-
氯乙烯生产车间精制工段低沸
塔设计
氯乙烯生产车间精制工段低沸塔设计
摘要
聚氯乙烯（
PVC
）作为重要的有机化工产品，它广泛用于工业、农
业
、建筑、等行业。
氯乙烯（
VC
）是制
备
PVC
的单体。在世界上氯乙
烯与乙
烯和氢氧化钠等是并列的最重要的化工产品之一。
它以其低廉
的
价格和非常突出的均衡性能而成为十分理想的材料。
本文对年产
12.5
万吨
VC
精制工段进行了工艺设计。
简单介绍了
VC
合成工段的生产方法、原理、工艺流程，对主要设备参数等进行了计
算及设计。通过对原料、中间产物、产品的各种性质的分析和氯乙烯单
体合成工段生产原理的了解和掌握，制定出了合理的生产方案及工艺流
程。同时以设计任
务以及计算机为辅助
,
对氯乙烯精制工段中的低沸塔进
行了物料衡算，热量衡算，塔及其附属设备的计算。最终完成了设备尺
寸
型号的确定及对设备材质的选择等工作，并绘制了相应的工艺流程图
和设备图。
关键词：氯乙烯；低沸塔；流程图；设备图
Abstract
目
录
摘要
.........................
..................................................
..................................................
.....
1
Abstract
...................
..................................................
..............................................
I
引
言
.
...
..................................................
..................................................
.......................
1
第
1
章
文献综述
.
..................................................
..........................................
2
1.1
氯乙烯在国民经济的地位和作用
.
........................
2
1.2
氯乙烯工业的发展及前景
.
.............................
...............
2
1.3
氯乙烯的生产方法
.
................................
................................
3
1.4
氯乙烯的性质
.......
..................................................
.....................
7
1.4.2
化学性质
.......
..................................................
...............
8
1.5
电石乙炔法生产氯乙烯的工艺原理
..................
9
1.6
生产条件的选择
.
.................................
....................................
1
2
1.7
本设计任务
< br>.
...................................
...............................................
1
5
第
2
章
物料衡算与热量衡算
< br>
.
.......................
..................................
1
6
- I
-
2.1
物料衡算
.
....................................
..................................................
...
1
6
2.1.1
计算方法
.......
..................................................
............
1
6
2.1.2
计算机框图
.
.................................
..............................
1
7
2.2
热量衡算
............
..................................................
..........................
1
8
2.2.1
温度计算
.......
..................................................
............
1
8
2.2.2
回流比的计算
.
................................................ ...
2
1
2.2.3
热量衡算
.......................
..........................................
2
3
第
3
章
塔的工艺计算及校核
..................
.......................................
2
7
3.1
塔的选择
............
..................................................
..........................
2
7
3.2
浮阀塔的工艺计算
.
..................................
.......................
2
7
3.2.1
逐板计算
.......................
..........................................
2
7
3.2.2
塔径的计算与选择
.......................................
2
9
3.2.3
塔板布置及流体力学验算计算
.........
3
3
第
4
章
塔及其附属设备的计算与选型
.
..............................
5
1
- I
-
4.1
塔顶冷凝器的设计与选型
.........................................
5
1
4.2
塔底再沸器的设计与选型
.........................................
5
1
4.3
泵的选型与计算
.........
..................................................
.........
5
2
4.3.1
回流泵
< br>.
...................................
.........................................
5
2
4.3.2
进料泵
< br>.
...................................
.........................................
5
2
4.3.3
塔釜液泵
.......
..................................................
............
5
3
4.3.4
除沫器
.......
..................................................
..................
5
3
4.4
主要接管
............
..................................................
..........................
5
4
4.4.1
塔顶蒸汽出口管
....
.............................................
5
4
4.4.2
回流管径
.......
..................................................
............
5
4
4.4.3
加料管径
.......
..................................................
............
5
4
4.4.4
塔釜出料管径
.
................................
........................
5
5
4.4.5
塔釜进气管径
.
................................
........................
5
5
4.5
塔体结构
............
..................................................
..........................
5
5
- I
-
符号说明
.
....................................
..................................................
............................
5
7
参考文献
.
..................................................
..................................................
..............
5
8
致
谢
..........................
..................................................
..........................................
5
9
- I
-
引
言
氯乙烯是重要的有机化工产品，它
的主要用途是生产聚聚氯乙烯。
在我国聚氯乙烯树脂更是经历
了从无到有，
由少到多的历程。
聚氯乙
烯树脂是我国五大基础树脂之一，我国由于经济的持续高涨，树脂合成
技术和加工技术的
进步，使聚氯乙烯在工业、农业、建筑、汽车包装和
家电等各个领域得到了广泛的应用，
尤其是我国的建筑行业对聚氯乙烯
的需求强劲市场缺口较大。而氯乙烯作为聚氯乙烯的单
体，只有供应充
足才能满足它的后续产品有更大的发展。
市场经济的大蓬勃发展正在推动着我国聚氯乙烯工业的发展，
作为氯
碱工业的支柱产业聚氯乙烯工业正在推动着一些相关产业的发展。聚氯
< br>乙烯历史上曾经是使用量最大的塑料，
现在某些领域上以被聚乙烯、
PET
所代替，但仍然在大量使用，其消耗量仅次于聚乙烯和聚丙烯。
由于我国经济的稳定增长，
对聚氯乙烯的需
求量很大，
对原料的需求
也逐渐增加。因此氯乙烯的发展前景非
常良好。从世界形势看，中东、
南美和中国在未来
5-8
年内对全氯乙烯的需求仍将保持增长的势头。其
中中国的需求增长尤为
强劲，需求量的年均增长率将达到
8%-10%
。近
几年来，
国内
PVC
生产
装置规模水平虽在不断地提高，
但与国外的
PVC
平均装置规模为
15
—
20
万吨每年及最大装置规模在
100
万吨
每年以上
相比仍明显的落后。另外，国家一系列的政策的出台，针对高耗能和高
污染行业进行清理整顿，电石行业作为高耗能和高污染行业将被国家列
为
限制类行业，行业的发展将受到限制。从长远发展来看，我国高耗能
项目将逐步减少并被
加强控制；而且，电力的短缺使得成本较低的电石
行业面临成本增加状况。
- 28 -
第
1
章
文献综述
1.1
氯乙烯在国民经济的地位和作用
氯乙烯在常温常压下为无色气体，具有微甜，其分子内包含双键，工
业上氯乙烯以液态运输，不允许人体直接接触，属
OSHA
管制物质。氯
乙烯是重要的有机化工产品，它的主要用途是生产聚聚氯乙烯。在我国
聚氯乙烯树脂更是经历了从无到有，由少到多的历程。聚氯乙烯树脂是
我国五大基础树脂之一，我国由于经济的持续高涨，树脂合成技术和加
工技术的进步，
使聚氯乙烯在工业、农业、建筑、汽车包装和家电等各
个领域得到了广泛的应用，尤其是
我国的建筑行业对聚氯乙烯的需求强
劲市场缺口较大。而氯乙烯作为聚氯乙烯的单体，只
有供应充足才能满
足它的后续产品有更大的发展。市场经济的大蓬勃发展正在推动着我国
聚氯乙烯工业的发展，作为氯碱工业的支柱产业聚氯乙烯工业正在推动
< br>着一些相关产业的发展。由于聚氯乙烯优异的性能，成本低，在许多领
域代替了木
材和钢铁。我国由于建筑行业的活跃，聚氯乙烯的消费正在
蓬勃发展，而国内不能满足全
部的需求。在“十五”期间，我国国民经
济的发展西部大开发都给聚氯乙烯的发展带来了
新机遇，发展建筑业、
农业、信息业加、快快城市化进程和市政工程建设、保护生态环境
、改
善和提高人民生活质量、走可持续发展道路、都需要大量的乙烯制品。
聚氯乙烯历史上曾经是使用量最大的塑料，现在某些领域上以被聚乙烯、
PE
T
所代替，但仍然在大量使用，其消耗量仅次于聚乙烯和聚丙烯。聚
氯乙烯制品形式十分丰富，可分为硬聚氯乙烯、软聚氯乙烯、聚氯乙烯
糊三大类。硬
聚氯乙烯主要用于管材、门窗型材、片材等挤出产品，以
及管接头、电气零件等注塑件和
挤出吹型的瓶类产品，它们约占聚氯乙
烯
65%
以上的消耗。软聚氯乙烯主要用于压延片、汽车内饰品、手袋、
- 28 -
薄膜、标签、电线电缆、医用制品等。聚氯乙烯糊约占聚氯乙
烯制品的
10%
，主要用产品有搪塑制品等。
< br>
1.2
氯乙烯工业的发展及前景
1835
年
lt
首
先发现了氯乙烯，在实验室以二氯乙烷和乙
醇钾溶液制得氯乙烯。
1911
年
Klaett
和
Rollet
由乙炔和氯化氢合成
氯乙烯。
1913
年
G
riesim-Elektron
使用氯化汞催化剂使这项合成得以
发展
.
