年产20万吨聚氯乙烯合成工段的设计11

摘要本设计是年产20万吨聚氯乙烯（PVC）车间合成工段初步设计，生产方法为悬浮聚合法。本文对聚氯乙烯的性质、用途，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。通过对溶液聚合法，悬浮聚合法，乳液聚合法的工艺比较，制定了一套后处理简单，产品质量好，杂质少，产品热稳定性好，产量占聚氯乙烯的90%的生产工艺。在确定聚氯乙烯生产工艺的基础上进行了物料衡算，热量衡算，设备选型等。关键词：聚氯乙烯，氯乙烯，悬浮聚合法，物料衡算，热量衡算，聚合1由于聚氯乙烯化学建材的需求量上升，使聚氯乙烯管材，管件，门、窗异型材，护墙板消费量继续增加。传统的聚氯乙烯电线、电缆以及包装市场也有了进一步的发展。在聚氯乙烯产业结构方面，由于聚氯乙烯市场的国际化、新技术的发展以及国际竞争的加剧，产生了一批不同于20世纪60年代的新一代跨国公司，进入了一种更高的跨国形势，使聚氯乙烯产品生产能力高度集中，成为21世纪国际经济活动中的一个突出特点，也使全球聚氯乙烯工业活跃起来。目前我国聚氯乙烯市场的原料来源短期内还要依靠国内生产厂家供应解决。入世以后，中国聚氯乙烯市场竞争更加激烈，这正是我国聚氯乙烯行业的一个机遇，也是我们进行企业改造、扩大生产能力的一个极好的机会，要在提高生产规模、生产效率方面开展工作，努力形成生产的一体化。我们要在国内建设一批设备先进、技术水平高、具有经济规模和竞争能力的骨干企业，稳定国内聚氯乙烯市场。要有意识地将国外在亚太地区的投资引进我们国内来，壮大我们的聚氯乙烯行业，减少西方大国在亚太地区扩大生产能力对我国市场造成的压力，同时要进一步提高我国聚氯乙烯行业的技术水平。因此制定了一套后处理简单，产品质量好，杂质少，产品热稳定性好，产量占聚氯乙烯的90%的生产工艺流程。确定了设备反应时所具备的相关条件后，并对流程中主要设备聚合釜进行了物料衡算，计算出设备反应时各物料的进量和相关参数，得出了一种合理简便的生产聚氯乙烯方法，从而对以后的生产具有重要意义。一、总论（一）概述1.聚氯乙烯的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、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）2制品广泛用工业、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。PVC硬质制品可制成各种工业建材、门窗、管道、阀门绝缘板及防腐材料等。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]。2.国内外的现状及发展前景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。2007年全球PVC消费量约为3100万吨，2010年我国PVC树脂的需求量约为1100万吨。随着节水灌溉、建筑化学建材、包装、电子电气、汽车等行业对PVC需求的快速增长，未来几年我国对PVC的需求仍将保持较高的增长速度。2020年将达到2160万吨。预计到2020年全球PVC的需求量将达到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]。3.产品性质与特点中文名称：聚氯乙烯英文名称：Polyvinylchloridepolymer简称：PVC熔点：212℃导热率(λ)：0.16W/m·K热容(c)：0.9kJ/(kg·K)吸水率：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，但在火焰上能燃烧并放出HCl，若离开火焰即自熄，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]。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％的硝酸和浓度为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HCl[3]。聚氯乙烯由氯乙烯单体通过自由基聚合而成，聚合度n值一般在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）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）树脂。4.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。（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。（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℃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。