【正文】 產(chǎn)和消費(fèi)的快速增長， VCM生產(chǎn)工藝也不斷發(fā)展，并推動(dòng)了 PVC工業(yè)的發(fā)展。 氯乙烯生產(chǎn)技術(shù)及進(jìn)展 [1][2] 氯乙烯工業(yè)化生產(chǎn)始于 20世紀(jì) 20年代，早期生產(chǎn)方法采用電石為原料的乙炔法路線 ， 電石水解生成乙炔，乙炔與氯化氫反應(yīng)生成 VCM。 乙烯氧氯化法由美國 Goodrich公司于 1964年首先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，該工藝原料來源廣泛，生產(chǎn)工藝合 理，目前世界上采用本工藝生產(chǎn) VCM的產(chǎn)能約占 VCM總產(chǎn)能的 95%以上。生成的粗 EDC在 EDC精制單元精制、提純。經(jīng)急冷和能量回收后，將產(chǎn)品分離出 HCl（ HCl循環(huán)用于氧氯化 ） 、高純度 VCM和未反應(yīng)的 EDC（循環(huán)用于氯化和提純 ）。該工藝把 Monsanto專有的直接氯化、裂解和提純工藝與 Kellogg專有的 KelChlor工藝相結(jié)合，即在乙烯與 Cl2直接氯化生成 EDC， EDC裂解生成 VCM和 HCl之后，不再采用氧氯化工藝，而是通過 KelChlor單元將 HCl與 O2或 空氣反應(yīng)生成水和 Cl2， Cl2回收循環(huán)到直接氯化段。乙烯在液相中被氯化生成EDC，反應(yīng)器中的反應(yīng)熱由 EDC汽化移走。該工藝與其他工藝相比，改進(jìn)了再循環(huán)過程，無需對(duì) EDC產(chǎn)品進(jìn)一步處理或提純，可以獲得極好的 EDC質(zhì)量，明顯降低電力成本和蒸汽成本；可單獨(dú)生產(chǎn)EDC；使用噴嘴用于氯溶解，在界區(qū)內(nèi)不必提高氯氣壓力，可按照所需工序的要求選擇反應(yīng)器壓力和溫度，并進(jìn)行熱回收；節(jié)省設(shè)備成本 15%～ 20%。 目前，世界先進(jìn)的 PVC生產(chǎn)普遍采用大釜密閉技術(shù)，先進(jìn)的防粘釜工藝，改進(jìn)了攪拌裝置，用后掠式攪拌器代替平槳式攪拌器，并在攪拌器和擋板中通冷卻水，提高了聚合釜的傳熱能力。用蒸汽作載體成功地涂上兩層不同種類的防粘釜?jiǎng)?， 第一種防粘劑是醛類化合物和芳香類羥基化合物在 亞硝酸鹽和還原性 糖存在下進(jìn)行綜合反應(yīng)制得 ； 第二種防粘釜?jiǎng)┲兄辽俸幸环N輔助抑垢物質(zhì)，選用水溶性聚合物、無機(jī)鹽類或酸。 對(duì)超低聚合度 PVC的生 產(chǎn)，采用添加鏈轉(zhuǎn)移劑的方法，以降低反應(yīng)溫度和壓力，提高產(chǎn)品質(zhì)量； 對(duì)于高聚合度和超高聚合度 PVC的生產(chǎn)，采用添加擴(kuò) 鏈劑的方法來提高反應(yīng)溫度，以提高聚合釜的移熱能力和縮短反應(yīng)時(shí)間；對(duì)于通用樹脂， 在 PVC生產(chǎn) 中采用添加改性劑的方法來降低產(chǎn)品的 “ 魚眼 ” 數(shù)，提高產(chǎn)品白度，縮短產(chǎn)品塑化時(shí)間，改善加工質(zhì)量； 添加納米無機(jī)材料或者優(yōu)化分散劑種類和比例來提高 PVC顆粒的表觀密度，提高后加工的速度； 添加特殊助劑生產(chǎn)如抗靜電 PVC、阻燃 PVC、消光 PVC、耐放射線 PVC等；與其他單體共聚生產(chǎn)耐熱 PVC以及內(nèi)增塑 PVC等 。 我國聚氯乙烯生產(chǎn)現(xiàn)狀 我國 PVC的工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)有近 50年的歷史，近 10年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展以及建筑業(yè)與 PVC加工工業(yè)對(duì) PVC消費(fèi)的強(qiáng)勁拉動(dòng)，國內(nèi) PVC工業(yè)發(fā)展十分迅速。