。
1926
年，美国
B.F.
Goodrich
公司的
Waldo
Semon
合成了
PVC
并在美国申请了专利。
1931
年以氯化汞为催化剂
,
由乙炔和氯化氢
合成氯乙烯工艺首先
在德国实现工业化。
1933
年美国开发了乙烯法生产
氯乙烯工艺，乙烯直接氯化生成二氯乙烷，而后在碱作用下二氯乙烷分
子
脱氯化氢得到氯乙烯。
1950
年研究出二氯乙烷裂解得到氯乙
烯，
并和
电石乙炔生产氯乙烯组成联合法氯乙烯工艺
[4]
。随着石油工业的发展，
1958
年
Dow
化学公司将电石乙炔工艺路线改换成石
油乙烯工艺路线，
建成了固定床乙烯氧氯化法氯乙烯装置。
19
64
年
ch
公司建
成了流化床乙烯氧氯化法氯乙烯装置。由于乙烯氧氯化法较其他氯乙烯
合成方法在技
术指标上更为合理，这种工艺的出现使氯乙烯的生产得到
了飞速的发展。
70
年代开始，国外的新建氯乙烯工厂均以乙烯氧氯化法
为基础，与此同时，对老厂进行技术改造。
我国的乙烯产量
1990
年为
77.7
万吨。当前仍以电石乙炔为主，使
用乙烯的厂家很少。
1977
年北京化工二厂引进
ch
技术
，
建
成年产
8
万吨乙烯氧氯化法装置，随后有山东齐鲁石化公司和上海氯碱
总厂的氧氯化装置投产。化
学工业部北京化工厂研究院开展了空气法流
化床氧氯化技术及其催化剂的研究，中国科学
院兰州化学物理所对乙烯
氧氯化法工艺进行了进一步的研究，锦西化工研究院对氧氯化固
定床催
- 28 -
化剂研究。与
此同时北京化工二厂、齐鲁石化公司等厂家对技术进行了
深入剖析，对装置提出改进方案
，经实施后均得到了满意的效果。
由于我国经济的稳定增长，
对乙烯的需求量很大，
对原料的需求也逐
渐增加。因此氯乙烯的发展前景非常良好。从世界形势看，中东、南美
和中国在未来<
/p>
5-8
年内对全氯乙烯的需求仍将保持增长的势头。其中中
国的需求增长尤为强劲，需求量的年均增长率将达到
8%-10%
，中东和
那南美地区对全氯乙烯的需求量的年均增长率将达到
5%
以上。
1.3
氯乙烯的生产方法
1.3.1
电石乙炔法
使用乙炔作原料生产氯乙烯单体的工艺过程是众所周知的，
是将乙炔
与氯化氢反应生成氯乙烯。乙炔转化为氯乙烯的选择性可达
99%
，副产
物是
1
，
1-
二氯乙烯、反式二氯乙烷和偏二氯乙烯。在氯化氢中微量的
水会导致产生乙醛。如果使用的乙炔含有丁二烯，反应后生成的单体中
也会含有丁二烯、氯丁二烯，较大量的乙炔等，在聚和时影响树脂的质
量。因此，使用
纯净的乙炔很重要。此反应可以是气相，也可以是液相
反应，工业上采用的是气相法，其
反应式为：
C
2
H
2
+HCl
→
C<
/p>
2
H
3
Cl <
/p>
反应式采用列管式，分成两组，催化剂是氯化高汞，载体是活性炭，
一般
HgCl
2
的含量是
10%
到
20%
。第一组
装入使用过的催化剂，第二
组装入新催化剂。催化剂
HgCl<
/p>
2
是易挥发的物质，直接影响乙炔的转化
率和氯乙烯的收率。当温度达到
200
℃时，会有大量
HgCl
2
升华而使催
化活性下降；而温度太低时其反应速率太慢。也有使用氯化汞
-
氯化钡载
于活性炭的催化剂，据说该复合催化剂的活性和选择性较高，可以减少
HgCl
2
的升华，稳定性得到改善。乙炔生产
氯乙烯的技术比较成功，流
- 28 -
< br>程简单，
副产物少，
产品纯度高。
但因乙炔是有
CaC
2
和
H
2
O
反应生成，
而电石制取耗电大，成本高，存在污染，该法目前逐渐被新工艺取代。
目前，国外只有少数公司使用乙炔生产氯乙烯单体，而我国
70%<
/p>
的
厂家则采用此种方法，因此它具有设备、工艺简单，投资低，能
小规模
经营的特点。以及我国的电石原料比较丰富，西部地区利用此种优势就
地取材来生产氯乙烯还是相对有利的。此外一些获取原料乙烯比较方便
的厂
家则已经采用更先进的乙烯氧氯化法来生产。
1.3.2
平衡氧氯化法
迄今，
平衡氧氯化工艺仍是工业化生产氯乙烯单体最先进的技术。
在
世界范围内，
93%
的聚氯乙烯树脂都采用平衡氧氯化法生产的氯乙烯单
体经聚合而成；具有反应器大、生产
效率高、生产成本低、单体杂志含
量少和可连续操作的特点。其主要反应为：
4C
2
H
4
+2Cl
2
+O
2<
/p>
→
4C
2
H
3
Cl+2H
2
O
在直接氯化反应中，
可使用低温或高温氯化工艺。
使用低温氯化工艺
的优点是副产品少，但必须使
1k
g
二氯乙烷中的含量保持在
100mg
以
下，否则，如果中间体中氯化铁的浓度过高，会使生产的氯乙烯单体中
的杂志含量增高，所以，一般允许的铁含量仅是在生产过程中物料缓慢
腐蚀设备
和管道所产生的很少量的铁。
采用高温工艺时，所有与液体接触
的设备都需要使用合金材料，尤
其是反应器在强湍流条件下会造成设备腐蚀，在这里加入
的铁催化剂是
溶解在二氯乙烷中的无水氯化铁。与低温工艺相比，高温工艺也有其优
越性，生产出的二氯乙烷一般不需要水洗脱除铁和共沸物进行干燥。此
外，由于二氯乙烷形成的热是蒸发热的
6
倍，所以，沸腾发生
器借助本
- 28 -
身热量，靠
