12萬噸聚氯乙烯聚合工段工藝設(shè)計

1、北京化工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計 題 目 名 稱：年產(chǎn)12萬噸聚氯乙烯聚合工段的工藝設(shè)計函 授 站： 甘 肅 函 授 站 專 業(yè)： 應(yīng) 用 化 工 技 術(shù) 班 級： 甘 化 專 131 學(xué) 生： 郭 亞 偉 指導(dǎo)教師（職稱）司 文 琴 目 錄摘要1關(guān)鍵詞1第一章 設(shè)計說明書2 1.1 設(shè)計項目21.2 設(shè)計依據(jù)、生產(chǎn)規(guī)模、設(shè)計原則21.2.1設(shè)計內(nèi)容21.2.2生產(chǎn)規(guī)模21.2.3設(shè)計依據(jù)2 1.2.4設(shè)計原則21.3廠址選擇及建廠地區(qū)自然條件21.3.1地理位置及環(huán)境21.3.2工廠用水情況31.3.3供電31.3.4原料供應(yīng)31.3.5工廠所處自然條件3 第二章 聚氯乙烯工業(yè)發(fā)展概況32.1

2、聚氯乙烯工業(yè)的發(fā)展概況42.2聚氯乙烯工業(yè)在國民經(jīng)濟中的作用42.3聚氯乙烯系列聚合物的性質(zhì)52.4聚氯乙烯制品的開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)5第三章 生產(chǎn)方法簡介及設(shè)計方法的確定73.1聚合方法簡述7 3.1.1本體聚合73.1.2溶液聚合7 3.1.3懸浮聚合83.1.4乳液聚合93.3產(chǎn)品的基本性能113.4有關(guān)設(shè)計參數(shù)123.5產(chǎn)品規(guī)格與質(zhì)量指標12第四章 物料衡算144.1聚合釜物料衡算144.2出料槽物料衡算15 4.3汽提塔物料衡算164.4離心部分物料衡算184.5氣流干燥部分物料衡算184.6沸騰干燥部分物料衡算194.7篩分包裝部分物料衡算194.8物料衡算總平衡204.9概念配方22第

3、五章 熱量衡算.235.1反應(yīng)體系升溫過程的熱量衡算235.2氣提塔熱量衡算265.3列管式換熱器熱量衡算275.4氣流干燥塔熱量衡算27第六章 聚合反應(yīng)釜選型316.1聚合過程的影響因素316.2反應(yīng)釜選型結(jié)果32第七章 廢水處理337.1廢水的處理337.2 廢水排放標準337.3廢水的處理方法337.4其他三廢的處理34第八章 生產(chǎn)工藝過程說明358.1工藝過程簡介358.2設(shè)備一覽表36總結(jié)38參考文獻39致謝40 摘 要本設(shè)計是一個年產(chǎn)12萬噸聚氯乙烯(PVC)反應(yīng)工程中的聚合反應(yīng)工段的設(shè)計。其中涉及到物料衡算,熱量衡算，聚合反應(yīng)釜的選型。并繪制聚合反應(yīng)工段的基本工藝流程圖和主體聚合

4、反應(yīng)釜的裝配圖。關(guān)鍵詞：聚氯乙烯；懸浮聚合；反應(yīng)釜選型 第一章 設(shè)計說明書1.1 設(shè)計項目年產(chǎn)12萬噸聚氯乙烯聚合工段工藝設(shè)計。1.2 設(shè)計依據(jù)、生產(chǎn)規(guī)模、設(shè)計原則1.2.1設(shè)計內(nèi)容：年產(chǎn)12萬噸聚氯乙烯聚合工段的工藝設(shè)計1.2.2生產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)十二萬噸聚氯乙烯年生產(chǎn)日330天；日生產(chǎn)能力120000/330=363.64噸/天1.2.3設(shè)計依據(jù)：根據(jù)吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書所規(guī)定的課題“年產(chǎn)12萬噸聚氯乙烯聚合工段的工藝設(shè)計”進行設(shè)計。1.2.4 設(shè)計原則：1) 以傳統(tǒng)的聚合工藝流程為基礎(chǔ)，保留原有的工藝流程的優(yōu)點，剔除原有的不合理工藝。2) 采用近年來的新技術(shù)，完善傳統(tǒng)聚合工藝，

5、使其具有良好的可操作性和穩(wěn)定性。3) 做好能源的綜合利用，消除能源利用的不合理現(xiàn)象，使其具有良好的經(jīng)濟效益。4) 在工藝設(shè)計合理的同時，做好環(huán)境保護，一方面利用好物料，減少物料損失；另一方面減少環(huán)境污染，做好環(huán)境保護。5) 在工藝計算時，以各主要設(shè)備的進出物料、熱量變化的明顯點進行物料和熱量平衡的計算。1.3 廠址選擇及建廠地區(qū)的自然條件1.3.1地理位置及環(huán)境廠址選擇位于湘西州吉首市吉鳳經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)。開發(fā)區(qū)于2003年籌建，規(guī)劃面積6.44平方公里。園區(qū)對外交通十分便捷。距離吉首市火車客運站11公里，火車貨運站4公里；距離貴州省大興機場80公里；距離張家界荷花機場148公里。319、209國

6、道、1828省道貫通園區(qū)，園區(qū)東接長（沙）渝（重慶）高速公路，園區(qū)內(nèi)客運貨運可通達全國各大城市主要航空和水運港口。1.3.2工廠用水情況采用工廠附近的萬溶江水源。1.3.3供電由吉首市電業(yè)局供應(yīng)工業(yè)用電。1.3.4原料供應(yīng)原料電石采用瀘溪產(chǎn)，由汽車運輸?shù)郊?。氯化氫由配套氯堿工廠得到或由其他地方采購汽車運輸?shù)郊?，其他原料由廠家采購，由汽車運輸?shù)郊住?.3.5工廠所處自然條件 1) 工廠地址狀況：地基為二類廠地土，土質(zhì)較好，土層厚，穩(wěn)定，無軟弱下臥層，地質(zhì)允許承載力（fk）為150kpa.。 2）當?shù)貧庀髼l件： 年平均氣溫度17.3 年最高氣溫 40.8；年最低氣溫 -3.8；年平均相對濕度

