年产10万吨聚氯乙烯生产实用工艺设计

材料科学与工程学院毕业设计学生某某班级 / 学号专业材料科学与工程设计题目年产10万吨聚氯乙烯生产工艺设计方案指导教职称2002 年 2 月 28 日0 / 44word设计总说明聚氯乙烯PVC是一种热塑性合成树脂，有优良的电绝缘性，难以自燃， 主要用于生产透明薄膜、塑料管件、各类板材等。其再加工产品在全球不同领域 都有着非常广泛的应用。根据设计任务书，本设计进展了年产10万吨聚氯乙烯PVC工艺的设计。 在查阅、参考大量文献以与对以往局部车间设计的研究学习下，进展了科学的设 计以与对相关物料的衡算。本设计计划采用悬浮聚合法生产聚氯乙烯，原料为氯乙烯单体以与混合用有 机过氧化物和偶氮类引发剂、明胶分散剂和去离子水。结合所选择的生产工艺方 案和产品生产实际情况，进展了有关物料和热量平衡的计算。安排每日三班次， 每班8小时的生产强度，设计可达到日产 303吨年产达10万吨的聚氯乙烯生产 车间。本设计也充分考虑到工作人员的工作环境以与工作安全性，尽可能将车间规 划为安全的，绿色的，在工作人员遵守车间操作规程的情况下，工作更加安全高 效。本设计由许春华副教授指导，在反响确定、生产流程安排等整个设计过程中 提出了许多宝贵意见，使得设计能更高效地完成，在此学生表示衷心感谢。鉴于知识和实际经验所限，设计难免存在欠缺，恳请批阅教师批评指正。目录1 总论 11.1 概述 11.1.1聚氯乙烯PVC概述与应用围11.1.2聚氯乙烯PVC改性品种11.1.3聚氯乙烯PVC生产行业现状与开展前景31.2聚氯乙烯PVC产品的分类和命名41.2.1聚氯乙稀PVC产品分类41.2.2聚氯乙稀PVC产品命名41.3聚氯乙烯PVC生产方法551.3.1 悬浮聚合法651.3.2 乳液聚合法 61.3.3 本体聚合法 61.3.4 溶液聚合法 61.4 设计规模原料选择与产品规格 7 设计规模7主要原料规格与技术指标7 产品规格 82 工艺设计与计算 82.1 工艺原理 82.2 工艺条件影响因素 92.2.1聚氯乙烯PVC聚合主要影响因素92.3 工艺路线选择 112.3.1 工艺路线选择原如此 112.3.2悬浮法聚氯乙烯PVC工艺流程具体工艺路线122.3.3 工艺流程示意图 132.4 工艺配方与工艺参数 132.4.1 工艺配方质量份：132.4.2 工艺参数：132.5 物料衡算 142.5.2 物料衡算的方法与步骤 142.5.3 物料衡算 15热量衡算 172.6.1 热量衡算的意义和作用 172.6.2 热量衡算 183 设备选型 203.1 选型原如此 203.2 关键设备选择与计算 203.2.2 传热元件计算 263.2.3 搅拌器的选择 273.3 关键设备选用 323.4 其它设备选择 333.5 关键设备一览表 344 车间布置设计 354.1 车间设备布置原如此 354.2 车间设备平面布置原如此 364.3 车间设备立面布置原如此 364.4 车间操作人员安排 364.5 车间平面布局图 375 非工艺设计 375.1 环境保护 375.2 公用工程 385.2.1 供水 385.2.2 供电 385.2.3 供暖 395.2.4 通风 39 致谢 39参考文献 401 总论1.1 概述聚氯乙烯PVC概述与应用围聚氯乙烯简称PVC,是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂， 是氯乙烯的均聚物。氯乙烯均0VC聚物和氯乙烯PVC共聚物统称为氯 乙烯树脂。聚氯乙烯PVC为无定形结构的白色粉末，支化度较小。工业生 产的聚氯乙烯PVC分子量一般在5万12万围，具有较大的多分散性，分 子量随聚合温度的降低而增加；聚氯乙烯PVC无固定熔点，8085C时开 始软化，130C时转变为粘弹态，160180C时如此开始转变为粘流态。聚氯乙 烯PVC有较好的机械性能，抗强度60MPa左右，冲击强度510kJ/m2，有 优异的介电性能但对光和热的稳定性差，在100C以上或经长时间曝晒，就会 分解而产生氯化氢并进一步自动催化分解，引起变色其物理机械性能也迅速下 降，在实际应用中必须参加稳定剂以提高对热和光的稳定性。聚氯乙烯PVC非常坚硬，溶解性也很差，只能溶于环己酮、二氯乙烷 和四氢呋喃等少数溶剂中，对有机和无机酸、碱、盐均稳定，化学稳定性随使 用温度的升高而降低。聚氯乙烯PVC溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮一苯混合 溶剂中可用于干法纺丝或湿法纺丝而成纤维，称氯纶。另外，聚氯乙烯PVC具有难燃、耐酸碱、抗微生物、耐磨并具有较好 的保暖性和弹性。聚氯乙烯PVC可通过模压成型、层合成型、注塑成型、挤塑成型、压 延成型、吹塑中空成型等方法进展加工，所以聚氯乙烯PVC制品广泛用工 业、农业、建筑业、电子电气、交通运输、电力、电讯通信业、包装业等各个 领域。聚氯乙烯PVC的硬质制品甚至可代替金属制成各种工业行材，如门 窗、管道、阀门绝缘板和防腐材料等，也可用做收音机、电视机、蓄电池等外 壳或家具、玩具等。聚氯乙烯PVC轻质品如此可制成薄膜，加工制作雨披、 桌布、包装材料、农膜等，其再加工产品可以制成人造革、电线、电缆等的绝 缘层1。聚氯乙烯PVC改性品种聚氯乙烯PVC性脆，热稳定性差，不易加工。