年产X万吨聚氯乙生产工艺设计(万能模板)文档格式.doc
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第1.3节厂址的选择及设计的自然条件 2
第1.4节主要原材料和聚氯乙烯的特征 3
第2章工艺路线论证 6
第2.1节PVC树脂的典型聚合工艺 6
第2.2节PVC树脂的工艺流程的选定 8
第2.3节悬浮聚合的具体操作 12
第3章物料衡算 13
第3.1节物料衡算依据 13
第3.2节各个设备物料衡算 16
第3.3节物料衡算总平衡 22
第4章热量衡算 26
第4.1节聚合釜的热量衡算 26
第4.2节列管式换热器热量衡算 29
第4.3节气流干燥塔热量衡算 31
第4.4节空气加热器热量衡算 34
第5章设备工艺计算及选型 36
第5.1节聚合釜的设计 36
第5.2节料浆排放槽的选型 38
第5.3节离心机的设计 38
第6章成本核算 40
第6.1节生产成本 40
第6.2节盈亏平衡 41
第7章安全与环保 42
第7.1节安全防火设计 42
第7.2节环境保护 45
结论 47
参考文献 48
致谢 49
V
第1章绪论
第1.1节设计依据
设计所参考和依据：
（1）以学校发布的发布的《毕业设计任务书》作为主要依据。
（2）以《聚氯乙烯生产与操作》，《化工设计》，《聚合物合成工艺设计》，《聚氯乙烯工艺学》等作为辅助。
第1.2节生产方案及生产规模
厂址选定之后进行工厂总平面设计。
结合建厂地区的自然、气候、地形、地质、水文资料、以及厂内外运输、公共设备、厂区协作等条件设计总图，整个生产工艺过程按照原料进厂到成品出厂的顺序，经济合理地布置厂区内的建筑物，厂内外的交通运输要通常等。
所有的过程应该严格遵照国家的有关方针政策，结合厂区地形、地质情况，按照厂区的卫生、防火的技术要求等因素，充分利用厂区周围的自然资源、运输、动力和水源等条件，在充分做好调查研究的基础上进行分析综合，并须进行总平面设计方案的比较，以达到工艺流程合理、总体布置紧凑、投资节省、用地节约、建成后较快投产的目的[1]。
建厂投资、生产管理、安全生产、降低成本要求总平面布置合理，不仅与直接相关，而且也会严重影响工厂实施科学管理和文明生产，所以工厂平面设计需遵循以下原则：
1.2.1满足生产和运输的要求
按照生产工艺流程的要求合理进行平面布置，就禁不止有联系或者和有关的的车间，尽量避免迂回交叉、往返。
注意噪声污染、风向和粉尘的相互关系。
厂区内的道路径直短捷，布局紧凑，用地节约，厂容整齐。
1.2.2满足安全和卫生的要求
厂区布置应严格遵守防火，卫生等安全规范、标准和有关规定。
产生明火的车间尽量远离可燃性气体的车间；
有腐蚀性介质散发、可能有酸雾产生的车间、有粉尘飘散的车间、有污水排放的车间应有防护措施。
1.2.3满足有关的标准和规范
常用标准与规范有：
建筑设计防火规范（GB-50016-2006）；
工业企业总平面设计规范（GB-50187-93）；
化工企业总图运输设计规范（HG/T-20649-1998）工业企业卫生防护距离标准（GB-18083-2000）[2].
