1、武汉工程大学本科毕业设计I摘 要本文综述了 PVC 的生产方法，确定了电石乙炔法为本设计的工艺路线，悬浮聚合法为生产聚氯乙烯的聚合方法。通过物料衡算、热量衡算和设备计算等确定了年产 1 万吨PVC 树脂的主要设备的设计参数，评述了本生产工艺的安全与环保，及技术经济。根据设计结果，绘制了工艺流程图，车间平面布置图，和聚合釜装置图等。通过本次设计，了解了化工工艺生产的各个环节和实施步骤，掌握了化工设计的基本程序和方法。关键词：聚氯乙烯；生产工艺；悬浮聚合法；经济技术武汉工程大学本科毕业设计IIAbstractThis article provided an overview of polyviny
2、l chloride polymer production method and identified calcium carbide acetylene method for the design of the route, method for the production of polyvinyl chloride polymer polymerization by suspension polymerization method. Through calculation of material balance, energy accounting and equipment to de
3、termine an annual output of 10,000 tons of main design parameters of the equipment of polyvinyl chloride polymer resin. Meanwhile, it reviews the production safety and environmental protection and technical economy. According to design results, process flow diagrams, workshop floor plans, and polyme
4、rization reactor unit figures were drawn. As a result of this practice, we have a better understanding of chemical processes in the various segments of the production and implementation of steps to master the basic design of chemical processes and methods.Keywords: Polyvinyl chloride polymer; Proces
5、s design; Suspension polymerization; Technical economy 武汉工程大学本科毕业设计III目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 文献综述 .11.1 聚氯乙烯的性质 .11.2 聚氯乙烯的主要用途 .21.3 聚氯乙烯工业的重要性 .31.4 国内外聚氯乙烯发展概况 .41.4.1 国外聚氯乙烯发展动态及趋势 .41.4.2 国内聚氯乙烯发展动态及趋势 .5第二章 设计方案论述 .62.1 VCM 生产路线的选择 .62.1.1 电石法生产路线 .62.1.2 乙烯法生产路线 .72.1.3 两种生产路线的评价 .82.2 聚合方法
6、选择 .92.2.1 本体聚合 .92.2.2 溶液聚合 .102.2.3 乳液聚合 .102.2.4 悬浮聚合 .102.2.5 四种聚合方法比较 .112.3 聚合机理 .112.3.1 自由基聚合机理 .112.3.2 链反应动力学原理 .122.3.3 成粒机理 .132.4 影响聚合产品质量的因素 .132.4.1 聚合工艺 .132.4.2 配方体系 .142.4.3 聚合反应的辅助时间 .152.5 防粘釜技术 .152.5.1 粘釜的形成原因 .152.5.2 聚合釜的防粘技术 .162.6 方案总述 .16第三章 工艺计算 .183.1 物料衡算 .183.1.1 原料用量计
