PVC合成工艺毕业设计要点.docx
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PVC合成工艺毕业设计要点
毕业设计
课题名称：
10wt/a聚氯
乙烯聚合工段工艺设计
本设计是年产10万吨聚氯乙烯（PVC）聚合工段初步设计。
本文对聚氯乙烯的研究，生产和应用进行了详细的述，确定了聚氯乙烯的生产工艺。
采用了悬浮聚合工艺，后处理工段采用了无溢流汽提装置和先进的旋流干燥装置。
在上述工艺的基础上，以SG-5型号PVC树脂为例进行了物料衡算，热量衡算，设备选型，三废处理等。
关键词：
聚氯乙烯（PVC）氯乙烯物料衡算热量衡算聚合反应
Abstract
Thisdesignistoproduce100,000tonsofpolyvinylchloride（PVC）polymerizationworkshopsectioninthepreliminarydesign.Inthispaperadetailedoverviewoftheresearch,productionandapplicationofPVCtodeterminethePVCproductionprocess.Usingasuspensionpolymerizationprocess,post-processingsectioninthenooverflowstrippingunitandadvaneedcyclonedryingplant.Onthebasisoftheabove-mentionedprocess,theSG-5typePVCresinasanexamplematerialbalanee,heatbalanee,equipmentselection,andwastetreatment.
Keywords:
Polyvinylchloridepolymer（PVC）PolyvinylchlorideMassbalanee
heatbalaneecondensationreaction
Thisisthepreliminarydesignonthepolymerizationsectionofanannuaoutput100,000tonsofpolyvinylchloride（PVC）.Inthepaperadetailedoverviewabouttheresearch,productionandapplicationofPVChasbeenmade,andtheproductionprocesshasbeendetermined.Inthedesignweadoptthesuspensionpolymerizationprocess,post-processingsectioninthenooverflowstrippingunit,andadvaneedcyclonedryingplant.Onthebasisoftheprocess,withSG-5typePVCresinforexample,thematerialbalanee,heatbalaneearecalculated,andthechoiceofequipmentes,thewastetreatmentmethodare
discussed.
摘要I
AbstractI
第1章概述
1.1概述
1.1.1聚氯乙烯的性质与特点
1.1.2聚氯乙烯的主要用途
1.1.3国内外聚氯乙烯工业的发展
1.2设计目的和意义
1.3设计依据
1.4设计规模与范围
1.4.1设计规模
1.4.2设计范围
1.5原料与产品规格
1.5.1产品质量与规格
1.5.2主要原辅料规格
第2章工艺论证与选择
2.1PVC成产工艺
2.1.1PVC成产工艺
2.1.2聚合反应概述
2.2生产工艺流程
2.2.1反应原理
2.2.2工艺流程示意图
2.2.3配方选择
224进料方式
225加料系统
226聚合系统
227浆料汽提与废水汽提
2.2.8干燥系统
第3部分物料衡算与热量计算
3.1物料衡算
3.1.1聚合釜物料衡算
3.1.2出料槽物料衡算
3.1.3汽提塔物料衡算
3.1.4离心机物料衡算
3.1.5干燥器物料计算
3.2热量计算
3.2.1聚合釜
3.2.2汽提塔
第4部分工艺设计
4.1悬浮聚合工段
4.1.1配料
4.1.2聚合反应工艺条件
