年产10万吨氯乙烯精馏塔设计精品

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新疆工程学院毕业设计（论文）

2013 届

题目年产10万吨氯乙烯精馏塔设计专业应用化工技术学生姓名张翔学号 2010231622 小组成员刘璐刘东旭陈庚田刚指导教师朱文娟完成日期 2013.4.5

新疆工程学院教务处印制

新疆工程学院

毕业设计（论文）任务书

班级应化10-5（2）班专业应用化工技术姓名张翔日期 4.9

1、设计（论文）题目：年产10万吨氯乙烯精馏塔设计

2、设计（论文）要求：

（1）学生应在教师指导下按时完成所规定的内容和工作量，独立完成。（2）选题有一定的理论意义与实践价值，必须与所学专业相关。（3）设计任务明确，思路清晰。

（4）设计方案的分析论证，原理综述，方案方法的拟定及依据充分可靠。（5）格式规范，严格按系部制定的设计格式模板调整格式。（6）所有学生必须在规定时间交论文初稿。

3、设计（论文）日期：任务下达日期

完成日期

4、指导教师签字：

新疆工程学院

毕业设计（论文）成绩评定

报告

序号 1

评分指标学习态度调研论证

具体要求

努力学习，遵守纪律，作风严谨务实，按期完成规定的任务。

能独立查阅文献资料及从事其它形式的调研，能较好地理解设计任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。

分数范围 0—10分

得分

0—15分

0—25分

0—20分

合计

评语：

成绩：评阅人（签名）：

日期：

0—100分

2

能力

综合能设计能运用所学知识和技能，有一定见解和实用价与

力值。质量

设计（论

计算准确可靠有依据、分析逻辑清晰、正确合理，

文）质量工作量撰写质量

内容充实，工作饱满，符合规定字数要求。绘图(表)

符合要求。

结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，字迹工整，书写格式规范，

3 4

0— 15分 0— 15分

毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

自述情况

清晰、完整流利简练

清晰完整

完整熟悉内容

基本完整熟悉内容

不熟悉内容

提出问题

有一般性错误

有原则性错误

回答问题

正确

基本正确

没有回答

答辩小组评语及建议成绩：

答辩委员会综合成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

年产10万吨氯乙烯精馏塔设计

学号：2010231622 姓名：张翔 (新疆工程学院, 乌鲁木齐 830091)

摘要：氯乙烯又名乙烯基氯，是一种应用于高分子化工的重要的单体，为无色、易液化气体，是塑料工业的重要生产原料，是生产聚氯乙烯塑料的单体；或与醋酸乙烯、丙烯腈制成共聚物，用作粘合剂、涂料、绝缘材料和合成纤维，也用作化学中间体或溶剂。因此氯乙烯的发展前景很好。本文对年产10万吨VC精制工段进行了工艺设计，简单介绍了VC合成工段的生产方法、原理、工艺流程，对主要的设备为参数进行了计算和设计。通过对原料和中间产物及产品的各种性质的分析和氯乙烯单体和合成工段生产原理的了解和掌握，制定出了合理的生产方案及工艺流程。同时以设计任务以及计算机为辅助，对氯乙烯精制工段中的低沸塔进行了物料衡算，热量衡算，塔及其附属设备的计算。最终完成了设计。并绘制了相应的工艺流程图和设备图。

关键词：氯乙烯，低沸塔，高沸塔

目录

1 绪论 ................................................................................................................................... - 1 -

1.1 氯乙烯的物理化学性质 ......................................................................................... - 1 - 1.2 氯乙烯的生产方法 ................................................................................................. - 2 - 1.3 氯乙烯的危害及防治 ............................................................................................. - 3 - 1.4 氯乙烯在经济中的地位和作用 ............................................................................. - 4 - 1.5 氯乙烯的工业发展 ................................................................................................. - 5 - 1.6 氯乙烯精馏形式 ..................................................................................................... - 6 - 2 低沸精馏塔工艺设计 ....................................................................................................... - 7 -

2.1 氯乙烯精馏工序物料衡算的已知条件 ................................................................. - 7 - 2.2 全凝器的物料衡算 ................................................................................................. - 7 - 2.3 低沸塔的物料衡算 ................................................................................................. - 8 - 2.4 低沸塔塔板数的确定 ............................................................................................. - 9 - 2.5 低沸塔其他物性数据的计算 ................................................................................ - 11 - 2.6 低沸精馏塔的塔体工艺尺寸的计算 ................................................................... - 13 - 2.7 低沸塔塔板主要工艺尺寸的计算 ....................................................................... - 15 - 2.8 低沸塔塔板校核 ................................................................................................... - 16 - 2.9 低沸塔接管的选型 ............................................................................................... - 18 - 3 高沸精馏塔工艺设计 ..................................................................................................... - 22 -

3.1 高沸塔的物料衡算 ............................................................................................... - 22 - 3.2 高沸塔塔板数的确定 ........................................................................................... - 23 - 3.3 高沸塔其他物性数据的计算 ............................................................................... - 25 - 3.4 高沸精馏塔的塔体工艺尺寸的计算 ................................................................... - 27 - 3.5 高沸塔塔板主要工艺尺寸的计算 ....................................................................... - 28 - 3.6 高沸塔塔板校核 ................................................................................................... - 30 - 3.7 高沸塔接管的选型 ............................................................................................... - 32 - 4 总结 ............................................................................................................................... - 36 - 参考文献 ............................................................................................................................. - 37 - 致谢 ................................................................................................................................. - 38 -

化学与环境工程系毕业设计（论文）

1 绪论

1.1 氯乙烯的物理化学性质 1.1.1 物理性质

氯乙烯又名乙烯基氯，是一种应用于高分子化工的重要的单体，为无色、易液化气体，是塑料工业的重要生产原料，是生产聚氯乙烯塑料的单体；或与醋酸乙烯、丙烯腈制成共聚物，用作粘合剂、涂料、绝缘材料和合成纤维，也用作化学中间体或溶剂。氯乙烯易液化，这一性质在氯乙烯精制中有着重要的工业意义。除此之外，氯乙烯易溶解于丙酮、乙醇和烃类，微溶于水，它易燃，与空气混合爆炸的极限是4%~22%，它对人体有麻醉的作用，对肝脏有影响，可使人中毒，人对氯乙烯的嗅觉感知的质量浓度为

2.4gm3，长期的接触会使人引起消化系统、皮肤组织、神经系统等多种症状。

氯乙烯在通常情况下为无色、易燃、有特殊香味的气体，稍加压力条件下，可以很容易地转变为液体。氯乙烯稍溶于水，在25℃时100g水中可溶解0.11g氯乙烯；水在氯乙烯内的溶解度，在-15℃时，100g氯乙烯可溶解0.03g水。氯乙烯可溶于烃类、丙酮、乙醇、含氯溶剂如二氯乙烷及多种有机溶剂内。氯乙烯有较好的机械强度，优异的电介性能，但对光和热的稳定性差，其化学式为CH2CHCl，分子量为62.499，熔点为-153.8℃，沸点-13.4℃，临界压力为5.60MPa，临界温度为 156.6℃，气化热为300Jg，与空气形成爆炸性混合物，其爆炸浓度范围为4%~22%（体积比）。 1.1.2 化学性质

