年产72万吨PVC聚合工段工艺初步设计毕业设计文档格式.docx
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2012年中国PVC行业的扩能统计数量在498万吨，而且上半年全部是电石法PVC的扩能投产，预计能力为284万吨。
2012年国内PVC新增项目的投产还是集中在陕西、新疆等资源禀赋较强的省份。
本次设计是关于年产7.2万吨聚氯乙烯聚合工段工艺初步设计，其中包括：
概述部分；
PVC工艺流程的确定；
工艺相关计算；
主要设备选型与计算；
技术经济；
环境保护等。
经比较后，本设计采用悬浮聚合法。
本设计是参照株洲化工集团PVC厂生产资料为基础，查阅化工设计手册等设计资料做参考，按毕业设计大纲和设计任务书的要求进行设计，附带有三张设计图纸，包括一张主要设备装配图；
一张带控制点工艺流程图；
一张车间平面布置图。
本设计是在书本理论知识的基础上，结合株洲化工厂的生产实际，参考各种专业文献资料，了解生产工艺流程，进行物料衡算、热量衡算、设备设计和选型等设计。
但由于时间和作者能力有限，数据可能不够精准，资料收集不够全面等原因，本次设计难免出现疏漏甚至时错误，恳请老师原谅以及给予批评指正。
第二章PVC的概况
2.1PVC性质
PVC概念：
聚氯乙烯（PolyvinylChloride，简称PVC）是一种无毒、无臭的白色粉末。
它的化学稳定性极高，有良好的可塑性。
除少数有机溶剂以外，常温下可耐20%以下的烧碱、50～60%的硝酸、90%以下的硫酸和任何浓度的盐酸，对于盐类也相当稳定。
PVC的耐光性和热稳定性较差，在140℃以上就可开始分解并放出氯化氢（HCl）气体，以致PVC变色。
PVC的电绝缘性极其好，一般不会发生燃烧，在火焰上能燃烧并放出HCl，但离开火焰就会自熄,是一种“自熄性”和“难燃性”物质。
PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、辅助加工剂、润滑剂、抗冲击剂、色料、及其它添加剂。
具有不易燃性、高强度、优良的几何稳定性以及耐气侯变化性的性质。
PVC对还原剂、氧化剂和强酸都有很强的抵抗力。
然而它能够被浓氧化酸如浓硝酸、浓硫酸所腐蚀并且也不适用与氯化烃、芳香烃接触的场合。
工业聚氯乙烯树脂主要结构是非晶态的，却也含有一些结晶区域（大约5%），因此PVC没有明显的溶点，约在80℃左右就开始软化，热扭变温度为（在1.82MPa负荷下）70~71℃，在加压下150℃便开始流动，并且开始慢慢释放氯化氢气体，致使聚氯乙烯开始变色（由黄变棕、红、甚至黑色）。
工业上聚氯乙烯重为相对分子质量在4.8~4.8万范围内，相应的数均相对分子质量为2~1.95万左右。
而绝大多数工业树脂的重为相对分子质量在10~20万范围内，数均相对分子质量在4.55~6.4万左右。
硬质聚氯乙烯（未加增塑剂的）具有极好的机械强度、耐燃性与耐候性，能单独用于做结构材料，广泛应用于化工上制造板材、注塑制品和管道。
2.2PVC行业发展历程
第一、工业化萌芽阶段
1835年，法国化学家雷诺（VRegnault）首先发现了氯乙烯（VCM），3年后他又观察到了PVC树脂，1842年包曼（Baumann）通过研究确定它了的密度和基本结构式。
雷诺在实验室采用碱皂法制取了氯乙烯，就是把1，2-二氯乙烷与芳性钾酒精溶液混合，静置4天后，加热进行反应。
在这之后人们的大量研究改进，都不适用于工业化生产。
最简单的工业生产方法则是1912年德国化学家克拉特（FKLatte）发明的，就是从电石制得乙炔，乙炔在高温和催化剂作用下与氯化氢加成反应，实现了规模化生产。
这在PVC树脂工业发展史上意义极其重大。
30年后由于乙炔生产的高能耗和高成本，而逐渐被淘汰掉。
1940年以后，工业上开始以廉价的乙烯为原料，由乙烯直接氧化制二氯乙烷，在加以热裂解后得到氯乙烯，其副产品乙炔和氯化氢反应制氯乙烯，这就是早期的混合法和联合法。
