13000t/年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计
摘 要
本设计是悬浮法生产聚氯乙烯（年产13000吨）的工艺初步设计。该设计包
括设计说明书和设计图纸两部分。设计说明书主要包括聚氯乙烯概述、制聚氯乙烯工艺方案的选择论证、在设计过程中，根据设计任务书的要求，进行了较为详细的物料衡算和热量衡算和聚合釜计算，对设备进行了工艺计算和选型，同时对整个装置进行了简单的技术经济评价。设计图纸则包括工艺流程图和聚合反应釜装配图。
关键词：聚氯乙烯，悬浮聚合工艺，干燥， 单体，生产工艺
Abstract
This design is the production of PVC suspension method (with an annual output of
13000 tons) preliminary design process. The design includes the design specification and design drawings of two parts.In the design manual, a brief introduction of PVC production status, development trends, performance, and the main purposes highlighted by suspension polymerization as the polymerization process production methods. In the design process, according to the requirements of the design task book to conduct a more detailed material balance and heat balance and the the polymerizer calculation process calculation and selection of equipment, a simple techno-economic evaluation of the entire device . Drawing of the design drawings, design drawings including process flow diagram of the polymerization reactor assembly drawing.
Keywords: PVC ,suspension polymerization process, dry, monomer ,production process
前 言 ................................................................................................ 1
第1章 概述 ...................................................................................... 2
1.1PVC概述及PVC发展状况、前景 .......................................... 2
1.2 聚合工艺实践方法 .............................................................. 3
1.2.1本体法聚合生产工艺 .................................................. 3
1.2.2乳液聚合生产工艺 ..................................................... 4
1.2.3悬浮聚合生产工艺 ..................................................... 4
1.3产品原料及说明 .................................................................... 5
1.4聚氯乙烯配方 ....................................................................... 7
第2章 聚氯乙烯生产工艺流程设计 ................................................ 9
2.1 聚氯乙烯生产工艺流程简述 ............................................... 9
2.2 聚氯乙烯生产工艺流程图................................................. 10
第3章 物料衡算 ............................................................................. 12
3.1 车间物料衡算 .................................................................... 12
3.1.1主要工艺参数 ........................................................... 12
3.1.2 生产任务的计算 ...................................................... 12
3.1.3投入单体的计算 ....................................................... 13
3.2 聚合釜的物料衡算 ............................................................. 13
3.2.2 聚合釜的生产计算................................................... 14
第4章 热量衡算 ............................................................................. 15
4.1 聚合釜热量衡算 ................................................................. 15
4.1.1 参数设定 ................................................................. 15
4.1.2 混合热和搅拌热的考虑 ........................................... 16
4.2 回流冷凝器热负荷的考虑................................................. 16
4.3 物料带入聚合釜的热量 .................................................... 16
4.4 聚合反应放出的热量 ........................................................ 17
4.5 物料带出聚合釜的热量 .................................................... 17
4.6 反应过程需要加入的热量................................................. 17
4.7 加热水的用量 .................................................................... 17
4.8 冷却水的用量 .................................................................... 17
4.9传热面积 ............................................................................. 18
第 5 章 典型机器设备选型与论证 ............................................ 19
5.1机器设备选型的原则 ......................................................... 19
5.1.1满足工艺要求 .......................................................... 19
5.1.2设备成熟可靠 .......................................................... 19
5.1.3尽量采用国内设备 .................................................. 19
5.2聚合釜................................................................................. 20
5.3 汽提塔 ................................................................................ 22