4.1.3防粘釜技术
4.2汽提塔
4.2.1工艺流程
4.2.2工艺参数
4.2.3
4.3旋流干燥
4.3.1工艺流程
4.3.2工艺参数
4.2.3
4.4产品筛分与包装
4.4.1
4.4.2
第5部分主要设备选型
5.1选型原则
5.2聚合釜
5.3汽提塔
5.4其它设备
第6部分环保与安全
6.1三废产生与治理
6.1.1三废产生状况
6.1.2三废处理
6.2安全生产
6.2.1区域布置与厂房结构
6.2.2安全装置
6.2.3氯乙烯气柜
6.2.4危险品与劳动保护
6.2.5消防
参考文献
致谢
第1章概述
1.1概述
1.1.1聚氯乙烯的性质与特点
中文名称：
聚氯乙烯
英文名称：
Polyvinylchloridepolymer
简称：
PVC
玻璃转变温度：
87C
熔点：
212°C
导热率（入）：
0.16W/mK
热膨胀系数（a：
）
热容（c）:
810-5/K
0.9kJ/（kgK）-
吸水率（ASTM）:
0.04-0.4%
聚氯乙稀（PVC）
为白色固体粉末。
PVC具有很高的化学稳定性和良好的可塑性。
除少数有机溶剂外，常温下可耐任意浓度盐酸、90%以下硫酸、50~60%的硝酸和20%
以下的烧碱，对于盐类也相当稳定。
PVC的电绝缘性优良，一般不会燃烧，在火焰上能燃烧并放出HCI，但离开火焰即
自熄，是一种自熄性”难燃性”物质，阻燃值为40以上。
PVC的热稳定性和耐光性较差，软化点为80C,于130C开始分解析出HCI并变色⑴。
1.1.2聚氯乙烯的主要用途
PVC（聚氯乙烯）是我国第一、世界第二大通用型合成树脂材料，由于具有优异的难燃性、耐磨性、抗化学腐蚀性、综合机械性、制品透明性、电绝缘性和比较易加工性等特点，在工业、建筑、农业、日常生活、包装、电力、公用事业等领域有着广泛的应用，与聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、ABS树脂统称为五大通用树脂。
1）PVC异、型材
型材、异型材是我国PVC消费的最大领域，约占整个消费的25%，主要用于制造门窗和节能材料，如仿木材料、代钢建材（北方、海边）、中空容器⑷等，目前国内在这一领域的需求仍有较大幅度的增长。
在发达国家塑料门窗的占有率也是高居首位，如德国为50%，法国为56%，美国为45%。
2）PVC管材
管材是PVC消费的第二大领域，约占整个消费的20%。
在我国PVC管的开发早于
PE管和PP管，而且品种多、性能优良，使用广泛，因而目前仍占有重要市场份额。
3）PVC薄膜
PVC与添加剂混合、塑化后，利用三辊或四辊压延机制成规定厚度的透明或着色薄膜，用这种方法加工薄膜，成为压延薄膜。
也可以通过剪裁，热合加工包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。
宽幅的透明薄膜可以供温室、塑料大棚及地膜之用。
经双向拉伸的薄膜，所受热收缩的特性，可用于收缩包装。
PVC薄膜消费位居第三，约占整个
消费的10%。
4）PVC一般软制品
利用挤出机可以挤成软管、电缆、电线等；利用注射成型机配合各种模具，可制成塑料凉鞋、鞋底、拖鞋、玩具、汽车配件等。
5）PVC涂层制品
有衬底的人造革是将PVC糊涂敷于布上或纸上，然后在100摄氏度以上塑化而成。
也可以先将PVC与助剂压延成薄膜，再与衬底压合而成。
无衬底的人造革则是直接由压延机压延成一定厚度的软制薄片，再压上花纹即可。
人造革可以用来制作皮箱、皮包、书的封面、沙发及汽车的坐垫等，还有地板革，用作建筑物的铺地材料。
6）PVC泡沫制品
软质PVC混炼时，加入适量的发泡剂做成片材，经发泡成型为泡沫塑料，可作泡沫拖鞋、凉鞋、鞋垫、及防震缓冲包装材料。
也可用挤出机基础成低发泡硬PVC板材
和异型材，可替代木材试用，是一种新型的建筑才材料。
7）PVC透明片材
PVC中加冲击改性剂和有机锡稳定剂，经混合、塑化、压延而成为透明的片材。
利用热成型可以做成薄壁透明容器或用于真空吸塑包装，是优良的包装材料和装饰材料一
如月饼包装盒。
8）PVC糊树脂
将PVC分散在液体增塑剂中，使其溶胀塑化而成增塑溶胶，通常用乳液或微悬浮树脂，还需加稳定剂、填料、着色剂等，经充分搅拌，脱气泡后，配成PVC糊，再用
进、浸渍、浇铸或搪塑等加工成各种制品。
如衣架、工具手柄、圣诞树等。