乙炔和氯化氢在氯化汞催化剂作用下生成氯乙烯反应式：

C2H2HClC2H3Cl124.8KJmol

（1）腐蚀性：干燥态氯乙烯不具腐蚀性，但含水状态下会腐蚀铁及不锈钢。（2）感光性：会进行迅速的光化学氧化作用与聚合反应。

（3）分解性：燃烧会发生HCl，CO，CO2及高毒性之光气烟雾。氯乙烯的两个反应部分，氯原子和双键，能进行的化学反应很多。但一般来讲，连接在双键上的氯原子不太活泼，所以有关双键的反应则比有关氯原子的反应很多，现各举一两个例子如下：有关氯原子的反应：与丁二酸氢钾反应生成丁二酸乙烯脂；与苛性钠共热时，脱掉氯乙烯生成乙炔；有关双键的反应：与氯乙烯加成生成二氯乙烷；在紫外线照射下能与硫化氢加成生成2-氯乙硫醇；氯乙烯通过聚合反应可生成聚氯乙烯。氯乙烯是重要的有机化工产品，它的主要用途是生产聚聚氯乙烯。氯乙烯的两个起反应部分，氯原子和双键，能进行的化学反应很多。由于双键的存在，因此氯乙烯能发生氧化、加成、裂解、取代、均聚、共聚等一些列化学反应。

（4）危害性聚合：

① 于空气中或遇热、日光会产生危害性聚合反应。

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

② 通常加酚为抑制剂以防止聚合。（5）反应性与不相容性：

① 与铜、铝和催化性不纯物等金属、空气、氧、阳光、点火源、氧化剂接触

起激烈聚合反应。

② 受热及未添加或耗尽抑制剂的情形下会发生放射性聚合反应。

③ 氯乙烯和大气中的氧以及强氧化剂反应会发生过氧化物，并会起剧烈的聚

合反应。

（6）稳定性与反应性：

① 化学稳定性极易燃。气体比空气重，可沿地面流动，可能造成远处着火，

有湿气存在时，腐蚀铁和钢。

② 燃烧（分解）产物燃烧时，分解生成氯化氢和光气等有毒和腐蚀性烟雾。 ③ 避免接触条件避免受热、光照和接触空气与潮气。

1.2 氯乙烯的生产方法

目前，从国内十大PVC生产商的工艺和原料路线的现状分析，我国PVC生产中乙烯法、电石法和EDCVCM法基本各占13，呈现三足鼎立之势，是世界各大PVC生产国中仅有的兼有乙烯法、电石法、EDCVCM法3种装置共存的国家。电石法PVC在中国能够生存是有其深刻的历史和现实原因的。由于目前中国PVC生产的原料路线、资源分布和环境要求的不同，尤其是电石法PVC的工艺技术已十分成熟，资源有保证。近几年以来，特别是美国9.11事件以来，随着国际局势的紧张，国际原油、天然气价格暴涨，导致了以乙烯工艺路线的PVC成本增加，从而突显了我国电石法PVC的成本优势。2004年我国的电石法PVC主导了全国的PVC市场，出现了一个暴利时代。于是国内再度掀起了电石法PVC的投资与装置改扩建的热潮。在目前电石法PVC利润空间比较大的时候，新建装置一定要防止低水平的重复建设，要广泛吸收同行业的先进技术和经验，真正做到高起点、高水平。

氯乙烯是一种非常重要的化工原材料，主要用来制备聚氯乙烯（简称PVC）树脂，也用于制备偏二氯乙烯、冷冻剂等。全世界9%的氯乙烯单体都用于生产聚氯乙烯，我国目前没有专门的氯乙烯生产企业，所有的氯乙烯装置均与聚氯乙烯装置配套建设，完全一体化。氯乙烯的生产工艺经历了多年的工业生产和工艺改造后，形成了4种主要的生产工艺。工业上合成氯乙烯的方法有：(1)乙炔法；(2)烯炔法；(3)乙烯氧氯化法；(4) 乙烷氧氯化法。

由于烯炔法、乙烯氧氯化法、乙烷氧氯化法，在工业生产上有投资大或者目前仍处于实验阶段，工业化方法尚未完成，故取乙炔法进行生产。

乙炔法：即以一定纯度的氯化氢与一定纯度的乙炔气体以1：1.05～1.1比例充分混合后，在HgCl2触媒作用下，在100~180℃作用下，反应生成氯乙烯。

在氯化高汞触媒存在时，乙炔与氯化氢反应生成氯乙烯的反应机理如下：

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

反应方程式：

CHCHHClCH2CHCl124.8KJmol

乙炔首先与氯化高汞加成生成中间加成物氯乙烯氯汞：

CHCHHgCl2ClCHCHHgCl

此中间加成物很不稳定，通氯化氢即分解而生成氯乙烯：

ClCHCHHgClHClCH2CHClHgCl2

所生成的中间产物也可能再与氯化高汞产生加成反应，生成物再分离出氯化亚汞而生成二氯乙烯。但这种可能很小。为保证充分生成氯乙烯，氯化高汞触媒要求通过其的乙炔量为20~40m3/m3触媒。

当混合气中氯化氢过量多时，所生成的氯乙烯能再与过量的氯化氢反应生成1，1 -二氯乙烷。

CH2CHClHClCH3CHCl2

当混合气中乙炔过量多时，则过量的乙炔使氯化高汞催化剂还原成氯化亚汞或金属汞，使触媒失去活性，同时生成副产品二氯乙烯。

CHCHHgCl2ClCHCHHgCl

ClCHCHHgClHgCl2ClHgCHClCHClHgCl

ClHgCHClCHClHgClCHClCHClHg2Cl2

或：

CHCHHgCl2ClCHCHClHgClCHCHClHg

此法以HgCl2做触媒，活性炭作载体，在列管式固定床转化器内进行。乙炔转化率很高，产品纯度高，所需设备不很复杂，工艺流程比较简单，生产技术成熟，因此很适合中、小规模生产，缺点是HgCl2有毒、价格昂贵、成本高。

其生产方法又可分为液相法和气相法。液相法不需要高温，但乙炔转化率低，产品分离困难，因此多采用气相法。（1）液相法

液相法系以氯化亚铜和氧化铵的酸性溶液为触媒，其反应过程是向装有含12~15%盐酸的触媒溶液的反应器中，同时通入乙炔和氯化氢，反应在60℃左右进行，反应后的合成气再经过净制手续将杂质除去。（2）气相法

气相法是以活性炭为裁体，吸附氯化汞为触媒，此法是以乙炔和氯化氢气相加成为基础。反应是在装满触媒的转化器中进行。反应温度一般为120~180℃左右。 1.3 氯乙烯的危害及防治

氯乙烯是无色易液化的气体，与空气形成可爆炸性混合物，难溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮和二氯乙烷，易聚合。

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

氯乙烯是应用最广泛的树脂聚氯乙烯（PVC）的单体，用于制备聚氯乙烯、偏二氯乙烯，也用于作冷冻剂等。 1.3.1 职业危害

（1）接触机会：在氯乙烯和聚氯乙烯的生产过程中，都有接触氯乙烯的可能，尤其是生产聚氯乙烯的聚合釜的清理，清釜工的慢性氯乙烯中毒可能性最大。应用聚氯乙烯树脂或含有氯乙烯的共聚物熔融后制作各种塑料制品时，释放出氯乙烯单体，有时作业环境空气中的氯乙烯浓度很高，极易引起中毒。

