【導讀】題目年產5萬噸PVC的聚合工段工藝設計。專業(yè)應用化工技術。完成日期2020年5月16日～2020年10月10日。濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）

　　

【正文】 粒特性、熱穩(wěn)定性是 PVC 生產過程中需要控制的重要質量指標。影響上述指標的主要因素有，配方，聚合溫度，后期壓降聚合釜結構和工程等。 氯乙烯聚合是以水為連續(xù)相，氯乙烯為分散相的非均相沉淀聚合。連續(xù)相一般都添加有少量分散劑和其他助劑，其主要作用一是降低界面張力，有利于單體分散成液滴；二是保護能力，防止粒子聚并。那么可以說水相是影響成粒機理和樹脂顆粒特性的主要因素。此外還作為撤除反應熱的傳熱介質，根據樹脂成粒和反應傳熱要求，水相與單體的質 量比一般為 3:1～ 1:1之間。水油比增大，聚合釜的利用率或生產能力都降低，從該角度出發(fā)，應該盡量降低水油比，以不影響聚合穩(wěn)定性和樹脂顆粒特性為前提。 氯乙烯作為氯乙烯懸浮聚合的主要原料，對其純度要求相當高，一般大于 %，微量雜質的存在對聚合過程和產品樹脂的顆粒特性有著顯著地影響。若原料中存在高沸物將會使 PVC 大分子支化度，且不穩(wěn)定早成分解釋放出 HCl；氯乙烯單體中鐵質與去離子水、引發(fā)劑、分散劑中的貼紙一樣，都會對聚濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 20 合反應產生不利影響。鐵質的存在一是延長誘導期，減慢反應速度；二是使樹脂穩(wěn)定性變差、產品帶色。 在氯乙烯聚合中，引發(fā)劑濃度較低時，其用量對聚合度幾乎沒有影響，卻可以調節(jié)聚合速率；此外對 PVC 顆粒形態(tài)也有影響。引發(fā)劑結構不同，其活性差別可以很大。而聚合溫度是控制 PVC 分子量的主要因素，一般氯乙烯懸浮聚合溫度在 45～ 60℃之間。應使用半衰期適當?shù)囊l(fā)劑。選用引發(fā)劑需考慮的因素有：適當?shù)幕钚?、水溶性、水解性、沾釜性能、毒性、貯存安全性、價格等。過氧類引發(fā)劑無毒性，國外應用頗為廣泛。國內正從 AIBN、 ABVN 等含氰基引發(fā)劑向過氧類引發(fā)劑發(fā)展。 一般升高 溫度將使速率增加。但溫度的定量影響是復雜的。因為自由基聚合由三四步基元反應組成，溫度對各步反應速率參數(shù)都會產生一定得影響。在生產中應該選擇適當?shù)牟僮鳒囟取? 在氯乙烯懸浮聚合的水相中，一般都含有分散劑，分散劑的存在一方面降低氯乙烯單體與水的界面張力，有利于在攪拌下 VCM 的分散；液滴形成的同時，分散劑吸附在液滴表面起到保護作用防止聚并。在攪拌特性確定后分散劑的種類、性質和用量則成為影響聚氯乙烯顆粒特性的主要因素。 工藝流程圖 氯乙烯懸浮聚合工藝流程見圖 23 P 2P 2 9P 3 411234567891 01 11 21 31 4過 濾篩 分雜 質濕 潤 空 氣產 品水熱 空氣單體脫 離子 脫氣 水分 散 劑 催 化 劑 圖 2— 3氯乙烯懸浮聚合工藝流程圖 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 21 1— 單體計量槽； 2— 水計量槽； 3— 聚合釜； 4— 單體回收罐； 5— 混合釜； 6— 真空泵； 7— 水分離罐； 8— 氣柜； 9— 壓縮機； 10— 緩沖罐； 11— 蒸餾塔 ； 12— 離心機； 13— 旋轉干燥機；14— 旋風分離器 流程概述 先將去離子水經泵和高位計量槽加入聚合釜 3 內，分散劑可以在攪拌下自聚合釜人孔直接投入或以稀溶液態(tài)自高位計量槽加入釜內其它助劑通常由人孔投加。然后關閉人孔蓋，通入氮氣試壓及排除系統(tǒng)中氧氣，或借抽真空及充入氯乙烯方法，單體由氯乙烯 系統(tǒng)送來。由單體計量槽， 計量后經過過濾器加入釜內，引發(fā)劑通常以溶液自釜頂加料。