連續(xù)法生產(chǎn)年產(chǎn)15萬(wàn)噸GPPS本體聚合工藝設(shè)計(jì)

1、15萬(wàn)噸/年GPPS本體聚合車(chē)間的工藝設(shè)計(jì)院 系： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 高分子1302班 指導(dǎo)老師： 袁新強(qiáng) 姓 名： 張杰 學(xué) 號(hào)： 1314024035 完成時(shí)間： 2016.11.4 目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc15826 1 概述1 HYPERLINK l _Toc32669 1.1 聚苯乙烯國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)與技術(shù)應(yīng)用情況 PAGEREF _Toc32669 3 HYPERLINK l _Toc8129 1.2 國(guó)內(nèi)聚苯乙烯的生產(chǎn)與技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題 PAGEREF _Toc8129 4 HYPERLINK l _Toc19995 1.3 本

2、設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容及要求 PAGEREF _Toc19995 5 HYPERLINK l _Toc22640 2 GPPS工藝流程設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc22640 6 HYPERLINK l _Toc29754 2.1 方案流程圖 PAGEREF _Toc29754 6 HYPERLINK l _Toc21328 2.2 主工藝流程的確定 PAGEREF _Toc21328 6 HYPERLINK l _Toc32552 2.2.1 聚合過(guò)程 PAGEREF _Toc32552 6 HYPERLINK l _Toc11597 2.2.2 原料準(zhǔn)備過(guò)程 PAGEREF _Toc11597

3、7 HYPERLINK l _Toc7171 2.2.3 分離及聚合物后處理 PAGEREF _Toc7171 7 HYPERLINK l _Toc31197 2.3 工藝參數(shù)選擇 PAGEREF _Toc31197 7 HYPERLINK l _Toc25099 2.3.1 工藝配方 PAGEREF _Toc25099 7 HYPERLINK l _Toc25919 2.3.3 反應(yīng)器的選擇 PAGEREF _Toc25919 8 HYPERLINK l _Toc9626 2.3.4 攪拌裝置的選擇 PAGEREF _Toc9626 8 HYPERLINK l _Toc20242 2.3.5

4、 換熱裝置的選擇 PAGEREF _Toc20242 8 HYPERLINK l _Toc31165 2.3.6 反應(yīng)終點(diǎn)產(chǎn)品指標(biāo) PAGEREF _Toc31165 8 HYPERLINK l _Toc4214 2.4 主要設(shè)備控制方案 PAGEREF _Toc4214 8 HYPERLINK l _Toc9296 2.4.1 反應(yīng)器的溫度控制 PAGEREF _Toc9296 8 HYPERLINK l _Toc19493 2.4.2 反應(yīng)器的壓力控制 PAGEREF _Toc19493 9 HYPERLINK l _Toc10283 2.4.3 反應(yīng)器液位的控制 PAGEREF _Toc

5、10283 9 HYPERLINK l _Toc24696 2.4.4 泵的控制 PAGEREF _Toc24696 9 HYPERLINK l _Toc15774 2.5 方案流程草圖及工藝簡(jiǎn)述 PAGEREF _Toc15774 10 HYPERLINK l _Toc18800 3 第一聚合反應(yīng)器的物料衡算 PAGEREF _Toc18800 11 HYPERLINK l _Toc15639 3.1 物料平衡示意圖 PAGEREF _Toc15639 11 HYPERLINK l _Toc7230 3.2 化學(xué)變化及物理化學(xué)變化 PAGEREF _Toc7230 11 HYPERLINK

6、l _Toc26931 3.3 生產(chǎn)規(guī)模 PAGEREF _Toc26931 11 HYPERLINK l _Toc27532 3.4 物料衡算 PAGEREF _Toc27532 12 HYPERLINK l _Toc2950 4 第一聚合反應(yīng)器的熱量衡算 PAGEREF _Toc2950 14 HYPERLINK l _Toc20089 熱量衡算的計(jì)算 PAGEREF _Toc20089 14 HYPERLINK l _Toc5423 5 第一聚合反應(yīng)器的設(shè)備工藝計(jì)算 PAGEREF _Toc5423 15 HYPERLINK l _Toc27087 5.1 聚合釜尺寸的計(jì)算和選型 PAG

7、EREF _Toc27087 15 HYPERLINK l _Toc11094 5.2 攪拌裝置的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc11094 16 HYPERLINK l _Toc15226 選擇攪拌槳葉形式 PAGEREF _Toc15226 16 HYPERLINK l _Toc5143 5.2.2 攪拌附件的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc5143 16 HYPERLINK l _Toc6552 5.2.3 確定攪拌轉(zhuǎn)速 PAGEREF _Toc6552 17 HYPERLINK l _Toc7100 5.3 傳熱裝置的計(jì)算 PAGEREF _Toc7100 17 HYPERLINK l _

8、Toc23370 5.4 工藝管口的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23370 17 HYPERLINK l _Toc4318 軸密封裝置 PAGEREF _Toc4318 18 HYPERLINK l _Toc30312 6 工藝流程圖繪制 PAGEREF _Toc30312 19 HYPERLINK l _Toc7724 工藝設(shè)計(jì)評(píng)述 PAGEREF _Toc7724 20 HYPERLINK l _Toc17101 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc17101 21 1 概述 聚苯乙烯（PS）是一種熱塑性非結(jié)晶性的樹(shù)脂，包括通用級(jí)聚苯乙烯GPPS)，高抗沖聚苯乙烯（HIPS），發(fā)泡聚苯乙烯

