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化工工艺毕业论文

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摘要

聚氯乙烯是世界上最早实现工业化生产的塑料品种之一。

由于其具有难燃、抗化学腐蚀、耐磨、电绝缘性优良和机械强度较高等优点，广泛应用于农业、石油化工、轻工、纺织、化学建材、电力、冶金、国防军工、建材、食品加工等国民经济各命脉部门，在国民经济发展中具有举足轻重的地位。

本次设计对年产6万吨PVC精馏工段进行工艺设计。

采用电石乙炔法制取氯乙烯。

此法是以电石为原料，电石水解生产乙炔，氯碱生产中产生的氯气和氢气直接合成法合成氯化氢，由乙炔和氯化氢经净化后在转化器中合成粗氯乙烯单体，粗氯乙烯单体经精馏后得到精氯乙烯单体，精氯乙烯单体经悬浮聚合得到PVC。

确定了生产方法之后对氯乙烯合成工段、精馏工段进行了物料衡算、热量衡算和设备选型计算。

本文设计的电石乙炔法生产粗氯乙烯在工艺上可满足要求。

关键词：

PVC合成；粗氯乙烯精馏；物料衡算；热量衡算；设备选型

Abstract

PVCistheworld'sfirstindustrialproductionoftheplasticvarieties.Becauseit,theanti-chemicaletching,wear-resisting,theelectricinsulationfineandthemechanicalstrengthnationaleconomyvariouslivesdepartmentsandsoonagriculture,petroleumchemicalindustry,lightindustry,spinningandweaving,chemistrybuildingmaterials,electricpower,metallurgy,nationaldefensewarindustry,buildingmaterials,foodprocessing,Hasthepivotalstatusinthenationaleconomydevelopment.

Thedesignofanannualoutputof60,000tonsofPVCsectionfordistillationprocessdesign.Preparationoftheuseofcalciumcarbideacetyleneperchlorethylene.Thismethodisbasedoncalciumcarbideasrawmaterials,theproductionofcalciumcarbideofchlorineandproducedbythedirectsynthesisofchloridesynthesisfromacetyleneandchloridebywaterinthecoarseconverterinthesynthesisofvinylchloridemonomer,vinylchloridesingleroughAfterthebodyrefinedbythedistillationofvinylchloridemonomerandrefinedbythesuspensionpolymerizationofvinylchloridemonomertobePVC.Methodstodeterminetheproductionsectionofthesynthesisofvinylchloride,distillationsectiontothematerialbalance,andselectionofequipment.

Thisarticledesignsthecalciumcarbideacetylenelawproducesthethickvinylchloridetobepossibletosatisfytherequestinthecraft.

Keyword:

PVCsynthesis;vinylchlorideselectiveevaporation;Materialbalance

引言1

第一章绪论3

1.1聚氯乙烯工业的发展概况3

1.1.1聚氯乙烯工业3

1.1.2国外聚氯乙烯工业的发展3

1.1.3中国的聚氯乙烯工业5

1.2聚氯乙烯工业在国民经济中的重要意义5

1.3聚氯乙烯的分类6

1.4聚氯乙烯的性质6

1.4.1物理性质6

1.4.2化学性质6

1.5厂址的选择7

第二章聚氯乙烯的生产过程9

2.1氯乙烯的生产方法9

2.1.1电石乙炔法9

2.1.2联合法10

2.1.3乙烯法10

2.1.4确定生产方案12

2.2氯乙烯单体的聚合12

2.2.1悬浮聚合12

2.2.2本体聚合13

2.2.3乳液聚合13

2.2.4溶液聚合13

2.2.5聚合方法的确定13

2.3氯乙烯单体的生产工艺13

2.3.1氯乙烯生产条件的选择14

2.3.2氯乙烯制备的工艺流程16

第三章物料衡算21

3.1需原料气的计算21

3.1.1每小时需生产VC量：

21

3.1.2每小时所需纯原料量21

3.2乙炔冷却器的物料衡算23

3.3氯化氢冷却器的物料衡算24

3.4混合器的物料衡算26

3.5石墨冷凝器的物料衡算27

3.6转化器的物料衡算29

3.7水洗塔物料衡算30

3.8碱洗塔物料衡算32

3.9机后冷却器的物料衡算33

3.10全凝器的物料衡算35

3.11水分离器的物料衡算37

3.12尾气冷凝器的物料衡算38

3.13低沸塔的物料衡算39

3.14高沸塔的物料衡算41

第四章热量衡算43

4.1氯化氢冷却器的热量衡算43

4.2乙炔冷却器热量衡算44

4.3石墨冷凝器的热量衡算45

4.4转化器的热量衡算46

4.4.1反应热Q反47

4.4.2原料气带入热Q入47

4.4.3出料带出热Q出48

4.4.4热损失Q损49

4.4.5热载体所需量49

4.5水洗塔热量衡算50

4.6高沸塔的热量衡算52

4.6.1回流比的确定52

4.6.2热量衡算52

4.6.3再沸器所需热水量GH及冷凝器所需冷冻盐水量GC的计算55

4.6.4再沸器和冷凝器所需传热面积的计算55

第五章设备选型计算59

5.1石墨冷凝器的选型计算59

5.1.1求平均温度差△tm59

5.1.2确定传热面积及传热系数59

5.1.3求给热系数验算K值60

5.1.4最后确定K值及传热面积64

5.2精馏塔操作的计算64

5.2.1理论塔板数的确定65

5.2.2实际塔板数的确定68

5.2.3最小回流比的确定68

第六章车间厂房布置设计69

6.1厂房布置设计的条件和依据69

6.1.1常用的规范和规定69

6.1.2设计的基本条件69

6.1.3设计的基本依据69

6.2车间厂房的布置设计70

6.2.1厂房的平面布置70

6.2.2厂房的空间布置71

6.2.3厂房布置时需注意的问题71

6.2.4车间设备布置设计71

第七章管路布置设计73

7.1化工管路概述73

7.2管路设计73

7.2.1管路设计的依据73

7.2.2管路设计的内容73

7.2.3管路设计的步骤74

7.3管路布置74

结论75

参考文献77

谢辞79

引言

聚氯乙烯是世界上最早实现工业化生产的塑料品种之一。

由于其具有难燃、抗化学腐蚀、耐磨、电绝缘性优良和机械强度较高等优点，广泛应用于农业、石油化工、轻工、纺织、化学建材、电力、冶金、国防军工、建材、食品加工等国民经济各命脉部门，在国民经济发展中具有举足轻重的地位。

氯碱工业是我国基础原材料产业，产品种类多、关联度大，下游产品达上千个品种，具有较高的经济延伸价值，据统计，每万吨氯碱产品所带动的一次性经济产值在10亿元人民币以上。

