年产万吨聚氯乙烯生产工艺设计集团标准化工作小组[Q8QX9QT-X8B8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]计课年产 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°C时 开始软化，130C时转变为粘弹态，160〜180C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100C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-二硫化碳或丙酮一苯混合 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-氯乙烯或乙烯一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°C和压力〜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°C，耐寒性比聚氯乙烯约低25°C，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70C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60C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％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 [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-l、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 ［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>±1340XS-2 / XJ-21110 〜1340XS-3 / XJ-3r-',980 〜1110XS-4 / XJ-4r-',8 5 0 〜9 8 0XS-5 / XJ-5r-',720〜850XS-6 / XJ-6r-',590〜720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—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］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） —般较疏松，孔隙多，表面积大，容易吸收增塑剂和塑化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〜2um，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lh,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设计规模原料选择与产品规格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、辅料规格序号名称含量％1乙烯2丙烯3乙炔4丁二烯5 1 -丁烯-3-炔06 二二氧化合物7水8HCl0去离子水规格见下表。
表 1-4去离子水的规格序号项目数值1导电率/2pH 值3氧含量,％4硬度05SiO ,％206SO ,％37氯,％08 蒸发残留物％ 0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H2°PH 备注精聚氯乙烯（PVC）±99%优级品精聚氯乙烯（PVC）±98%一等品精聚氯乙烯（PVC）±97%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 购买途径氯乙烯杭州力科化工有限公司丙烯杭州力科化工有限公司乙炔上海佳杰特种气体丁二烯吉益化工1 - 丁烯 - 3-炔 吉益化工去离子水上海沈氏环保科技有限公司HCL爱康尼克公司2工艺设计与计算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—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 %降到% 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工艺条件影响因素聚氯乙烯（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 %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，在至之间，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：1（%） =NMX10-4/[1-expt ）r 1/2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）mol/t ）；用AIBN时，pvc取；用DCPD、EHP等过氧化二碳酯时，取；M：引发剂的相对分子质量；t：聚合时间/h；t :引发剂分解半衰期/ho1/2工业生产中聚合的时间一般控制在5〜10h,应用选择t为2〜3h的引发1/2剂。
如果采用复合型引发剂，最好是一种引发剂的t为4〜6h1/2（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：；疏松型树脂（以聚乙烯醇为分散剂）单体与水的 质量比为1：1〜1：5） 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［-CH-CHCL-O-O-］，此物质易水解行成酸类物质破坏悬浮液2n 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（〜）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 C C 羧酸甘油酯6〜 20（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C 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］工艺路线选择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）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°C ）后，改为通冷 却水，控制聚合温度不超过反应温度的正负而当转化率达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〜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％〜%左右，用蒸汽直接加热至70〜80C并维持〜， 然后利用氮气进行吹气降温至65C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70〜80C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140〜150C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120C热风进行第二段干燥，得到含水量 小于％的聚氯乙烯（PVC）树脂。
