年产2万吨聚氯乙烯聚合反应釜设计Word文档下载推荐.docx

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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。

1.2聚合工艺方法

目前，PVC的聚合方法主要有四种：

本体法、乳液法、溶液法、悬浮法。

其中以悬浮法生产的PVC占总量近80%，在PVC生产中占重要地位。

近年来，该技术已取得突破性进展。

1.2.1悬浮聚合

借助机械搅拌和分散剂的作用，使VCM单体以小液滴悬浮在水中，形成稳定的悬浮体进行聚合。

因采用悬浮法聚合PVC生成技术易于调节品种，生成过程易于控制，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。

悬浮法聚氯乙烯生产技术日新月异，并在工艺和工程两方面都取得了突破性进展。

在工艺技术方面，主要表现在：

产品牌号多，质量稳定，用途日益广泛，聚合反应和产品后处理技术日趋完善，能耗物耗降低等。

在聚合工程技术方面，主要表现在：

聚合釜大型化，聚合生产控制技术先进，聚合釜传热能力大，单釜生产强度高。

我国PVC工业起步于1958年，生产工艺技术近十几年来取得了长足的进展。

如复合分散剂和引发剂、链转移剂、热稳定剂和终止剂等的广泛应用：

防粘釜技术得到提高；

在后处理工序中普遍采用连续汽提工艺；

干燥多采用气流或流化床干燥器等。

但是长期以来，高消耗、低效率一直制约着我国聚氯乙烯行业的技术进步和整体水平的提高，其中聚合过程是主要影响环节。

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。

结合此次设计的基本要求可以得出：

采用悬浮聚合。

1.3悬浮聚合工艺流程叙述

1.3.1加料系统

加料系统包括：

VCM贮存与进料，脱盐水的贮存与加料，注入水与冲洗水的加料，助剂的配制及加料（缓冲剂、调节剂、引发剂、终止剂）。

进料方式主要有冷态非同步进料和热水同步进料。

先加入常温的VCM和水,同时加入各种助剂,然后升温开始聚合,被称为冷态非同步进料。

升温需要40～60min/釜,升温使釜壁附近过热,会分解引发剂产生自由基引发聚合反应,在釜壁左右高温区生成小分子产物;

自由基远离釜壁,在低温区反应生成大分子量PVC,对质量均产生不利影响。

热水同步进料即同时加入VCM和热水,使釜内温度基本保持在反应温度。

加入引发剂后反应立即开始,可以省去釜的升温时间,消除小分子PVC、大分子PVC,对提高产量和质量均有益。

在防粘釜技术比较好的情况下,水溶性的引发剂用于热水同步进料,避免了高温下引发剂初始分布不均匀导致局部反应过热而使鱼眼数目增加。

从釜底加入,不容易堵塞加料管入口。

保证了树脂产品鱼眼不增加而反应时间缩短。

1.3.2聚合系统

本工段包括聚合、汽提及压缩冷凝回收等岗位。

本工段的主要任务就是将氯乙烯经过悬浮聚合成为聚氯乙烯，同时回收未反应的单体。

具体工艺流程叙述如下：

将软水经软水过滤器送至软水计量槽，经流量计计量后加入清理好的聚合釜中，同时将分散剂、热稳定剂、消泡剂、PH缓冲剂、引发剂等助剂加入；

单体（精氯乙烯）则经单体过滤器过滤，由单体流量计计量后，经封闭的进料系统加入聚合釜中，在规定的温度和压力下使单体聚合，聚合完毕后加入终止剂，回收未反应单体，将物料用出料泵打入出料槽中。

由聚合釜压入出料槽中的悬浮液，用加料泵经过滤器、热交换器送到汽提塔顶部，经蒸汽加温、汽提，用塔顶冷凝器回收未反应单体，汽提塔底物料用出料泵经热交换器回收热量后，打入中间槽，再经离心机脱去大部分水后，将湿物料送干燥系统干燥。

1.3.3回收系统

1.单体气提系统

在国内，脱除PVC浆料中VCM的方法主要有：

直接回收和压缩冷凝与汽提结合两种方法。

直接回收法是将未反应的VCM气体直接回收至气柜，PVC浆料在回收槽中用压缩空气对浆料中残留的大量VCM进行脱除，气体直接放空，污染环境。

压缩冷凝与汽提结合的方法是将未反应的VCM气体直接送入压缩机，压缩后的气体经二级冷凝后送至聚合釜，浆料经蒸汽汽提,脱除的部分未反应的VCM直接回收至气柜，经汽提后出塔的PVC浆料中残留VCM质量分数由400～1000μg/g降低至10μg/g【3】，这样使PVC树脂中的VCM含量大大降【4】。

