悬浮法生产聚氯乙烯流程设计.docx
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悬浮法生产聚氯乙烯流程设计
3000吨/年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计
摘要
本设计为年产3000吨聚氯乙烯聚合工艺设计，整个设计文件由设计说明书和设计图纸两部分组成。
在设计说明书中，简单介绍了聚氯乙烯的生产现状、发展趋势、性能和主要用途，着重介绍以悬浮聚合法作为聚合的工艺生产方法。
在设计过程中，根据设计任务书的要求，进行了较为详细的物料衡算和热量衡算和聚合釜计算，对设备进行了工艺计算和选型，同时对整个装置进行了简单的技术经济评价。
绘制了相应的设计图纸，设计图纸包括工艺流程图、聚合釜装配图。
关键词：
聚氯乙烯，悬浮聚合工艺，干燥，单体，生产工艺
Abstract
Thedesignforthe3,000tonsofPVCpolymerizationprocessdesignthroughoutthedesignfileiscomposedbytwopartsofthedesignspecificationanddesigndrawings.Inthedesignmanual,abriefintroductionofPVCproductionstatus,developmenttrends,performance,andthemainpurposeshighlightedbysuspensionpolymerizationasthepolymerizationprocessproductionmethods.Inthedesignprocess,accordingtotherequirementsofthedesigntaskbooktoconductamoredetailedmaterialbalanceandheatbalanceandthethepolymerizercalculationprocesscalculationandselectionofequipment,asimpletechno-economicevaluationoftheentiredevice.Drawingofthedesigndrawings,designdrawingsincludingprocessflowdiagramofthepolymerizationreactorassemblydrawing.
Keywords:
PVC,suspensionpolymerizationprocess,dry,monomer,productionprocess
目 录
前 言
聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯单体（VCM）均聚或与其他多种单体共聚而制得的合成树脂，聚氯乙烯再配以增塑剂、稳定剂、高分子改性剂、填料、偶联剂和加工助剂，经过提炼、塑化、成型加工成各种材料。
在现代工业生产和人类生活中起着举足轻重的作用，因此PVC的生产和技术的改进越来越受到现代人的关注！
本设计是以氯乙烯单体为原料，对年产能力为3000吨的PVC聚合工艺设计，以株化集团PVC厂为理论资料，并收集有关的化工设计资料作参考，按课程设计大纲和设计任务书的要求进行设计。
本设计的内容是在简要介绍聚氯乙烯发展状况及其性质、用途，工艺方法选择的基础上，重点介绍了采用悬浮聚合法生产PVC的工艺过程，产量为年产3000吨。
设计的主要内容有：
1.产品及原材料说明；2.生产方案的比较与选择；3.物料衡算与热量衡算；4.聚合釜计算；5.附属设备的设计及选型；5.经济效益分析。
设计图纸包括1张工艺流程图；1张聚合釜装配图。
本设计旨在理论学习的基础上，结合生产实践，熟悉工艺流程、生产方案的选择、设备的选型等，掌握工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备的计算、选型，对参考文献的查阅与学习等的方法。
由于设计者的理论知识有限，设计经验的缺乏，在设计的过程中难免会有一些不足和错误之处，敬请各位老师指评指正。
第1章产品及原料说明
1.1产品性质及质量标准
1.1.1名称及其结构
名称
悬浮法聚氯乙烯树脂简称PVC（PolyinyChloride）
