聚氯乙烯生产工艺技术模板

年4月19日聚氯乙烯生产工艺技术模板资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。目录第1章总论……………11.1概述………………11.1.1意义与作用…………………11.1.2国内外的现状以发展前景…………………11.1.3产品的性质与特点…………21.1.4产品的主要用途………21.1.5产品的生产方法概述…………41.2设计依据……………41.3厂址选择………41.4设计规模与及原料与产品规格……61.4.1设计规模……………………61.5.1主要原料规格及技术指标…………………71.5.2产品规格……………………6第2章工艺设计与计算………………72.1工艺原理…………72.2工艺条件影响因素………………82.3工艺路线选择……………………102.3.1工艺路线选择原则…………112.3.2具体工艺路线……………112.3.2工艺流程示意图……………122.4工艺参数……………142.4.1工艺配方2.4.2工艺参数……………2.5物料衡算……………142.5.1物料衡算的意义与作用………142.5.2物料衡算的方法与步骤………142.5.3物料衡算………152.6热量衡算……………182.6.1能量衡算的意义与作用………182.6.2热量衡算以所需热质的量……19第3章设备选型…………213.1选型原则……………213.2关键设备选择………223.2.1塔(釜)的计算………………223.2.2塔(釜)的高度与直径的计算………………233.2.3塔(釜)的壁厚计算…………253.2.4传热元件的计算………………273.2.5搅拌器的选择…………………283.3其它设备的选择……………………33第4章车间布置设计的原则……………334.1车间布置设计的原则………………334.1.1车间设备布置的原则…………334.1.2车间设备平面布置的原则……344.1.3车间设备立面布置的原则……344.2车间设备布置………354.2.1车间设备平面布置……………354.2.2车间设备立面布置……………35第5章自动控制…………355.1主要的控制原理……………………355.2自控水平与控制点…………………36第6章环境保护…………366.1三废产生情况………36第7章公用工程…………377.1供水…………………377.2供电…………………387.3供暖…………………387.4通风…………………38结束语……………………39致谢…………………40参考文献…………………41第1章总论1概述1.1.1意义与作用聚氯乙烯(PVC)是国内外高速发展的合成材料中5大热塑性合成树脂之一,以其价廉物美的特点,占合成树脂消费量的29%左右,仅次于聚乙烯(PE),居第二位。由于它具有优良的耐化学腐蚀性、电绝缘性、阴燃性、物理及机械性能、抗化学药品性能、质轻、强度高且易加工、成本低,可经过模压、层合、注塑、挤塑、压延、吹塑中空等方式进行加工,是一种能耗少、生产成本低的产品。因而聚氯乙烯(PVC)制品广泛用二工业、农业、建筑、电子电气、交通运输、电力、电讯和包装及人们生活中的各个领域。聚氯乙烯(PVC)硬质制品可代替金属制成各种工业行材、门窗、管道、阀门绝缘板及防腐材料等,还能够做收音机、电话、电视机、蓄电池外壳及家具、玩具等。其轻质品可制成薄膜用以制作雨披、台布、包装材料以及农膜,还可制成人造革、电线、电缆等的绝缘层[1]。1.1.2国内外的现状及发展前景聚氯乙烯(PVC)广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、电力电讯和包装等各领域。中国PVC生产能力约为972万吨,产量为920万吨,净进口量达151万吨,消费年增长率在9.5％左右。随着节水灌溉、建筑化学建材、包装、电子电气、汽车等下游行业对PVC需求的快速增长,未来几年中国对聚氯乙烯(PVC)的需求仍将保持较高的增长速度。全球PVC消费量约为3100万吨,预计到中国PVC树脂的需求量将达1100万吨,2020年将达到2160万吨。预计到全球PVC的需求量将达到3490万吨,2020年将达到4600万吨。聚氯乙烯按聚合方法分四大类:悬浮法聚氯乙烯,乳液法聚氯乙烯、本体法聚氯乙烯、溶液法聚氯乙烯[2]。1.1.3产品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:87℃熔点:212℃导热率(λ):0.16W/m·K热膨胀系数(α):810-5/K热容(c):0.9kJ/(kg·K)吸水率(ASTM):0.04-0.4%聚氯乙稀是一种无毒、无臭的白色粉末。电绝缘性优良,一般不会燃烧,在火焰上能燃烧并放出HCl,但离开火焰即自熄,是一种”自熄性”、”难燃性”物质。主要用于生产透明片、管件、金卡、输血器材、软、硬管、板材、门窗、异型材、薄膜、电绝缘材料、电缆护套、输血料等[3]。聚氯乙稀具有阻燃(阻燃值为40以上)、耐化学药品性高(耐浓盐酸、浓度为90％的硫酸、浓度为60％的硝酸和浓度20％的氢氧化钠)、机械强度及电绝缘性良好的优点。但其耐热性较差,软化点为80℃,于130℃开始分解变色,并析出HCI[3]聚氯乙烯由氯乙烯单体经过自由基聚合而成,聚合度n一般在500~0范围内,其分子结构式如下:从产品分类看,PVC属于三大合成材料(合成树脂、合成纤维、合成橡胶)中的合成树脂类,其中包括五大通用树脂,聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC、聚丙烯PP、聚苯乙烯PS、ABS树脂。