2500吨年聚氯乙烯工业管生产车间设计说明.docx
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2500吨年聚氯乙烯工业管生产车间设计说明
第一章概述
1.1氯化聚氯乙烯管的特点
氯化聚氯乙烯(PVC-C)是聚氯乙烯的氯化产物,它具有比聚氯乙烯更优良的物理化学性能,其最高使用温度可达110℃,大大高于一般的硬质聚氯乙烯。
PVC-C管不仅强度高,而且耐热、耐老化、耐化学腐蚀、阻燃性好,也不受水中余氯的氧化侵蚀,是一种十分优良的管道。
但PVC-C加工技术难度高,其加工性能差、加工温度高、熔体粘度大、容易分解。
由于它的耐高温、抗腐蚀和阻燃等特性而被广泛应用于热水管上。
与其他热水管相比,氯化聚氯乙烯具有如下独特的优越性:
(1)坚固,抗强度为PP-R管的1.7倍;
(2):
管材管件为同种材料,可粘连:
(3);阻燃性好,氧指数可达60,是一般塑料管材所望尘莫与的,因此,氯化聚氯乙烯管还被广泛应用于高压电力电缆保护管套和消防用喷淋管;(4):
耐高温,耐腐蚀,不易透氧,不挂水滴,被广泛应用于化工行业,尤其是碱氯行业用于输送和排放高温酸、碱液体;(5):
导热系数低,为PP-R管的63%;(6):
热膨胀系数小,为PP-R管,PEX管的1/2;(7):
不易滋生细菌,细菌滋生率为PEX管的1/60,铜管的1/10;(8):
安全使用历史最长[1]。
1.2UPVC管的市场需求和发展前景
CPVC塑料具有比PVC更好的耐高温性(长期工作温度达93℃)和耐化学腐蚀性(可输送一般的强酸、强碱介质),材质洁净抗菌、环保卫生、机械性强度优异,且具有安全的阻燃性能,是近年来应用领域发展速度较快的新颖塑料材料,美国、欧洲与日本等先进国家和地区对CPVC材料的研制和开发技术已经日趋成熟。
而在中国,CPVC产品的研发还处于起步阶段,是塑料加工业中的一个比较薄弱的项目,CPVC塑料尚属新产品、新材料,其利润空间和市场发展空间均有很大的吸引力,具有很大市场潜力[2]。
现在日本、美国等国家都可以大量生产和销售氯化聚氯乙烯,氯化聚氯乙烯在国外已得到了广泛应用。
而在我国,由于氯化聚氯乙烯技术长期被美国、日本等国家所垄断,国的生产规模较小,且产品质量不高,氯化聚氯乙烯在我国的应用受到了限制。
CPVC材料实现国产化后,随着我国节能减排力度的加大,市场对CPVC管件、管材的消费需求将会持续增加,并将在国民经济多个领域得到广泛应用。
CPVC被广泛用于制造各种不同的工业管道、冷热水管和防火管道,另外还可以制造各种阀门、管件等配套系统。
特别是热水管道、耐腐蚀流体管道与超高压电力电缆埋管的应用中发挥越来越重要的作用。
由于CPVC力学强度和耐热性提高,在给水工程和集中供暖系统中输送冷水和热水的管材可用CPVC管代替金属管材。
CPVC具有良好的抗化学性与抗腐蚀能力,可用于氨基磺酸、硅酸钠、高锰酸钾、丙二醇、酚、甲酸、铬酸、丁酸、氯铵、氟化铵等溶剂,具有抗酸、碱、脂肪酸盐、氧化剂与卤素的化学能力。
在国外,CPVC管材已经在石油、化工、轻工、医学、印染、电镀、食品和造纸等领域得到广泛应用。
由于CPVC管材耐硫酸、盐酸、磷酸、烧碱、纯碱、氯化钠与一些有机化合物的侵蚀,采用CPVC管材取代贵金属管材与易腐蚀金属管材在这些工业介质中的应用,可获得极大的经济效益[3]。
例如氯碱厂就大量使用CPVC管材取代贵金属钛材输送湿氯气、热盐水、热碱液等。
用CPVC制作的管道、管件、阀门等,不仅抗腐蚀、耐高温和流动性好,而且质量轻(仅为碳钢的20%左右)、耐用(CPVC管材寿命是10~50年)、安装施工也很方便,CPVC制作的管材、管件,不仅可用螺纹连接,也可采用粘合剂连接。