9、（EPS）及間規(guī)聚苯乙烯（SPS）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界通用級(jí)聚苯乙烯約占聚苯乙烯系樹(shù)脂總量的一半，高抗沖聚苯乙烯占三分之一，其它的占剩余份額。通用級(jí)聚苯乙烯是以苯乙烯為單體經(jīng)過(guò)自由基聚合或離子型聚合制得的?？捎啥喾N合成方法聚合而成，目前工業(yè)上主要采用本體聚合法和懸浮聚合法。通用級(jí)聚苯乙烯因具有極高的透明度且具有優(yōu)良的剛性，易著色，加工流動(dòng)性好，剛性好及耐化學(xué)腐蝕性好，特別是良好的衛(wèi)生性、價(jià)廉,使其在食品包裝方面具有廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)生產(chǎn)通用級(jí)聚苯乙烯的企業(yè)大多引用日本的TEC-MTC工藝和美國(guó)的Fina工藝。但我國(guó)大部分企業(yè)對(duì)通用聚苯乙烯的生產(chǎn)工藝技術(shù)仍比較落后，通用聚苯乙烯產(chǎn)品的生產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足

10、加工工業(yè)需要，加工產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，這些企業(yè)對(duì)GPPS工業(yè)化生產(chǎn)與發(fā)展有待于提高。本設(shè)計(jì)通過(guò)借鑒日本的TEC-MTC工藝，采用熱引發(fā)本體聚合法，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少工廠(chǎng)生產(chǎn)所得的不合格品，提高了產(chǎn)能。 目前世界上四大聚苯乙烯生產(chǎn)廠(chǎng)家有美國(guó)Dow Chemical、Fina 、德國(guó)法本和BASF。這四大公司的聚苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)各有特點(diǎn)。德國(guó)法本公司，在國(guó)際上聚苯乙烯最先是由實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的，在之后經(jīng)過(guò)的技術(shù)實(shí)踐，現(xiàn)在聚苯乙烯系列樹(shù)脂的工藝生產(chǎn)大都采用本體連續(xù)聚合方法工藝。此方法相比乳液聚合法能夠生產(chǎn)更純凈的、高透明的及外觀漂亮的聚苯乙烯系列樹(shù)脂。美國(guó)的Dow公司也是在上世紀(jì)30年代開(kāi)始研究聚苯乙烯的生產(chǎn)工

11、藝的，經(jīng)過(guò)60年代的創(chuàng)新發(fā)展，對(duì)聚苯乙烯的聚合工藝發(fā)展起到了促進(jìn)作用，在聚苯乙烯的生產(chǎn)領(lǐng)域中處于領(lǐng)先的地位。該公司的生產(chǎn)工藝是采用雙官能團(tuán)的引發(fā)劑引發(fā)，然后加入少量的乙苯作為循環(huán)溶劑，采用乙二醇做冷劑。設(shè)備采用碳鋼的反應(yīng)器及不銹鋼的真空循環(huán)系統(tǒng)、添加劑系統(tǒng)。德國(guó)的BASF公司生產(chǎn)工藝采用引發(fā)劑引發(fā)及少量乙苯作為循環(huán)劑。美國(guó)的Fina公司采用熱引發(fā)劑，加入少量的乙苯作為溶劑。設(shè)備全是碳鋼材料，生產(chǎn)設(shè)備投資較少。日本的TEC-MTC工藝采用熱引發(fā)，高光澤HIPS的生產(chǎn)才用引發(fā)劑引發(fā)，加入少量乙苯作為溶劑，設(shè)備全為不銹鋼材料。而在世界通用級(jí)聚苯乙烯生產(chǎn)工藝中，美國(guó)Dow公司跟日本三井東亞公司的TEC

12、-MTC工藝最為領(lǐng)先。我國(guó)聚苯乙烯的生產(chǎn)工藝經(jīng)歷著起步、擴(kuò)展和規(guī)?；?個(gè)階段。在20世紀(jì)60到80年代處于起步階段，在該階段中，技術(shù)相對(duì)落后，以小體本法和懸浮法為主要的生產(chǎn)工藝。企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模都在萬(wàn)噸以下。到20世紀(jì)的80年代末期到90年代中期為擴(kuò)展階段，在這一階段過(guò)程中，企業(yè)引進(jìn)了當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)技術(shù)連續(xù)本體聚合工藝，對(duì)當(dāng)時(shí)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。20世紀(jì)90年代中期到現(xiàn)在是規(guī)模化發(fā)展階段，在此階段，由于經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)聚苯乙烯的需求迅速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)很大的缺口，國(guó)外先進(jìn)企業(yè)紛紛到我國(guó)建廠(chǎng)，帶來(lái)了先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，我國(guó)聚苯乙烯的生產(chǎn)技術(shù)水平也達(dá)到了一個(gè)新的平臺(tái)，年產(chǎn)量也有大量的進(jìn)步

