悬浮法制聚氯乙稀(年产35万吨

1、 课程设计任务书设计题目：年产3.5万吨悬浮法制聚氯乙烯学院： 机械工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级： 073 学生： 指导教师： 系主任: （签名）一、设计要求：1、根据设计题目，进行生产实际调研或查阅有关技术资料，选定合理的流程方案和设备类型，并进行简要论述。（字数不小于8000字）2、设计说明书内容：封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述、参考资料等。3、图纸要求：工艺流程图1张（图幅2号）；设备平面或立面布置图1张（图幅3号）。二、进度安排：教学内容学时地点备注查资料、说明书提纲、流程论证、工艺流程图第一周寝室、图书馆设备布置图

2、、说明书整理、答辩。第二周三、指定参考文献与资料过程装备成套技术设计指南（兼用本课程设计指导书）、过程装备成套技术、化工单元过程及设备课程设计摘要 摘 要：设计对聚氯乙烯的研究，生产和应用进行了详细的概述，阐述了其在化学工业中的作用和地位。确定了聚氯乙烯的生产工艺。在确定聚氯乙烯生产工艺的基础上进行了聚合工艺的选择，工艺流程路线的论证以及设备选型等。并绘制了相应的设计图纸，设计图纸包括工艺流程图、主要设备图的装配图、设备的平面布置图关键字：聚氯乙烯（PVC） 氯乙烯 物料衡算 热量衡算 聚合反应 目录前言21概述3 1.1国内外聚氯乙烯（PVC）发展状况和发展趋势 3 1.2产品的性能和特点4

3、 1.3 聚氯乙烯的主要用途5 1.3.1PVC软制品5 1.3.2PVC涂层制品5 1.3.3PVC泡沫制品6 1.3.4pvc透明片材6 1.3.5pvc糊树脂6 1.3.6pvc硬板和板材6 1.3.7pvc其他制品62工艺流程方案选择与论证7 2.1工艺方案选择依据7 2.1.2悬浮聚合7 2.1.2本体聚合7 2.1.3乳液聚合7 2.1.4微悬浮聚合72.2聚氯乙烯悬浮聚合工艺流程8 2.2.1聚合原理8 2.2.2聚氯乙烯悬浮聚合具体工艺路线8 2.2.3工艺流程示意图103典型机器设备选型与论证10 3.1选型原则10 3.2关键设备选择11 3.2.1聚合釜11 3.2.2干

4、燥装置12总结13参考文献14致谢15附录16前言 聚氯乙烯(PVC)是5大通用塑料之一，聚氯乙烯是由氯乙烯单体（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。PVC具有耐腐蚀、电绝缘、阻燃性和机械强度高等优异性能,广泛用于工农业及日常生活等各个领域,尤其是近年来建筑市场对PVC产品的巨大需求,使其成为具备相当竞争力的一个塑料品种。 PVC糊树脂自20世纪30年代开发以来,已有近70年的历史。目前全世界PVC糊树脂总生产能力约200万t/a,其中,西欧是PVC糊树脂生产厂家最多、产量最大

5、的地区。我国聚氯乙烯工业起步于于50年代，仅次于酚醛树脂是最早工业化生产的热塑性树脂，第一个PVC装置于1958年在锦西化工厂建成投产，生产能力为3000吨年。此后全国各地的PVC装置相继建成投产，到目前为止，我国有PVC树脂生产企业80余家，遍布全国29个省、市、自治区，总生产能力达220万吨年7075万t/a。PVC树脂在我国塑料工业中具有举足轻重的地位，同时PVC作为氯碱工业中最大的有机耗氯产品，对维持氯碱工业的氯碱平衡具有极其重要的作用。 本设计为年产量3.5万吨聚氯乙烯车间聚合工段工艺。本次设计采用了氯乙烯单体悬浮聚合工艺。介绍了PVC的聚合工艺，通过分析研究，选定适宜的流程方案和设