5.4 混料槽 ................................................................................ 22
5.5 干燥器 ................................................................................ 22
5.6 离心机的选型 .................................................................... 23
参考文献 .......................................................................................... 25
前 言
聚氯乙烯(PVC)是5大通用塑料之一,具有耐腐蚀、电绝缘、阻燃性和
机械强度高等优异性能,广泛用于工农业及日常生活等各个领域,尤其是近年来建筑市场对PVC产品的巨大需求。在现代工业生产和人类生活中起着举足轻重的作用，因此PVC的生产和技术的改进越来越受到现代人的关注！
聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯单体（VCM）均聚或与其他多种单体共聚
而制得的合成树脂，聚氯乙烯再配以增塑剂、稳定剂、高分子改性剂、填料、偶联剂和加工助剂，经过提炼、塑化、成型加工成各种材料。本设计是以氯乙烯单体为原料，对年产能力为13000吨的PVC聚合工艺设计，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性质、用途，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13000吨。设计的主要内容有：1.产品及原材料说明；2.生产方案的比较与选择；3.物料衡算与热量衡算；4. 聚合釜计算；5.附属设备的设计及选型；5.经济效益分析。设计图纸包括1张工艺流程图；1张聚合釜装配图。
第1章 概述
1.1PVC概述及PVC发展状况、前景
聚氯乙烯是仅次于聚乙烯的第二大通用塑料[2]。自1997年以来，聚
氯乙烯的产量以3%/a速度递增。2001年，全球聚氯乙烯生产能力已达到3 313万t，消费水平比2000年略有增加，为2882万t[3]。2003年7月全球约有50个国家、150个厂家生产聚氯乙烯，这一数据还在不断攀升[4]。2005年全球产量达3130万吨，需求量达3117万吨。北美、欧洲(包括俄罗斯)和非洲、远东地区超过全球聚氯乙烯产量和需求量4/5，悬浮聚合法树脂占生产聚氯乙烯树脂90%以上，2006年世界聚氯乙烯产能3562万吨，实际产量3262万吨，产量的增长主要来自中国。2006年我国PVC产业保持快速发展的态势，全年产能1099万吨，实际产量864.1万吨，整体供求关系发生了较大的变化[5]。预计到2010年我国PVC树脂的需求量将达1100万吨，2020年将达到2160万吨。预计到2010年全球PVC的需求量将达到3490万吨，2020年将达到4600万吨[6]。
PVC由氯乙烯(VCM)聚合而成，工业生产一般采用4种聚合方式：悬浮
聚合、本体聚合、乳液聚合(禽微悬浮聚合)、溶液聚合。其中悬浮法PVC(SPVC)树脂产量最高，占80％，其次是乳液法PVC(EPVC)，本体法PVC(MPVC)。VCM悬浮聚合是以水为介质，加入VCM、分散剂、引发剂、pH值调节剂等，在搅拌和一定温度条件下进行聚合反应；VCM本体聚合仅在VCM和引发剂存在下进行，无分散剂、表面活性剂等助剂；VCM乳液聚合在VCM、引发剂、乳化剂、H2O以及其他助剂存在下进行{而VCM溶液聚合是在VCM、；引发刘和溶剂存在下进行，这种方法有溶剂回收和残留污染问题，并且生产成本高，该方法已逐渐被悬浮法聚合或乳液法聚合代。目前，生产PVC树脂主要采用悬浮法，少量采用乳液法及本体法。
聚氯乙烯自工业化问世至今，七十多年来仍处不衰之势，占目前塑料
消费总量的29％以上。到上世纪末，聚氯乙烯树脂大约以3％的速度增长。这首先是由于新技术革命不断发展，产品性能也得到不断改进，促进用途市场的拓宽；其次是制造原料来源广，制造工艺简单，产品质量好。在耐燃、透明性及耐化学药品性能方面均较其它塑料优异。从目前世界主要聚
氯乙烯生产国来说，一般耗用占其总量的20～30％。特别是60年代以来，由于石油化工的发展为聚氯乙烯工业提供廉价的乙烯资源，引起人们极大的注意，因而促进氯乙烯合成原料路线的转换和新制法以及聚合技术不断地更新，是聚氯乙烯工业获得迅速的发展。
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。
中国聚氯乙烯工业有着广阔的发展前景,中国地大物博、人口众多,为
聚氯乙烯产品提供了广大的市场。在进入21世纪以后,我们要学习和借鉴国外的先进技术和发展模式,结合我国的具体情况,发展我国的聚氯乙烯工业。我们要发挥全行业的力量,克服前进过程中的各种困难,一定能够在较短的时间内赶上世界聚氯乙烯工业的先进水平[3]
1.2 聚合工艺实践方法
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。
1.2.1本体法聚合生产工艺
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。
聚合分2步进行，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。
1.2.2乳液聚合生产工艺
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。
1.2.3悬浮聚合生产工艺
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。
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,特殊用途的专用树脂的开发越来越引起PVC厂家的关注,球形树脂、高表观密度建材专用树脂、消光树脂、超高(或超低)分子质量树脂等已成为开发的热点[7]。
本设计采用悬浮法PVC生产技术
1.3产品原料及说明
1.3.1产品性质及结构
PVC 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，在火焰上能燃烧并放出HCl，但离开火焰即自熄，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。
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。
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，其分子结构式如下：
分子式：2 —其中n为平均聚合度，一般为350—8000，分子量为30000——100000
1.3.2 产品性能
⑴ 典型的物理性质
外观﹕白色粉末 密度﹕ 1.35—1.45g/cm3 表观密度﹕0.4—0.65
g/cm3
比热容﹕1.045—1.463J/（g.℃） 热导率﹕2.1kW/（m.K） 颗粒大小﹕悬浮聚合60-150μm 本体聚合﹕30—80μm 糊树脂﹕0.1-2μm 掺混﹕20-80μm。
⑵ 热 性 能
无明显熔点 85℃以下呈玻璃态，85-175℃呈弹态，175-190℃为熔融状态，190-200℃属粘流态，软化点﹕75-85℃，加热到130℃以上时变成皮革状，同时分解变色，长期加热后分解脱出氯化氢。
⑶燃烧性能
PVC在火焰上能燃烧，并降解释放出HCl，CO和苯等低分子量化合物，离火自熄。
⑷电性能
PVC耐电击穿，它对于交流电和直流电的绝缘能力可与硬橡胶媲美，其介电性能与温度，增塑性，稳定性等因素有关。
⑸老化性能
较耐老化，但在光照（尤其光波长为270-310nm时）和氧化作用下会缓慢分解，释放出HCl，形成羰基，共轭双键而变色。
⑹化学稳定性
在酸，碱和盐类溶液中较稳定。
⑺耐溶剂性
除了芳烃（苯，二甲苯），苯胺，二甲基酰胺，四氢呋喃，含氯烃（二氯甲烷，四氯化碳，氯化烯）酮，酯类以外，对水，汽油和酒精均稳定。 ⑻机械性能 聚氯乙烯抗冲击强度较高，常温常压下可达10MPa。
⑻机械性能 聚氯乙烯抗冲击强度较高，常温常压下可达10MPa
1.3.3单体氯乙烯（VCM）的性质
⑴ 纯度 ﹕≥99.98%（wt） ⑵ HCL含量﹕≤ 1 ppm（wt） ⑶ 铁含量﹕≤ 1 ppm（wt） ⑷ 水含量﹕≤60 ppm（wt） ⑸ 醛含量﹕≤5.0 ppm（wt） ⑹ 压力为0.6MPa，温度为常温。 ⑺ VCM 主要性
氯乙烯分子式为C2H3Cl，分子量62.51，常温常压下为无色，带有甜香味气体，易燃易爆，遇到空气可形成燃烧爆炸，在空气中爆炸范围为4
－22%，有毒，性质活泼，能起加成反应和易起聚合反应。
沸点（0.1MPa）为-139℃，熔点为-159.7℃。
聚合放热量1554KJ/kg.m，聚合时的体积收缩率为35%。 导热系数﹕0.17956J/（㎡.S.K ）。
液体导热系数：（20℃）0.142J/（㎡.S.K）。[1]
表1-2 VCM物理性质
温度 ℃ 20 50 57 70
密度 kg/m3 837
表1-3 水的物理性质
温度 ℃
密度 kg/m3
比热容 KJ/(kg. ℃)
导热系 λ×102 w/(m.℃)
10 30 40 57
