1、聚氯乙烯懸浮聚合釜的設計緒論11.1聚氯乙烯概述11.2聚氯乙烯應用，改性與發展21.2.1 PVC性能及應用21.3 聚氯乙烯的生產方法51.3.1 懸浮法61.3.2 乳液聚合法71.4 懸浮聚合的反應設備81.5 國內外聚合釜技術的發展歷程9第一章 聚氯乙烯聚合裝置設計121.1設計任務書121.1.1設計任務12第二章 物料衡算132 聚合釜物料衡算132.1 物料衡算的計算依據132.2 聚合釜物料衡算14第三章 反應釜及其配件153.1 釜的內徑和高度 5153.2 封頭的設計163.3 內筒體和內筒體封頭壁厚173.4 夾套的設計8173.4.1 夾套的直徑183.4.2 夾套的

2、高度183.4.3 夾套的厚度183.4.4 夾套封頭及其厚度6203.4.5 傳熱面積的計算203.5 人孔的設置213.6 視鏡的設計6213.7 法蘭的設計223.8 支座的選擇22第四章 生產周期234.1 聚合反應時間的計算234.1.1 速率常數的計算：244.1.2 引發劑濃度的計算244.1.3 聚合時間的計算254.2 輔助時間的計算254.2.1 加熱時間254.3 生產周期26第五章 攪拌設備265.1 攪拌槳葉寬度及層數的選取13275.2 擋板275.3 槳葉葉輪轉速285.4 攪拌功率295.5 攪拌軸直徑的計算與校核305.5.1 攪拌軸直徑15305.6 攪拌系

3、統的傳動裝置315.6.1 減速機的選擇16315.6.2 密封裝置的選擇325.6.3 電機功率Ne的計算325.6.4 傳動裝置的選擇32第六章 泵和管道336.1 進出料泵的選擇336.2 管的選擇336.2.1 加水管的選擇346.2.2 加料管的選擇346.2.3 出料管的選擇34第七章 熱量衡算347.1 反應熱量計算347.2 傳熱面積的校核：35參考文獻37心得體會38一 設計題目：聚氯乙烯懸浮聚合反應釜的設計二 設計任務：1. 主要原料名稱：氯乙烯（99.98%），去離子水，過氧化二碳酸二基己酯，偶氮二異丁腈，聚乙烯醇，羥丙基甲基纖維素，分散劑，其他助劑。2. 產品要求：平均

4、聚合度：1300；揮發度0.3%；平均粒徑：80目；表觀密度0.42g/ml；殘留氯乙烯：10mg/kg。3. 生產能力：年產2700噸聚氯乙烯4. 已知條件：反應時間：51；壓力：0.70MPa；最終轉化率：90%；最大反應速率/平均反應速度=1.5；反應溫度下，體系的黏度：1.4mPa·s；恒壓熱容：4186.8J/Kg；轉化率70%時，聚合物相中溶有質量分數為30%的單體；裝料系數：0.75；聚合物相中，單體的臨界體積分率/單體的自由體積分率=0.75。三 設計要求：1.圖紙(1) 工藝設計：工藝流程圖，A3；(2) 設備設計：設備總裝圖，A3。2.設計說明書(1)設計任務書及

5、原始資料；(2)設計概述：設計依據、原理、涉及結果概述；(3)工藝計算：物料恒算、熱量恒算、設備選型；(4)非定型設備設計；(5)設計評價：自我評價優缺點、創新性、可靠性。四 參考文獻：化工原理，懸浮聚合，聚合物合成工藝學，化工設備機械設計基礎，聚合反應工程等。五 時間安排：第一周：文獻檢索、工藝計算；第二周：草圖、書寫設計說明書；第三周：完成正式圖紙，打印、裝訂。緒論1.1聚氯乙烯概述聚氯乙烯本色為微黃色半透明狀，有光澤。透明度勝于聚乙烯、聚丙烯，差于聚苯乙烯，隨助劑用量不同，分為軟、硬聚氯乙烯，軟制品柔而韌，手感粘，硬制品的硬度高于低密度聚乙烯，而低于聚丙烯，在屈折處會出現白化現象。常見制

6、品：板材、鞋底、玩具、門窗、電線外皮、文具等。是一種使用一個氯原子取代聚乙烯中的一個氫原子的高分子材料。聚氯乙烯是乙烯基聚合物中最主要的品種，其產量曾占世界合成樹脂的第一位，現在其產量僅次于各種聚乙烯的總產量。聚氯乙烯的分子結構通式是 ，分子量約415萬。聚氯乙烯制品種類的多樣化是其它塑料品種所不及的，它的用途廣泛，既可用作絕緣材料、防腐蝕材料、日用品材料，又可用作建筑材料、農用材料。氯乙烯原料來源充沛、價格低廉，所以聚氯乙烯是得到廣泛應用的通用塑料品種之一。 PVC具有優良的耐化學腐蝕性、電絕緣性和阻燃性，質量輕，機械強度高，易加工，可用于生產建筑材料、包裝材料、電子材料、日用消費品等，廣泛

7、應用于工業、農業、建筑、交通運輸、電力電訊和包裝等各領域。聚氯乙烯塑料一般可分為硬質和軟質兩大類。硬制品加工中不添加增塑劑，而軟制品則在加工時加入大量增塑劑。聚氯乙烯本來是一種硬性塑料，它的玻璃化溫度為8085。加入增塑劑以后，可使玻璃化溫度降低，便于在較低的溫度下加工，使分子鏈的柔性和可塑性增大，并可做成在常溫下有彈性的軟制品。常用的增塑劑是鄰苯二甲酸二辛酯。一般軟質聚氯乙烯塑料所加增塑劑的量為聚氯乙烯的30%70%。除增塑劑外，為了改善其使用和加工，在加工時還需要添加穩定劑、潤滑劑、著色劑、填料等。聚氯乙烯超過100則會逐漸分解出HCl,光線作用下會逐漸老化降解變黃，軟化點較低，機械性能較

