1、0121摘要在生产十万吨 PVC 产品的烧碱工段中要采取相关的方法对氯气进行处理。此次设计的主要目的是掌握烧碱脱氯的原理，设计脱氯设备的计算。在水银法和离子膜法烧碱生产过程中，自由解槽阳极室流出的淡盐水中溶解有少量的氯气 1。氯气是一种具有异臭和强烈刺激性气味的黄绿色气体，毒性很大。这部分氯气若不除去将在淡盐水的输送和再利用过程中产生很多的问题，如腐蚀管路和设备，影响盐水的精制和沉降，腐蚀碳素烧结管，使蟹合树脂中毒，污染和恶化生产操作环境等 2。因此，淡盐水在重饱和前必须进行脱氯处理。本次设计的主要设备有冷却器、干燥塔、除沫器等，是为了提高自己的理论联系实际的能力，分析问题的能力，让自己在实践
2、运用中巩固所学知识。本设计从初步设计的角度对年产 10 万吨 PVC 化工厂进行了全面设计，设计结果达到了设计课题的基本要求，完成了 PVC 的生产工厂的初步设计，进行了可行性论证，完成了物料、热量、设备等的相关计算。关键词：PVC；烧碱；氯气；工艺设计；工艺计算IAbstractAbstract in the production of one hundred thousand tons of caustic soda, PVC products to take the relevant section in the method to remove chlorine. The main p
3、urpose of this design is to master the principles of caustic soda dechlorinated, dechlorination equipment design calculations. In mercury and ion-exchange membrane caustic soda production process, the free solution tank of salt water out of the anode chamber with a small amount of dissolved chlorine
4、. Chlorine is a strong pungent odor with smell and yellow-green gas, very toxic. If this part of the chlorine in salt water to remove the transmission and re-use process produces a lot of problems, such as corrosion of piping and equipment, the impact of refined salt and subsidence, erosion carbon s
5、intered tube, the crab combined resin poisoning, pollution and deterioration of the production operations environment. Therefore, in light salt water must be dechlorinated before re-saturation process. The design of the main equipment coolers, drying tower, demister, etc., in order to improve their
6、ability to integrate theory with practice, the ability to analyze problems,make their use in practice to consolidate the knowledge. The design from the perspective of the preliminary design of chemical plants produce 100,000 tons of PVC a comprehensive design, the design results to the design issues
