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年产15万吨PVC树脂合成工艺与设计Hefei University 毕业设计（论文）BACHELOR DISSERTATION论文题目：年产15万吨PVC树脂合成工艺设计学位类别： 工学学位学科专业： 粉体材料科学与工程毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它年产15万吨PVC树脂合成工艺设计中 文 摘 要首先，本文阐述了聚氯乙烯的概况，并分别以聚氯乙烯的用途、生产工艺、以及现代及未来的发展趋势为线索进行展开。本文着重介绍的是聚氯乙烯的聚合生产工艺，首先是生产工艺过程中能量、物料的衡算，然后根据计算所得数据以及聚氯乙烯反应特性对各部分配件进行做出最优选择，配件包括聚合釜、干燥器、管头以及泵等。计算与实际情况综合考虑，本次设计需要33m3的聚合釜24个，输送泵则采用65Y-1002A型，之后则对干燥部分所需的空气流量等进行了计算。关键词：氯乙烯；聚氯乙烯；单体聚合；反应釜；干燥；Design on annual output of 150000 tons of PVC resin synthesis processABSTRACT Firstly，the general situation of polyvinyl chloride is stated in this paper，and then it is developed for the clues of the purpose of the polyvinyl chloride (PVC), production process, and the development of the modern and future trends respectively. Secondly，the production process of PVC polymerization are emphatically introduced i，the first step of the production process is the calculation of material balance, energy balance is then calculated. According to the data and the characteristics of polyvinyl chloride (PVC) reaction, the best choice of all parts of accessories which including polymerizer dryer, pipe and pump head will be maken Taking the calculation and the actual situation into account, 24 polymerizer at the size of 33 m3, 65Y-1002A pump is chosen for this design,and then on the dry part of the air flow rate was calculated.KEY WORD：Vinyl chloride;Polyvinyl chloride (PVC);monomer polymerization;reaction kettle;dry第一章 前言11.1 聚氯乙烯综述11.2 国内外研究现状21.2.1 国内需求量与生产量研究21.2.2 国外需求量与生产量研究31.2.3 我国PVC发展方向41.3 国内外生产方法探究51.3.1 制备聚氯乙烯单体方法61.3.2 氯乙烯单体聚合方法91.4 聚合主要工艺111.4.1 聚合釜大型化与优化散热111.4.2 釜壁粘附的防止111.5 PVC聚合釜温度控制方法121.5.1 生产工艺121.5.2 温度控制方法13第二章 设计数据计算142.1 物料衡算142.1.1 物料的选择142.1.2 物料的计算142.2 