比热容 KJ/(kg. ℃) 1.352 1.53 1.57 1.63
粘度 ×105/Pa.s
普兰德数
Pr
999.7 995.7 992.2 986.6
4.191 4.174 4.174 4.175
57.45 61.76 63.38 65.13
130.77 80.07 65.60 49.3
9.52 4.32
1.4聚氯乙烯配方
表1-4 聚氯乙烯生产配方
原 料 名 称 氯乙烯 软水 聚乙烯醇 IPP（引发剂） 抗鱼眼剂
[3]
相对分子质量
62.50 18.02 206.19
摩 尔 比 1.0 6.9 1.21×10-3
质 量/kg 62.5 125.0 0.75 0.25
投 料 量/kg
100 200 1.2 0.4
防粘釜剂 丙酮缩氨基硫脲（终止剂）
由于用量较少，故可忽略不计
第2章 聚氯乙烯生产工艺流程设计
2.1 聚氯乙烯生产工艺流程简述
氯乙烯单体和软水、引发剂及其他助剂加入聚合釜中，升温发生聚合反应，反应结束后，将釜内悬浮液送到碱处理槽，未反应氯乙烯从碱处理槽排出，经泡沫捕集器送至气柜。将碱处理槽升温进行碱处理生成物，然后将生成物送至离心机进行脱水和冲洗。脱水后的生成物经螺旋输送机送至气流干燥器干燥，再经沸腾床干燥器干燥，干燥好的树脂经滚筒筛过筛，成品经计量包装送至仓库。
其主要操作流程如下：
（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，循环使用。被氯乙烯气体带出的少量树脂在泡沫捕集器捕集下来，流至沉降池中，作为次品处理。
（2）碱处理 聚合物悬浮液送碱处理槽，用浓度为36％～42％的NaOH溶液处理,加入量为悬浮液的0.05%～0.2%,用蒸汽直接加热至70～80℃,维持1.5～2.0h,然后用氮气进行吹气降温至65℃双下时,再送去过滤和洗涤。
碱处理的目的：破坏残存的引发剂、分散剂、低聚物和挥发性物质，使其变成能溶于热水的物质，便于水洗清除。
（3）树脂的干燥 聚氯乙烯树脂的干燥方法采用二段干燥法，即气流干燥器与沸腾床干燥器结合使用，其中气流干燥器脱除的是树脂上的表面非结合水，沸腾床干燥器脱除的是树脂内部结合水。
（4）脱水与成品 在卧式刮刀自动离心机或螺旋沉降式离心机中，先进行过滤，再用70～80℃热水洗涤二次。经脱水后的树脂具有一定含水量，经螺旋输送器送入气流干燥器，以140～150℃热风为载体进行第一段干燥，出口树脂含水量小于4%；以150~160℃热风吹送至旋风分离器组分离，树脂含水降至1%左右；再送入以120℃热风为载体的沸腾床干燥器中进行第二段干燥，得到含水量小于0.3%的聚氯乙烯树脂。再经筛分、包装后入库。
2.2 聚氯乙烯生产工艺流程图
图1-2 聚氯乙烯生产工艺流程
第3章 物料衡算
3.1 车间物料衡算
3.1.1主要工艺参数
①产品类型：选用疏松型。 ②聚合反应时间：5h ③聚合温度：57 OC ④操作周期：9h
3.1.2 生产任务的计算
年产13000吨聚氯乙烯，以300个工作日计，每年工作8000小时，假设各单元操作都连续进行，采用倒推法根据收率或损失率计算出原料投料，然后按单元操作顺序对各单元操作进行物料衡算。
聚氯乙烯小时生产量（8000h）计：13000×1000÷8000=1625(Kg/h) 产物气冷凝，精馏等回收率为95% 95%x=1625
x=1710.526(kg/h) 即每小时要 生产纯PVC 1710.526kg VCM转化率为90% 进入系统的VCM的量：
1710.526÷90%=1900.584(kg/h) 1900.584÷62.5=30.409(kmol/h) 年投料量
1900.584×8000=15204.672t
表2-1 乙烯悬浮聚合操作周期
3.1.3投入单体的计算
投入单体的计算：投料系数为0.80 、釡的体积为20m3、在57摄氏度时，ρ
VCM=837 kg/m
3
ρH2O= 986.6kg/m3 设每次投入单体的质量为
X 则 X/837+ 1.8X/986.6=20×0.80
以20m3釡为例，每次投入单体5299.4kg。因转化率为90%,则反应得到树脂G1=5299.4×90%=4769.5kg, 回收时损失的VCM为0.25%
则G2=4769.5×0.25%=11.9kg
放空时损失为0.51%，则G3=4769.5×0.51%=24.3kg 浆料损失为0.05%，则G4=4769.5×0.05%=2.4kg 汽提损失为0.1%，则G5=4769.5×0.1%=4.8kg 离心干燥损失为0.38%，则G6=4769.5×0.38%=18.1kg 精馏时损失为3.5%，则G7=4769.5×3.5%=167.0kg 包装时损失为0.21%，则G8=4769.5×0.21%=10.0kg
3.2 聚合釜的物料衡算 3.2.1釡数及投料系数的确定
因为每台釡年平均要工作8000小时，而每生产一次的周期为9小时，
年投料量（VCM）为15204.672吨，选择投料系数为0.8，先用70 m3的标准釡， VVCM=15204.672×1000/837=18165.68 m3
V水=1.8×15204.672×1000/986.6=27740.13 m3
所需要釡的台数为 (18165.68 +27740.13)/(70×0.8×(8000/9))= 0.92台，取整数为1台。
实际的投料系数计算： (18165.68 +27740.13)/(70×1×(8000/9))= 0.74
调整后的投料系数为0.74
每个釡所需的VCM的体积为： 18165.68/(1×(8000/9))=20.44 m3 每釡所需的水的体积为：27740.13/(1×(8000/9))=31.21 m3 根据表1-2原料的配方得
表3-2 原料配方
原料 重量，kg
VCM 17105
水 30789
引发剂 6.8
分散剂 13.6
其他助剂 适量
3.2.2 聚合釜的生产计算
以70 m3釡生产为例，
投料温度为57℃，单体20.44m3，水31.21m3， 投料体积20.44+31.21=51.65m3 ； 空余（气相）体积=70-51.65=18.35m3
第4章 热量衡算
4.1 聚合釜热量衡算 4.1.1 参数设定
QT——设备或系统内物料与外界交换热量之和(传入热量为正，传出热量为负），KJ；
Q1——由于物料温度变化，系统与外界交换的热量（升温为正，降温为负），KJ；
Q2——由于物料发生各种变化，系统与外界的交换的热量（吸热为正，放热为负），KJ；
Q3——由于设备温度改变，系统与外界交换的热量（设备升温为正，设备降温为负），KJ；
Q4——设备向外界环境散失的热量（操作温度高于环境温度为正，操作温度低于环境温度为负），KJ。
根据热量守恒定律，得 QT=Q1＋Q2＋Q3＋Q4 其中 Q1=WCdT
T1T2
Q2= W∆Hr∆x/M
Q3=ΣWi CPi ∆Tm
Q4=3.6×ΣAiαi (Ti－T0)×t
固体和液体热容可以采用柯普定律[5]计算 C(KJ/Kg.℃)=4.184×Ca×n/M 式中 Ca——基团的比热容，KJ/(Kg.℃) n——分子中同一元素的原子数 M——化合物的分子量， Kg/Kmol
单体的热容可以采用Missenard法基团贡献值[6]计算
表4-1 Missenard法基团贡献值
基团 贡献J/mol·K
—CH3 9.55
—— 5.7
—O— 7.0
—O 13.8
—10.2
则IPP的比热为：
C1=4.184×（9.55×4+5.7×2+7.0+13.8×2+10.2×2）/206.19=2.12 KJ/(Kg.℃) 经查有关资料知：
氯乙烯的比热为：C3=1.59KJ/(Kg.℃) 水的比热为：C4=4.18 KJ/(Kg.℃) 聚乙烯醇比热为：C5=1.67 KJ/(Kg.℃) 聚氯乙烯的比热为：C6=0.9675 KJ/(Kg.℃)
表4-2 物料比热表（KJ/(Kg.℃)）
物料种类 IPP 氯乙烯 水 聚乙烯醇 聚氯乙烯
比热KJ/(Kg.℃)
2.12 1.59 4.18 1.67 0.9675
氯乙烯的聚合热为：95.88KJ/mol=1534KJ/kg
4.1.2 混合热和搅拌热的考虑
由于溶质的量很少，混合热可忽略不计。
搅拌设备中的物料为低黏度流体，搅拌热也可忽略不计。
4.2 回流冷凝器热负荷的考虑
由于反应中严格控制反应温度恒定，冷凝器中的回流量极少，所以对冷凝器热负荷不予考虑。
4.3 物料带入聚合釜的热量
以0℃的一批物料为基准，设进料温度为20℃，则物料带入聚合釜的热量为：
Q1=2.12×6.8×20+1.59×17105×20+4.18×30789×20+1.67×13.6×20 =3.12×106KJ
4.4 聚合反应放出的热量
以一批物料为基准，则聚合反应放出的热量为： Q2=24.64×15394.734=3.793×105KJ
4.5 物料带出聚合釜的热量
以一批物料0℃为基准，物料流出的温度为60℃，则物料升温所需要的热量为：
Q3=
（2.12×6.8+0.9675×15394.734+4.18×30789+1.67×13.6+1.59×17105）×（60-0）=1.02×107KJ
4.6 反应过程需要加入的热量
根据热量衡算进入系统的热量=出系统的热量，则反应过程所需加入的热量为（设热损失为10%）：
∆Q=（Q3-Q2-Q1）/（1-10%）=（1.02×107-3.793×105-3.12×106）/90%=7.45×106kJ
4.7 加热水的用量:
根据式: Q=mCPΔT 得 m=Q/ CPΔT