1.1.4聚氯乙烯的主要用途1.PVC一般软制品利用挤出机能够挤成软管、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。2.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。也能够经过剪裁,热合加工包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。宽幅的透明薄膜能够供温室、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。3.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。也能够先将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。人造革能够用来制作皮箱、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。4.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。5.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。利用热成型能够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―如月饼包装盒。6.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,一般见乳液或微悬浮树脂,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。7.PVC硬板和板材PVC中加入稳定剂、润滑剂和填料,经混炼后,用挤出机可挤出各种口径的硬管、异型管、波纹管,用作下水管、饮水管、电线套管或楼梯扶手。将压延好的薄片重叠热压,可制成各种厚度的硬质板材。板材能够切割成所需的形状,然后利用PVC焊条用热空气焊接成各种耐化学腐蚀的贮槽、风道及容器等。8.PVC其它门窗有硬质异型材料组装而成。在有些国家已与木门窗铝窗等共同占据门窗的市场;仿木材料、代钢建材(北方、海边);中空容器[4]。1.1.5产品的生产方法概述聚氯乙烯由氯乙烯单体经过自由基聚合而成,聚合度n一般在500--0范围内,其分子结构式如下:聚氯乙烯按聚合方法分四大类:悬浮法聚氯乙烯,乳液法聚氯乙烯、本体法聚氯乙烯、溶液法聚氯乙烯。本实验设计采用悬浮发生产聚乙烯。悬浮法(主要是水相悬浮法)生产的氯化聚氯乙烯为非均质产品,溶解度相对于溶液法产品低,但热稳定性高,主要用于制造管材、管件、板材等[5]。1.2设计依据《设计任务书》北京化工大学《化工设计》化学工业出版社《毕业设计(论文)工作手册》北京化工大学《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》1.3厂址选择厂址选择是基本建设前期工作的重要组成部分,是根据国民经济建设计划和工业布局的要求,选择和确定工厂的建设位置。一个工厂厂址选择是否合理,将对建厂速度,建设投资,对项目建成后的经济效益,社会效益和环境效益的发挥,对轻化工业的合理布局和地区经济文化的发展具有深远意义,因此厂址选择是一项政策性和科学性很强的综合性工作。厂址选择的基本原则:厂址选择必须遵守国家法律法规,贯彻执行国家方针、政策,坚持基本建设程序,符合国家长远规划及行政布局、国土开发整治规划、城镇发展规划。从全局出发,正确处理工业与农业、城市与乡村、远期与近期以及协作配套等各种关系,并因地制宜,节约用地,不占或少占耕地及林地。注意资源合理开发和综合利用、节约能源、节约劳动力;注意环境保护和生态平衡、保护风景和名胜古迹;同时,还要做到有利生产、方便生活、便于施工,并提供有多个可供选择的方案进行比较和评价。厂址选择的一般要求:1.场地地形:要满足生产工艺流程,运输要求和留有适当的发展余地。便于排除雨水,不受洪水,海潮的影响或大型水坝溃坝的威胁。2.区域地质和工程地质:要避开地震断层及大断裂交汇区和基本烈度高于八度(不包括八度)的地震区(若必须在地震区选厂时,应慎重选择对抗地震有利的地形)。3.水文地质:地下水最好对建筑材料无侵蚀性或具微侵蚀性,其水位最好低于地下结构深度。4.气象:必须考虑日照方向,方位对建筑物的排列影响5.资源、原料、燃料及产品销售:要求资源,原料,燃料来源可靠,质量符和要求。6.交通运输:厂址要求交通方便。7.给水排水:厂址宜靠近水源,保证供水的可靠性,并满足对水质,水量,水温的要求、8.动力供应:要求工业电源及其它动力来源可靠。9.生活区:有污染气体排放的工厂应位于生活区的下风方向,并与厂区有一定的防护地带。10..安全防护:要符合城市及区域规划,并满足人防的要求12.施工条件:应尽可能利用当地供应的建筑材料13.其它如必须满足当地航空站(机场),通讯设施(广播电台,电报台)和军工工程对间隔距离和技术上的要求,并取得有关部门同意。厂址地下如有古墓,遗址或有地下建筑物,文物时,事先应征得文化部门的处理意见[6]。综合上述要求,我将建厂地点选在内蒙土默特旗。生产原料便于取得,利于生产。同时近年政府又提出振兴西部工业基地的号召,因此在东北建厂将享有一定的政策优惠。这里交通运输也较方便,各种公用条件都能够满足要求。这里的气象条件及自然条件也允许建厂。设计规模及原料与产品规格1.4.1设计规模本厂的设计规模为年产20万吨丙酮氰醇,年实际工作日为330天,日生产能力为606吨。