7、 78%；年平均氣壓 0.0867Mpa；年無霜期 210天；年平均日照時數(shù) 2079.2hr；年平均蒸發(fā)水量 1950mm；年平均降雨量 978.6mm；年平均風(fēng)速 2.9m/s；年最大風(fēng)速 22m/s。第二章 聚氯乙烯工業(yè)發(fā)展概況2.1聚氯乙烯工業(yè)的發(fā)展概況 20世紀的30年代50年代是塑料工業(yè)迅速發(fā)展的時期。在此期間有許多合成塑料如聚氯乙烯、聚苯乙烯等形成工業(yè)化。 自1835年法國化學(xué)家V.Regnault首先發(fā)現(xiàn)了氯乙烯，于1838年他又觀察到聚合體，這就是最早的聚氯乙烯。1920年，德國研究聚氯乙烯已相當活躍，這時美國聯(lián)碳化學(xué)公司與杜邦公司對氯乙烯聚合物的制備發(fā)表了專利。這標志著氯乙

8、烯及其聚合物的制造已進入實用技術(shù)階段。1920年，在美國的柏寨森 (BURGHAUSAN)的瓦克(WACKER)公司制取聚醋酸乙烯，用它與氯乙烯共聚制得一種新材料。該材料易加工，且不再發(fā)生分解因它具有內(nèi)增塑性，可用作涂料和硬模塑制品，開辟了以內(nèi)增塑的辦法解決了聚氯乙烯的加工。另一方面也為聚氯乙烯從共聚改性作出了開拓性的工作。對聚氯乙烯發(fā)展起到積極的推動作用。又于1932年發(fā)現(xiàn)聚氯乙烯的低分子增塑劑。英國帝國化學(xué)公司于1937年采用高沸點液體如磷酸酯類增塑聚氯乙烯，得到了類似橡膠的物質(zhì)，從而第一次打破了傳統(tǒng)的橡膠市場，成為橡膠材料的代用品。 聚氯乙烯自工業(yè)化問世至今，六十多年來仍處不衰之勢。占目

9、前塑料消費總量的29%以上。由于石油化工的發(fā)展，為聚氯乙烯工業(yè)提供廉價的乙烯資源，引起了人們極大的注意，因而促使氯乙烯合成原料路線的轉(zhuǎn)換和新制法以及聚合技術(shù)不斷地更新，使聚氯乙烯工業(yè)獲得迅猛的發(fā)展。2.2 聚氯乙烯工業(yè)在國民經(jīng)濟中的作用 合成樹脂是塑料工業(yè)的基本原料，在一定條件下塑制成一定形狀的材料，在常溫下它的形狀不變，是材料工業(yè)的重要組成部分。 作為熱塑性塑料的原料之一的聚氯乙烯樹脂，在世界各國合成樹脂的生產(chǎn)、品種及消費上均處領(lǐng)先地位。我國也是如此，聚氯乙烯塑料制品居于各樹脂及加工制品之主。這主要由于以下原因：（1） 聚氯乙烯材料制品性能優(yōu)良。有獨特的使用功能。（2） 以聚氯乙烯制取的合成

10、材料可代替鋼鐵和木材使用，而且節(jié)能顯著，每生產(chǎn)立方米。通用塑料，其能耗為148.6千焦，而生產(chǎn)1立方米鋼材能耗為356.7×10千焦。（3） 聚氯乙烯塑料不僅在建筑、農(nóng)業(yè)及包裝工業(yè)上有著廣泛的用途，在電子器件、交通運輸、機械和人民生活等各方面，也均得到重用。2.3 聚氯乙烯系列聚合物的性質(zhì)聚氯乙烯在常溫下為白色粉末，比重為1.3921.4不溶于水，汽油，酒精，氯乙烯，可溶于酮類和氯烴類溶劑，無毒無臭。具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的介電性能。 表1 質(zhì)量標準 GB5761-93型號平均聚合溫度/粘數(shù)/（ml/g）K值聚合度/P參考用途SG-1482154144777518001650高級

11、電絕緣材料SG-2505143136747316501500電絕緣材料，一般軟制品SG-2530135127727115001350電絕緣材料，農(nóng)膜，塑料鞋SG-4565126119706912501150一般薄膜，軟管，人造革，高強度硬管SG-5580118107686611001000透明硬制品，硬管，型材SG-6618106966463950850唱片，透明片，硬板，焊條，纖維SG-765595876260850750吹塑瓶，透明片，管件SG-868586735955750650過氯乙烯樹脂2.4聚氯乙烯的應(yīng)用狀況PVC樹脂可以采用多種方法加工成制品，懸浮聚合的PVC樹脂可以擠出成型、壓

12、延成型、注塑成型、吹塑成型、粉末成型或壓塑成型。分散型樹脂或糊樹脂通常只采用糊料涂布成型，用于織物的涂布和生產(chǎn)地板革。糊樹脂也可以用于搪塑成型、滾塑成型、蘸塑成型和熱噴成型。發(fā)達國家PVC樹脂的消費結(jié)構(gòu)中主要是硬制品，美國和西歐硬質(zhì)品占大約2/3的比例，日本占55%；硬質(zhì)品中主要是管材和型材，占大約7080%。PVC軟制品市場大約占全部PVC市場的30%，軟制品主要包括織物的壓延和涂層、電線電纜、薄膜片材、地面材料等。硬質(zhì)品PVC樹脂近年來增長比軟制品快。近幾年我國聚氯乙烯硬制品應(yīng)用份額也有增長趨勢，管材、型材和瓶類所占份額由1996年25%增長到1998年的40%，但至今我國聚氯乙烯的應(yīng)用還

