万吨年聚氯乙烯装置气相脱水工艺设计.doc
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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
2、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: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
3、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。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。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。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
4、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。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。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(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
5、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。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
6、表2-1 8万吨/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/a8.4551078.4551078.4131078.451078.0801078.451078.000107平均流量kg/h10.5710310.5710310.5210310.5710310.1010310.1010310.00103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图2-1气相
7、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:62.5VC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=110p=1.12210-6kgs/m2 47VC气体的黏度113 p10VC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/h10.5710310.5710310.5010312710.4710341.
8、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2.2 VC气相冷却器物料衡算 物料衡算总式: F=F1F2XH2O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:所以n40=11.079
9、kmol/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: 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/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=156177103ml=27613103=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=2103ppm 冷却器VC气相出口含水量设计指标值定为2
10、500ppm,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 0.5mmHg 15时 1.1mmHg 20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=0.66710-4Mpa。 设干燥器出口VC气相水的物质的量为nH2O则有: nH2O=0.09743kmol/h 固碱吸湿除水量X除=X5-XH2O=(1.2378-0.09743) 1
11、8=20.53kg/h 2.3.3 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= 2.3.4 固碱干燥器VC气相出口最低含水量X含预测=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.图2-3 固碱干燥器已知条件示意图30第三章 热量衡算3.1 热量衡算已知数据 饱和指数K= VC气体平均比热Cp=0.22kcal/kg3.2 氯乙烯经风机压缩温度计算 按理想气体绝热过程考虑,有 4其中,T压缩后温度 T1压缩前温度 已知:T1=313K P压缩后压力 已知:P=0.12
12、Mpa P1压缩前压力 已知:P1=0,104Mpa =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)=QVCQH2O=WVCCP(VC)(T1-T2)WH2OCP(H2O)(T1-T2)其中,WVC氯乙烯气体流量(kg/h) WVC=10.57kg/h WH2O水蒸汽流量 (kg/h) WH2O=199.4kg/h CP(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/k
13、g T1VC进冷却器的温度 T1=47 T2VC出冷却器的温度 T2=5Q冷却=10.57103kg/h0.924KJ/kg(47-5)199.4kg/h1.85(47-5)=4.257105KJ/h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/h H汽化水的平均汽化热 H汽化=2440KJ/hQ冷凝=177kg/h2440KJ/h=4.319105KJ/h(3) 冷却器的热负荷(Q)Q= Q冷却Q冷却=4.257105kJ/h4.319105kJ/h=8.576105 k
14、J/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=0W冷= 3.3.4 对数平均温度差(tm)T1=47 T2=5t1=0 t2=-5 t1=47 t2=10 tm=24 3.3.5 传热面积F(m2)的计算F= 其中,Q传热量 Q=857600kJ/h K总传热系数 根据校验取K=63KJ/m2h tm对数平均温度差 tm=24F= 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
15、件图3-2 固碱干燥器条件示意图 3.4.2 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,固碱会吸收VC气体中的水分,转化为50%的烧碱溶液,这一过程中,有两个问题需要考虑:一是水蒸汽的冷凝热(Q凝);二是水溶解于烧碱所放出的溶解热(Q溶)。 (!) 水蒸汽的冷凝热Q凝Q凝=20.53kg/h2490.6kJ/h=51132.02kJ/h(2) 水溶解于NaOH所放出的溶解热Q溶 查化工工艺设计手册下册 得NaOH溶解热 Hs=42756KJ/Kmol每小时溶解所放出的热量Q溶=21945kJ/h(3) VC气体温升 固碱干燥器放出的热量:Q总=Q凝Q溶 =5113.02kJ/
16、h21495kJ/h =73075.8kJ/h Q总=WVCCp(vc)tt=7.5 3.4.3 冷媒水的流量W冷 如果无冷却措施,则VC气体温度将升到t=12.5。但是工艺要求VC气体出口温度为10,这样就要求固碱干燥器要有冷却措施,把VC气体出口温度控制在10,如此,就需要从固碱干燥器中拿出的热量:Q=10.493103kg/h0.943kJ/kg(12.5-10)=24238.83kJ/h Q=W冷Cp(t2-t1) 其中,W冷冷媒水的流量 Cp冷媒水的平均比热 Cp=4.2kJ/kg t2冷媒水进口温度 t2=-5 t1冷媒水出口温度 t1=-2 W冷= 3.4.4 平均温度差 近似以
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