1.4.2主要原料规格及技术指标单体纯度用于悬浮聚合的氯乙烯单体纯度在99%以上,其它杂质的含量如表1-3所示。表1-3原辅材料规格序号名称含量％1乙烯0.00022丙烯0.00023乙炔0.00024丁二烯0.00025１-丁烯-３-炔06二氧化合物0.00017水0.058HCl0去离子水规格如表1-4所示。表1-4去离子水的规格序号项目数值1导电率/0.52pH值7.03氧含量,％0.000014硬度05SiO2,％06SO3,％0.000017氯,％08蒸发残留物％01.5.2产品规格产品及副产品规格见表1-5。表1-5产品规格序号纯度单体含量其它杂质H2OPH备注精聚氯乙烯≥99%≤0.1≤0.6≤0.32.7-3.7优级品精聚氯乙烯≥98%≤0.1≤1.0≤0.92.5-3.8一等品精聚氯乙烯≥97%≤0.2≤1.5≤1.32.5-3.8合格精聚氯乙烯≥87%≤2.5≤3.5≤1.52.5-3.8第2章工艺设计与计算2.1工艺原理氯乙烯的聚合属于自由基型聚合反应。聚合时采用的引发剂为油溶性的偶氮类、有机过氧化物类和氧化还原引发体系。反应迅速,同时放出大量的反应热。链增长的方工为头尾相连。聚合反应过程存在着严重的增长链向单体的转移,是影响产物相对分子质量的主要因素,这种链转移随温度的升高而加快。聚氯乙烯由氯乙烯单体经过自由基聚合而成,聚合度n一般在500--0范围内,其分子结构式如下:氯乙烯的悬浮聚合是生产聚氯乙烯的主要方法。具有操作简单,生产成本低,产品质量好,经济效益好,用途广泛等特点,适于大规模的工业生产。在树脂质量上,用悬浮聚合生产的ＰＶＣ树脂的孔隙率提高了300%以上,经过适当处理的树脂其单体氯乙烯的残留量由原来的0.1%降到0.0005%以下。同时设备结构改进,大型化和采用计算机数控联机质量控制,使批次之间树脂质量更加稳定。另外,清釜技术和残留单体回收技术的发展,减少了开釜次数,进而减少了氯乙烯单体的释放量;采用烧结,冷凝或吸收方法汽提品和处理废气,进一步减少了氯乙烯单体的消耗。2.2工艺条件影响因素聚氯乙烯聚合时主要影响因素讨论如下:1.单体纯度用于悬浮聚合的氯乙烯单体纯度在99.9%以上。生产原料对聚氯乙烯质量很重要。氯乙烯杂质含量应尽可能低一些,其中脱盐水PH值要近乎中性,为6.5-7.5,导率应小于2um/cm。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。2.引发剂多用有机过氧化物和偶氮类引发剂,其中有机过氧化物为过氧化二碳酸酯、过氧化酯类。它们能够单独使用,也能够两种或两种以上引发活性不同的引发剂复合使用,复合使用的效果比单独使用好,其优点是反应速度均匀,操作更加稳定,产品质量好,同时使生产安全。引发剂的用量能够采用下式进行估算,再经过少量实验进行调整,即可确定,其计算公式如下:I(％)=NrM×10-4/[1-exp(-0.693t/t1/2)式中:I——工业上引发剂用量(质量分数),％;Nr——引发剂理论消耗量,等于(1加减慢0.1)mol/tpvc);用AIBN时,取0.9;用DCPD、EHP等过氧化二碳酯时,取1.1;M——引发剂的相对分子质量;t——聚合时间/h;t1/2——引发剂分解半衰期/h。工业生产中聚合时间一般控制在5～10h,应用选择t1/2为2～3h的引发剂。如果采用复合型引发剂,最好是一种引发剂的t1/2为4～6h。3.分散剂工业常见主要有明胶、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、苯乙烯-顺丁烯二酸酐等。工业上常以纤维素类(如羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素等)和醇解度75％～90％的聚乙烯醇为主分散剂,以非离子山梨糖醇,如一月桂酸酯、一硬脂酸酯、三硬脂酸酯等为助分散剂,两者进行复合使用效果也很好。4.水质与水量氯乙烯悬浮聚合用水应是去离子,其规格要求如表去离子的规格所示。特别水中的氯离子、铁和氧等的含量要严格控制,其中氯离子超过一定含量会造成树脂颗粒不均;水中的铁会降低树脂的热稳定性,并能终止反应。水的用量与树脂内部结构有关,紧密型树脂(以吸胶为分散剂)的生产,单体与水的质量比为1:1.1～1:1.3;疏松型树脂(以聚乙烯醇为分散剂)的生产,单体与水的质量比为1:1～1:2.0。5.系统中的氧因为氧对聚合有缓聚和阻聚作用,在单体自由基存在下,氧能与单体作用生成过氧化高聚物[-CH2-CHCL-O-O-]n,该物质易水解成酸类,破坏悬浮液和产品的稳定性。因此,无论从聚合的角度还是从安全的角度都应将各各原料中的氧和系统中的氧彻底清除干净。6.其它助剂:a.pH调节剂氯乙烯悬浮聚合的pH值控制在7～8,即在偏碱性的条件下进行聚合。这样可确保引发剂良好的分解速率,分散剂的稳定性防止因产物裂解时产生的HCL,造成悬浮液的不稳定,进而造成黏釜、清釜、传热的困难,并影响产品质量。为此需要加入水溶性碳酸盐、磷酸盐、醋酸钠等起缓冲作用的pH调节剂。b.防止黏釜剂在氯乙烯的悬浮聚合中,存在着黏釜现象,它不但影响聚合的传热,也影响产品的质量。另外,人工清釜劳动强度大,条件恶劣,影响工人健康。常见的防止黏釜的方法有选择合适的引发剂;在水相中加入水相阻聚剂如次甲基蓝、硫化钠等;在釜民壁、搅拌器等设备上喷涂一定量的防黏釜剂,常见的防黏釜剂如水浴黑、亚硝基P盐,还有多元酚的缩合物等。一旦发现有黏釜现象,采用高压(14.7～39.2Mpa)水冲洗法清洗。c.泡沫抑制(消泡剂)邻苯二甲酸二丁酯、(未)饱和的C6～C20羧酸甘油酯等。