产年9500吨年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计 本科毕业设计.docx

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产年9500吨年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计本科毕业设计

9500吨/年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计

摘要

本设计为年产9500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

Thedesignforthe9,500tonsofPVCpolymerizationprocessdesignthroughoutthedesignfileiscomposedbytwopartsofthedesignspecificationanddesigndrawings.Inthedesignmanual,abriefintroductionofPVCproductionstatus,developmenttrends,performance,andthemainpurposeshighlightedbysuspensionpolymerizationasthepolymerizationprocessproductionmethods.Inthedesignprocess,accordingtotherequirementsofthedesigntaskbooktoconductamoredetailedmaterialbalanceandheatbalanceandthethepolymerizercalculationprocesscalculationandselectionofequipment,asimpletechno-economicevaluationoftheentiredevice.Drawingofthedesigndrawings,designdrawingsincludingprocessflowdiagramofthepolymerizationreactorassemblydrawing.

Keywords:

PVC,suspensionpolymerizationprocess,dry,monomer,productionprocess

目　录

前　言1

第1章概述2

1.1聚氯乙烯简介2

1.1.1聚氯乙烯的理化性能2

1.1.2聚氯乙烯树脂的用途3

1.2聚氯乙烯配方4

第2章聚氯乙烯生产工艺流程设计5

2.1聚氯乙烯生产工艺流程简述5

2.2聚氯乙烯生产工艺流程操作步骤5

2.2.1聚合单元5

2.2.2VC回收工序6

2.2.3汽提、干燥工序6

第3章物料衡算8

3.1车间物料衡算8

3.1.1主要工艺参数8

3.1.2生产任务的计算8

3.1.3投入单体的计算9

3.2聚合釜的物料衡算10

3.2.2聚合釜的生产计算10

第4章热量衡算12

4.1聚合釜热量衡算12

4.1.1参数设定12

4.1.2混合热和搅拌热的考虑13

4.2回流冷凝器热负荷的考虑13

4.3物料带入聚合釜的热量13

4.4聚合反应放出的热量14

4.5物料带出聚合釜的热量14

4.6反应过程需要加入的热量14

4.7加热水的用量:

14

4.8冷却水的用量：

14

4.9传热面积15

第5章设备工艺设计16

5.1聚合釜的设计16

5.1.1生产周期或生产批数16

5.1.2根据年产量确定每批进料量16

5.1.3选择反应器装料系数16

5.1.4计算反应器体积16

5.1.5聚合釜壁厚的计算17

5.2汽提塔17

5.3混料槽17

5.4离心机18

5.5干燥器18

第6章环境保护19

6.1废水的治理19

6.2废渣的治理19

6.3废渣的治理20

参考文献21

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9500吨的PVC聚合工艺设计，以有关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9500吨。

设计的主要内容有：

1、生产能力计算；2、原料及制备；3、物料衡算、热量衡算；4、工艺参数确定；5、聚合反应釜计算；6、产物后处理工序。

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章概述

1.1聚氯乙烯简介

1.1.1聚氯乙烯的理化性能

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

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

聚氯乙烯塑化加工制品的化学稳定性较高，常温下，能耐任何浓度的盐酸，能耐90%的硫酸，能耐50%~60%的硝酸。

能耐25%以下的烧碱，对盐类也相当稳定。

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]

1.1.2聚氯乙烯树脂的用途

聚氯乙烯树脂系属于力学性能、电气性能及耐化学腐蚀性能较好的热塑性塑料之一。

根据不同规格的聚氯乙烯高聚物，采用不同塑化配方和加工方法可制成硬质和软质制品。

一般各型号的用途如表1.1所示：

表1-1各型号聚氯乙烯树脂的用途

型号用途

XJ-1SG-1高级电缆绝缘层、保护层

SG-2SG-3电缆、电线绝缘层、保护层等软制品、蓄电池隔板

XJ-3SG-4薄膜农膜、雨衣、战备物资及工业包装、软管、鞋料、人造革底层

XJ-4SG-5硬管、硬片、透明瓶、包装硬软片及塑料印花纸

XJ-5SG-6硬板、唱片、管件、焊条、纱管、玩具、透明硬件

XJ-6SG-7过氯乙烯树脂及注塑加工制品

SG-8唱片、型材、家电壳体、食品包装及替代有机玻璃制品

另外，塑料加工行业在生产高质量制品时，往往选择疏松型树脂为原料，如高绝缘级电缆料【体积电阻率ρV可达到（1.5~3）×1014Ω·cm以上】，高透明性输液袋、瓶料、包装透明片材、“鱼眼”杂质少的透明唱片以及白色制品等。