分子式和结构式：
分子式：
结构式为：
其中n为平均聚合度，一般为350—8000
分子量
30000—100000
1.1.2产品性能
典型的物理性质
外观﹕白色粉末密度﹕1.35—1.45g/cm3表观密度﹕0.4—0.65g/cm3
比热容﹕1.045—1.463J/（g.℃）
热导率﹕2.1kW/（m.K）
颗粒大小﹕悬浮聚合60-150μm本体聚合﹕30—80μm糊树脂﹕
0.1-2μm掺混﹕20-80μm
热性能
无明显熔点85℃以下呈玻璃态，85-175℃呈弹态，175-190℃为熔融状态，190-200℃属粘流态，软化点﹕75-85℃，加热到130℃以上时变成皮革状，同时分解变色，长期加热后分解脱出氯化氢。
燃烧性能
PVC在火焰上能燃烧，并降解释放出HCl，CO和苯等低分子量化合物，离火自熄。
电性能
PVC耐电击穿，它对于交流电和直流电的绝缘能力可与硬橡胶媲美，其介电性能与温度，增塑性，稳定性等因素有关。
老化性能
较耐老化，但在光照（尤其光波长为270-310nm时）和氧化作用下会缓慢分解，释放出HCl，形成羰基，共轭双键而变色。
化学稳定性
在酸，碱和盐类溶液中较稳定。
耐溶剂性
除了芳烃（苯，二甲苯），苯胺，二甲基酰胺，四氢呋喃，含氯烃（二氯甲烷，四氯化碳，氯化烯）酮，酯类以外，对水，汽油和酒精均稳定。
机械性能
聚氯乙烯抗冲击强度较高，常温常压下可达10MPa。
[1]
1.1.3产品质量标准
PVC生产中所需主要原料的规格
表1-1PVC的物理性能
性能
指标
结晶数据/mm
工业PVC
单晶
结晶度/%
聚合后
熔体
密度（未复配）（g/㎝3）
总体
晶体
泊松比（硬PVC）
折射率
玻璃化温度/℃
线膨胀系数（未增塑）/℃-1
比热容/（J/g·℃）
硬PVC
23℃
50℃
80℃
120℃
增塑的PVC（50份DOP）
23℃
52℃
80℃
120℃
热导率（未增塑）/[J/（㎝·s·℃）]
介电强度/（kv/mm）
溶解度参数/（J/㎝3）0.5
正交晶系，每个晶胞两个单体
abc
1.060.540.51
1.0240.5240.508
1.9
4.9
1.39
1.53
0.41
1.54
83
7×10-3
0.92
1.05
1.45
1.63
1.88
1.54
1.67
1.75
1.88
17.5×10-4
20
1.2单体氯乙烯（VCM）的性质
纯度﹕≥99.98%（wt）
HCL含量﹕≤1ppm（wt）
铁含量﹕≤1ppm（wt）
水含量﹕≤60ppm（wt）
醛含量﹕≤5.0ppm（wt）
压力为0.6MPa，温度为常温。
VCM主要性质
氯乙烯分子式为C2H3Cl，分子量62.51，常温常压下为无色，带有甜香味气体，易燃易爆，遇到空气可形成燃烧爆炸，在空气中爆炸范围为4－22%，有毒，性质活泼，能起加成反应和易起聚合反应。
沸点（0.1MPa）为-139℃，熔点为-159.7℃。
聚合放热量1554KJ/kg.m，聚合时的体积收缩率为35%。
导热系数﹕0.17956J/（㎡.S.K）。
液体导热系数：
（20℃）0.142J/（㎡.S.K）。
[1]
表1-2VCM物理性质
温度
℃
密度
kg/m3
比热容
KJ/（kg.℃）
20
1.352
50
1.53
57
837
1.57
70
1.63
表1-3水的物理性质
温度
℃
密度
kg/m3
比热容
KJ/（kg.℃）
导热系
λ×102
w/（m.℃）
粘度
×105/Pa.s
普兰德数
Pr
10
999.7
4.191
57.45
130.77
9.52
30
995.7
4.174
61.76
80.07
40
992.2
4.174
63.38
65.60
4.32
57
986.6
4.175
65.13
49.3
1.3聚氯乙烯配方
表1-4聚氯乙烯生产配方[3]
原料名称
相对分子质量
摩尔比
质量/kg
投料量/kg
氯乙烯
62.50
1.0
62.5
100
软水
18.02
6.9
125.0
200
聚乙烯醇
0.75
1.2
IPP（引发剂）
206.19
1.21×10-3
0.25
0.4
抗鱼眼剂
由于用量较少，故可忽略不计
防粘釜剂
丙酮缩氨基硫脲（终止剂）
第2章聚氯乙烯生产工艺流程设计
2.1聚氯乙烯生产工艺流程简述
