年产20万吨PVC工艺设计Word文件下载.doc

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聚合釜；

物料衡算；

热量衡算；

混料槽；

汽提塔；

三废

引言

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。

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,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作用。

本设计是以氯乙烯单体为原料，对年产能力为20万吨的PVC聚合工艺设计，以PVC生产厂为理论资料，并收集有关的化工设计资料作参考，按课程设计大纲和设计任务书的要求进行设计。

本设计的内容是在简要介绍聚氯乙烯发展状况及其工艺方法选择的基础上，重点介绍了采用悬浮聚合法生产PVC的工艺过程，产量为年产20万吨。

设计的主要内容有：

1.单体合成路线；

2.聚合工艺路线的选择；

3.聚合机理；

4.工艺流程叙述；

5.物料衡算与热量衡算；

6.设备的设计

及选型；

5.非工艺部分的叙述。

设计图纸包括1张工艺流程图；

1张聚合釜装配图；

1张汽提塔设备图。

本设计旨在理论学习的基础上，结合生产实践，熟悉工艺流程、生产方案的选择、设备的选型等，掌握工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备的计算、选型，对参考文献的查阅与学习等的方法。

由于设计者的理论知识有限，设计经验的缺乏，在设计的过程中难免会有一些不足和错误之处，敬请各位老师指评指正。

目录

引言 4

第一章文献综述 8

1.1国内外pvc发展状况及发展趋势 8

1.1.1世界PVC生产及市场需求预测 8

1.1.2国内PVC生产现状 8

1.1.2PVC产需预测 9

1.2单体合成工艺路线 10

1.2.1乙炔路线 10

1.2.2乙烯路线 11

1.3聚合工艺路线 12

1.3.1本体法聚合生产工艺 12

1.3.2乳液聚合生产工艺 13

1.3.3悬浮聚合生产工艺 13

1.4配方及设备的选择 15

1.4.1配方的选择 15

1.4.2设备的选择 15

1.5原料及产品性能 17

1.6聚合机理 18

1.6.1自由基聚合机理 18

1.6.2链反应动力学机理 19

1.6.3成粒机理与颗粒形态 20

1.7工艺流程叙述 21

1.7.1加料系统 21

1.7.2聚合系统 22

1.7.3回收系统 23

1.7.4干燥系统 24

第二章工艺计算 25

2.1物料衡算 25

2.1.1聚合釜 23

2.1.2混料槽 29

2.1.3汽提塔 30

2.1.4离心机 33

2.1.5沸腾床 34

2.1.6包装 35

2.2热量衡算 36

2.2.1聚合釜 36

2.2.2汽提塔 41

2.2.2沸腾床 42

2.3设备的计算及选型 48

2.3.1聚合釜 48

3.3.2混料槽 60

3.3.3汽提塔 60

3.3.4离心机 69

第三章非工艺部分 71

3.1厂内的防火防爆措施 71

3.2三废处理情况 71

3.2.1电石渣的处理 71

3.2.2电石渣上清液的处理 72

3.2.3热水的综合利用 72

3.2.4尾气的回收利用 72

3.2.5转化水洗塔水的回收利用 73

结论 74

参考文献 75

附录 76

1.聚合釜设备图 76

2.汽提塔设备图 76

3.PVC工艺流程图 76

第一章文献综述

1.1国内外PVC发展状况及发展趋势

PVC是五大通用合成树脂中产需仅次于PE的第2大类热塑性树脂,广泛应用于工业、农业、建筑、交通运输、电力、电讯和包装等行业。

PVC树脂分为软质和硬质PVC两大类。

近年来由于建筑及各种管材行业旺盛需求的推动,对硬质PVC的需求增长较快,对软质PVC需求的增长相对较缓。

1.1.1世界PVC生产及市场需求预测

2005～2011年，全球新增PVC产能1300万吨左右，约占据当前5300万吨/年总产能的26%左右，新增产能约90%来自于中国。

2000年以来，尤其是2003年9月我国PVC树脂反倾销成功后，进口替代、发展低成本电石法工艺导致国内PVC产能快速扩张。

世界PVC行业的消费地区主要分布在亚洲、北美、欧洲和中东地区，2003-2005年世界PVC消费主要以北美和欧洲地区为主，进入2005年之后亚洲成为世界第一大消费和生产地区。

据统计在2005-2010年期间，世界PVC消费的增长幅度从原来的6%下降到4%，而亚洲地区特别是中国地区的PVC增长幅度则是以8-10%的增长幅度在增长。

可以说世界PVC消费的增长在近几年主要是亚洲和中东地区，其增长幅度保持较高较稳定的发展，而美洲和欧洲等地的PVC消费增长呈下降趋势，主要与美洲、欧洲地区的经济和PVC的利用率有较大关系。

