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
Documentserialnumber【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】
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
产品性质及质量标准
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
产品性能
典型的物理性质
外观﹕白色粉末密度﹕—1.45g/cm3表观密度﹕—0.65g/cm3
比热容﹕—（g.℃）
热导率﹕（）
颗粒大小﹕悬浮聚合60-150μm本体聚合﹕30—80μm糊树脂﹕μm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]
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）
正交晶系，每个晶胞两个单体
abc
83
7×10-3
×10-4
20
单体氯乙烯（VCM）的性质
纯度﹕≥%（wt）
HCL含量﹕≤1ppm（wt）
铁含量﹕≤1ppm（wt）
水含量﹕≤60ppm（wt）
醛含量﹕≤ppm（wt）
压力为，温度为常温。
VCM主要性质
氯乙烯分子式为C2H3Cl，分子量，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（）为-139℃，熔点为-159.7℃。
聚合放热量1554KJ/，聚合时的体积收缩率为35%。
导热系数﹕（㎡.）。
液体导热系数：
（20℃）（㎡.）。
[1]
表1-2VCM物理性质
温度
℃
密度
kg/m3
比热容
KJ/（kg.℃）
20
50
57
837
70
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/
普兰德数
Pr
10
30
40
57
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
100
软水
200
聚乙烯醇
IPP（引发剂）
×10-3
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
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~，当转化率达到70%左右开始降压，在压力降至~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%~%，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。
聚氯乙烯生产工艺流程操作步骤
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MPa，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Kpa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。
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%～%。
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]
VC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
车间物料衡算
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
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×÷×100÷08000=（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=
x=（kg）即每小时要生产纯VCM
产物气冷凝，精馏等收率为%
进入精馏系统的VCM的量：
÷%=（kg）
÷=（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）
投入单体的计算
投入单体的计算：
投料系数为、釡的体积为20m3、在20摄氏度时，ρVCM=911kg/m3ρH2O=m3设每次投入单体的质量为X则X/911+=20×
以20m3釡为例，每次投入单体。
因转化率为90%,则反应得到树脂G1=×90%=,回收时损失的VCM为%
则G2=×%=
放空时损失为%，则G3=×%=
浆料损失为%，则G4=×%=
汽提损失为%，则G5=×%=
离心干燥损失为%，则G6=×%=
精馏时损失为%，则G7=×%=
包装时损失为%，则G8=×%=
反应前物料G=，根据物料平衡原理：
G=G1+G2+···+G9
=++++++++=
聚合釜的物料衡算
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，先用80m3的标准釡，VVCM=×1000/837=m3
V水=××1000/=m3
所需要釡的台数为（+/（80××（8000/9））=台，取整数为3台。
调整后的投料系数为
实际的投料系数计算：
（+/（80×3×800）=可取
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
适量
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，水，
投料体积+=；
空余（气相）体积==
（2）升温升温到期60℃，单体重度d依温度t变化
d=得：
20℃时d=；57℃时d=
单体在57℃时体积增加到：
×=
物料总体积：
+=m3
空余（气相）体积：
20-=
（3）反应结束：
转化率为90%，树脂真实密度为kg/m3
则此时树脂体积：
×90%×=
未聚合单体体积：
×=
物料总体积：
++=
空余（气相）体积：
=
表3-3物料衡算汇总表
损失
损失率/%
损失前的重量/t
筛分
干燥
离心
混料
汽提
出料
聚合
第4章热量衡算
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=WHrx/M
