年产10万吨聚氯乙烯生产基本工艺设计.doc
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1、材料科学与工程学院毕业设计学 生 姓 名 班级 / 学号 专 业 材料科学与工程 设 计 题 目 年产10万吨聚氯乙烯生产工艺设计方案 指 导 教 师 职 称 2 月28日设计总阐明聚氯乙烯(PVC)是一种热塑性合成树脂,有优良电绝缘性,难以自燃,重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均有着非常广泛应用。依照设计任务书,本设计进行了年产10万吨聚氯乙烯(PVC)工艺设计。在查阅、参照大量文献以及对以往某些车间设计研究学习下,进行了科学设计以及对有关物料衡算。本设计筹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起剂、明胶分散剂和去
2、离子水。结合所选取生产工艺方案和产品生产实际状况,进行了关于物料和热量平衡计算。安排每日三班次,每班8小时生产强度,设计可达到日产303吨年产达10万吨聚氯乙烯生产车间。本设计也充分考虑到工作人员工作环境以及工作安全性,尽量将车间规划为安全,绿色,在工作人员遵守车间操作规程状况下,工作更加安全高效。本设计由许春华副专家指引,在反映拟定、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毕,在此学生表达衷心感谢。鉴于知识和实际经验所限,设计难免存在欠缺,恳请批阅教师批评指正。目录1总论21.1 概述21.1.1 聚氯乙烯(PVC)概述与应用范畴21.1.2 聚氯乙烯(PVC)改
3、性品种21.1.3 聚氯乙烯(PVC)生产行业现状及发展前景21.2 聚氯乙烯(PVC)产品分类和命名21.2.1 聚氯乙稀(PVC)产品分类21.2.2 聚氯乙稀(PVC)产品命名21.3 聚氯乙烯(PVC)生产办法521.3.1 悬浮聚合法621.3.2 乳液聚合法21.3.3 本体聚合法21.3.4 溶液聚合法21.4 设计规模原料选取与产品规格21.4.1设计规模21.4.2重要原料规格及技术指标21.4.3产品规格22工艺设计与计算22.1 工艺原理22.2 工艺条件影响因素22.2.1 聚氯乙烯(PVC)聚合重要影响因素22.3 工艺路线选取22.3.1 工艺路线选取原则22.3.
4、2 悬浮法聚氯乙烯(PVC)工艺流程详细工艺路线22.3.3 工艺流程示意图22.4 工艺配方与工艺参数22.4.1 工艺配方(质量份):22.4.2 工艺参数:22.5 物料衡算22.5.2 物料衡算办法与环节22.5.3 物料衡算22.6热量衡算22.6.1 热量衡算意义和作用22.6.2 热量衡算23设备选型23.1 选型原则23.2 核心设备选取与计算23.2.2 传热元件计算23.2.3 搅拌器选取23.3 核心设备选用23.4 其他设备选取23.5 核心设备一览表24车间布置设计24.1 车间设备布置原则24.2 车间设备平面布置原则24.3 车间设备立面布置原则24.4 车间操作
5、人员安排24.5 车间平面布局图25 非工艺设计25.1 环保25.2 公用工程25.2.1 供水25.2.2 供电25.2.3 供暖25.2.4 通风2致 谢2参照文献21总论1.1 概述1.1.1 聚氯乙烯(PVC)概述与应用范畴聚氯乙烯简称PVC,是由氯乙烯在引起剂作用下聚合而成热塑性树脂,是氯乙烯均聚物。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)为无定形构造白色粉末,支化度较小。工业生产聚氯乙烯(PVC)分子量普通在5万12万范畴内,具备较大多分散性,分子量随聚合温度减少而增长;聚氯乙烯(PVC)无固定熔点,8085时开始软化,130时转变为粘弹
6、态,160180时则开始转变为粘流态。聚氯乙烯(PVC)有较好机械性能,抗张强度60MPa左右,冲击强度510kJ/m2,有优秀介电性能但对光和热稳定性差,在100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,在实际应用中必要加入稳定剂以提高对热和光稳定性。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升高而减少。聚氯乙烯(PVC)溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮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。此外,聚氯乙烯(PVC)具备难燃、耐酸
7、碱、抗微生物、耐磨并具备较好保暖性和弹性。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、吹塑中空成型等办法进行加工,因此聚氯乙烯(PVC)制品广泛用工业、农业、建筑业、电子电气、交通运送、电力、电讯通信业、包装业等各个领域。聚氯乙烯(PVC)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、电话、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
