悬浮聚合法年产万吨聚氯乙烯 ．．．．．．．30．．．．．．．．车间工艺设计 ．．．．．．
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悬浮聚合法年产30万吨聚氯乙烯车间
工艺设计
摘要
本文概述了聚氯乙烯的性质、应用、发展状况、工艺进展以及聚合过程中的影响因素，在此基础上确定了聚氯乙烯悬浮聚合的生产工艺路线和相关参数。然后在物料衡算、热量衡算的基础上进行了设备选型、车间布置和经济核算。文中还对防火防爆防雷和三废的处理回收等方案进行了简单的阐述。最后绘制了带控制点的工艺流程图、主体设备图和车间布置图。
关键词：聚氯乙烯，悬浮聚合，反应釜，工艺设计
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聚氯乙烯(Poly Vinyl Chloride)简称PVC，下同。它是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂，是氯乙烯的均聚物。PVC为无定形结构的白色粉末，支化度较小。工业生产的PVC相对分子量一般在5万～12万范围内，具有较大的多分散性，相对分子量随聚合温度的降低而增加；无固定熔点，80～8 5℃开始软化，130℃变为粘弹态，160～180℃开始转变为粘流态；有较好的机械性能，抗张强度60MPa左右，冲击强度5～10kJ/m2；有优异的介电性能。但对光和热的稳定性差，在100℃以上或经长时间阳光曝晒，就会分解而产生氯化氢，并进一步自动催化分解，引起变色，物理机械性能也迅速下降，在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性。PVC很坚硬，溶解性也很差，只能溶于环己酮、二氯乙烷和四氢呋喃等少数溶剂中，对有机和无机酸、碱、盐均稳定，化学稳定性随使用温度的升高而降低。PVC溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮-苯混合溶剂中，用于干法纺丝或湿法纺丝而成纤维，称氯纶。具有难燃、耐酸碱、抗微生物、耐磨并具有较好的保暖性和弹性。
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目 录
1 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.1 聚氯乙烯简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 聚氯乙烯的发展状况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.3 国内外聚氯乙烯悬浮聚合的工艺进展„„„„„„„„„„„„„„„1 1.3.1 国内聚氯乙烯悬浮聚合的工艺进展„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.3.2 国外聚氯乙烯悬浮聚合的工艺进展„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.4 聚合工艺实践方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 1.4.1 本体聚合生产工艺„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 1.4.2 乳液聚合生产工艺„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 1.4.3 悬浮聚合生产工艺„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 1.5 悬浮聚合生产工艺的两种操作方法的比较„„„„„„„„„„„„„6 1.5.1 连续式操作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 1.5.2 间歇式操作„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 1.6 氯乙烯悬浮聚合生成聚氯乙烯过程中的影响因素„„„„„„„„„„7 1.6.1 纯水的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 1.6.2 乙炔的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 1.6.3 高沸物的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 1.6.4 聚合体系中氧的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 1.6.5 聚合体系中铁的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 1.6.6 分散剂的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 1.6.7 引发剂的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 1.6.8 涂釜剂的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 1.6.9 调节剂的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 1.6.10 聚合温度的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 1.6.11 无机添加剂的影响„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2 本设计的工艺流程和相关参数的设定„„„„„„„„„„„„„„„„11 2.1 本设计拟采用的方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
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2.1.1 生产方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 2.1.2 反应机理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 2.2 本设计拟采用的工艺条件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 2.2.1 聚合釜的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 2.2.2 氯乙烯单体回收冷凝系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 2.2.3 气提系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 2.2.4 离心系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 2.2.5 PVC树脂的干燥系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 2.3 工况温度的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 2.4 本设计拟采用的生产工艺路线和工艺参数„„„„„„„„„„„„„16 2.4.1 生产工艺路线„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 2.4.2 主要工艺参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 2.4.3 工艺流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3 物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.1 有关设计参数设定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.2 本工艺的配方„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.3 聚合釜的物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.3.1 物料平衡图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 3.3.2 反应前后各物质的质量计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 3.3.3 物料衡算表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 3.4 混料槽的物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.4.1 物料平衡图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.4.2 混料前后各物质的质量计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.4.3 物料衡算表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.5 汽提塔的物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.5.1 物料平衡图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.5.2 汽提前后各物质的质量计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 3.5.3 物料衡算表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23
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3.6 离心部分的物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 3.6.1 物料平衡图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 3.6.2 离心前后各物质的质量计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 3.6.3 物料衡算表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 3.7 气流干燥部分的物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 3.7.1 物料平衡图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3.7.2 干燥前后各物质的质量计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3.7.3 物料衡算表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3.8 沸腾干燥部分的物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3.8.1 物料平衡图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3.8.2 干燥前后各物质的质量计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 3.8.3 物料衡算表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 3.9 筛分部分的物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 3.9.1 物料平衡图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 3.9.2 筛分前后各物质的质量计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 3.9.3 物料衡算表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 3.10全过程物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 3.10.1 间歇操作过程物料衡„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 3.10.2 连续操作过程物料衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 4 能量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 4.1 热量衡算方程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 4.2 聚合釜的热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 4.2.1 有关参数的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 4.2.2 春季时聚合釜热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30 4.2.3 夏季时聚合釜热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 4.2.4 秋季时聚合釜热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„32 4.2.5 冬季时聚合釜热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„33 4.3 汽提塔的热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 4.4 汽流干燥部分的热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34
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4.4.1 气流干燥部分的相关数据„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 4.4.2 热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 4.5 沸腾干燥部分的热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 4.5.1 相关数据的选择和设定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 4.5.2 热量衡算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40 5 设备选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„45 5.1 聚合釜的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„45 5.1.1 釜外型尺寸及内部构件辅助设备的参数„„„„„„„„„„„„„45 5.1.2 聚合釜台数及设备后备系数的计算„„„„„„„„„„„„„„„45 5.1.3 聚合釜外形尺寸的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„46 5.1.4 搅拌装置的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„47 5.1.5 工艺管口的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„47 5.2 混料槽的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„49 5.3 汽提塔的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„49 5.3.1 塔尺寸及塔的特性参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„49 5.3.2 操作工艺条件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„50 5.3.3 气提塔的数量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„50 5.4 离心机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„50 5.5 气流干燥床的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„51 5.6 沸腾干燥床的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52 5.6.1 适宜操作气速的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52 5.6.2 沸腾床和挡板高度的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53 5.6.3 分布板结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„54 5.7 换热设备的选型和工艺计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„55 5.7.1 气提塔中螺旋板换热器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„55 5.7.2 沸腾干燥中空气预热器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„57 5.8 流体输送机械的选型设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„57 5.9 贮罐的选型和工艺设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„57 5.9.1 原料氯乙烯单体的贮罐设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„57
