1、毕 业 设 计（论 文）(冶金化工系)题 目 30wtPVC/a 氯乙烯合成工段设计 专 业 应用化工技术 班 级 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 2011 年 5 月 16 日2011 年 10 月 10 日济源职业技术学院毕业设计（论文）-I-目录摘 要 1第一章 绪 论 21.1 聚氯乙烯工业的发展概况 21.2 聚氯乙烯工业在国民经济中的作用 31.3 聚氯乙烯制品 31.4 市场预测 第二章 氯乙烯合成工段设计 52.1 氯乙烯合成方法选择 52.1.1 电石乙炔法 52.1.2 二氯乙烷法 52.1.3 乙烯氧氯化法 52.2 氯乙烯的性质 72.2.1 氯乙烯的物理性质 72
2、.2.2 氯乙烯的化学性质 92.2.3 世界各国对氯乙烯的允许浓度标准 92.3 生产原料 102.3.1 乙 炔 102.3.2 氯化氢 112.3.3 辅助材料 112.4 氯乙烯混合脱水和合成的原理 122.4.1 混合脱水的原理 122.4.2 合成反应原理 132.5 混合与合成工艺条件的确定 142.5.1 混合脱水条件的选择 142.5.2 氯乙烯合成条件的选择 142.6 电石法 VC 合成工段生产工艺的工序组成 152.6.1 混合脱水与合成生产工艺流程简述 152.6.2 合成生产控制指标 16济源职业技术学院毕业设计（论文）-II-第三章 工艺计算 173.1 物料衡算
3、 173.1.1 混合器进口气体物料衡算 173.1.2 第一段混合脱水石墨冷却器物料衡算 183.1.3 第二段混合脱水石墨冷却器物料衡算 193.1.4 酸雾过滤器物量衡算 193.1.5 转化器物量衡算 203.2 热量衡算 203.2.1 第一段混合脱水石墨冷却器热量衡算 203.2.2 第二段混合脱水石墨冷却器热量衡算 213.2.3 预热器热量衡算 213.2.4 机前预冷器（总）物料热量横算 22第四章 主要设备选型 244.1 石墨冷却器 244.2 转化器的设计 244.3 主要设备一览表 26附 录 一 28附 录 二 29致 谢 30参考文献 31济源职业技术学院毕业设计
4、（论文）-1-摘 要本设计是年产 30 万吨聚氯乙烯的氯乙烯合成工段的初步工艺设计。简单介绍了氯乙烯的性质和主要用途，产品的生产和消费状况，以及其市场预测。阐述了氯乙烯在生产生活中的显著作用和重要地位。原料的组成和性质及其生产工艺流程。根据有关资料及有关文献，在生产工艺确定的基础上进行了物料衡算，热量衡算及设备选型。关键词：合成 聚氯乙烯 氯乙烯 济源职业技术学院毕业设计（论文）-2-第一章 绪 论1.1 聚氯乙烯工业的发展概况20 世纪的 30 年代 50 年代是塑料工业迅速发展的时期。在此期间有许多合成塑料如聚氯乙烯、聚苯乙烯等形成工业化。自 1835 年法国化学家 V.Regnault
5、首先发现了氯乙烯，于 1838 年他又观察到聚合体，这就是最早的聚氯乙烯。1872 年包曼(Baumann)报导了氯乙烯的制备，并观察到在强烈阳光照射后，氯乙烯逐渐变成一种无定形的白色固体物。经历数十年直到 1910 年德国与美国研究了氯乙烯在紫外线和过氧化物存在下的聚合反应。1910 年，Ostromislensky 在进行氯乙烯研究时，也获得氯乙烯聚合物，称之为 Cauprene chloride。1920 年，德国研究聚氯乙烯已相当活跃，这时美国联碳化学公司与杜邦公司对氯乙烯聚合物的制备发表了专利。这标志着氯乙烯及其聚合物的制造已进入实用技术阶段。1920 年，在美国的柏寨森 (BURG
