毕业设计

毕业设计（论文）开题报告书

课 题 名 称 年产5万吨PVC合成工段工艺设计及反应器设计 学 生 姓 名 学 号

系、年级专业 生物与化学工程系 化学工程与工艺 指 导 教 师

2014年 12 月 28 日

一、课题的来源、目的、意义（包括应用前景）、国内外现状及水平 课题的来源：根据湖南中盐株化集团诚信有限公司生产实习，由指导老师指定课题内容。 目的： 聚氯乙烯制品居于各种树脂及加工制品之首，占有整个塑料消费总量29%以上，在国民经济中占有重要的地位。本课题要求学生根据已学过的化学、化工各门课程的基本原理和化工设计的基本方法，设计聚氯乙烯生产工艺过程中的氯乙烯合成工段，通过对本课题的设计，让学生初步掌握化工工艺设计的一般程序和方法，受到化工设计重要的训练过程，使其具有一定的化工设计能力，为将来的工作打下扎实的基础，创造有利的条件。 意义： 聚氯乙烯树脂是合成材料中五大通用树脂之一，具有良好的物理及机械性能，其产量仅次于聚乙烯。PVC树脂可用来生产建筑材料，包装材料、电子材料、日用消费品等，在工业、农业、建筑、交通运输、电力、电讯和包装等各领域获得广泛应用。 1.型材、异型材现在是我国PVC消费量最大的领域，占PVC总消费量的25％，主要用于制作门窗和节能材料。 2.在所有的聚氯乙烯制品中，聚氯乙烯管道是其第二大消费领域，约占其消费量的20％。在我国，聚氯乙烯管较PE管和PP管开发早，品种多，性能优良，使用范围广，在市场上是绝对占有重要位置。 3.聚氯乙烯膜，PVC膜领域对PVC的消费位居第三，约占10％左右。PVC与添加剂混合、塑化后，热合加工包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。宽幅的透明薄膜可以供温室、塑料大棚及地膜之用。 4.PVC硬材和板材，PVC中加入稳定剂、润滑剂和填料，经混炼后，用挤出机可挤出各种口径的硬管、异型管、波纹管，用作下水管、饮水管、电线套管或楼梯扶手。将压延好的薄片重叠热压，可制成各种厚度的硬质板材。 5.PVC一般软质品，利用挤出机可以挤成软管、电缆、电线等；利用注射成型机配合各种模具，可制成塑料凉鞋、鞋底、拖鞋、玩具、汽车配件等。 6.聚氯乙烯包装材料，聚氯乙烯制品用于包装主要为各种容器、薄膜及硬片。PVC容器主要生产矿泉水、饮料、化妆品瓶，也有用于精制油的包装。聚氯乙烯膜也可用于拉伸或热收缩包装，用于包装床垫、布匹、玩具和工业商品。 7.聚氯乙烯护墙板和地板，聚氯乙烯护墙板主要用于取代铝制护墙板。聚氯乙烯地板砖中除一部分聚氯乙烯树脂外，其余组分是回收料、粘合剂、填料及其它组分，主要应用在机场候机楼地面和其它场所的坚硬地面。 8.聚氯乙烯日用消费品，行李包是聚氯乙烯加工制作而成的传统产品，聚氯乙烯被用来制作各种仿皮革，用于行李包，运动制品，如篮球、足球和橄榄球等。还可用于制作制服和专用保护设备的皮带。服装用聚氯乙烯织物一般是吸附性织物(不需涂布)，如雨披、婴儿裤、仿皮夹克和各种雨靴。聚氯乙烯用于许多体育娱乐品，如玩具、唱片和体育运动用品，目前聚氯乙烯玩具增长幅度大，由于聚氯乙烯玩具和体育用品生产成本低，易于成型而占有优势。 国内外现状及发展水平： 聚氯乙烯简称PVC，是我国重要的有机合成材料。广泛用于工业、建筑、农业、日用生活、包装、电力、公用事业等领域。从产品分类看，PVC属于三大合成材料(合成树脂、合成纤维、合成橡胶)中的合成树脂类，全球产销量仅次于聚乙烯。我国是全球最大的PVC生产和消费国。 根据生产方法的不同，PVC可分为通用型PVC树脂、高聚合度PVC树脂、交联PVC树脂。根据氯乙烯单体的获得方法来区分，可分为电石法、乙烯法和进口(EDC、VCM)单体法，习惯上把乙烯法和进口单体法统称为乙烯法。当前，除中国大陆和印度的少量装置之外，世界其它地区聚氯乙烯装置均采用以石油化工所生产的乙烯基类单体产品为原料的乙烯法（单体法）生产工艺。截至2008年底，我国国内聚氯乙烯总产能的75%采用以煤化工为基础的电石法装置。中国电石法聚氯乙烯装置的总能力已经占到了全球聚氯乙烯装置总能力的25%甚至更高。 1998年我国PVC产量和表观需求量分别为160万吨和317万吨。