热水进口温度为99℃,出口温度为60℃。水CP=4.22kJ/kg.K m=7.45×106/4.22×39 =4.53×104kg
4.8 冷却水的用量：
根据式: Q= mCPΔT 得 m=Q/ CPΔT
冷却水进口温度为29℃,出口温度为26℃。水CP=4.22kJ/kg.K m=3.793×105/4.22×3 =3.0×104kg
4.9传热面积
①最高热负荷Qmax Qmax=330GR/t
57℃时 T1/2(EHP)=2h 查表得热负荷分布指数 R=1.4 Qmax=330×52.5×1000×1.05×1.4/4.5=7835.7KW ②平均温差Δt
Δt=(47-17)/In(47/17)=30℃ ③总传热面积F
F=Q/KΔt=7.45×106/(200×30)= 1241.67m2
第 5 章 典型机器设备选型与论证
5.1机器设备选型的原则
5.1.1满足工艺要求
设备的选择和计算必须充分考虑工艺上的要求，力求做到技术上先进，经济上合理，亦即选用的设备能与生产规模相适应，并应获得最大的单位产量；能适应产品品种变化的要求，并确保产品的质量；能降低劳动强度，提高劳动生产率；能降低原材料及相应的公用工程（水，电，气）的单耗；能改善环境保护，设备制造较易，材料易得，操作及维修保养方便。
设备选择时，要能完全满足上述方面的条件是相当困难的，但一定要参照上述几个方面对拟采用个设备进行详尽地比较，并拿出最佳的方案来。
5.1.2设备成熟可靠
作为工业生产，不允许把不成熟或未经生产考验的设备用于设计。设计中所选用的设备不但技术性能要可靠，设备材质也要可靠。对从国外引进的设备，同样必须强调设备及其所采用材质的可靠性，特别对生产中的关键设备，一定要在充分调查研究和对比的基础上，作出科学的选定。
5.1.3尽量采用国内设备
在设备选型时应尽量采用国产设备，这样不仅可以节约外汇，而且可以促进我国机械制造工业的发展。当然根据条件和可能，引进少量进口装置或关键设备也是不要的，但同样必须坚持设备先进可靠，经济合理，并
应考虑在引进的基础上如何消化吸收以及仿制工作。
5.2聚合釜
聚合釜是PVC生产中的关键设备，聚合釜技术水平的提高保证了先进的生产工艺得以实现。在小型釜时期，其容量为十几立方，釜体的材质是搪瓷釜和不锈钢釜并存的，以釜壁光洁、粘釜较轻、造价低廉而优于不锈钢釜。其后不锈钢釜的抛光技术有所改进，粘釜问题在应用了涂布、高压水清釜技术后有所缓解，由于复合钢板造价低，易于加工，可向大型化发展，并具绝对优势。
现在国内运用广泛的的聚合釜主要是容积为70m3的聚合釜，该种聚合釜技术非常成熟，是不用釜顶冷凝器的最大的聚合釜，可控性高，生产强度大。
国产70m3聚合釜的技术特性见下表所示：
国产70m3聚合釜的结构特点如下：
（1）采用二层三叶后掠式搅拌器。该搅拌器的设计是经过搅拌冷模试验，运用搅拌放大技术进行的优化设计，从而保证了最佳的树脂产品质量(颗粒型态与粒径分布)和最低的能量消耗。
（2）良好的传热结构和传热能力为聚合釜可以达到高的生产强度提供了可靠的保证。
（3）搅拌传动系统置于釜体下部，采用底伸式搅拌轴，运行平稳，检修方便。
（4）轴封采用双端面机械密封，机封上部在釜内物料和上密封面之间设有连续注水通道，有效地隔离物料与密封面的接触，保证机封长期可靠运行。
（5）釜体内表面采用复合电解研磨抛光，表面粗糙度Ra
故根据本设计的要求，选择国产容积为70m3的聚合釜，由于其单台聚合釜的年生产能力能达2.0—2.5万吨，故选用两台聚合釜即可满足设计要
求。
5.3 汽提塔
选用穿流式（无溢流管）的筛板的汽提塔。这种处理浆料的筛板塔，采用无溢流管式大孔径筛板，筛孔直径选用20mm，筛板有效开孔率选用11%。为使浆料经处理后，残留单体降到400ppm以下，汽提塔内设置20块筛板保持板间距离300mm。为保证气液接触时筛板上泡沫高度的均匀，空塔气速在1m/s，筛板孔速10m/s，物料停留时间表4~8分钟。
5.4 混料槽
采用搅拌型式的混料槽，耙齿与压缩空气组合由于转速很低，底轴瓦内采用连续式注水结构。底部的出料小罐中，设置相对直径较大的平浆式搅拌叶，使搅拌速度达到较高值，以防止出料区因树脂沉积而堵塞。该混合槽的主要技术参数：
转 速： 8~12 r/min 电机功率： 7.5~10 kW
5.5 干燥器
干燥机械的选型要综合考虑一下因素： 1.工艺流程与设备简单，投资少。
2.生产能力连续化，干燥均匀，操作控制方便。 3.干燥速度快，能力大，很适合热敏感性的物料干燥。
4.气流干燥器是一根管线，聚氯乙烯生产的气流干燥速度，一般设计在14~21m/s之间，停留时间2秒左右。热风可高达160℃，热交换效率高。采用螺旋输送器将湿物料加入气流干燥管内。
聚氯乙烯树脂是一种热敏性的,粘性小的,多孔性的粉末状物料,其干燥过程可以看作是一种非结合水的干燥，即经历表面气化和内部扩散的不同控制阶段。为此在干燥过程中采用二级装置。根据工艺流程要求，本设计采用气流干燥器和沸腾床干燥器的二级装置。
（1）气流干燥器 气流干燥器主要是利用气流的瞬时干燥去除聚氯乙烯树脂的表面水分气，此为第一级干燥。这时干燥强度取决于引入的热量,通过加大风量和温度，使较高的湿含量能迅速的降低到临界湿含量附近的水平。其主要操作是将含水量为20%-25%的聚氯乙烯树脂湿料,经螺旋输送机送至第一级脉冲气流干燥器,树脂随热风吹上,进旋风分离器捕集,这时树脂含水量约为3%-5% 。
气流干燥器的特点是：干燥强度大，干燥时间极短，热效率高、设备简单、且处理量极大，产品质量均匀可靠。
（2）沸腾床干燥器 沸腾床干燥器主要是对上一级干燥所得树脂的内部水分进行干燥，使其扩散，此为第二级干燥。此时应以降低风速和延长时间为宜，使湿含量达到最终干燥的要求。其主要操作是通过料柱控制阀加入沸腾床干燥器,物料由第一室向最后一室逐渐推移。沸腾床内树脂被热风吹起,形成流化状态,溢流出口，再由文丘里加料吸入至冷风管冷却。经旋风除尘器捕集至滚筒筛和振动筛过筛,进行成品包装。
沸腾床干燥器的结构特点：进入各室的热空气温度、物料在沸腾床内的停留时间、进料的速度等可以调节；并且气流的压降损失低，这样不但易于操作，而且操作的稳定性好，常用来干燥粒径为0.02~4mm的物料。
5.6 离心机的选型
该工艺流程中使用有离心机，其主要用于树脂悬浮液的脱水。用于悬浮液分离的离心机主要根据以下两点选型：
（1）按产品要求选型
（2）按被分离悬浮液的性质、状态选型
由于该产品由悬浮聚合法生产而得，其产品颗粒大小为60~150μm。根据上述选型的原则，悬浮液中产品固体颗粒尺寸在100μm左右或更大时，沉降式或过滤式离心机均可使用，故在本次设计中选用螺旋沉降式离心机。
螺旋沉降式离心机的主要特点：分离效果好，能耗低，工作负荷轻，
工作可靠，寿命长，振动、噪声低。
参考文献
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[12] 刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册[M]. 北京：化学工业出版社，2002
13000t/年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计
摘 要
本设计是悬浮法生产聚氯乙烯（年产13000吨）的工艺初步设计。该设计包
括设计说明书和设计图纸两部分。设计说明书主要包括聚氯乙烯概述、制聚氯乙烯工艺方案的选择论证、在设计过程中，根据设计任务书的要求，进行了较为详细的物料衡算和热量衡算和聚合釜计算，对设备进行了工艺计算和选型，同时对整个装置进行了简单的技术经济评价。设计图纸则包括工艺流程图和聚合反应釜装配图。
关键词：聚氯乙烯，悬浮聚合工艺，干燥， 单体，生产工艺
Abstract
This design is the production of PVC suspension method (with an annual output of
13000 tons) preliminary design process. The design includes the design specification and design drawings of two parts.In the design manual, a brief introduction of PVC production status, development trends, performance, and the main purposes highlighted by suspension polymerization as the polymerization process production methods. In the design process, according to the requirements of the design task book to conduct a more detailed material balance and heat balance and the the polymerizer calculation process calculation and selection of equipment, a simple techno-economic evaluation of the entire device . Drawing of the design drawings, design drawings including process flow diagram of the polymerization reactor assembly drawing.