6、备类型，确定原则的工艺流程。同时，对选定的流程方案和设备类型进行简要论述。说明书内容：封面、目录、设计题目、概述与设计方案简介、工艺方案的选择与论证、工艺流程说明、专题论述、参考资料。主要内容有设计说明书以及工艺流程图和设备平面或立面布置图。 第一章 总论 1.1PVC的性质和发展概述1.1.1PVC的性质简介PVC是聚氯乙稀(polyvinyl chloride)塑料的英文缩写，是由氯乙烯单体(VCM)聚合而成的高分子化合物。其分子式为为 ，中n表示平均聚合度，国内 PVC工业生产的PVC平均聚合度通常控制在5901500范围。高分子主链上氯原子的引入，使其高分子结构不同于聚乙烯，并具备了一

7、系列独特的性能，其主要物化数据如下。外观：白色粉末；分子量：3687093750：相对密度：135145：表观密度：O40O659mL；热容：1045 1463Jg(O100C)；导热系数：05852kJh-m12；颗粒直径：通常紧密型树脂30100mm，疏松型树脂60150m；软化点：7585；热分解点：100开始降解出氯化氢；燃烧性能：在火焰上能燃烧并降解，放出氯化氢、一氧化碳和苯等，但离开火焰即自熄；电性能：PVC具有较高的密度，耐电机，耐老化，可作!0000V低压电缆和电缆护套；耐溶剂性：有机溶剂除芳烃(如苯、二甲苯、苯胺、二甲基甲酰胺等)、氯代烃(如二氯甲烷，四氯化碳，氯乙烯等)、酮

8、类(如丙酮、环己酮等)及酯类外，对水、汽油、酒精等均为稳定；耐酸碱性：在酚、碱介质中及盐类溶液中均较稳定：老化性：受光照及氧的作用下，PVC树脂逐渐分解；即老化，聚合物表面与空气中氧起作用，氧气加速热及紫外线对高聚物的降解，分解出氯化氢，形成羰基。 1.1.2国内外PVC发展概述聚氯乙烯（ PVC）是五大热塑性合成树脂之一，塑料制品是最早实现工业化的品种之一。可通过模压、层合、注塑、挤塑、压延、吹塑中空等方式进行加工，而且具有较好的机械性能、耐化学腐蚀性和难燃性等特点，以其低廉的价格和非常突出的性能而广泛地用于生产板材、门窗、管道和阀门等硬制品，也用于生产人造革、薄膜、电线电缆等软制品。近年来

9、，尽管在发达国家受到来自环保等多方面的压力，但世界对的总需求量仍出现稳定的增长态势。我国PVC是最早开发的树脂品种之一，我国聚氯乙烯开发及生产始于20世纪50年代，1954年沈阳化工研究院开始聚氯乙烯研究，经历了20世纪50年代初期的实验室探索到中期的年产100吨中间试验装置阶段。1958年锦西化工厂建成了年产3000吨生产装置。紧接着又先后在天津化工厂、上海天原化工厂、北京化工二厂、天津大沽化工厂相继建成了四套年产6000吨装置，智慧，于上世纪70年代开始又陆续建成了许多年产3000吨规模的装置，国内聚氯乙烯工业得到了较快的发展。1989年我国PVC产能达到105万吨，产量698万吨。199

10、0年产能达到130万吨，产量达到772万吨，生产厂家达到74家。国外早在1835年聚氯乙烯就在实验室中被制备出来，但因为热稳定性差，加工应用一直没有能够突破。19121913年，德国化学家EKlate和EZacharis才发展了氯乙烯和聚氯乙烯的工业生产方法。1933年Goodrich公司的Waldo Semon发表了添加增塑剂的专利，大大增加了聚氯乙烯的加工性能。1940年，美国古得里奇公司，创建了悬浮聚合，从此以后，聚氯乙烯工业开始发展。到1940年全世界PVC产量达到1.1万吨，1950为22万吨，1960年达到145万吨，1970年达到600万吨，1989年世界PVC产能达到1940万