7、 of the basic requirements ,completion of a PVC production plant preliminary design, feasibility study carried out to complete the material , heat, equipment and other related calculations. Keywords: PVC; Caustic soda; Chlorine; Process design; Process calculation II目录摘要 .IAbstract .II目录 .III第 1 章 综
8、述 .- 1 -1.1 PVC.- 1 -1.1.1 PVC 的物理化学性质 .- 1 -1.1.2 PVC 生产工艺 .- 1 -1.2 氯碱工业 .- 2 -1.2.1 氯碱工业的发展现状 .- 2 -1.2.2 氯碱工业的未来发展目标 .- 3 -1.3 烧碱 .- 3 -1.3.1 氢氧化钠的性质 .- 3 -1.3.2 氢氧化钠的用途 .- 3 -1.3.3 烧碱生产工艺 .- 4 -1.4 氯气处理 .- 5 -1.4.1 氯气的性质 .- 5 -1.4.2 氯气处理的任务和方法 .- 5 -1.4.3 工艺流程简介 .- 6 -1.5 工艺流程的确定 .- 8 -第 2 章 氯气
9、工艺计算 .- 9 -2.1 氯气处理工艺流程 .- 9 -2.2 计算依据 .- 9 -2.3.工艺计算 .- 10 -2.3.1 第一钛冷却器 .- 10 -2.3.2 第二钛冷却器 .- 13 -2.3.3 硫酸干燥塔（填料塔） .- 15 -2.3.4 硫酸干燥塔（泡罩塔） .- 17 -第 3 章 主要设备设计及选型 .- 19 -III3.1 第一钛冷却器 .- 19 -3.1.1 确定设计方案 .- 19 -3.1.2 相关物性数据 .- 19 -3.1.3 确定物性数据 .- 20 -3.1.4 估算传热面积 .- 21 -3.1.5 第一钛冷却器的核算 .- 23 -3.2
10、第二钛冷却器 .- 27 -3.2.1 第二钛冷却器核算 .- 27 -3.3.硫酸干燥塔(填料塔) .- 30 -3.3.1 填料的选择 .- 30 -3.3.2 塔径的确定 .- 30 -3.3.3 压降计算 .- 31 -3.3.4 塔高确定 .- 31 -3.4. 硫酸干燥塔（泡罩塔） .- 31 -3.4.1 塔径的确定 .- 32 -3.4.2 塔高的确定 .- 32 -参考文献 .- 33 -结束语 .- 34 -致谢 .- 35 -宁夏理工学院毕业设计（论文）- 0 -第 1 章 综述1.1 PVC1.1.1 PVC 的物理化学性质聚氯乙烯具有阻燃（阻燃值为 40 以上）、耐化
11、学药品性高（耐浓盐酸、浓度为 90的硫酸、浓度为 60的硝酸和浓度 20的氢氧化钠）、机械强度及电绝缘性良好的优点。但其耐热性较差，软化点为 80，于 130开始分解变色，并析出 HCl。具有稳定的物理化学性质，不溶于水、酒精、汽油，气体、水汽渗漏性低；在常温下可耐任何浓度的盐酸、90% 以下的硫酸、5060%的硝酸和 20%以下的烧碱溶液，具有一定的抗化学腐蚀性；对盐类相当稳定，但能够溶解于醚、酮、氯化脂肪烃和芳香烃等有机溶剂。此外，PVC的光、热稳定性较差，在 100以上或经长时间阳光暴晒，就会分解产生氯化氢，并进一步自动催化分解、变色，物理机械性能迅速下降，因此在实际应用中必须加入稳定剂