反应热产生的蒸汽操作分馏塔，净化直接氯化产品；干燥氧
氯化二氯乙烷并可以从裂解段
回收未转化的二氯乙烷。
1.3.3
乙烯氧氯化法
乙烯氧氯化法生产氯乙烯，包括三步反应：
⑴乙烯直接氯化
CH
2<
/p>
=CH
2
+Cl
2
→
CH
2
C
lCH
2
Cl
⑵二氯乙烷裂解
2CH
2
ClCH
2
Cl
→
2CH
2
=CHCl+2HCl
⑶
乙
烯
氧
氯
化
CH
2
=CH
2<
/p>
+2HCl+O
2
→
CH
2
ClCH
2
Cl+H
2
O
主、副反应
⑴乙烯直接氯化部分
主反应：
CH
2
=CH
2
+Cl
2
→
CH
2
ClCH
2
Cl
△
H=-201kJ/mol
该反应可以在气相中进行，也可以在溶剂中进行。气相反映由于放
热
大，散热困难而不易控制，因此工业上采用在极性溶液存在下的液相
反应，溶剂为二氯乙
烷。
副反应：
CH
2<
/p>
ClCHCl+Cl
2
→
CH
2
ClCHCl
2
+HCl
CH
2
Cl
CHCl
2
+ Cl
2
→
CHCl
2
CHCl
2
+HCl
主要生成多氯乙烷。
乙烯中
的少量甲烷和微量丙烯亦可发生氯代和加成反应形成相应的
副产物。
⑵二氯乙烷裂解部分
主反应
：
CH
2
ClCH
2
Cl
→
CH
2
=CHCl+HCl
△
H=79.5kJ/mol
此反应是吸热可逆反应。
副反应
：
CH
2
=CHCl
< br>→
CH
≡
CH+HCl
CH
2
=CHCl+HCl
→
CH
3
CHCl
2
- 28 -
CH<
/p>
2
ClCH
2
C
l
→
H
2
+2
HCl+2CnCH
2
=CHCl
聚氯乙烯
⑶乙烯氧氯化部分
主
反
应
：
CH
2
=CH
2
+2HC
l+O
2
→
CH
2
ClCH
2
Cl+H2O
△
H=-251kJ/mol
这是个强放热反应。
副反应
：
CH
2
=CH
2
+2O
2
→
2CO+2H
2
O
CH<
/p>
2
=CH
2
+3
O
2
→
2CO
2
+2H
2
O
CH
2
=CHCl+HCl
→
CH
3
CH
2
Cl
还有生成其它氯衍生物的副反应发
生。这些副产物的总量仅为二氯
乙烷生成量的
1%
以下。
乙烯液
相氯化反应的催化剂常用
FeCl
3
。
假如
FeCl
3
的主要作用是抑
制取代反应，促进乙烯和氯气的加成反应，减少副反应增加氯乙烯的收
率。
二氯乙烷裂解反应是在高温下进行，不需要催化剂。
乙烯氧氯化制二氯乙烷需要在催化剂存在下进行。
工业常用催化剂是以γ
—
Al2O3
为载体的
CuCl
2
催化剂。根据氯化铜催化剂的组成不同，可
分
为单组分催化剂、双组分催化剂、多组分催化剂。近年来，发展了非铜
催化剂。
1.3.4
乙烯乙炔法
按其生产方法，可分为：
1.
联合法：
联合法即二氯乙烷的脱氯化氢和乙炔的加成结合起来的方
法。二氯乙烷裂解的副产物氯化氢，直接用作乙炔加成的原料，这免去
了前者处理副产物的麻烦，又可以省去单独建立一套氯化氢合成系统，
在经济上比较有
利。在联合法中，氯乙烯的合成仍是在单独的设备中进
- 28 -
行的，所以需要较大的投资。虽然如此，这种方法仍较以上各
种方法合
理、经济。
2.
共轭法
(
亦称裂解加成一步法
)
：如上所述，联合法虽较其它单独生
产法合理、经济，但
氯乙烯的制备仍在单独的设备中进行，仍需占用很
多设备，所以还不够理想。共轭法就是
在联合法的基础上进行改进的。
此法系同时往一个装有触媒的反应器中加入二氯乙烷和乙
炔的混合物，
催化热裂解是在
230
℃
、
压力在
4
公斤／厘米
２
以下进行，
二氯乙烷裂解
时
生成的氯化氢立即在
20
～
50
秒钟内和乙快反应，反应的生成物再经
进一步的净制处理，以将杂质除
去。共轭法最主要的缺点是很难同时达
到两个反应的最适宜条件，因而使乙烯与乙炔的消
耗量提高。
3.
混合气化法：近几年
来，在烯炔法的基础上发展了一种十分经济
的氯乙烯生产方法——混合气化法。这一方法
以石脑油和氯气为原料，
只得到氯乙烯产品。故不存在废气的利用和同时生产多种产品的
问题，
可以小规模并很经济地生产出氯乙烯。这个方法由下列几个过程所组成：
以石脑油的火焰裂解法制造含有乙炔和乙烯的裂解气；
裂解气中的稀乙烯不经分离，直接同氯化氢反应制造氯乙烯；
裂解气中的稀乙炔不经分离，直接同氯气反应制造二氯乙烷；
将二氯乙烷热裂成氯乙烯和氯化氢，
并将氯化氢分离，
以便能够在反
应
(2)
中使用。
将从上述过程所得的氯乙烯进行合理的分离。
这个方法特别适用于不
能得到电石乙炔或乙烯的地区，或者是乙炔和乙
烯价格较高的地区。由
于乙炔和乙烯不需分离、浓缩和净化，没有副产物。因此，不需添
置分
离没备。原料可综合利用，不需建立大型石油联合企业。此法的缺点是
一次投资费用较大。
- 28 -
1.4
氯乙烯的性质
1.4.1
物理性质
氯乙烯在通常情况下为无色、易燃、有特殊香味的气体，稍加压的条
件下，可以
很容易地转变为液体。
氯乙烯稍溶于水，
在
25
℃时
100g
水中可溶解
0.11g
氯乙烯；
水在
氯乙烯内的溶解度，在
-15
℃时，
100g
氯乙烯可溶解
0.