13、是軟制品的份額較多。1998年軟制品占PVC總用量的51%（其中薄膜為20%，塑料鞋10%，電纜料5%，革制品11%，泡沫和單板等5%），硬制品占40%（其中板材16%，管材9%，異型材8%，瓶3%，其它4%），地板墻紙等占9%。聚氯乙烯塑料一般可分為硬質(zhì)和軟質(zhì)兩大類。硬制品加工中不添加增塑劑，而軟制品則在加工時加入大量增塑劑。聚氯乙烯本來是一種硬性塑料，它的玻璃化溫度為8085。加入增塑劑以后，可使玻璃化溫度降低，便于在較低的溫度下加工，使分子鏈的柔性和可塑性增大，并可做成在常溫下有彈性的軟制品。常用的增塑劑有鄰苯二甲酸二辛酯、鄰酯。一般軟質(zhì)聚氯乙烯塑料所加增塑劑的量為聚氯乙烯的30%70%

14、。聚氯乙烯在加工時添加了增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、著色劑、填料之后，可加工成各種型材和制品。1一般軟塑料制品。利用擠出機可以擠成軟管、塑料線、電纜和電線的包皮。利用注射成型的方法并配合各種模具，可制成塑料涼鞋、鞋底、拖鞋等。2薄膜。利用壓延機可將聚氯乙烯制成規(guī)定厚度的透明或著色薄膜，用這種方法生產(chǎn)的薄膜稱為壓延薄膜。也可以將聚氯乙烯的粒狀原料利用吹塑成型機吹制成薄膜，用這種方法生產(chǎn)的薄膜稱為吹塑薄膜。薄膜的用途很大，可以通過剪裁、熱合方法加工成包裝袋、雨衣、充氣玩具等。3涂層制品。將聚氯乙烯糊狀涂料涂敷在布或紙上，然后在100以上將它們塑化，就可制成有襯底的人造革。如果將聚氯乙烯軟片用壓延機直接

15、壓延成有一定厚度時，就制成無襯底的人造革，可壓出各種花紋。人造革用于制造皮包、皮箱、沙發(fā)和汽車的座墊、地板革以及書的封面等。5泡沫塑料。軟質(zhì)聚氯乙烯在混煉時加入適量的發(fā)泡劑，經(jīng)發(fā)泡成型法可制成泡沫塑料，也可以用擠出機制成低發(fā)泡硬質(zhì)板材，可代替木材作為建筑材料等。第三章 生產(chǎn)方法簡介及設(shè)計方法的確定3.1聚合方法簡述傳統(tǒng)自由基聚合方法有本體、溶液、懸浮、乳液聚合四種聚合方法【1】。溶液聚合則是單體和引發(fā)劑溶于適當溶劑中的聚合，可以包括淤漿聚合，溶劑可以是有機溶劑或水。懸浮聚合一般是單體以液滴狀懸浮在水中的聚合，體系主要由單體、水、油溶性引發(fā)劑、分散劑四部分組成，反應(yīng)機理與本體聚合相同。乳液聚合則

16、是單體在水中分散或成乳液狀的聚合，一般體系由單體、水、水溶性引發(fā)劑、水溶性乳化劑組成，機理獨特。3.1.1本體聚合本體聚合是單體加有（或不加）少量引發(fā)劑的聚合，可以包括熔融聚合和氣相聚合。其產(chǎn)物純凈，后處理簡單，是比較經(jīng)濟的聚合方法，多用于實驗室研究，如單體聚合能力的初步評價、少量聚合物的試制、動力學(xué)研究，競聚率測定等，所用的儀器有簡單的試管、封管、膨脹劑、特制模板等。苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、氯乙烯、乙稀等氣、液態(tài)單體均可進行本體聚合。不同單體的聚合活性、聚合物-單體的溶解情況、凝膠效應(yīng)等各不相同，雖然都以本體聚合為名，但其動力學(xué)行為、傳遞特征以及聚合工藝可以差別很大。工業(yè)上本體聚合可采用間歇

17、法和連續(xù)法，關(guān)鍵問題是聚合熱的排除。烯類單體的聚合熱為55-95KJ/mol。聚合初期，轉(zhuǎn)化率不高，體系黏度不大，散熱當無困難，但轉(zhuǎn)化率提高后，體系黏度增大，產(chǎn)生凝膠效應(yīng)，自動加速，如不及時散熱，輕則造成局部過熱，使分子量分布變寬，影響到聚合物的強度；重則溫度失控，引起爆聚。這一缺點使本體聚合的發(fā)展受到限制，但經(jīng)反應(yīng)器攪拌、傳熱的改善和工藝調(diào)整后，得到了克服，一般多采用兩段聚合：第一階段保持轉(zhuǎn)化率較低，10%-35%不等，黏度較低，可在普通聚合釜中進行；第二階段轉(zhuǎn)化率較高，則在特殊設(shè)計的反應(yīng)器內(nèi)聚合。氯乙烯間歇本體沉淀聚合如下：本體法聚氯乙烯的顆粒特習(xí)慣與懸浮法樹脂相似，疏松但無皮膜，更潔凈。

18、本體聚合除散熱、防粘外，更需要解決顆粒疏松結(jié)構(gòu)的保持問題，多采用兩端聚合來解決。3.1.2溶液聚合溶液聚合體系黏度較低，混合和傳熱較易，溫度容易控制，減弱凝膠效應(yīng)，可避免局部過熱。但是溶液聚合也有缺點：（1）單體濃度較低，聚合速率較慢，設(shè)備生產(chǎn)能力較低：（2）單體濃度低和向溶劑鏈轉(zhuǎn)移的結(jié)果，使聚合物分子量降低；（3）溶劑分離回收費用高，難以除凈聚合物中的殘留溶劑。因此，工業(yè)上溶液聚合多用于聚合物溶液直接使用的場合，如涂料、膠黏劑、合成纖維紡絲液、繼續(xù)化學(xué)反應(yīng)等。此外，溶液聚合有可能消除凝膠效應(yīng)，有利于動力學(xué)試驗的研究。自由基溶液聚合選擇溶劑使，需注意下列兩方面內(nèi)容：(1)溶劑對聚合物活性的影響