另外，氯产品也是生活饮用水处理和日用化学品生产的主要原料，与人民生活息息相关。

由于氯碱工业具有的特殊地位，建国以来，一直将主要氯碱产品产量及经济指标作为国民经济统计和考核的重要指标。

聚氯乙烯是一种重要的热塑性树脂。

他经过成型加工、改性，可以制成软质、硬质、泡沫、纤维等塑料制品，性能优良，用途很广。

聚氯乙烯是从1930年才开始作为工业材料的，但现在年产量已逾1100万吨，约占世界塑料总产量的五分之一，仅次于聚乙烯居第二位。

同时生产设备不断向大型化发展。

据报道目前最大的氯乙烯生产装置达36万吨每年。

我国于1958年开始大规模工业生产，现在是发展最快的通用树脂之一。

以氯乙烯树脂为基料和增塑剂、填料、稳定剂、着色剂、改性剂等多种助剂混合后经塑化、成型加工而成的聚氯乙烯塑料应用相当广泛。

通用型悬浮法聚氯乙烯树脂可以加工成软制品和硬质品。

日常生活中常见的电缆外皮、防水卷材、农用膜、密封材料等属于软制品，塑钢门窗、上下水管、硬纸板材、管件等一般为硬质品。

氯乙烯聚合的基本方法有四种：

悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合及溶液聚合。

树脂产品的物理形态有粉状、糊状、溶液和清漆等。

他们各自适应一定的加工工艺或使用范围。

目前主要用悬浮法生产，成品为某种粗细的粒状树脂，适宜于压延、挤出、注射、吹塑等成型加工工艺。

最近有关专利报道，对悬浮法做适当改进，可生产代糊用树脂。

在聚氯乙烯生产中，单体氯乙烯的合成是关键。

其合成工艺路线，按基本原料来源，可分为电石路线和石油路线。

电石路线以电石为原料，先水解得乙炔，然后把乙炔和氯化氢混合，通过氯化汞催化剂合成氯乙烯，这是生产单体氯乙烯的老方法。

它具有设备简单，工艺成熟，投资低，能小规模经营的特点。

但存在耗电量大，原料成本高，因安全问题生产规模受到限制，和钢铁工业争焦炭，同时会引起汞的污染问题，因而不能适应聚氯乙烯大发展需要的缺点。

氯乙烯的合成、精馏、聚合一直就是氯乙烯生产的热点问题。

我国有非常丰富的电石资源，以电石为原料生产氯乙烯自然成为国内大部分生产氯乙烯工厂的共同选择。

第一章绪论

1.1聚氯乙烯工业的发展概况

聚氯乙烯树脂，即常说的PVC树脂，是一个用来表示一类由氯乙烯单体衍生的聚合物和共聚物的叙述性名称。

1930年～1933年实现了聚氯乙烯工业规模的生产，但大规模的发展还是在解决了增塑加工方法之后才成为一种用途广泛的树脂。

1958年聚氯乙烯在我国开始大规模生产，现在已成为发展最快的通用树脂之一。

从世界范围来看，PVC第二大合成树脂，消费量仅次于聚乙烯。

近几年，全球PVC的总产能一直持续扩张，但其增长点主要集中在中国。

由于世界经济非平衡式发展，各地区PVC市场的供求和发展状况存在一定的差异，欧洲和北美市场对PVC需求的扩张主要依赖对下游高端产品的需求增长，亚洲经济的迅速发展带动PVC市场的产销依然旺盛。

此外，从生产工艺路线看，除中国和极少几个国家以电石法工艺路线生产，绝大部分国家都是采用石油天然气路线，生产工艺的差别导致了世界各主要地区PVC的市场价格和生产成本也不尽一致。

2006年全球PVC产能约4291.1万吨，较2005年的4041.1万吨，增长了6.48%，受2004年全球经济转好的影响，2005年是PVC产能增加最多的一年，增长率由2004年的4.19%增加到9.72%，尤其仅中国产能就增加了280万吨，增长率达到35.45%之多。

中东地区PVC产能长期短缺，为了适应需求增长，一些厂家也开始扩大产能，2005年产能增幅也达到了29%。

近两年北美PVC产能并没有增长，但2008年以后北美PVC产能增加将接近100万吨，增幅达到12.60%。

1.1.1聚氯乙烯工业

聚氯乙烯化学性质稳定，中性无毒，同时既轻又坚固，适应性强且价格便宜。

近几年来聚氯乙烯发展的很快，在很大范围上替代了其它有较少问题的材料，如玻璃、金属、纸、陶瓷和树木等，在建筑材料、消费用品、医疗汽车行业等都有着广泛的应用。

   近年来，我国PVC表观消费量以年均10%～15%左右的速度增长，PVC制品一直以薄膜、人造革、电缆料和鞋类四大系列的软制品为主。

目前在各领域的应用比例正在不断变化，软制品消费比例逐年下降，而异型材、管材、板材等主要用作建筑材料的硬制品的消费比例不断提高。

预计到2010年仅化学建材业对PVC树脂的需求量将达到200万t；电子电器工业中PVC电缆料、电器连接件以及仪器设备壳体等对PVC的需求量也将有较大幅度的增长，将达100万t。

