本科毕业论文---年产15万吨pvc树脂合成工艺设计正文.doc

年产15万吨PVC树脂合成工艺与设计
学校代码：11059
学 号：1103011030

Hefei University
毕业设计（论文）
BACHELOR DISSERTATION

论文题目：年产15万吨PVC树脂合成工艺设计
学位类别： 工学学位
学科专业： 粉体材料科学与工程
作者姓名： 王海云
导师姓名： 阳杰、田长安
完成时间： 2015-5-24

年产15万吨PVC树脂合成工艺设计
中 文 摘 要
首先，本文阐述了聚氯乙烯的概况，并分别以聚氯乙烯的用途、生产工艺、以及现代及未来的发展趋势为线索进行展开。
本文着重介绍的是聚氯乙烯的聚合生产工艺，首先是生产工艺过程中能量、物料的衡算，然后根据计算所得数据以及聚氯乙烯反应特性对各部分配件进行做出最优选择，配件包括聚合釜、干燥器、管头以及泵等。计算与实际情况综合考虑，本次设计需要33m3的聚合釜24个，输送泵则采用65Y-100×2A型，之后则对干燥部分所需的空气流量等进行了计算。
关键词：氯乙烯；聚氯乙烯；单体聚合；反应釜；干燥；

Design on annual output of 150000 tons of PVC resin synthesis process
ABSTRACT
Firstly，the general situation of polyvinyl chloride is stated in this paper，and then it is developed for the clues of the purpose of the polyvinyl chloride (PVC), production process, and the development of the modern and future trends respectively.
Secondly，the production process of PVC polymerization are emphatically introduced i，the first step of the production process is the calculation of material balance, energy balance is then calculated. According to the data and the characteristics of polyvinyl chloride (PVC) reaction, the best choice of all parts of accessories which including polymerizer dryer, pipe and pump head will be maken Taking the calculation and the actual situation into account, 24 polymerizer at the size of 33 m3, 65Y-100×2A pump is chosen for this design,and then on the dry part of the air flow rate was calculated.
KEY WORD：Vinyl chloride;Polyvinyl chloride (PVC);monomer polymerization;reaction kettle;dry

第一章 前言 1
1.1 聚氯乙烯综述 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国内需求量与生产量研究 2
1.2.2 国外需求量与生产量研究 3
1.2.3 我国PVC发展方向 4
1.3 国内外生产方法探究 5
1.3.1 制备聚氯乙烯单体方法 6
1.3.2 氯乙烯单体聚合方法 9
1.4 聚合主要工艺 11
1.4.1 聚合釜大型化与优化散热 11
1.4.2 釜壁粘附的防止 11
1.5 PVC聚合釜温度控制方法 12
1.5.1 生产工艺 12
1.5.2 温度控制方法 13
第二章 设计数据计算 14
2.1 物料衡算 14
2.1.1 物料的选择 14
2.1.2 物料的计算 14
2.2 能量衡算 16
2.2.1 起始热量Q1的计算 16
2.2.2 升温过程所需能量计算 17
2.2.3 聚合总热量计算 17
2.2.4 反应热Q4的计算 17
2.3 干燥过程数据计算 18
2.3.1 PVC树脂干燥过程物料恒算 18
2.3.2 空气加热器热量衡算 21
2.4 聚合设备选型计算 23
2.4.1 反应釜相关数据计算 23
2.4.2 选泵相关数据 26
第三章 总结 30
参考文献 31
致 谢 32
附 录 33

