30万吨PVC生产工艺的设计流程工厂设计说明.docx
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30万吨PVC生产工艺的设计流程工厂设计说明
年产30万吨PVC聚合工段的工艺初步设计说明书
摘要
本设计是年产30万吨PVC聚合合成工段的初步工艺设计，根据株洲化工集团现场实习有关资料及有关文献，完成了物料衡算、热量衡算、主要设备和管道的设计及选型。
此设计有说明书一份、图纸四。
说明书容：
1．PVC和VC的发展及发展趋势。
2．合成工段的生产原理、流程。
3．物料衡算、热量衡算。
4．主要设备的设计和选型．5．主要管道的设计及选型。
6．三废处理安全与防火技术。
图纸：
1．带控制点的物料流程图。
2．车间平面布置图。
3．主要设备的装配图。
4．厂区平面图
关键词：
合成、PVC、VC、设计。
ThePreliminaryDesignabouttheSynthesisConstructionSectionofPVC200000tonsperyear
Abstract
TheprimarydesignforsynthesisconstructionsectionofPVC300000tonsperyearwascompleteaccordingtotheinformationofZhuzhouChemicalIndustryGroupscenepracticeanditsrelativedates.Theequilibriumofmaterialandequilibriumofheatquantitywerecalculatedandthemainequipmentsandpipelineswerechosen.Thedesignincludedainstructionbookletandfourdiagrams.
Themaincontentionoftheinstructionbookletincluded:
1thedevelopmenthistoryandtrendencyofproducingPVCandVC,2theproductionprincipleandprocessofsynthesisconstructionsection,3thecalculationofthebalanceofmaterialandcalculationofheatquantity,4thedesignandchoiceaboutthemainequipments.5thedesignandchoiceaboutthemainpipelines,6thedisposalofthreewastesprocessingsecurityandfireprotectiontechnology.
Thediagramscomprisedof1thetechniqueflowchartwithcontrolledpoint,2thefactoryfloor-plandiagram,3themainequipmentinstallingpictureandtheSiteplan
KeyWords:
synthesis、PVC、VC、design.
前言
本设计是根据设计任务书的要求，以化工集团的PVC生产工艺流程为参考并通过查阅相关的化工生产设计资料对年产30万吨PVC的氯乙烯聚合合成工段进行了初步的设计。
本设计针对PVC生产工艺在国外的发展状况、工艺选择、产品性质、工艺流程及合成原理，相关的物料性质、物料衡算、能量衡算、设备选型、管道设计、经济分析以及尾气和三废的处理作了较为详细的阐述，以理论设计为基础，查阅了大量资料和书籍，力求与实际符合。
在此次的设计过程当中，自始至终都得到了曾祥成老师的耐心指导和同组同学的热心帮助，在此表示衷心的感。
由于经验不足，水平有限，设计中难免存在纰漏和不足之处，敬请各位老师和同学批评指正。
！
中文摘要i
英文摘要ii
前言iii
一、pvc概括1
1pvc简介1
2pvc性质2
3我国pvc生产消费现状3
4建设一个30万吨/年规模的pvc厂的可行性4
二、pvc产品及原辅材料说明4
1电石4
2氯化氢6
3氯乙烯6
4去离子水7
5分散剂7
6引发剂7
7其它助剂7
三、工艺路线的选择和介绍8
1工艺路线的选择8
2工艺流程介绍9
四、物料衡算12