由于在PVC材料制造过程中增加了增塑剂、抗老化剂等一些有毒辅助材料来增强其耐热性，韧性，延展性等，故其产品一般不存放食品和药品。
1.1.3国内外聚氯乙烯工业的发展
近年来,我国PVC生产和消费快速增长。
PVC产量从1995年的137.4万t增加到2003年的400万t,是9年前的3倍，表观消费量则由187万t增加到625.4万t。
高速增长的消费市场将引发新一轮PVC生产的投资热潮，连同老装置的技术改造,2004年国内PVC产能将增加
160万t。
即使这样，我国PVC人均占有量距离世界PVC人均占有量还有很大距离。
⑵在PVC树脂建材中，发达国家的传统产品是小口径管材、管件、汽车装璜材料、工业器具，这些领域的市场已趋饱和。
电线、电缆敷层、地板、织物、薄膜和片材，以
及瓶类PVC制品，已达最高消费水平。
PVC建筑市场，如护墙板、助材管、汽车防腐涂料、纤维增强PVC制品、电子电器、耐热制品、医用PVC制品等，会有显著增长。
PVC包装材料也会有所增加。
据专家预测，我国每年需5000万米室内外塑料排水管线，其中PVC管线占80%，约需管材、管件4万吨。
此外，塑料管材还可用于城市煤气、天然气管道，农用喷灌、滴灌和地下水管灌溉用PVC管道，比明渠淹灌减少了沿途输水损失，可节水30%以上。
PVC弹性防水卷材是一种新型防水材料，耐候性、防水性好，施工简单，延用期长，可用于建筑物屋顶和水库堤坝的防水渗透。
国外PVC防水卷材消费量已占防水卷材总消
费量的40%。
PVC粉末涂料有较强的抗腐蚀性、电绝缘性和耐候性，着色广泛，遮盖力强，装饰效果好，加工工艺简单，广泛用于高速公路护栏、建材钢板、钢管、家用电器部件、五金器材等金属制品的涂层装饰。
PVC农膜强度高，透明性好，用于栅膜和地膜。
PVC经过改性，可做成防滴膜、防雾膜、光功能膜、粮仓用膜、保鲜膜、缠绕膜、扭结膜。
PVC包装材料和PVC饮料瓶在今后也会有较大的发展。
PVC装饰材料，如彩色透明装饰板、中高档壁纸、PVC地板块等室内装饰材料，也有良好的发展前景。
1.2设计目的和意义
随着我国现代化发展和城镇化发展，PVC是五大合成树脂（PE、PP、PVC、PS和ABS）中生产和消费都比较大的树脂，其产量仅次于聚乙烯居世界第二位。
由于PVC的物化特性优异、成本低，在许多领域正在替代木材和钢铁。
中国由于建筑行业的异常活跃，管材和门窗型材领域继续占PVC消费的支配地位，PVC的消费正在蓬勃发展，市场容量在不断扩大，致使我国PVC工业得到了前所未有的发展。
通过设计可以巩固、深化和扩大所学基本知识，培养分析解决问题的能力；还可以培养创新精神，树立良好的学术思想和工作作风。
通过完成设计，可以知道聚氯乙烯的用途；基本掌握了聚氯乙烯的生产工艺；了解国内外聚氯乙烯工业的发展现状；以及聚氯乙烯工业的发展趋势。
1.3设计依据
《化工设计》化学工业出版社
《毕业设计（论文）工作手册》本校
《化工工艺设计手册》化学工业出版社
《轻化工厂设计概论》中国轻化工业出版社
《化工容器及设备实用手册》
《悬浮法年产10万吨聚氯乙烯生产工艺初步设计》任务书（本校）
1.4设计规模与范围
1.4.1设计规模
年产10万吨PVC树脂聚合工段工艺设计
1.4.2设计范围
（1）年产10万吨PVC生产工艺流程的设计
（2）物料衡算、热量衡算
（3）主要生产设备设计计算与选型
（4）环保措施
（5）绘制设计图纸
设计重点：
工艺流程的设计，工艺计算，聚合釜的设计计算与选型
1.5原料与产品规格
1.5.1产品质量与规格
PVC产品质量执行标准为：
Q/02HJH025-2007《悬浮法通用型聚氯乙烯树脂》。
产品规格见表1.1。
产品用途：
根据型号和等级的不同，可分别用于高级或一般电绝缘材料，食品医药用无毒透明包装制品、装饰用透明压延硬片，代替PE和PP产品作食品医药包装，工业或民用薄膜、全塑凉鞋、软硬管材、板料、型材、硬片等。
以及制造透明制品、唱片、焊条、瓶子、纤维和硬质注塑管件、高强度管材及过氯乙烯树脂等。
SG-5PVC树脂的
用途见表1.2。
表1-2SG5型PVC树脂的用途
级别
主要用途
一级A
透明制品
一级B、二级
硬管、硬片、单丝、导管、型材
表1.1产品规格表
规格指标
SG-8
SG-7
SG-6
SG-5
SG-4
SG-3
优等
一等
合格
优等
一等
合格
优等
一等
合格
优等
一等
合格
优等
一等
合格
优等