8、差。但由于它可以與許多添加劑，特別是增塑劑，穩定劑，潤滑劑混融性好，可加工為硬質及軟質的各種塑料。是應用廣泛的通用材料之一1。 聚氯乙烯為低毒物質，其侵入的途徑有：呼吸道，食道。健康危害：急性毒性表現為麻痹作用，長期接觸可引起氯乙烯病。急性中毒：輕度中毒時，病人出現眩暈，胸悶，嗜睡，步履蹣跚等；嚴重時，可發生昏迷、抽搐，甚至造成死亡。皮膚接觸氯乙烯液體可致紅斑、水腫、肝功能異常、消化功能障礙、雷諾式現象及肢端溶骨癥。皮膚可出現干燥，皸裂。脫屑等等。可致肝細胞腫瘤。環境危害：氯乙烯在環境中能參與光化學煙霧反應。燃爆危險：本品為易燃，致癌物。1.2 聚氯乙烯應用，改性與發展1.2.1 PVC性能及

9、應用 懸浮法PVC樹脂為直徑100180m的顆粒，聚合度依各牌號而定。PVC 大分子中大量的氯原子賦予了聚合物以較大的極性和剛性。PVC 不溶于非極性溶劑，耐酸、堿性好，可作防腐材料。PVC電氣性能優良，廣泛用作絕緣材料。PVC分子間結合力較強，受熱后易放出HCl,純碎的PVC樹脂不能直接加工使用，必須加入各種添加劑配料后制成各種塑料制品，PVC塑料性能多樣化，可制成硬質、半硬質和軟質制品。PVC加工成型容易，可以方便地用擠出、吹塑、壓延、注射等方法加工成各種管材、棒材、薄膜等。 總之，聚氯乙烯是一種綜合性能良好，價格低廉，用途極廣的聚合物，是當前得到廣泛應用的熱塑性塑料的重要品種之一3。聚氯

10、乙烯可分為軟聚氯乙烯和硬聚氯乙烯。其中硬聚氯乙烯大約占市場的2/3，軟聚氯乙烯占1/3。軟聚氯乙烯一般用于地板、天花板以及皮革的表層，但由于軟聚氯乙烯中含有柔軟劑(這也是軟聚氯乙烯與硬聚氯乙烯的區別)，容易變脆,不易保存，所以其使用范圍受到了局限。硬聚氯乙烯不含柔軟劑，因此柔韌性好，易成型，不易脆，無毒無污染，保存時間長，因此具有很大的開發應用價值。PVC樹脂可以采用多種方法加工成制品，懸浮聚合的PVC樹脂可以擠出成型、壓延成型、注塑成型、吹塑成型、粉末成型或壓塑成型。分散型樹脂或糊樹脂通常只采用糊料涂布成型，用于織物的涂布和生產地板革。糊樹脂也可以用于搪塑成型、滾塑成型、蘸塑成型和熱噴成型。

11、發達國家PVC樹脂的消費結構中主要是硬制品，美國和西歐硬質品占大約2/3的比例，日本占55%；硬質品中主要是管材和型材，占大約7080%。PVC軟制品市場大約占全部PVC市場的30%，軟制品主要包括織物的壓延和涂層、電線電纜、薄膜片材、地面材料等。硬質品PVC樹脂近年來增長比軟制品快。在全世界范圍內一半以上的PVC樹脂用于與建筑有關的市場，使PVC行業容易受到經濟的波動影響。建筑領域是PVC樹脂增長最快的市場，19861996年美國PVC樹脂在建筑市場的增長率為6%/年，在其它市場中的增長率僅為1.4%/年。1986年美國PVC樹脂在建筑市場中的分額為64%，1996年增加到73%，預計200

12、1年將增加到76%，增長最快的用途是管材、板壁、和門窗等。近幾年我國聚氯乙烯硬制品應用份額也有增長趨勢，管材、型材和瓶類所占份額由1996年25%增長到1998年的40%，但至今我國聚氯乙烯的應用還是軟制品的份額較多。1998年軟制品占PVC總用量的51%（其中薄膜為20%，塑料鞋10%，電纜料5%，革制品11%，泡沫和單板等5%），硬制品占40%（其中板材16%，管材9%，異型材8%，瓶3%，其它4%），地板墻紙等占9%。 聚氯乙烯塑料一般可分為硬質和軟質兩大類。硬制品加工中不添加增塑劑，而軟制品則在加工時加入大量增塑劑。聚氯乙烯本來是一種硬性塑料，它的玻璃化溫度為8085。加入增塑劑以后，

13、可使玻璃化溫度降低，便于在較低的溫度下加工，使分子鏈的柔性和可塑性增大，并可做成在常溫下有彈性的軟制品。常用的增塑劑有鄰苯二甲酸二辛酯、鄰酯。一般軟質聚氯乙烯塑料所加增塑劑的量為聚氯乙烯的30%70%。聚氯乙烯在加工時添加了增塑劑、穩定劑、潤滑劑、著色劑、填料之后，可加工成各種型材和制品。其用途如下：一般軟塑料制品。利用擠出機可以擠成軟管、塑料線、電纜和電線的包皮。利用注射成型的方法并配合各種模具，可制成塑料涼鞋、鞋底、拖鞋等。薄膜。利用壓延機可將聚氯乙烯制成規定厚度的透明或著色薄膜，用這種方法生產的薄膜稱為壓延薄膜。也可以將聚氯乙烯的粒狀原料利用吹塑成型機吹制成薄膜，用這種方法生產的薄膜稱為

