1、設計課題年產10萬噸聚氯乙烯生產工藝設計方案 2014年 10 月16日設計說明聚氯乙烯（PVC）是一種熱塑性合成樹脂，有優良的電絕緣性，難以自燃，主要用于生產透明薄膜、塑料管件、各類板材等。其再加工產品在全球不同領域都有著非常廣泛的應用。根據設計任務書，本設計進行了年產10萬噸聚氯乙烯（PVC）工藝的設計。在查閱、參考大量文獻以及對以往部分車間設計的研究學習下，進行了科學的設計以及對相關物料的衡算。本設計計劃采用懸浮聚合法生產聚氯乙烯，原料為氯乙烯單體以及混合用有機過氧化物和偶氮類引發劑、明膠分散劑和去離子水。結合所選擇的生產工藝方案和產品生產實際情況，進行了有關物料和熱量平衡的計算。安排每

2、日三班次，每班8小時的生產強度，設計可達到日產303噸年產達10萬噸的聚氯乙烯生產車間。本設計也充分考慮到工作人員的工作環境以及工作安全性，盡可能將車間規劃為安全的，綠色的，在工作人員遵守車間操作規程的情況下，工作更加安全高效。本設計由許春華副教授指導，在反應確定、生產流程安排等整個設計過程中提出了許多寶貴意見，使得設計能更高效地完成，在此表示衷心感謝。鑒于知識和實際經驗所限，設計難免存在欠缺，懇請批評指正。目錄1總論21.1 概述21.1.1 聚氯乙烯（PVC）概述與應用范圍21.1.2 聚氯乙烯（PVC）改性品種21.1.3 聚氯乙烯（PVC）生產行業現狀及發展前景21.2 聚氯乙烯（PV

3、C）產品的分類和命名21.2.1 聚氯乙稀（PVC）產品分類21.2.2 聚氯乙稀（PVC）產品命名21.3 聚氯乙烯（PVC）生產方法521.3.1 懸浮聚合法621.3.2 乳液聚合法21.3.3 本體聚合法21.3.4 溶液聚合法21.4 設計規模原料選擇與產品規格21.4.1設計規模21.4.2主要原料規格及技術指標21.4.3產品規格22工藝設計與計算22.1 工藝原理22.2 工藝條件影響因素22.2.1 聚氯乙烯（PVC）聚合主要影響因素22.3 工藝路線選擇22.3.1 工藝路線選擇原則22.3.2 懸浮法聚氯乙烯（PVC）工藝流程具體工藝路線22.3.3 工藝流程示意圖22.

4、4 工藝配方與工藝參數22.4.1 工藝配方（質量份）：22.4.2 工藝參數：22.5 物料衡算22.5.2 物料衡算的方法與步驟22.5.3 物料衡算22.6熱量衡算22.6.1 熱量衡算的意義和作用22.6.2 熱量衡算23設備選型23.1 選型原則23.2 關鍵設備選擇與計算23.2.2 傳熱元件計算23.2.3 攪拌器的選擇23.3 關鍵設備選用23.4 其它設備選擇23.5 關鍵設備一覽表24車間布置設計24.1 車間設備布置原則24.2 車間設備平面布置原則24.3 車間設備立面布置原則24.4 車間操作人員安排24.5 車間平面布局圖25 非工藝設計25.1 環境保護25.2

5、公用工程25.2.1 供水25.2.2 供電25.2.3 供暖25.2.4 通風2致 謝2參考文獻21總論1.1 概述1.1.1 聚氯乙烯（PVC）概述與應用范圍聚氯乙烯簡稱PVC，是由氯乙烯在引發劑作用下聚合而成的熱塑性樹脂，是氯乙烯的均聚物。氯乙烯均（OVC）聚物和氯乙烯（PVC）共聚物統稱為氯乙烯樹脂。聚氯乙烯（PVC）為無定形結構的白色粉末，支化度較小。工業生產的聚氯乙烯（PVC）分子量一般在5萬12萬范圍內，具有較大的多分散性，分子量隨聚合溫度的降低而增加；聚氯乙烯（PVC）無固定熔點，8085時開始軟化，130時轉變為粘彈態，160180時則開始轉變為粘流態。聚氯乙烯（PVC）有較

6、好的機械性能，抗張強度60MPa左右，沖擊強度510kJ/m2，有優異的介電性能但對光和熱的穩定性差，在100以上或經長時間陽光曝曬，就會分解而產生氯化氫并進一步自動催化分解，引起變色其物理機械性能也迅速下降，在實際應用中必須加入穩定劑以提高對熱和光的穩定性。聚氯乙烯（PVC）非常堅硬，溶解性也很差，只能溶于環己酮、二氯乙烷和四氫呋喃等少數溶劑中，對有機和無機酸、堿、鹽均穩定，化學穩定性隨使用溫度的升高而降低。聚氯乙烯（PVC）溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮苯混合溶劑中可用于干法紡絲或濕法紡絲而成纖維，稱氯綸。另外，聚氯乙烯（PVC）具有難燃、耐酸堿、抗微生物、耐磨并具有較好的保暖性和彈性。聚氯乙

