100M3聚氯乙烯大型反应釜关键设备和成套工艺技术的研制与开发_

2023年12月16日发(作者：汽车之家皮卡车)

100M3聚氯乙烯大型反应釜

关键设备和成套工艺技术的研制与开发

(北京化二股份有限公司，北京100022)

邴涓林，金永利，李承志

[关键词] 聚氯乙烯；反应釜；成套工艺技术；研制；开发

[摘 要] 北京化二与上海森松工程技术人员吸收国内外先进技术和实践经验，研制和开发了100 M3大型聚合釜，北京化二在吸收国内外各种先进工艺技术的基础上，开发了拥有自主知识产权的成套工艺技术。文章介绍了其研制和开发的背景、聚合釜的设计、成套工艺技术的特点、安全技术的保证，并对其研制和开发的经济性进行了比较和对其推广应用的前景进行了展望。

前 言

2004年全球PVC产能达到3500万吨，产量为2920万吨，我国聚氯乙烯生产企业总数有80多家，2004年国内PVC树脂生产量为503.2万吨，年生产能力约为650万吨，2004年新增产能140多万吨。预计到2005年底我国聚氯乙烯生产能力将超过950万吨，净增长300万吨。其中乙烯法占30％（含进口单体），电石法占70％。截止到2005年6月底国内PVC实际生产量为295.41万吨，与去年同期相比增长率为21.7％。2005年上半年进口量为79.7万吨，表观消费量为372.6万吨。

我国生产PVC生产企业平均规模为8万多吨/年。2004年10万吨/年规模以上的企业有16个，前5位PVC生产企业的产量之和占全国总产量的29.86%，前10位企业的产量之和占全国总产量的47.14%，PVC生产处于低垄断状态。由于国产化PVC生产技术的成熟，在很大程度上降低了行业进入门槛。行业内和行业外企业为追求较高利润，竞相建设和扩产，近几年国内PVC热的显著特征是大干快上。所谓大，是指规模大，新建改扩建项目年生产规模动辄十万吨以上，二三十万吨以上也不少见。未来PVC生产企业规模将向40万～80万吨/年大规模水平发展，规模小的企业将由于技术水平较低、污染严重、生产成本高、竞争能力弱而逐步被淘汰。

近几年国内PVC工业的快速发展，引发了行业内的竞争加剧，生产厂商为了提高竞争能力，对于大型化的聚合釜及其关键设备和成套工艺技术提出了更高的要求。聚合釜是PVC聚合生产过程中最关键的设备。当PVC生产装置能力超过2万吨/年，小型釜的配置，便明显地不经济。聚合釜的大型化是生产规模扩大和生产全部自动化的需要，但具体采用多大容积的聚合釜，还受到配套的工艺技术、电器和自控仪表等技术水平的限制，以及设备制造、设备运输条件和土建投资的制约。

我国PVC行业采用大型聚合釜生产装置成为近年来一个明显的发展趋势，前几年北京化二在消化吸收国外引进的先进技术的基础上，不断摸索实践，成功实现了70 M3聚合釜成套工艺及关键技术的国产化，并在国内很多聚氯乙烯生产企业进行了推广应用。70M3聚合釜由于长径比适中、生产强度大、换热能力好、运输方便、综合性能好，在建设10万吨/年的聚氯乙烯生产装置时具有较好的综合经济效益，但随着新建或扩建聚氯乙烯生产装置规模越来越大，如建设20万吨以上/年生产装置，需要采用至少两条生产线，采用70M3聚合釜就存在设备投资较大、建设费用和运行费用较高、单釜生产能力偏低、控制不方便等不足，目前不少厂家在进行二期或三期扩建项目时，首选是采用100M3以上聚氯乙烯大型反应釜。在这种背景下，开发新型聚合釜及成套工艺技术就成为必然的趋势。大型反应釜的开发不是简单的容积扩大，而是一种综合技术的体现，涉及到多个领域的技术合作。北京化二与上海森松工程技术人员吸收国内外先进技术和实践经验，对聚合釜容积的选型、换热方式、搅拌结构和方式、关键配件选择等进行了认真的讨论研究并进行了严格的计算，研制和开发了100 M3大型聚合釜（该聚合釜正在申请专利），北京化二在吸收国内外各种先进工艺技术的基础上，开发了拥有自主知识产权的成套工艺技术。

