毕设论文产年95吨年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计.docx
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毕设论文产年95吨年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计
9500吨/年聚氯乙烯悬浮聚合工艺设计
摘要
本设计为年产9500吨聚氯乙烯聚合工艺设计,整个设计文件由设计说明书和设计图纸两部分组成。
在设计说明书中,简单介绍了聚氯乙烯的生产现状、发展趋势、性能和主要用途,着重介绍以悬浮聚合法作为聚合的工艺生产方法。
在设计过程中,根据设计任务书的要求,进行了较为详细的物料衡算和热量衡算和聚合釜计算,对设备进行了工艺计算和选型,同时对整个装置进行了简单的技术经济评价。
绘制了相应的设计图纸,设计图纸包括工艺流程图、聚合釜装配图。
关键词:
聚氯乙烯;悬浮聚合工艺;干燥;单体;生产工艺
Abstract
Thedesignforthe9,500tonsofPVCpolymerizationprocessdesignthroughoutthedesignfileiscomposedbytwopartsofthedesignspecificationanddesigndrawings.Inthedesignmanual,abriefintroductionofPVCproductionstatus,developmenttrends,performance,andthemainpurposeshighlightedbysuspensionpolymerizationasthepolymerizationprocessproductionmethods.Inthedesignprocess,accordingtotherequirementsofthedesigntaskbooktoconductamoredetailedmaterialbalanceandheatbalanceandthethepolymerizercalculationprocesscalculationandselectionofequipment,asimpletechno-economicevaluationoftheentiredevice.Drawingofthedesigndrawings,designdrawingsincludingprocessflowdiagramofthepolymerizationreactorassemblydrawing.
Keywords:
PVC,suspensionpolymerizationprocess,dry,monomer,productionprocess
目 录
前 言1
第1章概述2
1.1聚氯乙烯简介2
1.1.1聚氯乙烯的理化性能2
1.1.2聚氯乙烯树脂的用途3
1.2聚氯乙烯配方4
第2章聚氯乙烯生产工艺流程设计5
2.1聚氯乙烯生产工艺流程简述5
2.2聚氯乙烯生产工艺流程操作步骤5
2.2.1聚合单元5
2.2.2VC回收工序6
2.2.3汽提、干燥工序6
第3章物料衡算8
3.1车间物料衡算8
3.1.1主要工艺参数8
3.1.2生产任务的计算8
3.1.3投入单体的计算9
3.2聚合釜的物料衡算10
3.2.2聚合釜的生产计算10
第4章热量衡算12
4.1聚合釜热量衡算12
4.1.1参数设定12
4.1.2混合热和搅拌热的考虑13
4.2回流冷凝器热负荷的考虑13
4.3物料带入聚合釜的热量13
4.4聚合反应放出的热量14
4.5物料带出聚合釜的热量14
4.6反应过程需要加入的热量14
4.7加热水的用量:
14
4.8冷却水的用量:
14
4.9传热面积15
第5章设备工艺设计16
5.1聚合釜的设计16
5.1.1生产周期或生产批数16
5.1.2根据年产量确定每批进料量16
5.1.3选择反应器装料系数16
5.1.4计算反应器体积16
5.1.5聚合釜壁厚的计算17
5.2汽提塔17
5.3混料槽17
5.4离心机18
5.5干燥器18
第6章环境保护19
6.1废水的治理19
6.2废渣的治理19
6.3废渣的治理20
参考文献21
前 言
聚氯乙烯(PVC)是由氯乙烯单体(VCM)均聚或与其他多种单体共聚而制得的合成树脂,聚氯乙烯再配以增塑剂、稳定剂、高分子改性剂、填料、偶联剂和加工助剂,经过提炼、塑化、成型加工成各种材料。
在现代工业生产和人类生活中起着举足轻重的作用,因此PVC的生产和技术的改进越来越受到现代人的关注!