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5.9.2 原料氯乙烯计量罐设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„59 6 厂址选择及车间布置设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„60 6.1 厂址选择的依据和原则„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„60 6.2 车间厂房布置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„60 6.2.1 车间厂房布置的原则„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„60 6.2.2 车间厂房结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„61 6.2.3 车间各部分组成及布置要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„61 6.3 车间设备布置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„62 6.3.1 车间设备布置的原则„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„62 6.3.2 车间设备布置的要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„63 6.4 本设计的车间布置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„65 7 技术经济„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„67 7.1 技术经济分析概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„67 7.2 主要技术经济指标„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„67 7.3 投资估算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„67 7.3.1 总投资费用估算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„67 7.3.2 成本估算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„68 7.3.3 收入、税收和利润„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„70 7.3.4 经济评价„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„71 8 安全操作、三废防治和环境保护„„„„„„„„„„„„„„„„„„73 8.1 厂内的防火、防爆措施„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„73 8.1.1 氯乙烯聚合的安全规范„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„73 8.1.2 防火防爆措施„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„73 8.2 废气防治„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„75 8.2.1 废气危害„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„75 8.2.2 废气防治措施„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„75 8.3 废水防治„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„75 8.3.1 废水危害„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„75 8.3.2 废水防治措施„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„75
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8.4 废渣防治„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„76 8.4.1 废渣危害„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„76 8.4.2 废渣防治措施„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„76 9 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„77 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„78 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„81
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1 绪论
1.1 聚氯乙烯简介
聚氯乙烯(Poly Vinyl Chloride)简称PVC，下同。它是由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂，是氯乙烯的均聚物。PVC为无定形结构的白色粉末，支化度较小。工业生产的PVC相对分子量一般在5万～12万范围内，具有较大的多分散性，相对分子量随聚合温度的降低而增加；无固定熔点，80～8 5℃开始软化，130℃变为粘弹态，160～180℃开始转变为粘流态；有较好的机械性能，抗张强度60MPa左右，冲击强度5～10kJ/m2；有优异的介电性能。但对光和热的稳定性差，在100℃以上或经长时间阳光曝晒，就会分解而产生氯化氢，并进一步自动催化分解，引起变色，物理机械性能也迅速下降，在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性。PVC很坚硬，溶解性也很差，只能溶于环己酮、二氯乙烷和四氢呋喃等少数溶剂中，对有机和无机酸、碱、盐均稳定，化学稳定性随使用温度的升高而降低。PVC溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮-苯混合溶剂中，用于干法纺丝或湿法纺丝而成纤维，称氯纶。具有难燃、耐酸碱、抗微生物、耐磨并具有较好的保暖性和弹性。 1.2 聚氯乙烯的发展状况
聚氯乙烯是仅次于聚乙烯的第二大通用塑料[2]。自1997年以来，聚氯乙烯的产量以3%/a速度递增。2001年，全球聚氯乙烯生产能力已达到3 313万t，消费水平比2000年略有增加，为2882万t[3]。2003年7月全球约有50个国家、150个厂家生产聚氯乙烯，这一数据还在不断攀升[4]。2005年全球产量达3130万吨，需求量达3117万吨。北美、欧洲(包括俄罗斯)和非洲、远东地区超过全球聚氯乙烯产量和需求量4/5，悬浮聚合法树脂占生产聚氯乙烯树脂90%以上，2006年世界聚氯乙烯产能3562万吨，实际产量3262万吨，产量的增长主要来自中国。2006年我国PVC产业保持快速发展的态势，全年产能1099万吨，实际产量864.1万吨，整体供求关系发生了较大的变化[5]。预计到2010年我国PVC树脂的需求量将达1100万吨，2020年将达到2160万吨。预计到2010年全球PVC的需求量将达到3490万吨，2020年将达到4600万吨[6]。 1.3 国内外聚氯乙烯悬浮聚合的工艺进展
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经过长期的不懈努力，PVC生产技术已经取得了较大进展。目前，世界各大PVC厂家都已形成了各自的工艺特点和风格，并已拥有许多专利和技术，也有各自追求的工业目标。
1.3.1 国内聚氯乙烯悬浮聚合的工艺进展
国内PVC生产行业的发展近几年来一直呈现良好的势头。各主要厂家都在积极采用先进的生产技术，不断改进工艺控制条件和工艺配方，努力提高产品质量，缩短聚合时间。
以北京二化、山东齐鲁石化公司和上海氯碱总厂等为代表的古德利奇大釜技术、工艺计算机自控技术和防粘釜技术等，均已达到和接近国际先进水平。内蒙古亿利化学工业有限公司40万t PVC项目采用悬浮法生产聚氯乙烯，有聚合、干燥、成品三大装置。主要包括VCM和脱盐水加料、化学品配制、聚合、汽提、回收、离心干燥、包装等工序，聚合加料采用双加料技术[7]。内蒙古君正化工有限责任公司(二部)(以下简称君正化工二部)前身为内蒙古第二通用机械厂，于1992年建成6 kt/a PVC、6 kt/a烧碱生产装置，对PVC生产装置进行了不断技改和持续优化，解决了一系列制约生产装置连续运行的瓶颈问题，在2010年2～5月创造了氯乙烯生产装置安全生产79天无停车的记录[8]。
悬浮法PVC大型生产装置成套工艺技术是北京化二股份有限公司(以下简称北京化二)在消化吸收数套国外引进装置的基础上，汲取多年的生产经验并结合我国的实际情况而自主研制开发的工艺技术。该成套工艺技术主要包括聚合生产配方、密闭入料、等温水入料、高效防粘釜、中途注水、新型汽提、新型旋风干燥、粉料输送和成品混料、高压回收氯乙烯单体、全自动包装码垛和DCS控制等项技术[9]。1978年齐鲁石化率先引进信越127m3大釜，随后锦化、北二化引进古德里奇70. 5m3大釜。特别是锦化与锦化机联合开发的70.5m3大釜在国内得到广泛使用，小型釜所占比重逐步下降[10]。
目前我国的PVC 生产技术与国外还有一定的差距，技术的“引进—吸收—消化—创新”是目前PVC 生产的主要途径，通过对汽提技术及设备、干燥器、聚合配方、防粘釜技术等的改进，提高了我国PVC生产企业的效益，发展了我国的PVC工业[11-13]。青岛海晶化工集团有限公司于2001年成功开发了1套工艺技术先进、操作简单方便、投资经济合理、居国内同行业领先水平的聚氯乙烯装置，使公司聚
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氯乙烯装置产能由4万t/a扩大至8万t/a[14]。贵州大学开发的一种原位悬浮聚合PVC树脂的方法，提高了PVC的高抗冲性[15]。 1.3.2 国外聚氯乙烯悬浮聚合的工艺进展[16-19]
古德利奇(B.F.Goodrich)公司主要采取通过提高单釜产量和延长清釜周期的方式来提高生产效率，其悬浮工艺特点是清釜和脱挥发分技术。赫斯特(Hoechst)公司的悬浮聚合技术和密闭聚合釜技术、许尔斯(Werke Huls)公司的悬浮聚合技术以及法国阿托(ATO)化学公司悬浮聚合汽提技术目前居于世界领先地位。此外，欧洲的其他一些公司，如意大利的赛斯(Cris)公司则是在防粘釜技术方面领先。
从综合技术方面上看，日本公司具有较高的水平并各具特色。西素(Chisso)公司、吉昂(Zeon)公司等拥有先进的悬浮技术和工艺。佳友(Sumitomo)化学公司悬浮聚合树脂产品的质量品质最好。日箭(Sun Arrow)拥有多牌号产品的生产技术。此外，这些公司不仅在以上诸方面处于领先地位，而且在缩短聚合操作周期，提高生产效率方面也取得了较大进步。
从PVC的生产工艺层面上看，西欧一些国家采用本体法和乳液法的比重较大，而美国、日本和我国等国家和地区则以悬浮法为主，日本悬浮法所占比重最高。对于悬浮聚合工艺主要发展方向是积极开发连续悬浮聚合工艺流程，并已取得许多重要成就。
从提高生产效率层面上看，所普遍采用的技术手段是：开发和应用新型复合引发剂、发散剂；采用计算机数控技术工艺；采用多种强化传热措施(如增加回流冷凝器)等。
从防粘釜技术层面上看，意大利的赛斯(Cirs)公司居世界领先地位。其NOXOLWSW和NOXOLETH的防粘釜剂系列十分著名。该防粘釜剂无毒无害。每喷涂一次，可以连续350～500釜次不用人工清釜。美国B.F古德里奇(B.F.Goodrich)公司的防粘釜技术也已达到400釜次的水平。防粘釜技术的迅速发展，使聚合操作辅助时间得到大大缩短。目前，平均清釜周期多数己达100～500釜次。
韩国LG化学、日本的太阳乙烯衍生物公司、信越(Shin-Etsu)化学工业公司、金子公司和新第一塑料公司等公司开发的连续悬浮聚合工艺流程较为典型。其流程概况是：流程主体为两个或三个串联的塔式反应器。第一个反应器采用注水工艺操作，同时加入NaNO2等抑垢剂，以减少粘壁物和污垢，该反应器结构新颖。其外
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形特征是顶端部分较小。操作时，该结构一方面可使反应器顶部只存有少量气相物，从而减小了气液相界面；另一方面，该气相部分还具有聚合压力安全缓冲装置的作用。第一反应器的聚合反应温度为67.5℃。单体转化率控制在15%~30%之间；第二反应器中的单体转化率为89%~91%。第二反应器的热负荷较大，其聚合热采用冷却夹套换热方式。反应器内顶部表面温度要求低于30℃。主要目的是避免气液界面形成粘壁聚合物。该工艺生产的树脂具有相同的粒度和粒度分布，生产强度达198~259t/(m3·a)。
赫斯特(Hoechst)公司开发的连续悬浮聚合工艺、意大利阿托公司以法国Pechinen-Saint-Gobain的两段法本体合工艺，具有较为鲜明的传统技术特色。该流程主体也由三个串联的管式反应器组成，但工艺作用、工艺条件以及设备结构与日本流程有所不同。第一反应器的工艺作用是进行预聚，以调控粒度和粒度分布。工艺目标是获得窄的粒度分布。关键工艺指标转化率的控制范围一般在5%~8%之间。第二反应器的工艺作用仅仅是为了使聚合进一步进行，单体转化率控制在30％~35%；第一反应器的长径比为10:1，采用电化抛光表面处理，材料为不锈钢。搅拌采用7层搅拌器，等距安装在中心轴上。搅拌速度为600r/min，以便于形成轴向活塞流。第二反应器的长径比为5:1，材质为碳钢搪瓷，0~20o斜卧放置。内置搪瓷桨叶搅拌器，转速为70r/min。流体为活塞流，以减少聚合物形成粘釜物和污垢。第三反应器与第一聚合釜结构及放置方式均相同，但材质为不锈钢，夹套除热，搅拌速度为50r/min。其主要功能是提供适宜的除热能力。反应时加入酒石酸、NaNO2等抑垢剂。工艺设备在连续操作500h以后，釜内粘壁物大约为15~30ppm(以聚合物计)。该流程可用于聚合温度为50~66℃的PVC生产。产品粒度分布窄，品均粒度为130~150μm。
此外，还有类似的管式反应器。其长径比一般为10~26:1。第一反应器反应温度控制为25~26℃，以获得低的单体转化率(小于1%)，防止形成粘壁物。但在实际生产中，多数控制在5％~8%。平均聚合周期约为7.5h。为了进一步缩短聚合周期，提高生产效率，清釜和密闭加料出料工艺的研究也取得了新进展。利用防粘釜技术和生产工艺计算机控制技术，目前的聚合辅助时间已经大大缩短。这些技术的应用，不仅缩短了操作周期，而且也大大减轻了劳动强度，提高了卫生等级，保护了操作人员和环境。引发剂的种类虽然依然还是偶氮化合物类、有机过氧化物类、无机过
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氧化类以及氧化还原体系等，但其品种的研究开发十分活跃，性能也不断得到拓展。如日本开发的非对称二酰基型引发剂类新品种，分子一侧带有分枝结构，易于生产，成本低。
1.4 聚合工艺实践方法
目前，世界上PVC的主要生产方法有4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。 1.4.1 本体聚合生产工艺[20]