第一章 前言
1.1 聚氯乙烯综述
聚氯乙烯(Polyvinylchlorid)是氯乙烯的均聚物，指经引发剂作用，将氯乙烯聚合因而得到的一种具有热塑性的树脂由氯乙烯在引发剂作用下聚合而成的热塑性树脂，简称PVC[1]。聚乙烯的支化度不大，主要为不定形的粉末，颜色多呈白色。根据目前的工业生产工艺，一般可将PVC的分子量范围控制在四万至十三万之间，拥有可观的多分散性，并且随着聚合反应所处温度的降低，得到产物的分子量是增大的。聚氯乙烯没有明确的熔点，其软化范围为80至85℃，130℃左右开始转变为粘弹态，温度升至160℃至180℃后呈现粘流态。聚录乙烯还呈现出良好的机械及介电性能，抗张强度约为60MPa，冲击强度约为5~10kJ/m²。然而，在跟光与热反应时，其稳定性不佳。如在较强的光照下暴晒或在100度以上的温度下反应一段时间，聚氯乙烯就会发生分解，并释放出氯化氢气体。此时，氯化氢气体作为一种催化剂，可加速分解进程，使聚氯乙烯颜色发生改变，并且各种机械性能也遭到破坏。由于聚氯乙烯对光和热的稳定性欠佳，所以，在实际生产中，添加稳定剂是十分必要的。
表1 我国聚氯乙烯消费构成
应用领域
所占比例 %
日用制品
30.4
建筑材料
24.6
包装材料
19.5
农用制品
15.5
其他
10.0
聚氯乙烯较大的硬度以及较差的溶解性使得聚氯乙烯对绝大多数的溶剂均不反应，只能溶于极有限的溶剂（四氢呋喃，二氯乙烷和环己酮）中，与许多反应物类似，随着反应温度的升高，化学稳定性呈现降低的趋势。作为一种通用的合成树脂，聚氯乙烯的在世界范围内的需求及生产量紧紧尾随塑料之王--聚乙烯，位居第二。除此之外，鉴于其优良的物理性能、化学性能，聚氯乙烯在氯碱工业中的地位也不可小觑。在氯碱工业中，作为最大的耗氯有机产物，聚氯乙烯在氯碱工业中碱、氯的发展和平衡方面具有举足轻重的作用[2]。PVC优异的耐腐蚀性，难燃性和抗化学药品性使得该产品在建筑、交通运输、环境工程、食品包装、输送电力、医药卫生等轻重工业均得到了广泛地应用，因此，如何用最少的能耗，最低的成本批量生产出品质上乘的聚氯乙烯仍具有非常重要的意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内需求量与生产量研究
就1996~2001国内消费量与生产量而言，国内的产能处于不足的状态。其中，华东地区和华南地区是主要的需求集中地，两地需求量占全国总需求量一半之多，需求量最大的两省分别为广东与福建，但相对来说，生产量却严重不足，因此所需的聚氯乙烯依靠进口的程度要高于其他地区。华中地区（江苏、山东与浙江）聚氯乙烯生产工艺居国内领先水平，三省的消费量占全国的34. 0%，华北地区的生产与需求基本达到平衡。近些年来，随着中部崛起和西部开发的步伐日益加快，基础设施的大规模兴建使得聚氯乙烯在中西部的需求量达到一个新的高度。而前几年的情况来看，中国自身的聚氯乙烯产能不足问题日益加剧，出口也受到阻碍，因此进口的比重有增无减。这使得聚氯乙烯工业的产业链出现问题，如开工率整体较低，中下游需求缓慢的增长率也使得国产聚氯乙烯的市场价格难以提高，并且波动范围较窄。其次，期货的盛行，从某种程度上来说也使得聚氯乙烯的价格波动不确定性有所增加[3]。
20世纪末，国内对聚氯乙烯的需求量不断增加，进口商品的价格却居高不下，不少厂商看中这一商机开始投资聚氯乙烯行业。同时，国家大力提倡扩大内需，并且对基础设施建设提供政策上的鼓励与资金方面的支持，我国聚氯乙烯产量如雨后春笋般迅猛增长。然而，进入21世纪以来，随着产业结构链的调整以及生产工艺的提高，国内的自给率逐渐增加。2002年自给率为66.7%，2007年，自给率已增长至96.3%，与增长率的迅速升高相比，国内的消费增长率的便显得稍有逊色，2001年为17.5%，2002年仅为6.7%,2003年增长率为十年最高水平，达到17.7%然而之后几年里，增长率呈现波动状态，整体并未呈现增加趋势。因此，根据表中数据预测，国内的需求虽然不断增加，但是增长率远远不如国内生产能力的增加，因此国内的生产需求情况有可能由产能不足转变为产能过剩，这也可以使得国内的进出口比例发生变化，进口比例减小，而出口比例增加[4]。