为了改善其性能，增加品种，可进展改性，改性的品种有氯乙烯共聚物、聚氯乙烯共混物和氯化聚氯 乙烯等。2(1) 氯乙烯共聚物氯乙烯可以和乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯、偏二氯乙烯、丙烯腈和丙烯酸酯 类等单体共聚，共聚物的产量占聚氯乙烯总产量的 25%以下。(A) 氯乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物采用悬浮共聚法，一般生产醋酸乙烯酯含量3%5%和13%15%的两个 品级，可用于制造塑料地板、涂料、薄膜、压塑制品、唱片与短纤维等。(B) 氯乙烯 - 偏二氯乙烯共聚物美国陶氏化学公司在 30 年代就研制成功了偏二氯乙烯含量在 50%以上的 氯乙烯共聚物，商品名莎纶B(Saran B)这种共聚物耐老化，耐臭氧，机械性能 好，能溶于四氢呋喃、环己酮与氯苯等有机溶剂，溶液具有较好的粘合性与成 膜性。用这种共聚物制得的薄膜无毒、透明，具有极低的透气性与透湿性，是 极好的食品包装材料。这种共聚物也是一种优良的防腐蚀材料。由其制造的纤 维称偏氯纶，可做渔网、座垫编织物和化工滤布等。(C) 丙烯 - 氯乙烯或乙烯氯乙烯共聚物丙烯含量约 10%的共聚物，用于吹塑成型和注射成型等。与氯乙烯-醋酸乙 烯酯共聚物相比，加工温度较低、且与热分解温度间隔大，熔体流动性好，无 毒，透明。乙烯-氯乙烯共聚物，也是用悬浮法在75C和压力96MPa下共聚 而成，乙烯含量为 4%43%，具有高耐冲击性，高透明度和优良的加工性能， 无毒，可制透明度高的薄膜、容器等。(D) 氯乙烯接枝共聚物以乙烯醋酸乙烯酯树脂为基材的氯乙烯接枝共聚物，具有优良的耐冲击 性、耐气候性和耐热性，适于作室外用建筑材料。用聚丙烯酸酯与氯乙烯的接 枝共聚物。在西欧，接枝共聚物已有逐步取代相应的共混物的趋势。(2) 聚氯乙烯共混物聚氯乙烯板材用其他树脂与PVC共混，是一种能多方面改良PVC性能的 好方法。用机械共混法使 PVC 与乙烯-醋酸乙烯酯树脂共混，能起到长效的增 塑作用，改善冲击强度、耐寒性与加工性。聚氯乙烯与丁腈橡胶，氯化聚乙烯 或 ABS 树脂共混，也可以显著改善韧性，耐寒性和加工性。与甲基丙烯酸甲 酯丁二烯苯乙烯共聚物见聚苯乙烯的共混物，不仅冲击强度高，而且 可以得到透明制品。聚氯乙烯共混物的研究与生产，品种不断增加，使用围不 断扩大。(3) 氯化聚氯乙烯聚氯乙烯PVC经氯化而得的一种热塑性树脂，由溶液氯化法制得的， 俗称过氯乙烯，简称CPVC，含氯量6168%，氢原子没有全部被氯取代。白 色或淡黄紫色粉末，溶解性比聚氯乙烯好，能溶于丙酮、氯苯、二氯乙烷和四 氯乙烷，耐热性比聚氯乙烯高2040C，耐寒性比聚氯乙烯约低25C，不易燃 烧，耐气候、耐化学药品与耐水性均优，可以用挤出法生产管材,主要作热水上 水管使用。氯化聚氯乙烯的溶液有良好的粘合性、成膜性和成纤性，可用于胶 粘剂、清漆和纺丝。胶粘剂主要用于粘接聚氯乙烯PVC板与其制品。清漆 的漆膜能耐腐蚀、柔软、耐磨且剥离强度高，用它纺成的丝称过氯纶，对酸、 碱、盐皆稳定，适于作耐化学腐蚀的滤布、工作服、筛网、渔网和运输带等。其生产方法有两种：A溶液氯化法将聚氯乙烯溶于氯苯或四氯乙烷，在衬铝或搪瓷的反响釜中，于光或自由 基引发下，搅拌并通入氯气，在70C下氯化，氯化过的氯化聚氯乙烯溶液经水 析、水洗、过滤、枯燥即得白色絮状颗粒成品。此法操作和设备均较简单，但 氯化时间较长。B悬浮氯化法将聚氯乙烯PVC悬浮于含二氯甲烷膨润剂的水或稀盐酸溶液中，在加 压釜通入氯气，于60C下氯化，产物用乙醇沉淀出来。此法氯化时间短，但操 作不易掌握，设备要求高，工业上较少采用。加工可分为各组分的混合、塑化 与成型加工三个步骤。树脂与按配方添加的各种助剂配合时，可用捏和机或高 速搅拌混合机均匀混合，再经挤出机塑化、切粒，即得到塑化好的粒料。这种 粒料可以贮存待用或出售。粒料经挤出、吹塑、压延或注射成型加工为各种制 品，也可以直接用混好的粉料也称干混料进展硬制品的加工。聚氯乙烯PVC生产行业现状与开展前景聚氯乙烯PVC广泛应用于工业、农业、建筑业、交通运输业、电力电 讯、包装业等各个领域。2010年我国聚氯乙烯PVC生产能力约为1200万 吨，产量为1100万吨，净进口量达近200万吨，消费年增长率在左右。随着 节水灌溉政策、建筑用化学建材、包装业、电子电气业、汽车业等下游行业对 聚氯乙烯PVC的需求急速增长，未来几年我国对聚氯乙烯PVC（PVC） 的需求依然会保持较高的增长速度。2011年全球PVC消费量约为3500万吨， 预计到2015年我国聚氯乙烯PVC树脂的需求量将达到近1500万吨，2020 年将达到 2160万吨。1.2聚氯乙烯PVC产品的分类和命名聚氯乙稀PVC产品分类根据生产方法的不同， PVC 可分为：通用型 PVC 树脂、高聚合度 PVC 树脂、交联 PVC 树脂。通用型 PVC 树脂是由氯乙烯单体在引发剂的作用 下聚合形成的；高聚合度 PVC 树脂是指在氯乙烯单体聚合体系中参加链增 长剂聚合而成的树脂；交联PVC树脂是在氯乙烯单体聚合体系中参加含有 双烯和多烯的交联剂聚合而成的树脂。根据氯乙烯单体的获得方法来区分，可分为电石法、乙烯法和进口EDC、VCM）单体法习惯上把乙烯法和进口单体法统称为乙烯法。 