1872年一个叫包曼的科学家开始详细研究发现了PVC树脂。
古老的聚合方法是采用热压聚合和光聚合。
在二十世纪的一、二十年代里，研究工作很活跃。
在改进热压聚合方法的基础之上出现了溶液聚合、引发聚合、悬浮聚合、乳液聚合、连续乳液聚合、和特种聚合等多种方法。
其中乳液聚合方法生产比较容易控制，聚合速度较快，能得到比较均一的长链聚合物。
1931年小规模工业生产首先在德国本公司实现，而德国大多数工厂均采用是乳液聚合法。
1933年美国碳化学公司采用的则是溶液聚合法建立小型的工厂。
PVC树脂被发现的100年间，只不过是艺术珍品而已。
PVC树脂发展的真正转机则是氯乙烯/乙酸乙烯共聚物和增塑PVC树脂出现。
1928年美国联合碳化物公司把乙酸乙烯与氯乙烯共聚使其具有内增塑性质而更容易被加工。
可以用作为硬模塑制品和真漆。
1932年美国古德里奇公司（B.F.gooDRIch）研究一种用于粘接橡胶与金属罐的新粘胶剂的时候，偶然发现增塑了的PVC树脂富有柔软和富有弹性的“橡胶状”性质，并且耐强碱、强酸腐蚀、制成为弹性高尔夫球和PVC氯苯溶液，后者可制造钳套、鞋跟、雨靴、电线护套、电器绝缘套、帐篷、地板、胶管及金属罐衬里等。
1937年英国的ICI公司采用磷酸脂类增塑PVC制得类似橡胶的物质，成功的替代当时极其短缺的橡胶。
用于电线的绝缘层。
这时PVC才作为有用的高分子材料而进行大量生产。
第二、量的增长阶段
溶液聚合和乳液聚合是PVC树脂早期工业化阶段主要生产方法，主要用途是替代橡胶制作成涂层、涂布制品、片材、包装容器、棒材等柔性材料。
但是乳液树脂杂质含量较多、生产成本较高、性能也很差，限定了其应用范围。
1941年美国B·
F·
GooDRIch公司悬浮聚合生产PVC树脂，质量很好，特别是电绝缘性、机械强度和耐腐蚀等性能明显要优于乳液聚合法树脂，在耐燃性、耐磨性等方面优于橡胶，因而在电线电缆及铺地材料等方面获得大量的应用，消费量高速增加。
并且悬浮法比乳液法操作要简单，助剂用量较少，产品纯度较高，能耗极其少、成本比较低，因而能迅速被世界各国采用。
世界PVC树脂生产量在50年代以后才迅速增长，原因如下：
（1）单体原料路线转换
60年代以前，世界各国都采用电石乙炔法制氯乙烯单体。
后来电价格提高，而石油价格相对便宜。
每桶石油仅需两三美元,乙烯价格不到电石乙炔的三分之一，于是就开始采用石油乙烯作为氯乙烯单体的原料，由乙烯氯化制得二氯乙烷。
1962年二氯乙烷裂解制氯乙烯与乙烯氧氯化制二氯乙烷的平衡工艺被美国B·
Goodrich公司开发。
其生产装置规模较大，成本相对低，单体纯度比较高，世界各国纷纷采用。
于是开始了世界性的原料路线转换。
美国在1969年完成了原料路线的转换。
日本自1965年开始，引进美国STauffer（固定床氧氯化法）技术与Goodrich（沸腾床氧氯化法）的技术，并自己开发了石脑油裂解烯炔法（吴羽化学公司）与乙烯氧氯化制二氯乙烷，到了1971年美国也基本上淘汰了电石乙炔法，只有电、煤、水与石灰石资源非常丰富的电器化学公司青海工厂将5万吨/年电石乙炔法装置进行了保留。
原料路线转换后，生产成本下降了26%，电耗降低了90%，生产规模扩大了，树脂产量急速上升。
其他国家也大致如此，单体原料路线转换，促使PVC进入了新的历史发展阶段。
（2）聚合方法的改进
自40年代悬浮聚合法替代了溶液聚合法和乳液聚合成为主流生产方法以后，五六十年代悬浮聚合工艺又有了进一步完善，特别是聚合后的处理，干燥，包装，贮运的密闭化，减少了尘埃。
大大提高了产品质量。
同时。
乳液聚合方法也有了改进。
1966年法国RhonePoulenc公司开创了微悬浮聚合法，其所制备的糊树脂质量更好，其生产效率更高。
这两种方法生产的产品各有特别的用途，因此取代了经典的乳液法成为糊树脂的两种主要生产方法。