1. 聚合釜的设计

1.1聚合釜容积大小的选型

聚合釜容积大小的选型与制造费用、运行费用、运输条件、生产效率和产品质量等密切相关。100M3聚合釜是引进和吸收欧洲PVC聚合釜先进技术，成功实现在国内研究开发和制造的聚合釜。聚合釜直径Φ4300mm，内夹套直径Φ4200mm，筒体切线长度5940mm，长径比为1.38。釜体内壁电解抛光，抛光精度Ra0.1μm，机械密封使用寿命12000小时以上，泄漏量小于5ml/h。在设计上该聚合釜充分吸收了国内外各种型式聚合釜的先进技术和使用经验，设备总体技术达到国际先进水平。可用于生产各种型号的悬浮法PVC树脂，尤其是生产用于注塑料的高型号树脂（SG7和SG8树脂），更显出其独特的优势，并实现全过程自动化控制。从运输条件来考虑，直径Φ4500mm以内可以采用平板车运输，运输较为容易。从制造费用上比较，100M3聚合釜制造费用不高于400万元/台，而70 M3聚合釜制造费用约为270万元/台，比较经济。从生产强度上来看，该聚合釜单釜生产设计能力达到4.0万吨/年，20万吨/年聚氯乙烯生产装置可以采用一条生产线控制，可以很好地满足目前国内新建或扩建PVC装置大型化的需要。100 聚合釜外观图见图1 1. 2聚合釜换热方式的选择与优化

聚合釜的换热能力的大小决定釜的生产能力，聚合釜的传热过程为：

Q=K×F×ΔT

Q－为换热量；K－传热系数；F—换热面积；ΔT－换热的温差

从公式1.1可以看出聚合釜的换热能力取决于三个因素即传热系数、换热面积、换热的温差。

聚合釜的大型化的一个主要问题就是，当釜的直径增大时，其实际釜壁厚度必须增加，否则所制造的釜就达不到同样的耐压等级。一般氯乙烯单体聚合的最高温度选定为80℃，对应的蒸汽压力为1.5Mpa，考虑到安全系数，一般悬浮法聚氯乙烯聚合釜的设计最高工作压力定为2.5 Mpa。 我国聚氯乙烯树脂标准有8个牌号，SG-8树脂的反应温度最高一般为65～67℃，对应的压力为1.15～1.20 Mpa，其实际工作的最高压力不超过1.20 Mpa，聚合釜的设计最高工作压力可以定为2.0 Mpa。例如70 M3聚合釜的直径为3.81M，如果使用不锈钢和碳钢的复合钢板的厚度为3＋27mm，而100

M3聚合釜的直径为4.25M，如果使用复合钢板的厚度为3＋30mm，100 M3聚合釜壁的传热系数比70M3传热系数降低7％。因此，当聚合釜的体积增大时，直筒段夹套和风头的总换热能力降低很多，表面积与体积比例从1.26降为1。如果不从工艺方面采取措施（如设置釜顶冷能器等），聚合反应时间将会增加25％。

换热夹套方式可以分为传统的釜外冷却夹套方式和釜内换热夹套方式，釜外夹套冷却方式具有制造简单，釜的内壁即承担承重的任务也要承担换热的功能，由于内壁较厚其换热能力较低；釜内换热夹套方式制造要求高，釜自身和反应物料的重量由釜外壳来承担，釜内壁的任务只是起到隔绝冷却介质和换热的功能，可以很大程度的减少釜内壁的厚度，提高传热系数，提高聚合釜的生产强度。目前德国的Vinnolit公司130m3半管式釜内夹套聚合釜已经投入使用，150m3半管式釜内夹套聚合釜研制成功，由于其换热面积和传热系数提高，传热能力较高，可不用釜顶冷凝器，来满足生产的要求，但其制造难度大，制造费用太高，限制了其应用。德国Vinnolit公司的半管内夹套式聚合釜见图2

图2 德国Vinnolit公司的半管内夹套釜结构图

上海森松和北京化二的技术人员对于聚合釜换热方式进行了研究。针对夹套的方式进行了比较，认为使用釜内夹套应用于悬浮法聚氯乙烯聚合釜是可行的。

对外夹套结构而言，釜体壁厚是影响传热的主要部分占总热阻的56%以上，因此减少金属壁厚的热阻是提高聚合釜传热效率的主要方向，但釜体壁厚受压力和材料强度的制约，无法进一步减薄。

100 M3聚合釜采用不锈钢复合钢板内夹套结构的聚合釜型，可以兼顾解决了聚合釜强度和传热的问题。使得夹套内的冷却水与釜内的介质仅隔几毫米厚度，金属壁厚的热阻大大下降，提高了釜的传热系数。另外，全流通螺旋夹套结构传热面积达到最大化。

上海森松和北京化二的技术人员对于夹套的方式进行比较，重点对于以下四种方式进行了研究，换热内夹套的方式：图2螺旋导流板全流通夹套结构，图3为半圆管夹套结构，图4为角钢全流通内夹套结构，图5为半管层叠焊接全流通内夹套结构。