Q3=ΣWiCPiTm
Q4=×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.℃）=×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
则IPP的比热为：
C1=×（×4+×2++×2+×2）/=KJ/（Kg.℃）
经查有关资料知：
氯乙烯的比热为：
C3=（Kg.℃）
水的比热为：
C4=KJ/（Kg.℃）
聚乙烯醇比热为：
C5=KJ/（Kg.℃）
聚氯乙烯的比热为：
C6=KJ/（Kg.℃）
表4-2物料比热表（KJ/（Kg.℃））
物料种类
比热KJ/（Kg.℃）
IPP
氯乙烯
水
聚乙烯醇
聚氯乙烯
氯乙烯的聚合热为：
mol=1534KJ/kg
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。
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。
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=××20+××20+××20+××20
=×107KJ
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=×=×106KJ
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=（×+×+×+×+×）×（60-0）=×107KJ
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%）=（×107+××107）/90%=×107kJ
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=
m=×107/×39
=×105kg
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=
m=×106/×3
=×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
物料带出的热量Q3
434
反应过程需要加入的热量Q4
损失热量Q5
Σ
加热水用量
冷却水用量
2.02kg
1.69kg
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=
Qmax=330××1000××=
②平均温差Δt
Δt=（47-17）/In（47/17）=30℃
③总传热面积F
F=Q/KΔt=×1000/（200×30）=
表4-4热量衡算汇总表
物料带入热量Q1/（KJ/h）
×105
聚合热Q2水/（KJ/h）
×106
搅拌热△H/（KJ/h）
586800
物料升温吸热Q3/（KJ/h）
×105
物料带出热Q4/（KJ/h）
×105
釜表面散热Q5/（KJ/h）
×106
冷却水带走热Q6/（KJ/h）
×106
循环水用量W/（KJ/h）
×104
第5章设备工艺设计
聚合釜的设计
生产周期或生产批数
2P·d-1
根据年产量确定每批进料量
W=250556.5725kg/P
选择反应器装料系数
φ=VR/VT[7]（φ取）
VR——反应液体积，m3
VT——反应器实际体积，m3
计算反应器体积
氯乙烯密度[12]ρ1=×103kg/m3
过氧化二碳酸二异丙酯密度[12]ρ2=×103kg/m3
聚乙烯醇密度[12]ρ3=×103kg/m3
水密度[12]ρ4=×103kg/m3
算得ρm=×103kg/m3
ρm——反应液混合密度，kg·m-3
VR=W/ρm=×103=266.748m3
VT==313.821m3
VTi=VT/nT
VTi=10=31.38m3
取聚合釜VN=32m3
取D=2650mm，则直边高H=5000mm
每一米圆筒容积Vt=32/5=6.4m3
釜体实际高度H1=H+2×D/4=5+2×4=6.4m
聚合釜壁厚的计算
由公式[15]
S=
得：
式中：
Pc—计算压力，取Pc=；Di=2650mm；ф=；设计温度为150℃
查[8]得16MnR在150℃的[σ]t=170MPa
S=×2650/（2×170×）=9.58mm
取腐蚀余量C2=1.1mm，钢板厚度负偏差C1=0.8mm，
则Sn=S+C1+C2=++=11.48mm
圆整后取Sn=12mm。
复验Sn×6%=12×=0.72mm＜0.8mm，故不能取C1=，取C1=重新计算：
Sn=S+C1+C2=++=11.38mm，圆整后取Sn=12mm。
复验，Sn×6%=12×=0.72mm＞0.7mm，故最后取C1=0.7mm。
该聚合釜体可用12mm厚的16MnR钢板制造。
因为内压要比外压大，所以按强度计算内筒的壁厚一定能满足外压稳定的要求。
因此，本设计中未做外压的设计。
汽提塔
选用穿流式（无溢流管）的筛板的汽提塔。
这种处理浆料的筛板塔，采用无溢流管式大孔径筛板，筛孔直径选用20mm，筛板有效开孔率选用11%。
为使浆料经处理后，残留单体降到400ppm以下，汽提塔内设置20块筛板保持板间距离300mm。
为保证气液接触时筛板上泡沫高度的均匀，空塔气速在1m/s，筛板孔速10m/s，物料停留时间表4~8分钟。
混料槽
采用搅拌型式的混料槽，耙齿与压缩空气组合由于转速很低，底轴瓦内采用连续式注水结构。
底部的出料小罐中，设置相对直径较大的平浆式搅拌叶，使搅拌速度达到较高值，以防止出料区因树脂沉积而堵塞。
该混合槽的主要技术参数：
转速：
8~12r/min
电机功率：
~10kW
离心机
采用三足式离心机，主要特点是对各种产品适应性较强。
即悬浮液料进入转鼓后，在离心力的作用下固液分离，是依靠多孔转鼓上的滤网滤布来实现。
采用最简单的“SS”型号的足式上部卸料离心机其特点是结构简单，电机通过三角皮带直接带动转鼓轴上的皮带轮驱动转鼓旋转，完成固液分离后停机铲出。
干燥器
选用气流干燥器，它的特点是：
1.工艺流程与设备简单，投资少。
2.生产能力连续化，干燥均匀，操作控制方便。
3.干燥速度快，能力大，很适合热敏感性的物料干燥。
4.气流干燥器是一根管线，聚氯乙烯生产的气流干燥速度，一般设计在14~21m/s之间，停留时间2秒左右。
热风可
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