（2）中毒临床表现：急性中毒。轻度中毒时，病人出现眩晕、头痛、恶心、胸闷、嗜睡、步态蹒跚等；严重中毒者，神志不清，或呈昏睡状，甚至昏迷、抽搐，更严重者会造成死亡。

1.3.2 急性中毒现场处理

（1）皮肤接触立即脱去被污染的衣着，用肥皂水和流动清水彻底冲洗皮肤，并就医。

（2）眼睛接触立即提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗，并就医。

（3）吸入迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给吸氧。呼吸及心跳停止者，立即进行人工呼吸和心脏挤压术，并就医。 1.4.3 预防措施

（1）设备密闭氯乙烯制造和聚氯乙烯制造过程中，都必须做好管道的密闭。注意设备的维修和保养，杜绝跑、冒、滴、漏。

（2）清釜技改以往聚合釜人工清釜，一釜一清，清釜工要接触大量氯乙烯。技术改造后，聚合釜壁涂防结剂，几十釜甚至上百釜清一次。清釜用高压水10MPa清洗，避免了工人直接接触氯乙烯。

（3）抽取单体从聚氯乙烯树脂成品中经冷却真空抽取氯乙烯单体，使成品中的氯乙烯单体含量由原来的1%左右，降到10ppm以下。这样使聚氯乙烯成品的热加工中，释放氯乙烯单体的量极大减少，减少了污染和危害。

（4）做好个体防护进入聚合釜操作或检修时，必须戴空气呼吸器，严密防护，并加强换班，缩写缩短接触。

（5）定期检测氯乙烯作业环境的空气中氯乙烯浓度要定期检测。国家的卫生标准为30mgm3。

（6）做好职业性体检对氯乙烯作业工人应认真进行就业前和定期性（每年一次）体检。

1.4 氯乙烯在经济中的地位和作用

氯乙烯分子含有不饱和双键和不对称的氯原子，因而很容易发生均聚反应；也能与其他的单体发生共聚反应，还能与多种无机或有机化合物进行合成、加成、取代及缩合等化学反应。

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

氯乙烯的主要应用是在工业上进行均聚反应或共聚的以上生产高聚物。目前世界上用于制造聚氯乙烯树脂的上网氯乙烯单体量约占氯乙烯总产量的96%，而美国则达

98%。氯乙烯的聚合物广泛用于工业、农业、建筑及人们的日常生活中，例如；硬的聚氯乙烯具有强度高、质量轻、耐磨性能好等特点。广泛用于工业给水、排水、排污、排气及排放腐蚀性的流体等用管道、管件以及农业灌溉系统、电线电缆等管道等，其总量约占氯乙烯的消耗量的30%多，目前世界上塑料销量的20%以上用于建筑，而建筑上的

40%是氯乙烯的聚合物，如塑料地板，不仅可以制成色彩鲜艳的各种图案，而且可以将图案制成表面有浮雕感的多种型材。聚氯乙烯制成得到的门和窗具有较好的隔热、隔冷、隔音性能好的以及耐腐蚀、耐潮湿、耐霉烂等特点。而且由于它们的表面光滑，不需要涂漆、维修方便，比其他的塑料门的材料要便宜好多，因而在国内外的的产业上得到了广泛阿的应用和发展，聚氯乙烯的材料具有色泽鲜艳，花纹有立体感、防潮、防霉、防燃及便易清洗的特点，用做房屋建设具有简单大方，价格便宜等好多的优点。软的聚氯乙烯具有坚韧柔软、耐弯曲、有弹性、耐寒等优点，所以常用作电线电缆的绝缘包皮，以代替铅皮、橡胶与纸张等，聚氯乙烯糊是将聚氯乙烯的颗粒分散在液体悬浮介质中，形成高粘度状的混合物，用于制造人造革、零件及日常生活用品。

由于传统的电石乙炔法制氯乙烯需要消耗大量电能，对环境造成了严重的污染，我国在几家较大的氯乙烯生产厂引进了日本、欧洲的平衡氧氯化生产工艺，该工艺由于具有成本低、质量高、污染小、易于大规模生产等优点，是目前世界上比较通用的氯乙烯生产工艺。但是，平衡氧氯化法生产氯乙烯需要大量消耗石油中的乙烯，随着石油资源的日益短缺和对氯乙烯供不应求矛盾的日益尖锐，这一工艺也暴露出它的弊端。作者研究开发了乙烷在较低温度下，高转化率、高选择性脱氢氧化氯化生成氯乙烯的新催化剂及相应的工艺过程。该过程一旦开发成功，可为炼气厂、油田气中乙烷生产氯乙烯提供了一条新的技术路线。

最初的氯乙烯生产全部以乙炔为原料。乙烯氯乙烯又名乙烯基氯，是一种应用于高分子化工的重要的单体，为无色、易液化气体，是塑料工业的重要生产原料，是生产聚氯乙烯塑料的单体；或与醋酸乙烯、丙烯腈制成共聚物，用作粘合剂、涂料、绝缘材料和合成纤维，也用作化学中间体或溶剂。

60年代后期，随着乙烯装置大型化及乙烯氧氯化技术的成熟，乙烯法在经济和环保等方面占有明显的优势，在世界范围内乙炔法迅速被乙烯法取代。迄今为止，全世界氯乙烯装置93%以上采用乙烯法，在工业发达国家如日本，以全部淘汰了乙炔法，仅在我国及其它发展中国家仍占有相当比重。 1.5 氯乙烯的工业发展

氯乙烯是制备聚氯乙烯及其共聚物的单体。也常称为氯乙烯单体（VCM），在世界上是与乙烯和氢氧化钠等并列的最重要的化工产品之一。

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

氯乙烯的合成始于1835年，由法化学家Regnault用氢氧化钾的乙醇溶液将二氯乙烷脱氯化氢制得，并于1838年观察到了它的聚合体，这次的发现被认为是PVC的开端。1902年，Biltz将1，2-二氯乙烷进行热分解也制得氯乙烯，但当时由于聚合物的科学和生产技术尚不成熟，他的发现没有导致工业生产的结束。Klatte于1912年通过乙炔与氯化氢的催化加成反应制得了氯乙烯，成为工业上氯乙烯合成的最初工艺，但在沿用将近30多年后，由于乙炔生产的高能耗而逐渐趋于淘汰。

从1940年起，氯乙烯的生产原料，乙炔开始被乙烯部分取代，首先将乙烯直接氯化成1，2-二氯乙烷（EDC），再加以热裂解制得氯乙烯，裂解产生的氯化氢仍被用在乙炔-氯化氢法中。

混合气体法制备氯乙烯采用石脑油作原料，将石脑油用燃烧气体裂解后，制成含乙炔和乙烯的混合气体，该混合气体先后与氯化氢和氯气反应，制成易分离的氯乙烯和1，2-二氯乙烷经热裂解制成氯乙烯，日本吴羽化学公司将其工业化生产。将该法中的原料从石脑油换成石油，则成为原油裂解法，可得到高浓度的乙炔、乙烯的混合气体，而且可从副产物的芳香族的焦油、沥青的物质中制造热煤油或碳纤维等物质，具有综合的经济效益。