通过对于聚合釜夹套方式的研究，认为图5半管层叠焊接全流通内夹套结构是最为理想的釜内换热夹套结构，其换热面积最大，传热系数最高，但对于制造水平要求高，制造成本较高，防粘釜技术水平与之配套较为困难，存在一定的风险。100m3聚合釜采用图2和图4为120MM条型复合钢板（3+8mm）焊接而成为全流通结构或角钢全流通内夹套结构,设计的传热系数均可以达到1074Kcal/m2.h.℃,是釜外夹套的1.4倍,其综合性能最佳，解决了诸多技术难点，比较适合目前中国的现状，应用前景广阔。1.3搅拌器和内冷挡板的选择

搅拌器的作用：搅拌器设计是一个工程理论和实际经验的结合，到目前还没有一个理论公式可完全精确地描述搅拌流场的状况。搅拌流场是决定PVC树脂性能的主要因素。搅拌流场是由循环流量和剪切强度组成。循环流量可以使用轴向循环次数和径向循环次数来表征。实验中可以用示踪粒子的径向和轴向运行轨迹的循环次数统计规律来定量，循环量的大小是一个比较数据，很难用一个绝对的数值来表示，循环流量的大小对于传热和水油分散与混合起着重要的作用；剪切强度主要由搅拌器和釜内挡板的相互作用提供，为悬浮液中的物质之间提供传质并且使悬浮液滴VCM提供破碎和聚集的能量。釜内挡板起到了破坏和改变流场状况，强化剪切强度和提高流场的剪切性能的作用。剪切强度一般使用单位体积的搅拌功率来表征。

单位体积的搅拌功率越大，剪切力越强，分散剂使用量相对减少，配方中的分散剂使用与搅拌形式密切相关。分散剂的品种和使用量必须与搅拌器的型式相匹配一致，才能生产出优质的产品。

搅拌浆安装位置：搅拌形式按其安装位置划分为顶伸式搅拌器和底伸搅拌器。顶伸式搅拌器是普遍采用的一种搅拌形式，由于搅拌轴较长，轴的底部设有固定轴瓦，容易产生塑化皮子。大型反应釜一般采用底伸式搅拌器，与顶伸式搅拌比较，搅拌轴短和细，一般只有顶伸式的1/3，可以节约电能，但其制造水平要求高，尤其是搅拌轴密封系统要有不间断的水冲洗，防止物料的沉积。100 M3聚合釜的设计采用底伸式搅拌形式，采用双端面平衡型机械密封，密封环隙处配置注水系统，可以有效防止悬浮物的沉积。

浆叶形式：聚合釜的搅拌浆叶的形式多种多样，采用何种形式的搅拌叶要根据釜形状、长径比、挡板形式等因素考虑。在聚合反应中，搅拌叶对悬浮物料起着混合和分散的作用，直接关系到颗粒的形态、产品质量、分散剂的用量、传热效果等因素。搅拌器性能和效果的体现，主要决定于搅拌转速、几何尺寸和形状等，所以搅拌器的设计是一个复杂的课题。100 M3聚合釜的设计采用单层四叶涡轮平浆叶。

搅拌速度：搅拌的转速对于悬浮液的流场的状态起到至关重要的作用，搅拌转速越高，流场的混合和剪切就越强，但转速太高将会导致电力能源的消耗浪费。悬浮液体系随着聚合反应阶段的不同，粘度逐渐变稠，所需要的搅拌强度也应该逐步加强。根据反应原理，选用一个变频器控制搅拌的转速，在不同反应阶段，控制不同的搅拌转速，达到聚合反应的最佳效果。

变频器：变频器技术是集电力技术、微电子技术、控制技术为一体的先进、成熟、可靠的自动化技术。变频器的工作原理是：通过微电子器件、电力电子器件和控制技术，将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流电，在由GTR、IGBT等逆变为频率可以调节的交流电源，此电源在驱动电动机。采用变频调节技术后，电机定子电流下降，电源频率下降，电机运转状况明显改善，延长了使用寿命，降低了设备的维修费用，转距大，启动电流小、软启动和停止对于电网无冲击。在大力提倡节约能源的今天，使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术与一体的高科技节能装置，对于提高劳动生产效率，降低能耗具有重大的现实意义。

现有70 M3聚合釜搅拌电机功率为160KW，实际输出功率在80～100KW之间，随着转化率的提高，体系粘度的上升，搅拌功率呈上升趋势，一般不会超过100KW；105