表2 1996—2007年国内PVC供需状况
年份
产能Kt.a-1
国内产量/Kt.a-1
进口量/
Kt.a-1
出口量/
Kt.a-1
表观消费率%
消费增长率%
国内自给率%
1996
2088
1438
586
21
2003
17..4
71.8
1997
2166
1536
783
30
2289
14.3
67.1
1998
2200
1557
1171
14
2714
18.6
57.4
1999
2702
1917
1304
9
3212
18.3
59.7
2000
3100
2646
1445
41
4050
26.1
65.3
2001
3600
2877
1916
36
4757
17.5
60.5
2002
4000
3389
1706
17
5078
6.7
66.7
2003
5250
4243
1759
23
5979
17.7
71.0
2004
6650
5090
1630
17
6703
12.1
75.9
2005
9270
6650
1310
119
7841
17.0
84.8
2006
11580
8240
1147
460
8927
13.9
92.3
2007
13540
9717
1101
712
10106
13.2
96.3
总的来说，我国聚氯乙烯工业的发展能否对国民经济产生一定的影响仍然受到多种因素的制约，因此，国内聚氯乙烯在前几年仍处于骑虎难下的整合状态。
表3 2006年世界PVC生产能力分布
地区
全球
北美
西欧
中欧
亚洲（除中国）
中国
其他
能力/kt/a
39500
8200
6800
2000
9000
10585
2900
所占比例/%
100
20.76
17.22
5.06
22.78
26.80
7.40
1.2.2 国外需求量与生产量研究
随着科技的进步，世界的聚氯乙烯生产能力的逐步增长也是毋庸置疑的，如表3,2006年全球PVC生产能力已经达到39500/kt/a，主要生产地为北美与亚洲（除中国），生产量为820kt/a0和9000kt/a，分别占到全球生产总量的20.76%与22.78%，表中也给出了一个令人震惊的数字，仅中国的聚氯乙烯的生产量就达到了10585kt/a，比重,占到了世界生产总量的26.80%。西欧地区的生产量为6800kt/a，占世界生产总量的17.22%。
表4 2006年世界PVC树脂的供需平衡情况（万t/a）
国家和地区
生产能力
产量
进口量
出口量
消费量
非洲
42.7
39.6
26.7
7.2
59.1
亚洲
2150.2
1623.6
220.4
330.6
1513.4
中东欧
211.5
170.9
50.4
82.2
139.1
中东
83.1
82.4
98.6
31.5
149.5
北美
806.2
732.0
84.1
112.2
703.9
大洋洲
15.0
14.0
11.6
0.00
25.6
中南美洲
162.9
128.3
57.9
41.0
145.2
西欧
648.2
585.3
345.6
314.6
616.3
合计
4119.8
3376.1
895.3
919.2
3352.2
近些年，一些欧美地区的发达国家认为聚氯乙烯的生产会给环境带来一定的威胁，因此产量增长并不如需求量增长那样迅速，亚洲的一些国家如日本也在大幅度减少聚氯乙烯的生产，增长率甚至连续几年出现负值[5]。这也使得中国聚氯乙烯的生产量占全球聚氯乙烯的生产量的比重会更大。虽然此种集中型生产会在一定程度上拉动国内出口经济的增长，然而生产中增塑剂、重金属添加剂，有限的石油资源以及焚烧所产生的有害气体等对东亚地区发展中国家的所造成环境问题也不得不引起重视。
1.2.3 我国PVC发展方向
如今，国内聚氯乙烯的生产厂商已经达到70多家，年生产量在21世纪初已经达到240万吨左右，全世界范围内位列第三。虽然产量已经遥遥领先，但其品种主要为通用均聚类型，而专用均聚类型的生产却较为欠缺，而共聚类型的产品还不能自主生产。其次，与欧美一些发达国家以及日本等地区比较而言，大陆内部企业所生产出来的PVC产品质量在方面并不占优势。有相关专业人士表明，在以后的数年中，国内聚氯乙烯行业的发展呈现如下趋势：
1. 生产技术及工艺的提升，企业经济效益的增长需要依靠生产工艺的多元化以及生产技术的先进性。在软实力方面，引进更加专业、高层次的人才是提高生产工艺的坚强后盾；在硬件设施方面，投资低能耗、高效率的生产装置，改进生产配件，利用计算机、互联网等先进的现代科技，实现企业管理的现代化、生产控制的自动化、安全运行的保障网是保证产品质量，降低生产能耗的重要保障。
2. 提高产品的附加值，单纯的聚氯乙烯产品在热学性能以及光学性能方面的表现不佳，在阳光暴晒以及高温环境中容易催化分解。但是如果企业与科研实力较强的高校或者研究所联合，利用企业的资金流转优势和高校或研究所的科研平台将产、学、研结合起来，把现在的纳米科技融入高分子行业中，对聚氯乙烯产品进行改性处理，实现聚氯乙烯的高性能与专业化，克服聚氯乙烯在某些加工、应用中的瓶颈。
3. 紧随经济全球化的步伐，中小型企业立足与发展迅猛的社会中已如履薄冰。发展独特的企业文化，树立自身的企业形象。随着互联网的普及，经济全球化也达到了如火如荼的阶段。跨国公司的盛行使中国所面对的竞争压力日益增长，中外合资是克服多种生产技术壁垒、保障需求平衡、增强竞争力的有效途径。
1.3 国内外生产方法探究
PVC是一种头—尾链接的高分子机构，分子量一般在500~20000，但由于在聚合反应中不可避免会发生副反应，因此大分子链上除了头尾链接外，还存在少量的少数的头头相连而形成不饱和双键，此外，反应过程中的脱氯化氢会产生叔碳原子（含有氯原子），氧化反应产生支链以及含氧基团等。由副反应而产生的支链一般控制在30-50个。结构式如下：

