年产万吨聚氯乙烯生产工艺设计

年产10万吨聚氯乙烯生产工艺设计方案

2014

年 10 月16日

设计说明

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，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，恳请批评指正。

目录

1总论 .........................................................

1.1 概述 .................................................................................................................................. 1.1.1 聚氯乙烯（PVC）概述与应用范围 ......................................................................... 1.1.2 聚氯乙烯（PVC）改性品种..................................................................................... 1.1.3 聚氯乙烯（PVC）生产行业现状及发展前景 ......................................................... 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..................................................................................... 1.2.2 聚氯乙稀（PVC）产品命名..................................................................................... 1.3 聚氯乙烯（PVC）生产方法[5] ......................................................................................... 1.3.1 悬浮聚合法[6] ............................................................................................................ 1.3.2 乳液聚合法 ............................................................................................................... 1.3.3 本体聚合法 ............................................................................................................... 1.3.4 溶液聚合法 ............................................................................................................... 1.4 设计规模原料选择与产品规格 ...................................................................................... 1.4.1设计规模 .................................................................................................................... 1.4.2主要原料规格及技术指标 ........................................................................................ 1.4.3产品规格 ....................................................................................................................

2工艺设计与计算 ...............................................

2.1 工艺原理 .......................................................................................................................... 2.2 工艺条件影响因素 .......................................................................................................... 2.2.1 聚氯乙烯（PVC）聚合主要影响因素 ................................................................... 2.3 工艺路线选择 .................................................................................................................. 2.3.1 工艺路线选择原则 ................................................................................................... 2.3.2 悬浮法聚氯乙烯（PVC）工艺流程具体工艺路线 ................................................. 2.3.3 工艺流程示意图 ..................................................................................................... 2.4 工艺配方与工艺参数 ...................................................................................................... 2.4.1 工艺配方（质量份）： ........................................................................................... 2.4.2 工艺参数： ............................................................................................................... 2.5 物料衡算 ........................................................................................................................ 2.5.2 物料衡算的方法与步骤 ........................................................................................... 2.5.3 物料衡算 ...................................................................................................................

2.6热量衡算 ........................................................................................................................... 2.6.1 热量衡算的意义和作用 ........................................................................................... 2.6.2 热量衡算 ...................................................................................................................

3设备选型 .....................................................

3.1 选型原则 .......................................................................................................................... 3.2 关键设备选择与计算 ...................................................................................................... 3.2.2 传热元件计算 ........................................................................................................... 3.2.3 搅拌器的选择 ........................................................................................................... 3.3 关键设备选用 .................................................................................................................. 3.4 其它设备选择 .................................................................................................................. 3.5 关键设备一览表 ..............................................................................................................

4车间布置设计 .................................................

4.1 车间设备布置原则 .......................................................................................................... 4.2 车间设备平面布置原则 .................................................................................................. 4.3 车间设备立面布置原则 .................................................................................................. 4.4 车间操作人员安排 .......................................................................................................... 4.5 车间平面布局图 ..............................................................................................................

5 非工艺设计 ...................................................

5.1 环境保护 .......................................................................................................................... 5.2 公用工程 .......................................................................................................................... 5.2.1 供水 ........................................................................................................................... 5.2.2 供电 ........................................................................................................................... 5.2.3 供暖 ........................................................................................................................... 5.2.4 通风 ...........................................................................................................................

致 谢 .............................................. 参考文献 ...........................................

1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（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，80～85℃时开始软化，130℃时转变为粘弹态，160～180℃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5～10kJ/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，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]。

1.1.2 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1.2～96MPa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。

(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，也可以显着改善韧性，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61～68%，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，能溶于丙酮、氯苯、二氯乙烷和四氯乙烷，耐热性比聚氯乙烯高20～40℃，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和多烯的交联剂聚合而成的树脂。

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80%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-2……XS-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mPa·s 平均聚合度 XS-1 / XJ-1 >2.10 ≥1340 XS-2 / XJ-2 1.90～2.10 1110～1340 XS-3 / XJ-3 1.80～1.90 980～1110 XS-4 / XJ-4 1.70～1.80 850～980 XS-5 / XJ-5 1.60～1.70 720～850 XS-6 / XJ-6 1.50～1.60 590～720 1.3 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

最早的工业生产聚氯乙烯（PVC）的一种方法。在乳液聚合中，除水和氯乙烯单体外，还要加入烷基磺酸钠等表面活性剂作乳化剂，使单体分散于水相中而成乳液状，以水溶性过硫酸钾或过硫酸铵为引发剂，还可以采用“氧化-还原”引发体系，聚合历程和悬浮法不同。也有加入聚乙烯醇作乳化稳定剂，十二烷基硫醇作调节剂，碳酸氢钠作缓冲剂的。聚合方法有间歇法、半连续法和连续法三种。聚合产物为乳胶状，乳液粒径0.05～2μm,可以直接应用或经喷雾干燥成粉状树脂。乳液聚合法的聚合周期短，较易控制，得到的树脂分子量高，聚合度较均匀，适用于作聚氯乙烯糊，制人造革或浸渍制品。乳液法聚合的配方复杂，产品杂质含量较高。 1.3.3 本体聚合法

聚合装置比较特殊，主要由立式预聚合釜和带框式搅拌器的卧式聚合釜构成。聚合分两段进行，单体和引发剂先在预聚合釜中预聚1h，生成种子粒子，这时转化率达8%～10%，然后流入第二段聚合釜中，补加与预聚物等量的单体，继续聚合。待转化率达85%～90%，排出残余单体，再经粉碎、过筛即得成品。树脂的粒径与粒形由搅拌速度控制，反应热由单体回流冷凝带出。此法生产过程简单，产品质量好，生产成本也较低。 1.3.4 溶液聚合法

溶液聚合法与乳液聚合法基本类似，在溶液聚合中，单体溶解在一种有机溶剂（如 n-丁烷或环己烷）中引发聚合，随着反应的进行聚合物沉淀下来。溶液聚合反应专门用于生产特种氯乙烯与醋酸乙烯共聚物（通产醋酸乙烯含量在10-25%）。这种溶液聚合反应生产的共聚物纯净、均匀，具有独特的溶解性和成膜性。