19、 溶劑往往并非絕對惰性，對引發(fā)劑有誘導(dǎo)分解作用，鏈自由基對溶劑有鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)。這兩方面都可能影響到聚合速率和分子量。(2)溶劑對凝膠效應(yīng)的影響 選用聚合物的良溶劑時，為均相聚合，如濃度不高，可不出現(xiàn)凝膠效應(yīng)，接近正常動力學(xué)規(guī)律。選用沉淀劑時，則成為沉淀聚合，凝膠效應(yīng)顯著。不良溶劑的影響則介于兩者之間。有凝膠效應(yīng)時，反應(yīng)自動加速，分子量也增大。3.1.3懸浮聚合懸浮聚合是單體以小液滴狀懸浮在水中的聚合方法。單體中溶有引發(fā)劑，一個小液滴就相當于一個小本體聚合單元。從單體液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锕腆w粒子，中間經(jīng)過聚合物-單體粘性粒子階段，為了防止粒子粘并，需加分散劑，在粒子表面形成保護層。因此，懸浮聚合體系一

20、般由單體、油溶性引發(fā)劑、水、分散劑四個基本組分構(gòu)成，實際配方則較復(fù)雜。懸浮聚合的反應(yīng)機理與本體聚合相同。苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的懸浮聚合的初始體系屬于非均相，其中液滴小單元則屬于均相，最后形成透明小珠粒，故有珠狀聚合之稱。另一方面，在氯乙烯懸浮聚合中，聚氯乙烯將從單體液滴中沉析出來，形成不透明粉狀產(chǎn)物，故可稱作沉淀聚合或粉狀聚合。懸浮聚合的粒徑為0.05-2mm，主要受攪拌和分散劑控制。聚合結(jié)束后，回收未聚合的單體，聚合物經(jīng)分離、洗滌、干燥，即得粒狀或粉狀樹脂產(chǎn)品。懸浮聚合有以下優(yōu)點：(1)體系黏度低，傳熱和溫度容易控制，產(chǎn)品分子量及其分布比較穩(wěn)定；（2）產(chǎn)品分子量比溶液聚合的高，雜質(zhì)含量比乳

21、液聚合少；（3）后處理工序比乳液聚合和溶液聚合簡單，生產(chǎn)成本也低，粒狀樹脂可直接成型。懸浮聚合的主要缺點是產(chǎn)物中多少帶有少量分散劑殘留物，藥生產(chǎn)透明和絕緣性能好的產(chǎn)品，需除凈這些殘留物。綜合懸浮聚合的優(yōu)缺點，其工業(yè)應(yīng)用還比較廣泛。80%聚氯乙烯、全部苯乙烯型粒子交換樹脂和可發(fā)性聚苯乙烯、部分與苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯用懸浮法生產(chǎn)。有些單體的所謂“懸浮聚合”，如合成聚四氟乙烯、丁基橡膠和乙丙橡膠的“懸浮聚合”，實質(zhì)上都是沉淀聚合，只因為產(chǎn)物懸浮在介質(zhì)中而得名。懸浮聚合多采用間歇法，連續(xù)法尚在研究之中。懸浮聚合反應(yīng)機理和動力學(xué)與本體聚合相同，需要研究的式成粒機理和顆?？刂?。氯乙烯懸浮聚合過程大致如

22、下：將水、分散劑、其他助劑、引發(fā)劑先后加入聚合釜中，抽真空和沖氮氣牌氧氣，然后加單體，升溫至預(yù)定溫度聚合。在聚合過程中溫度壓力保持恒定。后期壓力下降0.1-0.2MPa，相當于80-85%轉(zhuǎn)化率，結(jié)束聚合，如降壓過多，將使樹脂致密。聚合結(jié)束后，回收單體，出料，經(jīng)后處理工序，即得聚氯乙烯樹脂成品。3.1.4乳液聚合簡單地說，單體在水中分散成乳液狀態(tài)的聚合，稱作乳液聚合。傳統(tǒng)或經(jīng)典乳液聚合的基本配方又單體、水、水溶性引發(fā)劑和水溶性乳化劑四部分組成。乳液聚合有許多優(yōu)點：（1）以水作介質(zhì)，環(huán)保安全，膠乳粘度低，便于混合傳熱、管道輸送和連續(xù)生產(chǎn)；（2）聚合速率快，可在較低的溫度下聚合，同時產(chǎn)物分子量高；

23、（3）乳膠可直接使用，如水乳漆、粘結(jié)劑，紙張、織物、皮革的處理劑等。乳液聚合也有若干缺點：（1）需要固體產(chǎn)品時，乳膠需經(jīng)凝聚、洗滌、脫水、干燥等多道工序，成本較高；（2）產(chǎn)品留有乳化劑雜質(zhì)，難以完全除凈，有損電性能等。乳液聚合的主要組分：傳統(tǒng)或經(jīng)典乳液聚合體系由四大組分組成，以單體100份為基準，水150250，乳化劑25，引發(fā)劑0.30.5。工業(yè)配方則要復(fù)雜得多，這是因為：乳液聚合多半是主單體和第二、第三單體的共聚合；多數(shù)乳液聚合采用氧化-還原體系，往往主還原劑、副還原劑甚至絡(luò)合劑并用；乳化劑多由陰離子乳化劑與非離子表面活性劑混合使用；水相中還肯能有分子量調(diào)節(jié)劑,pH調(diào)節(jié)劑等。乳液聚合的機理

