聚氯乙烯生产工艺

聚 氯 乙 烯 生 产 工 艺 学 院 材料与化工 专 业 材料科学与工程 姓 名 刘逾 学 号 20090413310045 任课老师 陈永 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 引言引言 聚氯乙烯 PVC 是 5 大通用塑料之一 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 主要成份为聚氯乙烯 色泽鲜艳 耐腐蚀 牢固耐用 由于在制造过程中 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 它是当今世界上深受喜爱 颇为流行并且也被广 泛应用的一种合成材料 它的全球使用量在各种合成材料中高居第二 据统计 仅 仅 1995 年一年 PVC 在欧洲的生产量就有五百万吨左右 而其消费量则为五百三 十万 吨 在德国 PVC 的生产量和消费量平均为一百四十万吨 PVC 正以 4 的增长 速度在全世界范围内得到生产和应用 近年来 PVC 在东南亚的增长速度尤为显著 这要归功于东南亚各国都有进行基础设施建设的迫切需求 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 70 75 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 建厂的有关事项及合成聚氯乙烯的流程和设备 对整 个生产工艺做出了详细的叙述 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 目录目录 引言 第 1 章 总论 4 1 1 概述 4 1 1 1 意义与作用 4 1 1 2 国内外的现状以发展前景 4 1 1 3 产品的性质与特点 5 1 1 4 产品的主要用途 6 1 1 5 产品的生产方法概述 6 1 1 6 产品的原料与规格 9 1 6 1 主要原料规格及技术指标 9 1 6 2 产品规格 10 第 2 章 工艺设计原理与工艺流程图说明 10 2 1 工艺原理 11 2 2 工艺条件影响因素 11 2 3 工艺路线选择 13 2 3 1 工艺路线选择原则 13 2 3 2 具体工艺路线 14 2 3 2 工艺流程示意图 15 2 4 工艺参数 16 第 3 章 物料衡算 物料衡算 16 3 1 物料衡算的意义与作用 17 3 2 物料衡算的方法与步骤 17 3 3 物料衡算 18 第 4 章 热量衡算 19 4 1 能量衡算的意义与作用 19 4 2 热量衡算以所需热质的量 20 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 第 5 章 设备选型 23 5 1 选型原则 23 5 2 关键设备选择 23 5 2 1 塔 釜 的计算 23 5 2 2 塔 釜 的高度与直径的计算 26 5 2 3 塔 釜 的壁厚计算 27 5 2 4 传热元件的计算 28 5 2 5 搅拌器的选择 29 5 3 其他设备的选择 34 第 6 章 车间布置设计的原则 34 6 1 车间布置设计的原则 35 6 1 1 车间设备布置的原则 35 6 1 2 车间设备平面布置的原则 35 6 1 3 车间设备立面布置的原则 35 6 2 车间设备布置 36 6 2 1 车间设备平面布置 36 6 2 2 车间设备立面布置 36 第 7 章 环 境 保 护 与 安 全 措 施 36 7 1 厂 内 的 防 火 防 爆 措 施 36 7 2 车 间 照 明 及 采 暖 措 施 37 7 3 防 静 电 防 雷 措 施 37 7 4 三 废 处 理 情 况 38 参考文献 39 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 第 1 章 总论 1 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 可通过模压 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 还可以做收音机 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 2006 年我国 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 未来几年我国对聚氯乙烯 PVC 的需 求仍将保持较高的增长速度 2007 年全球 PVC 消费量约为 3100 万吨 预计到 2010 年我国 PVC 树脂的需求量将达 1100 万吨 2020 年将达到 2160 万吨 预计到 2010 年全球 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 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 中文名称 聚氯乙烯 英文名称 Polyvinyl chloride polymer 简称 PVC 玻璃转变温度 87 熔点 212 导热率 0 16 W m K 热膨胀系数 810 5 K 热容 c 0 9 kJ 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通过自由基聚合而成 聚合度 n 一般在 500 20000 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聚氯乙烯的主要用途 1 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 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 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 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 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 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 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 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 板材可以切割成所需的形状 然后利用 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 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 其他 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通过自由基聚合而成 聚合度 n 一般在 500 20000 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 