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1、 I 100kt/aPVC 生产装置氯乙烯工段预热工序的初步设计 （邵阳学院生物与化学工程系 2009 级化学工程与工艺专业） 摘 要 本次毕业设计课题为年产 10 万吨 PVC 生产装置氯乙烯工段预热工序的初步设 计。本设计根据株洲化工集团现场实习有关资料及有关文献，完成了氯乙烯工业生产 方法的选择和优化，用 A2图纸绘制了带控制点的氯乙烯生产工艺流程图；对氯乙烯工 段预热工序进行了物料衡算和热量衡算，列出了相应的物料衡算表和热量衡算表；对 预热工段主要设备进行了设备结构选型，并作出了详细的工艺及设备设计计算，采用 A2图纸绘制了合成转化设备装配图。 本设计在氯乙烯工业生产方法的选择和优化上
2、重点考虑了生产过程的热量回收再 利用的问题。利用反应放出热量将热水加热成水蒸汽，进行热量回收供后续工段使用， 充分利用热能。 关键词：预热、PVC；VC；工艺；设计 II The Preliminary Design about Vinyl chloride section preheating process of PVC 100000 tons per year Zhang bo (2009 Chemical Engineering and Technology,Biological and Chemical Engineering Department of Shaoyang Unive
3、rsity) Tutor: Dai Youzhi Abstract The graduation design topic for the annual output of 100000 tons of production facility of PVC, vinyl chloride preheat section process of preliminary design. According to the Zhuzhou chemical industry group scene practice pertinent dates and related dates,the design
4、 mainly completes the vinyl chloride method selection and optimization of industrial production to use A2 drawing vinyl chloride production process flow chart with control points; Vinyl chloride preheat section process for the material balance and heat balance, and lists the corresponding material b
5、alance table and heat balance table; Converters on preheat conversion section of main equipment selection, equipment structure and make the detailed process and equipment design calculations, using A2 drawing a composite transformation equipment assembly drawing. This design in the selection of viny
6、l chloride production method and takes into account the optimization on the process of production of heat recycling problem. Will use gives off heat reaction heat hot water into steam, heat recovery is used for subsequent section, make full use of heat energy. Key words: preheat；PVC；VC；technological
