1、材料科学与工程学院毕业设计专业 材料科学与工程 设计 题 目 年产 10 万吨聚氯乙烯生产工艺设计方案 2设计总说明聚氯乙烯（PVC）是一种热塑性合成树脂，有优良的电绝缘性，难以自燃，主要用于生产透明薄膜、塑料管件、各类板材等。其再加工产品在全球不同领域都有着非常广泛的应用。根据设计任务书，本设计进行了年产 10 万吨聚氯乙烯（PVC）工艺的设计。在查阅、参考大量文献以及对以往部分车间设计的研究学习下，进行了科学的设计以及对相关物料的衡算。本设计计划采用悬浮聚合法生产聚氯乙烯，原料为氯乙烯单体以及混合用有机过氧化物和偶氮类引发剂、明胶分散剂和去离子水。结合所选择的生产工艺方案和产品生产实际情况
2、，进行了有关物料和热量平衡的计算。安排每日三班次，每班 8 小时的生产强度，设计可达到日产 303 吨年产达 10 万吨的聚氯乙烯生产车间。本设计也充分考虑到工作人员的工作环境以及工作安全性，尽可能将车间规划为安全的，绿色的，在工作人员遵守车间操作规程的情况下，工作更加安全高效。本设计由许春华副教授指导，在反应确定、生产流程安排等整个设计过程中提出了许多宝贵意见，使得设计能更高效地完成，在此学生表示衷心感谢。鉴于知识和实际经验所限，设计难免存在欠缺，恳请批阅老师批评指正。3目录1 总论 .21.1 概述 .21.1.1 聚氯乙烯（PVC）概述与应用范围 .21.1.2 聚氯乙烯（PVC）改性品
3、种 .21.1.3 聚氯乙烯（PVC）生产行业现状及发展前景 .21.2 聚氯乙烯（PVC）产品的分类和命名 .21.2.1 聚氯乙稀（PVC）产品分类 .21.2.2 聚氯乙稀（PVC）产品命名 .21.3 聚氯乙烯（PVC）生产方法 5 .21.3.1 悬浮聚合法 6 .21.3.2 乳液聚合法 .21.3.3 本体聚合法 .21.3.4 溶液聚合法 .21.4 设计规模原料选择与产品规格 .21.4.1 设计规模 .21.4.2 主要原料规格及技术指标 .21.4.3 产品规格 .22 工艺设计与计算 .22.1 工艺原理 .22.2 工艺条件影响因素 .22.2.1 聚氯乙烯（PVC）
4、聚合主 要 影 响 因 素 .22.3 工艺路线选择 .22.3.1 工艺路线选择原则 .22.3.2 悬浮法聚氯乙烯（PVC）工艺流程具体工艺路线 .22.3.3 工艺流程示意图 .22.4 工艺配方与工艺参数 .22.4.1 工艺配方（质量份）： .22.4.2 工艺参数： .22.5 物料衡算 .22.5.2 物料衡算的方法与步骤 .22.5.3 物料衡算 .242.6 热量衡算 .22.6.1 热量衡算的意义和作用 .22.6.2 热量衡算 .23 设备选型 .23.1 选型原则 .23.2 关键设备选择与计算 .23.2.2 传热元件计算 .23.2.3 搅拌器的选择 .23.3 关
5、键设备选用 .23.4 其它设备选择 .23.5 关键设备一览表 .24 车间布置设计 .24.1 车间设备布置原则 .24.2 车间设备平面布置原则 .24.3 车间设备立面布置原则 .24.4 车间操作人员安排 .24.5 车间平面布局图 .25 非工艺设计 .25.1 环境保护 .25.2 公用工程 .25.2.1 供水 .25.2.2 供电 .25.2.3 供暖 .25.2.4 通风 .2致谢2参考文献211 总论1.1 概述1.1.1 聚氯乙烯（PVC）概述与应用范围聚氯乙烯简称 PVC，是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂，是氯乙烯的均聚物。氯乙烯均（OVC ）聚物和氯乙烯