根据聚合方法，聚氯乙烯可分为四大类：悬浮法聚氯乙烯，乳液法聚 氯乙烯、本体法聚氯乙烯、溶液法聚氯乙烯。悬浮法聚氯乙烯是目前产量 最大的一个品种， 约占 PVC 总产量的 80%左右。四种聚氯乙烯的根本特性 见表。 3表 1-1 不同合成方法制得聚氯乙烯 PVC 产品特性比拟生产方法特性悬浮聚合法不含金属离子，有良好的电绝缘性与热稳定性乳液聚合法颗粒较细，含杂质较多，电绝缘性与热稳定性不与悬浮法 本体聚合法含杂质极少纯度高。热稳定性和电绝缘性优于悬浮法 溶液聚合法含杂质极少纯度高，本钱高，价格高。聚合物的分子量不高1.2.2聚氯乙稀PVC产品命名悬浮法聚氯乙烯按绝对黏度分六个型号：XS-1、XS-2.XS-6； XJ-1、 XJ-2.、XJ-6。型号中各字母的意思：X-悬浮法；S-疏松型；J-严密型； 国产悬浮法聚氯乙烯的特性请见表 1.2.2 。 4表1-2国产悬浮法聚氯乙烯的特性产品型号绝对黏度mPas平均聚合度XS-1 / XJ-11340XS-2 / XJ-211101340XS-3 / XJ-39801110XS-4 / XJ-4850980XS-5 / XJ-5720850XS-6 / XJ-65907201.3聚氯乙烯PVC生产方法聚氯乙烯PVC是由氯乙烯单体通过自由基聚合而成，聚合度n 般在500-20000围，其分子结构式如下：C1聚氯乙烯PVC按聚合方法分四大类：悬浮法聚氯乙烯PVC，乳液法 聚氯乙烯PVC、本体法聚氯乙烯PVC、溶液法聚氯乙烯PVC。本设计 计划采用悬浮法生产聚乙烯。悬浮法（主要是水相悬浮法）生产的氯化聚氯乙烯 PVC为非均质产品，溶解度相对于溶液法产品低,但热稳定性高，主要用于制 造管材、管件、板材等。1.3.1悬浮聚合法使单体呈微滴状悬浮分散于水相中，选用的油溶性引发剂如此溶于单体中， 聚合反响就在这些微滴中进展，聚合反响热与时被水吸收，为了保证这些微滴 在水中呈珠状分散，需要参加悬浮稳定剂，如明胶、聚乙烯醇、甲基纤维素、 羟乙基纤维素等。引发剂多采用有机过氧化物和偶氮化合物，如过氧化二碳酸 二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯、过氧化二碳酸二乙基己酯和偶氮二异庚腈、 偶氮二异丁腈等。聚合是在带有搅拌器的聚合釜中进展的。聚合后，物料流入 单体回收罐或汽提塔回收单体。然后流入混合釜，水洗再离心脱水、枯燥即得 树脂成品。氯乙烯单体应尽可能从树脂中抽除。聚合时为保证获得规定的分子 量和分子量分布围的树脂并防止爆聚，必须控制好聚合过程的温度和压力。树 脂的粒度和粒度分布如此由搅拌速度和悬浮稳定剂的选择与用量控制。树脂的 质量以粒度和粒度分布、分子量和分子量分布、表观密度、孔隙度、鱼眼、热 稳定性、色泽、杂质含量与粉末自由流动性等性能来表征。聚合反响釜是主要 设备，由钢制釜体衬不锈钢或搪瓷制成，装有搅拌器和控制温度的传热夹套， 或冷排管、回流冷凝器等。为了降低生产本钱，反响釜的容积已由几立方米、 十几立方米逐渐向大型化开展，最大已达到200m。聚合釜经屡次使用后要除垢。 以聚乙烯醇和纤维素醚类等为悬浮稳定剂制得的聚氯乙烯PVC一般较疏松， 孔隙多，外表积大，容易吸收增塑剂和塑化。1.3.2 乳液聚合法最早的工业生产聚氯乙烯PVC的一种方法。在乳液聚合中，除水和氯 乙烯单体外，还要参加烷基磺酸钠等外表活性剂作乳化剂，使单体分散于水相 中而成乳液状，以水溶性过硫酸钾或过硫酸铵为引发剂，还可以采用 “氧化-复 原引发体系，聚合历程和悬浮法不同。也有参加聚乙烯醇作乳化稳定剂，十 二烷基硫醇作调节剂，碳酸氢钠作缓冲剂的。聚合方法有间歇法、半连续法和 连续法三种。聚合产物为乳胶状，乳液粒径2 pm,可以直接应用或经喷雾枯燥 成粉状树脂。乳液聚合法的聚合周期短，较易控制，得到的树脂分子量高，聚 合度较均匀，适用于作聚氯乙烯糊，制人造革或浸渍制品。乳液法聚合的配方 复杂，产品杂质含量较高。1.3.3 本体聚合法聚合装置比拟特殊，主要由立式预聚合釜和带框式搅拌器的卧式聚合釜构 成。聚合分两段进展，单体和引发剂先在预聚合釜中预聚lh,生成种子粒子， 这时转化率达 8%10%，然后流入第二段聚合釜中，补加与预聚物等量的单体， 继续聚合。待转化率达85%90%，排出剩余单体，再经粉碎、过筛即得成品 树脂的粒径与粒形由搅拌速度控制，反响热由单体回流冷凝带出。此法生产过 程简单，产品质量好，生产本钱也较低。l.3.4 溶液聚合法溶液聚合法与乳液聚合法根本类似，在溶液聚合中，单体溶解在一种有机 溶剂如n-丁烷或环己烷中引发聚合，随着反响的进展聚合物沉淀下来。溶 液聚合反响专门用于生产特种氯乙烯与醋酸乙烯共聚物通产醋酸乙烯含量在 10-25%。这种溶液聚合反响生产的共聚物纯净、均匀，具有独特的溶解性和 成膜性。在本设计中，采用传统悬浮聚合法生产聚氯乙烯。1.4 设计规模原料选择与产品规格设计规模本设计规模为年产10万吨聚氯乙烯PVC，年实际工作日为330天，日 生产能力为 303 吨。主要原料规格与技术指标用于悬浮聚合的氯乙烯单体纯度在 99%以上，其他杂质的含量见下表。表 1-3 原、辅料规格序号名称含量1乙烯2丙烯3乙炔4丁二烯51 -丁烯-3 -炔06二氧化合物7水8HCl0去离子水规格见下表。