年产10万吨氯乙烯、聚氯乙烯合成装置工艺设计

年产10万吨氯乙烯、聚氯乙烯合成装置工艺设计内容摘要：

应器内壁 ， 与聚合物系直接接触 ， 大大增加了釜的传热面积。 （ 4）解决 PVC聚合釜粘壁问题 目前也是聚氯乙烯工艺发展的重点。 解决 PVC聚合釜粘壁问题有 3种方法 ： 使用清釜溶剂 ； 喷涂防粘釜溶液 ； 聚合体系中加入结垢抑制 剂。 也可将上述方法结合使用 ， 目前普遍采用的是喷涂防粘釜剂。 EVC公司开发了防粘釜剂专利产品EVICAS90， 具有应用范围广 ， 操作简单 ， 运行时间长等特点 ， 可使反应釜连续运行 500次 ，最好可达到 1000次。 VINNOLIT公司采用了防粘釜效果甚佳的防粘釜剂 SERO8， 它是一种水溶液 ， 可直接喷涂到聚合釜内壁及搅拌器表面 ， 连续运行达 600次以上。 VESTOLIT公司也采用一种特殊防粘釜剂 ， 利用低压蒸汽将防粘釜剂从釜顶两个固定式喷吐设备喷吐到釜内壁、搅拌器及釜顶回流冷凝器表面 ， 清釜周期 500釜左右 ， 回流冷凝器可连续运 行 1年。 意大利塞斯公司 （ CIRS） 推出了一种新防粘涂布液 （ 牌号 NOXOL WSW和 NOXOL ETH） ， 它由天然芳基酸如水果汁和甲壳素经处理后缩聚而成 ， 溶剂是碱性水溶液 ， 对人体无害 ， 使用2020 届化学工程与工艺专业毕业 设计（论文） 5 这种防粘涂布液对聚合体系及树脂质量没有不良影响 ， 生产的产品完全符合医药级和食品级聚氯乙烯树脂的要求 ， 清釜周期达到 500釜以上。 日本信越公司采用新的防粘釜剂进行 PVC悬浮聚合。 用蒸汽作载体成功地涂上两层不同种类的防粘釜剂， 第一种防粘剂是醛类化合 物和芳香类羟基化合物在亚硝酸盐和还原性糖存在下进行综合反应制得 ； 第二种防粘釜剂中至少 含有一种辅助抑垢物质，选用水溶性聚合物、无机盐类或酸。 在聚合釜中涂布防粘釜剂，生产的 PVC 树脂皮状物少 、 杂质少 、 白度高。 本设计的目的及意义 聚氯乙烯生产中，首先要合成氯乙烯单体，而在目前生产氯乙烯的主要方法 — 乙烯氧氯化法中，二氯乙烷裂解是至关重要的一步， 裂解炉在生产工艺中是重要设备，其运行质量直接影响着氯乙烯生产装置的正常运行，且关系着生产原料的单耗、装置的能耗等。 在氯乙烯的聚合中，聚合釜是主要的反应设备， 是聚氯乙烯生产的关键步骤，其运行情况将直接 影响聚氯乙烯的质量好坏和经济效益。 本设计的目的就 是要设计节能高效 的二氯乙烷裂解炉和聚氯乙烯聚合釜。 此项设计的主要意义是，能 提高裂解炉和聚合釜的产率， 节省不少的能源，可以暂时缓解能源日益匮乏的当今社会。 此项设计也可以应用于不少发展 中的 聚氯乙烯新企业，为他们提供一定的技术支持及参考。 冯松：年产 8 万吨氯乙烯、聚氯乙烯合成装置工艺设计 6 2 工艺确定 本设计是年产 8万吨聚氯乙烯、氯乙烯合成装置工艺设计，经过深入的研究考察，对各种工艺进行了认真分析，对于二氯乙烷裂解炉认为采用 SRTⅠ 裂解炉较好，其优点如下：（ 1） 该裂解炉 炉膛 小，传热性能好；（ 2）该裂解炉采用侧壁烧嘴，使用气态燃料，燃料利用率高，且炉膛温度均 匀，裂解炉管不易结焦；（ 3） EDC采用气相进料，停留时间短，结焦少，运行周期长。 裂解流程简图如 图 21所示 ： 二氯乙烷预热器蒸发罐蒸发器过热器裂解炉裂解盘管蒸汽发生管燃料气 去急冷塔热能回收 图 21 裂解流程简图 对于氯乙烯 聚合工艺，经过对各种工艺的比较和研究，认为采用聚合釜悬浮聚合工艺较好：（ 1） 悬浮聚合 的温度易控制， 良好的混合可产生较低的、更易于控制的反应速率，从而消除过热点， 产品质量好；（ 2） 由于聚合釜的搅拌，物料的充分混合可促进传热， 且在搅拌系统中可容纳很大的传热面积。 