12、以提高对热和光的稳定性。 工业聚氯乙烯树脂主要是非晶态结构，但也包含一些结晶区域（约 5%） ，所以聚氯乙烯没有明显的溶点，约在 80左右开始软化，热扭变温度（1.82MPa 负荷下）为 70-71，在加压下 150开始流动，并开始缓慢放出氯化氢，致使聚氯乙烯变色（由黄变红、棕、甚至于黑色） 3。硬质聚氯乙烯（未加增塑剂）具有良好的机械强度、耐燃性，可以单独用做结构材料，应用于化工上制造管道、板材及注塑制品。硬质聚氯乙烯可以用作增强材料。1.1.2 PVC 生产工艺主要分为制备乙炔、合成氯乙烯、氯乙烯聚合三个主要工序 4。（1）乙炔发生主要分为电石破碎、乙炔发生、乙炔清净和渣浆处理三部分。电石
13、破碎：将合格的原料电石，通过粗破机和细破机进行破碎处理。乙炔发生：破碎合格的原料电石，经准确计量后，投入到乙炔发生器内进行水解反应，制成粗乙炔气体，供清净工序生产使用。 22Ca+HOa()+CH乙炔清净和渣浆处理：这里有一个涉及循环经济的重点，氯碱公司的电石渣浆输送到股份公司，用作化灰使用。（2）氯乙烯合成宁夏理工学院毕业设计（论文）- 1 -主要分为混合气脱水、氯乙烯合成和粗氯乙烯的净化三部分。 本工序是将合格的氯化氢气体、乙炔气体按比例充分混合、进一步脱水后，在氯化汞触媒的催化下合成为 VC气体。经脱汞、组合塔回收酸、碱洗后，送至氯乙烯压缩岗位生产用。混合气脱水：冷冻方法混合脱水是利用盐
14、酸冰点低，盐酸上水蒸气分压低的原理，将混合气体冷冻脱酸，以降低混合气体中水蒸气分压来降低气相中水含量达到进一步降低混合气中的水分至所必需的工艺指标。氯乙烯合成：乙炔气体和氯化氢气体按照 1:1.051.07 的比例混合后，在氯化汞的作用下，在 100180温度下反应生成氯乙烯。粗氯乙烯的净化：转化后经脱汞器除汞、冷却后的粗氯乙烯气体中，除氯乙烯外，还有过量配比的氯化氢、未反应完的乙炔、氮气、氢气、二氧化碳和微量的汞蒸气，以及副反应产生的乙醛、二氯乙烷、二氯乙烯等气体。为了生产出高纯度的单体，应彻底将这些杂质除去。（3）聚合聚氯乙烯是由氯乙烯单体聚合而成的高分子化合物，结构式为：CH 2CHCl
15、n 氯乙烯悬浮聚合过程中，聚合配方体系或为改善树脂性能而添加各种各样的助剂，其中用得比较广泛的有以下几种：缓冲剂、分散剂、引发剂、终止剂、消泡剂、阻聚剂、紧急终止剂、热稳定剂、链调节剂等 5。1.2 氯碱工业1.2.1 氯碱工业的发展现状我国是世界氯碱生产大国。氯碱工业是以盐和电为原料生产烧碱、氯气、氢气的基础原材料工业，产品种类多，关联度大，其下游产品达到上千个品种，具有较高的经济延伸价值。它广泛应用于农业、石油化工、轻工、纺织、建材、电力、冶金、国防军工、食品加工等国民经济各命脉部门，在我国经济发展中具有举足轻重的地位 6。据有关部门测算，1 万吨氯碱产品所带动的一次性经济产值在 10 亿
16、元人民币以上。我国一直将主要氯碱产品产量及经济指标作为我国国民经济统计和考核的重要指标。“十一五”期间，我国氯碱行业发展迅速，烧碱和 PVC 产量都居世界首位，有力地推动了相关产业的发展。面对经济全球化深入发展、科技进步日新月异、世界氯碱工业结构调整不断加快、市场竞争加剧的形势，加快转变经济增长方式，促进产业结构调整和升级，解决长期积累的结构性矛盾和资源、环保约束问题，实现由世界氯碱生产大国向氯碱强国的转变，是我国氯碱行业“十二五” 发展面临的迫切任务。宁夏理工学院毕业设计（论文）- 2 -近十几年来，由于我国氯碱工业的盲目扩建，使烧碱产能增长过快，而下游相关产业发展相对滞后，这使得氯与碱的平
17、衡问题越来越突显。总体我国国内市场氯产品需求旺盛，而烧碱市场相对疲软。对于中小企业而言，这种氯与碱的平衡问题常会造成企业疲于应付市场需求，经常减量生产、停产的局面。1.2.2 氯碱工业的未来发展目标到 2015 年，经过产业政策调控，市场引导，原料路线、工艺技术改造，企业整合，力争使我国氯碱生产企业规模、集中度、竞争力水平有较大提高。 “十二五” 末，我国烧碱产量达到 2800 万吨，年均增长 7%，聚氯乙烯产量达到 1500 万吨，年均增长 8%。努力做好氯碱平衡，提高有机氯产品比例，满足市场需求。1.3 烧碱1.3.1 氢氧化钠的性质纯的无水氢氧化钠为白色半透明，结晶状固体。氢氧化钠极易溶
