聚氯乙烯毕业设计

毕业设计（论文）

     聚氯乙烯(PVC)是5大通用塑料之一,具有耐腐蚀、电绝缘、阻燃性和机械强度高等优异性能,广泛用于工农业及日常生活等各个领域,尤其是近年来建筑市场对PVC产品的巨大需求,使其成为具备相当竞争力的一个塑料品种。

     PVC糊树脂自20世纪30年代开发以来,已有近70年的历史。目前全世界PVC糊树脂总生产能力约200万t/a,其中,西欧是PVC糊树脂生产厂家最多、产量最大的地区。我国聚氯乙烯工业起步于50年代，仅次于酚醛树脂是最早工业化生产的热塑性树脂，第一个PVC装置于1958年在锦西化工厂建成投产，生产能力为3000吨／年。此后全国各地的PVC装置相继建成投产，到目前为止，我国有PVC树脂生产企业80余家，遍布全国29个省、市、自治区，总生产能力达220万吨／年70~75万t/a。PVC树脂在我国塑料工业中具有举足轻重的地位，同时PVC作为氯碱工业中最大的有机耗氯产品，对维持氯碱工业的氯碱平衡具有极其重要的作用。

    本设计为年产量3.26万吨聚氯乙烯车间聚合工段工艺。本次设计采用了氯乙烯单体悬浮聚合工艺。介绍了PVC的聚合工艺，建厂的有关事项及合成聚氯乙烯的流程和设备，对整个生产工艺做出了详细的叙述。

第一章 总论

1.1 国内外 pvc发展状况及发展趋势

    聚氯乙烯（ PVC）是五大热塑性合成树脂之一，塑料制品是最早实现工业化的品种之一。可通过模压、层合、注塑、挤塑、压延、吹塑中空等方式进行加工，而且具有较好的机械性能、耐化学腐蚀性和难燃性等特点，以其低廉的价格和非常突出的性能而广泛地用于生产板材、门窗、管道和阀门等硬制品，也用于生产人造革、薄膜、电线电缆等软制品。近年来，尽管在发达国家受到来自环保等多方面的压力，但世界对的总需求量仍出现稳定的增长态势。

1992 年，世界 生产能力约为二千二百万吨，需求量为1900万吨 ；2002 年世界总产能约为三千四百万吨，消费量约为二千八百万吨；2009年世界生产能力已上升到约三千九百万吨，需求量约为三千七百万吨；2010 年世界生产能力为 4300万吨 ，需求量4200 万吨 。尽管目前世界对PVC的生产和使用存在许多争议，特别在欧洲，对PVC 生产和制品的环保制约越来越严厉，但由于性能优良，生产成本低廉，仍具有较强的活力，特别在塑料门窗、塑料管道等建材领域。

我国聚氯乙烯(PVC)工业起步于50年代，仅次于酚醛树脂是最早工业化生产的热塑性树脂，第一个PVC装置于1958年在锦西化工厂建成投产，生产能力为3000吨／年[1]。此后全国各地的PVC装置相继建成投产，到目前为止，我国有PVC树脂生产企业80余家，遍布全国29个省、市、自治区，总生产能力达220万吨／年。

PVC由氯乙烯(VCM)聚合而成，工业生产一般采用4种聚合方式：悬浮聚合、本体聚合、乳液聚合(禽微悬浮聚合)、溶液聚合。其中悬浮法PVC(SPVC)树脂产量最高，占80％，其次是乳液法PVC(EPVC)，本体法PVC(MPVC)。VCM悬浮聚合是以水为介质，加入VCM、分散剂、引发剂、pH值调节剂等，在搅拌和一定温度条件下进行聚合反应；VCM本体聚合仅在VCM和引发剂存在下进行，无分散剂、表面活性剂等助剂；VCM乳液聚合在VCM、引发剂、乳化剂、H2O以及其他助剂存在下进行{而VCM溶液聚合是在VCM、；引发刘和溶剂存在下进行，这种方法有溶剂回收和残留污染问题，并且生产成本高，该方法已逐渐被悬浮法聚合或乳液法聚合代。目前，生产PVC树脂主要采用悬浮法，少量采用乳液法及本体法。

现在，国内引进PVC生产技术及设备的项目有二十项左右，其中生产能力最大的两套设备是上海氯碱股份有限公司和齐鲁石化总公司的年产20万吨悬浮法PVC树脂装置，采用日本信越公司技术。北京化工二厂、锦西化工厂、福州化工二厂引进美国B．F古德里奇公司悬浮法PVC树脂生产技术，生产高型号树脂，其它还有引进美国西方化学公司的高型号树脂和釜式汽提技术及设备，法国阿托公司、前德国布纳公司、日本吉昂公司、日本钟渊公司、日本三菱公司的糊树脂生产装置和技术、法国本体聚合技术和设备等，这些技术和设备的引进，使我国PVC树脂的生产技术和水平有了很大提高，产品品种有所增加，带动了我国PVC工业的发展[2]。

我国PVC树脂的消费主要分为两大类，一是软制品，约占总消费量的37.o％，主要包括电线电缆、各种用途的膜(根据厚度不同可分为压延膜、防水卷材、可折叠门等)、铺地材料、织物涂层、人造革、各类软管、手套、玩具、塑料鞋以及一些专用涂料和密封件等。二是硬制品，约占总消费量的 53.0％，主要包括各种型材、管材、板材、硬片和瓶等。预计今后几年我国PVC树脂的需求量将以年均约6.4％的速度增长，到2011年总消费量将达到约1250万吨，其中硬制品的年均增长速度将达到约7.0％，而在硬制品中异型材和管材的发展速度增长最快，年均增长率将达到约10.1％。未来我国PVC树脂消费将继续以硬制品为主的方向发展[3]。

中国聚氯乙烯工业有着广阔的发展前景,中国地大物博、人口众多,为聚氯乙烯产品提供了广大的市场。在进入21世纪以后,我们要学习和借鉴国外的先进技术和发展模式,结合我国的具体情况,发展我国的聚氯乙烯工业。我们要发挥全行业的力量,克服前进过程中的各种困难,一定能够在较短的时间内赶上世界聚氯乙烯工业的先进水平[4]。

1.2 单体合成工艺路线

1.2.1乙炔路线

    原料为来自电石水解产生的乙炔和氯化氢气体，在催化剂氧化汞的作用下反应生成氯乙烯。

    具体工艺为：从乙炔发生器来的乙炔气经水洗一塔温度降至35℃以下，在保证乙炔气柜至一定高度时，进入升压机组加压至80kpa·G左右，加压后的乙炔气先进入水洗二塔深度降温至10℃以下，再进入硫酸清净塔中除去粗乙炔气中的S、P等杂质。 最后进入中和塔中和过多的酸性气体，处理后的乙炔气经塔顶除雾器除去饱和水分，制得纯度达98.5%以上，不含S、P的合格精制乙炔气送氯乙烯合成工序。 

乙炔法路线VCM 工业化方法，设备工艺简单，但耗电量大，对环境污染严重。目前，该方法在国外基本上已经被淘汰，由于我国具有丰富廉价的煤炭资源，因此用煤炭和石灰石生成碳化钙电石、然后电石加水生成乙炔的生产路线具有明显的成本优势，我国的VCM 生产目前仍以乙炔法工艺路线为主。乙炔与氯化氢反应生成 可采用气相或液VCM相工艺，其中气相工艺使用较多[5]。

1.2.2乙烯路线

    乙烯氧氯化法由美国公司Goodrich 首先实现工业化生产，该工艺原料来源广泛，生产工艺合理，目前世界上采用本工艺生产的产能VCM约占总产能的VCM 95%以上。

乙烯氧氯化法的反应工艺分为乙烯直接氯化制二氯乙烷（EDC）、乙烯氧氯化制EDC和EDC裂解3个部分，生产装置主要由直接氯化单元、氧氯化单元、EDC裂解单元、EDC 精制单元和VCM单元精制等工艺单元组成。乙烯和氯气在直接氯化单元反应生成EDC。乙烯、氧气以及循环的HCl在氧氯化单元生成EDC。生成的粗EDC在EDC精制单元精制、提纯。然后在精EDC 裂解单元裂解生成的产物进入VCM单元，VCM精制后得到纯VCM产品，未裂解的EDC返回EDC精制单元回收，而HCl则返回氧氯化反应单元循环使用。直接氯化有低温氯化法和高温氯化法； 氧氯化按反应器型式的不同有流化床法和固定床法， 按所用氧源种类分有空气法和纯氧法；EDC裂解按进料状态分有液相进料工艺和气相进料工艺等。具有代表性的 司的Inovyl工艺是将乙烯氧氯化法提纯的循环 EDC和VCM直接氯化的 EDC在裂解炉中进行裂解生产VCM 。HCl经急冷和能量回收后，将产品分离出 HCl（循环用于氧氯化）、高纯度VCM和未反应的EDC（循环用于氯化和提纯）。来自VCM装置的含水物流被汽提，并送至界外处理，以减少废水的生化耗氧量（BOD）。采用该生产工艺，乙烯和氯的转化率超过98%，目前世界上已经有50多套装置采用该工艺技术，总生产能力已经超过470万吨/年[6]。

    本设计采用乙烯路线生产氯乙烯单体。

1.3聚合工艺实践方法

    目前,世界上PVC的主要生产方法有4种:悬浮法、本体法、乳液法和微悬浮法。其中以悬浮法生产的PVC占PVC总产量的近90%,在PVC生产中占重要地位,近年来,该技术已取得突破性进展。

1.3.1本体法聚合生产工艺

    本体聚合生产工艺，其主要特点是反应过程中不需要加水和分散剂。聚合分2步进行，第1步在预聚釜中加人定量的VCM单体、引发剂和添加剂，经加热后在强搅拌(相对第2步聚合过程)的作用下，釜内保持恒定的压力和温度进行预聚合。当VCM的转化率达到8%-12%停止反应，将生成的“种子”送人聚合釜内进行第2步反应。聚合釜在接收到预聚合的“种子”后，再加人一定量的VCM单体、添加剂和引发剂，在这些“种子”的基础上继续聚合，使“种子”逐渐长大到一定的程度，在低速搅拌的作用下，保持恒定压力进行聚合反应。当反应转化率达到60%一85%(根据配方而定)时终止反应，并在聚合釜中脱气、回收未反应的单体，而后在釜内汽提，进一步脱除残留在PVC粉料中的VCM，最后经风送系统将釜内PVC粉料送往分级、均化和包装工序。

1.3.2乳液聚合生产工艺

    氯乙烯乳液聚合方法的最终产品为制造聚氯乙烯增塑糊所用的的聚氯乙烯糊树脂（E-PVC），工业生产分两个阶段：第一阶段氯乙烯单体经乳液聚合反应生成聚氯乙烯胶乳，它是直径0.1~3微米聚氯乙烯初级粒子在水中的悬浮乳状液。第二阶段将聚氯乙烯胶乳，经喷雾干燥得到产品聚氯乙烯糊树脂，它是初级粒子聚集而成得的直径为1~100微米，主要是20~40微米的聚氯乙烯次级粒子。这种次级粒子与增塑剂混合后，经剪切作用崩解为直径更小的颗粒而形成不沉降的聚氯乙烯增塑糊，工业上称之为聚氯乙烯糊。

1.3.3悬浮聚合生产工艺

    因采用悬浮法PVC生产技术易于调节品种，生产过程易于控制，设备和运行费用低，易于大规模组织生产而得到广泛的应用，成为诸多生产工艺中最主要的生产方法。

    工艺特点：悬浮聚合法生产聚氯乙烯树脂的一般工艺过程是在清理后的聚合釜中加入水和悬浮剂、抗氧剂,然后加入氯乙烯单体,在去离子水中搅拌,将单体分散成小液滴,这些小液滴由保护胶加以稳定,并加入可溶于单体的引发剂或引发剂乳液,保持反应过程中的反应速度平稳,然后升温聚合,一般聚合温度在45~70℃之间。使用低温聚合时(如42~45℃),可生产高分子质量的聚氯乙烯树脂；使用高温聚合时(一般在62~71℃)可生产出低分子质量(或超低分子质量)的聚氯乙烯树脂。近年来,为了提高聚合速度和生产效率,国外还研究成功两步悬浮聚合工艺,一般是第一步聚合度控制在600左右,在第二步聚合前加入部分新单体继续聚合。采用两步法聚合的优点是显著缩短了聚合周期,生产出的树脂具有良好的凝胶性能、模塑性能和机械强度。现在悬浮法聚氯乙烯品种日益广泛,应用领域越来越广,除了通用型的树脂外,特殊用途的专用树脂的开发越来越引起PVC厂家的关注,球形树脂、高表观密度建材专用树脂、消光树脂、超高(或超低)分子质量树脂等已成为开发的热点[7]。

