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如何了解PTFE微粉蜡
如何了解PTFE微粉蜡
什么是PTFE微分蜡？PTFE又是什么呢？
（Polytetrafluoroethylene，简写为PTFE，一般称作“不粘涂层”或“易清洁物料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种的特点，几乎不溶于所有的。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作作用之余，亦成为了易清洁水管内层的理想涂料。
PTFE的用途很广：
1.可用于棒、管、板、电缆料、生料带等材料的制作，经二次加工还可制成薄板、薄膜及各种异型制品，还可用作润滑剂、稠化剂。
2.可作为、橡胶、涂料、油墨、润滑油、润滑脂等的添加剂。
3.可推压成型制成薄壁管、细棒材、异型棒材、电线电缆绝缘层、滚压成薄带作管道丝扣密封材料。
4.用于、电子、化工等工业，用于喷涂、浸渍等。
5.用于制浸渍涂料。
6.可制成棒、板、管材、薄膜及各种异型制品，用于航天、化工、电子、机械、医药等领域。
7.可制成高绝缘性电器零件、耐高频电线电缆包皮、耐腐蚀化学器皿、耐高寒输油管、人工器官等。
8.用于电池、纤维布等。
9.可制、管板棒、轴承、垫圈、阀门及化工管道、管件、设备容器衬里等，用于电器、化工航空、机械等领域。
10.主要用于电气工业，在航天、航空、电子、仪表、计算机等工业中用作电源和信号线的绝缘层、耐腐、耐磨材料。
11.代替石英应用于原子能、医学、半导体等行业的超纯化学分析和贮存各种酸、碱、有机溶剂。
同时，PTFE的优点有很多：
耐高温——使用工作温度达250℃。
耐低温——具有良好的机械韧性；即使温度下降到-196℃，也可保持5%的伸长率。
耐腐蚀——对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。
耐气候——有塑料中最佳的老化寿命。
高润滑——是固体材料中摩擦系数最低者。
不粘附——是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。
无毒害——具有生理惰性，作为和脏器长期植入体内无不良反应。
电绝缘性——可以抵抗1500伏高压电。
那么作为PTFE蜡粉，又会有什么样的作用呢？
首先，我们要弄懂什么是蜡粉。蜡粉，外观是白色粉状的超细改性微粉化PE蜡。
蜡粉的特点是：
1.超细改性微粉化PE蜡，提供极佳的和优良的消光性、透明性和手感。
3.粒径小，好、防结块性佳。
4.能显著减少胶印过程中堆墨或刷涂中现象。
适用范围：
体系、油墨、工业烤漆、聚酯烤漆
聚四氟乙烯蜡粉可以作为添加剂用于涂料中，提高其脱模性能，抗表面摩伤性，润滑性，耐化学腐蚀性，耐候性和防水性。也可用来改善油漆与涂料的表面结构，提高光泽度。
聚四氟乙烯蜡粉可以作为抗磨剂用于油墨中，能够提高耐磨损性，润滑性，表面光华度，也可以改善结块和光泽度。
聚四氟乙烯蜡粉是提高油和油脂高低温润滑剂的理想添加剂。可添加到高粘度的特种润滑剂（全氟聚醚油，硅树脂，氟硅氧烷，烃类润滑剂）中。能够提高润滑剂的使用寿命和润滑性能，特别是在高温和腐蚀环境中。
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如何了解PTFE微粉蜡
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年产5000吨聚四氟乙烯生产车间工艺设计
广西工学院毕 业 设 计 说 明 书课题名称 英文名称系 专 班 学 姓别 业 级 号 名指导教师年月日广西工学院毕业设计(论文) 毕业设计(论文)任务书I课题名称系 专 班 学 姓别 业 级 号 名指 导 教 师 (签 字 ) 教研室主任( 签 字 ) 系 主 任( 签 字 )年设计课题：月日年产 5000 吨聚四氟乙烯生产车间工艺设计 主要内容及表现形式： 生产方法及工艺生产路线的确定；II工艺流程设计； 工艺计算； 主要设备的工艺计算及设备选型； 车间布置设计； 绘图：绘制带控制点的工艺流程图；车间平、立面布置图；主要设备图。 撰写说明书。 基本要求： 基本要求： 论证设计方案；掌握设计的方法及原则；掌握工艺计算的方法和原则；掌握化 工绘图的要求和标准，所绘制的图中既有手工图，又有计算机绘图；掌握投资与成本 估算、价格估算和经济评价的基本内容和主要方法；对水、电、汽等公用工程有所了 解；能提出对环保、安全措施的要求；初步掌握撰写设计说明书的基本内容和要求， 说明书字迹工整，最好打字；并附有一份 3000 字符的有关外文文献及译文。 四、完成期限 第 1～3 周：查阅资料文献，选择生产方法，确定工艺路线，写出开题报告； 第 4～11 周：工艺设计计算及绘图； 第 12～13 周：说明书撰写； 第 14 周：答辩。摘 要本设计的目的是， 设计由四氟乙烯聚合生产聚四氟乙烯的车间生产工艺。 设计中，III简述了由四氟乙烯聚合生产聚四氟乙烯的基本流程，通过选定合适的车间生产工艺参 数、反应条件，按照一定的产品质量标准以及生产技术指标对反应过程所涉及到的各 种物质进行物料和能量的衡算，并在此基础上对生产中所涉及的各种生产设备的参数 进行计算和设备选型。本设计的反应流程为，以液态四氟乙烯为原料，首先通过气化 设备使其汽化，然后通过预热器预热到 100℃，之后便以 1.15m/s 的初速度进入固定 床反应器中进行聚合反应，从固定床反应器中出来后的气固混合物，利用旋风分离器 分离出产品，原料气回流入固定床反应器。产品经过流化床干燥器干燥、降温得到供 包装出售的乙烯成品。反应温度为 100℃，单程转化率为 3.6%，总转化率 100%。关键字：四氟乙烯，聚合，固定床反应器，车间设计AbstractThe purpose of this design is the design produced by the polymerizationIVof tetra fluoroethylene PTFE workshop production process. Design, outlined by the production of Teflon PTFE basic process of polymerization, a suitable workshop production by the selected process parameters, reaction conditions, according to certain standards of product quality and production technical indicators on the reaction process involved various substances for material and energy balance, and on this basis, involved in the production of various production equipment and the equipment selection parameters were calculated. The design of the reaction process is, as raw material in liquid tetra fluoroethylene, first through the gasification equipment to vaporize, and then through the pre-heater heated to 100 ℃, after they have to 1.15m / s initial velocity into a fixed-bed reactor in the polymerization reaction, out from the fixed bed reactor after the gas-solid mixture, the use of cyclone separation of the product, raw gas back into the fixed bed reactor. Product after drying fluidized bed dryer, cooling be for sale vinyl packaging products. Reaction temperature is 100 ℃ , the conversion rate of 3.6% one-way, the total conversion rate of 100%.Keywords: Keywords PTFE, polymerization， reactor, plant designV目 录摘 要 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? III Abstract ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? IV 1 绪论 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.1 概述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.1.1 聚四氟乙烯性质 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.1.2 聚四氟乙烯用途及应用前景 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 1.1.3 世界聚四氟乙烯发展概况 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 1.1.4 我国聚四氟乙烯发展前景 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 1.2 设计任务和内容 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 1.3 生产方法和工艺流程的设计原则 ????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 1.4 计算机在车间设计的应用 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 2 生产方案及流程的确定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 10 2.1 工业中生产聚四氟乙烯的常用方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????? 