1合成段计算12
2聚合段计算21
五、热量衡算25
1衡算方法25
2计算26
六、主要设备的设计和选型34
1合成车间的设备计算34
2聚合车间的设备计算38
七、主要管道管径计算和选型48
1合成段48
2循环水管51
3聚合段51
八、经济分析53
1基本计算53
2产品成本及部分厂家的成品价格54
九、三废的产生及处理55
1氯化汞触媒的产生中毒机理及处理55
2尾排氯乙烯外逸的产生中毒机理及处理55
3废水的处理56
4其它三废的处理58
X结论58
参考文献59
第一章概论
1.1PVC简介
1.1.1PVC的发展史
聚氯乙烯（Polyvinylchloride，PVC）是一种无毒、无臭的白色粉末。
主要成份为聚氯乙烯聚氢乙烯，是由氯乙烯（VinylChloride）单体聚合而成的热塑性高聚物，其分子结构式：
（CH2-CH-）n，其中n为聚合度。
PVC为无定形聚合物，含结晶度5%—10%的微晶体，熔点为175，目前商品化的PVC树脂的平均相对分子质量围在1.9×105～5.0×106之间，国产通用型悬浮PVCSG1～SG8型平均相对分子质量则在4×105～1×106之间。
早在1835年，法国人Regnaukn就发现了氯乙烯（vinylchloride），1838年观察到其在光作用下能形成无定形粉状高聚物。
直到1912～1913年，德国化学家F.Klate和E.Zacharia才发现了氯乙烯和聚氯乙烯（polyvinylchloride,简称PVC）的工业生产方法，较大规模的乳液聚合则到1935年才由Bitterfeld实现。
1940年，美国的古德里奇公司创建了悬浮聚合，从此以后，聚乙烯工业开始发展，1940年全世界产量为1.1万吨，1950年为22万吨，1960年达145万吨，1970年为600万吨，1980年1000万吨，1990年为1500万吨，近期估计在2800万吨左右。
我国聚氯乙烯工业起步于20世纪50年代末，第一套聚氯乙烯装置在锦西化工厂于1958年建成投产，生产能力在3000吨／年。
1959年，国建成4个生产能力6000吨／年的聚氯乙烯厂，即化工二厂、天原化工厂、化工厂、大沽化工厂，1970年国聚氯乙烯树脂厂增加到20家，但规模都叫小，1978年从日本东洋工程公司引进了两套20万吨／年聚氯乙烯厂，分别在齐鲁石化公司和吴泾建厂。
进入20世纪90年代化工二厂、氯碱、大沽化工厂、锦西化工厂等纷纷改进，生产能力提高很大。
1.1.2PVC的分类及用途
PVC可分为软PVC和硬PVC。
其中硬PVC大约占市场的2/3，软PVC占1/3。
软PVC一般用于地板、天花板以及皮革的表层，但由于软PVC中含有柔软剂（这也是软PVC与硬PVC的区别），容易变脆,不易保存，所以其使用围受到了局限。
硬PVC不含柔软剂，因此柔韧性好，易成型，不易脆，无毒无污染，保存时间长，因此具有很大的开发应用价值。
软质PVC多用来做成真空吸塑薄膜，用于各类面板的表层包装，所以又被称为装饰膜、附胶膜，应用于建材、包装、医药电线电缆 、薄膜和片材、传送带、日用品（鞋、玩具、门帘、密封条）人造革及箱包等诸多行业。
其中建材行业占的比重最大，为60%，其次是包装行业，还有其他若干小围应用的行业。
硬制品主要包括各种型材、管材、硬片、瓶类、汽车配件、异型材等
PVC材料用途极广，主要用于制作：
pvc卡片；pvc贴牌；pvc铁丝；pvc窗帘；pvc涂塑电焊网；pvc发泡板、pvc吊顶、pvc水管、pvc踢脚线等以及穿线管、电缆绝缘、塑料门窗、塑料袋等方面。
在我们的日常生活领域中处处可见到PVC产品。
PVC被用来制作各种仿皮革，用于行包，运动制品，如篮球、足球和橄榄球等。
1.2PVC的性质
1.2.1物理性质
（1）外观聚氯乙烯树脂尾白色粉末微粒，但工业产品夹带分解产物或机械杂质，使树脂发黄或有黑色的杂质，统称为黑黄点。
（2）密度和表观密度PVC平均密度为1.4g／cm3,实际上它很分散。
密度分布窄的，其结构不均匀，易被增塑剂或其他液态助剂渗透；密度分布宽的，树脂有的使开孔的，有的则使不能渗透的孔，影响增塑剂等的吸收和渗透。
（3）水分PVC是极性聚合物，因而有一定的吸水性。
水分影响过筛，水分可使成型时产生气泡而影响产品质量。
通常要求在0.1%-0.3%。
（4）机械性质PVC抗冲击强度很高，常温下可达到10MPa.