    悬浮法PVC的发展趋：在工业化生产PVC时,以悬浮法产量最大,悬浮法生产具有设备投资少和产品成本低等优点。各种聚合方法的发展方向是逐步向悬浮法聚合生产路线倾斜,一些过去采用其它方法生产的树脂品种已开始采用悬浮聚合工艺生产。自从乳液聚合法工业化以后,欧洲、日本在连续悬浮聚合工艺方面开展了大量的研究工作,目前尚未工业化生产,但连续法设备费用低,生产效率高,工艺难题少,已引起了各国科研院所和生产厂家的重视。另外,为进一步提高悬浮法生产的通用树脂和专用树脂的质量,提高产品的专用化、市场化水平,国外厂家在聚合工艺的工艺条件及配料体系等方面做了大量的研究工作,进一步提高了聚合转化率,缩短了聚合周期,提高了生产效率,同时也开发出一系列性能好、易于加工的PVC专用树脂如:超高(或超低)聚合度树脂、高表观密度树脂、无皮树脂、耐辐射树脂、医用树脂、耐热树脂等。可见,各种专用料的开发是悬浮聚合树脂发展的标志,是提高产品使用性能、开发新的应用领域的重要手段[8]。     

    本设计采用悬浮法PVC生产技术。

1.4最佳的配方、后处理设备的选择

1.4.1配方的选择

①单体： 氯乙烯纯度99.98%以上。

②分散剂： 主分散剂主要是纤维素醚和部分水解的聚乙烯醇。纤维素应为水溶性衍生物，如甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素等，聚乙烯醇应由聚醋酸乙烯酯经碱性水解得到，影响其分散效果的因素为其聚合度和水解度，而且-OH基团为嵌段分布时效果最好；副分散剂主要是小分子表面活性剂和地水解度聚乙烯醇。常用非离子型的脱水山梨醇单月硅酸酯。本设计采用88%聚乙烯醇和72.5%的聚乙烯醇。

③引发剂： 由于聚乙烯悬浮聚合温度50~60度上下，应根据反应温度选择合适的引发剂，其原则为在反应温度条件下引发剂的半衰期约为2小时最佳。常用过氧化乙酰环己烷硫酰、过氧化二月桂酰、过碳酸二环己酯等。本设计采用过氧化二碳酸-2-乙基己酯。

④终止剂：反应结束后残余的自由基和引发剂残留在树脂内, 为了保证产品质量, 需要消除它们, 故而加入终止剂。本设计的终止剂为丙酮缩氨基硫脲。当反应出现紧急事故时，采用紧急终止剂ON终止反应。

⑤阻聚剂：本设计采用壬基苯酚作为阻聚剂。

⑥缓冲剂： 碳酸钠、三聚磷酸钠、磷酸钠、氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸铵。本设计采用磷酸三钙。

1.4.2后处理设备侧选择

 ① 聚合釜容积：工业化大生产使用问歇悬浮法聚合釜容量一般为60~107立方米。我国已开发出70立方米聚合釜，样机已在锦西化工机械厂研制成功。本设计采用76立聚合釜。采用微机控制，提高了批次之间树脂质量的稳定性，且消耗定额低。

②传热方式： 传热能力直接影响着聚合反应的速度和生成物的质量，也影响着产量。在大型聚合釜上，国外采用了体外回流冷凝器，体内增设内冷管等除热手段。近几年，美国古德里奇公司又研制出一种薄不锈钢衬里聚合釜，以便提高釜壁的传热能力，为使薄壁能承受反应压力，在不锈钢衬里与聚合釜套之间安装了支撑内衬套的加强筋，这种釜的结构大大提高了聚合釜传热效率，且有较好的承压能力[9]。

 ③搅拌方式 ： 搅拌能力是聚合釜的关键技术指标之一，搅拌能力直接影响着传质、传热及树脂的粒态分布，最终影响产品的质量，而不同的工艺方法对搅拌的要求又不尽相同。过去，PVC聚合釜大都采用平桨和折叶桨，搅拌效果不甚理想。随着搅拌技术的不断进步及搅拌试验手段的不断提高，使我们有条件为PVC釜配备更理想的搅拌器。大量的搅拌实验研究证明，三叶后掠式搅拌器的传质效果好，循环和剪切性能均适合于PVC生产的需要，因此，本设计在PVC生产中采用三叶后掠式搅拌器。

④干燥机： 干燥器发展迅速，主要有2 种方式, 即气流干燥和流态化干燥。我国PVC工业化生产最初主要用的是气流干燥器,但是随着聚合工艺技术的发展, 聚合生产能力提高, 树脂产品也朝着疏松型发展, 气流干燥器从生产能力和干燥效果等方面已经不能满足生产的需要,后来发展到气流干燥器, 沸腾床干燥器和冷风冷却3段干燥技术。但这样动力消耗大, 产品质量不是很好。目前主要用的是旋风干燥器和卧式内加热流化床。旋风干燥器结构简单, 投资较少, 目前很多装置都在用。卧式内加热流化床综合能耗比旋风干燥器要低, 主要有多室沸腾床和两段沸腾床2 种。但在生产中发现多室沸腾床的花板容易漏料, 不同牌号切换时比较麻烦, 且生产能力有限。两段流化床改进了, 操作稳定性好, 易于产品牌号的切换, 生床的花板产能力较大。                           

本设计中采用卧式内加热流化床。　

⑤离心机：对浆料进行离心脱水，得到含水量25%的聚氯乙烯。PVC生产过程中需要大量的逻辑判断和离散控制，因此本设计采用二位式控制组件，如通/断式二位开关阀控制各种物料的传输，和二位控制的电机和泵机。

⑥气体塔：汽提技术及设备也有改进汽提塔朝着节能、高效的方向发展。现在常用的汽提塔主要有溢流堰筛板塔和无堰筛板塔, 有堰筛板塔传质传热仅在筛板上进行, 在板间移动时只有传热没有传质, 而无堰筛板塔在塔内一直都在传质, 目前传热。因此无堰筛板塔效率高于有溢流堰的塔，无堰筛板塔的塔盘设计也逐渐合理科学化, 塔盘的厚度, 开孔率在实践中逐渐优化, 并被纳入设计体系中。很多无堰筛板塔塔盘是整体装卸的, 随着生产能力的提高, 设备 整体装卸很不方便, 目前, 生产能力较大的的增大汽提塔的塔盘, 可以采用可拆卸式的塔盘。汽提塔的塔顶操作压力也逐渐从微正压操作向微负压操作发展, 使得塔顶物料沸腾温度低, 节约了蒸汽却提高了单体脱出效率。为了强化汽提效果, 浆料经过汽提后利用重力作用进入闪蒸罐, 进一步汽提, 降温[10]。因此，本设计采用无堰筛板塔。

1.5 防粘釜技术

聚合釜的防粘釜是聚合生产中最重要的工序之一。防粘釜效果好的釜, 能有较好的传热系数, 能减少因此产生的塑化片。防粘釜一直是聚合生产的重要工作, 这方面得到了很大的发展。首先, 聚合釜的表面抛光质量有了很大的提高且内件简单化、圆滑化。其次, 通过专用的设备使用高效的防粘釜剂, 实行聚合釜自动喷涂防粘釜液和自动水冲洗釜。釜涂布与水洗设备分开, 釜内设置双伸缩头自动喷洗高压水, 设定双固定或者可伸缩涂布设备(如费阀,喷吐环等)。目前, 先进的防粘釜技术是冲洗、喷涂与高效防粘釜剂的结合体。整个防粘技术过程全部采用DCS自动操作。首先打开蒸汽进料阀喷入适量的蒸汽, 用泵将已配制成规定浓度的涂壁剂注入蒸汽管路, 借助蒸汽流速使其雾化进釜, 在釜壁形成一层均匀的疏油亲水膜, 在聚合过程中此膜有效地防止有机相与釜壁接触, 从而起到防粘釜的作用。为了达到较好的涂壁效果, 对于喷涂的蒸汽, 防粘釜剂的压力逐步优化, 对于防粘釜剂的量也根据釜的特点而定。涂壁完成后, 冷却一段时间使防粘釜剂更好地粘在釜上,之后用清洗水冲釜以彻底冲掉多余的防粘剂[11]。目前国内生产用的防粘釜剂主要有意大利黄, 美PVC国红, 英国蓝。经过实践, 意大利黄在防粘釜效果和对产品白度的影响方面有利于生产, 但价格较高。

为了生产更高质量的聚乙烯，产品本设计采用意大利黄防粘釜剂。

1.6原料及产品性能

①氯乙烯 ： CH2=CHCl  分子量  62.50 ，无色易液化的气体。液体的密度0．912lg／cm3。沸点-13．9℃。凝固点-160℃。自燃点472℃。临界温度142℃。临界压力55.2Pa。难溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮和二氯乙烷。易聚合，能与丁二烯、乙烯、丙烯、内烯腈、醋酸乙烯、两烯酸酯和马来酸酯等共聚。能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限3．6-26．4％。遇明火、高温有燃烧爆炸的危险。

    无空气和水分的纯氯乙烯很稳定，对碳钢无腐蚀作用。有氧存在时，氯乙烯过 氧化物，它可与水生成盐酸从而腐蚀设备，过氧化物还可以使氯乙烯产生自聚作用。长距离 运输时应加入阻聚剂氢醌。

②PVC树脂：密度1.4    ；工业品是白色或浅黄色粉末；低分子量的易溶于酮类、酯类和氯代烃类溶剂，高分子量的则难溶；用于制塑料、涂料和合成纤维等。根据所加增塑剂的多少，可制成软质和硬质塑料。前者可用于制透明薄膜（如雨衣、台布、包装材料、农膜等）、人造革、泡沫塑料和电线套层等。后者可用于制板材、管道、阀门和门窗等；具有极好的耐化学腐蚀性，但热稳定性和耐光性较差，在100℃以上或长时间阳光暴晒开始分解出氯化氢，制造塑料时需加稳定及，电绝缘性优良。不会燃烧。

③磷酸钙别名磷酸三钙：化学式Ca3(PO4)2，分子量310.18。白色无定形粉末。溶于稀盐酸、、磷酸、乙酸、亚硫酸，生成可溶性酸式磷酸盐，也能溶于铵盐溶液。不溶于水、乙醇和乙醚。熔点1670℃，密度3.14g/cm3。用于制乳色玻璃、陶瓷、涂料、媒染剂、药物、肥料、家畜饲料添加剂、糖浆澄清剂、塑料稳定剂等。天然矿物叫磷灰石矿，纯品可用氰化钙和磷钠酸溶液作用或者用氢氧化钙跟磷酸作用制得。

④聚乙烯醇：是一种高分子聚合物，无臭、无毒，外观为白色或微黄色絮状、片状或粉末状固体。分子式为（C2H4O）n，絮状PVA的假比重为（0.21 ～0.30）g/cm3，片状PVA的假比重为（0.47±0.06）g/cm3。

    聚乙烯醇有较好的化学稳定性及良好的绝缘性、成膜性。具有多元醇的典型化学性质，能进行酯化、醚化及缩醛化等反应。

⑤过氧化二碳酸（2－乙基己基）酯 ： 本品为无色透明液体，EHP活性氧≥2.70%，NaCl含量≤0.20%；相对密度0.9。商品为50%~65%的甲苯、二甲苯、矿物油溶液；理论活性氧含量4.62%。含量为46%的EHP溶液的半衰期为40℃，10.33h；50℃，1.5h；受热或见光易分解，储运温度＜－15℃，时间少于3个月。

⑥丙酮缩氨基硫脲：为白色片状结晶,熔点179-180℃。溶于酸,微溶于水和乙醇。

 用途;丙酮缩氨基硫脲主要用于合成2-（2-异亚丙基肼基）-4-取代基噻唑、2-肼基-4-取代基噻唑及2-（2-取代肼基）-4-取代基噻唑系列抗菌素。如2-（2-甲酰肼基）-4-（5-硝基-2-呋喃基）噻唑,即硝呋噻唑。