由于疏松型树脂具有较好的塑化性能，也广泛地用于粉料直接挤塑等过程，以满足加工工艺的特殊需要。

随着树脂型号增大，分子量及黏度减小，产品机械强度也随之下降；但玻璃化温度（Tg）有所降低，则使成型加工温度低，流动性好而易于加工。

有如此多种类的树脂，选型的时候也有些基本原则：

①一般对强度及电性能要求高的制品，宜选用SG-1、SG-2型；

②对于强度要求不高，为便于加工，如薄膜、凉鞋，宜选用SG-3型；③一般硬制品（如硬板和硬管）类，由于不加或少加增塑剂，成型温度较高，宜选用SG-5、SG-6型，以降低加工温度；而SG-5、SG-6型分子量低，易发生热分解，在加工配方中常需加较多的热稳定剂，以提高其热加工的稳定性；

④对白色制品或透明制品，宜选用SG型；

⑤制糊用工艺如搪塑及人造革底层之类产品，宜选用吸增塑剂小的XJ型树脂，以保证糊的流动性。

1.2聚氯乙烯配方

表1-2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

62.50

1.0

62.5

100

软水

18.02

6.9

125.0

200

聚乙烯醇

0.75

1.2

IPP（引发剂）

206.19

1.21×10-3

0.25

0.4

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

2.1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0.88~1.22MPa，当转化率达到70%左右开始降压，在压力降至0.13~0.48MPa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0.3%~0.4%，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。

2.2聚氯乙烯生产工艺流程操作步骤

2.2.1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0.5MPa，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2.9Kpa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。

2.2.2VC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。

2.2.3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0.3%～0.4%。

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]

图2-1聚氯乙烯生产工艺流程

第3章物料衡算

3.1车间物料衡算

3.1.1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

3.1.2生产任务的计算

年产9500吨聚氯乙烯，年平均操作时数8000小时

聚氯乙烯小时生产量（8000h）：

9500÷8000=1.1875×103（kg/h）

转化率：

90%。

根据要求生产的树脂牌号，氯乙烯单体的转化率选定在70%—95%范围，过高的转化率需要更长的反应时间，因而经济上不合算，而且超过85%—95%以后，树脂的热稳定性变坏，工业上生产硬质PVC塑料制品用树脂，则转化率要求大约为90%。

X·90%=1.1875×103kg

X=1.1875×103÷90%=1.3194×103kg

∴每小时要合成氯乙烯1.3194×103kg

产物气冷凝，精馏等收率为96.6%

进入精馏系统的VCM的量：

1319.4÷96.6%=1365.83（kg）

1365.83÷62.5=21.85（kmol）

表3-1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）

3.1.3投入单体的计算

投入单体的计算：

投料系数为0.80、釡的体积为20m3、在20摄氏度时，ρVCM=911kg/m3ρH2O=997.7kg/m3

设每次投入单体的质量为X

则X/911+1.8X/997.7=20×0.80

以20m3釡为例，每次投入单体5513.7kg。

因转化率为90%,则反应得到树脂G1=5513.7×90%=4962.4kg,回收时损失的VCM为0.25%

则G2=4962.4×0.25%=12.4kg

放空时损失为0.51%，则G3=4962.4×0.51%=25.3kg

浆料损失为0.05%，则G4=4962.4×0.05%=2.5kg

汽提损失为0.1%，则G5=4962.4×0.1%=0.5kg

离心干燥损失为0.38%，则G6=4962.4×0.38%=18.9kg

精馏时损失为3.5%，则G7=4962.4×3.5%=173.7kg

包装时损失为0.21%，则G8=4962.4×0.21%=10.4kg

反应前物料G=5513.7kg，根据物料平衡原理：

G=G1+G2+···+G9

=4962.4+12.4+25.3+2.5+0.5+18.9+173.7+10.4+307.6=5513.7kg

3.2聚合釜的物料衡算

3.2.1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10555.6吨，每釡的出料量为10.69吨，选择投料系数为0.8，先用70m3的标准釡，VVCM=10555.6×1000/837=12611.2m3