（5）溶解性质可溶于氯化苯、二氯乙烷、酯类等，不溶于水、汽油、酒精、氯乙烯中。
1.2.2化学性质
（1）化学稳定性化学稳定性很高，除若干有机溶剂外，常温下可耐任何浓度的盐酸、90%以下的硫酸、50%～60%的硝酸及20%以下的烧碱。
这是由于PVC分子沿主链存在有许多极性键，大分子与大分子之间的结合力强，可以耐酸、碱和非极性溶剂的作用，因此，耐化学腐蚀性能优良。
（2）热性能通常的PVC玻璃化温度Tg在75～80℃，结晶PVC的熔点为175℃，因而通常加工温度在160～220℃。
PVC加热到130℃以上时变为皮革状，呈现弹性，长期加热则分解脱出氯化氢，同时使PVC变色。
随着温度的升高，树脂由白色变为淡黄色→深黄色→棕色→黑色。
在200℃以上开始分解并失去化学稳定性与优良的物理性质。
聚氯乙烯只是在火焰上才能燃烧并分解，放出氯化氢，离开火焰立即熄灭。
（3）光性能纯聚氯乙烯在紫外线单色光的照射下显示蓝绿荧光色，在长期光线照射下发生老化并使之色泽变暗。
（4）电性能PVC具有特别好的介电性能，使属于介电功耗最小的材料之一，它对于交流电和直流电的绝缘能力可与硬橡胶媲美。
PVC的介电性能与温度有关，温度升高，介电性能变差。
1.3我国PVC生产消费现状
1.3.1生产现状
近年来，中国聚氯乙烯（PVC）发展速度惊人，市场需求将呈现迅猛增长的态势，特别是在建材方面，近年来正处于高速增长期，随着中国市场国际化的步伐加大，聚氯乙烯树脂包装材料和管材在水泥、化肥、粮食、食品、饮料、药品、洗涤剂、化妆品等领域都将有广阔的发展空间，其需求量相应大幅度增长；另外，汽车、通讯、交通领域对聚氯乙烯树脂的需求也呈高速增长，中国聚氯乙烯树脂工业仍有较大的发展空间。
因此新建、扩建项目纷纷上马，产能迅速扩大，产量大幅提高。
1997-2006年，中国PVC产能、产量年均增长率分别高达22.2%和20.0%。
2006年全国聚氯乙烯树酯累计产量为823.86万吨；2007年全国聚氯乙烯树酯累计产量达到971.67万吨；由于受世界金融危机及原材料等因素的影响，国消费市场的疲软，2008年全国聚氯乙烯树酯累计产量为881.6万吨，同比下降9.27%，装置开工率仅为57.8%。
2009年有所回升。
1.3.2消费现状
20世纪90年代中期以来,随着我国城镇化基础建设、包装材料、电子电器制品等方面的快速发展，国PVC的需求增长迅速,成为全球PVC消费增长最快的国家,高速增长的消费市场引发了PVC的生产投资热潮。
特别是2000年以来,受国家加大基础建设投资、扩大需、启动居民住房消费市场等宏观政策影响,市场对管材、型材和化学建材等硬制品存在着强劲的需求,极推动PVC树脂工业及其加工业的发展。
2004年人均消费量3kg左右,2007年达到7kg左右,而发达国家年人均消费量则接近20kg,国PVC消费市场发展潜力巨大。
从2005年开始国PVC产量和需求量已经超过美国,从而成为世界最大PVC消费国和生产国。
自1996到2007年12年翻了4番,远远高于国同期的GDP增长率，与此同时，由于产能和产量的大幅度增长，净进口量大幅度减少，自给率不断增加。
2001年我国PVC树脂的表观消费量只有534.40万吨，2005年达到约820.05万吨，2006年进一步增加到约918.09万吨，同比增长约11.9％，2001-2006年表观消费量的年均增长率约为11.4％。
2007年的表观消费量达到1026.76万吨，同比增长约11。
8％。