5 1 本体法聚合生产工艺 本体聚合生产工艺 其主要特点是反应过程中不需要加水和分散剂 聚合 分 2 步进行 第 1 步在预聚釜中加人定量的 VCM 单体 引发剂和添加剂 经加热后 在强搅拌 相对第 2 步聚合过程 的作用下 釜内保持恒定的压力和温度进行预聚合 当 VCM 的转化率达到 8 12 停止反应 将生成的 种子 送人聚合釜内进行第 2 步 反应 聚合釜在接收到预聚合的 种子 后 再加人一定量的 VCM 单体 添加剂和 引发剂 在这些 种子 的基础上继续聚合 使 种子 逐渐长大到一定的程度 在低速搅拌的作用下 保持恒定压力进行聚合反应 当反应转化率达到 60 一 85 根据配方而定 时终止反应 并在聚合釜中脱气 回收未反应的单体 而后在釜 内汽提 进一步脱除残留在 PVC 粉料中的 VCM 最后经风送系统将釜内 PVC 粉料送 往分级 均化和包装工序 1 5 2 乳液聚合生产工艺 氯乙烯乳液聚合方法的最终产品为制造聚氯乙烯增塑糊所用的的聚氯乙烯 糊树脂 E PVC 工业生产分两个阶段 第一阶段氯乙烯单体经乳液聚合反应生成 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 聚氯乙烯胶乳 它是直径 0 1 3 微米聚氯乙烯初级粒子在水中的悬浮乳状液 第二 阶段将聚氯乙烯胶乳 经喷雾干燥得到产品聚氯乙烯糊树脂 它是初级粒子聚集而 成得的直径为 1 100 微米 主要是 20 40 微米的聚氯乙烯次级粒子 这种次级粒子 与增塑剂混合后 经剪切作用崩解为直径更小的颗粒而形成不沉降的聚氯乙烯增塑 糊 工业上称之为聚氯乙烯糊 1 5 3 悬浮聚合生产工艺 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 45 70 之间 使用低温聚合时 如 42 45 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 62 71 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 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载 开发新的应用领域的重要手段 8 1 4原料与产品规格 1 4 1 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 其他杂质的含量如表 1 3 所 示 表 1 3 原辅材料规格 序号名称含量 1 乙烯 0 0002 2 丙烯 0 0002 3 乙炔 0 0002 4 丁二烯 0 0002 5 丁烯 炔 0 6 二氧化合物 0 0001 7 水 0 05 8HCl0 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 5 2 pH 值 7 0 3 氧含量 0 00001 4 硬度 0 5 SiO2 0 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载 6 SO3 0 00001 7 氯 0 8 蒸发残留物 0 1 4 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 3 2 7 3 7 优级品 精聚氯乙烯 98 0 1 1 0 0 9 2 5 3 8 一等品 精聚氯乙烯 97 0 2 1 5 1 3 2 5 3 8 合格 精聚氯乙烯 87 2 5 3 5 1 5 2 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 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载 聚氯乙烯由氯乙烯单体通过自由基聚合而成 聚合度 n 一般在 500 20000 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 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 它们可以单独使用 也可以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 引发剂的用量可以采用下式进行估算 再通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 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载 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 工业常用主要有明胶 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 尤其水中的氯离子 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 所以 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 其他助剂 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 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载 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 常用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 2 范围内 并且 要确保温度 控制平稳 要有降温处理手段 防止出现异常现象 一般采用大流量低温差循环方 式 最好采用计算机数控联机质量控制系统 b 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 通过比较分析 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 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载 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 引发剂及其他助剂加入聚合釜内 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 981Mpa 时 可泄压出料 使聚合物膨胀 因为聚氯乙烯粒的疏松程度与泄压膨胀的压力有关 所 以要根据不同要求控制泄压压力 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 双下时 再送去过滤和洗涤 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 中旋转流动中通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 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载 