13、。在我國(guó)引進(jìn)的國(guó)外先進(jìn)技術(shù)中，我國(guó)很多企業(yè)先后進(jìn)行引進(jìn)Fina工藝，也是我國(guó)企業(yè)引進(jìn)最多的生產(chǎn)工藝。我國(guó)的遼寧撫順石油、汕頭海洋和遼寧盤(pán)錦乙烯等公司先后引進(jìn)了這一生產(chǎn)工藝。但是這些企業(yè)所運(yùn)用的都不是Fina公司的最先進(jìn)聚苯乙烯生產(chǎn)工藝。我國(guó)的湛江新中美引進(jìn)了Fina公司典型商業(yè)化的聚苯乙烯生產(chǎn)工藝。我國(guó)的很多企業(yè)也引進(jìn)了日本的TEC-MTC生產(chǎn)工藝。我國(guó)的蘭州石化和齊魯石化公司等公司都引進(jìn)了這一生產(chǎn)工藝。蘭州石化引進(jìn)的較為古老的生產(chǎn)工藝，齊魯石化引進(jìn)的為新進(jìn)的生產(chǎn)工藝。特別在通用級(jí)聚苯乙烯生產(chǎn)工藝中，主要引進(jìn)日本的TEC-MTC工藝。我國(guó)自上世界80年代就陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。但是，

14、我國(guó)大部分企業(yè)對(duì)聚苯乙烯的生產(chǎn)工藝技術(shù)仍比較落后，這些企業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展有待于提高。1.2 國(guó)內(nèi)聚苯乙烯的生產(chǎn)與技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題從全球看，PS生產(chǎn)能力已過(guò)剩，國(guó)外有些公司已將能力小的PS裝置關(guān)閉或停產(chǎn)，但近幾年來(lái)我國(guó)PS消費(fèi)增長(zhǎng)較快。預(yù)計(jì)到2015年國(guó)內(nèi)PS消費(fèi)將趨平穩(wěn)并呈基本自給狀態(tài)，因而在2010年前后我國(guó)PS（含GPPS）預(yù)計(jì)仍將以6%7%的增長(zhǎng)率發(fā)展，所以國(guó)外的投資商看準(zhǔn)中國(guó)市場(chǎng)和廉價(jià)的勞動(dòng)力成本，紛紛來(lái)我國(guó)發(fā)展建設(shè)原料苯乙烯裝置，往往以合資或甚至獨(dú)資建設(shè)技術(shù)先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模PS（含GPPS）裝置來(lái)?yè)屨贾袊?guó)市場(chǎng)。另一方面隨著我國(guó)加入WTO后對(duì)主要石化產(chǎn)品進(jìn)口關(guān)稅將從2005年的91.7%降

15、至2008年的61.5%甚至更低，這必然將沖擊國(guó)內(nèi)一些規(guī)模小的PS生產(chǎn)廠(chǎng)。 （2）最近國(guó)務(wù)院出臺(tái)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整文件指出100 kt/a以下的PS生產(chǎn)裝置屬于限制項(xiàng)目。這樣國(guó)內(nèi)一些規(guī)模小的裝置，原料靠進(jìn)口或不落實(shí)，產(chǎn)品擋次低成本又高的裝置應(yīng)淘汰、關(guān)閉。國(guó)家宏觀部門(mén)宜對(duì)那些缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略眼光，只顧眼前利益，認(rèn)為產(chǎn)不足需，未經(jīng)周密市場(chǎng)調(diào)查，還在盲目投資并繼續(xù)搞能力過(guò)剩的低檔牌號(hào)PS樹(shù)脂的情況采取措施，進(jìn)行嚴(yán)格限制。（3）全國(guó)新建PS裝置要注意布局合理。要照顧中西部地區(qū)，但不宜鋪過(guò)多的新點(diǎn)，并要按經(jīng)濟(jì)規(guī)模來(lái)考慮，單線(xiàn)生產(chǎn)能力最好在200 kt/a以上。對(duì)老裝置挖潛、擴(kuò)建亦宜向經(jīng)濟(jì)規(guī)?？繑n，這樣可充分利用裝

16、置區(qū)潛力和公用、輔助設(shè)施的優(yōu)越條件，從而可降低投資及生產(chǎn)成本并能早日回收資金。國(guó)家在行業(yè)政策上已對(duì)100 kt/a及以下規(guī)模的PS裝置列入限制性項(xiàng)目。另外，建設(shè)時(shí)要充分考慮到原料的落實(shí)。（4）國(guó)內(nèi)GPPS產(chǎn)品要向高端化挺進(jìn)。電子和電器業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，已推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，PS乃是其中之一。由于近年來(lái)我國(guó)電子和電器行業(yè)增長(zhǎng)率保持在15%以上，所以相應(yīng)使空調(diào)、電腦、電視機(jī)等電子和電器產(chǎn)品零部件要求PS行業(yè)提供這方面性能優(yōu)異產(chǎn)品，但我國(guó)現(xiàn)有PS多數(shù)的品種不能滿(mǎn)足需要，因此，國(guó)內(nèi)GPPS企業(yè)產(chǎn)品必然就會(huì)被進(jìn)口牌號(hào)產(chǎn)品所替代。 本設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容及要求 本設(shè)計(jì)以苯乙烯為聚合單體，采用熱引發(fā)本體聚合法，對(duì)

