年产5万吨PVC生产车间的工艺的设计.docx

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年产5万吨PVC生产车间的工艺的设计

年产5万吨PVC生产车间的工艺设计

摘要

本设计是年产5万吨聚氯乙烯（PVC）车间合成工段初步设计。

本文对聚氯乙烯的研究，生产和应用进行了详细的概述，阐述了其在化学工业中的作用和地位。

并介绍了氯乙烯的制备方法和确定了聚氯乙烯的生产工艺。

在确定聚氯乙烯生产工艺的基础上进行了物料衡算，热量衡算，设备选型和车间设计等过程。

文中还对供电、供水、采暖等方案进行了简单的阐述。

关键词：

氯乙烯，乙烯氯氧化，聚氯乙烯，悬浮聚合，反应釜选型

1.概述

1.1生产方法简介及设计方法的确定

1.1.1氯乙烯单体的制备方法的选取

氯乙烯单体可由电石乙炔法和乙烯氧氯化法制备，本工艺采用乙烯氧氯化法制备氯乙烯单体。

此方法中氧氯化部分主要采用美国古德里奇技术，直接氧化和裂解是西德赫斯特公司的技术。

全套装置由直接氧氯化单元、二氯乙烷精馏单元、二氯乙烷裂解单元、氯乙烯精馏单元、废水处理单元和残液焚烧单元组成。

1.1.2聚合方法选取

聚氯乙烯按聚合方法分四大类：

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。

本工艺设计采用悬浮发生产聚乙烯。

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[5]悬浮聚合反应机理和动力学与本体聚合相同，需要研究的式成粒机理和颗粒控制。