能量衡算162.2.1 起始热量Q1的计算162.2.2 升温过程所需能量计算172.2.3 聚合总热量计算172.2.4 反应热Q4的计算172.3 干燥过程数据计算182.3.1 PVC树脂干燥过程物料恒算182.3.2 空气加热器热量衡算212.4 聚合设备选型计算232.4.1 反应釜相关数据计算232.4.2 选泵相关数据26第三章 总结30参考文献31致 谢32附 录33 第一章 前言1.1 聚氯乙烯综述聚氯乙烯(Polyvinylchlorid)是氯乙烯的均聚物，指经引发剂作用，将氯乙烯聚合因而得到的一种具有热塑性的树脂由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂，简称PVC1。聚乙烯的支化度不大，主要为不定形的粉末，颜色多呈白色。根据目前的工业生产工艺，一般可将PVC的分子量范围控制在四万至十三万之间，拥有可观的多分散性，并且随着聚合反应所处温度的降低，得到产物的分子量是增大的。聚氯乙烯没有明确的熔点，其软化范围为80至85，130左右开始转变为粘弹态，温度升至160至180后呈现粘流态。聚录乙烯还呈现出良好的机械及介电性能，抗张强度约为60MPa，冲击强度约为510kJ/m。然而，在跟光与热反应时，其稳定性不佳。如在较强的光照下暴晒或在100度以上的温度下反应一段时间，聚氯乙烯就会发生分解，并释放出氯化氢气体。此时，氯化氢气体作为一种催化剂，可加速分解进程，使聚氯乙烯颜色发生改变，并且各种机械性能也遭到破坏。由于聚氯乙烯对光和热的稳定性欠佳，所以，在实际生产中，添加稳定剂是十分必要的。表1 我国聚氯乙烯消费构成应用领域所占比例 %日用制品30.4建筑材料24.6包装材料19.5农用制品15.5其他10.0聚氯乙烯较大的硬度以及较差的溶解性使得聚氯乙烯对绝大多数的溶剂均不反应，只能溶于极有限的溶剂（四氢呋喃，二氯乙烷和环己酮）中，与许多反应物类似，随着反应温度的升高，化学稳定性呈现降低的趋势。作为一种通用的合成树脂，聚氯乙烯的在世界范围内的需求及生产量紧紧尾随塑料之王-聚乙烯，位居第二。除此之外，鉴于其优良的物理性能、化学性能，聚氯乙烯在氯碱工业中的地位也不可小觑。在氯碱工业中，作为最大的耗氯有机产物，聚氯乙烯在氯碱工业中碱、氯的发展和平衡方面具有举足轻重的作用2。PVC优异的耐腐蚀性，难燃性和抗化学药品性使得该产品在建筑、交通运输、环境工程、食品包装、输送电力、医药卫生等轻重工业均得到了广泛地应用，因此，如何用最少的能耗，最低的成本批量生产出品质上乘的聚氯乙烯仍具有非常重要的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内需求量与生产量研究就19962001国内消费量与生产量而言，国内的产能处于不足的状态。其中，华东地区和华南地区是主要的需求集中地，两地需求量占全国总需求量一半之多，需求量最大的两省分别为广东与福建，但相对来说，生产量却严重不足，因此所需的聚氯乙烯依靠进口的程度要高于其他地区。华中地区（江苏、山东与浙江）聚氯乙烯生产工艺居国内领先水平，三省的消费量占全国的34. 0%，华北地区的生产与需求基本达到平衡。近些年来，随着中部崛起和西部开发的步伐日益加快，基础设施的大规模兴建使得聚氯乙烯在中西部的需求量达到一个新的高度。而前几年的情况来看，中国自身的聚氯乙烯产能不足问题日益加剧，出口也受到阻碍，因此进口的比重有增无减。这使得聚氯乙烯工业的产业链出现问题，如开工率整体较低，中下游需求缓慢的增长率也使得国产聚氯乙烯的市场价格难以提高，并且波动范围较窄。其次，期货的盛行，从某种程度上来说也使得聚氯乙烯的价格波动不确定性有所增加3。20世纪末，国内对聚氯乙烯的需求量不断增加，进口商品的价格却居高不下，不少厂商看中这一商机开始投资聚氯乙烯行业。同时，国家大力提倡扩大内需，并且对基础设施建设提供政策上的鼓励与资金方面的支持，我国聚氯乙烯产量如雨后春笋般迅猛增长。然而，进入21世纪以来，随着产业结构链的调整以及生产工艺的提高，国内的自给率逐渐增加。