03g
水。氯乙烯
可溶于烃类、丙酮、乙醇、含氯溶剂如二氯乙
烷及多种有机溶剂内。
氯乙烯有较好的机械强度，
优异的电介性能，
但对光和热的稳定性差，
其化学
式为
CH
2
=CHCl
，
分子量为
62.499<
/p>
，
熔点为
-153.8
< br>，
沸点
-13.4
，
临界压力为
5.60Mpa
，临界温度为
156.6
℃，汽化热为
330J/g
，与空
气形成爆炸性混合物，其爆炸浓度范围为
4%-22 %
（体积比）。
1.
氯乙烯的蒸气压
氯乙烯蒸气压力和温度的关系：
表
1.1
氯乙烯的蒸气压表
温度
℃
－
28.37
－
23.02
－
16.61
－
13.61
压力
mmHg
395.6
513.0
677.6
767.5
温度
℃
16.21
25.72
33.53
39.72
压力
mmHg
2258
3027
3789
4492
- 28 -
－
8.32
－
1.57
4.01
5.53
2.
液体氯乙烯的密度
949.0
1224.8
1490.6
158.2
39.72
46.80
54.87
60.34
4500
5434
6676
7586
.
液体氯乙烯的密度与温度的关系：
表
1.2
液体氯乙烯的密度
温度
℃
－
12.96
1.32
13.49
28.11
3.
氯乙烯的潜热
< br>潜热即蒸发或冷凝
1g
氯乙烯所需的热量，其与温度关系
如下：
表
1.3
氯乙烯的潜热
温度
℃
-20
-10
0
10
4.
氯乙烯的溶解度
潜热
cal/g
85.7
84.1
83.0
81.7
温度
℃
20
30
40
50
潜热
cal/g
80.2
78.5
76.6
74.4
密度
g/ml
0.9692
0.9443
0.9223
0.8955
温度
℃
39.57
48.20
59.91
密度
g/ml
0.8733
0.8555
0.8310
- 28 -
氯乙烯在水中的溶解度如下：
表
1.4
常压下氯乙烯在水中的溶解度
温度
℃
溶解度
体积
/
体积水
1.4.2
化学性质
腐蚀性：
干燥态氯乙烯不具腐蚀性，
但含水状态下会腐蚀铁及不绣
钢。<
/p>
感光性：
会进行迅速的光化学氧化作用与聚合反应。
危害性聚合：
(1)
于空气中或遇热、日光会会产生危害性聚合反应。
(
2)
通常加酚为抑制剂以防止聚合。
反应性与不相容性：
(1)
与铜、
铝和催化性不纯物等金属、
空气、
氧、
阳光、点火源、氧化剂接触起激烈聚合反应。
(2)
受热及未添加或耗尽抑
制剂的情形下会发生放热性聚
合反应，造成爆炸。
(3)
氯乙烯和大气中的
< br>氧以及
強
氧化剂反应会产生过氧化物，
< br>並
会起剧烈的聚合反应。
分解性：
燃烧会产生
HCl, CO,
CO
2
及高毒性之光气烟雾。
氯乙烯的两个反应部分，氯原子和双键，能进行的化学反应很
多。但
一般来讲，连接在双键上的氯原子不太活泼，所以有关双键的反应则比
有关氯原子的反应多，现各举一两个例子如下：
有关氯原子的反应
1
、与丁二酸氢钾反应生成丁二酸乙烯酯：
2
、与苛性钠共热时，脱掉氯化氢生成乙炔：
有关双键的反应
0
0.808
10
0.572
15
0.433
20
0.292
28
0.10
- 28 -
1
、与氯化氢加成生成二氯乙烷；
2
、在紫外线照射下能与硫化氢加成
生成
2
—氯乙硫醇；
3
、氯乙烯通过聚合反应可生成聚氯
乙烯
[7]
。
氯乙烯是重要的有机化工产品，它的主要用途是生产聚聚氯乙烯。氯
乙烯的两个起反应
部分，氯原子和双键，能进行的化学反应很多。由于
双键的存在，因此氯乙烯能发生氧化
、加成、裂解、取代、均聚、共聚
等一系列化学反应
1.5
电石乙炔法生产氯乙烯的工艺原理
用乙炔气相法生产氯乙烯，即以活性炭为载体，吸附氯化汞为触媒，
以乙炔和氯化氢气相加成为基础，在触媒的转化器中进行氯乙烯生产工
艺。此方法的优点
是：乙炔转化率高，所需设备不太复杂，反应温度在
100
～<
/p>
180
℃间，生产技术比较成熟。目前为大规模工业生产所再用，
其
缺点是：氯化汞触媒有毒，价格昂贵，污染环境。一些工段的生产原理
如下：
1.
混合脱水的原理
在乙炔与氯化氢混合冷冻脱水工艺中，利用氯化氢的吸湿性，原料
气
中水分本氯化氢吸收后呈
40%
左右的盐酸雾析出。混合气体的
含水量
取决于该温度下的
40%
盐酸溶
液上的蒸汽分压，即混合气温度越低，水
含量越小。
在混合冷冻脱水过程中，冷凝的
40%
盐酸
，除少量是以液膜状自石
墨冷却器列管内壁流出外，大部分呈极性微细的“酸雾”悬浮于
混合气
流中，形成“气溶胶”，采用浸渍
3-5%
憎水性含
F
有机硅树脂
5-
10
μ
m
细玻璃纤维，将其大部分分离
下来。
2.
氯乙烯的合成转化反应机理
- 28 -
乙炔与
氯化氢
HgCl
2
催化剂存在下产生气
相相加成反应。
反
应
式
：
CH
≡
CH+HCl
→
CH
2
=CHCl+124.8kJ/mol(29.8kcal/mol)
上述反应过程分为：外扩散、内扩散，表面反应，内扩散和外扩散
五
个步骤，其反应机理如下：
乙炔与氯化汞加成生成中间加成物氯乙烯氯汞
CH
≡
CH+HgCl
2
→
ClCH-CH-HgCl
因氯乙烯氯汞很不稳定，遇氯化氢分解生成氯乙烯
ClCH-CH-HgCl+HCl
→
CH
2
=CHCl+HgCl
2
当乙炔与氯化氢的分子比较小时，所产生的氯乙烯再与氯化氢及成
而
生成
1
，
1-
二氯乙烷。
CH
2<
/p>
=CHCl
→
CH
2
-CHCl
2
若乙炔
与氯化氢分子比较大时，过量的乙炔，使氯化汞催化剂还原
成氯化亚汞或金属汞，使触媒
失去活性，同时生成副产物二氯乙烯。
CH<
/p>
≡
CH+HgCl
2
→
ClCH-CH-
HgCl
→
ClHg-CHCl-CHCl-HgCl
→
ClCH=CHCl+Hg
2
Cl
2
CH
≡<
/p>
CH+HgCl
2
→
Cl-CHHgCH-Cl
→
HG+CLCH=CHCl
3.