未来几年世界PVC产能仍将有4%的增长幅度，而其主导仍是中东和亚洲等发展中国家的增长。

1.1.2国内PVC生产现状

我国聚氯乙烯（PVC）工业起步于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[1]。

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。

现在，国内引进PVC生产技术及设备的项目有二十项左右，其中生产能力最大的两套设备是上海氯碱股份有限公司和齐鲁石化总公司的年产20万吨悬浮法PVC树脂装置，采用日本信越公司技术。

北京化工二厂、锦西化工厂、福州化工二厂引进美国B．F古德里奇公司悬浮法PVC树脂生产技术，生产高型号树脂，其它还有引进美国西方化学公司的高型号树脂和釜式汽提技术及设备，法国阿托公司、前德国布纳公司、日本吉昂公司、日本钟渊公司、日本三菱公司的糊树脂生产装置和技术、法国本体聚合技术和设备等，这些技术和设备的引进，使我国PVC树脂的生产技术和水平有了很大提高，产品品种有所增加，带动了我国PVC工业的发展[2]。

我国PVC树脂的消费主要分为两大类，一是软制品，约占总消费量的37.o％，主要包括电线电缆、各种用途的膜（根据厚度不同可分为压延膜、防水卷材、可折叠门等）、铺地材料、织物涂层、人造革、各类软管、手套、玩具、塑料鞋以及一些专用涂料和密封件等。

二是硬制品，约占总消费量的53.0％，主要包括各种型材、管材、板材、硬片和瓶等。

预计今后几年我国PVC树脂的需求量将以年均约6.4％的速度增长，到2011年总消费量将达到约1250万吨，其中硬制品的年均增长速度将达到约7.0％，而在硬制品中异型材和管材的发展速度增长最快，年均增长率将达到约10.1％。

未来我国PVC树脂消费将继续以硬制品为主的方向发展。

1.1.3PVC产需预测

2012年我国聚氯乙烯行业市场需求稳定增长，国内聚氯乙烯产量还将保持10%左右的发展速度。

预计2012年我国聚氯乙烯产量将达到1425万吨，聚氯乙烯表现消费量将达到1428万吨。

在《2012-2016年中国聚氯乙烯（PVC）市场调查及发展趋势研究报告》数据显示：

2011年1-12月我国聚氯乙烯累计产量为1295.2万吨，累计同比增加了12.5%。

2011年我国聚氯乙烯进口8.03万吨，同比2010年的8.87万吨下降-10.46%；

进口金额达到1.74亿美元，同2010年的1.74亿美元相当。

2011年我国聚氯乙烯出口4.58万吨，同比2010年的3.59万吨，增长27.58%；

出口金额达到0.74亿美元，同比2010年的0.55亿美元，增长34.55%。

进"

十一五"

期间，中国聚氯乙烯工业保持了相当快的发展速度，其中2005年中国聚氯乙烯产能增长率高达46.4%，这很大程度上是受2004年聚氯乙烯行业的高额利润吸引。

2007年之后，尤其是2008年的全球经济危机爆发后，国内聚氯乙烯行业的扩能步伐明显放缓，而且随着中国聚氯乙烯产能的扩大，行业盈利能力也出现明显下降。

最近几年，中国聚氯乙烯生产能力不断提高，其产量已经完全可以满足自身需求，改变了以往需要大量依赖进口的局面。

但需要业内注意的是，由于中国聚氯乙烯产能的过快扩张、加上投资者对能源、资源性物资的占有程度的差别较大，国内聚氯乙烯行业正经历和未来必然要经历着产业结构调整和生产布局的改变，中国聚氯乙烯行业则由高速发展向平稳整合过渡。

综观中国PVC工业的现状和发展前景，可以负责任地讲：

尽管我国的PVC工业在全球范围内已取得三个第一，即：

PVC产能全球第一；

PVC产量全球第一；

PVC消费量全球第一，但PVC在中国还有较大的发展空间。

从PVC的人均消费量来看，发达国家为15-20千克，而我国仅为6千克左右。

目前我国的PVC需求70%以上来自建筑业、农业、交通能源基础设施和医药行业。

随着中央政府为应对全球金融危机，保证中国经济正常、健康发展，启动4万亿投资后，又陆续出台布置实施扩大内需的十项措施。

其中加快建设保障性安居工程、加快农村基础设施建设、加快铁路公路和机场等重大交通基础设施建设、加快农村城市化建设、加快城市电网改造等重大工程建设都将拉动国内PVC需求的快速、持续增长。

据预测，未来十年或许更长时间全球PVC需求量将以每年4.1%比率增长，而中国将成为PVC主要供应国家，其表观消费量增速将达到10%-15%左右。

1.2单体合成工艺路线

1.2.1乙炔路线

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80kpa·

G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。

乙炔法路线VCM工业化方法，设备工艺简单，但耗电量大，对环境污染严重。

目前，该方法在国外基本上已经被淘汰，由于我国具有丰富廉价的煤炭资源，因此用煤炭和石灰石生成碳化钙电石、然后电石加水生成乙炔的生产路线具有明显的成本优势，我国的VCM生产目前仍以乙炔法工艺路线为主。