11、吨，产量1606万吨，1990年产能达到2041万吨。美国、德国、日本的PVC工业一直处于领先地位，1989年PVC年人均消耗量分别达到145，205，137kg(我国年人均消费量不到lkg)。居世界第一位的美国，1989年产量达到384万吨，1990年突破400万吨，达到404万吨，占世界PVC的l4。第2章 工艺方案选择与论证2.1 PVC生产工艺 2.1.1 PVC聚合方式概述氯乙烯的聚合方法仍以传统的溶液聚合、本体聚合、乳液聚合和悬浮聚合为主，各种聚合工艺，由于其本身技术改进和客观需要的变动，应用范围常有不同。悬浮聚合以其生产过程简单，便于控制，便于大规模生产，产品适应性强，是PVC生

12、产的主要生产方式，生产量约占总量的80。本体聚合不用水和分散剂，处理简单，产品纯度好，应当有广阔前景，但由于聚合过程中搅拌和传热的难题，一直到上世纪70年代才有法国ATO公司成功得到解决。本体聚合装置的生产装置才在欧美建立。其生产量约占总产量的10以下。乳液聚合创建较早，产品的聚合和后处理过程较为复杂，生产成本较高，所以发展不快。至于溶液聚合，其产品用于金属涂料及菲多空涂料，用量不大。氯乙烯酶共聚合，主要品种有氯乙烯醋酸乙烯共聚，氯乙烯丙烯腈共聚，氯乙烯一烯烃共聚，共聚产品在聚氯乙烯成长初期，增占有较大比例，但现在比例很小。因为悬浮聚合是一种成熟的工艺，典型的悬浮聚合过程是向聚合釜中加入无离子

13、水和悬浮剂，加入引发剂后密封聚合釜，脱除氧，加入单体氯乙烯进行聚合。所以本设计采用以氯乙烯单体为原料悬浮聚合制聚氯乙烯。2.1.2 悬浮法PVC聚合技术概述 因采用悬浮法PVC生产技术易于调节品种，生产过程易于控制，设备和运行费用低，易于大规模组织生产而得到广泛的应用，成为诸多生产工艺中最主要的生产方法。 工艺特点：悬浮聚合法生产聚氯乙烯树脂的一般工艺过程是在清理后的聚合釜中加入水和悬浮剂、抗氧剂,然后加入氯乙烯单体,在去离子水中搅拌,将单体分散成小液滴,这些小液滴由保护胶加以稳定,并加入可溶于单体的引发剂或引发剂乳液,保持反应过程中的反应速度平稳,然后升温聚合,一般聚合温度在4570之间。使

14、用低温聚合时(如4245),可生产高分子质量的聚氯乙烯树脂；使用高温聚合时(一般在6271)可生产出低分子质量(或超低分子质量)的聚氯乙烯树脂。近年来,为了提高聚合速度和生产效率,国外还研究成功两步悬浮聚合工艺,一般是第一步聚合度控制在600左右,在第二步聚合前加入部分新单体继续聚合。采用两步法聚合的优点是显著缩短了聚合周期,生产出的树脂具有良好的凝胶性能、模塑性能和机械强度。现在悬浮法聚氯乙烯品种日益广泛,应用领域越来越广,除了通用型的树脂外,特殊用途的专用树脂的开发越来越引起PVC厂家的关注,球形树脂、高表观密度建材专用树脂、消光树脂、超高(或超低)分子质量树脂等已成为开发的热点7。 悬浮

15、法PVC的发展趋：在工业化生产PVC时,以悬浮法产量最大,悬浮法生产具有设备投资少和产品成本低等优点。各种聚合方法的发展方向是逐步向悬浮法聚合生产路线倾斜,一些过去采用其它方法生产的树脂品种已开始采用悬浮聚合工艺生产。自从乳液聚合法工业化以后,欧洲、日本在连续悬浮聚合工艺方面开展了大量的研究工作,目前尚未工业化生产,但连续法设备费用低,生产效率高,工艺难题少,已引起了各国科研院所和生产厂家的重视。另外,为进一步提高悬浮法生产的通用树脂和专用树脂的质量,提高产品的专用化、市场化水平,国外厂家在聚合工艺的工艺条件及配料体系等方面做了大量的研究工作,进一步提高了聚合转化率,缩短了聚合周期,提高了生产

