3000t悬浮PVC树脂生产工艺设计

课 程 设 计 3000t/a悬浮PVC树脂生产工艺设计混料槽的设计 学生姓名 学 号 专业班级 高分子材料与工程08-1班 指导教师 刘春华、杨文、宋秋生 2012年2月23日设计任务书专业 高分子材料与工程 班级 08-1班 姓名 设计题目：混料槽的设计设计时间：2012.2.132012.3.2指导老师：刘春华、杨文、宋秋生（一）设计任务: 设计两套混料槽，用于混合沉析槽工段PVC树脂，要求年产量为3000t。（二）设计要求：一天工作8小时，完成聚合段5批料的混合，且在此混合过程中物料损耗1%，年工作日为300天，分为2套设备混合。（三）操作条件：从沉析槽出来的固液混合物的5批料经混料槽混合之后使不同组分之间混合均匀，使得从混料槽中出来的各批料性状稳定。年工作日 300天，连续生产PVC聚合周期 10h40min（四） 设计内容：1、物料衡算、热量衡算、计算空气量、蒸汽用量，确定混料槽的主要尺寸和技术参数。2、带控制点工艺流程图一张（2#图纸）； 厂区设备布置图一张（2#图纸）。摘要本设计是年产3000吨聚氯乙烯（PVC）车间混料槽工段的初步设计。初步介绍了我国聚氯乙烯工业生产技术的发展进程和目前状况，包括原料路线、工艺设备、聚合方法、混料槽的设计与选择等。本设计采用悬浮法生产聚氯乙烯，介绍了采用悬浮法生产PVC树脂工聚合机理，工艺过程中需要注意的问题，包括质量影响因素，工艺条件及合成工艺中的各种助剂选择，对混合工艺过程进行详细的叙述。并且从物料衡算、热量衡算和设备计算和选型三个方面进行准确的工艺计算，对厂址进行了选择，画出了整个工艺的流程图关键词：聚氯乙烯（PVC） 氯乙烯 物料衡算 热量衡算 聚合反应Abstract The process design of synthesis section of twenty thousand tons Polyvinyl chloride polymer in workshop was designed. In this paper, firstly, synthesis method of Polyvinyl chloride polymer, production and application were outlined. Its effect and status was introducted in chemical industry. Secondly, process of Polyvinyl chloride polymer was selected in the design. Mass balance and heat balance were finished, and the size and type of key equipments were selected. And methods of treating “Three Wastes”, electrical power supply, feedwater supply, heating were discussed. Ventilation Control in public works was accounted. Keywords: Polyvinyl chloride polymer（PVC） Polyvinyl chloride Mass balance heat balance condensation reaction 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。序号纯度单体含量其它杂质H2OPH备注精聚氯乙烯99%0.10.60.32.7-3.7优级品精聚氯乙烯98%0.11.00.92.5-3.8一等品精聚氯乙烯97%0.21.51.32.5-3.8合格精聚氯乙烯87%2.53.51.52.5-3.81.1.2氯乙烯单体的制备方法的选取氯乙烯单体可由电石乙炔法和乙烯氧氯化法制备，国内主要采用乙炔电石路线。原料为来自电石水解产生的乙炔和氯化氢气体，在催化剂氧化汞的作用下反应生成氯乙烯。具体工艺为：从乙炔发生器来的乙炔气经水洗一塔温度降至35以下，在保证乙炔气柜至一定高度时，进入升压机组加压至80kpaG左右，加压后的乙炔气先进入水洗二塔深度降温至10以下，再进入硫酸清净塔中除去粗乙炔气中的S、P等杂质。 最后进入中和塔中和过多的酸性气体，处理后的乙炔气经塔顶除雾器除去饱和水分，制得纯度达98.5%以上，不含S、P的合格精制乙炔气送氯乙烯合成工序。1.2聚合工艺的选择1.1.2聚氯乙烯聚合方法的选取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。本工艺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悬浮聚合反应机理和动力学与本体聚合相同，需要研究的式成粒机理和颗粒控制。1.1.2聚氯乙烯悬浮聚合工艺简介PVC是一种重要的热塑性树脂，它通过成型加工改性，可以制成软硬质、泡沫、纤维等塑料制品，它性能优良，用途广泛。