5万吨聚氯乙烯生产工艺设计doc

学号：32 台我紫故成学院课程设计题目：5万吨聚氯乙烯生产工艺设计指导教师：陈宁宫惠峰程永高2010年6月23日摘要 1引言 21总论 31.1国内外pvc发展状况及发展趋势 31.2单体合成工艺路线 3 31.3聚合工艺实践方法 41.3.1本体法聚合生产工艺 41.3.2乳液聚合生产工艺 41.3.3悬浮聚合生产工艺 41.4最佳的配方、后处理设备的选择 51.4.1配方的选择 51.4.2后处理设备侧选择 61.5防粘釜技术 81.6原料及产品性能 81.7影响聚合及产品质量的因素 1.8工艺流程叙述 1.8.1加料系统 1.8.2聚合系统 1.8.3回收系统 1.8.4干燥系统 2工艺计算 2.1物料衡算 2.1.1聚合釜 2.1.2混料槽 2.1.3汽提塔 2.1.4离心机 2.1.5沸腾床 2.1.6包装 2.2热量衡算 2.2.1聚合釜 2.2.2沸腾床的热量计算 3.1厂内的防火防爆措施 3.2车间照明及采暖措施 3.3防静电，防雷措施 3.4三废处理情况 3.4.1电石渣的处理 3.4.2电石渣上清液的处理 3.4.3热水的综合利用 3.4.4尾气的回收利用 3.4.5转化水洗塔水的回收利用 致谢 参考文献 本文讲述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，对聚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，采取了防火防爆防雷等重要措施，对三废的处理回收等进行了叙述，画出了引言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70~75万ta。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本设计为年产量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，建厂的有关事项及合成聚氯乙烯的流聚氯乙烯(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、(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。制EDC和EDC裂解3个部分，生产装置主要由直接氯化单元、氧氯化单元、EDC裂解单元、EDC精制单元和VCM单元精制等工艺单元组成。乙烯和氯气在直接单元回收，而HCl则返回氧氯化反应单元循环使用。直接氯化有低温氯化法和高温具有代表性的司的Inovyl工艺是将乙烯氧氯化法提纯的循环EDC和VCM直接氯化的EDC在裂解炉中进行裂解生产VCM。HCl经急冷和能量回收后，将产品分离出HCl(循环用于氧氯化)、高纯度VCM和未反应的EDC(循环用于氯化和提纯)。来自VCM装置的含水物流被汽提，并送至界外处理，以减少废水的生化耗本体聚合生产工艺，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。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本设计采用悬浮法PVC生产技术。衍生物，如甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素等，聚乙烯醇应由聚醋酸乙常用非离子型的脱水山梨醇单月硅酸酯。本设计采用88%聚乙烯醇和72.5%的聚乙③引发剂：由于聚乙烯悬浮聚合温度50~60度上下，应根据反应温度选择合适的引发剂，其原则为在反应温度条件下引发剂的半衰期约为2小时最佳。常用过氧化乙酰环己烷硫酰、过氧化二月桂酰、过碳酸二环己酯等。本设计采用过氧化二碳酸需要消除它们，故而加入终止剂。本设计的终止剂为丙酮缩氨基硫脲。当反应出现紧急事故时，采用紧急终止剂ON终止反应。①聚合釜容积：工业化大生产使用问歇悬浮法聚合釜容量一般为60~107立方米。我国已开发出70立方米聚合釜，样机已在锦西化工机械厂研制成功。