由于PVC分子链上Cl与Cl间具有不同的相对位置，可将PVC聚合物分为无规构型（Cl与Cl间的相对位置不固定）、间规构型（Cl与Cl有规则地分布在分子链的两侧）、等同构型（Cl与Cl有规则地排列在分子链的一侧）。由于PVC为聚合物高分子，因此控制其为全同立构是及其困难的，若出现全同立构，则表现出极少数的结晶部分，聚氯乙烯所表现出的结构主要为无规立构。
1.3.1 制备聚氯乙烯单体方法
根据不同的原料途径，目前制备氯乙烯的主要工艺大致分为五种，包括电石乙炔法，天然气乙炔法，二氯乙烷法等等。但是，各种方法所使用的原料都是乙炔和乙烯，因此若从所用的单体分类，只有乙炔法和乙烯法。
1.乙炔法
最原始所采用的方法是电石乙炔法，此种方法生产过程便于操控，所得产物具有较高的品质，然而，电石法对环境的污染较为严重，并且生产过程中所需的能耗高，所以，当人们发现了乙烯法后，电石法在某些发达国家便逐渐被摒弃。但是在中国，乙烯非常稀缺，因此价格也颇为昂贵，并且，乙烯法工艺中所需要的氧氯化装置的也许厂商的大力改动，因此，对于一些中小企业来说，由传统的乙炔法向现代环保的乙烯法转型具有一定挑战。在西部地区，电石资源丰富，在某种程度上带动了电石法的发展，电石法成为诸多厂商所关注的热点。
图1 电石法生产氯乙烯设备
乙炔法的原理为：
首先是乙炔气体的制备，是将大块的电石进行破碎，然后水与电石在发生器内发生反应，反应式为：

由于工业条件限制，在乙炔的制备中会伴随副反应，主要的反应式如下：

副反应所产生的杂志气体会使乙炔在反应过程中容易发生自燃，并且会吸附反应催化剂——氯化汞，因此，在得到乙炔气体后，需要对气体进行净化处理以出去生成的氨气、磷化氢、硫化氢等杂质气体。除杂的反应式如下：

再将在除杂过程中产生的酸与盐通入氢氧化钠溶液，然后排出。反应式为：
此时便得到基本纯净的乙炔气体，乙炔与反应制备氯乙烯单体，反应式下：
将精制后氯乙烯单体聚合即可得到聚氯乙烯产品。

图2 电石法生产氯乙烯流程
2.乙烯法
乙烯氧氯化法简称乙烯法，此方法所制备的氯乙烯单体的质量较高，乙烯法生产聚氯乙烯的原理如下。
首先，是乙烯和氯气化合为二氯乙烷

