聚氯乙烯(3)

2018-11-27 18:25

此法的优点是利用已有的电石资源和乙炔生产装置,迅速提高氯乙烯的生产能力,因此,在电石原料向石油原料变换初期,曾有不少工厂采用。但是,这种方法不能完全摆脱电石原料,因此只是一种暂时的方法。

烯炔法是由石脑油得到乙烯和乙炔裂解气,不经分离直接氯化生产氯乙烯, 是对联合法的改进。这种方法摆脱了电石原料,省去了分离乙炔和乙烯的费用,但技术复杂,投资较大,成本较高。 2.3.3 平衡氧化法

在氯乙烯生产中利用氯化氢的第二种方法是将氯化氢用于与乙烯的氧氯化反应。

由乙烯氧氯化合成二氯乙烷的反应,虽早在1922年就已经提出,但利用此反应制备氯乙烯的技术,是在20世纪50年代才开始实验室研究工作,至60年代初开始工业化,并逐步取代联合法。乙烯氧氯化法的成功开发,解决了氯化氢的利用问题,使以乙烯和氯气为原料生产氯乙烯的方法显示出极大地优越性。 乙烯氧氯化生产氯乙烯包括两个化学反应,第一个反应是乙烯在铜催化剂存在与氯化氢进行氧氯化反应生成EDC,反应式(6),第二个反应是EDC裂解脱氯化氢生成氯乙烯,反应式(7)。

由乙烯氧氯化法的两个化学计量式可知,每生产1mol二氯乙烷需消耗2mol氯化氢,而1mol二氯乙烷裂解只产生1mol氯化氢,氯化氢的需要量和产生量不平衡,伴有净的氯化氢消耗。若将氧氯化法与乙烯直接氯化过程结合在一起,两个过程所生成的二氯乙烷一并进行裂解得到氯乙烯,则可平衡氯化氢,这种方法称为平衡氧氯化法。该法由乙烯、氯气和氧气生产氯乙烯,整个工艺过程既不产生氯化氢,也不消耗氯化氢。平衡氧氯化法包括三个反应:第一个反应是乙烯和氯气进行氯化反应生成EDC,见式(2);第二个反应是乙烯与氯化氢和氧进行氧

1 220~240C O2CH2ClCH2ClH2O(6)CH2CH22HCl2CH2CH2Cl21 O222CH2CHClH2O(7)氯化反应生成EDC,见式(6);第三个反应是EDC裂解脱氯化氢生成氯乙烯,见 式(3),该方法的物料平衡式可见式(7)。

平衡氧氯化法的工艺流程见图所示,该方法是目前世界公认的技术经济较合理的方法,全世界93%以上的氯乙烯是采用平衡氧氯化法生产[7]。

我国由于乙烯资源匮乏,煤炭资源相对丰富,电石原料易得,以电石乙炔法的发展创造了较大的利润空间,因此氯乙烯的生产以电石法乙炔法为主,氯乙烯

原料路线相对比较落后。20世纪70年代中期,北京化工二厂从德国伍德公司(Uhde)引进年产8万吨VCM装置。率先在国内采用乙烯氧氯化法生产氯乙烯。目前采用氧氯化法的有上海氯碱化工股份有限公司,山东齐鲁石化化工股份有限公司、北京化工二厂股份有限公司、天津大沽化工有限责任公司和锦州石油化工有限公司共五家企业。到2003年,采用乙烯路线的氯乙烯占国内总生产能力的28.7%,电石乙炔法占总生产能力的71.3%,从产量上看,电石乙炔法占77.7%,乙烯路线占22.3%[8]。

平衡氧氯化法流程示意图。

本设计采用平衡氧氯化法生产氯乙烯单体。

2.4 聚合工艺生产方法

目前,世界上PVC的主要生产方法有四种:悬浮法、本体法、乳液法和微悬浮法。其中以悬浮法生产的PVC占PVC总产量的近90%,在PVC生产中占重要地位,近年来,该技术已取得突破性进展。 2.4.1 本体法聚合生产工艺

本体聚合仅由单体和少量(或无)引发剂组成,产物纯净,后处理简单,是比较经济的聚合方法。

本体聚合生产工艺,其主要特点是反应过程不需要加入水和分散剂。聚合分2步进行,第一步在预聚釜中加入定量的VCM单体、引发剂和添加剂,经加热后在强搅拌(相对于第二部聚合过程)的作用下,釜内保持恒定的压力和温度进行预聚合。当VCM的转化率达到8%—12%停止反应,将生成的:种子“送入聚合釜内进行第二部反应。聚合釜在接受到预聚合的“种子”送入聚合釜内进行第二部反