粗氯乙烯的净化（水洗，碱洗）原理
水洗是属于一种气体的吸收操作，亦即利用适当的液体吸收剂处理
气
体混合物，试后者分离。水是最常用易得的吸收剂。
利用降
膜吸收器形成的液没，强化了氯化氢与水的接触，能较有效
的出去氯化氢，还能提高副产
盐酸的浓度。水洗是一种简单、单纯的溶
解过程，通称为简单吸收或物理吸收。而碱洗却
不同，用碱液吸收氯化
- 28 -
氢、二氧化碳的过程，则起了化学反映，所用碱液为
12
～<
/p>
15%
左右的
NaOH
< br>溶液。其反应式为：
NaOH+HCl
→
NaCl+H
2
O+Q
2NaOH+
CO
< br>2
→
Na
2
CO
3
+H
2
O+Q
实际上
NaOH
吸收
CO
2
是存在以下两个反应的
：
NaOH+CO
2
< br>→
NaHCO
3
NaH
CO
3
+NaOH
→
< br>Na
2
CO
3
< br>+H
2
O
以上两
个反映进行是很快的，在过量
NaOH
存在时，反应一直向右<
/p>
进行，生成的碳酸氢钠可以全部生成碳酸钠。但是如果溶液中的氢氧化
钠已经全部生成碳酸钠，这时，碳酸钠虽然还有吸收
CO
2
的能力，但反
应进行的相当缓慢，反应为：
NaCO
3
+H
2
O+CO
2
→
2NaHCO
3
由于溶
液中没有氢氧化钠，生成的碳酸钠就不再消失，因碳酸氢钠
在水中的溶解度很小，易沉淀
下来堵塞管道、设备，使生产不能正常进
行。所以溶液中必须保持一定量的氢氧化钠。<
/p>
4.
盐酸脱吸的原理
利用盐酸非常容易挥发的这一特性，将盐酸利用水蒸气的热量在一
定
的温度和压力下，将酸中的氯化氢解析出来，将浓盐酸变成稀盐酸，
得到高纯度的氯化氢
供
VCM
合成用，
稀酸再返回
VCM
合成脱酸系统制
成浓酸后，循环使用。<
/p>
5.
氯乙烯精馏的原理
液体混合物的精馏过程，
是基于不同组成混合物的不同物质具有不同
的挥发度。也就是具有不同蒸汽压和不同沸点，借恒压下降低温度和升
高
温度时，各物质在气相里的组成和液相里组成之差异，来获得分离的。
- 28 -
此精馏过程必须依据：由塔底再沸器使物料产生上升的蒸汽和
由塔顶冷
凝器使部分蒸汽冷凝为向下回流的液体这两个条件。在连续精馏的每一
块塔板上，均发生部分汽化和部分冷凝，也就是传热和传质过程，塔顶
部
的蒸汽所含易挥发的组分（低沸物）较多，温度也较低；塔顶部的液
体所含难挥发组分（
高沸物）较多，温度也较高一些。以低沸塔为例，
当上层塔板向下流的液体（含有较多的
易挥发组分乙炔），在该塔板上
与下层上升的蒸汽（含有较少的易挥发组分乙炔）接触时
，两者发生气
液相之间的传质和传热过程，使易挥发组分乙炔以扩散方式逸入上升蒸
汽中，而难挥发组分氯乙烯则同时一相反方向，并以扩散方式进入向下
流的液体中，气体通过一次次接触，上升蒸汽中易挥发组分乙炔的含量，
将因液体的部
分汽化而增多；向下流的液体难挥发组分氯乙烯的含量则
因为蒸汽的部分冷凝而增多。通
过许多块塔板上气液相间的热量和质量
传递平衡过程，使上升的蒸汽到达塔顶部时，含有
很浓的易挥发组分乙
炔，而向下流的液体到达塔底时，则含有很浓的难挥发组分氯乙烯（
几
乎不含乙炔），从而实现完全分离。高沸塔的分离原理也是如此，只是
对高沸塔来说易挥发组分是氯乙烯，难挥发组分为高沸物（主要是
1
，
1-
二氯乙烷）杂质。
1.6
生产条件的选择
1.
原料的要求：
(1)
乙炔：
纯度
>99.5%
，
不含硫、
磷；
用硝酸银试纸检查不变色，
含水
<0.03%
，
含氧
<
0.3%
。
(2)
氯化氢：
纯度
>95%
，含氯
<0.002
%,
含水
<0.03%
，含氧
<0.4%
。
-
28 -
(3)
触媒：
活性炭含量：
90%
左右；含水
<0
.3%
；氯化汞含量：
8%
～
15%;
假
比重：约
0
.65;
颗粒度：
?
3
×
6
～
9
毫米；外观：灰或纯黑。
(4)
单体的技术条件
氯乙烯：纯度
>99.5%
，乙醛
< br><10ppm
，乙炔含量
<0.001%
，高沸
点物：微量
,
铁含量<
/p>
<0.001%
，常压下沸点：－
13.
9
±
0.1
℃。
2.
生产条件的选择
氯乙烯合成生产条件的选择是比较复杂的，
它们必须满足产量高、
质
量好、消耗定额低、工艺流程和设备构造简单、操作方便、安全可靠等
条件。决定生产条件最重要的因素是：触媒活性、原料气的纯度、分子
< br>比、反应温度、空间速度等，现分述如下：
3.
触媒的活性
在氯乙烯合成中，决定乙炔转化率高低最重要的因素是触媒的活性。
影响触媒活性的
各种因素前已述及。触媒的活性越高，则乙炔的转化越
好，副反应少，产量高，消耗定额
低。因此在触媒制备时，应尽可能使
其具有最高的活性。在使用中，应正确操作以延长其
使用寿命。
4.
原料气的纯度
a
．
惰性气
体的影响：
原料气中惰性气体除了不参加反应外，
还必须
不与触媒起化学反应，不毒害触媒。但即使如此，由于它会降低反应物
的浓度，不利于氯乙烯的转化。所以，惰性气体的含量应愈低愈好。此
外，惰性气体多，
还会增加了后部分离的困难，同时在尾气中也以一定
的比例带走氯乙烯，增加了尾气的排
空损失。
b.
含水的影响：原料气含
水应愈低愈好，一般要求控制在
0.03%
以
< br>下。含水过高则生成盐酸，腐蚀管道和设备。而铁设备腐蚀的结果，生
- 28
-
成了氯化铁，又会堵塞管道和设备，给生产带来很多麻烦
。原料气含水，
还造成触媒粘结，使触媒的活性下降，寿命缩短，触媒结块堵塞设备的<
/p>
结果，还导致了系统阻力增加和气体分配不均匀。在局部阻力小的列管
里，气体大量通过，会使局部反应激烈而过热，使触媒迅速失效，以致
于造成整个转
化操作的恶化。此外，在水的存在下，乙炔易与水起化学
反应而生成乙醛，从而消耗原料
，降低收率，还增加了氯乙烯分离的困
难。
< br>c
．含氯的影响：在原料气氯化氢的合成中，常常由于操作控制不当，
会含有一小部分游离的氯气。这部分游离氯遇到乙炔以后，就会和乙炔
激烈
反应生成氯乙炔。这种物质很容易燃烧爆炸，直接影响到生产的安
全。此外，游离氯的存
在还造成副产多氯化物含量的增加，导致以后分
离的困难，同时也影响氯乙烯的收率。所
以，在氯乙烯的转化反应中，
要求原料气不含游离氯，在不得已的情况下，游离氯含量亦
应控制在
0.002%
以下。
d
．含氧的影响：原料气中如果含有氧气，不仅影响生产的安全，而<
/p>
且，当含有少量氧气的原料气通过转化器的触媒层时，与载体活性炭反
应生成一氧化碳或二氧化碳，从而增加了合成气中的惰性气体量，也增
加了以后分离
的困难和氯乙烯的排空损失。此外，在氯乙烯的常压分馏
中，二氧化碳与干燥塔内的固碱
作用生成一层碳酸钠硬壳，影响了固碱
的脱水作用，从而引起水分在以后低温系统中结冰
绪塞设备。
e
．催化毒物的影响：在
原料气乙炔中，往往由于清净不好，而含有
少量的硫、磷、砷的化合物。
5.