1956年法国开发的本体聚合法可以制造杂质更少、更加透明、电气性能和加工性能更好的树脂，促使PVC树脂应用领域扩大。
（3）PVC硬制品加工与应用技术有新发展
在五六十年代树脂质量有所提高的同时，出现了硬质制品成型加工的新型热稳定剂和挤出机，促进了硬制品的加工与应用。
特别是在建筑和电子领域打开了应用。
一、技术进步阶段
正当世界PVC产量迅速增长之时，VCM致癌性问题几乎危及PVC行业的存亡。
经查明，VCM自身虽没有致癌性，但在体内新陈代谢条件下会转化为致癌成分，是否致癌要在一定的浓度范围内。
于是各国纷纷建立法规限制PVC中残留单体含量和PVC生产区域的VCM含量。
PVC厂商花费大量投资研究对策和改造生产环境。
例如美国大约投入了1.8亿美元，日常操作费用也增加了700多万美元。
推出了减轻粘釜，密闭化操作，高压水自动清釜，生产环境强化通风、大气中VC浓度自动监测报警，聚合釜大型化和自动控制，浆料和废水汽提，连续沉降离心分离，物料输送机械化、密闭化等一系列技术措施。
VCM毒性问题出现虽然影响了当年PVC的产量（当年全世界PVC减产12%，美国、日本减产20%），提高了PVC的生产成本，但是也促进了PVC行业的技术进步。
这些技术一直运用至今。
这一时期，PVC悬浮聚合和连续乳液聚合方法的生产技术日趋完善。
在加工应用方面，为避开用于包装材料的PVC增塑剂迁移和VCM毒性问题，PVC厂商把产品市场转向硬质制品。
恰遇70年代建筑市场兴旺，新建房屋和旧房维修改造量大，传统建筑材料涨价。
而PVC建材制造简单，容易安装、重量轻，使用寿命长，不需油漆，维修费用低，抗腐蚀性好，耐燃、而且价格低，因此迅速进入了建材市场，美国PVC建材占PVC总消费量的66%以上。
二、高性能化和高效化发展阶段
80年代，西方国家出现了二次世界范围的经济萧条，严重冲击了建筑业，因而造成了PVC产品的滞销、产量下降。
同时，石油危机使油价从70年代以前是2—3美元/桶上涨到1982年的35美元/桶。
PVC生产成本的提高使的一些企业亏损倒闭。
面对这种困境，PVC厂商们采取多方面的措施，向组织机构调整要效益，向节能降耗管理要效益，向产品结构要效益。
使世界PVC年增长率继续保持在5%的发展速率。
而进入21世纪，油价除了在2001年走低过，之后价格一路飙升，在今年更是创纪录超过了70美元/桶。
油价高企显然提高了PVC制造成本，PVC行业全球整合在所难免，譬如日本早在2002-2003年就开始关停和合并了部分PVC企业，韩国同样如此。
2.3中国PVC的使用
中国PVC行业的发展其实并不久远，回首中国PVC行业发展的历史，我们能够很清晰的感觉到中国PVC行业格局变化，从萌芽发展的艰辛，直至随着高速发展之后仍受到外围货源的冲击，可以说此时中国PVC行业无论是电石法还是乙烯法生产工艺的生存都相当的困难，但是作为中国PVC行业，乙烯法生产工艺占据主导地位的格局仍未改变，而2003年反倾销的最终裁决改变了这一状况，反倾销的出现不仅仅改变了世界PVC行业格局，也改变了中国PVC行业的格局，电石法生产工艺在反倾销下其优势逐步显现，而乙烯法生产工艺不仅受来自外围影响自身高成本的影响，同时还受到国内电石法生产工艺低成本的冲击，成本的双重压力，让中国的乙烯法PVC略势逐步严峻，而电石法PVC优势日渐明显，从而出现了电石法PVC行业一个高速发展时代的形成，目前中国PVC行业的格局已从乙烯法PVC占据主导转变成为电石法PVC占据主导地位，而需求也从供不应求转向供过于求，直至严重供过于求。
2.3.1PVC异型材
型材、异型材是我国PVC消费量最大的领域，约占PVC总消费量的25%左右，主要用于制作门窗和节能材料，目前其应用量在全国范围内仍有较大幅度增长。
在发达国家，塑料门窗的市场占有率也是高居首位，例如德国为50%，法国为56%，美国为45%。
2.3.2PVC管材
