聚氯乙烯生产工艺的初步毕业论文.doc

摘要聚氯乙烯是世界上最早实现工业化生产的塑料品种之一。由于其具有难燃、抗化学腐蚀、耐磨、电绝缘性优良和机械强度较高等优点，广泛应用于农业、石油化工、轻工、纺织、化学建材、电力、冶金、国防军工、建材、食品加工等国民经济各命脉部门， 在国民经济发展中具有举足轻重的地位。本次设计对年产6万吨PVC精馏工段进行工艺设计。采用电石乙炔法制取氯乙烯。此法是以电石为原料，电石水解生产乙炔，氯碱生产中产生的氯气和氢气直接合成法合成氯化氢，由乙炔和氯化氢经净化后在转化器中合成粗氯乙烯单体，粗氯乙烯单体经精馏后得到精氯乙烯单体，精氯乙烯单体经悬浮聚合得到PVC。确定了生产方法之后对氯乙烯合成工段、精馏工段进行了物料衡算、热量衡算和设备选型计算。本文设计的电石乙炔法生产粗氯乙烯在工艺上可满足要求。关键词：PVC合成；粗氯乙烯精馏；物料衡算；热量衡算；设备选型 AbstractPolyvinyl chloride (PVC) is one of the earliest industrialization production of plastic varieties in the world. Since it has flame retardant, resistance to chemical corrosion, wear resistance, good electrical insulation, and the advantages of high mechanical strength, widely used in agriculture, petroleum chemical industry, light industry, textile, chemical, building materials, electric power, metallurgy, national defense war industry, building materials, food processing, such as the lifeline of national economy department, has a pivotal position in the national economic development.The design on the annual output of60000tons of PVC distillation section for process design. Take vinyl chloride by calcium carbide acetylene method. This method is based on calcium carbide as raw materials, calcium carbide hydrolysis to produce acetylene, chlorine and hydrogen generated in chlor-alkali production were direct synthesis method of hydrogen chloride synthesis by acetylene and hydrogen chloride synthesis in the converter after purification thick vinyl chloride monomer, coarse after rectification for vinyl chloride monomer vinyl chloride monomer, pure PVC by suspension polymerization of vinyl chloride monomer. Determine the method of production of vinyl chloride synthesis section, after distillation section has