日本窒素公司是将PVC浆料经初步闪蒸后，再连续送入汽提塔，有效地回收未反应的VCM，未反应的VCM在后序装置中液化，回用于聚合。

采用此方法生产的PVC树脂中含VCM质量分数可小于1μg/g，甚至可达0.1μg/g。

2.浆料气提系统

由汽提塔浆料槽底部来的浆料，经块料破碎机破碎后，用汽提塔供给泵经板式换热器与汽提完毕的浆料换热，一部分从塔顶加入汽提塔，另一部分回流到浆料槽，同时蒸汽由汽提塔底部进入；

VCM由蒸汽汽提带走。

塔釜浆料由塔底浆料泵送出，并与浆料槽来的浆料换热后，一部分送到浆料混料槽，另一部分返回塔釜液位同时防止浆料中PVC沉降，汽提完毕的浆料中，VCM残留量在30PPm左右，塔顶出来的含VCM的蒸汽，用冷凝器冷凝，由分离器分离，冷凝液从分离器底经泵送至废水贮槽，未凝的汽提经过滤器过滤，送至VCM回收工序，浆料送至干燥工序。

1.3.4干燥系统

干燥主要有2种方式,即气流干燥和流态化干燥。

我国PVC工业化生产最初主要用的是气流干燥器,但是随着聚合工艺技术的发展,聚合生产能力提高,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面已经不能满足生产的需要,后来发展到气流干燥器,沸腾床干燥器和冷风冷却3段干燥技术。

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和卧式内加热流化床。

旋风干燥器结构简单,投资较少,目前很多装置都在用。

卧式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。

两段流化床改进了床的花板,操作稳定性好,易于产品牌号的切换,生产能力较大,具有良好的市场前景。

本设计采用沸腾床进行干燥。

1.4原料及其他主要组分

①单体：

氯乙烯纯度99.98%

②分散剂【6】：

PVC生产中所用的分散剂分为主分散剂和辅助分散剂[7]。

本设计采用88%的聚乙烯醇和75%的聚乙烯醇。

③引发剂:

由于聚乙烯悬浮聚合温度在50~60℃上下，根据反应温度选择合适的引发剂，其原则为在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（2－乙基己基）酯。

④终止剂：

反应结束后残余的自由基和引发剂残留在树脂中，为了保证质量要加入终止剂消除。

当前,许多厂家选用二乙基羟胺（DEHA）作为终止剂,其主要原因是DEHA终止效果好,而且无毒。

本设计的终止剂是丙酮羧氨基硫脲（ATSC）。

当反应出现紧急事故时，采用紧急终止剂NO终止反应。

⑤阻聚剂：

本设计采用壬基苯酚作为阻聚剂。

聚合反应终止后，PVC浆液中含有未反应的VCM。

未反应的VCM既可以连续回收，也可以间歇回收。

未反应的VCM有自由基引发剂，在回收系统的罐和管线中引发聚合，最终造成堵塞。

因此要加壬基苯酚作为阻聚剂。

⑥缓冲剂：

碳酸钠、三聚磷酸钠、磷酸钠、氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸铵等。

本设计采用磷酸三钙，磷酸三钙是一种粒状固体，与水混合后加入聚合釜。

磷酸三钙不溶于水，所以需要进行不断地搅拌。

1.5原料及产品性能

①氯乙烯：

CH2=CHCl分子量62.50，无色易液化的气体。

液体的密度0．912lg／cm3。

沸点-13．9℃。

凝固点-160℃。

自燃点472℃。

临界温度142℃。

临界压力55.2Pa。

难溶于水、易聚合。

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。

VCM浓度为8%~12%时有麻醉左右，高浓度会引起死亡。

在PVC制品中VCM的含量上限为1.0×

10-6。

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，氯乙烯过氧化物，它可与水生成盐酸从而腐蚀设备，过氧化物还可以使氯乙烯产生自聚作用。

长距离运输时应加入阻聚剂氢醌。

②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。

③聚乙烯醇：

是一种高分子聚合物，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学性质，能进行酯化、醚化及缩醛化等反应。

④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。

⑤丙酮缩氨基硫脲（ATSC）：

为白色片状结晶,熔点179-180℃。

溶于酸,微溶于水和乙醇。

⑥对壬基苯酚：

淡黄色粘稠液体。

略有苯酚气味。

相对密度0.94-0.95（20/20℃）。

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。

由壬烯与苯酚在酸性催化剂存在下缩合而成。

第二章工艺条件影响因素

聚氯乙烯聚合时主要影响因素讨论如下:

（1）聚合温度

聚合速度随着温度的升高而加快，但温度升高链转移速度加快会降低聚合度。

在PVC生产中，聚合温度由需要的聚合度确定。

聚合温度越高，生产的PVC聚合度越低。

（2）聚合釜的传热能力

反应的热量是靠冷却水移走的，如不能保证移热能力，反应温度就会失控，产生爆聚，不仅影响PVC质量，还会发生安全事故。

有效地移走反应热量的措施如下：

①提高冷却水流速，增大换热系数。

上海氯碱化工股份有限公司在扩产改造中提高聚合釜冷却水循环泵的流量和扬程使聚合釜生产强度提高了10％。

②降低冷却水温度，增大温差。

目前，国内多数企业采用7℃冷冻水替代冷却水来提高聚合釜的移热能力，但需要重新整定聚合釜控制参数PID。

③釜内设内冷管和挡板，通入冷却水，加大换热面积和移热能力。

④设置釜顶回流冷凝器，采用冷凝VCM蒸气的方法移走反应热。

⑤改进聚合釜夹套结构，提高换热系数，新型聚合釜一般采用半管式夹套，夹套移热能力可提高15％以上。

⑥加强釜内粘釜物的清除，减少污垢热阻．目前国外较先进的防粘釜技术能达到1000釜以上才需清釜．国内先进的PVC企业已经能达到500釜以上才需清釜。

⑦采用后注水工艺。

第三章工艺计算

3.1物料衡算

3.1.1聚合釜

聚合釜由锅体、锅盖、搅拌器、支承及传动装置、轴封装置等组成，夹套外壁焊接支座，聚合反应釜下部开有放料口。

1.物料平衡图

图2-1合釜物料平衡图

2.已知数据

在本次设计中为年产2万吨的PVC聚合。

年生产时间为300天,。

悬浮法聚氯乙烯聚合反应是一个间歇反应，每循环%个周期反应称之为%个批次过程。

聚合过程中的配方设计：

名称

单体

去离子水

引发剂

其它助剂

用量（份）

100

130

0.05

0.2

3.计算

按已知配方可得出以下：

（1）VC用量M1

设单体的转化率为85%，则每批投入的VCM量为：

20000×

103/（300×

2×

0.85）=39215.7kg/B

聚合后处理过程中，会损失部分PVC。

故设VCM的量：

M1=40000kg/B

（2）水的用量M2设水油比为1.3:

1，则M2=M1×

1.3=52000kg/B

（3）各助剂用量M3

①引发剂用量m1

m1=M1×

0.05%=26kg/B

②助剂的量m2

m2=M1×

0.2%=104kg/B

出料（以釜为标准）

设损失的PVC量为420kg则，出料中PVC的量：

40000×

0.85+26－420=33606kg/B

未反应VCM：

0.15=6000kg/B

设85%未反应的单体回收，则

回收VCM：

6000×

0.85=5100kg/B

剩余VCM：

6000－5100=900kg/B

4．物料平衡表

表2-1聚合釜物料衡算表

序号品名进料量（kg）出料量（kg）

1VCM40000900

回收5100

2引发剂260

3助剂104104

4水5200052000

5PVC33606

损失420

合计9213092130

3.1.2出料槽

图2-2料槽的物料平衡图

2.计算

设出料槽中PVC损失为1%。

则出出料槽的PVC为：

33606－336.06=33269.94kg

3.物料平衡表

表2-2出料槽物料平衡表

1VCM900900

2助剂104104

3水5200052000

4PVC3360633269.94（损失336.06）

合计4329043290

3.1.3汽提塔

汽提塔，就是依据气液相的挥发度的不同或溶解度随温度的变化有明显变化而进行分离的设备。

本设计用水蒸气进行气提。

图2-3.汽提塔的物料平衡图

2.已知数据

浆料进口温度t=80℃；

蒸汽进口温度：

t底=110℃，压强为3atm

出汽提塔的VCM为50ppm，蒸汽出口温度110℃，压强为1atm

收率：

99.5%；

PVC产品含水量：

0.3%

从这一步开始到筛分包装为连续过程，因此，计算标准相应的转换为千克/小时。

则每小时生产的PVC量为：

107/（300×

24）=2777.8kg/h

由PVC产品含水量为0.3%，得绝干树脂含量为：

2777.8×

99.7%=2769.5kg/h

考虑各步收率，汽提塔：

离心机：

99%；

干燥：

包装：

98.5%

故汽提塔进料中PVC量为

2769.5/（0.995×

0.99×

0.985）=2883.2kg/h

（1）各物质进入汽提塔的量

水量为：

52000×

（2883.2/33269.94）=4506.4kg/h

助剂量为：

104×

（2883.2/33269.94）=6.9kg/h

VC的量为：

900×

（2883.2/33269.94）=78kg/h

（2）各物质出汽提塔的量

出口PVC量为：

2883.2×

0.995=2868.8kg/h；

损失的PVC量为：

14.4kg/h

A.、取塔顶温度为80℃，塔底温度为110℃

对于VCMt平均=（80+110）/2=95℃

VCM的比热：

Cp90℃=26.602cal/克分子℃；

Cp100℃=27.19cal/克分子℃

用内插法求得，Cp95℃=26.605cal/克分子℃=0.4257kcal/kg℃

110℃VCM汽化热ΔHVCM=3034cal/克分子=48.5kcal/kg

水的比热Cp90℃=4.22KJ/kg·

℃；

Cp100℃=4.208KJ/kg·

℃

则，Cp95℃=4.214KJ/kg·

℃=1.007kcal/kg·

℃.

同理可计算出：

CpPVC=1.8422KJ/kg℃=0.44kcal/kg℃

B、3atm大气压下求水蒸气的焓及温度（3atm=304Pa）

水蒸气的焓：

ΔH300kPa=2728.5KJ/kg=651.84kcal/kg

水蒸气的温度t300kPa=133.3℃

C、1atm大气压下，110℃水的焓=461.34KJ/kg=110.21kcal/kg

设蒸汽冷凝放热量为Q放，通入蒸汽量为ykg/h

∴Q放=y（651.84-110.21）=541.63y

设物料吸收热量为Q1，部分VCM气化吸热为Q2

∴Q吸=Q1+Q2=Q放

Q1=CpPVCWPVCt+CpVCMWVCMt+CpH2OWH2Ot

=0.44×

2883.2×

（110-80）+0.4257×

77.6×

（110-80）+1.007×

4482.3×

（110-80）=174459.6kcal/h

设从塔顶回收xkg/hVCM

∴Q2=48.5x

∴Q吸=Q1+Q2=174459.6+48.5x=541.63y①

汽提塔出料中VCM含量为50ppm

（77.6-x）/[2883.2+6.9+4482.3+（77.6-x）+y]=50×

10-6②

联立①、②，解得：

x=77.2kg/h

y=329kg/h

∴出料中VCM：

77.6－77.2=0.4kg/h

4.物料平衡表

表2-3汽提塔物料平衡表

序号品名进料量（kg/h）出料量（kg/h）

1PVC2883.226469.5损失14.4

2VCM77.60.4

回收77.2

3水4482.34482.3

4助剂6.96.9

5蒸汽180.9180.9

合计7630.97630.9

第四章化工设备的选型和设计计算

20℃时，查表得VCM的密度为910kg/m3，则每批处理VCM体积为：

VVCM=40000/910=43.96m3

水油比为1.3，则

忽略引发剂和助剂的体积，则每批处理总体积为：

V总=VVCM+VH2O=43.96+52000/1000=95.96m3

取装料系数η=0.9，故聚合釜的容积至少为

95.96m3/0.9=106.6m3

据此选30m3.聚合釜4台

1技术特性

釜体全容积31.7m3.釜体设计压力1.55MPa釜体设计温度100℃

搅拌器型式三叶后掠式、三层搅拌转数l.20r/min

电机功率:

55kw釜体高径比:

1.93传动方式:

上传动

减速机:

平行轴线开线齿轮传动（输出轴为空心轴）

轴封:

双端面平衡型机械密封,轴径D=125

安全阀:

主体材料16MnR+OCrl8Ni9（板厚14+3和16+3）

2用户相匹配的工艺设计条件

冷却水流量:

1.70一200t/h

冷却水进口水温:

≦32℃

底轴承注水泵：

流量0.1m3小时压力3.2MPa

密封油站调整工作压力:

1.2Mpa一l.6MPa

喷淋阀气源压力0.4一1.6MPa

釜上电动机YB280M~6V1,隔爆dIIBT4,55kw,380V,50Hz

人孔密封水压l.6MPa

设计结构特点

.

1

4.1.2验算

式中，

——釜内壁给热系数；

——釜外壁给热系数；

——壁厚；

——釜壁传热系数

（1）釡内壁给热系数α1的计算

式中，D：

釡内径（1600㎜）；

d：

搅拌桨叶直径；

n：

搅拌器转数；

λ：

釜内物料的导热系数；