7、烯（PVC）可通過模壓成型、層合成型、注塑成型、擠塑成型、壓延成型、吹塑中空成型等方法進行加工，所以聚氯乙烯（PVC）制品廣泛用工業、農業、建筑業、電子電氣、交通運輸、電力、電訊通信業、包裝業等各個領域。聚氯乙烯（PVC）的硬質制品甚至可代替金屬制成各種工業行材，如門窗、管道、閥門絕緣板和防腐材料等，也可用做收音機、電話、電視機、蓄電池等外殼或家具、玩具等。聚氯乙烯（PVC）輕質品則可制成薄膜，加工制作雨披、桌布、包裝材料、農膜等，其再加工產品可以制成人造革、電線、電纜等的絕緣層1。1.1.2 聚氯乙烯（PVC）改性品種聚氯乙烯（PVC）性脆，熱穩定性差，不易加工。為了改善其性能，增加品種，可

8、進行改性，改性的品種有氯乙烯共聚物、聚氯乙烯共混物和氯化聚氯乙烯等。2(1) 氯乙烯共聚物氯乙烯可以和乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯、偏二氯乙烯、丙烯腈和丙烯酸酯類等單體共聚，共聚物的產量占聚氯乙烯總產量的25%以下。(A) 氯乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物采用懸浮共聚法，一般生產醋酸乙烯酯含量3%5%和13%15%的兩個品級，可用于制造塑料地板、涂料、薄膜、壓塑制品、唱片及短纖維等。(B) 氯乙烯 - 偏二氯乙烯共聚物美國陶氏化學公司在30年代就研制成功了偏二氯乙烯含量在50%以上的氯乙烯共聚物，商品名莎綸B(Saran B)這種共聚物耐老化，耐臭氧，機械性能好，能溶于四氫呋喃、環己酮及氯苯等有機溶劑，

9、溶液具有較好的粘合性與成膜性。用這種共聚物制得的薄膜無毒、透明，具有極低的透氣性與透濕性，是極好的食品包裝材料。這種共聚物也是一種優良的防腐蝕材料。由其制造的纖維稱偏氯綸，可做漁網、座墊編織物和化工濾布等。(C) 丙烯 - 氯乙烯或乙烯氯乙烯共聚物丙烯含量約10%的共聚物，用于吹塑成型和注射成型等。與氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物相比，加工溫度較低、且與熱分解溫度間隔大，熔體流動性好，無毒，透明。乙烯-氯乙烯共聚物，也是用懸浮法在75和壓力1.296MPa下共聚而成，乙烯含量為4%43%，具有高耐沖擊性，高透明度和優良的加工性能，無毒，可制透明度高的薄膜、容器等。(D) 氯乙烯接枝共聚物以乙烯醋酸乙

10、烯酯樹脂為基材的氯乙烯接枝共聚物，具有優良的耐沖擊性、耐氣候性和耐熱性，適于作室外用建筑材料。用聚丙烯酸酯與氯乙烯的接枝共聚物。在西歐，接枝共聚物已有逐步取代相應的共混物的趨勢。 (2) 聚氯乙烯共混物聚氯乙烯板材用其他樹脂與PVC共混，是一種能多方面改進PVC性能的好方法。用機械共混法使PVC與乙烯-醋酸乙烯酯樹脂共混，能起到長效的增塑作用，改善沖擊強度、耐寒性及加工性。聚氯乙烯與丁腈橡膠，氯化聚乙烯或 ABS樹脂共混，也可以顯著改善韌性，耐寒性和加工性。與甲基丙烯酸甲酯丁二烯苯乙烯共聚物（見聚苯乙烯）的共混物，不僅沖擊強度高，而且可以得到透明制品。聚氯乙烯共混物的研究與生產，品種不斷增加，

11、使用范圍不斷擴大。(3) 氯化聚氯乙烯聚氯乙烯（PVC）經氯化而得的一種熱塑性樹脂，由溶液氯化法制得的，俗稱過氯乙烯，簡稱CPVC，含氯量6168%，氫原子沒有全部被氯取代。白色或淡黃紫色粉末，溶解性比聚氯乙烯好，能溶于丙酮、氯苯、二氯乙烷和四氯乙烷，耐熱性比聚氯乙烯高2040，耐寒性比聚氯乙烯約低25，不易燃燒，耐氣候、耐化學藥品及耐水性均優，可以用擠出法生產管材,主要作熱水上水管使用。氯化聚氯乙烯的溶液有良好的粘合性、成膜性和成纖性，可用于膠粘劑、清漆和紡絲。膠粘劑主要用于粘接聚氯乙烯（PVC）板及其制品。清漆的漆膜能耐腐蝕、柔軟、耐磨且剝離強度高，用它紡成的絲稱過氯綸，對酸、堿、鹽皆穩定

12、，適于作耐化學腐蝕的濾布、工作服、篩網、漁網和運輸帶等。其生產方法有兩種：（A） 溶液氯化法將聚氯乙烯溶于氯苯或四氯乙烷，在襯鋁或搪瓷的反應釜中，于光或自由基引發下，攪拌并通入氯氣，在70下氯化，氯化過的氯化聚氯乙烯溶液經水析、水洗、過濾、干燥即得白色絮狀顆粒成品。此法操作和設備均較簡單，但氯化時間較長。（B） 懸浮氯化法將聚氯乙烯（PVC）懸浮于含二氯甲烷膨潤劑的水或稀鹽酸溶液中，在加壓釜內通入氯氣，于60下氯化，產物用乙醇沉淀出來。此法氯化時間短，但操作不易掌握，設備要求高，工業上較少采用。加工可分為各組分的混合、塑化及成型加工三個步驟。樹脂與按配方添加的各種助劑配合時，可用捏和機或高速攪