14、吹塑薄膜。聚氯乙烯塑料薄膜上可以印花（如印制包裝裝潢圖案和商標等）。薄膜的用途很大，可以通過剪裁、熱合方法加工成包裝袋、雨衣、桌布、窗簾、充氣玩具等。寬幅的透明薄膜可以建造溫室和塑料大棚，或者用作地膜。涂層制品。將聚氯乙烯糊狀涂料涂敷在布或紙上，然后在100以上將它們塑化，就可制成有襯底的人造革。如果將聚氯乙烯軟片用壓延機直接壓延成有一定厚度時，就制成無襯底的人造革，可壓出各種花紋。人造革用于制造皮包、皮箱、沙發和汽車的座墊、地板革以及書的封面等。泡沫塑料。軟質聚氯乙烯在混煉時加入適量的發泡劑，經發泡成型法可制成泡沫塑料，用做泡沫拖鞋、涼鞋、鞋墊、坐墊和防震緩沖的包裝材料，也可以用擠出機制成低

15、發泡硬質板材，可代替木材作為建筑材料。利用熱成型法可將聚氯乙烯制成薄壁透明容器，或用于真空吸塑包裝材料。這種方法制成的片材也是優良的裝飾材料。糊狀制品。將聚氯乙烯分散在液體增塑劑中，使其溶脹和塑化成增塑溶膠，再加入乳液（一種膠粘劑）、穩定劑、填料、著色劑，經過充分攪拌，脫氣泡后，可配制成聚氯乙烯糊狀制品，可用浸漬法、澆鑄法、搪塑法涂敷在各種制品表面，起保護（防腐蝕）、美化作用。硬管和板材。聚氯乙烯中加入穩定劑、潤滑劑和填料，經過混煉之后，可用擠出機擠成各種口徑的硬管、異形管、波紋管，用做下水管、引水管、電線套管或樓梯扶手。用壓延法制成的聚氯乙烯薄片經重疊熱壓，可制成各種厚度的硬質板材，它可以切

16、割成所需形狀，然后利用聚氯乙烯焊條用熱空氣流焊接成各種耐化學腐蝕的貯槽、通風管道和各種形狀的容器、反應罐。門窗。它可用硬質聚氯乙烯異形材料組裝而成，已經和木門窗、鋼窗、鋁合金門窗共同占領了建筑市場。中國聚氯乙烯工業有著廣闊的發展前景,中國地大物博、人口眾多,為聚氯乙烯產品提供了廣大的市場。在進入21世紀以后,我們要學習和借鑒國外的先進技術和發展模式,結合我國的具體情況,發展我國的聚氯乙烯工業。我們要發揮全行業的力量,克服前進過程中的各種困難,一定能夠在較短的時間內趕上世界聚氯乙烯工業的先進水平。總的來說聚氯乙烯廣泛應用于建材、包裝、醫藥、化工、紡織、家電、消防、食品等諸多行業。其中建材行業占的

17、比重最大，為60%，其次是包裝行業，還有其他若干小范圍應用的行業。 發展史及現狀：氯化乙烯基最初是在1835年在Justus von Liebig實驗室合成出來的。而聚氯乙烯是由Baumann在1872年合成的。但是直到20世紀20年代才在美國生產出了第一個聚氯乙烯的商業產品，在接下來的20年內歐洲才開始大規模生產。據統計，2004年全球PVC產能達到3500萬噸，產量為2920萬噸，我國聚氯乙烯生產企業總數有80多家，2004年國內PVC樹脂生產量為503.2萬噸，年生產能力約為650萬噸，2004年新增產能140多萬噸。預計到2005年底我國聚氯乙烯生產能力將超過950萬噸，凈增長300萬

18、噸。其中乙烯法占30（含進口單體），電石法占70。截止到2005年6月底國內PVC實際生產量為295.41萬噸，與去年同期相比增長率為21.7。2005年上半年進口量為79.7萬噸，表觀消費量為372.6萬噸。根據海關數據顯示，2010年12月中國PVC純粉進口量為 139297噸，環比顯著增長21%，同比顯著增長36%。去年1-12月份PVC純粉進口量累計為 1199119噸，累計同比減少26.4%。(二) PVC的改性 聚氯乙烯樹脂熱穩定性差，使加工性能惡化、制品性能下降。另外PVC的抗沖性、耐老化性、耐寒性能等均較差。為此須對PVC樹脂進行改性，以提高PVC制品的應用性能和擴大其使用范圍

19、。PVC的改性方法很多，主要有改變聚氯乙烯大分子鏈結構；氯乙烯與其它單體共聚合；聚氯乙烯與增強材料及其他配合劑的復合；聚氯乙烯與其它聚合物共混等方法。經過共混改性后的PVC共混樹脂，抗沖性、耐熱性、耐侯性和加工性都可得到改善。 1.3 聚氯乙烯的生產方法 氯乙烯聚合一般按自由基機理進行。PVC樹脂的生產方法主要采用懸浮聚合法，世界范圍內統計，懸浮法樹脂約占PVC樹脂總產量的75%左右，10%左右的PVC樹脂是采用本體聚合法生產，15%PVC樹脂用乳液聚合或微懸浮聚合法生產，該法生產的樹脂特稱為PVC糊樹脂。我國PVC樹脂的生產94%采用懸浮法，其余為乳液或微懸浮法，本體聚合僅個別工廠生產2。