M3聚合釜搅拌电机功率为315KW，而实际105 M3聚合釜的最大实际输出功率不超过210KW，127M3聚合釜电机功率为310KW，135 M3聚合釜电机功率为335KW。通过对100 M3聚合釜的搅拌轴功率计算与实际的经验相结合，将电机功率选定在250～280KW较为合理。

100 M3聚合釜的设计增加了变频器，可以将搅拌转速控制在30～65 r/min之间。

内冷挡板：釜内挡板的设计原则主要从三个方面考虑。从传热角度考虑，内冷挡板（管型）越多，传热面积越大，对于聚合的传热越有力，反应时间越短；从搅拌功能角度考虑，适度的安装档板，可以改变流体的状况，增加剪切强度，有力于悬浮液的分散和混合；从聚合反应防粘釜角度考虑，内冷挡板越少越好，最好不设内冷挡板，釜内结构越简单越好。

100 M3聚合釜经过搅拌模拟试验和参考实际的生产经验，综合多种因素，选定在釜内设有两块三角型内冷挡板，由于其换热面积只有4M2，对于换热效果可以忽略不计，挡板与釜壁联结在一起，没有任何死角，釜内平滑通畅，可以很好地满足氯乙烯悬浮聚合反应的混合、剪切和循环的要求，保持釜内物料呈良好的悬浮状态的同时，又可以兼顾防粘釜的问题。

1.4釜顶冷凝器

使用大型聚合釜，可以采用微机控制，批次之间树脂质量稳定，且消耗定额低。但采用大聚合釜技术后，聚合釜的除热问题一直没有彻底解决。为获得最佳热平衡，国外在聚合釜外增加了回流冷凝器，显著提高了聚合釜的除热能力。对釜顶回流冷凝器有两种不同的观点。一种观点认为冷凝器内增加了防粘问题。冷凝器通常是多管型的，安装在聚合釜顶部，含有氯乙烯单体的蒸汽从反应混合物中升入冷凝器，冷凝成液态，在没有保护胶的情况下，落入聚合釜中，会使生产的树脂凝胶量增加；另一种相反的观点则认为回流冷凝器对氯乙烯单体与水的共沸混合物的除热是非常有效的，这些冷凝液滴落到聚合釜中以后，在有搅拌的条件，不会影响聚氯乙烯树脂的质量。

100M3聚合釜釜顶冷凝器面积,根据循环水冷却水的温度不同面积，一般设计为140～200m2。同时采用回流冷凝器时，将体系内的氮气和不凝性气体排净，防止惰性气体聚集在冷凝器的顶部，影响冷凝效果的发挥。在配方设计中尽量不使用带有挥发性的引发剂或溶剂，防止釜内雾沫夹带而使冷凝器堵塞。为防止在冷凝器内产生粘壁物，提高换热速度，净化由回流冷凝器净化的部分冷却的单体和水蒸汽，在转化率达40～70%时，为储存冷凝氯乙烯单体提供了回收槽。另外将回流冷凝器的温度要控制在比聚合釜低10～15℃，以防止回流冷凝器和聚合釜之间联接处产生结垢物问题。1.5釜上关键配件的选择

100M3聚合釜设计采用电动驱动的喷淋阀和专用柱塞式出料阀。 喷淋阀有气动和电动两种驱动，目前电动驱动的喷淋阀基本上取代了气动驱动的喷淋阀。电动驱动的特点是工作平稳、准确，可进行微机程控远距离控制；喷淋阀配有过载、短路、断路等保护装置，使用的安全可靠性大大加强；喷淋阀丝杠处安装了防止操作人员误操作造成超行程的防锁死装置，问题处理完毕后，打开防锁装置可继续使用，不影响生产。

电动驱动喷淋阀的原理是：当操作人员给出一个指令后，喷淋阀电动机（或气马达）开始按要求旋转，当减速机输出轴转动时，它所提供的扭矩与阀杆上的切向摩擦力产生的防转扭矩等值，由这个扭矩通过丝杠产生的推力大于轴向摩擦力，因此在非极限位置时，阀杆及喷淋管做直线运动（此时阀门上的扭矩取决于轴向摩擦力）。当阀杆运动到开极限位置时，因阀杆直线运动受阻，扭矩达到切向摩擦力所能提供的最大值而开始旋转（此时阀门上的扭矩取决于切向摩擦力）密封堵头打开，喷淋管伸出，随着其伸出长度加长，喷淋角度逐渐扩大，高压水（或涂壁液）从喷淋管的夹缝喷出来，形成球状喷射，清洗或涂覆釜内各角落。喷淋阀平面图见图6。