16、效率,同时也开发出一系列性能好、易于加工的PVC专用树脂如:超高(或超低)聚合度树脂、高表观密度树脂、无皮树脂、耐辐射树脂、医用树脂、耐热树脂等。可见,各种专用料的开发是悬浮聚合树脂发展的标志,是提高产品使用性能、开发新的应用领域的重要手段。2.2聚氯乙烯悬浮聚合工艺流程：2.2.1聚合原理 在光、热或辐射能的作用下，烯类单体有可能形成自由基而聚合。但由于 C C 键能大（3.84103kJ/mol）, 须在300400高温下才能开始均裂成自由基。这样高的温度远超过了一般聚合温度。因此，氯乙烯聚合系采用过氧化物或偶氮化合物作引发剂，在聚合温度下，均裂成自由基，然后引发聚合反应的。整个聚合过程分

17、为链引发、链增长、链转移和链终止四个步骤。（1）链引发 这是形成单体自由基活性种的反应。用引发剂引发时，由下列两步组成。首先引发剂I受热，分解产生初级游离基R。 I 2R 初级游离基一旦生成，很快作用于VC分子激发其双键的电子使之分离为二个独电子并与其中一个独电子结合生成单体游离基。 H H H R+C = C RCH2 C + 125103KJ/mol H Cl Cl常用的引发剂有偶氮二异丁腈（ABIN），偶氮二异庚腈（ABVN）、EHP、IPP等。（2）链增长：在链引发阶段形成的单体自由基，活性很高，如无阻聚物质与之作用，就能进攻第二个VC分子的键，重新杂化结合，形成新的自由基，如此循环下

18、去， H 产生含有大量 （CH2 C）单元的链自由基，这个过程叫做链增长反应， Cl这实际上是一个加成反应。H H RCH2 C+nCH2=CHClR(CH2CH)n+CH2C Cl Cl Cl这一链增长过程直到链终止，活性都不减弱，在瞬间（如0.1秒几分钟）即可达到分子量为十万的高聚物分子。在PVC的链增长反应中，结构单元VC间的结合可能以“头尾”和“头头”两种形式存在，即：Cl Cl CH2CHCH2CHCH2CH+CH2=CH CH2CHCHCHCH2 Cl Cl Cl Cl 经实验证明，主要以“头尾”形式连接。原因是有电子效应和位阻效应两个方面。按头尾连接时，氯原子与单电子连在同一个碳

19、原子上，取代基对自由基有共轭稳定作用。加上相邻的次甲基的超共轭效应，自由基得以稳定；而按头头连接时，无共轭效应，自由基不太稳定。两种连接形式的键能相差3.354.1910kJ/mol,因此有利于头尾相连。聚合温度升高时，头头连接结构将增多。从空间位阻方面看，CH2较CHCl空间位阻小，所以有利于头尾连接。(3) 链转移 在自由基聚合过程中，链自由基有可能从单体、溶剂、引发剂或大分子上夺取一个原子（氢或氮）而终止，使这些失去原子的分子成为新的自由基，继续新链的增长。A； 向单体VC链转移形成端基双键PVC：VC悬浮聚合链终止的方式已证实，当转化率在90%以下时，以向单体VC链转移为主，致使PVC

20、高分子链端存在双键：H H H H CC+ C = C CH=CHCl+CH3CH Cl H H Cl H H H H 或： CC + C = C CH2CH2Cl+CH2=CCl H Cl Cl H下一转移方式因生成CH2=CCl极不稳定，该反应需要大量的活化能，故以上一种转移方式为主。B；向高聚物转移形成支链或交联PVC： H H CH2C+ CH2C CH2CH2+ CH2C Cl Cl Cl Cl生成的CH2C继续与CH2=CHCl反应可生成支链高聚物或相互结合形成交联高聚物。 Cl此种链转移在转化率较高时（此时VC浓度较低）比较多。 （3）链终止：A；偶合链终止相成“尾尾”相连PVC

