年产 5 万吨 PVC 生产车间的工艺设计

年产 5 万吨 PVC 生产车间的工艺设计

1 生产方法简介及设计方法的确定2 产品的基本性能 3 产品的应用状况 4 有关设计参数 5 物料衡算 6 热量衡算 7 关键设备的选型 8 车间设备布置设计 9 公用工程

1. 生产方法简介及设计方法的确定 • 1.1 氯乙烯单体的制备方法的选取• 氯乙烯单体可由电石乙炔法和乙烯氧氯化法制备，本工艺采用乙烯氧

氯化法制备氯乙烯单体。此方法中氧氯化部分主要采用美国古德里奇技术，直接氧化和裂解是西德赫斯特公司的技术。全套装置由直接氧氯化单元、二氯乙烷精馏单元、二氯乙烷裂解单元、氯乙烯精馏单元、废水处理单元和残液焚烧单元组成。

• 1.1.2 聚合方法选取• 聚氯乙烯按聚合方法分四大类：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。本工艺设计采用悬浮发生产聚乙烯。悬浮法 ( 主要是水相悬浮法 ) 生产的氯化聚氯乙烯为非均质产品 ,溶解度相对于溶液法产品低 , 但热稳定性高 , 主要用于制造管材、管件、板材等 [5] 悬浮聚合反应机理和动力学与本体聚合相同，需要研究的式成粒机理和颗粒控制。

• 氯乙烯悬浮聚合过程大致如下：• 将水、分散剂、其他助剂、引发剂先后加入聚合釜中，抽真空和冲氮

气牌氧气，然后加单体，升温至预定温度聚合。在聚合过程中温度压力保持恒定。后期压力下降 0.1-0.2MPa ，相当于 80-85% 转化率，结束聚合，如降压过多，将使树脂致密。聚合结束后，回收单体，出料，经后处理工序，即得聚氯乙烯树脂成品。

2. 产品的基本性能

• 聚氯乙烯是无定形线型、非结晶的聚合物，基本无支链，链节排列规整。聚合度 n 的数目一般为 500 ～ 20000 。聚氯乙烯树脂为白色粉末，相对密度约 1.4 。有较高的机械性能。

• 分子中含有大量的氯，使其具有较大的极性，同时具有很好的耐燃性。• 有优良的耐酸碱、耐磨、耐燃烧和绝缘性能。但是对光和热的稳定性差。

解决的办法是在加工过程中加入稳定剂，如硬脂酸或其他脂肪酸的镉、钡、锌盐。

• 的抗冲击性能差 , 耐寒性不理想，硬质聚氯乙烯塑料的使用温度下限为 -15℃，软质聚氯乙烯塑料为 -30℃。

• 透水汽率很低。硬聚氯乙烯长期浸入水中的吸水率小于 0.5% ，浸 24小时为 0.05% ，选用适当增塑剂的软聚氯乙烯吸水率不大于 0.5% 。聚氯乙烯室温下的耐磨性超过普通橡胶。聚氯乙烯的电性能取决于聚合物中残留物的数量和各种添加剂。聚氯乙烯的电性能还与受热情况有关，当聚氯乙烯受热分解时，由于氯离子的存在而降低其电绝缘性。

3. 产品的应用状况 • PVC 树脂可以采用多种方法加工成制品，悬浮聚合的 PVC 树脂

可以挤出成型、压延成型、注塑成型、吹塑成型、粉末成型或压塑成型。分散型树脂或糊树脂通常只采用糊料涂布成型，用于织物的涂布和生产地板革。糊树脂也可以用于搪塑成型、滚塑成型、蘸塑成型和热喷成型。

• 发达国家 PVC 树脂的消费结构中主要是硬制品，• 在全世界范围内一半以上的 PVC 树脂用于与建筑有关的市场，使

PVC行业容易受到经济的波动影响。增长最快的用途是管材、板壁、和门窗等。

• 我国聚氯乙烯硬制品应用份额也呈增长趋势，管材、型材和瓶类所占份额由 1996 年 25%增长到 1998 年的 40% ，但至今我国聚氯乙烯的应用还是软制品的份额较多。 1998 年软制品占 PVC总用量的 51%（其中薄膜为 20% ，塑料鞋 10% ，电缆料 5% ，革制品 11% ，泡沫和单板等 5%），硬制品占 40%（其中板材 16% ，管材 9% ，异型材 8% ，瓶 3% ，其它 4%），地板墙纸等占 9% 。