17、15萬(wàn)噸/年GPPS本體聚合車(chē)間的進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。運(yùn)用此工藝，一方面提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少工廠(chǎng)生產(chǎn)所得的不合格品，提高了產(chǎn)能。另一方面，本體聚合工藝具有工藝流程簡(jiǎn)單、投資省、污染少和產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。因此目前在聚苯乙烯GPPS的生產(chǎn)中被廣泛采用。另外，通過(guò)本設(shè)計(jì)培養(yǎng)我們的綜合運(yùn)用高分子工程設(shè)計(jì)和前期所學(xué)課程的基本知識(shí)，使我們掌握高分子合成工藝設(shè)計(jì)的主要程序、基本內(nèi)容與設(shè)計(jì)方法。 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容與要求包括：（1）設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介,對(duì)給定或選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述；（2）選定的工藝流程進(jìn)行物料衡算，對(duì)某些設(shè)備進(jìn)行熱量衡算，為設(shè)備的工藝計(jì)算提供依據(jù)；（3）主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算,包括工藝參數(shù)

18、的選定、原材料消耗計(jì)算、動(dòng)力計(jì)算、設(shè)備的工藝尺寸計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；典型輔助設(shè)備的選型和計(jì)算，包括典型輔助設(shè)備的主要工藝尺寸計(jì)算和設(shè)備型號(hào)規(guī)格的選定；（4）工藝流程簡(jiǎn)圖以單線(xiàn)圖的形式繪制，標(biāo)出主要設(shè)備、輔助設(shè)備和主要工藝參數(shù)測(cè)量點(diǎn)，并繪制聚合工段的PFD；（5）主要設(shè)備工藝條件圖，圖面上應(yīng)包括設(shè)備的主要工藝尺寸、技術(shù)特性表和接管表；（6）編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 2 GPPS工藝流程設(shè)計(jì)2.1 方案流程圖 本設(shè)計(jì)借鑒日本的TEC-MTC本體法聚合生產(chǎn)工藝，以苯乙烯為聚合單體，采用熱引發(fā)本體聚合法，對(duì)15萬(wàn)噸/年GPPS本體聚合車(chē)間的進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，其方案流程圖，如圖2.1所示。 圖2.1 方案流程圖2.2

19、主工藝流程的確定2.2.1 聚合過(guò)程 由于本體聚合體系的黏度大，聚合熱不容易導(dǎo)出，易引起局部過(guò)熱，輕者會(huì)使產(chǎn)品變形，影響產(chǎn)品質(zhì)量，重者會(huì)引起爆聚，使聚合失敗。為了解決這個(gè)矛盾，苯乙烯熱聚合在工藝上分“預(yù)聚”和“聚合”兩段進(jìn)行。 （1）預(yù)聚合預(yù)聚合在預(yù)聚釜中完成。預(yù)聚釜是帶攪拌裝置的壓力釜。帶有球形蓋及底的鋁質(zhì)或不銹鋼的圓筒形設(shè)備，內(nèi)部有傳熱盤(pán)管，外壁有鋼質(zhì)夾套，并裝有不銹鋼的錨式或框式攪拌器。預(yù)聚釜容積視生產(chǎn)能力而定，我國(guó)早期聚苯乙烯生產(chǎn)裝置的預(yù)聚釜的容積為2m3。預(yù)聚合的工藝條件：攪拌轉(zhuǎn)速為3036 r/min，溫度保持 100125，35h，轉(zhuǎn)化率 3035，這時(shí)苯乙烯聚合的自動(dòng)加速現(xiàn)象尚

20、未出現(xiàn)或剛開(kāi)始。由預(yù)聚釜出來(lái)的混合物轉(zhuǎn)化率為3035%。預(yù)聚合過(guò)程中要采用隋性氣體保護(hù)：反應(yīng)系統(tǒng)中采用N2保護(hù)，尤其是脫氧 N2 保護(hù)，可抑制聚苯乙烯熱氧化而變黃。（2）聚合轉(zhuǎn)化率為 3035% 的粘稠預(yù)聚漿自?xún)膳_(tái)預(yù)聚釜底部經(jīng)閥門(mén)沿加熱導(dǎo)管連續(xù)地流入聚合釜中，溫度在125200，轉(zhuǎn)化率約98%，自聚合釜流出的物料中聚苯乙烯的濃度約為7090%，尚有不少未反應(yīng)的苯乙烯單體、溶劑和易揮發(fā)物，送入脫揮器以脫除可揮發(fā)組分。脫除可揮發(fā)組分后的熔融聚苯乙烯可以直接造粒，包裝。 2.2.2 原料準(zhǔn)備過(guò)程 （1）單體苯乙烯 苯乙烯在貯運(yùn)存過(guò)程中會(huì)發(fā)生自聚，一般加入少量阻聚劑對(duì)叔丁基鄰苯二酚（TBC）。使用前應(yīng)

21、該用氫氧化鈉水溶液洗滌、水洗、干燥純化。一般工業(yè)級(jí)苯乙烯中含有少量乙苯、2甲基苯乙烯、異丙苯等雜質(zhì)，對(duì)聚合及產(chǎn)物性能會(huì)產(chǎn)生影響。 （2）溶劑的選擇 各種溶劑對(duì)反應(yīng)原料，產(chǎn)物及反應(yīng)所用的各種引發(fā)劑的溶解能力不同。從溶解度參數(shù)，體系黏度，工程上傳熱與攪拌，生產(chǎn)能力提高，回收難以，毒性大小，經(jīng)濟(jì)，來(lái)源，輸送等幾方面對(duì)苯、甲苯、乙苯等綜合比較，確定選乙苯。 （3）添加劑 少量添加劑如抗氧劑、潤(rùn)滑劑、著色劑。 抗氧劑是一類(lèi)化學(xué)物質(zhì)，當(dāng)其在 HYPERLINK :/baike.baidu /view/344690.htm 聚合物體系中僅少量存在時(shí)，就可延緩或抑制聚合物氧化過(guò)程的進(jìn)行，從而阻止聚合物的老化并