本设计是以氯乙烯单体为原料,对年产能力为9500吨的PVC聚合工艺设计,以有关化工设计资料作参考,按课程设计大纲和设计任务书的要求进行设计。
本设计的内容是在简要介绍聚氯乙烯发展状况及其性质、用途,工艺方法选择的基础上,重点介绍了采用悬浮聚合法生产PVC的工艺过程,产量为年产9500吨。
设计的主要内容有:
1、生产能力计算;2、原料及制备;3、物料衡算、热量衡算;4、工艺参数确定;5、聚合反应釜计算;6、产物后处理工序。
设计图纸包括1张工艺流程图;1张聚合釜装配图。
本设计旨在理论学习的基础上,结合生产实践,熟悉工艺流程、生产方案的选择、设备的选型等,掌握工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备的计算、选型,对参考文献的查阅与学习等的方法。
由于设计者的理论知识有限,设计经验的缺乏,在设计的过程中难免会有一些不足和错误之处,敬请各位老师指评指正。
第1章概述
1.1聚氯乙烯简介
1.1.1聚氯乙烯的理化性能
典型的物理性质
外观﹕白色粉末密度﹕1.35—1.45g/cm3表观密度﹕0.4—0.65g/cm3
比热容﹕1.045—1.463J/(g.℃)
热导率﹕2.1kW/(m.K)
颗粒大小﹕悬浮聚合﹕60-150μm本体聚合﹕30—80μm糊树脂﹕0.1-2μm掺混﹕20-80μm
热性能
无明显熔点85℃以下呈玻璃态,85-175℃呈弹态,175-190℃为熔融状态,190-200℃属粘流态,软化点﹕75-85℃,加热到130℃以上时变成皮革状,同时分解变色,长期加热后分解脱出氯化氢。
燃烧性能
PVC在火焰上能燃烧,并降解释放出HCl,CO和苯等低分子量化合物,离火自熄。
电性能
PVC耐电击穿,它对于交流电和直流电的绝缘能力可与硬橡胶媲美,其介电性能与温度,增塑性,稳定性等因素有关。
老化性能
较耐老化,但在光照(尤其光波长为270-310nm时)和氧化作用下会缓慢分解,释放出HCl,形成羰基,共轭双键而变色。
化学稳定性
聚氯乙烯塑化加工制品的化学稳定性较高,常温下,能耐任何浓度的盐酸,能耐90%的硫酸,能耐50%~60%的硝酸。
能耐25%以下的烧碱,对盐类也相当稳定。
耐溶剂性
除了芳烃(苯,二甲苯),苯胺,二甲基酰胺,四氢呋喃,含氯烃(二氯甲烷,四氯化碳,氯化烯)酮,酯类以外,对水,汽油和酒精均稳定。
机械性能
聚氯乙烯抗冲击强度较高,常温常压下可达10MPa。
[1]
1.1.2聚氯乙烯树脂的用途
聚氯乙烯树脂系属于力学性能、电气性能及耐化学腐蚀性能较好的热塑性塑料之一。
根据不同规格的聚氯乙烯高聚物,采用不同塑化配方和加工方法可制成硬质和软质制品。
一般各型号的用途如表1.1所示:
表1-1各型号聚氯乙烯树脂的用途
型号用途
XJ-1SG-1高级电缆绝缘层、保护层
SG-2SG-3电缆、电线绝缘层、保护层等软制品、蓄电池隔板
XJ-3SG-4薄膜农膜、雨衣、战备物资及工业包装、软管、鞋料、人造革底层
XJ-4SG-5硬管、硬片、透明瓶、包装硬软片及塑料印花纸
XJ-5SG-6硬板、唱片、管件、焊条、纱管、玩具、透明硬件
XJ-6SG-7过氯乙烯树脂及注塑加工制品
SG-8唱片、型材、家电壳体、食品包装及替代有机玻璃制品
另外,塑料加工行业在生产高质量制品时,往往选择疏松型树脂为原料,如高绝缘级电缆料【体积电阻率ρV可达到(1.5~3)×1014Ω·cm以上】,高透明性输液袋、瓶料、包装透明片材、“鱼眼”杂质少的透明唱片以及白色制品等。
由于疏松型树脂具有较好的塑化性能,也广泛地用于粉料直接挤塑等过程,以满足加工工艺的特殊需要。
随着树脂型号增大,分子量及黏度减小,产品机械强度也随之下降;但玻璃化温度(Tg)有所降低,则使成型加工温度低,流动性好而易于加工。
有如此多种类的树脂,选型的时候也有些基本原则:
①一般对强度及电性能要求高的制品,宜选用SG-1、SG-2型;
②对于强度要求不高,为便于加工,如薄膜、凉鞋,宜选用SG-3型;③一般硬制品(如硬板和硬管)类,由于不加或少加增塑剂,成型温度较高,宜选用SG-5、SG-6型,以降低加工温度;而SG-5、SG-6型分子量低,易发生热分解,在加工配方中常需加较多的热稳定剂,以提高其热加工的稳定性;
④对白色制品或透明制品,宜选用SG型;
⑤制糊用工艺如搪塑及人造革底层之类产品,宜选用吸增塑剂小的XJ型树脂,以保证糊的流动性。