10 2.1.1 引发剂引发混合液聚合 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 10 2.1.2 热引发本体聚合 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12 2.2 生产方法的特点 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12 2.2.1 引发剂引发混合液聚合 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12 2.2.2 热引发本体聚合 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13 2.3 生产设备初探 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13 2.3.1 常用的反应器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13 2.3.2 换热器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 15 2.4 本设计的生产方法及流程 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 16 2.4.1 生产聚四氟乙烯工艺流程示意图 ???????????????????????????????????????????????????????? 17 2.4.2 生产工艺流程 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17 2.4.3 生产工艺流程的特点 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 18 3 物料衡算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 18 3.1 蒸发器及附属换热器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20 3.2 蒸汽动力压缩机 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 3.3 干燥物料衡算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21 3.4 物料衡算汇总表 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 4 能量衡算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 4.1 能量衡算说明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 4.2 蒸发器热量衡算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 4.2.1 蒸发热量衡算说明 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23VI4.2.2 蒸发热量衡算计算简图 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 4.2.3 设计计算的合理性讨论 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24 4.3 压缩机膨胀能量衡算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 4.3.1 压缩机膨胀热量衡算计算简图 ???????????????????????????????????????????????????????????? 25 4.3.2 气态四氟乙烯膨胀能量衡算 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 25 4.3.3 设计计算的合理性讨论 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 26 4.4 流化床换热器能量衡算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27 4.4.1 流化床换热的有关说明 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27 4.4.2 产品的初步冷却 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27 4.4.3 产品的完全冷却 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27 4.5 列管式固定反应器能量衡算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 28 4.6 凉水塔的能量衡算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 28 4.6.1 置换热量衡算说明 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 28 4.6.2 热量衡算计算简图 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 28 4.6.3 能量衡算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 4.7 能量衡算汇总表 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 5 主要设备工艺计算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30 5.1 列管式固定床反应器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30 5.1.1 工艺说明 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30 5.1.2 聚合反应机理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33 5.1.3 反应器的工艺计算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37 5.2 凉水塔 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 39 5.3 流化床干燥器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 42 5.3.1 工艺说明 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 42 5.3.2 物料和热量衡算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 44 5.3.3 流化速度的确定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 47 5.3.4 流化床层底面积的计算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48 5.3.5 干燥器高度 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 49 5.3.6 干燥结构设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 5.3.7 热风进出口接管直径的确定 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 51 5.3.8 卧式多室流化床干燥器设计计算结果明细 ???????????????????????????????????????? 52 6 附属设备工艺的计算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 54 6.1 蒸发器附属换热器及附属离心泵 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 54 6.2 四氟乙烯液体储罐 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 56 6.2.1 储罐罐体计算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 56 6.2.2 荷重计算 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 57VII6.2.3 地脚螺w和螺母 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 58 6.3 旋风分离器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 59 6.4 风机 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 59 6.5 空气加热器 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 60 7 车间布置设计 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 61VIII11.1 概述1.1.1 聚四氟乙烯性质绪论聚四氟乙烯（英文缩写为 Teflon 或[PTFE,F4]）：密度：2.1C2.3 g/cm3;,被美 誉为 “塑料王”，中文商品名“铁氟龙”、“特氟隆”（teflon)、“特氟龙”、“特 富隆”、“泰氟龙”等。它是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的化 学稳定性、 耐腐蚀性(是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一， 除熔融金属钠和液氟外， 能耐其它一切化学药品，在王水中煮沸也不起变化，广泛应用于各种需要抗酸碱和有 机溶剂的)、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力、耐温优异（能在 +250℃至-180℃的温度下长期工作） 聚四氟乙烯在-196～260℃的较广温度范围内均 。 保持优良的力学性能，全氟碳高分子的特点之一是在低温不变脆。 聚 四 氟 乙 烯 (F4,PTFE) 具 有 一 系 列 优 良 的 使 用 性 能 : 耐 高 温 ― 长 期 使 用 温 度 200~260 度，耐低温―在-100 度时仍柔软；耐腐蚀―能耐王水和一切有机溶剂；耐气 候―塑料中最佳的老化寿命；高润滑― 具有塑料中最小的摩擦系数（0.04；不粘性― 具有非常低的表面能、具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；无毒害― 具有生理惰性； 优异的电气性能， 是理想的 C 级绝缘材料， 报纸厚的一层就能阻挡 1500V 的高压；比冰还光滑。分述如下： 耐高温――使用工作温度达 250℃。 