1955～1958年，美国的化学公司研究的大规模乙烯氧氯化法制备1，2-二氯乙烷取得成功。至此以后，乙烷全部取代乙炔成为制备氯乙烯的原料。至目前为止，大多数工厂都采用乙烯直接氯化和乙烯氧氯化制备1，2-二氯乙烷（EDC），再将EDC加以热裂解得到氯乙烯单体（VCM）的联合切平衡的DCEDCOXYEDCVCM法来制备氯乙烯。联合平衡法充分利用廉价的原料，基本上不生成副产物，目前西方世界90%以上的氯乙烯产量是用该法生产的。

我国从50年代开始研究和生产聚氯乙烯，1953年由沈阳化工研究院和北京化工研究院开始小试，1956年小试成功，并在锦西建立了第一个生产厂家。此后各地相继投产，到1970年已经发展到20家，原料聚乙烯单体全部采用电石乙炔法制得，随着我国的不断发展，已经逐步开始建设乙烯氧化制氯乙烯的生产装置。1976年，我国已经开始形成了一条新的乙烯路线。 1.6 氯乙烯精馏形式

本设计主要以新疆氯碱行业普遍采用的乙炔法制氯乙烯为例。乙炔法制备氯乙烯，制备的粗乙烯经液化后，既含有低沸点物C2H2、N2、H2等，也含有高沸点物C2H2Cl2、

CH3CHO等，而氯乙烯的沸点位于中间，所以要用两个塔进行分离，先用低沸塔把低沸

物分离出来，再用高沸塔把高沸物分离出来，才能得到较纯净的精氯乙烯。因此以下精馏塔设计包括低沸塔与高沸塔设计。

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

2 低沸精馏塔工艺设计

2.1 氯乙烯精馏工序物料衡算的已知条件 2.1.1 原料成分

粗氯乙烯溶液，粗氯乙烯含量90%（质量比），乙炔含量2%，二氯乙烷含量2%，水含量6%。

2.1.2 低沸塔操作条件

操作压力（表压）0.55MPa，塔顶温度30℃，进料板温度5℃，塔釜温度50℃；回流比5-10，单板压降0.7KPa，全塔效率30%。 2.1.3 高沸塔操作条件

操作压力（表压）0.35MPa，塔顶温度20℃，进料板温度50℃，塔釜温度30℃；回流比0.2-0.6，单板压降0.7KPa，全塔效率30%。 2.1.4 精馏要求

精氯乙烯含量99.9%（质量比），乙炔含量≤0.001%。 2.2 全凝器的物料衡算 2.2.1 原料成分

粗氯乙烯溶液，其中氯乙烯90%（质量比），乙炔2%（质量比），二氯乙烷2%（质量比），水6%（质量比），本次设计要聚氯乙烯的年产量为10万吨/年，一年生产时间为

8000h，粗氯乙烯溶液可采用流量为10.2万吨/年，即：102000/800012.75th。 2.2.2 粗氯乙烯溶液中各组分组成的计算

粗氯乙烯溶液流量为12.75th，则氯乙烯的质量分数90%，即：

12.7590%11.475th

乙炔的质量分数2%，即：

12.752%0.255th

二氯乙烷的质量分数2%，即：

12.752%0.255th

水的质量分数6%，即：

12.756%0.765th

2.2.3 全凝器物料衡算

W水0.765100018.242.50Kmolh DVCM11.475100062.49185.0Kmolh

D乙炔25526.049.80Kmolh

D二氯乙烷25598.952.60Kmolh

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

故原料液流量：FW水DVCMD乙炔D二氯乙烷

42.50185.09.802.60

0Kmohl 24.0

2.3 低沸塔的物料衡算

在低沸塔中，主要进行氯乙烯和乙炔的分离，而不考虑二氯乙烷的影响。低沸塔进料的原料液中含有氯乙烯11.475th，乙炔0.255th，求其质量分数：

11.475

氯乙烯B100%98%

11.4750.255

0.255

乙炔A100%2%

11.4750.255根据工艺要求，塔顶馏出液组成99.9%，塔底釜液组成0.1%。为了便于计算，假设一次性把乙炔蒸馏完全。

2.3.1 原料液及塔顶，塔底的摩尔分率

乙炔的摩尔质量：MA26.04kgKmol 氯乙烯的摩尔质量：MB62.49kgKmol 进料：xF

0.0226.04

0.046

0.0226.040.9862.49

0.99926.04

0.9996

0.99926.040.00162.49

0.00126.04

0.0024

0.00126.040.99962.49

塔顶：xD

塔底：xW

2.3.2 原料液及塔顶，塔底的平均摩尔质量

MF0.04626.04(10.046)62.4960.813kgKmol

MD0.999626.04(10.9996)62.4926.055kgKmol

MW0.002426.04(10.0024)62.4962.403kgKmol

2.3.3 物料衡算

原料液处理量：

F

11730

193.0Kmolh

60.813

总物料衡算：

FDW 193DW

乙炔的物料衡算：

1930.0460.9996D0.0024W

解得：

D8.44Kmolh W18.50Kmohl

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

F193.0Kmolh

乙炔 0.046 氯乙烯 0.954

D8.44Kmolh

乙炔 0.999 氯乙烯 0.001

W185.0Kmolh

乙炔 0.001 氯乙烯 0.999

图2-1 低沸精馏塔

表2-1 低沸精馏塔物料衡算计算结果

组分流量Kmolh

进料F

193

塔顶D 塔底W 8.44 185

由图表2-1可知物料平衡。 2.4 低沸塔塔板数的确定

2.4.1 乙炔-氯乙烯的汽液相平衡数

由化学化工物性数据手册查得乙炔，氯乙烯的饱和蒸汽压如下表2-2，2-3所示：

表2-2 氯乙烯的饱和蒸汽压

氯乙烯℃ 蒸汽压KPa

表2-3 乙炔的饱和蒸汽压

乙炔℃ 蒸汽压KPa

-40 759.2

-20 0 20 1486 2635 4347

-40 31.54

-20 0 20 77.90 164.4 329.5

根据乙炔，氯乙烯的饱和蒸汽压，利用泡点方程：



ppBpA

xx  ypApBp

- 9 -

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计算出乙炔的汽液相平衡数据如下表2-4：

表2-4 乙炔的汽液相平衡数

温度T℃ -40 -20 0 20

液相中乙炔的摩尔分数XA 汽相中乙炔的摩尔分数YA

0.7125 0.9835 0.3353 0.9059 0.1561 0.7479 0.1561 0.4338

图2-2 最小回流比的确定

2.4.2 最小回流比和操作回流比

采用图解法求最小回流比，在图的对角线上自e0.046,0.046作垂线ef即为进料线q线，该线与平衡线的交点坐标为：yq0.3883，xq0.046。

则最小回流比：RminxDyqyqxq1.8

故取操作回流比为：R6（低沸塔的操作回流比为5~10） 2.4.3 精馏塔的气液相负荷

LRD68.4450.64Kmolh

VR1D618.4459.08Kmolh

L'LF50.64193.0243.64Kmolh

V'V59.08Kmolh

2.4.4 操作线方程

精馏段操作线方程：y

'