13、拌混合機均勻混合，再經擠出機塑化、切粒，即得到塑化好的粒料。這種粒料可以貯存待用或出售。粒料經擠出、吹塑、壓延或注射成型加工為各種制品，也可以直接用混好的粉料（也稱干混料）進行硬制品的加工。1.1.3 聚氯乙烯（PVC）生產行業現狀及發展前景聚氯乙烯（PVC）廣泛應用于工業、農業、建筑業、交通運輸業、電力電訊、包裝業等各個領域。2010年我國聚氯乙烯（PVC）生產能力約為1200萬噸，產量為1100萬噸，凈進口量達近200萬噸，消費年增長率在10.5左右。隨著節水灌溉政策、建筑用化學建材、包裝業、電子電氣業、汽車業等下游行業對聚氯乙烯（PVC）的需求急速增長，未來幾年我國對聚氯乙烯（PVC）(

14、PVC)的需求依然會保持較高的增長速度。2011年全球PVC消費量約為3500萬噸，預計到2015年我國聚氯乙烯（PVC）樹脂的需求量將達到近1500萬噸，2020年將達到2160萬噸。1.2 聚氯乙烯（PVC）產品的分類和命名1.2.1 聚氯乙稀（PVC）產品分類根據生產方法的不同，PVC可分為：通用型PVC樹脂、高聚合度PVC樹脂、交聯PVC樹脂。通用型PVC樹脂是由氯乙烯單體在引發劑的作用下聚合形成的；高聚合度PVC樹脂是指在氯乙烯單體聚合體系中加入鏈增長劑聚合而成的樹脂；交聯PVC樹脂是在氯乙烯單體聚合體系中加入含有雙烯和多烯的交聯劑聚合而成的樹脂。根據氯乙烯單體的獲得方法來區分，可分

15、為電石法、乙烯法和進口（EDC、VCM)單體法（習慣上把乙烯法和進口單體法統稱為乙烯法）。根據聚合方法，聚氯乙烯可分為四大類：懸浮法聚氯乙烯，乳液法聚氯乙烯、本體法聚氯乙烯、溶液法聚氯乙烯。懸浮法聚氯乙烯是目前產量最大的一個品種，約占PVC總產量的80%左右。四種聚氯乙烯的基本特性見表1.2.1。3表1-1 不同合成方法制得聚氯乙烯（PVC）產品特性比較生產方法特性懸浮聚合法不含金屬離子，有良好的電絕緣性及熱穩定性乳液聚合法顆粒較細，含雜質較多，電絕緣性及熱穩定性不及懸浮法本體聚合法含雜質極少純度高。熱穩定性和電絕緣性優于懸浮法溶液聚合法含雜質極少純度高，成本高，價格高。聚合物的分子量不高1.

16、2.2 聚氯乙稀（PVC）產品命名懸浮法聚氯乙烯按絕對黏度分六個型號：XS-1、XS-2XS-6；XJ-1、XJ-2、XJ-6。型號中各字母的意思：X-懸浮法；S-疏松型；J-緊密型；國產懸浮法聚氯乙烯的特性請見表1.2.2 。4表1-2 國產懸浮法聚氯乙烯的特性產品型號絕對黏度mPas平均聚合度XS-1 / XJ-1 2.10 1340XS-2 / XJ-21.902.1011101340XS-3 / XJ-31.801.90 9801110XS-4 / XJ-41.701.80 850980XS-5 / XJ-51.601.70 720850XS-6 / XJ-61.501.60 5907

17、201.3 聚氯乙烯（PVC）生產方法5聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯單體通過自由基聚合而成，聚合度n一般在500-20000范圍內，其分子結構式如下：聚氯乙烯（PVC）按聚合方法分四大類：懸浮法聚氯乙烯（PVC），乳液法聚氯乙烯（PVC）、本體法聚氯乙烯（PVC）、溶液法聚氯乙烯（PVC）。本設計計劃采用懸浮法生產聚乙烯。懸浮法(主要是水相懸浮法)生產的氯化聚氯乙烯（PVC）為非均質產品,溶解度相對于溶液法產品低,但熱穩定性高,主要用于制造管材、管件、板材等4。1.3.1 懸浮聚合法6使單體呈微滴狀懸浮分散于水相中，選用的油溶性引發劑則溶于單體中，聚合反應就在這些微滴中進行，聚合反應熱及時被水

18、吸收，為了保證這些微滴在水中呈珠狀分散，需要加入懸浮穩定劑，如明膠、聚乙烯醇、甲基纖維素、羥乙基纖維素等。引發劑多采用有機過氧化物和偶氮化合物，如過氧化二碳酸二異丙酯、過氧化二碳酸二環己酯、過氧化二碳酸二乙基己酯和偶氮二異庚腈、偶氮二異丁腈等。聚合是在帶有攪拌器的聚合釜中進行的。聚合后，物料流入單體回收罐或汽提塔內回收單體。然后流入混合釜，水洗再離心脫水、干燥即得樹脂成品。氯乙烯單體應盡可能從樹脂中抽除。聚合時為保證獲得規定的分子量和分子量分布范圍的樹脂并防止爆聚，必須控制好聚合過程的溫度和壓力。樹脂的粒度和粒度分布則由攪拌速度和懸浮穩定劑的選擇與用量控制。樹脂的質量以粒度和粒度分布、分子量和