1.2聚氯乙烯配方
表1-2聚氯乙烯生产配方[3]
原料名称
相对分子质量
摩尔比
质量/kg
投料量/kg
氯乙烯
62.50
1.0
62.5
100
软水
18.02
6.9
125.0
200
聚乙烯醇
0.75
1.2
IPP(引发剂)
206.19
1.21×10-3
0.25
0.4
抗鱼眼剂
由于用量较少,故可忽略不计
防粘釜剂
丙酮缩氨基硫脲(终止剂)
第2章聚氯乙烯生产工艺流程设计
2.1聚氯乙烯生产工艺流程简述
悬浮聚合过程是向聚合釜中加入无离子水和悬浮剂,加入引发剂后密封聚合釜,真空脱除釜内空气和溶于物料中的氧,然后加入单体氯乙烯之后开始升温、搅拌、反应开始后维持温度在50℃左右,压力0.88~1.22MPa,当转化率达到70%左右开始降压,在压力降至0.13~0.48MPa时即可停止反应。
聚合完毕后抽出未反应单体、浆料进行气提,回收氯乙烯单体。
抽出气体后的浆料进行离心分离,使氯乙烯含水25%,再进入干燥器干燥至含水0.3%~0.4%,过筛后即得产品。
聚合釜中,使用表面张力和用量均较小的分散剂,聚合的中后期采用高速搅拌,有利于生成体积较大、表面膨胀、表皮多孔、内部疏松的树脂颗粒——疏松型树脂。
反之,则生成紧密型树脂。
2.2聚氯乙烯生产工艺流程操作步骤
2.2.1聚合单元
首先将加热到48℃左右的去离子水由泵计量后加入到聚合釜中,分散剂配成一定浓度溶液,在搅拌下由泵经计量后加入聚合釜内(也可由人孔直接投入),其他助剂配制成溶液通常由人孔投加,然后关闭人孔盖,通入氮气试压及排除系统中氧气,或借抽真空及充入氯乙烯方法。
最后将新鲜氯乙烯与回收后经处理的氯乙烯依一定比例(回收的VCM占总量的10%),送入计量槽内计量,再经单体过滤器过滤后加入釜内,开启多级往复泵将引发剂计量后加入釜中。
加料完毕后,于釜夹套内通入热水将釜内物料升温至规定的温度(57℃)。
当氯乙烯开始聚合反应并释放出热量时,夹套内改通冷却水以及时移除反应热,并使反应温度控制在57±0.2℃,直至反应结束。
当釜内单体转化率达到85%以上,这时釜内聚合压力为0.5MPa,由计量泵向釜内加入一定量的终止剂,未反应的氯乙烯单体经自压回收后,当压力降至2.9Kpa时,将釜内浆料升温至70℃左右,进行真空回收,真空度为500mmHg~550mmHg,最后浆料中的氯乙烯含量在700μg/g。
然后进入放料操作。
2.2.2VC回收工序
VC回收工序包括VC气体回收至气柜、VC气体压缩、精馏等部分。
自压回收的氯乙烯,经VC气体洗涤塔以除去气体飞沫中夹带的PVC,然后经气体冷却器进入气柜,真空回收的VCM,用回收风机抽至气柜。
由气柜出来的VC气体送至脱湿塔,用5℃的冷冻盐水进一步冷凝,两个冷凝器所冷凝的VC送至精馏塔进行精馏,所得的精氯乙烯经过滤后,按比例送入氯乙烯计量槽与新鲜氯乙烯混合供聚合使用,未凝的气体送至焚烧炉处理,塔釜的高沸物排放至塔底液罐中,加热以进一步回收部分氯乙烯。
2.2.3汽提、干燥工序
由聚合釜排出的浆料,为降低残留在其中的氯乙烯和减少氯乙烯对环境的污染,用泵打入出料槽除去其中的大块物料,再将其送入汽提塔,在塔内与由塔底上升的蒸汽在塔板上进行逆流传质过程。
该塔为真空操作,用真空泵维持塔顶的真空度,并以此来保证塔顶的温度。
塔顶逸出的含氯乙烯气经冷凝,未凝的氯乙烯含氧量在1%以下时,经真空泵送至氯乙烯气柜备用。
塔釜之浆料含氯乙烯约400μg/g,经热交换器冷却后进入混料槽,再送往离心机进行离心分离。
离心分离后PVC滤饼含水量为23%~27%,经滤饼分散器机械分散并均匀地加入干燥器中进行干燥。
干燥器内带有内加热和内冷却。
第1~5室为干燥室,用热水盘管和热风干燥,第6室为冷却室。
干燥后的氯乙烯树脂含水量为0.3%~0.4%。
经过筛除去大颗粒,再由气流输送至贮料仓,最后由包装单元进行包装。
[12]
图2-1聚氯乙烯生产工艺流程
第3章物料衡算
3.1车间物料衡算
3.1.1主要工艺参数
①产品类型:
选用疏松型。
②聚合反应时间:
5h
③聚合温度:
57OC
④操作周期:
9h
3.1.2生产任务的计算
年产9500吨聚氯乙烯,年平均操作时数8000小时
聚氯乙烯小时生产量(8000h):
9500÷8000=1.1875×103(kg/h)
转化率:
90%。
