8万吨年聚氯乙烯装置VC气相脱水工艺设计

1第一章概述安徽氯碱化工集团公司“十一五”规划中，聚氯乙稀产品有很大的发展，其中一个发展阶段是：聚氯乙稀生产规模由目前的4万吨/年扩大到8万吨/年。本设计课题－聚氯乙稀装置VC气相脱水工艺,是这个大项目派生出来的一个子项目，所谓氯乙烯气相脱水工艺，就是氯乙烯在气相状态时利用降温减湿，固碱吸湿，硅胶等吸附氯乙烯中的水,进而来脱除氯乙烯中的水分。这一工艺中有固碱吸湿过程（即固碱干燥）。固碱干燥实质上是通过形成高浓度碱液，减小水在气相中的分压，来达到干燥目的。固碱不仅能吸湿脱水，而且能进一步除掉氯乙烯中夹带的微量氯化氢及铁，减轻酸腐蚀，延长设备的使用寿命，还能除掉从聚合过程中回收的氯乙烯中的微量活性分子。这样节能减少精馏塔中的自聚物，改善精馏操作状态，延长精馏操作周期，减少因精馏操作不良引起的停工时间和停工物料损失，从而氯乙烯单体的产量和质量。所以也可以这么说，VC气相脱水项目也是提高VC单体质量的项目，具有一定的操作价值和研究意义。1.1气体减湿技术概述气体减湿，即降低气体湿度，是一种属于热质传递过程的单元操作。在化工生产中，干燥操作所用的热气流在加热前常需经过减湿处理，以提高热能利用率；有些经过水冷的气体，也需经减湿处理才能进入下一过程。减湿常用的方法有：①吸附除湿。使气体与固体吸附剂接触，气体所含水汽被吸附后，湿度降低。选择适当吸附剂和操作流程，可将气体的湿度降得很低。吸附剂经再生后循环使用。此法用于湿度较小而除湿要求较高的场合。②吸收除湿。使湿气体与某些水汽平衡分压很低的液体接触，气体所含水汽被吸收而减湿。选择适当的吸收剂，可得到湿度很低的气体。吸收剂通常可以再生。常用的吸收剂有三甘醇(C6H14O4)、溴化锂、浓硫酸等。③压缩除湿。将气体压缩，因而提高了水汽分压，相应提高了露点，然后予以冷却，使水汽凝结而减湿。④冷却除湿。湿气体在间壁式换热器中冷却。当温度降至露点以下时，部分水汽凝结成水或霜，从而使气体减湿。根据所要求的减湿程度，冷却剂可用冷却水或各种冷冻盐水（见载冷剂）。此种减湿方法通常用于空调器或其他类似装置。这些装置的优点是性能稳定，使用方便；缺点是设备费用及操作费用都较高，低温时传热面结霜会使热阻（见传热过程）增加。⑤升温减湿。用间壁式换热器将气体加热，使气体相对湿度减小，可用于空气调节、通风等场合。若不允许温度升高，此法就不适用。⑥气液直接接触除湿。使气体直接与温度低于减湿后气体露点的液体接触，气体所含水汽被部分冷凝进入液相，气体得到减湿。此法虽不能得到湿度很低的气体，但其操作费用很低，特别适用于大量气体的减湿。在工业上，除减湿要求较高的场合外，一般应优先采用此法。1.2本设计VC气相脱水技术概况2（1）降温减湿罗茨风机抽气柜中的VC，按规定流量送到冷却器，多余的VC通过FIC/401控制回流至VC气柜。规定流量的VC在冷却器中冷却到5℃。冷却下来的水由集水器收集，以备回收废水中的VC。已冷却到5℃的气相氯乙烯经过分离出液相水后进入固碱干燥器。此时VC气相含水量一般小于2500ppm。（2）固碱吸湿含水量小于2500ppm的VC，进入固碱干燥器进一步除掉水份。此过程中放出热量，由﹣5℃冷媒水通过冷却盘管和冷却夹套换热带走。干燥器底部有60℃的热水夹套，可对沉降在底部的液碱进行加热，以免冬季液碱固化，不便于排放。经过固碱吸湿的气相VC进入硅胶干燥器，其含水量一般都小于600ppm。