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 8 2 3 3 工艺流程示意图 去离子水 聚乙烯 引发剂 助剂 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 3 EHP 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 0 002 聚 合 釜 浆 料 排 放 槽 碱 处 理 釜 气 提 塔 成品储存与包装 离 心 分 离 槽 旋 风 干 燥 床 旋 振 筛 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载 2 4 2 工艺参数 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 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 0h 脱水 紧密型树脂含水率 8 15 疏松型树脂含水率 15 20 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 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载 第三章 物料衡算 3 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 物料衡算是通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 通过物料平衡 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 此外 通过物料衡算 不仅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 3 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 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载 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 凡是通过边界进入体系 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他各股物料量 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 1 天 10 千克 每天生产量 10 千克 每小时生产量 10 24 0 417 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 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载 去离子水 0 717 千克 小时 氯乙烯 0 448 千克 小时 引发剂 0 00015 千克 小时 悬浮剂 0 00035 千克 小时 缓冲剂 0 00075 千克 小时 2 出料 去离子水 0 68 千克 小时 聚氯乙烯 0 427 千克 小时 氯乙烯 0 0084 千克 小时 引发剂 0 0017 克 小时 悬浮剂 0 00035 千克 小时 缓冲剂 0 00075 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 0 0067 千克 小时 聚氯乙烯 0 4236 千克 小时 转化率为 99 9 1 进料 NaOH 溶液 0 0017 克 小时 溶剂水 0 0067 千克 小时 聚氯乙烯 0 4236 千克 小时 2 出料 NaOH 溶液 0 0017 克 小时 溶剂水 0 0067 千克 小时 聚氯乙烯 0 4236 千克 小时 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载 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 可以忽略不计 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 通过热量衡 算 可以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 通过工艺计算 可以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 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载 1 聚合釜的热量衡算 氯乙烯 水 25 水18 引发剂和助剂 聚乙烯 4 2 100 146 3 2 3 46 3 146 3 2 71 KJ Kg 1 Cp 2 7 124 4 146 3 2 9 15 146 3 2 3 6 9 146 3 2 7 2 Cp KJ Kg Q3 911 46KJ Q1 m t1 1 Cp Q4 m t2 2 Cp Q5 Q6 Q2 10 利用 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q2符号为负 可求得 Q2 829 4KJ 2 碱中和的热量衡算 聚乙烯 聚乙烯 18 水水25 NaOH 溶液 杂质 2 7 124 4 146 3 2 9 15 146 3 2 3 6 9 146 3 2 7 1 Cp KJ Kg 聚 合 釜 碱 中 和 釜 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载 2 7 131 7 146 3 2 9 10 146 3 2 3 4 63 146 3 2 67 2 Cp KJ Kg Q3 10 5 4 3868 73 0 5347KJ Q1 m t1 1 Cp Q4 m t2 2 Cp Q5 Q6 Q2 10 利用 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q2符号为负 可求得 Q2 0 495KJ 2旋风干燥床热量衡算 聚乙烯 聚乙烯 25 水水40 易挥发杂质 杂质 2 7 131 7 146 3 2 9 10 146 3 2 3 4 63 146 3 1 Cp 2 67KJ Kg 2 7 136 4 146 3 2 9 7 146 3 2 3 3 24 146 3 2 69 2 Cp KJ Kg Q3 34 43KJ Q1 m t1 1 Cp 旋 风 干 燥 床 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载 Q4 m t2 2 Cp Q5 Q6 Q2 10 利用 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q2符号为负 可求得 Q2 31 6KJ 第 5 章 设备选型 5 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 