年产4万吨的聚氯乙烯氯乙烯车间工艺设计物料衡算/热量衡算/设备计算/经济核算(一)

第三章  物料衡算
3.1计算依据
1）年产聚氯乙烯40000吨
2）年工作时间300天，即7200小时
3）原料组成
（1）原料乙炔               V%
  乙炔（C2H2）          99.795%
丙乙烯（C3H4）          0.070%
惰性气体(N2+Ar)         0.100%
二氧化碳（CO2）         0.030%
P=0.5kg/cm2(表)   t=常温
（2）原料氯化氢       V%
 氯化氢（HCl）      99.9%
 水（H2O）           0.1%
 P=0.2kg/cm2(表)  t=10℃
 4收率
 理论乙炔转化率为99.3%
 理论选择性为98.25%
 理论收率=99.3%×98.25%=97.56%
 聚合时每吨聚氯乙烯消耗单体量为1.092吨
 实际收率一般都在91.7%左右。
 3.2原料气物料衡算
 3.2.1乙炔进料组成
 （1）重量组成
 P=0.5kg/cm2(表)    t=30℃
 总压P=0.5+1.033=1.533kg/cm2
 30℃时水的饱和蒸汽压P*H2O=0.0433kg/cm2
 VH2O=P*H2O/P=0.0433/1.533=2.8245%
 WH2O=1.9712%
 WC3H4=0.1055%
 WC2H4=0.0094%
 WN2=0.1055%
 WCO2=0.0497%
 WC2H2=1-( WH2O+ WC3H4+ WC2H4+ WN2+ WCO2)=97.7586%
 (2)体积组成
 VC3H4=0.07%*97.18%=0.06803%
 依此类推可得
 VC4H2=0.0049%
 VN2=0.0972%
 VCO2=0.0292%
 VC2H2=96.9808%
 （3）各组分进料量
 所需单体量=40000×1000×1.092/7200×62.5=97.07kmol/h=6066.67kg/h
 所需乙炔投料量=379.17/0.9756=99.49kmol/h=2586.79kg/h
 其他组分
 丙二稀（C3H4）=2.7972kg/h=0.0699kmol/h
 丁二炔（C4H2）=0.2498kg/h=0.0050kmol/h
 惰性气体（N2）=2.7972kg/h=0.0999kmol/h
 二氧化碳（CO2）=1.3187kg/h=0.300kmol/h
 水（H2O）=52.2654kg/h=2.9036kmol/h
 3.2.2氯化氢进料量
根据工艺需要HCl过量,计算中按分子比
C2H2:HCl=1:1.05
纯乙炔进料:99.49kmol/h
纯氯化氢进料:99.49×1.05=140.47kmol/h=3813.03kg/h
其他组分：水（H2O）=0.1/99.9×104.47=0.1046kmol/h=1.8823kg/h
 
  
 表 3.1  乙炔的进料组成及进料量
组成 W% V% Kg/h Kmol/h
C2H2 97.76 96.98 2586.79 99.49
C3H4 0.1055 0.068 2.7972 0.0699
C4H2 0.0094 0.0049 0.2498 0.005
N2 0.1055 0.972 2.7972 0.999
CO2 0.0497 0.0292 1.3187 0.03
H2O 1.971 2.824 52.2654 2.9036
总和 100 100 2646.22 102.60
 表 3.2  氯化氢的进料组成及进料量
组成 W% V% Kg/h Kmol/h
HCl 99.95 99.9 3813.03 104.47
H2O 0.05 0.1 1.8823 0.1046
总和 100 100 3814.91 104.57
 表 3.3  所需分子量表
分子式 C2H3Cl C2H2 C3H4 C4H2 HCl N2 CO2 H2O
分子量 62.5 26 40 50 36.5 28 44 18
 3.3乙炔预冷器物料衡算
 进料见表2.1，P=0.5kg/cm2(表)
 用5℃水冷却至10℃ ，10℃时P*H2O=0.0125kg/cm2
 气相出料含水=0.0125/（1.033+0.5）=0.8154%
 乙炔进料中干物料量=102.6-2.9036=99.69kmol/h
 乙炔出料含水量=0.8154/（100-0.8154）×99.69=0.8196kmol/h=14.7526kg/h
 凝水量=2.9036-0.8196=2.0840kmol/h=37.5122kg/h
 其它组分含量经计算见下表
  