分子比
- 28 -
在工业生产中，
乙炔和氯化氢的配比控制得很严格，
从反应机理中可
以看出，如果乙炔过量，触媒中的氯化汞还原成氯化亚汞或金属汞，使
触媒脱掉
活性并生成副产物，直接增加了乙炔的消耗。如果氯化氢过量
太多，也会使所生成的氯乙
烯进一步与过量的氯化氢加成生成二氯乙烷
等多氯化物。所以，在工业生产中乙炔与氯化
氢的分子比常控制在
1:1.05
～
1
.1
左右，亦即氯化氢过量
5
％～
10
％。控制氯化氢稍过量的
原因有三：<
/p>
a.
确保乙炔反应完全，避免乙炔过量
造成触媒中毒。
b.
氯化氢价格比乙
炔低廉，且过量部分可以用水洗、碱洗除掉。
c.
氯乙烯中含乙炔对聚合的影响比含氯化氢坏得多。
理论上，氯化氢的过剩量应愈小愈好，这对提高氯乙烯收率、提高单体
质量、减少氯化
氢消耗、降低成本都有很大好处。随着操作技术的熟练
和仪表质量的提高，氯化氢过剩量
正在逐步缩减。
6.
空间流速
空间流速是指单位时间内通过单位体积触媒的气体量
(
气体量
习惯以
乙炔量来表示
)
，其单位为：米
３
C
2
H
2
／米
３
触媒·小
时。
乙快的空间流速对氯乙烯的产率有影响。
当空间流速增加时，
气体与
触媒的接触时间减少，乙炔
的转化率随之降低。反之，当空间流速减小
时，乙炔转化率提高，但高沸点副产物量也随
之增多，这时生产能力随
之而减小。在实际生产中，比较恰当的乙炔空间流速为
30
～
60
米
３
C
２
H
2
／米
３
触媒·小时。此时
，既能保证乙炔有较高的转化率，又能保证高
沸点副产物的含量较少。
< br>
7.
反应温度
- 28 -
反应温度对转化反应
影响很大，温度太低，乙炔反应不完全，转化率
低，温度高，乙炔转化率增高，但副产物
的含量也随之增高，反而导致
氯乙烯产率下降。
关于氯乙烯合成的反应温度，目前还未有一致的看法，国内外各厂的操
作控制
实际差异也很大。一般说来，在
80
～
180
℃之间，但大多数都控
制在
13
0
～
180
℃之间为最适宜。
高温对触媒的活性有很大影响，主要由于下列原因：
a.
高温会破坏触媒的结晶表面。
<
/p>
b.
温度愈高，氯化汞的蒸气压愈大，造成氯化汞升华而导致触媒
活性
迅速下降。
c.
高温下乙炔生成呈树脂状的高聚物沉积在触媒的表面，掩盖了触媒
的活性表面，
使触媒失去活性。
1.7
本设计任务
< br>本次设计任务是年产
12.5
万吨氯乙烯车间精制工段的
低沸塔设计。
本文主要介绍氯乙烯精制工段的低沸塔的设计和计算，进行简单的物料
衡算，对设备进行选材和计算，并绘制出工艺流程图和设备图。
- 28 -
第
2
章
物料衡算与热量衡算
2.1
物料衡算
F=D+W
F
x
Fi
=D
x
Di
< br>+W
x
Wi
对整个工段进行物料衡算
氯乙烯年产
量
12.5
万吨
开工时间取：
8000
小时
已知：
高沸塔
VC
的进料摩尔分率为
0.978
，塔顶摩尔分率为
0.99994
，
塔釜摩尔分率为
0.3144
。
表
2.1
低沸塔的进料组成为：
序号
1
2
3
4
5
6
并且根据
***
厂实际数据可知低沸塔塔顶乙炔摩尔分率为
0.2993
，
塔底氯乙烯摩尔分率为
0.978
2.1.1
计算方法
采用清晰分割方法建立数学模型：
组分
氮气
乙炔
氯乙烯
乙醛
二氯乙烷
水
摩尔分率
0.0075
0.0408
0.9332
0.0005
0.0057
0.0123
- 28 -
F
?
D
?
W
F
?
Z
i
?
D
?
< br>Y
i
?
W
?
X
i
L
L
L
i
?
1
i
?
1
i
?
1
?
Y
i
?
1
?
Y
H
i
?
1
L
L
?
< br>X
i
?
1
i
?
1
?
X
L
?
1
由数学
模型可得：
D
?
F
(
?
Z
i
?
X
L
)
i<
/p>
?
1
L
1
?
Y
H
?
Y
L
若
i
?
L
,
则
Y
i
?
FZ
i
/
D
i
,
X
i
?
0
;
；
若
i
?
L
,
则
Y
i
?
(
FZ
L
?
WX
L
)
/
D
< br>；
若
i
?
H
,
则
Y
H
?
(
FZ
H
?
DY
H
)
/
W
；
< br>
若
i
?
H
，则
Y
i
?
0
,
X
H
?
FZ
i
/
< br>W
；
2.1.2
计算机框图
开
始
↓
读入
D<
/p>
i
，
Z
i
，
Y
L
，
Z
L
，
X
L
，
X
H
↓
D=W
×
(
(
Y
L
-
Z
L
)
↓
F=D+
W
↓
- 28 -
< br>Z
i
-
X
L
)
/
i
X
i
Y
i
=F
Z
i
/
D
i
，
=0
↓
i=L
)/D
↓
i=H
/W
↓
i>H
X
i
Y
i
Y
L
=(F
Z
L
-W
X
L
X
H
=(F
Z
H
-D
Y
H
)
=0
，
=F
Z
i
/W
↓
输
出
F,
D,
W,
Y
i
,
X
i
↓
结束
图
2-1
物料衡算框图
计算结果列表如表
2.2
所示：
表
2.2
物料衡算计算结果表
mol%
氮气
乙炔
氯乙烯
乙醛
二氯乙
烷
-
28 -
水
塔顶
塔底
0.0551
0.2993
0.6456
0
0.001
0
0
0
0.978
0.0005
0.006
6
0.0142
79
0
轻关键组分：乙炔
重关键组分：氯乙烯
D=40.66519kmol/h
W=258.2789kmol/h
F=298.9441kmol/h
2.2
热量衡算
2.2.1
温度计算
为了计算塔顶冷凝器、
塔底再沸器的工艺尺寸及负荷，
需要进行热量
衡算，所以首先要确定塔顶、塔底及进料的温度。
规定：塔
顶温度为露点温度，塔底温度为泡点温度，进料温度为泡点温
度。由于所分离物系近似为
理想物系，所以在计算温度时，相平衡常数
可按理想物系的公式进行计算。
1
、泡点的计算
已知物系的液相组成确定物系温度的计算方法称为泡点计算。
此时温<
/p>
度叫泡点。计算过程中，物系为平衡物系，求解过程一般用牛顿迭代法，
< br>因而使用计算机比较方便。
计算过程中，选定一个温度
作为迭代初值，并给定一个操作压力
P
，
用安托因公式计算该组分的饱和蒸汽压
P
0
< br>,
则相平衡常数
K
（
I
）
=
P
0
(I)/P,
由此可求出该组分的气相摩尔分率
Y(I)= K
（
I
）
×
X(I).