18、于水，溶解度随温度的升高而增大，溶解时能放出大量的热，288K 时其饱和溶液浓度可达 26.4mol/L(1:1)。它的水溶液有涩味和滑腻感，溶液呈强碱性，具备碱的一切通性。市售烧碱有固态和液态两种：纯固体烧碱呈白色，有块状、片状、棒状、粒状，质脆；纯液体烧碱为无色透明液体。氢氧化钠还易溶于乙醇、甘油；但不溶于乙醚、丙酮、液氨。对纤维、皮肤、玻璃、陶瓷等有腐蚀作用，溶解或浓溶液稀释时会放出热量；与无机酸发生中和反应也能产生大量热，生成相应的盐类；与金属铝和锌、非金属硼和硅等反应放出氢；与氯、溴、碘等卤素发生歧化反应。能从水溶液中沉淀金属离子成为氢氧化物；能使油脂发生皂化反应，生成相应的有机酸的
19、钠盐和醇，这是去除织物上的油污的原理。N aOH 是 强碱 ， 具 有 碱 的 一 切 通 性 。1.3.2 氢氧化钠的用途氢氧化钠的用途十分广泛，在化学实验中，除了用做试剂以外，由于它有很强的吸湿性，还可用做碱性干燥剂。烧碱在国民经济中有广泛应用，许多工业部门都需要烧碱。使用烧碱最多的部门是化学药品的制造，其次是造纸、炼铝、炼钨、人造丝、人造棉和肥皂制造业。另外，在生产染料、塑料、药剂及有机中间体，旧橡胶的再生，制金属钠、水的电解以及无机盐生产中，制取硼砂、铬盐、锰酸盐、磷酸盐等，也要使用大量的烧碱。工业用氢氧化钠应符合国家标准 GB 209-2006；工业用离子交换膜法氢氧化钠应符合国家标
20、准 GB/T 11199-89；化纤用氢氧化钠应符合国家标准 GB 11212-89；食用氢氧化钠应符合国家标准 GB 5175-857。宁夏理工学院毕业设计（论文）- 3 -在工业上，氢氧化钠通常称为烧碱，或叫火碱、苛性钠。这是因为较浓的氢氧化钠溶液溅到皮肤上，会腐蚀表皮，造成烧伤。它对蛋白质有溶解作用，有强烈刺激性和腐蚀性（由于其对蛋白质有溶解作用，与酸烧伤相比，碱烧伤更不容易愈合） 。粉尘刺激眼和呼吸道，腐蚀鼻中隔膜；溅到皮肤上，尤其是溅到粘膜，可产生软痂，并能渗入深层组织，灼伤后留有瘢痕；溅入眼内，不仅损伤角膜，而且可使眼睛深部组织损伤，严重者可致失明；误服可造成消化道灼伤，绞痛、粘膜
21、糜烂、呕吐血性胃内容物、血性腹泻，有时发生声哑、吞咽困难、休克、消化道穿孔，后期可发生胃肠道狭窄。由于强碱性，对水体可造成污染，对植物和水生生物应予以注意。NaOH 还可以去除油污，抽油烟机的油污用其可以很好的去除，这个过程属于化学变化。1.3.3 烧碱生产工艺包括一次盐水、二次盐水及电解、氯氢处理、氯化氢合成及盐酸、液氯及包装、蒸发及固碱等工段。生产 32%烧碱、50% 烧碱、99%片碱、液氯、高纯盐酸、副产次氯酸钠、稀硫酸、为氯乙烯生产提供合格的氯化氢气体 8。(1)一次盐水工段本工段任务是经过化学方法和物理方法去除原盐中 Ca、Mg 等可溶性和不溶性杂质、有机物，为二次盐水及电解工序输送
22、合格的一次盐水。(2)二次盐水及电解二次盐水及电解是烧碱工序的核心，任务是在电解槽中生产出 32%烧碱产品，氢气、氯气送氯氢处理工段，淡盐水返回一次盐水工序化盐。其中电解工序岗位环境被办公室人员所熟知，氯碱公司的电解槽（两期）现已成为集团标准参观路线的重要部分。(3)氯氢处理工段该工段包括氯气处理、氢气处理、事故氯气吸收。目的是分别将电解工段生产的氯气和氢气进行冷却、干燥并压缩输送到下游工段，同时吸收处理事故状态下产生的氯气，副产次氯酸钠。(4)液氯及包装工段液氯工段的任务是将平衡生产的部分富余氯气进行压缩、液化并装瓶。通常根据氯气压缩机压力的不同，将氯气液化方式分为高压法、中压法和低压法三种