Keywords: PVC ,suspension polymerization process, dry, monomer ,production process
前 言 ................................................................................................ 1
第1章 概述 ...................................................................................... 2
1.1PVC概述及PVC发展状况、前景 .......................................... 2
1.2 聚合工艺实践方法 .............................................................. 3
1.2.1本体法聚合生产工艺 .................................................. 3
1.2.2乳液聚合生产工艺 ..................................................... 4
1.2.3悬浮聚合生产工艺 ..................................................... 4
1.3产品原料及说明 .................................................................... 5
1.4聚氯乙烯配方 ....................................................................... 7
第2章 聚氯乙烯生产工艺流程设计 ................................................ 9
2.1 聚氯乙烯生产工艺流程简述 ............................................... 9
2.2 聚氯乙烯生产工艺流程图................................................. 10
第3章 物料衡算 ............................................................................. 12
3.1 车间物料衡算 .................................................................... 12
3.1.1主要工艺参数 ........................................................... 12
3.1.2 生产任务的计算 ...................................................... 12
3.1.3投入单体的计算 ....................................................... 13
3.2 聚合釜的物料衡算 ............................................................. 13
3.2.2 聚合釜的生产计算................................................... 14
第4章 热量衡算 ............................................................................. 15
4.1 聚合釜热量衡算 ................................................................. 15
4.1.1 参数设定 ................................................................. 15
4.1.2 混合热和搅拌热的考虑 ........................................... 16
4.2 回流冷凝器热负荷的考虑................................................. 16
4.3 物料带入聚合釜的热量 .................................................... 16
4.4 聚合反应放出的热量 ........................................................ 17
4.5 物料带出聚合釜的热量 .................................................... 17
4.6 反应过程需要加入的热量................................................. 17
4.7 加热水的用量 .................................................................... 17
4.8 冷却水的用量 .................................................................... 17
4.9传热面积 ............................................................................. 18
第 5 章 典型机器设备选型与论证 ............................................ 19
5.1机器设备选型的原则 ......................................................... 19
5.1.1满足工艺要求 .......................................................... 19
5.1.2设备成熟可靠 .......................................................... 19
5.1.3尽量采用国内设备 .................................................. 19
5.2聚合釜................................................................................. 20
5.3 汽提塔 ................................................................................ 22
5.4 混料槽 ................................................................................ 22
5.5 干燥器 ................................................................................ 22
5.6 离心机的选型 .................................................................... 23
参考文献 .......................................................................................... 25
前 言
聚氯乙烯(PVC)是5大通用塑料之一,具有耐腐蚀、电绝缘、阻燃性和
机械强度高等优异性能,广泛用于工农业及日常生活等各个领域,尤其是近年来建筑市场对PVC产品的巨大需求。在现代工业生产和人类生活中起着举足轻重的作用，因此PVC的生产和技术的改进越来越受到现代人的关注！