 
 表 3.4  乙炔预冷器气相出料量及组成
组成 W% V% Kg/h Kmol/h
C2H2 99.1528 98.98 2586.79 99.49
C3H4 0.1086 0.0699 2.7972 0.0699
C4H2 0.0096 0.00496 0.2498 0.005
N2 0.1079 0.0992 2.7972 0.0999
CO2 0.0509 0.0298 1.3187 0.03
H2O 0.5702 0.8154 14.7526 0.8196
总和 100 100 2608.7055 100.5144
 3.4混合器物料衡算
 进料见表2.2,表2.4
 出料,忽略混合时产生的少量凝酸,经计算列表如下
 表 3.5  混合出料表
组成 W% V% Kg/h Kmol/h
HCl 59.0299 50.872 3813.03 104.47
C2H2 40.2071 48.447 2586.79 99.49
C3H4 0.4367 0.342 2.7972 0.0699
C4H2 0.0039 0.00242 0.2498 0.005
N2 0.0434 0.0486 2.7972 0.099
CO2 0.0205 0.0146 1.3187 0.03
H2O 0.2586 0.45 16.6349 0.9242
总和 100 100 6423.6178 205.089
 3.5冷冻脱水物料衡算
 进料见表2.5
 冷冻脱水混合物料气中含水量一般在0.025-0.03%之间,设计中取0.028%
 进料中干物料量=205.089-0.9242=204.1648kmol/h
 气相出料含水=0.028/(100-0.028)×205.089=0.0574koml/h=1.0339kg/h
 凝水量=16.6349-1.0339=15.6010kg/h=0.8667kmol/h
 
 
 
 
 表 3.6  冷冻脱水出料表
组成 W% V% Kg/h Kmol/h
HCl 59.4938 51.088 3813.03 104.47
C2H2 40.3783 48.653 2586.79 99.49
C3H4 0.0438 0.0343 2.7972 0.0699
C4H2 0.0039 0.00244 0.2498 0.005
N2 0.0436 0.0488 2.7972 0.0999
CO2 0.0205 0.0146 1.3187 0.03
H2O 0.0161 0.028 1.0339 0.0574
总和 100 100 6408.02 204.22
 3.6转化器物料衡算
 1.乙炔总转化率99.3%,其中副反应占1.05%
 除了气相中物料含水消耗生成乙醛外,其余反应应按生成1,2二氯乙烷计
 2.按资料介绍在汞催化剂上,在120℃时丁二炔实际上完全聚合,仅少部分与HCl反应生成二氯丁稀, 因其量甚少且易分离,不影响单体质量,故计算中忽略丙二稀按全部与HCl生成2-氯丙稀计算。
 反应式：C2H2+HCl→C2H3Cl(VC)        (1)
 C3H2+2HCl→C2H4Cl2(EDC)      (2)
 C2H2+H2O→C2H4O              (3)
 C3H4+HCl→C3H5Cl            (4)
 C4H2→聚合物               (5)
乙炔总转化率99.3%，其中反应(1)占98.25%
生成VC的量=99.49×98.25%=97.7489koml/h=6109.31kg/h
反应（1）消耗HCl=97.7489kmol/h=3567.84kg/h
反应（3）消耗C2H2=0.0574kmol/h=1.4924kg/h
反应（3）生成C2H4O=0.0574kmol/h=2.5256kg/h
反应（2）生成C2H4Cl2=0.9872kmol/h=97.7373kg/h
尚存乙炔=0.6964kmol/h=18.1072kg/h
反应（2）消耗HCl=1.9745kmol/h=72.0689kg/h
反应（4）生成C3H5Cl=0.0699kmol/h=5.3474kg/h
反应（4）消耗HCl=0.0699kmol/h=2.5514kg/h
尚存HCl的量=104.47-97.7489-1.9745-0.0699=4.6767kmol/h=170.70kg/h
 
 表 3.7  转化器出料表
组成 W% V% Kg/h Kmol/h
C2H3Cl 95.3491 93.661 6109.31 97.7489
C2H4Cl2 1.5255 0.946 97.7373 0.9872
C2H4O 0.0387 0.054 2.5256 0.0574
C3H5Cl 0.0684 0.0549 5.3474 0.0699
HCl 2.6712 4.493 170.7 4.6767
C2H2 0.2829 0.668 18.1072 0.6964
N2 0.0436 0.0956 2.7972 0.0999
CO2 0.0206 0.0287 1.3187 0.03
总和 100 100 6407.8434 104.3664
3.7水洗塔物料衡算
1.气体进口压力=140mmHg(表) t=50℃
 气体出口压力=100mmHg(表) t=45℃
2.乙醛全部洗净(乙醛在水中溶解度无限大)
3.氯化氢全部吸收
气体出口压力P=760+100=860Hg=1.169kg/cm2
气体出口T=45℃,P*H2O=0.0977kg/cm2

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