然后，
判断∑
Y
（
I
）
的值是否趋近于
1
，若不
满足要求，则以
F(I)=
∑
K
（
I
）×
X(I)
-1
函数作
- 28 -
为迭代函数。其中，一阶导数作为迭代过程的分母，即
T=T-F/F<
/p>
′。式中
左边的
T
为迭代的
T
，右边的
T
为上次未满足要求的
T.
物系可看作理想物系，<
/p>
所以相平衡常数可表示为组分的饱和蒸汽压和
总压之比。
对某组分
i
，
K
i
=
P
i
0
/P
由安托因公式：
log
P
i
0
?
A
< br>i
?
B
i
/
T
?
C
i
log
T
?
D
i
*
T
?
E
i
*
T
2
得：
P
i
0
?
EXP
[ln
1
0
(
A
i
?<
/p>
B
i
/
T
?
C
i
log
T
?
D
i
*
T
?
E
i
*
T
2
)]
K
i
?
EXP
[ln
10
(
A
i<
/p>
?
B
i
/
T
?
C
i
log
T
?
D
i
*
T
?
E
i
*
T
2
)]
/
P
F
?
?
K
i
x
i
?
1
?
?
x
i
EXP
[ln
10<
/p>
(
A
i
?
B
i
/
T
?
C
i
log
T
?
D
i
*
T
?
E
i
*
T
2
)]
?
1
]
P
安托因
常数见表
2.3
：
表
2.3
安托因常数表
组分
乙炔
A
B
C
D
E
72.6005
-2309.8
-27.223
0.02372
-3.9E-10
1
氯乙烯
52.9654
-2501.6
-17.614
0.01082
-4.5E-14
1
乙醛
87.3702
-3682.2
-31.548
0.02011
4
5.53E-1
3
2.68E-1
4
1.81E-0
6
二氯乙烷
48.4226
-3180.3
-15.37
0.00729
4
水
29.8605
-3152.2
-7.3037
2.42E-0
9
计算框图如图
2-2
：
- 28 -
开始
入读
P
,
Z
,
A
,
B
,
C
,
D
,
E
,
温度初值
i
i
i
i
i
i
F
(
T
)
?
?
K
i
x
i
?
1
?<
/p>
?
i
?
1
i
?
1
N
N
x
i
EXP
[ln
10
(
A
i
?
B
i
/
T
?
C
< br>i
log
T
?
< br>D
i
*
T
?
E
i
*
T
2
)]
?
1<
/p>
P
F
(
T
)
?
?
'
i
?
1
N
x
i
B
i
EXP
[ln
10
(
A
i
?
B
< br>i
/
T
?
C
i
log
T
?
D
i
*
T
?
E
i
*
T
2
)]
ln
10
[
?
2
P
T
?
C
i
?
D
i
?
2
E
i
T
]
T
ln
10
T
?
T
?
F
(
T<
/p>
)
F
'
(
T
)
Abs
(
F
(
T
))
?
0
.
0001
输
出
结
图
2-2
泡点计算框图
计算结果：
塔釜温度：
T
W
=323.37K
操
作压力：
P
W
=7.63atm=77
3147 Pa
2
、进料温度的计算
计算方法与泡点计算方法相同。
<
/p>
操作压力：
P
F
=7.3 atm=739709Pa
计算结果：
进料温度
:
T
F
=310.25
3
、露点的计算
与多元泡点计算方法相似，已知气相组成求物系温度的过程叫露点计
算，物系此时的温度称为露点温度。
- 28 -
计算露点时用函数
F=
∑
Y(I)/K(I)-1,
其一阶导数
F
′
=
∑
操作压力：
P
D
=7.18a
tm=727549.4Pa
计算框图与泡点相同
计算结果：
塔顶温度：
T
D
=305.26K
2.2.2
回流比的计算
⑴、最小回流比的确定
R
min
B
i
y
i
K
i
(
C
i
T
)
2
当塔的理论板数无限多时的回流比叫最小回流比，
最小回流比的确定
常用的方法是
Underwood
法，此公式推
导时有两点假设：
塔内液相的摩尔流率均是恒定的。
各
组分的相对挥发度为常数。此法提出一个
Underwood
参
数
?
i
Z<
/p>
F
,
i
?
?
1
?
q
?
?
?
i
?
1
i
N
?
i
Y
D
< br>,
i
?
R
min
?
1
?
?
?
?
i
?
1
i
N
式中：
Z
F
i
——进料（包括气、液两相）中
i
组分的浓
度、摩尔分率
C
——组分个数
——
Un
derwood
参数
?
i
——塔
顶流出物中
i
组分的相对挥发度
因为是泡点进料，所以
q=1
计算进料温度下的相对挥发度
式中：
Z
F
,
i
－进料中
i
组分的浓度、摩尔分率
N
－组分个数
?
－
underwood
< br>参数
?
i
－塔顶馏出物中
i
组分的相对挥发度
本设计为泡点液体进料
q=1
其中氯乙烯为重关键组分即其相对挥发度为
1
- 28 -
算出
R
min
计算框图如图
2-3
如示
:
开
输入初值
?
，
q
?
1
,
?
< br>,
Z
,
Y
ij
i
i
F
(
?
)
?<
/p>
?
?
i
Z
i
?
q
?
1
i
?
1
?
i
?
?
N
F
(
?
)
?
?
'<
/p>
?
i
Z
i
?
i
Z
i
2
i
?
1
?
i
?
?
(
?
i
?
?
)
N
?
?<
/p>
?
?
F
(
?
)
F
'
(
?
)
A
b
s
(
F
(
?
))
?
0
.
0001
R
min
?
?
?
i
Y
i
?
1<
/p>
i
?
1
?
i
?
?