表 1-4 去离子水的规格序号项目数值1导电率/2pH 值3氧含量,4硬度05SiO2,06SO3,7氯,08蒸发残留物0产品规格产品与副产品规格见下表。表 1-5 产品规格序号纯度单体含量其它杂质h2o PH 备注精聚氯乙烯PVC99%优级品精聚氯乙烯PVC98%一等品精聚氯乙烯PVC97%合格品主要原料购置途径见下表。表 1-6 主要原料购置途径原料名称购置途径氯乙烯力科化工丙烯力科化工乙炔佳杰特种气体丁二烯吉益化工1- 丁烯-3-炔吉益化工去离子水氏环保科技HCL爱康尼克公司2 工艺设计与计算2.1 工艺原理氯乙烯的聚合属于自由基型聚合反响。聚合时所采用的引发剂为油溶 性的偶氮类、有机过氧化物类和氧化复原引发体系。其反响迅速并且同时 会放出大量的反响热。链增长的方工为头尾相连。聚合反响过程存在着很 大程度的增长链向单体的转移，是影响产物相对分子质量的主要因素，这 种链转移会随温度的升高而加快。聚氯乙烯PVC由氯乙烯单体通过自由基聚合而成，聚合度n 般在500-20000 围，其分子结构式如下：CH2CHLnCl氯乙烯的悬浮聚合是生产聚氯乙烯PVC的主要方法，这种方法具 有操作简单，生产本钱低，产品质量好，经济效益好，用途广泛等特点， 比拟适于大规模的工业生产。在树脂质量上，用悬浮聚合生产的聚氯乙烯PVC树脂的孔隙率提 高了 300%以上，经过适当处理后树脂中单体氯乙烯的残留量由原来的 0.1%降到0.0005%以下。另外，由于清釜技术和残留单体回收技术的开展，减少了开釜次数， 进而减少了氯乙烯单体的释放量；采用烧结，冷凝或吸收方法汽提品和处 理废气，从而进一步减少了氯乙烯单体的消耗。2.2工艺条件影响因素2.2.1聚氯乙烯PVC聚合主要影响因素1单体纯度用于悬浮聚合的氯乙烯单体纯度应在99.9%以上。所以生产原料对聚氯乙烯PVC质量很重要。氯乙烯中杂质的含量应尽可能低一些，其中 脱盐水PH值最好近乎中性，在至之间，导率应小于 2um/cm。乙炔参与聚 合后，会形成不饱和键使产物热稳定性变坏，由于不饱和多氯化物存在，不但会 降低聚合速率、降低产物聚合度还易产生支链，从而使产品性能变坏。2引发剂反响中引发剂多采用有机过氧化物和偶氮类引发剂，其中有机过氧化物指 的是过氧化二碳酸酯、过氧化酯类。它们既可以单独使用，也可以两种或两种 以上引发活性不同的引发剂复合使用，引发剂复合使用的效果比单独使用更好， 可另反响速度更均匀，操作更加稳定，产品质量好，同时加强了反映的安全性。引发剂的用量可以采用下式进展估算后，再通过少量实验进展微量调整， 其计算公式如下：I=NrMx10-41/2)式中：I： 工业上引发剂用量质量分数，；Nr：引发剂理论消耗量，等于1加减慢mol/tpvC；用AIBN时，取；用DCPD、EHP等过氧化二碳酯时，取；M：引发剂的相对分子质量；t：聚合时间/h；t/2引发剂分解半衰期/ho工业生产中聚合的时间一般控制在51 Oh，应用选择t1/2为23h的引发 剂。如果采用复合型引发剂，最好是一种引发剂的t1/2为46ho3分散剂 工业常用分散剂主要有明胶、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素 和苯乙烯-顺丁烯二酸酐等。工业上常以纤维素类如羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素等和醇解度 75%90%的聚乙烯醇作为主分散剂，以非离子山梨糖醇如一月桂酸酯、一 硬脂酸酯、三硬脂酸酯等作为辅助分散剂，也可两者进展复合使用。4水质与水量 氯乙烯的悬浮聚合应使用去离子水，其规格要求如表-去离子的规格所 示。尤其水中的氯离子、铁和氧等的含量应严格控制，其中氯离子假如超过一 定含量会造成树脂颗粒形成不均；水中的铁会降低树脂的热稳定性，并可能组 织反响继续进展。其水的用量与树脂的部结构有关，严密型树脂以吸胶为分散剂单体与 水的质量比为 1：1：；疏松型树脂以聚乙烯醇为分散剂单体与水的质量 比为 1：11：o5系统中的氧 由于氧对聚合有缓聚和阻聚作用，在单体自由基存在下，氧能与单体作用 生成过氧化高聚物-CH2-CHCL-O-O-n，此物质易水解行成酸类物质破坏悬浮液 和产品的稳定性，因此从聚合角度以与安全角度考虑，应将各种原料中的氧和 系统中的氧完全去除干净。 6其他助剂 A pH 调节剂氯乙烯悬浮聚合时pH值应控制在78，即在偏碱性的条件下进展聚合。 这样可确保引发剂有良好的分解速率，；另分散剂更稳定，防止因产物裂解产生 HCL 从而造成悬浮液的不稳定，进而造成黏釜、清釜和传热困难，最终影响产 品质量。因此需要参加水溶性碳酸盐、磷酸盐、醋酸钠等物质作为缓冲来调节 pH值。B防黏釜剂在氯乙烯的悬浮聚合中，存在黏釜现象，不但影响聚合的传热，也影响最 终产品的质量，而且人工清釜劳动强度大，会影响到工人健康，所以应采用一 定措施防止黏釜现象的产生。在此采用参加防黏釜剂的形式解决上述问题。常 用的防黏釜剂是可以在水相中参加水相阻聚剂如次甲基蓝、硫化钠等；或在釜 民壁、搅拌器等设备上均匀喷涂一定量的水浴黑、亚硝基 P 盐或多元酚的缩合 物等。假如依然发现有黏釜现象，可采用高压水冲洗法清洗。C泡沫抑制消泡剂消泡剂在此选用邻苯二甲酸二丁酯或未饱和的C6J220羧酸甘油酯。 