精品文档 24欢迎下载24欢迎下载 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 5 2 关键设备选择 5 2 1 釜的计算 对于连续反应釜 6 3 1 Vhn V m 式中 Vh 每小时处理的物料量 反应所需的时间 n 设备备用系数 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 釜的传热能力可以用下式表示 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 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载 大传热温度差 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 aspect ratio 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 高径比的大小不仅影响釜的传热面积 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 我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 50 m3 后者的比传热面积将下降为前 者的 37 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 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 689 W K 以上 搪瓷釜可以达 349W K 以上 当传热系数在 233 W 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 精品文档 26欢迎下载26欢迎下载 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 0 717 千克 小时 氯乙烯 0 448 千克 小时 引发剂 0 00015 千克 小时 悬浮剂 0 00035 千克 小时 缓冲剂 0 00075 千克 小时 Vh V1 V2 V3 86 7 cm3 120 cm3 Vhn V m 2 碱中和釜 NaOH 溶液 0 0017 克 小时 溶剂水 0 0067 千克 小时 聚氯乙烯 0 4236 千克 小时 Vh V1 V2 V3 V4 55cm3 138cm3 Vhn V m 3 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 1 DO2 8 OVV 4 H 封头容积OV DO 3 3 44 1 1 1 12 3 14 V m 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 198m3 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载 4 4 1 1 0 198 0 95 23 14 1 1 1 1 O O VV Hm D 0 95 0 86 1 1O H r D 2 对于碱中和釜 设釜内径为 DO 筒高为 H 高径比 r 1 DO2OVV 4 H 封头容积OV DO 3 3 44 1 76 1 31 3 14 V m 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 321m3 4 4 1 760 321 1 08 23 14 1 3 1 3 O O VV Hm D 1 08 0 83 1 3O H r D 3 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 GB 4237 参考 钢板许用应力 计算厚度 8 3 2 P PDi 2 实际壁厚 d C d 21 CCC 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 0 1 1100 0 57 2 2 114 0 850 1 PDi mm P 精品文档 28欢迎下载28欢迎下载 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 1 碳素钢和低合金钢制容器不小于 3mm 2 高合金钢制容器不小于 2mm 9 所以mm2 查 化工设备设计基础 钢板副偏差表 3 13 C1 0 13mm C2 2mm 壁厚附加量 mmCCC13 2 213 0 21 取mmC4 实际壁厚mmC d 642 2 对于碱中和釜 0 1 1300 0 67 2 2 114 0 850 1 PDi mm P 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 1 素钢和低合金钢制容器不小于 3mm 2 高合金钢制容器不小于 2mm 所以mm2 C1 0 13mm C2 2mm 壁厚附加量 mmCCC13 2 213 0 21 取mmC4 实际壁厚mmC d 642 3 对于旋风干燥釜 0 1 1300 0 67 2 2 114 0 850 1 PDi mm P 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 1 素钢和低合金钢制容器不小于 3mm 2 高合金钢制容器不小于 2mm 所以mm2 C1 0 13mm 精品文档 29欢迎下载29欢迎下载 C2 2mm 壁厚附加量 mmCCC13 2 213 0 21 取mmC4 实际壁厚mmC d 642 5 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 96KJ 34321623 96 635 5 600 21 5 4 1868 QK St Q S Kt A A 2 碱中和釜 碱中和移走的热量 Q2 299983 6 9 2069882 7KJ 2069882 7 43 47 600 19 4 1868 QK St Q S Kt A A 3 旋风干燥釜 旋风干燥移走的热量 Q2 189637 3 6 9 1308497 37KJ 1308497 37 34 71 600 15 4 1868 QK St Q S Kt A A 2 夹套高度 10 3 3 4 i VV Hj V Di 封 2 D 罐体容积 装料系数 筒体内径 壳体直径在 800mm 1800mm 时 夹套直径取 Di 100mm 精品文档 30欢迎下载30欢迎下载 5 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 所以采用推进式搅拌器 3 8 4 12 2 0 0 0 D D mmD mmD D D 本设计中 叶轮外径 搅拌釜的内径 2 叶轮叶片螺距的确定 1 2 3 1 5 15 15 2 S D Z Smm Dmm Z S D nm s n nm s n t n D 叶轮叶片的螺距 叶轮外径 单个叶轮叶片数 个 本设计中取 叶轮最外点线速度 本设计中用电动机直接相连 则 3 搅拌功率的计算 搅拌器的搅拌功率为