23、。(5)氯化氢合成及盐酸宁夏理工学院毕业设计（论文）- 4 -本工段任务是将氯氢处理工段来的氯气和氢气，在二合一石墨合成炉内进行燃烧，合成氯化氢气体，经冷却后送至氯乙烯工序。从液氯来的液化尾氯气与氢气进入二合一石墨合成炉，生成氯化氢气体。经石墨冷却器冷却，再经两级降膜吸收器和尾气塔，用纯水吸收，生成 31%的高纯盐酸供电解工段使用或对外销售。(6)蒸发及固碱工段本工段任务是将电解工段生产的部分 32%烧碱浓缩为 50%烧碱和 99%片碱。采用世界先进的瑞士博特公司降膜工艺及设备，降膜法生产片碱的能耗低于国内传统的大锅法，而且生产环境好、连续稳定便于控制。1.4 氯气处理1.4.1 氯气的性质氯
24、气 Cl2，分子量 70.906，常温下，氯是黄绿色，具有使人窒息气味的气体，有毒、有色、易液化。氯气对人的呼吸器官有强烈的刺激性，吸入过多时还会致死 9。氯气比空气重，约为空气的 2.5 倍。氯气能溶于水，但溶解度不大，温度越高氯气在水中的溶解度越小。氯气溶于水同时与水反应生成盐酸和次氯酸，因此氯水具有极强的腐蚀性。氯气在四氯化碳，氯仿等溶剂中溶解度较大，比在水中的溶解度约大 20 倍。工业上利用氯气在四氯化碳中有较大溶解度这一特点，用四氯化碳吸收氯碱厂产生的所有废氯，然后再解吸回收氯气。氯气的用途极为广泛，重要用途如：杀菌消毒、漂白及制浆、冶炼金属、制造无机氯化物、制造有机氯化物及有机物。
25、1.4.2 氯气处理的任务和方法从电解槽出来的湿氯气，一般温度较高，并伴有大量水蒸汽及盐雾等杂质。这种湿氯气，对钢铁及大多数金属有强烈的腐蚀作用，只有某些金属材料或非金属材料在一定条件下，才能耐湿氯气的腐蚀。例如金属钛，聚氯乙烯、酚醛树脂、陶瓷、玻璃、橡胶、聚酯、玻璃钢等因而使得生产及运输极不方便 10。但干燥的氯气对钢铁等常用材料的腐蚀在通常情况下时较小的，所以湿氯气的干燥时生产和使用氯气过程中所必须的。氯气干燥前通常先使氯气冷却，使湿氯气中的大部分水蒸汽被冷凝除去，然后用干燥剂进一步出去水分。干燥后的氯气经过压缩，再送至用户 11。在不同的温度与压力下气体中的含水量可以用水蒸汽分压来表示。
26、在同一压力下，温度愈高，含水量愈大。其水蒸汽分压也就愈高。宁夏理工学院毕业设计（论文）- 5 -为了使氯气能用钢铁材料制成的设备及管道进行输送或处理，要求氯气的含水量小于0.05%（如果用透平压缩机输送氯气，则要求含水量小于 100ppm） 。因此必须将氯气中的水分进一步除去。在工业上，均采用浓硫酸来干燥氯气，因为浓硫酸具有：（1）不与氯气发生化学反应；（2）氯气在硫酸中的溶解度小；（3）浓硫酸有强烈的吸水性；（4）价廉易得；（5）浓硫酸对钢铁设备不腐蚀；（6）浓硫酸可以回收利用等特点，故浓硫酸时一种较为理想的氯气干燥剂。当温度一定时，硫酸浓度愈高、其水蒸汽分压愈低；当硫酸浓度一定时，温度降低
27、，则水蒸汽分压也降低。也就是说硫酸的浓度愈高、温度愈低，硫酸的干燥能力也就愈大，即氯气干燥后的水分愈少。但如果硫酸的温度太低的话，则硫酸与水能形成结晶水合物而析出。因此原料硫酸与用后的稀硫酸在储运过程中，尤其在冬季必须注意控制温度和浓度，以防止管道堵塞。硫酸浓度在 84%时，它的结晶温度为+8，所以在操作中一般将 H2SO4 温度控制在不低于 10。此外，硫酸与湿氯气的接触面积和接触时间也是影响干燥效果的重要因素。故用硫酸干燥湿氯气时，应掌握以下几点：（1）硫酸的浓度，（2）硫酸温度， （3）硫酸与氯气的接触面积和接触时间 12。生产中使用的氯气还需要有一定的压力以克服输送系统的阻力，并满足用户对氯气压力的要求。因此在氯气干燥后还需用气体压缩机对氯气进行压缩。综上所述，氯气处理系统的主要任务是：1.氯气干燥； 2. 将干燥后的氯气压缩输送给用户；3. 稳定和调节电解槽阳极室内的压力，保证电解工序的劳动条件和干燥后的氯气纯度。1.4.3 工艺流程简介根据氯处理的任务氯处理的工艺流程包括氯气的冷却、干燥脱水、净化和压缩、输送几个部分。(1) 氯气的冷却氯气的冷却因方式的不同，可分为直接冷却、间接冷却和氯水循环冷却三种流程。