还有热稳定剂、润滑剂等。7.聚合温度与压力a．聚合温度氯乙烯悬浮聚合温度的高低决定着聚合产物的相对分子质量大小,因此,当配方确定以后必须严格控制聚合的温度。在实际生产中,一般控制在指定温度的正负0.5℃范围内,最好是控制在正负0.2b．聚合压力在聚合温度下,氯乙烯有相应的蒸汽压力,只有在聚合末期,大最单体聚合后,压力才明显下降[7]。2.3工艺路线的选择2.3.1工艺路线选择原则工艺路线的选择即生产方法的选择。轻化工产品生产的特点之一就是生产方法的多样化。如果,一种产品的生产只有一种定型的生产方法,那么在工艺路线上就无须选择;如果,一种产品的生产有几种不同的生产方法,这就要对不同的工艺路线逐个进行分析研究,经过比较分析,从中找出一条符合实际的最好的工艺路线。工艺路线一经确定,即可进行工艺流程的设计,因此,工艺路线是工艺流程设计的依据。1.先进性2.可靠性3.结合国情,因地制宜综上所述,本设计采用乳液悬浮法在引发剂作用下发生加成反应制取聚氯乙烯树脂。2.3.2聚氯乙烯悬浮法具体工艺路线如下:1.聚合悬浮聚合的过程是先将去离子水用泵打入聚合釜中启动搅拌器,依次将分散剂溶液、引发剂及其它助剂加入聚合釜内。然后,对聚合釜夹套内通入蒸汽和热水,当聚合釜内温度升高至聚合温度(50～58℃)后,改通冷却水,控制聚合温度不超过规定温度的正负0.5℃。当转化率达60～70％,有自加速现象发生,反应加快,放热现象激烈,应加大冷却水量。待釜内压力从最高0.687～0.981M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。2.碱处理聚合物悬浮液送碱处理釜,用浓度为36％～42％的NaOH溶液处理,加入量为悬浮液的0.05%～0.2%,用蒸汽直接加热至70～80℃,维持1.5～2.0h,然后用氮气进行吹气降温至65碱处理的目的:破坏残存的引发剂、分散剂、低聚物和挥发性物质,使其变成能溶于热水的物质,便于水洗清除。3.树脂的干燥方法聚氯乙烯树脂的干燥方法多是采用二段干燥法,即气流干燥管与沸腾床干燥器结合使用,其中气流干燥管脱除的是树脂上的表面非结合水,沸腾床干燥器脱除的是树脂内部结合水。这里的第二段干燥过程由于物料停留时间长,投资较大,热效率较差,费用较高,因此,国内外工业生产改进较大,如赫司特公司采用的MST旋风干燥器,具有停留时间适用、热效率利用好的特点。MST旋风干燥器在旋转流动中使热气体和固体树脂接触干燥树脂。干燥器为一个垂直的圆柱形塔,其中用环形挡板分成若干个干燥室。将热气和湿树脂切向高速进入最下面的室A,在A室利用离心力将固体树脂颗粒与气体分离开来。粉粒在室A中旋转流动中经过挡板的中心开口流入上层B室。同时,亲的树脂进入室A,过一段时间后,这个室开始充满树脂,这时,树脂粒子开始经挡板的中心开口逸入室B,先是最细颗粒,最后是最粗的颗粒进入室B。返回锥形挡板的中心开口时,旋转的粉粒受离心力作用和固体粒子受室壁压力散开,在这里它们停止运动,返回锥形挡板的中心开口,这样进入下一个室。这时再次用旋转气流输送这些树脂颗粒。用这样的方法使树脂充满每一个干燥室。携带着树脂粉粒的气体离开干燥室的顶部输送到气固分离器。利用这种旋风分离干燥器干燥的高度疏松聚氯乙烯树脂,干燥前含水量为30%,干燥后的含苞欲放水量下降到0.2%以下。4．脱水与成品:在卧式刮刀自动离心机或螺旋沉降式离心机中,先进行过滤,再用70～80℃热水洗涤二次。经脱水后的树脂具有一定含水量,经螺旋输送器送入气流干燥管,以140～150℃热风为载体进行第一段干燥,出口树脂含水量小于4%;再送入以120℃热风为载体的沸腾床干燥器中进行第二段干燥,得到含水量小于0.3%的聚氯乙烯树脂。再经筛分、包装后入库[2.3.3工艺流程示意图离心分离槽气提塔碱处理釜浆料排放槽聚合釜去离子水离心分离槽气提塔碱处理釜浆料排放槽聚合釜聚乙烯 引发剂 助剂 旋振筛旋风干燥床旋振筛旋风干燥床 成品储存与包装 成品储存与包装2.4工艺配方和工艺参数2.4.1工艺配方(质量份):去离子水100氯乙烯50～70悬浮剂(聚乙烯醇)0.05～0.5引发剂(过氧化二碳酸二异丙醇)0.02～0.3EHP过氧化二碳酸二(2-乙基己酯)缓冲剂(磷酸氢二钠)0～0.1消泡剂(邻苯二甲酸二丁酯)0～0.0022.4.2工艺参数:①聚合聚合温度50～58℃(依PVC型号而定)聚合压力初始0.687～0.981Mpa结束0.249～0.196Mpa聚合时间8～12h转化率90％②碱处理NaOH浓度36％～42％加入量聚合浆液的0.05％～0.2％温度70～80％时间1.5～2.0h③脱水紧密型树脂含水率8％～15％疏松型树脂含水率15％～20％④干燥第一段气流干燥管干燥干燥温度140～150℃风速15m/s物料停留时间1.2s含水率＜4％第二段沸腾床干燥干燥温度计120℃物料停留时间12min含水率＜0.3％2.5物料衡算2.5.1物料衡算的意义和作用物料衡算是化工计算中最基本,最重要的内容之一,是进行化工计算的基础。在化学工程中,为了导出某一过程的基本方程式和建立数学模型,设计或改造工艺流程和设备,了解和控制生产操作过程,核算生产过程的经济效益等都要进行物料衡算。物料衡算在生产和设计中都得到广泛的应用。在工厂设计中,物料衡算是在工艺流程及工艺参数确定后即开始的一项化工计算工作。由此,设计工作从定性分析转入定量计算。物料衡算是经过每一道工序的物料变化情况进行平衡计算,从而得到在正常生产情况下各种物料的量。经过物料平衡,在已知产品生产任务情况下,算出所需原材料,生成的副产品及废物等的生成量;或者在已知原材料投放的情况下算出产品,副产品及废物量。