6、（PVC）共聚物统称为氯乙烯树脂。聚氯乙烯（PVC）为无定形结构的白色粉末，支化度较小。工业生产的聚氯乙烯（PVC）分子量一般在 5 万12 万范围内，具有较大的多分散性，分子量随聚合温度的降低而增加；聚氯乙烯（PVC）无固定熔点，8085时开始软化，130时转变为粘弹态，160180时则开始转变为粘流态。聚氯乙烯（PVC）有较好的机械性能，抗张强度 60MPa 左右，冲击强度 510kJ/m2，有优异的介电性能但对光和热的稳定性差，在 100以上或经长时间阳光曝晒，就会分解而产生氯化氢并进一步自动催化分解，引起变色其物理机械性能也迅速下降，在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性。聚
7、氯乙烯（PVC）非常坚硬，溶解性也很差，只能溶于环己酮、二氯乙烷和四氢呋喃等少数溶剂中，对有机和无机酸、碱、盐均稳定，化学稳定性随使用温度的升高而降低。聚氯乙烯（PVC）溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮苯混合溶剂中可用于干法纺丝或湿法纺丝而成纤维，称氯纶。另外，聚氯乙烯（PVC）具有难燃、耐酸碱、抗微生物、耐磨并具有较好的保暖性和弹性。聚氯乙烯（PVC）可通过模压成型、层合成型、注塑成型、挤塑成型、压延成型、吹塑中空成型等方法进行加工，所以聚氯乙烯（PVC）制品广泛用工业、农业、建筑业、电子电气、交通运输、电力、电讯通信业、包装业等各个领域。聚氯乙烯（PVC）的硬质制品甚至可代替金属制成各种工业行材
8、，如门窗、管道、阀门绝缘板和防腐材料等，也可用做收音机、电话、电视机、蓄电池等外壳或家具、玩具等。聚氯乙烯（PVC）轻质品则可制成薄膜，加工制作雨披、桌布、包装材料、农膜等，其再加工产品可以制成人造革、电线、电缆等的绝缘层 1。21.1.2 聚氯乙烯（PVC）改性品种聚氯乙烯（PVC）性脆，热稳定性差，不易加工。为了改善其性能，增加品种，可进行改性，改性的品种有氯乙烯共聚物、聚氯乙烯共混物和氯化聚氯乙烯等。2(1) 氯乙烯共聚物氯乙烯可以和乙烯、丙烯、醋酸乙烯酯、偏二氯乙烯、丙烯腈和丙烯酸酯类等单体共聚，共聚物的产量占聚氯乙烯总产量的 25%以下。(A) 氯乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物采用悬浮共
9、聚法，一般生产醋酸乙烯酯含量 3%5%和 13%15%的两个品级，可用于制造塑料地板、涂料、薄膜、压塑制品、唱片及短纤维等。(B) 氯乙烯 - 偏二氯乙烯共聚物美国陶氏化学公司在 30 年代就研制成功了偏二氯乙烯含量在 50%以上的氯乙烯共聚物，商品名莎纶 B(Saran B)这种共聚物耐老化，耐臭氧，机械性能好，能溶于四氢呋喃、环己酮及氯苯等有机溶剂，溶液具有较好的粘合性与成膜性。用这种共聚物制得的薄膜无毒、透明，具有极低的透气性与透湿性，是极好的食品包装材料。这种共聚物也是一种优良的防腐蚀材料。由其制造的纤维称偏氯纶，可做渔网、座垫编织物和化工滤布等。(C) 丙烯 - 氯乙烯或乙烯氯乙烯共
10、聚物丙烯含量约 10%的共聚物，用于吹塑成型和注射成型等。与氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物相比，加工温度较低、且与热分解温度间隔大，熔体流动性好，无毒，透明。乙烯-氯乙烯共聚物，也是用悬浮法在 75和压力 1.296MPa 下共聚而成，乙烯含量为 4%43%，具有高耐冲击性，高透明度和优良的加工性能，无毒，可制透明度高的薄膜、容器等。3(D) 氯乙烯接枝共聚物以乙烯醋酸乙烯酯树脂为基材的氯乙烯接枝共聚物，具有优良的耐冲击性、耐气候性和耐热性，适于作室外用建筑材料。用聚丙烯酸酯与氯乙烯的接枝共聚物。在西欧，接枝共聚物已有逐步取代相应的共混物的趋势。(2) 聚氯乙烯共混物聚氯乙烯板材用其他树脂与 PVC
