湖南科技大学本科生毕业设计（论文）
年产5万吨聚氯乙烯的氯乙烯合成工段工艺初步设计
姓名： 指导教师：
摘要：本设计是年产5万吨聚氯乙烯的氯乙烯合成工段的初步工艺设计，本设计根据株洲化工集团现场实习有关资料及有关文献，完成物料衡算、热量衡算。此设计配有说明书一份、图纸三份。
说明书内容：1．PVC和VC的发展及发展趋势。2．合成工段的生产原理、流程。3．物料衡算、热量衡算。4．主要设备的设计和选型．5．管道的设计及选型。6．三废处理安全与防火技术。
三副图纸：1．带控制点的物料流程图。2．车间平面布置图。3．主要设备的装配图。 关键词：合成、PVC、VC、工艺、设计。
目录
前言 1 绪论 ............................................................................................................................................................... 3 1.1 聚氯乙烯(PVC) ......................................................................................................................................... 3 1.1.1 聚氯乙烯工业的发展概况 ..................................................................................................................... 3 1.1.2 聚氯乙烯工业在国民经济中的作用 ..................................................................................................... 4 1.1.3 聚氯乙烯系列聚合物的性质 ................................................................................................................. 4 1.1.4 聚氯乙烯制品的开发与应用技术 ....................................................................................................... 5 1.1.5 聚氯乙烯合成方法 ................................................................................................................................. 6 1.2 氯乙烯（VC） ........................................................................................................................................ 10 1.2.1 氯乙烯的合成 ....................................................................................................................................... 10 1.2.2 生产工艺流程简述 ............................................................................................................................... 13 1.2.3 主要工艺参数 ....................................................................................................................................... 14 1.2.4 主要原料和产物的物化性质 ............................................................................................................... 15 2 工艺计算 ..................................................................................................................................................... 16 2.1 物料衡算 .................................................................................................................................................. 16 2.1.1 计算依据 ............................................................................................................................................... 16 2.1.2 计算 ....................................................................................................................................................... 17 2.2 热量衡算 .................................................................................................................................................. 24 2.2.1 衡算方法 ............................................................................................................................................... 24 2.2.2 标况下有关物化数据表 ....................................................................................................................... 25 2.2.3 计算 ....................................................................................................................................................... 25 3 主要设备的设计与选型 ............................................................................................................................. 32 3.1 石墨冷却器的选型 .................................................................................................................................. 32 3.1.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 32 3.1.2 计算两流体的平均温度差 ................................................................................................................... 32 3.2 石墨预热器的选型 .................................................................................................................................. 33 3.2.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 33
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3.2.2 计算两流体的平均温度差 ................................................................................................................... 33 3.3 石墨冷却器Ⅱ的选型 .............................................................................................................................. 34 3.3.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 34 3.3.2 计算两流体的平均温度差 ................................................................................................................... 34 3.4 转化器的设计 .......................................................................................................................................... 35 3.4.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 35 3.4.2 计算 ....................................................................................................................................................... 35 3.4.3 手孔 ....................................................................................................................................................... 