22、延長(zhǎng)其使用壽命，又被稱(chēng)為“ HYPERLINK :/baike.baidu /view/283445.htm 防老劑”。 潤(rùn)滑劑的品種相當(dāng)多，常用的外潤(rùn)滑劑有石蠟、硬脂酸及其鹽類(lèi)；內(nèi)潤(rùn)滑劑有相對(duì)低分子量的PE、PTFE、PP等。這些低分子量的聚合物不但是優(yōu)良內(nèi)潤(rùn)滑劑，而且也是很好的外潤(rùn)滑劑。有時(shí)候，一種潤(rùn)滑劑的效果往往不理想，需要幾種潤(rùn)滑劑配合使用，由此而產(chǎn)生了復(fù)合潤(rùn)滑劑，可以起到多方面的作用。2.2.3 分離及聚合物后處理 真空脫氣塔塔底裝有篩板，從塔底連續(xù)流出的PS熔融物經(jīng)真空系統(tǒng)脫除單體和低聚物后呈細(xì)條狀擠出。經(jīng)牽引、流水冷卻后，用切粒機(jī)造粒。粒狀的PS用水流輸送到料倉(cāng)，過(guò)濾、脫水、干燥

23、得成品，然后包裝出售。2.3 工藝參數(shù)選擇 本設(shè)計(jì)是根據(jù)日本的TEC-MTC本體法來(lái)來(lái)選定工藝參數(shù)，如表3.1所示。表3.1 工藝參數(shù)苯乙烯乙苯抗老化劑抗紫外線(xiàn)劑94%4%1%1% 反應(yīng)溫度一般根據(jù)生產(chǎn)聚苯乙烯的分子量要求及生產(chǎn)量決定。對(duì)于熱聚合，反應(yīng)溫度在120180，引發(fā)劑引發(fā)反應(yīng)溫度在90140為好。聚合溫度與聚苯乙烯分子量的關(guān)系密切。作為通用級(jí)聚苯乙烯必須控制分子量在5萬(wàn)10萬(wàn)之間(重均分子量在 10萬(wàn)40萬(wàn)之間)。苯乙烯熱聚合反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)溫度愈高，形成的活性中心愈多，反應(yīng)速率越快，聚合物分子量越低。反應(yīng)溫度每上升20，分子量能成倍地下降。 目前工業(yè)上高溫苯乙烯本體聚合在120170上

24、進(jìn)行熱聚合。本體聚合采用分段聚合，以解決本體聚合的散熱問(wèn)題，苯乙烯具有熱引發(fā)聚合的特點(diǎn)，不加引發(fā)劑，在120以上，即有較高的聚合速率。在170下聚合，幾乎可達(dá)到完全轉(zhuǎn)化。而反應(yīng)最終聚合率不小于98，以乙苯為溶劑，故選取反應(yīng)溫度150。2.3.3 反應(yīng)器的選擇 本反應(yīng)采用不銹鋼的攪拌釜反應(yīng)器。由于此設(shè)計(jì)是苯乙烯的聚合反應(yīng)，可以近似看作是液液反應(yīng)，第一個(gè)反應(yīng)釜的反應(yīng)粘度相對(duì)較低，反應(yīng)時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，反應(yīng)需加熱且對(duì)壓強(qiáng)和溫度的控制要求比較高，此外產(chǎn)量要求不大，因而本設(shè)計(jì)選用立式攪拌反應(yīng)釜。 攪拌裝置的主要作用是強(qiáng)制物料流動(dòng)，強(qiáng)化傳熱與傳質(zhì)效果；使物料充分接觸，均勻混合。因此攪拌釜反應(yīng)器對(duì)各種反應(yīng)體系

25、適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，適用溫度和壓力范圍廣，既可用于間歇操作，又可用于連續(xù)操作。 苯乙烯單體聚合反應(yīng)中，聚合物是熔融狀態(tài)，隨著聚合過(guò)程的進(jìn)行粘度逐漸增大。粘度在75 Pa.s以下，可用渦輪式攪拌器。當(dāng)攪拌速度很高時(shí)，容易產(chǎn)生漩渦，大大降低了液體內(nèi)部的混合效果，為了增加液體的剪切作用，加強(qiáng)攪拌的激烈程度，常在釜體內(nèi)靠近器壁的地方裝上擋板，增大被攪拌液體的湍流程度，改善攪拌效果。2.3.5 換熱裝置的選擇 攪拌反應(yīng)鍋大多設(shè)有傳熱裝置，以滿(mǎn)足加熱或冷卻的需要。本設(shè)計(jì)是放熱反應(yīng)，因此傳熱裝置是用于冷卻。傳熱方式、傳熱結(jié)構(gòu)形式和傳熱劑的選擇主要決定于所需控制的溫度的高低、反應(yīng)熱的大小、傳熱速度的快慢和工