11、 共混，是一种能多方面改进 PVC 性能的好方法。用机械共混法使 PVC 与乙烯-醋酸乙烯酯树脂共混，能起到长效的增塑作用，改善冲击强度、耐寒性及加工性。聚氯乙烯与丁腈橡胶，氯化聚乙烯或 ABS树脂共混，也可以显著改善韧性，耐寒性和加工性。与甲基丙烯酸甲酯丁二烯苯乙烯共聚物（见聚苯乙烯）的共混物，不仅冲击强度高，而且可以得到透明制品。聚氯乙烯共混物的研究与生产，品种不断增加，使用范围不断扩大。(3) 氯化聚氯乙烯 聚氯乙烯（PVC）经氯化而得的一种热塑性树脂，由溶液氯化法制得的，俗称过氯乙烯，简称 CPVC，含氯量 6168%，氢原子没有全部被氯取代。白色或淡黄紫色粉末，溶解性比聚氯乙烯好，能
12、溶于丙酮、氯苯、二氯乙烷和四氯乙烷，耐热性比聚氯乙烯高 2040，耐寒性比聚氯乙烯约低 25，不易燃烧，耐气候、耐化学药品及耐水性均优，可以用挤出法生产管材,主要作热水上水管使用。氯化聚氯乙烯的溶液有良好的粘合性、成膜性和成纤性，可用于胶粘剂、清漆和纺丝。胶粘剂主要用于粘接聚氯乙烯（PVC）板及其制品。清漆的漆膜能耐腐蚀、柔软、耐磨且剥离强度高，用它纺成的丝称过氯纶，对酸、碱、盐皆稳定，适于作耐化学腐蚀的滤布、工作服、筛网、渔网和运输带等。其生产方法有两种：（A） 溶液氯化法将4聚氯乙烯溶于氯苯或四氯乙烷，在衬铝或搪瓷的反应釜中，于光或自由基引发下，搅拌并通入氯气，在 70下氯化，氯化过的氯化
13、聚氯乙烯溶液经水析、水洗、过滤、干燥即得白色絮状颗粒成品。此法操作和设备均较简单，但氯化时间较长。（B） 悬浮氯化法将聚氯乙烯（PVC）悬浮于含二氯甲烷膨润剂的水或稀盐酸溶液中，在加压釜内通入氯气，于 60下氯化，产物用乙醇沉淀出来。此法氯化时间短，但操作不易掌握，设备要求高，工业上较少采用。加工可分为各组分的混合、塑化及成型加工三个步骤。树脂与按配方添加的各种助剂配合时，可用捏和机或高速搅拌混合机均匀混合，再经挤出机塑化、切粒，即得到塑化好的粒料。这种粒料可以贮存待用或出售。粒料经挤出、吹塑、压延或注射成型加工为各种制品，也可以直接用混好的粉料（也称干混料）进行硬制品的加工。1.1.3 聚氯
14、乙烯（PVC）生产行业现状及发展前景聚氯乙烯（PVC）广泛应用于工业、农业、建筑业、交通运输业、电力电讯、包装业等各个领域。2010 年我国聚氯乙烯（PVC）生产能力约为 1200 万吨，产量为 1100 万吨，净进口量达近 200 万吨，消费年增长率在 10.5左右。随着节水灌溉政策、建筑用化学建材、包装业、电子电气业、汽车业等下游行业对聚氯乙烯（PVC）的需求急速增长，未来几年我国对聚氯乙烯（PVC）(PVC) 的需求依然会保持较高的增长速度。2011 年全球 PVC 消费量约为 3500 万吨，预计到 2015 年我国聚氯乙烯（PVC）树脂的需求量将达到近 1500 万吨，2020 年将
15、达到 2160 万吨。1.2 聚氯乙烯（PVC）产品的分类和命名1.2.1 聚氯乙稀（PVC）产品分类根据 生 产 方 法 的 不 同 ， PVC 可 分 为 ： 通 用 型 PVC 树 脂 、 高 聚 合 度 PVC 树 脂 、交 联 PVC 树 脂 。 通 用 型 PVC 树 脂 是 由 氯 乙 烯 单 体 在 引 发 剂 的 作 用 下 聚 合 形成 的 ； 高 聚 合 度 PVC 树 脂 是 指 在 氯 乙 烯 单 体 聚 合 体 系 中 加 入 链 增 长 剂 聚 合而 成 的 树 脂 ； 交 联 PVC 树 脂 是 在 氯 乙 烯 单 体 聚 合 体 系 中 加 入 含 有 双 烯
16、 和 多烯 的 交 联 剂 聚 合 而 成 的 树 脂 。5根据 氯 乙 烯 单 体 的 获 得 方 法 来 区 分 ， 可 分 为 电 石 法 、 乙 烯 法 和 进 口（ EDC、 VCM)单 体 法 （ 习 惯 上 把 乙 烯 法 和 进 口 单 体 法 统 称 为 乙 烯 法 ） 。根据 聚 合 方 法 ， 聚 氯 乙 烯 可 分 为 四 大 类 ： 悬 浮 法 聚 氯 乙 烯 ， 乳 液 法 聚 氯 乙 烯 、本 体 法 聚 氯 乙 烯 、 溶 液 法 聚 氯 乙 烯 。 悬 浮 法 聚 氯 乙 烯 是 目 前 产 量 最 大 的 一 个品 种 ， 约 占 PVC 总 产 量 的 8