⑦对壬基苯酚：淡黄色粘稠液体。略有苯酚气味。相对密度0.94-0.95（20/20℃）。沸点（95%）283-302℃。不溶于水，略溶于石油醚，溶于丙酮、四氯化碳、乙醇和氯仿。用于制备合成洗涤剂、增湿剂、润滑油添加剂、增塑剂等。由壬烯与苯酚在酸性催化剂存在下缩合而成。

1.7 聚合机理

1.7.1自由基聚合机理

氯乙烯悬浮聚合反应，属于自由基链锁加聚反应，它的反应一般由链引发，链增长，链终止，链转移及基元反应组成。

    ①链引发  过氧化物引发剂受热后过氧链断裂生成两个自由基:初级自由基与VCM形成单体自由基。

    ②链增长 单体自由基具有很高的活性，所以打开单体的双键形成自由基，新的自由基活性并不衰减，继续与其它单体反应生成更多的链自由基。

    ③链终止  聚合反应不断进行，当达到一定的聚合度，分子链己足够长，单体的浓度逐渐降低，使大分子的活动受到，就会大分子失去活性即失去电子而终 止与其它氯乙烯活性分子反应。终止有偶合终止和歧化终止。

    l)偶合终止   两个活性大分子自由基相遇时，两个自由基头部电子对配对形成共价键所形成的饱和大分子叫偶合终止。

    2)歧化终止

两个活性大分子自由基相遇时，其中一个自由基夺取另一个自由基上的氢原子而饱和，另一个高分子自由基失去一个氢原子而带有不饱和基团，这种终止反应的方式叫双基歧化终止。有时活性大分子自由基与金属器壁中的自由电子结合而终止，即形成粘釜。

④链转移  在氯乙烯聚合反应中，大分子自由基可以从单体，溶剂，一个氯原子或氢原子而终止，失去原子的分子将成为自由基，引发剂或大分子上夺取继续进行新的链增长反应。包括向单体的氯转移、向溶剂链转移、向引发剂链转移、向大分子。

1.7.2链反应动力学机理

    链反应动力学来看，根据转化率可分为三阶段：

    ①转化率＜5%阶段。聚合反应发生在单体相中，由于所产生的聚合物数量甚少，反应速度服从典型的动力学方程，聚合反应速度与引发剂用量的平方根成正比，当聚合物的生产量增加后，则聚合速度由于kt降低而发生偏差。

    ②转化率5%～65%阶段。聚合反应在富单体和聚氯乙烯——单体凝胶中间是进行，并且产生自动加速现象。其原因在于链终止反应主要在两个增长的大分子自由基之间进行，而他们在粘稠的聚合物——单体凝胶相的扩散速度显著降低，因而链终止速度减慢，所以聚合速度加快，呈现自动加速现象。

    ③转化率＞65%阶段。转化率超过65%以后，游离的氯乙烯基本上消失，釜内压力开始下降，此时聚合反应发生在聚合物凝胶相中，由于残存的氯乙烯逐渐消耗，凝胶相得粘度迅速增高，因此聚合反应速度仍继续上升，大到最大值后逐渐降低。当聚合反应速率低于总反应速率以后，使反应终止。

1.7.3 成粒机理与颗粒形态

关于氯乙烯悬浮聚合过程生成多孔性不规整的理论解释，认为成粒过程分为两部分；

①单体在水中的分散和发生在水相和氯乙烯——水相界面发生的反应，此过程主要控制聚氯乙烯颗粒的大小及其分布。

②在单体液滴内和聚氯乙烯凝胶相内发生的化学与物理过程，此过程主要控制所得聚氯乙烯颗粒的形态。

    在聚合反应釜中液态氯乙烯单体在强力搅拌和分散剂的作用下，被破碎为平均直径30～40μm的液珠分散于水相中，单体液珠与水相得界面上吸附了分散剂。当聚合反应发生以后，界面层上的分散剂发生氯乙烯接枝聚合反应，使分散剂的活动性和分散保护作用降低，液珠开始由于碰击而合并为较大粒子，并处于动态平衡状态。此时单体转化率约为4%～5%。当转化率进一步提高，达到20%左右后，由于分散剂接枝反应的色深入，能够阻止粒子碰击合并，所以所得聚氯乙烯颗粒数目开始处于稳定不变的状态，因而此后的搅拌速度对于产品的平均粒径不再发生影响。最终产品的粒径在100～180μm范围，个商品牌号的粒径个有其具体范围，取决于生产的聚氯乙烯树脂用途、分散剂类型、用量和反应起始阶段的搅拌速度等参数。通常是使用的分散剂浓度高，则易得空隙率低（≤10%）的圆球状树脂颗粒，尤其是使用明胶作为分散剂是，其影响最为明显。由于地孔隙率树脂的反应结束后，脱除残存的单体较困难，而且吸收增塑剂速度慢，难以塑化所以逐渐淘汰。产品的平均粒径因不同用途而有所不同要求：用于生产软质制品的聚氯乙烯树脂平均粒径要求低些在100～130μm左右；用于生产硬质制品者要求在150～180μm范围；分子量较低的牌号则要求在130～160μm范围。此数据不能绝对化，因工厂生产条件的不同而有所不同。

转移。

1.8影响聚合及产品质量的因素 

    因素有搅拌、分散剂、聚合温度等,结合树脂的成粒过程等。 

① 搅拌：在悬浮聚合过程中,搅拌对聚氯乙烯树脂颗粒形态的影响主要表现在影响PVC树脂的粒径及分布、孔隙率等,但搅拌的作用与分散剂的性质互相影响、互相补充。增加搅拌度将使悬浮分散体系内液滴变细,PVC树脂平均粒子变小,但搅拌强度过大,又将促使体系内液滴碰撞聚并,使PVC树脂的平均粒径变大。PVC树脂平均粒径与搅拌转速的关系曲线呈马鞍形。随着搅拌转速的增加,能使聚氯乙烯树脂的初级直径变小,孔隙率增加,吸油率增大。

② 分散剂：在搅拌特性固定的条件下,分散剂种类、性质和用量则成为控制树脂颗粒性的关键因素。在聚合过程中,分散剂影树脂颗粒的宏观微观两层次的成粒。就宏观而言,要求分散剂应具有降低单体和的界面张力,以利于VCM的分散和保护滴或颗粒,减少聚并。单一分散剂较难同时满足上两方面要求,为制得颗粒规整、粒度分布中,既疏松表观密度又适合的聚氯乙烯脂,往往将两种和两种以上分散剂复合用。其中一分散剂以降低界面张力、提高散能力为主,另一则保证有足够的保能力。有时为了满足特殊性能要求,在此础上再添加油溶性辅助分散剂或表面活剂,调节分散剂在VCM中的分配系数,使散剂的作用深入到颗粒的微观层次[12]。

③ 聚合温度：在VC悬浮聚合中不存在链转移剂时,聚氯乙烯的分子量几乎取决于聚合温度,按照生产树脂牌号的要求,聚合温度一般在45～65℃范围内选择。在较高温度下聚合,树脂粒径增长减慢,最终平均粒径减小。聚合温度对聚氯乙烯树脂颗粒形态的影响主要表现在温度对PVC树脂的孔隙率有影响。聚合温度低,形成的树脂结构较疏松；高温下聚合由于初级粒子熔合成团以及初级粒子聚集体的紧密堆砌排列,从而制得的PVC树脂孔隙率较低,这是因为随着聚合温度的升高,初级粒子变少,熔结程度加深,粒子呈球形,而聚合温较低时,则容易形成不规则的聚结体,从而使孔隙率增加。通过以上的理论了解更加深了对聚合反应的理解。

 ④ 汽提控制的影响：汽提工艺主要影响聚氯乙烯树脂中单体残留量和杂质粒子数等指标。所谓聚氯乙烯树脂残留VCM的含量是指聚氯乙烯树脂之中所吸附或溶解的未聚合的VCM,由于VCM和聚氯乙烯的大分子结构,导致相互间具有较大的亲和力,这也是残留VCM难以完全脱除的原因。

1.9工艺流程叙述

1.9.1加料系统 

(1) VCM的贮存与加料：

从VCM车间运送来的新鲜单体VCM，经过过滤器（1）进入VCM贮槽（2）中贮存，同时由VCM回收工序来的回收VCM贮存在回收VCM贮槽（7）中。用VCM泵（3）连续从回收贮槽抽料、并经过VCM加料过滤器（5a，b）过滤，循环回收到VCM贮槽（7）中。目的是保留VCM加料的压力，使VCM不汽化，以避免再加料时损坏流量计。加料时（4）泵先加回收单体，（6）泵后加新鲜单体，回收和新鲜单体有一定配比。

(2) 脱盐水的贮存与加料：

冷脱盐水（来自界区）经计量进入冷脱盐水贮槽（13）中或热脱盐水贮槽（17）中。冷脱盐水经加热器（15）加热到要求温度后进入热脱盐水贮槽（17）中，待加料用，该槽有温度范围或液位低时聚合釜不能入料。

加料时，根据聚合温度的要求把冷热脱盐水混合，用冷脱盐水加料泵（14）和热脱盐水加料泵（18）打入聚合釜中，混合温度在两泵出口汇总管处由冷、热脱盐水量来调节。

(3) 注入水与冲洗水的加料：

注入水泵（20），从冷脱盐水贮槽（13）抽水向各脱盐水用户供水，泵出口压力2.1Pa用于聚合釜轴封、浆料泵（46）、块料破碎机（48）等。此泵有稳压系统，另外该泵出口脱盐水还用于聚合釜的注入水，比保证釡内容积恒定。

冲洗水泵泵出口压力1.1MPa，用于冲洗管理，并为助剂配制提水，同时为冲洗水增压泵（16）提供水及设备冲洗水，冲洗水泵的水经冲洗水增压泵（16）增压后向聚合釡（42）、回收分离器（54）、汽提加料槽（61）等提供1.4 MPa的冲洗水。

(4) 助剂的配制及加料：

 ① 缓冲剂系统

缓冲剂是在配制槽（37）中配制，配制时需15～30分钟，不设单独贮槽，加缓冲剂时，计算机程序关闭循环线，打开充料伐，经（38）充装泵，将缓冲剂加到称重槽（39）中到规定时间用加料泵（40）加入到聚合釜（42）中，同时重新使用循环系统使缓冲剂配制槽中物料续循环。

② 分散剂系统

  本设计采用两种分散剂混合使用。

  分散剂A：分散剂在配制槽（31）中配制，分散剂加料时，先将分散剂打入计量槽（此时循环已停），达到定量后，启动循环系统，同时计量槽中分散剂用充装泵（36）打入聚合釜。

分散剂B：配置过程如分散剂（I），然后将配制好的分散剂（II）放入分散剂贮槽（33）中单独贮存，同样有个冷冻盐水冷却并用充装泵（34）循环。此溶液搅拌较强烈，以防分散剂分离。

 ③ 调节剂的配制

调节剂在有局部搅拌的调节剂贮槽（9）内贮存，加料时用调节剂充装泵（10）计量加入聚合釜（42），此管线带压无需冲洗。

④ 引发剂系统

引发剂在引发剂配制槽（25）中配制，配制合格后放入引发剂贮槽（26）中贮存待用。引发剂贮槽（26）用冷却水冷却到规定的低温，搅拌并用循环泵（27）打循环。加引发剂时，先由贮槽（26）放到引发剂称重槽（28）中，然后用加料泵（29）定量加入聚合釜（42）内。

⑤ 终止剂系统

终止剂在带搅拌和排空装置的不锈钢容器（11）中配制，先将定量的脱盐水和NaOH加入到终止剂配制槽（11）中，开动搅拌后将定量的终止剂加入到配制槽（11）中，当聚合达到规定转化率时，需加终止剂。加终止剂时，按规定的程序，用终止剂充装泵（12）从终止剂贮槽（11）中抽出，配方量的终止剂经计量后从注入管加入聚合釜，加终止剂时应关闭注入水切断阀，加完终止剂后应关闭聚合釜终止剂阀及终止剂泵出口阀，停泵。