耐低温――具有良好的机械韧性；即使温度下降到-196℃，也可保持 5%的伸 长率。 耐腐蚀――对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各 种有机溶剂，不溶于强酸、强碱和有机溶剂（包括魔酸，即氟锑磺酸）以及强氧化剂 的腐蚀。除熔融的碱金属外，聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓 硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于 所有的溶剂，只在 300℃以上稍溶于全烷烃（约 0.1g／100g）。 耐气候――耐辐照性能和较低的渗透性；长期暴露于大气中，表面及性能保 持不变，有塑料中最佳的老化寿命；聚四氟乙烯不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极 稳定，所以具有优异的耐候性；限氧指数在 90 以下。 高润滑――是固体材料中摩擦系数最低者；它的摩擦系数极小，仅为聚乙烯 的 1／5，这是全氟碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低，所以聚四 氟乙烯具有不粘性。 不粘附――是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。 无毒害――具有生理惰性，作为人工血管和脏器长期植入体内无不良反应。 聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万以上，一般为数百1万（聚合度在 10 数量级，而聚乙烯仅在 10 ）。一般结晶度为 90～95％，熔融温度为 327～342℃。 聚四氟乙烯分子中 CF2 单元按锯齿形状排列， 由于氟原子半径较氢稍大， 所以相邻的 CF2 单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺旋状的扭曲链，氟原 子几乎覆盖了整个高分子链的表面。这种分子结构解释了聚四氟乙烯的各种性能。温 度低于 19℃时， 形成 13／6 螺旋； 19℃发生相变， 在 分子稍微解开， 形成 15／7 螺旋。 聚四氟乙烯材料，广泛应用在国防军工、原子能、石油、无线电、电力机械、化 学工业等重要部门。产品：聚四氟乙烯棒材、管料、板材、车削板材。聚四氟乙烯是 四氟乙烯的聚合物。英文缩写为 PTFE。结构式为 。20 世纪 30 年代末期发现，40 年 代投入工业生产。性质 聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万 以上，一般为数百万（聚合度在 104 数量级，而聚乙烯仅在 103）。一般结晶度为 90～ 95％，熔融温度为 327～342℃。聚四氟乙烯分子中 CF2 单元按锯齿形状排列，由于氟 原子半径较氢稍大，所以相邻的 CF2 单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺 旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面。这种分子结构解释了聚四氟 乙烯的各种性能。温度低于 19℃时，形成 13／6 螺旋；在 19℃发生相变，分子稍微解 开，形成 15／7 螺旋。431.1.2 聚四氟乙烯用途及应用前景目前 PTFE 微粉的制备与应用已经成为世界合成材料改性界的热点话题。PTFE 微 粉在台战材料、润滑油、印刷油墨、潦料等方面具有广泛的用遮。在合成材料方面， PTFE 微粉可用作合成材料的改性剂。据悉，月前世界市场上所有改进润滑件的工程颦 蚪几乎都掺加了 PTPE 超细粉或微粉，当前普遍应用是将 5％一 25％的 PTFE 微粉加入 聚碳酸酯、聚醛树脂，聚苯硫醚、聚乙惜．ABS 树脂、聚酉烯以厦乙丙橡皎、百土|橡 胶、氟橡胶、丁苯橡髓等，能改变这些材料所制备的零件的磨耗、摩擦和牯性滑动等 性能。德国赫斯特公司将 PTFE 微粉聚氯乙烯／氯化聚乙烯(CPE)的掺混物进行改性， 主要采用将 PTFE 微粉加人 CPE 中混匀，然后再与 PVC 进行掺混．这种改性 PVC／CPE 可以作为 PVC 硬质材料使用；NTN 公司利用直链型聚苯硫醚与碳纤维、PTFE 微粉共混 得到的掺混物具有理想的摩擦性能、熔体流动性和磨耗性能，用该材料加工成型的密 封件表现出优异的耐久性；Kinyosha 公司采用低分子量 PTFE 微粉对氟橡胶进行改性 后，作为滚筒不粘性涂层材料，有效地避免了以前氟橡胶难以掺混大量 PTFE，而且分 布难以均匀的缺陷；穴金公司开发出具有棱一壳结构构成的平均半径为 0 05―1Nm 的 PTFE 微粉粒子做防滴剂．可获得阻燃性树脂掺混物．该防燃剂微粒的芯部为高分子量 PTFE 微粉，而壳部为低分于量 PTFE 微粉．这种防滴剂防滴性能优良．可用于易燃热 塑性树脂中，可以获得加工性能、脱膜性能、舻观和阻燃件均优良的材料， 。用于家用 电器， 电子电器仪器零件的制备； 加入 PTFE 微粉， 能改善材料的高压、 高温润滑性能。 即使基础油流失，PTFE 微粉还能够起到润滑剂的作用。美国泰良公司用 PTFE 微粉加 入硅油、矿物油和石蜡油．能明显提高油的粘度，而且 PTFE 微粉的用量、取决于基础2油的粘度．所需要的润滑剂的稠度和应用领域．通常添加量为 5％～30％(质量百分 数)，PTFE 微粉加八脂、松香、矿物油，可以得到高质量润滑剂，目前广泛应用于球 轴承、耐磨轴承、润滑甘轨、阡式齿轮，化工设备扎门、精密加工亚面的密封膏等； 在印刷油墨监界观察方面，用 PTFE 微粉作添加荆。加胶版印刷、胶版印刷、柔性印刷 油墨。一般用量为固体的 0 1％～3％，可以明显改善油墨的滑动性、表面光滑性、光 泽、并使印刷产品耐摩擦，微粉还可以减少堵塞，适用于快速打印机的需求，而且可 以有效地避免纸张粘接。另外，当 PTFE 微粉与聚乙烯醇蜡混合使用的时侯．可以明显 改善其耐摩攘性能； 在涂料中加入 PTFE 微粉可以得到多种高性能的特殊涂料． 满足工 业发展对涂料工业的需求．而且微粉添加量最高可以达到 60％左右。主要作用是改善 涂料粘性及润滑性．降低摩擦系数并提高耐磨性，提高耐腐蚀性并减少吸潮．改善涂 料的喷射浇铸性能， 提高临舁膜厚度并改善其热成型性等。 加入 PTFE 微粉的涂料系列 主要有聚酰、聚醚砜以及聚苯硫醚等，他们在近 400qC 的高温烘烤后．仍然表现极好 的抗粘性，连续高温使用，性能不去发生变化。作为防粘涂料广泛应用于食品和包装 工业，也用于家用电器、炊具、防化学腐蚀的金凰零哗、汽车零部件等，尤其是汽车、 家用电器常良好的应用前景。此外，PTFE 微粉还可以像墨、二硫化钼一样做干润滑 剂．效果优良，与丙烷和丁烷混合在一起可作为不粘和抗磨喷射剂、火箭添加剂等。 四氟乙烯的聚合主要是在水介质中用特殊的引发剂和链终止荆．使四氟乙烯单体 聚合。有时还要加入一些共聚单体．得到水分散液，再进行凝聚、干燥等．一般得到 平均粒径为 4-8nm 的微粉， 常用的分散剂为全氟辛酸盐． 引发剂为过硫酸铵、 乙烷等． 链 终止剂选用乙烷、氯仿等．加人的共聚单体主要为 A 氟丙烯等。 聚四氟乙烯的机械性质较软，在温度 -20～250℃（-4～＋482°F） ，允许骤冷 骤热，或冷热交替操作。它的产生解决了我国化工、石油、制药等领域的许多问题。 聚四氟乙烯密封件、垫圈、垫片. 聚四氟乙烯密封件、垫片、密封垫圈是选用悬浮聚 合聚四氟乙烯树脂模塑加工制成。聚四氟乙烯与其他塑料相比具有耐化学腐蚀与的特 点，它已被广泛地应用作为密封材料和填充材料。 用作工程塑料，可制成聚四氟乙烯管、棒、带、板、薄膜等。一般应用于性能要 求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀门以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。 分散液可用作各种材料的绝缘浸渍液和金属、玻璃、陶器表面的防腐涂层等。各种聚 四氟圈、聚四氟垫片、聚四氟盘根等广泛用于各类防腐管道法兰密封。此外，也可以 用于抽丝，聚四氟乙烯纤维――氟纶（国外商品名为特氟纶）。 目前，各类聚四氟乙烯制品已在化工、机械、电子、电器、军工、航天、环保和 桥梁等国民经济领域中起到了举足轻重的作用。 聚四氟乙烯(PTFE)使用条件行业 包括 化工、石化、炼油、氯碱、制酸、磷肥、制药、农药、化纤、染化、焦化、煤气、有 机合成、有色冶炼、钢铁、原子能及高纯产品生产（如离子膜电解），粘稠物料输送 与操作，卫生要求高度严格的食品、饮料等加工生产部门。 聚四氟乙烯由四氟乙烯经自由基聚合而生成。工业上的聚合反应是在大量水存在3下搅拌进行的，用以分散反应热，并便于控制温度。聚合一般在 40～80℃，3～26 千 克力／厘米 2 压力下进行，可用无机的过硫酸盐、有机过氧化物为引发剂，也可以用 氧化还原引发体系。每摩尔四氟乙烯聚合时放热 171.38kJ。分散聚合须添加全氟型的 表面活性剂，例如，全氟辛酸或其盐类。 虽然在全氟碳化合物中碳碳键和碳-氟键的断裂需要分别吸收能量 346.94 和 484.88kJ／mol，但聚四氟乙烯解聚生成 1mol 四氟乙烯仅需能量 171.38kJ。所以在高 温裂解时，聚四氟乙烯主要解聚为四氟乙烯。聚四氟乙烯在 260、370 和 420℃时的失 重速率 （％） 每小时分别为 1×10-4、 4×10-3 和 9×10-2。 可见， 聚四氟乙烯可在 260℃ 长期使用。由于高温裂解时还产生剧毒的副产物氟光气和全氟异丁烯等，所以要特别 注意安全防护并防止聚四氟乙烯接触明火。1.1.3 世界聚四氟乙烯发展概况世界 1992 年 PTFE 的生产能力约为 5.5 万吨，其中西欧能力最大，为 1.7 万吨， 日本次之，为 1.4 万吨，美国为 1.4 万吨，其余国家约 1 万吨。1995 年，世界 PTFE 生产能力约为 6.5 万吨左右。 近年来世界 PTFE 树脂的生产能力有所增长， 但各生产商更注意提高热塑性氟树脂 (FEP、PEA 等)的生产能力。日本大金公司美国分公司在美国阿拉巴马州的迪卡特 (Decatur)新建 2270 吨／年 PTFE 等生产装置，已于 1994 年 1 月全部投入生产，可生 产 PTFE 模压料、 细粉和分散液以及 TFE 单体等。 它还在美国纽约州 Qrageburg 建立了 美国总部和技术中心，目标是占领美国 30％的氟聚合物市场。杜邦公司是世界 PTFE 最主要的生产商之一，市场占有率为 50％，最近在俄罗斯投资生产 PTFE，其生产能力 为每年 3000 吨 PTFE。 英国氟聚合物加工协会曾预测，