在本设计中，采用传统悬浮聚合法生产聚氯乙烯。

1.4 设计规模原料选择与产品规格

1.4.1设计规模

本设计规模为年产10万吨聚氯乙烯（PVC），年实际工作日为330天，日生产能力为303吨。

1.4.2主要原料规格及技术指标

用于悬浮聚合的氯乙烯单体纯度在99%以上，其他杂质的含量见下表。

表1-3 原、辅料规格

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 去离子水规格见下表。

名称 乙烯 丙烯 乙炔 丁二烯 １-丁烯-３-炔 二氧化合物 水 HCl 含量％ 0.0002 0.0002 0.0002 0.0002 0 0.0001 0.05 0 表1-4 去离子水的规格

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

项目 导电率/ pH值 氧含量,％ 硬度 SiO2,％ SO3,％ 氯,％ 蒸发残留物％

数值 0.5 7.0 0.00001 0 0 0.00001 0 0

1.4.3产品规格

产品及副产品规格见下表。

表1-5 产品规格

序号

纯度 单体含量 其它杂质

≤0.1 ≤0.1 ≤0.2

≤0.6 ≤1.0 ≤1.5

H2O

PH

备注

精聚氯乙烯（PVC） ≥99% 精聚氯乙烯（PVC） ≥98% 精聚氯乙烯（PVC） ≥97%

≤0.3 2.7-3.7 优级品 ≤0.9 2.5-3.8 一等品 ≤1.3 2.5-3.8 合格品

主要原料购买途径见下表。

表1-6 主要原料购买途径

原料名称 氯乙烯 丙烯 乙炔 丁二烯 1 – 丁烯 – 3 – 炔 去离子水 HCL 购买途径 杭州力科化工有限公司 杭州力科化工有限公司 上海佳杰特种气体 吉益化工 吉益化工 上海沈氏环保科技有限公司 爱康尼克公司 2工艺设计与计算

2.1 工艺原理

氯乙烯的聚合属于自由基型聚合反应。聚合时所采用的引发剂为油溶性的偶氮类、有机过氧化物类和氧化还原引发体系。其反应迅速并且同时会放出大量的反应热。链增长的方工为头尾相连。聚合反应过程存在着很大程度的增长链向单体的转移，是影响产物相对分子质量的主要因素，这种链转移会随温度的升高而加快。

聚氯乙烯（PVC）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：

氯乙烯的悬浮聚合是生产聚氯乙烯（PVC）的主要方法，这种方法具

有操作简单，生产成本低，产品质量好，经济效益好，用途广泛等特点，比较适于大规模的工业生产。

在树脂质量上，用悬浮聚合生产的聚氯乙烯（PVC）树脂的孔隙率提高了300%以上，经过适当处理后树脂中单体氯乙烯的残留量由原来的0.1%降到0.0005%以下。

另外，由于清釜技术和残留单体回收技术的发展，减少了开釜次数，进而减少了氯乙烯单体的释放量；采用烧结，冷凝或吸收方法汽提品和处理废气，从而进一步减少了氯乙烯单体的消耗。

2.2 工艺条件影响因素

2.2.1 聚氯乙烯（PVC）聚合主要影响因素

（1） 单体纯度

用于悬浮聚合的氯乙烯单体纯度应在99.9%以上。所以生产原料对聚氯乙烯（PVC）质量很重要。氯乙烯中杂质的含量应尽可能低一些，其中脱盐水PH值最好近乎中性，在6.5至7.5之间，导率应小于2um/cm。乙炔参与聚合后,会形成不饱和键使产物热稳定性变坏，由于不饱和多氯化物存在，不但会降低聚合速率、降低产物聚合度还易产生支链，从而使产品性能变坏。

（2） 引发剂

反应中引发剂多采用有机过氧化物和偶氮类引发剂，其中有机过氧化物指的是过氧化二碳酸酯、过氧化酯类。它们既可以单独使用，也可以两种或两种以上引发活性不同的引发剂复合使用，引发剂复合使用的效果比单独使用更好，可另反应速度更均匀，操作更加稳定，产品质量好，同时加强了反映的安全性。

引发剂的用量可以采用下式进行估算后，再通过少量实验进行微量调整，其计算公式如下：

I（％）=NrM×10-4/[1-exp(-0.693t/t1/2)

式中：

I：工业上引发剂用量（质量分数），％；

Nr：引发剂理论消耗量，等于（1加减慢0.1）mol/tpvc)；用

AIBN时,取0.9；用DCPD、EHP等过氧化二碳酯时，取1.1； M：引发剂的相对分子质量； t：聚合时间/h；

t1/2：引发剂分解半衰期/h。

工业生产中聚合的时间一般控制在5～10h，应用选择t1/2为2～3h的引发剂。如果采用复合型引发剂，最好是一种引发剂的t1/2为4～6h。

（3） 分散剂

工业常用分散剂主要有明胶、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素和苯乙烯-顺丁烯二酸酐等。

工业上常以纤维素类（如羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素等）和醇解度75％～90％的聚乙烯醇作为主分散剂，以非离子山梨糖醇（如一月桂酸酯、一硬脂酸酯、三硬脂酸酯等）作为辅助分散剂，也可两者进行复合使用。

（4） 水质与水量

氯乙烯的悬浮聚合应使用去离子水，其规格要求如（表-去离子的规格）所示。尤其水中的氯离子、铁和氧等的含量应严格控制，其中氯离子若超过一定含量会造成树脂颗粒形成不均；水中的铁会降低树脂的热稳定性，并可能组织反应继续进行。

其水的用量与树脂的内部结构有关，紧密型树脂（以吸胶为分散剂）单体与水的质量比为1：1.1～1：1.3；疏松型树脂（以聚乙烯醇为分散剂）单体与水的质量比为1：1～1：2.0。

（5） 系统中的氧

由于氧对聚合有缓聚和阻聚作用，在单体自由基存在下，氧能与单体作用生成过氧化高聚物[-CH2-CHCL-O-O-]n，此物质易水解行成酸类物质破坏悬浮液和产品的稳定性，因此从聚合角度以及安全角度考虑，应将各种原料中的氧和系统中的氧完全清除干净。