另外,经过物料衡算,不但可算出原材料消耗定额,算出生产过程所需的热量或冷量,同时为设备选型和计算提供依据,物料衡算的结果直接关系到生产成本和车间运输量,对工厂技术经济指标有举足轻重的影响。2.5.2物料衡算的方法与步骤1.收集计算数据(1)原料,辅料,中间产物及产品的规格(2)过程中单位时间内的物流量(3)有关消耗定额(4)有关转化率,选择性,单程收率(5)有关物理化学常数2.画物料流程图根据计算任务画物料流程图或物料衡算方框图。画图的目的是为了物料衡算时分析问题,便于展开计算以及为建立方程式作好准备。因此,这种图要画得相当详尽,不但所有已知数据要标明在图上,那些待求的未知数据(以恰当的符号表示)也应一并标明在图上,还应画出所有物料线,并包括每股物料的名称,数量,组成及流向,以及与计算有关的工艺条件(如温度,压力,流量,配比等)。3.确定衡算范围在物料衡算中,会遇到较复杂的计算。为了便于计算,常采用划定衡算范围的方法。衡算范围一经划定,便可假想成为一个独立的体系,凡是经过边界进入体系的物料属于输入项,凡是穿越边界离开体系的物料属于输出项。4.选定计算基准若作为计算基准的数量在流程中是已知的,如已知单位时间内原料投放量,则以此数据为基准,采用”顺算法”,就能方便的计算出单位时间的产品,中间产品以及三废的各股物料量。若已知产品量,而中间的计算步骤很多,很难一下子算出原料量,此时可采取”倒推法”,即由已知产品量从后往前反算出其它各股物料量。倘若年产量在数值上太大,计算起来不方便,则可先按100千克或100摩尔原料(也可按任何别的方便的数量)出发进行计算。算出产品产量后,与实际产量进行比较,求出相差的系数,以此系数分别乘以原假设量,即可得到各股物料的实际量。5.列出输入-输出物料平衡表此表用来描述和识别所有进入体系和离开体系的物料。表中列出了已知量和要求解的未知量,有时还列出经过导出和计算的有关数据。2.5.3物料衡算生产任务:年产20万吨吨丙酮氰醇生产时间:330天/年每天生产量:(00吨×1000)/330天=6.06×105千克/天每小时生产量:(6.06×105)/24=2.53×103千克/小时1聚合釜物料衡算去离子水纯度100%氯乙烯纯度99%悬浮剂(聚乙烯醇)97%引发剂(过氧化二碳酸二异丙醇)97%缓冲剂(磷酸氢二钠)99%消泡剂(邻苯二甲酸二丁酯)99%转化率:93%(1)进料去离子水:4.35×103千克/小时氯乙烯:2.72×103千克/小时引发剂:0.87千克/小时悬浮剂2.10千克/小时缓冲剂4.5千克/小时消泡剂0.1千克/小时(2)出料去离子水:3.93×103千克/小时聚氯乙烯:2.57×103千克/小时氯乙烯:50千克/小时引发剂:0.01千克/小时悬浮剂2.10千克/小时缓冲剂4.5千克/小时消泡剂0.1千克/小时杂质:0.4千克/小时聚合釜进料量见表2-2。表2-2聚合釜进料量名称质量(千克/小时)去离子水:4.35×103千克/小时氯乙烯:2.72×103千克/小时引发剂:0.87千克/小时悬浮剂2.10千克/小时缓冲剂4.5千克/小时消泡剂0.1千克/小时聚合釜出料量见表2-3。表2-3聚合釜出料量名称质量(千克/小时)去离子水:3.93×103千克/小时聚氯乙烯:2.57×103千克/小时氯乙烯:50千克/小时引发剂:0.01千克/小时悬浮剂2.10千克/小时缓冲剂4.5千克/小时消泡剂0.1千克/小时2碱中和釜物料衡算NaOH溶液浓度:36％NaOH溶液:聚氯乙烯0.2:100溶剂水:40千克/小时聚氯乙烯:2.57×103千克/小时转化率为99.9%(1)进料NaOH溶液:64千克/小时溶剂水:40千克/小时聚氯乙烯:2.57×103千克/小时杂质:0.4千克/小时(2)出料NaOH溶液:0.05千克/小时溶剂水:40千克/小时聚氯乙烯:2.56×103千克/小时杂质:23千克/小时碱中和进料量见表2-4。表2-4碱中和釜进料量名称质量(千克/小时)NaOH溶液64千克/小时溶剂水40千克/小时聚氯乙烯2.57×103千克/小时杂质0.4千克/小时碱中和出料量见表2-5。表2-5碱中和釜出料量NaOH溶液0.05千克/小时溶剂水40千克/小时聚氯乙烯2.56×103千克/小时杂质23千克/小时NaOH溶液0.05千克/小时2.6热量衡算2.6.1热量衡算的意义和作用精细化工生产一般在规定的压力,温度和时间等温度等工艺条件下进行,生产过程中包括有化学过程和物理过程,往往伴随着能量变化。因此,必须进行能量衡算。生产中一般无轴功或轴功相对较小,能够忽略不计。因此,能量衡算实质上是热量衡算。生产过程中所产生的化学热效应与物理变化热效应会使物料温度上升或下降,为了保证生产过程在一定温度条件下进行则需要环境对生产系统有热量的加入或放出,对于新车间设计,热量衡算是在物料衡算的基础上进行的。经过热量衡算,能够确定传热设备的热负荷,即在规定时间中加入和移出的热量,从而确定传热剂的消耗量,选择合适的传热方式,计算传热面积。热量衡算和物料衡算相结合,经过工艺计算,能够确定设备的工艺尺寸,如设备的台数,容积,传热面积等参数。2.6.2热量衡算及所需的热质的量在解决实际问题中,热平衡方程为:Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中:Q1——各股物料带入的热量Q2——加热剂(或冷却剂)传给设备和物料的热量Q3——各种热效应,如反应热,溶解热等Q4——各股物料带走的热量Q5——消耗在加热设备上的热量Q6——热损失水的比热为4.2KJ/(Kg·℃)乙烯的比热为2.3KJ/(Kg·℃)引发剂和助剂的平均的比热为2.7KJ/(Kg·℃)总热损失(Q5+Q6)为反应热的10%1.