年產10萬噸氯乙烯、聚氯乙烯合成裝置工藝設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 應器內壁 ， 與聚合物系直接接觸 ， 大大增加了釜的傳熱面積。 （ 4）解決 PVC聚合釜粘壁問題 目前也是聚氯乙烯工藝發(fā)展的重點。解決 PVC聚合釜粘壁問題有 3種方法 ： 使用清釜溶劑 ； 噴涂防粘釜溶液 ； 聚合體系中加入結垢抑制 劑。也可將上述方法結合使用 ， 目前普遍采用的是噴涂防粘釜劑。 EVC公司開發(fā)了防粘釜劑專利產品EVICAS90， 具有應用范圍廣 ， 操作簡單 ， 運行時間長等特點 ， 可使反應釜連續(xù)運行 500次 ，最好可達到 1000次。 VINNOLIT公司采用了防粘釜效果甚佳的防粘釜劑 SERO8， 它是一種水溶液 ， 可直接噴涂到聚合釜內壁及攪拌器表面 ， 連續(xù)運行達 600次以上。 VESTOLIT公司也采用一種特殊防粘釜劑 ， 利用低壓蒸汽將防粘釜劑從釜頂兩個固定式噴吐設備噴吐到釜內壁、攪拌器及釜頂回流冷凝器表面 ， 清釜周期 500釜左右 ， 回流冷凝器可連續(xù)運 行 1年 。意大利塞斯公司 （ CIRS） 推出了一種新防粘涂布液 （ 牌號 NOXOL WSW和 NOXOL ETH） ， 它由天然芳基酸如水果汁和甲殼素經處理后縮聚而成 ， 溶劑是堿性水溶液 ， 對人體無害 ， 使用2020 屆化學工程與工藝專業(yè)畢業(yè) 設計（論文） 5 這種防粘涂布液對聚合體系及樹脂質量沒有不良影響 ， 生產的產品完全符合醫(yī)藥級和食品級聚氯乙烯樹脂的要求 ， 清釜周期達到 500釜以上。日本信越公司采用新的防粘釜劑進行 PVC懸浮聚合。用蒸汽作載體成功地涂上兩層不同種類的防粘釜劑， 第一種防粘劑是醛類化合 物和芳香類羥基化合物在亞硝酸鹽和還原性糖存在下進行綜合反應制得 ； 第二種防粘釜劑中至少 含有一種輔助抑垢物質，選用水溶性聚合物、無機鹽類或酸。在聚合釜中涂布防粘釜劑，生產的 PVC 樹脂皮狀物少 、 雜質少 、 白度高。 本設計的目的及意義 聚氯乙烯生產中，首先要合成氯乙烯單體，而在目前生產氯乙烯的主要方法 — 乙烯氧氯化法中，二氯乙烷裂解是至關重要的一步， 裂解爐在生產工藝中是重要設備，其運行質量直接影響著氯乙烯生產裝置的正常運行，且關系著生產原料的單耗、裝置的能耗等。在氯乙烯的聚合中，聚合釜是主要的反應設備， 是聚氯乙烯生產的關鍵步驟，其運行情況將直接 影響聚氯乙烯的質量好壞和經濟效益。本設計的目的就 是要設計節(jié)能高效 的二氯乙烷裂解爐和聚氯乙烯聚合釜。 此項設計的主要意義是，能 提高裂解爐和聚合釜的產率， 節(jié)省不少的能源，可以暫時緩解能源日益匱乏的當今社會。此項設計也可以應用于不少發(fā)展 中的 聚氯乙烯新企業(yè)，為他們提供一定的技術支持及參考。 馮松：年產 8 萬噸氯乙烯、聚氯乙烯合成裝置工藝設計 6 2 工藝確定 本設計是年產 8萬噸聚氯乙烯、氯乙烯合成裝置工藝設計，經過深入的研究考察，對各種工藝進行了認真分析，對于二氯乙烷裂解爐認為采用 SRTⅠ 裂解爐較好，其優(yōu)點如下：（ 1） 該裂解爐 爐膛 小，傳熱性能好；（ 2）該裂解爐采用側壁燒嘴，使用氣態(tài)燃料，燃料利用率高，且爐膛溫度均 勻，裂解爐管不易結焦；（ 3） EDC采用氣相進料，停留時間短，結焦少，運行周期長。裂解流程簡圖如 圖 21所示 ： 二氯乙烷預熱器蒸發(fā)罐蒸發(fā)器過熱器裂解爐裂解盤管蒸汽發(fā)生管燃料氣 去急冷塔熱能回收 圖 21 裂解流程簡圖 對于氯乙烯 聚合工藝，經過對各種工藝的比較和研究，認為采用聚合釜懸浮聚合工藝較好：（ 1） 懸浮聚合 的溫度易控制， 良好的混合可產生較低的、更易于控制的反應速率，從而消除過熱點， 產品質量好；（ 2） 由于聚合釜的攪拌，物料的充分混合可促進傳熱， 且在攪拌系統(tǒng)中可容納很大的傳熱面積。 