2002年自给率为66.7%，2007年，自给率已增长至96.3%，与增长率的迅速升高相比，国内的消费增长率的便显得稍有逊色，2001年为17.5%，2002年仅为6.7%,2003年增长率为十年最高水平，达到17.7%然而之后几年里，增长率呈现波动状态，整体并未呈现增加趋势。因此，根据表中数据预测，国内的需求虽然不断增加，但是增长率远远不如国内生产能力的增加，因此国内的生产需求情况有可能由产能不足转变为产能过剩，这也可以使得国内的进出口比例发生变化，进口比例减小，而出口比例增加4。表2 19962007年国内PVC供需状况年份产能Kt.a-1国内产量/Kt.a-1进口量/Kt.a-1出口量/Kt.a-1表观消费率%消费增长率%国内自给率%19962088143858621200317.471.819972166153678330228914.367.1199822001557117114271418.657.419992702191713049321218.359.7200031002646144541405026.165.3200136002877191636475717.560.520024000338917061750786.766.7200352504243175923597917.771.0200466505090163017670312.175.92005927066501310119784117.084.820061158082401147460892713.992.3200713540971711017121010613.296.3总的来说，我国聚氯乙烯工业的发展能否对国民经济产生一定的影响仍然受到多种因素的制约，因此，国内聚氯乙烯在前几年仍处于骑虎难下的整合状态。表3 2006年世界PVC生产能力分布地区全球北美西欧中欧亚洲（除中国）中国其他能力/kt/a395008200680020009000105852900所占比例/%10020.7617.225.0622.7826.807.401.2.2 国外需求量与生产量研究随着科技的进步，世界的聚氯乙烯生产能力的逐步增长也是毋庸置疑的，如表3,2006年全球PVC生产能力已经达到39500/kt/a，主要生产地为北美与亚洲（除中国），生产量为820kt/a0和9000kt/a，分别占到全球生产总量的20.76%与22.78%，表中也给出了一个令人震惊的数字，仅中国的聚氯乙烯的生产量就达到了10585kt/a，比重,占到了世界生产总量的26.80%。西欧地区的生产量为6800kt/a，占世界生产总量的17.22%。表4 2006年世界PVC树脂的供需平衡情况（万t/a）国家和地区生产能力产量进口量出口量消费量非洲42.739.626.77.259.1亚洲2150.21623.6220.4330.61513.4中东欧211.5170.950.482.2139.1中东83.182.498.631.5149.5北美806.2732.084.1112.2703.9大洋洲15.014.011.60.0025.6中南美洲162.9128.357.941.0145.2西欧648.2585.3345.6314.6616.3合计4119.83376.1895.3919.23352.2近些年，一些欧美地区的发达国家认为聚氯乙烯的生产会给环境带来一定的威胁，因此产量增长并不如需求量增长那样迅速，亚洲的一些国家如日本也在大幅度减少聚氯乙烯的生产，增长率甚至连续几年出现负值5。这也使得中国聚氯乙烯的生产量占全球聚氯乙烯的生产量的比重会更大。虽然此种集中型生产会在一定程度上拉动国内出口经济的增长，然而生产中增塑剂、重金属添加剂，有限的石油资源以及焚烧所产生的有害气体等对东亚地区发展中国家的所造成环境问题也不得不引起重视。 1.2.3 我国PVC发展方向如今，国内聚氯乙烯的生产厂商已经达到70多家，年生产量在21世纪初已经达到240万吨左右，全世界范围内位列第三。虽然产量已经遥遥领先，但其品种主要为通用均聚类型，而专用均聚类型的生产却较为欠缺，而共聚类型的产品还不能自主生产。其次，与欧美一些发达国家以及日本等地区比较而言，大陆内部企业所生产出来的PVC产品质量在方面并不占优势。有相关专业人士表明，在以后的数年中，国内聚氯乙烯行业的发展呈现如下趋势：1. 