19、分子量分布、表觀密度、孔隙度、魚眼、熱穩定性、色澤、雜質含量及粉末自由流動性等性能來表征。聚合反應釜是主要設備，由鋼制釜體內襯不銹鋼或搪瓷制成，裝有攪拌器和控制溫度的傳熱夾套，或內冷排管、回流冷凝器等。為了降低生產成本，反應釜的容積已由幾立方米、十幾立方米逐漸向大型化發展，最大已達到200m。聚合釜經多次使用后要除垢。以聚乙烯醇和纖維素醚類等為懸浮穩定劑制得的聚氯乙烯（PVC）一般較疏松，孔隙多，表面積大，容易吸收增塑劑和塑化。1.3.2 乳液聚合法最早的工業生產聚氯乙烯（PVC）的一種方法。在乳液聚合中，除水和氯乙烯單體外，還要加入烷基磺酸鈉等表面活性劑作乳化劑，使單體分散于水相中而成乳液狀

20、，以水溶性過硫酸鉀或過硫酸銨為引發劑，還可以采用“氧化-還原”引發體系，聚合歷程和懸浮法不同。也有加入聚乙烯醇作乳化穩定劑，十二烷基硫醇作調節劑，碳酸氫鈉作緩沖劑的。聚合方法有間歇法、半連續法和連續法三種。聚合產物為乳膠狀，乳液粒徑0.052m,可以直接應用或經噴霧干燥成粉狀樹脂。乳液聚合法的聚合周期短，較易控制，得到的樹脂分子量高，聚合度較均勻，適用于作聚氯乙烯糊，制人造革或浸漬制品。乳液法聚合的配方復雜，產品雜質含量較高。1.3.3 本體聚合法聚合裝置比較特殊，主要由立式預聚合釜和帶框式攪拌器的臥式聚合釜構成。聚合分兩段進行，單體和引發劑先在預聚合釜中預聚1h，生成種子粒子，這時轉化率達8

21、%10%，然后流入第二段聚合釜中，補加與預聚物等量的單體，繼續聚合。待轉化率達85%90%，排出殘余單體，再經粉碎、過篩即得成品。樹脂的粒徑與粒形由攪拌速度控制，反應熱由單體回流冷凝帶出。此法生產過程簡單，產品質量好，生產成本也較低。1.3.4 溶液聚合法溶液聚合法與乳液聚合法基本類似，在溶液聚合中，單體溶解在一種有機溶劑（如 n-丁烷或環己烷）中引發聚合，隨著反應的進行聚合物沉淀下來。溶液聚合反應專門用于生產特種氯乙烯與醋酸乙烯共聚物（通產醋酸乙烯含量在10-25%）。這種溶液聚合反應生產的共聚物純凈、均勻，具有獨特的溶解性和成膜性。在本設計中，采用傳統懸浮聚合法生產聚氯乙烯。1.4 設計規

22、模原料選擇與產品規格1.4.1設計規模本設計規模為年產10萬噸聚氯乙烯（PVC），年實際工作日為330天，日生產能力為303噸。1.4.2主要原料規格及技術指標 用于懸浮聚合的氯乙烯單體純度在99%以上，其他雜質的含量見下表。表1-3 原、輔料規格序號名稱含量1乙烯0.00022丙烯0.00023乙炔0.00024丁二烯0.00025-丁烯-炔06二氧化合物0.00017水0.058HCl0去離子水規格見下表。表1-4 去離子水的規格序號項目數值1導電率/0.52pH值7.03氧含量,0.000014硬度05SiO2,06SO3,0.000017氯,08蒸發殘留物01.4.3產品規格產品及副產

23、品規格見下表。表1-5 產品規格序號純度單體含量其它雜質H2OPH備注精聚氯乙烯（PVC）99%0.10.60.32.7-3.7優級品精聚氯乙烯（PVC）98%0.11.00.92.5-3.8一等品精聚氯乙烯（PVC）97%0.21.51.32.5-3.8合格品主要原料購買途徑見下表。表1-6 主要原料購買途徑原料名稱購買途徑氯乙烯杭州力科化工有限公司丙烯杭州力科化工有限公司乙炔上海佳杰特種氣體丁二烯吉益化工1 丁烯 3 炔吉益化工去離子水上海沈氏環保科技有限公司HCL愛康尼克公司2工藝設計與計算2.1 工藝原理氯乙烯的聚合屬于自由基型聚合反應。聚合時所采用的引發劑為油溶性的偶氮類、有機過氧化

24、物類和氧化還原引發體系。其反應迅速并且同時會放出大量的反應熱。鏈增長的方工為頭尾相連。聚合反應過程存在著很大程度的增長鏈向單體的轉移，是影響產物相對分子質量的主要因素，這種鏈轉移會隨溫度的升高而加快。聚氯乙烯（PVC）由氯乙烯單體通過自由基聚合而成，聚合度n一般在500-20000范圍內，其分子結構式如下：氯乙烯的懸浮聚合是生產聚氯乙烯（PVC）的主要方法，這種方法具有操作簡單，生產成本低，產品質量好，經濟效益好，用途廣泛等特點，比較適于大規模的工業生產。在樹脂質量上，用懸浮聚合生產的聚氯乙烯（PVC）樹脂的孔隙率提高了300%以上，經過適當處理后樹脂中單體氯乙烯的殘留量由原來的0.1%降到0

25、.0005%以下。另外，由于清釜技術和殘留單體回收技術的發展，減少了開釜次數，進而減少了氯乙烯單體的釋放量；采用燒結，冷凝或吸收方法汽提品和處理廢氣，從而進一步減少了氯乙烯單體的消耗。2.2 工藝條件影響因素2.2.1 聚氯乙烯（PVC）聚合主要影響因素（1） 單體純度用于懸浮聚合的氯乙烯單體純度應在99.9%以上。所以生產原料對聚氯乙烯（PVC）質量很重要。氯乙烯中雜質的含量應盡可能低一些，其中脫鹽水PH值最好近乎中性，在6.5至7.5之間，導率應小于2um/cm。乙炔參與聚合后,會形成不飽和鍵使產物熱穩定性變壞，由于不飽和多氯化物存在，不但會降低聚合速率、降低產物聚合度還易產生支鏈，從而使