聚合釜 簡圖如 圖 22所示 ： 電機夾套攪拌器減速器冷卻水進口放料口冷卻水出口進料口溫度計插孔人孔 圖 22 聚合 釜簡圖 2020 屆化學工程與工藝專業(yè)畢業(yè) 設計（論文） 7 3 二氯乙烷裂解爐 工藝 設計 物料衡算 裂解爐設計產能為 80000t/a，則每小時產氯乙烯量為： 0 08 0 0 0 0 ??? ； 裂解爐設計轉化率為 55%， 則二氯乙烷每小時進料量 為 : ????? 二 氯乙烷裂解原理 1， 2— 二氯乙烷加熱到高溫能脫去一分子的 HCl而轉變?yōu)槁纫蚁?，其機理是自由基型的鏈鎖反應 。 ClCH2CH2Cl ?? ??高溫 CH2=CHCl+HCl A B C 反應速率為： RTEaekk /0 ?? （ ） 動力學參數(shù)： 70 ??k ?Ea 其副反應有： ClCH2CH2Cl ? ?? H2+2HCl+2C CH2=CHCl ? ?? C2H2+HCl CH2=CHCl+HCl ? ?? CH3CHCl2 其中，生產的氯乙烯會生成少量的聚合物。 裂解爐能耗計算 (1)40℃ EDC由預熱器加熱到 156℃ ， 進料量按 33t/h計算 ， 所需熱量 Q1: )( 1211 TTCWQ E ???? （ ） 式中 :W 為進料量 ， 33 t/h。 1EC 為 EDC 在 MPa 下的比熱容 ， (molK)。 2T 為預熱后的溫度 ， 156℃ 。 1T 為進料溫度 ， 40℃ 。 所以： )/()40156()991000000(33 91 hJQ ???????? 。 馮松：年產 8 萬噸氯乙烯、聚氯乙烯合成裝置工藝設計 8 (2)156℃ 的 EDC 在裂解爐對流段被加熱到 195℃ 所需熱量 Q2 為 : )( 2322 TTCWQ E ???? （ ） 式中 :T3 為 EDC 在對流段的預熱溫度 ， 195℃ 所以： )/()156195()991000000(33 92 hJQ ???????? (3)195℃ EDC 進入汽化器 ， 與裂解爐出口物料進行熱交換。使 195℃ 、 MPa 的 EDC全部汽化 ， 并且溫度達到 266℃ ， 這部分物料所需熱量 Q3 為 : 13423 )( EE HWTTCWQ ?????? （ ） 式中 : HE1為 EDC 在 266℃ 、 MPa 下的汽化熱 ， 14680J/mol。 T4 為 EDC 在汽化器內與裂解爐出口物料進行熱交換后的溫度 ， 即輻射段入口溫度 ，為 266℃ ； 所以 14680)991000000(33)195266()991000000(333 ??????????Q )/( 9 hJ?? 這部分熱量是從裂解爐出料回收來的 ， 無需外部供給。 （ 4）汽化后的 EDC進入裂解爐裂解 ， 裂解率為 55%， 未裂解的 EDC氣體溫度由 266℃ 上升至 480℃ ， 所需熱量為 : )TT()33(R 45g4 ?????? ECWWQ 裂裂 （ ） 式中 : CEg為 EDC氣體在 266℃ 時的比熱容 ， J/(molK)； R為 EDC裂解熱， 79470J/mol； T4為輻射段入口溫度 ， 266℃ ； T5為裂解爐出口溫度 ， 480℃ ； )226480()991 0 0 0 0 0 0()(79470)991 0 0 0 0 0 0( ???????????Q hJ / 10?? ； 由以上計算可知裂解爐理論上熱量的消耗 Q總 為 : 421 ???總 kWhJhJ 7903/)/(10)( 109 ??????? 設裂解爐的效率為 75%，則實際所需要的熱量 Q為： hJQ /107 9 108 4 1010 ???? 