【文章內(nèi)容簡介】 乙炔法合成 VC的反應(yīng)原理及物化數(shù)據(jù) （一） 反應(yīng)機理 電石原料生產(chǎn)氯乙烯的原理是在氯化汞催化劑存在下，將電石水解精制后的乙炔氣與氯化氫加成直接合成氯乙烯 : C H C lCHH C lHC ??? 222 +上述反應(yīng)實際上是非均相的，分五個步驟進行，其中表面反應(yīng)為控制階段： ① 外擴散 乙炔、氯化氫向炭的外表面擴散； ② 內(nèi)擴散 乙炔、氯化氫通過炭的微孔向內(nèi)表面擴散； ③ 表面反應(yīng) 乙炔與氯化氫在氯化高汞活化中心反應(yīng)生成氯乙烯； ④ 內(nèi)擴散 氯乙烯通過炭的微孔向外表面擴散； ⑤ 外擴散 氯乙烯自炭外表面向氣流擴散。 不少學(xué)者 對該反應(yīng)的動力學(xué)進行了研究，比較成熟的如下： 本反應(yīng)的歷程先是氯化氫被吸附于氯化汞催化劑的活化中心上，然后與氣相中乙炔反應(yīng)而生成吸附態(tài)氯乙烯，最后氯乙烯再脫附下來，即： HC lHgC lHgC lHC l ??? 22 ClHCH g C lH C lH g C lHC 322222 ???? ClHCH g C lClHCH g C l 322322 ??? 其中第二步為速度控制步驟。在 130～ 175℃范圍內(nèi)該反應(yīng)動力學(xué)方程式為： V C MV C MHHHAH PKPK PPKKV ???? ???? 1 14 式中 。e x 。e x 。e x 36320314????????? ??????????? ??????????? ??????RTKRTKRTKV C MH V—— 乙炔轉(zhuǎn)化反應(yīng)速 度， kg mol(乙炔 )/【 kg(催化劑 ) h】； AP —— 乙炔分壓， atm； HP —— 氯化氫分壓， atm； VCMP —— 氯乙烯分壓， atm； T—— 溫度， K； R—— 氣體常數(shù)， （ kg mol K） （二）物化數(shù)據(jù) 見計算過程。 三、生產(chǎn)工藝條件的選擇及主要設(shè)備形式的選擇 （一）生產(chǎn)工藝條件的選擇 不同溫度下，氯乙烯合成反應(yīng)的熱力學(xué)平衡常數(shù) PK （表征反應(yīng)的可能程度）如下： 溫度 /℃ 25 100 130 PK 1510 1010 910 溫度 /℃ 150 180 200 PK 810 710 710 由上表可見，在 25～ 200℃范圍內(nèi)， PK 均較大。即，在此溫度范圍內(nèi)，都能得到較高平衡分壓的氯乙烯產(chǎn)品。 不同溫度下，該反應(yīng)動力學(xué)常數(shù) K（表征反應(yīng)的快慢程度）如下： 溫度 /℃ 100 140 181 218 K 1421 2297 15 因此，提高反應(yīng)溫度，有利于加快氯乙烯合成反應(yīng)，獲得較高的轉(zhuǎn)化率。但過高的溫度易使氯化汞催化劑吸附的氯化高汞升華而隨氣流帶走，降低氯化汞催化劑使用壽命 。 在生產(chǎn)條件下，反應(yīng)溫度的提高使合成氣中高沸物含量明顯上升： 反應(yīng)溫度 /℃ 135 150 175 187 193 高沸物含量 /% 因此，在生產(chǎn)條件許可下，應(yīng)盡可能將反應(yīng)溫度控制在 100～ 180℃為好。 （二）主要設(shè)備形式的選擇 氣液傳質(zhì)設(shè)備的類型很多，特別是近年來發(fā)展尤快。按氣液接觸基本結(jié)構(gòu)特點分類，其中有工業(yè)價值的大致可以分為三類： （ 1）填料塔 填料塔屬于微分接觸逆流操作，塔內(nèi)以填料作為氣液接觸的基本構(gòu)件。填料又可分為通用型填料和精密 填料兩大類。拉西環(huán)，鮑爾環(huán)，矩鞍填料等屬于通用型填料。圓網(wǎng)環(huán)，波紋網(wǎng)填料等屬于精密填料。通用型填料效率較低，但適應(yīng)性好。精密填料效率高，但尺寸也苛刻，在很多場合下其適應(yīng)性就受到許多限制。 （ 2）板式塔 板式塔屬于逐級接觸逆流操作，塔內(nèi)以塔板作為氣液接觸的基本構(gòu)件。塔板又可分為有降液管和無降液管兩種，在有降液管的塔板上氣相與液相相互垂直，屬于錯流型。無降液管的塔板（穿流型）則屬于逆流型。這兩類里又包括了許多不同型式的板上氣液接觸部件，如篩孔，柵條，浮閥，泡罩，浮板等。 （ 3）特種接觸塔型 此外，還有一些不屬于填料式和塔板型的特種氣液接觸設(shè)備，例如并流噴射塔、文氏管、臥式管、噴霧塔等，在工業(yè)生產(chǎn)上較有用的是并流噴射塔。 表 板式塔和填料塔的性能比較 [] 項目 塔型 板式塔 填料塔 壓力降 壓力降一般比填料塔大 壓力降小，較適于要求壓力降小的場合 空塔氣速（生產(chǎn)能力） 空塔氣速小 空塔氣速大 塔效率 效率穩(wěn)定，大塔效率比小塔有所提高 塔徑在 ? 1400mm 以下效率較高，塔徑增大，效率會下降 液 氣比 適應(yīng)范圍較大 對液體噴淋量有一定要求 16 持液量 較大 較小 材質(zhì)要求 一般金屬材料制作 可用非金屬耐腐蝕材料 安裝維修 較容易 較困難 造價 直徑大時一般比填料塔造價低 直徑小于 ? 800mm，一般比板式塔便宜，直徑增大，造價顯著增加 重量 較輕 重 所以經(jīng)過對生產(chǎn)能力、塔效率、流動阻力、操作彈性、結(jié)構(gòu)、造價、安檢等各項指標(biāo)的比較，和本身計算塔徑為 ? 800mm，綜合考慮我將選擇板式塔作為精餾的主要設(shè)備。 四 、工藝流程說明 電石乙炔法流程述 電石乙炔法生產(chǎn) PVC 分為四個工段，即乙炔工段、合成工段、精餾工段、聚合工段。 （ 1）乙炔工段 粉碎為粒徑 2550mm 的電石小顆粒裝入吊斗中，由吊車加入發(fā)生器的貯斗中，在加電石的同時向發(fā)生器連續(xù)加水，電石遇水反應(yīng)生成粗乙炔氣，送至清凈崗位并保持氣柜一定高度。來自發(fā)生器的粗乙炔氣，經(jīng)冷卻后去水環(huán)泵加壓，然后去清凈，中和除去硫、磷、二氧化碳等雜質(zhì)。經(jīng)冷凝除去水分后，送下一合成工段。 （ 2）合成工段 精乙炔、氯化氫兩種原料按 1: 進行混合，經(jīng)混合脫水系統(tǒng) 脫水、預(yù)熱后，通過裝有吸附的 HgCl2的含活性炭觸媒的列管式固定床催化合成粗氯乙烯單體。粗氯乙烯氣體經(jīng)凈化、水洗、堿洗、機前冷卻器、水分離器，由壓縮機加壓后送至精餾工段。 （ 3）精餾工段 來自合成工段壓縮機的粗氯乙烯，經(jīng) 全凝器 冷凝、水分離后 進入低沸塔進行 精餾 ，分離大部分雜質(zhì)，低沸塔塔釜液體進入高沸塔進一步精餾塔頂?shù)玫捷^純的 氯乙烯單體， 經(jīng)成品冷凝器冷凝后進入單體儲罐，然后進入聚合工段。從全凝器出來的未冷凝的氣體進入尾氣冷凝器回收 氯乙烯 ，尾氣經(jīng)過吸收裝置排空 。 （ 4）聚合工段 17 將精氯乙烯單體在聚合釜中按一定 的配方和操作條件 ,聚合為聚氯乙烯樹脂。 五、生產(chǎn)控制表 自控流程設(shè)計是流程圖設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，化工生產(chǎn)過程中，任何單元設(shè)備對流程設(shè)計都有一定的要求，且有一定的共性。在精餾工段典型的單元設(shè)備主要有低沸塔、高沸塔，下面介紹其自控流程部分。 （一）、低沸塔 由于低沸塔的塔底物料為主要產(chǎn)品，采用按提餾段指標(biāo)控制方案，塔底設(shè)置一自控裝置。但塔頂壓力穩(wěn)定是平穩(wěn)操作的重要因素，因為塔頂壓力的變化將引起塔內(nèi)氣相流量和塔板上氣液平衡條件的變化，從而使操作條件改變，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此塔頂也需要一自控裝置。 塔頂 低沸塔塔頂設(shè)有一壓力儀表，在出口管道上設(shè)置一壓力調(diào)節(jié)閥，將溫度表的測溫點與調(diào)節(jié)閥用線路連接，在線路中加入一壓力記錄控制儀表。同時在出口管道上設(shè)一裝有旁路閥的并聯(lián)管道，當(dāng)自控失靈時可以進行手控調(diào)節(jié)，保證壓力穩(wěn)定。 當(dāng)塔頂壓力過低時，壓力自動調(diào)節(jié)閥將自動將調(diào)節(jié)閥關(guān)小，使塔頂排氣量降低，使壓力自動回升至設(shè)定壓力。 塔底 低沸塔塔釜設(shè)有一液位計指示塔釜中液位，同時再沸器也設(shè)有一液位 指示控制儀表，儀表與再沸器熱水進口的調(diào)節(jié)閥相連 。 