1，2－二氯乙烷裂解制備氯乙烯的模擬及分析

王 君，馮培良，嚴(yán) 麗，李多松，鄒春華，胡青松

(安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 基礎(chǔ)工況模擬計(jì)算

1.1 工藝流程

1，2－二氯乙烷裂解制備氯乙烯流程如圖1所示。其裂解反應(yīng):CH2Cl－ CH2Cl→HCl + CHCl=CH2

1，2－二氯乙烷進(jìn)料流量0.252 kmol/s，溫度294.3 K，壓力2 688 955.25 N/m2;裂解爐溫度755.4 K，壓力2 688 955.25 N/m2，單程轉(zhuǎn)化率55%;激冷器壓力降－34 473.79 N/m2，過冷度5.556 K;氯化氫脫除塔:塔板數(shù)17(包括冷凝器和再沸器)，回流比1.082，餾出物與進(jìn)料比0.354，進(jìn)料板位置8，板上進(jìn)料，全塔壓力取2 530 375.74 N/m2，采用全凝器;氯乙烯塔:塔板數(shù)12(包括冷凝器和再沸器)，回流比0.969，餾出物與進(jìn)料比0.55，進(jìn)料板位置7，板上進(jìn)料，全塔壓力取792 896.997 N/m2，采用全凝器;循環(huán)泵:出口壓力2 688 955.25 N/m2。

圖1 1，2－二氯乙烷裂解制備乙烯流程

1.2 物性方程選取

計(jì)算物性中RKS 方程相比于其它狀態(tài)方程大大提高了表達(dá)純物質(zhì)汽－液平衡的能力，并且能用于混合物汽－液平衡的計(jì)算，工業(yè)應(yīng)用范圍廣。故選取RKS 方程進(jìn)行汽－ 液平衡計(jì)算。形式如下［1－3］

計(jì)算混合物的混合規(guī)則如下

式中:kij為二元交互作用參數(shù)。

1.3 模擬計(jì)算結(jié)果

對該過程流程在基礎(chǔ)工況下進(jìn)行了模擬計(jì)算，主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。計(jì)算結(jié)果表明;目標(biāo)產(chǎn)物氯乙烯的物質(zhì)量純度達(dá)到99.8%，滿足生產(chǎn)要求，主要能耗是裂解爐與精餾塔再沸器所消耗的熱公用工程和激冷器和精餾塔冷凝器消耗的冷公用工程。下面在基礎(chǔ)工況模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，考察1，2－二氯乙烷裂解轉(zhuǎn)化率變化時(shí)主要能耗及氯乙烯純度的靈敏度分析。

表1 基礎(chǔ)工況的模擬計(jì)算結(jié)果

2 主要能耗的靈敏度分析

各項(xiàng)主要能耗隨著轉(zhuǎn)化率的變化如圖2～圖4所示。

裂解爐熱負(fù)荷與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系圖2所示，可見轉(zhuǎn)化率從0.5 增加到0.55 時(shí)，裂解爐熱負(fù)荷線性增加，這是因?yàn)榱呀夥磻?yīng)為吸熱反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率增加，單位時(shí)間絕對反應(yīng)量增加，需要提供更多的熱量維持反應(yīng);同樣的原因?qū)е录だ淦鞯臒嶝?fù)荷也隨轉(zhuǎn)化率的增加線性增加(見圖3，注意冷公用工程用量用負(fù)值表示);精餾塔再沸器熱負(fù)荷總和隨轉(zhuǎn)化率增加呈下降趨勢，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)化率增大后，精餾塔進(jìn)料中重組分減少，輕組分增加的原因造成的。以上分析表明，熱公用工程主要消耗在裂解爐和再沸器單元，在所研究的轉(zhuǎn)化率范圍類，裂解爐熱負(fù)荷變化比再沸器熱負(fù)荷變化更敏感，而且裂解爐所需的熱公用工程等級也更高，因此在優(yōu)化過程中需要把裂解爐熱負(fù)荷作為主要的目標(biāo)函數(shù)［4－5］。

圖2 熱解爐熱負(fù)荷與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

圖3 冷卻器熱負(fù)荷與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

圖4 再沸器熱負(fù)荷總和與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

圖5 氯乙烯產(chǎn)品純度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

3 產(chǎn)品純度的靈敏度分析

圖5 給出了氯乙烯產(chǎn)品純度與EDC 轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，可見轉(zhuǎn)化率從0.5 增加到0.55 時(shí)，氯乙烯產(chǎn)品的純度也是線性增加的，這是由于反應(yīng)量增加，產(chǎn)物的量也會隨之增加，經(jīng)過后序的分離提純，氯乙烯產(chǎn)品的純度增加。在轉(zhuǎn)化率為基礎(chǔ)工況的0.55 時(shí)，產(chǎn)品氯乙烯的純度達(dá)到0.98 以上，此時(shí)若降低轉(zhuǎn)化率，則產(chǎn)品純度會呈線性下降;若提高轉(zhuǎn)化率，產(chǎn)品純度已經(jīng)沒有多少上升的空間，并且增大反應(yīng)器體積，因此，基礎(chǔ)工況的轉(zhuǎn)化率為較優(yōu)的轉(zhuǎn)化率。

4 結(jié)論

對某過程設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)工況模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行了靈敏度分析，結(jié)果表明當(dāng)前基礎(chǔ)工況控制1，2－二氯乙烷轉(zhuǎn)化率為0.55 較優(yōu)，降低轉(zhuǎn)化率雖然可以降低裂解爐能耗，但當(dāng)轉(zhuǎn)化率低于0.55 后產(chǎn)品氯乙烯的純度幾乎線性下降，達(dá)不到客戶要求;如果轉(zhuǎn)化率高于0.55，裂解爐熱負(fù)荷將增加，而產(chǎn)品純度增加非常有限，并且需要增大反應(yīng)器體積，所以控制轉(zhuǎn)化率為0.55 附近，可在滿足產(chǎn)品純度的情況下能耗最小。

［1］J D SEADER，ERNEST J HENLEY.Separation process principles［M］.John Wiley＆Sons，Inc.1988:54－55.

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［3］JOHN M PRAUSNITZ，RUDIGER N LICHTENTHALER，EDMUNDO GOMES DE AZEVEDO.Molecular Thermodynamics of Fluid－ Phase Equilibria(3rd)［M］.Pearson Education，Inc.1999:28－30.

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［5］姚平經(jīng).工程系統(tǒng)分析與綜合［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2004:202－204.