7、；design 目 录 中文摘要 英文摘要 1 前言 1 2 概述 1 2.1 聚氯乙烯的性质与用途 1 2.2 氯 乙 烯 工 业 的 重 要 性 4 2.3 中 国 聚 氯 乙 烯 的 发 展 5 2.4 生产工艺简述 5 2.5 国内需求量和年均增长率 6 3 氯乙烯生产工艺 .6 3.1 原料乙炔的制备 6 3.2 氯乙烯的合成.9 3.3 工艺流程图 12 4 换热器13 4.1 换热器的种类与结构形式 13 4.2 石墨换热器 14 5 物料衡算.14 5.1 设计参数15 5.2 原 料 气 用 量 15 5.3 混 合 气 的 物 料 衡 算 16 5.4 石墨冷凝器的物料衡算
8、18 5.5 多筒过滤器的物料衡算 19 5.6 石 墨 预 热 器 的 物 料 衡 算 20 5.7 转化器的物料衡算20 5.8 水洗泡沫塔的物料衡算 21 5.9 碱洗泡 沫 塔 的 物 料 衡 算 22 6 热量衡算 .24 6.1 石墨预热器的物料衡算 24 7 预热器的设计26 7.1 流体流经的选择 27 7.2 预热器的热负荷 27 7.3 流体两端温度的确定 .27 7.4总传热系数 27 7.5 换热面积 27 7.6 单程换热管数 27 7.7 筒体的计算27 7.8 实际换热面积 28 7.9 总传热系数的核算 28 7.10 压降的计算 31 8 设备选型32 8.1
9、 封头 33 8.2 筒体 33 8.3 压力容器法兰及垫片 33 8.4 管板 33 8.5 接管 34 8.6 接管及接管法兰尺寸表 .34 总结36 参考文献37 附：工程图纸 致谢 38 邵阳学院毕业设计（论文） 1 1 前言 本设计是根据设计任务书的要求，对 100kt/aPVC 生产装置氯乙烯工段预热 工序的初步设计，广泛收集了 PVC 工艺和化工设计的相关资料作为设计的理论依据。 本设计对 PVC 的工艺发展状况、工艺选择、性质、工艺流程及合成原理，相关 的物料性质、物料衡算、设备选型、管道设计作了较为详细的阐述，以理论设计为主， 参考了大量资料和书籍，力求接近实际、切合实际。
10、本设计结合了化工生产的实际情况来进行，是培养我们综合运用化工专业基础理 论,基本知识和基本技能分析解决实际问题能力的一个重要环节；是本专业各个先前教 学环节的深化和检验，通过该毕业设计,我更深刻地了解并掌握化工工艺设计的基本程 序和方法，在查阅相关的物性资料书籍，选用合理的公式和数据，用文字、图表表达 设计结果及制图等能力方面得到更一层次的提高。在设计过程中我们注重树立正确的 设计思路和实事求是、严肃认真的工作作风，这将使我们在实际的化工系统建设,管理， 维护工作中,充分利用所学的专业知识，理论联系实际，独立开展工作，从而使我们具 备从事化工工作的实际基本能力，为我们能更快地融入社会、更好地适
11、应新的工作打 下坚实的基础。 在此次设计中，自始至终都得到了戴友志老师的悉心指导和同学们的热心帮助， 在此表示衷心的感谢。 当然由于本人水平有限，时间仓促等问题，此次设计不免存在漏洞与失误，希望 能得到专业人士的指导与建议。 2 概述 聚氯乙烯（PVC 树脂）是世界上最早实现工业化生产的塑料品种之一。由于 PVC 树脂具有难燃、抗化学腐蚀、耐磨、电绝缘性优良和机械强度较高等优点，在加 工过程中可以加入添加剂或采用适当的工艺和设备生产出各种各样的塑料制品，包括 板材、管材、管件、异型材等硬制品以及薄膜、人造革、塑料鞋、电缆料、泡沫材料 等软制品，在工业、农业、建筑、日用品、包装以及电力等方面具有