• 聚氯乙烯塑料一般可分为硬质和软质两大类。

4. 有关设计参数 • 1. 生产周期 300 天 ,7800-8000h/Y• 2. 反应温度 55℃• 3. 反应时间 9h• 4. 转化率 92%• 5. 消耗定额 VC 1.015-1.064t/T PVC• 6. 原辅材料 : 去离子水 , 单体氯乙烯 (VCM), 分散

剂 KH-21( 聚乙烯醇 ),PH 调节剂 , 反应调节剂 (- 巯基乙醇 ), 引发剂 ( 偶氮二异庚腈 ), 防粘釜剂 , 终止剂 ( 丙酮缩氨基巯脲 ), 缓释阻垢剂 (H-9), 碱液 (42%) 等。

5. 物料衡算 • 本工艺的配方如下（以单体质量为参考标准）：• 去离子水 150 单体 100 引发剂 0.04• 分散剂 0.08 PH 缓冲剂 0.06 终止剂 0.02• 反应调节剂 0.0015 缓蚀阻垢剂 0.002 消泡剂 0.002• 采用顺流程的计算顺序进行物料衡算，先求出 VC 单体的每

批投料量。该工艺为年产 5 万吨，开工 330 天，计划每天生产 2 批。后处理损失为 5% 。

• 每批应生产聚合物的量 =50000000/ （ 330*2*0.95 ） =7.94*104 Kg/B

• 假设引发剂（ 0.04% 单体质量）全部结合到聚合物中，并且单体 92% 转化为聚合物。则 VCM 单体的投料量 = Kg/B

物料流程图如下

5.1 聚合釜物料衡算

• 进入聚合釜内 VCM 单体 M1=8.664*104 Kg/B• 去离子水的质量 M2=1.5* M1=129970 kg/B• 引发剂的质量 M3=0.0004 M1=34.66 kg/B • 终止剂的质量 M4=0.002 M1=17.33 kg/B• 分散剂的质量 M5=0.0008M1=69.32 kg/B• PH 缓冲剂用量 M60.0006 M1=51.99 kg/B• 调节剂的质量 M7=0.000015M1=1.30 kg/B• 防粘釜剂的质量 M8=0.00002M1=1.73 kg/B• 二次用水的质量 M9=400 kg/B• M1+M2+M3+…+M8=53099.47 kg/B• 所生成的聚合物质量： 8.664*104×92%×99%=78920 kg/B• 损失 PVC 的质量： M 损 =8.664*104×92%×1%=797.13 kg/B• 对聚合釜作全物料衡算得：计算结果是正确的。• 计算结果整理成表得：

计算结果整理成表

5.2 出料槽物料衡算 • 出料槽中损失的 PVC 量为 M 损 =8.664*104×92%×1%=7

97.13 kg/B• 因此出料槽中含 PVC 量为 78920-797.13=78120 kg/B• 由于出料槽中 VCM 含量为 450ppm ，过出料中 VCM 的

量为：• 78120×450×10-6=35.15 kg/B• 因此回收的 VCM 量 M 回 1=6932-35.15=6896.85 kg/B• 此阶段需要加入碱液和通入蒸汽，按工艺条件加入 42%N