悬浮聚合过程是向聚合釜中加入无离子水和悬浮剂，加入引发剂后密封聚合釜，真空脱除釜内空气和溶于物料中的氧，然后加入单体氯乙烯之后开始升温、搅拌、反应开始后维持温度在50℃左右，压力0.88~1.22MPa，当转化率达到70%左右开始降压，在压力降至0.13~0.48MPa时即可停止反应。
聚合完毕后抽出未反应单体、浆料进行气提，回收氯乙烯单体。
抽出气体后的浆料进行离心分离，使氯乙烯含水25%，再进入干燥器干燥至含水0.3%~0.4%，过筛后即得产品。
聚合釜中，使用表面张力和用量均较小的分散剂，聚合的中后期采用高速搅拌，有利于生成体积较大、表面膨胀、表皮多孔、内部疏松的树脂颗粒——疏松型树脂。
反之，则生成紧密型树脂。
2.2聚氯乙烯生产工艺流程操作步骤
2.2.1聚合单元
首先将加热到48℃左右的去离子水由泵计量后加入到聚合釜中，分散剂配成一定浓度溶液，在搅拌下由泵经计量后加入聚合釜内（也可由人孔直接投入），其他助剂配制成溶液通常由人孔投加，然后关闭人孔盖，通入氮气试压及排除系统中氧气，或借抽真空及充入氯乙烯方法。
最后将新鲜氯乙烯与回收后经处理的氯乙烯依一定比例（回收的VCM占总量的10%），送入计量槽内计量，再经单体过滤器过滤后加入釜内，开启多级往复泵将引发剂计量后加入釜中。
加料完毕后，于釜夹套内通入热水将釜内物料升温至规定的温度（57℃）。
当氯乙烯开始聚合反应并释放出热量时，夹套内改通冷却水以及时移除反应热，并使反应温度控制在57±0.2℃，直至反应结束。
当釜内单体转化率达到85%以上，这时釜内聚合压力为0.5MPa，由计量泵向釜内加入一定量的终止剂，未反应的氯乙烯单体经自压回收后，当压力降至2.9Kpa时，将釜内浆料升温至
70℃左右，进行真空回收，真空度为500mmHg～550mmHg，最后浆料中的氯乙烯含量在700μg/g。
然后进入放料操作。
2.2.2汽提、干燥工序
由聚合釜排出的浆料，为降低残留在其中的氯乙烯和减少氯乙烯对环境的污染，用泵打入出料槽除去其中的大块物料，再将其送入汽提塔，在塔内与由塔底上升的蒸汽在塔板上进行逆流传质过程。
该塔为真空操作，用真空泵维持塔顶的真空度，并以此来保证塔顶的温度。
塔顶逸出的含氯乙烯气经冷凝，未凝的氯乙烯含氧量在1%以下时，经真空泵送至氯乙烯气柜备用。
塔釜之浆料含氯乙烯约400μg/g，经热交换器冷却后进入混料槽，再送往离心机进行离心分离。
离心分离后PVC滤饼含水量为23%～27%，经滤饼分散器机械分散并均匀地加入干燥器中进行干燥。
干燥器内带有内加热和内冷却。
第1～5室为干燥室，用热水盘管和热风干燥，第6室为冷却室。
干燥后的氯乙烯树脂含水量为0.3%～0.4%。
经过筛除去大颗粒，再由气流输送至贮料仓，最后由包装单元进行包装。
[12]
2.2.3VC回收工序
VC回收工序包括VC气体回收至气柜、VC气体压缩、精馏等部分。
自压回收的氯乙烯，经VC气体洗涤塔以除去气体飞沫中夹带的PVC，然后经气体冷却器进入气柜，真空回收的VCM，用回收风机抽至气柜。
由气柜出来的VC气体送至脱湿塔，用5℃的冷冻盐水进一步冷凝，两个冷凝器所冷凝的VC送至精馏塔进行精馏，所得的精氯乙烯经过滤后，按比例送入氯乙烯计量槽与新鲜氯乙烯混合供聚合使用，未凝的气体送至焚烧炉处理，塔釜的高沸物排放至塔底液罐中，加热以进一步回收部分氯乙烯。
图2-1聚氯乙烯生产工艺流程
第3章物料衡算
3.1车间物料衡算
3.1.1主要工艺参数
①产品类型：
选用疏松型。
②聚合反应时间：
5h
③聚合温度：
57OC
④操作周期：
9h
3.1.2生产任务的计算
年产3000吨聚氯乙烯，以300个工作日计，每年工作8000小时，假设各单元操作都连续进行，采用倒推法根据收率或损失率计算出原料投料，然后按单元操作顺序对各单元操作进行物料衡算。
聚氯乙烯小时生产量（8000h）计：
8000×0.998÷0.96×100÷08000=72.3287（kg/h）（以1小时为计算基准，以下计算中不再写h_1）
聚合物转化率为83%
83%x=72.3287
x=86.9864（kg）即每小时要生产纯VCM86.9864kg
产物气冷凝，精馏等收率为96.6%
进入精馏系统的VCM的量：
86.9864÷96.6%=90.1267（kg）
90.1267÷62.5=1.44（kmol）
表2-1乙烯悬浮聚合操作周期
工序
设计值/min
1、水相加料
30
2、抽真空
15
3、加VCM
15
4、加热到570C