24、遵循自由基聚合機理，大聚合速率和聚合度卻可同時增加，可見存在獨特的反應(yīng)機理和成粒機理。可將其聚合過程分為三個階段：成核期或增速期、膠粒數(shù)恒定期或恒速期、降速期。通過對比以上四種聚合方法，各自的特點如表1所示：表2 四種聚合方法對比  本體聚合溶液聚合 懸浮聚合 乳液聚合 配方組成 單體、引發(fā)劑單體、引發(fā)劑 單體、引發(fā)劑、分散劑、水 單體、引發(fā)劑、乳化劑、水 聚合場所 本體內(nèi)溶液內(nèi) 單體液滴內(nèi) 膠束和乳膠粒內(nèi) 溫度控制 困難容易 容易 容易 聚合速率 中等小 較大 大 分子量控制困難容易 較困難 容易 生產(chǎn)特征 不易散熱,連續(xù)操作要保證傳熱混合,間歇操作生產(chǎn)板材,型材設(shè)備簡單. 散熱容

25、易,可連續(xù)生產(chǎn),不易獲得干燥粉末或顆粒狀固體散熱容易,間歇生產(chǎn),有分離,洗滌,干燥等工序散熱容易,可連續(xù)生產(chǎn)制粉狀樹脂時需凝聚,洗滌,干燥產(chǎn)物特性聚合物純凈,分子量分布寬 糊狀較純凈,可能含有少量分散劑留有部分乳化劑和其他助劑主要用途 淺色,硬質(zhì)注塑品涂料、粘合劑 適合于注塑或擠塑樹脂涂料、粘結(jié)劑 從表中可發(fā)現(xiàn)懸浮聚合有以下優(yōu)勢：(1)體系黏度低，傳熱和溫度容易控制，產(chǎn)品分子量及其分布比較穩(wěn)定；2)產(chǎn)品分子量比溶液聚合的高，雜質(zhì)含量比乳液聚合少；(3)后處理工序比乳液聚合和溶液聚合簡單，生產(chǎn)成本也低，粒狀樹脂可直接成型。據(jù)統(tǒng)計，全世界80%的PVC樹脂都是用懸浮聚合的方法生產(chǎn)的，因此本課題采用

26、懸浮聚合的方法。 反應(yīng)原理：在光,熱或輻射能作用下,烯類單體有可能形成自由基而聚合.但由于C-C鍵能大(3.48x102KJ/mol),須在300400高溫下才能開始均裂形成自由基.這樣高的溫度遠超過了一般聚合溫度.因此,氯乙烯聚合體系采用過氧化物或偶氮化合物作引發(fā)劑,在聚合溫度下,均裂成自由基,然后引發(fā)聚合反應(yīng)的.整個聚合過程分為鏈引發(fā),鏈增長,鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止四個步驟.鏈引發(fā).引發(fā)劑受熱時,鏈能較小的-o-o-鍵或-N=N-斷裂而分解產(chǎn)生初級游離基:如偶氮二異丁腈(ABIN). 初級游離基一旦生成,很快作用于VC分子激發(fā)其雙鍵的電子使之分離為二個獨電子與其中一個獨電子結(jié)合生成單體游離基.鏈增

27、長. 在鏈引發(fā)階段形成單體自由基,活性很高,如無阻聚物質(zhì)與之作用,就能進攻第二個VC分子的鍵,重新雜化結(jié)合,形成新的自由基,如此循環(huán)下去,產(chǎn)生大量-(CH_2-CHCl-)-單元的鏈自由基,這個過程叫鏈增長反應(yīng),這實際上是一個加成反應(yīng). 這一鏈增長過程直到鏈終止,活性都不減弱,在瞬間(如0.1秒幾分鐘)即可達到分子量為十萬的高聚物分子. 在PVC的鏈增長反應(yīng)中,結(jié)構(gòu)單元VC間的結(jié)合可能以”頭-尾”和”頭-頭”兩種形式存在. 經(jīng)試驗證明,主要以”頭-尾”形式連接.原因是有電子效應(yīng)和位阻效應(yīng)兩個方面： 從空間位阻方面看,- CH_2-較-CHCl-空間位阻小,所以有利于頭尾連接.鏈轉(zhuǎn)移. 在自由基

28、聚合過程中,鏈自由基有可能從單體,溶劑,引發(fā)劑或大分子上奪取一個原子(氫或氯)而終止,使這些失去原子的分子成為新的自由基,繼續(xù)新鏈的增長. 1,向單體VC鏈轉(zhuǎn)移-形成端基雙鍵PVC. 2,向高聚物鏈轉(zhuǎn)移-形成支鏈或交聯(lián)PVC. 此種鏈轉(zhuǎn)移在轉(zhuǎn)化率較高時(此時VC濃度較低)比較多.鏈終止.1,偶合鏈終止形成”尾尾”相連PVC.2,歧化終止形成端基雙鍵PVC.3.3產(chǎn)品的基本性能聚氯乙烯是無定形的線型、非結(jié)晶的聚合物，基本無支鏈，鏈節(jié)排列規(guī)整。聚合度n的數(shù)目一般為50020000。聚氯乙烯樹脂為白色粉末，相對密度約1.4。聚氯乙烯塑料有較高的機械強度，良好的化學(xué)穩(wěn)定性。聚氯乙烯分子中含有大量的氯，

29、使其具有較大的極性，同時具有很好的耐燃性。聚氯乙烯塑料有優(yōu)良的耐酸堿、耐磨、耐燃燒和絕緣性能。但是對光和熱的穩(wěn)定性差。在不加熱穩(wěn)定劑的情況下，聚氯乙烯100時開始分解，130以上分解更快。受熱分解出氯化氫氣體，使其變色，由白色淺黃色紅色褐色黑色。陽光中的緊外線和氧會使聚氯乙烯發(fā)生光氧化分解，因而使聚氯乙烯的柔性下降，最后發(fā)脆。同時，上述良好的力學(xué)和化學(xué)性能迅速下降。解決的辦法是在加工過程中加入穩(wěn)定劑，如硬脂酸或其他脂肪酸的鎘、鋇、鋅鹽。聚氯乙烯的抗沖擊性能差,耐寒性不理想，硬質(zhì)聚氯乙烯塑料的使用溫度下限為-15，軟質(zhì)聚氯乙烯塑料為-30。聚氯乙烯的透水汽率很低。硬聚氯乙烯長期浸入水中的吸水率小

