電石乙炔法制取聚氯乙烯生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)研究

李法軍

（山東京陽(yáng)科技股份有限公司，山東 濱州 251800）

聚氯乙烯（簡(jiǎn)稱PVC）是五大通用合成樹(shù)脂之一，世界產(chǎn)量和消費(fèi)量?jī)H次于聚乙烯和聚丙烯，位居第三位[1]。PVC 樹(shù)脂由于具有良好的物理性能和化學(xué)性能、優(yōu)異的柔韌性和機(jī)械性能，在加工過(guò)程中加入添加劑或采用適當(dāng)?shù)墓に嚭驮O(shè)備適宜生產(chǎn)出各種塑料制品，包括板材、管材管件、異型材等硬制品以及薄膜、人造革、塑料鞋、電纜料、泡沫材料等，被廣泛用于工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)、日用生活、包裝、電力等領(lǐng)域[2-5]。氯乙烯是聚氯乙烯（PVC）的單體，也是生產(chǎn)聚氯乙烯的主要原料。隨著聚氯乙烯消費(fèi)量的增長(zhǎng)，市場(chǎng)上對(duì)氯乙烯的需求也必然會(huì)有所增長(zhǎng)。

1 氯乙烯市場(chǎng)需求分析

氯乙烯單體（VCM）是生產(chǎn)聚氯乙烯（PVC）樹(shù)脂的主要原料，全世界99%的VCM 產(chǎn)量用于生產(chǎn)聚氯乙烯，少量的VCM 與其他單體（如醋酸乙烯酯）反應(yīng)生成共聚物。發(fā)達(dá)國(guó)家VCM 用于非PVC 用途的比例為3%～5%，而其他國(guó)家的比例不足1%。自1993 年以來(lái)，世界VCM 生產(chǎn)能力和產(chǎn)量的平均增長(zhǎng)率分別為6.0%和5.0%。氯乙烯的生產(chǎn)和消費(fèi)主要集中在亞洲、北美和西歐地區(qū)。亞洲是世界上最大的氯乙烯進(jìn)口地區(qū)，而北美是VCM 凈出口量最大的地區(qū)，其出口產(chǎn)品大量運(yùn)往亞洲。從1993 年以來(lái)VCM 生產(chǎn)發(fā)展最快的當(dāng)數(shù)亞洲和中東地區(qū)，亞洲VCM 生產(chǎn)能力和產(chǎn)量的平均增長(zhǎng)率分別為10.4%和8.4%，中東地區(qū)的平均增長(zhǎng)率分別為8.5%和9.7%。此外，北美和西歐地區(qū)的增長(zhǎng)率將高于亞洲和中東地區(qū)，亞洲和中東仍是VCM 發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)[6]。

氯乙烯在我國(guó)主要用作聚氯乙烯的生產(chǎn)原料，極少量與其他單體（如醋酸乙烯、丁二烯、丙烯）聚合生產(chǎn)共聚物。2018 年我國(guó)PVC 生產(chǎn)能力為226.0 萬(wàn)t，產(chǎn)量159.9 萬(wàn)t，因天津樂(lè)金公司10 萬(wàn)t/a 的PVC 生產(chǎn)裝置采用的是進(jìn)口氯乙烯，故我國(guó)折合氯乙烯生產(chǎn)能力為221.3 萬(wàn)t/a，產(chǎn)量為138.1 萬(wàn)t。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)VCM 進(jìn)口的主要來(lái)源國(guó)是日本、韓國(guó)和美國(guó)，占總進(jìn)口量的99.9%以上。其中從日本進(jìn)口的VCM 最多，占61.2%；其次是韓國(guó)和美國(guó)，所占比例分別為26.2%和12.5%,還有很少部分VCM 來(lái)自英國(guó)、德國(guó)和馬來(lái)西亞等地[7]。

2 氯乙烯生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述

2.1 反應(yīng)過(guò)程

反應(yīng)過(guò)程如圖1 需要以下幾個(gè)步驟：85 ℃原料氣經(jīng)過(guò)噴淋冷卻塔的冷卻后除去多余的水蒸氣和氨，出來(lái)的氣體在經(jīng)過(guò)冷卻塔使剩余氣體溫度降到25 ℃；冷卻后的氣體經(jīng)過(guò)凈化塔除去磷化氫、砷化氫、硫化氫等雜質(zhì)氣體，凈化后的硫酸、磷酸等雜質(zhì)在經(jīng)過(guò)中和塔用12%的液堿中和除去；經(jīng)冷卻器除去飽和的水分后進(jìn)入混合器。在其中與HCl 充分混合后，進(jìn)入串聯(lián)的石墨冷卻器中，用-35 ℃鹽水間接冷卻，除去多余水分；出混合器的氣體進(jìn)入酸霧過(guò)濾器中，氣體經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱，有流量計(jì)控制進(jìn)入串聯(lián)的反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體氯乙烯占80%。

圖1 氯乙烯合成的生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 物料衡算

按照一年8 000 h 計(jì)算（一個(gè)多月設(shè)備的檢修與維護(hù)），設(shè)計(jì)裕量為6%，其反應(yīng)方程為根據(jù)設(shè)計(jì)要求，氯乙烯的物質(zhì)的量為254.4 kmol/h。