12、广泛的应用，因 此自 20 世纪 30 年代实现工业化生产以来，PVC 树脂以其优良的综合性能和较低的 价格一直受到各工业国家的普遍重视，保持着长盛不衰的发展势头。 2.1 聚氯乙烯的性质与用途 邵阳学院毕业设计（论文） 2 2.1.1 聚氯乙烯的性质 PVC 属于无定形共聚物，密度 1.35-1.45 ，表观密度度 0.4-0.65 ，3/cmg3/cmg 比热容 1.045-1.465 )，热导率 2.1 ，折射率 =1.544。85以gJ/(KkW20D 呈玻璃态。85-175呈粘弹态。 175-190时呈熔融态。 190-200时呈粘流态。脆 化点-50-60。软化点 75-85。玻璃
13、化转化温度在 80上下。100以上时开始 分解，180以上时快速分解。 200以上剧烈分解并变黑。 PVC 在火焰上能燃烧， 并降解释放出 HCl、CO，苯等低分子化合物，离火自熄。耐电击穿，可用于 1 万伏 低压电缆。较耐老化，但在光照和氧的作用下会缓慢分解，释放盐酸、形成羰基、共 轭键而变色。化学稳定性好，在酸、碱、盐溶液中较为稳定。并且在室温条件下耐磨 性超过硫化橡胶。 聚氯乙烯的突出优点是难燃性、耐磨性、抗化学腐蚀性、水汽低渗透性好。此外， 综合机械性能、制品透明性、电绝缘性、隔热、消声、消震性好。时性价比最为优越 的通用型材料。缺陷是热稳定性、抗冲击性较差，降低温度时迅速变硬变脆。受
14、冲击 时极易脆裂。但 PVC 极易改性，通过化学、物理方法可大大改善其性能。并且可通 过分子链交联或引入功能基团等手段赋予新的功能。 例如，将 PVC 树脂化后氯化，氯含量提高了 10%以上，即保留了 PVC 的优良 耐化学性，尺寸稳定性及良好的绝缘性能又提高了耐热性、拉伸强度、弹性模量及阻 燃抑烟性能。按配方不同，其玻璃化转化温度 从 PVC 的 80提高到 115-gT 135，热变形温度从 70升至 85-104。氯化聚氯乙烯优良的耐化学性、阻燃抑 烟性、高度的刚性、合适的密度及耐热性使之制造的管道、管件、阀门能用于输送热 水、冷水、工业腐蚀性液体，高温液体和消防系统特用管材管件；可以用
15、于制造飞机 机舱内的低烟制品等。 2.1.2 聚氯乙烯的用途 (1) PVC 一 般 软 制 品 利 用 挤 出 机 可 以 挤 成 软 管 、 电 缆 、 电 线 等 ； 利 用 注 射 成 型 机 配 合 各 种 模 具 ， 可 制 成 塑 料 凉 鞋 、 鞋 底 、 拖 鞋 、 玩 具 、 汽 车 配 件 等 。 (2) PVC 薄 膜 PVC 与 添 加 剂 混 合 、 塑 化 后 ， 利 用 三 辊 或 四 辊 压 延 机 制 成 规 定 厚 度 的 透 明 或 着 色 薄 膜 ， 用 这 种 方 法 加 工 薄 膜 ， 成 为 压 延 薄 膜 。 也 可 以 通 过 剪 裁 ， 热
16、 合 加 工 包 装 邵阳学院毕业设计（论文） 3 袋 、 雨 衣 、 桌 布 、 窗 帘 、 充 气 玩 具 等 。 宽 幅 的 透 明 薄 膜 可 以 供 温 室 、 塑 料 大 棚 及 地 膜 之 用 。 经 双 向 拉 伸 的 薄 膜 ， 所 受 热 收 缩 的 特 性 ， 可 用 于 收 缩 包 装 。 (3) PVC 涂 层 制 品 有 衬 底 的 人 造 革 是 将 PVC 糊 涂 敷 于 布 上 或 纸 上 ， 然 后 在 100 摄 氏 度 以 上 塑 化 而 成 。 也 可 以 先 将 PVC 与 助 剂 压 延 成 薄 膜 ， 再 与 衬 底 压 合 而 成 。 无 衬
17、底 的 人 造 革 则 是 直 接 由 压 延 机 压 延 成 一 定 厚 度 的 软 制 薄 片 ， 再 压 上 花 纹 即 可 。 人 造 革 可 以 用 来 制 作 皮 箱 、 皮 包 、 书 的 封 面 、 沙 发 及 汽 车 的 坐 垫 等 ， 还 有 地 板 革 ， 用 作 建 筑 物 的 铺 地 材 料 。 (4) PVC 泡 沫 制 品 软 质 PVC 混 炼 时 ， 加 入 适 量 的 发 泡 剂 做 成 片 材 ， 经 发 泡 成 型 为 泡 沫 塑 料 ， 可 作 泡 沫 拖 鞋 、 凉 鞋 、 鞋 垫 、 及 防 震 缓 冲 包 装 材 料 。 也 可 用 挤 出 机