再经筛分、包装后入库碱 处 理 釜工艺流程示意图离 心 分 离 槽聚乙烯 引发剂 助剂工艺配方（质量份）：去离子水 100氯乙烯 50〜70悬浮剂（聚乙烯醇） 〜引发剂（过氧化二碳酸二异丙醇） 0. 02〜EHP过氧化二碳酸二（2-乙基己酯）缓冲剂（磷酸氢二钠） 0〜消泡剂（邻苯二甲酸二丁酯） 0〜工艺参数：（1） 聚合聚合温度 50〜58°C（依PVC型号而定）聚合压力 初始〜结束〜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％〜％温度 70〜80%时间 〜（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 干燥温度风速物料停留时间 含水率 第二段沸腾床干燥 干燥温度计 物料停留时间 含水率140〜150°C15m/sV4%120C12minV%物料衡算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X 1000） /330天=X105千克/天每小时生产量： X105）/24=X 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）转化率：99%93%进料：表2-1 聚合釜进料量名称质量（千克/小时）去离子水：X103千克/小时氯乙烯：X103千克/小时引发剂：千克/小时悬浮剂千克/小时缓冲剂千克/小时消泡剂千克/小时出料：表2-2聚合釜出料量名称质量（千克/小时）去离子水：X103千克/小时聚氯乙烯（PVC）：X103千克/小时氯乙烯：25千克/小时引发剂：千克/小时悬浮剂千克/小时缓冲剂千克/小时消泡剂千克/小时（2） 碱中和釜物料衡算NaOH溶液浓度：36％NaOH溶液：聚氯乙烯（PVC） : 100溶剂水：20千克/小时聚氯乙烯（PVC）：X103千克/小时转化率为%进料：表2-3碱中和釜进料量名称质量（千克/小时）NaOH溶液32千克/小时溶剂水20千克/小时聚氯乙烯（PVC）杂质X103千克/小时千克/小时出料：表 2-4 碱中和釜出料量NaOH溶液千克/小时溶剂水20千克/小时聚氯乙烯（PVC）X103千克/小时杂质千克/小时NaOH 溶液千克/小时热量衡算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]热量衡算在解决实际问题中，热平衡方程为：Q +Q +Q =Q +Q +Q123456式中：Q 各股物料带入的热量1Q ——加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量2Q ——各种热效应，如反应热，溶解热等3Q ——各股物料带走的热量4Q ——消耗在加热设备上的热量5Q ——热损失6水的比热为（Kg・°C）乙烯的比热为（Kg・C）引发剂和助剂的平均的比热为（Kg •C） 总热损失（Q + Q ）为反应热的10%56（1）聚合釜的热量衡算氯乙烯25 C 水*引发剂和助剂I水■聚合釜聚乙烯 ►18CCp =X(100/)+X() = KJ/ (Kg・C)1Cp =X(2)+X(15/)+X()= KJ/(Kg・C)Q=XX1244003Q= Cp XmXt1 1 1Q = Cp XmX t4 2 2Q+ Q= QX10%562 利用Q +Q +Q =Q +Q +Q (Q符号为负)可求得:1 2 3 4 5 6 2Q=22)碱中和的热量衡算聚乙烯18C 水 ►NaOH溶液碱中和釜聚乙烯25C杂质Cp =X()+X(15/)+X() = KJ/ (Kg ・C)1CT = X()+X(10/)+X() = KJ/ (Kg ・C)2Q=XX73=3Q = Cp XmX t1 1 1Q= Cp XmXt4 2 2Q+ Q= QX10%562利用Q +Q +Q =Q +Q +Q （Q符号为负）可求得:1 2 3 4 5 6 2Q =2999KJ23)旋风干燥床热量衡算聚乙烯亠旋聚乙烯风25C 水 Ifcu干水 d40C 戸燥 易挥发杂质床杂质 ►Cp =X()+X(10/)+X() = (Kg ・°C)1CF = X()+X(7/)+X() = KJ/ (Kg・C)2Q=XX4700=3Q = Cp XmXt1 1 1Q = Cp XmX t4 2 2Q+ Q= QX10%562利用Q +Q +Q =Q +Q +Q (Q符号为负)可求得：1 2 3 4 5 6 2Q=23设备选型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 当的选则关键设备选择与计算釜的计算Vh - t - n[6]对于连续反应釜式中：V ：每小时处理的物料量； hT：反应所需的时间；N：设备备用系数;9 ：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33m3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 = tm （）式中：Q：传热能力或传热速度/ （kj・h）；A：传热面积/^；K：传热系数/[W/ （m?・K）]；△tm：传热温差/°C。
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=l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 m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〜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=时，存在A二关系，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/ (m?・K),甚至超 过689 W/ (m?・K),搪瓷釜也可以达到349W/ (m?・K)以上的传热系数而 当传热系数小于233 W/ (m?・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/a +Ea •a (修改) ()1 1 2式中：K 分别为釜内和外给热系数，W/ (m?・K)；a――为釜壁黏釜物层、不锈钢层、碳钢层、搪瓷层、水垢层各1层的厚度，m；a――为釜壁黏釜物层、不锈钢层、碳钢层、搪瓷层、水垢层各2层 的 热 导W/ ( m2K)釜内壁给热系数a 体系黏度越小则搅拌强度越大，从而内壁液膜增薄1导致热阻减小，a值变大1釜外壁给热系数a 釜外夹套通冷却水降温，所以釜外壁给热系数一般2在582〜5820W/ (m?・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a在2326〜3489W/ (m?・K)以上2(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X103千克/小时X103千克/立方米氯乙烯X103千克/小时X103千克/立方米引发剂千克/小时X103千克/立方米悬浮剂千克/小时X103千克/立方米缓冲剂千克/小时X103千克/立方米消泡剂千克/小时X103千克/立方米V=V+V+Vh123=(X 103/X 103+ X 103/X 103+ X 103+ X 103+3/2120)/V = Vh = n = m3m・9(二) 碱中和釜中物料情况。