聚氯乙烯（PVC）是由氯乙烯单体（VCM）均聚或与其他多种单体共聚
而制得的合成树脂，聚氯乙烯再配以增塑剂、稳定剂、高分子改性剂、填料、偶联剂和加工助剂，经过提炼、塑化、成型加工成各种材料。本设计是以氯乙烯单体为原料，对年产能力为13000吨的PVC聚合工艺设计，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性质、用途，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13000吨。设计的主要内容有：1.产品及原材料说明；2.生产方案的比较与选择；3.物料衡算与热量衡算；4. 聚合釜计算；5.附属设备的设计及选型；5.经济效益分析。设计图纸包括1张工艺流程图；1张聚合釜装配图。
第1章 概述
1.1PVC概述及PVC发展状况、前景
聚氯乙烯是仅次于聚乙烯的第二大通用塑料[2]。自1997年以来，聚
氯乙烯的产量以3%/a速度递增。2001年，全球聚氯乙烯生产能力已达到3 313万t，消费水平比2000年略有增加，为2882万t[3]。2003年7月全球约有50个国家、150个厂家生产聚氯乙烯，这一数据还在不断攀升[4]。2005年全球产量达3130万吨，需求量达3117万吨。北美、欧洲(包括俄罗斯)和非洲、远东地区超过全球聚氯乙烯产量和需求量4/5，悬浮聚合法树脂占生产聚氯乙烯树脂90%以上，2006年世界聚氯乙烯产能3562万吨，实际产量3262万吨，产量的增长主要来自中国。2006年我国PVC产业保持快速发展的态势，全年产能1099万吨，实际产量864.1万吨，整体供求关系发生了较大的变化[5]。预计到2010年我国PVC树脂的需求量将达1100万吨，2020年将达到2160万吨。预计到2010年全球PVC的需求量将达到3490万吨，2020年将达到4600万吨[6]。
PVC由氯乙烯(VCM)聚合而成，工业生产一般采用4种聚合方式：悬浮
聚合、本体聚合、乳液聚合(禽微悬浮聚合)、溶液聚合。其中悬浮法PVC(SPVC)树脂产量最高，占80％，其次是乳液法PVC(EPVC)，本体法PVC(MPVC)。VCM悬浮聚合是以水为介质，加入VCM、分散剂、引发剂、pH值调节剂等，在搅拌和一定温度条件下进行聚合反应；VCM本体聚合仅在VCM和引发剂存在下进行，无分散剂、表面活性剂等助剂；VCM乳液聚合在VCM、引发剂、乳化剂、H2O以及其他助剂存在下进行{而VCM溶液聚合是在VCM、；引发刘和溶剂存在下进行，这种方法有溶剂回收和残留污染问题，并且生产成本高，该方法已逐渐被悬浮法聚合或乳液法聚合代。目前，生产PVC树脂主要采用悬浮法，少量采用乳液法及本体法。
聚氯乙烯自工业化问世至今，七十多年来仍处不衰之势，占目前塑料
消费总量的29％以上。到上世纪末，聚氯乙烯树脂大约以3％的速度增长。这首先是由于新技术革命不断发展，产品性能也得到不断改进，促进用途市场的拓宽；其次是制造原料来源广，制造工艺简单，产品质量好。在耐燃、透明性及耐化学药品性能方面均较其它塑料优异。从目前世界主要聚
氯乙烯生产国来说，一般耗用占其总量的20～30％。特别是60年代以来，由于石油化工的发展为聚氯乙烯工业提供廉价的乙烯资源，引起人们极大的注意，因而促进氯乙烯合成原料路线的转换和新制法以及聚合技术不断地更新，是聚氯乙烯工业获得迅速的发展。
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。
中国聚氯乙烯工业有着广阔的发展前景,中国地大物博、人口众多,为
聚氯乙烯产品提供了广大的市场。在进入21世纪以后,我们要学习和借鉴国外的先进技术和发展模式,结合我国的具体情况,发展我国的聚氯乙烯工业。我们要发挥全行业的力量,克服前进过程中的各种困难,一定能够在较短的时间内赶上世界聚氯乙烯工业的先进水平[3]
1.2 聚合工艺实践方法
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。
1.2.1本体法聚合生产工艺
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。
聚合分2步进行，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。
1.2.2乳液聚合生产工艺
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。
1.2.3悬浮聚合生产工艺
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。
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,特殊用途的专用树脂的开发越来越引起PVC厂家的关注,球形树脂、高表观密度建材专用树脂、消光树脂、超高(或超低)分子质量树脂等已成为开发的热点[7]。
本设计采用悬浮法PVC生产技术
1.3产品原料及说明
1.3.1产品性质及结构
PVC 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，在火焰上能燃烧并放出HCl，但离开火焰即自熄，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。
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。
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，其分子结构式如下：
分子式：2 —其中n为平均聚合度，一般为350—8000，分子量为30000——100000
1.3.2 产品性能
⑴ 典型的物理性质
外观﹕白色粉末 密度﹕ 1.35—1.45g/cm3 表观密度﹕0.4—0.65
g/cm3
比热容﹕1.045—1.463J/（g.℃） 热导率﹕2.1kW/（m.K） 颗粒大小﹕悬浮聚合60-150μm 本体聚合﹕30—80μm 糊树脂﹕0.1-2μm 掺混﹕20-80μm。
⑵ 热 性 能
无明显熔点 85℃以下呈玻璃态，85-175℃呈弹态，175-190℃为熔融状态，190-200℃属粘流态，软化点﹕75-85℃，加热到130℃以上时变成皮革状，同时分解变色，长期加热后分解脱出氯化氢。
⑶燃烧性能
PVC在火焰上能燃烧，并降解释放出HCl，CO和苯等低分子量化合物，离火自熄。
⑷电性能
PVC耐电击穿，它对于交流电和直流电的绝缘能力可与硬橡胶媲美，其介电性能与温度，增塑性，稳定性等因素有关。
⑸老化性能
较耐老化，但在光照（尤其光波长为270-310nm时）和氧化作用下会缓慢分解，释放出HCl，形成羰基，共轭双键而变色。
⑹化学稳定性
在酸，碱和盐类溶液中较稳定。
⑺耐溶剂性
除了芳烃（苯，二甲苯），苯胺，二甲基酰胺，四氢呋喃，含氯烃（二氯甲烷，四氯化碳，氯化烯）酮，酯类以外，对水，汽油和酒精均稳定。 ⑻机械性能 聚氯乙烯抗冲击强度较高，常温常压下可达10MPa。
⑻机械性能 聚氯乙烯抗冲击强度较高，常温常压下可达10MPa
1.3.3单体氯乙烯（VCM）的性质
⑴ 纯度 ﹕≥99.98%（wt） ⑵ HCL含量﹕≤ 1 ppm（wt） ⑶ 铁含量﹕≤ 1 ppm（wt） ⑷ 水含量﹕≤60 ppm（wt） ⑸ 醛含量﹕≤5.0 ppm（wt） ⑹ 压力为0.6MPa，温度为常温。 ⑺ VCM 主要性
氯乙烯分子式为C2H3Cl，分子量62.51，常温常压下为无色，带有甜香味气体，易燃易爆，遇到空气可形成燃烧爆炸，在空气中爆炸范围为4
－22%，有毒，性质活泼，能起加成反应和易起聚合反应。
沸点（0.1MPa）为-139℃，熔点为-159.7℃。
聚合放热量1554KJ/kg.m，聚合时的体积收缩率为35%。 导热系数﹕0.17956J/（㎡.S.K ）。
液体导热系数：（20℃）0.142J/（㎡.S.K）。[1]
表1-2 VCM物理性质
温度 ℃ 20 50 57 70
密度 kg/m3 837
表1-3 水的物理性质
温度 ℃
密度 kg/m3
比热容 KJ/(kg. ℃)
导热系 λ×102 w/(m.℃)