7聚合温度与压力A聚合温度氯乙烯悬浮聚合的温度上下决定了聚合产物相对分子质量的大小，因此必 须严格控制聚合的温度。在实际生产中，一般应控制温度在正常温度的正负。C 围，并且要确保温度控制平稳，采取适当降温处理手段，防止出现异常现象。 在此采用大流量低温差循环方式。B聚合压力在反响温度下，氯乙烯有一定的蒸汽压力，只有在聚合末期，大最单体聚 合后，其蒸气压力才会有一定程度的下降6。2.3 工艺路线选择2.3.1 工艺路线选择原如此工艺路线的选择即生产方法的选择。许多轻化工产品生产的一个特点就是 生产方法的多样化。所以应对不同的工艺路线逐个进展分析研究，通过比拟分 析找出一条符合实际的最优工艺路线，确定后即可进展工艺流程的设计。工艺 流程设计的应注意其可靠性、先进性以与可操作性三点。在此本设计计划采用乳液悬浮法在引发剂作用下发生加成反响制取聚氯乙 烯 PVC。2.3.2悬浮法聚氯乙烯PVC工艺流程具体工艺路线(1) 聚合 悬浮聚合的过程是先利用水泵将去离子水打入聚合釜中并启动搅拌器 ,然 后依次将分散剂、引发剂与其他助剂溶液参加聚合釜，再在聚合釜夹套通入蒸 汽和热水，当聚合釜温度升高至聚合所需温度5058C后，改为通冷却水, 控制聚合温度不超过反响温度的正负。C。而当转化率达6070%，会有自加速 现象发生，此时反响加快，剧烈放热，此时应大量通入冷却水，待釜压力达最 高时，即可使聚合物膨胀泄压出料,。因为聚氯乙烯(PVC粒的疏松程度与泄 压膨胀的压力有关，因此要根据不同要求控制泄压时的压力。少量未聚合的氯乙烯单体如此通过泡沫捕集器排入氯乙烯气柜，再次循环 使用。而氯乙烯气体中带出的少量树脂在可在泡沫捕集器中捕集下来，流至沉 降池作为次品处理。 7(2) 碱处理将聚合物悬浮溶液送至碱处理釜，使用浓度为36%42%的NaOH溶液进 展处理，其参加量为悬浮液的0.05%0.2%左右，用蒸汽直接加热至7080C并 维持2.0h，然后利用氮气进展吹气降温至65C以下时，再进展过滤和洗涤。采取碱处理的目的是破坏残存的引发剂、分散剂、低聚物等挥发性物质， 使其转化为能溶于热水的物质，以便于水洗去除。(3) 树脂的枯燥方法聚氯乙烯PVC树脂的枯燥方法采用二段枯燥法，即结合使用气流枯燥 管与沸腾床枯燥器，其中气流枯燥管用来脱除树脂上的外表非结合水，沸腾床 枯燥器用来脱除树脂部结合水。由于物料再次停留时间很长，存在投资较大、 热效率较差、费用较高等缺点，国外工业生产往往会进展较大的改良，例如赫 司特公司就采用MST旋风枯燥器,其具有停留时间适用、热效率利用高等特点。(4) 脱水与成品 产物先在卧式刮刀自动离心机或螺旋沉降式离心机中进展过滤，再使用7080 C热水洗涤两次。经脱水后的树脂含有一定量的水，此时再经螺旋输送 器送入气流枯燥管，以140150C热风进展第一段枯燥，出口树脂的含水量将 小于4%；再通入沸腾床枯燥器中以120C热风进展第二段枯燥，得到含水量小 于0.3%的聚氯乙烯PVC树脂。再经筛分、包装后入库。2.3.3 工艺流程示意图2.4 工艺配方与工艺参数2.4.1 工艺配方质量份：100去离子水氯乙烯5070悬浮剂聚乙烯醇0.5引发剂过氧化二碳酸二异丙醇0. 02EHP 过氧化二碳酸二2-乙基己酯 缓冲剂磷酸氢二钠00.1消泡剂邻苯二甲酸二丁酯02.4.2 工艺参数：(1) 聚合5058C依PVC型号而定812h90聚合温度聚合压力初始 完毕聚合时间转化率(2) 碱处理NaOH 浓度3642参加量聚合浆液的 温度7080时间(3) 脱水 严密型树脂含水率815疏松型树脂含水率1520(4) 枯燥 第一段气流枯燥管枯燥枯燥温度140150C风速15m/s物料停留时间含水率V4%第二段沸腾床枯燥 枯燥温度计120C物料停留时间12min含水率V%2.5 物料衡算2.5.1 物料衡算的意义与作用物料衡算在化工计算中是最根本，最重要的容之一，是进展化工计算的根 底。在化学工程中，为导出某一过程的根本方程式建立数学模型，设计或改造 工艺流程与设备，了解与控制生产操作过程，核算生产过程的经济效益等都要 进展物料的衡算。物料衡算广泛应用于生产和设计。在工厂设计时，物料衡算 是在确定工艺流程与工艺参数后即开始的一项化工计算工作，此时设计工作从 定性分析转入定量计算。物料衡算是通过每一道工序的物料变化情况来进展平 衡计算，从而得到在正常生产情况下各种物料数量。通过物料衡算，在产品生 产任务情况下，可计算出所需原材料、生成副产品、废物等的生成量。此外通 过物料衡算不仅可算出原材料消耗数额，计算出生产过程所产生的热量变化， 同时也为设备选型提供了依据，物料衡算的结果直接关系到车间运输量以与生 产本钱，对工厂技术经济指标有重要影响。2.5.2 物料衡算的方法与步骤一：收集计算数据；二：原料，辅料，中间产物与产品的规格； 三：过程中单位时间的物流量； 四：有关消耗定额；五：有关转化率，选择性，单程收率； 六：有关物理化学常数。1画物料流程图 为了物料衡算时分析问题更简便，便于展开计算以与为准备建立方程式， 需根据计算任务画出物料流程图或物料衡算方框图。图应尽可能详尽，明确数 据与未知数据，还应画出物料线，包括每股物料的名称、数量、组成以与流向 还有与计算有关的工艺条件如温度，压力，流量，配比等。