聚合釜 简图如 图 22所示 ： 电机夹套搅拌器减速器冷却水进口放料口冷却水出口进料口温度计插孔人孔 图 22 聚合 釜简图 2020 届化学工程与工艺专业毕业 设计（论文） 7 3 二氯乙烷裂解炉 工艺 设计 物料衡算 裂解炉设计产能为 80000t/a，则每小时产氯乙烯量为： 0 08 0 0 0 0  ； 裂解炉设计转化率为 55%， 则二氯乙烷每小时进料量 为 :  二 氯乙烷裂解原理 1， 2— 二氯乙烷加热到高温能脱去一分子的 HCl而转变为氯乙烯 ，其机理是自由基型的链锁反应。 ClCH2CH2Cl  高温 CH2=CHCl+HCl A B C 反应速率为： RTEaekk /0  （ ） 动力学参数： 70 k Ea 其副反应有： ClCH2CH2Cl   H2+2HCl+2C CH2=CHCl   C2H2+HCl CH2=CHCl+HCl   CH3CHCl2 其中，生产的氯乙烯会生成少量的聚合物。 裂解炉能耗计算 (1)40℃ EDC由预热器加热到 156℃ ， 进料量按 33t/h计算 ， 所需热量 Q1: )( 1211 TTCWQ E  （ ） 式中 :W 为进料量 ， 33 t/h。 1EC 为 EDC 在 MPa 下的比热容 ， (molK)。 2T 为预热后的温度 ， 156℃。 1T 为进料温度 ， 40℃。 所以： )/()40156()991000000(33 91 hJQ 。 冯松：年产 8 万吨氯乙烯、聚氯乙烯合成装置工艺设计 8 (2)156℃ 的 EDC 在裂解炉对流段被加热到 195℃ 所需热量 Q2 为 : )( 2322 TTCWQ E  （ ） 式中 :T3 为 EDC 在对流段的预热温度 ， 195℃ 所以： )/()156195()991000000(33 92 hJQ  (3)195℃ EDC 进入汽化器 ， 与裂解炉出口物料进行热交换。 使 195℃ 、 MPa 的 EDC全部汽化 ， 并且温度达到 266℃ ， 这部分物料所需热量 Q3 为 : 13423 )( EE HWTTCWQ  （ ） 式中 : HE1为 EDC 在 266℃ 、 MPa 下的汽化热 ， 14680J/mol。 T4 为 EDC 在汽化器内与裂解炉出口物料进行热交换后的温度 ， 即辐射段入口温度 ，为 266℃ ； 所以 14680)991000000(33)195266()991000000(333 Q )/( 9 hJ 这部分热量是从裂解炉出料回收来的 ， 无需外部供给。 （ 4）汽化后的 EDC进入裂解炉裂解 ， 裂解率为 55%， 未裂解的 EDC气体温度由 266℃ 上升至 480℃ ， 所需热量为 : )TT()33(R 45g4  ECWWQ 裂裂 （ ） 式中 : CEg为 EDC气体在 266℃ 时的比热容 ， J/(molK)； R为 EDC裂解热， 79470J/mol； T4为辐射段入口温度 ， 266℃ ； T5为裂解炉出口温度 ， 480℃ ； )226480()991 0 0 0 0 0 0()(79470)991 0 0 0 0 0 0( Q hJ / 10 ； 由以上计算可知裂解炉理论上热量的消耗 Q总 为 : 421 总 kWhJhJ 7903/)/(10)( 109  设裂解炉的效率为 75%，则实际所需要的热量 Q为： hJQ /107 9 108 4 1010  假设裂解炉用天燃气作为燃料，天燃气的热值大约为 37 /104 mJ ， 则每小时 至少 需要天燃气的量为： 37 10 9 4 8104 107 9 m 。 