本体聚合生产工艺，其主要特点是反应过程中不需要加水和分散剂。聚合分2步进行，第1步在预聚釜中加人定量的VCM单体、引发剂和添加剂，经加热后在强搅拌(相对第2步聚合过程)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”送人聚合釜内进行第2步反应。聚合釜在接收到预聚合的“种子”后，再加人一定量的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”逐渐长大到一定的程度，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，而后在釜内汽提，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。 1.4.2 乳液聚合生产工艺[20]
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0.1~3µm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得的直径为1~100µm，主要是20~40µm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。 1.4.3 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的应用，成为诸多生产工艺中最主要的生产方法。
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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和悬浮剂、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(一般在62~71℃)可生产出低分子质量(或超低分子质量)的聚氯乙烯树脂。近年来，为了提高聚合速度和生产效率，国外还研究成功两步悬浮聚合工艺，一般是第一步聚合度控制在600左右，在第二步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[21]。
悬浮法PVC的发展趋：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开始采用悬浮聚合工艺生产。自从乳液聚合法工业化以后，欧洲、日本在连续悬浮聚合工艺方面开展了大量的研究工作，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[22]。
本设计采用悬浮法PVC生产技术。
1.5 悬浮聚合生产工艺的两种操作方法的比较[18,19] 1.5.1 连续式操作
连续聚合流程具有形成规模经济迅速等特点和优势，但存在工艺灵活性差、产
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品品种单一等不足。其技术开发的核心，依然是如何开发新型引发剂、分散剂、防粘釜剂以及其它助剂，以提高聚合反应速率，缩短聚合生产周期；关键工艺技术所面临的也还是传热和搅拌这两个基本问题。 1.5.2 间歇式操作
间歇法工艺流程具有生产品种灵活多样、工艺挖掘潜力大等诸多优点。因而具有较强的生命力。为进一步提高通用树脂、专用树脂和糊树脂的质量，提高产品的专用化、市场化水平，近年来，国内外许多PVC生产厂家在间歇法工艺的研究上，紧紧抓住生产过程中聚合温度和搅拌这两个基本问题，一方面从设备的结构、材质等方面入手，不断提高聚合釜容积。目前，大釜技术和先进的除热手段在工业生产中已经得到广泛应用，容积为200m3的聚合釜已屡见不鲜。同时，为了缩短聚合周期并使工艺运行达到最优化状态，计算机控制技术的应用也正趋广泛。这些技术的应用，使聚合周期得到相对缩短，产品质量更加稳定，生产成本也不断降低。单釜效率己达到或超过原来的3倍。
本设计采用的是间歇式操作方式。
1.6 氯乙烯悬浮聚合生成聚氯乙烯过程中的影响因素 1.6.1 纯水的影响[23]
入料的水质直接影响树脂产品的质量，如硬度(表征水中金属等阳离子含量)过高，会影响产品的电绝缘性能和热稳定性；氯根(表征水中阴离子含量)过高，特别是对于聚乙烯醇分散体系，易使颗粒变粗，影响产品的颗粒形态；纯水的PH值影响分散剂的稳定性，较低的值对明胶有明显的破坏作用，较高或较低的值都会引起聚乙烯醇的部分醇解，影响分散效果及颗粒形态，还会影响引发剂的解速率。此外，水质还会影响粘釜及鱼眼。 1.6.2 乙炔的影响[23]
乙炔是一种很强的链转移剂，它会和引发剂游离基、单体游离基或链游离基发生链转移反应。乙炔含有叁键，氢原子又活泼，既可以和游离基加成，又可发生氢原子转移反应，这种转移反应速率比单体髙，但产生游离基的活性都比较低。因此，不仅使PVC聚合度降低，还使聚合速率变慢。所产生的炔型游离基进行链增长反应，使PVC大分子中含烯丙基氯(或乙炔基)链节，导致PVC产品的热稳定性。 1.6.3 高沸物的影响[23]
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单体中含有1,1—二氯乙烷、1,2—二氯乙烷、1,1,2—三氯乙烷、乙醛、偏二氯乙烯、甲烷等高沸物，均为活泼的链转移剂，会降低聚合速率和PVC的聚合度。氯乙烯单体中的高沸物主要为二氯乙烷和乙醛，单体中含量低时，可以清除PVC大分子端基双键，对PVC热稳定性有好处，二氯乙烷和乙醛等高沸物在较高含量下才显著影响聚合度及反应速率。 1.6.4 聚合体系中氧的影响[23]
氧对氯乙烯聚合起阻聚作用，氯乙烯单体易吸收氧，而生成平均聚合度低于10的氯乙烯过氧化物。这种过氧化物能引发单体聚合，使大分子中存在该过氧化物链段，并且有较低的分解温度，在聚合条件下易分解为氯化氢、甲醛和一氧化碳而降低反应介质的PH值。此种过氧化物存在聚氯乙烯中，将使其热稳定性显著变坏，产品易变色。一般入料纯水通过真空脱氧后加入聚合釜。 1.6.5 聚合体系中铁的影响[23]
无论水、单体、引发剂还是分散剂中的铁，都对聚合反应有不利的影响。铁能与有机过氧化物引发剂反应，使聚合诱导期增长，反应速率减慢，产品的热稳定性变坏，还会降低产品的介电性能。此外，铁还会影响产品的均匀度。 1.6.6 分散剂的影响[23]
分散剂及适当的搅拌强度可以优化VCM液滴的分散，提高PVC颗粒粒径的规整度、颗粒的多孔性和干流动性，改善PVC的塑化性能，提高PVC的白度和加工性能。分散剂用量的选择，要根据聚合釜的形状、大小、搅拌状态以及产品要求而定。分散剂用量过多，不仅不经济，还会增大体系粘度，造成悬浮液泡沫多，气相粘釜严重，浆料汽提操作困难，VCM回收泡沫夹带增加，树脂颗粒变细，堵塞回收管路；分散剂用量少，则起不到应有的稳定作用，体系稳定性差，容易产生大颗粒物料，产品颗粒不规整，甚至造成聚合颗粒的粘结而酿成事故。一般悬浮法聚氯乙烯生产都选用复合分散体系。
包永忠等[24]通过研究聚乙烯醇助分散剂对悬浮聚氯乙烯树脂颗粒特性的影响发现，在复合主分散剂PVA/HPMC(羟丙基甲基纤维素)基础上加入LM22(聚乙烯醇助分散剂)助分散剂，随着含量增加分散体系水溶液—三氯乙烯界面张力和保胶能力降低，PVC树脂的平均粒径和增塑剂吸收量增加，PVC树脂颗粒表面粗糙度增加并逐渐出现少皮膜的表层结构，颗粒内部孔隙率增加，初级粒子聚集程度降低，
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颗粒内部孔径分布变窄。 1.6.7 引发剂的影响[23]
引发剂的用量根据聚合釜设备的传热能力和实际需要而确定，用量多，单位时间内所产生的游离基增多，反应速率快，聚合时间短，设备利用率髙；一旦反应热不能及时移出，将发生爆聚。另外，引发剂过量易使产品颗粒变粗，孔隙率降低。引发剂用量太少，反应速率慢，聚合时间长，设备利用率低。目前大部分生产企业选用复合引发剂体系，尽量避免反应放热峰的出现或尽量减小峰高，使反应速率尽可能均匀，这样聚合反应热就能及时移出，达到安全平稳生产的目的。 1.6.8 涂釜剂的影响[23]
涂壁效果不好易造成粘釜，粘釜会导致聚合釜传热系数和生产能力降低；粘釜料若混入产品中，会导致塑化加工中不塑化的“鱼眼”产生，影响产品外观及内在质量；粘釜物的清理将延长聚合釜的辅助时间及增加人工劳动强度，降低设备的利用率。此外，粘釜还影响聚合釜自动控制的实施。 1.6.9 调节剂的影响[23]
在聚合生产中，体系的PH值对树脂颗粒的粗细有很大的影响，值过高或过低都会使颗粒变粗。在聚合系统中加人PH调节剂碳酸氢铵，维持釜内体系的PH值在中性范围，确保分散剂和聚合体系的稳定性，使PVC树脂具有较好的粒度。 1.6.10 聚合温度的影响[23]
在不添加链转移剂的情况下，聚氯乙烯聚合度取决于聚合温度，聚合温度越高，所产生的树脂聚合度越低，自由基的能量就越高，分子链中越易生成支链、末端基双键等不稳定结构，如果聚合反应体系中还存在氧，PVC分子内越容易形成羧基烯丙基，产品的热老化性能就越差。因此在生产中，对于某一给定聚合度的PVC树脂，可适当降低反应温度，以利于PVC热稳定性的提高。一般说来，当聚合温度波动2℃时，平均聚合度相差366。聚合反应温度控制在±0.2℃以内，这样使聚合度分布集中，易于加工，产品热稳定好。因此，聚合工艺推荐使用热水入料工艺，热水入料不仅可降低水中含氧量，而且因为减少了聚合升温时间，降低了相对分子量分散性，也提高了产品的加工热稳定。 1.6.11 无机添加剂的影响[25]
在PVC树脂加工前，必须加入热稳定剂。根据需要还可加入无机填料、抗冲
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改性剂和颜料等。在氯乙烯聚合过程中加入热稳定剂等助剂，即得到可直接加工应用的PVC树脂(简称RTUPVC)。RTUPVC是发达国家近10余年来致力开发的PVC树脂新产品，主要用于异型材及其他硬质制品的挤出成型加工。采用表面改性的无机热稳定剂的聚合延缓现象在一定程度上得以遏制。而且对无机热稳定剂改性效果越好(如用硅烷或铝酸酯改性)，对聚合的影响越小，聚合转化率也越高。聚合体系中添加CaCO3后，在聚合温度和引发剂用量相同的条件下，达到相同压差(△P)所需的聚合时间随CaCO3用量的增加而缩短。同时发现，相同△P时的氯乙烯转化率随CaCO3用量的增加而下降。
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2 本设计的工艺流程和相关参数的设定
2.1 本设计拟采用的方法 2.1.1 生产方法
本设计采用的是氯乙烯的悬浮聚合法，采用间歇操作。氯乙烯的悬浮聚合是将液态的氯乙烯在搅拌的作用下分散成液滴(约<50μm)，悬浮在溶有分散剂的水介质中，在水中形成分散和聚并动态平衡的小液滴，每个液滴相当于一个聚合体系，溶于单体的引发剂在聚合温度下分解成自由基，引发氯乙烯单体的聚合。整个聚合过程包括链引发、链增长、链终止、链转移等基元反应。 2.1.2 反应机理[26] 1. 引发剂的分解
kdR* R－d[I]/dt=kd[I] (2.1) Id2. 链引发
i RMRM Ri－d[M*]/dt=2fki[I] (2.2)
*k*3. 链增长
kpRM*RM*Mx1 Rp－d[M]/dt=kp[M][M*] (2.3)
4. 向单体的转移
ktrMRMM*RM*M RtrMktrM[M][M*] (2.4) xx2.2 本设计拟采用的工艺条件 2.2.1 聚合釜的选择
参考高象涛[26]对现阶段聚合釜使用情况的叙述，本设计生产线配置的聚合釜由锦西化工机械集团制造，是从Oxy Vinyls公司引进的技术。135 m3聚合釜是目前国内用于PVC生产装置中容积较大，生产强度较高的聚合釜，其搅拌、传动、传热等系统都采取了合理先进的配置，与化工工艺用于悬浮法生产PVC树脂，可实现全过程的微机控制。
1. 135 m3聚合釜原料的选用标准
选用的135 m3聚合釜生产PVC树脂使用原料如表2.1[26]。
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表2.1 135 m3聚合釜生产PVC树脂使用原料
原料名称 VCM单体
规格
纯度≧99.97%，二氯乙烷≦20ppm， 水≦100ppm，乙炔≦0.8ppm
脱盐水 PVA
PH值6.5~7，电导率≦0.2μS /cm，铁0.2mg/L 醇解度(mol)80±1.5%，PH值5~7.5，粘度（4%水溶液 25℃）48±4厘泊
HPMC EHP ACPND TBPND DEHA
甲基氧（mol）28%~30%，羟丙基（mol）7%~9%，粘度（4%水溶液25℃）40~60厘泊 叔丁基过氧化氢0.14%~0.17%
美国道化学公司
天津诺贝尔阿克苏有限公司
本公司热电厂 日本合成公司
来源 现购
异丙苯基过氧化氢最大0.15 %，水解氯最大0.3% 天津诺贝尔阿克苏有限公司 叔丁基过氧化氢最大0.10%，叔丁基乙醇最大3% 天津诺贝尔阿克苏有限公司 二乙基轻胺85.0%~90.0%，水11%~15%
法国阿托菲纳公司
2. 135 m3聚合釜的主要结构参数[26]
(1) 结构：135 m3聚合釜为立式圆筒、半圆管外夹套、带内冷却挡板及顶置式搅拌器，分别由日本神钢凡有限公司和锦西化工机械集团有限公司制造，结构如图2.1。
图2.1 135m3聚合釜结构示意图
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(2) 规格：釜内直径4200mm，釜直通高度8510mm，长径比为2.03，容积135m3。 (3) 搅拌：三层平直叶桨式，搅拌轴总长10600mm。
(4) 传热：传热系统由釜体传热系统、内冷挡板传热系统和体外冷凝器组成。釜体换热面积97.7m2，内冷挡板直径323mm，换热面积6.6m2，体外冷凝器换热面积340m2，聚合釜夹套和内冷挡板采用22℃冷水，体外冷凝器采用32℃循环水。 2.2.2 氯乙烯单体回收冷凝系统[20] 1. 回收氯乙烯（VCM）单体的选用
参考邴涓林等[1,3]对国内各PVC生产厂的回收技术，即传统的回收技术、日本信越回收技术和美国古德里奇回收技术的介绍，本设计采用主流的美国古德里奇回收技术。该技术采用压缩、冷凝法。未反应VCM气体经汽液分离器和气体过滤器除去夹带的PVC颗粒，当回收VCM气体压力高于冷凝器入口压力时，直接进入冷凝器冷凝；当回收VCM气体压力接近冷凝器人口压力时，回收VCM气体经压缩机压缩后进入冷凝器冷凝。在回收系统中设有初级冷凝器和二级冷凝器两台冷凝器，初级冷凝器的冷却介质为30℃的工业冷却水，90％的回收VCM气体在一级冷凝器被冷凝；二级冷凝器的冷却介质为0℃盐水，未冷凝的少量VCM气体进入二级冷凝器进一步冷凝，冷凝后液体VCM流入单体贮槽备用。聚合需要时，回收VCM与新鲜VCM按一定比例混合使用。 2. 压缩冷凝回收单体方法的选用
本设计拟采用的方法是由北京化工二厂、锦化集团公司等引进美国古德里奇公司PVC生产技术，经过消化、吸收和创新后设计的，是国内普遍采用的压缩冷凝方法。流程简述如下。
压缩冷凝回收VCM单体工艺流程为：来自聚合釜未反应VCM单体气体由外管进入泡沫捕集器途中滴加气相阻聚剂，然后进入泡沫捕集器，再进入单体过滤器，过滤后的氯乙烯气体进入水环压缩机，加压至0.5MPa后进入气水分离器，再进入一级冷却器，不凝气进入二级冷却器，冷凝液进入单体气液分离器，经液位调节阀进入单体贮槽，二级冷却器冷凝液直接进入单体贮槽，二级冷却器不凝气经调节阀取样合格后送到气柜。单体贮槽出口管通过气动阀与原有单体泵入口管相连，按比例送入聚合釜，单体贮槽设有分水缸，每次压料前向单体水分离器排水1次，单体水分离器夹套通热水，排空管接入气柜，水要不定期排至地沟。当压缩机的压力大
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于尾排压力时，氯乙烯气体不经过水环压缩机，而是通过直通阀直接进入一、二级冷却器，当压缩机入口压力小于尾排压力时，关闭直通阀，启动水环压缩机，打开气水分离器出口阀，抽气体进入一级冷却器。外来的生产上水先进入循环水槽，由循环水泵加压后，经循环水过滤器、循环水冷却器进入循环水分配台，循环水分配台分别为一、二级冷却器供水，为冷源。压缩机机体和轴封供水由密封水泵提供，回收水均回到循环水槽，循环水槽的水要不定期检测，并更换循环水。 2.2.3 气提系统[20]
本设计采用塔式汽提。塔式汽提是采用蒸汽与PVC浆料在塔板上连续逆流接触进行传热、传质的过程。将浆料预热到80～100℃，送至塔顶，浆料在塔板与来自塔底的蒸汽逆流接触，使PVC浆料中残留VCM单体被解吸出来，从塔顶带出，浆料从塔底送出。高温物料在塔内短时间的连续操作，既可大量脱除和回收PVC浆料中残留VCM单体，又较小影响产品质量，从而满足了大规模、高标准生产的要求。现有的塔式汽提技术基本上是引进技术，或在消化、吸收引进技术后再创新。 2.2.4 离心系统[20]
目前，国内外聚氯乙烯行业均采用离心机来完成PVC浆料的脱水工艺。工艺简述如下：经汽提后的PVC浆料进入离心槽，离心槽中的浆料经浆料泵大部分送至离心机进行离心脱水，一部分回流至离心槽。聚氯乙烯浆料经离心脱水后，紧密型树脂含湿量一般小于20％，而疏松型树脂含湿量则一般为20％～25％之间，离心脱水后的湿树脂通过破碎机或螺旋输送器送至干燥器，分离后的母液水回收利用。树脂浆料进行离心脱水前，应尽量使浆料浓度均匀，故离心槽应设置搅拌装置。若浆料浓度不均匀，不仅影响机器平稳运行产生震动，也使离心机生产能力波动。离心脱水的浆料泵的输送能力应大于离心机进料量的1.5～2倍左右，这样才能保证浆料有一定回流量，使浆料在槽内进一步混合，并使离心机进料量和功率稳定且有一定的调节量。树脂的进料温度一般在75℃以下，否则会严重影响机器的主轴承、内部螺旋输送器的轴承和差速器的使用寿命。但进料温度也不能过低，否则会严重影响干燥器床温的稳定，同时增加干燥系统的能耗。一般经汽提后的浆料从汽提塔出来经螺旋板换热器冷却后温度为40～50℃，适于离心脱水的要求。
目前PVC生产厂家普遍使用螺旋沉降式离心机。采用螺旋沉降式离心机处理PVC浆料时，其离心母液中夹带的树脂量很少，可将母液水收集于槽内，用于聚