26、產品性能變壞。（2） 引發劑反應中引發劑多采用有機過氧化物和偶氮類引發劑，其中有機過氧化物指的是過氧化二碳酸酯、過氧化酯類。它們既可以單獨使用，也可以兩種或兩種以上引發活性不同的引發劑復合使用，引發劑復合使用的效果比單獨使用更好，可另反應速度更均勻，操作更加穩定，產品質量好，同時加強了反映的安全性。引發劑的用量可以采用下式進行估算后，再通過少量實驗進行微量調整，其計算公式如下： I（）=NrM10-4/1-exp(-0.693t/t1/2)式中： I：工業上引發劑用量（質量分數），；Nr：引發劑理論消耗量，等于（1加減慢0.1）mol/tpvc)；用AIBN時,取0.9；用DCPD、EHP等過

27、氧化二碳酯時，取1.1；M：引發劑的相對分子質量；t：聚合時間/h；t1/2：引發劑分解半衰期/h。工業生產中聚合的時間一般控制在510h，應用選擇t1/2為23h的引發劑。如果采用復合型引發劑，最好是一種引發劑的t1/2為46h。（3） 分散劑 工業常用分散劑主要有明膠、聚乙烯醇、羥丙基甲基纖維素、甲基纖維素和苯乙烯-順丁烯二酸酐等。工業上常以纖維素類（如羥丙基甲基纖維素、甲基纖維素等）和醇解度7590的聚乙烯醇作為主分散劑，以非離子山梨糖醇（如一月桂酸酯、一硬脂酸酯、三硬脂酸酯等）作為輔助分散劑，也可兩者進行復合使用。（4） 水質與水量氯乙烯的懸浮聚合應使用去離子水，其規格要求如（表-去離

28、子的規格）所示。尤其水中的氯離子、鐵和氧等的含量應嚴格控制，其中氯離子若超過一定含量會造成樹脂顆粒形成不均；水中的鐵會降低樹脂的熱穩定性，并可能組織反應繼續進行。其水的用量與樹脂的內部結構有關，緊密型樹脂（以吸膠為分散劑）單體與水的質量比為1：1.11：1.3；疏松型樹脂（以聚乙烯醇為分散劑）單體與水的質量比為1：11：2.0。（5） 系統中的氧由于氧對聚合有緩聚和阻聚作用，在單體自由基存在下，氧能與單體作用生成過氧化高聚物-CH2-CHCL-O-O-n，此物質易水解行成酸類物質破壞懸浮液和產品的穩定性，因此從聚合角度以及安全角度考慮，應將各種原料中的氧和系統中的氧完全清除干凈。（6） 其他助

29、劑（A） pH調節劑氯乙烯懸浮聚合時pH值應控制在78，即在偏堿性的條件下進行聚合。這樣可確保引發劑有良好的分解速率，；另分散劑更穩定，防止因產物裂解產生HCL從而造成懸浮液的不穩定，進而造成黏釜、清釜和傳熱困難，最終影響產品質量。因此需要加入水溶性碳酸鹽、磷酸鹽、醋酸鈉等物質作為緩沖來調節pH值。（B） 防黏釜劑 在氯乙烯的懸浮聚合中，存在黏釜現象，不但影響聚合的傳熱，也影響最終產品的質量，而且人工清釜勞動強度大，會影響到工人健康，所以應采用一定措施防止黏釜現象的產生。在此采用加入防黏釜劑的形式解決上述問題。常用的防黏釜劑是可以在水相中加入水相阻聚劑如次甲基藍、硫化鈉等；或在釜民壁、攪拌器等

30、設備上均勻噴涂一定量的水浴黑、亞硝基P鹽或多元酚的縮合物等。若依然發現有黏釜現象，可采用高壓（14.739.2Mpa）水沖洗法清洗。（C） 泡沫抑制（消泡劑） 消泡劑在此選用鄰苯二甲酸二丁酯或（未）飽和的C6C20羧酸甘油酯。（7） 聚合溫度與壓力（A） 聚合溫度 氯乙烯懸浮聚合的溫度高低決定了聚合產物相對分子質量的大小，因此必須嚴格控制聚合的溫度。在實際生產中，一般應控制溫度在正常溫度的正負0.5范圍內，并且要確保溫度控制平穩，采取適當降溫處理手段，防止出現異常現象。在此采用大流量低溫差循環方式。（B） 聚合壓力 在反應溫度下，氯乙烯有一定的蒸汽壓力，只有在聚合末期，大最單體聚合后，其蒸氣壓

31、力才會有一定程度的下降6。2.3 工藝路線選擇2.3.1 工藝路線選擇原則工藝路線的選擇即生產方法的選擇。許多輕化工產品生產的一個特點就是生產方法的多樣化。所以應對不同的工藝路線逐個進行分析研究，通過比較分析找出一條符合實際的最優工藝路線，確定后即可進行工藝流程的設計。工藝流程設計的應注意其可靠性、先進性以及可操作性三點。在此本設計計劃采用乳液懸浮法在引發劑作用下發生加成反應制取聚氯乙烯（PVC）。2.3.2 懸浮法聚氯乙烯（PVC）工藝流程具體工藝路線(1) 聚合懸浮聚合的過程是先利用水泵將去離子水打入聚合釜中并啟動攪拌器,然后依次將分散劑、引發劑及其他助劑溶液加入聚合釜，再在聚合釜夾套內通