（6） 其他助剂 （A） pH调节剂

氯乙烯悬浮聚合时pH值应控制在7～8，即在偏碱性的条件下进行聚合。这样可确保引发剂有良好的分解速率，；另分散剂更稳定，防止因产物裂解产

生HCL从而造成悬浮液的不稳定，进而造成黏釜、清釜和传热困难，最终影响产品质量。因此需要加入水溶性碳酸盐、磷酸盐、醋酸钠等物质作为缓冲来调节pH值。

（B） 防黏釜剂

在氯乙烯的悬浮聚合中，存在黏釜现象，不但影响聚合的传热，也影响最终产品的质量，而且人工清釜劳动强度大，会影响到工人健康，所以应采用一定措施防止黏釜现象的产生。在此采用加入防黏釜剂的形式解决上述问题。常用的防黏釜剂是可以在水相中加入水相阻聚剂如次甲基蓝、硫化钠等；或在釜民壁、搅拌器等设备上均匀喷涂一定量的水浴黑、亚硝基P盐或多元酚的缩合物等。若依然发现有黏釜现象，可采用高压（14.7～39.2Mpa）水冲洗法清洗。

（C） 泡沫抑制（消泡剂）

消泡剂在此选用邻苯二甲酸二丁酯或（未）饱和的C6～C20羧酸甘油酯。 （7） 聚合温度与压力 （A） 聚合温度

氯乙烯悬浮聚合的温度高低决定了聚合产物相对分子质量的大小，因此必须严格控制聚合的温度。在实际生产中，一般应控制温度在正常温度的正负0.5℃范围内，并且要确保温度控制平稳，采取适当降温处理手段，防止出现异常现象。在此采用大流量低温差循环方式。

（B） 聚合压力

在反应温度下，氯乙烯有一定的蒸汽压力，只有在聚合末期，大最单体聚合后，其蒸气压力才会有一定程度的下降[6]。

2.3 工艺路线选择

2.3.1 工艺路线选择原则

工艺路线的选择即生产方法的选择。许多轻化工产品生产的一个特点就是生产方法的多样化。所以应对不同的工艺路线逐个进行分析研究，通过比较分析找出一条符合实际的最优工艺路线，确定后即可进行工艺流程的设计。工艺流程设计的应注意其可靠性、先进性以及可操作性三点。

在此本设计计划采用乳液悬浮法在引发剂作用下发生加成反应制取聚氯

乙烯（PVC）。

2.3.2 悬浮法聚氯乙烯（PVC）工艺流程具体工艺路线

(1) 聚合

悬浮聚合的过程是先利用水泵将去离子水打入聚合釜中并启动搅拌器,然后依次将分散剂、引发剂及其他助剂溶液加入聚合釜，再在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所需温度（50～58℃）后，改为通冷却水，控制聚合温度不超过反应温度的正负0.5℃。而当转化率达60～70％，会有自加速现象发生，此时反应加快，剧烈放热，此时应大量通入冷却水，待釜内压力达最高0.687～0.981Mpa时,即可使聚合物膨胀泄压出料,。因为聚氯乙烯（PVC）粒的疏松程度与泄压膨胀的压力有关，因此要根据不同要求控制泄压时的压力。

少量未聚合的氯乙烯单体则通过泡沫捕集器排入氯乙烯气柜，再次循环使用。而氯乙烯气体中带出的少量树脂在可在泡沫捕集器中捕集下来，流至沉降池作为次品处理。[7]

(2) 碱处理

将聚合物悬浮溶液送至碱处理釜，使用浓度为36％～42％的NaOH溶液进行处理,其加入量为悬浮液的0.05%～0.2%左右,用蒸汽直接加热至70～80℃并维持1.5～2.0h,然后利用氮气进行吹气降温至65℃以下时,再进行过滤和洗涤。

采取碱处理的目的是破坏残存的引发剂、分散剂、低聚物等挥发性物质，使其转化为能溶于热水的物质，以便于水洗清除。

(3) 树脂的干燥方法

聚氯乙烯（PVC）树脂的干燥方法采用二段干燥法，即结合使用气流干燥管与沸腾床干燥器，其中气流干燥管用来脱除树脂上的表面非结合水，沸腾床干燥器用来脱除树脂内部结合水。由于物料再次停留时间很长，存在投资较大、热效率较差、费用较高等缺点，国内外工业生产往往会进行较大的改进，例如赫司特公司就采用MST旋风干燥器，其具有停留时间适用、热效率利用高等特点。

(4) 脱水与成品

产物先在卧式刮刀自动离心机或螺旋沉降式离心机中进行过滤，再使用70～80℃热水洗涤两次。经脱水后的树脂含有一定量的水，此时再经螺旋输送

器送入气流干燥管，以140～150℃热风进行第一段干燥，出口树脂的含水量将小于4%；再通入沸腾床干燥器中以120℃热风进行第二段干燥，得到含水量小于0.3%的聚氯乙烯（PVC）树脂。再经筛分、包装后入库。 2.3.3 工艺流程示意图

去离子水 聚乙烯 引发剂 助剂

聚合釜 浆料排 碱处理旋振筛 气提 离心分 旋塔 成品储存与2.4 工艺配方与工艺参数 2.4.1 工艺配方（质量份）： 风干去离子水 100 氯乙烯 50～70