目前专为聚合釜配套的柱塞式出料阀有气动和电动两种形式，大部分用户采用电机驱动。电机装置同时配备“短路” 、“断路”、“过载”等，综合保护器可调节，性能安全可靠。由于采用柱塞式结构，所以在开闭过程中运行平稳，密封性能好，阻力小，同时柱塞与釜口平齐，不会留下死角，避免对树脂质量造成影响。电动出料阀的技术参数见表1

型号

减速机

驱动方式

电机转速(r/min)

电机型号

1390

1390

单重(kg)

适用温度(℃)

-10～300

-10～200

出料阀

1：43

电动

出料阀

1：40

电动

YB2-90L-4

253

YB2-80

71

电动专用柱塞式出料阀是手动出料阀的更新替代产品，它通过电力控制，电机带动减速机里蜗轮和蜗杆及阀杆的旋转，使阀门中的柱塞做上下往复直线运动，通过行程开关控制柱塞移动的距离，达到阀开、阀关的目的，起到物料排放的作用。出料阀平面图见图7。

1.6 聚合釜的安装

聚合釜的安装涉及到建筑物的结构，是设计聚合釜重要组成部分，是一个主要应考虑的问题。70 M3聚合釜采用挂耳式支撑，受力点在建筑物7.8米处。100 M3聚合釜采用裙座式支撑，考虑釜底部的搅拌器和电机的位置、直径较大的出料管道的安装位置、出料泵和出料过滤器等设备的安装位置，将釜的裙座支撑在4米的高的建筑物框架上。

2. 工艺技术的设计

2.1生产单元的划分

100M3聚合釜生产装置的界区范围，包括从单体储存、配料、聚合、汽提和干燥至成品的包装。当建设规模为10～12万吨/年聚合装置时，配料系统、聚合、汽体系统和干燥系统建设为一条生产线，当建设规模为20万吨/年聚合装置时，一般采用5台聚合釜组成一条生产线、二条汽体和二条干燥生产线，整个工艺流程按功能划分为以下单元：

A单元：单体装卸和贮存单元

B单元：氯乙烯单体和无离子水储存加料单元

C单元：分散剂、引发剂及其它化学助剂的配制，贮存和加料单元

D单元：防粘釜剂的配置、涂布、废水处理及高压水清釜

E单元：聚合

F单元：氯乙烯单体的回收

G 单元：尾气处理单元

H单元：离心脱水

I 单元：成品干燥

K单元：成品包装 2.2聚合周期

聚合周期也称为聚合批次时间，它是标志聚合生产技术的一个重要指标，是由聚合反应时间和聚合辅助时间构成的。一般将聚合周期分为三个阶段六步骤。（1）入料前的检查和涂壁；（2）加料；（3）冷搅和升温，（4）聚合反应；（5）终止反应和出料；（6）回收排气。100 M3聚合釜的聚合反应周期的设计值6.5小时以内，每台釜每天至少可以生产3.75个批次，具体时间分配如下：表1－1聚合周期的设计和图1.2聚合反应周期示意图。

表2 聚合周期的设计

1.批次检查和涂壁

2.入料

3.冷搅和升温

4.聚合反应

5.出料

6.回收排气

聚合周期

设计值

10

28

0

300

28

20

384（6.4min

期望值

7

20

0

290

25

15

min

小时）

357（6.02小时） 2.2.1聚合批次检查和涂壁

批次检查是聚合反应批次开始前对于进入界区内公用工程条件、各种设备的初始条件进行检查，当各种条件满足入料要求时，可以允进行下一步的程序。

涂壁是将一种防粘釜涂料均匀的喷涂到釜的内壁上，起到防粘釜的效果。VCM聚合时会产生粘釜的现象，低聚合度的PVC粘结在釜内壁上，影响聚合反应的传热，不仅导致生产能力下降，而且会严重的影响产品质量。清理粘釜物会延长辅助时间，降低生产装置的开工率。100M3聚合釜采用三个喷淋阀对釜的内壁进行全方位的喷涂。其中一个小喷淋阀设置在釜顶冷凝器的顶部，主要解决釜顶冷凝器的粘结问题，在釜的顶部封头装有两个180?对称的大喷淋阀，对于100釜的内壁进行全方位的喷涂，没有任何死角。喷淋阀的另外一个作用是使用1.5～2.0Mpa高压水对釜进行清洗。