本设计采用76立聚合釜。采用微机控制，提高了批次之间树脂质量的稳定性，且消耗定额低。量。在大型聚合釜上，国外采用了体外回流冷凝器，体内增设内冷管等除热手近几年，美国古德里奇公司又研制出一种薄不锈钢衬里聚合釜，以便提高釜壁的传热能力，为使薄壁能承受反应压力，在不锈钢衬里与聚合釜套之间安装了支撑内衬③搅拌方式:搅拌能力是聚合釜的关键技术指标之一，搅拌能力直接影响着传质、传热及树脂的粒态分布，最终影响产品的质量，而不同的工艺方法对搅拌的要着搅拌技术的不断进步及搅拌试验手段的不断提高，使我们有条件为PVC釜配备更理想的搅拌器。大量的搅拌实验研究证明，三叶后掠式搅拌器的传质效果好，循环和剪切性能均适合于PVC生产的需要，因此，本设计在PVC生产中采用三叶后④干燥机：干燥器发展迅速，主要有2种方式，即气流干燥和流态化干燥。我国产能力提高，树脂产品也朝着疏松型发展，气流干燥器从生产能力和干燥效果等方干燥技术。但这样动力消耗大，产品质量不是很好。目前主要用的是旋风干燥器和内加热流化床综合能耗比旋风干燥器要低，主要有多室沸腾床和两段沸腾床2种。但在生产中发现多室沸腾床的花板容易漏料，不同牌号切换时比较麻烦，且生产能力有限。两段流化床改进了，操作稳定性好，易于产品牌号的切换，生床的花板产⑤离心机：对浆料进行离心脱水，得到含水量25%的聚氯乙烯。PVC生产过程中⑥气提塔：汽提技术及设备也有改进汽提塔朝着节能、高效的方向发展。现在常用在板间移动时只有传热没有传质，而无堰筛板塔在塔内一直都在传质，目前传热。塔盘的厚度，开孔率在实践中逐渐优化，并被纳入设计体系中。很多无堰筛板塔塔盘是整体装卸的，随着生产能力的提高，设备整体装卸很不方便，目前，生产能力较大的的增大汽提塔的塔盘，可以采用可拆卸式的塔盘。汽提塔的塔顶操作压力也逐渐从微正压操作向微负压操作发展，使得塔顶物料沸腾温度低，节约了蒸汽却提好的传热系数，能减少因此产生的塑化片。防粘釜一直是聚合生产的重要工作，这化、圆滑化。其次，通过专用的设备使用高效的防粘釜剂，实行聚合釜自动喷涂防术是冲洗、喷涂与高效防粘釜剂的结合体。整个防粘技术入蒸汽管路，借助蒸汽流速使其雾化进釜，在釜壁形成一层均匀的疏油亲水膜，在较好的涂壁效果，对于喷涂的蒸汽，防粘釜剂的压力逐步优化，对于防粘釜剂的量用清洗水冲釜以彻底冲掉多余的防粘剂[11]大利黄，美PVC国红，英国蓝。经过实践，意大利黄在防粘釜效果和对产品白度的①氯乙烯:CH2=CHCl分子量62.50,无色易液化的气体。液体的密度临界压力55.2Pa。难溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮和二氯乙烷。易聚合，能与丁二烯、乙烯、丙烯、内烯腈、醋酸乙烯、两烯酸酯和马来酸酯等共聚。能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限3.6-26.4%。遇明火、高温有燃烧爆炸的危险。无空气和水分的纯氯乙烯很稳定，对碳钢无腐蚀作用。有氧存在时，氯乙烯过长距离运输时应加入阻聚剂氢醌。②PVC树脂：密度1.4;工业品是白色或浅黄色粉末；低分子量的易溶于酮类、酯类和氯代烃类溶剂，高分子量的则难溶；用于制塑料、涂料和合成纤维等。根据所加增塑剂的多少，可制成软质和硬质塑料。前者可用于制透明薄膜(如雨衣、台管道、阀门和门窗等；具有极好的耐化学腐蚀性，但热稳定性和耐光性较差，在100℃以上或长时间阳光暴晒开始分解出氯化氢，制造塑料时需加稳定及，电绝缘③磷酸钙别名磷酸三钙：化学式Ca3(PO4)2,分子量310.18。白色无定形粉末。溶于稀盐酸、硝酸、磷酸、乙酸、亚硫酸，生成可溶性酸式磷酸盐，也能溶于铵盐溶液。不溶于水、乙醇和乙醚。熔点1670℃,密度3.14g/cm3。用于制乳色玻璃、陶瓷、涂料、媒染剂、药物、肥料、家畜饲料添加剂、糖浆天然矿物叫磷灰石矿，纯品可用氰化钙和磷钠酸溶液作用或者用氢氧化钙跟磷酸作④聚乙烯醇：是·种高分子聚合物，无臭、无毒，外观为白色或微黄色絮状、片状或粉末状固体。