17、0%左 右 。 四 种 聚 氯 乙 烯 的 基 本 特 性 见 表1.2.1。 3表 1-1 不 同 合 成 方 法 制 得 聚 氯 乙 烯 （ PVC） 产 品 特 性 比 较生 产 方 法 特 性悬 浮 聚 合 法 不含金属离子，有良好的电绝缘性及热稳定性乳 液 聚 合 法 颗粒较细，含杂质较多，电绝缘性及热稳定性不及悬浮法本 体 聚 合 法 含杂质极少纯度高。热稳定性和电绝缘性优于悬浮法溶 液 聚 合 法 含杂质极少纯度高，成本高，价格高。聚合物的分子量不高1.2.2 聚氯乙稀（PVC）产品命名悬 浮 法 聚 氯 乙 烯 按 绝 对 黏 度 分 六 个 型 号 ： XS-1、 XS-2X
18、S-6； XJ-1、 XJ-2、 XJ-6。 型 号 中 各 字 母 的 意 思 ： X-悬 浮 法 ； S-疏 松 型 ； J-紧 密型 ； 国 产 悬 浮 法 聚 氯 乙 烯 的 特 性 请 见 表 1.2.2 。 4表 1-2 国 产 悬 浮 法 聚 氯 乙 烯 的 特 性产品型号 绝对黏度mPas平均聚合度XS-1 / XJ-1 2.10 1340XS-2 / XJ-2 1.902.10 11101340XS-3 / XJ-3 1.801.90 9801110XS-4 / XJ-4 1.701.80 850980XS-5 / XJ-5 1.601.70 720850XS-6 / XJ-
19、6 1.501.60 59072061.3 聚氯乙烯（PVC）生产方法 5聚氯乙烯（PVC）是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：聚氯乙烯（PVC）按聚合方法分四大类：悬浮法聚氯乙烯（PVC） ，乳液法聚氯乙烯（PVC） 、本体法聚氯乙烯（PVC） 、溶液法聚氯乙烯（PVC） 。本设计计划采用悬浮法生产聚乙烯。悬浮法(主要是水相悬浮法)生产的氯化聚氯乙烯（PVC）为非均质产品,溶解度相对于溶液法产品低,但热稳定性高,主要用于制造管材、管件、板材等 4。1.3.1 悬浮聚合法 6使单体呈微滴状悬浮分散于水相中，选用的油溶性引发剂则溶于
20、单体中，聚合反应就在这些微滴中进行，聚合反应热及时被水吸收，为了保证这些微滴在水中呈珠状分散，需要加入悬浮稳定剂，如明胶、聚乙烯醇、甲基纤维素、羟乙基纤维素等。引发剂多采用有机过氧化物和偶氮化合物，如过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯、过氧化二碳酸二乙基己酯和偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈等。聚合是在带有搅拌器的聚合釜中进行的。聚合后，物料流入单体回收罐或汽提塔内回收单体。然后流入混合釜，水洗再离心脱水、干燥即得树脂成品。氯乙烯单体应尽可能从树脂中抽除。聚合时为保证获得规定的分子量和分子量分布范围的树脂并防止爆聚，必须控制好聚合过程的温度和压力。树脂的粒度和粒度分布则由搅拌速度和悬浮稳定剂的选择与用量控制。树脂的质量以粒度和粒度分布、分子量和分子量分布、表观密度、孔隙度、鱼眼、热稳定性、色泽、杂质含量及粉末自由流动性等性能来表征。聚合反应釜是主要设备，由钢制釜体内衬不锈钢或搪瓷制成，装有搅拌器和控制温度的传热夹套，或内冷排管、回流冷凝器等。为了降低生产成本，反应釜的容积已由几立方米、十几立方米逐渐向大型化发展，最大已达到 200m。聚合釜经多次使用后要除垢。以聚乙烯醇和纤维素醚类等为悬浮稳定剂制得的聚氯乙烯（PVC）一般较疏松，孔隙多，表面积大，容易吸收增塑剂和塑化。1.3.2 乳液聚合法最