防粘釜涂料采用α－奈酚与甲醛缩聚物（n=3～4）为主，通过与其他功能助作进行复配后制成水溶液，使用0.5～0.6Mpa蒸汽作为动力和分散载体对于釜进行喷涂。为了保证涂壁效果，使涂壁液在蒸汽中完全雾化，蒸汽和涂壁液要控制一定的比例和一定的流量。一般涂壁液与蒸汽的比例控制在1：1～2之间。涂壁液的压力为0.8～1.2范围内，涂壁液流量控制在0.1～0.15Kg/s范围内。100M3聚合釜内没有内冷管和其他任何构件，不存在任何死角，使得涂壁效果比起其他釜型更好。涂壁过程中，控制搅拌器缓慢转动，使混合涂壁液弥漫在釜内空间，不留死角。在涂壁过程中，可以在釜夹套内统入冷却水降温来提高涂壁的效果。本装置的涂壁程序的全部由DCS完成，当一个批次完成之后，使用1.8MPa高压水将釜内壁冲洗干净，待釜内回收VCM程序将釜压降至到0.05Mpa时，可以启动涂壁程序。涂壁过程中的防粘釜涂料的总用量和流速、蒸汽流量、釜内壁温度等由程序按照要求进行控制。涂壁程序完成后使用冲洗水将釜内多余的涂壁液冲洗干净，以免污染树脂。

北京化二股份有限公司经过多年的生产实践摸索，合成和筛选了涂壁剂的品种、改进了喷涂装置，匹配了聚合配方、优化了防粘釜工艺参数等，从全方位的系统集成了一套较为完整的防粘釜工艺技术，基本做到了不粘釜和免清釜。

2.2.2入料

聚合反应按照反应的特点分为连续聚合和间歇聚合反应。悬浮法聚氯乙烯聚合反应是一个间歇反应，每循环一个周期反应称之为一个批次过程。防粘釜技术的进步，可以使聚合釜几百釜不开釜盖清洗，使聚合全部密闭化成为了可能。密闭化入料技术是聚合全过程密闭化的一个重要组成部分。密闭化入料工艺技术主要由助剂溶液化配制技术、贮存技术、计量技术和加入技术组成。

引发剂、分散剂、终止剂及其他助剂配制成为易于贮存和加料的溶液型助剂是比较关键环节。助剂配制配方与聚合反应配方都是聚氯乙烯生产工艺技术的重要组成部分，二者之间紧密相关。助剂配制配方的主要任务是将商品的化学品进行溶解、分散、稀释或加入其它功能助剂进行复配的过程。例如40%商品EHP引发剂必须贮存在-25℃以下的低温条件下，而通过加入无离子水、稳定剂、分散剂、消泡剂等功能性助剂，按照配方要求的浓度配制成均匀溶液，使其贮存温度在－5℃的条件下，保持10天不会失效。稀释后的引发剂溶液粘度发生了变化，更有利于计量和加料，浓度的降低将会弱化由于计量误差引起的总量误差。

助剂的配制是由人工操作来实现的，操作人员按照助剂配制配方指示单的要求工作，配制完成后，分析指标，将其输入DCS。DCS根据输入的数据，经过计算按照聚合配方使用量，自动加入各种助剂。

2.2.3升温和等温水入料

如果采用常规的釜内升温聚合工艺，100 M3聚合釜从环境温度升温到反应温度至少在45分钟以上，在寒冷的冬季釜外壳体散热较快，升温聚合釜内物料约1.5小时，所以大型反应釜采用常规的釜内升温反应是不可取的。100 M3聚合釜生产工艺采用等温水入料，升温时间基本为零，可以有效的将辅助时间缩短，提高聚合釜的利用率。

等温水加料工艺就是加入的所有物料经过混合后的温度正好是聚合设定的反应温度，即水和VCM单体同时加入，水作为连续相从釜底加入，单体作为分散相从釜顶加入。冷无离子水和热无离子水按照比例加入到釜内，当加料结束时，釜内温度达到反应温度。从分散机理看，等温水入料工艺没有升温的过程，可以有效的防止单体浸润釜壁，有利于提高防粘釜效果，又使单体在加料过程中均匀地分散在水中，缩短了辅助时间，提高了聚合釜的生产强度。

2.2.4聚合反应

聚合反应是聚氯乙烯生产的关键单元，DCS在反应过程中自动控制聚合反应的温度，使其轴向和径向的温度控制在±0.1℃，聚合过程不停的向釜内注水，保证聚合釜的填料系数不变，监测聚合搅拌轴的功率、温度、压力、循环水的温度和流量，对用监测的数据进行计算并与动力学、热力学模型进行比较判断聚合反应是否正常。