在众多的PVC制品中，PVC管道是其第二大消费领域，约占其消费量的20%左右，在我国，PVC管较PE管和PP管开发早。
品种多，性能优良，使用范围广，在市场上占有重要位置。
2.3.3PVC膜
PVC膜领域对PVC的消费位居第三，约占10%左右。
PVC与添加剂混合、塑化后，利用三辊货四辊压延机制成规定厚度的透明的或者着色的薄膜，用这种方法加工薄膜，成为压延薄膜。
也可以通过剪裁。
热合加工包装袋、窗帘、雨衣、桌布窗帘、充气玩具等。
宽幅的透明薄膜可以用于塑料大棚、温室及地膜等。
经双向拉伸的薄膜，所受热收缩的特性，可供收缩包装之用。
2.3.4PVC一般软制品
利用挤出机可以继承软管、电线、电缆等，利用注射成型机和各种模具，可制成塑料凉鞋、拖鞋、鞋底、汽车配件、玩具等。
2.3.5PVC硬材和板材
PVC中加入填充料、稳定剂和润滑剂，经混炼后，用挤出机能挤出各种不同口径的硬管、波纹管及异型管，用作下水管、电线套管、引水管或者楼梯扶手。
将压延好的薄皮重叠热压，可制成各种厚度的硬质板材。
板材可以切割成所需的各种形状，然后利用PVC焊条用热空气焊接成各种耐化学腐蚀容器及风道等。
2.3.6PVC包装材料
PVC制品用于包装主要为各种薄膜、容器及硬片。
PVC容器主要生产饮料、矿泉水和化妆品瓶，也用于精制油的包装。
PVC膜与其他聚合物一起共挤出生产成本及其低的层压制品，以及具有较好阻隔性的透明制品。
PVC膜也看用于拉伸货热收缩包装，用于包装玩具、布匹、床垫与工业商品。
2.3.7PVC护墙板和地板
PVC护墙板主要用来取代铝制护墙板。
PVC地板砖中除一部分PVC树脂外，其余组分是回收料、填充料、粘合剂及其他组分，主要应用在机场候机楼地面和其他公共场所的坚硬地面。
2.3.8PVC日用消费品
行李包是PVC加工制作而成的传统产品，PVC被用来制作各种仿皮革，用于行李包，运动制品，如足球、篮球和橄榄球等。
还可用于制作专用保护设备的皮带和制服。
服装用PVC织物是吸附性织物，如各种雨靴、雨披、放皮夹克和婴儿裤。
PVC用于许多体育娱乐品，如唱片、玩具和体育运动用品，目前PVC玩具增长幅度大，由于PVC玩具和体育用品生产成本较低，易于成型而占有很大优势。
2.4中国PVC市场发展分析
2.4.1中国PVC产量
2005年全国PVC产能为972万吨,2006年产能近1200万吨，增幅达23.4%，2012年中国共有PVC树脂企业127家，其中产能高于20万吨/年的企业比比皆是，中国PVC产能达到1340万吨/年，成为世界第一大PVC生产国和第一大消费国。
图2.12007-2012年中国PVC产能，万吨
2.4.2中国PVC产量趋势
在2007年到2012年间，增长9.75%，2012年PVC产量达到1340万吨，同比去年增长3.24%。
图2.22007-2012年中国PVC产量趋势，%
2.5世界PVC行业的消费情况
据统计，2007年我国PVC表观消费量为1027万吨，产量972万吨。
但是2008年因受国内房地产不景气和国际“金融危机”的影响，国内PVC的消费出现了明显的下滑，2008年，我国PVC表观消费量下降为902万吨，出现了-12.85%的下滑。
2012年我国PVC表观消费量为1323.1万吨。
。
图2.32007-2012年中国PVC消费量，万吨
图2.42007-2012年中国消费量趋势，%
2.6中国PVC进出口总量分析
自2003年开始由于我国开始对原产自美国、日本、韩国、俄罗斯、台湾的PVC实施反倾销后，中国进口PVC的总量逐年降低，而且由于2008年世界性金融危机的爆发，中国那一年进口PVC的总量出最低值。
而在金融危机过后，国内经济逐渐恢复，垄断中国PVC市场的电石法PVC价格也逐渐回升，其价格逐渐逼近进口料的价格，因而进口料的性价比再度上升，2009年后中国PVC的进口量回升。
另一方面，中国PVC的出口量仅在2007年、2008年出现高峰，但因为中国乙烯法PVC的生产工艺和质量仍不及进口PVC，因而2009年、2010年出口量再度回落。