此外，包装、农业、汽车、医疗、日常生活用品等领域对PVC的需求量也将不断增长。

   从近几年我国聚氯乙烯（PVC）行业发展趋势来看，聚氯乙烯消费高速的增长，同时也引发了我国聚氯乙烯（PVC）的建设热潮，聚氯乙烯（PVC）市场竞争将更加激烈。

同时，近年我国环保、节能、减排、差别电价、出口退税调整、加工贸易调整等政策措施不断出台，执行力度也比以往任何一年都要来得更猛烈。

传统的PVC生产格局正面临新的形势和冲击，传统企业如不能尽快通过技改、创新、改制等手段降本增效、化劣势为优势，将有被淘汰的危险。

1.1.2国外聚氯乙烯工业的发展

自从20世纪60年代以来，国外发达国家根据聚氯乙烯市场竞争加剧和能源结构情况，开发了新的平衡氧氯化工艺。

到目前为止，全球有93%以上的单体采用氧氯化法生产。

但是，在少数国家，由于电石来源广泛，乙炔法氯乙烯生产成本比采用石油的氧氯化法低，所以，乙炔法和联合法仍占有一些市场。

世界聚氯乙烯工业中，美国的生产能力和实际产量均居首位，生产工艺先进，产品更新快，各国较多地引进美国的生产技术，所以说，美国是了解世界聚氯乙烯的窗口。

1991年，美国的生产能力为476.43万吨，占世界聚氯乙烯生产能力23%，产量416.3万吨，消费量414.5万吨。

1992年以来，美国的聚氯乙烯市场供不应求，使之产量增加9%，其中管件消费量上升28%，护墙板提高35%，门窗型材提高38%，电线电缆增长16%，地板增长8%。

1993年美国的PVC产量比1992年增长4.5%，1994年，美国的PVC生产能力为523万吨，到2000年，美国聚氯乙烯生产能力已达到615.8万吨，产量580.2万吨。

西欧聚氯乙烯工业开发较早，目前生产技术已比较成熟。

1990年，生产能力达598.9万吨，占世界总生产能力的27%，产量550万吨，占世界产量的30%。

西欧每年消费聚氯乙烯500~520万吨，其消费结构为硬制品占64%，软制品占36%。

近年来，由于受“绿色和平”运动的影响，使西欧的PVC产量、消费量和价格都有所下降。

1992年总消费量下降4%。

1993年有所回升，1994年，西欧的PVC生产能力可达大约739万吨，其中欧共体国家生产能力年增长水平为4.8%，非欧共体国家为3.3%，产量约为501.3~612.5万吨；到2000年，生产能力达到751.7万吨，产量573.9~669.76万吨，市场需求在659万吨以上。

日本聚氯乙烯工业起步较晚，但发展迅速，1991年聚氯乙烯树脂生产能力已达211.6万吨,占世界总生产能力的9%，产量202.4万吨，占世界的11%，是亚洲地区目前生产能力和产量最大的国家。