18、基 础 成 低 发 泡 硬 PVC 板 材 和 异 型 材 ， 可 替 代 木 材 试 用 ， 是 一 种 新 型 的 建 筑 才 材 料 。 (5) PVC 透 明 片 材 PVC 中 加 冲 击 改 性 剂 和 有 机 锡 稳 定 剂 ， 经 混 合 、 塑 化 、 压 延 而 成 为 透 明 的 片 材 。 利 用 热 成 型 可 以 做 成 薄 壁 透 明 容 器 或 用 于 真 空 吸 塑 包 装 ， 是 优 良 的 包 装 材 料 和 装 饰 材 料 。 (6) PVC 硬 板 和 板 材 PVC 中 加 入 稳 定 剂 、 润 滑 剂 和 填 料 ， 经 混 炼 后 ， 用 挤
19、出 机 可 挤 出 各 种 口 径 的 硬 管 、 异 型 管 、 波 纹 管 ， 用 作 下 水 管 、 饮 水 管 、 电 线 套 管 或 楼 梯 扶 手 。 将 压 延 好 的 薄 片 重 叠 热 压 ， 可 制 成 各 种 厚 度 的 硬 质 板 材 。 板 材 可 以 切 割 成 所 需 的 形 状 ， 然 后 利 用 PVC 焊 条 用 热 空 气 焊 接 成 各 种 耐 化 学 腐 蚀 的 贮 槽 、 风 道 及 容 器 等 。 (7) PVC 其 它 门 窗 有 硬 质 异 型 材 料 组 装 而 成 。 在 有 些 国 家 已 与 木 门 窗 铝 窗 等 共 同 占 据 门
20、窗 的 市 场 ； 仿 木 材 料 、 代 钢 建 材 （ 北 方 、 海 边 ） ； 中 空 容 器 。 PVC（ Permanent Virtual Circuit） 永 久 虚 电 路 ： 两 台 计 算 机 通 过 面 向 连 接 网 络 的 连 接 。 PVC 能 经 受 计 算 机 的 重 新 自 举 或 电 源 的 波 动 ， 从 这 个 意 义 上 说 它 是 永 久 的 ； PVC 是 虚 拟 的 ， 因 为 它 是 将 路 径 放 在 路 由 表 中 ， 而 不 是 建 立 物 理 连 接 。 邵阳学院毕业设计（论文） 4 虚 电 路 是 分 组 交 换 网 络 提 供 的
21、 服 务 之 一 (另 一 种 是 数 据 报 服 务 )， 简 单 地 说 ， 就 是 通 过 网 络 内 部 的 控 制 机 制 ， 在 用 户 主 机 之 间 建 立 虚 拟 的 逻 辑 连 接 ， 并 且 保 证 在 其 上 传 送 信 包 的 正 确 性 和 顺 序 性 ， 通 信 前 后 要 进 行 虚 电 路 的 建 立 和 拆 除 。 永 久 虚 电 路 是 一 种 在 网 络 初 始 化 时 建 立 的 虚 电 路 ， 并 且 该 虚 电 路 一 直 保 持 。 X.25 网 络 和 B-ISDN 都 提 供 PVC 服 务 。 2.2 氯 乙 烯 工 业 的 重 要 性 聚
22、 氯 乙 烯 PVC 是 世 界 上 实 现 工 业 化 时 间 最 早 ， 应 用 范 围 最 广 范 的 通 用 型 热 塑 性 塑 料 。 在 三 四 十 年 代 开 始 实 际 应 用 以 来 ， 其 产 量 一 直 稳 居 塑 料 工 业 之 首 ， 后 来 由 于 聚 氯 乙 烯 发 展 速 度 更 快 ， 1996 年 才 退 居 第 二 位 。 在 美 国 1990 年 底 密 度 聚 氯 乙 烯 的 产 量 超 过 了 PVC， 1992 年 高 密 度 聚 氯 乙 烯 的 产 量 及 销 售 量 已 以 PVC 大 致 相 当 ， 他 们 交 替 位 于 第 二 或 第 三
23、 之 间 。 在 日 本 PVC 产 量 和 消 费 量 居 第 二 位 。 在 中 国 PVC 塑 料 制 品 产 量 一 直 位 居 第 一 ， PVC 树 脂 产 量 从 1988 年 开 始 退 居 第 二 ， 消 费 量 低 于 聚 乙 烯 和 聚 丙 烯 而 名 列 第 三 位 。 尽 管 如 此 聚 氯 乙 烯 在 其 综 合 性 能 、 品 种 的 多 样 性 、 用 途 的 广 泛 性 、 性 能 价 格 比 及 资 源 利 用 和 对 生 态 环 境 的 影 像 方 面 ， 仍 然 任 何 一 种 塑 料 。 60 多 年 来 PVC 工 业 一 直 保 持 着 最 富 活