在世界上产量仅次于美国（639万吨）、日本（263万吨）居第三位。2000年前后，计划新建和扩建PVC能力至少为88万吨/年，估计此期间大量没有竞争能力的电石法小厂将闲置，所以总产能有可能达220万吨/年水平，其中乙烯法将达134.6万吨/年，从目前占31%上升到61%。报道的项目有万县市6万吨/年本体法PVC装置，天津渤海公司同韩国乐喜公司、美国西方化学公司合资的10万吨/年 PVC装置，(其中引进的8万吨/年乙烯法VCM装置于1997年建成、投产)，上海天原化工厂同伊滕忠商事、旭硝子公司合资的24万吨/年VCM和20万吨/年 PVC装置，泰国正大集团在宁波的12万吨/年 PVC装置，辽河集团与乐喜金星公司合资的8万吨/年 PVC装置，上海氯碱化学公司已使VCM产能增大到30万吨/年，计划到40万吨/年，这意味PVC产能将由目前的22万吨/年增加到36万吨/年，北京化工二厂将增加PVC能力7.6万吨/年，齐鲁公司将增加PVC能力10万吨/年，广州化工厂8万吨/年乙烯法VCM/PVC项目已通过评审。 2003年以来，我国聚氯乙烯行业发展速度惊人，新建、扩建项目纷纷上马，产能迅速扩大，2000～2007年，我国聚氯乙烯产能年均增长率达25%，但从2006年起，产能增速呈现放缓趋势。2007年，我国聚氯乙烯产能达1208万吨／年，同比增长24.5%，其中电石法产能达1000万吨，其余是乙烯法PVC；2008年PVC产能为1581万吨/年，同比增长9%。预计到2010年，我国聚氯乙烯产能将达1500万吨/年。 目前国内PVC生产企业近100家，分布在27个省市（自治区）。中国已经成为世界上最大的PVC生产国，2007年我国PVC产量达971.7万吨，同比增长19.8%，自给率约为90%，在我国通用树脂中，自给率最高。08年受国内外各种因素影响，产量同比下降9%，为882万吨，自给率约为95%。 根据中国氯碱工业协会调查，2009至2011年中国PVC扩产情况分别是333万吨、311万吨、120万吨。但从目前我国遭受金融危机冲击及经济增长势头放缓等情况来看，产能很可能难以达到如此大的增加，具体情况还需多加关注。 从区域分布来看，华东、华北地区是我国PVC的主要产地，产量合计达到全国的60％左右，而西北地区虽然企业数量较少，但是凭借其发展氯碱工业的优势大有后来居上的趋势。从集中度来看，尽管近年来我国聚氯乙烯装置规模水平虽在不断提高，但仍不及国际平均水平。目前我国聚氯乙烯生产装置平均规模不足15万吨／年，而国际上聚氯乙烯装置平均规模为15～20万吨／年，最大装置规模超过100万吨／年。发达国家如美国，平均装置规模为30万吨／年，相比差距更大。 近10年来我国聚氯乙烯生产通过技术改造、技术攻关和消化吸收引进技术，使行业技术水准有了较大提高。不仅开发和推广应用脱出氯乙烯单体技术、防粘釜技术和干燥技术，而且聚合釜大型化和生产控制自动化程度均有了极大的提高。但是与国外先进水平相比还存在很大差距，主要表现在生产技术落后，规模小，产品质量差，品种少，树脂加工应用不协调等方面。因此，我国聚氯乙烯的发展应以引进国外先进技术、选择我国市场前景广阔的硬制品和特殊牌号为主，这样既能满足化工建材的市场需求，又可替代进口，使我国聚氯乙烯工业得到健康发展[11]。 未来发展前景： 随着节水灌溉、建筑化学建材、包装、电子电气、汽车等行业对PVC需求的快速增长，未来几年我国对PVC的需求仍将保持较高的增长速度。2020年将达到2160万吨。预计到2020年全球PVC的需求量将达到4600万吨。 二、课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施 设计的主要内容： 本课题选取PVC生产过程的氯乙烯合成工段为设计对象，根据给定的设计规模，与设计组的同学既分工又合作，完成： 1、设计说明书部分：（1）聚氯乙烯生产概况；（2） 氯乙烯合成工段的生产原理及工艺流程选择；（3）本设计的工艺流程示意图；（4）物料衡算；（5）热量衡算：（6）设备的计算及选型。 