PVC生产方法主要有：悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合和溶液聚合。本次课程设计选择的方法是悬浮聚合。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、开发新的应用领域的重要手段8。本设计采用悬浮法PVC生产技术。整个PVC生产过程如下：（1）准备工作：将去离子水经计量后加入釜中，开动搅拌，加入备好的物料。（2）聚合工段：温度升至规定值，加入引发剂开始聚合。夹套通低温水进行冷却，严格控制反应温度，直至反应结束。（3）分离：加入链终止剂，同时迅速减压脱除未反应的单体。（4）混合：从沉析槽中出来的各批料之间性能比不均一需要通过混料槽混合均匀，提高产品的稳定性。（5）聚合物后处理：剥离单体后的浆料经过热交换器冷却后，送至离心分离工段，经气流干燥器干燥后含水量约为5%，再送入卧室流化床干燥器进行干燥，干燥后的PVC树脂含水量约为0.3%。1.1.3其他聚合工艺简介 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。 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聚氯乙烯胶乳，它是直径0.13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1100微米，主要是2040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。 1.3产品的应用情况PVC树脂可以采用多种方法加工成制品，悬浮聚合的PVC树脂可以挤出成型、压延成型、注塑成型、吹塑成型、粉末成型或压塑成型。分散型树脂或糊树脂通常只采用糊料涂布成型，用于织物的涂布和生产地板革。糊树脂也可以用于搪塑成型、滚塑成型、蘸塑成型和热喷成型。发达国家PVC树脂的消费结构中主要是硬制品，美国和西欧硬质品占大约2/3的比例，日本占55%；硬质品中主要是管材和型材，占大约7080%。PVC软制品市场大约占全部PVC市场的30%，软制品主要包括织物的压延和涂层、电线电缆、薄膜片材、地面材料等。硬质品PVC树脂近年来增长比软制品快。在全世界范围内一半以上的PVC树脂用于与建筑有关的市场，使PVC行业容易受到经济的波动影响。建筑领域是PVC树脂增长最快的市场，在其它市场中的增长率仅为1.4%/年。增长最快的用途是管材、板壁、和门窗等。我国聚氯乙烯硬制品应用份额也呈增长趋势，管材、型材和瓶类所占份额由1996年25%增长到1998年的40%，但至今我国聚氯乙烯的应用还是软制品的份额较多。1998年软制品占PVC总用量的51%（其中薄膜为20%，塑料鞋10%，电缆料5%，革制品11%，泡沫和单板等5%），硬制品占40%（其中板材16%，管材9%，异型材8%，瓶3%，其它4%），地板墙纸等占9%。聚氯乙烯塑料一般可分为硬质和软质两大类。硬制品加工中不添加增塑剂，而软制品则在加工时加入大量增塑剂。聚氯乙烯本来是一种硬性塑料，它的玻璃化温度为8085。加入增塑剂以后，可使玻璃化温度降低，便于在较低的温度下加工，使分子链的柔性和可塑性增大，并可做成在常温下有弹性的软制品。常用的增塑剂有邻苯二甲酸二辛酯、邻酯。一般软质聚氯乙烯塑料所加增塑剂的量为聚氯乙烯的30%70%。聚氯乙烯在加工时添加了增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、填料之后，可加工成各种型材和制品。第2章 混料槽的设计与选型2.1沉析槽中物料参数2.2干燥器选形时考虑的因素（1）物料性能及混合特性 包括物料形态(片状、纤维状、粒状、液态、膏状等)、物理性质(密度、粒度分布、粘附性）、混合特性（热敏性、变形、开裂等)、物料与水分的结合方式等因素。（2）对混合产品质量的要求及生产能力 要求混料槽能够将沉析槽出来的不同批次的五批料混合均匀，使得从混料槽中出来的各批料之间性状稳定23选型时相应的计算查在得知选用。型的混料槽，查。选用长径比为1.3的槽。根据。公式计算出直径和高度。再由物料总体积计算出液面高度。查。根据高粘度物料混合的特点，选用。型的搅拌器。查计算混料槽的功率的公式为。经计算的出混料槽的功率为。第3章 混料槽的装备图3.混料槽的装备图。3.2混合过程工艺说明第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）与其他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，所以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。第五章 设计评述此次设计的重点是在其主体设备的计算和辅助设备的选择。由于在主体设备的计算和辅助设备的选择中，有许多的不确定因素，我们在设计时对其进行了以下的假设：混料槽中的固液