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合釜喷淋、汽提塔冲水、离心机冲水及各浆料槽冲洗等。母液水的热能可用于干燥空气的预热及入料水的预热等。有的生产厂家采用生化处理、膜吸收、反渗透等技术对母液水进行处理，然后用于凉水塔的补水，甚至作为聚合用水。
本设计采用的是螺旋沉降式离心机。 2.2.5 PVC树脂的干燥系统[20]
本设计采用气流塔—沸腾床二段热风干燥技术。气流干燥器实际上就是一根长管，约五分之一部分的管径较细，属加速干燥段。一方面物料在热气流的作用下，流速越快越容易分散；另一方面物料越是分散，热交换面积越大，干燥速率越快。聚氯乙烯树脂干燥时所用的气流干燥速度一般为14～21m/s之间，停留时间在2s左右就可使物料表面的水分脱除。当物料一开始与热空气接触，物料表面的水分在热气流的吹动作用下，水分急速地得到汽化，尽管热风温度高达160℃，一遇适量的湿物料，便降到75℃左右，热交换速度很快，物料总是处于其接触气体的湿球温度下，故能适应热敏性物料的干燥。卧式多室内加热沸腾床干燥流程简述如下：由离心机分离出的湿基物料经破碎机破碎后均匀加入干燥床前部，由空气吸入筒来的清净空气经空气预热器(用母液水预热)预热到一定温度后进入空气过滤器，然后由鼓风机经空气加热器(蒸汽加热)升至一定温度后送人干燥床底部风室。物料在干燥床内被热风吹起呈流化沸腾态，物料与热风进行传热传质，同时干燥床内的内热管通有蒸汽或热水间接与湿物料进行传热，物料的水分被加热蒸发脱除出去。床内的湿热空气从床顶部由干燥器引风机引出，经旋风分离器后排入废气洗涤塔，被分离下来的固态物料送回至干燥床。物料在干燥床内沸腾，达到一定高度时从床末端溢流口流出，经旋转加料器由一次输送风机引至旋风分离器，分离下来的物料经旋转加料器、孔板流量计送至成品振动筛，筛分后进入输送料斗由旋转加料器送至二次输送管线，由二次输送风机(罗茨鼓风机)送至成品料仓，进行包装入库。 2.3 工况温度的选择
根据王振华等[27]对太原市1916～2000年气温变化规律研究温度的研究可知，太原市春季平均温度变化范围为：10.7~11.9℃；夏季平均温度变化范围为：22.1~24.1℃；秋季平均温度变化范围为：9.2~10.2℃；冬季平均温度变化范围为：﹣3.1~﹣6.1℃。本设计会按照不同的季节合理利用热量，并对相关设备进行合理的保温和散热，以获取最大的收益。同时由Daniel R.Lewin[28]对PVC悬浮聚合反应
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器的建模研究，可以合理的计算出由此产生的模型可以准确地预测引发负荷的影响和可操作性的反应堆冷却剂温度。
2.4 本设计拟采用的生产工艺路线和工艺参数 2.4.1 生产工艺路线[29]
聚合釜清洗后，用防粘釜剂喷涂聚合釜内部表面。喷涂完毕后，根据配方量，在搅拌下，首先开始加入脱盐水，然后依次开始VCM和分散剂、引发剂等物料的加入。控制脱盐水和VCM同步进料流量，保证VCM加料正好在水加料结束前完成。设定好脱盐水温度，当所有原材料加料完成后，聚合釜中物料的温度等于或接近反应温度，加入引发剂，聚合开始。聚合反应热量通过聚合釜夹套、内冷挡板和冷凝器撤出，通过采用集散式计算机控制系统和先进的温度控制方案，非常精确地将聚合温度维持在设定点，当聚合达到适当的转化率时（大约85%左右），加入终止剂，终止聚合反应[30]。聚合釜内物料即被输送到出料罐，大部分未反应的VCM在此被回收，带有未反应VCM的浆料随后被泵送到汽提塔进料罐，继续回收未反应VCM，残留的VCM在浆料汽提塔内脱除并被送往回收系统，来自汽提塔的浆料通过离心机将大部分水脱去，进入流化床干燥器，合格的树脂送至成品料仓，包装出厂。
2.4.2 主要工艺参数[31]
1. 聚合
聚合温度 50～58℃
聚合压力 初始0.687～0.981Mpa，结束0.249～0.196Mpa 聚合时间 8～12h 转化率 84％ 2. 碱处理
NaOH浓度 36％～42％
加入量 聚合浆液的0.05％～0.2％ 温度 70～80℃ 时间 1.5～2.0h 3. 气提
气提温度：塔顶温度80℃，塔底温度105℃。 4. 离心脱水
紧密型树脂含水率 8％～15％ 疏松型树脂含水率 15％～20％ 5. 干燥
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(1) 第一段气流干燥管干燥：
干燥温度 140～150℃ 风速 15m/s 物料停留时间 1.2s 含水率 <4％ (2) 第二段沸腾床干燥
干燥温度 120℃ 物料停留时间 12min 含水率 <0.3％ 2.4.3 工艺流程图[31,32]
工艺流程图如图2.2。
软 水 回收VCM VCM 聚合釜 引发剂卸料槽 汽提塔 干燥机 图2.2 悬浮聚合法生产聚氯乙烯工艺流程图
包 装 成 品 分散剂等
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3 物料衡算
物料衡算是确定化工生产过程中物料比例和物料转变的定量的过程，是化工工艺计算中最基本、最重要的内容之一。在化学工程中，设计或改造工艺流程和设备，了解和控制生产操作过程，核算生产过程的经济效益，确定主副产品的产率，确定原材料消耗定额，确定生产过程的耗损量，便于技术人员对现有的工艺过程进行分析，选择最有效的工艺路线，确定设备容量、数量及主要尺寸，对设备进行最佳设计以及确定最佳操作条件等都要进行物料衡算。在化工过程中，物料平衡是指在单位时间内进入系统(体系)的全部物料质量必定等于离开该系统(体系)的全部物料质量在加上损失的与积累起来的物料质量[33]。
物料平衡方程：∑F0=∑D+A+∑B （3.1） 式中： F0——输入体系的物料质量； D——离开体系的物料质量；
A——体系内积累的物料质量；
B——过程损失的物料质量(如跑、冒、滴、漏)。
3.1 有关设计参数设定[31,34]
生产规模：3.0×105t·a-1
生产时间：300d·a-1，每天生产2批，7200h·a-1 转化率：84% 后处理损失：5%。
每天生产量：300000000/（300×0.95）=1.053×106kg/d 每小时生产量：(1.053×106)/24=4.3875×104kg/h 每批生产量：5.265×105 kg/B 反应温度：55±0.3℃ 反应时间：7h
原辅材料：脱盐水，单体氯乙烯(VCM)，分散剂聚乙烯醇(PVC)，PH调节剂碳酸氢铵和氨水，聚合物分子量调节剂(错误！未找到引用源。-巯基乙醇)，引发剂过氧化二碳酸二乙基己酯(EHP)和过氧化二碳酸二异丙酯(IPP)，防粘釜剂，终止剂二乙基羟胺(DEHA)，缓释阻垢剂(H-9)，碱液(错误！未找到引用源。40%)等。 3.2 本工艺的配方[31,35]
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本工艺的配方如下(以单体质量为参考标准)：
脱盐水 140 单体 100 引发剂 0.05 分散剂 0.07 PH缓冲剂 0.05 终止剂 0.03 反应调节剂 0.0015 防粘釜剂 0.002 消泡剂 0.002 3.3 聚合釜的物料衡算[16,34] 3.3.1 物料平衡图
聚合釜物料平衡图3.1。
注入水回收VCMVCM引发剂分散剂缓冲剂脱盐水终止剂防粘釜剂反应调节剂消泡剂PVCVCM引发剂分散剂缓冲剂脱盐水终止剂防粘釜剂反应调节剂消泡剂损失PVC图3.1 聚合釜物料平衡图
3.3.2 反应前后各物质的质量计算
本设计引发剂(0.04%单体质量)全部结合到聚合物中，并且单体84%转化为聚合物。则VCM单体的投料量为： 错误！未找到引用源。 kg/B
脱盐水的质量为： M2=1.4M1=8.771×105 kg/B 引发剂的质量为： M3=0.0005 M1=313.25kg/B 终止剂的质量为： M4=0.0003 M1=187.95kg/B 分散剂的质量为： M5=0.0007 M1=438.55 kg/B PH缓冲剂质量为： M6=0.0005 M1=313.25kg/B 反应调节剂的质量为： M7=0.000015 M1=9.40 kg/B 防粘釜剂的质量为：M8=0.00002 M1=12.53 kg/B M1+M2+M3+ M4+ M5+M6 + M7+M8= 1504874.93 kg/B 所生成的PVC质量为：M9=0.84×0.99M1=520997.4 kg/B 损失PVC的质量为： M损=0.84×0.01M1=5262.6kg/B
对聚合釜做物料衡算知：M1=M9+ M损+ M10 (3.2) ，可知计算物料衡算结果是
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正确的，见表3.1。 3.3.3 物料衡算表
聚合釜物料衡算一览表3.1。
表3.1 聚合釜物料衡算一览表
物料名称
VCM 脱盐水 引发剂 终止剂 分散剂 PH缓冲剂 反应调节剂 防粘釜剂 消泡剂 PVC 损失PVC 合计
进料kg/B 6.265×105 8.771×105 313.25 187.95 438.55 313.25 9.40 12.53 12.53 0 0 1504874.93
出料kg/B 100240 8.771×105 313.25 187.95 438.55 313.25 9.40 12.53 12.53 520997.4 5262.6 1504874.93
3.4 混料槽物料衡算[16,31,34] 3.4.1 物料平衡图
混料槽的物料平衡图3.2。
图3.2 混料槽物料平衡图
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3.4.2 混料前后各物质的质量计算
混料槽中损失的PVC量为：M损=0.84×0.01M1=5262.6kg/B 因此混料槽中含PVC量为：520997.4-5262.6=515734.8 kg/B
设定混料槽中VCM占原料VCM的质量分数为：2%，出料中VCM的量为： 6.265×105 ×2% =12530 kg/B
因此回收的VCM量为：M回1=100240-12530=87710 kg/B 分散剂等其它助剂的量为：1274.93 kg/B
查阅相关资料[16]知此阶段需要加入碱液和通入蒸汽，按工艺条件加入42%NaOH溶液72L，密度为1.45kg/L其重量为：1.45×72=104.4 kg/B，其中含有纯NaOH45.05 kg/B。需要加入水蒸气量为：4800kg/B
出料水量为：8.771×105 +4800+(104.4 -45.05)=881959.35 kg/B 对混料槽做物料衡算知：物料衡算结果是正确的，见表3.2。 3.4.3 物料衡算表
混料槽物料衡算一览表3.2。
表3.2 混料槽物料衡算一览表
物料名称 VCM 水 蒸汽（水助剂） 其它助剂 碱液 PVC
进料kg/B 100240 8.771×105
4800 1287.46 104.4 520997.4
出料kg/B 12530 881959.35
0 1287.46 45.05 515734.8 第 21 页 共81页
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回收VCM 损失PVC 合计
0 0 1504529.26
87710 5262.6 1504529.26
3.5 汽提塔物料衡算[16,34] 3.5.1 物料平衡图
汽提塔的物料平衡图3.3。
图3.3 汽提塔物料平衡图
3.5.2 汽提前后各物质的质量计算
本步骤到筛分、包装为连续过程，计算标准相应的转换为kg/h。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：M1=4.3875×104kg/h
考虑到聚合釜和混料槽内PVC的损失，则进入汽提塔内树脂量为： M3=515734.8/12=42977.90 kg/h
以M3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：881959.35×M3/515734.8=73496.61 kg/h 进入汽提塔内的其它助剂为：1287.46×M3/515734.8=107.29kg/h 进入汽提塔内的VCM单体为：12530×M3/515734.8=1044.17 kg/h 损失的PVC的量为：4.386×104×0.01=438.60 kg/h 出料中含PVC量为：42539.3kg/h
设定出料中VCM含量为17mg/kg，故出料中含VCM的量为：43436.40×17×10-6=0.74kg/h
查阅相关文献可设定如下条件：塔顶温度80℃，塔底温度105℃，压强为
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0.03MPa，氯乙烯和水蒸汽的部分物性参数如表3.3，表3.4。
表3.3 氯乙烯的部分物性参数
温度/℃ 80 120
热容Cp/(cal/g·℃)
0.40 0.44
密度/(g/cm3) 0.793 0.683
蒸汽压/(kpa) 1496 2214
汽化热/( kJ /mol) 15.31 11.6
表3.4 水蒸气的部分物性参数
温度/℃ 80 120
热容Cp/(kJ/kg·K-1)
4.195 4.250
密度/(g/cm3) 0.2929 1.1199
蒸汽压/(kpa) 47.379 198.64
焓值/( kJ /kg) 2642.6 2708.9
CpPVC=1.8422 kJ/kg·℃
用内插法可求的：氯乙烯：Cp92.5℃=0.412 cal/g·℃ ，105℃时的汽化热ΔHVCM=14.15 kJ /mol 水蒸气：Cp92.5℃=4.212 kJ/kg·K-1，105℃时的焓值H=2685.1kJ/kg。
设通入水蒸气量y kg/h，则蒸汽冷凝放热量为Q放=y(2685.1-2642.6)
设物料吸收热量为Q1，部分VCM汽化热为Q2，可知Q吸= Q1+ Q2=Q放（3.3） Q1=CpPVCWPVC△t+CpVCMWVCM△t+W水CP水△t （3.4） Q1=1.8422×42977.90×(105-80)+0.412×4.1868×1044.17×(105-80)+4.212×73496.61×(105-80)=9763560.44 kJ/h ，Q2=14.15×(1044.17-0.74) ÷62.50×1000=236232.55kJ /h 由式3.3可知y= 235289.25kg/h
对汽提塔做物料衡算知：物料衡算结果是正确的，见表3.5。 3.5.3 物料衡算表
汽提塔物料衡算一览表3.5。
表3.5 汽提塔物料衡算一览表
物料名称 PVC 水 蒸汽
进料kg/h 42977.90
出料kg/h 42539.30
73496.61
235289.25
73496.61
235289.25
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分散剂等其它助剂 VCM 回收VCM 损失PVC 合计
107.29 1044.17 0 0 352915.22
107.29 0.74 1043.43 438.60 352915.22
3.6 离心部分物料衡算 3.6.1 物料平衡图
离心部分的物料平衡图3.4。
图3.4 离心部分物料平衡图
3.6.2 离心前后各物质的质量计算[16]
离心操作中PVC的损失量为：4.3875×104×0.005=219.4kg/h 离心脱水后的湿物料中仍含有23%的水分，则含水量为： (42539.30-219.4)×0.23/0.77=12641.01kg/h
在此阶段中助剂和少量VCM随母液排出，假设此阶段将所有助剂都离心脱除了。
排出水的量为：73496.61-12641.01=60855.60。
对离心部分做物料衡算知：物料衡算结果是正确的，见表3.6。 3.6.3 物料衡算表
离心部分物料衡算一览表3.6。
表3.6离心部分物料衡算一览表
物料名称 PVC
进料kg/h 42539.30
出料kg/h 42319.90
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VCM 母液含水 分散剂等助剂 排出水和助剂量 PVC损失 合计
0.74 73496.61 107.29 0 0 116143.94
0.74 12641.01 0 60962.89 219.4 116143.94
3.7 气流干燥部分物料衡算 3.7.1 物料平衡图
离心部分的物料平衡图3.5。 PVC H2O
图3.5 气流干燥部分物料平衡图
气流干燥 PVC H2O 脱去水 损失PVC 3.7.2 干燥前后各物质的质量计算[31]
气流干燥损失的PVC量为：4.3875×104×0.005=219.4 kg/h。 则出料PVC量为：42319.90-219.4=42100.50 kg/h。 已只气流干燥后的含水量为3%，则含水量为： 42100.50×0.03/0.97=1302.08kg/h。
对气流干燥部分做物料衡算知：物料衡算结果是正确的，见表3.7。 3.7.3 物料衡算表
气流干燥部分物料衡算一览表3.7。
表3.7 气流干燥部分物料衡算一览表
物料名称 PVC 水 PVC损失 脱走水分
进料kg/h 42319.90 12641.01 0 0
出料kg/h 42100.50 1302.08 219.4 11338.93
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合计
54960.91
54960.91
3.8 沸腾干燥部分物料衡算 3.8.1 物料平衡图
沸腾干燥部分物料平衡图3.5。 PVC H2O
气流干燥 PVC H2O 脱去水 损失PVC 图3.6 沸腾干燥物料平衡图
3.8.2 干燥前后各物质的质量计算[31]