年世界 PTFE 需求将以平均每年 5％的 速度增长，英国的生产能力为每年 8000 吨 PTFE。 由于世界经济的影响，1992 年以来，PTFE 的消费有所下降。据报道，1991 年世 界 PTFE 总需求量约为 42000 吨， 1992 年为 37300 吨。 而 1993 年世界氟树脂销量为 54000 吨，其中 PTFE 为 40040 吨，产品分为悬浮聚合树脂、分散法聚合树脂、浓缩分散液三 类。它们的构成比分别为 52％、28％、20％。 全球有氟树脂生产厂家 20 多家， 遍布世界十几个国家。 经过 20 世纪 80 年代较快 速的发展之后，目前发展速度有所减缓，2000 年世界氟树脂生产能力约为 10 万吨， 2005 年生产能力稳步上升到 12-14 万吨； 其中 70％左右为聚四氟乙烯(PTFE)。 目前世 界氟树脂主要生产厂家有美国杜邦公司、英国 ICI 公司、日本旭硝子和大金公司等， 它们的年生产能力为 3000 吨至 2 万吨不等。 PTFE 的主要消费对象仍是化学工业、汽车制造和电子工业。美国是 PTFE 消费量 最大的地区，约占 40％；其次是西欧市场，约占 30％左右；再次是日本，约占 15％ 左右。4日本在发展氟产品上虽然比美国晚 10-20 年，但其充分利用自身的技术特长，十 分重视高附加值产品和品级的开发，目前无论产量、品种和技术水平都属先进之列， 是国际 PTFE 市场上强有力的竞争对手。据日本通产省统计，1958 年日本氟树脂年产 只有 11 吨，到 1992 年已达 16510 吨，其中 PTFE 产量约占 70％。 目前，日本 PTFE 的生产能力已超过国内的销售量并向远东、欧美不断扩张。单位: 表 1 1995 年世界 PTFE 主要生产商 单位:吨/年 国名 美国 英国 德国 日本 日本 日本 意大利 共计 生产商 Du pont(杜邦) ICI 赫斯特公司 Du Pont-Mitsui(杜邦-三井) 大金公司 旭硝子公司 Ausimont 装置能力
103 9771.1.4 我国聚四氟乙烯发展前景我国是一个氟化钙（CaF2，俗称萤石）资源非常丰富的国家，储量居世界首位， 萤石储量约占世界总储量的 1／8，年开采量为 200 万吨左右，是世界上最大的萤石出 口国。中国氟塑料加工业经过 40 年的发展，目前正在从以生产半成品为主，逐步向为 汽车、电子、化工、机械、建材、环保、纺织、食品等领域提供高附加值配套制品过 渡，部分国产制品已可替代进口，并有相当数量正在走向国际市场。这是中国塑协氟 塑料加工专委会秘书长陈生日前在接受记者采访时所透露的信息。 在线国际商报讯 1994 年中国聚四氟乙烯产能突破 1．5 万吨后，随着世界氟化 工行业七强之一的日本大金工业株式会社在江苏常熟投资 13．3 亿元建设的聚四氟乙 烯装置的陆续投产，再加上山东东岳集团等黑马企业的相继扩产，1995 年中国聚四氟 乙烯的总产能有可能突破 3 万吨，而世界聚四氟乙烯的年产量约为 6 万吨。 近年来，中国经济持续快速增长，为氟塑料制品提供了广阔的市场空间。其中， 聚四氟乙烯产量比 10 年前增长了 500％，2005 年其制品产量达到近 3 万吨。此外，可 熔融加工氟塑料制品产量也在近几年快速增长。目前，国内氟塑料加工企业约有 1000 家，企业规模正在逐年扩大，年销售产值超过百亿元人民币。同时，中国氟塑料制品 出口年均增长率达到 20%，PTFE 零件、浸渍产品、自润滑产品、密封制品、电线电缆、 泵阀等制品的出口也形成了一定规模。 近几年来，我国含氟聚合物产业发展十分迅速，目前已形成上海三爱富、浙江巨5化、江苏梅兰、四川晨光、山东东岳、济南三爱富等 7 家国 内企业及常熟大金一家 日资企业；主要产品为 PTFE、FEP、PV DF 和以偏氟乙烯和六氟丙烯共聚的二元氟 橡 胶。合氟聚合物总产能已由 2000 年的 11170 吨／年扩大至 2007 年的 72800 吨／年， 年均递增 30.7％(见表 2) ，其中氟树脂产能 6600 吨／年，氟橡胶产能达 6800 吨／ 年(以上统 计未计入常熟大金)；总产量 2000 年的 9 200 吨增长至 2007 年的 48500 吨年均增长 268％，其中氟树脂产量 44500 吨， 氟橡胶产量 4000 吨 ( 见 表 3) 。含 氟聚合物产业在产品总量、品种及质量上已基本能满足国内机械、石化、航空航天、 汽车、电子等行业需求。我国也已成为与美国、日本、欧盟并列的四大含氟聚合物生 产基地及消费市场之一。 21 世纪初以来，我国 PTFE 行业步人快速发展阶段，总产能迅速增加。2000 年我 国 PTFE 总产能为 10130 吨／年，到 2007 年已增长至 61000 吨／年，增长 5 .0 2 倍； 产量也 由 2000 年的 8400 吨增加到 2007 年的 42000 吨，增长 4 倍，年均增长率约 258％。我国也一跃成为全球主要的 PTFE 生产国和供应国。2007 全国 PTFE 表观消费 量约 3.6 万吨。 随着产量的不断增加， 我国 PTFe 出口量也 2000 年的 3700 吨增长至 2007 年的 12604 吨，增长 3.67 倍。但我国产品只在低端领域具有一定竞争力，而在加工深 度、技术要求以及产品附加值更高的中高端市场仍被国外企业占据。由于国内产品在 品种和牌号方面尚不能满足国内市场需 求，我国 PTFE 进口量已由 2000 年的 2399 吨 增长至 2007 年的 6843 吨，增长 1.85 倍。年我国主要氟聚合物生产企业产能（ 吨每年） 表 2 2007 年我国主要氟聚合物生产企业产能（单位 ：吨每年） 单位 上海三爱富 山东东岳集团 江苏梅兰集团 四川晨光化工研究院 浙江巨化集团 济南三爱富 阜新氟化学 浙江化工研究院 小计 聚四氟乙烯
00 ― 61000 熔融性氟树脂 1900 6OO 200 ―
氟橡胶 0 3000 一 一 ― 一 68O0近几年我国主要氟聚合物产量（ 表 3 近几年我国主要氟聚合物产量（单位 ：吨 ） 年份
2002 聚四氟乙烯
14000 熔融性氟树脂 252 322 3886氟橡胶 490 500 730合计
42000504 824 0000 l955l
通过自主创新和引进吸收，中国氟塑料制品应用领域得到不断拓展，全行业已经 基本掌握了门类齐全的氟塑料加工技术，企业拥有了相当数量的高、精、尖专用生产 设备。同时，产能的不断扩大和竞争日趋激烈，使市场划分不断细化，越来越多的企 业从半成品转向终端制品及与汽车、机械、纺织、建筑、化工、电子等领域直接配套 产中国在含氟高分子材料和精细化工品方面却没有自己的优势.而近年来， 国外著名的 氟化工企业纷纷来中国投资新建氟产品深加工项目，开始从对中国萤石资源的竞争转 向对中国氟深加工产品的竞争。 在世界萤石三大资源国中，中国是开采量、出口量最大的，但是只作原料出口利 润是很低的。尽管中国氟化工具有得天独厚的资源优势，但在氟化工产业不断增长的 同时，也显现出了其分布不均匀、小而多、竞争力不强的问题，特别是许多企业科技 投入不足、工艺落后品的生产。氟塑料制品品种也更加丰富，传统的聚四氟乙烯板、 管、棒、膜在规格和质量稳定性方面均有所提高；螺纹密封用聚四氟乙烯生料带的生 产已基本达到国际水平，产量超过世界总需求量的 50％，是氟塑料制品中最大出口品 种；聚四氟乙烯在电子行业中的应用增长迅速；PTFE 双向拉伸薄膜成为近年来发展较 快的产品；可熔融加工氟塑料线缆发展已形成区域优势；氟塑料泵阀正在向智能化发 展，衬里制品质量逐年提高。 未来 5～10 年，中国氟塑料加工业将在产品性能提升、新品开发、新领域拓展等 方面有所突破。氟塑料加工企业进一步向规模化、专业化发展，行业整体加工能力有 望大幅提升。 产品市场竞争初起中国的氟化工经过 50 余年的发展， 已经形成了一支集研究、 开 发、设计为一体的生产队伍，具有一定的竞争力，特别是在氟基础化学品氢氟酸、氟 制冷剂的产能方面已让国外企业不容忽视。目前有机氟材料特别是氟塑料在化工新材 料中占据的地位及其作用越来越显著，已广泛应用于机械、电子、电器、汽车、石化、 航天航空等领域，但等。尤其是高品质的聚四氟乙烯都要进口，故开发出优质高效的 工艺显得十分重要。 本设计生产的聚四氟乙烯微粉结晶度高．分散性好、易十与其他材料均匀混台等 优点，广泛应用于台成材料的共混改件，可以明显提高基材的润滑性、耐磨性、不牯 性和阻燃性．此外还可以作为润滑油、涂料等的添加剂。71.2 设计任务和内容根据世界聚四氟乙烯的概况及我国聚四氟乙烯的发展，确定设计的任务为：年产 5000 吨聚四氟乙烯工艺设计。聚四氟乙烯设计任务要体现国家有关方针政策，切合实 际，安全实用，技术先进，经济效益好。对于工程项目，不论是大型还中小型也不论 是新建项目，其基本建设的首要任务就是设计工作。对于一个车间的设计工作一般包 括整体设计和局部设计。整体设计包括有总平面、工艺、给排水、供电、土木建筑设 计等等,同时还包括车间地址选择，生产检测与控制仪表，环境保护，生产组织与劳动 定员， 技术经济与概算等内容。 局部设计是指设计的范围不涉及整个车间的全部内容， 而只是其中的某个部分，甚至某一个设备或某一个设备的设计。1.3 生产方法和工艺流程的设计原则生产方法和工艺流程的设计总体上要遵循以下几个原则 （1）先进性 先进性主要指技术上的先进和经济上合理可行。具体包括基建投资、产品成本、 消耗定额、劳动生产率和销售状况等方面的内容，应该选择物料消耗小、循环料小、 能耗少回收利用好的生产方法。 （2）可靠性 可靠性是指所选择的生产方法和生产工艺流程是否成熟可靠。如果采用的技术不 成熟，就会影响车间的正常生产，甚至不能投产，给经济和资源造成极大的浪费。为 此，对于还在试验阶段的新技术、新工艺、新设备应该谨慎对待。要防止只考虑新的 一面，而忽略不成熟、不稳妥的一面，应坚持一切经过试验的原则，不允许把未来的 车间当做试验车间来进行设计。另外，对生产工艺流程的改革也应该采取积极而又慎 重的态度。 （3）结合国情 中国是一个发展中的社会主义国家。在进行车间设计时，不能单纯从技术观点考 虑问题，应该从中国的具体情况出发考虑各种具体问题。根据以往的设计工作体会， 化工工艺流程的改革也应认真考虑以下几个问题。 ①中国人民的消费水平及各种化工产品的消费趋势。 ②中国化工机械设备及电气仪表的制造能力。 ③中国化工生产所用的化工原料剂设备所用金属材料的供应情况。 ④中国环境保护的相关规定和化工生产中三废排放情况。 ⑤劳动就业与化工生产自动化水平的关系。 ⑥资金筹措和外汇储备情况。 ⑦车间的设计还应考虑满足生产聚四氟乙烯的特殊工艺要求。 上述三项原则必须在技术路线上和工艺流程选择中全面衡量，综合考虑。一种技8术的应用应有其优点，也有其短处。设计时必须采取全面分析比较的方法，并根据建 设项目的具体要求选择其中不仅对现在有利，而且对将来工艺技术改造或升级有利， 尽可能的发挥有利的一面，设法减少不利的因素。另外，设计的技术经济指标以达到 或超过国内同类型车间的实际平均水平为目标。1.4 计算机在车间设计的应用随着科学技术的迅速发展，计算机在化工生产车间的设计中得到广泛的应用。在 化工生产车间的设计中常会遇到复杂的生产工艺物料衡算、能量衡算、设备工艺及设 计计算、管道设计及计算和大量耗时费力的绘制各种设计图纸的工作。计算机在化工 中的应用能够较简便的解决上述所遇到的问题，代替繁琐的人工计算和绘图，可使计 算和绘图正确、可靠，对有误设计图纸能够迅速改正。另外，计算机辅助设计 CAD （Computer Aided Design）能按照 P}ID 图上显示的设计意图和相关的设计、标准、 规范剂工作经验要求，在 CAD 系统上建立化工装备的软模型，然后进行碰撞、缺漏检 查、应力分析等，最后输出施工图纸、材料报表及相关的设计文档，还有一些计算机 软件，通过建立模型及输入相关生产装置运行参数，可以模拟车间实际生产情况及生 产中会遇到的实际问题等。总之，合理利用计算机，可使设计人员能从总体设计和生 产装置的安装工程上进行详尽周密的考虑，总体上确保车间设计的准确、安全、高效。