

W/% 39.723 60.220 0.021 0.021 0.015 100.0

39.723 CH≡CH 60.226 0.021 0.031 100.0

HCl O2 H2O 盐酸 Σ

⑶ 多筒过滤器

根据在多筒过滤器中，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

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分离下来，以盐酸的形式排出。[3]

设：盐酸为38%，除水量为80% 进料：

CH≡CH： 3595.566 kg HCl： 5450.869 kg H2O： 1.9136 kg O2： 1.9136 kg 出料：

CH≡CH： 3595.566 kg O2： 1.9136 kg

H2O： 1.9332×（1-80%）=0.38664 kg ∵

mHClm?m?100%?38%

HCl水∴m0.38HCl?0.62m水 HCl：

5450.869?0.380.62?1.9332?0.3866??5449.951kg 盐酸：

1.9332?80%?0.380.62?1.9332?0.3866??2.465kg 多筒过滤器物料衡算表

表7 多筒过滤器物料衡算表

进料 质量/kg W/% 出料 质量/kg W/% CH≡CH 3595.566 39.723 CH≡CH 3595.566 39.729 HCl 5450.869 60.220 HCl 5449.951 60.219 O2 1.9332 0.021 O2 1.9136 0.021 H2O 1.9136 0.021 H2O 0.3866 0.004 盐酸 2.465 0.027 Σ

9050.2818

100.0

Σ

9050.2818

100.0

⑷ 石墨预热器

表8 石墨预热器物料衡算表

出料/出料 质量/kg W/% CH≡CH 3595.566 39.740 HCl

5449.951

60.235

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O2 1.9136 0.021 H2O 0.3866 0.004 Σ

9047.8168

100.0

⑸ 转化器

CH≡CH CH2=CHCl HCl HCl OCH≡CH 2 转化器 HO2 2O H2O 图6转化器物料衡算方框图

根据转化率为95%。[3] 进料：

CH≡CH： 3595.566kg HCl： 5449.951kg H2O：0.3866kg O2： 1.9136kg 出料：

CH2=CHCl：138.291?95%?62.5?8211.028kg CH≡CH：3595.566??1?95%??179.778kg HCl：5449.951?138.291?95%?36.5?654.7106kg O2： 0.3866kg H2O：1.9136kg 转化器物料衡算表

表9 转化器物料衡算表

进料 质量/kg W/%

出料

质量/kg W/% CH≡CH 3595.566 39.740 CH2=CHCl 8211.028 90.751 HCl 5449.951 60.235 CH≡CH 179.778 1.987 O2 1.9136 0.021 HCl 654.7106 7.236 H2O 0.3866 0.004 O2 1.9136 0.021 H2O 0.3866 0.004 Σ

9047.8168

100.0

Σ

9047.8168

100.0

⑹ 除汞器

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∵进料同出料 ∴

表10 除汞器物料衡算表

出料/出料 CH2=CHCl CH≡CH HCl O2 H2O Σ

质量/kg 8211.028 179.778 654.7106 1.9136 0.3866 9047.8168

W/% 90.751 1.987 7.236 0.021 0.004 100.0

⑺ 石墨冷却器Ⅱ ∵进料同出料 ∴

表11 石墨冷却器Ⅱ物料衡算表

⑻ 水洗泡沫塔：

根据：水洗泡沫塔回收过量的氯化氢，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。[1]

设回收盐酸的回收率为98% 进料：

CH2=CHCl：8211.028 kg CH≡CH：179.778 kg HCl：654.7106 kg O2：1.9136 kg

H2O：0.3866+ 2568（水洗用水）=2568.3866 kg

出料/出料 CH2=CHCl CH≡CH HCl O2 H2O Σ

质量/kg 8211.028 179.778 654.7106 1.9136 0.3866 9047.8168

W/% 90.751 1.987 7.236 0.021 0.004 100.0

22

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出料：

CH2=CHCl：8211.028 kg CH≡CH：179.778 kg

HCl：654.7106?98%/20%?3508.082kg

回收的盐酸：654.7106?98%/20%?3208.082kg

H2O：0.3866?258??3208.082??3208.082?20%???1.921kg 水洗泡沫塔物料衡算表

表12 水洗泡沫塔物料衡算表

进料 质量/kg W/%

出料

质量/kg W/% CH2=CHCl 8211.028 70.683 CH2=CHCl 8211.028 70.683 CH≡CH 179.778 1.548 CH≡CH 179.778 1.548 HCl 654.7106 5.636 HCl 13.094 0.113 O2 1.9136