aOH 溶液 12 升，其重量为 1.45*12=17.4 kg ，其中含有纯 NaOH7.508 kg 。有工艺计算可得需要加入水蒸气量为800kg

• 对出料槽做总物料衡算：可得物料衡算结果是正确的。• 计算结果整理成表得：

计算结果整理成表

5.3 汽提塔物料衡算 • 从这一步开始到筛分包装为连续过程，因此，计算标准相应的转换为千克 / 小时。根据

全年的生产任务和生产时间可以求出：• 每小时生产的 PVC 量为： 5×107/(330×24)=6313 kg/h• 产品中的含水量为 0.3% ，折合绝干树脂含量为：• 6313×0.997=6294 kg/h• 考虑到聚合釜内 PVC 的损失，则进入汽提塔内绝干树脂量为：• 6294/0.95×0.98=6493 kg/h• 以 6493 kg/h 为基准求出汽提塔进料中其他各组分相应的量：• 因此进入汽提塔内的水量为： 131180×6493/78120=10900 kg/h• 进入汽提塔内的分散剂等为： 178.49×6493/78120=14.84 kg/h• 进入汽提塔内的 VC 单体为： 35.15×6493/78120=2.92 kg/h• 损失的 PVC 的量为： 6294/0.95×0.01=66.25 kg/h• 故出料中含 PVC 量为： 6493-66.25=6427kg/h• 已知出料中 VCM 含量为 20ppm ，故出料中含 PVC 的量为：• 6427×20×10-6=0.128kg/h• 求蒸汽冷凝量• 条件：进入汽提塔内的物料初始温度为 60℃ ，汽提塔内压强为 0.06MPa ，在此压强

下水的沸点为 86℃ ，潜热为 2293.9kj/kg ，水蒸气的比热容 Δ 向蒸汽的扩散能由蒸汽的潜热和显热提供，而且单体的扩散能为 71kj/mol, 假定在塔内有 35% 蒸汽冷凝，其余在塔顶冷凝。

• 则物料升温所需热量衡算表如下：

物料升温所需热量衡算表

又因为单体的扩散能为：（ 2.92-0.128 ） /62.5×10-3×71=3169.44 kj/h故所需的总热量：

Q 总 =915600+49.52+229073.1+3169.44=1147892 kj/h设汽的流量为 V ，则

Q 总 =2.31 （ 142-86 ） V+0.35V×2293.9=1147892 kj/h故得 V=1219.26 kg/h

计算结果整理成表得：

4离心部分物料衡算离心操作中 PVC 的损失量为： 6294/0.95×0.005=33.13 kg/h离心脱水后的湿物料中仍含有 20%的水分，则含水量为：（ 6427-33.13） ×0.2/0.8=1598.47 kg/h假设此阶段将所有助剂都离心脱除了。计算结果整理成表得：

5.5 气流干燥部分物料衡算 • 气流干燥损失的 PVC 量为： 6294/0.95×0.005=33.13 kg/h

• 则出料 PVC 量为： 6393.87-33.13=6360.74 kg/h

• 已只气流干燥后的含水量为 5% ，则含水量为：• 16360.74×0.05/0.95=334.78 kg/h

• 整理计算结果得：

5.6 沸腾干燥部分物料衡算

• PVC 损失量为： 6294/0.95×0.005=33.13 kg/h

• 所以出料的 PVC 量为： 6360.74-33.13=6327.61 kg/h

• 假设出料中水分含量为 0.3% ，则所含水量为• 6327.61×0.003/0.997=19.04 kg/h

• 整理计算结果得：

5.7 筛分包装部分物料衡算

• 绝干 PVC 损失量为： 6294/0.95×0.005=33.13 kg/h

• 则包装入库的绝干 PVC 树脂量为： 6327.61-33.13=6294.48 kg/h

• 随着 PVC 树脂损失的相应的水的量为： 33.13×0.003/0.997=0.10kg/h

• 整理计算结果得：

5.8 物料衡算总平衡

• (1) 聚合釜及出料槽属于间歇操作，计算标准为 kg/B ，由前面计算结果可知：投入 VCM 单体的量为 86640 kg/B ，经过聚合釜及出料槽减压后的量为 6392 kg/B ，出料为 35.15 kg/B ， PVC 的总损失为 1594.26 kg/B.

• 由以上结果可得间歇部分物料总平衡表如下：

• (2) 从气提开始一直到筛分包装都是连续操作，计算基准为 kg/h 。由前面的计算结果可知，进入气提塔的 VC 的量为 2.92kg/h ，进过气提后 VC 单体的量降为 0.128kg/h ，气提塔内冷凝的水的总量为 10900+1219.26=12119.26kg/h ，离心后母液含水总量为 10500kg/h ， PVC 损失总量为 198.75kg/h 。