表3-2 碱中和釜中物料情况物料流量密度聚氯乙烯X103千克/小时X103千克/立方米水千克/小时X103千克/立方米碱水千克/小时X103千克/立方米杂质千克/小时X103千克/立方米V=V+V+V+Vh1234= X 103/930+++2120Vh - t - nm33)釜高度与直径的计算(A) 聚合釜设釜内径为D,筒高为H,高径比r=1O兀V-VO = - D2H [8]O 4 OVO ――封头容积D=O=1.12m参考《压力容器与化工设备实用手册》D =1100mm，则封头直边高度h =25mm，O0P 表2-2-6椭圆形封头尺寸与质量取 256曲边高度h=275mm，容积V二1O设釜内径为D,筒高为H,高径比r=l-D=O需=1-m(B) 碱中和釜O-V - VO = - D2 ・HO 4 OVO封头容积参考《压力容器与化工设备实用手册》P表2-2-6椭圆形封头尺寸与质量256取D=1300mm，则封头直边高度h =25mm，曲边高度h =325mm，容积V =O 0 1 OH 1.08 mr = = = 0.83 mDO 1.34)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5PDi2Q]+9 - P壁厚5式中：dc――壁厚附加量C ——钢板负偏差 1C —腐蚀裕量2（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3mm2、 高合金钢制容器不小于2mm®]因止匕5 = 2mm参考《化工设备设计基础》钢板副偏差表3-13得：C=1C=2mm2壁厚附加量取 C = 4mm因此其实际壁厚5 =5 +C=2+4=6mmd（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3mm2、 高合金钢制容器不小于2mm所以 5 = 2mm参考《化工设备设计基础》钢板副偏差表3-13得：C=1C=2mm2壁厚附加量取 C = 4mm实际壁厚 5 =6+ C 二 2 + 4 二 6mmd（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 3mm2、高合金钢制容器不小于 2mm因此 5 = 2mm参考《化工设备设计基础》钢板副偏差表 3-13 得：C1=C2=2mm壁厚附加量取 C = 4mm则其实际壁厚 5 = 5 + C = 2 + 4 = 6mmd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：Q=299983X =2（C） 旋风干燥釜旋风干燥过程中减少的热量为：Q=X =21） 夹套高度vn- v 封Hj > 封兀 D2/4iv —— 罐体容积；［10］ （3-3）n —— 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P二KxP xn3 xp xD 5 s 0 j(3-4)P 液体的密度Kg/m3n 搅拌器的转速r/sD――搅拌器的直径m j口——液体的黏度Pa・SK——功率准数校正总系数P——搅拌功率准数 o4） 搅拌轴直径的计算(3-5)rpsd > A ：— [12]nA――许用剪应力［t］变化的系数Ps——轴上传递的功率kwn 轴转速r/sd 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P二KxP xn3 xpxD 5 s 0 j(3-6)Re = 32P 868 Kg/m3n—— r/sD——j口 SK——功率准数校正总系数P——搅拌功率准数oK=；1K=2；2由Re二p - n - D 2j—868 x 6.5 x 0.3667225二 303.5查得P 二 200搅拌器的搅拌功率为P=KXP Xn3XpXD55 0 j=X20XX868X（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P二KxP xn3 xpxD 5 s 0 jp • n - D 2Re = j-(3-7)P 868 Kg/m3n—— r/sD——j口 SK——功率准数校正总系数P ——搅拌功率准数oK=；1K=2；2由Re二p • n • D 2j—868 x 6.5 x 0.366722.5二 303.5查得P 二 200搅拌器的搅拌功率为P=KXP Xn3XpXD55 0 j=X20XX868X（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P二KxP xn3 xp xD 5s 0 jp • n • D 2Re - -(3-8)HP——868 Kg/m3n——r/sD—— j口—・SK——功率准数校正总系数P——搅拌功率准数K =；1K =2；搅拌器的搅拌功率为P=KXP Xn3XpXD5X20XX868X（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]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米与米，体积分别 为立方米与立方米，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碱中和釜旋风干燥釜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选用数量1台1台1台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公称容量 实际容量 电热功率 夹套容量减速器型号单位LLKwL反应釜4000402015 *51226M10碱中和釜4000402015 *51226M10参数内锅尺寸外锅尺寸电机功率搅拌速度单位©mm©mmn/Kwn/min反应釜160018001450/60-80碱中和釜160018001450/60-80表 3-5 旋风干燥釜具体参数参数型号水分蒸发量总功率收尘率占地面积咼度单位Kg/hKw%m2M旋风干燥釜GFF-3002585-954*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倍至 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数量计量泵。