32、入蒸汽和熱水，當聚合釜內溫度升高至聚合所需溫度（5058）后，改為通冷卻水，控制聚合溫度不超過反應溫度的正負0.5。而當轉化率達6070，會有自加速現象發生，此時反應加快，劇烈放熱，此時應大量通入冷卻水，待釜內壓力達最高0.6870.981Mpa時,即可使聚合物膨脹泄壓出料,。因為聚氯乙烯（PVC）粒的疏松程度與泄壓膨脹的壓力有關，因此要根據不同要求控制泄壓時的壓力。少量未聚合的氯乙烯單體則通過泡沫捕集器排入氯乙烯氣柜，再次循環使用。而氯乙烯氣體中帶出的少量樹脂在可在泡沫捕集器中捕集下來，流至沉降池作為次品處理。7(2) 堿處理將聚合物懸浮溶液送至堿處理釜，使用濃度為3642的NaOH溶液進行

33、處理,其加入量為懸浮液的0.05%0.2%左右,用蒸汽直接加熱至7080并維持1.52.0h,然后利用氮氣進行吹氣降溫至65以下時,再進行過濾和洗滌。采取堿處理的目的是破壞殘存的引發劑、分散劑、低聚物等揮發性物質，使其轉化為能溶于熱水的物質，以便于水洗清除。(3) 樹脂的干燥方法 聚氯乙烯（PVC）樹脂的干燥方法采用二段干燥法，即結合使用氣流干燥管與沸騰床干燥器，其中氣流干燥管用來脫除樹脂上的表面非結合水，沸騰床干燥器用來脫除樹脂內部結合水。由于物料再次停留時間很長，存在投資較大、熱效率較差、費用較高等缺點，國內外工業生產往往會進行較大的改進，例如赫司特公司就采用MST旋風干燥器，其具有停留時

34、間適用、熱效率利用高等特點。(4) 脫水與成品產物先在臥式刮刀自動離心機或螺旋沉降式離心機中進行過濾，再使用7080熱水洗滌兩次。經脫水后的樹脂含有一定量的水，此時再經螺旋輸送器送入氣流干燥管，以140150熱風進行第一段干燥，出口樹脂的含水量將小于4%；再通入沸騰床干燥器中以120熱風進行第二段干燥，得到含水量小于0.3%的聚氯乙烯（PVC）樹脂。再經篩分、包裝后入庫。2.3.3 工藝流程示意圖離心分離槽氣提塔堿處理釜漿料排放槽聚合釜去離子水 聚乙烯 引發劑 助劑旋風干燥床旋振篩成品儲存與包裝2.4 工藝配方與工藝參數2.4.1 工藝配方（質量份）： 去離子水 100 氯乙烯 5070懸浮劑

35、（聚乙烯醇） 0.050.5 引發劑（過氧化二碳酸二異丙醇） 0. 020.3EHP過氧化二碳酸二（2-乙基己酯）緩沖劑（磷酸氫二鈉） 00.1 消泡劑（鄰苯二甲酸二丁酯） 00.0022.4.2 工藝參數：(1) 聚合聚合溫度 5058（依PVC型號而定）聚合壓力 初始0.6870.981Mpa 結束0.2490.196Mpa聚合時間 812h轉化率 90(2) 堿處理NaOH濃度 3642加入量 聚合漿液的0.050.2溫度 7080時間 1.52.0h(3) 脫水緊密型樹脂含水率 815疏松型樹脂含水率 1520(4) 干燥第一段氣流干燥管干燥 干燥溫度 140150風速 15m/s物料

36、停留時間 1.2s含水率 4第二段沸騰床干燥干燥溫度計 120物料停留時間 12min含水率 0.32.5 物料衡算2.5.1 物料衡算的意義與作用物料衡算在化工計算中是最基本，最重要的內容之一，是進行化工計算的基礎。在化學工程中，為導出某一過程的基本方程式建立數學模型，設計或改造工藝流程及設備，了解與控制生產操作過程，核算生產過程的經濟效益等都要進行物料的衡算。物料衡算廣泛應用于生產和設計。在工廠設計時，物料衡算是在確定工藝流程及工藝參數后即開始的一項化工計算工作，此時設計工作從定性分析轉入定量計算。物料衡算是通過每一道工序的物料變化情況來進行平衡計算，從而得到在正常生產情況下各種物料數量。

37、通過物料衡算，在已知產品生產任務情況下，可計算出所需原材料、生成副產品、廢物等的生成量。此外通過物料衡算不僅可算出原材料消耗數額，計算出生產過程所產生的熱量變化，同時也為設備選型提供了依據，物料衡算的結果直接關系到車間運輸量以及生產成本，對工廠技術經濟指標有重要影響。2.5.2 物料衡算的方法與步驟一：收集計算數據；二：原料，輔料，中間產物及產品的規格；三：過程中單位時間內的物流量；四：有關消耗定額；五：有關轉化率，選擇性，單程收率；六：有關物理化學常數。（1） 畫物料流程圖為了物料衡算時分析問題更簡便，便于展開計算以及為準備建立方程式，需根據計算任務畫出物料流程圖或物料衡算方框圖。圖應盡可能