产品自给率相应从2001年的54.6％增加到2005年81.5％,2006年的89.7％，2007年的94.6％，2008年受国际金融危机的影响，表观消费量急剧下降。
2009年，在国家4万亿经济投入刺激下，国家加大基础设施建设，PVC消费量有所回升。
目前，我国PVC消费主要集中在华南和华东地区，、、、和等省份的消费合计约占全国总消费量的70%，其中，和省市场需求量最大，但产能不足，进口PVC所占比例较高；华东地区的、和省PVC加工工业比较发达，三省的消费量约占国总消费量的34%；华北地区产销基本平衡。
今后，随着中西部地区开发力度的加强以及大规模基础设施的兴建，中西部PVC的消费量将会逐渐增加。
我国PVC树脂的消费主要分为两大类，一是软制品，约占总消费量的37%，主要包括电线电缆、各种用途的膜（根据厚度不同可分为压延膜、防水卷材、可折叠门等）、铺地材料、织物涂层、人造革、各类软管、手套、玩具、塑料鞋以及一些专用涂料和密封件等。
二是硬制品，约占总消费量的63%，主要包括各种型材、管材、板材、硬片和瓶等。
预计今后几年，我国PVC树脂的需求量将以年均约7%的速度增长，到2012年总消费量将达到约1350万t，其中，硬制品的年均增长速度将达到约7%，而在硬制品中，异型材和管材的发展速度增长最快，年均增长率将达到约10%。
未来我国PVC树脂消费将继续以硬制品为主要发展方向。
1.4建设一个30万吨/年规模PVC厂的可行性
对以上可能影响我国PVC行业发展的因素及其生产消费现状和发展前景，在今后的发展中，一方面要严格控制无市场竞争力的项目建设，按国家产业政策、环保等有关规定关停和按市场运行规律自然淘汰一些能耗高、工艺路线落后、污染大、成本高的小型PVC生产装置，一方面也应鼓励在资源合理配置的基础上实行跨行业和部门的合作，同时加快我国大型PVC项目的建设努力提高我国现有生产装置规模和产品市场竞争力。
虽然2008年受世界金融危机的影响，整个PVC行业受到很大冲击，但随着国家基础设施的大力建设和全球经济的回升，对PVC的需求量越来越大，整体PVC行业会迎来一个快速发展的道路，为了更好的抓住机遇，因此建设一个20万吨／年规模的PVC生产装置既响应国家的相关规定，有符合市场的需要，生产能力和竞争力都非常稳定、灵活，非常具有可行性。
第二章PVC原辅材料说明
2.1电石
电石是由碳和氧化钙（生石灰）在电阻电弧炉于高温条件下化合而成的，所以它的化学名叫碳化钙，分子式
，分子量64.10kg/mol。
2.1.1性质
（1）化学纯的碳化钙几乎是无色透明的结晶体，通常所说的电石是指工业碳化钙，即除了含有大部分碳化钙外，还有少部分杂质。
工业用电石的颜色则随所含的碳化钙纯度不同而不同，有呈灰色，棕黄色或黑色。
（2）18℃时的比重为2.22，电石比重随着
含量的减少而增加。
（3）不溶于所有有机溶剂中，熔点2300℃（纯电石），含
80%时熔点为2000℃。
（4）电石与水作用生成乙炔和氢氧化钙。
2.1.2规格
大多数企业电石具有以下的组成：
（重量）
75%～83%
7%～14%
0.4%～3%
SiO2、Fe-Si、SiC0.6%～3%
Fe2O30.2%～3%
CaS0.2%～2%
CaSO40.2%～0.4%
CaCN20.2%～1%
Al、Al4C3、Al2O31.5%～4%
MgO、Ca、Ca3N2、Ca3P2、Ca3As2少量
2.1.3电石的标准
原料电石的技术条件、检验规则、检验方法和包装等都必须负荷国家标准GB10665—2004的要求。