10 30 40 57
比热容 KJ/(kg. ℃) 1.352 1.53 1.57 1.63
粘度 ×105/Pa.s
普兰德数
Pr
999.7 995.7 992.2 986.6
4.191 4.174 4.174 4.175
57.45 61.76 63.38 65.13
130.77 80.07 65.60 49.3
9.52 4.32
1.4聚氯乙烯配方
表1-4 聚氯乙烯生产配方
原 料 名 称 氯乙烯 软水 聚乙烯醇 IPP（引发剂） 抗鱼眼剂
[3]
相对分子质量
62.50 18.02 206.19
摩 尔 比 1.0 6.9 1.21×10-3
质 量/kg 62.5 125.0 0.75 0.25
投 料 量/kg
100 200 1.2 0.4
防粘釜剂 丙酮缩氨基硫脲（终止剂）
由于用量较少，故可忽略不计
第2章 聚氯乙烯生产工艺流程设计
2.1 聚氯乙烯生产工艺流程简述
氯乙烯单体和软水、引发剂及其他助剂加入聚合釜中，升温发生聚合反应，反应结束后，将釜内悬浮液送到碱处理槽，未反应氯乙烯从碱处理槽排出，经泡沫捕集器送至气柜。将碱处理槽升温进行碱处理生成物，然后将生成物送至离心机进行脱水和冲洗。脱水后的生成物经螺旋输送机送至气流干燥器干燥，再经沸腾床干燥器干燥，干燥好的树脂经滚筒筛过筛，成品经计量包装送至仓库。
其主要操作流程如下：
（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，循环使用。被氯乙烯气体带出的少量树脂在泡沫捕集器捕集下来，流至沉降池中，作为次品处理。
（2）碱处理 聚合物悬浮液送碱处理槽，用浓度为36％～42％的NaOH溶液处理,加入量为悬浮液的0.05%～0.2%,用蒸汽直接加热至70～80℃,维持1.5～2.0h,然后用氮气进行吹气降温至65℃双下时,再送去过滤和洗涤。
碱处理的目的：破坏残存的引发剂、分散剂、低聚物和挥发性物质，使其变成能溶于热水的物质，便于水洗清除。
（3）树脂的干燥 聚氯乙烯树脂的干燥方法采用二段干燥法，即气流干燥器与沸腾床干燥器结合使用，其中气流干燥器脱除的是树脂上的表面非结合水，沸腾床干燥器脱除的是树脂内部结合水。
（4）脱水与成品 在卧式刮刀自动离心机或螺旋沉降式离心机中，先进行过滤，再用70～80℃热水洗涤二次。经脱水后的树脂具有一定含水量，经螺旋输送器送入气流干燥器，以140～150℃热风为载体进行第一段干燥，出口树脂含水量小于4%；以150~160℃热风吹送至旋风分离器组分离，树脂含水降至1%左右；再送入以120℃热风为载体的沸腾床干燥器中进行第二段干燥，得到含水量小于0.3%的聚氯乙烯树脂。再经筛分、包装后入库。
2.2 聚氯乙烯生产工艺流程图
图1-2 聚氯乙烯生产工艺流程
第3章 物料衡算
3.1 车间物料衡算
3.1.1主要工艺参数
①产品类型：选用疏松型。 ②聚合反应时间：5h ③聚合温度：57 OC ④操作周期：9h
3.1.2 生产任务的计算
年产13000吨聚氯乙烯，以300个工作日计，每年工作8000小时，假设各单元操作都连续进行，采用倒推法根据收率或损失率计算出原料投料，然后按单元操作顺序对各单元操作进行物料衡算。
聚氯乙烯小时生产量（8000h）计：13000×1000÷8000=1625(Kg/h) 产物气冷凝，精馏等回收率为95% 95%x=1625
x=1710.526(kg/h) 即每小时要 生产纯PVC 1710.526kg VCM转化率为90% 进入系统的VCM的量：
1710.526÷90%=1900.584(kg/h) 1900.584÷62.5=30.409(kmol/h) 年投料量
1900.584×8000=15204.672t
表2-1 乙烯悬浮聚合操作周期
3.1.3投入单体的计算
投入单体的计算：投料系数为0.80 、釡的体积为20m3、在57摄氏度时，ρ
VCM=837 kg/m
3
ρH2O= 986.6kg/m3 设每次投入单体的质量为
X 则 X/837+ 1.8X/986.6=20×0.80
以20m3釡为例，每次投入单体5299.4kg。因转化率为90%,则反应得到树脂G1=5299.4×90%=4769.5kg, 回收时损失的VCM为0.25%
则G2=4769.5×0.25%=11.9kg
放空时损失为0.51%，则G3=4769.5×0.51%=24.3kg 浆料损失为0.05%，则G4=4769.5×0.05%=2.4kg 汽提损失为0.1%，则G5=4769.5×0.1%=4.8kg 离心干燥损失为0.38%，则G6=4769.5×0.38%=18.1kg 精馏时损失为3.5%，则G7=4769.5×3.5%=167.0kg 包装时损失为0.21%，则G8=4769.5×0.21%=10.0kg
3.2 聚合釜的物料衡算 3.2.1釡数及投料系数的确定
因为每台釡年平均要工作8000小时，而每生产一次的周期为9小时，
年投料量（VCM）为15204.672吨，选择投料系数为0.8，先用70 m3的标准釡， VVCM=15204.672×1000/837=18165.68 m3
V水=1.8×15204.672×1000/986.6=27740.13 m3
所需要釡的台数为 (18165.68 +27740.13)/(70×0.8×(8000/9))= 0.92台，取整数为1台。
实际的投料系数计算： (18165.68 +27740.13)/(70×1×(8000/9))= 0.74
调整后的投料系数为0.74
每个釡所需的VCM的体积为： 18165.68/(1×(8000/9))=20.44 m3 每釡所需的水的体积为：27740.13/(1×(8000/9))=31.21 m3 根据表1-2原料的配方得
表3-2 原料配方
原料 重量，kg
VCM 17105
水 30789
引发剂 6.8
分散剂 13.6
其他助剂 适量
3.2.2 聚合釜的生产计算
以70 m3釡生产为例，
投料温度为57℃，单体20.44m3，水31.21m3， 投料体积20.44+31.21=51.65m3 ； 空余（气相）体积=70-51.65=18.35m3
第4章 热量衡算
4.1 聚合釜热量衡算 4.1.1 参数设定
QT——设备或系统内物料与外界交换热量之和(传入热量为正，传出热量为负），KJ；
Q1——由于物料温度变化，系统与外界交换的热量（升温为正，降温为负），KJ；
Q2——由于物料发生各种变化，系统与外界的交换的热量（吸热为正，放热为负），KJ；
Q3——由于设备温度改变，系统与外界交换的热量（设备升温为正，设备降温为负），KJ；
Q4——设备向外界环境散失的热量（操作温度高于环境温度为正，操作温度低于环境温度为负），KJ。
根据热量守恒定律，得 QT=Q1＋Q2＋Q3＋Q4 其中 Q1=WCdT
T1T2
Q2= W∆Hr∆x/M
Q3=ΣWi CPi ∆Tm
Q4=3.6×ΣAiαi (Ti－T0)×t
固体和液体热容可以采用柯普定律[5]计算 C(KJ/Kg.℃)=4.184×Ca×n/M 式中 Ca——基团的比热容，KJ/(Kg.℃) n——分子中同一元素的原子数 M——化合物的分子量， Kg/Kmol
单体的热容可以采用Missenard法基团贡献值[6]计算
表4-1 Missenard法基团贡献值
基团 贡献J/mol·K
—CH3 9.55
—— 5.7
—O— 7.0
—O 13.8
—10.2
则IPP的比热为：
C1=4.184×（9.55×4+5.7×2+7.0+13.8×2+10.2×2）/206.19=2.12 KJ/(Kg.℃) 经查有关资料知：
氯乙烯的比热为：C3=1.59KJ/(Kg.℃) 水的比热为：C4=4.18 KJ/(Kg.℃) 聚乙烯醇比热为：C5=1.67 KJ/(Kg.℃) 聚氯乙烯的比热为：C6=0.9675 KJ/(Kg.℃)
表4-2 物料比热表（KJ/(Kg.℃)）
物料种类 IPP 氯乙烯 水 聚乙烯醇 聚氯乙烯
比热KJ/(Kg.℃)
2.12 1.59 4.18 1.67 0.9675
氯乙烯的聚合热为：95.88KJ/mol=1534KJ/kg
4.1.2 混合热和搅拌热的考虑
由于溶质的量很少，混合热可忽略不计。