气流干燥损失的PVC量为：4.3875×104×0.005=219.4kg/h。 出料PVC量为：42100.50-219.4=41881.1kg/h。 已只气流干燥后的含水量为0.2%则含水量为： 41881.1×0.002/0.998=83.93 kg/h。
对沸腾干燥部分做物料衡算知：物料衡算结果是正确的，见表3.8。 3.8.3 物料衡算表
沸腾干燥部分物料衡算一览表3.8。
表3.8 沸腾干燥部分物料衡算一览表
物料名称 PVC 水 PVC损失 脱走水分
进料 kg/h 42100.50 1302.08 0 0
出料kg/h 41881.10 83.93 219.4 1218.15
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合计
43402.58
43402.58
3.9 筛分包装部分物料衡算 3.9.1 物料平衡图
筛分包装部分物料平衡图3.7。 PVC
损失PVC 图3.7 筛分包装部分物料平衡图
筛分包装 PVC 3.9.2 筛分包装前后各物质的质量计算
筛分包装部分PVC损失量为：4.3875×104×0.005=219.4 kg/h。 则包装入库的绝干PVC树脂量为：41881.10-219.4=41661.7kg/h。 对筛分包装部分做物料衡算知：物料衡算结果是正确的，见表3.9。 3.9.3 物料衡算表
筛分包装部分物料衡算一览表3.9。
表3.9 筛分包装部分物料衡算一览表
物料名称 PVC PVC损失 合计
进料 kg/h 41881.1 0 41881.1
出料kg/h 41661.7 219.4 41881.1
3.10 全过程物料衡算 3.10.1 间歇操作过程物料衡算
聚合釜及混料槽属于间歇操作，计算标准为kg/B，由前面计算结果可知：投入VCM单体的量为：6.265×105 kg/B，经过聚合釜及出混料槽减压后的量为：12530kg/B，PVC的总损失为：10525.2 kg/B。
由以上结果可得间歇部分物料衡算一览表3.10。
表3.10 间歇部分物料衡算一览表
物料名称
进料kg/B
出料kg/B
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VCM 水 二次进水 分散剂等 碱液 PVC 损失PVC 回收VCM 合计
6.265×105 8.771×105 4800 1287.46 104.4 0 0 0 1509791.86
12530 881959.35 0 1287.46 45.05 515734.8 10525.2 87710 1509791.86
3.10.2 连续操作过程物料衡算
气提、离心、筛分和包装过程都是连续操作，计算基准为kg/h。由前面的计算结果可知，进入气提塔的VCM的量为：1044.17 kg/h，经过气提后VCM单体的量降为：0.74 kg/h，出混料槽冷凝的水的总量为：881959.35 kg/B，离心后母液含水总量为：12641.01 kg/h，PVC损失总量为：1316.2kg/h。
由以上结果可得连续部分物料衡算一览表3.10。
表3.10 连续部分物料衡算一览表
物料名称 VCM 水 蒸汽冷凝水 分散剂等 PVC 回收VCM 损失PVC 损失水 合计
进料kg/h 1044.17 73496.61 478.01 107.29 42977.9 0 0 0 118103.98
出料kg/h 0.74 83.93 0 107.29 41661.7 1043.43 1316.2 73890.69 118103.98
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4 能量衡算
在新设计的生产车间，能量衡算的主要目的是确定设备的热负荷。根据设备的热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求在选择传热面的形式，计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。确定传热所需要的加热剂或冷却剂的用量及伴有热效应的温升情况，为后续工艺设计提供依据。本设计中由于混料、离心、包装部分的热量衡算对后续工艺设计的影响较小，在此不作具体计算。 4.1 热量衡算方程[33]
能量守衡表达式为： ∑Q入=∑Q出+∑Q损 (4.1) 式中：∑Q入——输入设备热量的总和； ∑Q出——输入设备热量的总和；
∑Q损——损失热量的总和。
热平衡方程式为： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 (4.2) 式中：Q1——各股物料带入的热量；
Q2——加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量； Q3——各种热效应，如反应热，溶解热等； Q4——各股物料带走的热量； Q5——消耗在加热设备上的热量； Q6 ——热损失。
4.2 聚合釜的热量衡算
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4.2.1 有关参数的选择[16]
本设计采用的是135m3聚合釜，其相关参数是：釜内直径4200mm，釜直通高度8510mm，长径比为2.03，容积135m3，搅拌采用三层平直叶桨式，搅拌轴总长10600mm，釜体换热面积97.7m2，内冷挡板直径323mm，换热面积6.6m2，体外冷凝器换热面积340m2，聚合釜平均传热系数2800kJ/m2·h·℃，聚合釜夹套和内冷挡板采用22℃冷水，体外冷凝器采用32℃循环水，设计压力釜体：1.31MPa，夹套：1.59 MPa，单釜生产能力7×104t/a。
进料直接用95℃热水，实施等温人料，无升温操作。
由热量衡算方程式可知：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5 (4.3)
Q1——水降温所需的热量(由于分散剂等含量甚微，故并入水中一起计算)； Q2——VCM降温所需的热量； Q3——聚合放出热量； Q4——冷却水所吸收的热量； Q5——釜体升温所需的热量。 已知条件如下表4.1。
表4.1 脱盐水和VCM的部分已知数据表
重量kg/h
t初
t 末
△t
Cp/ kJ /(kg.℃)
脱盐水 VCM
4.698×105 3.356×105
95 95
55 55
40 40
4.2 1.591
由于厂址选择的限制，应根据太原地区的不同季节情况，设计不同的加热量。根据王振华等[27]对太原市1916～2000年气温变化规律研究温度的研究可知，夏季平均温度变化范围为：22.1~24.1℃，平均为23.1℃,具体操作方式如下。 4.2.3 夏季时聚合釜热量衡算
设定此时聚合釜的起始温度为23.1℃。 Q1:脱盐水(分散剂等)降温放出热量
Q1=qm1Cp1△t=8.771×105×4.2×(95-55)=147352800 kJ/B Q2:单体降温放出热量
Q2= qm2Cp2△t=6.265×105×1.591×(95-55)=39870460 kJ/B
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Q3:聚合釜升温消耗热量
Q3=15KS△t=15×2800×97.7×(55-23.1)= 130898460 kJ/B Q4:冷却水消耗能量
Q1+Q2+Q5=Q3+Q4 (4.3)
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[34]可得为1507.3kJ/kg，因此可求出每批的反应热为Q5=5.265×105×1507.3=793593450 kJ/B。
假设进口处冷却水的温度为5℃，出口处水的温度为30℃，则循环冷却水用量为W=8094459.52 kg/B。
热量衡算表见表4.3。
表4.3 夏季时聚合釜热量衡算平衡一览表
物料名称
脱盐水（分散剂等） VCM 聚合反应热 聚合釜 冷却水 合计
输出kJ/B 0 0 0 130898460 849918250 980816710
输入kJ/B 147352800 39870460 793593450
0 0 980816710
4.3 汽提塔的热量衡算[34,36]
由3.5.2可知，氯乙烯：Cp92.5℃=0.412 cal/g·℃ ，105℃时的汽化热ΔHVCM=14.15 kJ /mol，水蒸气：Cp92.5℃=4.212 kJ/kg·K-1，105℃时的焓值H=2685.1kJ/kg。
设通入水蒸气量y kg/h，则蒸汽冷凝放热量为Q放=y(2685.1-2642.6)。 设物料吸收热量为Q1，部分VCM汽化热为Q2，可知Q吸= Q1+ Q2=Q放 (3.3) Q1=CpPVCWPVC△t+CpVCMWVCM△t+W水CP水△t (3.4) Q1=1.8422×42896.83×(105-80)+0.412×4.1868×1042.20×(105-80)+4.212×73357.98×(105-80)=9745152.67 kJ/h ，Q2=14.15×(1042.20-0.74) ÷62.50×1000=235786.54kJ /h
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由式3.3可知y= 234845.63kg/h。
热量衡算见表4.6。
表4.6 汽提塔热量衡算平衡一览表
物料名称 脱盐水 VCM
输出kJ/h 32443300.23 188764.27
VCM汽化热：235786.54
PVC 水蒸气 合计
8297576.72
0 41165427.76
输入kJ/h 24718704.94 143820.40
0 6321963.22 9980939.28 41165428.00
4.4 气流干燥部分热量衡算[34,37]
气流干燥部分的计算可借用以下的物料和热量衡算式解得：
物料衡算式：W(ω0－ω1)=G(H2－H0) (4.4)
热量衡算式：Gi1+W(cm+ω0)tm0+Q补= Gi2+W(cm+ω1)tm1 + Q损 (4.5) 湿空气的焓的表达式：I=(1.01+1.88H)t+2490H (4.6) 式中：G——干空气的重量，kg/h；
W——干树脂的重量，kg/h；
ω0，ω1——树脂在气流前后的湿含量，%(干基)；
H2，H0——树脂在气流干燥前后的湿含量，kg(水)/ kg(干空气)； i1，i2——空气在气流干燥前后的热焓，kJ/ kg(干空气)；
cm——树脂比热容，kJ/ kg·℃；
tm0，tm1——树脂在气流干燥前后的温度，℃；
I——湿空气的焓，kJ/h。
4.4.1 气流干燥部分的相关数据[31,34,38]
湿物料预热后进口温度：55℃(含水23%)； 产品PVC出口温度： 75℃(含水3%)； 空气预热后的温度：145℃； 空气离开干燥器的温度：85℃； 绝干PVC的热容：cm=1.30kJ/(kg·℃)；
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热损失为预热气体中获得热量的5%计算。
厂址的气温和湿度：夏季平均气温：23.1℃ 平均相对湿度：61.3% 4.4.2 热量衡算
2.夏季气流干燥部分的热量衡算
由X-I图可查的，H0=0.009 kg(水)/ kg(干空气)。
绝干物料的处理量W=42238.93kg/h，H0 =H1，ω0=0.23÷(1－0.23)=0.30，ω1=0.03÷(1－0.03)=0.031 ，水分气化量W1=11362.27kg/h。
湿物料比热容为：cm1=1.30+4.19×0.3=2.557 kJ/(kg·℃) cm2=1.30+4.19×0.031=1.430 kJ/(kg·℃) 气体的焓为：
i0=(1.01+1.88×0.009) ×21.3+2490 ×0.009=46.15 kJ/ kg(干空气)·h-1 i1=(1.01+1.88×0.009) ×145+2490 ×0.009=160.62 kJ/ kg(干空气) ·h-1。 由热量衡算和物料衡算式可知：H2=0.057 kg(水)/ kg(干空气) 空气用量为： G=11362.27/(0.057－0.009)=236713.96 kg(干空气)/h 预热器的热负荷 Q=236713.96×(160.62－45.15) =27333360.77kJ·h-1 气化水分耗热量 Q1=11362.27 (2490+1.88×85－4.19×55)=27602930.62 kJ·h-1 物料升温耗热量 Q2=42238.93×1.430×(75－55)=1208033.40 kJ·h-1 废气带走热量 Q3=236713.96×1.06×(85－23.1)=15531749.77 kJ·h-1 损失的热量 Q损=0.05×27333360.77=1366668.04 kJ·h-1 补充的热量 Q补= Q1 +Q2 +Q3+Q损－Q =110037.6 kJ·h-1 热量衡算见表4.8。
表4.8 夏季气流干燥热量衡算平衡一览表
名称 气化水分耗热量 物料升温耗热量 损失的热量 废气带走热量 补充的热量 预热器的热负荷
输出kJ/h 27602930.62 1208033.40 1366668.04 15531749.77 0
0
输入kJ/h
0 0 0 0 18376021.06 27333360.77
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合计
45709381.83
45709381.83
4.5 沸腾床的热量计算[16,34,39] 4.5.1 相关数据的选择和设定
湿物料进口温度：θ1=65℃(含水3% ) 产品PVC出口温度：θ3=40℃(含水0.3% ) 湿物料在第Ⅴ室的出口温度：θ2=75℃ 热风的入口温度：t1=120℃
热风经沸腾床Ⅰ到Ⅴ室，出第Ⅴ室温度：t2=60℃ 第Ⅵ室冷风温度： 夏季：进口20℃ 出口：35℃ 热水入口温度：90℃，经Ⅰ到Ⅴ室出口温度：80℃ 其中：热空气提供的热量是干燥所需总热量的的15%； 热水提供的热量是干燥所需总热量的的85%； 冷风用量占热风用量的1/5(体积流量)；
第Ⅵ室通冷却水进口温度：10℃，出口温度：30℃； 单位面积的风量是相等的；
PVC绝干物料进料为：42019.63 kg/ h，H2O：1299.58 kg/ h；
厂址的气温和湿度为： 夏季平均气温：23.1℃ 平均相对湿度：49%
4.5.2 热量衡算 1. 干空气用量的计算 (1) 被蒸发的水分质量
公式：W=G1×(H1-H2) (4.7) 式中：G1：绝干物料进沸腾床的流量，G1=43319.21 kg/ h H1：干燥前干湿基含水量 H1=0.031 kg/kg绝干物料 H2：干燥后干基含水量 H2=0.003 kg/kg绝干物料 则W =42019.63×(0.031-0.003)=1176.5 kg/ h
由设定值知有15%的热量由空气提供，所以有15%的水分被热风干燥 W×15%=1176.5×0.15=176.5 kg/ h。 (2) 空气湿度的计算
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由空气—水系统的焓—温度图可查知：
夏季：在23.1℃时，H0=0.016 kg/ kg绝干气。 (3) 热量计算 ① 蒸发出的水分吸热
吸热公式为：Q=W (I2-I1) (4.8) 75℃时：I2=2629.7 kJ/ kg ， 65℃时：I1=272.16 kJ/ kg 可知Q1=1176.5×(2629.7-272.16)=2773645.81 kJ/ h。 ② 物料升温吸热
吸热公式：Q =M·CP·Δt (4.9) 平均温度为：t =(65+75)/2=70℃
由聚氯乙烯和水的性质的相关数据在平均温度下用内插法可算得： CP,PVC=1.34 kJ/(kg·K) ，CP,H2O=4.187 kJ/(kg·K) QPVC=42019.63×1.34×(75-65)=563063.04 kJ/h QH2O=(1299.58-1176.5)×4.187×(75-65)=5153.36 kJ/h 可知：Q2= QPVC + QH2O =568216.40 kJ/h ③ 热损失Q3(占10%)
Q3/(Q1 + Q2 + Q3)=0.1，解得：Q3=371318.02 kJ/h Q总= Q1 + Q2 + Q3=3713180.23 kJ/h
热风放热量为：3713180.23×15%=556977.04 kJ/h ④ 热风放热
设有L(kg干空气/ h)的热风放热
CH=1.01+1.88H ，CH：kJ/kg绝干气·℃ (4.10) 夏季：Qˊ=(1.01+1.88×0.016)×(120-60)·L1ˊ=62.40 L1ˊ L1ˊ=556977.04/62.40=8925.91 kg绝干气/ h
H2ˊ=ω/ L1ˊ+ H1ˊ=1176.5/9162.05+0.016 =0.1478 kg/ kg绝干气 综上可得：
夏季绝干空气用量：8925.91 kg绝干气/ h 夏季热风：8925.91 (1+ H1ˊ) =9068.72 kg/ h
2. 废气出口温度t2的计算
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(1) 湿度的计算
前五室出来的干空气为：L夏=8925.91 kg绝干气/ h 由前面计算知： H2夏=0.1478 kg/ kg绝干气
已知温度：t2=60℃，已知第六室冷风用量为热风用量的1/5 则有：
夏季：1/5L夏=1/5×8925.91=1785.18 kg绝干气/ h
可设：夏：t进=20℃ t出=35℃ 则出口处湿度为：
夏：Hˊ=H1ˊ×1/6+H2ˊ×5/6=0.1258kg/kg绝干气 (2) 由各处的焓值求t2
公式为I=(1.01+1.88H)t+2490H (4.6) 夏季： I1=(1.01+1.88×0.1478)×60+2490×0.1478=445.30 kJ/ kg绝干气 I2=(1.01+1.88×0.016)×0+2490×0.016=76.24 kJ/ kg绝干气