如国外Harvel公司的CPVC管子已用于化学处理、金属加工、电镀、金属处理、纸浆与造纸、空气污染控制、矿冶、太空作业、纺织、半导体与电子工业等。
因CPVC管子无臭、无味且洁净,美国卫生基金会(NSF)已核准其用于饮用水输送工程中,也可用于食品与饮料处理、酸液运送、盐水管道系统与饮用水调配管道系统、氯注射系统等方面。
国在1999年以前没有CPVC管道生产企业,1999年10月,美国Goodrich公司在我国建成了首家生产CPVC管道系统的独资企业)佑利管道公司,生产能力2500t/a,目前该公司可提供管道、管件、阀门、填料等系列产品,管道产品符合美国ASTM与德国DIN标准,可用于金属处理、纸浆输送、化学品处理、工业废水处理、食品饮料的输送领域中,不久还将提供冷热水管道系统。
该企业管道系列产品已在齐鲁石化、氯碱与化二股份等单位使用,初步反应良好[4]。
美国的Goodrich公司用CPVC挤压成的管材代替金属和玻璃纤维管,用来运送带腐蚀性杂质的液体和气体,输送冷热饮用水以与用作消防喷淋水管道已有十多年的历史。
国外通过设备和加工方式的改进,已能制造出5610的大口径工业用管,为CPVC的应用开辟了新的领域。
各个公司还可通过生产工艺的改进制备出冲击性能更高、透明度更好的CPVC,其透明材料可用于汽车、车箱框架、光盘、声像制品。
具有较高热变形温度的CPVC还可用作新的应用材料,例如CPVC复合窗。
钟渊公司将CPVC透明成型板用作公共汽车的百叶窗框架,美国SNE.E.W.WI正在生产一种CPVC包层的黑色窗框,极易装配且能效高,也可用作大口径管材与改进系统等[5,6]。
1.3设计依据
(1)依据氯化聚氯乙烯管生产车间工艺设计任务书与老师的要求。
(2)依据有关氯化聚氯乙烯管材的国标等要求,认真贯彻管家建设方针、政策与有关规定,精心设计,保证设计质量。
①GB4217-84热塑性塑料管材的公称外径和公称压力
②GB/T18998.1-2003《工业用用氯化聚氯乙烯(PVC-C)管道系统第1部分:
总则》
③GB/T18998.2-2003《工业用用氯化聚氯乙烯(PVC-C)管道系统第1部分:
管材》
④GB/T18998.2-2003《工业用用氯化聚氯乙烯(PVC-C)管道系统第1部分:
管件》
⑤工业企业设计卫生标准
⑥大气污染物综合排放标准(GB16397-1996)
⑦采暖通风与空气调节设计规
⑧建筑设计防火规
⑨环境空气质量标准(GB/3095-1996)
1.4氯化聚氯乙烯管材生产配方
设计配方的原则是根据使用要求,根据我国已经制定了各类管材标准进行,管材配方中包含:
CPVC树脂,热稳定剂,抗冲改性剂,加工助剂,填充剂,润滑剂,着色剂与其他辅料等成分。
本设计所选用的配方为工业用CPVC(灰色)管配方,配方如表1-1[7]。
表1-1:
工业用CPVC管配方
原辅料
名称
质量份数
原料
CPVC(Z829)
95
PVC-S1000(齐鲁石化)
5
热稳定剂
铅类复合稳定剂
7
抗冲改性剂
CPE
6
MBS
4
填充剂
碳酸钙
5
润滑剂
HSt/OPE
1
着色剂
TiO2
0.15
1.4.1PVC-C管材主要原料CPVC树脂的选择
CPVC制品的性能主要决定于CPVC树脂,它的加工性能更是决定于CPVC树脂,CPVC材料的应用和发展在于CPVC树脂的生产工艺的改进和提高,且能够得到专业PVC树脂,从而能提高不但性能优良而且加工性能较好的CPVC树脂。
表1-2为日本钟渊公司的CPVC树脂的等级与其性能表。
CPVC树脂的加工难度比PVC树脂大,熔体加工粘度至少是它的2倍,熔融加工温度也比PVC树脂高,尤其是在注射加工时难度更大。