悬浮剂（聚乙烯醇） 0.05～0.5 引发剂（过氧化二碳酸二异丙醇） 0. 02～0.3

EHP过氧化二碳酸二（2-乙基己酯）

缓冲剂（磷酸氢二钠） 0～0.1 消泡剂（邻苯二甲酸二丁酯） 0～0.002

2.4.2 工艺参数：

(1) 聚合

聚合温度 50～58℃（依PVC型号而定） 聚合压力 初始0.687～0.981Mpa

结束0.249～0.196Mpa

聚合时间 8～12h 转化率 90％ (2) 碱处理

NaOH浓度 36％～42％

加入量 聚合浆液的0.05％～0.2％ 温度 70～80％

时间 1.5～2.0h

(3) 脱水

紧密型树脂含水率 8％～15％ 疏松型树脂含水率 15％～20％

(4) 干燥

第一段气流干燥管干燥 干燥温度 140～150℃ 风速 15m/s 物料停留时间 1.2s 含水率 ＜4％ 第二段沸腾床干燥

干燥温度计 120℃ 物料停留时间 12min 含水率 ＜0.3％

2.5 物料衡算

2.5.1 物料衡算的意义与作用

物料衡算在化工计算中是最基本，最重要的内容之一，是进行化工计算的基础。在化学工程中，为导出某一过程的基本方程式建立数学模型，设计或改造工艺流程及设备，了解与控制生产操作过程，核算生产过程的经济效益等都要进行物料的衡算。物料衡算广泛应用于生产和设计。在工厂设计时，物料衡算是在确定工艺流程及工艺参数后即开始的一项化工计算工作，此时设计工作从定性分析转入定量计算。物料衡算是通过每一道工序的物料变化情况来进行平衡计算，从而得到在正常生产情况下各种物料数量。通过物料衡算，在已知产品生产任务情况下，可计算出所需原材料、生成副产品、废物等的生成量。此外通过物料衡算不仅可算出原材料消耗数额，计算出生产过程所产生的热量变化，同时也为设备选型提供了依据，物料衡算的结果直接关系到车间运输量以及生产成本，对工厂技术经济指标有重要影响。 2.5.2 物料衡算的方法与步骤

一：收集计算数据；

二：原料，辅料，中间产物及产品的规格； 三：过程中单位时间内的物流量； 四：有关消耗定额；

五：有关转化率，选择性，单程收率； 六：有关物理化学常数。 （1） 画物料流程图

为了物料衡算时分析问题更简便，便于展开计算以及为准备建立方程式，需根据计算任务画出物料流程图或物料衡算方框图。图应尽可能详尽，表明已知数据与未知数据，还应画出物料线，包括每股物料的名称、数量、组成以及流向，还有与计算有关的工艺条件（如温度，压力，流量，配比等）。

（2） 确定衡算范围

在物料衡算中，有时会遇到较复杂的计算，为便于计算常采用划定衡算范围的方法，即衡算范围一经划定，便可假想成为一个独立体系，凡是通过边界进入体系的量属于输入项，而穿越边界离开体系的量属于输出项。

（3） 选定计算基准

若已知在流程中作为计算基准的数量，则以此数据为基准，采用“顺算法”，就能方便的计算出单位时间的产品，中间产品以及三废产量的各股物料量。若已知产品量且中间计算步骤较多则难以一下子算出原料量，此时可采取“倒推法”，即由已知产品量反向计算算出其他各物料的量。倘若年产量在数值上太大，不方便进行计算，则可先假设按100千克或100摩尔原料出发进行计算，计算出产品产量后，与实际产量进行比较，求出相差的系、倍数，以此系、倍数乘以原假设量，即可得到各股物料的实际量。在此设计中，直接采用顺算法进行物料计算。

（4） 列出输入-输出物料平衡表

列表以描述和识别所有进入体系和离开体系的物料量。再表中列出已知量和未知量，以及经过导出和计算的有关数据。 2.5.3 物料衡算

生产任务： 年产10万吨吨丙酮氰醇 生产时间： 330天/年

每天生产量： （100000吨×1000）/330天=3.03×105千克/天 每小时生产量： (3.03×105)/24=1.26×103千克/小时

（1）聚合釜物料衡算

去离子水纯度 100% 氯乙烯纯度 99% 悬浮剂（聚乙烯醇） 97% 引发剂（过氧化二碳酸二异丙醇） 97% 缓冲剂（磷酸氢二钠） 99% 消泡剂（邻苯二甲酸二丁酯） 99% 转化率： 93% 进料：

表2-1 聚合釜进料量

名称 去离子水： 氯乙烯： 引发剂： 悬浮剂 缓冲剂 消泡剂 出料：

质量（千克/小时） 2.17×103千克/小时 1.36×103千克/小时 0.48千克/小时 1.05千克/小时 2.25千克/小时 0.05千克/小时

表2-2 聚合釜出料量

名称 去离子水： 聚氯乙烯（PVC）： 氯乙烯： 引发剂： 缓冲剂 消泡剂

（2） 碱中和釜物料衡算

NaOH溶液浓度： 36％ NaOH溶液：聚氯乙烯（PVC） 0.2：100

质量（千克/小时） 1.96×103千克/小时 1.28×103千克/小时 25千克/小时 0.005千克/小时 2.25 千克/小时 0.05千克/小时

悬浮剂 1.05千克/小时

溶剂水： 20千克/小时

聚氯乙烯（PVC）： 1.28×10千克/小时 转化率为 99.9% 进料：

3

表2-3 碱中和釜进料量

名称 NaOH溶液 溶剂水

聚氯乙烯（PVC） 杂质 出料：

质量（千克/小时） 32千克/小时 20千克/小时 1.28×103千克/小时 0.02千克/小时

表2-4 碱中和釜出料量

NaOH溶液 溶剂水

聚氯乙烯（PVC） 杂质 NaOH溶液

0.025千克/小时 20千克/小时 1.28×103千克/小时 11.5千克/小时 0.025千克/小时

2.6热量衡算

2.6.1 热量衡算的意义和作用

精细化工生产一般应在规定的压力、温度和时间等工艺条件下进行，生产过程中包括化学和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。生产中一般无轴功或轴功相对较小，可以忽略不计，所以能量衡算实质上是热量衡算。生产过程中所产生的化学热效应与物理变化热效应会使物料温度上升或下降，为保证生产过程在一定温度条件下进行则需要环境与生产系统有热量交换，对于新车间设计，热量衡算是基于物料衡算进行的，通过热量衡算，可以确定传热设备的热负荷情况，即通过确定在规定时间中摄入或逸出的热量，从而确定传热剂消耗量，选择恰当的传热方式，计算传热面积。通过结合热量与物料衡算，则可以确定设备的工艺尺寸，型号参数等。[8]

2.6.2 热量衡算

在解决实际问题中，热平衡方程为：

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

式中：Q1——各股物料带入的热量

Q2——加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量 Q3——各种热效应，如反应热，溶解热等 Q4——各股物料带走的热量 Q5——消耗在加热设备上的热量 Q6——热损失