V水=1.8×10555.6×1000/997.7=19043.88m3

所需要釡的台数为（12611.2+19043.88）/（70×0.8×8000/9）=0.64台，取整数为1台。

调整后的投料系数为0.63

实际的投料系数计算：

（12611.2+19043.88）/（70×1×800）=0.57可取0.57

每个釡所需的VCM的体积为：

12611.2/（1×（8000/9））=14.2m3

每釡所需的水的体积为：

19043.88/（1×（8000/9））=21.4m3

　　原料的配比

表3-2原料配方

原料

VCM

水

引发剂

分散剂

其他助剂

重量，kg

11875.05

21375.09

4.75

9.5

适量

3.2.2聚合釜的生产计算

以70m3釡生产为例，分述如下：

（1）投料

投料温度为20℃，单体14.2m3，水21.4m3，

投料体积：

14.2+21.4=35.6m3；

空余（气相）体积：

70-35.6=34.4m3

（2）升温

升温到期60℃，单体重度d依温度t变化d=0.9471-0.001746t-0.00000324t2

得：

20℃时d=0.910；57℃时d=0.83

单体在57℃时体积增加到：

14.2×0.91/0.83=15.6m3

物料总体积：

15.6+21.4=37m3

空余（气相）体积：

70－37=33m3

（3）反应结束：

转化率为90%，树脂真实密度为1.4kg/m3

则此时树脂体积：

14.2×90%×0.83/1.4=7.577m3

未聚合单体体积：

14.2×0.1=1.42m3

物料总体积：

21.4+7.577+1.42=30.397m3

空余（气相）体积：

70-30.397=39.603m3

表3-3物料衡算汇总表

损失

损失率/%

损失前的重量/t

筛分

0.21

9,519.95

干燥

0.13

9,532.3

离心

0.25

9,556.05

混料

0.01

9,557

汽提

0.1

9,566.5

出料

0.001

9,566.595

聚合

0.79

9,641.645

第4章热量衡算

4.1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=W∆Hr∆x/M

Q3=ΣWiCPi∆Tm

Q4=3.6×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.℃）=4.184×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

9.55

5.7

7.0

13.8

10.2

则IPP的比热为：

C1=4.184×（9.55×4+5.7×2+7.0+13.8×2+10.2×2）/206.19=2.12KJ/（Kg.℃）

经查有关资料知：

氯乙烯的比热为：

C3=1.59KJ/（Kg.℃）

水的比热为：

C4=4.18KJ/（Kg.℃）

聚乙烯醇比热为：

C5=1.67KJ/（Kg.℃）

聚氯乙烯的比热为：

C6=0.9675KJ/（Kg.℃）

表4-2物料比热表（KJ/（Kg.℃））

物料种类

比热KJ/（Kg.℃）

IPP

2.12

氯乙烯

1.59

水

4.18

聚乙烯醇

1.67

聚氯乙烯

0.9675

氯乙烯的聚合热为：

95.88KJ/mol=1534KJ/kg

4.1.2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。

4.2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。

4.3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=2.12×4.75×20+1.59×11875.05×20+4.18×21375.09×20+1.67×9.5×20

=2.2×10６KJ

4.4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=24.64×9600=2.36×10５KJ

4.5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=（2.12×4.75+0.9675×9600+4.18×21375.09+1.67×9.5+1.59×1.19×10３）×（60-0）=6.03×10６KJ

4.6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%）=（6.03×10６+2.36×10５-2.2×10６）/90%=6.72×10６kJ

4.7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=4.22kJ/kg.K

m=6.72×10６/4.22/39

=4.08×10４kg

4.8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=4.22kJ/kg.K

m=2.36×10５/4.22×3

=1.86×10４kg

　　　　　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

　　　22

——

聚合反应放出的热Q2

2.36

——

物料带出的热量Q3

——

　　　　60.3

反应过程需要加入的热量Q4

67.2

——

损失热量Q