一等
合格
平均聚合度
650~740
741~845
846~980
981~1135
1136~1250
1251~1370
K值
55~59
60~62
63~65
66~68
69~70
71~73
粘数
73〜86
87〜95
96〜106
107〜118
119〜126
127〜135
杂质粒子数个<
2040
80
204080
16
30
80
1630
80
1630
80
1630
80
挥发物（水）含量，%<
0.40
0.40
0.50
0.40
0.40
0.50
0.40
0.40
0.50
0.40
0.40
0.50
0.30
0.40
0.50
0.30
0.40
0.50
表观密度，g/ml>
0.52
0.48
0.42
0.52
0.48
0.42
0.52
0.48
0.42
0.50
0.48
0.42
0.48
0.45
0.42
0.48
0.45
0.42
筛0.25mm筛孔<
1.02.0
2.0
1.02.02.0
1.0
2.0
2.0
1.0
2.0
2.0
1.02.0
2.0
1.0
2.0
2.0
余
物0.063mm筛孔>
9590
85
959085
9590
85
9895
90
9895
90
9895
90
鱼眼数，颗/400cm2<
3050
90
305090
2040
90
2040
90
2040
90
2040
90
100g树脂的增塑剂吸收量，g>
1414—
1614—
1816—
2220—
2422
20
2725
23
白度（160C,10min后），%>
7570
70
757070
7875
70
8075
70
8075
70
8075
70
残留氯乙烯含量，ppm<
510
30
51030
5
1030
5
1030
5
1030
5
1030
1.5.2主要原辅料规格
用于悬浮聚合的氯乙烯单体纯度在99.9%以上。
如果单体纯度不高不仅影响产
品质量，而且会影响反应的正常进行，例如乙炔、乙醛和一些高沸物是链转移剂，乙炔参与聚合后，形成不饱和键使产物热稳定性变坏，不饱和多氯化物存在，不但降低聚合速率、降低产物聚合度还容易产生支链，使产品性能变坏。
单体氯乙烯的杂质的含量要求在表1.3中给出。
表1.3单体氯乙烯规格
序号
组分
含量％
1
乙烯
<0.0002
2
丙烯
<0.0002
3
乙炔
<0.0002
4
丁二烯
<0.0002
5
1-丁烯-3-炔
0
6
二氧化合物
0.0001
7
水
0.05
8
HCI
0
悬浮聚合用水为软化水，电导率应小于2卩s/cm水的PH值要近乎中性，为
6-8,最好为6.5-7.5，其它要求在表1.4中给出。
表1.4去离子水纯度要求
序号
项目
数值
1
导电率
1ps/cm
2
pH值
6-8
3
氧含量,%
0.00001
4
硬度
<5
5
SiO2,%
<0.01mg/L
6
SO3,%
0.00001
7
氯,%
0
8
蒸发残留物％
0
第2章工艺论证与选择
2.1PVC生产工艺概述
2.1.1PVC生产工艺概述
PVC的生产工艺可以根据单体氯乙烯的获得方法分为电石法和乙烯法，乙烯法包括
进口单体法和乙烯法。
电石法的主要生产原料是煤碳、电石和原盐；乙烯法的原料主要是石油。
图2.1为两种生产工艺的流程图。
•Bit*H
图2.1两种生产工艺的流程图
1）乙炔路线（电石法）
该法原料来自电石水解产生的乙炔和氯化氢气体，在催化剂氧化汞的作用下反应生
成氯乙烯。
.
具体工艺为：
从乙炔发生器来的乙炔气经水洗一塔温度降至35C以下，在保证乙炔
气柜至一定高度时，进入升压机组加压至80kpaG左右，加压后的乙炔气先进入水洗二塔深度降温至10C以下，再进入硫酸清净塔中除去粗乙炔气中的S、P等杂质。
最后
进入中和塔中和过多的酸性气体，处理后的乙炔气经塔顶除雾器除去饱和水分，制得纯度达98.5%以上，不含S、P的合格精制乙炔气送氯乙烯合成工序。
乙炔法路线VCM工业化方法，设备工艺简单，但耗电量大，对环境污染严重。
目前，该方法在国外基本上已经被淘汰，由于我国具有丰富廉价的煤炭资源，因此用煤炭和石灰石生成碳化钙电石、然后电石加水生成乙炔的生产路线具有明显的成本优势，我
国的VCM生产目前仍以乙炔法工艺路线为主。
乙炔与氯化氢反应生成可采用气相或
液VCM相工艺，其中气相工艺使用较多⑻。