然后是二氯乙烷的裂解，产物为和，反应式如下：

乙烯法的生产工艺流程如下：
图3 乙烯平衡氧氯化生产氯乙烯
乙烯法法所制备的氯乙烯单体的质量较高，环境污染小且能够应用于工业化生产，因此此种方法生产聚氯乙烯聚集了世界聚氯乙烯生产厂商的目光，但是乙烯法生产聚氯乙烯最现实的问题就是是否拥有乙烯资源。众所周知，石油资源是中国的软肋，除此之外，国际方面石油价格也是居高不下，因此，结合中国这样一个石油资源并不丰富的发展中国家的国情来说，乙烯法生产聚氯乙烯的方法并不是一种最优方案。然而，我国的煤炭资源相对来说却丰富的多，这就为乙炔法生产技术的实施提供了得天独厚的条件，并且通过与国外厂家、学者的交流与学习以及大型先进设备的投资与引进，我国乙炔法生产聚氯乙烯的水平也在日益提升，不仅在产量与产品的质量方面取得了巨大的突破，而且较之前相比，单体的利用率大幅度增高，因此能源浪费率和对环境的污染程度也大大降低。然而，在生产过程中的最棘手的问题就是如何处理废弃的电石渣，经过我国科研人员与厂家之间的不断努力，形成了电石渣再生产利用一条产业链，将电石渣制成砖块等建筑材料使得乙炔法成为乙烯法未能全面使用时的一种长效可替代方法。
1.3.2 氯乙烯单体聚合方法
如今，全球生产聚氯乙烯的主要聚合方法大致分为五种（本体聚合法、溶液聚合法、乳液聚合法、微悬浮聚合法、悬浮聚合法）[6] 。乳液聚合法的概念提出较早，但由于生产所需成本较高，并且生产工艺较为复杂，一直未得到大规模商业化应用。乳液聚合法的主要产品为糊树脂，随着人类生活水平的提高，人们对于家居装饰的要求也逐步增加，而壁纸、汽车内体、地板革等的生产恰巧需要糊树脂，因此乳液聚合的使用比例有望增长。

其主要特征见下表：
表5 聚合方法比较表
项目
悬浮聚合
本体聚合
乳液聚合
溶液聚合
配方组成
单体、引发剂、分散剂、水
单体、引发剂
单体、引发剂、乳化剂、水
单体、引发剂
聚合场所
单体液滴内
本体内
胶束和乳胶粒
溶液内
温度控制
容易
困难
容易
容易
聚合速度
较大
中等
大
小
分子量控制
较困难
困难
容易
容易
生产特性
间歇操作
间歇操作
可连续生产
可连续生产
主要特性及用途
适合于注塑或挤塑树脂
聚合物纯净、硬质注塑品
涂料、黏合剂
涂料、黏合剂
根据调查研究，利用悬浮法生产聚氯乙烯在美国所占的比例高达87.8%，而溶液聚合仅仅占到了1.4%。
根据调查，日本在生产聚氯乙烯的工艺中所采取的方法主要也是悬浮聚合，但在西欧某些地区，则主要采用乳液聚合与本体聚合。
悬浮法能够得到大规模应用主要是由于此种聚合方法具有流程简单，设备便于操控，可规模化生产等优点。除此之外，各国厂商也致力于防粘釜的研究，并且在如何减少产物的杂质含量，提高树脂品质，以及如何生产中减少人力的投入方面的研究也取得了较大的进展。
本体法较悬浮法而言，应用主要集中在西欧地区，并且此项专利颁发给了法国的阿托公司。本体法较其他几种方法而言较为环保，因为此种方法在生产过程中无需水、分散剂以及各种化学助剂的加入，不仅减少了能耗，而且可以大幅度提高产品纯度，简化工艺过程。然而，在实际生产中，厂家并不会将悬浮法与本体聚合同时使用。这是由于，虽然利用悬浮法与本体法两种工艺所得到树脂所应用的领域是相通的，但是悬浮法和本体树脂一旦混合，由于静电效应的存在，粉末必将会产生团聚效应，大大降低了粉末的流动性，较弱了粉末的输运与反应效率。如今，由于工艺的限制，本体法的应用并不是非常广泛，甚至可以说是处于停滞不前的状态。
