天津大学反应工程课程设计---氯乙烯合成

天津大学

课程设计

题目：100000吨/年PVC装置氯乙烯合成车间工艺设计完成期限：2014年2月24日到2014年3月14日

学院化工学院指导教师徐艳

专业分子科学与工程职称副教授

学生学号

目录

第一章文献综述 (4)

1.1氯乙烯和聚氯乙烯的发展状况 (4)

1.1.1氯乙烯 (4)

1.1.2聚氯乙烯 (4)

1.2生产工艺 (4)

1.2.1电石法生产PVC 生产工艺 (4)

1.2.2生产方法的比较 (5)

第二章氯乙烯合成工艺方案的确定 (5)

第三章物料衡算 (5)

3.1 设计依据 (6)

3.2 VCM流量 (7)

3.3 混合器 (8)

3.4 石墨冷却器 (10)

3.5 转化器 (11)

3.6 泡沫塔 (12)

3.7水洗塔 (12)

3.8 碱洗塔 (13)

3.9 机前冷却器 (13)

3.10 机后冷却器 (14)

3.11全凝器 (14)

3.12高沸塔 (16)

3.13低沸塔 (17)

第四章热量衡算 (18)

4.1 转化器 (18)

4.2 机前冷却器 (20)

4.3机后冷却器 (21)

4.4低沸塔 (22)

4.5低沸塔塔顶冷凝器 (22)

4.6低沸塔再沸器 (23)

第五章设备选型计算 (23)

5.1机前冷却器 (23)

5.2机后冷却器 (24)

5.3氯乙烯单体储罐 (24)

5.4氯乙烯单体压缩机 (24)

5.5转化器 (24)

第六章乙炔法氯乙烯合成过程中产生的“三废”及处理措施 (25)

参考文献 (26)

附件 (27)

第一章文献综述

1.1氯乙烯和聚氯乙烯的发展状况

氯乙烯是聚氯乙烯的中间体，也是生产聚氯乙烯的原料。而聚氯乙烯( PVC) 是世界五大通用合成树脂之一。

1.1.1氯乙烯

氯乙烯是制备聚氯乙烯及其共聚物的单体，也常称为氯乙烯单体( VCM) , 在世界上是与乙烯和氢氧化钠等并列的最重要的化工产品之一。氯乙烯沸点- 13.9℃; 在室温下是无色气体; 因存在不饱和双键, 很容易聚合, 能与乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯、偏二氯乙烯、丙烯腈、丙烯酸酯等单体共聚。共聚产物可以制得各种性能的树脂, 加工成管材、板材、薄膜、塑料地板、各种压塑制品、建筑材料、涂料和合成纤维等[1]。

1.1.2聚氯乙烯

聚氯乙烯，英文简称PVC，是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂。PVC为无定形结构的白色粉末，支化度较小，具有较大的多分散性；无固定熔点，80～85℃开始软化，130℃变为粘弹态，160～180℃开始转变为粘流态；有较好的机械性能，抗张强度60MPa 左右，冲击强度5～10kJ/m2；有优异的介电性能。但对光和热的稳定性差，在100℃以上或经长时间阳光曝晒，就会分解而产生氯化氢，并进一步自动催化分解，引起变色，物理机械性能也迅速下降，在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性[2]。

1.2生产工艺

目前, 世界上氯乙烯的生产技术主要电石乙炔法、乙烯法等等。本次设计利用的方法是电石乙炔法。

1.2.1电石法生产PVC 生产工艺

由于我国具有丰富廉价的煤炭资源，用煤炭和石灰石生成碳化钙(电石)、然后电石加水生成乙炔的VCM 生产路线具有明显的成本优势。乙炔法氯乙烯合成工艺流程是:电石与水反应生成乙炔,乙炔与氯化氢在氯化汞的催化作用下合成氯乙烯[3]。

主要采用列管式固定床反应器。反应管径为57 mm, 管壁厚度为3.5 mm, 内装有平均尺寸为53×6 mm 的条状HgCl2 /AC 催化剂。乙炔与经过石墨冷凝器的氯化氢气体按一定比例在混合器中混合后进入石墨冷凝器中, 用- 35 ℃盐水间接冷却到- 14 ℃左右, 进入酸雾捕集器, 用硅油玻璃棉捕集酸雾使之生成盐酸, 放入盐酸贮槽。除去酸雾的干燥混合气体进入预热器, 由流量计控制从上部进入串联转化器组。后台反应器排出的粗氯乙烯气体在高温下带出的氯化汞在填充活性炭的除汞器中除去, 然后进入石墨冷凝器, 用0℃水间接冷却到

15 ℃以下再进入泡沫塔, 回收过量的氯化氢以制取30% 以上的盐酸放入酸贮槽[4]。

1.2.2生产方法的比较

乙炔法氯乙烯合成工艺流程是:电石与水反应生成乙炔,乙炔与氯化氢在氯化汞的催化作用下合成氯乙烯;乙烯法氯乙烯合成工艺流程是:乙烯经氯化或氧氯化反应合成二氯乙烷,再裂解生成氯乙烯。下面就这两种方法的工艺，生产成本方面进行简单比较。

从目前合成工艺路线可知,乙炔法氯乙烯工艺流程较短,技术较成熟,但生产能力相对较小。乙烯法氯乙烯工艺虽然流程较长,但也具有许多优点: 催化剂损失小,冷却设备的能耗变小，减少了副反应产物，防止其对环境的污染等等[5]。

在乙烯法PVC 和乙炔法PVC 生产成本构成中, 电石价格对乙炔法PVC 生产成本影响很大，尔生产电石的主要原料是电、石灰石和焦炭,影响电石价格走向的主要因素是动力电的价格。目前,乙烯法PVC生产成本与乙炔法PVC 生产成本相比具有较大的优势。

我国石油资源匮乏，煤炭储量相对丰富，因此我国采用电石法生产聚氯乙烯是主要的方法。据统计，我国2010年乙炔法合成聚氯乙烯产量在国内PVC 行业中占总量的77.7%以上，而国内生产的电石有近80% 都用于生产PVC［6］。

第二章氯乙烯合成工艺方案的确定

乙炔和氯化氢在以氯化汞为活性组分、以活性炭为载体的催化剂上气相反应生成氯乙烯。乙炔来源: CaO+ 3C→CaC2+ CO

CaC2+ 2H2O→Ca( OH) 2+ CH≡CH

主反应: CH≡CH+ HCl→H2C= CHCl

主要副反应: CH≡CH+ 2HCl→CH3- CHCl2

CH≡CH+ H2O→CH3- CHO

反应机理:a乙炔先与氯化汞发生加成反应, 生成中间产物氯乙烯氯汞

CH≡CH+ HgCl 2→ClCH= CH- HgCl

b氯乙烯氯汞不稳定, 和氯化氢反应生成氯乙烯

ClCH = CH - HgCl + HCl → CH2 - CHCl +HgCl2

目前乙炔法合成氯乙烯主要采用列管式固定床反应器。乙炔与经过石墨冷凝器的氯化氢气体按一定比例在混合器中混合后进入石墨冷凝器中,再进入转化器中催化反应。反应工艺流程图如下：