假設裂解爐用天燃氣作為燃料，天燃氣的熱值大約為 37 /104 mJ? ， 則每小時 至少 需要天燃氣的量為： 37 10 9 4 8104 107 9 m?? ? 。 2020 屆化學工程與工藝專業(yè)畢業(yè) 設計（論文） 9 裂解爐爐管 工藝計算 對流段爐管 計算 EDC從預熱器出來后溫度為 156℃ ，然后進入裂解爐對流段，出對流段時溫度上升至195℃ 。 由于爐管管壁溫度沿著 EDC的流動方向變化，因此傳熱溫差也隨著 EDC流動方向變化，這里假設管壁與 EDC的平均傳熱 溫差為 50℃ ，即 △ t為 50℃ 。 由管壁向 EDC的總傳熱系數(shù) K為： 1111 11SRK?????? （ ） 式中： ? 為對流段爐管厚度，由于裂解爐屬于中低壓操作， 故選用一般中低壓用無縫鋼管， 589?? mm型號，所以 ? 值為 5mm； ? 為管壁的熱導率， ?? ?? KmW ； 1SR 為污垢熱阻，取 1231 ??? ???? KmWR S ； ? 為給熱系數(shù) 。 由于 EDC在管內做強制對流， 由進料量和管徑可求的 EDC在管內的流速為 ，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? ，所以采用給熱系數(shù)的特征數(shù)關聯(lián)式 nNu PrRe0 2 ? （ ） 式中： Pr 為普朗特數(shù) ； 由于 EDC在管內被加熱，所以 n=。 因為 ??lNu? ，定型尺寸 l 規(guī)定為管內徑 d， 所以有 Pr)(0 2 ???? dud ?，其中 ，KmW ??? ? 為 EDC的熱導率， EDC裂解的 為 ，即 d?? ? KmW ??????? 7 69 所以 馮松：年產 8 萬噸氯乙烯、聚氯乙烯合成裝置工藝設計 10 KmWRKS???????????231111520 111??? 設對流段管所需的傳熱面積為 A， 根據(jù) tKAQ ?? 可得： 291121 2 03 6 0 0mtK QA ?????? 所需管長 mdAl ???? ? 。 輻射 段爐管 計算 汽化后的 EDC進入裂解爐，溫度為 266℃ ，裂解后出口溫度為 480℃ ， 假設輻射段的平均傳熱溫差為 100℃ 。 所以由裂解管向 EDC蒸汽的傳熱系數(shù)為： 2222 11SRK?????? （ ） 式中： ? 為對流段爐管厚度，由于裂解爐屬于中低壓操作，故選用一般中低壓用無縫鋼管， ?? mm型號，所以 ? 值為 ； ? 為管壁的熱導率， ?? ?? KmW ； 2SR 為污垢熱阻，取 1232 ??? ???? KmWR S ； 2? 為給熱系數(shù) 查得 EDC蒸汽的密度為 ，由進料量和管徑可求得 EDC蒸汽的流速為 ，分析同 對流段， 即 1 2 3 2 1 3 ?? ???? ?? ?du 即 10000Re? ，所以采用給熱系數(shù)的特征數(shù)關聯(lián)式 nNu PrRe0 2 ? （ ） 所以 2020 屆化學工程與工藝專業(yè)畢業(yè) 設計（論文） 11 22 PrRe02 d?? ? KmW ??????? ? 所以 KmWRKS???????????232222337 111??? 設對流段管所需的傳熱面 積為 A， 根據(jù) tKAQ ?? 可得： 210224 5 31 0 03 3 73 6 0 0108 6 mtK QA ?????? 所需管長 mdAl 1 00 9 5 3222 ???? ? 。 裂解爐設計 本設計的裂解爐是基于美國 Lummus公司開發(fā)的 SRTⅠ 門式裂解爐 ，并在此基礎上做了一系列的改進。 對流段設計 對流段的設計在 SRTⅠ 門式裂解爐的基礎上做了兩處改進 如圖 31所示。 裂解原料 裂解原料煙氣來自輻射段 煙氣來自輻射段蒸汽管去裂解去熱能回收系統(tǒng)蒸汽出口預熱盤管預熱盤管改進前 改進后