• 整理可得连续操作部分总物料平衡表如下：

6. 热量衡算 • 由于热量衡算较为繁琐，因此此处只选择聚合釜做热量衡算。• 反应前的原料和釜的升温阶段是物料由 25℃ 加热至 55℃ ，升温时间

是 0.5 小时此阶段加热介质为饱和蒸汽，压力为 0.4MPa ，温度为 142℃ 。

• 此阶段升温所需总热量是壶体及壶内物料升温达到聚合条件所消耗的热量。

• 即 Q1+Q2+Q3=Q4• 其中 Q1—— 水升温数所需的热量（由于分散剂等含量甚微，故并入

水中一起计算）；• Q2——VC 单体升温所需的热量； Q3—— 釜体升温所需的热量；• Q4—— 蒸汽所提供的热量。• 已知条件如下表：

• 计算如下：• Q1: 去离子水（分散剂等）升温消耗热量• Q1=qm1Cp1 t=86640×4.2×△ （ 55-25 ） =1.092×107kj/B• Q2: 单体升温消耗的热量• Q2= qm2Cp2 t=12997×0.848×△ （ 55-25 ） =3.306×106kj/B• Q3: 聚合壶升温消耗热量• Q3= qm3Cp3 t=51660×0.504×(55-25)=7.811×105kj/B△• Q4: 蒸汽所提供能量• Q4=Q1+Q2+Q3=1.50*107 kj/B• 由于改聚合反应为恒温聚合，而反应为放热反应，因此需要通循环冷却水冷却，聚合反应的聚合热查文献可得为 2.29*104 千卡 /kg ，因此可求出每批的反应热为 Q=86640*22900*4.18=8.293*109 kj/B 。

• 假设进口处冷却水的温度为 5 ，出口处水的温度为 10 ，则循环冷却水用量为 W= kg/B

7. 关键设备的选型 • 7.1 聚合釜的选型• 本工艺采用间歇氯乙烯悬浮聚合生产 PVC, 可采用如下方

法计算聚合釜的体积。• 间歇操作周期为 ；• 日产量 Wd=50000*103/330=1.51*105 kg/d；• 故每批反应液的体积为： VR==39.295m3；• 反应液的总体积为： VT= VR/0.7=56.13 m3；• 对于此反应可选用国产不锈钢聚合釜，此釜的直径为 381

0mm ，筒体切线长度为 4928mm ，长径比为 1.293 ，釜重 51660kg 。此釜封头高度根据国标 h=0.25D=952.5mm ，封头直边高度为 50mm 。反应釜的壳套厚度选取 100mm 。

其他设备的选型

• 其它的设备主要是泵的选择。工业生产中有进料泵、回流泵、塔底泵、循环泵、产品泵等，石油化工泵的选择应该满足流量，扬程、压力、温度、气蚀余量等工艺参数的要求，满足介质特性的要求和现场安装的要求。在选泵时：

• 首先要综合考虑泵的流量。一方面，应按设计要求达到的能力确定泵的流量，并使之与其他设备能力协调平衡；另一方面，也要根据生产需要确定泵的流量。在确定泵的流量时应综合考虑装置的富裕能力及装置内各设备能力的协调平衡。

• 其次根据生产要求确定泵的扬程。选泵时，由于工艺过程设计中管道系统压力降计算比较复杂，因此泵的扬程要留有适当的余量，一般为正常需要扬程的 1.05～ 1.1倍。

• 最后根据流体输送设备的特性曲线确定蚌型选泵时，确定哪一种设备，应在生产上所需要的流量和扬程后进行。

8.车间设备布置设计

• 8.1车间设备布置的原则• 8.1.1车间设备布置的原则• 1 从经济和压降观点出发，设备布置应顺从工艺流程，但若与安全、维修和施工有矛盾时，允许有所调整。

• 2 根据地形、主导风向等条件进行设备布置，有效的利用车间建筑面积（包括空间）和土地（尽量采用露天布置及建筑物能合并者尽量合并）。

• 3 明火设备必须布置在处理可燃液体或气体设备的全年最小频率风向的下侧，并集中布置在装置（车间）边缘。

• 4控制室和配电室应布置在生产区域的中心部位，并在危险区外。• 5 充分考虑本装置（车间）与其他部门在总平面布置图上的位置，力求紧凑、联系方便，缩短输送管线，达到节省管材费用及运行费用的目的。

• 6 留有发展的余地• 7 所采取的劳动保护、防火要求、防腐蚀措施要符合有关标准、规范的要求。• 8 有毒、有腐蚀性介质的设备应分别集中布置，并设围堰，以便集中处理。• 9 设备安全通道、人流、物流方向应错开。• 10 设备布置应整齐，尽量使主要管道走向一致 [13] 。