21、： H H H H CH2C+CCH2CH2CCCH2 Cl Cl Cl ClB;歧化终止形成端基双键PVC：H H CH2CH+CCH2CH2CH2+ C =CH Cl Cl Cl Cl 游离基聚合反应动力学方程式，可归纳为：聚合速率Vp=K(M+Kp 2/3)(B/M)1/2式中：K=(Kp+Ktr)(Fki/kt)1/2 K=Ka/Ktr Ka:向聚合物表面进行链转移速度常数 Kp:链增长反应速度常数 B:引发剂浓度 Ktr:链转移反应速度常数 M:单体浓度 Ki:链引发反应速度常数 P:聚合物浓度 Kt:链终止反应速度常数 F:引发效率（%）2.2.2聚氯乙烯悬浮法具体工艺路线如下：悬

22、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0.881.22MPa，当转化率达到70%左右开始降压，在压力降至0.130.48MPa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

23、树脂。悬浮法制聚氯乙烯具体操作如下（1）在清洗好的不锈钢聚合釜中，打入脱盐水、聚乙烯醇、氯乙烯单体和引发剂明胶及偶氮二异丁腈，抗鱼眼剂，防粘釜剂，夹套通入蒸汽，使聚合釜内升温至5060进行聚合反应。反应放热开始后于夹套中通入工业水及5水以调节聚合温度。（2）反应69h后即有85%90%单体氯乙烯聚合未聚合的氯乙烯单体经泡沫捕集器排入氯乙烯气柜，循环使用。被氯乙烯气体带出的少量树脂在泡沫捕集器捕集下来，流至沉降池中，作为次品处理。该悬浮液经离心机脱水，得到含水10%15%的湿树脂，经过螺旋加料器送入气流干燥管内，以150160热风吹送至旋风分离器组分离，树脂含水降至1%左右。（3） 经料柱阀加入

24、沸腾床干燥器在100120下进一步干燥至含水0.3%，溢流物料再经文氏加料器吸入冷风管冷却至4050，经旋风分离器分离，加入滚筒筛筛去粗料（大于40目），进行包装。沸腾创干燥器2.2.3 工艺流程示意图旋风分离器气流干燥器碱处理釜聚合釜脱盐水 聚乙烯 引发剂 氮气料斗旋振筛成品储存与包装第3章 典型机器设备选型与论证 3.1 选型原则1.满足工艺要求设备的选择和计算必须充分考虑工艺上的要求，力求做到技术上先进，经济上合理，亦即选用的设备能与生产规模相适应，并应获得最大的单位产量；能适应产品品种变化的要求，并确保产品的质量；能降低劳动强度，提高劳动生产率；能降低原材料及相应的公用工程（水，电，气

25、）的单耗；能改善环境保护，设备制造较易，材料易得，操作及维修保养方便。设备选择时，要能完全满足上述方面的条件是相当困难的，但一定要参照上述几个方面对拟采用个设备进行详尽地比较，并拿出最佳的方案来。2.设备成熟可靠作为工业生产，不允许把不成熟或未经生产考验的设备用于设计。设计中所选用的设备不但技术性能要可靠，设备材质也要可靠。对从国外引进的设备，同样必须强调设备及其所采用材质的可靠性，特别对生产中的关键设备，一定要在充分调查研究和对比的基础上，作出科学的选定。3.尽量采用国产设备在设备选型时应尽量采用国产设备，这样不仅可以节约外汇，而且可以促进我国机械制造工业的发展。当然根据条件和可能，引进少量

