1. 研究目的与意义
| 聚氯乙烯（PVC）是上世纪三十年代初实现工业化的高分子材料。从上世纪三十年代起，在很长的时间里，聚氯乙烯产量一直在世界塑料用量中占居第一位。直到六十年代后期，PVC树脂用量被聚乙烯超出而退居第二位，但产量仍占塑料总产量的四分之一以上。2008-2016年，全球聚氯乙烯（PVC）的市场需求有望以年均4％的速度快速增长，尤其是一些发展中国家，市场需求将呈现迅猛增长的态势。聚氯乙烯价格便宜，应用广泛，聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末。根据不同的用途可以加入不同的添加剂，聚氯乙烯塑料可呈现不同的物理性能和力学性能。在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂，可制成多种硬质、软质和透明制品。 近年来，中国聚氯乙烯（PVC）发展速度惊人，新建、扩建项目纷纷上马，产能迅速扩大，产量大幅提高。1997-2006年，中国PVC产能、产量年均增长率分别高达22.2%和20.0%。 2006年全国聚氯乙烯树酯累计产量为8,238,583.86吨；2007年全国聚氯乙烯树酯累计产量达到9,716,783.63吨；2008年1-5月全国聚氯乙烯树酯累计产量为4,028,666.03吨。 中国PVC发展历史分为试验研究阶段、开始兴建并推广阶段、飞速发展阶段。 实验研究阶段(1953-1957年)。PVC是中国开发较早的热塑性塑料品种，早在1953年就开始了实验研究。1955年在锦西化工厂中间试验工场进行100吨/年中间试验。开始兴建并推广阶段(1958-70年代末期)。1957年，原化工部北京有机化工设计院进行设计，1958年锦西化工厂3000吨/年工业装置建成投产，随后又扩建为6000吨/年规模。首次从国外引进PVC生产技术的是北京化工二厂1977年投产的8万吨/年乙烯氧氯化制氯乙烯装置。飞速发展阶段(80年代中期以后至今)。本阶段是引进技术阶段，PVC树脂在产品质量和品种上都有很大的飞跃。最高峰时PVC树脂企业达到百余家，产能在20万吨左右的企业比比皆是。截至2010年年底国内PVC树脂产能达到2000万吨，成为世界第一大生产国和第一大消费国。 2011年，中国实际PVC的消费量均为1380万吨,较2010年约增加6%。PVC市场消费结构中,硬制品约占63%，软制品约占37%，硬制品中,型材占总消费量的25%，管材占18%；软制品中,薄膜薄片占总消费量的11%,电线电缆和合成皮革分别占7%和6%。 我国聚氯乙烯糊状树脂主要用于制造人造革、浸渍手套、纱窗、水田靴、工具把手、壁纸、地板卷材、蓄电池隔板和玩具等。 随着我国经济的稳步发展和人民生活水平的不断提高，加之聚氯乙烯糊状树脂应用开发的不断深入，国内市场对聚氯乙烯糊状树脂的需求仍具有较大的发展空间，特别是在建筑、电子和涂料等方面，对于拓宽聚氯乙烯糊状树脂的消费、开发大宗专用树脂，促进聚氯乙烯糊状树脂的生产具有积极而现实的意义。 除普通型的聚氯乙烯糊状树脂外，其他相关改性产品如掺混树脂、氯醋酸树脂等，由于其具有的独特的性能而在汽车塑溶胶、PVC方快地毯、印花油墨、人造革底糊和边糊、壁纸、人造革、浸渍制品中，其用量将随着应用开发力度的不断加大而增加，大量取代进口。随着中国市场国际化的步伐加大，聚氯乙烯树脂在水泥、化肥、粮食、食品、饮料、药品、洗涤剂、化妆品等领域都将有广阔的发展空间，其需求量相应大幅度增长；另外，汽车、通讯、交通领域对聚氯乙烯树脂的需求也呈高速增长，中国聚氯乙烯树脂工业仍有较大的发展空间。 PVC市场价格越来越呈现出波动剧烈、周期性强的特点，总得来说，供求格局是根本因素，具体则可表现为短期的成本因素、生产因素、库存变化、需求变化、上游原料价格变动(电力价格、原盐价格、原油价格、乙烯价格、VCM及EDC单体价格等)，中长期还受到国家政策影响，如反倾销、电价调整、产业结构、行业准入、税率调整等影响。 