carried on the material balance, heat balance, and equipment selection calculation.In this paper, design of calcium carbide acetylene method thick vinyl chloride production in the process can meet the requirements. Key words:PVC synthesis; Thick vinyl chloride rectification; Material balance; Heat balance; Equipment selection目录引 言1 绪 论2 聚氯乙烯的生产过程2.1 氯乙烯的生产方法2.1.1电石乙炔法2.1.2 联合法2.1.3 乙烯法2.1.4 确定生产方案2.2 氯乙烯单体的聚合2.3 氯乙烯单体的生产工艺3 物料衡算4 热量衡算4.1 氯化氢冷却器的热量衡算5 车间厂房布置设计5.1 厂房布置设计的条件和依据5.1.1 常用的规范和规定5.1.2 设计的基本条件5.1.3 设计的基本依据5.2 车间厂房的布置设计6 管路布置设计6.1 化工管路概述6.2 管路设计6.3 管路布置结 论参考文献谢 辞附 录引言聚氯乙烯是世界上最早实现工业化生产的塑料品种之一。由于其具有难燃、抗化学腐蚀、耐磨、电绝缘性优良和机械强度较高等优点，广泛应用于农业、石油化工、轻工、纺织、化学建材、电力、冶金、国防军工、建材、食品加工等国民经济各命脉部门， 在国民经济发展中具有举足轻重的地位。氯碱工业是我国基础原材料产业，产品种类多、关联度大，下游产品达上千个品种，具有较高的经济延伸价值，据统计，每万吨氯碱产品所带动的一次性经济产值在10 亿元人民币以上。另外，氯产品也是生活饮用水处理和日用化学品生产的主要原料，与人民生活息息相关。由于氯碱工业具有的特殊地位，建国以来，一直将主要氯碱产品产量及经济指标作为国民经济统计和考核的重要指标。聚氯乙烯是一种重要的热塑性树脂。他经过成型加工、改性，可以制成软质、硬质、泡沫、纤维等塑料制品，性能优良，用途很广。聚氯乙烯是从1930年才开始作为工业材料的，但现在年产量已逾1100万吨，约占世界塑料总产量的五分之一，仅次于聚乙烯居第二位。同时生产设备不断向大型化发展。据报道目前最大的氯乙烯生产装置达 36万吨每年。我国于1958年开始大规模工业生产，现在是发展最快的通用树脂之一。以氯乙烯树脂为基料和增塑剂、填料、稳定剂、着色剂、改性剂等多种助剂混合后经塑化、成型加工而成的聚氯乙烯塑料应用相当广泛。通用型悬浮法聚氯乙烯树脂可以加工成软制品和硬质品。日常生活中常见的电缆外皮、防水卷材、农用膜、密封材料等属于软制品，塑钢门窗、上下水管、硬纸板材、管件等一般为硬质品。氯乙烯聚合的基本方法有四种：悬浮聚合、乳液聚合、本体聚合及溶液聚合。树脂产品的物理形态有粉状、糊状、溶液和清漆等。他们各自适应一定的加工工艺或使用范围。目前主要用悬浮法生产，成品为某种粗细的粒状树脂，适宜于压延、挤出、注射、吹塑等成型加工工艺。最近有关专利报道，对悬浮法做适当改进，可生产代糊用树脂。在聚氯乙烯生产中，单体氯乙烯的合成是关键。其合成工艺路线，按基本原料来源，可分为电石路线和石油路线。电石路线以电石为原料，先水解得乙炔，然后把乙炔和氯化氢混合，通过氯化汞催化剂合成氯乙烯，这是生产单体氯乙烯的老方法。它具有设备简单，工艺成熟，投资低，能小规模经营的特点。但存在耗电量大，原料成本高，因安全问题生产规模受到限制，和钢铁工业争焦炭，同时会引起汞的污染问题，因而不能适应聚氯乙烯大发展需要的缺点。氯乙烯的合成、精馏、聚合一直就是氯乙烯生产的热点问题。我国有非常丰富的电石资源，以电石为原料生产氯乙烯自然成为国内大部分生产氯乙烯工厂的共同选择。1绪论聚氯乙烯树脂，即常说的PVC树脂，是一个用来表示一类由氯乙烯单体衍生的聚合物和共聚物的叙述性名称。