1.2.4厂区管网线路的布置
应尽可能的使管线取直线，管线集中设施应铺设在建筑物和道路直接。
1.2.5布置建筑物
建筑物应尽可能坐北向南，防止日光直射，充分利用自然光和自然通风。
1.2.6分道
人流、货流通道分开，避免交叉；
同时考虑门的不同作用。
总平面设计包括平面设计、竖向布置设计、运输设计管线综合设计、绿化设计等，平面设计中车间平面布置、车间设备布置都在总图纸中体现。
第1.3节厂址的选择及设计的自然条件
1.3.1化工厂的地理位置
厂址的地理位置茌平县位于山东省鲁西平原
1.3.2设计地区的自然条件
本项目拟建在济邯铁路以南，位于茌平县城西，该地区拥有开阔平坦的地势、拆迁量小，三通一平工作量较小，交通、供水、供电条件好。
水文大气降水及地表径流为场地地下水提供主要补给，地表蒸发及工农业用水为其主要排泄方式，2.6-4.4m为地下水的埋深，地下水类型属第四系孔隙潜水。
气候该地区春季干燥、少雨，夏季炎热、降雨集中，秋季凉爽，冬季寒冷干燥，属大陆性气候。
地形厂址周围地势平坦，地貌单元单一，位于黄河下游，属冲洪积平原。
地质拟建场地为第四系沉积地层50m深度范围内土层，土层主要构成为粘土、粉土、粉砂土。
根据其岩性及物理力学性质自上而下分为16层。
场地稳定，适宜建筑。
建筑场地类别为III类，土为中软型。
第1.4节主要原材料和聚氯乙烯的特征
本设计采用悬浮聚合法。
所以采用的原材料是VCM以及其他助剂。
悬浮聚合法的原理：
烯类单体在光和热或辐射能的作用下，有可能发生自由基而聚合。
由于碳碳键具有较大的键能，所以烯类单体均裂成自由基须在300～400℃高温作用下才能开始。
一般的聚合达不到这样高的温度。
因此，氯乙烯悬浮聚合的引发剂采用过氧化物或偶氮化合物，连同液态氯乙烯单体在水中经过搅拌，氯乙烯单体分散成小液滴、悬浮于水介质中发生聚合反应。
在聚合温度（45～65℃）下，溶于单体中的引发剂分解成自由基，从而引发氯乙烯聚合，在水中溶于分散剂，以防止VCM液滴的并聚和防止达到一定转化率后PVC-VCM溶胀粒子的粒并。
氯乙烯聚合反应热约为95.9KJ/mol，因此该氯乙烯的聚合反应为放热反应，聚合釜夹套中冷却水带走放出的热量，用来恒定聚合温度。
（1）VCM
名称：
氯乙烯
分子式：
CH2CHCl
分子量：
62.50
溶解性：
溶于多数有机溶剂（乙醇、乙醚、丙酮等），在水中微凉溶解
（2）分散剂
名称﹕聚乙烯醇（PVA）
分子结构式﹕
聚合度为﹕m+l
分子量为﹕2600
挥发份﹕﹤5%
灰分﹕﹤1%
溶解性﹕PVA在不同的聚合度和醇解度下对水的溶解度也会不同。
在常温下，完全不溶于有机溶剂。
（3）引发剂
名称﹕偶氮二异庚腈，又称之为ABVN
化学结构式：
分子量为﹕248.37分子式：
C14H24N4
性质：
①受热分解，易燃易爆，白色结晶或粉末。
②不溶于水，溶于有机溶剂（醇、醚等）。
③毒性：
低毒
产品规格（标准：
Q/45071769-0.2-1998）主要指标如下：
①熔点范围：
40～70℃，在甲醇中不溶物小于0.1%
②纯度：
≥98%
③含水量：
＜1%
（4）反应调节剂
名称﹕巯基乙酸2-乙基己脂
化学结构式﹕
外观性状﹕液体，色或淡黄色，有的巯醇臭味。
分子量﹕204.3
（5）反应终止剂
名称﹕RS-1（一种苛性钠水溶液）
配方﹕无离子水84.6%
氢氧化钠4.4%双酚-A11.0%
结构式﹕
分子量﹕223.3
（6）防粘釜剂的性质
性质﹕RS-1是与酚类化合物的混合物，一种名为环戊二烯基树脂的石油树脂。
配方﹕聚醅酚100kg石油树脂700kg对甲基磺酸0.15kg