LD

xxD0.857x0.143 VV

L''W

提馏段操作线方程：y'x'xW4.124x'0.0075

VV

2.4.5 理论板层数

由图2-2做梯级求得理论塔板数如图2-3所示：

- 10 -

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图2-3 图解法求理论塔板数

采用图解法求得理论板层数结果为：

总理论板层数：NT6.6，进料板位置：NF5

考虑到乙炔与氯乙烯属于非同类化合物与理想溶液的拉乌尔定律有较大的误差，故取板效率为30%。

所以：精馏段实际板层数：N精40.314

提馏段实际板层数：N提2.60.39

2.5 低沸塔其他物性数据的计算

精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算，以精馏段为例进行计算。 2.5.1 操作压力计算

塔顶操作压力：PD101.3550651.3KPa 每层塔板压降：P0.7KPa

进料板压力：PF651.30.714661.1KPa 精馏段平均压力：PM651.3661.12656.2KPa 2.5.2 操作温度的计算

依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中氯乙烯和乙炔的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算结果如下：

塔顶温度：TD30℃ 进料板温度：TF5℃

精馏段平均温度：TM305217.5℃ 2.5.3 平均摩尔质量计算

- 11 -

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塔顶平均摩尔质量计算：

XDY10.9996

查平衡曲线得：

X10.9937

MVDM0.999626.04(10.9996)62.4926.0546kgKmol MLDM0.993726.04(10.9937)62.4926.2700kgKmol

进料板平均摩尔质量计算由图解理论板得：YF0.1603 查平衡曲线得：XF0.01479

MVFM0.160326.04(10.1603)62.4956.647kgKmol MLFM0.0147926.04(10.01479)62.4961.951kgKmol

精馏段平均摩尔质量

MVM(26.0556.65)241.35kgKmol MLM(26.2761.95)244.11kgKmol

2.5.4 平均密度的计算

（1）气相平均密度的计算由理想气体状态方程计算：

PMMVM656.241.35

11.23kgm3 RTM8.31417.5273.15

VM

（2）液相平均密度的计算液相平均密度依据下式计算：

1

ai

LM

（3）塔顶液相平均密度的计算



i

由TD30℃，查化学化工物性数据手册得：

a347.6kgm3 b893kgm3 LDM

1

351.90kgm3

(0.98347.60.02893)

（4）进料板液相平均密度的计算

由TF5℃，查化学化工物性数据手册得：

a449.85kgm3 b96kg8m3

进料板液相的质量分率：

- 12 -

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aA

0.0147926.04

0.006217

62.490.0147926.0410.01479

LFM

1

961.12kgm3

0.006217449.830.993783970

（5）精馏段液相平均密度的计算：

LFM(351.90961.12)2656.51kgm3

2.5.5 液相平均表面张力的计算

液相平均表面张力依据下式计算：

LMxii

（1）塔顶液相平均表面张力的计算：由TD30℃，查化学化工物性数据手册得：

A0.46mNm B14.18mNm

LFM0.99960.046(10.9996)14.80.47mNm

（2）进料板液相平均表面张力的计算：由TF5℃，查化学化工物性数据手册得：

A3.86mNm B18.64mNm

LFM0.014793.86(10.01479)18.6418.42mNm

（3）精馏段液相平均表面张力：

LM(0.4718.42)29.45mNm

2.6 低沸精馏塔的塔体工艺尺寸的计算

图2-4为低沸精馏塔示意图。

图2-4 低沸精馏塔示意图

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2.6.1 塔径的计算

精馏段的气，液相体积流率为：

VS

VMVM59.0841.35

0.06m3s

3600VM360011.23

LS

LMLM50.6444.11

0.001m3s

3600LM3600656.51

由umaxC

LV

， V

12

式中C按CC20(L20)0.2计算，其中C20由文献[2]查取，图的横坐标为：

LhL

VhV





0.0013600656.510.0604360011.23

12

0.1

取板间距HT0.35m，板上液层高度hL0.04m则：

HThL0.31m

C20由文献[2]查取，得：

C200.064



CC20L

20umax0.055

0.2

9.450.064

20

0.2

0.055

656.5111.23

0.416ms

11.23

由文献[2]取安全系数为0.75，则空塔气速为：

u0.75umax0.750.4160.312ms

D

4VS

0.63m u

按照标准塔径圆整后为：D0.7m



塔截面积为：ATD20.720.385m2

440.061

实际空塔气速为：u0.158ms

0.3852.6.2 精馏塔有效高度计算

精馏段有效高度为：

Z精（N精-1）HT(141)0.354.55m

提馏段有效高度为：

Z提（N提-1）HT(91)0.352.8m

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故精馏塔的有效高度为：

ZZ精Z提4.552.87.35m

2.7 低沸塔塔板主要工艺尺寸的计算 2.7.1 溢流装置计算

因塔径D0.7m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：（1）堰长LW

LW0.66D0.660.70.462m

（2）溢流堰高度hW

由hWhLhOW，选用平直堰，堰上液层高度hOW：

hOW

近似取E1，则：

hOW

2.84LhE1000LW





23

2.84LhE1000LW



23



2.840.0013600

1m 0.01110000.462

取板上清液层高度hL40mm，故hW0.040.0110.029m （3）弓形降液管宽度WD和截面积AF 由LWD0.66得：

AFAT0.0722 WDD0.124

故：

WD0.124D0.1240.70.0868m

AF0.0722AT0.07220.3850.0278m2

验算液体在降液管中停留时间，即：

3600AFHT36000.02780.3510.2s5s

Lh0.0013600



故降液管设计合理。（4）降液管底隙高度h0

h0

Lh

3600LWu0

取u00.15ms，则：

h0

0.0013600

0.014m

36000.4620.15

hWh00.0290.0140.0150.006

故降液管底隙高度设计合理。

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2.7.2 塔板布置

（1）塔板的分块

因D700800mm，故塔板采用整块式。（2）边缘区宽度确定取WS0.055m，WC0.045m。（3）开孔区面积计算开孔区面积Aa：

r21x22

Aa2xrx180sinr

rD2WC0.720.0450.305m

故：

0.305210.212

 Aa20.210.0930.044sin0.231m1800.305

（4）筛孔计算及其排列

选用3mm碳钢板，取筛孔直径d5mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距t为：

td3

t3515mm

筛孔数目n为：

n

1.155Aa1.1550.231

118622 t0.015

2

2

开孔率为：

Ad0.005

00.90700.90710.1%

Aat0.015

气体通过阀孔的气速为：

u0

VS0.061

2.62ms A00.1010.231

2.8 低沸塔塔板校核 2.8.1 降液管液泛

取板厚3mm，取筛孔直径d05mm。

d0350.6

A04Aa0.1010.231

0.0709

AT2AFAT2AF0.38520.028

由干板孔流系数图，确定孔流系数C00.73。

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u0

2

VS0.062.57ms A00.1010.231

1gu0

由式:hd m清液柱得： 2gLC0

111.232.57hdm 0.011

29.81656.510.73

由式:ua

VS0.06

0.18ms

AT2AF0.38520.028

2

0.5

故气相动能因子:FauaVM0.1811.230.50.603kg0.5m0.5s



查动能因子Fa确定充气系数0.78。

由式:hphdhWhOW0.0110.780.0290.0110.042m 液柱

LS

h0.153由式:rLh得： W0

2

0.001

hr0.1530.077m 液柱

0.4260.014

取泡沫相对密度0.5。

2

HdhphLhr0.04220.040.0770.1592m

HThW0.350.029

0.1895m 22

1

可见，满足HdHThW，即降液管不会发生液泛。

22.8.2 液沫夹带

Vg

5.7106ATAF

由式:eVH2.5hLT

3.2

得：

0.06

65.7100.3850.028eV3

9.45100.352.50.04



3.2

0.168

0.603103

0.25

0.000169kg液体kg干气0.1kg液体kg干气

3.2

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

可见液沫夹带量可以允许。 2.8.3 漏液

由式:h

4

计算克服液体表面张力的作用引起的压降。

9.81Ld0

49.45103

h0.0012m 液柱

9.81656.510.005

由式：uOW4.4C0

0.00560.13hLh得：

g

uOW4.40.73

0.00560.130.040.0012656.511.37ms

11.23

K

u02.57

1.876 uOW1.37

可见不会发生漏液现象。

由塔板校核结果可见，塔板结构参数选择基本合理，所设计的各项尺寸可用。 2.9 低沸塔接管的选型 2.9.1 进料管的选型计算

进料流量：F193.0Kmolh

进料的平均摩尔质量：MLFM61.95Kmolh 进料的平均密度：LFM961.12kgm3 由文献[1]得：

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVFMLFM193.061.95961.1212.55m3h，取u2ms，则：