I总=5/6 I1+1/6 I2=383.79 kJ/ kg绝干气 由I总=(1.01+1.88×0.1258)×t2ˊˊ+2490×0.1258 解得：t2ˊˊ=56.60℃
综上可得： 夏季出口温度：t2ˊˊ=56.60℃ 3. 冷却水用量
冷却水：t进=10℃ t出=30℃ 湿物料在第Ⅴ室出口温度：θ2=75℃ 产品出口温度：θ3=40℃ PVC放热量为：Q= m·CP·△t 在40℃到75℃时，平均气温t=57.5
此时：Cp,pvc=1.24 kJ/(kg·K) ，Cp,H2O=4.176 kJ/(kg·K) QPVC=42019.63×1.24×(75－40)=1823651.94 kJ/h QH2O=(1299.58－1176.5)×4.176×(75－40)=17989.37 kJ/h Q放热= QPVC + QH2O =1823651.94+17989.37=1841641.31 kJ/h 冷却水的焓值：10℃ I1=42.04 kJ/kg 30℃ I2=125.8 kJ/kg
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冷风的焓值：
夏季：I1=(1.01+1.88×0.016)×20+2490×0.016=60.64 kJ /kg绝干气 夏季：I2=(1.01+1.88×0.016)×35+2490×0.016=76.24 kJ /kg绝干气 冷风用量： 夏季：1813.74 kg干空气/ h 冷风带走的热量为：
夏季：Q=L夏×(I2夏－I1夏) =28294.34 kJ /h 冷却水带走的热量为： Q=M(125.8-42.04)=83.76 M
夏季：83.76 M=1841641.31-28294.34 解得：M=21649.32 kg/ h 4. 热水用量的计算
由前面计算知：Q总=3713180.02 kJ /h 热水提供的热量= Q总×85%
=3713180.02×85% =3156203.02 kJ /h
热水：t进=90℃ I=376.81 kJ/kg t出=80℃ I=334.94 kJ/kg
可知：G(376.81－334.94)= 3156203.02 可得热水用量：G=75381.01 kg/ h 5. 预热空气蒸汽用量
设循环水使用中无热量损失，蒸汽为300 kPa，温度为133.3℃，I=2728.5 kJ/kg 100℃的水，I=419.1 kJ/kg
夏季：I120℃－ I23.1℃=(1.01+1.88H冬)×(120－23.1)=100.78 kJ/kg L夏(I120℃－ I23.1℃)=8925.91×100.78= G(2728.5－129.83) 可得：G=346.17 kg/ h 6. 沸腾床干燥热效率
干燥热效率：η=蒸发水分所需热量/向干燥系统输入总热量×100% η=Q/Q总=2773645.81/3713180.23×100%=74.70%
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5 设备选型
5.1 聚合釜的选择
5.1.1 釡外型尺寸及内部构件辅助设备的参数[40]
表5.1 135m3PVC聚合釜的技术特性表[40]
釜 体
指标
设计压力/Mpa 设计温度/℃ 工作介质 容积／m2
传热面积/ m2 内径 壁厚 高径比 主体材料 腐蚀裕度/mm 焊缝系数 容器类别 内表面处理
釜体
夹套
1.31/Fv 1.59 159 159 VCM 水 135 —
釜体夹套88.9，底封头8.8，内冷挡板6.6，体外冷凝器340 4200mm×(24+3) mm 51 mm×6mm
2.03
SA516Gr70＋SA240 316L SA285-B/SA-105
1.6 1.6 1 0.85
Ⅱ
釜内表面抛光Ra 0.1～0.2μm ， 内件外表面抛光Ra 0.3μm
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传动搅拌装置
传动方式 上传动 电动机参数 6000v，355kw，4P，50Hz，dⅡBT4 减速机 B2SV12，I=12.5
EL9 扭矩变矩器
搅拌器形式 三层平直叶桨式 轴封形式 双端面机械密封 拌拌转速(r/min) 91(60～120) 生产能力(t/a) ≥60000 设备质量/t 8.88
5.1.2 聚合釜台数及设备后备系数的计算[34,36,40,41]
加料时间：水和单体：70min 助剂：30min 冷搅时间：25min 出料时间：25min 排空时间：30min 清釜时间：30min
聚合辅助时间：τa=30×2+25×2+70+30=210min=3.5 h 聚合时间： τR=6.5h
每釡聚合时间：τT=τR+τa =6.5+3.5=10 h 每天生产的批次：24T242.42B 10有相关文献查知，VCM和脱盐水的部分物性参数如表5.2。
表5.2 水和氯乙烯的部分物性参数[34,37]
温度/℃ 50 60
水的密度/(kg/m3) 983.2 988.1
氯乙烯的密度/(g/cm3)
0.8564 0.8363
在55℃时由内插法可得：水的密度：ρ水=985.65 kg/m3，ρVCM=0.8464 g/cm3 由于PVC在此温度下的密度为：ρPVC=1400 kg/m3，可知在反应过程中每批的最大体积为：VRM1VCMM2水3。 1630m 反应釜的实际个数为：nT=VR/(VT×α) (5.1)
已知数据为：搅拌釜式反应器的装料系数可为α=0.8，VT=135 m3
可知：nT=1630/(135×0.8)=14.09≈15 (个) ，为确保设备维修是不影响生产，选
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用一台备用机，所以本设计选16个搅拌釜式反应器。
釜后备系数=(实际釜台数-理论台数)/理论台数=(16-14.09)/15.09=12.6% 5.1.3 聚合釜外形尺寸的设计[42] 1. 确定封头的外形
与本设采用的聚合釜配套的封头为标准椭圆封头，由相关文献查知，应取得封头直边高度为：h1=50 mm，封头高度为：h=0.25D=0.25×4200=1050 mm，封头侧面积为：S侧=1.083 D2=19.10 m2，封头体积为：V封=0.131 D3=9.71。 2. 封头与筒体的连接
本聚合釜的封头与筒体的连接方式拟采用焊接连接，由于其在简单、造价低、密封性能好。 3. 长径比和釜体内径
由135 m3的聚合釜的相关参数知：H/D=2.03，釜体内径：D=4200 mm。 4. 釜体直边高度
釜体直边高度为：h=H－2×h封 (5.2)
由135 m3的聚合釜的相关参数知：反应器釜体总高度为H=8510mm，则h=8510－2×1050=6410 mm。 5.1.4 搅拌装置的设计[42]
由135 m3的聚合釜的相关参数知，本设计的搅拌装置采用的是三层两叶平浆搅拌器。浆式搅拌器直径Dj=(1/4~3/4)D (5.3)，则可设Dj=1/2D=2100 mm。叶片厚度b=(0.1~0.25) Dj (5.4)，则可设b=0.15Dj=315 mm。叶片下侧离封头底端的距离h=(0.2~1) Dj (5.5)，则可设h=0.5Dj=1050 mm。搅拌轴总长为10600mm。拌拌转速n=91 r/min。
5.1.5 工艺管口的设计[31,42,43] 1. 氯乙烯进料管口
通过查阅相关文献，设定原料进口的速度为u1= 1m/s，可知进料管直径的计算公式为：d12= 0.239VR/( nT×70×60×u1) (5.6)
代入相关数据可得进料口的直径为：d1=76.2 mm，选用热轧无缝钢管，圆整为102mm×11mm。配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法兰 PL80-0.6 RF Q235-A。
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2. 去离子水进料管口
通过查阅相关文献，设定原料进口的速度为u1= 2m/s，可知进料管直径的计算公式为：d12= 0.239VR/( nT×70×60×u1) (5.7)
代入相关数据可得进料口的直径为：d1=53.8 mm，选用热轧无缝钢管，圆整为76mm×5.5mm。配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法兰 PL65-0.6 RF Q235-A。
3. 聚合后的物料出料管口
通过查阅相关文献，设定原料进口的速度为u2=0.8 m/s，可知出料管直径的计算公式为：d22= 0.239VRˊ/( nT×25×60×u2) (5.8) VRˊ=889.87+M1(0.84/1400+(1－0.84)/846.4)=1384.2 mm，则知：d2=131.3 mm
选用黄铜管，圆整为146mm×3mm。配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法兰 PL140-0.6 RF Q235-A。 4. 压缩空气进管口
通过查阅相关文献，可设定压缩空气管口为25mm×0.5mm，材质为冷拔无缝钢管。配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法兰 PL20-0.6 RF 20R。 5. 仪表测量口
通过查阅相关文献，可设定温度测量口和压力测压口的管径为
45mm×2.5mm，材质为冷拔无缝钢管。配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法
兰 PL40-0.6 RF 0Cr18Ni10Ti。其中测温口3个，测压口2个，均匀分布于釜体上。 6. 安全装置口
查阅相关文献知，对于D>3000mm以上的PVC聚合釜，一般采用锦西化工机械(集团)公司生产的DN300的大口径弹簧式安全阀。接口采用89mm×4.5mm无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法兰 PL80-1.0 RF 0Cr18Ni10Ti。 7. 观测口(视镜)
本设计拟采用用不带颈的视镜，视镜尺寸为DN100mm，工称压力为1.57MPa，
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D=200mm，D1=165mm，b1=40mm，b2=28mm，H=105mm，螺柱数量n=6，直径d=M12。采用108mm×4mm无缝钢管，接管与封头内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20593 法兰 PL100-1.0 RF 0Cr18Ni10Ti。 视镜图如图5.1。
图5.1 视镜(HGJ 501—86)
8. 人孔
由135 m3的聚合釜的相关参数知，本釜有两个人孔，分别位于上段和中段，,由聚合釜直径>3000mm，按照相关标准，应选用的人孔为DN600mm。 5.2 混料槽的选择[20]
由混料槽物料衡算的数据知，PVC的质量为：520997.4kg/B，VCM的质量为：100240kg/B，水的质量为：881959.35kg/B。若设定进入混料槽时的温度为50℃，由相关文献可知ρ水=983.2 kg/m3，ρVCM=0.8564 g/cm3，ρPVC=1390 kg/m3，粗略估计进入混料槽的物料的体积为：
V混料=520997.4/1390+100240/856.4+881959.35/983.2=1388.9 m3。
本设计拟采用现在主流的110 m3容积的混料槽，相关参数为：转速：8~12 r/min，电动功率7.5~10 kw，搅拌釜型：耙齿与压缩空气组合。所用的混料槽个数为n1=1388.9÷110=12.6≈13 (个)，为确保设备维修是不影响生产，选用一台备用机，所以本设计选14个混料槽。 5.3 汽提塔的选择[20,34]
由135 m3的聚合釜的相关设计参数知，采用的料浆汽提塔为无堰穿流式筛板
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塔，设螺旋板换热器。较为合适的汽提技术是日本信越气提技术，该汽提塔的相关技术参数为：
塔形：大孔径穿流式无溢流管的筛板塔 5.3.1 塔尺寸及塔特性参数
塔的规格：1150×29600 塔顶：1150×3252 塔柱：1150×19800
塔底：1150×6600(包括裙座) 塔高：29600 mm 塔板数：36块
每块塔板上的筛孔直径：18 ，孔330个(正三角形排列) 板间距：550 mm 5.3.2 操作工艺条件
塔顶温度：80℃ 塔底温度：105℃
气提塔真空度：1.33~26.66Kpa 进气提塔料浆流量：<30 m3/h 5.3.3 气提塔的数量
可设定料浆进汽提塔的流量为q=25 m3/h，由物料衡算可知，进入气提塔的物料体积可以初略估计出来。在平均温度92.5℃下的物料密度分别为，ρ
水
=963.6
kg/m3，ρVCM=0.7586 g/cm3，ρPVC=1330 kg/m3。可知进入气提塔的料浆的体积为： V
气提
=42896.83/1330+73357.98/963.6+1042.20/758.6=109.8m3，则所用汽提塔的个数
为：n2=109.8÷25=4.4≈5 (个)，为确保设备维修是不影响生产，选用一台备用机，所以本设计选6个汽提塔。 5.4 离心机的选择[20,44]
目前PVC生产厂家普遍使用螺旋沉降式离心机。广泛选用的原因如下：(1)因该离心机实行连续运行、连续进出料、操作简便，所以单机生产能力大，适合工业
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大生产与自动集中控制的需要。(2)该离心机的分离原理是离心沉降而不同于离心过滤，转鼓上无孔，因此分离因数较高。查阅相关文献知：本设计拟采用卧式螺旋沉降式离心机，且为逆流型。分离要求为：湿基含水量为23%，分离温度为65~70℃，干渣产量42238.93 kg/h。根据目前国内离心机生产厂家提供的有关资料分析知可采用LW—720A型卧螺离心机，LW—720A用于分离PVC时，单机小时湿基产量可达8~22 t/h，湿基含湿量可符合要求。为使离心机不在满负荷条件下长期运行，每小时湿基按8t计算。
由上可知满足生产所需的台数n3=(42238.93+42238.93×0.23) ÷8000=6.5≈7(台)。为确保设备维修是不影响生产，选用一台备用机，所以本设计选8台LW—720A型卧螺离心机。
本设计所用LW—720A型卧螺离心机的部分参数为： 转鼓直径和长度：720×2880 转鼓转速：2500 r/min 最大分离因素：2510
混合液处理量：40~110 m3/h，单机小时湿基产量可达8~22 t/h 差转速：5~35 r/min 电动机型号：Y280M—4 转速：1480/1470 r/min 主机动工率：90 kw 辅机动工率：30 kw 主机重量：8000 kg
外形尺寸(长×宽×高mm)：4790×2050×1300 5.5 气流干燥床的选择[44,45]
本设计拟采用的干燥床为脉冲式气流干燥床，此干燥床的热风在加料段，有利于将加料器中加入的团块状料充分地分散，从而增加物料表面积，提高水分气化。
由物料衡算知，干燥水分的速率为11317.24 kg/h，干空气的用量最大为秋季G=565287.06 kg(干空气)/h，干空气在口预热后进口的温度为145℃，在此温度下的比容为：VA=1÷0.844=1.18 m3/kg(干空气)
气流干燥床各部位的的直径可由下式计算：
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DGVA0.785Vg3600 (5.8)
式中：D——气流干燥床直径，m； G——干空气重量，kg/h；
VA——干空气在进口压力和温度下的比容，m/kg(干空气)；
3
Vg ——空塔气速，一般可取： 加料段 25~300 m/s以上； 直管段 20~25m/s以上； 扩大段 5~10m/s以上。
本设计设定值：加料段：50m/s，直管段：23m/s，扩大段：8m/s。可知：加料段的直径为D1=217.27 mm；D1=320.35 mm；D1=543.19 mm。
查阅相关文献，可知对于PVC悬浮聚合的系统，考虑效益，最合适的气流干燥床为型号为MQG—1500具体参数如下：
水分蒸发量：1500 kg/h； 面积：60 m2 空气过滤器： 台数：1 2 面积：940 m 滤袋) 更换时间：200(加热器： 耗用蒸汽：2430 kg 工作压力：0.6~0.8 MPa
型号：9—26—2.3 通风机： 台数：1
功率：125 kw
输送量：4350 kg/h 加料器： 控制方式：电磁调速电机
功率：7.5 kw
高度： 16m
由上可知，所用气流干燥床的台数为n4=11317.24 ÷1500=7.5≈8(台)。为确保设备维修是不影响生产，选用一台备用机，所以本设计选9台MQG—1500型气流干燥床。
5.6 沸腾干燥床的选择[6,39]
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查阅相关文献以及前面的物料和热量衡算可知，已知数据为：PVC晶体的平均粒度为dp=150µm=1.50×10-4m，在平均为度t=(120+60)/2=90℃下，干空气的密度为ρg=0.972 kg/m3，粘度为z=2.15×10-5 Pa·s，PVC的堆密度为ρb=530 kg/m3，实际密度为ρp=1320 kg/m3。 5.6.1 适宜操作气速的计算 1. 临界流化气速的计算（wmf）
公式：wmf9.3510-3dp1.82(pg)0.940.06 gz0.88 式中：dp：颗粒平均直径 m
ρp，ρg：固体粒子和流体的密度kg/ m3 z：流体粘度Pa·s