（1）技术要求国家标准有关技术条件见表3.1
表2.1电石国家标准的技术条件
项目
指标
优等品
一等品
合格品
发气量（20℃、101.3kpa/）/（L/kg）≥
300
280
260
乙炔中磷化氢的体积分数/%≤
0.06
0.08
乙炔中硫化氢的体积分数/%≥
0.10
粒度（5～80mm）质量分数/%≥
85
筛下物（2.5mm以下）质量分数/%≤
5
（2）检验规则电石批次划分和采样桶数百分比按表3.2进行。
表3.2电石批次划分和采样桶数百分比
批次/t
<5
5～<15
15～<25
25～<35
35～<50
桶口处取样/%
20
12
8
7
6
测粒度取样/%
10
6
5
4
3
2.2氯化氢
2.2.1氯化氢的分子式
HCl,分子量36.5kg/mol。
2.2.2氯化氢的性质
（1）氯化氢在常温常压下是无色有刺激性气味的气体。
（2）氯化氢极易溶于水而变成盐酸，病强烈放热。
极易与潮湿的空气中的水分结合生成白色烟雾。
（3）在干燥状态下几乎不与金属作用，但在含水或溶于水时，表现盐酸的性能，腐蚀性很强，能与大多数金属反应。
（4）氯化氢是制造合成材料的重要原料，可用它来制造PVC等合成材料。
2.3氯乙烯
2.3.1氯乙烯的分子式
，分子量62.51kg/mol。
2.3.2氯乙烯的性质
（1）常温常压下为无色气体。
带有芳香气味
（2）属易燃易爆物质，遇火焰即可燃烧爆炸，在空气中爆炸围为3.8~29.3%，故在有氯乙烯存在的地方都要严禁烟火及撞击火花的产生。
（3）有毒，对人体有麻醉作用，长时间接触VC气体可使人致癌。
（4）在氯乙烯系统若有氧气存在则生成过氧化物，给后处理造成困难。
与氯乙烯开始反应生成单质体，它溶解于氯乙烯单体中，以后分解和重排，生成对碰撞很敏感的过氧化聚合物，并会变成醛和酸。
它们对聚合过程有很大的影响，氯乙烯系统中存在微量的水和酸，会加速单体生成过氧化聚合物，造成设备管道的腐蚀。
（5）氯乙烯性质活泼，它能起加成反应，易起聚合反应，它能与丁二烯、乙烯、丙稀腈、醋酸乙烯、丙烯酸酯等共聚物。
（6）氯乙烯难溶于水，溶于醇、乙醚、丙酮和二氯乙烷。
2.4去离子水
所用反应介质水，应经过离子交换树脂或磺化煤进行脱盐处理。
处理后的水pH应在5～8.5围，硅胶含量≤0.2mg/L。
2.5分散剂
悬浮聚合生产的聚氯乙烯颗粒的大小与形态，主要取决于所用的分散剂，可分为两类：
主分散剂和辅助分散剂。
主分散剂的作用是控制所得颗粒的大小，但也会影响聚氯乙烯的孔隙率和某些形态。
辅助分散剂的作用是提高颗粒中的孔隙率，并使之均与以改进聚氯乙烯树脂吸收增塑剂的性能。
主分散剂主要是纤维素醚和部分水解的聚乙烯醇。
辅助分散剂主要是小分子表面活性剂和低水解度聚乙烯醇。
2.6引发剂
由于氯乙烯悬浮聚合温度为50～60℃上下，应根据反应温度选择合适的引发剂，其原则为在反应温度条件下引发剂的半衰期大约为2h者，反应时间为最佳。
由于反应后期单体浓度降低，为了使反应后期具有适当的反应，所以反应前期与反应后期应当使用不同半衰期的引发剂。
因此聚氯乙烯树脂生产工厂目前多数使用复合引发剂，即两种引发剂的混合物。
2.7其他助剂
2.7.1链终止剂
为了保证聚氯乙烯树脂质量，使聚合反应在设定的转化率终止或防止发生意外停电事故，必须临时终止反应时使用，工业生产中使用聚合级双酚A、叔丁基邻苯二酚等。
2.7.2链转移剂
为了控制聚氯乙烯平均分子量，除严格控制反应温度外，必要时添加链转移剂，特别时生产分子量较低的树脂牌号时。
常用的链转移剂为硫醇等。