CPVC树脂的性能决定于两个因素:
氯的含量和氯在CPVC分子链上的分布。
一般PVC树脂的氯含量为57%左右,而CPVC树脂的氯含量为64%~75%。
随着氯含量的增加,相应地CPVC的熔融粘度增加,软化点升高,耐热性能提高,密度增大,拉伸强度提高,同时脆性增大,冲击强度下降,加工难度也增大。
表1-2:
CPVC树脂的等级与其性能表
型号
Z305
Z627
Z829
Z827
ZC600
体积密度/(g/mL)
0.44
0.445
0.44
0.47
0.5
挥发物/%
≦0.3
≦0.3
≦0.3
≦0.3
≦0.3
粒径(40目)/%
≧99
≧99
≧99
≧99
≧98
形态
白色粉末
白色粉末
白色粉末
白色粉末
白色粉末
拉伸模量(23℃)/(104kg/cm2)
2.9
3.3
3.5
3.5
5.5
屈服拉伸强度(23℃)/(kg/cm2)
600
665
700
700
650
断裂伸长率(23℃)/%
30
40
35
25
80
维卡软化点(49.05N)/℃
102
116
120
126
110
氯含量/%
64
66
68
68.5
64
氧指数/%
—
—
—
—
60
烟雾指数/CA
—
—
—
—
25
物料分解时间/min
—
—
—
—
22
工业用CPVC管材一般用于化工、矿业、造纸等领域其耐热性好,具有UPVC管材所不能比拟的输送高温腐蚀介质的功能,且能达到压力下输送介质的技术要求。
在一样压力下它与UPVC压力管的耐热性与一定温度下的耐化学腐蚀性有很大的差别。
工业用CPVC管材不但要有材料本身的良好性能,还要具有UPVC压力管材所具有的特性。
这就是说对这种管材的性能要求非常高。
国际标准ISP/DIS15493-中规了管材的规格有四个系列,它分别代表四种压力体系。
工业用CPVC管材被允许在有一定温度的条件下通过压力输送介质,它的使用压力、使用温度与使用寿命存在着一定的关系。
综上所述,可以看出工业用CPVC管材的性能要求非常高[8]。
故本设计选用CPVC(Z829)树脂,加入量为95份。
1.4.2热稳定剂
在热稳定剂的选用方面,原则上加工PVC制品的热稳定剂都能为加工CPVC制品所使用。
但是,由于CPVC树脂的固有特性,其热稳定剂的用量应有所不同。
根据加工助剂的选用原则,应尽量避免使用传统的铅盐稳定剂,也要少用或不用金属皂类稳定剂。
而液体类稳定剂如有机锡类稳定剂虽然热稳定效果较好,但它可能影响制品的耐热性能。
硫醇类有机锡与铅类助剂相互间易产生污染。
所以除非特殊需要,一般在CPVC树脂的成型加工中不宜选用上述几种热稳定剂,而应选择目前较为通用的含有润滑体系的铅类复合稳定剂。
如德国的熊牌公司、汉高公司与日本钟渊化学公司等生产的含润滑体系的铅类复合稳定剂都可作为CPVC制品加工中理想的热稳定剂[8]。
故本设计中选用铅类复合稳定剂为热稳定剂,份量为7份。
1.4.3抗冲改性剂
由于CPVC树脂氯含量较高,它的抗冲击性能比PVC树脂更差,必须加入抗冲击剂加以改性,常用的抗冲击剂有:
CPE、MBS、ABS和抗冲型ACR等,在CPVC管材的加工中加入CPE,其增韧效果十分明显,添加量在8~12份之间增韧效果最好,但加入CPE会明显降低管材的维卡软化温度;MBS、ABS对维卡软化温度影响较小,但由于它们的分子链中含有不饱和双键,耐候性较差;抗冲型ACR是较为理想的抗冲击改性剂,但价格较高。
综合上述原因,推荐使用CPE/MBS的混合体作为抗冲击改性剂,可以兼顾产品对维卡软化温度、抗冲击性、耐候性与价格等诸方面的要求,二者的配比以1.5:
1为宜[9]。