反应温度﹕160-170℃[4]
第2章工艺路线论证
第2.1节PVC树脂的典型聚合工艺
有四种典型的聚氯乙烯工业化生产方法：
悬浮法、乳液法、本体法、微悬浮法。
2.1.1悬浮聚合
氯乙烯悬浮聚合液态氯乙烯悬浮于水介质中在搅拌作用下分成液滴发生的聚合过程。
悬浮聚合法是最主要的生产方法，生产过程易于控制，设备和运行费用低，易于调节品种，易于组织大规模生产才得到的广泛应用。
工艺特点：
悬浮聚合法生产PVC树脂的一般工艺过程是在聚合釜被清理干净以后，在釜中加入水、悬浮剂、抗氧剂、VCM单体，搅拌混合浆液，VCM单体在水中呈小液滴状分散开，由保护胶对这些混合浆液中的小液滴加以稳定，随后在混合浆料中加入可溶于水的引发剂，反应速度在反应过程中应该保持平稳，随后升温聚合，局和温度应该稳定在45-70℃。
42-45℃低温聚合时，生产的聚氯乙烯树脂的分子质量较高；
62-71℃高温聚合时会生产出的聚氯乙烯树脂分子质量低或超低。
国外近年来还研究成功了两步悬浮聚合工艺，该工艺提高了聚合速度和生产效率，两步法第一步是将聚合度控制在600℃左右，然后加入部分新单体继续聚合。
聚合周期在两步法聚合中明显短了，凝胶性能、机械强度和模塑性能较其他的方法有所提升。
随着现代科技的发展悬浮法聚氯乙烯应用领域随着聚氯乙烯品种日益广泛而越来越广，现在的PVC厂家越来越对特殊的PVC专用树脂感兴趣，兴趣已经不局限在通用型的树脂上了，其中开发的热点集中于高表观密度建材专用树脂、球形树脂、消光树脂、超高（或超低）分子质量树脂等[3]。
悬浮法PVC的发展趋势：
悬浮聚合法在工业生产时产量最大，更加具有设备投资少和产品成本低等优点。
现在聚氯乙烯的其他聚合方法都在逐步向悬浮法聚合生产路线倾斜，悬浮聚合工艺生产方法已经在其他树脂品种的生产中被逐渐采用。
目前虽然PVC乳液聚合法已经工业化，但是欧美和日本在连续悬浮聚合工艺的研究工作依然被他们看重，即使距离工业化生产尚有距离，但是连续法的诸多优点已引起了生产厂家和各国科研院所的高度重视。
国外厂家大量研究了悬浮聚合的聚合工艺以及聚合过程的配料体系，使得聚合转化率得到进一步的提升。
专用树脂在生产周期明显缩产率提高的情况下，其性能也得到了提升。
与此同时通用树脂的专用化、市场化水平随着产品质量的提升而逐渐提高。
近年来超高（或超低）聚合度树脂、高表观密度树脂、无皮树脂、耐辐射树脂、医用树脂、耐热树脂等的广泛应用就是很好的例证。
聚氯乙烯专用树脂的使用性能的提高和新的应用领域的开发是悬浮法聚合树脂发展的标志。
2.1.2本体聚合
本体聚合工艺只有单体和引发剂发生反应生产聚氯乙烯，不同于悬浮聚合法以水为介质，也不加入分散剂等各种助剂，悬浮法的离心干燥过程也被删除了。
⑴本体聚合法的简介
PVC的本体聚合方法生产，在1963年由法国罗纳-普朗克公司开发出来，该公司发明了两段本体聚合法并实现了该法的工业化，从而使得聚氯乙烯生产采用的本体聚合法在聚氯乙烯生产中确立了很重要的地位。
并于1974年在世界上率先投产了年产十万吨大型装置。
顾名思义两段法就是在两种不同的控制条件下单体完成树脂颗粒的成形即：
①首先在反应釜里加入一半儿的单体和引发剂进行预聚合，控制好预聚合的反应温度（60℃～70℃），达到一定的转化率（8%～12%）时，作为反应结束，其总周期约1～1.5h；
②后聚合是将预聚合釜排除的流体作为聚合的种子加入到聚合釜内，随后另一半单体和引发剂加入到反应釜中，稳定控制产品的聚合反应温度使反应稳定进行，反应产生的热量与夹套和流冷凝器移除的热量持平，7.5～9h后总体的转化率达到75%～80%时结束反应，将未反应的单体进行回收。