2、设计图纸部分 （1）氯乙烯合成工段的生产工艺流程图；（2）反应器的设备装配图； 研究方法： 本次设计主要是VC单体合成工段，此段工艺流程以及氯乙烯单体制备主要包括以下内容： 工业上制备氯乙烯的方法主要有乙炔法、乙烯平衡氧氯化法、乙烷氧化工艺、联合法、乙烯氧氯化法、乙烯法等 一、乙炔法工艺 乙炔法是最早实现工业化合成氯乙烯的方法，工业上通常采用负载质量分数l0%一15%的氯化汞活性组分在活性炭载体上的催化剂催化合成氯乙烯，主要反应式如下: 该反应为典型的加成反应，需要在催化剂的作用下进行[#]，反应温度(140一180)℃。催化剂氯化汞由于具有良好的催化活性与选择性，一直是乙炔氢氯化法生产氯乙烯中广泛选用的催化剂。但由氯化汞催化剂带来的毒害与污染问题限制了乙炔法生产聚氯乙烯工艺路线的发展，为了实现聚氯乙烯行业的可持续发展，必须尽快找到氯化汞催化剂的替代品，开发新型催化剂，以解决制约行业发展的隐患，减小环境压力。 二、乙烯平衡氧氯化法 乙烯平衡氧氯化法简称乙烯氧氯化法，该法于1958年由美国DO W化学公司实现工业化，是目前世界上广泛采用的VCM生产方法}4}。迄今为止，全世界VCM生产装置93%以上采用乙烯氧氯化方法。我国采用平衡氧氯化工艺生产VCM的产量仅占3000，估计到2010年，国内的平衡氧氯化法生产VCM的产量将占全国总产量的70%以上。 乙烯氧氯化法包括3个步骤:(1)直接氯化，即乙烯和氯气在氯化铁的催化作用下发生加成反应生成二氯乙烷(EDC); <2)EDC:裂解，即EDC在高温下热裂解生成VCM和氯化氢;<3)氧氯化，即氯氢和乙烯、氧气在氯化铜的催化作用下反应生成EDC和水。主要反应过程如下: 工艺流程框图如下: 平衡氧氯化方法技术成熟，产品质量高，但工艺流程长、能耗高。日本学者曾提出将放热的反应 (1)和吸热的反应(2)合并在一个反应器中进行，即氯化裂解反应。但该反应要在410^-480`C，常压0. 3MPa下进行，反应温度高，不可避免会产生结焦等副反应，使VCM的收率下降。 三、乙烷氧化工艺 在氯乙烯单体生产技术方面，国外大公司开发出利用廉价的乙烷作原料的乙烷制VCM生产工艺[sj，通过乙烷直接氧氯化生产低成本的VCM，其半工业化装置的运行结果证实了该工艺技术的可行性。该工艺成功地解决了乙烷制VCM转化率低、催化剂性能不稳定、反应温度高及设备腐蚀等一系列问题，且原料成本比平衡氧氯化法减少70%以上，总生产成本可降低约120a，因此具有强大的生命力和工业化前景。据悉，EVC公司计划于2004年建成第1套使用该新技术的工业装置。 四、联合法 联合法是以二氯乙烷与乙炔为原料生产PVC的工艺路线，即用二氯乙烷裂解出的氯化氢与乙炔加成得到氯乙烯。联合法PVC工艺流程见图： 联合法PVC工艺流程示意图 该方法回避了乙烯法工艺中氧氯化单元的复杂设备，但是二氯乙烷在550℃下裂解只有50%一55%的单程转化率，总转化率约92%。每裂解1t二氯乙烷需要108 m3天然气，且二氯乙烷裂解装置投资巨大，另外该方法也解决不了乙炔加成单元的汞污染问题。 五、乙烯氧氯化法 乙烯氧氯化生成二氯乙烷及其裂解的反应式为: 这个方法称叫二步法，是现在工业上生产氯乙烯广泛应用的方法。在工业土通常采用舒斗华流程(见图1)、三井东压流程和凯洛格液相氧氯化流程等。 六、乙烯法 乙烯法制备氯乙烯的合成反应：CH2=CH2+Cl2→CH2ClCH2Cl CH2ClCH2Cl→CH2=CHCl+HCl 催化剂是氯化铁，温度为40-50℃，为解决乙烯直接氯化法存在的问题而开发的生产工艺，此法产率高。该法副产品氯化氢,如果不利用,成本太高。与电石法联合起来可解决氯化氢问题。但是该法因为既不能完全向石油化工转换,又不能完全摆脱电石法,故没有发展前途。 （二）具体工艺流程图如下： PPG化学工业公司氧氯化法生产氯乙烯的工艺流程图 工艺过程如下： 电石—乙炔混合物→氢气和氯气→固定床反应器→VC单体 （三）设备设计思路： 1、根据工艺参数，对单个设备作出衡算示意图，进行物料衡算； 2、 反应器选型及方案设计 对所有的设计方案进行比较，最后确定本次设计的设计方案。 3、反应部分的流程设计（画出反应部分的流程图） 4、反应器的工艺设计计算 生产线数，反应器个数， 反应器体积。反应器的物料和热量衡算 5、搅拌器的设计 对搅拌器进行选型和设计计算。 