分子式为(C2H4O)n,絮状PVA的假比重为(0.21～0.30)g/cm3,片状PVA的假比重为(0.47±0.06)g/cm3。聚乙烯醇有较好的化学稳定性及良好的绝缘性、成膜性。具有多元醇的典型化⑤过氧化二碳酸(2-乙基己基)酯本品为无色透明液体，EHP活性氧≥2.70%,NaCl含量≤0.20%;相对密度0.964。商品为50%~65%的甲苯、二甲苯、矿物油溶液；理论活性氧含量4.62%。含量为46%的EHP溶液的半衰期为40℃,10.33h;50℃,1.5h;受热或见光易分解，储运温度<-15℃,时间少于3个月。4-取代基噻唑及2-(2-取代肼基)-4-取代基噻唑系列抗菌素。如2-(2-甲酰肼基)-⑦对壬基苯酚：淡黄色粘稠液体。略有苯酚气味。相对密度0.沸点(95%)283-302℃。不溶于水，略溶于石油醚，溶于丙酮、四氯化碳、乙醇和氯仿。用于制备合成洗涤剂、增湿剂、润滑油添加剂、增塑剂等。由壬烯与苯酚在结构较疏松；高温下聚合由于初级粒子熔合成团以及初级粒子聚集体的紧密堆砌排④汽提控制的影响：汽提工艺主要影响聚氯乙烯树脂中单体残留量和杂质粒子数等指标。所谓聚氯乙烯树脂残留VCM的含量是指聚氯乙烯树脂之中所吸附或溶解若聚合釜打开过釜盖，则需抽真空真空度为710mmHg柱，将缓冲剂加到脱盐水总管内，然后用脱盐水把缓冲剂带入到聚合釜。脱盐水启动后，加入VCM、开动搅拌，当脱盐水和VCM加完后，釜内温度应接近聚合温度，继续搅拌一定时间，使VCM液滴在水中形成，然后加入分散剂，继续搅拌一定时间，以保证分散体系聚合反应开始后，向挡板通入冷却水并达到最大流量，然后向夹套中通入冷却水，并保持反应温度，冷却水流量由计算机根据聚合釜上、中、下温度控制，同时计算机计算出反应放出的热量，并与聚氯乙烯聚合动力浮模型的理论计算值比较，计算出VCM到PVC的转化率。聚合反应终点，可依据反应时温度或测定单体转化率及根据压力降来确定，通常按压力降来确定，当聚合反应到达终点时，定量的终止剂将自动加入到聚合釜内2工艺计算(1)物料平衡图水损头PVC引发剂水聚合釜图1聚合釜物料平衡图(2)已知数据：釜有效容积V有效=68m3转化率x%=85%水油比1.3:1热负荷分布指数R=1.2～1.4(R取1.3)夹套传热系数K夹套=510Kcal/m2hr℃挡板传热系数K挡板=946Kcal/m2hr℃夹套进出口水温：t进=7℃t出=12℃挡板进出口水温：t进=7℃t出=15℃挡板传热面积：F挡板=18m2注入水温度t=20℃聚合温度t=57℃假定聚合釜回收的VCM占未反应单体的85%(3)计算：①单体及水加入量计算设单体加入量为xm3/釜水加入量为ym3/釜：釜有效容积V有效=68m3,装料系数η=0.874,水油比1.3:1W:VCM加入量(质量kg)plp2分别是单体和PVC树脂密度由已知注入水温20℃,此时p水20℃=998.2kg/m3③聚合反应时间注入水温由20℃升到57℃平均水温t平均=(20+57)/2=38.5℃④引发剂用量引发剂的理论消耗量取Nr1.1moltvcm⑤缓冲剂用量⑥分散剂用量⑦终止剂(ATSC)出料(以釜为标准)剩余VCM:3555.3-3022=533.3kg(4)物料平衡表表一物料衡算表序号品名进料量(kg)出料量(kg)12回收3022剩余533.3混混料槽损失201.53脱盐水4注入水567缓冲剂8分散剂合计(1)物料平衡图：图2混料槽物料平衡图(2)已知数据：进料PVC:19945.5kg收率99.5%进料VCM533.3kg出混料槽VCM含量为7000ppm汽汽提塔(3)计算：出料中的PVC量：19945.5×0.995=19845.77kg损失的PVC量：19945.5×0.005=99.73kg设出料中VCM为XkgX/(19845.77+40364.78+X)(4)物料平衡表：表二混料槽物料平衡图序号品名进料量(kg)出料量(kg)损失99.73回收110.622.1.3汽提塔(1)物料平衡图：蒸汽(2)已知数据：出汽提塔的VCM为50ppm收率：99.5%产量为5万吨/年年工作时间数：8000hPVC含水量：0.3%(3)计算：汽提塔：99.5%离心机：99%沸腾床：99%包装：98.5%VCM:(6487.02/19845.77)×422.68=138a.