水的比热为4.2KJ/（Kg·℃） 乙烯的比热为2.3KJ/（Kg·℃）

引发剂和助剂的平均的比热为2.7KJ/（Kg·℃） 总热损失（Q5+ Q6）为反应热的10% （1） 聚合釜的热量衡算 氯乙烯 水 25℃ 水

聚 18 ℃

合 引发剂和助剂 聚乙烯 釜 Cp1=4.2×（100/146.3）+2.3×（46.3/146.3）=2.71 KJ/（Kg·℃）

Cp2=2.7×（124.4/146.3）+2.9×（15/146.3）+2.3×

（6.9/146.3）=2.7 KJ/（Kg·℃）

Q3=10.5×4.3868×124400 =5468798.16KJ Q1=Cp1×m×t1 Q4=Cp2×m×t2 Q5+ Q6= Q2×10%

利用Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6（Q2符号为负）可求得： Q2=4974148.4KJ

（2） 碱中和的热量衡算 聚乙烯 碱聚乙烯 18℃

水 中和水 25 ℃

NaOH溶液 杂质 Cp1=2.7×（124.4/146.3）+2.9×（15/146.3）+2.3×（6.9/146.3）=2.7 KJ/

（Kg·℃）

Cp2=2.7×（131.7/146.3）+2.9×（10/146.3）+2.3×（4.63/146.3）=2.67

KJ/（Kg·℃）

Q3=10.5×4.3868×73=3208.2KJ Q1=Cp1×m×t1 Q4=Cp2×m×t2 Q5+ Q6= Q2×10%

利用Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6（Q2符号为负）可求得： Q2=2999KJ

（3） 旋风干燥床热量衡算 聚乙烯 聚乙烯 旋风干25℃ 水 水 燥床 易挥发杂质 杂质 40℃

Cp1=2.7×（131.7/146.3）+2.9×（10/146.3）+2.3×（4.63/146.3）=2.67KJ/

（Kg·℃）

Cp2=2.7×（136.4/146.3）+2.9×（7/146.3）+2.3×（3.24/146.3）=2.69 KJ/

（Kg·℃）

Q3=10.5×4.3868×4700=206618.6KJ Q1=Cp1×m×t1 Q4=Cp2×m×t2 Q5+ Q6= Q2×10%

利用Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6（Q2符号为负）可求得： Q2=189637.3KJ

3设备选型

3.1 选型原则

设备的选择应首先考虑到工艺上的要求，争取做到技术先进，合理经济，即选用的设备能适应相关生产规模，并在此同时获得最大的产率，而且能适应不同产品的品种变化，并且确保相应产品的生产质量。另外整个工艺设备的设计选择也应尽量考虑到实际生产的劳动强度，在提高生产率的同时尽可能的降低原材料及相应公用工程（水，电，气）的单位消耗。[9]

另外，在工业生产中不允许使用不成熟或未经实际生产考核过的设备。所以在设计中所计划选用的设备不但要求具有可靠的技术性能，也必须考虑到设备材质的可靠性，这一点同时应用于国内国外不同厂商所生产的各类设备，特别对生产中的关键设备，一定要经过充分的调查、研究与对比之后，再作出恰当的选则。

3.2 关键设备选择与计算

3.2.1 釜的计算 对于连续反应釜：

VVhnm[6]

（

式中：

Vh：每小时处理的物料量；

Τ：反应所需的时间； N：设备备用系数；

：装料系数 。

（1） 聚合釜的主要参数

在此设计中，悬浮聚合氯乙烯将采用釜式聚合反应器，期中聚合釜的材质可选用复合钢板、全不锈钢或搪瓷。

现代化工产业中聚合釜的选用趋势是大型化，国内普遍采用33m复合钢板制聚合釜，而国外则采用的容积更大的聚合釜，普遍可达到近127m3容积的聚合釜。

（2） 聚合釜的传热

反应釜的生产能力很大程度上依赖于其聚合的传热能力，其中聚合釜的传热能力可以用下式表示：

Q = KA△tm （） 式中：

3

Q：传热能力或传热速度/（kJ·h）； A：传热面积/㎡；

K：传热系数/[W/（㎡·K）]； △tm：传热温差/℃。

有以下三种途径可以提高传热能力：增大传热面积，提高传热系数以及增大传热温度差。

（A） 传热面积

影响聚合釜传热面积的因素有聚合釜的高径与容积。

其中，高径比等于L/D，则若其高径比越大（瘦长型），则反应釜的传热面积越大；L/D=1时，反应釜的传热面积最小。

高径比的大小不仅影响釜的传热面积，还影响搅拌器的安装。按日本日立公司的意见为：当釜的容积小于30㎡时，传热面积成为主要阻碍，因此L/D应大于1，而当釜的容积大于200㎡时，搅拌器将成为主要阻碍，因此L/D应小于4，综上所述，一般L/D应控制在1.5～4左右。

聚合釜的传热面积大小随聚合釜容积的增加而减小。一般用单位体积的传

热面积，即比传热面积用A/V（m2/m3）表示。如当L/D=1.2时，存在A=4.77V0.65

关系，此时若将容积为14m3的聚合釜放大至容积为50 m3，则比传热面积将下

降到之前的37%。

因此，若聚合釜的容积增大但传热面积不足时，可采用釜内加冷管、D型挡板或釜顶冷凝器等手段来增加传热面积。如国内80m3

聚合釜内便安装有4组内冷管以及釜顶冷凝器，德国某200m3聚合釜未设置釜内冷管但是加入了少量挡板和釜顶冷凝器以增大其传热面积，但需注意的是，设置釜内冷管后将对搅拌和黏釜情况产生一定影响，因此应在传热面积足够的情况下尽量少的设置内挡板或内冷管。

（B） 传热系数

传热性能好的聚合釜传热系数一般可达到465～582W/（㎡·K），甚至超过689 W/（㎡·K），搪瓷釜也可以达到349W/（㎡·K）以上的传热系数。而当传热系数小于233 W/（㎡·K）时，则认为传热较差，应予以加强。

影响传热系数的因素如下式所示：

1/K=1/a1+∑a1·a2 (修改) （） 式中： K——分别为釜内和外给热系数，W/（㎡·K）；

a1——为釜壁黏釜物层、不锈钢层、碳钢层、搪瓷层、水垢层各层的厚度，m；

a2——为釜壁黏釜物层、不锈钢层、碳钢层、搪瓷层、水垢

层各层的热导率，

釜内壁给热系数a1 体系黏度越小则搅拌强度越大，从而内壁液膜增薄导致热阻减小，a1值变大。

釜外壁给热系数a2 釜外夹套通冷却水降温，所以釜外壁给热系数一般在582～5820W/（㎡·K）之间，主要由冷却水流动状况决定，传热性能良好的聚合釜则要求a2在2326～3489W/（㎡·K）以上。