也可用挤出机制成低发泡硬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4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。板材可以制成各种耐化学腐蚀的贮槽、风道及容器等。（6）PVC其他制品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]。（二）设计规模及原料说明与产品规格1．设计规模设计规模为年产20万吨聚氯乙烯，年实际工作日为330天，日生产能力为606吨。2．原料说明氯乙烯的结构式为：CH2=CHCl，在常温下是带有乙醚香味的无色气体，气体比空气重，在12～14℃时为液体，沸点-13.9℃，易燃易爆（爆炸极限：3.6～26.4%），不溶于水，易溶于乙醚和四氯化碳。能被空气中的氧所氧化成苯甲醚、甲醛及少量苯乙醇。主要用途：用作塑料原料及用于有机合成，也用作冷冻剂等。氯乙烯的来源：一是乙炔电石法路线，二是联合法路线，三是乙烯氧氯化法。而乙烯成为生产氯乙烯更经济、更合理的原料。实现了由乙烯和氯气生产氯乙烯的工业生产路线[5,6]。生产方程式如下：2CH2=CH2+Cl+1/2O2→2CH2=CHCl+H2O3.产品规格产品及副产品规格见表1。表1聚氯乙烯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5二、工艺设计与计算工艺路线的选择即生产方法的选择。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。（一）生产方案的确定在工业化生产氯乙烯均聚物时，根据树脂应用领域，一般采用4种方法生产，即本体聚合法、悬浮聚合法、乳液聚合法和溶液聚合法。1．生产方法的介绍（1）本体聚合法：一般采用“两段本体聚合法”，第一段称为预聚合，采用高效引发剂，在62～75℃下，强烈搅拌，使氯乙烯聚合的转化率为8%时，输送到另一台聚合釜中，再加入含有低效引发剂的等量新单体，在约60℃温度下，慢速搅拌，继续聚合至转化率达80%时，停止反应。本体聚合氯乙烯单体中不加任何介质，只有引发剂。因此，此法生产的PVC树脂纯度较高，质量较优，其构型规整，孔隙率高而均匀，粒度均一。但聚合时操作控制难度大，PVC树脂的分子量分布一般较宽。（2）悬浮聚合法：液态氯乙烯单体以水为分散介质，并加入适当的分散剂和不溶于水而溶于单体的引发剂，在一定温度下，借助搅拌作用，使其呈珠粒状悬浮于水相中进行聚合。聚合完成后，经碱洗、汽提、离心、干燥得到白色粉末状PVC树脂。选取不同的悬浮分散剂，可得到颗粒结构和形态不同的两类树脂。国产牌号分为SG-疏松型（“棉花球”型）树脂；XJ-紧密型（“乒乓球”型）树脂。疏松型树脂吸油性好，干流动性佳，易塑化，成型时间短，加工操作方便，适用于粉料直接成型，因而一般选用悬浮法聚合的疏松型树脂，作为PVC制品成型的基础原料。目前各树脂厂所生产的悬浮法PVC树脂，基本上都是疏松型的。（3）乳液聚合法：氯乙烯单体在乳化剂作用下，分散于水中形成乳液，再用水溶性的引发剂来引发，进行聚合，乳液可用盐类使聚合物析出，再经洗涤、干燥得6到PVC树脂粉末，也可经喷雾干燥得到糊状树脂。乳液法PVC树脂粒径极细，树脂中乳化剂含量高，电绝缘性能较差，制造成本高。该树脂常用于PVC糊的制备。因此，该法生产出来的树脂俗称糊树脂。（4）溶液聚合法：以甲醇、甲苯、苯、丙酮作溶剂，使氯乙烯单体在溶剂中聚合，聚合得到的PVC树脂因不溶于溶剂而不断析出。此种PVC树脂不宜于作一般成型用，仅作为涂料、粘合剂，与乙酸乙烯酯等共聚时使用。是目前各种聚合方法中产量最少的一种方法[7]。2．生产方案的确定以上几种方法尽管聚合工艺不同，但聚合反应机理相同，即都是自由基聚合。在四种方法生产的树脂中，以悬浮法产量最大，而且由于悬浮聚合法设备投资和生产成本低，生产过程简单，应用领域宽，便于控制及大规模生产，产品适宜性强，是PVC的主要生产方式，生产量约占总量的80%。各种聚合方法的发展方向是逐步向悬浮聚合生产路线倾斜。四种聚合方法的比较如表2所示。表2四种聚合方法比较本体聚合溶液聚合悬浮聚合乳液聚合聚合场所本体内溶液内单体液滴内乳胶粒内温度控制困难容易容易容易聚合速率中等小较大容易分子量控制困难容易较容易容易生产特征间歇生产可连续生产间歇生产可连续生产总之，这几种方法都是工业化的可行方法，但是从经济角度、产品质量、杂质多方面看，悬浮聚合法优于其它四种。即本设计选用悬浮聚合法作为基本原理[8]。（二）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。7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，其反应式为：（CH2=CHCl)n=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。1．工艺路线（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