取塔顶温度为80℃,塔底温度为110℃对于VCMt平均=(80+100)/2=95℃b、3atm大气压下求水蒸气的焓及温度(3atm=304Pa)水蒸气的焓△H300kPa=2728.5KJ/kg设物料吸收热量为Q1部分VCM气化吸热为Q2联立(1)(2)出料中PVC:6487.02×0.995=6454.58kg/h损失PVC:6487.02-6454.58=32.44kg/h表三汽提塔物料平衡表序号品名进料量(kg)出料量(kg)离离心机2回收137.133水、助剂4蒸汽合计(1)物料平衡图：水助剂水助剂水助剂图4.离心机物料平衡图(2)已知数据：收率99%出料PVC含水量25%助剂及少量VCM随母液排出，假设在这一步，助剂和少量VCM全部除掉(3)计算设出料含水xkg/h排出水、助剂的量：13194.07+909.31-2130.36=11973.02kg/h(4)物料平衡图表四离心机物料平衡表序号品名进料量(kg)出料量(kg)1损失64.5523水、助剂合计2130.36(和PVC结合)(1)物料平衡图PVC(体25%)PVC(钵0.3%,洪腾床图5.沸腾床物料平衡图收率99%PVC含水量0.3%含VCM5ppm损失PVC的量：6390.03-6326.13=63.09kg/h设出料中PVC含水量xkg/h,VCMykg/h回收VCM:1.04-0.032=1.008kg/h表五沸腾床物料平衡表序号品名进料量kg/h出料量kg/h1损失63.092回收1.0083水19.23(结合水)合计衣表6包装物料平衡图得到的产品：6326.13-94.89=6231.24kg/h表六包装物料平衡表序号品名进料量(kg/h)出料量(kg/h)1损失94.8923合计水热量衡算取洪峰放热的数据，转化率为70%(1)釜内壁给热系数αi的计算=A·(λm/T)·(pm·N·D2/μm)a·(Cpm·μm/λm,Cpm,pm,μb:分别为悬浮液在反应温度下的导热系数，恒压热容，①悬浮液的密度悬浮体系各组分体积如下：(转化率为70%)pl=984.7kg/m3λm=λc·[2λc+λd-2φd(λc-λd)]/[2λc+λd转化率达70%的氯乙烯悬浮聚合体系，有机粒子本身可看作聚氯乙烯分散在氯乙烯a.PVC分散在VCM中的悬浮体系—有机粒子的λPV液态VCM导热系数公式λVCM=A·pVCM-CVCM·(pVCM/M)1/3①悬浮液的比热Cmt进=7℃t出=12℃③其它参数的确定:釜内壁给热系数αiai=A·(λm/T)·(pm·N·D2/μm)a-((2)釜外壁给热系数a0的计算a0=0.023·(λ/De)·(De·op/μ)0.8(Cpμ·3600/λ)0.4·(1+1.77De/Rj)①夹套冷却水流速o的计算②螺槽的当量直径De的计算De=4×液体流过的面积/液体润湿周边夹套的曲率半径RjRj=0.1143/2×2+3.81/2+(0.033+0.0③冷却水的Cp,λ,μ值:釜外壁给热系数a0(3)釜壁热阻的计算不锈钢层：82=3mm(4)夹套传热系数K综上物料衡算中的K取值510Kcal/hrm2℃是可行的2.2.2沸腾床的热量计算(1)内热式沸腾床示意图(2)已知相关数据湿物料进口温度：01=50℃(含水25%)产品PVC出口温度：03=40℃(含水0.3%)湿物料在第V室的出口温度：02=55℃热风经沸腾床I到V室出第V室温度：t2=60℃第VI室冷风温度：冬季：进口-15℃出口：0℃夏季：进口20℃出口：35℃热水入口温度：90℃,经I到V室出口温度：80℃其中：热空气提供的热量是干燥所需总热量的的15%热水提供的热量是干燥所需总热量的的85%冷风用量占热风用量的1/5(体积流量)第VI室通冷却水进口温度：20℃出口温度：30℃单位面积的风量是相等的厂址的气温为：夏季平均气温：25℃平均相对湿度：65%冬季平均气温：-13℃平均相对湿度：53%(3)热量衡算①干空气用量的计算A.