0.016

O2 1.9136 0.016 H2O 2568.3866 22.111

H2O 1.921 0.016 盐酸 3208.082 27.618 Σ

11615.817

100.0

Σ

11615.817

100.0

⑼ 碱洗泡沫塔：

CH2=CHCl CH≡CH CH2=CHCl HCl CH≡CH O碱洗泡沫塔 2 O2 H2O H2O 图7 碱洗泡沫塔物料衡算方框图

根据：除去多余的氯化氢 进料：

CH2=CHCl：8211.028 kg CH≡CH：179.778 kg HCl：13.094 kg O2：1.9136 kg H2O：1.921 kg 出料：

23

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HCl被碱液吸收，从而出料气中不含HCl气体 CH2=CHCl：8211.028 kg CH≡CH：179.778 kg O2：1.9136 kg H2O：1.921 kg 碱洗泡沫塔物料衡算表

表13 碱洗泡沫塔物料衡算表

进料 质量/kg W/% 出料 质量/kg W/% CH2=CHCl 8211.028 97.660 CH2=CHCl 8211.028 97.660 CH≡CH 179.778 2.138 CH≡CH 179.778 2.138 HCl 13.094 0.156 O2 1.9136 0.023 O2 1.9136 0.023 H2O 1.921 0.023 H2O 1.921 0.023 HCl（除去的）

13.094 0.156 Σ

8407.7346

100.0

Σ

11615.817

100.0

⑽ 总物料衡算表

表14 总物料衡算表

进料 质量/kg W/% 出料 质量/kg W/% CH≡CH 3595.566 30.944 CH2=CHCl 8211.028 70.665 HCl 5451.421 46.915 CH≡CH 179.778 1.547 O2 1.9136 0.016 H2O 1.921 0.113 H2O 2570.7612

22.124 O2

1.936 0.016 HCl（碱洗掉的）

13.094 0.017 20%盐酸 3208.082 27.609 38%盐酸 2.465 0.021 40%盐酸

1.38 0.001 Σ

11615.817

100.0

Σ

11615.817

100.0

2.2 热量衡算 2.2.1 衡算方法

Q1?Q2?Q3?Q4?Q5

入方：

Q1：物料带入热；

Q2：加热剂或冷却剂带入热；

24

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Q3：过程热效应；

出方：

Q4：物料带出热； Q5：热损失。 设Q5是Q2的5%

“-”表示吸热，“＋”表示放热。

设混合平均热容近似等于各组分热容与质量分数乘积之和。即C?合体系热容地方影响可不计。 同种物质的平均比热容Cp??cwii，含量少的物质对混

Cp1?Cp2lnCp1Cp2

2.2.2 标况下有关物化数据表[3]

表15 标况下有关物化数据表

项目

温度/℃ 25

乙炔

75 110 25

HCl

75 110 25

水蒸气

75 110 25

O2

75 110 25

氯乙烯

75 110

盐酸（40%）[5]

-35

比热/kcal/（kg·℃）

0.428 0.45 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 计算：

25

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⑴ 石墨冷却器： 已知表：

表16 已知量表

进料 CH≡CH HCl O2 H2O Σ

质量/kg 3595.566 5451.421 1.9136 2.7612 9051.6618

出料 CH≡CH HCl O2 H2O 40%盐酸

Σ

质量/kg 3595.566 5450.869 1.9332 1.9136 1.38 9051.6618

进料温度：25℃，出料温度：-13℃ 25℃为计算基准 C 乙炔=1.352 kJ(kg·℃)-1 C 水蒸气=1.8837 kJ(kg·℃)-1 C 氯化氢=0.8581 kJ(kg·℃)-1 C 氧气=0.653 kJ(kg·℃)-1 C 水（l）=4.175 kJ(kg·℃)-1 C 水（冷凝热）= -2229.4636 kJ(kg·℃)-1 C40%盐酸=3214 kJ(kg·℃)-1 计算：

Q1：进料温度25℃，则Q1=0

Q3：HCl溶于水放出的热以及水气液化放出的热

生成40%盐酸时，HCl的水溶液的生成热：3544kcal·kmol-1=148351.84 kJ·kmol-1。[4] 则HCl溶于水放出的热量为：148351.84??5451.421?5450.869?/36.5?2243.568kJ 水液化放出的热：Q?2229.4636?0.046?102.55kJ ∴Q3=2243.568+102.5=2346.118kJ ∴Q4=Q乙炔＋Q氯化氢 ＋Q氧气＋Q水蒸气＋Q盐酸