26、进口装置或关键设备也是不要的，但同样必须坚持设备先进可靠，经济合理，并应考虑在引进的基础上如何消化吸收以及仿制工作。3.2 关键设备选择 3.2.1聚合釜 聚合釜是PVC生产中的关键设备，聚合釜技术水平的提高保证了先进的生产工艺得以实现。在小型釜时期，其容量为十几立方，釜体的材质是搪瓷釜和不锈钢釜并存的，以釜壁光洁、粘釜较轻、造价低廉而优于不锈钢釜。其后不锈钢釜的抛光技术有所改进，粘釜问题在应用了涂布、高压水清釜技术后有所缓解，由于复合钢板造价低，易于加工，可向大型化发展，并具绝对优势。具有代表性的聚合釜的结构特点见下表根据设计要求可选用的聚合釜容积为70 m3聚合釜，设计压力为206MPa,

27、采用螺旋半管型夹套与 4 根内冷挡板移热, 换热能力好。搅拌型式为底伸式二层三叶后掠式搅拌器, 转速为98 r/ min, 具有良好的剪切与循环作用。机封为双端面机械密封,使用寿命可达8 000 h。釜顶有对称排列的自动喷淋涂布装置, 采用优异的防粘釜剂,可连续生产600釜不清釜。完全能满足粉状PVC 树脂的生产需要。3.2.2干燥装置PVC树脂是一种热敏性的,粘性小的,多孔性的粉末状物料,其干燥过程可以看作是一种非结合水的干燥。即经历表面气化和内部扩散的不同控制阶段。为此在干燥过程中采用二级装置,第一级作为表面水分气可以利用气流的瞬时干燥:即快速干燥设备-气流干燥管，这时干燥强度取决于引入的

28、热量,通过加大风量和温度，使较高的湿含量能迅速的降低到临界湿含量的附；第二级作为内部水分扩散，以降低风速和延长时间为宜：即采用流化干燥器，使湿含量达到最终干燥的要求。干燥PVC的工艺流程为:含水量为20%-25%的聚氯乙烯树脂湿料,经圆盘加料器或螺旋加料器送至第一级脉冲气流干燥器,树脂随热风吹上,进旋风除尘器捕集,这时树脂含水量约为3%-5%。再通过料柱控制阀加入流化床干燥器,物料由第一室向最后一室逐渐推移。流化床内树脂被热风吹起,形成流化状态,溢流出口，再由文丘里加料吸入至冷风管冷却。经旋风除尘器捕集至滚筒筛和振动筛过筛,进行成品包装。3.2.3 其他设备的选择其它的设备主要是泵的选择。工业

29、生产中有进料泵、回流泵、塔底泵、循环泵、产品泵等，石油化工泵的选择应该满足流量，扬程、压力、温度、气蚀余量等工艺参数的要求，满足介质特性的要求和现场安装的要求。在选泵时（1）要综合考虑泵的流量。一方面，应按设计要求达到的能力确定泵的流量，并使之与其他设备能力协调平衡；另一方面，也要根据生产需要确定泵的流量。在确定泵的流量时应综合考虑装置的富裕能力及装置内各设备能力的协调平衡。（2）根据生产要求确定泵的扬程。选泵时，由于工艺过程设计中管道系统压力降计算比较复杂，因此泵的扬程要留有适当的余量，一般为正常需要扬程的1.051.1倍。（3）根据流体输送设备的特性曲线确定蚌型选泵时，确定哪一种设备，应在

30、生产上所需要的流量和扬程后进行。总结本次设计历时两周，在这两周里，本人根据专业课程设计综合大纲的要求，先是收集了大量关于悬浮法制聚氯乙烯的有关资料，然后在根据收集的资料进行了初步设计，再听取老师的意见进行不断修改，对聚氯乙烯的聚合及其干燥工艺有了一定的了解，最后的指导下成功的完成了本次设计。通过本次专业课程设计，使我们懂得了其工艺流程及原理，对一个原本陌生的工艺有了更深入的了解，通过作平面布置图和立面布置图，把我们这学期所学的过程设备设计过程装备制造与检测过程装备成套技术包括以前所学的基础知识都综合运用起来，在无形中加深了理解及应用。使我对大学四年来所学的专业知识得到了进一步的巩固和提高，再一次进行了系统地学习与掌握，是一次再学习与提高的过程。在设计过程中对于出现的一些问题和一些自己难以解决的难题，感