當(dāng)?shù)头兴脑俜衅髦幸何贿^低時，調(diào)節(jié)閥將自動調(diào)小開度，使進入再沸器的熱水量減少，從 而使液位復(fù)原；當(dāng)再沸器中液位過高時，閥門開度將增大，使進入再沸器的熱水量增加， 使液位降低。 （二）、高沸塔 由于高沸塔塔頂物料為主要產(chǎn)品，采用按精餾段指標(biāo)控制方案，塔頂設(shè)置一自控裝置。為控制塔釜液位，塔底再沸器也設(shè)置一液位自控裝置。 塔頂 高沸塔塔頂設(shè)有一溫度儀表，在出口管道上設(shè)置一溫度調(diào)節(jié)閥，將溫度儀表的測溫點與調(diào)節(jié)閥用線路連接，在線路中加入一溫度指示控制儀表。同時在出口管道上設(shè)一裝有截止閥的并聯(lián)管道，以防止自控失靈時可以手控調(diào)節(jié)。雙管齊下保證產(chǎn)品質(zhì)量。 當(dāng)塔頂溫度過低時，溫度自動調(diào)節(jié)閥將自動將調(diào)節(jié)閥 關(guān)小，使塔頂氣體流量降低，使溫度自動回升至設(shè)定溫度。 塔底 高沸塔塔釜設(shè)有一液位計指示釜中液位，同時塔釜再沸器設(shè)有一液位指示控制儀表，與再沸器熱水進口的調(diào)節(jié)閥相連。在熱水進口管道上設(shè)一裝有旁路閥的并聯(lián)管道，當(dāng)自控失靈時可以進行手控調(diào)節(jié)，使再沸器中液位穩(wěn)定。 當(dāng)再沸器中液位過低時，調(diào)節(jié)閥將自動調(diào)小開度，使進入再沸器的熱水量減少，從而使液位復(fù)原；當(dāng)再沸器中液位過高時，閥門開度將增大，使進入再沸器的熱水量增加，使液位降低。 18 第三章 物料衡算 根據(jù)設(shè)計要求，列表如下： 生產(chǎn)能力： 30000T PVC/年 名稱 \組分 VC EDC N2 C2H2 H2O 總計 分子量kg/kmol 99 28 26 18 流 量 kg/h 4720 90 120 20 80 5030 質(zhì)量含量 w% 摩爾含量 x 0． 0106 工藝流程圖概況（方塊圖）： 一 、氣柜： 進料 出料 冷凝水 （ 1）來自堿洗塔的物料流率 hk m olk m olkg hkgN VC /?? 同理可以得： 堿洗塔 氣柜 堿洗塔 氣柜 機前冷 凝器 壓縮機 機后冷凝器 油水分離器 全凝器 低沸塔 高沸塔 成品冷凝器 尾氣冷凝器 油水分離器 水 19 hkmo lN E D C /9 0 9 ? hkmolNN /2 8 ? hkm olN HC / ? hkm o lN OH /4 4 ? （ 3）冷凝水的求?。海ǔ隽?） 氣柜內(nèi) t=25176。 C ， 由 [1] 32P可查得此時 Pap S OH ? ∴ 1013255000 2222 222 ????????? HCNE D CvcOH OHS OHOH nnnnnnPPy ∴ n OH2= ∴氣柜內(nèi)水損失量 hk m o lN OH /2 ??? （ 4）從而得到出料的摩爾流率 hkmo lN VC /? hkmo lN E D C /9 0 9 ? hkmolN N / ? hk m o lN HC / ? hkm o lN OH /5 0 ? 物料衡算表： 二、機前冷凝器物料衡算 (出料 ) 組分 堿洗塔輸入 氣柜輸出 hkg w% hkmol y% hkg w% hkmol y% VC 4720 4720 EDC 90 90 N2 120 120 C2H2 20 20 H2O 80 ∑ 5030 100 100 20 進料 出料 冷凝水 進料即氣柜出料 查 查參考書 [1] p332： t出 =10176。 C ， P SH2O ? 由 1013254000 2222 222 ????????? HCNE D CvcOH OHS OHOH nnnnnnPPy 解得 hk mo lN OH /9 6 1 2 ? 所以冷凝水的量為 hk m o lN OH / 6 1 2 ???? 因此 從機前冷凝器的出料摩爾流率是： hkmo lN VC /? hkmo lN E D C /9 0 9 ? hkmolN N / ? hk m o lN HC / ? hk mo lN OH /9 6 1 ? 物料衡算表： 組分 從氣柜輸入 機前冷凝器輸出 hkg w% hkmol y% hkg w% hkmol y% Vc 4720 4720 EDC 90 90 N2 120 120 C2H2 20 20 H2O ∑ 氣柜 機前冷 凝器 21 三 . 壓縮機