以罐借高壓水壓入釜內，加料完畢后，于釜夾套內通入熱水將釜內無聊升溫至規(guī)定的溫度，當氯乙烯開始聚合反應并釋放出熱量時于釜夾套內通入冷卻水，并借循環(huán)水泵 4 維持冷卻水在大流量 及低溫下操作。聚合反應熱的及時移走，是聚合反應溫度控制在恒定范圍的保證，該過程將從反應開始至反應結束為止。 當釜內單體轉化率達到 85%以上時，根據釜內壓降下降情況進行出料操作，釜內懸浮耶借余壓壓入出料槽 75℃左右，脫出的未聚合單體借槽內壓力 排入氣柜回收。 經脫氣后的料漿槽底部排除。經樹脂過濾器 6 及料漿泵 7 送入氣提塔 8 頂部，料漿經塔內篩板流下，與塔底進入的蒸汽逆流接觸進行傳熱傳質過程 。樹脂及水相中殘留單體被上升的水蒸氣氣提帶逸，氣相中的水分于塔頂冷凝器冷凝回流入塔內。而不冷凝的氯乙烯氣體借水環(huán)泵抽出排至氣柜回收，經氣提后的漿料自塔底回漿料泵 9 抽出，經釜管式漿料冷卻器 10降溫后，送入大型混料槽 11 待離心干燥處理。上述塔頂抽出的回收單體 。為安全起見和減少氧對單體的污染均應以含氧儀連續(xù)檢測，如當氧氣含量小于 2%時排入氣柜回收，氧氣含量大于等于 2%時作排 空處理。 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 22 第 三 章 工藝計算與設備設計及選擇 原料乙炔的制備 的計算 原始數(shù)據及相關公式 目標：年生產 5萬噸 Pvc 時間 8000h 乙炔工 =95% 乙炔轉化率 X=98% 氯乙烯合成 = 96%氯乙烯精餾 =94%氯乙烯聚合收率 =97% 13FF?? k m o l / hF 1 單位是進入反應器的原料量，是 k m o l / hF 3 量，單位是是生成目的產物的原料 12FFX? k m o l / hF 1 單位是進入反應器的原料量，是 k m o l / hF 2 單位是是參加反應的原料量， 439。1FF?? k m o l / hF 1 ，單位是進入反應器的原料總量是’ k m o l / hF 4 位是是生成目的產物量，單 物料衡算 簡圖 見圖 31 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 23 圖 31粗乙炔氣制備 簡圖 4??PVCVC FF ? k m o l / h的氯乙烯量，單位是是氯乙烯聚合工段所需VCF k m o l / h單位是是生成的聚氯乙烯量，P V CF h是年生成時間，單位? 氯乙烯聚合收率是 4? k g / k m o lM VC 位是是氯乙烯的分子量，單 （ 1）氯乙烯精制前的粗氯乙烯量 3?VCVC FF ?’ km ol / h烯量，單位是是氯乙烯精制前的氯乙’VCF /h12 K m olK m ol / h%94 ??? ? VCVC FF ’ （ 2）生成氯乙烯消耗的乙炔量22HCF： C2H2 + HCl ? ?? CH2=CHCl 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 24 （ 3） 進入合成塔的乙炔量 22HC39。F 為： / o lkm ol / h96%39。 2222 ??? ?FF ： / olkm ol / h98%22 HCHC ????’” FF 電石的消耗量 因為，乙炔工段 ? = 則 有：電石所產生的混合氣體 混合氣體F 為：/h12 km olkm ol / h95%12 HC ???? ”混合氣體 FF 又有 氣體狀態(tài)方程 PV=nRT 可得到： hLhL 2 3 ?? ????? 又知電石發(fā)氣電石量 ?V 為 265l/㎏ 電石量 : hKghKgVVM C aC / 291/265 572 262 ??? ? 每年消耗的電石量為 :: KgKgMM C a CC a C 8 3 3 1 3 6 2 2 9 12239。 ???? ? 電石消耗定額為 : 55000000 39。 ????PVCC aCFM 氯乙烯合成中 原料氣組成 原始數(shù)據整理 HCl收率 ? =97%HCl 混合氣體組成 % Cl2 % H2O % N2 % 物料橫算 32 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 25 圖 32物料衡算簡圖 FHCl： FC2H2=（ ～ ）： 1 取 ： 1 即 FHCl= =故 ： 氯化氫混合氣體的量為： kmol/h= kmol/h 故：各組分含量為 以原料氣中 C2H2的 O2為例說明 原料氣的總摩爾流量為： kmol/h，其 O2體積分數(shù) O2%為 % FO2= % kmol/h= kmol/h 又 MO2=32 ㎏ / kmol， 則氧氣質量流量為： 32 ㎏ /h = ㎏ /h 在標況下，氣體摩爾體積為 m3/kmol 氧氣的體積流量為： m3/h = m3/h 同理，可以計算出乙炔和氯化氫混合氣體中的其他組分。見表 31 A 和 表 31B 混合氣體中各組分的質量分數(shù)為： ? =mimini??1 ? O2 = 2 6 7??? 100%=% C2H2混合氣體 見表 31A 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 26 表 31A 乙炔混合氣體 名稱 體積分數(shù) % 千摩爾流量 kmol/h 體積流量 Nm3/h 質量流量㎏ /h 質量分數(shù) % C2H2 98 2815 97089 HCl 0 0 0 0 0 H2O O2 N2 Cl2 .0 0 0 0 0 合計 100 100 HCl混合氣體 見表 31B 表 31B 氯化氫 混合氣體 名稱 體積分數(shù) 千摩爾流量 kmol/h 體積流量 Nm3/h 質量流量㎏ /h 質量分數(shù) C2H2 0 0 0 0 0 HCl H2O O2 0 0 0 0 0 N2 Cl2 合計 100 100 其它組分的含量依次計算即可。結果見表 31A 和 31B。 。 進入石墨冷凝器中的混合氣體有： C2H2， H2O， Cl2， N2， Cl2， HCl， O2 將乙炔混合氣和氯化氫混合氣的各組分相加即可。 N2和 H2O的含量計算為： F H2O =+ Kmol/h = Kmol/h F N2 =+ Kmol/h = 氯乙烯合成 HCl和 H2O 的量的計算。 （ 1）進入石墨冷凝器的混合氣體各組分的含量見表 32 表 32 進入石墨冷凝器的混合氣體各組分的含量 （ 2）計算。 設在石墨冷凝器中損失了 x Kmol/h H2O和 y Kmol/h HCl 氣體名稱 Cl2. HCl N2, H2O O2 Cl2 千摩爾流量 Kmol/h 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 27 出石墨冷凝器的混合氣體總物質的量為 : F=+++++ Kmol/h=270 – x y Kmol/h 進入石墨冷凝器的含水量表示為：yx x???=% 鹽酸的濃度為 40%則有：yx ?=40% 解得： FH2O =x=（ 3）進入轉化器中的氣體含量計算。 FHCl=FH2O = 工作簡圖見圖 33 圖 33轉化器工作簡圖 （ 1）相關說明，進轉換器的乙炔氣體千摩爾流量為 ，乙炔轉化率為 98%，又有一部分乙炔發(fā)生副反應生成 CH3CHO C2H2Cl2 （ 2）相關反應式 主反應式： C2H2+HCl ? ?? CH2=CHCl 副 反應式： C2H2 +2HCl ? ?? CH2ClCHCl C2H2 +H2O ? ?? CH3CHO （ 3）相關計算。 與生成 乙醛 的量計算 消耗乙炔的量 ： C2H2 +H2O ? ?? CH3CHO ? ?? 耗 Kmol/h C2H2 ,得到 Kmol/h CH3CHO 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 28 C2H2 + HCl ? ?? CH2=CHCl ? ?? 耗 Kmol/h C2H2， 得到 Kmol/h CH2=CHCl 參加反應的乙炔為： ? Kmol/h = Kmol/h 則生成 C2H2Cl2 耗乙炔： ～ ～ K