30
5、恒温聚合时间
300
6、回收单体
60
7、出料
30
8、清釡
60
聚合周期
540（9h）
3.1.3投入单体的计算
投入单体的计算：
投料系数为0.80、釡的体积为20m3、在20摄氏度时，ρVCM=911kg/m3ρH2O=997.7kg/m3设每次投入单体的质量为X则X/911+1.8X/997.7=20×0.80
以20m3釡为例，每次投入单体5513.7kg。
因转化率为90%,则反应得到树脂G1=5513.7×90%=4962.4kg,回收时损失的VCM为0.25%
则G2=4962.4×0.25%=12.4kg
放空时损失为0.51%，则G3=4962.4×0.51%=25.3kg
浆料损失为0.05%，则G4=4962.4×0.05%=2.5kg
汽提损失为0.1%，则G5=4962.4×0.1%=0.5kg
离心干燥损失为0.38%，则G6=4962.4×0.38%=18.9kg
精馏时损失为3.5%，则G7=4962.4×3.5%=173.7kg
包装时损失为0.21%，则G8=4962.4×0.21%=10.4kg
反应前物料G=5513.7kg，根据物料平衡原理：
G=G1+G2+···+G9
=4962.4+12.4+25.3+2.5+0.5+18.9+173.7+10.4+307.6=5513.7kg
3.2聚合釜的物料衡算
3.2.1釡数及投料系数的台数的确定
因为每台釡年平均要工作8000小时，而每生产一次的周期为9小时，年投料量（VCM）为
吨，每釡的出料量为
吨，选择投料系数为0.8，先用80m3的标准釡，VVCM=
×1000/837=
m3
V水=1.8×
×1000/997.7=
m3
所需要釡的台数为（
+
）/（80×0.8×（8000/9））=
台，取整数为3台。
调整后的投料系数为0.63
实际的投料系数计算：
（
+
）/（80×3×800）=
可取0.63
每个釡所需的VCM的体积为：
/（3×（8000/9））=
m3
每釡所需的水的体积为：
/（3×（8000/9））=
m3
根据表1-2原料的配方得
表3-2原料配方
原料
VCM
水
引发剂
分散剂
其他助剂
重量，kg
5513.7
9924.6
220.548
441.096
适量
3.2.2聚合釜的生产计算
以20m3釡生产为例，分述如下：
（1）投料投料温度为20℃，单体4.53m3，水6.97m3，
投料体积4.53+6.97=11.5m3；
空余（气相）体积=20-11.5=8.5m3
（2）升温升温到期60℃，单体重度d依温度t变化
d=0.9471-0.001746t-0.00000324t2
得：
20℃时d=0.910；57℃时d=0.83
单体在57℃时体积增加到：
4.53×0.91/0.83=4.97m3
物料总体积：
4.97+6.97=11.94m3
空余（气相）体积：
20-11.94=8.06m3
（3）反应结束：
转化率为90%，树脂真实密度为1.4kg/m3
则此时树脂体积：
4.53×90%×0.83/1.4=2.417m3
未聚合单体体积：
4.53×0.1=0.453m3
物料总体积：
6.97+2.417+0.453=9.840m3
空余（气相）体积：
20-9.840=10.160m3
表3-3物料衡算汇总表
损失
损失率/%
损失前的重量/t
筛分
0.21
3006.3
干燥
0.13
3010.2
离心
0.25
3017.7
混料
0.01
3018.0
汽提
0.1
3021.0
出料
0.001
3021.3
聚合
0.79
3045.2
第4章热量衡算
4.1聚合釜热量衡算
4.1.1参数设定
QT——设备或系统内物料与外界交换热量之和（传入热量为正，传出热量为负），KJ；
Q1——由于物料温度变化，系统与外界交换的热量（升温为正，降温为负），KJ；
Q2——由于物料发生各种变化，系统与外界的交换的热量（吸热为正，放热为负），KJ；
Q3——由于设备温度改变，系统与外界交换的热量（设备升温为正，设备降温为负），KJ；
Q4——设备向外界环境散失的热量（操作温度高于环境温度为正，操作温度低于环境温度为负），KJ。
根据热量守恒定律，得QT=Q1＋Q2＋Q3＋Q4
其中
Q1=
Q2=W∆Hr∆x/M
Q3=ΣWiCPi∆Tm
Q4=3.6×ΣAiαi（Ti－T0）×t