從 PVC生產(chǎn)工藝分布看，我國 PVC生產(chǎn)路線有明顯的地域傾向，石化系統(tǒng)及相關(guān)企業(yè)與合資企業(yè)的 PVC生產(chǎn)全部采用乙烯法，而中西部地區(qū)則多采用電石法。 20世紀(jì) 50年代 ， 乙烯法實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，為了解決乙烯法生產(chǎn)氯乙烯單體過程中的副產(chǎn)物氯化氫問題 ， 開發(fā)了乙 烯、氧氣和氯化氫反應(yīng)制備二氯乙烷的氧氯化技術(shù) ， 60年代得到推廣應(yīng)用。省掉了堿洗和水洗過程 ， 工藝過程不產(chǎn)生廢水 ，從設(shè)備投資、操作費(fèi)用、維修費(fèi)用和節(jié) 能等方面具有優(yōu)勢(shì) ， 有良好的發(fā)展前景。 使產(chǎn)品的環(huán)境安全性能更高；采用多元高效引發(fā)劑復(fù)合取代二元引發(fā)劑，提高了聚合引發(fā)速度和反應(yīng)放熱的均勻性，縮短了聚合時(shí)間；采用多元分散體系取代二元分散體系，改善了產(chǎn)品的加工性能；采 用反應(yīng)中補(bǔ)加水技術(shù)，有效地提高反應(yīng)換熱能力，縮短了聚合反應(yīng)時(shí)間； 采用高溫?zé)崦擕}水技術(shù)和水乳性引發(fā)劑取代溶劑型引發(fā)劑，使聚合釜能在加料結(jié) 束后直接達(dá)到反應(yīng)溫度，節(jié)約了聚合升溫時(shí)間，且對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量沒有影響； 采用同時(shí)加料及釜外 VCM回收 的方式， 減少了聚合輔助時(shí)間。使用大型聚合釜并采用微機(jī)控制 ， 批次之間樹脂質(zhì)量穩(wěn)定 ， 消耗定額降低。解決 PVC聚合釜粘壁問題有 3種方法 ： 使用清釜溶劑 ； 噴涂防粘釜溶液 ； 聚合體系中加入結(jié)垢抑制 劑。 VESTOLIT公司也采用一種特殊防粘釜?jiǎng)?， 利用低壓蒸汽將防粘釜?jiǎng)母攦蓚€(gè)固定式噴吐設(shè)備噴吐到釜內(nèi)壁、攪拌器及釜頂回流冷凝器表面 ， 清釜周期 500釜左右 ， 回流冷凝器可連續(xù)運(yùn) 行 1年 。在聚合釜中涂布防粘釜?jiǎng)?，生產(chǎn)的 PVC 樹脂皮狀物少 、 雜質(zhì)少 、 白度高。 此項(xiàng)設(shè)計(jì)的主要意義是，能 提高裂解爐和聚合釜的產(chǎn)率， 節(jié)省不少的能源，可以暫時(shí)緩解能源日益匱乏的當(dāng)今社會(huì)。 聚合釜 簡(jiǎn)圖如 圖 22所示 ： 電機(jī)夾套攪拌器減速器冷卻水進(jìn)口放料口冷卻水出口進(jìn)料口溫度計(jì)插孔人孔 圖 22 聚合 釜簡(jiǎn)圖 2020 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 7 3 二氯乙烷裂解爐 工藝 設(shè)計(jì) 物料衡算 裂解爐設(shè)計(jì)產(chǎn)能為 80000t/a，則每小時(shí)產(chǎn)氯乙烯量為： 0 08 0 0 0 0 ??? ； 裂解爐設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化率為 55%， 則二氯乙烷每小時(shí)進(jìn)料量 為 : ????? 二 氯乙烷裂解原理 1， 2— 二氯乙烷加熱到高溫能脫去一分子的 HCl而轉(zhuǎn)變?yōu)槁纫蚁?，其機(jī)理是自由基型的鏈鎖反應(yīng) 。K)。 