2.2.5出料和排气

DCS系统会自动判断一个聚合反应周期的终点，当聚合反应满足设定的三个条件中的二个条件时DCS认为达到了聚合反应终点。（1）聚合压力降（一般0.03～0.06MPA之间）；（2）设定的最小反应时间（3.5～5小时以上）；（3）聚合转化率（80～90％之间）。

聚合出料会自动进行，未反应的单体一部分在聚合釜内回收，还有一部分未反应单体从出料槽内回收。

从聚合釜、出料槽、浆料汽体塔和废水汽体塔回收的VCM单体，首先经过汽液分离器，除去夹带的粉末，在经过循环水冷却的1＃冷凝器，液化大部分VCM单体，再经过使用冷冻水的2＃冷凝器除去其余的VCM单体。从2＃冷凝器出来的含有VCM单体6～8％的尾气可以使用吸附装置吸附达到36mg/l.排放标准。

2.3配方的设计

聚合配方的设计对于聚合反应的影响很大，适宜的生产配方不仅是保证聚合反应的正常进行与获得质量优良的产品，而且也是降低消耗定额和降低成本的手段之一。各公司都将聚合生产配方作为企业的核心技术来管理，将其作为企业的专有技术和企业机密来控制。

在实际生产中，根据生产季节变化、单体的质量状况，原辅材料的质量和公用工程的条件等因素，需要技术人员灵活地调节，以获得一个适合生产需要的配方。

悬浮法聚合配方很多，使用的原料、助剂的品种和工艺条件不同，生产工艺配方互有差别，但就总体而言，配方的内容主要包括：（1）填料系数；（2）反应温度和压力；（3）单体与水的比例；(4)分散剂用量；（5）引发剂用量；（6）终止剂用量；（7）其他助剂用量（如链转移剂、抗静电剂、缓冲剂，消泡剂，润滑剂等）；（8）转化率；（9）出料压力。

聚合釜内所有加入物料的体积之合与釜的有效容积的比值就称为填料系数。填料系数越高说明加入的物料就越多，釜的利用率就越高，但填料系数值达到一定数值后，气相空间相对减少，安全性难以保证，一般悬浮法聚氯乙烯生产的釜的填料系数设计值在85％左右。

水油比是配方设计中需要研究的一个重要因素，水油比也就是初始加入无离子水的体积与加入VCM单体的体积之比。水油比值越低，也就是加入的单体量越多，也就越能提高聚合釜的生产强度，但过低的水油比将会使反应热量难以移出，而且及易产生爆聚反应。水油比也是随着技术进步而不断发展的一个过程，从最初的2﹕1到现在的可以达到1﹕1。一般大釜比小釜的水油比低。

2.4生产强度

生产强度是单位体积的聚合釜在单位时间内可以生产多少树脂量，是一个综合性的技术指标，体现了生产技术的水平。目前国外最高的聚合生产技术可以达到每年600吨/m3PVC树脂，国内70m3聚合釜生产强度一般可已达到280吨/m3，使用的较低循环水温度（例如不高于5℃循环水），生产强度可以达到350吨/m3。100 M3聚合釜设计的生产强度为400吨/m3。

2.5反应中途注水

氯乙烯单体在悬浮聚合过程中，随着聚合反应的进行，氯乙烯单体变成了聚合物，相对密度（比重）发生了变化，由0.9左右提高到1.3左右，引起物料体积收缩，造成反应釜气相空间加大，减少了可用于聚合反应的单体量。同时体积收缩使浆料粘度增大，液相体积减少，导致有效的传热面积的缩小，反应热难以移出。采取反应中途注水工艺技术可以解决此类问题。

反应中途注水的工艺是根据反应状况在反应过程的某一阶段用泵向釜内注入一定量的水，以保持物料体积恒定。其目的是填补体积收缩产生的气相空间，最大限度地利用釜的传热面积，同时使釜内物料体系的粘度不升高，以达到强化传热的目的。通过填补体积收缩产生的气相空间，维持了气相空间，保持了VCM分压，使树脂的转化率相应提高。

反应中途注水技术已经是悬浮法聚氯乙烯生产中不可缺少的生产环节，经过多年的生产实践和实际经验的积累，已经成为了聚氯乙烯生产通用技术。但对于注水量、注水起止时间的控制仍然需要根据具体情况进行调节，以满足生产的实际需要达到最佳注水效果。