事故终止剂NO，在停车或停电等紧急情况下加入聚合釜、迅速终止聚反应。

⑥ 涂壁系统

涂壁剂溶液在配制槽（22）中按规定配方进行配度和贮存。聚合出料完毕后，用高压水（14Kg/㎝2 G）冲洗釜90秒钟，废水用浆料泵（43），打至废水贮罐（57）中，洗涤后进行涂壁操作。

1.9.2聚合系统 

聚合：

   若聚合釜打开过釡盖，则需抽真空真空度为710mmHg柱，将缓冲剂加到脱盐水总管内，然后用脱盐水把缓冲剂带入到聚合釜。脱盐水启动后，加入VCM、开动搅拌，当脱盐水和VCM加完后，釜内温度应接近聚合温度，继续搅拌一定时间，使VCM液滴在水中形成，然后加入分散剂，继续搅拌一定时间，以保证分散体系形成，最后加入引发剂，使聚合反应开始。

   聚合反应开始后，向挡板通入冷却水并达到最大流量，然后向夹套中通入冷却水，并保持反应温度，冷却水流量由计算机根据聚合釜上、中、下温度控制，同时计算机计算出反应放出的热量，并与聚氯乙烯聚合动力浮模型的理论计算值比较，计算出VCM到PVC的转化率。

   聚合反应开始后，两股注入水应加入聚合釜，以保证釡内容积恒定，一股注入水来自聚合釜搅拌器的轴封衬套、另一股由釡顶注入。

   聚合反应终点，可依据反应时温度或测定单体转化率及根据压力降来确定，通常按压力降来确定，当聚合反应到达终点时，定量的终止剂将自动加入到聚合釜内以终止聚合反应。

出料结束后，用1.4Mpa的水冲洗后即可即可进行涂壁操作准备。

1.9.3回收系统

（1）浆料汽提系统

由汽提塔浆料槽（47）底部来的浆料，经块料破碎机（48）破碎后，用汽提塔供给泵（49）经板式换热器（50）与汽提完毕的浆料换热，一部分从塔顶加入汽提塔，另一部分回流到浆料槽（47），同时蒸汽由汽提塔底部进入； VCM由蒸汽汽提带走。塔釜浆料由塔底浆料泵(46)送出，并与浆料槽（47）来的浆料换热后，一部分送到浆料混料槽（84），另一部分返回塔釜液位同时防止浆料中PVC沉降，汽提完毕的浆料中，VCM残留量在30PPm左右，塔顶出来的含VCM的蒸汽，用冷凝器（53）冷凝，由分离器（54）分离，冷凝液用分离器底泵（56）送至废水贮槽（57），未凝的汽提经过滤器（55）过滤，送至VCM回收工序，浆料送至干燥工序。

（2）废水汽提系统

这些废水贮存在废水贮槽（57）中，由塔底泵（58）打出与废水汽提塔（61）底出来的热水换热器（59）后，一部分由塔顶加入废水汽提塔（61）中，另一部分循环，同时蒸汽由塔底加入与废水进行传质交换后，废水中VCM提出并由塔顶带走，随后进入塔顶冷凝器（62）冷凝，不凝液去压缩机（63）压缩回收，冷凝液回收到废水贮槽（57），废水汽提塔塔釜的废水用泵（60）打出，经换热器（59）换热后进入废水池，并与离心机母液，一起排除界区。

（3）VCM回收系统

   聚合反应结束后，未反应的VCM，一部分随浆料进入汽提塔加料槽（47），这部分VCM从槽顶出来，经汽液分离器（54）除去水分，并经过滤器（65）过滤后用压缩机（66）升压至0.35Mpa以上，送至回收冷凝器（67）中；另一部分是残留在聚合釜中的单体，这部分未反应的单体是在聚合釜出料达50m3时回收，在塔顶压力大于0.35mPa时，单体进入回收冷凝器（67），当釡顶压力小于0.35mPa时，启动间断回收压缩机（66），把单体压缩送到冷凝器（67），经浆料汽提，废水汽提等来回收VCM。

1.9.4干燥系统

混料槽（84）的PVC浆料，用浆料泵（85）送至沉降式离心机（86 a-d），超过离心机能力的部分浆料返回混料槽（84），这两个槽有保温系统同时槽底部还有氮气和蒸汽管路，通过槽中以便搅拌或清洗换型时用。

浆料经离心机分离，母液进入母液池沉降后排放，滤饼用螺旋输送器（87）、破碎机（93）,破碎输送沸腾干燥床内，用热风热水来脱除树脂内部水分。干燥所用的热风使用主风机（90）加入，主风机皆有过滤器（88、94），洁净的空气用加热器（91）加热后，从沸腾床底部进入干燥器。

干燥所需冷风，由冷风机（99）经空气过滤器（100）过滤后进入沸腾床六室。

干燥好的树脂由星型加料器（96）和排风机（102）抽至旋风分离器，使气固相分离，气相在用2#双筒旋风分离器（110）分离，气体排空，（107）（110）两个分离器分离出的树脂经双重阐（112）和星型加料器（109）进入圆型振动筛（111）进行筛分，合格的成品进入中间料仓（113）然后由工人包装送至仓库。

1.10厂址的选择

    厂址选择是一项包括政治、经济、技术的综合性工作。必须贯彻国家建设的各项方针，多方案比较论证，选出投资省、建设快、运营费低、具有最佳经济效益、环境效益和社会效益的厂址。

原则：符合所在地区、城市、乡镇总体规划布局； 节约用地，不占用良田及经济效益高的土地，并符合国家现行土地管理、环 境保护、水土保持等法规有关规定； 有利于保护环境与景观，尽量远离风景游览区和自然保护区，不污染水源， 有利于三废处理，并符合现行环境保规规定。

    本设计厂址选择在沈阳经济开发区化学工业园。

第二章  工艺计算

2.1物料衡算

2.1.1聚合釜

（1）物料平衡图

                        图1  聚合釜物料平衡图

（2）已知数据

釡有效容积V有效=68m3

装料系数η=0.874

转化率x%=85%

水油比1.3﹕1

收率=99%

热负荷分布指数 R=1.2～1.4(R取1.3)

夹套传热系数K夹套=510Kcal/ m2 hr℃

挡板传热系数K挡板=946Kcal/ m2 hr℃

夹套进出口水温：t进=7℃      t出=12℃

挡板进出口水温：t进=7℃      t出=15℃

夹套传热面积：F夹套=80 m2

挡板传热面积：F挡板=18 m2

注入水温度t=20℃      聚合温度t=57℃

假定聚合釡回收的VCM占未反应单体的85%

（3）计算

    ① 单体及水加入量计算

单体密度ρ60℃=0.8363g/cm3

        ρ50℃=0.85g/cm3

根据内差法求出57℃时单体的密度：

ρ57℃=[(57-60) /(50-60)]×(0.85-0.8363)+0.8363=842.3kg/ m3

水的密度ρ60℃=988.1kg/ m3

        ρ50℃=983.2kg/ m3

用内差法求出57℃时水的密度：

ρ57℃=986.6kg/ m3

设单体加入量为x m3/釡    水加入量为y m3/釡

釡有效容积V有效=68m3，装料系数η=0.874，水油比1.3﹕1

列方程组   x+y=68×0.874

          （ρ水57℃×y）/（ρ单体57℃×x）=1.3﹕1

解得：x=28.14 m3/釡   y=31.29m3/釡

    ② 注入水用量

注入水体积    Δv=cw∕ρ1ρ2×（ρ1-ρ2）

式中 c: 单体VCM转化率

     W：VCM加入量（质量kg）

     ρ1 ρ2 分别是单体和PVC树脂密度

Δv=85%×28.14×842.3×（84203-1400）÷（842.3×1400）=9.53m3/釜

由已知注入水温20℃，此时ρ水20℃=998.2kg/m3

  注入水量为9.53×988.2=9512.8kg/釜

③ 聚合反应时间

a 夹套传热量=传热面积×传热系数×Δtm夹

Δtm夹=[(57-7)-(57-12)]/ln[(57-7)-(57-12)]=47.5℃

∴Q夹=510×80×47.5=1.938×106kcal/h

b 同理可计挡板传热量Q挡=F挡×K挡×Δtm挡

Δtm挡=[(57-7)-(57-15)]/ln[(57-7)-(57-15)]=45.9℃

Q挡=946×18×45.9=7.816×105kcal/h

c 注入水流量 Q注=CpwΔt

注入水温由20℃升到57℃

平均水温t平均=（20+57）/2=38.5℃

注入水比热容Cp20℃=4.183KJ/（kg℃）

Cp40℃=4.174KJ/（kg℃）

其平均比热容Cp平均=4.180KJ/（kg℃）=0.997kmol/（kg℃）

∴Q注=0.997×9512.8/τ反×37=350917.679/τ反

最大移热量Qmax=Q夹+Q挡+Q注=2719585.2+350917.679/τ反

物料总放热量 Q总=G×X%×ΔH℃

加入总物料量 G=28.14×842.3=23702.3kg

ΔHx=366kcal/kg·VCM   x%为转化率

取热负荷指数 R=1.3

R=(Qmax-τ反)/Q总

τ反=R·Q总/Qmax=1.3×23702.3×0.85×366/（2719585.2+350917.679）=3.4h

    ④ 引发剂用量

引发剂用量 Nr=N0(1-[I]/[I0])=N0(1-e-0.693τ/τ1/2)