20、1.3.1 懸浮法 懸浮聚合法是工業生產PVC樹脂的主要方法，產品為100150m直徑的多孔性顆粒，稱為S-PVC。乳液聚合法和微懸浮聚合法，經噴霧干燥后的產品是2040m的PVC次級粒子，稱為E-PVC，它是初級粒子的聚集體，可在增塑劑中生成糊狀懸浮液，稱為糊用樹脂。 根據分散劑的不同，S-PVC樹脂顆粒有緊密型和疏松型。用明膠作為分散劑得到規整圓球狀的緊密型樹脂，由于不易吸收增塑劑，現在基本被淘汰。采用部份水解的聚乙烯醇和水溶性纖維素衍生物作分散劑，可得到多孔性不規整的疏松型樹脂，這是目前PVC樹脂主要品種。 聚合工藝 :單體：氯乙烯單體，由乙烯氧化法和乙炔法生產，單體純度要求大于99.9

21、8%。 去離子水：反應介質水。 分散劑：主分散劑是纖維素醚和部分水解的聚乙烯醇。如甲基纖維素（MC）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）等。主分散劑起控制顆粒大小的作用。 助分散劑是小分子表面活性劑和低水解度的聚乙烯醇，可以提高顆粒中的孔隙率。 引發劑：目前主要用復合型的引發劑。選擇在反應溫度下引發劑的半衰期為2小時，以達到勻速聚合的要求。選用過氧化二月桂酰、過氧化二環己酯、過氧化二（十六酯）等。 其它助劑：鏈終止劑雙酚A，叔丁基鄰苯二酚等及鏈轉移劑硫醇。另外還需加入防粘釜劑和抗魚眼劑。 工藝條件：氯乙烯懸浮聚合溫度為4565，要求嚴格控制在±0.2。由于氯乙烯易發生單體鏈轉移反應，因此在

22、生產中，主要由溫度來控制分子量。聚合時間48小時。1.3.2 乳液聚合法 氯乙烯的乳液聚合法主要用來生產聚氯乙烯糊樹脂。工業生產分為二階段，第一階段是氯乙烯單體經乳液聚合生成聚氯乙烯膠乳，乳膠粒徑為0.13m。第二階段是將PVC乳膠經噴霧干燥得到聚氯乙烯糊樹脂，它是由初級粒子聚集而得到的直徑為1 100m 的次級粒子。次級粒子與增塑劑混合后形成不沉降的聚氯乙烯增塑糊。 聚氯乙烯膠乳的生產方法： 第一：無種子乳液聚合 典型的乳液聚合法，由乳化劑和引發劑用量控制初級乳膠粒子的粒徑及其分布，得到單分散性的，粒徑小于0.1m的初級粒子。該法生產的樹脂糊粘度高，只適用于特殊要求的場合或用于涂布。 第二：

23、種子乳液聚合 制得粒徑1.0m左右的膠乳的最常用的生產方法。乳膠粒的大小主要取決于所用種子的粒徑大小，同時在生產工藝上嚴格控制聚合條件，減少新粒子產生。例如采用復合乳化劑體系，連續或半連續操作法，控制乳化劑加料速度等方法，來控制乳膠粒的粒徑。 第三：微懸浮聚合 使用油溶性引發劑，將它溶于單體中，并加入適量表面活性劑/難溶助劑的混合物，通過機械方法使單體在水中分散為1m左右的微小液滴，進行聚合生成粒徑為0.21.2m的穩定的聚氯乙烯膠乳。 微懸浮聚合選用復合乳化劑一般由十二醇硫酸鈉和十六醇的組合最合適，兩者用量的摩爾比是1 ：11 ：3。采用間歇法一次投料的生產工藝，其工藝流程等與種子乳液法基本

24、相同。 工業生產中以種子乳液聚合和微懸浮聚合為主。 操作方式有間歇法、半連續法和連續法三種工藝流程 ： 氯乙烯懸浮聚合大多采用間歇操作。首先將去離子水經計量后加入反應釜中，在攪拌下繼續加入分散劑水溶液及各種助劑，密閉抽真空，接著加計量好的氯乙烯和引發劑。加料畢開始升溫到規定溫度，聚合反應開始。聚合過程中要通冷水控制反應溫度，當聚合釜內壓力降到0.500.65MPa時，加入鏈終止劑結束反應。聚合終止后，泄壓，將未聚合的單體排入氣柜回收再使用。脫除單體后的物料經離心分離、洗滌、干燥后即得到聚氯乙烯樹脂。1.4 懸浮聚合的反應設備 聚合反應器按其型式可分為釜式、塔式、管式和特殊型四種。據統計在聚合物

25、生產中約有70%采用攪拌釜，這是應用最廣的聚合反應器。而塔式，特殊性聚合反應器則主要用于高粘度聚合體系中。釜式聚合反應器是一種形式多變的反應聚合裝置，它廣發應用于低粘度的懸浮聚合過程，乳液聚合過程。也能用于高粘度的本體聚合和溶液聚合過程。從操作方式來看它能進行間歇、半連續、單釜和多釜連續操作，以滿足不同聚合過程的要求。為了保證釜中物料的流動、混合與傳熱，液滴的分散或固體物料的均勻懸浮，釜中設有攪拌裝置。対低粘度的系統主要使用平漿式、推進式、渦輪式、三葉后掠式及布魯馬金式槳葉，當與各類擋板配合使用時可獲得所需的剪切與循環作用。對高粘度體系主要使用錨式、螺帶、帶導流筒的螺桿槳葉以及特殊形式的槳葉。