37 3.5 泡沫水洗塔的设计 .................................................................................................................................. 37 3.5.1 已知条件 ............................................................................................................................................... 37 3.5.2 塔径的计算 ........................................................................................................................................... 37 3.5.3 孔的布置 ............................................................................................................................................... 38 3.5.4 塔板的压降 ........................................................................................................................................... 38 3.5.5 稳定性 ................................................................................................................................................... 39 3.5.6 液泛 ....................................................................................................................................................... 39 3.5.7 物沫夹带 ............................................................................................................................................... 40 3.6 主要设备一览表 ...................................................................................................................................... 40 4 主要管道管径计算和选型 ......................................................................................................................... 41 4.1 HCl进料管 ............................................................................................................................................... 41 4.2 乙炔气进料管 .......................................................................................................................................... 41 4.3 石墨冷却器的进料管 .............................................................................................................................. 42 4.4 多筒过滤器进料管 .................................................................................................................................. 42 4.5 转化器进料管 .......................................................................................................................................... 42 4.6 转化器出料管 .......................................................................................................................................... 43 4.7 石墨冷却器进口管 .................................................................................................................................. 43 4.8 40%盐水进料管..................................................................................................................................... 44 4.9 循环水管 .................................................................................................................................................. 44 4.9.1 石墨预热器 ........................................................................................................................................... 44 4.9.2 转化器 ................................................................................................................................................... 44 4.9.3 石墨冷却器 ........................................................................................................................................... 44 4.10 总进水管 ................................................................................................................................................ 45 4.11 部分管道一览表 .................................................................................................................................... 45 5 合成工段中三废的产生及处理 ................................................................................................................. 45 5.1 氯化汞触媒的产生中毒机理及处理 ...................................................................................................... 45 5.1.1 氯化汞触媒的产生 ............................................................................................................................... 45 5.2 尾排氯乙烯外逸的产生中毒机理及处理 .............................................................................................. 46 5.2.1 尾排氯乙烯外逸的产生 ....................................................................................................................... 46 5.2.2 中毒机理 ............................................................................................................................................... 46 5.3 废水的处理 .............................................................................................................................................. 47 5.3.1 废水排放标准 ....................................................................................................................................... 47 5.3.2 废水的处理方法 ................................................................................................................................... 47 5.4其他三废的处理 ....................................................................................................................................... 48 6 安全生产防火技术 ..................................................................................................................................... 48