2）乙烯路线
乙烯氧氯化法由美国公司Goodrich首先实现工业化生产，该工艺原料来源广泛，生产工艺合理，目前世界上采用本工艺生产的产能VCM约占总产能的VCM95%以上。
乙烯氧氯化法的反应工艺分为乙烯直接氯化制二氯乙烷（EDC）、乙烯氧氯化制EDC和EDC裂解3个部分，生产装置主要由直接氯化单元、氧氯化单元、EDC裂解单元、
EDC精制单元和VCM单元精制等工艺单元组成。
乙烯和氯气在直接氯化单元反应生成EDC。
乙烯、氧气以及循环的HCI在氧氯化单元生成EDC。
生成的粗EDC在EDC精制单元精制、提纯。
然后在精EDC裂解单元裂解生成的产物进入VCM单元，VCM精制后得到纯VCM产品，未裂解的EDC返回EDC精制单元回收，而HCI则返回氧氯化反应单元循环使用。
直接氯化有低温氯化法和高温氯化法；氧氯化按反应器型式的不
同有流化床法和固定床法，按所用氧源种类分有空气法和纯氧法；EDC裂解按进料状
态分有液相进料工艺和气相进料工艺等。
具有代表性的是Inovyl工艺是将乙烯氧氯化法提纯的循环EDC和VCM直接氯化的EDC在裂解炉中进行裂解生产VCM。
HCI经急冷和能量回收后，将产品分离出HCl（循环用于氧氯化）、高纯度VCM和未反应的EDC（循环用于氯化和提纯）。
来自VCM装置的含水物流被汽提，并送至界外处理，以减少废水的生化耗氧量（BOD）。
采用该生产工艺，乙烯和氯的转化率超过98%，目前世界
上已经有50多套装置采用该工艺技术，总生产能力已经超过470万吨/年⑷。
目前国外乙烯氧氯化法路线生产的PVC树脂已占90%以上的比例，发达国家基本淘汰了电石乙炔法路线，而我国采用乙烯路线的PVC树脂仅占PVC树脂总能力的1/3。
本设计采用乙烯路线生产氯乙烯单体。
2.1.2聚合反应概述
聚氯乙烯由氯乙烯单体通过自由基聚合而成，聚合度n—般在500--20000范围内,
其分子结构式如下：
C1
PVC树脂可以用悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合或溶液聚合四种基本工艺生产。
聚合反应由自由基引发，反应温度一般为40〜70C,反应温度和引发剂的浓度对聚合反应速率和PVC树脂的分子量分布影响很大。
1）悬浮聚合
悬浮聚合通过不断进行搅拌使单体液滴在水中保持悬浮状态，聚合反应在单体小液
滴中进行。
通常悬浮聚合反应为间歇聚合。
近年来各公司对PVC树脂间歇悬浮聚合工
艺的配方、聚合釜、产品品种和质量不断研究和改进，开发出各具特点的工艺技术，
目前应用较多的是Geon公司（原B.FGoodrichg公司）技术、日本信越公司技术、欧洲EVC公司技术，这三大公司的技术在1990年以来世界新增的PVC树脂生产能力中各占大约21%的比例。
悬浮聚合生产工艺成熟、操作简单、生产成本低、产品品种多、应用范围广，一直是生产PVC树脂的主要方法，目前世界上90%的PVC树脂（包括均聚物和共聚物）都是出自悬浮法生产装置。
美国悬浮法均聚PVC树脂的生产能力不断提高，1987年占84%,1996年为90%。
2）乳液聚合
乳液聚合与悬浮聚合基本类似，只是要采用更为大量的乳化剂，并且不是溶于水中而是溶于单体中。
这种聚合体系可以有效防止聚合物粒子的凝聚，从而得到粒径很小的聚合物树脂，一般乳液法生产的PVC树脂的粒径为0.1—0.2mm,悬浮法为20—200mm。
引发剂体系与悬浮聚合也有所不同，通常是含有过硫酸盐的氧化还原体系。
干燥方法也设计成可以保持较小的粒径的方式，常常采用一些喷雾干燥剂。
由于不可能将乳化剂完全除去，因此用乳液法生产的树脂不能用于生产需要高透明性的制品如包装薄膜或要求吸水性很低的制品如电线绝缘层。
一般来说乳液聚合PVC树脂的价格高于悬浮聚合的
树脂，然而需要以液体形式配料的用户使用这种树脂，如糊树脂。
在美国大部分乳液聚合的树脂产品都是糊树脂（又叫分散型树脂），少量用于乳胶。
在欧洲，各种乳液工艺也用于生产通用树脂，尤其是压延和挤出用树脂。
3）本体聚合
本体法生产工艺在无水、无分散剂，只加入引发剂的条件下进行聚合，不需要后处理设备，投资小、节能、成本低。
用本体法PVC树脂生产的制品透明度高、电绝缘性
好、易加工，用来加工悬浮法树脂的设备均可用于加工本体法树脂。
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