=1.352×3595.566×（-13-25）＋0.8581×5450.869×（-13-25）＋0.653×1.9136×（-13-25）＋1.88837×1.9332×（-13-25）＋3214×1.38×（-13-25） = -184725.799-17774.7060-47.484-138.380-168542.16 = -531200.883 kJ

Q2:5%Q2=Q5

∵Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5

26

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∴0＋Q2＋2346.118=-531200.883＋5%Q2 ∴Q2= -561628.422 kJ Q5= -28081.421 kJ

表17 石墨冷却器热量衡算表

项目 CH≡CH HCl O2 H2O 冷凝热 盐水吸热

Σ

入方/kJ 0 0 0 0 2346.118 -561628.422 -559282.304

项目 CH≡CH HCl O2 H2O 盐酸 损失 Σ

出方/kJ -184725.799 -177747.060 -47.484 -138.380 -16854.216 -28081.421 -559282.304

⑵ 石墨预热器 已知表

表18 已知量表

出料/出料 CH≡CH HCl O2 H2O Σ

质量/kg 3595.566 5449.951 1.9136 0.3866 9047.8168

进料温度：-13℃，出料温度：75℃ 以-13℃计算为基准 C 乙炔=1.80 kJ(kg·℃)-1 C 水(g)=1.884 kJ(kg·℃)-1 C 氯化氢=0.858 kJ(kg·℃)-1 C =0.236 kJ(kg·℃)-1 计算：

Q1：进料温度-15℃，则Q1=0 Q3=0

Q4 =Q 乙炔＋Q氯化氢 ＋Q氧气＋Q水(g)

= 1.8×3595.566×（75＋13）＋0.858×5449.951×（75＋13）＋1.884×0.3866×（75＋13）＋0.988×1.9136×（75＋13）

=569537.654＋411493.100＋64.095＋166.376 =981261.225 kJ

27

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Q2:5%Q2=Q5

∵Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5

∴0＋Q2＋0=981261.225＋5%Q2 ∴Q2=1032906.553 kJ Q5=51645.328 kJ

表19 石墨预热器热量衡算表

项目 入方/kJ 项目 出方/kJ CH≡CH 0 CH≡CH 569537.654 HCl 0 HCl 411493.100 O2 0 O2 166.376 H2O 0 H2O 64.095 蒸汽加热

1032906.553 损失 51645.328 Σ

1032906.553

Σ

1032906.553

⑶ 转化器： 已知表

表20 已知量表

进料 质量/kg 出料 质量/kg CH≡CH 3595.566 CH2=CHCl 8211.028 HCl 5449.951 CH≡CH 179.778 O2 1.9136 HCl 654.7106 H2O 0.3866 O2 1.9136 H2O 0.3866 Σ

9047.8168

Σ

9047.8168

根据：此处热损失率为：1.5%

进口温度：75℃，出口：110℃，以75℃为计算标准。 C 乙炔=1.894kJ(kg·℃)-1 C 水 (g)=1.907 kJ(kg·℃)-1 C 氯化氢=0.872 kJ(kg·℃)-1 C 氧气=0.242 kJ(kg·℃)-1 C 氯乙烯=0.8502 kJ(kg·℃)-1 计算：

Q1：进料温度75℃，则Q1=0 Q3=124.8×131.376×103=16395724.8 kJ

28

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Q4 =Q 氯乙烯＋Q 乙炔＋Q氯化氢 ＋Q水(g)＋Q氧气

=0.8502×8211.028×（110-75）＋1.894×179.778×（110-75）

＋0.872×654.7106×（110-75）＋1.907×0.3866×（110-75）＋0.242×1.9136×（110-75） =244335.560＋11917.484＋19981.768＋2.580＋16.208

=258253.600 kJ

Q2:1.5%Q2=Q5

∵Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5

∴0＋Q2＋16395724.8=258253.600＋1.5%Q2 ∴Q2=-16383219.49 kJ Q5=-245748.2924 kJ

表21 转化器热量衡算表

项目 入方/kJ 项目 出方/kJ CH≡CH 0 CH2=CHCl 244335.560 HCl 0 CH≡CH 11917.484 O2 0 HCl 19981.768 H2O 0 O2 16.208 反应热 16383219.49 H2O 2.580 循环水 -16383219.49 损失 -245748.2924 ∑