2020 届化学工程与工艺专业毕业 设计（论文） 9 裂解炉炉管 工艺计算 对流段炉管 计算 EDC从预热器出来后温度为 156℃ ，然后进入裂解炉对流段，出对流段时温度上升至195℃。 由于炉管管壁温度沿着 EDC的流动方向变化，因此传热温差也随着 EDC流动方向变化，这里假设管壁与 EDC的平均传热 温差为 50℃ ，即 △ t为 50℃。 由管壁向 EDC的总传热系数 K为： 1111 11SRK （ ） 式中：  为对流段炉管厚度，由于裂解炉属于中低压操作， 故选用一般中低压用无缝钢管， 589 mm型号，所以  值为 5mm；  为管壁的热导率，   KmW ； 1SR 为污垢热阻，取 1231   KmWR S ；  为给热系数。 由于 EDC在管内做强制对流， 由进料量和管径可求的 EDC在管内的流速为 ，查表得 EDC的密度 3/1253 mkg ，粘度 smPa  ， 所以 ： 7 7 6 9 1 2 5 3    du 即 10000Re ，所以采用给热系数的特征数关联式 nNu PrRe0 2  （ ） 式中： Pr 为普朗特数 ； 由于 EDC在管内被加热，所以 n=。 因为 lNu ，定型尺寸 l 规定为管内径 d， 所以有 Pr)(0 2  dud ，其中 ，KmW   为 EDC的热导率， EDC裂解的 为 ，即 d  KmW  7 69 所以 冯松：年产 8 万吨氯乙烯、聚氯乙烯合成装置工艺设计 10 KmWRKS231111520 111 设对流段管所需的传热面积为 A， 根据 tKAQ  可得： 291121 2 03 6 0 0mtK QA  所需管长 mdAl  。 辐射 段炉管 计算 汽化后的 EDC进入裂解炉，温度为 266℃ ，裂解后出口温度为 480℃ ， 假设辐射段的平均传热温差为 100℃。 所以由裂解管向 EDC蒸汽的传热系数为： 2222 11SRK （ ） 式中：  为对流段炉管厚度，由于裂解炉属于中低压操作，故选用一般中低压用无缝钢管，  mm型号，所以  值为 ；  为管壁的热导率，   KmW ； 2SR 为污垢热阻，取 1232   KmWR S ； 2 为给热系数 查得 EDC蒸汽的密度为 ，由进料量和管径可求得 EDC蒸汽的流速为 ，分析同 对流段， 即 1 2 3 2 1 3    du 即 10000Re ，所以采用给热系数的特征数关联式 nNu PrRe0 2  （ ） 所以 2020 届化学工程与工艺专业毕业 设计（论文） 11 22 PrRe02 d  KmW   所以 KmWRKS232222337 111 设对流段管所需的传热面 积为 A， 根据 tKAQ  可得： 210224 5 31 0 03 3 73 6 0 0108 6 mtK QA  所需管长 mdAl 1 00 9 5 3222  。 裂解炉设计 本设计的裂解炉是基于美国 Lummus公司开发的 SRTⅠ 门式裂解炉 ，并在此基础上做了一系列的改进。 对流段设计 对流段的设计在 SRTⅠ 门式裂解炉的基础上做了两处改进 如图 31所示。 裂解原料 裂解原料烟气来自辐射段 烟气来自辐射段蒸汽管去裂解去热能回收系统蒸汽出口预热盘管预热盘管改进前 改进后。