在1992~2000年间，日本PVC产品需求量年增长率在7%以上。

东欧：

东欧地区1990年聚氯乙烯生产能力为240.7万吨，产量166.5万吨。

1992年，东欧地区产量仅为124.4万吨，1985~1992年间PVC年平均减产2.4%。

1994年有所增加，产量达到203.6万吨。

到2000年，生产能力的年增长率为2.2%，人均消费量为4.45kg，消费水平仍然很低。

1.1.3中国的聚氯乙烯工业

 我国PVC树脂是伴随着氯碱工业而发展起来的，是烧碱厂主要以氯为主料的产品，也是烧碱厂平衡氯气的主要手段。

由于我国烧碱厂规模小而分散，致使PVC工业的发展先天不足，一直采用电石乙炔为主要原料组织生产，能耗高、污染严重和产品成本无竞争力是其三大致命弱势。

我国PVC生产厂生产每吨PVC树脂的能耗高达500kW·

1.4.1物理性质

比重：

1.35-1.45

宏观密度：

0.40-0.65gcm3

比热容：

0.8372-1.465Jg℃（0～100℃）

导热系数：

0.6128W（m·K）

折光率：

1.544

颗粒半径：

悬浮60～150微米，本体30～80微米，糊树脂0.1～2微米，掺混20～80微米；

外形：

无毒无臭白色颗粒；

电性能：

耐电击穿，可用于1万V低压电缆。

1.4.2化学性质

耐酸碱性：

PVC化学性质稳定，可在常温下耐最大浓度的盐酸、90%以下的硫酸、浓硝酸（50-60%）以及浓碱（20%）溶液。

PVC树脂在高温下与浓碱发生脱HCl反应，而在浓硝酸或浓硫酸中发生氧化分解反应。

溶解性：

PVC树脂可溶于酮类（丙酮、环己酮）、酯类氯代物（二氯乙烷、氯、四氯化碳）及芳香烃（苯、二甲苯、四呋喃），对水、汽油、酒精等特别稳定，PVC树脂不溶于乙烯单体。

燃烧性：

PVC树脂在火焰上燃烧能降解并放出HCl，离开火焰立即自熄。

老化性：

较耐老化，但在光照（尤其光波长为270～310mm时）和氧作用下会缓慢分解，释HCl，形成羰基、共轭双键而变色。

1.5厂址的选择

厂址的选择非常重要，直接影响到企业产品成本、运输、市场、环保等多个方面。

聚氯乙烯项目选址主要应该考虑以下一些原则。

（1）符合国家、地区和城乡规划的要求。

（2）应靠近主要原料供应地区，并尽可能靠近主要下游用户。

（3）具备充足的水源供应。

（4）厂址应布置在居民区下风向和江河的下游。

（5）安全的原则，防洪、防震、防地质灾害、战争危害。

（6）注意环境保护，考虑“三废”的达标排放，减少对生态和环境的影响。

（7）实事求是的原则，调查研究多个厂址，进行科学分析和比选。

（8）在国务院、国家有关部门规定的风景名胜区、自然保护区、饮用水源保护区和其他需要特别保护的区域内，城市规划界外2km以内，主要河流两岸、公路、铁路、水路两侧，及居民聚集区和其他严防污染的食品、药品、卫生产品、精密制造产品等企业周边1km以内，国家及地方政府所规定的环保、安全防护距离内，禁止新建电石法聚氯乙烯和烧碱生产装置。

位于主要原料的产地，水、电等公用工程设施配套完备，远离居民区、繁华场所及农田设施，处于所在地区主导风向的下风口，交通运输方便快捷，无疑是聚氯乙烯工厂建设厂址选择的最佳方案。

所以，在拟建聚氯乙烯工厂项目的前期工作中，必须对拟建项目的厂址选择进行科学的研究和论证，尤其是拟建厂对周围环境的影响，否则如果在建设中或在开车后发现问题，将很难解决，因而造成很大损失。

在石油资源自给率只有约30%的国情下，依靠进口乙烯、二氯乙烷或氯乙烯来生产聚氯乙烯的工厂，厂址定于沿海靠近港口之地，当是首选；中西部地区，由于是电石的主要生产地，且有充足的煤电供应，建设电石法聚氯乙烯工厂，具有较大的成本优势和竞争能力，但不管选用何种工艺，不论厂址确定在何方，聚氯乙烯装置对周围环境的影响，必须给出科学的评价，锲而不舍地用科学的手段探索、研究、采用防护措施，以求避免或最大限度地降低其对周围环境可能造成的伤害。