馮松：年產(chǎn) 8 萬噸氯乙烯、聚氯乙烯合成裝置工藝設(shè)計(jì) 8 (2)156℃ 的 EDC 在裂解爐對(duì)流段被加熱到 195℃ 所需熱量 Q2 為 : )( 2322 TTCWQ E ???? （ ） 式中 :T3 為 EDC 在對(duì)流段的預(yù)熱溫度 ， 195℃ 所以： )/()156195()991000000(33 92 hJQ ???????? (3)195℃ EDC 進(jìn)入汽化器 ， 與裂解爐出口物料進(jìn)行熱交換。K)； R為 EDC裂解熱， 79470J/mol； T4為輻射段入口溫度 ， 266℃ ； T5為裂解爐出口溫度 ， 480℃ ； )226480()991 0 0 0 0 0 0()(79470)991 0 0 0 0 0 0( ???????????Q hJ / 10?? ； 由以上計(jì)算可知裂解爐理論上熱量的消耗 Q總 為 : 421 ???總 kWhJhJ 7903/)/(10)( 109 ??????? 設(shè)裂解爐的效率為 75%，則實(shí)際所需要的熱量 Q為： hJQ /107 9 108 4 1010 ???? 假設(shè)裂解爐用天燃?xì)庾鳛槿剂希烊細(xì)獾臒嶂荡蠹s為 37 /104 mJ? ， 則每小時(shí) 至少 需要天燃?xì)獾牧繛椋? 37 10 9 4 8104 107 9 m?? ? 。 由于 EDC在管內(nèi)做強(qiáng)制對(duì)流， 由進(jìn)料量和管徑可求的 EDC在管內(nèi)的流速為 ，查表得 EDC的密度 3/1253 mkg?? ，粘度 smPa?? ? ， 所以 ： 7 7 6 9 1 2 5 3 ?? ???? ?? ?du 即 10000Re? ，所以采用給熱系數(shù)的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式 nNu PrRe0 2 ? （ ） 式中： Pr 為普朗特?cái)?shù) ； 由于 EDC在管內(nèi)被加熱，所以 n=。 裂解爐設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的裂解爐是基于美國 Lummus公司開發(fā)的 SRTⅠ 門式裂解爐 ，并在此基礎(chǔ)上做了一系列的改進(jìn)。 輻射段設(shè)計(jì) 由于輻射段的管長較長，本設(shè)計(jì)將輻射段的輻射管分串聯(lián)的兩組。 （ 3） 壓力 本設(shè)計(jì)采用中壓操作，聚合釜中最高工作壓力為 2MPa，夾套最高工作壓力為 1MPa。 馮松：年產(chǎn) 8 萬噸氯乙烯、聚氯乙烯合成裝置工藝設(shè)計(jì) 14 聚合釜釜體 和 夾套 設(shè)計(jì) 釜體設(shè)計(jì) 取聚合釜的高徑比 ?DiH，為了便于計(jì)算，忽略封頭的容積，認(rèn)為 HDiV 24?? （ ） 將聚合釜高徑比帶入上式得 ??????? DiHDiV 34? （ ） 將?VgV?帶入上式，并整理得 mDiHVgDi 333??????????????? 經(jīng) 圓整后取聚合釜筒體直徑 mmDi 3800? 所以，筒體高度 202044 DiVVgDiVVH??????? （ ） 式中： 0V 為封頭容積，本設(shè)計(jì)采用橢圓封頭， 取封頭直徑和筒體公稱直徑相同， 即取筒體封頭公稱直徑為 3800mm， 查表得 封頭 30 mV ? ， 則 mDiVVH 4 4 220 ?????? ? 圓整后取 H=5600mm， 所以聚合釜的全容積為筒體體積再加上下封頭的容積，即 3202 mVHDiV ??????? ? 則實(shí)際高徑比 ??DiH ， 實(shí)際裝料系數(shù) 2020 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 15 ??? 。 筒體封頭厚度設(shè)計(jì) 封頭材料選用和筒體一樣的材料，厚度計(jì)算如下： ??????? ??? 圓整后取 32mm，即與筒體厚度相同。 