故设计选用CPE/MBS的混合体作为抗冲改性剂,份量为CPE6份,MBS4份。
1.4.4填充剂
生产CPVC制品与生产PVC制品一样可适当加入一些填充料。
加入合适的填充料不但可降低产品成本,还可改善加工性能。
它可降低CPVC材料的粘性,改善混料分散性与挤出加工时对设备和模具的粘附性。
最通用的填充剂是碳酸钙(CaCO3),但加入量不宜过多,否则会影响制品的性能[8]。
故本设计选用碳酸钙为填充剂,份量为5份。
1.4.5润滑剂
在PVC制品的挤出加工过程中,润滑剂的作用几乎与热稳定剂同等重要。
同样,在CPVC制品的加工中,润滑剂也很重要,它对、外润滑剂的选用和添加量的要求甚至比加工PVC制品时更为重要。
这是因为CPVC材料的挤出加工难度比PVC材料更大。
由于CPVC制品的生产必须加入较多的改性剂,所以润滑剂的加入必须充分考虑改性剂的性能和加入量。
另外还需考虑填充料的加入量以保证综合平衡。
由于CPVC树脂PVC树脂易塑化,使用高性能(高效)的润滑剂如G-70、G-32类在CPVC制品的挤出加工中反而很难控制其添加量。
所以选用一些较为普通的润滑剂如硬脂酸(HSt)作为润滑剂,部分氧化聚乙烯蜡(OPE)作为外润滑剂等反而更好[8]。
故本设计选用HSt/OPE作为润滑剂,份量为1份。
1.4.6着色剂
有机染料和无机颜料在长期使用时,一定温度的水或其它流体会使之褪色。
有机染料难过加工关,温度一高颜色容易加深,而无机颜料则要设法让其均匀分散。
并用对于应用在热水接触时间较长的配方中也不适宜。
有些管道为了区别而故意用酞箐兰或靛兰、群青等使上水管或热水管形成湖兰色这是十分不利和有害的。
必须以LD50来做试验指标、即给小白鼠喂食达到“半数致死量”的标准数。
故通常选用金红石型钛白粉或碳黑,锐钛型钛白粉耐晒性差,易变色,不宜采用。
使用金红石型钛白粉或碳黑,能阻止中紫外线对管材的照射,提高产品的耐候性[10]。
故本设计选用钛白粉作为着色剂,钛白粉TiO2份量为0.15份。
1.5产品质量指标
为了确保工业用CPVC管材在使用过程中的安全性,对它的质量性能指标要求师傅严格。
以下为工业用CPVC管材所要达到的性能指标与试验方法[11]。
1.5.1性能
工业用CPVC管材的物理性能要求如表1-3所示。
表1-3工业用CPVC管材的物理性能
项目
指标
试验方法
密度
1500~1650g/m3
按GB/T1033规定测试
维卡软化温度
≧110℃
按GB/T8802规定测试
纵向回缩率
≦5%
按GB/T6671规定中方法B-烘箱试验测定
氯含量
≧60%(质量分数)
按GB/T7139
1.5.2力学性能
工业用CPVC管材的物理性能要求如表1-4所示。
表1-4工业用CPVC管材的力学性能
项目
指标
试验参数
试验方法
静液压试验
无破裂,无渗漏
温度/℃
静液压应力/MPa
时间/h
试验介质为水,取3个试样,按GB/T6111规定测定
20
43
≧1
95
5.6
≧165
95
4.6
≧1000
静压状态下热稳定性试验
95
3.6
≧8760
试验介质:
部为水或水蒸气,外部为空气
落锤冲击试验
破损率TIP≦10%
试验温度(0±1)℃,落锤质量与高度略
1.5.3化学性能
工业用CPVC管材的化学性能要求如表1-5所示。
表1-5工业用CPVC管材的化学性能
腐蚀情况
变化百分比
耐腐蚀
有限耐腐蚀
不耐腐蚀
试验方法
质量变化百分比Δm/%
-0.8≦Δm≦3.6
3.6<Δm≦10
-0.8>Δm≧-2
Δm>10
Δm<-2
按ISO4433-1
ISO4433-3
规定
断裂点伸长变化百分比QƐb/%
50≦QƐb≦125