⑵本体聚合法的特点
本体法与悬浮等法比较，成为世界上主要的聚氯乙烯的生产技术之一，具有生产效率高、工艺操作简单、产品颗粒无“皮膜”、表观密度高、电性能及透明度好等优点，生产成本降低，该技术的使用也很多。
2.1.3乳液聚合
与悬浮聚合类似乳液聚合采用了与其相同的分散介质水，但是与之不同的是乳化剂和引发剂均为水溶性的。
把水溶性引发剂H2O2或K2S2O8等、氯乙烯单体以及其他助剂加入聚合釜中进行聚合反应是常用的做法。
⑴乳液法聚氯乙烯的生产方法
乳液法目前分为连续法和间歇法，在PVC的工业生产中种子聚合法又称为间歇法。
种子聚合法的具体原理为：
将颗粒较细的一代种子连同较粗的二代种子按比例混合，为制取具有一定粒度并且较大粒径的产品，需要使其在种子乳胶粒子提前生长。
⑵乳液聚合法的特点：
①乳液聚合的反应温度较低，因此更好控制传热及反应的操作；
②H2O2或K2S2O8为水溶性，因此反应速率较快；
③乳胶的粒径、聚合反应的速率和产品的聚合度等性能与乳化剂的使用量有关，分散剂的使用量也较多；
④反应完成后的胶乳粒径很细。
乳液聚合由于所加的助剂数量较多，并且没有离心和水洗，所以整体工艺比不上悬浮聚合。
2.1.4微悬浮聚合
在聚合釜中通入VCM单体以及助剂，连同去离子水、油溶性乳化剂、引发剂按比例混合均化后进行聚合。
第2.2节PVC树脂的工艺流程的选定
本设计采用悬浮聚合。
2.2.1悬浮聚合工艺流程介绍
常温下，氯乙烯加压后转变为液体。
氯乙烯和其他助剂的混合浆料在通入聚合釜后经过搅拌，氯乙烯在分散剂中分散成液滴，然后发生聚合产生聚氯乙烯。
引发剂在45℃-65℃时分解为自由基引发氯乙烯聚合。
分散剂能使聚氯乙烯和氯乙烯达到一定转化率后不发生粘并。
聚氯乙烯微溶于氯乙烯，但VCM能大量溶解于PVC中，让VCM的体积变大。
（PVC:
VCM≈70:
30重）。
由于在转换率为零点一到百分之七十的工段里，VCM和PVC两种组分都是有的。
只是VCM和PVC的各自质量分数不发生变化，而是其各自的相持续缩小，但是共聚物却持续进行反应；
反应容器内的压强就是聚乙烯的饱和蒸汽压强。
接着，共聚物中的VCM继续发生反应，反应釜内的压力就比刚才降低。
制造稀疏型PVC的时候，压力下降的范围是零点一到零点一五Mpa，此时就加入反应终止剂，让反应终止。
压力下降的太大，将使反应的产率变低。
而制造紧凑型PVC时，可以让压力下降零点二到零点二五左右MPa的时候停止。
此时产品的转化率约为百分之九十。
如果聚乙烯的转化率为百分之百，此时在实际生产中经济效益不高，产品的质量也不高。
所以未反应的VCM应该再次利用，做法是将聚乙烯放入气柜里，在处理过后二次利用。
聚氯乙烯料浆通过各种离心，洗涤，干燥处理之后，就可以成为聚氯乙烯成品了。
该设计年产7万吨聚氯乙生产工艺设计，该设计主要工段工艺包括聚合工艺、汽提工艺和离心干燥工艺，以下主要论述各工段过程。
2.2.2悬浮聚合工艺流程
氯乙烯悬浮聚合过程大致如下。
先将无离子水加入聚合釜内，在搅拌下继续加入分散剂水溶液和其他助剂，后加引发剂，密闭抽真空，必要时以氮排除釜内的空气。
最后加入单体，升温至预定温度进行聚合。
为了缩短聚合时间，也可以将排氧后的釜内物料加热至预定温度，而后引入单体聚合。
采用这一加料方案易使引发剂分散不均匀，局部过浓部分易形成透明塑化粒子，加工时产生鱼眼，为了克服这一缺点，可将引发剂配成溶液或乳液，在VCM加入后，再加入釜内。
当釜内单体转化率大达到87%时，根据釜内压力下降的情况进行出料操作，釜内悬浮液借余压压2入出料槽，并于出料槽通入蒸汽升温到75℃左右，脱除的未聚合的单体借槽内压力排入气柜回收。