1.4 聚合主要工艺
1.4.1 聚合釜大型化与优化散热
随着社会的发展，世界对聚氯乙烯的需求日益增多，这无疑使得传统的笑醒的反应釜已经满足不了人类所需要的产量，因此设备的大型化已经成为一种不可阻挡的趋势。聚合釜在聚氯乙烯生产中是一种不可或缺的设备，大型聚合釜可以节约生产时间，缩短生产周期，简化生产操作，从而降低了生产成本，改善生产环境等诸多优点。
随着聚合釜储存的增大，聚合反应所产生热量也在升高，因此，进一步需要解决的便是如何优化散热。在优化散热方面，国外主要采用回流冷凝，水冷弧形挡板以及底伸式搅拌模式，不仅能够使物料分散得更加均匀，也增加了传热面积，从而优化了散热。除此之外，还可以将冷凝管安置在聚合釜内部，通入冷凝水，突破以往仅从外壁散热的概念。
1.4.2 釜壁粘附的防止
单体在聚合过程中，粘度会逐渐增大，在交办的作用下便会不可避免的粘附到反应釜的内壁上，从而造成了单体的浪费和聚合物分子大小不均等情况的出现。为了解决这一问题，主要采取一下几种方法：
（1） 在反应釜内壁喷洒类似于润滑剂的物质从而大大减少粘附物质，此种防粘溶液的原料主要是一些从天然果汁中提取的一种酸--天然芳基酸，然后用壳素与天然天然芳基酸发生缩聚反应形成防黏剂，对产品的质量没有影响，并且安全环保，甚至可以达到食品级别的要求。对人体也无害。但是防黏剂的使用需要后期的不断加入，并且很难在釜壁上涂覆均匀。
（2） 第二种方法是一种纯粹的物理机械清洗法，首先用高压水对粘附物质进行冲洗，粘附物质受到水的压力作用会从内壁上剥离脱落，但是此种方法不能彻底清洁。
（3） 第三种是在将结垢抑制剂加入到聚合体系中，此种方法可以大幅度减少单体在反应釜内壁的粘附，但同时结垢抑制剂的质量会影响聚氯乙烯成品的质量，相当于引入了杂质。
因此，如果能单纯从物理方面阻止粘附即可克服上述三种方法的不足经过不断的探索与研究，现在已经有公司设计出一种双搅拌聚合釜，这种聚合釜在反应釜的最底端和反应釜的顶端各安装了一个搅拌器，并且顶端与底端的搅拌器的分布于反应釜的对角线上。在反应釜内安置两个搅拌器，可以由此清除单体在死角的残留，并且，根据实验，在两个搅拌器的扇叶上喷涂一种多酚物质，可以大幅度有效的减少粘附物。
1.5 PVC聚合釜温度控制方法
1.5.1 生产工艺
向聚合釜中按照化学计量比依次加入蒸馏水，VC,以及催化剂，混合后进行搅拌至各物质均匀分布[7]。对反应釜进行升温处理，加热到最佳聚合温度。反应单体在进行聚合反应的过程中，温度需要保持在设定温度的正负0.2℃范围内。待反应结束时，加入终止剂阻止单体的进一步聚合，然后将剩余的VC进行回收处理，然后通过离心机对其进行离心分离、通过高温蒸汽对其进行高温干燥，得到VC成品，进行再次利用。聚合工序控制主要就是对反应釜内温度的控制，使其波动的范围尽量减小。图3即为聚合釜内温度控制的工艺流程图：