30、于0.5%，浸24小時為0.05%，選用適當增塑劑的軟聚氯乙烯吸水率不大于0.5%。聚氯乙烯室溫下的耐磨性超過普通橡膠。聚氯乙烯的電性能取決于聚合物中殘留物的數(shù)量和各種添加劑。聚氯乙烯的電性能還與受熱情況有關(guān)，當聚氯乙烯受熱分解時，由于氯離子的存在而降低其電絕緣性。3.4有關(guān)設(shè)計參數(shù)1.生產(chǎn)周期 300天,7200-7000h/Y2.反應(yīng)溫度 56(或者按實習(xí)收集數(shù)據(jù))3.反應(yīng)時間 4.5h4.轉(zhuǎn)化率 85-90%(或者按實習(xí)收集數(shù)據(jù))5.消耗定額 VC 1.015-1.064t/T PVC6.原輔材料: 去離子水,單體氯乙烯(VC),分散劑KH-21(聚乙烯醇),分散劑(羥丙基甲基纖維素HP

31、MC),反應(yīng)調(diào)節(jié)劑(巰基乙醇),引發(fā)劑(偶氮二異庚腈),引發(fā)劑EHP,過氧化二碳酸(2-乙基)己酯,終止劑(丙酮縮氨基巰脲),緩釋阻垢劑(H-9),其他助劑,堿液(30%),鹽酸,碳酸氫銨,液氨等.3.5產(chǎn)品規(guī)格與質(zhì)量指標本次設(shè)計的產(chǎn)品質(zhì)量標準按照GB5761-93懸浮法生產(chǎn)的通用聚氯乙烯樹脂標準生產(chǎn)的聚氯乙烯樹脂屬SG5型，其主要技術(shù)標準要求： 表3 主要技術(shù)標準要求級別優(yōu)等品粘數(shù)ml/g雜質(zhì)粒子數(shù)/個揮發(fā)物含量%表觀密度g/m魚眼數(shù)/個白度殘留氯乙烯含量ppmSG5118-107160.40.4520748一等品118-107300.40.424010合格品118-107900.50.4-

32、第四章 物料衡算4.1聚合釜物料衡算M4聚合釜物料平衡關(guān)系圖如下：M2 M8 M7M6M9M1M5M3聚合釜M2圖1 聚合釜物料平衡關(guān)系圖進入聚合釜內(nèi)VC單體M1=19641.46kg去離子水的質(zhì)量M2=19641.46×1.4/0.9017×1.06=32325.53kg/B引發(fā)劑的質(zhì)量M3=19.64kg/B 終止劑的質(zhì)量M4=1.96kg/B調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量M5=1.96kg/B防粘釜劑的質(zhì)量M6=19.64 kg/B分散劑的質(zhì)量M7=39.28 kg/B二次用水的質(zhì)量M8=1050 kg/BM1+M2+M3+M8=53099.47 kg/B所生成的聚合物質(zhì)量：19641

33、.46×90%×99%=17500.54 kg/B損失PVC的質(zhì)量：M損=19641.46×90%×1%=176.77kg/B聚合物的混合溶液M9=M(未轉(zhuǎn)化的PVC)+M2+M3+M8+17500.54=53099.47 kg/B對聚合釜作全物料衡算得：M1+M2+M3+M8= M9+ M損 說明計算結(jié)果是正確的。計算結(jié)果整理成表得： 表4 計算結(jié)果整理 物料名稱 進料kg/B 出料kg/B VC 19641.46 1964.15 分散劑 39.28 39.28 引發(fā)劑 19.64 19.64 調(diào)節(jié)劑 1.96 1.96 終止劑 1.96 1.96 防

34、粘釜劑 19.64 19.64 水 32325.53 33375.53 二次用水 1050 PVC 17500.54 損失PVC 176.77 合計 53099.47 53099.474.2出料槽物料衡算圖2 出料槽物料出料槽中損失的PVC量為M損=19641.46×90%×1%=176.77 kg/B因此出料槽中含PVC量為17500.54-176.77=17323.77 kg/B由于出料槽中VCM含量為456.3ppm，過出料中VCM的量為：17323.77×456.3×10-6=7.90kg/B因此回收的VCM量M10=1964.15-7.90=1

35、956.25 kg/B聚合物混合溶液M11包括分散劑等：82.48kg 水：33375.53kg VC單體：7.90kg PVC:17323.77kg合計M11=50789.68kg對出料槽做總物料衡算：M9=M10+M11+M損=52922.70kg說明物料衡算結(jié)果是正確的。計算結(jié)果整理成表得：表5 計算結(jié)果整理物料名稱進料kg/B出料kg/B VC 1964.15 7.90 水 33375.53 33375.53 分散劑等 82.48 82.48 PVC 17500.54 17323.77 回收PVC 1956.25 損失PVC 176.77 合計 52922.70 52922.704.3

36、汽提塔物料衡算從這一步開始到篩分包裝為連續(xù)過程，因此，計算標準相應(yīng)的轉(zhuǎn)換為千克/小時。根據(jù)全年的生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)時間可以求出：每小時生產(chǎn)的PVC量為：12×107/(300×24)=16666.67kg/h產(chǎn)品中的含水量為0.3%，折合絕干樹脂含量為：16666.67×0.997=16616.67kg/h考慮到聚合釜內(nèi)PVC的損失，則進入汽提塔內(nèi)絕干樹脂量為：16616.67/0.94×0.98=17323.76kg/h以17323.76kg/h為基準求出汽提塔進料中其他各組分相應(yīng)的量：因此進入汽提塔內(nèi)的水量為：33375.53×17323.76

37、/17323.77=33375.51kg/h進入汽提塔內(nèi)的分散劑等為：82.48×17323.76/17323.77=82.48kg/h進入汽提塔內(nèi)的VC單體為：7.90×17323.76/17323.77=7.90kg/h損失的PVC的量為：16616.67/0.94×0.01=176.77kg/h故出料中含PVC量為：17323.76-176.77=5001.2kg/h已知出料中VCM含量為13.6ppm，故出料中含PVC的量為：17146.99×13.6×10-6=0.23320kg/h求蒸汽冷凝量M13條件：進入汽提塔內(nèi)的物料初始溫度為