24、 力 的 技 术 革 新 和 持 续 稳 定 的 发 展 状 态 。 PVC 是 相 当 重 要 的 大 宗 塑 料 ， 它 的 综 合 性 能 好 ， 改 性 品 种 多 用 途 最 为 广 泛 。 原 料 来 源 丰 富 、 消 耗 石 油 少 ， 价 格 低 廉 、 经 济 效 益 好 而 且 能 耗 低 ， 作 为 钢 铁 、 有 色 金 属 、 木 材 、 玻 璃 、 纸 张 等 传 统 材 料 的 替 代 产 品 ， 有 利 于 资 源 优 化 配 置 和 节 省 社 会 能 源 。 由 于 容 易 改 性 和 提 高 性 能 ， PVC 已 由 通 用 性 材 料 打 入 工 程
25、 材 料 、 功 能 材 料 和 强 性 材 料 ， 为 PVC 工 业 注 入 了 新 的 活 力 。 PVC 用 途 的 广 泛 性 、 碱 氯 产 品 的 关 联 性 、 生 产 技 术 的 密 集 性 。 使 PVC 工 业 与 建 筑 、 汽 车 、 电 子 机 械 及 石 油 化 工 等 国 名 经 济 的 支 柱 产 业 ， 氯 碱 工 业 等 基 础 原 料 工 业 高 新 产 业 紧 密 相 连 。 在 美 国 70 年 代 初 做 过 统 计 指 出 PVC 和 它 有 关 的 原 材 料 、 机 械 及 最 终 产 品 综 合 产 值 约 占 当 时 美 国 国 民 生
26、产 总 值 的 10%以 上 。 德 国 1995 年 PVC 企 业 销 售 额 18 亿 马 克 ， 而 PVC 加 工 机 塑 料 机 械 销 售 总 额 达 189 亿 马 克 ， 比 列 位 1:10； PVC 企 业 生 产 员 工 为 6800 人 ， 而 PVC 加 工 机 塑 料 机 械 等 行 业 的 员 工 为 98200 人 ， 比 列 为 1:14 据 德 国 化 学 工 业 调 查 ， 化 学 工 业 销 售 额 的 60%来 自 于 氯 有 关 的 化 学 品 。 1995 年 德 国 国 内 销 售 额 1800 亿 马 克 ， 其 中 1100 亿 马 克 与
27、 氯 有 关 。 从 事 氯 化 工 人 员 有 25 万 人 ， 占 化 工 职 工 总 数 的 50%如 果 按 PVC 得 比 列 推 算 到 氯 的 最 终 产 品 ， 则 将 邵阳学院毕业设计（论文） 5 涉 及 全 国 360 万 从 业 人 员 。 中 国 在 80 年 代 末 也 对 华 东 地 区 做 过 调 查 每 万 吨 氯 碱 可 创 造 5-7 亿 元 工 业 产 值 ， 每 亿 元 产 值 直 接 影 响 到 下 游 产 业 的 15-20 亿 元 产 值 。 PVC 加 工 业 是 中 国 塑 料 工 业 中 企 业 数 最 多 的 行 业 ， 其 生 产 程 度
28、 之 高 ， 应 用 覆 盖 面 之 广 ， 技 术 推 动 性 之 大 是 非 常 明 显 的 。 PVC 工 业 的 发 展 可 以 带 动 和 促 进 国 民 经 济 许 多 行 业 的 技 术 进 步 与 发 展 ， 可 以 改 善 人 们 衣 食 住 行 条 件 ， 提 高 人 民 生 活 水 平 。 因 此 ， PVC 工 业 在 国 民 经 济 中 占 有 一 定 地 位 。 发 展 好 PVC 工 业 的 意 义 十 分 重 大 。 2.3 中 国 聚 氯 乙 烯 的 发 展 聚氯乙烯（PVC）是世界第二大通用树脂， 1998 年世界 PVC 树脂生产能力约为 2980 万吨，