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6.1 厂区安全生产特点 .................................................................................................................................. 48 6.2 乙烯合成的安全技术 .............................................................................................................................. 48 6.2.1 原料及中间提的闪点、自燃点、爆炸范围 ....................................................................................... 48 6.3乙炔爆炸 ................................................................................................................................................... 49 6.3.1 氧化爆炸 ............................................................................................................................................... 49 6.3.2 分解爆炸 ............................................................................................................................................... 49 6.3.3 乙炔的化合爆炸 ................................................................................................................................... 49 6.4 氯乙烯的燃烧性能 .................................................................................................................................. 49 6.5 安全措施 .................................................................................................................................................. 49 结论 ................................................................................................................................................................. 50 参考文献 ......................................................................................................................................................... 50 致谢 ................................................................................................................................. 错误！未定义书签。
前言
本设计是根据设计任务书的要求，对年产5万吨聚氯乙烯的氯乙烯合成工段进行初步设计，广泛收集了PVC工艺和化工设计的相关资料作为设计的理论依据。
本设计对PVC的工艺发展状况、工艺选择、性质、工艺流程及合成原理，相关的物料性质、物料衡算、设备选型、管道设计作了较为详细的阐述，以理论设计为主，参考了大量资料和书籍，力求接近实际、切合实际。
在此次设计中，自始至终都得到了曾文南老师的悉心指导和同学们的热心帮助，在此表示衷心的感谢。
由于水平有限，设计经验不足，设计汇总难免存在纰漏和不足之处，敬请各位老师和同学批评指正。谢谢！
1 绪论
1.1 聚氯乙烯(PVC)
1.1.1 聚氯乙烯工业的发展概况[1]
20世纪的30年代50年代是塑料工业迅速发展的时期。在此期间有许多合成塑料如聚氯乙烯、聚苯乙烯等形成工业化。
自1835年法国化学家V.Regnault首先发现了氯乙烯，于1838年他又观察到聚合体，这就是最早的聚氯乙烯。1872年包曼(Baumann)报导了氯乙烯的制备，并观察到在强烈阳光照射后，氯乙烯逐渐变成一种无定形的白色固体物。经历数十年直到1910年德国与美国研究了氯乙烯在紫外线和过氧化物存在下的聚合反应。1910年，Ostromislensky在进行氯乙烯研究时，也获得氯乙烯聚合物，称之为Cauprene chloride。1920年，德国研究聚氯乙烯已相当活跃，这时美国联碳化学公司与杜邦公司对氯乙烯聚合物的制备发表了专利。这标志着氯乙烯及其聚合物的制造已进入实用技术阶段。1920年，在美国的柏寨森 (BURGHAUSAN)的瓦克(WACKER)公司制取聚醋酸乙烯，用它与氯乙烯共聚制得一种新材料。该材料易加工，且不再发生分解因它具有内增塑性，可用作涂料和硬模塑制品，开辟了
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以内增塑的办法解决了聚氯乙烯的加工。另一方面也为聚氯乙烯从共聚改性作出了开拓性的工作。对聚氯乙烯发展起到积极的推动作用。又于1932年发现聚氯乙烯的低分子增塑剂。英国帝国化学公司于1937年采用高沸点液体如磷酸酯类增塑聚氯乙烯，得到了类似橡胶的物质，从而第一次打破了传统的橡胶市场，成为橡胶材料的代用品。
德国法本公司于1932年采取乳液聚合法生产聚氯乙烯，定名为“伊奇利特”(Igelit)，以后于1933年美国碳化物和碳化学公司系统的“贝克菜特”(BAKBLITE)公司等用溶液聚合法建立了小型工厂，商品定名为“维尼”利特(ViNYILITE)。
聚氯乙烯自工业化问世至今，六十多年来仍处不衰之势。占目前塑料消费总量的29%以上。到上世纪末，聚氯乙烯树脂大约以3%的速度增长。这首先是由于新技术不断采用，产品性能亦不断地得到改进，品种及牌号的增加，促进用途及市场的拓宽。其次是制造原料来源广、制造工艺简单。产品质量好。在耐燃性、透明性及耐化学药品性能方面均较其它塑料优异。又它是氯碱行业耗“氯”的大户，对氯碱平衡起着举足轻重的作用。从目前世界主要聚氯乙烯生产国来说：一般耗用量占其总量的20～30%。特别是60年代以来，由于石油化工的发展，为聚氯乙烯工业提供廉价的乙烯资源，引起了人们极大的注意，因而促使氯乙烯合成原料路线的转换和新制法以及聚合技术不断地更新，使聚氯乙烯工业获得迅猛的发展。
从上述期间可看出聚氯乙烯树脂在主要生产国的产量与消费量均有近2%的增长率，而在其余国家和地区均略高于3%。
1.1.2 聚氯乙烯工业在国民经济中的作用
合成树脂是塑料工业的基本原料，在一定条件下塑制成一定形状的材料，在常温下它的形状不变，是材料工业的重要组成部分。
作为热塑性塑料的原料之一的聚氯乙烯树脂，在世界各国合成树脂的生产、品种及消费上均处领先地位。我国也是如此，聚氯乙烯塑料制品居于各树脂及加工制品之主。这主要由于以下原因：
（1） 聚氯乙烯材料制品性能优良。有独特的使用功能。
（2） 基础原料资源广，为聚氯乙烯树脂生产发展奠定了物质基础。
（3） 以聚氯乙烯制取的合成材料可代替钢铁和木材使用，而且节能显著，每生产１立方米。通用塑料，其能耗为148.6千焦，而生产1立方米钢材能耗为356.7×10千焦。
（4） 用于农业生产，如地膜、大棚等，为农业生产提供保障。
（5） 聚氯乙烯塑料不仅在建筑、农业及包装工业上有着广泛的用途，在电子器件、交通运输、机械和人民生活等各方面，也均得到重用。
1.1.3 聚氯乙烯系列聚合物的性质
聚氯乙烯在常温下为白色粉末，比重为1.392～1.4不溶于水，汽油，酒精，氯乙烯，可溶于酮类和氯烃类溶剂，无毒无臭。具有很高的化学稳定性和良好的介电性能。
表1 质量标准 GB5761-93
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平均聚合
型号
温度/℃
SG-1
482
粘数
K值
/（ml/g） 154～144
77～75
1800～1650
高级电绝缘材料 电绝缘材料，一般软制
聚合度/P
参考用途
SG-2 505 143～136 74～73 1650～1500
品
电绝缘材料，农膜，塑
SG-2 530 135～127 72～71 1500～1350
料鞋
一般薄膜，软管，人造
SG-4 565 126～119 70～69 1250～1150
革，高强度硬管 透明硬制品，硬管，型
SG-5 580 118～107 68～66 1100～1000
材
唱片，透明片，硬板，
SG-6 618 106～96 64～63 950～850
焊条，纤维
SG-7 655 95～87 62～60 850～750 吹塑瓶，透明片，管件
SG-8 685 86～73 59～55 750～650 过氯乙烯树脂
1.1.4 聚氯乙烯制品的开发与应用技术
聚氯乙烯作为世界五大通用塑料之一，今年发展非常迅速，由于它综合性能优异，广泛应用于农业、工业、国防、人类日常生活等许多领域。当前高速发展的建筑行业的旺盛需求，也推动着中国聚氯乙烯产业的蓬勃发展。当今世界上，还没有一个地区或国家的聚氯乙烯产业，有像中国今天这样拥有一个广阔的应用市场和高速发展态势的局面展现于世人面前。原料和能源圆满解决之际，将是迎来巨头争霸之时。届时中国的聚氯乙烯无论是产量还是市场消费都会跃居世界第一位，中国的聚氯乙烯有着璀璨的前景。
聚氯乙烯树脂广泛地用于塑料加工行业，建材，轻工等行业。可用来加工成金属线包皮，薄片，板材，软管，管道配件，皮革，软质制品和玩具，也可用来加工成食品包装膜，包装盒，食品机药物装瓶，以及硬管，透明片，型木等。
⑴ PVC 型材技术应用
在西欧，每年大约有150万t的PVC 用于制作管材(主要用作输水管) ，是最大的PVC 市场，约占PVC 材料的60%。为了增强竞争力，近几年人们致力于管材的新材料、新工艺的应用开发。新改良的加工技术在使用少量的主要原料后，提高了材料的强度和承受力，同时也降低了制造成本。如今用于污水排放管的芯层发泡管内径逾500 mm。在压力管方面，列式或脱机式执行的分子方向达到了相同的爆裂压力要求，但只需近一半的壁厚。通过挤压成型生产双壁式内管是一种新技术，在满足
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