生产技术及工艺的提升，企业经济效益的增长需要依靠生产工艺的多元化以及生产技术的先进性。在软实力方面，引进更加专业、高层次的人才是提高生产工艺的坚强后盾；在硬件设施方面，投资低能耗、高效率的生产装置，改进生产配件，利用计算机、互联网等先进的现代科技，实现企业管理的现代化、生产控制的自动化、安全运行的保障网是保证产品质量，降低生产能耗的重要保障。2. 提高产品的附加值，单纯的聚氯乙烯产品在热学性能以及光学性能方面的表现不佳，在阳光暴晒以及高温环境中容易催化分解。但是如果企业与科研实力较强的高校或者研究所联合，利用企业的资金流转优势和高校或研究所的科研平台将产、学、研结合起来，把现在的纳米科技融入高分子行业中，对聚氯乙烯产品进行改性处理，实现聚氯乙烯的高性能与专业化，克服聚氯乙烯在某些加工、应用中的瓶颈。3. 紧随经济全球化的步伐，中小型企业立足与发展迅猛的社会中已如履薄冰。发展独特的企业文化，树立自身的企业形象。随着互联网的普及，经济全球化也达到了如火如荼的阶段。跨国公司的盛行使中国所面对的竞争压力日益增长，中外合资是克服多种生产技术壁垒、保障需求平衡、增强竞争力的有效途径。1.3 国内外生产方法探究PVC是一种头尾链接的高分子机构，分子量一般在50020000，但由于在聚合反应中不可避免会发生副反应，因此大分子链上除了头尾链接外，还存在少量的少数的头头相连而形成不饱和双键，此外，反应过程中的脱氯化氢会产生叔碳原子（含有氯原子），氧化反应产生支链以及含氧基团等。由副反应而产生的支链一般控制在30-50个。结构式如下：由于PVC分子链上Cl与Cl间具有不同的相对位置，可将PVC聚合物分为无规构型（Cl与Cl间的相对位置不固定）、间规构型（Cl与Cl有规则地分布在分子链的两侧）、等同构型（Cl与Cl有规则地排列在分子链的一侧）。由于PVC为聚合物高分子，因此控制其为全同立构是及其困难的，若出现全同立构，则表现出极少数的结晶部分，聚氯乙烯所表现出的结构主要为无规立构。1.3.1 制备聚氯乙烯单体方法根据不同的原料途径，目前制备氯乙烯的主要工艺大致分为五种，包括电石乙炔法，天然气乙炔法，二氯乙烷法等等。但是，各种方法所使用的原料都是乙炔和乙烯，因此若从所用的单体分类，只有乙炔法和乙烯法。1.乙炔法最原始所采用的方法是电石乙炔法，此种方法生产过程便于操控，所得产物具有较高的品质，然而，电石法对环境的污染较为严重，并且生产过程中所需的能耗高，所以，当人们发现了乙烯法后，电石法在某些发达国家便逐渐被摒弃。但是在中国，乙烯非常稀缺，因此价格也颇为昂贵，并且，乙烯法工艺中所需要的氧氯化装置的也许厂商的大力改动，因此，对于一些中小企业来说，由传统的乙炔法向现代环保的乙烯法转型具有一定挑战。在西部地区，电石资源丰富，在某种程度上带动了电石法的发展，电石法成为诸多厂商所关注的热点。图1 电石法生产氯乙烯设备乙炔法的原理为：首先是乙炔气体的制备，是将大块的电石进行破碎，然后水与电石在发生器内发生反应，反应式为：由于工业条件限制，在乙炔的制备中会伴随副反应，主要的反应式如下：副反应所产生的杂志气体会使乙炔在反应过程中容易发生自燃，并且会吸附反应催化剂氯化汞，因此，在得到乙炔气体后，需要对气体进行净化处理以出去生成的氨气、磷化氢、硫化氢等杂质气体。除杂的反应式如下：再将在除杂过程中产生的酸与盐通入氢氧化钠溶液，然后排出。反应式为：此时便得到基本纯净的乙炔气体，乙炔与反应制备氯乙烯单体，反应式下：将精制后氯乙烯单体聚合即可得到聚氯乙烯产品。图2 电石法生产氯乙烯流程2.乙烯法乙烯氧氯化法简称乙烯法，此方法所制备的氯乙烯单体的质量较高，乙烯法生产聚氯乙烯的原理如下。首先，是乙烯和氯气化合为二氯乙烷然后是二氯乙烷的裂解，产物为和，反应式如下：乙烯法的生产工艺流程如下：图3 乙烯平衡氧氯化生产氯乙烯乙烯法法所制备的氯乙烯单体的质量较高，环境污染小且能够应用于工业化生产，因此此种方法生产聚氯乙烯聚集了世界聚氯乙烯生产厂商的目光，但是乙烯法生产聚氯乙烯最现实的问题就是是否拥有乙烯资源。众所周知，石油资源是中国的软肋，除此之外，国际方面石油价格也是居高不下，因此，结合中国这样一个石油资源并不丰富的发展中国家的国情来说，乙烯法生产聚氯乙烯的方法并不是一种最优方案。