38、詳盡，表明已知數據與未知數據，還應畫出物料線，包括每股物料的名稱、數量、組成以及流向，還有與計算有關的工藝條件（如溫度，壓力，流量，配比等）。（2） 確定衡算范圍在物料衡算中，有時會遇到較復雜的計算，為便于計算常采用劃定衡算范圍的方法，即衡算范圍一經劃定，便可假想成為一個獨立體系，凡是通過邊界進入體系的量屬于輸入項，而穿越邊界離開體系的量屬于輸出項。（3） 選定計算基準若已知在流程中作為計算基準的數量，則以此數據為基準，采用“順算法”，就能方便的計算出單位時間的產品，中間產品以及三廢產量的各股物料量。若已知產品量且中間計算步驟較多則難以一下子算出原料量，此時可采取“倒推法”，即由已知產品量反向

39、計算算出其他各物料的量。倘若年產量在數值上太大，不方便進行計算，則可先假設按100千克或100摩爾原料出發進行計算，計算出產品產量后，與實際產量進行比較，求出相差的系、倍數，以此系、倍數乘以原假設量，即可得到各股物料的實際量。在此設計中，直接采用順算法進行物料計算。（4） 列出輸入-輸出物料平衡表列表以描述和識別所有進入體系和離開體系的物料量。再表中列出已知量和未知量，以及經過導出和計算的有關數據。2.5.3 物料衡算生產任務： 年產10萬噸噸丙酮氰醇生產時間： 330天/年每天生產量： （噸1000）/330天=3.03105千克/天每小時生產量： (3.03105)/24=1.26103千

40、克/小時（1）聚合釜物料衡算去離子水純度 100%氯乙烯純度 99%懸浮劑（聚乙烯醇） 97%引發劑（過氧化二碳酸二異丙醇） 97%緩沖劑（磷酸氫二鈉） 99%消泡劑（鄰苯二甲酸二丁酯） 99%轉化率： 93%進料：表2-1 聚合釜進料量名稱質量（千克/小時）去離子水：2.17103千克/小時氯乙烯：1.36103千克/小時引發劑：0.48千克/小時懸浮劑1.05千克/小時緩沖劑2.25千克/小時消泡劑0.05千克/小時出料：表2-2 聚合釜出料量名稱質量（千克/小時）去離子水：1.96103千克/小時聚氯乙烯（PVC）：1.28103千克/小時氯乙烯：25千克/小時引發劑：0.005千克/小

41、時懸浮劑 1.05千克/小時緩沖劑2.25 千克/小時消泡劑0.05千克/小時（2） 堿中和釜物料衡算NaOH溶液濃度： 36NaOH溶液：聚氯乙烯（PVC） 0.2：100溶劑水： 20千克/小時聚氯乙烯（PVC）： 1.28103千克/小時轉化率為 99.9%進料：表2-3 堿中和釜進料量名稱質量（千克/小時）NaOH溶液32千克/小時溶劑水20千克/小時聚氯乙烯（PVC）1.28103千克/小時雜質0.02千克/小時出料：表2-4 堿中和釜出料量NaOH溶液0.025千克/小時溶劑水20千克/小時聚氯乙烯（PVC）1.28103千克/小時雜質11.5千克/小時NaOH溶液0.025千克/

42、小時2.6熱量衡算2.6.1 熱量衡算的意義和作用精細化工生產一般應在規定的壓力、溫度和時間等工藝條件下進行，生產過程中包括化學和物理過程，往往伴隨著能量變化，因此必須進行能量衡算。生產中一般無軸功或軸功相對較小，可以忽略不計，所以能量衡算實質上是熱量衡算。生產過程中所產生的化學熱效應與物理變化熱效應會使物料溫度上升或下降，為保證生產過程在一定溫度條件下進行則需要環境與生產系統有熱量交換，對于新車間設計，熱量衡算是基于物料衡算進行的，通過熱量衡算，可以確定傳熱設備的熱負荷情況，即通過確定在規定時間中攝入或逸出的熱量，從而確定傳熱劑消耗量，選擇恰當的傳熱方式，計算傳熱面積。通過結合熱量與物料衡算

43、，則可以確定設備的工藝尺寸，型號參數等。82.6.2 熱量衡算在解決實際問題中，熱平衡方程為：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中：Q1各股物料帶入的熱量Q2加熱劑（或冷卻劑）傳給設備和物料的熱量Q3各種熱效應，如反應熱，溶解熱等Q4各股物料帶走的熱量Q5消耗在加熱設備上的熱量Q6熱損失水的比熱為4.2KJ/（Kg）乙烯的比熱為2.3KJ/（Kg）引發劑和助劑的平均的比熱為2.7KJ/（Kg）總熱損失（Q5+ Q6）為反應熱的10%（1） 聚合釜的熱量衡算聚合釜 氯乙烯 水25 水18 引發劑和助劑 聚乙烯=4.2（100/146.3）+2.3（46.3/146.3）=2.71 KJ/（Kg

44、） =2.7（124.4/146.3）+2.9（15/146.3）+2.3（6.9/146.3）=2.7 KJ/（Kg）Q3=10.54.3868=.16KJQ1=mt1 Q4=mt2Q5+ Q6= Q210%利用Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6（Q2符號為負）可求得：Q2=.4KJ（2） 堿中和的熱量衡算堿中和釜 聚乙烯 聚乙烯18水水25 NaOH溶液 雜質=2.7（124.4/146.3）+2.9（15/146.3）+2.3（6.9/146.3）=2.7 KJ/（Kg）=2.7（131.7/146.3）+2.9（10/146.3）+2.3（4.63/146.3）=2.67 KJ/（Kg

