【文章內容簡介】 合氣體法制備氯乙烯采用石腦油作原料，將石腦油用燃燒氣體裂解后，制成含乙炔和乙烯的混合氣體，該混合氣體先后與氯化氫和氯氣反應，制成易分離的氯乙烯和 1，2二氯乙烷經熱裂解制成氯乙烯，日本吳羽化學公司將其工業(yè)化生產。將該法中的原料從石腦油換成石油，則成為原油裂解法，可得到高濃度的乙炔、乙烯的混合氣體，而且可從副產物的芳香族的焦油、瀝青的物質中制造熱煤油或碳纖維等物質，具有綜合的經濟效益。 1955～ 1958年，美國的化學公司研究的大規(guī)模乙烯氧氯化法制備 1， 2二氯乙烷取得 成功。至此以后，乙烷全部取代乙炔成為制備氯乙烯的原料。至目前為止，大多數(shù)工廠都采用乙烯直接氯化和乙烯氧氯化制備 1， 2二氯乙烷（ EDC ），再將 EDC 加以熱裂解得到氯乙烯單體（ VCM ）的聯(lián)合切平衡的 V C ME DCOX YE DCDC ???? 法來制備氯乙烯。聯(lián)合平衡法充分利用廉價的原料，基本上不生成副產物，目前西方世界 90%以上的氯乙烯產量是用該法生產的。 我國從 50年代開始研究和生產聚氯乙烯， 1953年由沈陽化工研究院和北京化工研究院開始小試， 1956年小試成功，并在錦西建立了第一個生產廠家。此后各地相繼投產，到 1970年已經發(fā)展到 20家，原料聚乙烯單體全部采用電石乙炔法制得，隨著我國的不斷發(fā)展，已經逐步開始建設乙烯氧化制氯乙烯的生產裝置。 1976年，我國已經開始形成了一條新的乙烯路線。 氯乙烯精餾形式 本 設計 主要以新疆氯堿行業(yè)普遍 采用的乙炔法制氯乙烯為例。乙炔法制備氯乙烯，制備的粗乙烯經液化后，既含有低沸點物 22HC 、 2N 、 2H 等，也含有高沸點物 222 ClHC 、CHOCH3 等，而氯乙烯的沸點位于中間，所以要用兩個塔進行分離，先用低沸塔把低沸物分離出來，再用高沸塔把高沸物分離出來，才能得到較純凈的精氯乙烯。因此以下精餾塔設計包括低沸塔與高沸塔設計。 化學與環(huán)境工程系畢業(yè)設計（論文） 7 2 低沸精餾塔工藝設計 氯乙烯精餾工序物料衡算的已知條件 原料成分 粗氯乙烯溶液，粗氯乙烯含量 90%（質量比），乙炔含量 2%，二氯乙烷含量 2%，水含量 6%。 低沸塔操作條件 操作壓力（表壓） ，塔頂溫 度 30℃ ，進料板溫度 5℃ ，塔釜溫度 50℃ ；回流比 510，單板壓降 ，全塔效率 30%。 高沸塔操作條件 操作壓力（表壓） ，塔頂溫度 20℃ ，進料板溫度 50℃ ，塔釜溫度 30℃ ；回流比 ，單板壓降 ，全塔效率 30%。 精餾要求 精氯乙 烯含量 %（質量比），乙炔含量 ≤%。 全凝器的物料衡算 原料成分 粗氯乙烯溶液，其中氯乙烯 %90 （質量比），乙炔 %2 （質量比），二氯乙烷 %2 （質量比），水 %6 （質量比），本次設計要聚氯乙烯的年產量為 10萬噸 /年，一年生產時間為h8000 ，粗氯乙烯溶液可采用流量為 /年，即： 0 0 0/1 0 2 0 0 0 ?。 粗氯乙烯溶液中各組分組成的計算 粗氯乙烯溶液流量為 ，則 氯乙烯的質量分數(shù) %90 ，即 ： % ?? 乙炔的質量分數(shù) %2 ，即 ： % ?? 二氯乙烷的質量分數(shù) %2 ，即 ： % ?? 水的質量分數(shù) %6 ，即 ： % ?? 全凝器物料衡算 hK m o lW 0 0 ???水 hK m o lD V C M ??? hK m o lD ??乙炔 hK m o lD 5 5 ??二氯乙烷 化學與環(huán)境工程系畢業(yè)設計（論文） 8 故原料液流量 ：二氯乙烷乙炔水 DDDWF V C M ???? 8 ???? ? 低沸塔的物料衡算 在低沸塔中，主要進行氯乙烯和乙炔的分離，而不考慮二氯乙烷的影響。 