12505.31

∑

12505.31

⑷ 石墨冷却器 已知表

表22 已知量表

出料/出料 质量/kg CH2=CHCl 8211.028 CH≡CH 179.778 HCl 654.7106 O2 1.9136 H2O 0.3866 Σ

9047.8168

进口温度：110℃，出口温度：25℃

29

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以110℃为计算标准。 C 氯乙烯=0.857 kJ(kg·℃)-1 C 乙炔=1.846 kJ(kg·℃)-1 C 水 (g)=1.9046 kJ(kg·℃)-1 C 氯化氢=0.8623 kJ(kg·℃)-1 C 氧气=1.000 kJ(kg·℃)-1 计算：

Q1：进料温度110℃，则Q1=0 Q3=0

Q4 =Q氯乙烯+Q乙炔+Q氯化氢 +Q水(g)+Q氧气

=0.857×8211.028×（25-110）+1.864×179.778×（25-110）+0.8623×654.7106×（25-110）+1.9046×0.3866×（25-110）+1.000×1.9136×（25-110） =-598132.335-28208.966-47987.34-62.587-162.656 =-674553.884 kJ Q2: 5%Q2=Q5

∵Q1+Q2+Q3=Q4+Q5

∴0+Q2+0=-674553.884+5%Q2 ∴Q2=-710056.72 kJ Q5=-35502.836 kJ 表23 石墨冷却器热量衡算表

项目 入方/kJ 项目 出方/kJ CH≡CH 0 CH2=CHCl -598132.335 HCl 0 CH≡CH -28208.966 O2 0 HCl -4798.734 H2O 0 O2 -162.656 循环水 -710056.72

H2O -162.656 损失 -35502.836 ∑

-710056.72

∑

-710056.72

⑸ 冷却水消耗 ⅰ 盐水：

已知：盐水用于石墨冷却器除去水气，

进口温度：-35℃，出口温度：-20℃

40%盐水的比热容：C盐水=3214 kJ(kg·℃)-1。[5] ∴Q=3214×m×[-20-（-35）]=561628.422 kJ

30

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∴m=11649.625 kg ⅱ 循环水： 在石墨预热器时， 进口温度：110℃， 出口温度：95℃。

95℃时，C水蒸气=4.214 kJ(kg·℃)-1 110℃时，C水蒸气=4.238 kJ(kg·℃)-1

C平均=（4.214＋4.238）÷2=4.226 kJ(kg·℃)-1 Q=1032906.553 kJ

∴需水量m=1032906.553÷4.226÷（110-95）=16294.47157 kg

① 在转化器中， 进口温度：95℃， 出口温度：110℃。 Q=16383219.49kJ

∴需水量m=16383219.49÷4.226÷（110-95）=258451.167 kg

② 在石墨冷却器Ⅱ中， 进口温度：15℃ 出口温度：95℃

95℃时，C水气=4.214 kJ(kg·℃)-1 15℃时，C水气=4.187 kJ(kg·℃)-1

C平均=（4.214＋4.187）÷2=4. 2 kJ(kg·℃)-1 Q=710056.72 kJ

∴需水量m=710056.72÷4.2÷（95-15）=2113.264 kg 表24 水消耗综合表

项目 分相 热量/kJ 质量/kg 盐水 石墨冷却器 561628.422 11649.625 循 石墨预热器 1032906.553 258451.167 环 转化器 16383219.49 2113.264 水 石墨冷却器Ⅱ

710056.72 276858.902

∑

18126182.76

276858.902

∵石墨预热器中的水可以由转化器的出水来提供；

31

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石墨冷却器出口处的水又可以提供给转化器。 ∴实际用水258451.167 kg 。

3 主要设备的设计与选型

3.1 石墨冷却器的选型 3.1.1 已知条件

总热负荷：Q=561628.422 kJ/h 盐水流量：11649.625 kg/h 进口温度：-35℃ 出口温度：-20℃ 混合气 进口温度：25℃ 出口温度：-13℃

3.1.2 计算两流体的平均温度差

?t?t2??t1?25???13?????20???35??m???24.ln?t?2?tln25???13?7℃

1?20???35?P?t2?t1T?冷流体温升两流体的最初温差

1?t2R?T1?T2热流体的温降t?t? 21两流体的温升而：P?t2?t1?20???35T???0.25 1?t225???35?R?T1?T225t????13??20???35??2.533 2?t1查文献[5] 得