125 50>QƐb≧30 QƐb>150 QƐb<30 1.5.4液压试验 工业用CPVC管材的液压试验按表1-6进行。 表1-6工业用CPVC管材的液压试验 静液压应力/MPa 17 4.8 指标 试验温度/℃ 20 80 不破裂,无渗漏 试验时间/h ≧1000 ≧1000 试验压力/MPa S10 1.70 0.48 S6.3 2.69 0.76 S5 3.40 0.96 S4 4.25 1.2 1.5.5外观 工业用CPVC管的质量要求应符合GB/T18998.2—2003标准规定。 ①管材尺寸按管系列S分为S10、S6.3、S5、S4四个系列,管规格标注方法例如S4=dn50×en5.6(dn为公称外径,en为公称壁厚)。 ②与公称压力PN相对应的管系列S,标准尺寸比SDR与管材规格尺寸见表1-7. ③管材的外观质量要求如下。 管的外表面光洁、光滑,不允许有气泡、划伤、凹陷,杂质与颜色不均的缺陷。 管端应切割平整,并与管中心线垂直。 ④管材壁不允许透光。 ⑤管材长度一般为4m或6m,也可按用户要求确定。 长度允许偏差值为长度的±0.4%. ⑥管材的平均外径与偏差和不圆度,应符合表1-8的规定。 ⑦管材的任一点壁厚与偏差应符合表1-9的规定。 表1-7管材规格尺寸单位: mm 公称外径dn 公称壁厚en 管系列S S10 S6.3 S5 S4 标准尺寸比SDR SDR21 SDR13.6 SDR11 SDR9 公称压力/MPa PN1.0 PN1.6 PN2.0 PN2.5 20 2.0(0.96) 2.0(1.5) 2.1(1.9) 2.3 25 2.0(1.2) 2.1(1.9) 2.3 2.8 32 2.0(1.6) 2.4 2.9 3.6 40 2.1(1.9) 3.0 3.7 4.5 50 2.4 3.7 4.6 5.6 63 3.0 4.7 5.8 7.1 75 3.6 5.6 6.8 8.4 90 4.3 6.7 8.2 10.1 110 5.3 8.1 10.0 12.3 125 6.0 9.2 11.4 14.0 140 6.7 10.3 12.7 15.7 160 7.7 11.8 14.6 17.9 180 8.6 13.3 200 9.6 14.7 225 10.8 16.6 表1-8平均外径与偏差、不圆度最大值单位: mm 平均外径dem 不圆度最大值 平均外径dem 不圆度最大值 公称外径dn 允许偏差 公称外径dn 允许偏差 20 +0.2 0.5 32 +0.2 0.5 0 0 25 +0.2 0.5 40 +0.2 0.5 0 0 续表 平均外径dem 不圆度最大值 平均外径dem 不圆度最大值 公称外径dn 允许偏差 公称外径dn 允许偏差 50 +0.2 0.6 140 +0.5 2.0 0 0 63 +0.3 0.8 160 +0.5 2.0 0 0 75 +0.3 0.9 180 +0.6 2.2 0 0 90 +0.3 1.1 200 +0.6 2.4 0 0 110 +0.4 1.4 225 +0.7 2.7 0 0 125 +0.4 1.5 0 表1-9壁厚en与偏差单位: mm 公称壁厚en 允许偏差 公称壁厚en 允许偏差 2.0 +0.5 9.0 +0.12 0 0 3.0 +0.6 10.0 +0.13 0 0 4.0 +0.7 11.0 +0.14 0 0 5.0 +0.8 12.0 +0.15 0 0 6.0 +0.9 13.0 +0.16 0 0 7.0 +0.10 14.0 +0.17 0 0 8.0 +0.11 15.0 +0.18 0 0 续表 公称壁厚en 允许偏差 公称壁厚en 允许偏差 16.0 +0.19 17.0 +0.20 0 0 1.6工业用CPVC管材工艺流程 工艺流程图如图1-1所示[8]。 