在最近几十年，PVC一直成为人们争论的焦点。PVC对人体健康和环境的影响，从科学、技术和经济等方面分析存在着不同的观点。然而在这几十年里PVC对环境和人类健康所造成的影响及潜在的危害也成为不争的事实。所以开发无毒PVC塑料意义非凡，实现PVC塑料的无毒化，即是要实现PVC树脂本身、PVC添加剂的无毒化。 目前，世界塑料工业持续快速发展，对合树脂脂的需求始终保持高速增长， 合成树脂领域的市场变化与最近发展动态已成为人们关注的热点。
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2. 研究内容和预期目标
一、主要研究内容
（一）工艺流程的设计
1、电石乙炔法
3. 研究的方法与步骤
一、合成方法
1、有悬浮聚合法、乳液聚合法和本体聚合法，以悬浮聚合法为主，约占PVC总产量的80%左右。此外，还有用微悬浮法生产PVC糊用树脂，产品性能和成糊性均好。
①悬浮聚合法：使单体呈微滴状悬浮分散于水相中，选用的油溶性引发剂则溶于单体中，聚合反应就在这些微滴中进行，聚合反应热及时被水吸收，为了保证这些微滴在水中呈珠状分散，需要加入悬浮稳定剂，如明胶、聚乙烯醇、甲基纤维素、羟乙基纤维素等。引发剂多采用有机过氧化物和偶氮化合物，如过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯、过氧化二碳酸二乙基己酯和偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈等。
②乳液聚合法：最早的工业生产 PVC的一种方法。在乳液聚合中，除水和氯乙烯单体外，还要加入烷基磺酸钠等表面活性剂作乳化剂，使单体分散于水相中而成乳液状，以水溶性过硫酸钾或过硫酸铵为引发剂。聚合方法有间歇法、半连续法和连续法三种。聚合产物为乳胶状，乳液粒径0.05～2μm,可以直接应用或经喷雾干燥成粉状树脂。乳液聚合法的聚合周期短，较易控制，得到的树脂分子量高，聚合度较均匀，适用于作聚氯乙烯糊，制人造革或浸渍制品。乳液法聚合的配方复杂，产品杂质含量较高。
③本体聚合法：聚合装置比较特殊，主要由立式预聚合釜和带框式搅拌器的卧式聚合釜构成（图2）。聚合分两段进行（图3）。单体和引发剂先在预聚合釜中预聚1h，生成种子粒子，这时转化率达8%～10%，然后流入第二段聚合釜中，补加与预聚物等量的单体，继续聚合。待转化率达85%～90%，排出残余单体，再经粉碎、过筛即得成品。树脂的粒径与粒形由搅拌速度控制，反应热由单体回流冷凝带出。此法生产过程简单，产品质量好，生产成本也较低。
二、合成步骤
预期目标：本实验采用悬浮聚合法进行聚氯乙烯的合成。
本次设计为年产5000吨聚氯乙烯的工艺设计，采用了聚氯乙烯悬浮聚合工艺，介绍了聚氯乙烯的聚合工艺及合成聚氯乙烯的流程和设备，对整个生产工艺做出了详细的叙述。悬浮聚合的过程是先将去离子水用泵打入聚合釜中启动搅拌器,依次将分散剂溶液、引发剂及其他助剂加入聚合釜内。然后，对聚合釜夹套内通入蒸汽和热水，当聚合釜内温度升高至聚合温度（50～58℃）后，改通冷却水，控制聚合温度不超过规定温度的正负0.5℃。聚合物悬浮液送碱处理釜，用浓度为36％～42％的NaOH溶液处理,加入量为悬浮液的0.05%～0.2%,用蒸汽直接加热至70～80℃,维持1.5～2.0h,然后用氮气进行吹气降温至65℃双下时,再送去过滤和洗涤。然后送入汽提塔以除去二氧化碳等气体。其次送入离心分离槽和旋风干燥床等里进行分离干燥。最后成品储存包装。以下PVC聚合的工艺流程简图：见附件。
三、设计步骤
（1）在设计计算之前，首先应对与PVC有关的文献资料进行查阅，大致了解PVC的发展现状，PVC合成的基本步骤以及PVC的发展趋势；