馮松：年產(chǎn) 8 萬噸氯乙烯、聚氯乙烯合成裝置工藝設(shè)計(jì) 18 d 圖 42 三葉后掠式攪拌器 攪拌功率的計(jì)算 本設(shè)計(jì)按日本永田進(jìn)冶等人提出的永田進(jìn)冶經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算攪拌功率，即 53 )( s Re ???????? ???????????????????? Dibpccp DiHBAdn NN （ ） 式中 A—— 系數(shù)，???????? ??????? ????????? 2DdDbA； B—— 系數(shù)， ???????? ??????? ??? DibDibB 210 ； P—— 指數(shù)， 42 ????????????? ?????????? DibDidDibp； b —— 槳葉的寬度， m； H—— 液層的深度， m； D—— 攪拌槽內(nèi)徑， m； d—— 攪拌器槳徑， m； ? —— 槳葉的折葉角，對(duì)于三葉后掠式攪拌器 ℃90?? 。 所以平均粘度 sPam ??????? ???? 4)( )()(? 采用永田進(jìn)冶公式法計(jì)算。 2020 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 21 被攪拌液體的平均傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算： 122121222121 2 K???? ????????? （ ） 式中 1? —— 為分散相即氯乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ， ； 2? —— 為連續(xù)相即水的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ， ； 1? —— 為分散相 氯乙烯的 熱導(dǎo)率 ， )/( KmW ? ； 2? —— 為連續(xù)相的熱導(dǎo)率 ， )/( KmW ? ； 12K —— 為二元作用校正系數(shù)， )3/)1(e xp ( 1212 ????K ，其中， 12? 為兩組分的熱導(dǎo)率的比值，其中數(shù)值大者作為分母，故 112?? 。夾套中的水的平均溫度為 30℃ ，查得其物性參數(shù)如下： 比熱容 )/(4174 ℃?? kgJc 2020 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 23 導(dǎo)熱系數(shù) )/(W61 ℃?? m? 密度 3m/?? 粘度 sPa100 0 4 ??? ?? 需要 移除的熱量為 T Mm??? 聚平均Q （ ） 式中 平均Q —— 聚合過程中的平均放熱速率， W ； 聚Q —— 氯乙烯的聚合熱， ； m —— 氯乙烯重量， g； M —— 氯乙烯的摩爾質(zhì)量， ； T—— 聚合時(shí)間， s。 馮松：年產(chǎn) 8 萬噸氯乙烯、聚氯乙烯合成裝置工藝設(shè)計(jì) 26 收獲 與感想 經(jīng) 過查閱大量文獻(xiàn)資料，了解了氯乙烯和聚合氯乙烯的生產(chǎn)發(fā)展歷史，以及生產(chǎn)現(xiàn)狀，確立了 乙烯氧氯化法是目前生產(chǎn)聚氯乙烯最為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的生產(chǎn)工藝， 設(shè)計(jì)出了年產(chǎn) 8 萬噸氯乙烯和聚氯乙烯主 體設(shè)備 —— 裂解爐和聚合釜， 確定了這兩個(gè)設(shè)備的主體尺寸，并選擇了聚合釜的主體材質(zhì) ，最后繪制了這兩個(gè)設(shè)備的 CAD 圖 。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間也得到了同組張友利、 鄧小蘭、張志華等同學(xué)的幫助，正是因?yàn)槔蠋熀屯瑢W(xué)們的幫助才使我得以順利的完成本