1930年1933年实现了聚氯乙烯工业规模的生产，但大规模的发展还是在解决了增塑加工方法之后才成为一种用途广泛的树脂。1958年聚氯乙烯在我国开始大规模生产，现在已成为发展最快的通用树脂之一。从世界范围来看，PVC第二大合成树脂，消费量仅次于聚乙烯。近几年，全球PVC的总产能一直持续扩张，但其增长点主要集中在中国。由于世界经济非平衡式发展，各地区PVC市场的供求和发展状况存在一定的差异，欧洲和北美市场对PVC需求的扩张主要依赖对下游高端产品的需求增长，亚洲经济的迅速发展带动PVC市场的产销依然旺盛。此外，从生产工艺路线看，除中国和极少几个国家以电石法工艺路线生产，绝大部分国家都是采用石油天然气路线，生产工艺的差别导致了世界各主要地区PVC的市场价格和生产成本也不尽一致。2006年全球PVC产能约4291.1万吨，较2005年的4041.1万吨，增长了6.48%，受2004年全球经济转好的影响，2005年是PVC产能增加最多的一年，增长率由2004年的4.19%增加到9.72%，尤其仅中国产能就增加了280万吨，增长率达到35.45%之多。中东地区PVC产能长期短缺，为了适应需求增长，一些厂家也开始扩大产能，2005年产能增幅也达到了29%。近两年北美PVC产能并没有增长，但2008年以后北美PVC产能增加将接近100万吨，增幅达到12.60%。2聚氯乙烯的生产过程2.1 氯乙烯的生产方法氯乙烯的工业合成，首先以电石乙炔为原料进行生产，随着石油化工的发展，逐渐过渡到以石油乙烯为主。2.1.1电石乙炔法电石乙炔法是以来自食盐电解的氢与氯气，经过合成炉混合燃烧反应得到干燥氯化氢，再与净化和脱水后乙炔进行加成反应即得粗氯乙烯，经过精制后获得纯氯乙烯单体。2.1.2 联合法电石乙炔法成本高，因而建厂受到限制。随着石油化工的发展，在氯乙烯制造中出现了一部分碳源来自石油乙烯，再与电石乙炔相结合来获得聚氯乙烯单体。这种方法称为联合法。其过程是将石油乙烯与来自电解车间的氯反应生成1，2二氯乙烷，精制后进行裂解得到氯化氢，再与电石乙炔进行加成反应，所得氯乙烯纯化后即可作为单体使用。2.1.3 乙烯法用石油乙烯完全取代电石乙炔，最早是美国SHLL DEVELOPMENT NETHERLAND公司发展的。为使生产过程中产生的氯化氢得到利用，美国采取了应用于四乙基铅生产的办法。但这种用量是很有限的。随着氯乙烯生产规模的大型化，氯化氢必须找到适宜的出路。后采用迪肯(Dcacon)法，将氯化氢氧化为氯，从而使该法得到了完善且更经济。应用该法生产的有荷兰的SHELL NETHERLAND CHEMICAL公司以及德国的BASF公司等。2.1.4 确定生产方案 上述简单介绍了几种氯乙烯的生产方法，对比其特点，本次设计决定选用电石乙炔法。原因如下：（1）电石乙炔法是最早实现工业化的方法，生产工艺成熟。（2）厂址建在内蒙古乌海市是电石的主要产地，成本低廉。2.2 氯乙烯单体的聚合 氯乙烯在工业化生产PVC时，根据树脂的用途，一般采用四种聚合方式：悬浮聚合、本体聚合(含气相聚合)、乳液聚合(含微悬浮聚合)、溶液聚合。2.3 氯乙烯单体的生产工艺由乙炔和氯化氢合成氯乙烯，一般用载于活性炭上的氯化汞为催化剂其主要反应为： CH2CH2+ HCl CH2CHCl + 124.8kJ/mol3物料衡算选择好工艺路线后，就要对其进行物料衡算。本次设计的生产任务如下：设计题目：60 kt PVC/a 粗氯乙烯精馏工段工艺设计设计条件：1.原料气组成： 表3-1 C2H2原料气的组成名 称C2H2N2H2OV %96.600.482.92 表3-2 HCl原料气的组成名 称HCl空气H2OV %96.940.082.982.产品聚合度： 92%3.年工作日： 330天 合33024 = 7920 小时4.VC收率：96%98% 取 96.5%5.乙炔转化率：98%99% 取 98.5%4热量衡算4.1 氯化氢冷却器的热量衡算氯化氢原料气进入预冷器的进口温度为150，出口温度为40，冷冻盐水进口温度为35，出口温度为33。