∴N0=Nr（1-e-0.693τ/τ1/2）

引发剂的理论消耗量取Nr1.1mol/tvcm

引发剂的半衰期 lnτ1/2=A/T-B

式中  A=15108   B=45.484   T=273.15+57=330.154

Lnτ1/2=15108/330.15-45.484=0.277

τ1/2=1.32h

N0=Nr（1-e0.6933×3.4/1.32）=1.32mol/tvcm

实际加入量EHP量（分子量346）：1.32×346×842.3×28.14×106=10.83kg/釜

    ⑤ 缓冲剂用量

缓冲剂=单体×3.5/104

缓冲剂用量=（3.5/104）×28.17×842.3=8.30kg/釜

    ⑥ 分散剂用量

88%          PVA        4.8kg

72.5%        PVA        11.238kg

    ⑦ 终止剂（ATSC）

ATSC=[I]/2=10.83/2=5.41kg/釜

出料（以釜为标准）

出料中的PVC量：28.14×842.3×0.85×0.99=19945.5kg

损失的PVC量：28.14×842.3×0.85×0.01=201.5kg

未反应VCM：28.14×842.3×0.15=3555.3kg

脱盐水：31.29×984.7=30811.3kg

回收VCM：28.14×842.3×0.15×0.85=3022kg

剩余VCM：3555.3-3022=533.3kg

（4）物料平衡表

 表一 物料衡算表

序号      品名          进料量（kg）        出料量（kg） 

1         VCM           23702.3            回收3022

                                           剩余533.3       

2         PVC                              19945.5 

                                           损失201.5

3        脱盐水         30811.3            30811.34             

4        注入水         9512.8             9512.8

5        EHP            10.83              10.83

6        ATSC           5.41               5.41

7        缓冲剂         8.30               8.30

8        分散剂         16.038             16.038

         合计           066.9783         066.978

2.1.2 混料槽

（1）物料平衡图

                   图2  混料槽物料平衡图

（2）已知数据

进料PVC：19945.5kg   收率 99.5%

水、助剂： 30811.3+9512.8+10.83+5.41+8.30+16.038=403.678kg

进料VCM 533.3kg   出混料槽VCM含量为7000ppm

（3）计算

出料中的PVC量：19945.5×0.995=19845.77kg

损失的PVC量：19945.5×0.005=99.73kg

设出料中VCM为Xkg

X/(19845.77+403.78+X)=7000×10-6

∴X=422.68kg

回收VCM：533.3-422.68=110.62kg

（4）物料平衡表

                       表二 混料槽物料平衡图

序号       品名        进料量（kg）      出料量（kg）

1          PVC         19945.5           19845.77

                                         损失99.73

2          VCM          533.3            422.68 

                                         回收110.62           

3  水、助剂     403.678        403.678

           合计         60843.478        60843.478

2.1.3汽提塔

（1）物料平衡图

                            图3  汽提塔物料平衡图

（2）已知数据

塔顶数据： 75 ～80℃      塔底温度 ： t底=110℃

出汽提塔的VCM为50ppm

收率：99.5%       产量为3.26万吨/年

年工作时间数：8000h       PVC含水量：0.3%

（3）计算

① PVC的进料量

每小时生产纯干：3.26×107×（1-0.003）/8000=4062.8kg/h

考虑以下各步收率

汽提塔：99.5%   离心机：99%    沸腾床：99%    包装：98.5%

故汽提塔进料中含PVC

GPVC=4062.8/(0.995×0.99×0.99×0.985)=4229.57kg

以PVC为基准   转化系数4229.57/19845.77

② 水、助剂的量

水、助剂：（4229.57/19845.77）×403.678=8602.6kg/h

③ VCM的量

VCM：（4229.57/19845.77）×422.68=90.08kg/h

④ 热量计算

a.取塔顶温度为80℃，塔底温度为110℃

对于VCM t平均=（80+100）/2=95℃

VCM比热Cp90℃=26.602cal/克分子℃

Cp100℃=27.19cal/克分子℃

用内插法求得Cp95℃=26.605cal/克分子℃=0.4257kcal/kg℃

110℃VCM汽化热ΔHVCM=3034cal/克分子=48.5kcal/kg

水的比热Cp90℃=4.22J/kg℃   Cp100℃=4.208KJ/kg·℃

Cp95℃=4.214KJ/kg·℃=1.007kcal/kg·℃

b、3atm大气压下求水蒸气的焓及温度（3atm=304Pa）

水蒸气的焓 ΔH300kPa=2728.5KJ/kg

           ΔH350kPa=2736.1KJ/kg

水蒸气的温度t300kPa=133.3℃    t350kPa=138.8℃

分别用内插法得

ΔH3atm=2729.1KJ/kg=651.98kcal/kg    t3atm=133.7℃

C、1atm大气压下  110℃水的焓=461.34KJ/kg=110.21kcal/kg

设蒸汽冷凝放热量为Q放，通入蒸汽量为ykg/h

∴Q放=y（651.98-110.21）=541.77y

设物料吸收热量为Q1  部分VCM气化吸热为Q2

∴Q吸=Q1+Q2=Q放

Q1=CpPVCWPVCt+CpPVCWVCMt+CpH2ot

Cp=1.8422KJ/kg℃=0.44kcal/kg℃

∴Q1=0.44×4229.57×（110-80）+0.4257×90.08×（110-80）+1.007×8602.6×（110-80）=316865.26kcal/h

设从塔顶回收xkg/hVCM

∴Q2=48.5x

∴Q吸=Q1+Q2=316865.26+48.5x=541.77y                     （1）

汽提塔出料中VCM含量为50ppm

（90.08-x）/[4229.57×0.995+8602.6+(90.08-x)+y]=50×10-6 

                                                       （2） 

联立（1）（2）

解得： x=.41

y=592.62

∴出料中VCM：90.08-.41=0.67kg/h

  出料中PVC:4229.57×0.995=4208.42kg/h

损失PVC:4229.57-4208.42=21.15kg/h

（4）物料平衡表

表三 汽提塔物料平衡表

序号       品名        进料量（kg）       出料量（kg）

1          PVC         4229.57           4208.42

                                          损失21.15

2          VCM         90.08              0.67

                                          回收.41

3          水、助剂    8602.6             8602.6

4          蒸汽        592.62            592.62

           合计       13514.87          13514.87

2.1.4离心机

（1）物料平衡图

     表4  离心机物料平衡表

（2）已知数据

收率99%   出料PVC含水量25%   助剂及少量VCM随母液排出，假设在这一步，助剂和少量VCM全部除掉

（3）计算

出料中PVC量：4208.42×0.99=4166.34㎏/h

损失PVC量:4208.42－4166.34=42.08kg/h

设出料含水x㎏/h

∴x/﹙4166.34＋x＋0.67﹚=25%

      解得：x=13kg/h

排出水、助剂的量：8602.6＋592.62－13=7806.22㎏/h

（4）物料平衡图

表四 离心机物料平衡表

序号       品名      进料量（kg）       出料量（kg）

1          PVC        4208.42             4166.34

                                        损失42.08

2          VCM        0.67              0.67

3        水、助剂     8602.6+592.62      7806.22

                                        13（和PVC结合）

          合计       13404.31           13404.31

2.1.5 沸腾床

  （1）物料平衡图

         表5  沸腾床物料平衡表

﹙2﹚已知数据

收率99%   PVC含水量0.3%   含VCM 5ppm

﹙3﹚ 计算

出料中PVC的量：4166.34×0.99=4124.68㎏/h

损失PVC的量：4166.34－4124.68=41.66㎏/h

设出料中PVC含水量x㎏/h，   VCM y㎏/h

             ﹙4166.34＋x＋y﹚×0.003=x

                            y/﹙4124.68＋x＋y﹚=5×10﹣6

∴解得：x=12.54㎏/h         y=0.021㎏/h

排出水：13-12.54=1376.46㎏/h

回收VCM：0.67-0.021=0.9kg/h

﹙4﹚物料平衡表

表五 沸腾床物料平衡表

序号     品名          进料量㎏／h         出料量㎏／h

1        PVC           4166.34             4124.68

                                           损失41.66

2        VCM           0.67                0.021

                                           回收0.9

3        水           13                  12.54﹙结合水﹚

                                            1376.46

合计                  5556.01             5556.01

2.1.6 包装

﹙1﹚物料平衡图

              表6  包装物料平衡图

﹙2﹚已知数据

收率98.5%

﹙3﹚计算

损失PVC：4124.68×﹙1－0.985﹚=61.87㎏／h

得到的产品：4124.68－61.87=4062.81㎏／h

核算：4062.81×8000=32502480≈3.25万吨

﹙4﹚物料平衡表

表六 包装物料平衡表

序号    品名         进料量（㎏／h）      出料量（㎏／h）

1       PVC          4124.68              4062.81

                                          损失61.87

2       VCM           0.021               0.021

3       水            12.54               12.54

合计          4137.43            4137.43

2.2热量衡算

2.2.1聚合釜

 夹套传热系数的校核

 已知数据：

 釡内径：T=3810㎜   釡内壁厚：3+33㎜

 三叶后掠式桨叶直径：D=（0.4～0.55）T

 夹套半管外径：114.3㎜

 夹套冷却水温度：t进=7℃    t出=12℃

 δ碳钢层：33㎜       δ不锈钢：3㎜

δ粘釡物：0.1㎜      δ水垢层：≤0.2㎜

热量衡算取洪峰放热的数据，转化率为70%

   （1）釡内壁给热系数αi的计算

αi =A·(λm/T)·(NRe)a·(NPr)b·(Vis)c

 = A·(λm/T)·(ρm·N·D2/μm)a·(Cpm·μm/λm)b(μb/μw)c

   式中: A:悬浮液对壁面的传热膜系数；

         T：釡内径；

         D：搅拌桨叶直径；

         N：搅拌器转数；

        μw：壁温下流体的粘度；

        λm ，Cpm，ρm，μb：分别为悬浮液在反应温度下的导热系数，恒压热容，密度和黏度。

式中：A=0.37   a=0.67   b=0.33   c=0.14                                   

    ① 悬浮液的密度

悬浮体系各组分体积如下：（转化率为70%）

脱盐水：31.29 m3

注入水量：△v=cw/ρ1ρ2×(ρ1-ρ2)= 70%×28.14×842.3×(842.3-1400) ÷(842.3×1400)=7.85m3

VCM量：28.14×30%=8.44 m3

PVC量：28.14×70%×842.3/1400=11.85 m3

则悬浮体系总体积：31.29+7.85+8.44+11.85=59.43 m3

各组分体积分率：

  水：x1=（31.29+7.85）/59.43=0.659      ρ1=984.7 kg/ m3

  VCM：x2=8.44/59.43=0.142

      ρ2=842.3 kg/ m3

 PVC：x3=11.856/59.43=0.199

      ρ3=1400 kg/ m3

∴ρm=∑xiρi=0.659×984.7+0.142×842.3+0.199×1400=1047.1kg/ m3

     ② 浮液导热系数λm的计算

λm=λc·[2λc+λd-2φd(λc-λd)]/[ 2λc+λd+φd(λc-λd)]

式中：λc，λd分别为连续相和分散相的导热系数

      φd为分散相体积分率

转化率达70%的氯乙烯悬浮聚合体系，有机粒子本身可看作聚氯乙烯分散在氯乙烯中的悬浮体系，再由有机粒子在水中构成总的悬浮体系。

a．PVC分散在VCM中的悬浮体系—有机粒子的λPVC-VCM

φPVC=11.86/（11.86+8.45）=0.584

液态VCM导热系数公式λVCM=A·ρVCM·C VCM·（ρVCM/M）1/3

其中：ρVCM=0.8423g/㎝3    C VCM=0.38 Kcal/ kg·℃ 

M=62.5   A=1.52

∴λPVC连=1.52×0.8423×0.38×（0.8423/62.5）1/3

=0.1158 Kcal/ hr m℃

λPVC分=0.14 Kcal/ hr m℃

∴λ=0.1158×[2×0.1158+0.14-2×0.584×(0.1158-0.14)]/[2×0.1158+0.14+0.584×(0.1158-0.14)]=0.1295 Kcal/ hr m℃

b.有机粒子分散于水中的λm

λ水50℃=.78×10-2W/M℃     λ水60℃=65.94×10-2W/M℃

内差法得λ水57℃=0.6559 W/M℃=0.5639 Kcal/ hr m℃

λm=0.5639×[2×0.5939+0.1295-2×(0.142+0.199) ×(0.5639-0.1295)] /[2×0.5639+0.1295+(0.142+0.199) ×(0.5639-0.1295)]=0.3856 Kcal/ hr m℃

① 悬浮液的比热Cm

57℃时：Cvcm=0.38 Kcal/ kg·℃    Cpvc=0.44 Kcal/ kg·℃

    C水50℃=4.174kJ/kg·℃      C水60℃=4.178 kJ/kg·℃

内差法得：C水57℃=4.177 kJ/kg·℃=0.998 Kcal/ kg·℃

悬浮液各组分的质量分率：

     VCM质量=28.14×30%×842.3=7110.7 kg

     H2O质量=（31.29+7.85）×984.7=38541.2 kg

 PVC质量=28.14×70%×1400=27577.2 kg

总质量=7110.7+38541.2+27577.2=73229.1 kg

∴各组分的质量分率：

        xvcm=7110.7/73229.1=0.097

        xpvc=27577.2/73229.1=0.377

        xH2O=38541.2/73229.1=0.526

∴Cm=∑xici=0.38×0.097+0.44×0.377+0.998×0.526

=0.728 Kcal/ kg·℃

② 悬浮液的平均粘度μm

μm=（1+0.5∮s）μ/（1-∮s）4

式中：∮s为分散相体积分率      μ为反应温度下水的粘度

μ水50℃=0.5494×10-3mPa·s      μ水60℃=0.4688×10-3mPa·s

内差法得μ水57℃=0.4930×10-3mPa·s

μm=（1+0.5∮s）μ/（1-∮s）4

=[1+0.5(0.142+0.199)] ×0.4930×10-3/[1-(0.142+0.199)]4

=3.060×10-3mPa·s

近似认为釡内壁温度为夹套冷却水温度

     t进=7℃             t出=12℃ 

     ∴t平均=9.5℃  

     μ水0℃=1.7921×10-3mPa·s      μ水10℃=1.3077×10-3mPa·s

内差法得：μ水9.5℃=1.3319×10-3mPa·s

μm=（1+0.5∮s）μ/（1-∮s）4

    =[1+0.5(0.142+0.199)] ×1.3319×10-3/[1-(0.142+0.199)]4

    =8.26610-3mPa·s

③ 其它参数的确定

搅拌转数：N=97.5rPm

釡内径： T=3810mm=3.81m

取桨叶直径：D=0.5T=0.5×3.81=1.905m

∴釡内壁给热系数αi

αi= A·(λm/T)·(ρm·N·D2/μm)a·(Cpm·μm/λm)b(μb/μw)c

=0.37×（0.3856/3.81）×[1047.1×（97.5/60）×1.9052/(3.059×10-3×10-3)]0.67×(0.728×3.059×10-3×10-3×3600/0.3856)0.33×(3.059×10-3/8.266×10-3)0.14