3第二章物料衡算2.1物料衡算的已知条件2.1.1物料衡算的基础本设计、项目是8万吨/年聚氯乙烯大项目中的一个子项目，这个大项目的部分过程的物料消耗表见表2-1表2-18万吨/年聚氯乙烯项目的部分过程的物料消耗表Vc气柜VC气相脱水VC精馏VC聚合出:含水粗VC进:含水粗VC出:脱水粗VC进:脱水粗VC出:精VC进:精VC出:PVC年需求量kg/a8.455×1078.455×1078.413×1078.45×1078.080×1078.45×1078.000×107平均流量kg/h10.57×10310.57×10310.52×10310.57×10310.10×10310.10×10310.00×103过程消耗进料:出料为:1.005:1(粗VC含97%)进料:出料为:1.01:1进料:出料为:1.01:12.1.2气相脱水降温减湿，固碱吸湿过程工艺流程简图（5）（6）（4）（3）（2）（1）去硅胶干燥器液碱回收冷凝水回收固碱干燥器气相冷却器风机自气柜图2-1气相脱水降减湿固碱吸湿过程工艺流程图2.1.3物化数据氯乙烯分子量：62.54VC气柜中粗氯乙烯含量≥97%粗氯乙烯含乙炔＜3%（包括少量的N2和40℃饱和水蒸汽氯乙烯临界温度156.5（142.0）℃临界压力55.0（52.5）大气压氯乙烯气体在5℃-47℃之间的平均黏度μ=110p=1.12210-6kgs/m247℃VC气体的黏度113p10℃VC气体的黏度95p2.1.4流程中物料工艺常数表2-2流程中物料参数表流程号123456主要物质VC（g）VC（g）VC（g）水（汽）VC（g）NaOH+水流量kg/h10.57×10310.57×10310.50×10312710.47×10341.06压力Mpa0.104？？0.1200.1150.117温度℃40？551010表中？表示需要通过工艺计算解决的量2.2VC气相冷却器物料衡算物料衡算总式：F=F1﹢F2﹢XH2O除其中：F为进入冷却器前的氯乙烯流量、F1为从冷却器出来后氯乙烯的流量、F2为冷凝水中含有的氯乙烯的量、XH2O除为通过冷却器除去的水分2.2.1冷却器示意图及已知条件（见图2-2）2.2.2冷却器降温减湿除水量XH2O除的估算根据理想混合气体中某组分的mol分数等于其分压数，做如下计算当t=40℃时，水的饱和蒸汽压为55.32mmHg=7.375106pa，设水的量物质的量为n40则有：40400.0073750.12169.12Mpann所以n40℃=11.079kmol/h当t=5℃时，水的饱和蒸汽压为6.54mmHg=817.9pa，设水的量物质的量为n5则有：550.087190.12169.12Mpann所以n5=1.2378kmol/h于是，冷却器的除水量XH2O除=X40-X5=（11.0769-1.2378）18=177kg/h5t=5P=0.12MpaW=?(177kg/h)（4）（3）（2）冷却器t=47℃P=0.12MpaW=10570kg/h=169.2Kmol/ht=47℃P=0.12MpaW=10570-77=10493kg/h图2-2冷却器已知条件示意图2.2.3冷却器的冷凝水带走的氯乙烯由氯乙烯在水中溶解度表查得：5℃水溶解的氯乙烯为156ml/ml∴177kg/h水带走的氯乙烯的量=156177103ml=27613103=27612/22.4/lhlmol=1232.7mol/h=77kg/h2.2.4冷却器VC气相出口最低含水量X出预测X出=1.2378/18/1.2378/18/169.12/62.5/kmolhkgkmolkmolhkgkmolkmolhkgkmol=2103ppm冷却器VC气相出口含水量设计指标值定为2500ppm，根据上述的预测值，只要出口温度能稳定控制在5℃左右，设计指标就可以达到。2.3固碱干燥器物料衡算2.3.1固碱干燥器示意条件图（见图2-3）2.3.2固碱干燥器固碱吸湿除水量X除的估算根据《氯乙烯生产问答》知50%固碱溶解的水蒸汽分压：10℃时0.5mmHg15℃时1.1mmHg20℃时2mmHg,在本工艺中，VC出固碱干燥器温度控制在10℃，则水的饱和蒸汽压为0.5mmHg=66.6pa=0.66710-4Mpa。