26、釜式反應器的除熱主要是采用夾套和各種內冷構件，如蛇管、內冷擋板等。使用內冷構件時應充分注意是否會產生物料的混合死角以及是否會引起物料粘附于器壁，構件表面和粒子間的凝聚等問題。在上述除熱手段還不足以去除反應熱時，可采用單體或溶劑的蒸發來除熱，或使用物料釜外循環冷卻，冷進料等方式。其中立式釜式聚合反應器以立式最為常見，如日本信越的127m3聚合釜、古德里奇的70m3聚合釜、吉林化工機械的45 m3聚合釜、錦西化工機械的LF70型70 m3聚合釜。但隨著聚合反應器的大型化，為了減少攪拌軸的振動和提高密封性能，可將底伸式攪拌裝置改為底伸式。1.5 國內外聚合釜技術的發展歷程 我國聚氯乙烯起步于1958

27、年，首先在原錦西化工廠建成3000噸工業裝置，順利投產，并擴產到6000噸，完成了定形設計。隨后原北京化工二廠，上海天原化工廠，天津化工廠等七套裝置建成投產，奠定了中國PVC工業的基礎。其中原北京化工二廠采用13.5m3聚合釜六臺，設計規模為6000每年。國內聚合釜的發展大致分為四個階段3l 起步階段20世紀60年代到70年代，我國聚氯乙烯處于初級階段，國內聚氯乙烯生產基本上都采用小型搪瓷聚合釜和13.5m3聚合釜。13.5m3聚合釜來源于西得公司，聚合材質有不銹鋼，碳鋼復合不銹鋼兩種，屬長徑比較大的瘦長釜。安裝有四到六層攪拌葉片，槳葉形式有推進式和平斜槳式。由于生產強度小，生產效率低，目前這

28、種聚合釜在國內已經淘汰。只有少數幾個工廠仍在使用。1988年原北京化工二廠就將兩期建設的九臺13.5m3的聚合釜全部拿下。l 發展階段從二十世紀七十年代中期開始，國內聚氯乙烯進入了發展階段，聚合釜技術也到了廣泛的發展。1974年，國內33m3的聚合釜完成設計，1977年，在原錦西化工機械廠批量制造的10臺33m3的聚合釜在原北京化工二廠安裝投入生產運行，13.5m3和33m3成為主要反應釜的類型。也有少部分PVC生產企業采用仿朝鮮30m3聚合釜投入生產。這個時期，30m3聚合釜代表中國生產聚氯乙烯裝置的整體技術水平。20世紀80年代初期，浙江大學和北京化工大學等單位開始了關于攪拌形式的研究。通

29、過冷模實驗的模擬，調整了攪拌槳葉的形式，是的釜內循環次數和剪切能力更適合聚合反應，得到了較好的數值顆粒形態，同時也降低了分散劑的用量。近十年來，通過不斷的改進和吸收國外的先進技術，30m3聚合釜已從開始的夾套式換熱和平板將星攪拌發展到了目前半管式夾套，和三葉掠式攪拌槳式的型釜，改進了釜上的噴淋裝置、涂覆裝置，釜底部出料閥也得了很好的國產配套，聚合釜性能有了較大的提高。目前基于一些原因的考慮，仍有部分聚氯乙烯生產企業在新建或擴建中。l 引進階段20世紀80年代初期，我國實行改革開放的政策，使得我國的PVC企業與世界同行交流成為可能。國內PVC行業，開始引進國外先進技術。從國外引進技術，這對于一個

30、自主開發能力不足的發展中國家來說是必要的，可以在較短的時間內達到高起點、大規模、低成本的發展目的。20世紀80年代，原北京化工二廠、錦西化工廠和福州市第二化工廠同時引進美國古德里奇公司的70m3聚合釜裝置生產技術，原齊魯石化氯堿廠和原上海氯堿化工廠同時引進日本信越127m3聚合釜裝置生產技術，揭開了國內PVC行業的新篇章。20世紀90年代，北京化二股份有限公司和錦化化工有限責任公司又同時引進了歐洲EVC公司的105m3聚合釜裝置生產技術；天津大沽化工廠引進了日本信越公司的108m3聚合釜裝置生產技術，中國國石化齊魯股份有限公司引進了西方化學公司的135m3聚合釜生產技術，于2004年9月投產。

31、目前滄州化工實業集團有限公司引進了歐洲EVC公司的120m3聚合釜生產技術，預計將于2005年6月試車。這些引進技術被我國PVC聚合生產技術，預計將于2005年6月試車。這些引進技術把我國PVC聚合生產技術提升到一個新水平。l 產化階段進入20世紀90年代，經過國內PVC行業工程技術人員的不懈努力，通過消化引進裝置的工藝技術，開發出了國產化的大型聚合釜和生產工藝，并日趨完美，無論是技術水平還是裝置投資，與國外相比，都具備了很強的競爭實力。以北京化二股份有限公司和錦化化工有限責任公司為代表的70m3聚合釜裝置生產技術，青島海晶化工集團有限公司45m3聚合釜生產技術和天津大沽化工廠30m3聚合釜生

32、產技術在中國土地上遍地開花，得到了廣泛的推廣應用。目前，錦西化工機械有限責任公司按圖紙制造了3臺135m3聚合釜，形成了中國石化齊魯股份有限公司37萬t/a PVC引進項目50%的生產能力。70m3聚合釜由于長徑比適中、生產強度大、換熱能力好、運輸方便、綜合性能好。既符合聚合生產大型化的要求，又有較好的綜合經濟利益，目前是國內絕大多數PVC生產企業新建或擴產的首選釜型。2.國外聚合釜技術的發展歷程1926年美國古德里奇公司開發了PVC生產工藝技術，1940年創建懸浮聚合工藝，開始了工業化生產，當時使用的是4m3聚合釜。隨著PVC生產技術的提高，聚合釜從小的釜型向大型化方向發展，20世紀60年代