（一） 聚合釜中物料情况。

表3-1 聚合釜中物料情况

物料 流量 密度 去离子水 2.17×103千克/小时 1.0×103千克/立方米 氯乙烯 1.36×103千克/小时 0.972×103千克/立方米 引发剂 0.43千克/小时 1.328×103千克/立方米 悬浮剂 1.05千克/小时 1.110×103千克/立方米 缓冲剂 2.25 千克/小时 1.328×103千克/立方米 消泡剂 0.05千克/小时 1.120×103千克/立方米 Vh=V1+V2+V3

=（4.35×103/1.0×103+ 2.72×103/0.972×103+ 0.87/1.328×103+ 4.5/1.328×10

3

+3/2120）/0.8

=5.2m3

W/（㎡·K）；

VVhn3

=3.6 m

m（二） 碱中和釜中物料情况。

表3-2 碱中和釜中物料情况

物料 水 碱水 杂质 Vh=V1+V2+V3+V4

=1.28×103/930+51.7/792.2+23.8/687.6+1.5/2120 =1.65m3

VVhn=4.15 m3

m流量 51.7千克/小时 23.8千克/小时 1.5千克/小时 密度 0.7972×103千克/立方米 0.6876×103千克/立方米 2.12×103千克/立方米 聚氯乙烯 1.28×103千克/小时 0.93×103千克/立方米 （3） 釜高度与直径的计算 （A） 聚合釜

设釜内径为DO，筒高为H，高径比r=1

VVO= DO2H4VO——封头容积

DO=34V[8]

（）

341.11.12m 3.14参考《压力容器与化工设备实用手册》P256表2-2-6椭圆形封头尺寸与质量取DO=1100mm，则封头直边高度h0=25mm，曲边高度h1=275mm，容积VO=0.198m3

（B） 碱中和釜

设釜内径为DO，筒高为H，高径比r=1

VVO= DO2H

4VO——封头容积

DO=34V341.761.31m 3.14参考《压力容器与化工设备实用手册》P256表2-2-6椭圆形封头尺寸与质量 取DO=1300mm，则封头直边高度h0=25mm，曲边高度h1=325mm，容积VO=0.321m3

H1.08r0.83m

DO1.3（4） 釜壁厚计算

参考《化工设备设计基础》，在此选用钢号 0Cr18Ni9 钢板，其标准为标准 GB 4237，再由《钢板许用应力》得：

厚度

壁厚d

PDi2[]P[8]

式中： C——壁厚附加量

C1——钢板负偏差 C2——腐蚀裕量

（A） 对于聚合釜

其壳体在加工成形后（不包括腐蚀裕量）的最批小壁厚可由以下条件来确定：

1、碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm 2、高合金钢制容器不小于2mm

[9]

因此2mm

参考《化工设备设计基础》钢板副偏差表3-13得： C1=0.13mm C2=2mm 壁厚附加量 取C4mm

因此其实际壁厚dC246mm （B） 对于碱中和釜

其壳体在加工成形后（不包括腐蚀裕量）的最小壁厚可由以下条件来确定： 1、素钢和低合金钢制容器不小于3mm 2、高合金钢制容器不小于2mm

所以2mm

参考《化工设备设计基础》钢板副偏差表3-13得： C1=0.13mm C2=2mm 壁厚附加量 取C4mm

实际壁厚dC246mm （C） 对于旋风干燥釜

其壳体在加工成形后（不包括腐蚀裕量）的最小壁厚可由以下条件来确定： 1、素钢和低合金钢制容器不小于3mm 2、高合金钢制容器不小于2mm 因此2mm

参考《化工设备设计基础》钢板副偏差表3-13得： C1=0.13mm C2=2mm 壁厚附加量 取C4mm

则其实际壁厚dC246mm

聚合釜，碱中和釜，旋风干燥釜三种釜器装置参考图为图3-1图3-2和图3-3。

图3-1 聚合釜 图 3-2 碱中和釜 图3-3 旋风干燥釜

3.2.2 传热元件计算

（1） 换热面积的计算 （A） 聚合釜 冷却剂减少的热量

Q2

（B） 碱中和釜

碱中过程中减少的热量为：

Q2=299983×6.9=2069882.7KJ

（C） 旋风干燥釜

旋风干燥过程中减少的热量为：

Q2=189637.3×6.9=1308497.37KJ

（1） 夹套高度

HjVV封Di2/4[10]

V——罐体容积； (3-3)

——装料系数；Di——筒体内径；参考《化工设备机械基础》得：壳体直径在800mm~1800mm时，夹套直径取Di+100mm

3.2.3 搅拌器的选择

（1） 搅拌器的选择

聚氯乙烯（PVC）原料及产品均为低黏度流体，所以可采用推进式搅拌器。 （2） 叶轮叶片螺距的确定 （3） 搅拌功率的计算

搅拌器的搅拌功率为PsKP0n3Dj

5nDj2 Reρ——液体的密度 Kg/m3 n——搅拌器的转速 r/s Dj——搅拌器的直径m μ——液体的黏度Pa·S K——功率准数校正总系数 Po——搅拌功率准数 （4） 搅拌轴直径的计算

[11]

(3-4)

dAPsn[12]

(3-5)

A——许用剪应力[τ]变化的系数 Ps——轴上传递的功率kw n——轴转速r/s d——轴最小直径 （A）聚合釜搅拌器的选择 （一） 聚合釜搅拌器的选择 （二） 叶轮叶片螺距的确定 （三） 搅拌功率的计算

搅拌器的搅拌功率为PsKP0n3D5j

RenD2 j (3-6)