根据要求生产的树脂牌号,氯乙烯单体的转化率选定在70%—95%范围,过高的转化率需要更长的反应时间,因而经济上不合算,而且超过85%—95%以后,树脂的热稳定性变坏,工业上生产硬质PVC塑料制品用树脂,则转化率要求大约为90%。
X·90%=1.1875×103kg
X=1.1875×103÷90%=1.3194×103kg
∴每小时要合成氯乙烯1.3194×103kg
产物气冷凝,精馏等收率为96.6%
进入精馏系统的VCM的量:
1319.4÷96.6%=1365.83(kg)
1365.83÷62.5=21.85(kmol)
表3-1乙烯悬浮聚合操作周期
工序
设计值/min
1、水相加料
30
2、抽真空
15
3、加VCM
15
4、加热到570C
30
5、恒温聚合时间
300
6、回收单体
60
7、出料
30
8、清釡
60
聚合周期
540(9h)
3.1.3投入单体的计算
投入单体的计算:
投料系数为0.80、釡的体积为20m3、在20摄氏度时,ρVCM=911kg/m3ρH2O=997.7kg/m3
设每次投入单体的质量为X
则X/911+1.8X/997.7=20×0.80
以20m3釡为例,每次投入单体5513.7kg。
因转化率为90%,则反应得到树脂G1=5513.7×90%=4962.4kg,回收时损失的VCM为0.25%
则G2=4962.4×0.25%=12.4kg
放空时损失为0.51%,则G3=4962.4×0.51%=25.3kg
浆料损失为0.05%,则G4=4962.4×0.05%=2.5kg
汽提损失为0.1%,则G5=4962.4×0.1%=0.5kg
离心干燥损失为0.38%,则G6=4962.4×0.38%=18.9kg
精馏时损失为3.5%,则G7=4962.4×3.5%=173.7kg
包装时损失为0.21%,则G8=4962.4×0.21%=10.4kg
反应前物料G=5513.7kg,根据物料平衡原理:
G=G1+G2+···+G9
=4962.4+12.4+25.3+2.5+0.5+18.9+173.7+10.4+307.6=5513.7kg
3.2聚合釜的物料衡算
3.2.1釡数及投料系数的台数的确定
因为每台釡年平均要工作8000小时,而每生产一次的周期为9小时,年投料量(VCM)为10555.6吨,每釡的出料量为10.69吨,选择投料系数为0.8,先用70m3的标准釡,VVCM=10555.6×1000/837=12611.2m3
V水=1.8×10555.6×1000/997.7=19043.88m3
所需要釡的台数为(12611.2+19043.88)/(70×0.8×8000/9)=0.64台,取整数为1台。
调整后的投料系数为0.63
实际的投料系数计算:
(12611.2+19043.88)/(70×1×800)=0.57可取0.57
每个釡所需的VCM的体积为:
12611.2/(1×(8000/9))=14.2m3
每釡所需的水的体积为:
19043.88/(1×(8000/9))=21.4m3
原料的配比
表3-2原料配方
原料
VCM
水
引发剂
分散剂
其他助剂
重量,kg
11875.05
21375.09
4.75
9.5
适量
3.2.2聚合釜的生产计算
以70m3釡生产为例,分述如下:
(1)投料
投料温度为20℃,单体14.2m3,水21.4m3,
投料体积:
14.2+21.4=35.6m3;
空余(气相)体积:
70-35.6=34.4m3
(2)升温
升温到期60℃,单体重度d依温度t变化d=0.9471-0.001746t-0.00000324t2
得:
20℃时d=0.910;57℃时d=0.83
单体在57℃时体积增加到:
14.2×0.91/0.83=15.6m3
物料总体积:
15.6+21.4=37m3
空余(气相)体积:
70-37=33m3
(3)反应结束:
转化率为90%,树脂真实密度为1.4kg/m3
则此时树脂体积:
14.2×90%×0.83/1.4=7.577m3
未聚合单体体积:
14.2×0.1=1.42m3
物料总体积:
21.4+7.577+1.42=30.397m3
空余(气相)体积:
70-30.397=39.603m3
表3-3物料衡算汇总表
损失
损失率/%
损失前的重量/t
筛分
0.21
9,519.95
干燥
0.13
9,532.3
离心