33、聚合釜容積基本在1050m3,70年代則大型化到4070m3，80年代6080m3聚合釜成了主流設備，進入90年代以后，國外大公司開始使用100m3以上聚合釜，甚至200m3聚合釜進行集約化生產。近幾十年來，國外PVC工業穩步發展，生產規模逐漸擴大，已有20萬45萬t/a的PVC生產裝置建成投產。目前，我國已經引進的國外比較先進的聚合釜擠塑有美國古德里奇公司的70m3聚合釜技術，歐洲EVC公司的105m3和120m3聚合釜技術等。日本信越采用130m3聚合釜用于生產，日本三井東亞在輸出的技術中采用了80m3聚合釜。德國休二斯公司在1974年就研制了200m3聚合釜，先后在德國和俄羅斯建廠。但是

34、人們逐漸認識到聚合釜也不是越大越好，一味追求聚合釜大型化在技術上并非合理，大型化并不等于高效率和高經濟效益化，這是一個技術經濟的綜合效果問題。在20世紀80年代開發大型反應釜的同時，開發重點轉移到提高設備單位容積以及自動化上。近年來，德國Vinnolit公司開發出傳熱效果更好的半管內夾套式聚合釜，最大程度的增加了傳熱面積，改變了原有的傳熱效果，提高了傳熱系數，代表了當今世界PVC行業的頂尖先進技術水平。因此，在PVC聚合生產上采用大型釜成為一種趨勢，標志著世界PVC生產技術達到了一個新的水平。第一章 聚氯乙烯聚合裝置設計1.1設計任務書1.1.1設計任務1. 說明設計的基本數據：2. 懸浮聚合

35、工藝流程設計：3. 工藝條件配方的選擇:4. 聚合釜物料衡算和能量衡算：5. 聚合設備的選擇及工藝計算：6. 繪制聚氯乙烯聚合裝置工藝流程圖及聚合釜工藝總圖。1.1.2設計條件1. 題目：PVC聚合釜的設計；2. 生產規模：9000噸/年3. 生產方法：懸浮聚合；4. 年工作時間：300天5. 單體轉化率：90%1.1.3 配方聚氯乙烯懸浮聚合配方如下表 4：物料質量分數百分含量（%）氯乙烯水過氧化二碳酸二乙基己酯偶氮二異庚腈1001401.10.841.3357.860.450.33聚乙烯醇羥丙基甲基纖維素分散劑第三組分巰基乙醇（鏈轉移劑）抗魚眼劑防粘釜劑0.0220.0320.0160.0

36、3聚合溫度，終止時壓力，MPa510.5單體回收溫度，701.2 設計過程 根據老師提供的數據設計出反應釜1.2.1 已知量的計算 (1) 天生產量：9000/300=30噸 (2) 每天兩個周期，每個周期兩釜每釜PVC量：30噸/4=7.5噸 (3) 所需VCM的量：7.5/90%=8.334噸 第二章 物料衡算2 聚合釜物料衡算物料衡算是質量守恒的具體表現形式，其內容是對每股物料進行分析和定量計算，已確定他們的數量、組成和相互之間的比例關系，并確定他們在物理變化和化學變化過程的相互轉化的定量關系。2.1 物料衡算的計算依據物料衡算為質量守恒定律的一種表現形式，即式中輸入物料的總和；輸出物料

37、的總和；累積的物料量。式為總物料衡算式。當過程沒有化學反應時，它也適用于物料中任一組分的衡算；但有化學反應時，它適用于任一元素的衡算。若過程中累積的物料量為零，則該式可簡化為。 上式所描述的過程屬于定態過程，一般連續不斷的流水作業(即連續操作)為定態過程，其特點是在設備的各個不同位置，物料的流速、濃度、溫度、壓強等參數可各自不相同，但在同一位置上這些參數隨不同時間不發生變化。若過程中有物料累積，則屬于非定態過程，一般間歇操作(即分批操作)屬于非定態過程，在設備的同一位置上諸參數隨時間而變。式或式中各股物料數量可用質量或物質量衡量。對于液體及處于恒溫、恒壓下的理想氣體還可用體積衡量。常用質量分率

38、表示溶液或固體混合物的濃度(即組成)，對理想混合氣體還可用體積分率(或摩爾分率)表示濃度。 2.2 聚合釜物料衡算以一釜為基準計算：（1） 單體質量：7500/90%=8333.3kg（2） 水的質量：7500/0.9×1.4=11666.7kg（3） 體積的計算： 物料密度計算公式：（g/ml）=0.94710.001746t0.00000324t2，物料密度計算如下表：聚合釜物料密度（kg/m3）溫度（）VCM水51849.61000 則VCM體積：V1=8333.3/849.6=9.8m3 水的體積：V2=11666.7/1000=11.67 m3 總的體積：V總=11.67+

39、9.8=21.47 m3 裝料系數：=0.75 聚合釜體積：V= V總/=21.47/0.75=28.63 m3第三章 反應釜及其配件常用反應設備主要有固定床反應器、硫化床反應器和攪拌反應器。固定床反應器多用于氣相反應時。當均相反應時，固定床反應器實際就是空的管子，亦稱管式反應器。當非均相反應時，這類反應器可以是一個圓柱殼體內裝催化劑，或圓柱殼體內安裝許多平行的管子。硫化床反應器多用于固體和氣體參與的反應。這類反應器的缺點是固體顆粒因磨損而造成損失，排出氣體中存在粉塵。 攪拌反應器多用于均相（多為液體）反應、液液相反應、液汽相反應及液固相反應。這類反應器的主要特征是攪拌可以使參加反應的物料混合