8、性差,不易加工。为了改进其性能,增长品种,可进行改性,改性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,共聚物产量占聚氯乙烯总产量25%如下。(A) 氯乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物采用悬浮共聚法,普通生产醋酸乙烯酯含量3%5%和13%15%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
9、四氢呋喃、环己酮及氯苯等有机溶剂,溶液具备较好粘合性与成膜性。用这种共聚物制得薄膜无毒、透明,具备极低透气性与透湿性,是极好食品包装材料。这种共聚物也是一种优良防腐蚀材料。由其制造纤维称偏氯纶,可做渔网、座垫编织物和化工滤布等。(C) 丙烯 - 氯乙烯或乙烯氯乙烯共聚物丙烯含量约10%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和压力1.296MPa下共聚而成,乙烯含量为4%43%,具备高耐冲击性,高透明度和优良加工性能,无毒,可制透明度高薄膜、容器等。(D) 氯乙烯接枝共
10、聚物以乙烯醋酸乙烯酯树脂为基材氯乙烯接枝共聚物,具备优良耐冲击性、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接枝共聚物。在西欧,接枝共聚物已有逐渐取代相应共混物趋势。 (2) 聚氯乙烯共混物聚氯乙烯板材用其她树脂与PVC共混,是一种能多方面改进PVC性能好办法。用机械共混法使PVC与乙烯-醋酸乙烯酯树脂共混,能起到长效增塑作用,改进冲击强度、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,也可以明显改进韧性,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)共混物,不但冲击强度高,并且可以得到透明制品。聚氯乙烯共混物研究与生产,品种不断增长,使
11、用范畴不断扩大。(3) 氯化聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)经氯化而得一种热塑性树脂,由溶液氯化法制得,俗称过氯乙烯,简称CPVC,含氯量6168%,氢原子没有所有被氯取代。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2040,耐寒性比聚氯乙烯约低25,不易燃烧,耐气候、耐化学药物及耐水性均优,可以用挤出法生产管材,重要作热水上水管使用。氯化聚氯乙烯溶液有良好粘合性、成膜性和成纤性,可用于胶粘剂、清漆和纺丝。胶粘剂重要用于粘接聚氯乙烯(PVC)板及其制品。清漆漆膜能耐腐蚀、柔软、耐磨且剥离强度高,用它纺成丝称过氯纶,对酸、碱、盐皆稳定,适于作耐化学
12、腐蚀滤布、工作服、筛网、渔网和运送带等。其生产办法有两种:(A) 溶液氯化法将聚氯乙烯溶于氯苯或四氯乙烷,在衬铝或搪瓷反映釜中,于光或自由基引起下,搅拌并通入氯气,在70下氯化,氯化过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朴,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水或稀盐酸溶液中,在加压釜内通入氯气,于60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,设备规定高,工业上较少采用。加工可分为各组分混合、塑化及成型加工三个环节。树脂与按配方添加各种助剂配合时,可用捏和机或高速搅拌混合机均匀混合,再经挤出
13、机塑化、切粒,即得到塑化好粒料。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,也可以直接用混好粉料(也称干混料)进行硬制品加工。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、交通运送业、电力电讯、包装业等各个领域。国内聚氯乙烯(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10.5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)需求急速增长,将来几年国内对聚氯乙烯(PVC)(PVC)需求依然会保持较高增长速度。全球PV
14、C消费量约为3500万吨,预测到国内聚氯乙烯(PVC)树脂需求量将达到近1500万吨,将达到2160万吨。1.2 聚氯乙烯(PVC)产品分类和命名1.2.1 聚氯乙稀(PVC)产品分类依照生产办法不同,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起剂作用下聚合形成;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树脂;交联PVC树脂是在氯乙烯单体聚合体系中加入具有双烯和多烯交联剂聚合而成树脂。依照氯乙烯单体获得办法来区别,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)。依照聚