（2）通过对化工原理基础知识的回顾，熟悉物料衡算、热量衡算时所需的条件，结合已知参数，进行计算； 各工序段的物料及能量衡算基本步骤如下：
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| 氯乙烯脱水 | 氯乙烯精馏 | 氯乙烯聚合干燥 |
| 物 料 衡 算 基 本 步 骤 | （1）确定物料衡算的 已知条件 | （1）确定物料衡算的已知条件 | （1）确定物料衡算 的已知条件 |
| （2）进行氯乙烯气相冷却器的物料衡算 | （2）进行全凝器的物料衡算 | （2）进行聚合釜的物料衡算 | |
| （3）进行固碱干燥器的物料衡算 | （3）进行低沸塔的物料衡算 | (3)进行空气加热器的物料衡算 | |
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| （4）进行高沸塔的物料衡算 |
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| 热 量 衡 算 基 本 步 骤 | （1）确定热量衡算的已知条件 | （1）确定热量衡算的已知条件 | （1）确定热量衡算的已知条件 |
| （2）进行冷却器的热量衡算 | （2）进行低沸塔的热量衡算 | （2）进行聚合釜的热量衡算 | |
| （3）进行固碱干燥器的热量衡算 | (3)进行高沸塔的热量衡算 | (3)进行空气加热器的热量衡算 |
（3）通过计算得到的数据，结合设备计算的理论知识，参照国家的有关要求标准，对设备进行设计计算和确定；
圆筒临界压力计算：见附件
筒体厚度计算：见附件
（4）对确定的设备进行验证，确保其符合要求；
（5）按所得的设备尺寸以一定的比例进行作图，同时按要求做出工艺流程图、平面布置图、装备图等所要求的图；
（6）最后对整个工作再进行整理，使之更加完整。
4. 参考文献
| [1]. 潘永亮 主编 化工设备机械基础 第二版 科学出版社 [2]张有谟. 21世纪PVC工业的发展趋势. 化工时刊，1997，11（1）：12～17 [3]文远安. 本体法PVC生产技术及其发展趋势. 聚氯乙烯，2009，37（3）：3～9 [4]张英民，梁锡伟. 国内PVC行业发展趋势和思路. 中国氯碱，2006（11）：1～5 [5]赵德仁，张慰盛主编. 高聚物合成工艺学. 北京：化学工业出版社，2007 [6]王志魁编. 化工原理. 第三版．北京：化学工业出版社，2004 [7]谭世语 薛荣书 化工工艺学 第三版；重庆大学出版社，2009 [8]陈生宗 化工设计 第三版；北京 化学工业出版社，2012 [9]赵德仁，张慰盛主编. 高聚物合成工艺学. 北京：化学工业出版社，2007 |
5. 计划与进度安排
| 序号 | 起迄日期 | 工作内容 |
| 1 | 3.10-3.20 | 查找关于PVC进展及应用情况方面的文献、资料。 |
| 2 | 3.21-3.31 | 查找与PVC有关的英文资料，并对其进行翻译。 |
| 3 | 4.1-4.12 | 查找与PVC工艺相关的资料，比较其各自的优缺点，并最终确定聚合工艺。 |
| 4 | 4.13-4.19 | 对已经学习过的化工原理知识进行较系统的复习，同时查阅了好多与设计计算方面相关的资料。 |
| 5 | 4.20-4.26 | 完成工艺计算：物料衡算、热量衡算、设备计算，做出物料衡算表、热量衡算表、排入排出表 |
| 6 | 4.27-5.13 | 编制设计说明书：绪论、方案、工艺计算、设备选型等 |
| 7 | 5.14-5.30 | 绘图：物料衡算图、带控制点的工艺流程图、主设备图等 |
| 8 | 5.31-6.10 | 对各项工作进行修改整理，准备答辩。
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