0.25
9,556.05
混料
0.01
9,557
汽提
0.1
9,566.5
出料
0.001
9,566.595
聚合
0.79
9,641.645
第4章热量衡算
4.1聚合釜热量衡算
4.1.1参数设定
QT——设备或系统内物料与外界交换热量之和(传入热量为正,传出热量为负),KJ;
Q1——由于物料温度变化,系统与外界交换的热量(升温为正,降温为负),KJ;
Q2——由于物料发生各种变化,系统与外界的交换的热量(吸热为正,放热为负),KJ;
Q3——由于设备温度改变,系统与外界交换的热量(设备升温为正,设备降温为负),KJ;
Q4——设备向外界环境散失的热量(操作温度高于环境温度为正,操作温度低于环境温度为负),KJ。
根据热量守恒定律,得QT=Q1+Q2+Q3+Q4
其中
Q1=
Q2=W∆Hr∆x/M
Q3=ΣWiCPi∆Tm
Q4=3.6×ΣAiαi(Ti-T0)×t
固体和液体热容可以采用柯普定律[5]计算
C(KJ/Kg.℃)=4.184×Ca×n/M
式中Ca——基团的比热容,KJ/(Kg.℃)
n——分子中同一元素的原子数
M——化合物的分子量,Kg/Kmol
单体的热容可以采用Missenard法基团贡献值[6]计算
表4-1Missenard法基团贡献值
基团
—CH3
—CH—
—O—
O=C—O
—C=O
贡献J/mol·K
9.55
5.7
7.0
13.8
10.2
则IPP的比热为:
C1=4.184×(9.55×4+5.7×2+7.0+13.8×2+10.2×2)/206.19=2.12KJ/(Kg.℃)
经查有关资料知:
氯乙烯的比热为:
C3=1.59KJ/(Kg.℃)
水的比热为:
C4=4.18KJ/(Kg.℃)
聚乙烯醇比热为:
C5=1.67KJ/(Kg.℃)
聚氯乙烯的比热为:
C6=0.9675KJ/(Kg.℃)
表4-2物料比热表(KJ/(Kg.℃))
物料种类
比热KJ/(Kg.℃)
IPP
2.12
氯乙烯
1.59
水
4.18
聚乙烯醇
1.67
聚氯乙烯
0.9675
氯乙烯的聚合热为:
95.88KJ/mol=1534KJ/kg
4.1.2混合热和搅拌热的考虑
由于溶质的量很少,混合热可忽略不计。
搅拌设备中的物料为低黏度流体,搅拌热也可忽略不计。
4.2回流冷凝器热负荷的考虑
由于反应中严格控制反应温度恒定,冷凝器中的回流量极少,所以对冷凝器热负荷不予考虑。
4.3物料带入聚合釜的热量
以0℃的一批物料为基准,设进料温度为20℃,则物料带入聚合釜的热量为:
Q1=2.12×4.75×20+1.59×11875.05×20+4.18×21375.09×20+1.67×9.5×20
=2.2×106KJ
4.4聚合反应放出的热量
以一批物料为基准,则聚合反应放出的热量为:
Q2=24.64×9600=2.36×105KJ
4.5物料带出聚合釜的热量
以一批物料0℃为基准,物料流出的温度为60℃,则物料升温所需要的热量为:
Q3=(2.12×4.75+0.9675×9600+4.18×21375.09+1.67×9.5+1.59×1.19×103)×(60-0)=6.03×106KJ
4.6反应过程需要加入的热量
根据热量衡算进入系统的热量=出系统的热量,则反应过程所需加入的热量为(设热损失为10%):
∆Q=(Q3+Q2-Q1)/(1-10%)=(6.03×106+2.36×105-2.2×106)/90%=6.72×106kJ
4.7加热水的用量:
根据式:
Q=mCPΔT得
m=Q/CPΔT
热水进口温度为99℃,出口温度为60℃。
水CP=4.22kJ/kg.K
m=6.72×106/4.22/39
=4.08×104kg
4.8冷却水的用量:
根据式:
Q=mCPΔT得
m=Q/CPΔT
冷却水进口温度为29℃,出口温度为26℃。
水CP=4.22kJ/kg.K
m=2.36×105/4.22×3
=1.86×104kg
表4-3整套装置的热量衡算表:
传入热量(×105KJ)
传出热量(×105KJ)
物料带入聚合釜的热量Q1
22
——
聚合反应放出的热Q2
2.36
——
物料带出的热量Q3
——
60.3
反应过程需要加入的热量Q4
67.2
——
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