2.3 噴淋冷卻塔

計(jì)算依據(jù)：原料氣進(jìn)口溫度85 ℃，出口溫度為45 ℃；假設(shè)在水洗的過(guò)程中氨氣被全部吸收，忽略其他雜質(zhì)在水中的溶解；采用10 ℃的水進(jìn)行噴淋冷卻；出來(lái)的塔頂氣體中水蒸氣達(dá)到飽和。

45 ℃的飽和水蒸氣壓為9.58 kPa，壓力為5.33 kPa（絕壓），水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為8.98%；出口的氣體總量為280.4 kmol/h。

物料衡算如表1 所示。

表1 物料衡算表

進(jìn)入的氣體量為510.551 3 kmol/h，即每小時(shí)11 436.35 m3。噴淋量為9 149.08 kmol/h。

2.3.1 冷卻塔

計(jì)算依據(jù)：氣體進(jìn)口溫度45 ℃，出口溫度25 ℃；水蒸氣在出塔時(shí)達(dá)到飽和狀態(tài)；假設(shè)在此過(guò)程中乙炔沒(méi)有損失，在這個(gè)過(guò)程中只有部分蒸汽被冷凝。計(jì)算得出：25 ℃的水蒸氣分壓為3.17 kPa，其體積分?jǐn)?shù)為2.972 9%，出口的總量263.04 kmol/h，其中含水蒸氣7.82 kmol/h。

2.3.2 凈化塔

計(jì)算依據(jù)：氣體溫度25 ℃、壓力47.99 kPa；假定在這個(gè)過(guò)程中氣體沒(méi)有損失；硫化氫、砷化氫、磷化氫等氣體全被除去。計(jì)算可得：查表得25 ℃水蒸氣的分壓為3.17 kPa，得在出口中水的體積分?jǐn)?shù)為2.12%；出口的量為260.5 kmol/h；水蒸氣5.52 kmol/h。

2.3.3 中和塔

計(jì)算依據(jù)：其進(jìn)口量為清凈塔的出口量；假設(shè)在這個(gè)過(guò)程中氣體損失1%，出口量為257.92 kmol/h，水蒸氣量為5.46 kmol/h。物料為表2 所示。

表2 中和塔物料表 kmol/h

2.3.4 乙炔冷卻器

計(jì)算依據(jù)：原料氣的進(jìn)口溫度為25 ℃，出口溫度為10 ℃；壓力為47.99 kPa（表壓）；10 ℃水蒸氣的飽和蒸汽壓為1.23 kPa，則水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為0.82%。根據(jù)物料守恒原則，出口的氣體總量為254.55 kmol 其中含水為2.087 kmol/h。

2.4 混合器

計(jì)算依據(jù)：氯化氫93%、40 ℃；溫度為40 ℃；進(jìn)料的摩爾比為1∶1.09；氯化氫的比熱為29.16 kJ/（kmol·K）；乙炔的比熱為45.53 kJ/（kmol·K）；乙炔的物質(zhì)的量為254.55 kmol/h。設(shè)混合后的氣體溫度為t，254.55×45.42×（t-t1）=274.91×29.16×（t2-t），求的t=22.28 ℃，其物料平衡如表3 所示。

表3 混合器物料衡算表

3 石墨冷卻器

計(jì)算依據(jù)：石墨冷卻器分兩段進(jìn)行；用-35 ℃的鹽水間接冷卻；第一段出口溫度為5 ℃，第二段出口溫度為-14 ℃，第一段出口氣體溫度為5 ℃，冷凝酸度為40%，查表得其上的水蒸氣分壓為0.084 kPa，系統(tǒng)壓力為134.6 kPa，水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為0.062 4%。第二段出口溫度為-12 ℃，冷凝酸度為40%，鹽酸的水分壓為0.019 93 kPa。乙炔的理論含水量為0.016 6%，其物料平衡如表4 所示。

表4 石墨冷卻器物料衡算表 kmol·h

本設(shè)計(jì)采用列管式石墨冷卻器，列管式石墨換熱器是由浸漬石墨管板加擠壓石墨換熱管，用粘接劑粘接組成管束，放置于鋼制圓筒殼體內(nèi)，兩端設(shè)置不透性石墨材料或其他防腐蝕材料制的封頭，分別用螺栓緊固而成。管板一頭固定、一頭可以自由浮動(dòng)，浮動(dòng)管板的外圓密封一般用盤根密封。由于其傳熱面積比較大，所以選擇兩個(gè)冷卻器。其殼體內(nèi)徑500 mm，內(nèi)有內(nèi)徑為25 mm 的管子，管數(shù)為144 根，傳熱面積為66.7 m2。

4 容器法蘭選取和壓力試驗(yàn)

1）容器法蘭選取。根據(jù)工藝溫度、壓力及釜徑采用乙型平焊法蘭，根據(jù)操作溫度及壓力，從《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》中查的，若采用16 MnR 板材，釜體上封頭按PN0.25 MPa 查取它的尺寸，由于壓力不高，可采用榫槽密封面，從中查取墊片寬度為25 mm，公稱直徑3 000 mm，公稱壓力為0.25 MPa 的乙型平焊法蘭。

2）壓力試驗(yàn)[計(jì)算公式見(jiàn)式（1）]式中：Pt=1.25p=0.375 MPa；δ=16-2.25=13.75，（Di+δe）=3 013.75；δt=0.375×3 013.75÷2÷13.75=41 MPa；0.9Φσ=0.85×0.9×132=100.98 MPa。

計(jì)算公式經(jīng)過(guò)計(jì)算滿足要求，水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。