本次设计所选工厂位于内蒙古乌海市。

乌海市地处中西部地区，是电石的主要生产地，且有充足的煤电供应，具有较大的成本优势和竞争能力。

第二章聚氯乙烯的生产过程

2.1氯乙烯的生产方法

氯乙烯的工业合成，首先以电石乙炔为原料进行生产，随着石油化工的发展，逐渐过渡到以石油乙烯为主。

2.1.1电石乙炔法

电石乙炔法是以来自食盐电解的氢与氯气，经过合成炉混合燃烧反应得到干燥氯化氢，再与净化和脱水后乙炔进行加成反应即得粗氯乙烯，经过精制后获得纯氯乙烯单体。

（1）乙炔的发生

主反应CaC2+2H2O→C2H2+Ca（OH）2+130kJmol（2-1）

副反应CaO+H2O→Ca（OH）2+63.6kJmol（2-2）

CaS+2H2O→Ca（OH）2+H2S↑（2-3）

Ca2N2+6H2O→3Ca（OH）2+2NH3↑（2-4）

Ca3P2+6H2O→3Ca（OH）2+2PH3↑（2-5）

Ca2Si+4H2O→2Ca（OH）2+SiH4↑（2-6）

（2）氯化氢的合成

H2+Cl2→2HCl+185.04kJmol（2-7）

（3）生成氯乙烯反应

反应以HgCl2为催化剂，于130～180℃下进行：

主反应CH≡CH+HCl→CH2＝CHCl+124.8kJmol（2-8）当HCl过量时，

副反应：

CH2＝CHCl+HCl→CH3CHCl3（2-9）

而当乙炔过量时，易使催化剂中升汞还原为甘汞和水银，使催化剂失活。

电石乙炔法的流程简图如图2-1所示。

图2-1电石乙炔法工艺流程简图

电石乙炔法历史悠久，是最早工业化的。

而且工艺流程易掌握。

但以电石、石油或天然气制得乙炔，耗能大、成本高，一些氯乙烯主要生产国均不采用此法。

2.1.2联合法

电石乙炔法成本高，因而建厂受到限制。

随着石油化工的发展，在氯乙烯制造中出现了一部分碳源来自石油乙烯，再与电石乙炔相结合来获得聚氯乙烯单体。

这种方法称为联合法。

其过程是将石油乙烯与来自电解车间的氯反应生成1，2—二氯乙烷，精制后进行裂解得到氯化氢，再与电石乙炔进行加成反应，所得氯乙烯纯化后即可作为单体使用。

其反应式如下：

（1）CH≡CH+Cl2→CH2ClCH2Cl（2-10）

（2）CH2ClCHCl2→CH2＝CHCl+HCl（2-11）

（3）CH≡CH+HCl→CH2＝CHCl（2-12）

联合法的生产过程如图2-2所示：

图2-2联合法的生产过程

本法生产成本较电石乙炔法为低。

2.1.3乙烯法

BICM法（二氯乙烷法）

用石油乙烯完全取代电石乙炔，最早是美国SHLLDEVELOPMENTNETHERLAND公司发展的。

为使生产过程中产生的氯化氢得到利用，美国采取了应用于四乙基铅生产的办法。

但这种用量是很有限的。

随着氯乙烯生产规模的大型化，氯化氢必须找到适宜的出路。

后采用迪肯（Dcacon）法，将氯化氢氧化为氯，从而使该法得到了完善且更经济。

应用该法生产的有荷兰的SHELLNETHERLANDCHEMICAL公司以及德国的BASF公司等。

其化学反应原理如下：

（1）乙烯氯化CH2＝CH2+Cl2→CH2ClCH2Cl（2-13）

（2）二氯乙烷热解脱氯化氢CH2ClCH2Cl→CH2＝CHCl+HCl（2-14）

（3）氧化氯化氢为氯2HCl+12O2→Cl2+H2O（2-15）

所得的氯用于乙烯氯化反应。

孟山都（MONSANTO）公司以自己的乙烯氯化和裂解专利与凯洛克（KELLOGG）公司的改进的氯化氢氧化技术相