??t?0.89

?tm???t??t?m?0.89?24.7?21.983

查文献[5]，列管式换热器中的总传热系数K的经验值 设K=100w/（m2·℃）

32

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S?QK?t?561628.422?255.48m2 m100?21.983查文献[4]，浮头列管式石墨换热器系列参数组合， 参考查文献[3]，

选用换热管有效长度为5000mm，换热管根数为625根， 型号：CHA1100-260（F），A型?32mm。 3.2 石墨预热器的选型： 3.2.1 已知条件：

总热负荷：Q=1032906.553 kJ/h 盐水流量：11649.625 kg/h 进口温度：110℃ 出口温度：95℃ 混合气 进口温度：75℃ 出口温度：-13℃

3.2.2 计算两流体的平均温度差

?t?t2??t1??75???13????110?95?m???41.26℃ln?t 2?tln88115而：P?t2?t175???15?T?t??0.715

12100???13?R?T1?T2110?95t?t???0.170

2175???13查文献[5]，图4-17， 得

??t?0.94

?tm???t??t?m?0.94?41.26?38.784℃

查文献[5]，列管式换热器中的总传热系数K的经验植 设K=100w/（m2·℃）

S?QK?t?1032906.553?266.3228m2 m100?38.784 33

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查文献[4]，浮头列管式石墨换热器系列参数组合， 参考文献[3]，

选用换热管有效长度为5000mm，换热管根数为721根， 型号：CHA1200-305（F），A型?32mm。 3.3 石墨冷却器Ⅱ的选型 3.3.1 已知条件：

总热负荷：Q=710056.72 kJ/h 盐水流量：11649.625 kg/h 进口温度：15℃ 出口温度：95℃ 混合气 进口温度：25℃ 出口温度：110℃

3.3.2 计算两流体的平均温度差

?t?t2??t1m??ln?t?80?85?82.475℃

2?tln80185而：P?t2?t1T?95?1595?0.842

1?t2R?T1?T2t?t?110?25?15?1.0625

2195查文献[5]， 得

??t?0.94（四壳程）

?tm???t??t?m?0.94?82.475?77.527℃

查文献[5]，

列管式换热器中的总传热系数K的经验植 设K=100w/（m2·℃）

S?QK?t?710056.72?91.588m2 m100?77.527查文献[4]，浮头列管式石墨换热器系列参数组合， 参考文献[3]，

34

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选用换热管有效长度为5000mm，换热管根数为313根， 型号：CHA900-105（F），A型Φ32mm。 3.4 转化器的设计 3.4.1 已知条件：

空速为25～40m3/m3催化剂·h时，转化率最大[1] 反应温度：新触媒：150℃，旧触媒：180℃ HgCl2含量：10.5%～12.5% 水分含量：小于0.3% 松装粒度：540～640 g/L

粒度：0.75～6.50mm（大于92%） 采用经验设计法[6] 空间速度：SV?V0V， RV0——原料混合气进料流量，m3（STP/h） VR——催化剂床层体积，m3 SV——空间流速，h-1 ∴30?V0V， R表25 已知量表

进料 质量kg 物质的量kmol

CH≡CH 3595.566 138.291 HCl 5449.951 149.314 H2O 0.3866 0.0215 O2 1.9136 0.0598 ∑

9047.8168

287.6863

3.4.2 计算：

∴混合气的体积流量：V0 =287.6863 × 22.4 =6444.173 m3（STP/h） ∴VR=214.806 m3（STP/h） 选管子?57mm?3.5mm[6]，

∴管子内径为dt?0.05m，管长为6m，催化剂填充高度为5.7m ∴n?214.806??19203根

4??0.05?2?5.7分为8个转化器，则每个用2401根管子

35

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循环水需要带走的热为16383219.49kJ,

?tm??110?95???110?75??25℃

2Q16383219.49??6553.28m2 K?tm100?25K取100，

A需?A实际?n?dtln?3.14?0.05?5.7??2401?8??17189.23m2

∵A实际﹥A需要 ∴能满足要求

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?d0

式中：

t——管心距，t=1.25d0 d0——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 本设计采用正三角排列，则nc?1.1n?1.12401?54 t=1.25×0.057=0.07125m

D?t?nc?1??2.5d0?0.07125?54?2.5?0.057?3.9185m

圆整到4000mm

参考文献[3]，为了满足及时转移反应放出的热，从而保证反应温度不超过最高限额，采用把转化器换热分为三层，三层同时进行散热。

附简图：

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图8 转化器

3.4.3 手孔[4]