将已知数据带入式5.9可求得：wmf =0.01129 m/s 校核公式：Redpwmfgz g由式5.1可知Re=0.0776＜10，故不需进行校正。 ∴wmf =0.01129 m/s。 2. 最大流化气速的计算(wt)
RetArdp3公式：pg180.6Ar;Ar g2gwRetggt
dPg 式中：dp：颗粒平均直径 m
ρp，ρg：固体粒子和流体的密度kg/ m3
µg： 流体粘度Pa·s
由式5.11和5.12可得：Ret=0.04，wt=0.0578 m/s。 3. 适宜操作气速w的计算 wmf＜w＜wt
现采用w=0.04 m/s
5.6.2 沸腾床和挡板高度的计算
(5.9)
(5.10) (5.11) (5.12)
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1. 沸腾床高度计算
所用公式为： Redpw (5.13) v0.21218eRe0.R36fAr (5.14)
s1bP vgggg 将已知数据代入上述公式可得： 动力粘度：vg=2.17×10-4 Pa·s ，Re=0.028 沸腾床的孔隙率：εf=0.912
静床的孔隙率：εs=1-530/1320=0.598 设静床高度：Hs=0.1 m
沸腾床的高度为：Hf= Hs(1－εs)/ (1－εf)=0.457 m 2. 挡板高度的计算
床层的膨胀比：R= Hf/Hs=0.457/0.1=4.57 m 挡板高度：H1= Hf+0.2=0.475+0.2=0.675 m 溢流板高度：H2= Hf－0.2=0.475－0.2=0.257 m 稀相段高度：H3=1.2 m 顶盖处高度：H4=500 mm 出料室高度：H5=1.25m 床底进风高度：H6=1 m 通风净截面积：f=G/3600V
V：空气质量流速(V=8~12 kg/m2·s，本设计取10 kg/m2·s) 以冬季空气用量为基准：G=9177.63 kg/h 则知：f=9177.63/(3600×10)=0.255 m2。 5.6.3 分布板结构设计 1. 分布板面积的计算
分布板的长宽比=2.5～2.7:1，本设计取(a﹕b=2.6:1)
(5.15)
(5.16)
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比容：VH=(0.772+1.244H)×(273+t)/273×1.013×105/p (5.13) 式中： VH：m3湿空气/kg绝干气 冬季：H=0.0017 kg/kg绝干气 G=9162.05kg干空气/ h
120℃时，VH =(0.772+1.244×0.0017)×(273+120)/273 =0.537 m3湿空气/kg绝干气 夏季：H=0.016kg/kg绝干气 G=8925.91kg干空气/ h
120℃时，VH =(0.772+1.244×0.016)×(273+120)/273 =1.140 m3湿空气/kg绝干气
由式：V= G·VH (5.14) 式中：G：绝干空气量 kg干空气/ h VH：比容 m3湿空气/kg绝干气
可知：V冬热=9162.05×0.537=4962.02 m3/ h V夏热=8925.91×1.140=10175.48 m3/ h
由已知冷风用量为热风用量的1/5，则F冷=1/5 F热 (又a/b=2.6) 则V热=5/6ab·w·3600(以夏季热风流量为基准) 10175.48=5/6×2.6b2×0.04×3600 则b=5.71 m，a=2.6b=2.6×5.71=14.85 m 则沸腾床分布板的面积为： ab=5.71×14.85 =84.78 m2
校核： 冬季：w1=4962.02 /(5/6×84.78×3600)=0.020 m/s 夏季：w2=10175.48/(5/6×12.88×3600)=0.040 m/s
两者均在wm和wt之间，所以合理。 2. 布置
由前面知：F冷=1/5 F热
则知：加热区长：5/6a=5/6×14.85=12.34m 冷却区长：1/6a=1/6×14.85=2.51m 加热区面积：F热=5/6×84.78=70.65 m2
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冷却区面积：F冷=1/6×84.78=14.13 m2 3. 开孔率和开孔数
查阅相关文献，设定：孔径 d0=2 mm，C=0.5 空气通过小孔的流速公式为：w0C 将数据带入上式可知：w0=16.36 m/s 开孔率：ψ=0.04/16.36×100%=0.244% 开孔数为：n=Aψ/(0.785×d02)=10861 5.7 换热设备的选型和工艺计算 5.7.1 气提塔中螺旋板换热器设计[37,46]
进釜水蒸气的温度为t1=120℃，出釜水蒸气的温度t2=80℃
由3.5.2可知，蒸气冷凝放热为Q放=234845.63× (2685.1－2642.6)=9980939.275 kJ/h。初步选定型号为BLS1.6—80—1.0/1600—14/18。若此冷凝器卧式安装，可知
2g(1f)(pg)g (5.15)
4Γ冷凝传热系数的计算公式为：1.51f1/3f232gff1/3 (5.16)
式中：Γ——冷凝负荷，kg/(m·s)，Γ=Wf/(2L)；
μf——冷凝液在界膜温度下的动力粘度，Pa·s； ρf——冷凝液在界膜温度下的密度，kg/m3； λf——冷凝液在界膜温度下的导热系数，W/(m·K)； g——重力加速度，9.80665，m/s2； Wf——冷凝量，kg/s； L——螺旋通道长度。
由相关文献查知：μf=306.7 μPa·s=3.067×10-4 Pa·s，ρf=963.67 kg/m3 λf=0.6804 W/(m·K)，Wf=234845.63 kg/h=65.23 kg/s，L=56.62 m 可知：α=627.3 W/(m2·K)
由换热方程为：Q=Αα(t2－t1)
代入数据可得换热面积为：Α=397.8 m2 由所选设备的换热面积为Α1=108.07 m2
所用冷凝器的个数为：n5=397.8÷108.07=3.68≈4(台)。为确保设备维修是不影响生产，选用一台备用机，所以本设计选5台BLS1.6—80—1.0/1600—14/18型螺旋
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板换热器，其具体参数为：
公称压力： PN=1.6 MPa， 公称换热面积： FN=100 m2， 公称直径： DN=1600 mm 通道间距： b=14 mm 板厚： δ=2.3 mm 板宽： H=1.0 m
计算换热面积： F=108.07 m2 流速1m/s时的处理量：V=48.43 m3/h 螺旋通道长度： Lt=56.62 m 螺旋通道截面积： f=0.01345 m2
中心管直径： d=300 mm 5.7.2 气流—沸腾干燥中空气预热器设计[46,47]
以夏季的热风进沸腾床的热量为基准，热风的入口温度：t1=120℃，夏季环境温度为t1=23.1℃，热风量为G3=9177.63 kg/ h。在定性温度下的比热容为Cp=1.017 kJ/ (kg·℃)。
本设计拟采用内螺纹外翘片铸铁空气预热器，传热系是K=50~60w/(m2·℃)。 取其最小值50(m2·℃)。
传热方程式为：Q=KA△t (5.17)
可知：1.017×9177.63×(120-23.1)=50A(120-23.1) 则知传热面积为：A=186.67 m2。 5.8 流体输送机械的选型设计[37]
氯乙烯单体和脱盐水送入聚合釜的泵的计算与选型： 氯乙烯单体送入聚合釜的泵的计算:
pu2 HZhfZhf (5.18)
g2g离心泵距釜入口Z8.510m ，管径102mm×11mm，2个标准弯头，1个闸阀，则hf9.2m，则： H=8.510+9.2=17.71m液柱。
又对二甲苯和水的流量为634.45m3/h，选用S型单级双吸离心泵四台，正常使
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用三台，备用一台。型号200S-42A，泵的流量为270m3/h，扬程36m，转速2950r·min-1。 5.9 贮罐的选型和工艺设计 5.9.1 原料氯乙烯单体的贮罐设计[48]
贮罐容积的计算公式：VTVlWl (5.19)
式中：Wl——贮罐中物料的数量，kg；
Vl——贮罐中物料的体积，m3；
——装填系数；
ρ——物料密度，kg/ m3。
在操作时有：Wlw (5.20) 式中：w——物料流量，kg/h； τ——停留时间，h。
查阅相关文献知：装料系数一般为75%~85%，本设计定为=80%；原料的存贮量设定为半个月的用量，即Wl=15×2×6.265×105=1.88×107 kg，若为常温下贮存，ρ=0.912 g/cm3，则体积为：V=Wl/ρ=20614.04 m3。
设定贮罐为钢制球形储罐型式， 按照GB/T 17261—1998，初步选定为桔瓣式球罐，公称容积为8000 m3，可知应选用贮罐的个数为n6=3，备用一个，总共需4个桔瓣式球罐，具体图形和参数如下：
图5.2七带球罐
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公称容积：8000 m3
球壳内直径或球罐基础中心圆直径：24800 mm 几何容积：7986 m3
支柱底板底面至球壳中心的距离：14000 mm 球壳分带数：7，支柱根数：14
各带球心角（）各带分块上极：32/3 上寒带：26/21 上温带：30/28 赤道带：36/28 下温带：30/28 下寒带：26/21 下极：32/3
5.9.2 原料氯乙烯计量罐设计[48,49]
由相关文献查知，计量罐应采用立式结构，长径比应较大，装填系数为60%~70%，保证计量液位高度在罐的直筒位置。本设计为间歇操作，装填量为一批生产使用量。
在本设计中，计量罐装填量为Wl2=6.265×105 kg，常温下贮存，ρ=0.912 g/cm3，则体积为：V1=Wl/ρ=687.13 m3，装填系数为60%。本设计拟采用立式固定顶结构，型号为HG 21502.1-92-229。公称容积为1500 m3，可知应选用计量罐的个数为n7=1，备用一个，总共需2个计量罐，具体参数如下：
公称容积：1500 m3 计算容积：1645 m3 储罐内径：13500 mm 高度：12968 mm 罐壁厚度：8 mm 拱顶板厚：5.5 mm 罐底板厚：6 mm 罐体材料：Q235—A
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6 厂址选择及车间布置设计
车间布置设计是完成设备工艺设计和初步设计工艺流程之后的设计内容。车间布置设计是对车间建筑物等设施配置的安排做出合理的布局。车间布置设计开始，设计进入各专业间共同协作阶段，工艺专业在此阶段除工艺设计本身外，还需要了解和考虑总图、土建、设备、仪表、电气、供排水等专业及机械、安装、操作等各方面的要求。车间布置设计的主要工作是设备的布置，重点协作伙伴是建筑专业。设备布置的任务是决定工艺设备的空间位置，决定设备的露天与否，决定车间生产部分的通道；确定管道、电气仪表管线及采暖通风管道的走向和位置。车间布置设计合理与否直接关系到车间建成后是否能满足生产工艺要求，是否有良好的操作环境，生产装置能否安全地运行，设备的维护检修是否方便等。因此要对车间内的所有设施进行全面的、综合的、合理的布置。 6.1 厂址选择的依据和原则
生产能力：本设计为年产聚氯乙烯30万吨。
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交通运输：该厂属于聚氯乙烯生产的大型企业，需要有便利的交通运输条件，因而选择水陆运输比较方便的地方建厂，原料供应充足。
地形地貌：地势较平缓、地带平阔的丘陵地，保证建厂的土石运用量不大。厂区的面积、形式和其他流程合乎需要，厂区要留有发展的余地。
气候条件：主导风向要求较稳定，场地应选择在城镇常年空气下风侧，河流下游，尽量远离居民区。
水文地质：装置需水量大，故厂址应靠近水源充足和水质良好的地域，以满足装置生产和生活用水及排水，靠近河流但避开洪水地段。
能源：保证电网供电充足，燃料油供应方便充足。
本设计厂址拟选取在太原郊区，并在汾河下游的人口稀少的丘陵地带。 6.2 车间厂房布置[48]
6.2.1 车间厂房布置的原则
1. 设备布置应顺从工艺流程，从上往下，力求紧凑、缩短输送管线，从经济观点出发，达到节省材料费用及运行费用的目的。
2. 设备布置应整齐，根据地形、主导风向等条件，尽量采用露天布置；控制室和配电室布置在生产区域的中心部位，并在危险区之外。
3. 有毒、有腐蚀性介质的设备应分别集中布置，并设围堰；明火设备必须布置在全年最小频率风向的下侧，并集中布置在装置(车问)边缘。
4. 设备布置应留有发展余地；设置安全通道，人流、物流方向应错开。 5. 符合有关劳动保护、安全消防、建筑防腐等标准、规范要求。 6.2.2 车间厂房结构设计 1. 厂房形式的选择
(1) 由于本设计的生产规模较大，各工序的产生特点及生产要求有显著的差异，因此本设计拟采用分散厂房。
(2) 由于生产车间的设备高低不一，且主体设备的高度较大，因此本设计拟采用多层厂房。
(3) 氯乙烯是有毒物质，权衡经济效益和安全要求，本设计采用的是露天厂房。 (4) 本设计的厂房轮廓拟采用长方形厂房。 2. 柱网结构的确定
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按照柱网布置的相关要求，本设计拟采用钢筋混凝土柱和砖柱，以矩形和方形截面为主，混凝土柱断面尺寸为450mm×450mm，柱距为6m。 3. 厂房宽高的确定
本设计聚合工段采用多层框架厂房。 4. 厂房楼层高度的确定
由于聚合主体设备高度为8.51m，考虑净空高度为3m，安装群座为1m，另外考虑采光、通风和吊装等相关因素，拟选定厂房高度为18m，采用三层框架厂房。 6.2.3 车间各部分组成及布置要求 1. 工艺生产部门
工艺生产部门是整个车间的核心部分，是首先要安排在车间厂房相对中心位置处的，同时还要兼顾到操作方便的原则。
本设计是按照工艺流程顺序进行布置的，同时围绕中心通道及管廊依次布置各个生产工序，整体的厂房区域为长方形。 2. 辅助生产部门
(1) 控制室是生产过程的集中控制部门，是生产技术人员主要工作地，所以布置是应尽量满足无污染、噪声和震动小、有空调、便于观察设备运转情况的条件。
(2) 检验室主要是指车间的检验、化验室，主要任务是对相关原料和产品进行及时的检验，应尽量靠近取样点。
(3) 原料、中间品、产品的堆放因尽量靠近相关操作设备。
(4) 配电室既要考虑车间用电负荷中心的位置，又要考虑电源进线位置。本设计配电房布置在一层。
(5) 空调室尽量接近空调负荷中心，这样可以缩短空调管路长度，降低能耗。 3. 通道与走廊
本设计中由于主体设备的体积较大，因此把聚合釜和沸腾干燥床尽量排布在车间门口，同时按照下表6.1所示尺寸进行排布：
表6.1 常见通道和通道尺寸
项 目 室内主要通道 室内一般通道 尺 寸/m 宽：2.4；净空高：2.7 项 目 主要检修道路 尺 寸/m 宽：6~7；净空高：4.2~4.8 宽：4.8；净空高：3.3 第 55 页 共81页
宽：约0.8；净空高：2.2~2.5 次要检修道路 XXXX2012届毕业设计说明书
室内次要通道 宽：0.6 平台到水平人孔 水平距离：0.6~1.5 4. 管廊的布置
为了便于安装及装置的美观整齐，通常集中设置管廊，其主要作用是集中支撑供进出装置的工艺管道、公用工程管道、仪表线、电缆线等。 5. 生活行政部门
生活行政部门主要有行政办公室、生活用房、卫生间、更衣室等。主要行政部门占地面积如下：
(1) 办公室面积按车间干部实际人数设计，每人占有面积4.5~5m2。 (2) 更衣室面积根据在册总人数，按0.8~1 m2/人计算。
(3) 厕所面积安1.2×0.9m，具体个数按车间分布和人员配置安排。 6.3 车间设备布置[48] 6.3.1 车间设备布置的原则 车间布置设计的原则有以下几点：
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。 6.3.2 车间设备布置的要求
车间布置涉及面较广，但大致可以归纳为以下几个方面：
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1. 生产操作
(1) 设备布置尽量和工艺流程一致，避免交叉往返送料，尽量采用位差送料，一般从高层到低层设备布置槽→反应设备→贮槽、重型设备和震动设备。设备间的垂直距离，要保证物料能顺利进出。
(2) 相互有联系的设备尽量靠近，但要考虑操作、行人通道、送料及半成品堆放等空地。
(3) 相同、相似设备尽可能对称、集中，以利操作管理及水、电、气等供应。 (4) 要考虑产品工艺路线可能变化和生产规模的扩大，适当留出添加设备的位置。
(5) 考虑进出料、取样、观察等方便。
(6) 设备尽量排列整齐，避免过挤过松，应充分考虑配管的方便，使设备间管道长度尽可能短。 2. 设备装修
(1) 不仅要考虑安装时设备的进出，而且要考虑各单个设备的更换和检修，保证足够的空间和通道。
(2) 二层楼以上的设备，需在下层设吊孔，对庞大特殊设备在封闭式厂房中可先装设备后砌墙。
(3) 要考虑起吊装置，如塔顶、房梁设永久吊架。 3. 安全卫生和防腐蚀要求
(1) 采光要好，尽量避光操作，高大设备避免靠窗挡光。
(2) 通风要好，高温、有毒、易燃、易爆车间尽可能取敞开式，以利通风散热。机械通风效果要好，应根据逸出气体或粉尘量的允许浓度确定通风量和通风次数。
(3) 有毒物质的设备放置下风，操作单位应在上风。剧毒物质的设备要隔离操作、单独排风。
(4) 对腐蚀性的介质，除考虑设备外还要考虑墙、柱、地屏等防护要求。 (5) 防爆车间尽可能使用单层厂房，避免车间有死角。建筑物泄压面积一般为0.05m2/m3；多层的楼板要有泄压孔，设计放火、防爆墙；设置双斗门，门窗朝外。门净宽不小于0.8m，净高不低于2m，走道净宽不小于1.4m，楼梯最小宽度不小于1.1m；二楼以上要考虑紧急疏散等设施。要考虑消防设施、设备。