6、HAUSAN)的瓦克(WACKER)公司制取聚醋酸乙烯，用它与氯乙烯共聚制得一种新材料。该材料易加工，且不再发生分解因它具有内增塑性，可用作涂料和硬模塑制品，开辟了以内增塑的办法解决了聚氯乙烯的加工。另一方面也为聚氯乙烯从共聚改性作出了开拓性的工作。对聚氯乙烯发展起到积极的推动作用。又于 1932 年发现聚氯乙烯的低分子增塑剂。英国帝国化学公司于 1937 年采用高沸点液体如磷酸酯类增塑聚氯乙烯，得到了类似橡胶的物质，从而第一次打破了传统的橡胶市场，成为橡胶材料的代用品。 德国法本公司于 1932 年采取乳液聚合法生产聚氯乙烯，定名为“伊奇利特”(Igelit)，以后于 1933 年美国碳化物
7、和碳化学公司系统的“贝克菜特”(BAKBLITE)公司等用溶液聚合法建立了小型工厂，商品定名为“维尼”利特(ViNYILITE)。 1聚氯乙烯自工业化问世至今，六十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不断采用，产品性能亦不断地得到改进，品种及牌号的增加，促进用途及市场的拓宽。其次是制造原料来源广、制造工艺简单。产品质量好。在耐燃性、透明性及耐化学药品性能方面均较其它塑料优异。又它是氯碱行业耗济源职业技术学院毕业设计（论文）-3-“氯”的大户，对氯碱平衡起着举足轻重的作用。从目前世界主要聚氯乙烯生产国来说：一般耗
8、用量占其总量的 2030%。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，引起了人们极大的注意，因而促使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，使聚氯乙烯工业获得迅猛的发展。从上述期间可看出聚氯乙烯树脂在主要生产国的产量与消费量均有近 2%的增长率，而在其余国家和地区均略高于 3%。1.2 聚氯乙烯工业在国民经济中的作用聚氯乙烯在常温下为白色粉末，比重为 1.3921.4 不溶于水，汽油，酒精，氯乙烯，可溶于酮类和氯烃类溶剂，无毒无臭。具有很高的化学稳定性和良好的介电性能。合成树脂是塑料工业的基本原料，在一定条件下塑制成一定形状的材料，在常温下它
9、的形状不变，是材料工业的重要组成部分。作为热塑性塑料的原料之一的聚氯乙烯树脂，在世界各国合成树脂的生产、品种及消费上均处领先地位。我国也是如此，聚氯乙烯塑料制品居于各树脂及加工制品之主。这主要由于以下原因：（1） 聚氯乙烯材料制品性能优良。有独特的使用功能。（2） 基础原料资源广，为聚氯乙烯树脂生产发展奠定了物质基础。（3） 以聚氯乙烯制取的合成材料可代替钢铁和木材使用，而且节能显著，每生产立方米。通用塑料，其能耗为 148.6 千焦，而生产 1 立方米钢材能耗为 356.710 千焦。（4） 用于农业生产，如地膜、大棚等，为农业生产提供保障。（5） 聚氯乙烯塑料不仅在建筑、农业及包装工业上有
10、着广泛的用途，在电子器件、交通运输、机械和人民生活等各方面，也均得到重用。1.3 聚氯乙烯制品聚氯乙烯作为世界五大通用塑料之一，今年发展非常迅速，由于它综合性能优异，广泛应用于农业、工业、国防、人类日常生活等许多领域。当前高速发展的建筑行业的旺盛需求，也推动着中国聚氯乙烯产业的蓬勃发展。当今世济源职业技术学院毕业设计（论文）-4-界上，还没有一个地区或国家的聚氯乙烯产业，有像中国今天这样拥有一个广阔的应用市场和高速发展态势的局面展现于世人面前。原料和能源圆满解决之际，将是迎来巨头争霸之时。届时中国的聚氯乙烯无论是产量还是市场消费都会跃居世界第一位，中国的聚氯乙烯有着璀璨的前景。聚氯乙烯树脂广泛