经脱气后的料浆至出料槽底部排出，经树脂过滤器及料浆泵进入汽提阶段[4]。
该聚乙烯聚合系统属于放热反应，聚合热约为1540kJ/kg
。
放出的热量由夹套中冷却水带走。
放热速度与传热速度应该相等，以保证聚合温度恒定。
氯乙烯聚合机理上的特点是向单体链转移显著，PVC的聚合度仅决定于温度，而于引发剂浓度、转发率无关。
因此，聚合温度要求控制得十分严格（如±
0.2℃）。
这就要求引发体系有平缓的聚合放热速度，要求聚合釜有良好的传热性能，保证及时散热。
表2.2聚合过程的工艺指标如下表：
序号
项目
代号
条件
备注
温度℃
压力MPa
1
低压纯水
LDW
室温
0.35
低压无离子水
2
高压纯水
HDW
1.5
高压无离子水
3
循环水
CW
32
0.3
4
低温冷却水
2-5
5℃水
5
置换压缩空气
0.55
6
仪表用压缩空气
CA
0.5
7
蒸汽
STM
151
0.4
8
氮气
LN
9
一般用水
RW
自来工业水
10
低温冷冻水
CHW
-32
盐水
11
低温纯水
低温无离子水
12
升温热水
85
2.2.3料浆汽提工艺流程
来自出料槽的料浆，经树脂过滤器有料浆泵送经热交换器，与汽体塔排出的高温料浆进行热交换并被升温后，进入汽提塔顶部，料浆经塔内筛板小孔流下，与塔底的直接蒸汽逆流接触，进行传热传质过程，树脂及水相中残留的单体即被上升的蒸汽汽提带逸，其中的水分在塔顶冷凝器冷凝，借管间通入冷却水冷凝后回流至塔内。
塔顶排出不冷凝的氯乙烯气体借塔顶真空泵抽送至气柜回收。
汽提后VCM的含量为≤13.6ppm，塔底经汽提脱除大部分残留单体后的料浆，由料浆泵抽出经热交换器降温后，送入混料槽，待离心干燥处理。
表2.3料浆汽提岗位工艺指标如下表：
控制项目
控制指标
控制点
控制者
纪录
汽提顶温
80-85℃
指示
主操
纪录表
汽提底温
93-97℃
压力
-0.035--0.040mPa
差压
0.015-0.035mPa
料浆含固量
25-30%
分析工
液位
30-50%
流量
7-14/h
蒸汽压力
0.04MPa
2.2.4离心干燥工艺流程
干燥工艺过程包括两个阶段：
气流干燥和沸腾干燥。
本工艺采用气流和沸腾两段干燥装置来完成树脂的干燥过程。
气提后的料液有进料泵加入离心机进行分离，得到含水量为20%左右的PVC滤饼，并有螺旋输送器送入干燥器对树脂进行干燥，经筛分后得到含挥发物为0.3%-0.4%的PVC树脂
旋风干燥器是有一个带夹套的圆柱行桶体组成，内有一定角度的多层环形挡板。
将干燥器分成若干室，挡板中间是导流板。
高速的气流带着湿的PVC颗粒，从干燥器的切线方向进入最下一个干燥室，热气流和树脂颗粒在床中高速回旋，离心力将固体颗粒与气体分开，经过在床内进行传质、传热，树脂颗粒再次作旋转运动，离心力和重力作用在不同粒径的颗粒上，造成气体和颗粒之间的速度出现差异，小离子滞留时间短，大颗粒滞留时间长，这样不同粒径的都能得到很良好的干燥。
沸腾干燥器是有多孔花板把干燥器分隔成上下两个部分。
热气流通过多孔花板把物料吹沸腾，不断向前移动，然后吹冷风，离心后的滤饼经机械分散器均匀进入干燥器，物料中的水分不断蒸发，被热风连续的带入大气中，从而达到干燥的目的，最后进行冷却以便过筛包装。
表2.4离心干燥岗位工艺指标控制如下表：
风机进口风压
4-8kPa
操作工
风机出口风压
0--3.5kPa
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