2.7.3抗鱼眼剂
为了减少聚氯乙烯树脂中所含结实的圆球状树脂，可加入抗鱼眼剂，主要时苯甲醚的叔丁基、羟基衍生物。
2.7.4防粘釜剂
在生产聚氯乙烯过程中，树脂粘结于反应釜壁上形成釜垢时悬浮法生产聚氯乙烯树脂必须解决的工艺问题之一，较先进的方法时加入防釜剂。
防釜剂种类很多，而且生产工厂技术，但主要是苯胺染料等的混合溶液或与某些有机酸的络合物。
第三章工艺路线的选择和介绍
3.1工艺路线的选择
3.1.1PVC工艺简介
聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂，也是世界上最早实现工业化的塑料品种之一。
在世界众多的塑料品种中，PVC以其优良的综合性能，便宜的价格以及与氯碱工业关系密切，自30年代工业化以来，一直受到各工业国的普遍重视，保持着长盛不衰的发展势头，是目前世界上仅次于聚乙烯的第二大宗塑料品种。
到目前为止，世界上PVC生产的聚合工艺主要有5种，即悬浮、本体、乳液、微悬浮及溶液聚合工艺。
其中悬浮聚合工艺一直是工业生产的主要工艺，绝大部分均聚及共聚产品都是采用悬浮聚合工艺。
就拿美国为例，聚氯乙烯生产工艺中，悬浮聚合占87.8%，本体聚合占4.4%，乳液和微悬浮聚合占6.4%，溶液聚合占1.4%。
与美国相比，西欧乳液和本体聚合的比例较大，而日本则悬浮聚合占的比例较大。
3.1.2各种生产工艺介绍
（1）本体聚合。
一般采用“两端本体聚合法”，第一段称为预聚合，采用高效引发剂，在62～75℃下强烈搅拌下使氯乙烯聚合的转化率为8%时，输送至聚合釜中，在加入低效引发剂的等量单体，在约60℃下，慢度搅拌，继续聚合至转化率达80%时，停止反应。
本体聚合时在氯乙烯单体中不加入任何介质，只有引发剂。
生产的PVC树脂纯度较高，质量较好，结构规整，孔隙率高而均匀。
但聚合操作控制难度大，PVC树脂分子量分布较宽。
（2）悬浮聚合。
液态氯乙烯单体以水为分散介质，兵加入适当的分散剂和不溶于水但溶于单体的引发剂，在一定温度下搅拌，使其呈珠粒状悬浮于水相中进行聚合。
然后经碱洗、汽提、离心、干燥得到白色粉末状PVC树脂。
选取不同的分散剂，可以得到颗粒结构和形态不同的两类树脂。
国产牌号分为SG-疏松型（“棉花球”型）树脂；XJ-紧密型（“乒乓球”型）树脂。
疏松型树脂吸油性好，易塑化，成型时间短，加工操作方便，适用于粉料直接成型，因而一般选用悬浮法聚合的疏松型树脂作为PVC硬质品成型的基础原料。
目前各树脂厂生产的悬浮法PVC树脂，基本上都是疏松型的。
（3）乳液聚合。
氯乙烯单体在乳化剂作用下，分散于水中形成乳液，再用水溶性的引发剂来引发，进行聚合，乳液可用盐类使聚合物析出，再经洗涤、干燥得到PVC树脂粉末。
乳液法PVC树脂粒径极细，树脂中乳化剂含量高，电绝缘性能差，成本高。
该树脂常用于PVC糊的制备。
（4）微悬浮聚合。
使用油性引发剂，在用乳化剂分散、稳定的细小氯乙烯单体液滴中引发聚合，生成的PVC乳液，经破乳、洗涤、干燥得到PVC树脂粉末。
该方法生产的PVC树脂具有良好的加工性能，能满足大多数加工的需要。
（5）溶液聚合。
以甲醇、甲苯、苯、丙酮作溶剂，使氯乙烯单体在溶剂中聚合，由于溶剂具有链转移剂的作用，所以聚合物的分子量和聚合速率不高。
聚合得到的PVC树脂因不溶于溶剂而不断析出。
此种PVC树脂不宜于一般成型用，仅作为涂料、粘合剂，
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