d

qV12.553600

0.047m47mm

0.785u0.7852

由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：68mm4mm，其内径为d68(24)60mm。 2.9.2 塔顶气体进入冷凝管的选型计算

塔顶气体流量：V59.08Kmolh

塔顶气体的平均摩尔质量：MVDM26.05kgKmol 由TD30℃，查化学化工物性数据手册得：

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a0.712kgm3 b894kgm3

LDM

1

913.12kg/m3

0.9994/9130.0006/1176

塔顶气体的平均密度：0.713kgm3 由文献[1]得：

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVVMVDM59.0826.050.7132160m3h，取u20ms，则：

d

qV21603600

0.196m196mm

0.785u0.78520

由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：219mm6mm，其内径为d219(26)49mm。 2.9.3 塔顶回流管的选型计算

塔顶回流量：L50.64Kmolh

塔顶回流的平均摩尔质量：MLDM26.27kgKmol 塔顶回流的平均密度：LDM351.90kgm3 由文献[1]得：

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVLMLDM50.6426.27351.903.80m3h，取u1.5ms，则：

d

qV3.803600

0.030m30mm

0.785u0.7851.5

由文献[1]附十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：42mm3mm，其内径为d42(23)36mm。 2.9.4 塔底出液管径的确定

塔底出液量：W185Kmolh

塔底出液的平均摩尔质量：MW62.40kgKmol

由于塔底出液含有99.9%的氯乙烯，塔底出液的平均密度近似为氯乙烯在50℃的密度。查化学化工物性数据手册得：

塔底出液的平均密度：855kgm3 由文献[1]得：

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVWMW18562.4085513.5m3h，取u2ms，则：

d

qV13.53600

0.049m49mm

0.785u0.7852

由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：57mm4mm，其内径为d572449mm。 2.9.5 塔底蒸汽进料管的选型计算

塔底蒸汽流量：V'V59.08Kmolh

塔底蒸汽的平均摩尔质量：MMW62.40kgKmol 塔底蒸汽的平均密度：855kgm3 由文献[1]得：

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVVMW69.0862.408554.31m3h，取u15ms，则：

d

qV4.313600

0.010m10mm

0.785u0.78515.0

由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：32mm3.5mm，其内径为d32(23.5)25mm。

- 20 -

化学与环境工程系毕业设计（论文）

低沸塔设计结果一览表

项目平均压力平均温度气相体积流量液相体积流量实际塔板数板间距塔的有效高度

塔径空塔气速堰长堰高堰宽底隙高度清液层高度孔径孔间距孔数开孔区面积阀孔气速塔板压降降液管停留时间降液管清液层高度

液沫夹带

符号

单位

精馏段计算数据

656.2 17.5 0.06 0.01 14 0.35 4.55 0.7 0.158 0.462 0.029 0.0868 0.014 40 5 15 1186 0.231 2.62 0.042 10.2 0.1592 0.000169