搅拌设备中的物料为低黏度流体，搅拌热也可忽略不计。
4.2 回流冷凝器热负荷的考虑
由于反应中严格控制反应温度恒定，冷凝器中的回流量极少，所以对冷凝器热负荷不予考虑。
4.3 物料带入聚合釜的热量
以0℃的一批物料为基准，设进料温度为20℃，则物料带入聚合釜的热量为：
Q1=2.12×6.8×20+1.59×17105×20+4.18×30789×20+1.67×13.6×20 =3.12×106KJ
4.4 聚合反应放出的热量
以一批物料为基准，则聚合反应放出的热量为： Q2=24.64×15394.734=3.793×105KJ
4.5 物料带出聚合釜的热量
以一批物料0℃为基准，物料流出的温度为60℃，则物料升温所需要的热量为：
Q3=
（2.12×6.8+0.9675×15394.734+4.18×30789+1.67×13.6+1.59×17105）×（60-0）=1.02×107KJ
4.6 反应过程需要加入的热量
根据热量衡算进入系统的热量=出系统的热量，则反应过程所需加入的热量为（设热损失为10%）：
∆Q=（Q3-Q2-Q1）/（1-10%）=（1.02×107-3.793×105-3.12×106）/90%=7.45×106kJ
4.7 加热水的用量:
根据式: Q=mCPΔT 得 m=Q/ CPΔT
热水进口温度为99℃,出口温度为60℃。水CP=4.22kJ/kg.K m=7.45×106/4.22×39 =4.53×104kg
4.8 冷却水的用量：
根据式: Q= mCPΔT 得 m=Q/ CPΔT
冷却水进口温度为29℃,出口温度为26℃。水CP=4.22kJ/kg.K m=3.793×105/4.22×3 =3.0×104kg
4.9传热面积
①最高热负荷Qmax Qmax=330GR/t
57℃时 T1/2(EHP)=2h 查表得热负荷分布指数 R=1.4 Qmax=330×52.5×1000×1.05×1.4/4.5=7835.7KW ②平均温差Δt
Δt=(47-17)/In(47/17)=30℃ ③总传热面积F
F=Q/KΔt=7.45×106/(200×30)= 1241.67m2
第 5 章 典型机器设备选型与论证
5.1机器设备选型的原则
5.1.1满足工艺要求
设备的选择和计算必须充分考虑工艺上的要求，力求做到技术上先进，经济上合理，亦即选用的设备能与生产规模相适应，并应获得最大的单位产量；能适应产品品种变化的要求，并确保产品的质量；能降低劳动强度，提高劳动生产率；能降低原材料及相应的公用工程（水，电，气）的单耗；能改善环境保护，设备制造较易，材料易得，操作及维修保养方便。
设备选择时，要能完全满足上述方面的条件是相当困难的，但一定要参照上述几个方面对拟采用个设备进行详尽地比较，并拿出最佳的方案来。
5.1.2设备成熟可靠
作为工业生产，不允许把不成熟或未经生产考验的设备用于设计。设计中所选用的设备不但技术性能要可靠，设备材质也要可靠。对从国外引进的设备，同样必须强调设备及其所采用材质的可靠性，特别对生产中的关键设备，一定要在充分调查研究和对比的基础上，作出科学的选定。
5.1.3尽量采用国内设备
在设备选型时应尽量采用国产设备，这样不仅可以节约外汇，而且可以促进我国机械制造工业的发展。当然根据条件和可能，引进少量进口装置或关键设备也是不要的，但同样必须坚持设备先进可靠，经济合理，并
应考虑在引进的基础上如何消化吸收以及仿制工作。
5.2聚合釜
聚合釜是PVC生产中的关键设备，聚合釜技术水平的提高保证了先进的生产工艺得以实现。在小型釜时期，其容量为十几立方，釜体的材质是搪瓷釜和不锈钢釜并存的，以釜壁光洁、粘釜较轻、造价低廉而优于不锈钢釜。其后不锈钢釜的抛光技术有所改进，粘釜问题在应用了涂布、高压水清釜技术后有所缓解，由于复合钢板造价低，易于加工，可向大型化发展，并具绝对优势。
现在国内运用广泛的的聚合釜主要是容积为70m3的聚合釜，该种聚合釜技术非常成熟，是不用釜顶冷凝器的最大的聚合釜，可控性高，生产强度大。
国产70m3聚合釜的技术特性见下表所示：
国产70m3聚合釜的结构特点如下：
（1）采用二层三叶后掠式搅拌器。该搅拌器的设计是经过搅拌冷模试验，运用搅拌放大技术进行的优化设计，从而保证了最佳的树脂产品质量(颗粒型态与粒径分布)和最低的能量消耗。
（2）良好的传热结构和传热能力为聚合釜可以达到高的生产强度提供了可靠的保证。
（3）搅拌传动系统置于釜体下部，采用底伸式搅拌轴，运行平稳，检修方便。
（4）轴封采用双端面机械密封，机封上部在釜内物料和上密封面之间设有连续注水通道，有效地隔离物料与密封面的接触，保证机封长期可靠运行。
（5）釜体内表面采用复合电解研磨抛光，表面粗糙度Ra
故根据本设计的要求，选择国产容积为70m3的聚合釜，由于其单台聚合釜的年生产能力能达2.0—2.5万吨，故选用两台聚合釜即可满足设计要
求。
5.3 汽提塔
选用穿流式（无溢流管）的筛板的汽提塔。这种处理浆料的筛板塔，采用无溢流管式大孔径筛板，筛孔直径选用20mm，筛板有效开孔率选用11%。为使浆料经处理后，残留单体降到400ppm以下，汽提塔内设置20块筛板保持板间距离300mm。为保证气液接触时筛板上泡沫高度的均匀，空塔气速在1m/s，筛板孔速10m/s，物料停留时间表4~8分钟。
5.4 混料槽
采用搅拌型式的混料槽，耙齿与压缩空气组合由于转速很低，底轴瓦内采用连续式注水结构。底部的出料小罐中，设置相对直径较大的平浆式搅拌叶，使搅拌速度达到较高值，以防止出料区因树脂沉积而堵塞。该混合槽的主要技术参数：
转 速： 8~12 r/min 电机功率： 7.5~10 kW
5.5 干燥器
干燥机械的选型要综合考虑一下因素： 1.工艺流程与设备简单，投资少。
2.生产能力连续化，干燥均匀，操作控制方便。 3.干燥速度快，能力大，很适合热敏感性的物料干燥。
4.气流干燥器是一根管线，聚氯乙烯生产的气流干燥速度，一般设计在14~21m/s之间，停留时间2秒左右。热风可高达160℃，热交换效率高。采用螺旋输送器将湿物料加入气流干燥管内。
聚氯乙烯树脂是一种热敏性的,粘性小的,多孔性的粉末状物料,其干燥过程可以看作是一种非结合水的干燥，即经历表面气化和内部扩散的不同控制阶段。为此在干燥过程中采用二级装置。根据工艺流程要求，本设计采用气流干燥器和沸腾床干燥器的二级装置。
（1）气流干燥器 气流干燥器主要是利用气流的瞬时干燥去除聚氯乙烯树脂的表面水分气，此为第一级干燥。这时干燥强度取决于引入的热量,通过加大风量和温度，使较高的湿含量能迅速的降低到临界湿含量附近的水平。其主要操作是将含水量为20%-25%的聚氯乙烯树脂湿料,经螺旋输送机送至第一级脉冲气流干燥器,树脂随热风吹上,进旋风分离器捕集,这时树脂含水量约为3%-5% 。
气流干燥器的特点是：干燥强度大，干燥时间极短，热效率高、设备简单、且处理量极大，产品质量均匀可靠。
（2）沸腾床干燥器 沸腾床干燥器主要是对上一级干燥所得树脂的内部水分进行干燥，使其扩散，此为第二级干燥。此时应以降低风速和延长时间为宜，使湿含量达到最终干燥的要求。其主要操作是通过料柱控制阀加入沸腾床干燥器,物料由第一室向最后一室逐渐推移。沸腾床内树脂被热风吹起,形成流化状态,溢流出口，再由文丘里加料吸入至冷风管冷却。经旋风除尘器捕集至滚筒筛和振动筛过筛,进行成品包装。
沸腾床干燥器的结构特点：进入各室的热空气温度、物料在沸腾床内的停留时间、进料的速度等可以调节；并且气流的压降损失低，这样不但易于操作，而且操作的稳定性好，常用来干燥粒径为0.02~4mm的物料。
5.6 离心机的选型
该工艺流程中使用有离心机，其主要用于树脂悬浮液的脱水。用于悬浮液分离的离心机主要根据以下两点选型：
（1）按产品要求选型
（2）按被分离悬浮液的性质、状态选型
由于该产品由悬浮聚合法生产而得，其产品颗粒大小为60~150μm。根据上述选型的原则，悬浮液中产品固体颗粒尺寸在100μm左右或更大时，沉降式或过滤式离心机均可使用，故在本次设计中选用螺旋沉降式离心机。
螺旋沉降式离心机的主要特点：分离效果好，能耗低，工作负荷轻，
工作可靠，寿命长，振动、噪声低。
参考文献
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