氯乙烯悬浮聚合过程大致如下：

将水、分散剂、其他助剂、引发剂先后加入聚合釜中，抽真空和冲氮气牌氧气，然后加单体，升温至预定温度聚合。

在聚合过程中温度压力保持恒定。

后期压力下降0.1-0.2MPa，相当于80-85%转化率，结束聚合，如降压过多，将使树脂致密。

聚合结束后，回收单体，出料，经后处理工序，即得聚氯乙烯树脂成品。

1.2产品的基本性能

聚氯乙烯是无定形的线型、非结晶的聚合物，基本无支链，链节排列规整。

聚合度n的数目一般为500～20000。

聚氯乙烯树脂为白色粉末，相对密度约1.4。

聚氯乙烯塑料有较高的机械强度，良好的化学稳定性。

聚氯乙烯分子中含有大量的氯，使其具有较大的极性，同时具有很好的耐燃性。

聚氯乙烯塑料有优良的耐酸碱、耐磨、耐燃烧和绝缘性能。

但是对光和热的稳定性差。

在不加热稳定剂的情况下，聚氯乙烯100℃时开始分解，130℃以上分解更快。

受热分解出氯化氢气体，使其变色，由白色→浅黄色→红色→褐色→黑色。

中的紧外线和氧会使聚氯乙烯发生光氧化分解，因而使聚氯乙烯的柔性下降，最后发脆。

同时，上述良好的力学和化学性能迅速下降。

解决的办法是在加工过程中加入稳定剂，如硬脂酸或其他脂肪酸的镉、钡、锌盐。

聚氯乙烯的抗冲击性能差,耐寒性不理想，硬质聚氯乙烯塑料的使用温度下限为-15℃，软质聚氯乙烯塑料为-30℃。

聚氯乙烯的透水汽率很低。

硬聚氯乙烯长期浸入水中的吸水率小于0.5%，浸24小时为0.05%，选用适当增塑剂的软聚氯乙烯吸水率不大于0.5%。

聚氯乙烯室温下的耐磨性超过普通橡胶。

聚氯乙烯的电性能取决于聚合物中残留物的数量和各种添加剂。

聚氯乙烯的电性能还与受热情况有关，当聚氯乙烯受热分解时，由于氯离子的存在而降低其电绝缘性。

1.3产品的应用状况

PVC树脂可以采用多种方法加工成制品，悬浮聚合的PVC树脂可以挤出成型、压延成型、注塑成型、吹塑成型、粉末成型或压塑成型。

分散型树脂或糊树脂通常只采用糊料涂布成型，用于织物的涂布和生产地板革。

糊树脂也可以用于搪塑成型、滚塑成型、蘸塑成型和热喷成型。

发达国家PVC树脂的消费结构中主要是硬制品，美国和西欧硬质品占大约2/3的比例，日本占55%；硬质品中主要是管材和型材，占大约70～80%。

PVC软制品市场大约占全部PVC市场的30%，软制品主要包括织物的压延和涂层、电线电缆、薄膜片材、地面材料等。

硬质品PVC树脂近年来增长比软制品快。

在全世界围一半以上的PVC树脂用于与建筑有关的市场，使PVC行业容易受到经济的波动影响。

建筑领域是PVC树脂增长最快的市场，在其它市场中的增长率仅为1.4%/年。

增长最快的用途是管材、板壁、和门窗等。

我国聚氯乙烯硬制品应用份额也呈增长趋势，管材、型材和瓶类所占份额由1996年25%增长到1998年的40%，但至今我国聚氯乙烯的应用还是软制品的份额较多。

1998年软制品占PVC总用量的51%（其中薄膜为20%，塑料鞋10%，电缆料5%，革制品11%，泡沫和单板等5%），硬制品占40%（其中板材16%，管材9%，异型材8%，瓶3%，其它4%），地板墙纸等占9%。

聚氯乙烯塑料一般可分为硬质和软质两大类。

硬制品加工中不添加增塑剂，而软制品则在加工时加入大量增塑剂。

聚氯乙烯本来是一种硬性塑料，它的玻璃化温度为80～85℃。

加入增塑剂以后，可使玻璃化温度降低，便于在较低的温度下加工，使分子链的柔性和可塑性增大，并可做成在常温下有弹性的软制品。

常用的增塑剂有邻苯二甲酸二辛酯、邻酯。

一般软质聚氯乙烯塑料所加增塑剂的量为聚氯乙烯的30%～70%。

聚氯乙烯在加工时添加了增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、填料之后，可加工成各种型材和制品。

⑴一般软塑料制品。

利用挤出机可以挤成软管、塑料线、电缆和电线的包皮。

利用注射成型的方法并配合各种模具，可制成塑料凉鞋、鞋底、拖鞋等。

⑵薄膜。

利用压延机可将聚氯乙烯制成规定厚度的透明或着色薄膜，用这种方法生产的薄膜称为压延薄膜。

也可以将聚氯乙烯的粒状原料利用吹塑成型机吹制成薄膜，用这种方法生产的薄膜称为吹塑薄膜。

聚氯乙烯塑料薄膜上可以印花（如印制包装装潢图案和商标等）。

薄膜的用途很大，可以通过剪裁、热合方法加工成包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。

宽幅的透明薄膜可以建造温室和塑料大棚，或者用作地膜。

⑶涂层制品。

将聚氯乙烯糊状涂料涂敷在布或纸上，然后在100℃以上将它们塑化，就可制成有衬底的人造革。

如果将聚氯乙烯软片用压延机直接压延成有一定厚度时，就制成无衬底的人造革，可压出各种花纹。

人造革用于制造皮包、皮箱、沙发和汽车的座垫、地板革以及书的封面等。

⑷泡沫塑料。

软质聚氯乙烯在混炼时加入适量的发泡剂，经发泡成型法可制成泡沫塑料，用做泡沫拖鞋、凉鞋、鞋垫、坐垫和防震缓冲的包装材料，也可以用挤出机制成低发泡硬质板材，可代替木材作为建筑材料。