7、算 .183.1.2 各工段物料衡算 .203.2 热量衡算 .323.2.1 石墨冷却器 .323.2.2 转化器 .353.2.3 全凝器 .373.2.4 尾气冷凝器 .393.2.5 聚合阶段 .40第四章 设备的工艺计算与选型 .42武汉工程大学本科毕业设计IV4.1 低沸塔设备计算 .424.1.1 塔板数的计算 .424.1.2 低沸塔的塔体工艺尺寸计算 .434.1.3 塔板主要工艺尺寸的计算 .444.1.4 筛板的流体力学验算 .464.1.5 塔板负荷性能图 .484.1.6 低沸塔再沸器选型 .514.2 高沸塔设备计算 .534.2.1 塔板数的计算 .534.2.2
8、 高沸塔的塔体工艺尺寸计算 .544.2.3 塔板主要工艺尺寸的计算 .554.2.4 筛板的流体力学验算 .574.2.5 塔板负荷性能图 .594.2.6 高沸塔再沸器选型 .634.2.7 成品冷却器的选型 .644.3 聚合釜设计容积的计算 .654.3.1 聚合釜材质的选定 .654.3.2 聚合釜容积的确定 .654.3.3 聚合釜外形设计尺寸的设计 .664.3.4 内构件及搅拌轴封的设计 .684.4 设备工艺条件汇总 .72第五章 安全与环保 .735.1 工艺过程安全评述 .735.2 三废处理情况 .745.2.1 电石渣的处理 .745.2.2 电石渣上清液的处理 .7
9、45.2.3 热水的综合利用 .755.2.4 尾气的回收利用 .755.2.5 转化水洗塔水的回收利用 .75第六章 技术经济 .766.1 技术经济分析概述 .766.2 主要技术经济指标 .766.3 投资估算 .776.3.1 总投资费用估算 .776.3.2 成本估算 .776.3.3 收入、税收和利润 .806.3.4 经济评价 .81总 结 .82参考文献 .83致 谢 .84武汉工程大学本科毕业设计1第一章 文献综述1.1 聚氯乙烯的性质聚氯乙烯（polyvinylchloride，简称 PVC）是氯乙烯单体（简称 VCM）聚合而成的高分子化合物，它的结构式是：式中 n 表示平
10、均聚合度。聚合度 n 可用反应温度及聚合分子量调节剂进行控制，国内工业生产的通用聚氯乙烯树脂平均聚合度通常控制在 6501785。由于高分子主链上引入氯原子，使其高分子结构不同于聚乙烯，并具有一系列独特的性能。（1） 物理性质聚氯乙烯外观为白色粉末，相对密度为 1.3-1.45，表观密度为表观密度为 0.40-0.65g/ml热容为 1.045-1.463J/g（ 0-100） ，导热系数为 0.5852kJ/hm，通常紧密型树脂的颗粒直径为 30-100m、疏松型树脂颗粒直径为 60-150m，折射率 n=1.544，软化点在 75-80时，当热分解点100开始降解放出氯化氢。PVC 是高分
11、子化合物，是一种无定形结构的热塑性塑料。它具有一般非晶态线性高聚物的 3 种热力学状态，即玻璃态、高弹态和黏流态，玻璃化温度一般为 7585。在紫外光照射下，硬 PVC 产生浅蓝或白色的荧光。PVC 的物理机械性能取决于树脂的相对分子质量、增塑剂及填料的含量，树脂的相对分子质量越大，则机械性能、耐寒性、热稳定性越高，但加工温度也越高，成型比较困难；树脂的相对分子质量低，则与上述相反。（2）化学性质PVC 对多数无机酸和碱是稳定的，受热不稳定而被分解释放出 HCl。PVC 的溶解性与相对分子质量大小及聚合方法有关。一般来说，溶解度随着聚合体分子的增加而减小。PVC 在火焰上能燃烧并放出 HCl，
12、但离开火焰立即自熄。难燃性和自熄性是 PVC 的最大特点 1。武汉工程大学本科毕业设计21.2 聚氯乙烯的主要用途 （1）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。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
13、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
14、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 糊树脂武汉工程大学本科毕业设计3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 2，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 PVC
15、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。1.3 聚氯乙烯工业的重要性聚氯乙烯 PVC 是世界上实现工业化时间最早，应用范围最广范的通用型热塑性塑料。在三四十年代开始实际应用以来，其产量一直稳居塑料工业之首，后来由于聚氯乙烯发展速度更快，1996 年才退居第二位。在美国 1990 年低密度聚氯乙烯的产量超过了PVC，1992 年高密度聚氯乙烯的产量及销售量已以 PVC 大致相当，他们交替位于第二或第三之间。在日本 PVC 产量和消费量居第二位。在