然而，我国的煤炭资源相对来说却丰富的多，这就为乙炔法生产技术的实施提供了得天独厚的条件，并且通过与国外厂家、学者的交流与学习以及大型先进设备的投资与引进，我国乙炔法生产聚氯乙烯的水平也在日益提升，不仅在产量与产品的质量方面取得了巨大的突破，而且较之前相比，单体的利用率大幅度增高，因此能源浪费率和对环境的污染程度也大大降低。然而，在生产过程中的最棘手的问题就是如何处理废弃的电石渣，经过我国科研人员与厂家之间的不断努力，形成了电石渣再生产利用一条产业链，将电石渣制成砖块等建筑材料使得乙炔法成为乙烯法未能全面使用时的一种长效可替代方法。1.3.2 氯乙烯单体聚合方法如今，全球生产聚氯乙烯的主要聚合方法大致分为五种（本体聚合法、溶液聚合法、乳液聚合法、微悬浮聚合法、悬浮聚合法）6 。乳液聚合法的概念提出较早，但由于生产所需成本较高，并且生产工艺较为复杂，一直未得到大规模商业化应用。乳液聚合法的主要产品为糊树脂，随着人类生活水平的提高，人们对于家居装饰的要求也逐步增加，而壁纸、汽车内体、地板革等的生产恰巧需要糊树脂，因此乳液聚合的使用比例有望增长。其主要特征见下表：表5 聚合方法比较表项目悬浮聚合本体聚合乳液聚合溶液聚合配方组成单体、引发剂、分散剂、水单体、引发剂单体、引发剂、乳化剂、水单体、引发剂聚合场所单体液滴内本体内胶束和乳胶粒溶液内温度控制容易困难容易容易聚合速度较大中等大小分子量控制较困难困难容易容易生产特性间歇操作间歇操作可连续生产可连续生产主要特性及用途适合于注塑或挤塑树脂聚合物纯净、硬质注塑品涂料、黏合剂涂料、黏合剂根据调查研究，利用悬浮法生产聚氯乙烯在美国所占的比例高达87.8%，而溶液聚合仅仅占到了1.4%。根据调查，日本在生产聚氯乙烯的工艺中所采取的方法主要也是悬浮聚合，但在西欧某些地区，则主要采用乳液聚合与本体聚合。悬浮法能够得到大规模应用主要是由于此种聚合方法具有流程简单，设备便于操控，可规模化生产等优点。除此之外，各国厂商也致力于防粘釜的研究，并且在如何减少产物的杂质含量，提高树脂品质，以及如何生产中减少人力的投入方面的研究也取得了较大的进展。本体法较悬浮法而言，应用主要集中在西欧地区，并且此项专利颁发给了法国的阿托公司。本体法较其他几种方法而言较为环保，因为此种方法在生产过程中无需水、分散剂以及各种化学助剂的加入，不仅减少了能耗，而且可以大幅度提高产品纯度，简化工艺过程。然而，在实际生产中，厂家并不会将悬浮法与本体聚合同时使用。这是由于，虽然利用悬浮法与本体法两种工艺所得到树脂所应用的领域是相通的，但是悬浮法和本体树脂一旦混合，由于静电效应的存在，粉末必将会产生团聚效应，大大降低了粉末的流动性，较弱了粉末的输运与反应效率。如今，由于工艺的限制，本体法的应用并不是非常广泛，甚至可以说是处于停滞不前的状态。1.4 聚合主要工艺1.4.1 聚合釜大型化与优化散热随着社会的发展，世界对聚氯乙烯的需求日益增多，这无疑使得传统的笑醒的反应釜已经满足不了人类所需要的产量，因此设备的大型化已经成为一种不可阻挡的趋势。聚合釜在聚氯乙烯生产中是一种不可或缺的设备，大型聚合釜可以节约生产时间，缩短生产周期，简化生产操作，从而降低了生产成本，改善生产环境等诸多优点。随着聚合釜储存的增大，聚合反应所产生热量也在升高，因此，进一步需要解决的便是如何优化散热。在优化散热方面，国外主要采用回流冷凝，水冷弧形挡板以及底伸式搅拌模式，不仅能够使物料分散得更加均匀，也增加了传热面积，从而优化了散热。除此之外，还可以将冷凝管安置在聚合釜内部，通入冷凝水，突破以往仅从外壁散热的概念。1.4.2 釜壁粘附的防止单体在聚合过程中，粘度会逐渐增大，在交办的作用下便会不可避免的粘附到反应釜的内壁上，从而造成了单体的浪费和聚合物分子大小不均等情况的出现。为了解决这一问题，主要采取一下几种方法：（1） 在反应釜内壁喷洒类似于润滑剂的物质从而大大减少粘附物质，此种防粘溶液的原料主要是一些从天然果汁中提取的一种酸-天然芳基酸，然后用壳素与天然天然芳基酸发生缩聚反应形成防黏剂，对产品的质量没有影响，并且安全环保，甚至可以达到食品级别的要求。对人体也无害。