⑸利用热成型法可将聚氯乙烯制成薄壁透明容器，或用于真空吸塑包装材料。

这种方法制成的片材也是优良的装饰材料。

⑹糊状制品。

将聚氯乙烯分散在液体增塑剂中，使其溶胀和塑化成增塑溶胶，再加入乳液（一种胶粘剂）、稳定剂、填料、着色剂，经过充分搅拌，脱气泡后，可配制成聚氯乙烯糊状制品，可用浸渍法、浇铸法、搪塑法涂敷在各种制品表面，起保护（防腐蚀）、美化作用。

⑺硬管和板材。

聚氯乙烯中加入稳定剂、润滑剂和填料，经过混炼之后，可用挤出机挤成各种口径的硬管、异形管、波纹管，用做下水管、引水管、电线套管或楼梯扶手。

用压延法制成的聚氯乙烯薄片经重叠热压，可制成各种厚度的硬质板材，它可以切割成所需形状，然后利用聚氯乙烯焊条用热空气流焊接成各种耐化学腐蚀的贮槽、通风管道和各种形状的容器、反应罐。

⑻门窗。

它可用硬质聚氯乙烯异形材料组装而成，已经和木门窗、钢窗、铝合金门窗共同占领了建筑市场。

1.4有关设计参数

1.生产周期300天,7800-8000h/Y

2.反应温度55

℃

3.反应时间9h

4.转化率92%

5.消耗定额VC1.015-1.064t/TPVC

6.原辅材料:

去离子水,单体氯乙烯（VCM）,分散剂KH-21（聚乙烯醇）,PH调节剂,反应调节剂（

-巯基乙醇）,引发剂（偶氮二异庚腈）,防粘釜剂,终止剂（丙酮缩氨基巯脲）,缓释阻垢剂（H-9）,碱液（42%）等。

2.物料衡算.