29、产量大约为 2350 万吨，次于聚乙烯树脂（生产能力 5680 万吨，产量 4370 万吨） ，与聚丙烯树脂（生产能力 2994 万吨，产量 2550 万吨）相差不多。 PVC 是由液态的氯乙烯单体（VCM ）经悬浮、乳液、本体或溶液法工艺聚合而成， 其中悬浮工艺在世界 PVC 生产装置中大约占 90 的比例。在世界 PVC 总产量中均 聚物也占大约 90的比例。PVC 是应用最广泛的热塑性树脂，可以制造强度和硬度 很大的硬质制品如管材和管件、门窗和包装片材，也可以加入增塑剂制造非常柔软的 制品如薄膜、片材、电线电缆、地板、合成革、涂层和其它消费性产品。硬质制品目 前占 PVC 总消费量的 6
30、570，今后 PVC 消费量进一步增长的机会主要是在硬质 制品应用领域。目前 PVC 在建筑领域中的消费量占总消费量的一半以上。 1998 年我国 PVC 产量和表观需求量分别为 160 万吨和 317 万吨。在世界上产 量仅次于美国（639 万吨） 、日本（263 万吨）居第三位。2000 年前后，计划新建和 扩建 PVC 能力至少为 88 万吨/年，估计此期间大量没有竞争能力的电石法小厂将闲置， 所以总产能有可能达 220 万吨/年水平，其中乙烯法将达 134.6 万吨/年，从目前占 31%上升到 61%。报道的项目有万县市 6 万吨/年本体法 PVC 装置，天津渤海公司 同韩国乐喜公司、
31、美国西方化学公司合资的 10 万吨/年 PVC 装置，(其中引进的 8 万 吨/年乙烯法 VCM 装置于 1997 年建成、投产)，上海天原化工厂同伊滕忠商事、旭 硝子公司合资的 24 万吨/年 VCM 和 20 万吨/年 PVC 装置，泰国正大集团在宁波的 12 万吨/年 PVC 装置，辽河集团与乐喜金星公司合资的 8 万吨/年 PVC 装置，上海 氯碱化学公司已使 VCM 产能增大到 30 万吨/年，计划到 40 万吨/年，这意味 PVC 产能将由目前的 22 万吨/年增加到 36 万吨/年，北京化工二厂将增加 PVC 能力 7.6 万吨/年，齐鲁公司将增加 PVC 能力 10 万吨/年，
32、广州化工厂 8 万吨/年乙烯法 VCM/PVC 项目已通过评审。 邵阳学院毕业设计（论文） 6 2.4 生产工艺简述 PVC 树脂可以用悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合或溶液聚合四种基本工艺生产。 聚合反应由自由基引发，反应温度一般为 4070，反应温度和引发剂的浓度对聚 合反应速率和 PVC 树脂的分子量分布影响很大。悬浮聚合生产工艺成熟、操作简单、 生产成本低、产品品种多、应用范围广，一直是生产 PVC 树脂的主要方法，目前世 界上 90%的 PVC 树脂 (包括均聚物和共聚物) 都是出自悬浮法生产装置。美国悬浮 法均聚 PVC 树脂的生产能力不断提高， 1987 年占 84%，1996 年为
33、 90%。PVC 树 脂生产技术已经十分成熟，近年来主要是针对已经基本定型的工艺技术进行一些改进。 90 年代中期以来有关 PVC 树脂工艺技术的专利集中在改进防结焦涂层、改进引发剂 体系、改进乳化剂以及减少残留单体含量等方面。经过 30 多年的发展，我国已经建成 包括先进的悬浮法、本体法和生产糊树脂的乳液法、微悬浮法等在内的工艺齐全的 PVC 树脂生产装置。但是, 整个行业的技术水平还比较低。我国生产装置规模普遍较 小，国外先进国家悬浮法装置生产规模一般在 1020 万吨/年，在我国 70 余生产厂 只有 3 套装置达到这样的规模；目前国外乙烯氧氯化法路线生产的 PVC 树脂已占 90%以
34、上的比例，发达国家基本淘汰了电石乙炔法路线，我国采用乙烯路线的 PVC 树脂仅 占 PVC 树脂总能力的 1/3。 2.5 国内需求量和年均增长率 我国 1998 年聚氯乙烯产量为 160 万吨，净进口量约 157 万吨，表观需求量为 317 万吨。考虑到进口产品中有相当部分不属于一般贸易方式（如 1998 年来料加工、 进料加工、保税仓库等方式进口占总进口量的 89.7%）,但由于来、进料加工等贸易方 式进口的树脂并未能全部复出口，粗估国内的需求大约为 248 万吨。15 年来我国聚氯 乙烯树脂的表观满足率和满足率分别为 80.6%和 87.5%，高于其它通用树脂。需求的 年均增长率为 9.