92生产方案及流程的确定2.1 工业中生产聚四氟乙烯的常用方法聚四氟乙烯(PTFE)树脂具有耐酸、耐碱、耐高温、自润滑性等优异性能被广泛地 应用于化学工业、机械工业、电子工业及航天航空等领域。聚四氟乙烯树脂可通过本 体、 悬浮、乳液、溶液聚合方式获得。目前国内的聚四氟乙烯的生产通常用的方法主 要有如下几种方法：2.1.1 引发剂引发混合液聚合工业上主要采用悬浮聚合和乳液聚合 ，乳液聚合在工业上称为“ 分散聚合”。 悬浮聚合法比较成熟，是工业上合成 PTFE 的主流方法。悬浮聚合 得到的聚四氟乙烯 树脂可成型加工， 而分散四氟树脂不能成型加工，但用分散涂料的方法加工或转为 粉 状用于糊状挤出；反之，悬浮四氟树脂不能进行糊 状挤出或涂布。悬浮四氟树脂和分 散四氟树脂品质 的差异是由于它们的颗粒尺寸、 粒径分布以及颗粒 形态不同所致， 前者颗粒粒径为毫米级，而后者粒径为亚微米级(250―350nm) 。聚四氟乙烯难熔，流 动性差， 其颗粒粒径大小和颗粒形态对熔融流动性以 及其加工性能和制品性能有重要 影响。乳液聚合生 产的“分散四氟树脂”的粒子粒径尺寸小、粒径分布合理、粒子形 态可控，因此加工性能和制品性能好。 四氟乙烯(TFE) 分散聚合机理 TEE 分散聚合机理类同于乳液聚合，但经典乳液聚 合理论， 如 Harkins 与 Smith―Ewart 理论等并不完全适用于 TFE 分散聚合。经典乳 液聚合理 论认为水相自由基扩散到胶束，引发增溶单体而形 成乳胶粒子，乳胶粒子 通过由单体液滴补充的单体进行聚合而不断增长。 Kim 等认为： TFE 分散聚合的引发阶 段是由溶解在水相的单体与水相自由基反应， 形成聚合物链， 并沉淀成为乳胶粒子核， 乳胶粒子核通过分散 在水相中形成的气泡直接与其相接触并发生链增长 反应而增 长， 这是由于 FIFE 非常规整，一旦形成颗粒后其结晶度可高达 90％以上，因此分散 PTFE 粒子有很强的刚性，硬度很大，使得以后的单体不能扩散到颗粒内部进行反应， 而只能在粒子表面进行聚合。 朱友良认为 PTFE 的分散聚合过程分两步： 单体 TFE 溶于 水的传质过程和 T F E 稀水溶液聚合反应过程。这两个过程串联，当 TFE 溶解速度较 慢，低于聚合速率时，成为传质控制；当 TFE 溶解速度足够快时，则成为动力学控制。 不论是聚合工艺 和聚合动力学研究需要， 还是 PTFE 的性能控制要 求和为了提高聚合 效率都应在动力学控制的条件下进行 PTFE 的合成。 TFE 分散聚合工艺过程主要由聚合、除蜡、凝聚浓缩等工序组成。TFE 分散聚合与 悬浮聚合的体系不同，通常由单体、水、乳化剂、稳定剂及其它添加剂组成。TFE 分 散聚合反应前，先往聚合釜中加入无离子水、乳化剂、引发剂等助剂后，关闭聚合釜， 进行保压试验，合格后用高纯氮气置换以清除釜内氧气，经多次重复抽真空，直至聚 合釜内氧含量低于 20mg／L 为止。慢慢通人 TFE 单体直至聚合压力，聚合釜开始慢慢10升温，使聚合釜内保持所需的温度，聚合期间连续补加 TFE 以维持恒定的聚合压力。 当釜中通人定量的 T F E 后，停止进料，将釜中剩余的 TFE 经碱洗和干燥后返回单体 储罐。 聚合反应后得到的分 散液呈白色乳状。 聚合反应开始后， 可以根据不同的目的， 追加单体、引发剂、链转移剂以及乳化剂。 （1）乳化剂 P T F E 的表面能低，乳液聚合形成的 PTFE 颗粒的表面具有很强的拒油、拒水特 性， 传统乳化剂( 如 硬脂酸钠等) 的亲油基不能吸附在 PTFE 粒子表面，因而，不能 用于 TFE 乳液聚合。长期以来，工业上四氟乙烯等氟烯烃的乳液聚合一般采用全氟烷 酸或其盐作为乳化剂来实施含氟烯烃的乳液聚合，例如全氟辛酸铵，通常使用这些乳 化剂是因为其产生多 种有利的特性，例如：快速聚合、氟烯烃与共聚单体 具有良好 的共聚性能、 可以使分散体中的颗粒达到 较小的粒度、聚合产率高、良好的分散稳 定性等。但 是杜邦的 Teflon 不沾锅涂料风波的焦点是怀疑全氟辛酸铵有致癌作用， 在人体内易积累， 而且污染环境。杜邦等各大公司纷纷作出承诺，尽快淘汰用全 氟 辛酸铵作乳化剂或助剂生产氟树脂和氟材料制品 的技术，不再使用和排放全氟辛酸 铵。 聚四氟乙烯的颗粒形态、粒径及其分布对树脂的加工性能和制品性能都有重要影 响， 因此在分散聚合中如何控制 P T F E 分散体的粒子形态是非常重要的。在不同 的聚合条件下， T F E 分散聚合可以形成六角形、棒状和近球形三种形态的乳胶粒。 Kim 等 研究了用全氟辛酸铵为乳化剂的四氟乙烯的乳液聚合， 当乳化剂的浓度接近或 超过临界 胶束浓度时形成以棒状为主的乳胶粒， 当乳化剂浓 度低于临界胶束浓度时， 球形乳胶粒占主体。Luhmann 等实验发现，在转化率很低时，低分子量的 PTFE 分散粒 子易集结成六角形分散形态而表面活性剂的链长和浓度增加有利于六角形乳胶粒的形 成；经过较长时间的聚合后，乳胶粒形态以球状粒子为主，这也被 Rahl 钊等的实验 结果所证实。当表面活性剂浓度接近或大于 CMC 时，在整个聚合反应过程中，m E 粒 子都以棒状粒子为主。Chanzy 等认为球状粒子由棒状粒子发展而来，起先形成棒状粒 子，棒状粒子在表面活性剂作用下保持稳定。只要表面活性剂包住增长的棒状粒子， 粒子就按这个模式增长。当表面活性剂浓度下降，粒子改变为球状粒子。 从 TFE 水性分散液中除去乳化剂在随后使用含氟乳化剂的分散体过程中，乳化剂 会进入环境中，污染了环境，而且价格昂贵。人们必须研究如何从水性氟聚合物乳液 中去除或者回收含氟乳化剂。Klaus 热浓缩分散液时，在 p H 值 & 4 的条件下，在 非离子型乳化剂( 如烷基芳基聚乙氧基醇)存在下从氟聚合物分散体中除去全氟辛酸 (PFOA) ，由于全氟辛酸挥发性高，可以通过蒸气蒸馏完全除去乳化剂。高挥发性是含 氟链烷羧酸乳化剂， 是全氟辛酸的一个特别特征。 代替羧基的氟化乳 化剂 含 有其 它 可 离 解 的基 团如-SO3 H 和-SO2H，它们不能充分的以游离酸的形式蒸气挥发， 除 去这类乳化剂， 阴离子交换法是比较合适的。Hermann 也揭示了从 TFE 聚合物分散液 中如何除去含氟乳化剂，先向分散液中加入非离子型乳化剂，再通过离子交换树脂除11去含氟乳化剂。 （2） 链转移剂 在 PTFE 聚合物的制备中，作为链转移剂，可以使用公知的物质，例如，环己烷、 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异戊烷、正己烷等饱和烃类，一氯甲烷、二氯甲 烷、 氯 仿、四氯化碳等卤代烃类，甲醇、乙醇、异丙醇、叔丁醇等醇类， 以及氟代碳碘化物 等。优选使用在常温常压下为气体状态的物质。 （3）稳定剂 作为反应体系的分散稳定剂还可以使用饱和烃类， 其实质上无反应活性， 在反应 条件下成液体状态，碳原子数大于等于 12 ，例如，石蜡、硅油等。稳定剂可以一种 单独使用或两种以上组合使用。稳定剂的使用量以所使用的水的质量基准计算，优选 0 .1％-12％，最好在 0.1％―8％。作为调节反应中 pH 值的缓冲剂，可以添加碳酸铵、 磷酸铵、磷酸氢二钠等。 （4） 引发剂 聚合引发剂采用水溶性自由基引发剂或水溶性 氧化还原体系引发剂， 水溶性自由 基引发剂， 例如， 过硫酸铵(APS)、 过硫酸钾(KPS )等过硫酸盐， 过氧化二丁二酸( DSP)、 过氧化二戊二酸、叔丁基过氧化氢等有机过氧化物。氧化还原体系引发剂，例如， K2S2O8/Na2SO3、K2S2O8／NaHSO4／FeSO4、 K2S2O8/ Na2SO3/AgNO32.1.2 热引发本体聚合由于四氟乙烯的氟取代基电负性很强，氟将炭原子的电子电荷吸走，使得双键几 乎裸露，并且氟原子半径小，使得四氟乙烯较易聚合；因而可以在稍高温度下热引发 进行本体聚合。这样可以克服溶液聚合的操作复杂等缺点。并且由本体聚合得到的聚 合物无杂质，品质较好。2.2 生产方法的特点2.2.1 引发剂引发混合液聚合工业上主要采用悬浮聚合和乳液聚合 ，乳液聚合在工业上称为“分散聚合”。悬 浮聚合法比较成熟， 工业上合成 PTFE 的主流方法； 此法较为成熟， 生产工艺较为系统， 生产路线比较有保障。 通过 TFE 分散聚合，可制得耐候性、耐水性、耐污染性、耐化学药品性等优良的 PTFE 乳液，已在许多重要领域获得应用。国外在含氟聚合物乳液的合 成、 应用方面 做了大量的工作，取得了长足的进步，含氟聚合物乳液及其应用的专利不断出现，其 中有些已获得了工业应用。 无论悬浮聚合还是乳液聚合都属于混合液中聚合，虽然水对四氟乙烯的加聚反应 干涉不大，但高浓度的水或许会有少部分加成在聚四氟乙烯链上，这样在使用过程中 可能会脱除氟化氢。脱除的氟化氢在光的、热的作用下分解出部分弗原子会引起聚四12氟乙烯断链的连锁反应，使得产品很快；老化。此外，在混合液的聚合过程中还加入 了很多助剂，这些都对最终聚四氟乙烯产品的质量产生不好的影响。最后，该方法的 操作比较复杂，也是一个比较明显的缺点。2.2.2 热引发本体聚合由于四氟乙烯的氟取代基电负性很强，氟原子将碳原子的电子电荷吸走，使得双 键几乎裸露，并且氟原子半径小，使得四氟乙烯较易聚合；因而可以在稍高温度下热 引发进行本体聚合。这样可以克服溶液聚合的操作复杂等缺点。并且由本体聚合得到 的聚合物无杂质，品质较好。 此法的特点是操作简单、所值得产品质量较好。其缺点是传热不很方便，温度的 控制要求较为严格。基于以上特点，工业上应用也不是很多，此法的工艺路线不很完 善，给设计工作带来了一定的挑战。2.3 生产设备初探2.3.1 常用的反应器1 固定床反应器及其优缺点 凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都称为固定床反应 器，列管式固定床反应器基本结构如图右所示。而其中尤以利用气态的反应物料，通 过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为广 泛。气固相固定床反应器的优点主要表现在以下几个方面： (1)在生产操作中， 除床层极薄和气体流速很低的特殊情况外， 床层内气体的流动 皆可看成是理想置换流动，因此化学反应速度较快，在完成同样生产能力时，所需要 的催化剂用量和反应器体积较小。 (2)气体停留时间可以严格控制， 温度分布可以调节， 因而有利于提高化学反应的 转化率和选择性。 (3)催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。 (4)适宜于高温高压条件下操作。 由于固体催化剂在床层中静止不动，相应地产生一 些缺点： (1)催化荆载体往往导热性不良， 气体流速受压降限 制又不能太大，则造成床层中传热性能较差，也给温度 控制带来困难。对于放热反应，在换热式反应器的入口 处，因为反应物浓度较高，反应速度较快，放出的热量 往往来不及移走，而使物料温度升高，这又促使反应以 更快的速度进行， 放出更多的热量， 物料温度继续升高， 直到反应物浓度降低，反应速度减慢，化热速度超过了反应速度时，温度才逐渐下降。13所以在放热反应时， 通常在换热式反应器的轴向存在一个最高的温度点， “热点&。 称为 如设计或操作不当，则在强放热反应时，床内热点温度会超过工艺允许的最高温度， 甚至失去控制而出现“飞温” 。此时，对反应的选择性、催化剂的活性和寿命、设备的 强度等均极不利。 (2)不能使用细粒催化剂，否则流体阻力增大，活性内表面得不到充分利用。 (3)催化剂的再生、更换均不方便。 固定床反应器虽有缺点，但可在结构和操作方面做出改进，且其优点是主要的。 