ρ——868 Kg/m3 n——6.5 r/s Dj——0.3667m μ——2.5Pa·S

K——功率准数校正总系数 Po——搅拌功率准数 K1=0.8； K2=2；

由RenD2j8686.50.366722.5303.5查得P020搅拌器的搅拌功率为

P35=K×P0×n×ρ×D5j

=1.6×20×6.53×868×0.36675=7781.3W

（四） 搅拌轴直径的计算 （B） 碱中和釜搅拌器的选择 （一） 碱中和釜搅拌器的选择

（二） 叶轮叶片螺距的确定 （三） 搅拌功率的计算

搅拌器的搅拌功率为PsKP0n3Dj

5nDj2 Re (3-7)

ρ——868 Kg/m3 n——6.5 r/s Dj——0.3667m μ——2.5Pa·S

K——功率准数校正总系数 Po——搅拌功率准数 K1=0.8； K2=2；

由RenD2j8686.50.366722.5303.5查得P020

搅拌器的搅拌功率为

P35=K×P0×n×ρ×D5j

=1.6×20×6.53×868×0.36675=7781.3W

（四） 搅拌轴直径的计算 （C） 深冷釜搅拌器的选择 （一） 深冷釜搅拌器的选择 （二） 叶轮叶片螺距的确定 （三） 搅拌功率的计算

搅拌器的搅拌功率为P5sKP0n3Dj

RenD2j (3-8)

ρ——868 Kg/m3

n——6.5 r/s Dj——0.3667m μ——2.5Pa·S

K——功率准数校正总系数 Po——搅拌功率准数 K1=0.8； K2=2；

nDj28686.50.36672由Re303.5查得P020

2.5搅拌器的搅拌功率为

P5=K×P0×n3×ρ×Dj5

=1.6×20×6.53×868×0.36675

=7781.3W

（四） 搅拌轴直径的计算 （D） 搅拌器样式选择

搅拌器可根据实际情况选择不同样式，搅拌器样式例见图3-4。

图3-4 搅拌器样式例

在此，基于本反应中，反应釜内液体在反应时对搅拌仅有均匀搅拌的基本要求，故选择斜叶整体浆式搅拌叶片。[10]

3.3 关键设备选用

根据前节计算可知，反应釜与碱中和釜分别高度要求为0.95米与1.08米，体积分别为3.6立方米与4.15立方米，要求实际壁厚均为6毫米，反应釜中进行主反应，碱中和釜中对主反应产物进行进一步清洗处理，并无特别功能要求，则在此选用同一款釜体设备。

关键设备选用情况一览表见表3-3。

表3-3 关键设备选用情况一览表

设备名称 反应釜 生产厂家 无锡市江南反应锅厂 选用数量 1台 碱中和釜 旋风干燥釜 无锡市江南反应锅厂 1台 1台 常州市邦华干燥设备有限公司 设备具体型号参数见表3-4、3-5。

表3-4 反应釜、碱中和釜具体参数

参数 单位 反应釜 碱中和釜 参数 单位 反应釜 碱中和釜 公称容量 L 4000 4000 内锅尺寸 φmm 1600 1600 实际容量 L 4020 4020 外锅尺寸 φmm 1800 1800 电热功率 Kw 15*5 15*5 电机功率 n/Kw 1450/7.5 1450/7.5 夹套容量 减速器型号 L 1226 1226 搅拌速度 n/min 60-80 60-80 M10 M10 表3-5 旋风干燥釜具体参数

参数 单位 旋风干燥釜 型号 水分蒸发量 总功率 收尘率 占地面积 高度 Kg/h 25 Kw 7.5 % 85-95 ㎡ 4*4 M 5.5 GFF-300 3.4 其它设备选择

其它设备的选择主要是泵类型的选择。在实际工业生产存在有进料泵、回流泵、塔底泵、循环泵、产品泵等不同泵种，其中石油化工泵的选择应满足其工艺所需的流量、扬程、压力、温度、气蚀余量等工艺参数指标，满足介质特性要求以及现场安装要求。[11]在选泵时应注意以下3点：

1、综合考虑泵的流量。应按设计要求选择可以满足流量的泵种，并确保其与其他设备之间协调平衡，另外在确定泵的流量时也必须合考虑到其装置的富裕能力以及装置内各部分设备之间的工作平衡。

2、合理确定泵的扬程。在选族泵种时，泵的扬程应留有适当的余量，以应

对由于管道中系统的压力变化，一般为所选泵种扬程应在正常需要扬程的1.05倍至1.1倍之间。

3、合理选择泵型。应综合考虑各设备之间的空间位置、管道形状以及所需流量和扬程来确定选用不同的泵型。

设计选用泵类型与数量以及详细参数见表3-6，表3-7，表3-8。

表3-6 泵种类选择

泵种 功能 生产厂家 上海莲盛泵业有限公司 数量 2台 4台 计量泵 控制进料 上海中成泵业制造有限公司 2台 离心泵 输送物料 总计 表3-7 计量泵型号与详细参数

参数 单位 泵种 类型 计量泵 转速 r/min 96 型号 流量 L/h 2J-X-100/3.2 通径 Mm 10 100 行程 Mm 20 压力 Mpa 3.2 电机功率 Kw 0.35 直径 mm 25 整机重量 kg 38 表3-8 离心泵型号与详细参数

参数 单位 泵种 类型 离心泵 功率 Kw 型号 流量 M3/h LHPU25/3A 吸入口直径 mm 3.6-150 扬程 M 5-250 吐出口直径 mm 转速 r/min 1480/2950 0.37-90 50-100 40-80 3.5 关键设备一览表

关键设备一览表见表3.5。

表3-9 关键设备一览表

设备种类 反应釜 碱中和釜 旋风干燥釜 计量泵 离心泵 总计 设备数量 1台 1台 1台 2台 2台 生产厂家 无锡市江南反应锅厂 无锡市江南反应锅厂 常州市邦华干燥设备有限公司 上海中成泵业有限公司 上海莲盛泵业有限公司 设备型号 4000L不锈钢反应釜 4000L不锈钢反应釜 GFF-300 2J-X-100/3.2 LHPU25/3A 釜类设备 泵类设备 3台 4台 4车间布置设计