8.1.2 车间设备平面布置的原则

• 车间平面布置首先必须适合全厂总平面布置的要求，应尽可能使个车间的平面布置在总体上达到协调、整齐、紧凑、美观，相互融合，浑成一体。其次，必须从生产需要出发，最大限度的满足生产包括设备维修的要求。即要符合流程、满足生产、便于管理、便于运输、利于设备安装和维修。第三，生产要安全。即要全面妥善的解决防火、防爆、防毒、防腐、卫生等方面的问题，符合国家的各项有关规定。第四，要考虑将来扩建及增建的余地，为今后生产发展、品种改革、技术改造提供方便。但这些一定要最有效的利用车间的建筑面积（包括空间）和土地（设备装置能露天布置的尽量露天布置，建筑物能合并的应尽量合并）。

8.1.3 车间设立面布置的原则 • 厂房的立面形式有单层、多层和单层与多层相结合的形式。多层厂房占地少但造价高，而单层厂房占地多但造价低。采用单层还是多层主要应根据工艺生产的需要。例如制碱车间的碳化塔，根据工艺要求须放在厂房内，但塔有比较高，且操作岗位安排在塔的中部以便观察塔内情况，这样就需要设计多层厂房；另一种情况是：设备大部分露天布置，厂房内只需要安置泵或风机，这种情况可设计成单层厂房。

• 对于为新产品工业化生产而设计的厂房，由于生产过程中对工艺流程和设备需要不断改进和完善，一般都设计一个较高的单层厂房，利用便于移动、拆装、改建的钢制操作平台代替钢筋混凝土操作台，以适应工艺流程和设备变化的需要。

8.2车间设备布置 • 8.2.1车间设备平面布置• 车间平面布置按其外形一般分为长方形、 L形、 T形和Ⅱ形等。长方形便于总平面图的布置，节约用地，有利于设备排列，缩短管线，易于安排交通出入口，有较多可供自然采光和通风的墙面；但有时由于厂房总长度较长，在总图布置有困难时，为了适应地形的要求或者生产的需要，也有采用 L形、 T形和Ⅱ形的，此时应充分考虑采光、通风和立面等各方面的因素。

• 8.2.2车间设备立面布置• 化工厂厂房可根据工艺流程的需要设计成单层、多层或单层与多层相

结合的形式。一般来说单层厂房建设费用较低，因此除了由于工艺流程的需要必须设计成多层外，工程设计中一般多采用单层。有时因受建设场地的限制或者为了节约用地，也有设计成多层的。对于为新产品工业化生产而设计的厂房，由于在生产过程中对于工艺路线还需不断改进和完善，所以一般都设计成一个高单层厂房，利用便于移动、拆装、改建的钢操作台代替钢筋混凝土操作台或多层厂房的楼板，以适应工艺流程改变的需要。

9. 公用工程• 9.1 供水• 化工生产中的大量用水，主要用于工艺用水和冷却用水两类。在本设计中工

艺用水不与产品接触，故不做讨论，对于冷却水应该满足下列几点要求：• （ 1 ）温度尽可能低，全年温度变化小；• （ 2 ）不会有水垢和泥渣沉积引起的危害；• （ 3 ）对金属的腐蚀性小；• （ 4 ）不会促进生物或微生物的生长，从而引起管道和换热设备的堵塞。 6.3

供暖• 6.2 供电• 车间用电通常有工厂的变电所或由供电网直接供电。车间用电一般最高为 60

00伏，中小型电机只有 380伏。通常在车间附近或在车间内部设置变电室，将电压降低后

• 采暖目前主要以锅炉方式提供热量，使在较低温度的环境下，仍能保持适宜的工作或生活条件的一种技术手段，它按设备的布置情况主要分为集中采暖和局部采暖。

• 6.4 通风• 车间通风的目的是排除余热、余湿、有害气体和粉尘等，使车间内作业带的空气保持适宜的温度、湿度和卫生要求，以保证操作者的政策卫生条件。通风的方式主要有：自然通风、机械通风两大类，在本设计中主要采用自然通风，但在设备附近有局部通风的设施。