45、）Q3=10.54.386873=3208.2KJQ1=mt1Q4=mt2Q5+ Q6= Q210%利用Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6（Q2符號為負）可求得：Q2=2999KJ（3） 旋風干燥床熱量衡算旋風干燥床 聚乙烯 聚乙烯25水水40 易揮發雜質 雜質=2.7（131.7/146.3）+2.9（10/146.3）+2.3（4.63/146.3）=2.67KJ/（Kg）=2.7（136.4/146.3）+2.9（7/146.3）+2.3（3.24/146.3）=2.69 KJ/（Kg）Q3=10.54.38684700=.6KJQ1=mt1Q4=mt2Q5+ Q6= Q210%利用Q1

46、+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6（Q2符號為負）可求得：Q2=.3KJ3設備選型3.1 選型原則設備的選擇應首先考慮到工藝上的要求，爭取做到技術先進，合理經濟，即選用的設備能適應相關生產規模，并在此同時獲得最大的產率，而且能適應不同產品的品種變化，并且確保相應產品的生產質量。另外整個工藝設備的設計選擇也應盡量考慮到實際生產的勞動強度，在提高生產率的同時盡可能的降低原材料及相應公用工程（水，電，氣）的單位消耗。9另外，在工業生產中不允許使用不成熟或未經實際生產考核過的設備。所以在設計中所計劃選用的設備不但要求具有可靠的技術性能，也必須考慮到設備材質的可靠性，這一點同時應用于國內國外不同廠商所生產的

47、各類設備，特別對生產中的關鍵設備，一定要經過充分的調查、研究與對比之后，再作出恰當的選則。3.2 關鍵設備選擇與計算3.2.1 釜的計算對于連續反應釜：6 （3.2.1-1)式中：Vh：每小時處理的物料量；：反應所需的時間；N：設備備用系數；：裝料系數 。（1） 聚合釜的主要參數在此設計中，懸浮聚合氯乙烯將采用釜式聚合反應器，期中聚合釜的材質可選用復合鋼板、全不銹鋼或搪瓷。現代化工產業中聚合釜的選用趨勢是大型化，國內普遍采用33m3復合鋼板制聚合釜，而國外則采用的容積更大的聚合釜，普遍可達到近127m3容積的聚合釜。（2） 聚合釜的傳熱反應釜的生產能力很大程度上依賴于其聚合的傳熱能力，其中聚合

48、釜的傳熱能力可以用下式表示： Q = KAtm （3.2.1-2）式中：Q：傳熱能力或傳熱速度/（kJh）；A：傳熱面積/；K：傳熱系數/W/（K）；tm：傳熱溫差/。有以下三種途徑可以提高傳熱能力：增大傳熱面積，提高傳熱系數以及增大傳熱溫度差。（A） 傳熱面積影響聚合釜傳熱面積的因素有聚合釜的高徑與容積。其中，高徑比等于L/D，則若其高徑比越大（瘦長型），則反應釜的傳熱面積越大；L/D=1時，反應釜的傳熱面積最小。高徑比的大小不僅影響釜的傳熱面積，還影響攪拌器的安裝。按日本日立公司的意見為：當釜的容積小于30時，傳熱面積成為主要阻礙，因此L/D應大于1，而當釜的容積大于200時，攪拌器將成為

49、主要阻礙，因此L/D應小于4，綜上所述，一般L/D應控制在1.54左右。聚合釜的傳熱面積大小隨聚合釜容積的增加而減小。一般用單位體積的傳熱面積，即比傳熱面積用A/V（m2/m3）表示。如當L/D=1.2時，存在A=4.77V0.65關系，此時若將容積為14m3的聚合釜放大至容積為50 m3，則比傳熱面積將下降到之前的37%。因此，若聚合釜的容積增大但傳熱面積不足時，可采用釜內加冷管、D型擋板或釜頂冷凝器等手段來增加傳熱面積。如國內80m3聚合釜內便安裝有4組內冷管以及釜頂冷凝器，德國某200m3聚合釜未設置釜內冷管但是加入了少量擋板和釜頂冷凝器以增大其傳熱面積，但需注意的是，設置釜內冷管后將對

50、攪拌和黏釜情況產生一定影響，因此應在傳熱面積足夠的情況下盡量少的設置內擋板或內冷管。（B） 傳熱系數傳熱性能好的聚合釜傳熱系數一般可達到465582W/（K），甚至超過689 W/（K），搪瓷釜也可以達到349W/（K）以上的傳熱系數。而當傳熱系數小于233 W/（K）時，則認為傳熱較差，應予以加強。影響傳熱系數的因素如下式所示： 1/K=1/a1+a1a2 (修改) （3.2.1-3）式中： K分別為釜內和外給熱系數，W/（K）； a1為釜壁黏釜物層、不銹鋼層、碳鋼層、搪瓷層、水垢層各層的厚度，m； a2為釜壁黏釜物層、不銹鋼層、碳鋼層、搪瓷層、水垢層各層的熱導率，W/（K）；釜內壁給熱系數a1 體系黏度越小則攪拌強度越大，從而內壁液膜增薄導致熱阻減小，a1值變大。釜外壁給熱系數a2 釜外夾套通冷卻水降溫，所以釜外壁給熱系數一般在5825820W/（K）之間，主要由冷卻水流動狀況決定，傳熱性能良好的聚合釜則要求a2在23263489W/（K）以上。（一） 聚合釜中物料情況。表3-1 聚合釜中物料情況物料流量密度去離子水2.17103千克/小時1.0103千克/立方米氯乙烯1.36103千克/小時0.972103千克/立方米引發劑0.43千克/小時1.328103千克/立方米懸浮劑1.