固体和液体热容可以采用柯普定律[5]计算
C（KJ/Kg.℃）=4.184×Ca×n/M
式中Ca——基团的比热容，KJ/（Kg.℃）
n——分子中同一元素的原子数
M——化合物的分子量，Kg/Kmol
单体的热容可以采用Missenard法基团贡献值[6]计算
表4-1Missenard法基团贡献值
基团
—CH3
—CH—
—O—
O=C—O
—C=O
贡献J/mol·K
9.55
5.7
7.0
13.8
10.2
则IPP的比热为：
C1=4.184×（9.55×4+5.7×2+7.0+13.8×2+10.2×2）/206.19=2.12KJ/（Kg.℃）
经查有关资料知：
氯乙烯的比热为：
C3=1.59KJ/（Kg.℃）
水的比热为：
C4=4.18KJ/（Kg.℃）
聚乙烯醇比热为：
C5=1.67KJ/（Kg.℃）
聚氯乙烯的比热为：
C6=0.9675KJ/（Kg.℃）
表4-2物料比热表（KJ/（Kg.℃））
物料种类
比热KJ/（Kg.℃）
IPP
2.12
氯乙烯
1.59
水
4.18
聚乙烯醇
1.67
聚氯乙烯
0.9675
氯乙烯的聚合热为：
95.88KJ/mol=1534KJ/kg
4.1.2混合热和搅拌热的考虑
由于溶质的量很少，混合热可忽略不计。
搅拌设备中的物料为低黏度流体，搅拌热也可忽略不计。
4.2回流冷凝器热负荷的考虑
由于反应中严格控制反应温度恒定，冷凝器中的回流量极少，所以对冷凝器热负荷不予考虑。
4.3物料带入聚合釜的热量
以0℃的一批物料为基准，设进料温度为20℃，则物料带入聚合釜的热量为：
Q1=2.12×31.3128×20+1.59×104375.957×20+4.18×146126.34×20+1.67×22.9627×20
=1.5537×107KJ
4.4聚合反应放出的热量
以一批物料为基准，则聚合反应放出的热量为：
Q2=24.64×86632.0443=2.135×106KJ
4.5物料带出聚合釜的热量
以一批物料0℃为基准，物料流出的温度为60℃，则物料升温所需要的热量为：
Q3=（2.12×31.3+0.9675×86632.0443+4.18×146126.34+1.67×22.9627+1.59×17743.9127）×（60-0）=4.34×107KJ
4.6反应过程需要加入的热量
根据热量衡算进入系统的热量=出系统的热量，则反应过程所需加入的热量为（设热损失为10%）：
∆Q=（Q3+Q2-Q1）/（1-10%）=（4.34×107+2.135×106-1.5537×107）/90%=3.318×107kJ
4.7加热水的用量:
根据式:
Q=mCPΔT得
m=Q/CPΔT
热水进口温度为99℃,出口温度为60℃。
水CP=4.22kJ/kg.K
m=3.318×107/4.22×39
=2.02×105kg
4.8冷却水的用量：
根据式:
Q=mCPΔT得
m=Q/CPΔT
冷却水进口温度为29℃,出口温度为26℃。
水CP=4.22kJ/kg.K
m=2.14×106/4.22×3
=1.69×105kg
表4-3整套装置的热量衡算表：
传入热量（×105KJ）
传出热量（×105KJ）
物料带入聚合釜的热量Q1
155
聚合反应放出的热量Q2
19.6
物料带出的热量Q3
434
反应过程需要加入的热量Q4
331.778
损失热量Q5
33.1778
Σ
486.778
486.778
加热水用量
冷却水用量
2.02kg
1.69kg
4.9传热面积
①最高热负荷Qmax
Qmax=330GR/t
57℃时T1/2（EHP）=2h查表得热负荷分布指数R=1.4
Qmax=330×52.5×1000×1.05×1.4/4.5=7835.7KW
②平均温差Δt
Δt=（47-17）/In（47/17）=30℃
③总传热面积F
F=Q/KΔt=7835.7×1000/（200×30）=1305.95m2
表4-4热量衡算汇总表
物料带入热量Q1/（KJ/h）
1.03×105
聚合热Q2水/（KJ/h）
5.3×106
搅拌热△H/（KJ/h）
586800
物料升温吸热Q3/（KJ/h）
1.64×105
物料带出热Q4/（KJ/h）
3.4×105
釜表面散热Q
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