2确定衡算围 在物料衡算中，有时会遇到较复杂的计算，为便于计算常采用划定衡算围 的方法，即衡算围一经划定，便可假想成为一个独立体系，但凡通过边界进入 体系的量属于输入项，而穿越边界离开体系的量属于输出项。3选定计算基准 假如在流程中作为计算基准的数量，如此以此数据为基准，采用“顺算法， 就能方便的计算出单位时间的产品，中间产品以与三废产量的各股物料量。假 如产品量且中间计算步骤较多如此难以一下子算出原料量，此时可采取“倒推 法，即由产品量反向计算算出其他各物料的量。倘假如年产量在数值上太大， 不方便进展计算，如此可先假设按 100 千克或100 摩尔原料出发进展计算，计 算出产品产量后，与实际产量进展比拟，求出相差的系、倍数，以此系、倍数 乘以原假设量，即可得到各股物料的实际量。在此设计中，直接采用顺算法进 展物料计算。4列出输入-输出物料平衡表 列表以描述和识别所有进入体系和离开体系的物料量。再表中列出量和未 知量，以与经过导出和计算的有关数据。2.5.3 物料衡算生产任务：年产 10 万吨吨丙酮氰醇 生产时间：330 天/年每天生产量：100000吨xlOOO/330天=3.03x105千克/天每小时生产量：（3.03x105）/24=1.26x103千克/小时进料：1聚合釜物料衡算去离子水纯度100%氯乙烯纯度99%悬浮剂聚乙烯醇97%引发剂过氧化二碳酸二异丙醇97%缓冲剂磷酸氢二钠99%消泡剂邻苯二甲酸二丁酯99%转化率： 93%表 2-1 聚合釜进料量名称质量千克/小时去离子水：2.17x103千克/小时氯乙烯：1.36x103千克/小时引发剂：千克/小时悬浮剂千克/小时缓冲剂千克/小时消泡剂千克/小时出料：表 2-2 聚合釜出料量名称质量千克/小时去离子水：1.96x103千克/小时聚氯乙烯PVC：1.28x103千克/小时氯乙烯：25 千克/小时引发剂：千克/小时悬浮剂千克/小时缓冲剂2.25 千克/小时消泡剂千克/小时2碱中和釜物料衡算NaOH 溶液浓度：36NaOH溶液：聚氯乙烯PVC： 100溶剂水：聚氯乙烯PVC：转化率为 进料：20 千克/小时1.28x103千克/小时99.9%表 2-3 碱中和釜进料量名称质量千克/小时NaOH溶液溶剂水聚氯乙烯PVC杂质32千克/小时20 千克/小时1.28x103千克/小时千克/小时出料：表 2-4 碱中和釜出料量NaOH溶液千克/小时溶剂水聚氯乙烯PVC 杂质NaOH溶液20千克/小时1.28x103千克/小时千克/小时千克/小时热量衡算2.6.1 热量衡算的意义和作用精细化工生产一般应在规定的压力、温度和时间等工艺条件下进展，生产 过程中包括化学和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进展能量衡算。 生产中一般无轴功或轴功相对较小，可以忽略不计，所以能量衡算实质上是热 量衡算。生产过程中所产生的化学热效应与物理变化热效应会使物料温度上升 或下降，为保证生产过程在一定温度条件下进展如此需要环境与生产系统有热 量交换，对于新车间设计，热量衡算是基于物料衡算进展的，通过热量衡算， 可以确定传热设备的热负荷情况，即通过确定在规定时间中摄入或逸出的热量 从而确定传热剂消耗量，选择恰当的传热方式，计算传热面积。通过结合热量 与物料衡算，如此可以确定设备的工艺尺寸，型号参数等。82.6.2 热量衡算在解决实际问题中，热平衡方程为：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中：Q1各股物料带入的热量Q2加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量 q3各种热效应，如反响热，溶解热等 q4各股物料带走的热量 q5消耗在加热设备上的热量Q6热损失水的比热为Kgc乙烯的比热为Kgc引发剂和助剂的平均的比热为Kgc总热损失Q5+ Q6为反响热的10%1聚合釜的热量衡算18 c氯乙烯水25 c水引发剂和助剂聚乙烯Cpi =4.2x+2.3x=2.71 KJ/KgCCp2=2.7x+2.9x+2.3x=2.7 KJ/Kg.CQ3=10.5x4.3868x124400Q1=Cp xmxt1Q4= Cp xmxt2Q5+ Q6= Q2x10%利用 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 Q2 符号为负可求得Q2聚乙烯聚乙烯碱 中 和 杂釜质2碱中和的热量衡算18水水 25 rNaOH溶液Cp =2.7x+2.9x+2.3x=2.7 KJ/KgcCp =2.7x+2.9x+2.3x=2.67 KJ/Kgc2Q3Q= Cp xmxtQ4= Cp xmxt2q5+ q6= Q2x10%利用 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 Q2 符号为负可求得Q2=2999KJ3旋风枯燥床热量衡算旋风枯燥床聚乙烯聚乙烯.25 c水水40 cA易挥发杂质杂质Cp =2.7x+2.9x+2.3xKg cCp =2.7x+2.9x+2.3x=2.69 KJ/Kgc2Q3Q1=Cp1xmxt1Q4= CP 2xmxt2Q5+ q6= Q2x10%利用 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q2 符号为负可求得：Q23 设备选型3.1 选型原如此设备的选择应首先考虑到工艺上的要求，争取做到技术先进，合理经济， 即选用的设备能适应相关生产规模，并在此同时获得最大的产率，而且能适应 不同产品的品种变化，并且确保相应产品的生产质量。