40、均勻，使汽相在液相中很好的分散，使固體粒子在液相中均勻懸浮，使液液相保持懸浮或乳化，強化相同的傳熱和傳質。另外它對操作條件的可控范圍較廣，內部清洗和維修較方便。如果按操作方式分反應器有間歇式、連續式和半連續式三種方式。對于本次設計，懸浮法生產聚氯乙烯，多使用攪拌式反應器、間歇式操作 3.1 釜的內徑和高度 5每一個聚合釜都有高徑比r，當r趨于1時，釜趨于矮胖型，釜內液體表面更新容易，脫單體容易，適用于間歇反應，這是單位釜容所消耗的鋼材比r大時要少。r增加時，釜趨向于細長型，這是單位釜容的夾套傳熱面積相應增大，有利于傳熱，同時r增大，對氣體吸收有利，可以減少物料的反混。但是r越大，這同一釜容的軸

41、越長，加工越困難，支承要求也高，攪拌器結構變得復雜不易檢修。一般攪拌釜的高徑比r=H/Di，液-固相或液-液相取11.3，汽-液相取12，聚合釜一般取2以上。因為聚合釜的體積V=28.65 m3本實驗為懸浮聚合，液-固相，所以先使用r=1.3進行視差計算即 V=（/4）×D3×(H/ D)則 D=3.039m=3039mm根據壓力容積的公稱直徑：選定Di=3000mm壓力容積的公稱直徑 mm300350400450500550600650700800900100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400

42、260028003000320034003600根據公稱直徑，一米高的筒體的容積V筒 6 如下表：公稱直徑/mm1000120014001600180020002200V筒/m30.7851.1311.5392.0112.5453.1423.801公稱直徑/mm2400260028003000320034003600V筒/m34.5245.3096.1587.0698.0429.07910.180所以，公稱直徑為3000mm，V筒=7.069×（3000×1.3）=27.56 m33.2 封頭的設計封頭又稱為端蓋，按其形狀可分為三類：凸行封頭，錐形封頭和平板形封頭，其中凸行

43、封頭包括半球形封頭、球冠形封頭、碟形封頭和橢圓形封頭四種。本設計所用的聚合釜為帶壓容器，則采用凸形封頭，而其中的橢圓形封頭因邊緣應力小，承受能力強，獲得廣泛的應用，本設計同樣也采用橢圓形封頭。因為Di=3000mm查的橢圓形封頭的去邊高度和直邊高度6，知：即，封頭容積：Vh=3.82 m3 曲面高度：h1=750mm曲邊高度：h2=40mm內表面積: S內=10.1m2設計筒體與封頭采用法蘭連接，以便于安裝和維修。單位體積的質量為7.069mH=V-VhV單=28.65-3.827.069=3.51m 所以r=3500/3000=1.2 所以設計符合要求 經查表，反應釜體積:V釜=35m3公稱

44、直徑: Di=3000mm高度: Hi=3900mm3.3 內筒體和內筒體封頭壁厚10 內筒體壁厚7:根據經驗設計內筒體壓力，內筒體壓力為Pi=1.6MPa1） 選用16MnR熱軋鋼板，查得該鋼板100下的許用應力Qt=163MPa2） 夾套采用雙面焊。查得焊縫系數=13） 取鋼板厚度負偏差C1=0.8mm，單面腐蝕余量C2=3mm4） 厚度附加量C=3.8mm5） 內筒體壁厚 i=Pi*Di2t-Pi+C=20.33mm6） 圓整至標準，根據經驗，取內筒體壁厚i=22mm20 內筒體封頭壁厚:厚度附加量C=3.8內筒體封頭壁厚h=Pi*Di2t-0.5Pi+C=21.22mm圓整至標準，根據

45、經驗，取內筒體封頭的壁厚i=22mm3.4 夾套的設計8夾套是外部傳熱構件,它是一個薄壁筒體,多數還帶有一個底封頭,套在攪拌反應器底筒體和封頭底外部,夾套壁和筒體壁構成一個可供介質流動底空間。 夾套與筒體底連接方式有兩種,一種是可拆式夾套,用于需要檢查筒體外部表面以及更換夾套的情況,或是由于夾套,筒體材料不同不能相焊的場合。另一種是不可拆卸的夾套,如焊接式和鉚接式。 對有傳熱要求的反應釜可設置內冷管和夾套,最常見的是采用夾套式傳熱結構。 本設計采用夾套和內冷管兩種撤熱方式,夾套的尺寸通常根據工藝和安裝的要求而定.3.4.1 夾套的直徑 夾套的內徑Dj與釜體內徑Di有關8,有如下關系Di (mm

46、)500600700180020003000>3000Dj (mm)Di +50Di +100Di +200Di +250 所以夾套的內徑Dj =3000+200=3200mm 夾套高度Hj主要決定于傳熱面積下的要求，一般不低于料液高度，以保證充分傳熱。3.4.2 夾套的高度 夾套的高度可由下式確定： Hj>（V-V封）/F=(0.75×28.65-3.82)/3.14×(3/2)2=2.5m 由于攪拌會使液面升高，為了攪拌平穩， 則根據經驗，取Hj=2.6m=2600mm3.4.3 夾套的厚度夾套壁厚計算公式7： =Pc*DJ2t-Pc+C-計算厚度mmPc-

47、計算壓力MPaDi-內筒體直徑mmDj-夾套直徑mmt-材料在設計溫度下的許用應力MPa-材料焊接接頭系數C-厚度附加量mm鋼板厚度負偏差/mm名義厚度22.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5678252630厚度負偏差C10.180.190.200.220.250.300.50.60.80.9根據經驗設計壓力，夾套內壓力Pc =0.74MPa選用16MnR熱軋鋼板，差得該材料在100以下的許用應力t =170MPa夾套采用雙面焊，局部探傷檢查，查得焊縫系數=0.85取鋼板系數負偏差0.8mm，單面腐蝕余量3mm則厚度附加量C=3.8mm夾套壁厚：j=Pc*DJ2t-Pc