PM TM

KPa

℃

VS LS N

m3s m3s

个

HT

m m m

ms

Z D u

LW hW WD

m m m m

h0 hL d

mm mm mm

个

t n

Aa u0

m2

ms

hp

m液注高度



Hd eV

s

m

kg液体kg干气

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

3 高沸精馏塔工艺设计

3.1 高沸塔的物料衡算

在高沸塔中，主要进行氯乙烯和二氯乙烷的分离。进料的原料液中含有氯乙烯

11.588th，二氯乙烷0.257th，原料液中氯乙烯和二氯乙烷的质量分数：

11.475

氯乙烯A100%98%

11.4750.255

0.255

二氯乙烷B100%2%

11.4750.255

根据工艺要求，塔顶馏出液组成99.9%，塔底釜液组成0.1%，为了计算方便，假定氯乙烯一次性蒸馏完全。

3.1.1 原料液及塔顶，塔底的摩尔分率

氯乙烯的摩尔质量：MA62.49kgKmol 二氯乙烷的摩尔质量：MB98.95kgKmol 进料：xF

0.9862.49

0.9873

0.9862.490.0298.95

塔顶：xD

0.99962.49

0.9994

0.99962.490.00198.95

0.00162.49

0.00144

0.00162.490.99998.95

塔底：xW

3.1.2 原料液及塔顶，塔底的平均摩尔质量

MF0.987562.49(10.9875)98.9562.95kgKmol

MD0.999462.49(10.9994)98.9562.51kgKmol

MW0.0014462.49(10.00144)98.9598.89kgKmol

3.1.3 物料衡算

原料液处理量：

F

总物料衡算：

11475

182.3Kmol/h 62.95

FDW 182.3DW

氯乙烯的物料衡算：

182.30.98730.9994D0.00144W

解得：

D180Kmolh W2.28Kmohl

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

图3-1 高沸精馏塔

表3-1 高沸塔物料衡算计算结果

组分流量Kmolh

进料F 182.3

塔顶D 塔底W 180

2.28

F182.3Kmolh

氯乙烯 0.9873 二氯乙烷 0.0127

D180Kmolh

氯乙烯 0.999 二氯乙烷 0.001

W2.28Kmolh

氯乙烯 0.001 二氯乙烷 0.999

由表3-1可知物料平衡。 3.2 高沸塔塔板数的确定

3.2.1 氯乙烯-二氯乙烷的汽液相平衡数

由化学化工物性数据手册查得氯乙烯，二氯乙烷的饱和蒸汽压如下表3-2，3-3所示：

表3-2 氯乙烯的饱和蒸汽压

氯乙烯℃ 蒸汽压KPa

40 60 585.2

964.3

80 100

1496 2214

表3-3 二氯乙烷的饱和蒸汽压

二氯乙烷℃ 蒸汽压KPa

40

60

80

100

55.10 110.8 204.0 348.2

根据氯乙烯，二氯乙烷的饱和蒸汽压，利用泡点方程：

ppp

xB yAx

ppApB

计算出氯乙烯的汽液相平衡数据如下表3-4：



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化学与环境工程系毕业设计（论文）

表3-4 氯乙烯的汽液相平衡数

温度T℃ 40 60 80 100

液相中氯乙烯的摩尔分数XA 汽相中氯乙烯的摩尔分数YA

0.5563 0.9301 0.2803 0.7723 0.1130 0.4730 0.0010 0.0061

图3-2 最小回流比

3.2.2 最小回流比和操作回流比

,0.9873)作垂线ef即为进料采用图解法求最小回流比，在图的对角线上自e(0.9873

线q线，该线与平衡线的交点坐标为：yq0.999，xq0.9873

故最小回流比：Rmin(xDyq)(yqxq)0.034

故取操作回流比为R0.5（高沸塔的操作回流比为0.2~0.6）。 3.2.3 精馏塔的气液相负荷

LRD0.518090Kmolh V(R1)D(0.51)180270Kmolh

LLF90182.3272.3Kmol/h

VV270Kmol/h

3.2.4 求操作线方程

精馏段操作线方程：y

LD

xxD0.333x0.667 VV

LWyxxW1.009x0.00001216 提馏段操作线方程：

VV

3.2.5 图解法求理论板层数

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

图3-3 图解法求取塔板数

采用图解法求得理论板层数为：

总理论板层数NT6.6，进料板位置NF2。实际板层数的求取：

考虑到二氯乙烷与氯乙烯属于非同类化合物与理想溶液的拉乌尔定律有较大的误差，故取板效率为30%。

所以：精馏段实际板层数：N精10.34

提馏段实际板层数：N提5.60.319

3.3 高沸塔其他物性数据的计算

精馏塔的工艺条件及有关物性数据的计算，以精馏段为例进行计算。 3.3.1 操作压力计算

塔顶操作压力：PD101.3350451.3KPa 每层塔板压降：P0.7KPa

进料板压力：PF451.70.74454.1KPa 精馏段平均压力：PM(451.3454.1)2452.7KPa 3.3.2 操作温度的计算

依据操作压力，由泡点方程通过试差法计算出泡点温度，其中氯乙烯和二氯乙烷的饱和蒸汽压由安托尼方程计算，计算结果如下：

塔顶温度：TD20℃ 进料板温度：TF50℃

精馏段平均温度：TM(2050)235℃ 3.3.3 平均摩尔质量计算

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塔顶平均摩尔质量计算：XDYL0.9994 查平衡曲线得：XL0.9908

MVDM0.999462.49(10.9994)98.9562.5119kgKmol

MLDM0.990862.49(10.9908)98.9562.825kgKmol

进料板平均摩尔质量计算：由图解理论板得：YF0.9977 查平衡曲线得：XF0.9718

MVFM0.997762.49(10.9977)98.9562.57kgKmol

MLFM0.971862.49(10.9718)98.9563.52kgKmol

精馏段平均摩尔质量：

MVM(62.5162.57)262.54kgKmol

MLM(62.8363.52)263.18kgKmol

3.3.4 平均密度的计算

（1）气相平均密度的计算由理想气体状态方程计算：

VM

PMMVM452.762.54

11.02kg/m3 RTM8.31435273.15

（2）液相平均密度的计算液相平均密度依据下式计算：

1

LM

（3）塔顶液相平均密度的计算



a

i

i

由TD20℃，查化学化工物性数据手册得：

a913kgm3 b1176kgm3

LDM

1

913.12kg/m3

0.9994/9130.0006/1176

（4）进料板液相平均密度的计算

由TF50℃，查化学化工物性数据手册得：

a857kgm3 b1127kgm3 进料板液相的质量分率：

aA

0.971862.49

0.956

0.971862.49(10.9718)98.95

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LFM

1

866.16kgm3

0.9568570.0441127

精馏段液相平均密度：

LM(913.12866.16)2889.64kgm3 3.3.5 液相平均表面张力的计算

液相平均表面张力依据下式计算：

LMxii

（1）塔顶液相平均表面张力的计算由TD20℃，查化学化工物性数据手册得：

A16.30mNm B24.75mNm

LDM0.999416.3010.999424.3016.30mNm

（2）进料板液相平均表面张力的计算由TF50℃，查化学化工物性数据手册得：

A11.88mNm B20.95mNm

LFM0.971811.88(10.9718)20.9512.14mNm

（3）精馏段液相平均表面张力

LM(16.3012.14)14.22mNm

3.4 高沸精馏塔的塔体工艺尺寸的计算 3.4.1 塔径的计算

精馏段的气，液相体积流率为：

VS

VMVM27062.54

0.426m3s

3600VM360011.02

LS

LMLM9063.18

0.0018m3s

3600LM3600889.64

由umaxC

LV

V

1/2

0.2

CC(20)20L式中C按计算，其中C20由文献[2]查取，图的横坐标为：

Lh

Vh

LV

0.00183600890.900.426360011.02

1/2

0.038

取板间距HT0.35m，板上液层高度hL0.04m，则：

HThL0.31m

C20由文献[2]查取得：

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C200.0745



CC20L

20

0.2

14.22

0.0745

20

0.2

0.0696

umax0.0696

890.9011.02

0.621ms

11.02

由文献[2]取安全系数为0.75，则空塔气速为：

u0.75umax0.750.6210.435ms D

4VS40.426

1.12m u0.435

按照标准塔径圆整后为：D1.2m



塔截面积为：ATD21.221.1304m2

44

0.426

实际空塔气速为：u0.377ms

1.13043.4.2 高沸精馏塔有效高度计算

精馏段有效高度为：

Z精（N精-1）HT(41)0.351.05m

提馏段有效高度为：

Z提（N提1）HT(191)0.356.65m

故精馏塔的有效高度为：

ZZ精Z提1.056.657.7m

3.5 高沸塔塔板主要工艺尺寸的计算 3.5.1 溢流装置计算

因塔径D1.2m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：（1）堰长LW

取：LW0.66D0.661.20.792m （2）溢流堰高度hW

由hWhLhOW选用平直堰，堰上液层高度hOW：

hOW

近似取E1，则：

hOW

2.84Lh

E1000lW





2/3

2.84LhE1000LW



2/3

2.840.00183600110000.792

2/3

0.012m

取板上清液层高度hL40mm，故hW0.040.0120.028m

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（3）弓形降液管宽度WD和截面积AF 由LWD0.66得：

AFAT0.0722 WDD0.124

故：

AF0.0722AT0.07221.13040.082m2

WD0.124D0.1241.20.1488m

验算液体在降液管中停留时间，即：



3600AFHT36000.0820.35

15.9455s

Lh0.00183600

故降液管设计合理。（4）降液管底隙高度ho

h0

取u00.15ms，则：

h0

Lh

3600LWu0

0.00183600

0.015m

36000.7920.15

hWh00.0280.0150.0130.006

故降液管底隙高度设计合理。 3.5.2 塔板布置

（1）塔板的分块

因D800mm，故塔板采用分块式。得塔板分为3块。（2）边缘区宽度确定

取WSWS0.065m，WC0.035m （3）开孔区面积计算开孔区面积Aa：

'