另外整个工艺设备的设 计选择也应尽量考虑到实际生产的劳动强度，在提高生产率的同时尽可能的降 低原材料与相应公用工程水，电，气的单位消耗。9另外，在工业生产中不允许使用不成熟或未经实际生产考核过的设备。所 以在设计中所计划选用的设备不但要求具有可靠的技术性能，也必须考虑到设 备材质的可靠性，这一点同时应用于国国外不同厂商所生产的各类设备，特别 对生产中的关键设备，一定要经过充分的调查、研究与比照之后，再作出恰当 的选如此。3.2 关键设备选择与计算3.2.1 釜的计算对于连续反响釜：V = Vh 一 “ 6321-1)m申式中：vh：每小时处理的物料量；T反响所需的时间；N ：设备备用系数；申：装料系数。 1 聚合釜的主要参数在此设计中，悬浮聚合氯乙烯将采用釜式聚合反响器，期中聚合釜的材质 可选用复合钢板、全不锈钢或搪瓷。现代化工产业中聚合釜的选用趋势是大型化，国普遍采用33ms复合钢板制 聚合釜，而国外如此采用的容积更大的聚合釜，普遍可达到近127ms容积的聚2聚合釜的传热反响釜的生产能力很大程度上依赖于其聚合的传热能力，其中聚合釜的传 热能力可以用下式表示：Q = KAAtm式中：Q：传热能力或传热速度/kJh；A：传热面积血；K：传热系数/W/mK；Atm :传热温差/C。有以下三种途径可以提高传热能力：增大传热面积，提高传热系数以与增 大传热温度差。A传热面积影响聚合釜传热面积的因素有聚合釜的高径与容积。其中，高径比等于L/D,如此假如其高径比越大瘦长型，如此反响釜的 传热面积越大；L/D=1时，反响釜的传热面积最小。高径比的大小不仅影响釜的传热面积，还影响搅拌器的安装。按日本日立 公司的意见为：当釜的容积小于30 时，传热面积成为主要阻碍，因此L/D应 大于1,而当釜的容积大于200 时，搅拌器将成为主要阻碍，因此L/D应小 于4,综上所述，一般L/D应控制在4左右。聚合釜的传热面积大小随聚合釜容积的增加而减小。一般用单位体积的传 热面积，即比传热面积用A/V (m2/ms表示。如当时，存在关系，此时假如将 容积为14ms的聚合釜放大至容积为50 m3,如此比传热面积将下降到之前的 37%。因此，假如聚合釜的容积增大但传热面积不足时，可采用釜加冷管、D型 挡板或釜顶冷凝器等手段来增加传热面积。如国80m3聚合釜便安装有4组冷管 以与釜顶冷凝器，德国某200m3聚合釜未设置釜冷管但是参加了少量挡板和釜 顶冷凝器以增大其传热面积，但需注意的是，设置釜冷管后将对搅拌和黏釜情 况产生一定影响，因此应在传热面积足够的情况下尽量少的设置挡板或冷管。B传热系数传热性能好的聚合釜传热系数一般可达到465582W/mK，甚至超过689 W/mK，搪瓷釜也可以达到349W/mK以上的传热系数。而当传热 系数小于233 W/mK时，如此认为传热较差，应予以加强。影响传热系数的因素如下式所示：1/K=1/a1+a1a2 （修改）式中：K分别为釜和外给热系数，W/mK；a为釜壁黏釜物层、不锈钢层、碳钢层、搪瓷层、水垢层各层的厚度,m； a2为釜壁黏釜物层、不锈钢层、碳钢层、搪瓷层、水垢层各层的热导率，W/ EK； 釜壁给热系数体系黏度越小如此搅拌强度越大，从而壁液膜增薄导致热 阻减小， a1 值变大。釜外壁给热系数 a2 釜外夹套通冷却水降温，所以釜外壁给热系数一般在 5825820W/mK之间，主要由冷却水流动状况决定，传热性能良好的聚 合釜如此要求a2在23263489W/mK以上。一聚合釜中物料情况。表 3-1 聚合釜中物料情况物料流量密度去离子水2.17x103千克/小时1.0x103千克/立方米氯乙烯1.36x103千克/小时0.972x103千克/立方米引发剂千克/小时1.328x103千克/立方米悬浮剂千克/小时1.110x103千克/立方米缓冲剂2.25千克/小时1.328x103千克/立方米消泡剂千克/小时1.120x103千克/立方米V =V +V +Vh123=4.35x103/1.0x103+ 2.72x103/0.972x103+ 0.87/1.328x103+ 4.5/1.328x103+3/2120Vh “ n =3.6 m3 m申二碱中和釜中物料情况。表 3-2 碱中和釜中物料情况物料 流量密度聚氯乙烯1.28x103千克/小时0.93x103千克/立方米word水千克/小时0.7972x103千克/立方米碱水千克/小时0.6876x103千克/立方米杂质千克/小时2.12x103千克/立方米Vh=V1+V2+V3+V4=1.28x103Vh “ n =4.15 m3 m申3釜高度与直径的计算A聚合釜设釜径为D。