本工艺的配方如下（以单体质量为参考标准）：

去离子水150单体100引发剂0.04

分散剂0.08PH缓冲剂0.06终止剂0.02

反应调节剂0.0015缓蚀阻垢剂0.002消泡剂0.002

采用顺流程的计算顺序进行物料衡算，先求出VC单体的每批投料量。

该工艺为年产5万吨，开工330天，计划每天生产2批。

后处理损失为5%。

每批应生产聚合物的量=50000000/（330*2*0.95）=7.94*104Kg/B

假设引发剂（0.04%单体质量）全部结合到聚合物中，并且单体92%转化为聚合物。

则VCM单体的投料量=

Kg/B

物料流程图如下

2.1聚合釜物料衡算

进入聚合釜VCM单体M1=8.664*104Kg/B

去离子水的质量M2=1.5*M1=129970kg/B

引发剂的质量M3=0.0004M1=34.66kg/B

终止剂的质量M4=0.002M1=17.33kg/B

分散剂的质量M5=0.0008M1=69.32kg/B

PH缓冲剂用量M60.0006M1=51.99kg/B

调节剂的质量M7=0.000015M1=1.30kg/B

防粘釜剂的质量M8=0.00002M1=1.73kg/B

二次用水的质量M9=400kg/B

M1+M2+M3+…+M8=53099.47kg/B

所生成的聚合物质量：

8.664*104×92%×99%=78920kg/B

损失PVC的质量：

M损=8.664*104×92%×1%=797.13kg/B

对聚合釜作全物料衡算得：

计算结果是正确的。

计算结果整理成表得：

表1

物料名称

进料kg/B

出料kg/B

VCM

86640

6932

水

129970

130370

引发剂

34.66

终止剂

17.33

分散剂

69.32

PH缓冲剂

51.99

反应调节剂

1.30

二次用水

400

防粘釜剂

1.73

PVC

78920

损失PVC

797.13

合计

217197.79

2.2出料槽物料衡算

出料槽中损失的PVC量为M损=8.664*104×92%×1%=797.13kg/B

因此出料槽中含PVC量为78920-797.13=78120kg/B

由于出料槽中VCM含量为450ppm，过出料中VCM的量为：

78120×450×10-6=35.15kg/B

因此回收的VCM量M回1=6932-35.15=6896.85kg/B

此阶段需要加入碱液和通入蒸汽，按工艺条件加入42%NaOH溶液12升，其重量为1.45*12=17.4kg，其中含有纯NaOH7.508kg。

有工艺计算可得需要加入水蒸气量为800kg

对出料槽做总物料衡算：

可得物料衡算结果是正确的。

计算结果整理成表得：

表2

物料名称

进料kg/B

出料kg/B

VCM

6932

35.15

水

130370

131180

蒸汽

800

所有助剂

178.49

碱液

NaOH7.31水10.09

NaOH7.31

PVC

78920

78120

回收VCM

6896.85

损失PVC

797.13

合计

217214.93

2.3汽提塔物料衡算

从这一步开始到筛分包装为连续过程，因此，计算标准相应的转换为千克/小时。

根据全年的生产任务和生产时间可以求出：

每小时生产的PVC量为：

5×107/（330×24）=6313kg/h

产品中的含水量为0.3%，折合绝干树脂含量为：

6313×0.997=6294kg/h

考虑到聚合釜PVC的损失，则进入汽提塔绝干树脂量为：

6294/0.95×0.98=6493kg/h

以6493kg/h为基准求出汽提塔进料中其他各组分相应的量：

因此进入汽提塔的水量为：

131180×6493/78120=10900kg/h

进入汽提塔的分散剂等为：

178.49×6493/78120=14.84kg/h

进入汽提塔的VC单体为：

35.15×6493/78120=2.92kg/h

损失的PVC的量为：

6294/0.95×0.01=66.25kg/h

故出料中含PVC量为：

6493-66.25=6427kg/h

已知出料中VCM含量为20ppm，故出料中含PVC的量为：

6427×20×10-6=0.128kg/h

求蒸汽冷凝量

条件：

进入汽提塔的物料初始温度为60℃，汽提塔压强为0.06MPa，在此压强下水的沸点为86℃，潜热为2293.9kj/kg，水蒸气的比热容Δ向蒸汽的扩散能由蒸汽的潜热和显热提供，而且单体的扩散能为71kj/mol,假定在塔有35%蒸汽冷凝，其余在塔顶冷凝。