38、66，汽提塔內(nèi)壓強為0.06MPa，在此壓強下水的沸點為86，潛熱為2293.9kj/kg，水蒸氣的比熱容向蒸汽的擴散能由蒸汽的潛熱和顯熱提供，而且單體的擴散能為71kj/mol,假定在塔內(nèi)有35%蒸汽冷凝，其余在塔頂冷凝。則物料升溫所需熱量衡算表如下：表6 物料升溫所需熱量衡算 重量kg/h t初 t末 tCP kj/(kg.) 吸熱kj/h水33375.516680144.21962479.99VC7.906680140.84893.79PVC17323.766680141.764427827.58吸收的熱量：水：33375.51×4.2×14=1962479.99kj

39、/h VC:7.90×0.848×14=93.79kj/h PVC:17323.76×1.764×14=427827.58kj/h又因為單體的擴散能為：（7.90-0.23320）/62.5×10-3×71=8709.48kj/h故所需的總熱量：Q總=1962479.99+93.79+427827.58+8709.48=2399110.84kj/h設(shè)汽的流量為V，則Q總=2.31（142-86）V+0.35V×2293.9=2399110.84kj/h故得V=2573.53kg/h計算結(jié)果整理成表得：表7 計算結(jié)果整理物料名

40、稱進料kg/h出料kg/hPVC17323.7617146.99水33375.5135949.04蒸汽冷凝2573.53分散劑等82.4882.48未反應(yīng)的VC7.900.23320回收VC7.67損失PVC176.77合計53363.1853363.184.4離心部分物料衡算離心操作中PVC的損失量為：16616.67/0.94×0.01=176.77kg/h離心脫水后的濕物料中仍含有20%的水分，則含水量為：（17146.77-176.77）×0.2/0.8=4242.56kg/h計算結(jié)果整理成表得：表8 結(jié)果整理物料名稱進料kg/h出料kg/hPVC17146.991

41、6970.22濕物料含水4242.56母液含水35949.0431706.48分散劑等82.4882.48PVC損失176.77合計53178.5153178.514.5氣流干燥部分物料衡算氣流干燥損失的PVC量為：16616.67/0.94×0.005=88.39kg/h則出料PVC量為：16970.22-88.39=16881.83kg/h已只氣流干燥后的含水量為5%，則含水量為：16881.83×0.05/0.95=888.52kg/h整理計算結(jié)果得：表9 計算結(jié)果物料名稱進料kg/h出料kg/hPVC16970.2216881.83水4242.56888.52PVC

42、損失88.39脫走水分3354.04合計21212.7821212.784.6 沸騰干燥部分物料衡算PVC損失量為：16616.67/0.94×0.005=88.39kg/h所以出料的PVC量為：16881.83-88.39=16793.44kg/h出料物料中含水量為：16793.44×0.003/0.997=50.53kg/h整理計算結(jié)果得：表10 沸騰干燥部分物料衡算物料名稱進料 kg/h出料kg/hPVC16881.8316793.44水888.5250.53PVC損失88.39脫走水分837.99合計 17770.3517770.354.7 篩分包裝部分物料衡算絕干

43、PVC損失量為：16616.67/0.94×0.01=176.77kg/h則包裝入庫的絕干PVC樹脂量為：16793.44-176.77=16616.67kg/h隨著PVC樹脂損失的相應(yīng)的水的量為：176.77×0.003/0.997=0.5319kg/h整理計算結(jié)果得： 表11篩分包裝部分物料衡算物料名稱進料 kg/h出料kg/hPVC16793.4416616.67水50.5350.00PVC損失176.77損失水分0.5317合計16843.9716843.974.8 物料衡算總平衡(1) 聚合釜及出料槽屬于間歇操作，計算標準為kg/B，由前面計算結(jié)果可知：投入VC單

44、體的量為19641.46kg/B，經(jīng)過聚合釜及出料槽減壓后的量為1964.15kg/B，出料為7.90kg/B，PVC的總損失為353.54kg/B.由以上結(jié)果可得間歇部分物料總平衡表如下：表12物料衡算總平衡物料名稱進料kg/h出料kg/hVC19641.467.90水32325.5333375.53二次進水1050分散劑等82.4882.48PVC17323.77損失PVC353.54回收PVC1956.25合計53099.4753099.47(2)從氣提開始一直到篩分包裝都是連續(xù)操作，計算基準為kg/h。由前面的計算結(jié)果可知，進入氣提塔的VC的量為7.90kg/h，進過氣提后VC單體的量

45、降為0.23320kg/h，氣提塔內(nèi)冷凝的水的總量為33375.51+2573.53=35949.04kg/h，離心后母液含水總量為31706.48kg/h，PVC損失總量為707.09kg/h。整理可得連續(xù)操作部分總物料平衡表如下：表13 總物料平衡物料名稱進料kg/h出料kg/hVC7.900.23320水33375.51蒸汽冷凝水2573.53分散劑等82.4882.48PVC17323.7616616.67回收PVC7.67濕物料中含水50.00損失PVC707.09母液31706.48損失水4192.56合計53363.1853363.18(3)整理以上結(jié)果，繪制物料平衡關(guān)系示意圖如

46、下：圖3 物料平衡關(guān)系示意圖4.9 概念配方概念配方(此概念配方是一單體質(zhì)量為基準的質(zhì)量分數(shù)) 表14 概念配方名 稱用量去離子水150單體100引發(fā)劑0.04分散劑0.25PH緩沖劑0.06終止劑0.02反應(yīng)調(diào)節(jié)劑0.0015緩蝕阻垢劑0.002消泡劑0.002第五章 熱量衡算5.1 反應(yīng)體系升溫過程的熱量衡算升溫階段:升溫階段是物料由25加熱至56.2，升溫時間是0.5小時此階段加熱介質(zhì)為飽和蒸汽，壓力為0.4MPa，溫度為142。此階段升溫所需總熱量是壺體及壺內(nèi)物料升溫達到聚合條件所消耗的熱量。即Q1+Q2+Q3=Q4其中Q1水升溫數(shù)所需的熱量（由于分散劑等含量甚微，故并入水中一起計算）