，筒高为H,高径比r=1V - Vo =才 DO2 H 8VO 封头容积DO=参考压力容器与化工设备实用手册P256表2-2-6椭圆形封头尺寸与质量取DO=1100mm，如此封头直边高度h=25mm，曲边高度h1=275mm，容积V33.14 x1.1 x1.1兀DO 2 r -旦-095 0.86 do11 o) 0.95m B 碱中和釜设釜径为DO，筒高为H,高径比r=1兀V - VO=7 do2 旧VO封头容积DO=平：4 X1.76；：3 3.141.31m参考压力容器与化工设备实用手册P256表2-2-6椭圆形封头尺寸与质量取 DO=1300mm，如此封头直边高度h0=25mm，曲边高度h1=325mm，容积 VO34(V - V )4 x (1.76- 0.321)DO2 3.14 x 1.3 x 1.31.08m1.08DO1.3=0.83m4釜壁厚计算 参考化工设备设计根底，在此选用钢号 0Cr18Ni9 钢板，其标准为标准GB 4237，再由钢板许用应力得：厚度5 = 2Q 需一 P8(3.2.1-5)壁厚5d5 =8 + CdC = C + C12式中：C壁厚附加量C钢板负偏差C2腐蚀裕量A对于聚合釜2 PDi0.1x1100*5 = 0.57mm2Q艸P 2 x114 x 0.85 - 0.1其壳体在加工成形后不包括腐蚀裕量的最批小壁厚可由以下条件来确 定：1、碳素钢和低合金钢制容器不小于 3mm2、高合金钢制容器不小于 2mm9因此 5 = 2mm参考化工设备设计根底钢板副偏差表 3-13得：C1C2=2mm壁厚附加量C = C + C = 0.13 + 2 = 2.13mm12取 C = 4 mm因此其实际壁厚5 =5 + C = 2 + 4 = 6mmdB对于碱中和釜PDi0.1x1300=0.67 mm2Q +申一P 2 x114 x 0.85 - 0.1其壳体在加工成形后不包括腐蚀裕量的最小壁厚可由以下条件来确定1、素钢和低合金钢制容器不小于 3mm2、高合金钢制容器不小于 2mm所以8 = 2mm参考化工设备设计根底钢板副偏差表 3-13得：C1C2=2mm壁厚附加量C =C +C = 0.13 + 2 = 2.13mm12取 C = 4mm实际壁厚8 =8 +C =2+4=6mmdC对于旋风枯燥釜PDi0.1x13008 = 0.67 mm2Q+申P 2 x114 x 0.85 - 0.1其壳体在加工成形后不包括腐蚀裕量的最小壁厚可由以下条件来确定1、素钢和低合金钢制容器不小于 3mm2、高合金钢制容器不小于 2mm因此 8 = 2mm参考化工设备设计根底钢板副偏差表 3-13得：C2=2mm壁厚附加量C =C +C = 0.13 + 2 = 2.13mm12取 C = 4mm如此其实际壁厚8 =8 +C =2+4=6mmd聚合釜，碱中和釜，旋风枯燥釜三种釜器装置参考图为图 3-1 图 3-2 和图3-3。图3-1聚合釜图3-2碱中和釜图3-3旋风枯燥釜322传热元件计算1换热面积的计算A聚合釜冷却剂减少的热量Q = K - S tc Q 34321623.96S =K 啦600 x 21.5 x 4.1868B碱中和釜碱中过程中减少的热量为:S =2069882.7= 43.47K 600 x 19 x 4.1868C旋风枯燥釜旋风枯燥过程中减少的热量为:Q = K - S tS 亠=13849737= 34.71K 600 x 15 x 4.18681夹套高度HjV2zV封 兀 D2/4i(3-3)V 罐体容积；10 n 装料系数；Di筒体内径；参考化工设备机械根底得：壳体直径在 800mm1800mm 时，夹套直径取Di+100mm3.2.3 搅拌器的选择1搅拌器的选择聚氯乙烯PVC原料与产品均为低黏度流体，所以可采用推进式搅拌器。亠=2.12 4.8DD 搅拌釜的内径mm0D 叶轮外径 m m本设计中D = 3D2叶轮叶片螺距确实定Z=3S 叶轮叶片的螺距 mm D 叶轮外径 mmZ 单个叶轮叶片数（个）本设计中取=1Dn = 5 15 m / sn 叶轮最外点线速度； 本设计中用电动机直接相连n = 15 m / s则n二n t2 兀 D3搅拌功率的计算搅拌器的搅拌功率为P = KxP xn3 xp xD 5s 0 jp - n - D 2Re =ii(3-4)Pp液体的密度Kg/m3n搅拌器的转速r/s斗搅拌器的直径m卩液体的黏度PaSK功率准数校正总系数Po搅拌功率准数4搅拌轴直径的计算d Ai2(3-5)A许用剪应力t 变化的系数Ps轴上传递的功率kwn轴转速r/sd轴最小直径A聚合釜搅拌器的选择一聚合釜搅拌器的选择D-01100T=366.7mm二叶轮叶片螺距确实定S = D = 1100 mm15x1nt丄-，、丄n 6.5r / s2D2 x 3.14 x 0.3667三搅拌功率的计算搅拌器的搅拌功率为P = KxP xn3 xp xD 5 s 0 jp - n - D 2Re =（3-6）p868 Kg/m3n6.5 r/sDjj卩2.5PaSK功率准数校正总系数Po搅拌功率准数K1；K2=2；由Re二p - n - D 2j868 x 6.5 x 0.366722.5303.5查得P 二 200搅拌器的搅拌功率为P5=KxP0xn3xpxDj53四搅拌轴直径的计算兰二 4.8mm6.5d A 1Ps 二 13.5xnB碱中和釜搅拌器的选择一碱中和釜搅拌器的选择D = 3D = Do = 1100 = 366.7mm33二叶轮叶片螺距确实定S = D = 1100 mm=6.5r / sn -115 x 1n =2兀-D 2x 3.14x 0.3667三搅拌功率的计算搅拌器的搅拌功率为P = KxP xn3 xp xD 5s0j