聚合釜的热量衡算聚合釜氯乙烯水聚合釜25℃水 18引发剂和助剂聚乙烯SKIPIF1<0=4.2×(100/146.3)+2.3×(46.3/146.3)=2.71KJ/(Kg·℃)SKIPIF1<0=2.7×(124.4/146.3)+2.9×(15/146.3)+2.3×(6.9/146.3)=2.7KJ/(Kg·℃)Q3=10.5×4.3868×124400=5468798.16KJQ1=SKIPIF1<0×m×t1Q4=SKIPIF1<0×m×t2Q5+Q6=Q2×10%利用Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6(Q2符号为负)可求得:Q2=4974148.4KJ2.碱中和的热量衡算碱中和釜聚乙烯聚乙烯碱中和釜18℃ 水 水 25NaOH溶液杂质SKIPIF1<0=2.7×(124.4/146.3)+2.9×(15/146.3)+2.3×(6.9/146.3)=2.7KJ/(Kg·℃)SKIPIF1<0=2.7×(131.7/146.3)+2.9×(10/146.3)+2.3×(4.63/146.3)=2.67KJ/(Kg·℃)Q3=10.5×4.3868×73=3208.2KJQ1=SKIPIF1<0×m×t1Q4=SKIPIF1<0×m×t2Q5+Q6=Q2×10%利用Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6(Q2符号为负)可求得:Q2=2999KJ旋风干燥床热量衡算旋风干燥床聚乙烯聚乙烯旋风干燥床25℃ 水 水 40℃易挥发杂质杂质SKIPIF1<0=2.7×(131.7/146.3)+2.9×(10/146.3)+2.3×(4.63/146.3)=2.67KJ/(Kg·℃)SKIPIF1<0=2.7×(136.4/146.3)+2.9×(7/146.3)+2.3×(3.24/146.3)=2.69KJ/(Kg·℃)Q3=10.5×4.3868×4700=206618.6KJQ1=SKIPIF1<0×m×t1Q4=SKIPIF1<0×m×t2Q5+Q6=Q2×10%利用Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6(Q2符号为负)可求得:Q2=189637.3KJ第3章设备选型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)的单耗;能改进环境保护,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,这样不但能够节约外汇,而且能够促进中国机械制造工业的发展。当然根据条件和可能,引进少量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[6]。3.2关键设备选择3.2.1釜的计算对于连续反应釜SKIPIF1<0[6](3-1)式中:Vh——每小时处理的物料量τ——反应所需的时间n——设备备用系数SKIPIF1<0——装料系数(1)聚合釜的主要参数氯乙烯悬浮聚合采用的是釜式聚合反应器。聚合釜的材质有复合钢板、全不锈钢和搪瓷三种。聚合釜的趋势是大型化,国内普遍采用的是33m3复合钢板釜。国外采用的聚合釜容积更大,如日本采用127m3聚合釜。(2)聚合釜的传热聚合的传热能力在相当程度上意味着釜的生产能力。聚合釜的传热能力能够用下式表示:Q=KA△tm式中Q——传热能力或传热速度/(kJ·h);A——传热面积/㎡;K——传热系数/[W/(㎡·K)]△tm——传热温差/℃提高传热能力的途径有三个:一是增大传热面积;二是提高传热系数;三是增大传热温度差。①传热面积影响聚合釜传热面积的因素有聚合釜的高径和容积。高径比高径比(aspectratio)等于L/D。高径比越大(瘦长型),则釜的传热面积越大;L/D=1时,釜的传热面积最小。高径比的大小不但影响釜的传热面积,还影响搅拌器的安装。按日本日立公司的观点是,当釜的容积小于30㎡时,传热面积是主要矛盾,因此L/D应大些;当釜的容积大于30㎡时,搅拌器是主要矛盾,因此L/D应小些。按神钢法德拉的观点是,无论多大的釜,搅拌器是主要矛盾,因此,L/D要小些。中国的观点与日立公司的观点基本相同,一般L/D在1.5～4左右。比传热面积聚合釜的传热面积大小,随釜容积的增加而减小。一般用单位体积的传热面积,即比传热面积A/V(m2/m3)表示。如当L/D=1.2时,存在A=4.77V0.65关系,若将容积为14m3的釜放大到50m为此,当聚合釜的容积增大以后,但热面积不够时可采用釜内加冷管或D型挡板或釜顶冷凝器等来增加传热面积。如国内80m3聚合釜即有4组内冷管又有釜顶冷凝器,德国200m3聚合釜无内冷管而是加入少量挡板和釜顶冷凝器。注意加内冷管后对搅拌和黏釜都有一定影响,因此,能不加还是不加,或尽量少加。②传热系数传热性能好的聚合釜传热系数姨般可达465～582W/(㎡·K),甚至在689W/(㎡·K)以上,搪瓷釜能够达349W/(㎡·K)以上。当传热系数在233W/(㎡·K)以下时,则认为传热不能好应该强化。影响传热系数的因素如下式所示。1/K=1/a1+∑a1·a2(修改)式中:K——分别为釜内和外给热系数,W/(㎡·K);a1——为釜壁黏釜物层、不锈钢层、碳钢层、搪瓷层、水垢层各层的厚度,m;a2——为釜壁黏釜物层、不锈钢层、碳钢层、搪瓷层、水垢层各层的热导率,W/(㎡·K);釜内壁给热系数a1体系黏度愈小,搅拌强度愈大,则内壁液膜愈薄,热阻愈小,a1值愈大。