图3 聚合釜内温度控制的工艺流程图
图中,夹套进口与出口温度平均值即为夹套温度,聚合釜上部与下部温度平均值即为聚合釜温度。
1.5.2 温度控制方法
聚合釜内的温度控制可以划分为三个步骤。第一步，对反应釜内的单体进行升温，简称为升温阶段。这一阶段需要借助外部能量，使聚合釜内部达到反应的最佳温度。等到温度升高至最佳反应温度后，单体发生聚合，由于聚合反应中会放出大量的热，为了保障设备的安全以及反应的顺利进行，便需要外部的循环水对其进行降温处理，这一阶段即为第二阶段。随着反应的进行，反应的放热速率与反应速率便在一个定值上下波动，此时段的主要目的就是使反应温度控制在一个较小的波动范围内，此阶段便是第三阶段[7]。具体的程序流程见下图。
图4 温度控制程序图

第二章 设计数据计算
2.1 物料衡算
2.1.1 物料的选择
聚氯乙烯的合成步骤：
A. 向聚合釜内加入蒸馏水；
B. 边搅拌边加入分散剂、蒸馏水、以及助剂；然后加入引发剂，密封并抽真空。如有需要，可用氮气排除多余的空气；
C. 向反应釜内加入单体，排除反应釜内的氧气，然后升至能够发生聚合的温度，加入单体，使其发生聚合[8]。
所需单体——氯乙烯纯度99.9%
氯乙烯单体的转化率80%
聚合反应釜的投料比0.85，反应时间10小时
冷却水的温度为10℃
2.1.2 物料的计算
根据上述所给条件，进料所需要的时间为2小时，出料所需时间为两小时，发生聚合所需时间为六小时，一个周期共需十个小时。
给出目标为年产15万吨聚氯乙烯树脂，假定每天机器的工作时间为24小时，则一年工作340天，则一年的工作时间为：
24×340=8160（小时）；
按照每年有效工作时间8000h计算，则反应所需的周期的数目为：
n=8000÷10=800（个）；
一个周期聚合反应的时间为六小时，则一年内聚合反应所需的时间为
t=800×6=4800（小时）
氯乙烯的转化率为80%，氯乙烯的纯度为99.9%，则通入氯乙烯的量
m=150000÷80%÷0.999=187687.688（吨）
一个周期生产的聚氯乙烯量为
15×107÷800=187500（千克）
则每个周期所需要的氯乙烯的用量：
187500÷0.80=234375（千克）
氯乙烯的纯度为99.9%，通入釜内的VC的量为：
234375÷0.999= 234609（千克）
反应水油比选择范围为1.5～2.0，此处，选择水油比为1.7则反应所需的用去离子水量为：
234609×1.7= 398836（千克）
生产中所需助剂的量为5%，则助剂的用量为：
234609×0.05= 11730（千克）
通入反应釜的物质的总量为去离子水398836千克，氯乙烯234609千克以及助剂11730千克的质量之和，则进料的总质量为:
398836+234609+11730=645175（千克）
前面所设氯乙烯的转化率为80%，则出料时未反应的氯乙烯占通入氯乙烯的20%，出料的氯乙烯质量为：
234609×0.2=46922（千克）
聚氯乙烯的量：187500千克
出料的质量为未转化的氯乙烯46922，所得产物聚氯乙烯187500千克，以及反应中所加水398836千克和助剂质量11730千克之和，则出料的总质量为：
46922+187500+398836+11730=644998（千克）
对以上数据汇总可得：

反应总时间
10h
条件
进料
出料
时间
2h
2h
总量
645175千克
644998千克
VC
234609千克
46922千克
PVC
0
187500千克
去离子水
398836千克
398836千克
所需助剂
11730千克
11730千克
2.2 能量衡算
物质在发生物理反应或者化学反应时，必然伴随着能量的增加或者减少，因此能量衡算是化工生产设计的一个重要步骤。能量衡算直接关系到设备的型号、台数的选择以及物料通入的速度，合理的能量衡算不仅可以提高聚合产品的质量，而且可以降低企业生产成本[9]。
通常，能量衡算主要就是对反应中热量的衡算，而热量衡算又是以物料衡算为基础的，根据能量衡算，可以对传热设备在单位时间内散出或者得到的能量进行估计，进而根据热负荷合理的选择传热设备、传热方式等。
2.2.1 起始热量Q1的计算
已知：VC的质量234609千克，比热容CVC =1.46×103J /(kg·℃)、水的质量398836千克，比热容为C水=4.18×103J /(kg·℃)、助剂的质量11730千克比热容为C助剂=1.38×103J /(kg·℃)，则根据公式Q=C·m·t
QVC1 =CVC·mVC·t=1.46×103×234609×25=8.56×109（J）
Q水1=C水·m水·t=4.18×103×398836×25=4.16×1010（J）
Q助剂1=C助剂·m助剂·t=1.38×103×11730×25=4.07×108（J）
Q1= QVC1+ Q水1+Q助剂1=8.56×109+4.16×1010+4.07×108=5.06×1010（J）
2.2.2 升温过程所需能量计算
随着温度的升高，氯乙烯聚合速率会加大（温度每升高10℃，聚合速率约为原来的2.5倍），但同时所得聚合物的分子量会减小，因此，聚合温度的选取对反应所需时间以及所得产品质量会产生很大的影响。根据查阅资料得知，氯乙烯聚合的最佳温度范围在40℃-60℃，本次设计选取反应温度为55℃。
则在水温由25升至55的过程中，根据能量计算公式：△Q=C·m·△t
带入相应数据，计算所需能量为：
△QVC =CVC·mVC·△t=1.46×103×234609×（55-25）=1.03×1010（J）
△Q水=△C水·m水·△t=4.18×103×398836×（55-25）=5.00×1010(J)
△Q助剂=C助剂·m助剂·△t=1.38×103×11730×（55-25）=4.83×108(J)
△Q总=△QVC+△Q水+△Q助剂=1.03×1010+5.00×1010+4.83×108(J)=6.08×1010（J）
2.2.3 聚合总热量计算
温度达到50℃，记Q3为VC、水、助剂、PVC的在50℃时的总热量，则根据公式Q=C·m·t，可得出50℃时各物质的热量分别是：
QVC3= CVC·mVC·t2=1.46×103×234609×55=3.76×109(J)；
Q水3=C水·m水·t2=4.18×103×398836×55=9.16×1010（J）；
Q助剂3=C助剂·m助剂·t2=1.38×103×11730×55=8.90×108（J）；
QPVC=Cpvc· mPVC ·T=1.27×103×187500×55=1.31×1010（J）；
Q3=QVC3+Q水3+Q助剂3+QPVC
=3.76×109+9.16×1010+8.90×108+1.31×1010=1.1×1011（J）；
2.2.4 反应热Q4的计算
已知，聚合反应的原理为：
n CH2=CHCl→｛CH2–CH Cl）n+23千卡/mol
查阅资料知：1千卡/mol=4.182KJ/mol
反应生成的热Q反=23×4.182×103=9.6×104（J/mol）
反应消耗的VC量为:n=m/M=187500×103/（1108×62.5）=2707.58（mol）
则Q4=2707.58×9.6×104=2.6×108(J)
冷却水带走的能量为记Q5
Q4= Q5= 2.6×108(J)
2.3 干燥过程数据计算
2.3.1 PVC树脂干燥过程物料恒算
PVC树脂干燥过程工艺流程图为:
沸腾