47、。Q2VC單體升溫所需的熱量。Q3釜體升溫所需的熱量。Q4蒸汽所提供的熱量。已知條件如下表：表15 已知條件重量kg/ht初t 末tCp kj/(kg.)水32325.532556.231.24.2VC19641.462556.231.20.848釜體66002556.231.20.504計算如下：Q1:無離子水（分散劑等）升溫消耗熱量Q1=qm1Cp1t=32325.53/0.5×4.2×（56.2-25）=8.47×106kj/hQ2:單體升溫消耗的熱量Q2= qm2Cp2t=19641.46/0.5×0.848×（56.2-25）=1.0

48、4×106kj/hQ3:聚合壺升溫消耗熱量Q3= qm3Cp3t=6600/0.5×0.504×(56.2-25)=2.08×105kj/hQ4:蒸汽所提供能量Q4=Q1+Q2+Q3=8.47×106 kj/h +1.04×106 kj/h +2.08×105kj/h=9.72×106 kj/h恒溫反應(yīng)階段:(1)求總傳熱系數(shù)K總傳質(zhì)系數(shù)K的倒數(shù)稱為總熱阻與分熱阻有以下關(guān)系：1/K=1/a1+1/a2 +Sd/1、2分別代表釜內(nèi)壁和釜外液膜給熱系數(shù)w/m2k代表釜壁導(dǎo)熱部分的熱阻，其中為厚度，為導(dǎo)熱率。對于攪拌釜內(nèi)

49、壁給熱系數(shù)可用下列準數(shù)方程計算：式中D為釜內(nèi)徑，d為攪拌葉直徑，為密度，為粘度，(為攪拌雷諾數(shù)，為導(dǎo)熱率，c為比熱容，g為重力因子，（3600/為普蘭特準數(shù)，為近壁處粘度，系數(shù)c為常數(shù)，國產(chǎn)48釜經(jīng)實驗標核c=0.5,將D=3m,d=1212mm,流體被冷卻時，（=9.5代入以上數(shù)據(jù)得：對于釜外壁給熱系數(shù)，采用夾套內(nèi)裝設(shè)螺旋導(dǎo)流板。可由以下準數(shù)方程計算：式中為螺距的當量直徑，R為彎曲半徑，因釜徑較大，一般校正因子的數(shù)據(jù)不大，因此可以取1.05，又因為水的導(dǎo)熱系數(shù)，螺距=0.55，水的普蘭特數(shù)，水的流速，故代入以上數(shù)據(jù)得： 由于縫隙泄露一般的實測值約為計算值的80%，因此對于國產(chǎn)48不銹鋼聚合釜

50、而言，其釜壁熱阻一般為，故總傳熱系數(shù)為：由物料衡算可知：VC的每批投料量，總轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)時間，高峰時反應(yīng)速率是平均反應(yīng)速率的1.5倍，聚合反應(yīng)熱，反應(yīng)溫度,總傳熱系數(shù)，冷卻水的進口溫度,冷卻水出口溫度差為，則：氯乙烯的相對分子質(zhì)量，平均反應(yīng)速率：故平均熱負荷.令最大熱負荷與平均熱負荷之比等于熱負荷分布指數(shù),查聚氯乙烯工藝學(xué)，對于本聚合反應(yīng)取,故，又因為對數(shù)平均溫差：,總傳熱面積：，最大水流量為，則，故。對于48不銹鋼聚合釜，其夾套傳熱面積小于79.72，因此此傳熱面積不滿足要求，需要增加內(nèi)冷管，查的型號為的內(nèi)冷管每根的傳熱面積為0.25375，所以需要增加的內(nèi)冷管數(shù)為：根整理以上結(jié)果得：表16

51、 反應(yīng)過程熱量數(shù)據(jù)反應(yīng)過程，:VC升溫吸收的熱量:水、明膠等升溫吸收的熱量:設(shè)備升溫吸收的熱量：加熱蒸汽帶入的熱量:反應(yīng)放出的熱量：冷卻水帶走的熱量總計 5.2 汽提塔熱量衡算料漿從氣提塔上部進入，下部通入蒸汽進行氣提，VCM通過擴散的方式進入蒸汽，并與蒸汽逸出，蒸汽在塔頂冷凝，VCM則進入回收系統(tǒng)。料漿從氣提他上部進入，下部通蒸汽進行氣提，VCM通過擴散的方式進入蒸汽，并與蒸汽逸出，蒸汽在塔頂冷凝，VCM進入回收系統(tǒng)。進入氣體塔內(nèi)的物料初始溫度為66，氣體塔內(nèi)壓強為0.06Mpa，再次壓強下水的沸點為86，潛熱為2293.9kj/kg，水蒸汽的比熱容Cp=2.31kj/(kg. )。進入氣提

52、塔蒸氣的初始溫度為142，物料的升溫以及VC單體向蒸氣的擴散能由氣的潛熱和顯熱提供，而且單體的擴散能為71kj/mol，假定在塔內(nèi)有35%的蒸氣冷凝，其余在塔頂冷凝。又因為單體的擴散能為：(7.90-0.23320)/（62.5×0.001）×71=8709.48kj/h故所需的總熱量Q總=1962479.99+93.79+427827.58+8709.48=2399110.84kj/h設(shè)蒸氣的流量為V，則：Q總=2.31（142-86）V+0.35V×2293.9=2399110.84kj/h故得V=2573.53kg/h5.3 列管式換熱器熱量衡算在0.06MPa下冷凝水蒸氣，冷凝量w1=2573.53×0.64/3600=0.46kg/s冷凝溫度T=86，冷凝潛熱r=2293.9kj/kg，用冷水進行冷凝，冷凝水的