11、地用于塑料加工行业，建材，轻工等行业。可用来加工成金属线包皮，薄片，板材，软管，管道配件，皮革，软质制品和玩具，也可用来加工成食品包装膜，包装盒，食品机药物装瓶，以及硬管，透明片，型木等。1.4 市场预测在东欧乌克兰将投产 30 万吨聚氯乙烯产能，产量着重的满足国内及周边的需求，特别是针对俄罗斯的需求。俄罗斯本身也有 33 万吨的聚氯乙烯的装置，将在 2013 年投产，产量也是满足其本国的市场。除此以外在南美，巴西将在2012 年投产 21 万吨的聚氯乙烯产能。在金砖四国里面，印度相对来说是比较突出的一个国家，因为在四个国家里面，是唯一一个在目前没有显著新建产能计划的，这主要是跟印度本身的投资
12、环境、能源价格以及地理位置有关。这些因素决定了本地的聚氯乙烯市场将长期、继续、部分的依赖进口的货源。随着我国国民经济的持续高速发展以及建筑业等对聚氯乙烯消费的强劲拉动，我国聚氯乙烯的生产能力增长很快。在中国的聚氯乙烯出口中，电石法是占到了很大的数量。2005 年我国聚氯乙烯的生产能力只有 877.2 万吨/年，2008 年生产能力增加到 1581 万吨/年，成为世界第一大聚氯乙烯生产国。截至2009 年 10 月底，我国聚氯乙烯的生产能力达到约 1700 万吨/年。其中天津大沽化工股份有限公司是目前我国最大的聚氯乙烯生产厂家，生产能力为 70 万吨/年，约占我国聚氯乙烯总生产能力的 4.2%；
13、其次是中国石化齐鲁石油化工股份有限公司，生产能力为 60 万吨/年，约占国内总生产能力的 3.5%。预计到2012 年，我国聚氯乙烯的总产能将超过 2400 万吨/年。济源职业技术学院毕业设计（论文）-5-第二章 氯乙烯合成工段设计2.1 氯乙烯合成方法选择氯乙烯是一种非常重要的化工原材料,主要用来制备聚氯乙烯( 简称 PVC)树脂,也用于制备偏二氯乙烯、冷冻剂等 。全世界 9 % 的氯乙烯单体都用于生产聚氯乙烯, 我国目前没有专门的氯乙烯生产企业, 所有的氯乙烯装置均与聚氯乙烯装置配套建设, 完全一体化。氯乙烯的生产工艺经历了多年的工业生产和工艺改造后, 形成了 3 种主要的生产工艺: 电石
14、乙炔法、二氯乙烷法和乙烯氧氯化法。2.1.1 电石乙炔法电石乙炔法是最早的氯乙烯生产方法。它主要利用乙炔和氯化氢为原料,用氧化汞做催化剂进行加成反应,生成氯乙烯。 CHllCH2其优点是工艺成熟、简单, 设备投资低, 但由于采用电石作为原料, 需要消耗大量电能, 使氯乙烯成本上升,反应中所用的催化剂对环境的污染严重。电石乙炔法在世界上已基本被淘汰, 但这是我国目前主要的氯乙烯生产方法。2.1.2 二氯乙烷法二氯乙烷法是以乙烯为原料与氯气反应生成二氯乙烷( E D C) , 然后由二氯乙烷热裂化制备氯乙烯的方法。该法的副产物是 H CI , 如果不加以利用,生产成太高。与电石乙炔法联合起来可以解
15、决 H CI 问题。但这种方法既不能完全向石油天然气化工方向转化,又不能完全摆脱电石乙炔法, 所以没有发展前途。2.1.3 乙烯氧氯化法氧氯化法是对利用氯化氢合成有机物的这一类反应的总称。乙烯氧氯化法的化学反应方程式为:；ClHClH222 HCll22济源职业技术学院毕业设计（论文）-6-这种方法是目前缺少氯气的地区采用的方法。这 3 种氯乙烯生产工艺中, 除了第一种生产工艺走的是电石路线外,后三种生产工艺均属于石油路线( 即以石油或石油产品为原材料生产氯乙烯) 。目前在我国, 除齐鲁石化、上海氯碱总厂、北京化工二厂和天津大沽化工厂四家较大的聚乙烯生产企业采用了以乙烯为原料的平衡氧氯化法,天