26、藝的要求等。選用在反應(yīng)釜外設(shè)置供加熱用的夾套傳熱裝置。夾套傳熱的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐腐蝕，適應(yīng)性強(qiáng)。夾套高度應(yīng)高于液面高度，以便于提供最大的傳熱面積。 MPa時(shí)，夾套必須采用加強(qiáng)措施。當(dāng)傳熱面積需要很大時(shí)則一般選用蛇管傳熱設(shè)備，設(shè)備的確定需要根據(jù)計(jì)算傳熱的結(jié)果來(lái)確定。2.3.6 反應(yīng)終點(diǎn)產(chǎn)品指標(biāo) 采用熱引發(fā)聚合，反應(yīng)溫度150，反應(yīng)最終聚合率不小于98。脫揮發(fā)器在240250和高真空下操作，可使殘余單體不大于500 ppm，脫揮所得的單體返回原料配制。根據(jù)資料介紹，要求系統(tǒng)進(jìn)水量不能超過(guò)進(jìn)料量的1，否則對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生影響。2.4 主要設(shè)備控制方案2.4.1 反應(yīng)器的溫度控制 反應(yīng)溫度的控制主要是通過(guò)

27、與夾套內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行熱量交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同的聚合反應(yīng)器，聚合反應(yīng)機(jī)理不同、操作方式不同、溫度控制不同、傳熱介質(zhì)、傳熱方向及控制特點(diǎn)的不同，如連鎖聚合反應(yīng)溫度較低，多為放熱反應(yīng)，反應(yīng)速率極快，所以反應(yīng)過(guò)程中撤熱必須及時(shí)，否則易發(fā)生爆聚。而縮聚反應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)小，由于反應(yīng)溫度較高，所以大多需要供熱，反應(yīng)速率比較平穩(wěn)，傳熱速率也比較平穩(wěn)。連續(xù)操作反應(yīng)溫度控制必須平穩(wěn)，抗外界干擾能力要強(qiáng)。而間歇操作反應(yīng)溫度要盡量按預(yù)定要求控制，允許有小量的波動(dòng)。恒溫反應(yīng)過(guò)程，反映前期速率較快，傳熱速率快，反應(yīng)溫度不易控制。而變溫反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)速率在一定時(shí)間內(nèi)比較平穩(wěn)，傳熱速率也比較平穩(wěn)，反應(yīng)溫度易控制。 在本體聚合連續(xù)操

28、作溫度采用二次循環(huán)控制，如圖2.2 所示。二次循環(huán)（小循環(huán)）中的傳熱介質(zhì)流量大而且控制恒定，保證反應(yīng)過(guò)程中有較高的且穩(wěn)定的傳熱系。2.4.2 反應(yīng)器的壓力控制 反應(yīng)未開(kāi)始時(shí)，先將聚合釜抽真空在通入氮?dú)馀懦諝?，然后在減壓下進(jìn)行聚合。通過(guò)調(diào)節(jié)真空泵的抽氣量控制反應(yīng)器的壓力。所圖如圖 所示。2.4.3 反應(yīng)器液位的控制 在連續(xù)操作過(guò)程中，反應(yīng)器的液位高度是一個(gè)重要的控制參數(shù)，它與物料流量共同決定了物料在反應(yīng)器中的有效反應(yīng)體積，進(jìn)而確定了物料在反應(yīng)器中的平均停留時(shí)間?？刹捎贸隽狭髁恳欢?，調(diào)節(jié)進(jìn)料管路上的閥門(mén)，調(diào)節(jié)進(jìn)料流量，控制反應(yīng)器的液位。進(jìn)料時(shí)打開(kāi)進(jìn)料泵，物料到達(dá)預(yù)定液位時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料泵。如圖2.4

29、 所示。2.4.4 泵的控制 泵的控制有兩一是直接流量調(diào)節(jié)，二是旁路流量調(diào)節(jié)。直接流量調(diào)節(jié)控制方案簡(jiǎn)單，易操作。所以在選擇時(shí)采用直接流量調(diào)節(jié)。如圖2.5 所示。 圖2.4 反應(yīng)器液位控制 直接流量調(diào)節(jié)2.5 方案流程草圖及工藝簡(jiǎn)述 根據(jù)主工藝流程、工藝參數(shù)和主設(shè)備方案的確定，畫(huà)出方案流程草圖，如圖2.6所示。圖2.6 GPPS本體熱引發(fā)聚合工藝流程草圖 本次課題主要研究采用熱引發(fā)本體聚合的聚合工藝制備聚苯乙烯，首先工業(yè)苯乙烯原料使用前應(yīng)該用氫氧化鈉水溶液洗滌、水洗、減壓精餾純化。再將精制后苯乙烯單體、乙苯溶劑以及其他一些助劑分別通過(guò)泵輸送到混合釜中，混合均勻后傳送五臺(tái)串聯(lián)相同規(guī)格的攪拌聚合釜，

30、其中第一二臺(tái)為預(yù)聚合釜，后三臺(tái)為聚合釜。最后進(jìn)行分離及聚合物后處理，自后聚合釜流出的物料送入脫揮器，在高真空下脫除單體和低聚物，然后從擠出機(jī)中呈細(xì)條狀擠出，經(jīng)牽引、流水冷卻后，用切粒機(jī)造粒。粒狀的PS輸送到料倉(cāng)，過(guò)濾、脫水、干燥得成品，然后包裝。 3 第一聚合反應(yīng)器的物料衡算 3.1 物料平衡示意圖 根據(jù)工藝流程草圖畫(huà)出物料流程示意圖，如圖3.1所示。 圖3.1 GPPS本體聚合連續(xù)操作主反應(yīng)器物料平衡示意圖101.0-苯乙烯 102.1-乙苯 101.1-苯乙烯 乙苯 201.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 201.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 202.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 202.1-苯乙烯 乙