乙炔与氯化氢反应生成可采用气相或液VCM相工艺，其中气相工艺使用较多。

1.2.2乙烯路线

乙烯氧氯化法由美国公司Goodrich首先实现工业化生产，该工艺原料来源广泛，生产工艺合理，目前世界上采用本工艺生产的产能VCM约占总产能的VCM95%以上。

乙烯氧氯化法的反应工艺分为乙烯直接氯化制二氯乙烷（EDC）、乙烯氧氯化制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。

乙烯和氯气在直接氯化单元反应生成EDC。

乙烯、氧气以及循环的HCl在氧氯化单元生成EDC。

生成的粗EDC在EDC精制单元精制、提纯。

然后在精EDC裂解单元裂解生成的产物进入VCM单元，VCM精制后得到纯VCM产品，未裂解的EDC返回EDC精制单元回收，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氯化法；

氧氯化按反应器型式的不同有流化床法和固定床法，按所用氧源种类分有空气法和纯氧法；

EDC裂解按进料状态分有液相进料工艺和气相进料工艺等。

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氧量（BOD）。

采用该生产工艺，乙烯和氯的转化率超过98%，目前世界上已经有50多套装置采用该工艺技术，总生产能力已经超过470万吨/年[6]。

本设计采用乙烯路线生产氯乙烯单体。

1.3聚合工艺路线

目前,世界上PVC的主要生产方法有4种:

悬浮法、本体法、乳液法和微悬浮法。

其中以悬浮法生产的PVC占PVC总产量的近90%,在PVC生产中占重要地位,近年来,该技术已取得突破性进展。

1.3.1本体法聚合生产工艺

本体法PVC生产工艺是法国阿托化学公司的专利技术。

现在运行的本体法PVC生产技术是该公司1978年开发成功的“两段立式釜本体聚合工艺”。

目前全世界有20多个国家采用[1]。

该工艺在无水、无分散剂的条件下进行二步法聚合,可生产八个牌号产品,设备生产强度大,过程简单.无工艺废水,能耗低,产品纯度高、性能好、加工易、用途广。

电缆粒料采用双螺杆和单螺杆两级挤出选粒一工艺,生产多种牌号的电缆粒料。

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。

本体法聚氯乙烯的生产装置有两种：

卧式聚合釜装置、立式聚合釜装置。

一般本体法PVC装置都由预聚合和聚合、氯乙烯单体过滤、压缩及冷凝回收、高压水清洗、分级调整PVC贮存及包装、废液废气处理、热水系统等七个工序组成。

主要步骤聚合分两段进行，分别为预聚合和聚合。

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。

1.3.2乳液聚合生产工艺

乳液法聚合是在乳化剂存在下，将VCM分散在水中形成乳状液，然后引发聚合生产乳液PVC树脂的方法.策合时，整个体系发生了相转变过程，即从开始时的液一液乳状液系统.经聚合后转变为固一液乳状液系统。

乳液聚合与悬浮聚合基本类似，只是要采用更为大量的乳化剂，并且不是溶于水中而是溶于单体中。

这种聚合体系可以有效防止聚合物粒子的凝聚，从而得到粒径很小的聚合物树脂，一般乳液法生产的PVC树脂的粒径为0.1—0.2mm，悬浮法为20―200mm。

引发剂体系与悬浮聚合也有所不同，通常是含有过硫酸盐的氧化还原体系。

干燥方法也设计成可以保持较小的粒径的方式,常常采用一些喷雾干燥剂。

由于不可能将乳化剂完全除去，因此用乳液法生产的树脂不能用于生产需要高透明性的制品如包装薄膜或要求吸水性很低的制品如电线绝缘层。

一般来说乳液聚合PVC树脂的价格高于悬浮聚合的树脂，然而需要以液体形式配料的用户使用这种树脂，如糊树脂。

在美国大部分乳液聚合的树脂产品都是糊树脂（又叫分散型树脂），少量用于乳胶。

在欧洲，各种乳液工艺也用于生产通用树脂，尤其是压延和挤出用树脂。

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0.1~3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。

1.3.3悬浮聚合生产工艺

悬浮聚合法是工业生产PVC树脂的主要方法产品为100-150μm直径的多孔性颗粒称为S-PVC。

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。

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，对聚合釜进行试压，试压合格后用氮气置换釜内空气。

单体由计量灌经过滤器加入聚合釜内，向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±

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降到0.294～0.196MPa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。

悬浮聚合的工艺特点：

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45~70℃之间。

使用低温聚合时（如42~45℃）,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62~71℃）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