釜外壁给热系数a2釜外夹套内通有冷却水,以散除聚合热。釜外壁给热系数一般波动在582～5820W/(㎡·K)之间,主要由水流动状况而定。传热性能良好的聚合釜一般要求a2在2326～3489W/(㎡·K)以上。1对于聚合釜去离子水:4.35×103千克/小时密度:1.0×103氯乙烯:2.72×103千克/小时密度:0.972×103引发剂:0.87千克/小时密度:1.328×103悬浮剂2.10千克/小时密度:1.110×103缓冲剂4.5千克/小时密度:1.328×103消泡剂0.1千克/小时密度:1.120×103Vh=V1+V2+V3=(4.35×103/1.0×103+2.72×103/0.972×103+0.87/1.328×103+4.5/1.328×103+3/2120)/0.8=5.2mSKIPIF1<0=7.2m32.碱中和釜聚氯乙烯流量:2.57×103千克/小时密度:0.93×103水流量:103.5千克/小时密度:0.7972×103碱水流量:47.6千克/小时密度:0.6876×103杂质流量:3千克/小时.密度:2.12×103Vh=V1+V2+V3+V4=2.57×103/930+103.5/792.2+47.6/687.6+3/2120=3.3mSKIPIF1<0=8.3m33.2.2塔(釜)的高度与直径的计算1.对于聚合釜设釜内径为DO,筒高为H,高径比r=1SKIPIF1<0=SKIPIF1<0DO2SKIPIF1<0[8]SKIPIF1<0——封头容积DO=SKIPIF1<0查《压力容器与化工设备实用手册》P256表2-2-6椭圆形封头尺寸与质量取DO=1100mm,则封头直边高度h0=25mm,曲边高度h1=275mm,容积VO=0.198mSKIPIF1<0SKIPIF1<02对于碱中和釜设釜内径为DO,筒高为H,高径比r=1SKIPIF1<0=SKIPIF1<0DO2SKIPIF1<0SKIPIF1<0——封头容积DO=SKIPIF1<0查《压力容器与化工设备实用手册》P256表2-2-6椭圆形封头尺寸与质量取DO=1300mm,则封头直边高度h0=25mm,曲边高度h1=325mm,容积VO=0.321mSKIPIF1<0SKIPIF1<03.2.3釜壁厚计算根据《化工设备设计基础》选用钢号0Cr18Ni9钢板标准GB4237参考《钢板许用应力》计算厚度SKIPIF1<0SKIPIF1<0[8](3-2)实际壁厚SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0式中:C——壁厚附加量C1——钢板负偏差C2——腐蚀裕量1.对于聚合釜SKIPIF1<0壳体加工成形后(不包括腐蚀裕量)的最批小壁厚按下列条件确定:碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm高合金钢制容器不小于2mm[9]因此SKIPIF1<0查《化工设备设计基础》钢板副偏差表3-13C1=0.13mmC2=2mm壁厚附加量SKIPIF1<0取SKIPIF1<0实际壁厚SKIPIF1<02.对于碱中和釜SKIPIF1<0壳体加工成形后(不包括腐蚀裕量)的最小壁厚按下列条件确定:素钢和低合金钢制容器不小于3mm高合金钢制容器不小于2mm因此SKIPIF1<0查《化工设备设计基础》钢板副偏差表3-13C1=0.13mmC2=2mm壁厚附加量SKIPIF1<0取SKIPIF1<0实际壁厚SKIPIF1<03.对于旋风干燥釜SKIPIF1<0壳体加工成形后(不包括腐蚀裕量)的最小壁厚按下列条件确定:素钢和低合金钢制容器不小于3mm高合金钢制容器不小于2mm因此SKIPIF1<0查《化工设备设计基础》钢板副偏差表3-13C1=0.13mmC2=2mm壁厚附加量SKIPIF1<0取SKIPIF1<0实际壁厚SKIPIF1<03.2.4传热元件计算1.换热面积的计算(1)聚合釜冷却剂移走的热量Q2=4974148.4×6.9=34321623.96KJSKIPIF1<0(2)碱中和釜碱中和移走的热量Q2=299983×6.9=2069882.7KJSKIPIF1<0(3)旋风干燥釜旋风干燥移走的热量Q2=189637.3×6.9=1308497.37KJSKIPIF1<02夹套高度SKIPIF1<0[10](3-3)查《化工设备机械基础》壳体直径在800mm~1800mm时,夹套直径取Di+100mm3.2.5搅拌器的选择1.搅拌器的选择聚氯乙烯产品及其原料均为低黏度流体,因此采用推进式搅拌器。SKIPIF1<02.叶轮叶片螺距的确定SKIPIF1<0SKIPIF1<03.搅拌功率的计算搅拌器的搅拌功率为SKIPIF1<0SKIPIF1<0[11](3-4)ρ——液体的密度Kg/m3n——搅拌器的转速r/sDj——搅拌器的直径mμ——液体的黏度Pa·SK——功率准数校正总系数Po——搅拌功率准数4.