=15919.6 Kcal/ hr m℃

    (2) 釡外壁给热系数α0的计算

    α0=0.023·（λ/De）·（De·ω·ρ/μ）0.8（Cp·μ·3600/λ）0.4·（1+1.77 De/Rj）

式中：De：螺槽的当量直径；

      Rj：夹套的曲率半径；

      ω：冷却水在夹套中的流速

① 夹套冷却水流速ω的计算

Q夹=K夹·F夹·△tm

=510×80×47.5=1.938×106 Kcal/ hr

Q夹=W夹·Cp·△t    （W夹为冷却水流量）

Cp0℃=4.212 kJ/kg·℃      Cp10℃=4.191 kJ/kg·℃

内差法得：Cp9.5℃=4.192 kJ/kg·℃=1.001 Kcal/ kg·℃

∴W夹= Q夹/ Cp·△t=1.938×106/1.001×（12-7）

=0.3872×106 Kcal/ hr

9.5℃下，ρH20=999.71 kg/ m3

∴冷却水的体积流量为：Q=0.3872×106/999.71=387.3 m3/ hr

∴冷却水的流速：ω=体积流量/截面积= Q/（πr2/2）

                     =387.3/[3.14×3600×(0.1/2)2/2]

                     =27.41m/s

② 螺槽的当量直径De的计算

De=4×液体流过的面积/液体润湿周边

=4×3.14×(0.1/2)2/2/2×（3.14×0.1/2+0.1）=0.0611m

夹套的曲率半径Rj

Rj=0.1143/2×2+3.81/2+（0.033+0.003）=1.9696m

③ 冷却水的Cp，λ，μ值

Cp9.5℃=1.001 Kcal/ kg·℃     μ水9.5℃=1.3319×10-3mPa·s

λ0℃=55.13×10-2w/m℃         λ10℃=57.45×10-2w/m℃

内差法得：λ9.5℃=57.33×10-2w/m℃=49.3×10-2 Kcal/ hr m℃

∴釡外壁给热系数α0

α0=0.023×（49.3×10-2/0.0611）×[0.0611×27.41×999.71/ (1.3319×10-3×10-3)]0.8×[1.001×1.3319×3600×10-3×10-3/（49.3×10-2）]0.4×(1+1.770.0611/ 1.9696)

=584217.84 Kcal/ hr m℃

(3) 釡壁热阻的计算

碳钢层厚：δ1=33mm                  λ1=45 Kcal/ hr m℃

不锈钢层：δ2=3mm                   λ2=15 Kcal/ hr m℃

粘釡物：  δ3=0.1mm                 λ3=0.14 Kcal/ hr m℃

水垢厚：   δ4≤0.2㎜                  λ4=1.5 Kcal/ hr m℃

∑δ/λ=（33/45+3/15+0.1/0.14+0.2/1.5）×10-3

=1.78095×10-3 hr m2℃/ Kcal

(4) 夹套传热系数K

1/k=1/αi+1/α0+∑δ/λ

   =1/15408.15+1/584217.84+1.78095×10-3 

解得：K=541.25 Kcal/ hr m2℃＞510 Kcal/ hr m2℃

综上物料衡算中的K取值510 Kcal/ hr m2℃是可行的

2.2.2沸腾床的热量计算

(1) 内热式沸腾床示意图

          图7 内热式沸腾床

(2) 已知相关数据

湿物料进口温度：θ1=50℃（含水25% ）

产品PVC出口温度：θ3=40℃（含水0.3% ）

湿物料在第Ⅴ室的出口温度：θ2=55℃

热风的入口温度：t1=85℃

热风经沸腾床Ⅰ到Ⅴ室出第Ⅴ室温度：t2=60℃

第Ⅵ室冷风温度：冬季：进口-15℃     出口：0℃

                夏季：进口20℃     出口：35℃

热水入口温度：90℃，经Ⅰ到Ⅴ室出口温度：80℃

其中：热空气提供的热量是干燥所需总热量的的15%

      热水提供的热量是干燥所需总热量的的85%

      冷风用量占热风用量的1/5（体积流量）

      第Ⅵ室通冷却水进口温度：20℃       出口温度：30℃

      单位面积的风量是相等的

       PVC绝干物料进料为：4166.34 kg/ hr 

       H2O：13 kg/ hr

       共计：4166.34+13=5555.34 kg/ hr

厂址的气温为： 夏季平均气温：25℃      平均相对湿度：65%

                冬季平均气温：-13℃    平均相对湿度：53%

(3) 热量衡算

① 干空气用量的计算

A.被蒸发的水分质量

公式：ω=G1·（ω1-ω2）/（1-ω2）

式中：G1：湿物料进沸腾床流量    G1=5112.23 kg/ hr

ω1：干燥前湿基含水量     ω2干燥后湿基含水量

ω1=25%           ω2=0.3%

∴ω=5555.34×（25-0.3）/（100-0.3）=1376.30 kg/ hr

因由已知有15%的热量由空气提供

∴有15%的水分被热风干燥

ω×15%=1376.30×0.15=206.45 kg/ hr

B.空气湿度的计算

湿度公式：H0=0.622∮Ps/（P-∮Ps）   其中以P=760mmHg计算

式中：∮：相对湿度；

Ps：饱和蒸汽压

冬季：在-13℃时，Ps=1.486mmHg

∴H0=0.622×0.53×1.486/（760-0.53×1.486）=6.45×10-4 kg/ kg绝干气

夏季：在25℃时，Ps=23.76mmHg

∴H0=0.622×0.65×23.76/（760-0.65×23.76）=0.0129 kg/ kg绝干气

C.热量计算

a.蒸发出的水分吸热公式如下：

b.公式：θ=w（I2-I1）

60℃时，  I2=622.5 Kcal/ kg

50℃时，  I1=50.0 Kcal/ kg

∴Q1=13769.30×（622.5-50）=787931.75Kcal/ hr

b．物料升温    50℃到55℃

公式：θ=M·C·Δt

t平均=（55+50）/2=52.5℃

Cp,PVC平均=0.44 Kcal/kg·℃    Cp，H2O平均=0.9974 Kcal/kg·℃  

QPVC=4166.34×0.44×（55-50）=9165.95Kcal/ hr

QH2O=（13-1376.30）×0.9974×（55-50）=63.33 Kcal/ hr

∴Q2= QPVC +QH2O=9165+63.33=9229.28Kcal/ hr

c. VCM升温，汽化吸热

Q=m·ΔH+ m·Cp·Δt

式中：ΔH为汽化热，Cp为比热

50℃到60℃,  VCM平均汽化热为65.0 Kcal/kg

    VCM脱除为0.601 Kcal/ hr

    CpH2O=0.372 Kcal/kg·℃

∴Q3=0.756×65.0+0.756×0.372×（60-50）=51.95Kcal/ hr

d.热损失Q4（占10%）

Q4/（Q1 +Q2 +Q3+ Q4）=0.1

解得：Q4=88579.22Kcal/ hr

∴Q总= Q1 +Q2 +Q3+ Q4=885792.2 Kcal/ hr

热风放热量为：

885792.2×15%=132868.83Kcal/ hr

e.热风放热

没有L（kg干空气/ hr）的热风放热

CH=1.01+1.88H     CH：kJ/kg绝干气·℃

冬季：H1=6.45×10-4 kg/kg绝干气

夏季：H1＇=0.0129 kg/kg绝干气

∴冬季：Q=（1.01+1.88×6.45×10-4）×（85-60）·L1

=6.04 L1

∴6.04 L1=132868.83 Kcal/ hr

L1=21998.15kg绝干气/ hr

公式L1= ω/（ H2 -H1）

式中：ω为单位时间内水分的蒸发量kg/ hr

H2=ω/L1+ H1=206.45/21998.15+6.45×10-4=0.01003kg/kg绝干气

夏季：Q＇=（1.01+1.88×0.0129）×（85-60）·L＇=6.177 L1＇

 L＇=132868.83/6.177=21510.25 kg绝干气/ hr

∴H2=W/ L1＇ + H1＇=206.45/21510.25+0.0129

                   =0.0225 kg/ kg绝干气

综上得知：

冬季绝干空气用量：21998.15 kg绝干气/ hr

夏季绝干空气用量：21510.25 kg绝干气/ hr

冬季热风：21998.15（1+ H1） 

       =21998.15×（1+6.45×10-4）=22012.34 kg/ hr

夏季热风：21510.25（1+ H1＇）

       =21510.25×（1+0.0129）=21787.73kg/ hr

② 废气出口温度t2

A. 湿度的计算

前五室出来的干空气为：L冬=21998.15 kg绝干气/ hr

             L夏=21510.25 kg绝干气/ hr

由前面计算知：H冬2=0.01003 kg/kg绝干气

     H夏2=0.0225 kg/kg绝干气

又已知温度：t2=60℃

由已知第六室冷风用量为热风用量的1/5  故有：

冬季：1/5L冬=1/5×21998.15=4399.63 kg绝干气/ hr

夏季：1/5L夏=1/5×21510.25=4302.05 kg绝干气/ hr

冬：t进=-15℃     t出=0℃

夏：t进=20℃      t出=35℃

∴出口处湿度为：

冬：H=H1×1/6+H2×5/6

     =6.45×10-4×1/6+0.01003×5/6

     =0.00847 kg/kg绝干气

夏：H= H1×1/6+ H2×5/6

=0.0129×1/6+0.0225×5/6

=0.0209 kg/kg绝干气

B．用在各处的焓值可求得t2

I=[(1.01+1.88H)t+2490H]×0.23        （1J=0.23cal）

冬季 I1=[(1.01+1.88×0.01003)×60+2490×0.01003]×0.23

 =20.714 Kcal/kg绝干气

I2=[(1.01+1.88×6.45×10-4)×0+2490×6.45×10-4]×0.23

  =0.3837 Kcal/kg绝干气

I总=5/6 I1+1/6 I2

即（5/6×20.714×1/6×0.3837）×（1/0.23）

=[(1.01+1.88×0.00847)×t21+2490×0.00847]

解得: t2＇=50.13℃  

夏季: I1=[(1.01+1.88×0.0225)×60+2490×0.0225]×0.23

  =28.468 Kcal/kg绝干气

I2=[(1.01+1.88×0.0129)×35+2490×0.0129]×0.23

  =16.32 Kcal/kg绝干气

I总=5/6 I1+1/6 I2

即（5/6×28.468×1/6×16.32）×（1/0.23）

=[(1.01+1.88×0.0209)×t211+2490×0.0209]