应。聚合釜在接受到预聚合的“种子”后,在加入一定量的VCM单体、添加剂和引发剂,在这些“种子”的基础上继续聚合,使“种子”逐渐长大到一定程度,在低速搅拌的作用下,保持恒定压力进行聚合反应。当反应转化率达到60%—85%(根据配方而定)时终止反应,并在聚合釜中脱气、回收未反应的单体,而后在釜内气提,进一步脱除残留在PVC粉料中的VCM,最后经风送系统将釜内PVC粉料送往分级、均化和包装工序。

由于在此法中,不以水为介质,也不加入分散剂等各种助剂,而只加入氯乙烯及引发剂;因此,生产工艺大为简化:既无原料与助剂的预处理、配料等工序,也没有成品后处理、离心与干燥等工序。而且,因为没有起保护作用的分散剂,树脂的颗粒形态大有改进;没有各种助剂的加入,成品聚氯乙烯中的杂质,相对而言,要少的多,也提高了聚氯乙烯树脂某些方面的性能。

虽然从表面上看是很简单的生产过程,然而在实施过程中却存在很多需要特殊技术才能解决的问题。 ①. 介质搅拌问题

在以谁为介质的悬浮聚合方法中,搅拌状态很易均匀,不存在复杂问题。而在本体聚合过程中却成为必须妥善解决的关键问题,。这是因为:本体聚合过程按物料状态可以划分为两个阶段。在第一阶段中,物料主要是低粘度的液态氯乙烯,而随着聚合反应的进行,自由单体氯乙烯逐渐减少,基本不溶于单体氯乙烯的聚氯乙烯微粒逐渐增加。第二阶段中,也即是氯乙烯转化率达到20~30%时,自由单体几乎全部被聚氯乙烯微粒所吸附,物料状态也由浆料、粘稠而全部变成粉料。两个不同阶段对搅拌要求也不同,第一阶段要求搅拌均与又稍快,以便形成颗粒大小近似的微粒,第二阶段主要要求搅拌均匀。这两种物态阶段也就确定了搅必须是特殊形式的。 ②. 聚合反应热的排除问题

反应热的排除在以水为介质的悬浮聚合过程中不存在问题,通常的反应釜壁传热方式即可较好地解决。而在本体聚合过程中,物料以粉末状态为主,粉末颗粒之间及粉末物料与反应釜壁之间的传热性能都不好,也必须另谋途径解决聚合反应热的排除问题。

本体法聚氯乙烯的颗粒特性与悬浮法树脂相似,疏松,但无皮膜,更洁净。本体聚合除散热、防粘外,更需要解决颗粒疏松结构的保持问题,多采用两段聚合来解决。本体聚合改进为两段聚合反应过程后,无论在产品质量、生产能力及操作条件等方面都有很大提高。但卧式聚合釜仍存在一些问题。

为此,经过继续研究改进,终于在1972~1974年建立了成熟的立式后聚合釜,到1978年已成功地将50 m3立式后聚合釜用于实际生产中,树脂质量也完全可以

与悬浮法聚氯乙烯比美[9]。

本体法尽管有许多优点,但因发展较晚,不可能完全取代已有的悬浮装置。现在本体法生产能力约为140~150万吨/年,约占聚氯乙烯总生产能力的7~8%。 2.4.2 乳液聚合生产工艺

乳液法聚氯乙烯的商品化生产已有70年的历史。30年代初首先在德国用乳液聚合的方法生产出聚氯乙烯。乳液法产量不多,约占PVC产量10%左右。 氯乙烯乳液聚合方法的最终产品为制造聚氯乙烯增塑糊所用的聚氯乙烯糊树脂(E—PVC),工业生产分两个阶段::第一阶段氯乙烯单体经乳液聚合反应生成聚氯乙烯胶乳,它是直径0.1~3微米聚氯乙烯初级粒子在水中的悬浮乳状液。第二阶段将聚氯乙烯胶乳,经喷雾干燥得到产品聚氯乙烯糊树脂,它是初级粒子聚集而成的直径为1~100微米,主要是20~40微米的聚氯乙烯次级粒子。这种次级粒子与增塑剂混合后,经剪切作用崩解为直径更小的颗粒而形成不沉降的聚氯乙烯增塑糊,工业上称之为聚氯乙烯糊。 乳液法聚氯乙烯的主要缺点:

(1) 聚合操作步骤较多,特别是乳液种子聚合,除了先制备种子外,聚合过程单体,乳化剂需连续添加,因此,树脂质量波动大,重复性差。 (2) 由于乳液法高聚物的干固物含量低,喷雾干燥所需要热能较大。 (3) 所得到的树脂中杂质较高,最终制品由性能和热性能均较差。 2.4.3 悬浮聚合生产工艺

悬浮法PVC生产技术易于调节品种,生产过程易于控制,设备和运行费用低,易于大规模组织生产而得到广泛地应用,成为诸多生产工艺中最主要的生产方法。

工艺特点:悬浮聚合法生产聚氯乙烯树脂的一般工艺过程是在清理后的聚合釜中加入水合悬浮剂、抗氧剂、然后加入氯乙烯单体,在去离子水中搅拌,将单体分散成小液滴,这些小液滴由保护胶加以稳定,并加入可溶于单体的引发剂或引发剂乳液,保持反应过程中的反应速度平稳,然后升温聚合,一般聚合温度在45~70℃之间。使用低温聚合时(如42~45℃),可生产高分子质量的聚氯乙烯树脂;使用高温聚合时(一般温度在62~71℃)可生产出低分子量(或超低分子量)的聚氯乙烯树脂。近年来,为了提高聚合速度和生产效率,国外还研究成功两部悬浮聚合工艺,一般是第一步聚合度控制在600左右,在第二部聚合前加入部分新单体继续聚合。采用两步法聚合的优点是显著缩短了聚合周期,生产出的树脂具有良好的凝胶性能、模塑性能和机械强度。现在悬浮法聚氯乙烯品种日益广泛,应用领域越来越广,除了通用型的树脂外,特殊用途的专用树脂的开发越来越引起PVC厂家的关注,球形树脂、高表观密度建材专用树脂、消光树脂、超高(或

超低)分子质量树脂等已成为开发的热点[10]。

浮法PVC的发展趋势:在工业化生产PVC时,以悬浮法产量最大,悬浮法生产具有设备投资少和产品成本低等优点。各种聚合方法的发展方向是逐步向悬浮法聚合生产路线倾斜,一些过去采用其它方法生产的树脂品种已经开始采用悬浮聚合工艺生产。自乳液聚合法工业化以后,欧洲、日本在连续悬浮聚合工艺展开大量的研究工作,目前尚未工业化生产,但连续法设备费用低,生产效率高,工艺难题少,已引起了各国科研院所和生产厂家的重视另外,为了进一步提高悬浮法生产的通用树脂和专用树脂的质量,提高产品的专用化、市场化水平,国外厂家在聚合工艺的工艺条件及配料体系等方面做了大量的研究工作,进一步提高了聚合转化率,缩短了聚合周期,提高了生产效率,同时也开发出一系列性能好、易于加工的PVC专用树脂如:超高(或超低)聚合度树脂、高表观密度树脂、无皮树脂、耐辐射树脂、医用树脂、耐热树脂等。可见,各种专用料的开发是悬浮聚合树脂发展的标志,是提高产品使用性能、开发新的应用领域的重要手段[11]。 2.5 几种聚合方法的比较 2.5.1 工艺流程方面

就以上四种聚合工艺而言,本体法工艺流程简单,装置占地面积小,同时基本上,同时基本上无废液排放,排气可达到最低程度,环境污染少,而且产品质量好、纯度高,特别使用透明包装材料和电缆料。悬浮法是一种相对最成熟的工艺,在目前世界上聚氯乙烯生产中占有绝对的份额,且产品转化率最高,产品品种最多,容易适应市场。乳液法是生产糊树脂的方法,工艺复杂、成本较高且树脂质量较差。而微悬浮法也是生产糊树脂的方法,但仅用于特殊用途[12]。 2.5.2 反应速率

控制方对于本体聚合,当自由基聚合进行到一定转化率后,体系黏度增大,自动加速效应显著,散热困难。大规模生产时,即使降低引发剂浓度以减慢速率,有时还是不能很好的控制。改用溶液聚合可以克服这一困难,但聚合速率和产物分子量均有所降低:此外,脱除溶剂困难,成本较高。而悬浮聚合可以克服本体聚合和溶液聚合的上述缺点。经济方便。

2.5.3 从经济角度分析

均相本体聚合是最合理的聚合方法。但其聚合后期体系黏度很高,在聚合反应器中搅拌、传热等工程问题解决之后,才能有效的实施。若包括精制、回收、干燥等后期处理工序在内,则各聚合过程的经济性大体依下列顺序递减:悬浮聚合>本体聚合>为悬浮聚合>乳液聚合[13]。


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