6、画出反应器的装配图 图面应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表,设备管口方位图。 三、现有基础和具备的条件 1、本课题参照株化集团诚信有限公司聚氯乙烯二厂的生产工艺而进行的，并通过在此的实习学习，掌握了相应的技术，收集了大量的生产运行数据和技术资料，完全具备对该课题进行设计的条件。 2、已经进行了为期二周的生产实习，对工厂的工艺、设备及生产过程检测、控制都有了相当全面、详细和清楚的了解。 3、设计资料齐全。有较为详细的设计所必须的工艺设计参数。 4、具备了一定的工程设计基础。前期学习过程中进行了多次课程设计，包括《化工原理》、《分离工程》、《反应工程》等课程设计，具备了一定的工程设计基础。 5、指导教师具有较为丰富的工厂实践经验。 6、化工教研室有一支较强的毕业设计指导教师队伍。 参考文献 [1] 邴涡林，朱平，金永利．国内大型聚合釜技术发展动态[J]．聚氯乙烯，2005，33(1)：l一5． [2] 段琳，杨博，申建庆．控制技术在PVC聚合过程中的应用[J]．聚氯乙烯，2008，36(5)：23—26． [3] 杜建银．国产化大型聚合釜在200 kt／a PVC项目中的选型建议[J]．聚氯乙烯，2008，36(5)：27—35． [4] 薛之化．国内聚氯乙烯生产技术的进展[J]．中国氯碱，2005(7)：1—9． [5]李淑杰，赵素梅，董淑芳．国外聚氯乙烯生产技术进展。聚氯乙烯．2005，(9 l2．17) [6]刘岭梅。乙烯氧氯化法氯乙烯技术进展U)．中国氯碱，2007，(4 14．45) [7]刘岭梅，董素芳，赵素梅。聚氯乙烯工业生产技术新进展[J]聚氯乙烯，2005，(7 l一3，l0) [8]张东生．PVC工业国际市场格局分析[J]．中国化工信息，2007，(26 10．11) [9]邵冰然。2006年世界聚氯乙烯市场分析[J]。中国石油和化工经济分析，2007．(15 53-55） [10]何素珍．于国良．新经济政策下PVC行业的竞争与发展[J]，当代石油石化，2007， 15(9 3l-36) [11]邴涓林，李承志．2006年中国PVC产业动态与分析[J]．中国石油和化工经济分析，2007，(1l 27．36) [12] 李述文，范如霖．实用有机化学手册[M]．上海：上海科技出版社．2007. 四、总的工作任务，进度安排以及预期结果 总的工作任务： 1、根据设计任务广泛查阅PVC生产工艺，特别是合成工段工艺和反应器结构形式等方面的中、外文资料，结合生产实际的情况全面掌握PVC生产工艺的最新动态，写出规范的开题报告。 2、独立完成合成工段工艺流程选择、工艺计算、反应器工艺计算设计、全工段设备选型、带控制点工艺流程图、反应器装配图等主要设计工作。 3、针对设计项目提出切实可行的三废治理方案。 4、作好设计全过程的有关记录（如日志），在学校规定的时间内完成各项工作。 5、按学校关于毕业设计的要求编制出不少于20000字的毕业设计说明书。 进度安排： 2014年11月8日～2014年11月22日:下达毕业设计任务书； 2014年11月23日～2014年12月20日:针对设计课题查阅资料，撰写开题报告； 2014年12月21日～2014年12月28日:教研室组织进行开题报告答辩； 2015年 1月4日～2015年5月10日:各自独立完成设计计算等主要工作； 2015年5月11日～2015年5月20日:完成整理、归纳设计数据资料、按学校的要求撰写规范的设计说明书（论文）和绘制必要的工程图纸等工作。 2015年5月21日～2015年5月28日：毕业设计（论文）的评阅、答辩工作。 预期结果： 1、熟悉及掌握PVC的生产流程，设计出合理生产工艺和较为先进的自动化控制流程。 2、在整个设计中要对反应器设备进行更好的合理的设计，使其能符合实际生产需要。 3、通过此次毕业设计使自己的设计能力有所提高，为毕业后的工作打下很好的基础。 五、指导教师审阅意见 指导教师（签名） 年 月 日 六、教研室审查意见 教研室主任（签名） 年 月 日 七、系审查意见 主管系领导（签名） 年 月 日 备 注