35、8%，是同期 GDP 年均增长率（10.3%）的 0.95 倍,低于其它通用树 脂。然而，从 1983-1998 年我国聚氯乙烯树脂需求增长趋势看，90 年代的需求增长 率明显高于 80 年代，90 年代国内需求满足率明显低于 80 年代。 3 氯乙烯生产工艺 3.1 原料乙炔的制备 3.1.1 乙炔概述 纯品为无色略带芳香气味的气体，工业品（俗称电石气则具轻微大蒜臭。CH 邵阳学院毕业设计（论文） 7 常压下不能液化，升华点-83.8 ，易燃易爆，是有机合成工业的重要原料，也是有 特定用途的优质高热值燃料。 生产方法工业上有许多种生产乙炔的方法，按原料来源可分为两大类：碳化钙法 和烃类裂解法
36、。碳酸钙法又名电石法，是最古老惬意今人在工业上普遍使用的乙炔生 产方法。它是使电石与水在乙炔发生器中作用而制得乙炔： 222 HCOaHCa 电石为固体物料，运输方便，制得乙炔浓度很高，只需简单精制即可使用，故碳 化钙法应用比较普遍，既可大规模生产，也可少量发生以用于焊接或切割，但生产电 石能耗太高，发展受到限制。 碳酸钙法乙炔浓度为 96-98.5%，含有硫化物、磷化氢、砷化氢、氨和乙炔衍生 物等杂质，此等物质能使催化剂中毒或腐蚀金属，在作为化工原料使用前常用稀硫酸、 次氯酸钠溶液（氯通入稀氢氧化钠溶液）分别洗涤净化，少量的乙炔也可用干法净化， 采用重铬酸盐净化剂、三氯化铁净化剂均可达到净化
37、要求。 3.1.2 生产原理 (1) 电石法 电石制备：CaO + 3C CaC 2 + CO 乙炔制备：主反应 CaC2 + 2H2O Ca（ OH） 2+ C2H2 副反应 CaO + H2O Ca（OH） 2 CaS + 2H2O Ca （ OH） 2 + H2S Ca3P2 + 6H2O 3Ca （OH ） 2 + 2PH3 Ca3N2 + 6H2O 3Ca （OH） 2 + 2NH3 Ca2Si + 4H2O 3Ca （OH） 2 + SiH4 Ca3As2 + 6H2O 3Ca （OH） 2 + 2AsH3 从上述反应可以看出在生成乙炔的同时还存在喜多杂质气体。这种含有众多杂质气体
38、 的乙炔称为粗乙炔，用粗乙炔生产氯乙烯不适宜，容易造成合成工段触媒中毒，还会 影响氯乙烯质量，为此必须进行清净处理。常用的清净剂是次氯酸钠，利用次氯酸钠 的氧化性，将粗乙炔中的硫化氢、磷化氢等杂质气体氧化呈酸性物质而除去。 其反应方程式如下： 邵阳学院毕业设计（论文） 8 4NaOCl + H2S H 2SO4 + 4NaCl 4NaOCl + PH3 H 3PO4 + 4NaCl 4NaOCl + SiH4 SiO 2 + 2H2O + 4NaCl 4NaOCl + AsH3 H 3AsO3 + 4NaCl 上述清净化应可以看出清净过程称重产生了酸性物质，需用 NaOH 中和。 (2) 天然
39、气氧化裂解制乙炔的方法： CH4 C 2H2 + 3H2 CH4 + 2O2 CO 2 + 2H2O 上面两个反应方程式构成甲烷氧化裂解过程，与此同时还发生如下几种反应： 甲烷不完全氧化反应：CH 4 + 1/2O2 CO + 2H2 一氧化碳变换反应： CO + H2O CO 2 + H2 乙炔分解反应： C2H2 2C + H2 3.1.3 工艺路线的选择 电石法是生产乙炔较为古老的方法。这种方法耗电量大、成本高、但技术成熟、 乙炔含量较高、生产工艺流程简单、应用较为普遍，随着石油工业的飞速发展，以天 然气为原料通过裂解生产乙炔已成为主要方法，这种方法生产成本较低，同时还副产 有用的副产物
40、。但在石油资源贫乏而水资源丰富的地区，一旦水电资源得到充分开发， 电价大幅度降低。此电石乙炔路线可以与石油乙烯路线竞争。这就是电石乙炔厂家赖 以生存的原因。从长远分析地球的石油资源有限，而水电资源是大量的，因此，乙炔 路线还是有一定的生命力。 3.1.4 反应原理 CaO + 3C CaC 2 + CO2 CaC2 + H2O Ca（OH ） 2+ C2H2 (1) 电石粒度 电石粒度不宜过小，否则水解速度太快，是反应放出的热量不能及时移走易发生 局部过热而引起乙炔分解和热聚，进而使温度剧升而发生爆炸。粒度过大，则水解反 应缓慢发生器底部间歇排出渣浆中容易夹带未水解的电石。造成电石额定消耗上升
