年产10万吨聚氯乙烯生产工艺设计毕业设计论文.docx

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年产10万吨聚氯乙烯生产工艺设计毕业设计论文

毕业设计

设计题目年产10万吨聚氯乙烯生产工艺设计方案

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，本设计进行了年产10万吨聚氯乙烯（PVC）工艺的设计。

在查阅、参考大量文献以及对以往部分车间设计的研究学习下，进行了科学的设计以及对相关物料的衡算。

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及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，进行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及工作安全性，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，在反应确定、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，恳请批阅老师批评指正。

1总论

1.1概述

1.1.1聚氯乙烯（PVC）概述与应用范围

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（OVC）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5万～12万范围内，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，80～85℃时开始软化，130℃时转变为粘弹态，160～180℃时则开始转变为粘流态。

聚氯乙烯（PVC）有较好的机械性能，抗张强度60MPa左右，冲击强度5～10kJ/m2，有优异的介电性能但对光和热的稳定性差，在100℃以上或经长时间阳光曝晒，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，在实际应用中必须加入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－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行加工，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、电话、电视机、蓄电池等外壳或家具、玩具等。

聚氯乙烯（PVC）轻质品则可制成薄膜，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]。

1.1.2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，可进行改性，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、唱片及短纤维等。

（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（SaranB）这种共聚物耐老化，耐臭氧，机械性能好，能溶于四氢呋喃、环己酮及氯苯等有机溶剂，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75℃和压力1.2～96MPa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，是一种能多方面改进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、耐寒性及加工性。

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，使用范围不断扩大。

（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61～68%，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20～40℃，耐寒性比聚氯乙烯约低25℃，不易燃烧，耐气候、耐化学药品及耐水性均优，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）板及其制品。

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，在衬铝或搪瓷的反应釜中，于光或自由基引发下，搅拌并通入氯气，在70℃下氯化，氯化过的氯化聚氯乙烯溶液经水析、水洗、过滤、干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，在加压釜内通入氯气，于60℃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、塑化及成型加工三个步骤。

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）进行硬制品的加工。

1.1.3聚氯乙烯（PVC）生产行业现状及发展前景

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10.5％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

1.2.1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加入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加入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。

四种聚氯乙烯的基本特性见表1.2.1。

[3]

表1-1不同合成方法制得聚氯乙烯（PVC）产品特性比较

生产方法

特性

悬浮聚合法

不含金属离子，有良好的电绝缘性及热稳定性

乳液聚合法

颗粒较细，含杂质较多，电绝缘性及热稳定性不及悬浮法

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，成本高，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-紧密型；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mPa·s

平均聚合度

XS-1/XJ-1

>2.10

≥1340

XS-2/XJ-2

1.90～2.10

1110～1340

XS-3/XJ-3

1.80～1.90

980～1110

XS-4/XJ-4

1.70～1.80

850～980

XS-5/XJ-5

1.60～1.70

720～850

XS-6/XJ-6

1.50～1.60

590～720

1.3聚氯乙烯（PVC）生产方法[5]

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一般在500--20000范围内，其分子结构式如下：

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[4]。

1.3.1悬浮聚合法[6]

使单体呈微滴状悬浮分散于水相中，选用的油溶性引发剂则溶于单体中，聚合反应就在这些微滴中进行，聚合反应热及时被水吸收，为了保证这些微滴在水中呈珠状分散，需要加入悬浮稳定剂，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行的。

聚合后，物料流入单体回收罐或汽提塔内回收单体。

然后流入混合釜，水洗再离心脱水、干燥即得树脂成品。

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范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则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、杂质含量及粉末自由流动性等性能来表征。

聚合反应釜是主要设备，由钢制釜体内衬不锈钢或搪瓷制成，