设干燥器出口VC气相水的物质的量为nH2O则有：6220.00006670.115167.89HOHOnn∴nH2O=0.09743kmol/h∴固碱吸湿除水量X除=X5-XH2O=(1.2378-0.09743)18=20.53kg/h2.3.3固碱干燥器排放烧碱溶液的量W∵烧碱溶液是以50%的水溶液排放∴溶液排放量=20.5341.06/50%kgh2.3.4固碱干燥器VC气相出口最低含水量X含预测1.753740.0001670.0974318167.8962.510494.9X含0.0974318==167ppm固碱干燥器VC气相出口含水量设计指标值定为≤600ppm,根据上述计算,只要固碱干燥器出口温度能稳定在10℃左右,设计指标是能达到的.固碱干燥器(5)图2-3固碱干燥器已知条件示意图7第三章热量衡算3.1热量衡算已知数据饱和指数K=1.183CpCvVC气体平均比热Cp=0.22kcal/kg℃3.2氯乙烯经风机压缩温度计算按理想气体绝热过程考虑,有111kkTPTP（）∴111kkPTTP（）[4]其中,T－压缩后温度T1－压缩前温度已知:T1=313KP－压缩后压力已知:P=0.12MpaP1－压缩前压力已知:P1=0,104Mpa∴11.18311.183110.12313()0.104kkPTTP（）=0.1547313(1.1538)3131.0224320K即t=47℃为氯乙烯经风机压缩后温度3.3氯乙烯经冷却器的热量衡算3.3.1冷却器已知条件及示意图（见图3-1）3.3.2冷却器热负荷(1)冷却器中冷却热负荷(Q冷却)(Q冷却)=QVC﹢QH2O=WVCCP（VC）（T1-T2）﹢WH2OCP（H2O）（T1-T2）其中，WVC－氯乙烯气体流量（kg/h）WVC=10.57kg/hWH2O－水蒸汽流量（kg/h）WH2O=199.4kg/hCP（VC）－氯乙烯气体的平均比热CP（VC）=0.924KJ/kg℃CP（H2O）－水蒸汽的平均比热CP（H2O）=1.848KJ/kg℃T1－VC进冷却器的温度T1=47℃T2－VC出冷却器的温度T2=5℃∴Q冷却=10.57103kg/h0.924KJ/kg℃(47-5)℃﹢199.4kg/h1.85(47-5)℃=4.257105KJ/h8（1）（4）（3）℃冷=？℃℃℃冷=？（2）℃（2）'图3-1冷却器热量衡算示意图图中？表示要通过热量衡算解决的量(2)冷却器的冷凝负荷（Q冷凝）Q冷凝=WH2OH汽化其中，WH2O－冷凝水的流量WH2O=177kg/hH汽化－水的平均汽化热H汽化=2440KJ/h∴Q冷凝=177kg/h2440KJ/h=4.319105KJ/h(3)冷却器的热负荷（Q）Q=Q冷却﹢Q冷却=4.257105kJ/h﹢4.319105kJ/h=8.576105kJ/h3.3.3冷媒水的流量（W冷）∵在忽略热损失的情况下，热流体放出的热量=冷流体吸收的热量∴Q=W冷CP（t1-t2）其中，W冷－冷媒水流量CP－冷媒水平均比热CP=3.15kJ/kg﹒℃t1－冷媒水进口温度t1=-5℃t2－冷媒水出口温度t2=0℃∴W冷=122041894.2/54450/()0.754.2(05)QkJhkghCptt93.3.4对数平均温度差（△tm）∵T1=47℃T2=5℃t1=0℃t2=-5℃△t1=47℃△t2=10℃∴△tm=1212t-t4710tln4.7lnt=24℃3.3.5传热面积F（m2）的计算F=mQKt其中，Q－传热量Q=857600kJ/hK－总传热系数根据校验取K=63KJ/m2h℃△tm－对数平均温度差△tm=24℃∴F=22857600/567.26363kJ/mh24kJhmC3.4固碱干燥器热量衡算3.4.1固碱干燥器示意图及已知条件=10℃=0.115=10472/=0.117=20℃=-5℃=-2℃=?=5℃=0.117=10493/图3-2固碱干燥器条件示意图103.4.2固碱干燥器中VC气体的温升（△t）当VC气体进入固碱干燥器中，固碱