16、中国 PVC 塑料制品产量一直位居第一，PVC 树脂产量从 1988 年开始退居第二，消费量低于聚乙烯和聚丙烯而名列第三位。尽管如此聚氯乙烯在其综合性能、品种的多样性、用途的广泛性、性能价格比及资源利用和对生态环境的影像方面，优于任何一种塑料。60 多年来 PVC 工业一直保持着最富活力的技术革新和持续稳定的发展状态。PVC 是相当重要的大宗塑料，它的综合性能好，改性品种多用途最为广泛。原料来源丰富、消耗石油少，价格低廉、经济效益好而且能耗低，作为钢铁、有色金属、木材、玻璃、纸张等传统材料的替代产品，有利于资源优化配置和节省社会能源。由于容易改性和提高性能，PVC 已由通用性材料打入工程材料、
17、功能材料和强性材料，为 PVC 工业注入了新的活力。PVC 用途的广泛性、碱氯产品的关联性、生产技术的密集性。使 PVC工业与建筑、汽车、电子机械及石油化工等国名经济的支柱产业，氯碱工业等基础原料武汉工程大学本科毕业设计4工业高新产业紧密相连。在美国 70 年代初做过统计指出 PVC 和它有关的原材料、机械及最终产品综合产值约占当时美国国民生产总值的 10%以上。中国在 80 年代末也对华东地区做过调查每万吨氯碱可创造 5-7 亿元工业产值，每亿元产值直接影响到下游产业的 15-20 亿元产值。PVC 加工业是中国塑料工业中企业数最多的行业，其生产程度之高，应用覆盖面之广，技术推动性之大是非常
18、明显的。PVC 工业的发展可以带动和促进国民经济许多行业的技术进步与发展，可以改善人们衣食住行条件，提高人民生活水平。1.4 国内外聚氯乙烯发展概况1.4.1 国外聚氯乙烯发展动态及趋势世界 PVC 的生产以乙烯为原料的占 90以上 3，其余的是以乙炔为原料。国外 PVC的发展趋势主要在改进工艺路线、提高产品性能、减少环境污染等几个方面：（1）PVC 的生产发展趋势是装置大型化。聚合釜单台容积已达 135m3 左右，多数为70110 m 3。单套装置能力最大已达 50 万吨年。（2）采用高活性引发剂、复合分散剂、快速终止剂，缩短聚合反应周期，提高聚合釜的生产强度，可提高到 200tm 3a 以
19、上，有的甚至达到 500tm 3a 。（3）优化工艺，节能降耗。如采用高效催化剂，减少设备尺寸，降低投资，提高收率，降低消耗，简化净化流程；粘釜技术不断发展，形成喷涂防粘釜和改进釜壁材料两种体系；开发节能型干燥器等。（4）开发新的原料路线，以乙烷为原料，替代价格相对较贵的乙烯，降低 PVC 的生产成本。（5）使用将氯化氢转化为氯来替代原平衡氧氯化工艺的氧氯化单元，以简化生产工艺、降低投资。（6）开发各种复合助剂、以其优良性能向工程应用方向发展。如：汽车节能型 PVC速溶胶专用树脂、抗冲改性专用树脂、大口径管材专用树脂、低发泡挤出管材专用树脂、直接挤出成型加工专用树脂等。研制和生产具有更适宜的性
20、能、更易于加工的各种树脂，提高树脂的使用性能和质量，不断扩大应用领域。（7）注重“三废 ”治理、减少污染，对产品中 VCM 的含量要求严格，以减少在加工和使用过程中的污染。开发废旧 PVC 制品回收技术，在做好环境保护的同时扩大 PVC 的消费领域。武汉工程大学本科毕业设计51.4.2 国内聚氯乙烯发展动态及趋势近年来，中国聚氯乙烯（PVC）发展速度惊人，新建、扩建项目纷纷上马，产能迅速扩大，产量大幅提高 4。2008-2011 年，中国 PVC 产能、产量年均增长率分别高达 11.3%和 12.5%。2009 年全国聚氯乙烯树酯累计产量为 1015.2 万吨；2010 年全国聚氯乙烯树酯累计
21、产量达到 1130 万吨；2011 年全国聚氯乙烯树酯累计产量为 1295.2 万吨。我国 PVC 树脂工业原料路线大致有以下 4 种：（1）原料路线落后的电石乙炔法生产 VCM，进而聚合 PVC，该法生产成本高，技术落后，装置规模小，能耗高，环境污染严重，经济效益较差。（2）从国外引进具有世界先进水的以石油乙烯为原料的乙烯氧氯化法生产 VCM 单体，进而聚合成 PVC。（3）采用二氯乙烷裂解原料路线生产 VCM，进而聚合成 PVC。（4）利用进口 VCM 直接聚合制 PVC 的原料路线。国内 PVC 生产企业在引进国外先进的生产技术的同时，开始了消化、吸收、创新的国产化工作，通过十几年的技术攻关、技术发行取得了较大的成绩，使我国悬浮法 PVC的生产技术和产品质量水平迈上了一个新台阶，但与国外水平相比，仍有差距。今后十年我国经济的持续快速发展仍将