N
输
图
2-3
逐板计算框图
计算结果：
θ
=1.0003157
R
min
=0.4173
⑵、回流比的确定
- 28 -
回流比为冷凝液指中返回塔顶部分和产品部分的比率，
回流比对精馏
操作有很大的影响，因而精馏过程中要有一个适宜的回流
比。
当
R=Rmin
，
塔板数
R
→∞
,N
→
Nmin
。
由此可知，
实际的回流比应
在
< br>Rmin
与
R
∞之间选择。从经
济核算角度来选定最优回流比时，从精
馏操作设备费用两方面来考虑。
< br>当
R= Rmin
时，
达到分离
要求所需要的
理论塔板
N
为无穷大，相
应的设备费用为无穷大，当
R
稍增大，
N
从无
穷大急剧减小，
R
增大，精馏段上升的蒸汽量随之增大，使冷凝器、再
沸塔负荷随之增加，当这
些费用超过塔板减少的费用时设备费用将随
R
增加而增加，因此
，随着
R
从
Rmin
< br>起逐渐增大，设备费用先是减小，
经一最小值后开始增大。在设计时难以完整，准
确的得知某一确定值。
因此，实际的操作回流比
R
一般取
Rmin
的
1.4<
/p>
～
2
倍，在这里取
2
倍。
所以
R=2
×
0.4173=0.8346
2.2.3
热量衡算
热量衡算的目的是为了确定
冷凝器和再沸器的热负荷及热水和冷却
水的用量，衡算范围如图
2-4
中虚线所示：
- 28 -
图
2-4
衡算范围图
以精馏塔为系统作热量衡算：
Q
F
?
Q
V
?
Q
R
?
Q
B
?
Q
< br>?
Q
W
?
0
或
Q
F
?
Q
R
?
Q
B
?
Q
V
?
Q
?
Q
W
< br>
其中再沸器加入的热量
Q
r
?
Q
B
?
Q
（
1
）、进
料带入的热量
Q
F
Q
F
?
?
(
F
*
x
i
*
T
F
*
C
Fi
)
F=298.9441kmol/h
进料温度
:
T
F
=310.25K
表
2.4
物料组成及比热表
组分
氮气
乙炔
氯乙烯
乙醛
二氯乙
烷
-
28 -
水
x
Fi
0.00
0.0408
0.933
75
2
——
88.3
0.000
5
91.8
0.0057
0.012
3
131
75.31
C
Fi
(
J
/(
mol
?
K
)
)
——
Q
F
=298.9441
< br>×
310.25
×
(88.27
4
×
0.9332
＋
< br>91.786
×
0.0005
＋
130.524
×
0.0057
＋
75.313
×
0
.0123)=7799456.53KJ/h
（
2
）、回流带入的热量
Q
R
Q
R
?
R
?
(
D
?
T
R
?
C
Di
?
x
Di
)
D=40.66519kmol/h
T
R
=305.26K
R=0.8346
表
2.5
塔顶组成及比热表
组分
x
Di
C<
/p>
D
i
(
J
/(
mol
?
K
))
氮气
0.0551
——
乙炔
0.2993
——
氯乙烯
0.645565
87.3
Q
R
=0.
8346
×
40.66519
×
305.26
×
0.645565
×
87.3=583882.3KJ/h
（
3
）、塔顶气流带出的热量
Q
V
Q
< br>V
?
D
(
R
?
1
)
H
V
?
D
(
R
?
1
)
?
[(
?
H
v
?
C
i
T
D
)
x
i
]
?
H
V
?
7<
/p>
.
08
(
1
?
T
r
)
o
.
354
?
10
.
95
?
(
1
?
T
r
)
0
.
< br>456
RT
c
∴<
/p>
?
H
V
?
8
.
314
*
T
c
*
[
7
.
08
*
(
1
?
T
< br>r
)
0
.
354
?
10
.
95
?
(
1
?
T
r
)
0
.
456
]
H
V
?
?
H
V
?
C
D
T
D
T
D
?
305
.
26
K
D=40.66519kmol/h
表
2.6
塔顶带出热量计算表
- 28 -
组分
氮气
T
c
(
K
)
T
r
?
x
i
H
V
(
J
/
mol
)
(
J
/(
mol
?
K
(
))
J
/
mol
)
?
H
V
C
D
126.2
2.42
0.04
0.055
1
0
29.1
8.88E
+03
乙炔
308.3
0.990
2
0.184
0.299
3
0.122
0.645
565
4154.
891
1902
2.18
44.9
1.79E
+04
氯乙烯
429.7
0.710
5
87.3
4.57E
+04
Q
V
=40.66519
×
(0.8346+1)
×
(88
77.60
×
0.0551+17862.01
×
0.2993+36005.02
×
0.645565)=2169407.89
（
4<
/p>
）、塔底产品带出的热量
Q
W
Q
W
?
WT
W
?
(
< br>C
Wi
x
i
)
表
2.7
塔底组分及比热表
组分
x
i
乙炔
0.001
氯乙烯
0.978
乙醛
5.79E-0
4
二氯乙烷
6.60E-0
3
133
水
0.0142
37
75.1
C
Wi
(
J
/(
mol
?
K
))
——
91.1
94.1
Q
w
=258.2789
×
323.37
×
(91.1
×
0.978+94.1
×
5.79
×
10
-4
+13.3
×
6.6
×
10
-3
+75.1
×
0.014237)=7542430.78KJ/h
<
/p>
（
5
）、再沸器热负荷
< br>
Q
r
=Q
B
-Q=Q
V
+Q
W
-Q
F
-Q
R
=
2169407.89+7542430.78
-7799456.53-583882.3=1328499.84
- 28 -
热水用量：取进口温度为
90
℃
出口温度为
75
℃
q
Wr
=Q
r
/C
r
(t
进
-t
出
)=
1328499.84/4.18(90-75)=21188.20kg/h
（
6
）、冷凝器热负荷（全凝器）
Q
C
?
D
*
(
R
?
1
)
?
(
?
H
V
< br>?
x
i
)
=40.66519
×
(0.83
46+1)
×
(4154.89
×
0.2993+19022.18
×
0.6
454)
=1008970.1kj/h
冷却水的用量：取进口温度为
10
℃
< br>
出口温度为
20
℃
q
WC
=Q
C
/C
C
(t
出
-t
进
)=1008970.1/4.18(20-10)=24138.04k
g/h
- 28 -
第
3
章
塔的工艺计算及校核
3.1
塔的选择
在较大塔径（
1m
以上）的塔设备中，板式塔是化工和炼油生产中广
泛采用的传质设备，因为在板式塔中，气泡与液体接触较为充分，传质
比较好，板式塔
的单位容积的生产强度比填料塔大得多。
板式塔分为多种形式
，如：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔等，其中泡罩塔
是化工生产上应用最早的一种板式塔；筛
板塔是最早用于生产的一种塔
设备；而浮阀塔是近年来新发展的一种新型塔设备，它综合
泡罩塔和筛
板塔的特点，将固定在塔板上的泡罩变成可随气速变化而上下浮动的阀
门。
浮阀塔的优点是：
（
1
）生产能力大，比泡罩塔高
20
—
40
％，与筛板塔相近。
（
2
）操作弹性大，在较宽的气速范围内板
效率变化小。
（
3
< br>）由于气液接触良好，蒸汽以水平方向吹进，雾沫夹带量小，故板效
率比泡罩塔高
15
％。
（
4
）
塔板上设有复杂结构的障碍物，<
/p>
因而液体流动阻力小，
液面梯度小，
蒸汽
分布均匀，此外塔板压降比泡罩塔小。
（
5
）塔板的结构简单，安装容易，制造费用约为泡罩塔的
6
0
—
80
％，
为筛板塔的
120
—
130
％
.
（
6
）国内外使用结果表明，对于粘度稍大及有一般聚合现象的系统，浮
阀塔也能
正常操作。
- 28 -
-
-
-
-
-
-
-
-