16、津乐金公司直接以进口的氯乙烯为原料外, 其余厂家均是电石乙炔法, 乙炔法生产氯乙烯占氯乙烯总生产能力的 63.4 % 。电石路线由于存在耗电量大, 成本高以及环境污染严重等问题, 正在被世界各国所淘汰，而石油路线则由于成本低、质量高、污染小、易于大规模生产等优点, 成为目前世界上比较通用的生产工艺。但是, 随着石油资源的日益枯竭以及氯乙烯的需求不断增加, 必须有新的氯乙烯生产工艺的诞生。石油和天然气通常是相伴而生, 在石油和天然气当中,石油的应用非常广泛, 而天然气虽然有极丰富的贮藏量, 但其在化学工业上的应用还远远赶不上石油。如何使天然气替代或部分替代石油在国民经济中的作用, 是人们一直关注
17、的课题。尤其是随，着石油资源的日益减少和天然气资源的大量发现,天然气的转化和利用越来越受到人们的重视。在这种情况下, 很自然想到用天然气、油田气中的乙烷来取代石油中的乙烯, 用于氯乙烯的生产。因此,电石法PVC 在国内还可以生存相当长时间。目前,从国内十大 PVC 生产商的工艺和原料路线的现状分析,我国 PVC 生产中乙烯法、电石法和 EDC/ VCM 法基本各占 1/ 3 ,呈现三足鼎立之势,是世界各大 PVC 生产国中仅有的兼有乙烯法、电石法、EDC/ VCM 法 3 种装置共存的国家。电石法 PVC 在中国能够生存是有其深刻的历史和现实原因的。由于目前中国 PVC 生产的原料路线、资源分
18、布和环境要求的不同,尤其是电石法 PVC 的工艺技术已十分成熟,资源有保证。近几年以来,随着国际局势的紧张,国际原油、天然气价格暴涨,导致了以乙烯工艺路线的 PVC 成本增加, 从而突显了我国电石法 PVC 的成本优势。于是国内再度掀起了电石法 PVC 的投资与装置改扩建的热潮。在目前电石法 PVC 利润空间比较大的时候, 新建装置一定要防止低水平的重复建设,要广泛吸收同行业的先进技术和经验,真正做到高起点、高水平。 济源职业技术学院毕业设计（论文）-7-2.2 氯乙烯的性质2.2.1 氯乙烯的物理性质(1)化学式：C 2H3Cl；结构简式：CH 2=CHCl；式量：62.5。 常温常压下，是
19、无色、微溶于水、具有麻醉性的芳香气味的气体。冷凝点：-13.9；凝固点：-159.7。液体氯乙烯的密度比水轻。如下表 2-1、2-2 为氯乙烯不同压力下的沸点、不同温度下的潜热等。表 2-1 氯乙烯在不同压力下的沸点atm 0 1 2 3 4 5压力（表压) kPa 0 101.325 202.650 303.975 405.300 506.625沸点/ -13.9 5.53 16.2 25.7 33.5 39.7表 2-2 不同温度下氯乙烯的潜热温度/ 潜热/(J/g) 温度/ 潜热/(J/g)-20 358.8 20 335.8-10 352.1 30 328.70 347.5 40 320.710 342.1 50 311.5表 2-3 氯乙烯蒸气压力和温度的关系温度/ 压力/105Pa 温度/ 压力/105Pa-28.37 0.527 16.21 3.010-23.02 0.684 25.72 4.035-16.61 0.903 33.53 5.051-13.61 1.023 39.72 5.998-8.32 1.265 46.80 6.044-1.57 1.633 54.87 8.9004.01 1.987 60.34 10.1125.53 2.109表 2-4 不同温度下氯乙烯的密度