41、。 邵阳学院毕业设计（论文） 9 因此，根据目前发生器结构及电石破碎损耗等因素考虑。粒度控制在 80 mm 以下， 对于 4-5 层挡板可选用 80 mm 以下，对于 2-3 层挡板者宜选用 50 mm 以下。 (2) 反应温度 温度对于电石水解反应的速度的影响是显著的，相同粒度下测定温度在 2-80 范围内的影响关系，发现在 50 以下每升高 1 使水解速度加快 1%；而在-35 以下的寒冷地区，电石在盐水中的反应速度是非常缓慢的。 理论上，每吨电石水解需 要 0.56 吨的水，在绝热反应下，水解反应会使系统温度剧升到几百度以上。因此在湿 式发生器中，都采用过量水移出反应热，并稀释副产的氢氧
42、化钙以利益管道排放。总 加水量与电石投料量之比即称作水比。因此，在湿式反应器中温度和水比是相对应的， 工业生产上就是借减少加水量来提高反应温度。反应温度越高则乙炔总损失越少，而 发生器排出的电石渣浆含固量也相应上升。过高反应温度将导致排渣困难，另外，粗 乙炔气中水真气含量相应增加，冷却负荷加大，以及从安全等方面考虑，不宜使反应 温度控制过高，一般根据已有生产经验以 80-90 为宜。 3.2 氯乙烯的合成 3.2.1 氯乙烯概述 (1) 外观与性状 无色、有醚样气味的气体，熔点-159.8 ，沸点-13.4 ，相对密度（水=1）： 0.91，相对蒸汽密度(空气=1）：2.15，饱和蒸汽压 34
43、6.53 (25 ),临界温度KPa 142 ，临界压力 5.60 ，辛醇/水分配系数的对数值 1.38，引燃温度 415 ，MPa 微溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮等多数有机溶剂。 (2)主要用途 用作塑料原料及有机合成，也用作冷冻剂等。 3.2.2 生产原理 生产方法：乙炔和氯化氢在氯化汞的催化作用下合成氯乙烯。 CHlHlC 2 制备氯乙烯有：电石乙炔法氯乙烯、直接氯化法制氯乙烯、乙烯氧氯化法制氯乙 烯。 邵阳学院毕业设计（论文） 10 电石乙炔法制备氯乙烯工艺的优点是，工艺和设备简单、投资少、收率高；缺点 是能量消耗高、原料成本高、催化剂汞盐毒性大。 乙烯氧氯化法制氯乙烯特点是：反映器能
44、力大、生产效率高生产成本低、单体和 杂质含量少可以连续操作。 用乙炔与氯化氢反应生成氯乙烯。乙炔与氯化氢的摩尔比为 1:1,使用氯化汞作催 化剂。反应压力为 0.17 MPa，反应温度 95-105 ，一般转化率可达到 98%直到 50 年代乙炔法仍在世界范围占有主要位置。 直接氯化反应使用二氯乙烷做溶剂，在液相中进行直接氯化反应。反应压力为 0.45 MPa，反应温度通常为 60 ，反应过程中使用略过量的乙烯进行反应，转化率 科达 100%，使用选择性大于 99%的氯化铁催化剂可加速反应，提高生产效率，然后， 将高纯度的二氯乙烷（99.5%）在 550 和 2.76 MPa 压力条件下进行裂
45、解，生产出 氯乙烯单体但副产物氯化氢难于处理。 50 年代末，乙烯氧氯化法工业化，并在 60 年代推广开来。乙烯氧氯化法使用乙 烯、氧气、氯化氢反应得到二氯乙烷，反应在 230-315 条件下进行，压力为 1.38 MPa，使用金属氯化物催化剂，使反应在高转化率和高选择性条件下进行。二氯乙烷 再经裂解生成氯乙烯，副产的氯化氢再回收到氧氯化工段使用，在消除氯化氢副产物 后生成一些水。 3.2.3 工艺路线选择 根据任务依据和要求选择电石乙炔法制备氯乙烯，同时这种方法还有投资少、工 艺设备简单收率高等优点，有一定的生命力。 3.2.4 反应原理 主反应： CHlHlC 2 副反应： O2 23ll
46、 3.2.5 工艺条件 (1) 反应温度 反应温度对氯乙烯的合成影响很大，温度升高，反应速度加快，乙炔转化率提高。 邵阳学院毕业设计（论文） 11 表 1 反应温度对乙炔转化率的影响 反应温度（K） 433 453 473 乙炔转化率（%） 95.6 96.38 98.83 反应温度过高，副反应增加，同时由于温度过高会破坏催化剂的活性结晶表面， 是氯化汞升华加剧，高温还会使乙炔聚合成树枝状聚合物沉积在催化剂表面从而遮盖 催化剂的活性中心使催化剂活性下降。因此，在工业生产中反应温度一般采用催化剂 的活性温度范围 120-150 。 (2) 反应压力 根据反应原理可知，该反应系统为一个气体分子数减少的反应系统，加压