∵反应最高压力为1.5atm ∴选用平焊法兰手孔

公称压力PN0.6MPa, 公称直径DN250mm,H1=190mm 采用Ⅱ类材料，垫片采用石棉橡胶板

其标记为：手孔Ⅱ（A·G）250-0.6 HG21529-95. 3.5 泡沫水洗塔的设计[9] 3.5.1 已知条件： 混合气流量：6446.8m3/h 盐酸溶液表面张力?=71dyN/cm 混合气温度：25℃

混合气进口压力：0.014MPa 混合气出口压力：0.010MPa 氯乙烯密度：2.34 kg/ m3 盐酸溶液密度：1100 kg/ m3 3.5.2 塔径的计算：

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F因子??1d1??2d2得

泡沫塔空塔气速：

?2?1?3.2172.34?1.2m/s

进口进气量=

6446.8?1.1273?25??7744.8m/s

0.99952737744.8?1.47m

3600?1.2?0.785塔径：D?选直径为1500mm塔身，内做热喷涂聚氯乙烯处理，厚度为10mm，实际内塔径为：1480mm。 验算： 空塔气速：

??7744.83600?0.785?1.482?1.25m/s

∵?实际﹤?设计

∴本塔形成良好的泡沫层 3.5.3 孔的布置

筛板孔按取dD?4mm,t/d=3, t=12mm。 查图得

取?d?0.08m，

?t?0.05m

X?(D/2)?(?d??t)?0.52r?(D/2)??t?0.7

查图得Aa=1.25m2

Ao=1.25m2×0.10=0.125 m2 查得n??8500个/m2 n=8500×1.25=10625个 3.5.4 塔板的压降

根据塔的结构及考虑到检修的方便，塔板取厚度为30mm的酚醛层压板，板间距H2=600mm。 查图的Cn=0.85

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干板压降：

Ht?0.512(Wn/Cn)2?(?t/?l)?0.0512?1.80/?0.125?0.85??2??2.34?1100?

?0.031液柱塔板总压降hp

F.66n?Wo?t?10.125?2.34?20 查图得液层有效阻力ht=0.03m液柱 则

hp??ht?h1??6??0.031?0.03??6?0.36液柱

?3.35kPa3.5.5 稳定性

hr??0.14?L/d?0.704?0.14??1.6/125?0.704

?0.007m取h??0.040m

hL?hr??h??0.007?0.040?0.047m he?4?/?9810?l?dn??4?71/?9810?1100?0.004?

?0.0066m??4.4Cn??0.0056?0.13hL?he??L?/?t?4.4?0.85??0.0056?0.13?0.47?0.0066??1100?/2.34

?5.7m/sK??n/??12.2/5.7?2.14?1.5

3.5.6 液泛

h2d?0.153?L/?l??h0???0.153?0.0004/?0.137?0.25??2

?0.00002m液柱Hd?hL?hd?hp?0.047?0.00002?0.032 ?0.079m液柱39

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2Hd?h??2?0.079?0.04?0.118m液柱?0.6m?H

T?t?L/At?0.0004/0.012

?0.033m/s?0.1m/s??HT/?t?0.6/0.033 ?18.2m/s?5s3.5.7 物沫夹带：

W?V?/(AT?A?t)?1.80/0.7851.482?0.1252?? ?1.05h?2.5hL?2.5?0.047?0.12m液柱 e??0.0057/???1.05/?0.6?0.12??3.2??0.6?0.785?0.125?2/0.0004

?18.4s/5s根据以上计算及验算，可知从理论上该塔完全符合操作条件 结构如下：

塔身：?1500?10?5450， 材料：A3钢 内有10mm的喷涂层 塔板：厚度为30mm，材料：酚醛层压板 共6块。

溢流管：Dg=125mm，材料：耐酸酚醛管。 3.6 主要设备一览表[3]

表27 主要设备一览表

序号 设备名称 设备型号及规格 数量 1 乙炔砂封 Φ1200×300 1 2 HCl缓冲罐 V=20 m2 1 3 混合器 Φ900×4000 1 4 石墨冷却器 CHA1100－260(F) 1 5 多筒过滤器 Φ1600×4000 1 6 石墨预热器 CHA1200－305(F)

1 7 废酸贮罐 V=10 m2 2 8 转化器 Φ4000×9700 8 9 除汞器 Φ2400×4850 1 10

石墨冷却器II

CHA900－105(F)

1

40

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