因此，仍不失为气固相催化反应器中的主要形式，在化学工业中得到了广泛的应用。 例如：石油炼制工业中的裂化、重整、异构化、加氢精制等；无机化学工业中的合成 氨、硫酸、天然气转化等：有机化学工业中的乙烯氧化制环氧乙烷、乙烯水合制乙醇、 乙苯脱氧制苯乙烯、苯加氢制环己烷等。 2 流化床反应器的优缺点 流化床反应器是利用固体流态化技术进行气固相反应的装置。 其结构如下图所示。 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体从而使颗粒具有类似于流体的某些宏观表现特性， 这种流固接触状态称为固体流态化。化 学工业广泛使用固体流态化技术进行固 体的物理加工、颗粒输送、催化和非催 化化学加工。流化床反应器的优点主要 表现为： (1)由于可采用细粉颗粒， 并在悬浮 状态下与流体接触， 流固相界面积大(可 高达 m2／In3)，有利于非 均相反应的进行，提高了催化剂的利用 率。 (2)由于颗粒在床内混合激烈， 使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致， 床层与内 浸换热表面间的传热系数很高【200．400W／(m2?K)】 ，全床热容量大，热稳定性高， 这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重 要原因之一。 (3)流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可 以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应一再生、吸热一放热、正反应一逆反 应等反应耦合过程和反应一分离耦合过程得以实现，使得易失活催化剂能在工程中使 用。 (4)流体与颗粒之间传热、传质速率也较其它接触方式为高。 (5)由于流一固体系中孔隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化， 以致在 很宽的范围内均能形成较浓密的床层，所以流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备 生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。14由于固体催化剂在床层中流动态的，相应地产生一些缺点： (1)气体流动状态与活塞流偏离较大， 气流与床层颗粒发生返混， 以致在床层轴向 没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良， 使反应的转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。 (2)催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。 (3)由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。 虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果 是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热 效应很大的大规模生产过程特别有利。 20 世纪 40 年代之前，世界上所有乙烯几乎都从乙醇脱水而来，但后来由于石油 工业裂解工艺的发展以及石油廉价的优势， 乙醇制乙烯法逐渐发展缓慢， 直到 70 年代 后，乙烯价格的飞涨使得人们又开始关注由乙醇脱水制乙烯的工艺。本设计中，采用 废糖蜜发酵所得的乙醇，经过蒸馏使之成为乙醇一水混合蒸气，该乙醇一水混合蒸气 继续加热到 150～350℃后进入固定床反应器，在应器中经催化剂作用得到粗乙烯，粗 乙烯冷却后，使用气液分离装置去除其中沸点大于 70℃组分得到乙烯气体，乙烯气体 依次通过洗涤、干燥和精制等工艺，然后得到成品的乙烯。该法降低了乙烯生产综合 能量的消耗，减少固定资产的投入，促进了经济与环保的和谐发展，提高了生物法制 备乙烯的经济竞争力，具有良好的工业应用前景。2.3.2 换热器换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门 的通用设备，在生产中占 有重要地位。 化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器 等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本 上可分为三大类，即间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用 最多。在选择换热器时，我们将考虑流量、温度、经济等方面的因素。同时，在化工 生产中，由于流体的性质不同，我们也要根据其输送量和补加能量等特点选择合适的 离心泵来输送流体。 间壁式换热器有夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、喷淋式换热器、套管式换热 器和管壳式换热器等几种类型。其中管壳式（又称列管式）换热器是最典型的间壁式 换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史。 管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部 装有平行管束，管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种液体，一种 在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程成为壳程。管束的壁面即为 传热面。 为了提高管外流体给热系数，通常在壳体内安装一定数量的横向折流挡板。折流 挡板不仅可防止流体短路、 增加流体速度， 还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，15使湍动程度大为增加。 在管壳式换热器内，换热器内外流体温度不同，壳体和管束的温度也不同。如两 者温差很大，换热器内部将出现很大的热应力，可能使管子弯曲，断裂或丛管板上松 脱。因此，当管束和壳体温度差超过 50℃时，应采用适当的温差补偿措施，消除或减 小热应力。根据所采用的温差补偿措施，换热器可分为固定管板式、浮头式换热器和 U 型管式换热器三种。 换热器的设计型问题包含了一系列的选择。主要包括以下几个方面。 冷热流体通道的选择 （1）不洁净和易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便； （2）压强高的流体宜在管内，以免壳体承受压力： （3）被冷却的流体宜走壳程，便于散热。 流动方式的选择： 除逆流和并流之外，在管壳式换热器中冷、热流还可作各种多管程多壳程的复杂 流动。当流量一定时，管程或壳程越多，给热系数越大，对传热过程越有利。但是， 采用多管程或多壳程必导致流体阻力损失即输送流体的动力费用增加。因此，在决定 换热器的程数时，需权衡传热和流体输送两方面的得失。 换热器规格和排列的选择： 换热器直径越小，换热器单位容积的传热面积越大。因此，对于洁净的流体管径 可取得小些。但对于不洁净或易结垢的流体，管径应取得大些，以免堵塞。目前我国 试行的系列标准规定采用 Φ25mm×2.5mm 和 Φ19mm×2mm 两种规格。管长的选择是以 清洗方便和合理使用管材为准。我国的系列标准中管长有 1.5、2、3、4.5、6 和 9 m 六种。管子的排列方式有等边三角形和正方形两种。 折流挡板： 安装折流挡板的目的是为了提高管外给热系数，为取得良好效果，挡板的形状和 间距必须适合。我国系列标准中采用的浮头式挡板间距为：100、150、200、250、300、 350、450、600 mm 八种。 同时，我们在选择时，还必须考虑到管壳式换热器的给热系数、对数平均温差的 修正等因素。2.4 本设计的生产方法及流程由于四氟乙烯的氟取代基电负性很强，氟将炭原子的电子电荷吸走，使得双键几 乎裸露，并且氟原子半径小，使得四氟乙烯较易聚合；因而可以在稍高温度下热引发 进行本体聚合。这样可以克服溶液聚合的操作复杂等缺点。并且由本体聚合得到的聚 合物无杂质，品质较好。所以本设计采用热引发本体聚合制备聚四氟乙烯。 本课题的设计内容为年产 5000 吨聚四氟乙烯的生成车间工艺设计，其生产量较 大，更由于聚合反应的反应放热量大，为了使反应具有较大的传热面积，同时也为了16简化操作，实现自动化生产，本设计的主设备采用列管式固定床反应器。四氟乙烯气 体在列管式固定床反应器内进行热引发聚合。 由于气体的传热系数较少，若采用间壁式换热器加热原料气，则需要很大的换热 面，使得设备的投资让人难以接受；同时，由于本设计为四氟乙烯的热引发，其反应 温度比通常的引发剂聚合的为高，若采用电加热，其耗能很大，同样使得经济成本很 高；故综合考虑采用凉水塔直接接触原料气，并利用反应放热来加热原料气到反应温 度。 由于在加热时与水直接接触，使得一部分冷却水以水蒸气的形式进入原料，对聚 合反应造成一定的影响，但笔者认为还是可以接受的。因为进入的水汽少相比较于在 水溶液里进行聚合反应， 其杂质已大大减少， 故其产品质量还是大大高于乳液聚合的。 聚四氟乙烯产品具有超强的耐候性，故要将其干燥完全可以采取流化床干燥塔， 这样可以充分增大传热系数，以减少干燥设备的投资。2.4.1 生产聚四氟乙烯工艺流程示意图换 高压液 态四氟 乙烯原 气 料贮罐 去包装 常温产品 常 温 流 化 床 空 气 换热器 蒸发器 低温原料气 蒸 汽 动 力 压 缩 机 流 化 床 高温干燥产品 煤 燃 高温烟道气 烧炉 高温原料 热 器 凉 水 塔 列 管 式 固 定 床 残余原料气 反应器 流 旋 风 化 分 离废气 床低温原料 器 干 燥 器换 图1 聚四氟乙烯的简单工艺方案流程图 热 器2.4.2 生产工艺流程从生产工艺流程看聚四氟乙烯的生产工艺流程主要由绝热膨胀过程、加热冷却过 程、反应过程和干燥过程。聚四氟乙烯生产工艺流程和文中上述的本体聚合法中生产 聚四氟乙烯方法是相类似的，其主要过程为：常温高压的四氟乙烯液体从原料储罐中 流出，进入蒸汽动力压缩机做绝热膨胀做功，使得常温空气变为高温空气，过程放出 的热量可使空气温度由高温干燥产品进行初步加热的空气继续加热到到 200℃左右。 可以用来干燥产品。17具体过程为高压液态四氟乙烯原料， 通过减压在蒸发器变成同温度即 20 度同压力 的气体，同时所吸收的热量可以用反应器所放的热量来补充。2900kpa 高压的四氟乙 烯气体从蒸发器进入蒸汽动力机器做功压缩 31.4 度的四氟乙烯气体至 100 度进入反应 器反应，同时本身降温到-76 度，可以用来冷却 60 度的聚四氟乙烯产品到 20 度，此 后进入凉水塔加热至 32 度， 再进入蒸汽动力压缩机被绝热压缩升温至 100 度， 进列管 式固定床反应器反应，再进入旋风分离器分离，气体则回流入反应器，固体通过流化 床干燥器干燥。 干燥工艺流程流程主要是用流化床流化干燥方法，这种方法直接通过一定的流速 的气体使干燥物颗粒悬浮在气体中，在干燥室内和温度为 200℃的同方向热风直接接 触，由于颗粒很小而接触的热风温度高，流化床传热系数大，热风的热量可把聚四氟 乙烯产品中的水快速蒸干，再通过换热器换热冷却即可成为成品送去包装。2.4.3 生产工艺流程的特点本课题设计一改生产聚四氟乙烯的间歇反应釜中引发剂引发的乳液聚合的常用方 法， 通过管式反应器中进行本体聚合生产聚四氟乙烯， 由于管式反应器可以连续操作， 不但减少了操作工序，还减少生产工艺流程、设备、降低能耗，容易实现机械化或自 动化。同时还结合中国当代的基本国情，充分中国丰富的萤石资源，可以减少对自然 环境中比较稀缺资源破坏。 本设计充分考虑了能量的有效利用，因而很节能，降低了生产成本；产量较大， 也使得单位产值能耗较少。 本方法所值得的产品品质好，杂质少，且粒度细；应用范围广泛，除了可以用于 粉末涂装涂料、水性涂装涂料外，还可用于做高温润滑剂、贴膜材料等。3物料衡算车间年生产聚四氟乙烯总量为 5000 t ,年工作日设为 300 天，每工作日工作时间 为 24 小时，员工施行四班三运转。 5000t 每工作日生产任务为：m’ = = 16.67t,每秒钟聚四氟乙烯产品产量为： 300d M = 16.67 *