低沸塔進料的原料液中含有氯乙烯 ，乙炔 ，求其質量分數(shù)： %98% ????? B?? 氯乙烯 %2% ????? A?? 乙炔 根據工藝要求，塔頂餾出液組成 % ，塔底釜液組成 % 。為了便于計算，假設一次性把乙炔蒸餾完全。 原料液及塔頂，塔底的摩爾分率 乙炔的摩爾質量 ： K m o lkgM A ? 氯乙烯的摩爾質量 ： K m o lkgM B ? 進料： ???Fx 塔頂： ???Dx 塔底： ???Wx 原料液及塔頂，塔底的平均摩爾質量 K m o lkgM F )( ?????? K m o lkgM D 0 5 )9 9 9 ( 9 9 ?????? K m o lkgM W 4 0 )0 0 2 ( 0 2 ?????? 物料衡算 原料液處理量： hKm olF ?? 總物料衡算： WDF ?? WD??193 乙炔的物料衡算： WD ????? 解得： hKmolD ? hK m o lW ? 化學與環(huán)境工程系畢業(yè)設計（論文） 9 圖 21 低沸精餾塔 表 21 低沸精餾塔物料衡算計算結果 組分 進料 F 塔頂 D 塔底 W 流量 hKmol 193 185 由圖表 21可知物料平衡。 低沸塔塔板數(shù)的確定 乙炔 氯乙烯的汽液相平衡數(shù) 由化學化工物性數(shù)據手冊查得乙炔，氯乙烯的飽和蒸汽壓如下表 22， 23所示 ： 表 22 氯乙烯的飽和蒸汽壓 氯乙烯 ℃ 40 20 0 20 蒸汽壓 KPa 表 23 乙炔的飽和蒸汽壓 乙炔 ℃ 40 20 0 20 蒸汽壓 KPa 1486 2635 4347 根據乙炔，氯乙烯的飽和蒸汽壓，利用泡點方程 ： ???BABpp ppx ??? xppy A?? hK m o lF ?乙炔 氯乙烯 hKmo lD ? 乙炔 氯乙烯 hK m o lW ?乙炔 氯乙烯 化學與環(huán)境工程系畢業(yè)設計（論文） 10 計算出乙炔的汽液相平衡數(shù)據如下表 24： 表 24 乙炔的汽液相平衡數(shù) 溫度 T ℃ 液相中乙炔的摩 爾分數(shù)AX 汽相中乙炔的摩爾分數(shù) AY 40 20 0 20 圖 22 最小回流比的確定 最小回流比和操作回流比 采用圖解法求最小回流比，在圖的對角線上自 ? ?, 作垂線 ef 即為進料線 q線，該線與平衡線的交點坐標為 ： ?qy ， ?qx 。 則最小回流比： ? ? ? ? in ???? qqqD xyyxR 故取操作回流比為 ： 6?R （低沸塔的操作回流比為 5~10） 精餾塔 的氣液相負荷 hK m o lRDL ???? ? ? ? ? hK m o lDRV ?????? hK m o lFLL 4 9 39。 ????? hK m o lVV 39。 ?? 操作線方程 精餾段操作線方程 ： ???? xxVDxVLyD 提餾段操作線方程 ： 39。39。39。39。39。39。 ???? xxVWxVLyW 理論板層數(shù) 由圖 22做梯級求得理論塔板數(shù)如圖 23所示： 化學與環(huán)境工程系畢業(yè)設計（論文） 11 圖 23 圖解法求理論塔板數(shù) 采用圖解法求 得 理論板層數(shù)結果為 ： 總理論板層數(shù) ： ?TN ， 進料板位置 ： 5?FN 考慮到乙炔與氯乙烯屬于非同類化合物與理想溶液的拉烏爾定律有較大的誤差，故取板效率為 %30 。 所以：精餾段實際板層數(shù) ： ??精N 提餾段實際板層數(shù) ： ??提N 低沸塔其他物性數(shù)據的計算 精餾塔的工藝條件及有關物性數(shù)據的計算，以精餾段為例進行計算。 操作壓力計算 塔頂操作壓力 ： K P aP D 5 15 5 0 1 ??? 每層塔板壓降 ： KPaP ?? 