氯乙烯无汞催化剂工程化研究

发布时间：2020-10-10 19:25

　　 聚氯乙烯(PVC)是世界上使用最广泛的塑料之一,它在膜、建筑材料、包装、医疗器械等方面具有非常重要的作用。而氯乙烯(VCM)是聚氯乙烯的单体,所以氯乙烯的制备是生产聚氯乙烯的前提。现如今,应用最广的氯乙烯工艺主要分为以天然气为原料的乙烷法、以石油资源为原料的乙烯法和以煤炭为原料的乙炔法三种。在中国富煤少油的能源形势下,以煤化工为基础的乙炔法成为了中国生产VCM的主要生产方式。现如今工业上乙炔法主要使用氯化汞作为活性组分的催化剂,但是随着《水俣汞防治公约》的签订,乙炔法迫切需要使用一种新型绿色催化剂来进行工业化生产。现如今,研究学者对新型绿色的催化剂进行了大量的研究,但是还未见工业化研究成果。本文主要针对所设计新型绿色催化剂进行研究及其适宜反应器的模拟设计优化,并对氯乙烯的合成转化工序的设备进行设计。本文主要研究内容分为以下三个部分:(1)为将一种活性高,寿命长的金基催化剂工业化,对该催化剂进行本征动力学的研究。在合理假设催化剂的反应机理的条件下,通过使用Langmuir吸附等温线方程推导出乙炔氢氯化的反应动力学方程,并计算出了该催化剂在乙炔氢氯化反应中所需要的活化能。该方程与实验值较为接近,证明了假设的合理性与动力学方程的准确性,能够用来模拟工业的生产运行。并且基于所得出的动力学方程,用一维固定床反应器模型对反应过程进行模拟分析,对其催化剂床层的温度和浓度进行了模拟,对实验室反应器提供改良措施。(2)在催化剂工业化过程中,通过对乙炔氢氯化反应热力学的计算,确定了反应的极限。通过反应平衡所能达到的最高转化率和选择性确定了该反应所适宜的反应温度。通过使用Aspen Plus模拟软件在恒温反应器中对该催化剂进行分析,确定适宜操作条件。分别在绝热反应器和换热反应器中对乙炔氢氯化反应进行模拟分析以及优化,得出反应器的操作条件。针对工业现有反应器乙炔出口转化率不满足生产求这一情况,对反应器形式作出改进,使乙炔最终出口转化率达到99%以上。(3)针对所设计的反应器,对5万吨/年电石乙炔法合成氯乙烯的工艺过程进行设计计算,对整个工艺流程进行物料和能量衡算,在满足节能环保的前提下,对整个工艺进行优化设计。通过对所设计的流程优化,将原先预热所使用的饱和蒸汽替换为反应产物,达到了节约预热器的生产成本和工业饱和蒸汽的使用量,具有显著的经济效益和社会效益。通过对氯乙烯生产过程中主要设备的计算,为工业设备制造提供了数据参考。
【学位单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ426;TQ222.423
【部分图文】：

图 2-1 金基催化剂性能测试Fig.2-1 Conversion of acetylene of catalystsction condition: Temperature(T)=180℃；V(HCl):V(C2H2)(I)GHSV=360h-1;(II)GHSV=180h-1;(III)GHSV=36h-1对该金基催化剂在乙炔氢氯化反应中的寿命进行 1 可知，在前 470 小时，该催化剂的初始转化炔转化率逐渐降低。当转化率低至 55%左右时，化率上升到 80%以上，在 180h-1空速下反应 45左右。然后再将乙炔空速减小至 36h-1，乙炔的转行，在反应了 1312 小时后，催化剂的转化率降低对氯乙烯的选择性几乎没有变化。评价评价流程氯化反应的动力学数据通过实验室自制的微型固。反应的温度通过温度控制仪和温度显示仪控制。为防止反应装置其他气体杂质对反应的影响，

图 2-2 催化剂性能评价装置示意图Fig.2-2 Catalyst experimental setup1. 氯化氢；2.乙炔；3、4.钢瓶总阀；5、6.减压阀；7、9.过滤器；8、10.质量流量计；11.反应器；12.吸收瓶2.4.2 催化剂性能评价计算反应后乙炔的转化率（AX ）和氯乙烯的选择性（VCMS ）使用下式计算：00100%A AAAXφ φφ = ×100%1VCMVCMASφφ= × 在上述公式中，A0φ 表示在反应气中乙炔的摩尔分数，Aφ 表示反应产物中乙炔摩尔，VCMφ 表示反应产物中氯乙烯的摩尔分数。在动力学计算中，分别测定在 383，403，423，443K 各温度下,乙炔转化率随空时，w/FA值和乙炔氯化氢配比的变化，将其所测得的具体数值代入所得的动力学公式中，利

图 3-1 内扩散的消除Fig.3-1 Elimination of internal diffusion扩散有效因子计算：分为两种形式[60]：当λ/2r≤10-2时，此时的内扩散时内扩散被称为努森扩散。在努森扩散这种情况下孔半径 r 有关。D 可按下式估算：D = 9.7 10 r T M由程 λ 可用下式计算：cm为 Pa0.1013MPa 下气体分子的平均自由程近似等于 10λr=103.04 10= 32.89 > 10催化剂颗粒内的扩散属于努森扩散，其扩散系数D = 9700 (1.02 10 )45326= 0.01724 cm /D =V ρ D= 0.87 0.01724ρ
【参考文献】

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本文编号：2835484