31、苯 聚合物 203.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 203.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 204.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 204.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 205.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 205.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 301.1-苯乙烯 聚合物 301.2-苯乙烯 乙苯3.2 化學(xué)變化及物理化學(xué)變化 在各聚合釜中，由于反應(yīng)溫度很高，高于苯乙烯和乙苯的沸點(diǎn)，所以縮聚生成的低聚物被蒸出。低聚物在被蒸出的同時(shí)，按氣液平衡關(guān)系夾帶出一定配比的苯乙烯跟乙苯。為了保持聚合反應(yīng)原料配比，蒸出的低聚物、苯乙烯與乙苯經(jīng)換熱器冷凝回流回聚合釜中。所以各釜中的物料總質(zhì)量是相同的?；瘜W(xué)變化及物理化學(xué)變化關(guān)系，如表3.1

32、表示。 表3.1 化學(xué)變化及物理化學(xué)變化的變化關(guān)系化學(xué)物名稱(chēng)苯乙烯乙苯PS鏈節(jié)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量符號(hào)MsMrMpMps相對(duì)分子質(zhì)量10410610470000 本設(shè)計(jì)采用熱引發(fā)本體聚合制備年產(chǎn)15萬(wàn)噸通用聚苯乙烯，每年工作330天，每天工作24h，苯乙烯單體聚合一般采用4到5級(jí)反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)，要求聚苯乙烯產(chǎn)率98%，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，以乙苯為稀釋劑，乙苯在反應(yīng)液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，苯乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94%，其他助劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。該生產(chǎn)15萬(wàn)噸GPPS連續(xù)生產(chǎn)、切粒、包裝工序物料損失率0.5%，因此反應(yīng)液中最終含聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：100%=92%。各設(shè)備的工藝參數(shù)如表3.2所示。根據(jù)任務(wù)書(shū)的要

33、求，只針對(duì)第一聚合反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算。表3.2 各設(shè)備的工藝參數(shù)反應(yīng)器位號(hào)V101R201R202R203R204R205X301轉(zhuǎn)化率/01535557598反應(yīng)溫度80100115115125125150150160155165240250抽出低聚物/%（質(zhì)量）003.4 物料衡算（1） 計(jì)算主要原料投料量對(duì)總反應(yīng)進(jìn)行物料衡算：苯乙烯每天需投入量：苯乙烯每小時(shí)投入量：物料每天的投入量: 物料每小時(shí)的投入量：投料摩爾流量：GDh乙苯每天投入的總量： 乙苯每小時(shí)投入的量： (2)V101物料衡算101.0 苯乙烯: 101.2 乙苯：kg/h合計(jì)： （3）R201 物料衡算由于抽真空有少量聚合

34、物被帶出，同時(shí)帶出少量的乙苯、苯乙烯聚合物： 19423.02x15%x0.999=2910.54 kg/h 苯乙烯： 19423.02x（1-15%）x0.999=16493.06 kg/h 乙 苯： 826.52x0.999=825.69 kg/h 201.1 2910.54+16493.06+825.69=20229.29 kg/h 201.2 826.52x0.001+19423.02x15%x0.001+19423.02x(1-15%)x0.001=20.25 kg/h對(duì) R201進(jìn)行物料平衡驗(yàn)算:總進(jìn)料量：19423.02+ 826.52=20249.54 kg/h總出料量：202

35、29.29+20.25=20249.54 kg/h 對(duì)R201進(jìn)行物料衡算的結(jié)果匯總，如表3.3所示。表3.3 GPPS第一聚合反應(yīng)器物料衡算結(jié)果匯總物流代號(hào)苯乙烯乙苯聚合物合計(jì)4 第一聚合反應(yīng)器的熱量衡算苯乙烯的本體聚合過(guò)程采用連續(xù)五釜攪拌，而且五個(gè)釜的體積相同。主要原料有苯乙烯和乙苯，采用熱引發(fā)，不用催化劑，在后處理過(guò)程中添加抗老化劑和抗紫外線(xiàn)劑。由于反應(yīng)在恒溫恒壓下進(jìn)行并且為連續(xù)操作，所以對(duì)于各反應(yīng)釜而言q1=0，q3=0，只需求q2，q4。而根據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的要求只對(duì)第一個(gè)聚合反應(yīng)釜進(jìn)行熱量衡算。熱量衡算的計(jì)算 h，以第一個(gè)釜為例，設(shè)計(jì)溫度釜內(nèi)100 MPa。由2第328頁(yè)圖5-6，密度

36、與溫度的關(guān)系圖查得，反應(yīng)溫度為100下反應(yīng)液的密度。查圖5-8，在100下反應(yīng)速率常數(shù)k=240，反應(yīng)液的聚合反應(yīng)熱為 （1）聚合釜體積計(jì)算 一年內(nèi)所需苯乙烯和乙苯的質(zhì)量：15（94%+4%）（萬(wàn)噸） = 2 * GB3 每小時(shí)處理物料量：107330243 = 3 * GB3 所需總反應(yīng)體積：3 = 4 * GB3 聚合釜體積：3 綜上所述，聚合釜為5臺(tái)，考慮的備用系數(shù)，則需19m3聚合釜5臺(tái)。 （2）第一聚合反應(yīng)器的熱量衡算R201 VR m3 CA Kmol/(m.h) rA=kCA103 Kmol/h q2=103106 KJ/h qT=q2106 KJ/h q4 =qT 104 KJ