= 0.193 (Kg/s) 以下计算（包括能量衡算）以每秒产量为计算基准。计算（包括能量衡算）或者 估算数据以以下数据作为基础。以下是从化工原理课本中摘录的有关水的蒸汽压与温18度的关系：表 4 水的蒸汽压与温度的关系 温度/ ℃ 50 55 60 65 70 75 80 100 110 120 130 140 150 160 绝压/kPa 12.34 15.744 19.923 25.014 31.164 38.55 47.38 101.33 143.3 198.64 270.25 361.5 476.24 618.3 蒸汽密度/ (Kg/m ) 0.083 0.104 0.13 0.16 0.198 0. 0.597 0.825 0.12 1.49 1.96 2.54 3.253气体焓 /(kJ/kg) 6.8
7.8 2.9液体焓 /(kJ/kg) 209.34 230.29 251.21 272.16 293.08 314 334.94 418.68 461 503.67 546.38 589 632.2 675.75汽化热 /(kJ/kg)
3.4 5.7 8.4 5.2 8.7 7.1四氟乙烯原料的有关物性数据 分子量： 100.016 -75.62℃ 沸点(101.325kPa)：液体密度(-75.62℃，101.325kPa)：1515 kg/m3 气体密度(20℃，101.325kPa)：4.255kg/m3 相对密度(101.325kPa，20℃，空气=1)：3.53 比容(21.1℃，101.235kPa)：0.237 m3/kg 气液容积比(15℃，100kPa)：404 L/L压缩系数： 压缩系数： 温度℃ 15 50 压缩系数 100kPa 0.3 400kPa 0.9 1000KPa 0.0 2000kPa 0.1临界温度： 临界压力： 临界密度：33.3℃ 4050kPa 588 kg/m319熔化热(-131.15℃，1.2kPa)： 比热容(气体，25℃)： 蒸气压(-20℃)： (0℃)： (20℃)： 1000kPa 1780kPa 2900kPa77.205 kJ/kg气化热(-75.62℃，101.325kPa)： 168.309kJ/kg CP=0.80387kJ/(kg?K)粘度(101.325kPa，0℃)：0.001315Pa?S 导热系数(101.325kPa，0℃)：0.014486 w/(m?K) 在空气中可燃范围(101.325kPa，20℃)：11%～60% 最低自燃点(101.325kPa)： 毒性级别： 2(非火场) 180℃3.1 蒸发器及附属换热器蒸发器的入口每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的液态四氟乙烯，出口流量 每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、2900kpa 的气态四氟乙烯. 此外，液态四氟乙烯在蒸发器中蒸发为气态四氟乙烯时，会吸收大量热量，为保 证蒸发器中的温度恒定，必须为其补充热量，否则，蒸发操作不能顺利进行。故需要 一股热量作为补充。此物料为用列管式换热器换热被管式反应器反应放热所加热的较 热的四氟乙烯。 每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、 3000kpa 的液态四氟乙烯的热焓值应该等于每秒流 量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯的热焓值与气化焓之和。 每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯的热焓值为： Qeg = Cp* m * T = 803.87 * 0.193 * （273 + 20 ） = 45458 （J） 若考虑蒸发器的热损，会使得气态四氟乙烯的压强降低。可以认为，每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯的热焓值应该等于每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、2900kpa 的气态四氟乙烯的热焓值。 基于以上分析， 蒸发器的热量交换， 其实就是每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、 3000kpa 的液态四氟乙烯变为每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、 3000kpa 的气态四氟乙烯气化焓所 吸收的热量为较热的 25℃、3500kpa 的液态四氟乙烯所平衡。 每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的液态四氟乙烯变为每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯气化焓： H = Qm * m = 168309 * 0.193 = 32483.64 （J）20液态四氟乙烯在蒸发器中蒸发为气态四氟乙烯时，会吸收大量热量，为保证蒸发 器中的温度恒定，必须为其补充热量，否则，蒸发操作不能顺利进行。由此可知 H 即 为列管式换热器的换热量。 22℃、3000kpa 的液态四氟乙烯变为 20℃、3000kpa 的液态四氟乙烯所放出的热 量为： Q1 = Cpl * m1 * （t1 C t2） 若忽略气化焓的变化，根据能量守恒，应该等于 22℃、3000kpa 的气态四氟乙烯 变为 20℃、3000kpa 的气态四氟乙烯所放出的热量： Q1 = Cpq * m1 * （t1 C t2 ）= H 进而可以得到： M1 = H /(Cpq * (t1 C t2)) 代入相关数据得： M1 = 32483.64 /(803.87* (22 C 20)) = 20.205 (kg/s)3.2 蒸汽动力压缩机从蒸发器出来出口流量每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯. 还有很大的压力能可供使用。在蒸汽动力压缩机中 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气 态四氟乙烯对外做功，本身变为-76 度、100kpa 气态四氟乙烯。 总过程 20 度、2900kpa 气态四氟乙烯绝热膨胀变为-76 度、100kpa 气态四氟乙烯 总共对外做功（具体计算过程见能量衡算） ： W 总 = w2 + w3 = 1 = 28000 （J） 考虑热损取为 25KW，这些功通过压缩机器传给其他物质，充分利用能量。可以使 四氟乙烯从度变为可用来反应的 100 度，直接进反应器： W = Q = CP * m * （100 ― T） 将出凉水塔的原料温度 t = 30 度代入，得 W = 0.193*803.87*70 = 10860（W） 考虑压缩机的做功效率， 源能量取为 13000 W） 则蒸汽机剩余输出功率为 15 kw ， （ ， 若考虑其效率为 0.5，则蒸汽机剩余输出功率为 12 kw 为 6 kw。这些机械功可以用来 驱动各个离心水泵。3.3 干燥物料衡算从流化床换热器出来的―36 度的四氟乙烯在凉水塔中得到加热至 74.4 度。由于 在气体原料通过凉水塔， 故原料中含有一定的水分。 80 度水的物性数据得其饱和蒸 查21汽压力为 38.55kpa，则： W = P 水/P = 5.6 /100= 0.056 此即为干燥原料的湿基含水率。 由于聚四氟乙烯疏水， 故其平衡含水率可以视为零。 故可计算出干燥原料的流量： M′= m/（1 C w）= 0.193/(1- 0.05) = 0.203 (kg /s)3.4 物料衡算汇总表表 5 物料衡算汇总表 入口物料状态 过程 设备 流 量 / （Kg/s） 蒸发容器 列管式换热器 膨胀 蒸汽动力压缩机器 0.193 20.205 0.193 0.193 换热器 1 传热 流化床换热器 换热器 2 反应 干燥 列管式固定反应器 流化床干燥器 待定 0.193 0.203 0.203 40 60 ―70 100 100 100 ―― 100 待定 0.193 0.193 0.203 0.193 60 20 ―30 100 81 100 ―― 温 度 压 力 / （KPa） 00 流量 /(Kg /s） 0.193 20.205 0.193 0.193 0.193 出口物料状态 温 度 压 力 / （KPa） /(℃) 20 22 20 31.4 81/(℃) 20 20 -76 100 60蒸发10044.1 能量衡算说明连续流动系统的能量衡算式是 Q + W = △H + g*△Z + △u 2 /2 式中能量衡算W：单位质量流体所接受的外功或所作的外功，接受外功时 W 为正，向外做功是 W 为负； △H: 单位质量流体的反应焓变； g*△Z：单位质量流体的位能变化； u 2 /2：单位质量流体的动能变化；22Q：单位质量流体所吸收的热或放出的热，当吸收热量时为正，放出热量时为负。 在进行设备的热量衡算时，位能变化，动能变化，外功等项相对比较小，可以忽 略不计，因此流动系统总能量衡算式可以简化为 Q = △H4.2 蒸发器热量衡算4.2.1 蒸发热量衡算说明蒸发过程的热量衡算是设备的热量衡算的一类，在运算过程中相对于流体的焓变 与流体吸收或放出的热量比较小，因此在进行浸出热量衡算时位能变化，动能变化， 外功等项可以忽略不计。在实际的生产中，会与蒸发槽壁与蒸发槽周围空气发生热传 导效应，会造成一部分热量损失。在这过程中上述两种热量损失在本设计中设为 Q。 为了使用最少的蒸发设备获得最多的蒸发的原料气，蒸发过程的压力控制在液态 四氟乙烯的沸点即室温 20℃左右，即蒸发器的温度为 20℃左右.由于汽化热的变化不 是很大，取大气压下数据 168.309kJ/kg。常温即 20 度的压力为 3000kpa 的四氟乙烯 液体从原料储罐中流出，在蒸发器中减压到 20℃的饱和压力 2900kpa，发生剧烈气化 为 2900kpa 的四氟乙烯气体。同时，吸收热量 H 吸，综上所述在浸出蒸发热量衡算中 蒸发系统热量衡算式可以近似设为： Q C △H CH 吸 = 0 Q：单位质量流体所吸收的热或放出的热，当吸收热量时为正，放出热量时为负。 △H: 单位质量流体的反应焓变；4.2.2 蒸发热量衡算计算简图20℃、3000kpa 的液态四氟乙烯20 ℃ 、 2900kpa 蒸发器20 度、2900kpa 的气态四氟乙烯22℃、3000kpa 的液态四氟乙烯20℃、3000kpa 的液态四氟乙烯图 2 蒸发热量衡算计算简图23每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、 3000kpa 的液态四氟乙烯的热焓值应该等于每秒流 量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯的热焓值与气化焓之和。 每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯的热焓值为： Qeg = Cp* m * T = 803.87 * 0.193 * （273 + 20 ） = 45458 （J） 若考虑蒸发器的热损，会使得气态四氟乙烯的压强降低。可以认为，每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯的热焓值应该等于每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、2900kpa 的气态四氟乙烯的热焓值。 基于以上分析， 蒸发器的热量交换， 其实就是每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、 3000kpa 的液态四氟乙烯变为每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、 3000kpa 的气态四氟乙烯气化焓所 吸收的热量为较热的 25℃、3500kpa 的液态四氟乙烯所平衡。 每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的液态四氟乙烯变为每秒流量 0.193kg/s 的 20 度、3000kpa 的气态四氟乙烯气化焓： H = Qm * m = 168309 * 0.193 = 32483.64 （J） 液态四氟乙烯在蒸发器中蒸发为气态四氟乙烯时，会吸收大量热量，为保证蒸发 器中的温度恒定，必须为其补充热量，否则，蒸发操作不能顺利进行。由此可知 H 即 为列管式换热器的换热量。4.2.3 设计计算的合理性讨论蒸发时是选用 100Kpa，-76.3℃状态计算各反应的反应焓，在实际计算中应该是 选用在 100Kpa，20℃才是正确的，但考虑到浸取反应中有些数据不全及 100Kpa， -76.3℃和 100Kpa，20℃两种状态下反应焓的差别相对于蒸发过程的总热量是非常小 的，为此在计算中选用 100Kpa，-76.3℃状态计算各过程热量是合理的。蒸发过程的 剩余热量相对于，剩余的热量相对于蒸发过程的总热量是非常小，且剩余的热量不足 于是料液的为度上升超过 22℃，设计中设置浸取反应的温度点在 20℃，浮动范围在 18℃～22℃，计算中的温度符合设计的要求。由于液态四氟乙烯数据的缺乏，在能量 衡算过程中，用等量相同状态的气体计算能量，根据能量守恒，这是合理的。 从以上计算可以看出四氟乙烯每秒的汽化热为 32483.64（j） ，也就是其所耗功 率为 32 千瓦，若使用电加热的方式加热原料显然是划不来的。在本设计中，由于要将 20℃、2900kpa 的液态四氟乙烯用离心泵升压为将 20℃、3000kpa 的液态四氟乙烯要 耗费一定的压头与电能，但相比较而言还是合算的。并且同时冷却了反应器。 从总体上看，在设计中使用的计算方法是符合要求的，综合各方面的考虑，设计24计算符合要求。 为了用低温四氟乙烯原料气冷却高温聚四氟乙烯固体，四氟乙烯在蒸汽动力压缩 机中降为了常压; 但常压不满足反应工艺条件，必须用压缩机将其压缩为 540 kpa。4.3 压缩机膨胀能量衡算4.3.1 压缩机膨胀热量衡算计算简图20 度、100kpa 气态四氟乙烯蒸 汽 20 度、2900kpa 气态四氟乙烯 动 力 压 缩 机 气态四氟乙烯 -70 度、100kpa100 度、100kpa 气态四氟乙烯 图 3 压缩机热量衡算计算简图4.3.2 气态四氟乙烯膨胀能量衡算在蒸发器中吸收热量由 20 度、3000kpa 的液态四氟乙烯蒸发为 20 度、2900kpa 的气态四氟乙烯可利用其冷量冷却反应器之外，还有不可忽略的压力能。可以利用其 绝热膨胀做功输出能量， 本身的降低的内能用来冷却反应器的凉水塔； 充分利用能源。 上述过程的示意图为 绝热膨胀 20 度、2900kpa 气态四氟乙烯 做功 W2 凉水塔 加热 绝热膨胀 20 度、150.6kpa 气态四氟乙烯 做功 W3 20 度、2900kpa 气态四氟乙烯在绝热条件下，绝热膨胀，内能降低，其值等于做 功。则其温度降低为-70 度的内能变化即对外做功输出能量 w2：25-70 度、661kpa 气态四氟乙烯20 度、661kpa 气态四氟乙烯W2 =Q = C * M * (t1 C t2) = 803.87 * 0.193 *(273 + 20 C (273 C 70)) = 13963 (J) ≈ 14 （KW） -70 度、2900kpa 气态四氟乙烯在绝热条件下，绝热膨胀，压力减低，时其压力降 可计算如下： 根据绝热膨胀过程方程，有其中 r 为绝热过程指数，对于 3 原子以上的多原子分子其值为 1.33P1r ?1 P2r ?1 = r T1r T2将相关数据代入，得P 1.33?1
= 2 1.33 P2 = 2900* (203/293)^(1.33/0.33) = 660.818(KPa) 同理，将 660.818 作为 P1 代入上式可得： P3 = 2900* (203/293)^(1.33/0.33) = 660.818(KPa) = 150.5797(KPa) 若考虑压降，压力 P3 可以视为大气压。由以上计算可知，20 度、2900kpa 的气态 四氟乙烯可以对外做功两次，对外输出总能量 Q 总 = 14 * 2 = 28 （KW） 考虑热损失取为 25KW，这些功通过压缩机器传给其他物质，充分利用能量。可以 使四氟乙烯从度变为可用来反应的 100 度，直接进反应器： W = Q = CP * m * （100 ― T） 将出凉水塔的原料温度 t = 30 度代入，得 W = 0.193*803.87*70 = 10860（W） 考虑压缩机的做功效率， 源能量取为 13000 W） 则蒸汽机剩余输出功率为 15 kw ， （ ， 若考虑其效率为 0.5，则蒸汽机剩余输出功率为 12 kw 为 6 kw。这些机械功可以用来 驱动各个离心水泵。4.3.3 设计计算的合理性讨论在蒸发器中吸收热量由 20 度、3000kpa 的液态四氟乙烯蒸发为 20 度、2900kpa26的气态四氟乙烯可利用其冷量冷却反应器之外，还有不可忽略的压力能。从以上计算 可以看出总过程 20 度、2900kpa 气态四氟乙烯绝热膨胀变为-70 度、100kpa 气态四氟 乙烯总共对外做功功率约为 25 千瓦。 本设计充分考虑了能量的充分合理应用。 因而使 投资是合理的。4.4 流化床换热器能量衡算4.4.1 流化床换热的有关说明有鉴于聚四氟乙烯的颗粒较细，并且不怕磨损，故采用流化床换热器器换热。本 设计中用到流化床换热器的地方共有两处：一是初步冷却从流化床干燥器出来的 100 度的聚四氟乙烯产品至 70 度， 并同时将 40 度的空气加热至 60 度： 一是用从蒸汽动力 压缩机出来的―76 度的四氟乙烯原料气冷却 70 度的聚四氟乙烯产品冷却至 30 度， 同 时将―76 度的四氟乙烯原料气加热至―36 度。4.4.2 产品的初步冷却初步冷却从流化床干燥器出来的 80 度的聚四氟乙烯产品至 70 度，并同时将 40 度的空气加热至 60 度,其流程如下：60 度的聚四氟乙烯产品 40 度的空气流 化 床 换 热 器80 度的聚四氟乙烯 60 度的空气图4 下初步冷却热量衡算计算简图其能量的交换量就是 100 度的聚四氟乙烯产品至 70 度所放出的热量， 其具体值如 Q1 = Cp * m * （t1 C t2） = 803.87 * 0.193 * （ 80 C 60） = 3102.9 （J）4.4.3 产品的完全冷却从蒸汽动力压缩机出来的―50 度的四氟乙烯原料气冷却 70 度的聚四氟乙烯产品 冷却至 30 度，同时将―50 度的四氟乙烯原料气加热至―10 度，其流程示意图如下：27流 20 度的聚四氟乙烯产品 化 床 ―70 度的四氟乙烯原料 换 热 图5 器 最终冷却热量衡算计算简图 ―30 度的四氟乙烯原料 60 度的聚四氟乙烯其能量的交换量就是 70 度的聚四氟乙烯产品至 30 度所放出的热量，其具体值如 下： Q1 = Cp * m * （t1 C t2） = 803.87 * 0.193 * （ 70C 30） =
（J）4.5 列管式固定反应器能量衡算列管式反应器设计是本设计的核心，但总能量衡算很简单。其反应方程式如下所 示： 引发剂 n CF2=CF2 光或热 故列管式反应器每秒放热为： Q = n* H + m 水*r0 = m/M * H + （0.203 -0.193）*2258 = 0.193 *
* 171380+（0.203 ―0.193）*2258 =
(J) ―(―CF2-CF2―)n― ；H = ―171.38kJ/mol4.6 凉水塔的能量衡算4.6.1 置换热量衡算说明凉水塔凉水工艺分成两段：一段用从流化床换热器出来的-36 度的四氟乙烯原料 气，在冷却反应器的同时将原料气加热到 32 度；第二段 采用空气将其冷却。4.6.2 热量衡算计算简图2896 度冷却水 32 度的四氟乙烯原料气 -30 度的四氟乙烯原料气 废空气 20 度常温空气 94 度冷却水 图6 凉水塔的能量衡算简图4.6.3 能量衡算列管式反应器放热功率为 331 千瓦，除去为列管式换热器中低温液态四氟乙烯冷 却功率 32.5 千瓦外，尚还需冷却功率 q： Q = 331 C 32.5 = 298.5 （kw） 第一段凉水塔中四氟乙烯原料气的冷却功率为： Q’= Cp * m * （t1 C t2）+ m 水气* r = 803.87 * 0.193 * 2*（ 20C（-70） ）+ （0.203-0.193） * 0 = 50510.4（w）= 50.5（kw） 故第二段用空气冷却的凉水塔的冷却功率为 q” ： q” = 298.5 ―50.5 = 248.5（kw）4.7 能量衡算汇总表表 6 能量衡算汇总表29过程 蒸发 膨胀 传热设备 蒸发容器 蒸汽动力压缩机器 流化床换热器换热功率/(kw) 32.5 25 3.1 6.21 331 50.5反应列管式固定反应器传热传质凉水塔 248.555.1 列管式固定床反应器5.1.1 工艺说明主要设备工艺计算由于四氟乙烯的氟取代基电负性很强，氟将炭原子的电子电荷吸走，使得双键几 乎裸露，并且氟原子半径小，使得四氟乙烯较易聚合；因而可以在稍高温度下热引发 进行本体聚合。这样可以克服溶液聚合的操作复杂等缺点。并且由本体聚合得到的聚 合物无杂质，品质较好。所以本设计采用热引发本体聚合制备聚四氟乙烯。30本课题的设计内容为年产 5000 吨聚四氟乙烯的生成车间工艺设计，其生产量较 大，更由于聚合反应的反应放热量大，为