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2. 设备之间及设备与建筑物之间的一般安全距离
设备之间及设备与建筑物之间的一般安全距离见表7.1。
t表6.1 设备安全距离
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
项目 泵与泵的距离 泵离墙的距离
泵列与泵列间的距离(双泵列间) 计量罐间的距离
储罐与储罐间的距离(指车间中一般小容量) 换热器与换热器间的距离 塔与塔的间距 离心泵周围通道 过滤机周围通道
净安全距离/m 不小于0.7 至少1.2 不小于2.0 0.4～0.6 0.4～0.6 至少1.0 1.0～2.0 不小于1.5 1.0～1.8
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10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
反应罐盖上传动装置离天花板距离 反应罐底部与人行通道距离 反应罐卸料口至离心机的距离 起吊物品与设备最高点距离 往返运动机械的运动部件离墙距离 反应罐离墙距离 反应罐相互间距离
通廊、操作台通行部分的最小净空高度 不常通行的地方，净高不小于 操作台梯子的斜度(一般情况) 控制室、开关室与炉子之间的距离 工艺设备与通道间距离
不小于1.5 不小于1.8～2.0 不小于1.0～1.5 不小于0.4 不小于1.5 不小于0.8～1.0 不小于0.8～1.2 不小于2.0～2.5 1.9 不大于45 15 不小于1.0
6.4 本设计的车间布置
本设计的车间厂房布置和车间布置图见设备布置图。
7 技术经济[33,51,52,53]
7.1 技术经济分析概述
技术经济是指生产技术方面的经济问题，即在一定的自然条件和经济条件下，采用什么样的生产技术在经济上比较合理，能取的最好的经济效果。技术经济分析需要考虑市场供需、地皮价格、人员工资、设备及产品成本等众多因素。由于国内相关资料的缺乏，本设计是在参考美国一套20万t/年生产线和日本信越公司20万t/年生产线的基础上作了一些简单的技术经济分析和对其他一些问题作简单的阐述，有一定的合理性和参考价值。 7.2 主要技术经济指标
表7.1 原辅材料消耗定额及价格表（以一吨PVC计）
名 称 氯乙烯
组 成 99.97%
耗 量（/t）
1.052
单 价(元/t)
6400
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聚乙烯醇 DEHA 引发剂 工业水
100% 100% 100%
0.000736 0.000316 0.000526
5
17000 21000 22000 4.2
生产一吨PVC所用的电量约为350kw，聚氯乙烯工厂属高耗能企业，按照太原市大工业用电的电价标准可知：平时段：0.5942元/kw，高峰时段：0.8170元/kw，低谷时段：0.3870元/kw，经过相关计算平均电价约为0.75元/kw。
PVC：产量30万吨/年，单价10000元/吨。 7.3 投资估算 7.3.1 总投资费用估算
单位生产能力估算法的方程：C1C2f(1x)式中：C1——拟建工厂投资费用；
C2——已知工厂投资费用，11.6×104万元； f——地区建设投资系数，取其等于1； x——间接投资费用系数。等于4%；
F1——拟建工厂建设年份的价格指数，F1=103.3； F2——已知工厂建设年份的价格指数，F2=105.3； S1——拟建工厂的生产规模，S1=300000t/年； S2——已知工厂的生产规模，S2=200000t/年； n——规模指数，取n=0.6。
4 可得：C111.6101(14%)F1S1n() (7.1) F2S2103.33000000.6()1.51105万元。 105.3200000.7.3.2 成本估算 1. 原材料费
(1) 原料氯乙烯费用： 1.052×300000×6400=201984万元/年 (2) 聚乙烯醇费用： 0.000736×300000×17000=375.36万元/年 (3) DEHA费用： 0.000316×300000×21000=199.08万元/年 (4) 引发剂费用： 0.000526×300000×22000=347.16万元/年
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2. 动力消耗费
(1) 工业水费用： 5×300000×4.2=630万元/年 (2) 电费用： 350×3000000×0.75=7875万元/年 3. 生产工人工资及附加费
本设计拟采用的工人定员为144人，具体分布如下： (1) 生产部分：
工场长 1人 车间主任 1人 技术员 4人 工段长 1×4班 4人 安全监督员 5人 操作工：
加料 1+1×2班 3人 聚合 3×4班 12人 干燥 1×4班 4人 回收、水、蒸气1×4班 4人 仪表室 1×4班 4人 现场分析 4人 小计 46人 (2) 管理部分：
事务、管理 20人 守卫、车辆 15人 环境、保安 8人 小计 43人 (3) 其他：
研究、开发 40人 装袋、出厂 15人 小计 55人
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公式为：CWCN (7.2) Q式中：CW——生产工资及附加费；
C——生厂工人年平均工资和附加费； Q——产品年产量； N——工厂定员。
设定工人月平均工资3500元，附加费按工人工资的10%计
可知：工人工资=3500×12=4.2万元/年
附加费用=工人工资×10%=4.2×10%=0.42万元/年
CW=4.62×144÷30=22.176元/吨，每年所需费用为22.176×30=665.28万元。 4. 车间经费
查相关资料，可设：折旧率为4%，修理费百分率为5%，车间管理费率7% 固定资产原值=基建投资×50%+建设期利息=1.51×105×50%+1.51×105×6% =84560万元
车间固定资产折旧费计提折旧的车间固定资产原值84560折旧率4%112.7元产品年产量30车间管理费计提折旧的车间固定资产原值84560车间管理费率7%197.3元产品年产量30车间经费=车间折旧费+大、中、小修理费+车间管理费=451元/吨。 5. 企业管理费
查阅相关资料，设定：企业管理费百分率为6% 企业管理费=车间成本×企业管理费百分率
车间成本=原材料费+生产工人工资及附加费+车间经费
可知：车间成本=(201984+375.36+199.08+347.16)/30+22+451=7236.52元/吨 企业管理费=7236.52×6%=434.19元/吨。 6. 销售费用
假设所生产产品全部被卖出，即销售量=生产量，销售费用百分率为1.5%。 则：销售收入=销售量×销售价格=300000×10000=3.0×105万元/年
销售费用=10000×1.5%=150元/吨。
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7. 不可预见费用
本设计的不可预见费用为1200万元。 8. 产品成本计算表
表7.2 产品成本计算表
产品名称、规格 序号 1 2 3 4 5 6 7 成本项目 原材料费 动力消耗费 生产工人工资及附加费 企业管理费 销售费用 不可预见费用 工厂成本 单位 金额(元) 元 元 元 元 元 元 元 6763.52 283.5 22.176 434.19 150 40 7693.386 金额(万元) 202905.6 8505 665.28 13025.7 4500 1200 230801.58 年产量(/吨) 单位成本 300000 总成本 7.3.3 收入、税收和利润 1. 销售收入
销售收入=销售量×销售价格=300000×10000=3.0×105万元/年。 2. 税金
(1) 增值税
计算公式：增值税额=销项税额－进项税额 销项税额含税销售收入税率
1税率购入品的外购含税成本税率
1税率 进项税额设定税率为15%，则：销项税额=3.0×105/(1+0.15) ×0.15=43589.7万元/年 进项税额=230801.58/(1+0.15) ×0.15=29589.95万元/年，增值税额=13999.7万元/年。
(2) 城市维护建设税
计算公式：城市维护建设税=增值税额×城建税率
设定税率5%，则：城市维护建设税=13999.7×5%=670.0万元/年。
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(3) 教育附加费
教育附加费=增值税额×3%=13999.7×3%=420.0万元/年。 (4) 资源税
设定资源税为1元/吨，资源税=30×1=30万元/年。 (5) 所得税
计算公式：所得税额=应纳税所得额×所得税率
设定所得税率10%，所得税额=(3.0×105－230801.58) ×10%=6919.8万元/年 可知，税金=43589.7+670.0+420.0+30+6919.8=51629.5万元/年。 3. 年净利润
净利润=3.0×105－230801.58－51629.5=17568.92万元/年。 7.3.4 经济评价
本设计采用静态效果计算法进行计算。 1. 投资回收期
公式：投资回收期(年)总投资
年净利润年折旧费 年净利润=销售收入－销售成本－税金
由前面的计算可知：年净利润=17568.92万元/年
可知：投资回收期(年)=1.51×105/(17568.92+112.7×30)=7.2年 2. 投资利润率
投资利润率=17568.92/(1.51×105) ×100%=11.6% 3. 投资利税率
投资利税率=51629.5/(1.51×105) ×100%=34.19%
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8 安全操作、三废防治和环境保护[4,20,34]
8.1 厂内的防火、防爆措施 8.1.1 氯乙烯聚合的安全规范 1. 火灾危险性分类
甲级防火：氯乙烯、聚合、汽提、电石库 丙级防火：干燥、包装 丁级防火：PVC库
2. 厂房的耐火等级、层数及占地面积应符合的规定
生产类别 耐火等级 防火分区最大允许占地面积/m2 单层 甲级 一级 二级 4000 3000 多层 3000 2000 第 65 页 共81页
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丙级 一级 二级 三级 丁级 一、二级 三级 四级 不限 8000 3000 不限 4000 1000 6000 4000 2000 不限 2000 不允许 3. 原料的爆炸范围
氯乙烯可与空气形成爆炸混合物，极易引发火灾或爆炸，其爆炸范围为：3.6%~26.4%。 8.1.2 防火防爆措施 1. 设备、管道及基础保温
设备、管道及基础保温应采用非燃烧体(保温氧指数不小于30)。 2. 消防给水
(1) 室外消防给水管网应布置成环状，当室外消防用水量小于15L/s时，可布
置成枝状，向环状管网输水的进水管不应不少于2条，给水管的直径不小于DNl00。
(2) 室外消防栓应沿 道路设置，宜靠近十字路口，消防栓距路边不应大于2m，距房屋外墙小于5m，每个消防栓的用水量应按10～15L/s计算，保护半径在150m内。
3. VCM、PVC厂房
VCM、PVC厂房，应采用不产生火花的地面。 4. 厂房管、沟
厂房管、沟不应和相邻厂房相通(必要时要有隔离设施)，距PVC、VCM30m内的沟应设水封、砂封阻断VCM流窜、积累，甲类管道不宜“埋地”，放空管应在防雷保护之内，并有阻火设施。 5. 公用工程管与甲类管接头
公用工程管与甲类管接头处，应设“切断阀+止回阀”(连续用时)或“切断阀+检查阀+切断阀”(间断用时)，压缩机出口设止回阀。 6. VCM设备管道
VCM设备管道不能应用橡胶垫。
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7. 自控仪表、通讯、照明
自控仪表、通讯、照明等，属“特别重要负荷”尚应增设应急电源。 8. 厂房内通风换气
厂房内通风换气次数≥2次/h。 9. 毒气体检测仪
VCM既属可燃气、又属有毒气，故应设有毒气体检测仪，安全报警设定值： VCM1.8％(V)，环保卫生报警设定值：VCM 10mg/m3(TwA)。 10. 接地电阻
厂房属第二类防雷建筑，接地电阻≤10Q。 11. 防雷装置
由于生产过程中都有可燃性气体向空气排放的可能，故在房顶均置有防雷装置，各易燃气体放空管上应装阻火器，以防雷击起火倒抽入设备内。 12. 在岗要求
加强岗位操作的安全责任感，生产实践证明，操作不当，巡逻检查不及时或误操作均会造成重大事故。 13. 设备维护检修管理
设备维护检修管理，设备和管道内易燃易爆气体的“跑、冒、滴、漏”是防毒也是防爆防火的大敌。例如发生器加料的火警事故，多数出现在加料阀漏气的时机，另外如安全阀、温度及压力仪表的故障也是对安全生产的威胁。 8.2 废气防治 8.2.1 废气危害
氯乙烯是一种无色易液化的气体，闻上去有芳香气味，能使人麻醉，高浓度吸人会引起急性中毒，产生头痛、恶心、胸闷、步态不稳等症状；慢性中毒则会造成接触者的肝脾损害。业界公认氯乙烯有致癌的可能。因此氯乙烯的防治非常重要。 8.2.2 废气防治措施 1. 聚合釜
聚合釜采用密闭加料工艺，助剂采用全自动计量加料程序，减少排气、开釜盖的次数，减轻粘釜，延长清釜周期。 2. 防粘釜剂
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选用新型高效的防粘釜剂，减少粘釜物及人工清釜的次数。 3. 尾气处理
精馏系统、聚合压缩冷凝回收排空尾气。大多数厂家经过治理和改造，基本上采用了以上技术，特别是精馏尾气的变压吸附，效果明显。这两部分尾气可集中到一起，经变压吸附(或膜吸附)回收其中的VCM，其他惰性气体排空。 8.3 废水防治 8.3.1 废水危害
沸水中主要是精馏高沸物和PVC干燥离心母液，主要含极少部分PVC，且COD超标。如果厂家作为污水直接排放，会对环境造成极大的破坏，同时也不符合可持续发展的要求。 8.3.2 废水防治措施 1. 高沸残液及治理
高沸点残液的治理国内同行业厂家一般采用间歇蒸馏塔，脱除、回收残液中的VCM和1，1一二氯乙烷为主的高沸残液。由于残液中含有水、油等杂质，所以每生产1000t单体，仍需排出1～2t治理后的高沸残液。 2. 离心母液水的综合利用
离心母液水可作为冲洗料浆管线的用水，部分替代聚合加料水以及作为乙炔发生器的补充用水，经生化处理后，可部分或全部替代聚合釜加料用水，作为循环冷却水的补充用水，转化器热水的补充用水。目前，已有部分厂家采用精密过滤方法除去其中PVC，用生物化学法使COD达标后，将其用作汽提塔、离心机及浆料管路的冲洗用水，或用作聚合工艺水，社会效益及经济效益皆十分显著。 8.4 废渣防治 8.4.1 废渣危害
在废弃的氯乙烯中含有部分VCM、增塑剂和稳定剂等添加剂，而这些物品在环境中具有持久性和生物累积效应，同时也具有致癌性，对人体和环境都有很大的危害，因此对氯乙烯废弃物要有较为严格的回收和处理。 8.4.2 废渣防治措施
1. 聚氯乙烯塑化片及扫地料、聚合废水压滤滤饼等，可作为次品外卖，用于生产对原料要求不高的塑料制品。
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2. 可以通过机械回收、化学回收(降解成单体)、热回收(热解成基本原料)和焚烧以回收热量。
3. 由于聚氯乙烯不会腐蚀损坏和水密性的特点，为了不产生环境问题，可采用土埋处理。
9 结论
毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声，在自己的不断的努力下，终于顺利完成了毕业设计。在没有做毕业设计以前，我觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是当真正面对毕业设计时发现自己的想法是错误的。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
设计过程中，我通过查阅大量有关文献，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识。同时也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。虽然这个设计做的也不是特别完美，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
任何事情都是一分为二的，在毕业设计过程中也暴露出自己专业基础的很多不
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足之处，例如对知识综合运用的技巧的缺乏，对化工方面的知识了解的不够透彻等等。感觉自己所学习的知识只是冰山一角，面对稍微复杂的东西还是不能得心应手的处理，再一次体会到学无止境的意义了。通过这次毕业设计，我才真正体会到学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
另外，本次设计是在程老师的悉心指导下完成的。从课题设计到体系安排，从观点推敲到字句斟酌，无不得益于她的悉心指点。同时也得到了同学们的大力相助，并提供了大量的资料。在此，对于老师和同学们的帮助表示忠心的感谢。
参 考 文 献
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XXXX2012届毕业设计说明书
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