但是防黏剂的使用需要后期的不断加入，并且很难在釜壁上涂覆均匀。（2） 第二种方法是一种纯粹的物理机械清洗法，首先用高压水对粘附物质进行冲洗，粘附物质受到水的压力作用会从内壁上剥离脱落，但是此种方法不能彻底清洁。（3） 第三种是在将结垢抑制剂加入到聚合体系中，此种方法可以大幅度减少单体在反应釜内壁的粘附，但同时结垢抑制剂的质量会影响聚氯乙烯成品的质量，相当于引入了杂质。因此，如果能单纯从物理方面阻止粘附即可克服上述三种方法的不足经过不断的探索与研究，现在已经有公司设计出一种双搅拌聚合釜，这种聚合釜在反应釜的最底端和反应釜的顶端各安装了一个搅拌器，并且顶端与底端的搅拌器的分布于反应釜的对角线上。在反应釜内安置两个搅拌器，可以由此清除单体在死角的残留，并且，根据实验，在两个搅拌器的扇叶上喷涂一种多酚物质，可以大幅度有效的减少粘附物。1.5 PVC聚合釜温度控制方法1.5.1 生产工艺向聚合釜中按照化学计量比依次加入蒸馏水，VC,以及催化剂，混合后进行搅拌至各物质均匀分布7。对反应釜进行升温处理，加热到最佳聚合温度。反应单体在进行聚合反应的过程中，温度需要保持在设定温度的正负0.2范围内。待反应结束时，加入终止剂阻止单体的进一步聚合，然后将剩余的VC进行回收处理，然后通过离心机对其进行离心分离、通过高温蒸汽对其进行高温干燥，得到VC成品，进行再次利用。聚合工序控制主要就是对反应釜内温度的控制，使其波动的范围尽量减小。图3即为聚合釜内温度控制的工艺流程图：图3 聚合釜内温度控制的工艺流程图图中,夹套进口与出口温度平均值即为夹套温度,聚合釜上部与下部温度平均值即为聚合釜温度。1.5.2 温度控制方法聚合釜内的温度控制可以划分为三个步骤。第一步，对反应釜内的单体进行升温，简称为升温阶段。这一阶段需要借助外部能量，使聚合釜内部达到反应的最佳温度。等到温度升高至最佳反应温度后，单体发生聚合，由于聚合反应中会放出大量的热，为了保障设备的安全以及反应的顺利进行，便需要外部的循环水对其进行降温处理，这一阶段即为第二阶段。随着反应的进行，反应的放热速率与反应速率便在一个定值上下波动，此时段的主要目的就是使反应温度控制在一个较小的波动范围内，此阶段便是第三阶段7。具体的程序流程见下图。图4 温度控制程序图第二章 设计数据计算2.1 物料衡算2.1.1 物料的选择聚氯乙烯的合成步骤：A. 向聚合釜内加入蒸馏水；B. 边搅拌边加入分散剂、蒸馏水、以及助剂；然后加入引发剂，密封并抽真空。如有需要，可用氮气排除多余的空气；C. 向反应釜内加入单体，排除反应釜内的氧气，然后升至能够发生聚合的温度，加入单体，使其发生聚合8。所需单体氯乙烯纯度99.9%氯乙烯单体的转化率80%聚合反应釜的投料比0.85，反应时间10小时冷却水的温度为102.1.2 物料的计算根据上述所给条件，进料所需要的时间为2小时，出料所需时间为两小时，发生聚合所需时间为六小时，一个周期共需十个小时。给出目标为年产15万吨聚氯乙烯树脂，假定每天机器的工作时间为24小时，则一年工作340天，则一年的工作时间为：24340=8160（小时）；按照每年有效工作时间8000h计算，则反应所需的周期的数目为：n=800010=800（个）；一个周期聚合反应的时间为六小时，则一年内聚合反应所需的时间为t=8006=4800（小时）氯乙烯的转化率为80%，氯乙烯的纯度为99.9%，则通入氯乙烯的量m=15000080%0.999=187687.688（吨）一个周期生产的聚氯乙烯量为15107800=187500（千克）则每个周期所需要的氯乙烯的用量：1875000.80=234375（千克）氯乙烯的纯度为99.9%，通入釜内的VC的量为：2343750.999= 234609（千克）反应水油比选择范围为1.52.0，此处，选择水油比为1.7则反应所需的用去离子水量为：2346091.7= 398836（千克）生产中所需助剂的量为5%，则助剂的用量为：2346090.05= 