物料的热量衡算可按下式计算：Wh= (4-1)其中：Q 物质由温度t1到t2时放出的热量，kJ； Wh 物质的质量流量，kg/h；Cp 物质的比热，kJ/kg5车间厂房布置设计5.1厂房布置设计的条件和依据5.1.1常用的规范和规定(1) 化工装置布置设计规定HG2054692；(2) 建筑设计防火规范GBJ1687(1997年局部修订条文)；(3) 石油化工企业设计防火规范GB5016092(2001年局部修订条文)；(4) 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB5005892；(5) 化工工程建设起重施工规范HGJ20183；(6) 石油化工企业工艺装置设备布置设计通则SHJ1189；(7) 化工企业安全卫生设计规定HG2057195；(8) 工业企业厂界噪声标准GB234890。5.1.2设计的基本条件(1) 要有厂区总平面图，已明确规定了本车间在总平面图中所处的位置。(2) 已掌握本车间与其它各生产车间、辅助车间和生活设施的相互关系。(3) 本厂房与厂外道路、铁路、码头、输电、运输和消防等关系。(4) 熟悉生产工艺流程有关物料的物化数据，原料和产品的贮存、运输方式和要求，合理划分工段，生产和生活等辅助设施，以便通盘考虑。(5) 要了解厂房内各种设备和设施的特点和要求，要顾及日后安装、拆卸、维修、操作位置、巡回路线和地段。(6) 熟悉有关防火、防雷、防爆、防毒和卫生等标准，以便确定车间厂房的有关等级。(7) 要了解土建、设备、仪表、电气、给排水、通风采暖等专业和机修、安装、操作和管理等方面的需要。5.1.3设计的基本依据为了搞好车间厂房布置设计，必须具备下述技术资料。(1) 厂区的总图布置，本车间在总图上的位置和允许占地面积。(2) 化工工艺专业提供的工艺管道及仪表流程图及其设计资料。(3) 车间设备一览表，定型设备和机泵的外形尺寸。(4) 物料贮存运输等要求。(5) 有关化验、配电、仪表控制等其他专业和办公等生活行政方面的要求。(6) 有关布置方面的一些规范资料。(7) 车间定员一览表 。(8) 化工设备专业提出的容器和换热器等非标准设备图。(9) 车间外主管廊的位置及方向。(水文、地质、主导风向)(10)公用工程资料。5.2车间厂房的布置设计化工厂厂房布置比较复杂细致，其涉及内容较多，如土建、工艺、设备暗转检修、电气、仪表、安全卫生以及有关生活设施等等，因此，要求工艺设计人员掌握全局、统筹兼顾，与其它专业人员密切配合，力求使车间厂房布置做到：经济合理、节约投资、设备紧凑、操作维修方便、安全卫生、整齐美观。根据生产规模和生产特点以及厂区面积、地形、地质等条件考虑厂房的整体布置，采用分离式或集体式。即将车间各工段及辅助房间分散在单独的厂房内或集中合并在一个厂房内，一般来说，凡生产规模较大、车间各工段的生产特点有显著差异(如防火等级等)。厂区面积较大、山区等情况，可适当考虑分离式。反之，凡生产规模较小、车间各工段联系频繁，生产特点无显著差异，厂区面积较小，厂区地势平坦等情况，可适当采用集中式。在车间厂房的整体布置时，考虑的另一个问题是露天工厂问题。因为设备露天布置后，对建筑来说，有以下几点好处：1.可以节省大量建筑面积，因而可以节约大量基本建设投资；2.节约土建施工工程量，因而可加快基建进度，缩短基建工期；3.将具有火灾及爆炸危险的设备露天布置，就可降低厂房的防火、防爆等级，因而减少了厂房造价；4.将有毒物质的设备露天化，就可减少厂房的通风次数，节约通风设备及动力的消耗；5.对厂房的改建和扩建，灵活性较大。必须根据车间外部和车间内部条件，全盘考虑车间各厂房，露天厂房和各建筑物的相对位置和布局。6管路布置设计6.1化工管路概述管路是用来输送流体物质的一种设备，它被广泛的应用于化工、石油、冶金、发电、建筑、制药、轻工、食品等工业。 管路是化工生产中不可缺少的组成部分，管路对于化工厂的重要性，犹如我们人体内的血管对于生命那样重要。在不少化工厂中，管道的长度有几千米，甚至有的在百千米以上。管道的作用主要是输送各种流体，如气体、液体等。化工厂的各种管路，通称化工管道。