進料板壓力 ： K P aP F ???? 精餾段平均壓力 ： ? ? K P aP M 5 6 5 1 ??? 操作溫度的計算 依據操作壓力，由泡點方程通過試差法計算出泡點溫度，其中氯乙烯和乙炔的飽和蒸汽壓由安托尼方程計算，計算結果如下： 塔頂溫度 ： 30?DT ℃ 進料板溫度 ： 5?FT ℃ 精餾段平均溫度 ： ? ? ???MT ℃ 平均摩爾質量計算 化學與環(huán)境工程系畢業(yè)設計（論文） 12 塔頂平均摩爾質量計算 ： ?? YX D 查平衡曲線得 ： ?X K m o lkgM V D M )( ?????? K m o lkgM L D M )( ?????? 進料板平均摩爾質 量計算 由圖解理論板得 ： ?FY 查平衡曲線得 ： ?FX K m o lkgM VFM 6 4 )1 6 0 ( 6 0 ?????? K m o lkgM L F M )0 1 4 7 ( 1 4 7 ?????? 精餾段平均摩爾質量 K m o lkgM VM )( ??? K m o lkgM LM )( ??? 平均密度的計算 （ 1） 氣相平均密度的計算 由理想氣體狀態(tài)方程計算： ? ? mkgRT MP M VMMVM ??? ???? （ 2） 液相平均密度的計算 液相平均密度依據下式計算： iiLMa?? ??1 （ 3） 塔頂液相平均密度的計算 由 30?DT ℃ ，查化學化工物性數(shù)據手冊得： mkga ?? 3893 mkgb ?? )( 1 mkgL D M ???? （ 4） 進料板液相平均密度的計算 由 5?FT ℃ ，查化學化工 物性數(shù)據手冊得： mkga ?? 3968 mkgb ?? 進料板液相的質量分率： 化學與環(huán)境工程系畢業(yè)設計（論文） 13 ? ? 00621 ????? ??Aa ? ? 1 mkgL F M ???? （ 5） 精餾段液相平均密度的計算： )( mkgL F M ???? 液相平均表面張力的計算 液相平均表面張力依據下式計算： iiLM x?? ?? （ 1） 塔頂液相平均表面張力的計算： 由 30?DT ℃ ，查化學化工物性數(shù)據手冊得： mmNA ?? mmNB ?? mmNL F M )9 9 9 (0 4 9 9 ??????? （ 2） 進料板液相平均表面張力的計算： 由 5?FT ℃ ，查化學化工物性數(shù)據手冊得： mmNA ?? mmNB ?? mmNL F M )0 1 4 7 ( 1 4 7 ??????? （ 3） 精餾段液相平均表面張力： mmNLM )( ???? 低沸精餾塔的塔體工藝尺寸的計算 圖 24為低沸精餾塔示意圖。 圖 24 低沸 精餾塔示意圖 化學與環(huán)境工程系畢業(yè)設計（論文） 14 塔徑的計算 精餾段的氣，液相體積流率為： smVMV VMVMS ????? ? smLML LMLMS ????? ? 由VVLCu ? ?? ??m ax ， 式中 C 按 )20( LCC ?? 計算，其中 20C 由 文獻 [2]查取，圖的橫坐標為： 2121 ??????????????????VLhhVL ?? 取板間距 mHT ? ，板上液層高度 mhL ? 則： mhH LT ?? 20C 由 文獻[2]查取，得： ?C ??????????????? LCC ? smu a x ??? 由 文獻 [2]取安全系數(shù)為 ，則空塔氣速為： smuu m a x ???? muVD S ?? ? 按照標準塔徑圓整后為 ： mD ? 塔截面積為 ： 222 mDAT ???? ?? 實際空塔氣速為： smu ?? 精餾塔有效高度計算 精餾段有效高度為： )114(1 ????? THNZ ）（ 精精 提餾段有效高度為：