干燥
气流

干燥
离
心
机
聚
合
釜

水，助剂
PVC

水5%

水0.5%
水10%

PVC
PVC
VC,PVC

其中，过程一离心分级根据各物质的密度不同，将粗产品中未反应的氯乙烯完全除去，由2.1中物料衡算得到的数据可知，除去氯乙烯的量为：46922kg，
进料：187500+398836+11730=598006(kg)
其次，还除去了90%的水和助剂，因此，粗产品经处理后还含有10%的水，则总的混物的质量为：
，
其中，水的质量占总质量的10%，因此水的质量为：

则经过第一工序处理减少水的质量为：

然后进行气流干燥，刚经过离心干燥、气流干燥后的产品中含有5%的水，则可以求出：
未完全纯化产品总量为：

而其中水的质量则为：

减少水的质量求得：

最后为沸腾干燥，干燥处理后所得产品中含有0.5%的水分，产品总质量为：
而其中水的质量则为：；
减少水的质量求得：

在聚氯乙烯的干燥过程中，主要是向含水的聚氯乙烯产品中鼓入水沸点以上的热空气，利用热空气是水分蒸发，然后带走蒸发的水分，完成干燥过程。设定未加热的空气为的温度为15.7℃,湿度为80％左右。设定热空气的温度为145℃然后根据空气的I-H图即可读出相应的参数。

图5 空气的I-H图
（1）进口空气的湿度
图中虚线为等温线，因此在15.7℃与湿度曲线的交点即为空气进口湿度，将此交点记为A点，由A点向横轴引垂线，垂线与x轴的交点坐标即为进口的空气湿度[10]：

(2)水蒸汽的分压
由A点向x轴引垂线，垂线与最底方斜线（水蒸气分压线）的交点即为水蒸气的分压，此点记为B点，得知水蒸气分压为：

（3） 进口空气的焓
在湿度为80%，温度为15.7℃的条件下，找出等焓线与y轴的交点，记此交点为E点，E点即为空气在入口条件下的焓值[11]：

（4）出口热空气的焓
因为加热器仅仅能使物质的温度升高，而不改变物质其他的外界性质。故温度湿空气在加热时的含水量保持不变，即空气由15.7℃加热至145℃时热空气的湿度与冷空气的湿度相同，因此可以由15.7℃时所读出的空气湿度沿等湿线延长使其与145℃等温线有交点，此交点记为i点，此点记为湿空气经加热后的焓：
（5） 每千克干空气的增加焓
空气在离开聚氯乙烯时温度最大降低了3℃，由图中可知空气在142℃的湿度：

则增加的水蒸气量为：

所增加的热量也可得出：

由以上计算可知，经气流干燥减少的水的质量需要达到：

假定干燥所需时间为10个小时，则单位时间内需要干燥的水的质量为：
15.7℃的空气的比热为：

故得出：

则15.7℃的冷空气的体积流量为：

干燥后的空气需要从干燥器中排出，则排出的空气的流量为之前干空气的质量流量与干燥的水的质量流量