解得: t2＇＇=55.℃  

冬季出口温度：t2＇=50.13℃

夏季出口温度：t2＇＇=55.℃

③ 冷却水用量：

冷却水：t进=20℃      t出=30℃

湿物料在第Ⅴ室出口温度：θ2=55℃

产品出口温度：θ3=40℃

PVC放热量为：Q= m·C·△t

在40℃到55℃时：Cp，pvc平均=0.275 Kcal/kg·℃

       Cp，H2O平均=0.997 Kcal/kg·℃  

QPVC=4166.34×0.275×（55-40）=17186.15kcal/ hr

QH2O=（13-1376.3）×0.997×（55-40）=1.93 Kcal/ hr

Q放热= QPVC+ QH2O=17186.15+1.93=17376.08 Kcal/ hr

冷却水的焓值：20℃      I1=20.04 Kcal/kg

           30℃      I2=30.02 Kcal/kg

冷风带走的热量：

冷风的焓值：

冬季：I1= [(1.01+1.88H知)t+2490H知]×0.23    

=[(1.01+1.88×6.45×10-4)×（-15）+2490×6.45×10-4]×0.23 =-3.24 Kcal/kg绝干气

夏季：I1=[(1.01+1.88×0.0129)×20+2490×0.0129]×0.23

  =12.62 Kcal/kg绝干气

冬季：I2=[(1.01+1.88×6.45×10-4)×0+2490×6.45×10-4]×0.23

  =0.3837 Kcal/kg绝干气

夏季：I2=[(1.01+1.88×0.0129)×35+2490×0.0129]×0.23

  =16.32 Kcal/kg绝干气

冷风用量：  冬季：4399.63kg干空气/ hr

        夏季：4302.05kg干空气/ hr

∴冷风带走的热量如下：

冬季：Q=L冬×（I2冬-I1冬）

  =4399.63×（0.3837+3.24）

  =15942.94Kcal/ hr

夏季：Q=L夏×（I2夏-I1夏）

  =4302.05×（16.32-12.62）

  =15917.59 Kcal/ hr

冷却水带走的热量：Q=M（30.02-20.04）=9.98 M

冬季：9.98 M=17376.08-21908.75  解得M=143.60kg/ hr

夏季：9.98 M=17376.08-15917.59  解得M=146.14kg/ hr

④ 热水用量的计算

由前面计算得：Q总=885792.2Kcal/ hr

热水提供的热量= Q总×85%

       =885792.2×85%

       =752923.37 Kcal/ hr

热水： t进=90℃       I=376.81kJ/kg=90.02 Kcal/kg

       t出=80℃       I=334.94kJ/kg=80.02 Kcal/kg

∴G（90.02-80.02）=752923.37

解得热水用量G=75292.34kg/ hr

⑤ 预热空气蒸汽用量

设循环水使用中无热量损失

蒸汽为3atm，温度为133.74℃，I=651.87 Kcal/kg

100℃的水，I=100.12 Kcal/kg

冬季：I85℃-I-13℃=（1.01+1.88H冬）×0.23×（85+13）=23.67 Kcal/kg

L冬（I85℃-I-13℃）=21998.15×23.67=G（651.87-100.12）

解得：G=943.72 kg/ hr

夏季：I85℃-I25℃=（1.01+1.88H夏）×0.23×（85-25）=14.82 Kcal/kg

L夏（I85℃-I-13℃）=21510.25×14.82=G（651.87-100.12）

解得：G=577.77 kg/ hr

⑥ 沸腾床干燥热效率

干燥热效率：η=蒸发水分所需热量/向干燥系统输入总热量×100%

    η=Q/Q总=787931.75/885792.2×100%=88.95%

⑦ 气流输送用的空气量G

从沸腾床出来的PVC树脂经星形加料器采用气力输送进入旋风分

器，混合比取R=7

R为单位质量气体所输送的固体质量：R=Gs/G

Gs=4124.68kg/ hr（由物料衡算得）

∴G= Gs/R=4124.68/7=5.24 kg/ hr

2.3 设备的计算及选型 

2.3.1  聚合釜

(1)釡外型尺寸及内部构件辅助设备

釡有效容积：68 m3

釡内径：3810mm

直筒高度：4923mm

釡壁厚度：33+3mm；（碳钢层：33mm；不锈钢层：3mm）

釡内设计压力：2.1Mpa

釡设计温度：93℃

夹套形式：半管螺旋式夹套

夹套半管外径：114.3mm

夹套半管内径：100mm

夹套传热面积：80 m2

内冷挡板传热面积：18 m2

挡板形式：四根圆形底部固定，内部有套管的挡板

密封形式：双端面机械密封

搅拌器形式：F传动底伸式，两层三叶后掠式搅拌器

搅拌桨叶尺寸：桨叶直径：d=0.57=1905mm

             桨叶宽度：b=0.057=190.5mm

             上挠角：ν=15°

             后掠角：β=50°

搅拌器的转数：N=97.5rpm；

搅拌电机功率：P=150kw；

(2) 聚合釜台数及设备后备系数的计算

加料时间：水，30min     单体：30min      助剂：30min

出料时间：30min

排空时间：30min

清釜时间：30min

冷凝搅拌时间：30min

∴聚合辅助时间：ta=30×7=210min=3.5 hr

∴每釡聚合时间：tτ=tR+ta=3.4+3.5=6.9 hr

故每釡生产的产品量=每釡加入的单体量×单体转化率×全部工艺流程总的单程收率=（28.14×842.3）×85%×（99%×99.5%×99.5%×99%×99%×98.5%）=19063.3 kg/釡次

每年生产的釡次：8000/6.9=1159.4釡次/年

∴每年可以生产PVC量（绝干）：19063.3×1159.4=22101990.02 kg/年

对于本设计要求的3.26万吨/年（含水0.3%）的产量应需70.4 m3聚合釜台数为：

          3.26×107×（1-0.3%）/22101990.02=1.47

     ∴实际取两台聚合釜

   釡后备系数=（实际釡台数-理论台数）/理论台数=（2-1.47）/1.47=36.05%

3.3.2 混料槽

几何尺寸：

(1) 汽提塔加料槽（一台）

容积：131.2 m3

          设计压力：16.5kgf/cm2

          型号：ф4700×8350

(2)浆料混料槽（二台）

型号：ф5500×10050

容积：120 m3

3.3.3 汽提塔

  塔形：穿流式无溢流管的筛板塔

（1）塔尺寸及塔特性参数

  塔径：1300mm

  塔高：19175mm

  塔板数：20块

  板间距：610mm

  孔间距：50mm（筛孔呈三角形排列）

（2）操作工艺条件

   塔顶温度：110℃

   塔底温度：114℃

   塔底压力范围：0.024—0.224Mpa

   浆料流量范围：8.3-40 m3/ hr

3.3.4 离心机

   类型：卧式螺旋卸料沉降离心机

   型号：LW520XIZ74-N

                 直径：520mm

 转鼓             转数：2750rpm

                分离因数：2202

离心机外形尺寸：3550×2730×900

         机器总重：4500kg

                       型号：YB280M-4A

   电动机              转数：1480rpm

                       功率：90KW

螺旋差转数：56rpm

选离心机生产能力为：1800kg/ hr

由物料衡算知：进料量为4208.42 kg/ hr

 ∴离心机台数：4208.42/1800=2.34台

 ∴取三台离心机

3.3.5内热式沸腾床的计算

  (1) 适宜操作气速的计算

    ① 临界流化气速的计算（μmf）

公式：μmf=4.08·Dp1.82（ρs-ρf）0.94/（Z0.88-ρf0.06）

式中：Dp：颗粒平均直径，以100目计算

            ρs，ρf：固体粒子和流体的密度kg/ m3 

      ρs=1400 kg/ m3

由已知挡风进出口温度：t1=85℃      t2=60℃

ρf85℃=0.986 kg/ m3      ρf60℃=1.06 kg/ m3

内差法得ρf72.5℃=1.023 kg/ m3

Z85℃=2.13×10-2cp         Z60℃=2.01×10-2cp

内差法得Z72.5℃=2.07×10-2cp

   ∴临界流化气速μmf为：

μmf=4.08×（147×10-6）1.82×（1400-1.023）0.94/[(2.07×10-2)0.88×(1.023)0.06]

          =0.01183 m/s

      按Rep，mf =（Dp·μmf·ρf）/μf

              =（147×10-6×0.01183×1.023）/（2.07×10-2×10-3）

              =0.086＜10

      故不需进行校正

      ∴μmf=0.01183 m/s

② 最大流化气速μtп

       公式：μt= dp2（ρs-ρf）·g/（18μf）   （Rep≤0.4）

       其中：dp：最小颗粒粒度

             dp=dmin=120目=121.1μm

       μt=（121.1×10-6）2×（1400-1.023）×9.8/（18×2.07×10-5）

          =0.5396 m/s

     校核：Rep=（dp·μt·ρf）/μf

              =（121.1×10-6×0.5396×1.023）/2.07×10-5

              =3.23＞0.4

       ∴上述公式在本设计中不适用。假定0.4＜Rep＜500

       公式：μt=[(4/225)·(1400-1.023) 2×9.82/(1.023×2.07×10-5)]1/3×121.1×10-6

                =0.6544 m/s

     校核：

            Rep=（dp·μt·ρf）/μf

               =（121.1×10-6×0.6544×1.023）/2.07×10-5=3.92

     满足条件  0.4＜Rep=3.92＜500

     综上得最大流化气速

              μt=0.6544 m/s

③ 适宜操作气速μ的计算

     μmf＜μ＜μt

      流化数Fn=操作速度/临界流化速度=μ/μmf

本设计中：Fn=47～50

   在Fn=47时，μ=47μmf=47×0.01183=0.557 m/s

     Fn=50时，μ=50μmf=50×0.01183=0.593 m/s

     ∴取操作气速μ=0.575 m/s

         此时：Fn=0.575/0.01183=48.5

(2)分布板结构设计

       ① 分布板面积的计算

   分布板的长宽比=2.5～2.7﹕1  （本设计取a﹕b=2.6﹕1）

   比容：VH=（0.772+1.244H）×（273+t）/273×1.013×105/p

      式中:VH: m3湿空气/kg绝干气 ；

           Z：气体粘度

   冬季：H=6.45×10-4 kg/kg绝干气

            G=21998.15 kg干空气/ hr

         85℃时，VH=（0.772+1.244×6.45×10-4）×（273+85）/273

                   =1.0134 m3湿空气/kg绝干气

   夏季：H=0.0129 kg/kg绝干气

             G=21510.25kg绝干气/ hr

         85℃时，VH=（0.772+1.244×0.0129）×（273+85）/273

                   =1.0334 m3湿空气/kg绝干气

   又V=G·VH

      式中：G：绝干空气量  kg干空气/ hr

            VH：比容  m3湿空气/kg绝干气

∴V冬热=21998.15×1.0134=22292.93 m3/ hr

  V夏热=21510.25×1.0334=22228.69 m3/ hr

   由已知冷风用量为热风用量的1/5，∴F冷=1/5 F热 （又a/b=2.6）

   ∴V热=5/6ab·μ·3600（以冬季热风流量为基准）

    22292.93=5/6×2.6b2×0.575×3600

   ∴b=[22292.93/(5/6×2.6×0.575×3600)]1/2=2.229 m

   ∴a=2.6b=2.6×2.229=5.780 m

   则沸腾床分布板的面积为：

     ab=5.780×2.229=12.88  

 校核： 冬季：u1=22292.93/（5/6×12.88×3600）=0.576 m/s

          夏季：uf=21510.25/（5/6×12.88×3600）=0.558 m/s

          两者均在0.557和0.593之间，所以合理

 ② 布置

   ∵F冷=1/5 F热

  ∴加热区长：5/6a=5/6×5.578=4.8 m

    冷却区长：1/6a=1/6×50578=0.930m

    加热区面积：F热=5/6×12.88=10.73 m2

    冷却区面积：F冷=1/6×12.88=2.15m2

③ 开孔率和开孔数

     已知：  孔径 d0=0.6mm    孔速u0=20 m/s

     开孔数：n=空气流量/（孔速×孔面积）=V/（3600×u0×πr2）

       即 n=6×22292.93/[3600×20×3.14×(0.6×10-3/2) 2×5）

           =1314752(个)

    开孔率：ф=空面积/分布板面积

              =1314752×3.14×(0.6×10-3/2) 2/12.28

              =3.03%

(3)挡板高度的计算

   ① 静床的高度H0

             H0=ut

       式中： u—操作气速m/s；

              t—物料在沸腾床内的停留时间s（本设计t=2s）；

       又u=0.575 m/s

    ∴静床高度  H0=ut=0.575×2=1.15m

     ② 床层的膨胀比R

       R=膨胀的体积/自然堆积时体积

        =Vf/Vk=Lf/Lmf=（1-εmf）/（1-εf）

       式中：Lmf—临界流化床层高度；

             Lf—流化床层高度；

            ρk—堆积密度（ρk=500～600 kg/m3，本设计取ρk=550 kg/m3）；

            ρs—颗粒密度kg/m3；

            εmf—临界流化床空隙率（εmf=1-ρk/ρs）；

            εf—流化床空隙率。

        εf=1.7×[u3ufρk/dp3g2(ρs-ρf)2]1/9.3

 其中：u—适宜操作气速m/s；

       uf—空气粘度 kg·s/ m2；

       dp—PVC平均直径m。

εf=1.7×[0.5753×（2.07×10-5/9.8）×1.023/（147×10-6）3×9.82×(1400-1.023)2]1/9.3=0.775

εmf=1-ρk/ρs=1-550/1400=0.607

∴R=(1-εmf)/ (1-εf)=（1-0.607）/（1-0.775）=1.75

   故取整数膨胀比取R=2.0

③ 浓相段高度H

H1=H0R=1.15×2.0=2.3m

④ 挡板高度

H2= H1+0.2=2.3+0.2=2.5 m

（4）溢流板高度

           H3= H1-0.2=2.3-0.2=2.1 m

（5）稀相段高度

        H4=1.2 m

（6）顶盖处高度（顶高）：500mm

（7）出料室高度：1.25 m

（8）床底进风处高度：1 m

（9）通风净截面积   f=G/3600V

式中：G：空气流量 kg/hr；

 V：空气质量流速（V=8～12kg/ m2·s，本设计取11 kg/ m2·s）；

 以冬季为准：G=22012.34 kg/ hr

∴f净=22012.34/（3600×11）=0.556m3

（10）空气预热器装置

据通风净截面积选SRL型翘片式散热器

其规格尺寸如下所示

表7 空气预热器装置表

校核

重量流速：υ=G/3600 f净=22012.34/3600×0.556=11.00合理

(11)组数

传热系数公式  K=12.3Vr0.510

式中：    Vr：空气重量流量

          Vr=22012.34/3600×0.556=11.00kg/m2·s

∴K=12.3×11.000.510=41.78kcal/m2hr℃

Q=K·FΔtm（以冬季为准）

3atm蒸汽温度：133.74℃          100℃

     空气温度：-13℃            85℃

Δtm=[133.74-(-13)-(100-85)]/ln[(133.74-(-13)/(100-85)]