48、+C=12.01mm圓整至標準，取夾套的壁厚j=14mm3.4.4 夾套封頭及其厚度610 夾套封頭：公稱直徑：3200mm ；曲面高度：800 mm ；直邊高度：40 mm ；內表面積：11.5 m2容積：4.61 m320 夾套厚度 取厚度附加量：C=3.8mm夾套封頭厚度：jh=PjDj2t-0.5Pj+C 代入數值，得： jh=12.01mm圓整至標準，取夾套封頭的厚度 jh=14mm3.4.5 傳熱面積的計算聚合釜內徑：Di=3000m 內筒壁厚：i=22mm夾套高度：Hj=2.0m 封頭壁厚：j=22mm筒表面積：A0=D0H0則內筒表面積:A內=D內Hj =3.14×3

49、.0×2.6=24.492m2 A外=D外Hj =3.14×3.044×2.6=24.86m2 Am=24.86-24.492ln24.8624.492= 24.70m2所以 A總=Am +A封 =24.70+10.1=37.8 m23.5 人孔的設置人孔是安裝在儲罐頂上的安全應急通氣裝置，通常與防火器、機械呼吸閥配套使用，既能避免因意外原因造成罐內急劇超壓或真空時，損壞儲罐而發生事故，又有起到安全阻火作用，是保護儲罐的安全裝置，特別適用于貯存物料以氮氣封頂的拱頂常壓罐。具有定壓排放、定壓吸入、開閉靈活、安全阻火、結構緊湊、密封性能好、安全可靠等優點。 人孔分為緊

50、急泄壓人孔、防爆阻火呼吸人孔、罐頂人孔、罐壁人孔和帶芯人孔等。 人孔直徑及人孔中心距地板尺寸人孔已有成型產品，直徑通常為600mm。人孔中心距地板一般為750mm。便于工作人員在安裝、清洗、維護時進出油罐和通風。 人孔應有一個設在進出油管右側附近，并盡量使人孔正對罐室密閉門，以便人員進出、維修油罐和通風接管用。 非金屬油罐的人孔設在罐頂上，金屬油罐的人孔設在罐壁最下圈板上。大都為直徑600mm的圓孔，其中心距底板750mm，為油罐清洗或維修人員進出油罐用，又稱作道門。檢修清理油罐時刻利用人孔進行采光和通風。立式油罐的容量在5000m³以下時設12個人孔，5000m&s

51、up3;以上的設2個人孔。人孔的安裝應與進出油管線相隔不大于90°。當只設一個人孔時，應將其置于罐頂透光孔的對面；當設2個人孔時，其中一個設在透光孔的對面，另一個應至少與第一個人孔相隔90°。聚氯乙烯懸浮聚合的反應壓力為0.7MPa，根據反應壓力選擇公稱直徑為450mm，高為453mm的水平吊蓋平焊法蘭人孔6，當內徑大于2500mm時，應開兩個人孔，筒體一個，封頭一個。3.6 視鏡的設計6 視鏡除了用來觀察設備內部情況外，也可以用作物料液面指示鏡。 不帶頸的視鏡結構簡單，不易結料，便于窺測，應優先考慮，故我們選擇不帶頸的視鏡。聚氯乙烯懸浮聚合的反應壓力為0.7MPa，所以選

52、用公稱壓力為0.98MPa，公稱直徑為125mm，HGJ501-86-19不銹鋼視鏡。3.7 法蘭的設計 法蘭的連接結構是一個組合件，一般是由聯結件，被連接件，密封元件組成。法蘭密封由法蘭（被連接件），墊片（密封元件），螺栓，螺母（連接件）組成7。3.8 支座的選擇 查化工簡明設計手冊6：內徑為3000mm，厚度為22mm的16MnR的釜筒體一米重1790Kg內徑為3200mm，厚度為14mm的16MnR的夾套筒體一米重1108kg內徑為3000mm，厚度為22mm的16MnR的釜的封頭一米重1780Kg內徑為3200mm，厚度為14mm的16MnR的夾套封頭一米重1270Kg其中筒體的高度為

53、3.9m 則：m筒 =1790×3.9=6981Kg m反應釜封頭 =1780×2=3560Kg m料=8333.3+11666.7=20000Kg m夾套 =2.6×1108+1270×2=5420.8Kg m總 =6981+3560+20000+5420.8=36000Kg由于還有電動機等一些其他設配的重量為500Kg,則m總=41000Kg=410KN選用三個耳式支座，則一個支座為136.7KN,選用支座本體允許載荷Q為150KN的B型耳式支座，高度為400mm，支座質量為51.8Kg.由于反應釜在室內，所以風載荷可以忽略，為了計算方便，我們把地震

54、載荷也忽略。 Q=m總gkn=41000×9.81×3×10-3KN=136.7 KN<150 KN式中，n為支座的數量 所以選擇的支座本體允許載荷Q為150KN的B型耳式支座合9第四章 生產周期4.1 聚合反應時間的計算反應時間的推導10： =聚合時間的計算通過計算聚合反應周期進而確定生產工藝時間。=式中 聚合鏈增長速率常數； 引發劑的分解速率常數； 引發劑的分解速率常數； 引發劑的濃度； 引發速率常數在懸浮聚合反應中取值為一般為0.7到0.8，我們取中間值0.75；4.1.1 速率常數的計算：查表得60時10： Kp=12300Lmols; Kt=2300×107 Lmols;對于不同溫度下，由阿侖尼烏斯公式11：對于本反應所用試劑及單體：查表； Ep=15.5KJ/mol; Et=17.6KJ/mol;當反應溫度為51時： Kp=10529m0l/l; Kt=1.928×1010由半衰期與的關系： Kd=4.85×10-5m