图1-1工业用CPVC管材工艺流程 配方高速混和115~120℃低速冷拌40℃挤出机挤出 真空冷却水箱冷却真空定径套冷却定径机头成型 喷淋冷却牵引机牵引商标打印定长切割 入库检验管端扩口 1.6.1混合工艺 混合工艺有两个要求: 一是投料次序,二是混料温度。 通常情况下,按次序投料可以获得更好的混料效果。 它可以使用量较少的组分得到充分利用。 其次序为: CPVC树脂、稳定剂、加工助剂、填充料、润滑剂等等。 如配方中含有液状组分,应先将液状组分与CPVC树脂先行混合,其次再一次投入其他组分[9]。 与PVC管材的加工一样,经配方后的物料即配方料也需经高速混和和低速冷却拌和两个过程,其拌料温度比PVC树脂略低,高速混和设定温度值为115~120℃,物料在混料缸通过高速搅拌时产生的摩擦热来达到此设定温度,不宜采用外加热来产生温度。 启动高速混料机时应先启动低速旋转5~10s后再转入高速,以免启动电流太高而损坏电机。 由于连续生产,高速混料缸的热量很难散发,这将影响物料混和质量,因此必须间隔混和时间。 低速拌和冷却的目的是将高混后的物料进一步分散,并打碎可能结成的团块,使物料达到冷却的均一性。 低速拌和的温度控制在40℃左右。 由于CPVC树脂容易吸湿,高速混合机在混和时能与时将水分排放。 最简单的排水气方法是物料通过混炼产生的热量使水分气化后,通过混料筒盖上的排气口释放。 为了防止排水气时将物料粉末排出,可在排气口处套装400目铜网或布袋,并经常更换。 如通过混料未能将水分排尽,可将混合后的物料40目过筛,则可进一步将水分排出。 低拌后的配方混合料不宜直接输入没有干燥装置的大储料仓,也不要装袋后放置“困料”,而应直接输入挤出机料斗或上料小料仓,以免吸湿受潮。 干燥的料斗或料仓应当是封闭的[8]。 1.6.2挤出工艺 CPVC管材挤出工艺的重点是工艺温度,它将直接影响管材的塑化质量。 一般CPVC材料的加工温度比PVC材料的加工温度略高。 芯棒加热温度应比口模低,如芯棒没有冷却装置,一旦正常出管,芯棒加热应断开。 表1-7为65锥形双螺杆挤出机生产工业用CPVC管材挤出工艺温度的参考值[8]。 表1-7工业用CPVC管材的加工温度 加热区 温度/℃ 机身 1区 185~190 2区 180~185 3区 175~180 4区 170~175 5区 165~170 合流芯 170 机头 1区 170~175 2区 175~180 3区 180~185 4区 185~190 口模 160 芯棒加热 195~205 螺杆油温 100 参考文献 [1]唐克能.浅谈氯化聚氯乙烯(PVC-C)管材与管件的加工技术[J].塑料,2003, (2): 25~31 [2]王迎涛.氯化聚氯乙烯管道加工设备与工艺研究[J].聚氯乙烯,2002, (1): 4~10 [3]管延彬.氯化聚氯乙烯的发展概况[J].工业科技,2007,24(6): 325~331 [4]吴培英.一种新型工程塑料——氯化聚氯乙烯[J].化工.1995, (2): 44~45 [5]王印.氯化聚氯乙烯树脂的高性能化与应用进展[J].塑料,1995,(4): 24-25. [6]治华.氯化聚氯乙烯树脂发泡体制法的改进[J].塑料技术,1992, (2): 27-30. [7]周殿明.塑料挤出成型工艺员手册[M]..化学工业,2008,8: 338~342 [8]小文.塑料管道与管件加工与应用[M]..
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