搅拌轴直径的计算SKIPIF1<0[12](3-5)A——许用剪应力[τ]变化的系数Ps——轴上传递的功率kwn——轴转速r/sd——轴最小直径(1)聚合釜搅拌器的选择a)缩合釜搅拌器的选择SKIPIF1<0b)叶轮叶片螺距的确定SKIPIF1<0c)搅拌功率的计算搅拌器的搅拌功率为SKIPIF1<0SKIPIF1<0(3-6)ρ——868Kg/m3n——6.5r/sDj——0.3667mμ——2.5Pa·SK——功率准数校正总系数Po——搅拌功率准数K1=0.8;K2由SKIPIF1<0搅拌器的搅拌功率为P5=K×P0×n3×ρ×Dj5=1.6×20×6.53×868×0.36675=7781.3Wd)搅拌轴直径的计算SKIPIF1<0(2)碱中和釜搅拌器的选择a)碱中和釜搅拌器的选择SKIPIF1<0b)叶轮叶片螺距的确定SKIPIF1<0c)搅拌功率的计算搅拌器的搅拌功率为SKIPIF1<0SKIPIF1<0(3-7)ρ——868Kg/m3n——6.5r/sDj——0.3667mμ——2.5Pa·SK——功率准数校正总系数Po——搅拌功率准数K1=0.8;K2由SKIPIF1<0搅拌器的搅拌功率为P5=K×P0×n3×ρ×Dj5=1.6×20×6.53×868×0.36675=7781.3Wd)搅拌轴直径的计算SKIPIF1<0(3)深冷釜搅拌器的选择a)缩合釜搅拌器的选择SKIPIF1<0b)叶轮叶片螺距的确定SKIPIF1<0c)搅拌功率的计算搅拌器的搅拌功率为SKIPIF1<0SKIPIF1<0(3-8)ρ——868Kg/m3n——6.5r/sDj——0.3667mμ——2.5Pa·SK——功率准数校正总系数Po——搅拌功率准数K1=0.8;K2由SKIPIF1<0搅拌器的搅拌功率为P5=K×P0×n3×ρ×Dj5=1.6×20×6.53×868×0.36675=7781.3Wd)搅拌轴直径的计算SKIPIF1<03.3其它设备的选择其它的设备主要是泵的选择。工业生产中有进料泵、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,并使之与其它设备能力协调平衡;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1.05～1.1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,应在生产上所需要的流量和扬程后进行。第4章车间设备布置设计4.1车间设备布置的原则4.1.1车间设备布置的原则1从经济和压降观点出发,设备布置应顺从工艺流程,但若与安全、维修和施工有矛盾时,允许有所调整。2根据地形、主导风向等条件进行设备布置,有效的利用车间建筑面积(包括空间)和土地(尽量采用露天布置及建筑物能合并者尽量合并)。3明火设备必须布置在处理可燃液体或气体设备的全年最小频率风向的下侧,并集中布置在装置(车间)边缘。4控制室和配电室应布置在生产区域的中心部位,并在危险区外。5充分考虑本装置(车间)与其它部门在总平面布置图上的位置,力求紧凑、联系方便,缩短输送管线,达到节省管材费用及运行费用的目的。6留有发展的余地7所采取的劳动保护、防火要求、防腐蚀措施要符合有关标准、规范的要求。8有毒、有腐蚀性介质的设备应分别集中布置,并设围堰,以便集中处理。9设备安全通道、人流、物流方向应错开。10设备布置应整齐,尽量使主要管道走向一致[13]。4.1.2车间设备平面布置的原则车间平面布置首先必须适合全厂总平面布置的要求,应尽可能使个车间的平面布置在总体上达到协调、整齐、紧凑、美观,相互融合,浑成一体。其次,必须从生产需要出发,最大限度的满足生产包括设备维修的要求。即要符合流程、满足生产、便于管理、便于运输、利于设备安装和维修。第三,生产要安全。即要全面妥善的解决防火、防爆、防毒、防腐、卫生等方面的问题,符合国家的各项有关规定。第四,要考虑将来扩建及增建的余地,为今后生产发展、品种改革、技术改造提供方便。但这些一定要最有效的利用车间的建筑面积(包括空间)和土地(设备装置能露天布置的尽量露天布置,建筑物能合并的应尽量合并)。4.1.3车间设立面布置的原则厂房的立面形式有单层、多层和单层与多层相结合的形式。多层厂房占地少但造价高,而单层厂房占地多但造价低。采用单层还是多层主要应根据工艺生产的需要。例如制碱车间的碳化塔,根据工艺要求须放在厂房内,但塔有比较高,且操作岗位安排在塔的中部以便观察塔内情况,这样就需要设计多层厂房;另一种情况是:设备大部分露天布置,厂房内只需要安置泵或风机,这种情况可设计成单层厂房。对于为新产品工业化生产而设计的厂房,由于生产过程中对工艺流程和设备需要不断改进和完善,一般都设计一个较高的单层厂房,利用便于移动、拆装、改建的钢制操作平台代替钢筋混凝土操作台,以适应工艺流程和设备变化的需要。4.2车间设备布置4.2.1车间设备平面布置车间平面布置按其外形一般分为长方形、L形、T形和Ⅱ形等。长方形便于总平面图的布置,节约用地,有利于设备排列,缩短管线,易于安排交通出入口,有较多可供自然采光和通风的墙面;但有时由于厂房总长度较长,在总图布置有困难时,为了适应地形的要求或者生产的需要,也有采用L形、T形和Ⅱ形的,此时应充分考虑采光、通风和立面等各方面的因素。4.2.2车间设备立面布置化工厂厂房可根据工艺流程的需要设计成单层、多层或单层与多层相结合的形式。一般来说单层厂房建设费用较低,因此除了由于工艺流程的需要必须设计成多层外,工程设计中一般多采用单层。有时因受建设场地的限制或者为了节约用地,也有设计成多层的。对于为新产品工业化生产而设计的厂房,由于在生产过程中对于工艺路线还需不断改进和完善,因此一般都设计成一个高单层厂房,利用便于移动、拆装、改建的钢操作台代替钢筋混凝土操作台或多层厂房的楼板,以适应工艺流程改变的需要。第5章自动控制5.1主要的控制原理自动控制作为一种技术手段已经广泛的应用于工业、农业、国防乃至日常生活和社会科学许多领域。所谓自动控制就是指在脱离人的直接干预,利用控制装置(简称控制器)使被控制对象(如设备生产过程等)的工作状态或简称被控量(如温度、压力、流量、速度、PH值等)