4.1 车间设备布置原则

从经济角度出发，设备布置应顺从工艺流程，做到简洁有效，在与安全、维修和施工方面存在矛盾时，才允许做细微调整。

根据地形、通风等条件进行合理的设备规划布局，有效的利用车间厂房的建筑面积和土地资源。

明火设备应务必设置在处理可燃液/气体设备的最小频率风向的下侧，并安排设置在整体车间边缘，以保安全。

控制室和配电室应设置在生产区域的中心位置方便及时调度与处理紧急情况，另外还应避开设置在危险区域内以保障工人安全。

应充分考虑车间整体与其他部门的相应位置做到安排紧凑、联系方便、尽可能减少输送管线，以避免在管材建设以及运输处理上的额外成本。

整体车间布局应留有一定的空间以便扩展建设或改进设备。 应按相关要求采取必要的劳动保护、防火措施以及防腐蚀措施等。 含有毒性、腐蚀性介质的设备应尽可能集中安置并划以安全范围，保证工人安全方便集中处理。

应设有安全通道以便事故或危险发生时工人能及时撤离危险区域，安全通道规划时应与人流、物流方向相应错开。

设备布置应整齐简洁，使主要管道的走向趋于一致，方便管理与维护。[12]

4.2 车间设备平面布置原则

车间平面布置应满足全厂总平面布置要求，应尽可能使每个车间的平面布置在总体上达到紧凑、整齐、协调。其次，车间平面布置应从生产需要出发，最大限度的满足工业生产以及设备维修的要求，即应符合生产流程、满足生产需要、便于工作管理、便于无聊运输、便于设备的安装与维护。第三，应严格保证生产安全，要妥善解决火险、爆险，防毒、防腐等方面的问题，符合国家对安全生产的各项有关规定。第四，应综合考虑未来厂区扩建或改造的可能，为今后生产发展、产品改革、技术改造留有一定的空间。

4.3 车间设备立面布置原则

厂房的立面形式有单层、多层以及单、多层相结合等不同形式。多层厂房具有占地面积少但造价高的缺点，而单层厂房则占地面积较多不过造价成本较低。具体采用单层或多层设置应根据工艺生产的需要来确定。例如制碱车间的碳化塔较高，且操作岗位需安排在塔中部以便观处理察塔内情况，如此则应建设多层厂房，若设备可露天安置，厂房内部仅只需要安置泵或风机，则可设计为单层厂房。

4.4 车间操作人员安排

车间内工作人员的具体安排见表 4-1。[13]

表4-1 车间人员安排表

工段 人员安排 班次安排 聚合 碱中和 共6人 2人/班*3班/天 共6人 2人/班*3班/天 清洗排污 共15人 5人/班*3班/天 成品处理 共15人 5人/班*3班/天 总计 共42人 4.5 车间平面布局图

车间平面布局如图4-1：

图4-1 车间布局图

5 非工艺设计

5.1 环境保护

在进行工艺流程设计的同时，注重环境保护也是非常重要的，我们应积极运用最新科研成果，采用先进工艺路线，改革对生产产生严重污染的原料路线和生产方法，从而最大程度得减少化工生产工程中对环境造成的危害。

在本设计中，将采用闭环工艺路线，即使原料进入生产系统后仅仅在系统内部进行循环，系统仅将产品输出，而大多数夹杂有原料、中间产物、杂志的物料存在闭路循环中，不输出系统，这样既减少了污染物的排放，又降低了原料的消耗提高了生产效率。[15]

另外在实际生产之前，应反复检查以减少系统泄漏。从整个工艺过程角度来看，即便系统少排或不排出三废废物，提高设备、管道的严密性以及减少系统物料的泄漏，也是十分必要的，因此无论是管道或设备，在设计制造、材料选择以及操作使用、安装维护、生产管理等各个环节，都应密切重视，尽可能杜绝一切物料泄漏或物料误入。

整个工艺流程在排水方面应尽量做到不排或少排有害废水，消除或减少其中所夹杂的有害物质，防止以及减少废水对环境的污染。

在此设计中，整个工艺流程里的三废排放主要有废气与废水：其中，系统整体装置废水有两部分来源，一部分不含单体废水（如地面冲洗水、机泵冷却水等）；另一部分则是含有氰根的有害废水，主要在生产过程中产生；而系统

整体产生的废气也有两部分，一部分来自聚合釜，因聚合釜内温度较高，所以此部分废气含单体量较大；另一部分来自其他反应釜、反应容器以及转动设备的废气排放。[14]

5.2 公用工程

5.2.1 供水

化工生产中需大量用水，主要用于生产用水以及冷却用水两类。在本设计中工艺用水不与产品直接接触，故不做讨论，而对于冷却水则应该满足其温度尽可能低而且全年温度变化小，冷却水不会因水垢和泥渣沉积引起污染或危害以及冷却水对金属具的腐蚀性较小与其不会促进生物或微生物的生长，从而引起换热设备以及管道内部堵塞等要求。

供水表见表5-1。

表5-1 供水表

序号 1 2

5.2.2 供电

生产车间用电一般由车间变电所或供电网直接供电，其用电最高一般为6000伏，中小型电机则仅需要380伏。通常在车间附近或车间内部设置变电室，以便将原始电源变压后分配给各用电设备使用。

供电表见表5-2。

名称 循环水 工业水

条件指标 0.4MPa 30℃ 0.3MPa 30℃

表5-2 供电表

序号 1

5.2.3 供暖

目前主要的供采暖方式是以锅炉提供热量，使之即便在较低外界温度环境下，仍然可以保持适当的工作或生活温度条件，其按设备的布置情况主要分为

名称 电

条件指标 380/220V 50HZ

集中供暖和局部供暖两种。 5.2.4 通风

车间通风的主要目的是排除余热、除湿、排出有害气体及粉尘等杂物，使车间内作业带的空气保持适当的温度、湿度以及卫生要求，从而保证工人的工作与生活环境。目前通风的方式主要有：自然通风、机械通风两类，在本设计中则主要采用自然通风，仅在部分设备附近设局部通风措施。

通风表见表5-3。

表5-3 通风表

序号 1 2 3

名称 工业风 仪表风 氮气

条件指标 0.3 MPa 0.5 MPa 0.8 MPa

致 谢

本次设计过程中，结合设计要求与实际情况，设计完成了年产能达到10万吨的聚氯乙烯生产工艺， 虽然在本次设计中投入了大量的时间以及精力，但鉴于学生的专业知识水平以及实际经验不足所限，在本设计尚存在一些不妥或错误，恳请批评与指正。

参考文献

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