被蒸发的水分质量o1:干燥前湿基含水量o2干燥后湿基含水量因由已知有15%的热量由空气提供∴有15%的水分被热风干燥B.空气湿度的计算Ps:饱和蒸汽压b.物料升温50℃到55℃t平均=(55+50)/2=52.5℃QPVC=6390.03×0.44×(55-50)=1405QH2O=(2130.36-2110.87)×0.9974×(5c.VCM升温，汽化吸热d.热损失Q4(占10%)e.热风放热没有L(kg干空气/hr)的热风放热L1=33738.42kg绝干气/hr夏季：Q'=(1.01+1.88×0.0129)×(8冬季热风：33738.42(1+H1)夏季热风：32990.18(1+H1′)=32990.18×(1+0.0129)=33A.湿度的计算由已知第六室冷风用量为热风用量的1/5故有：冬：t进=-15℃t出=0℃夏：t进=20℃t出=35℃B.用在各处的焓值可求得t2=20.714Kcal/kg绝干气=16.32Kcal/kg绝干气湿物料在第V室出口温度：02=55℃QH2O=(2130.36-1376.3)×0.997×(55Q放热=QPVC+QH2O=26358.87+291.47=26650.34Kcal/hr=0.3837Kcal/kg绝干气冬季：9.98M=26650.34-21908.75解得M=220.3④热水用量的计算热水提供的热量=Q总×85%t出=80℃I=334.94kJ/kg=80.02Kcal/kg蒸汽为3atm,温度为133.74℃,I=651.87Kcal/kg⑥沸腾床干燥热效率⑦气流输送用的空气量G从沸腾床出来的PVC树脂经星形加料器采用气力输送进入旋风分Gs=6326.13kg/hr(由物料衡算得)3.1厂内的防火防爆措施可燃物质达到了它的燃点就能引起燃烧。而导线及各种电气设备的绝缘大都是可燃材料。电气设备过热以及电火花、电弧(1)短路电力网中的火灾大都是由短路引起的。短路后电流急剧增加可达正常二是在安装检修或操作使用中工作疏忽引起短路。前者有因绝缘老化或局部磨损腐(2)过载线路或设备长期国负荷运行。过载后电流增加，时间一长也会引起火触电。操作时应先断开接触器或断路器切断电深取剪断电线的方法切除电源时，应做到正确剪线。如果条件限制,必须带电灭火时应3.2车间照明及采暖措施生产率、产品质量和劳动卫生都有直接关系。采用高效节能电光源及其照明电器附件。性。因此在工厂照明中，应优先选用高强度气体放电灯(高压钠灯和金属卤化物灯),尤其是金属卤化物灯是第3代光源中的佼佼者，是光色和显色指数要求较高的仪表装配车间、机加车间、汽机房运转层等工业厂房的首选光源。当一种光源不能满足照明电器附件推广使用低损耗、性能优的光源电子附件(包括电子镇流器、电子变压器、电子触发器等)。选用高效率、配光合理的照明灯评价灯具的关3.3防静电，防雷措施工程,全方位地进行防范。低压线路全线采用电缆直接埋地敷设供电系统,在人户端上是否将电缆的金属外皮，钢管接到防雷电感应的接地装置上。装设避雷器以及避雷器、电缆金属外皮、钢管和绝缘子铁脚、金属架等是否连在一起接地,接地电阻是否小于10欧姆。检查架空金属管道在进出建筑物处,是否每隔左右接地一次埋地或地沟内的金属管道,在进出建筑物处是否与防雷电感应的电石渣是PVC生产中排放量最大的污染物，大多数厂家在排放前未对其进行处解决了废渣的排放，也收到了极好的经济效益。目前电石渣的处理还可用于其它产电石渣浆经沉淀之后，上层的液体叫上清液。上清液经过进一步分离之后，再经过喷射风冷冷却到25℃左右备用。其主要用于乙炔工段发生器的补充用水及发生系统冲洗用水，或用于转化工段水洗塔用水，用其独特的偏碱性水来除带的HCI效果较好。实践证明从水洗塔出来的水的pH值由原来的14降为7左右，从而减轻了碱洗塔的负担，提高了碱洗塔的运行周期。除了以上两种途径之外，剩余的上清液可加入氯气用以调节pH值至中性之后，把上清液中大部分S卜除去，热水来自HCI合成炉夹套热水、固定床循环热水、成品散热器疏水器产生的热水。此