则物料升温所需热量衡算表如下：

表3

重量kg/h

t初

t末

Δt

CPkj/（kg.℃

吸热kj/h

水

10900

4.2

915600

2.92

0.848

49.52

PVC

6493

1.764

229073.1

又因为单体的扩散能为：

（2.92-0.128）/62.5×10-3×71=3169.44kj/h

故所需的总热量：

Q总=915600+49.52+229073.1+3169.44=1147892kj/h

设汽的流量为V，则

Q总=2.31（142-86）V+0.35V×2293.9=1147892kj/h

故得V=1219.26kg/h

计算结果整理成表得：

表4

物料名称

进料kg/h

出料kg/h

PVC

6493

6427

水

10900

12100

蒸汽冷凝

1219.26

分散剂和NaOH等

22.15

2.92

0.128

回收VC

2.79

损失PVC

66.25

合计

18615.66

2.4离心部分物料衡算

离心操作中PVC的损失量为：

6294/0.95×0.005=33.13kg/h

离心脱水后的湿物料中仍含有20%的水分，则含水量为：

（6427-33.13）×0.2/0.8=1598.47kg/h

假设此阶段将所有助剂都离心脱除了。

计算结果整理成表得：

表5

物料名称

进料kg/h

出料kg/h

PVC

6427

6393.87

湿物料含水

1598.47

母液含水

12100

10500

分散剂等

14.87

PVC损失

33.13

合计

18549.15

2.5气流干燥部分物料衡算

气流干燥损失的PVC量为：

6294/0.95×0.005=33.13kg/h

则出料PVC量为：

6393.87-33.13=6360.74kg/h

已只气流干燥后的含水量为5%，则含水量为：

16360.74×0.05/0.95=334.78kg/h

整理计算结果得：

表6

物料名称

进料kg/h

出料kg/h

PVC

6393.87

6360.74

水

1598.47

334.78

PVC损失

33.13

脱走水分

1263.69

合计

7992.34

2.6沸腾干燥部分物料衡算

PVC损失量为：

6294/0.95×0.005=33.13kg/h

所以出料的PVC量为：

6360.74-33.13=6327.61kg/h

假设出料中水分含量为0.3%，则所含水量为

6327.61×0.003/0.997=19.04kg/h

整理计算结果得：

表7

物料名称

进料kg/h

出料kg/h

PVC

6360.74

6327.61

水

334.78

19.04

PVC损失

33.13

脱走水分

315.74

合计

6695.52

2.7筛分包装部分物料衡算

绝干PVC损失量为：

6294/0.95×0.005=33.13kg/h

则包装入库的绝干PVC树脂量为：

6327.61-33.13=6294.48kg/h

随着PVC树脂损失的相应的水的量为：

33.13×0.003/0.997=0.10kg/h

整理计算结果得：

表8

物料名称

进料kg/h

出料kg/h

PVC

6327.61

6294.48

水

19.04

19.03

PVC损失

33.13

损失水分

0.10

合计

6346.65

2.8物料衡算总平衡

（1）聚合釜及出料槽属于间歇操作，计算标准为kg/B，由前面计算结果可知：

投入VCM单体的量为86640kg/B，经过聚合釜及出料槽减压后的量为6392kg/B，出料为35.15kg/B，PVC的总损失为1594.26kg/B.

由以上结果可得间歇部分物料总平衡表如下：

表9

物料名称

进料kg/h

出料kg/h

VCM

86640

35.15

水

129970

131180

二次进水

400

分散剂等

178.49

碱液

水10.09NaOH7.31

NaOH7.31

PVC

78120

损失PVC

1594.26

回收VCM

6896.85

合计

218012.06

（2）从气提开始一直到筛分包装都是连续操作，计算基准为kg/h。

由前面的计算结果可知，进入气提塔的VC的量为2.92kg/h，进过气提后VC单体的量降为0.128kg/h，气提塔冷凝的水的总量为10900+1219.26=12119.26kg/h，离心后母液含水总量为10500kg/h，PVC损失总量为198.75kg/h。

整理可得连续操作部分总物料平衡表如下：

表10

物料名称

进料kg/h

出料kg/h

VCM

2.92

0.128

水

10900

蒸汽冷凝水

1219.26

分散剂等

14.84

6493

17323.76

6294

回收VCM

2.79

最终物料中含水

19.03

损失PVC

198.75

母液

10500

损失水

1583.44

合计

18630.02

3.热量衡算.

由于热量衡算较为繁琐，因此此处只选择聚合釜做热量衡算。

反应前的原料和釜的升温阶段是物料由25℃加热至55℃，升温时间是0.5小时此阶段加热介质为饱和蒸汽，压力为0.4MPa，温度为142℃。

此阶段升温所需总热量是壶体及壶物料升温达到聚合条件所消耗的热量。

即Q1+Q2+Q3=Q4

其中Q1——水升温数所需的热量（由于分散剂等含量甚微，故并入水中一起计算）；

Q2——VC单体升温所需的热量；Q3——釜体升温所需的热量；

Q4——蒸汽所提供的热量。

已知条件如下表：

表11

重量kg/h

t初

t末

△t

Cpkj/（kg.℃）

水

86640

4.2

VCM

129970

0.848

釜体

51660

0.504

计算如下：

Q1:

去离子水（分散剂等）升温消耗热量

Q1=qm1Cp1△t=86640×4.2×（55-25）=1.092×107kj/B

Q2:

单体升温消耗的热量

Q2=qm2Cp2△t=12997×0.848×（55-25）=3.306×106kj/B

Q3:

聚合壶升温消耗热量

Q3=qm3Cp3△t=51660×0.504×（55-25）=7.811×105kj/B

Q4:

蒸汽所提供能量

Q4=Q1+Q2+Q3=1.50*107kj/B

由于改聚合反应为恒温聚合，而反应为放热反应，因此需要通循环冷却水冷却，聚合反应的聚合热查文献可得为2.29*104千卡/kg，因此可求出每批的反应热为Q=86640*22900*4.18=8.293*109kj/B。

假设进口处冷却水的温度为5

，出口处水的温度为10

，则循环冷却水用量为W=

kg/B

4关键设备的选型

4.1聚合釜的选型

本工艺采用间歇氯乙烯悬浮聚合生产PVC,可采用如下方法计算聚合釜的体积。

间歇操作周期为

；

日产量Wd=50000*103/330=1.51*105kg/d；

故每批反应液的体积为：

VR=

=39.295m3；

反应液的总体积为：

VT=VR/0.7=56.13m3；

对于此反应可选用国产

不锈钢聚合釜，此釜的直径为3810mm，筒体切线长度为4928mm，长径比为1.293，釜重51660kg。

此釜封头高度根据国标h=0.25D=952.5mm，封头直边高度为50mm。

反应釜的壳套厚度选取100mm。

4.2其他设备的选型

其它的设备主要是泵的选择。

工业生产中有进料泵、回流泵、塔底泵、循环泵、产品泵等，石油化工泵的选择应该满足流量，扬程、压力、温度、气蚀余量等工艺参数的要求，满足介质特性的要求和现场安装的要求。

在选泵时：

首先要综合考虑泵的流量。

一方面，应按设计要求达到的能力确定泵的流量，并使之与其他设备能力协调平衡；另一方面，也要根据生产需要确定泵的流量。

在确定泵的流量时应综合考虑装置的富裕能力及装置各设备能力的协调平衡。

其次根据生产要求确定泵的扬程。

选泵时，由于工艺过程设计中管道系统压力降计算比较复杂，因此泵的扬程要留有适当的余量，一般为正常需要扬程的1.05～1.1倍。

最后根据流体输送设备的特性曲线确定蚌型选泵时，确定哪一种设备，应在生产上所需要的流量和扬程后进行。

5.车间设备布置设计

5.1车间设备布置的原则

5.1.1车间设备布置的原则

1从经济和压降观点出发，设备布置应顺从工艺流程，但若与安全、维修和施工有矛盾时，允许有所调整。

2根据地形、主导风向等条件进行设备布置，有效的利用车间建筑面积（包括空间）和土地（尽量采用露天布置及建筑物能合并者尽量合并）。

3明火设备必须布置在处理可燃液体或气体设备的全年最小频率风向的下侧，并集中布置在装置（车间）边缘。

4控制室和配电室应布置在生产区域的中心部位，并在危险区外。

5充分考虑本装置（车间）与其他部门在总平面布置图上的位置，力求紧凑、联系方便，缩短输送管线，达到节省管材费用及运行费用的目的。

6留有发展的余地

7所采取的劳动保护、防火要求、防腐蚀措施要符合有关标准、规的要求。

8有毒、有腐蚀性介质的设备应分别集中布置，并设围堰，以便集中处理。

9设备安全通道、人流、物流方向应错开。

10设备布置应整齐，尽量使主要管道走向一致[13]。

5.1.2车间设备平面布置的原则

车间平面布置首先必须适合全厂总平面布置的要求，应尽可能使个车间的平面布置在总体上达到协调、整齐、紧凑、美观，相互融合，浑成一体。

其次，必须从生产需要出发，最大限度的满足生产包括设备维修的要求。

即要符合流程、满足生产、便于管理、便于运输、利于设备安装和维修。

第三，生产要安全。

即要全面妥善的解决防火、防爆、防毒、防腐、卫生等方面的问题，符合国家的各项有关规定。

第四，要考虑将来扩建及

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