一般由管子、管件、阀门、支吊架、仪表装置和其他附件组成。其中管子是各种管路的主体，是机器和设备的介质进出口的关键部件。化工管道的设计和敷设是化工厂中经常遇到的一个十分重要和普遍的问题。正确而合理地设计管路，维修确保安全生产以及车间布置整齐美观都起者十分重要的作用。管道设计是化工工程施工图设计的主要任务。6.2管路设计管路设计又称配管设计，全面叫管道布置设计，它的主要工作就是确定各个设备的管口方位图和各个管段(包括阀件、管件、仪表)在空间的具体位置、安装、连接和支撑方式等。管路设计是化工工程的施工图设计，布置时要根据工艺流程的要求、设备布置和厂房建筑的情况综合考虑，使管道能充分满足生产要求。6.3管路布置在完成管路管子、阀件和管件等选择后，则可着手进行管路布置。管路布置要全面考虑，综合分析，要根据操作条件，输送物料性质、管径大小、安装要求、检修方便、与设备、建筑物和构筑物的相对位置，先主管后辅管的原则进行布置，尽可能使管路布置满足适用、合理、经济、安全、省料和整齐美观的要求。管路布置设计首先必须符合工艺管道及仪表流程图的设计要求和有关行业、国家的规范、标准规定，保证安全生产及便利操作。管路布置设计应根据具体的生产特点，结合设备布置、建筑物与构筑物情况等进行综合考虑，对装置所有管道全盘规划，各安其位。化工管路的布置类型一般有如下几种：（1）埋地敷设管道；（2）管沟敷设管路；（3）沿地敷设管路；（4）架空敷设管路。 结论我国PVC 的工业生产已经有近50 年的历史。近10 年来， 随着国民经济的持续高速发展以及建筑业与PVC 加工工业对PVC 消费的强劲拉动，国内PVC工业发展十分迅速。本设计采用电石乙炔法生产粗氯乙烯。此法是以电石为原料，电石水解生产乙炔，氯碱生产中产生的氯气和氢气直接合成法合成氯化氢，由乙炔和氯化氢经净化后在转化器中合成粗氯乙烯单体，粗氯乙烯单体经精馏后得到精氯乙烯单体，精氯乙烯单体经悬浮聚合得到PVC。此法工艺成熟，设备简单，投资低，能小规模经营。生产出的粗氯乙烯纯度高，乙炔的转化率也非常高，完全满足工业上的要求。但是这种方法存在耗电量大，原料成本高，因安全问题生产规模受到限制，和钢铁工业争焦炭，同时引起汞的污染问题，因而不能适应PVC大发展的需要等缺点。电石乙炔法已逐渐被淘汰，但我国多数工厂仍用此法。随着人们对环保要求的不断提高此法必将被其他方法取代。此次设计对年产6万吨PVC精馏工段进行了物料衡算、热量衡算和设备选型计算。物料衡算对于控制生产过程有之重要的指导意义。可对生产状况进行分析，确定生产能力，衡量操作水平等。物料衡算还是热量衡算、设备选型计算的基础。化工生产中，各工序都要求有确定的温度等工艺条件，并且都伴有能量的传递或转移以保证稳定生产。热量衡算为确定上述条件提供了依据，并且是设备选型计算的基础。化工设备是组成化工装置的基本单元，也是工程设计的基础。设备选型计算可选出符合要求的设备，为生产提供条件。终上，本文设计的电石乙炔法生产粗氯乙烯在工艺上可满足要求。参考文献1 邓云祥，孔宪祥. 聚氯乙烯生产原理. 北京.科学出版社. 1995.22 严福英. 聚氯乙烯工艺学. 北京.化学工业出版社. 1996.63 柴诚敬，张国亮. 化工流体流动与传热. 北京.化学工业出版社. 2000. 94 柴诚敬，贾绍义. 化工传质与分离过程. 北京.北京工业出版社.2001.15 天津化工厂. 聚氯乙烯生产与操作(修订第一版). 北京.燃料化学工业出版社. 1972.36 张颖，郝东升. 化工设计. 内蒙古.内蒙古工业大学出版社(第二版). 2005. 127 许志远. 石墨制化工设备.北京.北京工业出版社.2003.18 刘光启，马连湘. 化工物性算图手册. 北京.北京工业出版社. 2002.19 秦叔经，叶文邦.换热器. 北京.北京工业出版社.2003.5谢辞本文是在导师黄珺的精心指导下完成的。在论文的选题和研究方法及思路方面，都得到了导师的悉心指导，使我获益非浅。导师严谨治学的态度、丰富的知识、诲人不倦的精神都给我留下了深刻的印象，是我学习的榜样。借此机会，谨向老师表示真挚的谢意。附 录