3.6转化率和出料压力

聚合转化率是指聚合反应中聚合物占所加入单体质量的百分比。随着反应的进行聚合转化率不断的提高。较高转化率可以降低生产助剂成本，但当聚合反应的转化率达到85％以后，聚合反应速率明显降低，因此追求高的转化率将会延长聚合反应时间，降低聚合釜使用率。高转化率生产出的树脂还会导致树脂的增塑剂吸收率降低，影响产品的质量。综合多种因素考虑，一般将转化率控制在85％～90％之间比较适宜。

实际生产中聚合转化率可以根据反应热放出量的多少，计算聚合转化率。

当聚合转化率达到80％以后，聚合釜的反应压力将会逐步降低，根据反应压力的变化可以推算出转化率。实际生产中一般压力降达到0.05Mpa时，终止聚合反应。

3. 经济比较和发展前景

2003年以来，随着化工产品市场全面回暖，国内各地纷纷新建和拟建大批化工项目，聚氯乙烯由于除了石油路线外，还另有电石路线可走，因此更成为投资的热门。国内出现了多原料路线齐上、东西并举的PVC的热潮。许多新企业进入聚氯乙烯行业，并迅速成长起来，跨入大型集团行列。行业内竞争日趋激烈，竞争优势将更多地体现为规模优势。采用100M3聚合釜及成套工艺技术，在目前国内聚氯乙烯生产企业建设大规模生产装置（20万吨以上/年）中具有较好的综合经济效益。以某企业建设40万吨/年聚氯乙烯生产装置为例，采用70M3聚合釜，需要20台（每台价格约为270万元），而采用100 M3聚合釜，只需要10台（每台价格约为400万元），设备投资上可节省约1400万元，同时聚合釜上的安全阀等配件也相应减少。更重要的是，40万吨/年聚氯乙烯生产装置，采用70M3聚合釜需要同时重复建设4条生产线，而采用100 M3聚合釜，只需要2条生产线，不但节约了建设投资，而且给操作控制上带来了方便，减少了生产运行的费用。同时对产品质量上的控制也提供了更好的保证。采用100 M3聚合釜可以生产产品质量稳定的聚氯乙烯高型号树脂，更好地满足下游加工企业的需要。建设40万吨聚氯乙烯生产装置（仅聚合部分）经济比较见表3。

表3 建设40万吨聚氯乙烯生产装置（仅聚合部分）经济比较表

项目

聚合釜数量及投

70 M3聚合釜

5400万

100 M3聚合釜

备注

投资约资 20台

釜上阀门及配元 10台

每套约

可节省设备投资约

投资约4200万元

万元

1200100-150万件 20套

电器部分

元

20

10套

套

至少可节约600万元

套

10

节约50％电器设备

占地面积

单台釜占地约

单台釜占地约

聚合釜可节省占地面积54M2

——

63M2

——

约450M2

减少

DCS控制点

50％控制点

随着国内聚氯乙烯行业的越来越激烈，小规模聚氯乙烯生产装置将越来越表现出不经济性，考虑到今后国内新建聚氯乙烯生产装置规模至少将在20万吨以上/年，100

M3聚合釜及其成套工艺技术具有极大的推广应用前景。由于引进国外100 M3以上聚合釜及成套工艺技术设备费用和技术费用相当昂贵，在今后较长一段时期内，建设20万吨以上/年聚氯乙烯生产装置，国产化100 M3聚合釜及其成套工艺技术应该是企业的理想选择。

4.结论

聚合釜的大型化，每釜生产的产量大，克服了小釜生产出的聚氯乙烯树脂质量不稳定的缺陷，大釜比小釜的产量批次较少，树脂之间的差异减少，质量更加均匀和稳定。同样规模的装置，采用大型釜，较容易实现DCS控制。鉴于当前国内聚氯乙烯行业发展的情况，采用100M3聚合釜，可以节省设备投资和建设投资，减少生产运营费用，有效降低产品生产成本，可以大大提高国内聚氯乙烯生产企业的市场竞争能力，为国内聚氯乙烯生产企业扩大产品规模、调整产品结构等创造了有利的条件。100M3聚合釜的研制和成套工艺技术的开发，在国内聚氯乙烯生产史上具有划时代的历史意义和深远影响，将极大地推动国内PVC行业的技术进步和长远发展。

[参考文献]

[1] 邴涓林，朱平，金永利，李承志.国内PVC大型聚合釜技术发展动态

[2] 上海森松新型PVC聚合釜产品资料

[3] 聚氯乙烯生产与加工应用手册

[4] 焦振江，杨洪斌，孙学武.70M3聚合釜专用柱塞式放料阀的进展与应用[J].聚氯乙烯，2005，（6）：42

[5] 焦振江.生产PVC专用喷淋阀的技术进展与应用[J].聚氯乙烯，2005，2）：42

（