r21x22

Aa2xrx180sinr



其中，xD2(WdWs)1.22(0.14880.065)0.386m

Aa20.3860.3190.1490.005643.090.801m2

（4）筛孔计算及其排列

本例所处理的物系无腐蚀性，可选用3mm碳钢板，取筛孔直径d5mm。筛孔按正三角形排列，取孔中心距：



rD2WC1.220.0350.565m



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td3 t3515mm

筛孔数目n为：

n

开孔率为：

1.155Aa1.1550.801

4112 22

t0.015

Ad0.005

00.90700.90710.1%

Aa0.015t

气体通过阀孔的气速为：

22

u0

3.6 高沸塔塔板校核 3.6.1 降液管液泛

VS0.426

5.266ms A00.1010.801

取板厚3mm，取筛孔直径d05mm。

d0350.6

A00.0801

0.082

AT2AF1.130420.082

由干板孔流系数图，确定孔流系数C00.77。

u0

1g

由式：hd

2gL

2

VS0.4265.32ms A00.0801

u0C m清液柱得： 0

111.025.32

hd0.029m

29.81889.640.77

由式：ua

VS0.426

0.44ms

AT2AF1.130420.082

2

0.5

故气相动能因子:FauaVM0.4411.020.51.46kg0.5m0.5s



查动能因子Fa确定充气系数0.62。

由式:hphdhL0.0290.620.040.0538m 液柱

LS

h0.153由式:rLh得： W0

2

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0.0018

hr0.153m 液柱 0.0035

0.7920.015

取泡沫相对密度0.5。

2

HdhphLhr0.05380.040.00350.0973m HThW0.350.028

0.189m 22

1

可见，满足HdHThW，即降液管不会发生液泛。

23.6.2 液沫夹带

Vg6

5.710ATAFe由式：VH2.5hL

T

3.2

得：

0.426

65.7101.13040.082 eV3

14.22100.352.50.04



3.2

0.406

0.0004

0.25

0.00188kg液体kg干气0.1kg液体kg干气

3.2

可见液沫夹带量可以允许。 3.6.3 漏液

由式：h

4

计算克服液体表面张力的作用引起的压降。

9.81Ld0

h

40.01422

0.00013m 液柱

9.81889.640.05

由式：uOW4.4C0

0.00560.13hLh得：

g

uOW4.40.77

0.00560.130.040.00013656.513.15ms

11.02

K

u05.32

1.69 uOW3.15

可见不会发生漏液现象。

由塔板校核结果可见，塔板结构参数选择基本合理，所设计的各项尺寸可用。

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3.7 高沸塔接管的选型 3.7.1 进料管的选型计算

进料流量：F182.3Kmolh

进料的平均摩尔质量：MLFM63.52kgKmol 进料的平均密度：866.16kgm3 由文献[1]得：

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVFMLFM182.363.52866.1613.37m3h，取u2ms，则：

d

qV13.373600

0.049m49mm

0.785u0.7852

由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：68mm3.5mm，其内径为d68(3.52)61mm。 3.7.2 塔顶气体进入冷凝管的选型计算

塔顶气体流量：V270Kmolh

塔顶气体的平均摩尔质量：MVDM62.51kgKmol

3

915kgm塔顶气体的平均密度：由文献[1]得：

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVVMVDM27062.5191518.45m3h，取u20ms，则：

d

qV18.453600

0.0181m18.1mm

0.785u0.78520

由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：32mm3mm，其内径为d32(32)26mm。 3.7.3 塔顶回流管的选型计算

塔顶回流量：L90Kmolh

塔顶回流的平均摩尔质量：MLDM62.83kgKmol

3

913.12kgmLDM塔顶回流的平均密度：由文献[1]得：

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d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVLMLDM9062.83913.126.19m3h，取u2.0ms，则：

d

qV6.193600

0.0331m33.1mm

0.785u0.7852.0

由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：45mm3.5mm，其内径为d45(3.52)38mm。 3.7.4 塔底出液管径的确定

塔底出液量：W2.28Kmolh

塔底出液的平均摩尔质量：MW98.92kgKmol

3

1158kgm塔底出液的平均密度：由文献[1]得：

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qVWMW2.2898.9211580.20m3h，取u1ms，则：

d

qV0.203600

0.011m11mm

0.785u0.7851

由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：32mm3mm，其内径为d32(32)26mm。 3.7.5 塔底蒸汽进料管的选型计算

塔底蒸汽流量：VV270Kmol/h

塔底蒸汽的平均摩尔质量：MMW98.92kgKmol

3

1158kgm塔底蒸汽的平均密度：由文献[1]得：

d

qV

0.785u

一般液体流速为0.5~3ms，气体流速为10~30ms。

由qvVMW27098.92115823.06m3h，取u15.0ms，则：

d

qV23.063600

0.023m23mm

0.785u0.78515

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由文献[1]附录十七中查普通无缝钢管的选用细则，确定选用：45mm3.5mm，其内径为d45(3.52)38mm。

最后完成了精馏工序段的计算及设备选型。

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高沸塔设计结果一览表

项目平均压力平均温度气相体积流量液相体积流量实际塔板数板间距塔的有效高度

塔径空塔气速堰长堰高堰宽底隙高度清液层高度孔径孔间距孔数开孔区面积阀孔气速塔板压降降液管停留时间降液管清液层高度

液沫夹带

符号

单位

精馏段计算数据

452.7 35 0.426 0.0018 4 0.35 1.05 1.2 0.377 0.792 0.028 0.1488 0.015 40 5 15 4112 0.801 5.266 0.0538 15.945 0.0973 0.00188

PM TM

KPa

℃

VS LS N

m3s m3s

个

HT

m m m

ms

Z D u

LW hW WD

m m m m

h0 hL d

mm mm mm

个

t n

Aa u0

m2

ms

hp

m液注高度

s



Hd eV

m

kg液体kg干气

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4 总结

在此次的毕业设计中，我的设计任务是年产10万吨的氯乙烯精馏塔设计，本次设计主要包括三大部分：绪论、计算和总结。对于氯乙烯精馏段的工艺设计计算，其中计算部分又包括：物料衡算、塔板数的确定、最小回流比的确定、精馏段气液相负荷的计算、精馏塔中各组分的摩尔分率的计算以及低沸塔和高沸塔中物料接管的选型等。

在物料衡算中，主要是对低沸塔、高沸塔和塔顶全凝器的物料衡算，在此次的设计中，对于塔板数的确定，主要有低沸塔塔板数的确定和高沸塔塔板数的确定，在此过程中采用的是图解法，可能存在一些误差，这是设计中的不足之处，在最后的设备选型中，所选的设备型号及一些尺寸可能不是很完整，由于条件限制，只选了其中的几个，通过和老师的交流一致达成共识，最后完成了此次的毕业设计。

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参考文献

[1] 陆美娟，张浩勤．化工原理上册[M]．化学工业出版社．2010：25-224． [2] 张浩勤，陆美娟．化工原理下册[M]．化学工业出版社．2011：68-150．

[3] 廖正品．我国PVC加工行业的发展状态与趋势[J]．化学工业出版社．2001：24-36． [4] 钱颂文．换热器设计手册[M]．北京：化学工业出版社．2002：19-24． [5] 廖巧丽，米镇涛．化学工艺学[M]．化学工业出版社．2001：97-108． [6] 陈国理．压力容器及化工设备[M]．华南理工大学出版社．1995：76-80． [7] 陈洪钫，刘家祺．化工分离工程[M]．化学工业出版社．1995：14-19． [8] 潘国昌，郭庆丰．化工分离工程[M]．清华大学出版社．1996：17-46． [9] 周军，张秋利．化工AutoCAD制图应用基础[M]．化学工业出版社．2011．

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化学与环境工程系毕业设计（论文）

致谢

在本设计的写作过程中，我的指导老师朱文娟老师给予我很大的帮助，老师一次次的指导，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在不断的修改后找到正确的方法进行设计内容。在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢我的同学们，在整个设计中，他们也曾给予我一定的帮助，从而使我顺利完成了本次设计。

最后感谢化工与环境工程系和我的母校-新疆工程学院三年来对我的大力栽培。

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