15、合办法,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。悬浮法聚氯乙烯是当前产量最大一种品种,约占PVC总产量80%左右。四种聚氯乙烯基本特性见表1.2.1。3表1-1 不同合成办法制得聚氯乙烯(PVC)产品特性比较生产办法特性悬浮聚合法不含金属离子,有良好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很少纯度高。热稳定性和电绝缘性优于悬浮法溶液聚合法含杂质很少纯度高,成本高,价格高。聚合物分子量不高1.2.2 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-1、XS-2XS-6;XJ-1
16、、XJ-2、XJ-6。型号中各字母意思:X-悬浮法;S-疏松型;J-紧密型;国产悬浮法聚氯乙烯特性请见表1.2.2 。4表1-2 国产悬浮法聚氯乙烯特性产品型号绝对黏度mPas平均聚合度XS-1 / XJ-1 2.10 1340XS-2 / XJ-21.902.1011101340XS-3 / XJ-31.801.90 9801110XS-4 / XJ-41.701.80 850980XS-5 / XJ-51.601.70 720850XS-6 / XJ-61.501.60 5907201.3 聚氯乙烯(PVC)生产办法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普通在500
17、-0范畴内,其分子构造式如下:聚氯乙烯(PVC)按聚合办法分四大类: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)。本设计筹划采用悬浮法生产聚乙烯。悬浮法(重要是水相悬浮法)生产氯化聚氯乙烯(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,重要用于制造管材、管件、板材等4。1.3.1 悬浮聚合法6使单体呈微滴状悬浮分散于水相中,选用油溶性引起剂则溶于单体中,聚合反映就在这些微滴中进行,聚合反映热及时被水吸取,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。引起剂多采用有机过
18、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聚合釜中进行。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。氯乙烯单体应尽量从树脂中抽除。聚合时为保证获得规定分子量和分子量分布范畴树脂并防止爆聚,必要控制好聚合过程温度和压力。树脂粒度和粒度分布则由搅拌速度和悬浮稳定剂选取与用量控制。树脂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。聚合反映釜是重要设备,由钢制釜体内衬不锈钢或搪瓷制成
19、,装有搅拌器和控制温度传热夹套,或内冷排管、回流冷凝器等。为了减少生产成本,反映釜容积已由几立方米、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聚氯乙烯(PVC)普通较疏松,孔隙多,表面积大,容易吸取增塑剂和塑化。1.3.2 乳液聚合法最早工业生产聚氯乙烯(PVC)一种办法。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起剂,还可以采用“氧化-还原”引起体系,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
20、钠作缓冲剂。聚合办法有间歇法、半持续法和持续法三种。聚合产物为乳胶状,乳液粒径0.052m,可以直接应用或经喷雾干燥成粉状树脂。乳液聚合法聚合周期短,较易控制,得到树脂分子量高,聚合度较均匀,合用于作聚氯乙烯糊,制人造革或浸渍制品。乳液法聚合配方复杂,产品杂质含量较高。1.3.3 本体聚合法聚合装置比较特殊,重要由立式预聚合釜和带框式搅拌器卧式聚合釜构成。聚合分两段进行,单体和引起剂先在预聚合釜中预聚1h,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,补加与预聚物等量单体,继续聚合。待转化率达85%90%,排出残存单体,再经粉碎、过筛即得成品。树脂粒径与粒形由搅拌速度控制,反映
21、热由单体回流冷凝带出。此法生产过程简朴,产品质量好,生产成本也较低。1.3.4 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)中引起聚合,随着反映进行聚合物沉淀下来。溶液聚合反映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%)。这种溶液聚合反映生产共聚物纯净、均匀,具备独特溶解性和成膜性。在本设计中,采用老式悬浮聚合法生产聚氯乙烯。1.4 设计规模原料选取与产品规格1.4.1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。1.4.2重要原料规格及技术指标 用于悬浮聚
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