11730（千克）通入反应釜的物质的总量为去离子水398836千克，氯乙烯234609千克以及助剂11730千克的质量之和，则进料的总质量为:398836+234609+11730=645175（千克）前面所设氯乙烯的转化率为80%，则出料时未反应的氯乙烯占通入氯乙烯的20%，出料的氯乙烯质量为：2346090.2=46922（千克）聚氯乙烯的量：187500千克出料的质量为未转化的氯乙烯46922，所得产物聚氯乙烯187500千克，以及反应中所加水398836千克和助剂质量11730千克之和，则出料的总质量为：46922+187500+398836+11730=644998（千克）对以上数据汇总可得：反应总时间10h条件进料出料时间2h2h总量645175千克644998千克VC234609千克46922千克PVC0187500千克去离子水398836千克398836千克所需助剂11730千克11730千克2.2 能量衡算物质在发生物理反应或者化学反应时，必然伴随着能量的增加或者减少，因此能量衡算是化工生产设计的一个重要步骤。能量衡算直接关系到设备的型号、台数的选择以及物料通入的速度，合理的能量衡算不仅可以提高聚合产品的质量，而且可以降低企业生产成本9。通常，能量衡算主要就是对反应中热量的衡算，而热量衡算又是以物料衡算为基础的，根据能量衡算，可以对传热设备在单位时间内散出或者得到的能量进行估计，进而根据热负荷合理的选择传热设备、传热方式等。2.2.1 起始热量Q1的计算已知：VC的质量234609千克，比热容CVC =1.46103J /(kg)、水的质量398836千克，比热容为C水=4.18103J /(kg)、助剂的质量11730千克比热容为C助剂=1.38103J /(kg)，则根据公式Q=CmtQVC1 =CVCmVCt=1.4610323460925=8.56109（J）Q水1=C水m水t=4.1810339883625=4.161010（J）Q助剂1=C助剂m助剂t=1.381031173025=4.07108（J）Q1= QVC1+ Q水1+Q助剂1=8.56109+4.161010+4.07108=5.061010（J）2.2.2 升温过程所需能量计算随着温度的升高，氯乙烯聚合速率会加大（温度每升高10，聚合速率约为原来的2.5倍），但同时所得聚合物的分子量会减小，因此，聚合温度的选取对反应所需时间以及所得产品质量会产生很大的影响。根据查阅资料得知，氯乙烯聚合的最佳温度范围在40-60，本次设计选取反应温度为55。则在水温由25升至55的过程中，根据能量计算公式：Q=Cmt带入相应数据，计算所需能量为：QVC =CVCmVCt=1.46103234609（55-25）=1.031010（J）Q水=C水m水t=4.18103398836（55-25）=5.001010(J)Q助剂=C助剂m助剂t=1.3810311730（55-25）=4.83108(J)Q总=QVC+Q水+Q助剂=1.031010+5.001010+4.83108(J)=6.081010（J）2.2.3 聚合总热量计算温度达到50，记Q3为VC、水、助剂、PVC的在50时的总热量，则根据公式Q=Cmt，可得出50时各物质的热量分别是：QVC3= CVCmVCt2=1.4610323460955=3.76109(J)；Q水3=C水m水t2=4.1810339883655=9.161010（J）；Q助剂3=C助剂m助剂t2=1.381031173055=8.90108（J）；QPVC=Cpvc mPVC T=1.2710318750055=1.311010（J）；Q3=QVC3+Q水3+Q助剂3+QPVC =3.76109+9.161010+8.90108+1.311010=1.11011（J）；2.2.4 反应热Q4的计算已知，聚合反应的原理为：n CH2=CHClCH2CH Cl）n+23千卡/mol查阅资料知：1千卡/mol=4.182KJ/mol反应生成的热Q反=234.182103=9.6104（J/mol）反应消耗的VC量为:n=m/M=187500103/（110862.5）=2707.58（mol）则Q4=2707.589.6104=2.6108(J)冷却水带走的能量为记Q5 Q4= Q5= 2.6108(J)2.3 干燥过程数据计算2.3.1 PVC树脂干燥过程物料恒算PVC树脂干燥过程工艺流程图为