特别是2011年在后金融危机的影响下，欧债、美债等等诸多问题集中浮出水面，从而导致2011年整体进出口形势都相当不乐观，而下半年尤为严峻。
2.7目前我国PVC行业面临的问题与任务
氯碱工业作为国民经济的基础产业，具有较高的经济延伸价值，其发展速度与国民经济的发展息息相关。
近几年来，随着国家宏观经济持续高增长，国内聚氯乙烯加工业的发展比聚氯乙烯树脂的发展更快，对聚氯乙烯树脂的需求大幅增加。
2004年以来，受氯碱行业高额利润的吸引，越来越多的氯碱项目新建扩建，产能的迅速扩张和外部环境的不断变化，使得行业内的问题逐步凸显：
（1）产能过剩愈演愈烈，市场陷入恶性循环近几年国内PVC市场转入产能过剩状态。
目前国内PVC货源质量依然不能完全和进口料货源相抗衡外，再有就是引出了国内PVC行业最大的一个弊端之一——行业竞争激烈导致企业盈利水平下降，盈利水平下降引发装置负荷过低。
（2）进口量逐步递减，出口量稳步上升随着我国PVC产量的逐年上升，国内市场的PVC的自给率不断提高，而且国内PVC的生产工艺也日臻成熟，多数已经满足国内制品的需求，除部分高端制品仍需进口料外，国内电石法PVC凭借其成本优势逐渐占领PVC市场。
随着国产量的增长，我国的PVC进口量自然会逐年下降。
同时，近几年随国内PVC产能的不断增加，在满足国内需求的同时，有着成本优势的国内PVC在近几年的出口数量上呈上升趋势。
（3）PVC进出口贸易形势悄然发生变化近几年我国PVC出口的主要国家集中在俄罗斯、埃及和印度等地，排名上并没有发生较大调整。
然而从进口来源排名来看，日本和台湾等地因为货源需缴纳反倾销税，进口数量比例大幅缩减；
泰国、印尼和美国、德国等东南亚和欧洲等地货源所占比例逐步增加。
2.8聚氯乙烯的包装贮运方法
（1）PVC树脂可采用内衬塑料薄膜的纸袋、布袋、人造革袋或聚丙烯编织袋包装。
袋的封口应保证产品在运输贮存时不被污染。
包装袋要能防尘、防潮。
每袋净重25Kg。
（2）包装袋上应注明商标、产品名称、净重、型号、批号、产品等级和生产厂名。
产品型号标志要醒目。
（3）树脂应放存放在干燥、通风良好的仓库内，应以批为单位分开存放。
防止批条混杂。
不得露天堆放、防止阳光照射。
（4）运输时必须使用洁净、有蓬的运输工具，防止雨淋。
第三章聚氯乙烯的工业生产
3.1产品及原料简述
3.1.1产品性质
（1）名称悬浮法聚氯乙烯树脂简称PVC（PolyinyChloride）
（2）分子量30000~100000
3.1.2产品性能
（1）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。
（2）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。
（3）燃烧性能
PVC在火焰上能燃烧，并降解释放出HCl、CO和苯等低分子量的化合物，离火便自熄。
（4）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。
（5）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。
（6）化学稳定性
在酸，碱和盐类溶液中较稳定。
（7）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。
（8）机械性能
聚氯乙烯抗冲击强度较高，常温常压下可达10MPa。
3.1.3产品质量标准
PVC生产中所需主要原料的规格如表3.1所示:
表3.1PVC产品质量标准
项目名称及单位
A-2型
A-3型
A-4型
A-5型
挥发分（1%）≤
0.2
0.2
42目筛余e≤
0.5
0.5
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