=57.77

又由数量横算Q=21498.15×23.67=520696.21kcal/hr

∴传热面积F=Q/KΔtm=520696.21/41.88×57.77=215.73m2

散热器组数：n=F/F＇=215.73/49.90=4.32     取5组

2.3.6泵、鼓风机、过滤器

（1）泵

废水汽提塔塔底泵

规格型号：25AFB―25      功率：3.0kw

级数：2                  转速：2880rpm

流量：3.6m3/hr           扬程：25

废水进料泵

规格型号：65AFB―40       功率：7.5kw

级数：2                   转数：1900rpm

流量：28.3m3/hr           扬程：40m

汽提塔冷凝液泵

规格型号：50/40AID        功率：3.0kw

级数：2                   转数：2860rpm

流量：5m3/hr               扬程：3.6m

引发剂加料泵

规格型号：15/5325          功率：3.7kw

级数：4                    转数：14.20rpm

流量：4.5m3/hr              扬程：14.84m

缓冲剂加料泵

规格型号：50/40AIV         功率：5.5kw

流量：2.3m3/hr         

PVA循环泵

规格型号：2G―MF            功率：1.8kw

级数：2                     转数：4rpm

流量：2.3m3/hr                

终止剂加料泵

规格型号：25I        

热水循环泵

规格型号：200R―45

涂壁液加料泵

规格型号：P―INRB          功率：2.3kw

级数：2                    转数：1858rpm

流量：1.2m3/hr              扬程：14.4m

轴封水泵1#2#

规格型号：50/40AID          功率：3.7kw

级数：2                     转数：2860rpm

流量：8.6m3/hr               扬程：27m

冷脱盐水加料泵

规格型号：150/100ACI

真空泵

规格型号：CL―102           功率：72kw

级数：4                     流量：850m3/hr   

(2)过滤器

空气过滤器选用YEG型

规格：31770B―13863

⑶鼓风机 

表8  鼓风机表

3.1厂内的防火防爆措施

     可燃物质达到了它的燃点就能引起燃烧。而导线及各种电气设 备的绝缘大都是可燃材料。电气设备过热以及电火花、电弧甚至静电都能引起火灾。

     设备过热大致有以下几种:

    (1) 短路电力网中的火灾大都是由短路引起的。短路后电流急剧增加可达正常值的几百倍引起过热。造成短路的原因,一是电气设备或导线失去应有的绝缘能力， 二是在安装检修或操作使用中工作疏忽引起短路。前者有因绝缘老化或局部磨损腐蚀失去绝能力。

    (2) 过载线路或设备长期国负荷运行。过载后电流增加，时间一长也会引起火灾。

    扑灭电气火灾的方法切断电源切断电源就切除了电气火灾的来源,同时也减少了救火人员触电的危险,切断电源后还可采用普通的灭火器灭火。切除电源时应尽量做到以下几点电气设备如水淋、烟熏后绝缘程度下降,切断电源时应使用绝缘工具,以防触电。操作时应先断开接触器或断路器切断电深再拉开隔离开关或刀开关。如果采取剪断电线的方法切除 电源时,应做到正确剪线。如果条件 ,必须带电灭火时应注意做到电气设备起火 ,不能用普通的泡沫灭火剂,只能用干砂覆盖,或用二氧化碳，二氧二溴甲烷或干粉灭火剂,防止人员触电。用四氯化碳灭火器,要防止中毒。因四氯化碳受热,与空气中的作用,会生成有毒的光气COCl2和Cl2，要打开门窗或戴上防毒面具。用二氧化碳灭火时 ,要注意防止冻伤和室息。因二氧化碳是液态的,喷射后,大量吸热可形成达一78.5℃的低温,并隔绝氧气[13]。

3.2车间照明及采暖措施

    照明用电是工厂企业最为基本的电力需求, 照明质量的好坏对生产安全、劳动生产率、产品质量和劳动卫生都有直接关系。采用高效节能电光源及其照明电器附件。

    电光源种类繁多, 用途各异, 但均要求三高, 即: 高发光效率、高寿命、高显色性。因此在工厂照明中, 应优先选用高强度气体放电灯( 高压钠灯和金属卤化物灯) , 尤其是金属卤化物灯是第3代光源中的佼佼者, 是光色和显色指数要求较高的仪表装配车间、机加车间、汽机房运转层等工业厂房的首选光源。当一种光源不能满足色温或显色性要求时, 也可采用两种光源的混光光源, 混光光源能充分发挥高强气体放电灯的优点, 达到节约能耗、提高照度, 改善光色的照明效果。

    照明电器附件推广使用低损耗、性能优的光源电子附件( 包括电子镇流器、电子变压器、电子触发器等) 。

选用高效率、配光合理的照明灯评价灯具的关键指标是灯具效率, 灯具的效率及配光曲线取决于灯具反射面的材质、加工精度及外形。抛光铝对可见光的反射率最高, 在工厂照明设计中宜优先采用。灯具外型要求: 第一, 配光曲线适中, 一般选用介于深照和广照之间的宽口灯具最为合适; 第二, 灯具的外形不应是单抛物面反射型, 因为这样会将大部分的光能发射回灯泡,引起电压上升和功率增加, 缩短灯的寿命。在工厂照明设计中, 灯具的选用应根据使用方法和使用环境的不同, 在满足眩光和配光要求条件下, 选用高效且安装维护方便的灯具,同时还应达到与建筑相协调一致目的[13]。

3.3防静电，防雷措施

    为预防雷电、静电对被保护物的破坏 ,必须将防雷防静电设施看成是一个系统工程 ,全方位地进行防范。

低压线路全线采用 电缆直接埋地敷设供电系统 ,在人户端上是否将电缆的金属外皮，钢管接到防雷电感应的接地装置上 。

采用局部埋地敷设的低压线路 ,检查埋地长度是否与在电缆与架空线连接处是否已装设避雷器以及避雷器 、电缆金属外皮 、钢管和绝缘子铁脚 、金属架等是否连在一起接地 ,接地电阻是否小于10欧姆。检查架空金属管道在进 出建筑物处 ,是否每隔 左右接地一次 埋地或地沟内的金属管道 ,在进出建筑物处是否与防雷电感应的接地装置相连。

3.4三废处理情况

3.4.1电石渣的处理

    电石渣是PVC生产中排放量最大的污染物，大多数厂家在排放前未对其进行处理，给环境造成极大污染。电石渣的处理有几种方法，如把滤去水的干渣堆积起来，风干后用于建筑(但现在许多城市已禁止电石渣直接用于建筑)、生产次氯酸钙或生产水泥。我公司用电石渣代替石灰石生产水泥，把从发生器产生的渣浆，用泵送至水泥分厂，经过沉淀、压滤、混合之后，经立窖烧制、研磨而制成水泥。这样不但解决了废渣的排放，也收到了极好的经济效益。目前电石渣的处理还可用于其它产品的开发，有些已经取得了成功。

3.4.2电石渣上清液的处理

    电石渣浆经沉淀之后，上层的液体叫上清液。上清液经过进一步分离之后，再经过喷射风冷冷却到25℃左右备用。其主要用于乙炔工段发生器的补充用水及发生系统冲洗用水，或用于转化工段水洗塔用水，用其独特的偏碱性水来除去VC中杂带的HCI效果较好。实践证明从水洗塔出来的水的pH值由原来的14降为7左右，从而减轻了碱洗塔的负担，提高了碱洗塔的运行周期。除了以上两种途径之外，剩余的上清液可加入氯气用以调节pH值至中性之后，把上清液中大部分S卜除去，再经水处理车间统一处理。

3.4.3 热水的综合利用

    热水来自HCI合成炉夹套热水、固定床循环热水、成品散热器疏水器产生的热水。此热水在给高、低塔釜升温、聚合釜升温之外，还有多余的热量不能利用，只能加凉水来降低温度。为此，结合我公司地处北方的特点，我们加了1台泵专将一部分热水用于冬季供暖，节省了取暖蒸汽。又在成品工段蒸汽散热器之前加了1组散热器，用来消耗一定量热水，节约部分蒸汽。热水的供给量视转化固定床水温而定，既节约了能源也解决了天热时热水无法平衡需加凉水的问题。

3.4.4尾气的回收利用

    PVC生产的尾气主要产生于转化工段的尾凝器。从尾凝器排放出来的气体，其主要成分为氢气、氮气、乙炔气及氯乙烯气体，其中氯乙烯含量在10%(体积分数)左右。现在尾气处理的主要方法是采用活性炭，低温吸附其中的氯乙烯，其余的氢气、氮气、乙炔气因不被吸附而放空。然后再将吸附的氯乙烯解吸出来达到回收氯乙烯的目的，氛乙烯回收率在85%左右‘但在解吸过程中需要大量的蒸汽来加热脱吸，同时在脱吸之后又要用热风干燥活性炭所吸收的水分，然后用一15℃盐水冷却活性炭。这样就使这种方法操作较复杂，而且其中的乙炔气不能回收。另外一种方法是离子膜分离法。其原理中国氛碱2003年第1期是利用离子膜对分子有选择性，从而达到对氯乙烯、乙炔气体、氢气、氮气进行分离。经离子膜分离后，含氯乙烯20%(体积分数)的气体回到氯乙烯气柜;含乙炔较多的气体可根据需要回到转化器重新反应或放空;而氢气与氮气被分离出来放空[14]。这种方法的优点是操作简单、维护费用较少，其缺点是回收气体含量较低，从而增加了尾凝器、压缩机及制冷的负担及处理量。如能将这两种方法结合起来，将有可能是今后处理尾气的方向。

3.4.5转化水洗塔水的回收利用

    由于在转化过程中氯化氢与乙炔的配比在1.05一1.15:1，甚至更高。采用吸收塔吸收多余的HCI制酸之后，再用水洗塔水洗，然后碱洗。现在采用水洗塔用水再循环技术。在水的循环过程中，将一部分水加人HCI吸收塔代替制酸用水，同时在水罐中再补加同量的水来保证循环量。这样，由于氯乙烯在盐酸中的溶解度比在水中的溶解度小一半，不但节约用水，而且还减少了氯乙烯的流失，每吨树脂可降低2kg电石耗，效益相当可观[15]。

结束语

       四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。

      回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。

学友情深，情同兄妹。三年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。

      在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。

      最后，我要特别感谢xx老师、xx老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励,使我能够顺利完成毕业设计，在此表示衷心的感激。

   x老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。她无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高，这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢她耐心的辅导。

   再毕业设计过程中于老师也给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得系统能够及时开发完成，这里一并表示真诚的感谢。

参考文献

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[6] 李雅丽.氯乙烯生产技术进展概述[J].中国化工信息.2006,（9:15-23）.

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[12] 蓝凤祥,柯竹平等.聚氯乙烯生产与加应用工手册[M].化学工业出版社，1996：35-47.

[13] 潘祖仁,邱文豹,王贵恒.塑料工业手册,聚氯乙烯 [M ].北京:化学工业出版社,1999.

[14] 王福顺,大型化工项目厂址比选的基本原则与方法,中国工程咨询,2008年第3 期，总第29期.

[15] 严富英,李玉和等.聚氯乙烯工艺学.北京:化学工业出版社,1990：77.