37、/h 5 第一聚合反應(yīng)器的設(shè)備工藝計(jì)算5.1聚合釜尺寸的計(jì)算和選型 根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求只對(duì)第一個(gè)聚合反應(yīng)釜進(jìn)行設(shè)備工藝計(jì)算。（1）選擇長(zhǎng)徑比 因反應(yīng)采用熱引發(fā)，所以聚合釜采用長(zhǎng)徑比（H/D）小即矮胖型，釜內(nèi)液體比表面積大，表面更新容易，分子組分易氣化；攪拌軸較短，攪拌裝置旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，攪拌槳直徑大，需要攪拌功率高，對(duì)傳熱面積的增加不利；傳熱距離較長(zhǎng)，傳熱效果差。綜合取長(zhǎng)徑比。上述已計(jì)算出V=19m3，VRm3。（2）封頭及釜徑的確定 封頭的選型 因反應(yīng)器為壓力釜，易發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生爆雜。而標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭應(yīng)力分布比較均勻，封頭的強(qiáng)度與和與其相連接的筒體強(qiáng)度相等。所以上下封頭均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，封頭高度

38、：；封頭體積3 = 2 * GB3 釜徑的計(jì)算 設(shè)：h為釜體直邊高度、H為反應(yīng)器釜體總高度，則 所以 V=/4D233 D=m 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取 = 3 * GB3 封頭尺寸確定 D=3000mm 根據(jù)1186頁(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參考查表3查得，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭得對(duì)應(yīng)的封頭曲面高度h1=750mm，封頭的直邊高度為50mm，厚度=30mm。 = 4 * GB3 確定封頭與筒體的連接方式 焊接連接設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，且因?yàn)榇颂幏磻?yīng)器直徑較大，要抽真空，對(duì)密封要求比較高，所以采用焊接連接。 = 5 * GB3 計(jì)算并選擇釜體內(nèi)徑取筒體厚度與封頭厚度相同=30mm，則D內(nèi)=D-2=3000-230=2940mm =

39、6 * GB3 釜總高計(jì)算 H=1.2D=3600mm = 7 * GB3 計(jì)算釜體直邊高度： 釜體的直邊高度為h=3600-2750=2100mm = 8 * GB3 反應(yīng)器實(shí)際體積為： V=/4D2D33 反應(yīng)器實(shí)際長(zhǎng)徑比： = 9 * GB3 計(jì)算最高液位，最低液位 ： 由于該工藝為本體聚合，剛開(kāi)始黏度較低，隨后持續(xù)增大，所以第一個(gè)釜內(nèi)選用推進(jìn)式漿（螺旋槳），其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，適用液體黏度低，液量大的液體攪拌，利用較小的攪拌功率通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉能獲得較好的攪拌效果。而第二，三，四，五釜由于黏度大而選用框式槳，因?yàn)轶w系黏度大，攪拌軸承受較大的扭矩，攪拌功率大，能量消耗大，單靠流

40、動(dòng)不能滿(mǎn)足混合需求，宜采用具有刮壁效果的錨式或框式。根據(jù)參考教材1第77頁(yè)表6-4 攪拌槳葉的結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)參數(shù)和7第836頁(yè)確定槳葉尺寸得： 推進(jìn)式槳葉 葉片數(shù)z=3 攪拌直徑d=1/4D=750mm, C=(11.5)d取C=900mm 框式槳 d=0.95D=2800mm 則攪拌器臂距釜內(nèi)壁距離e=1/2(2940-2800)=75mm 框器高度h=0.6d=1680mm C=(0.02-0.06)d=(56168)mm,取C=e=75mm 臂寬b=1/12d=233mm , 取b=240mm 對(duì)于第一、二個(gè)攪拌釜要設(shè)置攪拌裝置，后三個(gè)則不需要。 為了避免液體在旋轉(zhuǎn)的攪拌軸中心形成液面凹

41、陷的漩渦現(xiàn)象，增大被攪拌液體的湍動(dòng)程度，將切線(xiàn)流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向和徑向流動(dòng)，改善攪拌效果，所以要進(jìn)行擋板的設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)四塊擋板，擋板方式為緊貼著釜壁且垂直于釜壁，擋板寬： B=1/12 D內(nèi)=（1/12 )2940=245mm 取b=250mm 為了提高釜內(nèi)液體的攪拌程度，加強(qiáng)攪拌器對(duì)液體的攪拌作用，控制釜內(nèi)液體的循環(huán)流量和循環(huán)方向，防止短路要進(jìn)行導(dǎo)流筒的設(shè)計(jì)。 D導(dǎo)=70%D內(nèi)2940=2058mm 安裝位置：推進(jìn)式槳葉安裝在導(dǎo)流筒套內(nèi)或略低于導(dǎo)流筒的下端。 根據(jù)參考教材1第81頁(yè)表6-5,6-6,6-7攪拌要求選擇攪拌等級(jí)，取第一釜為2級(jí)，第五釜為9級(jí)。 由攪拌級(jí)別查表6-8對(duì)應(yīng)的流體總體流速選擇總體流速：第一釜V1，第五釜V2。5.3 傳熱裝置的計(jì)算傳熱裝置的形式：夾套傳熱參照7第956頁(yè)到957頁(yè)選U型封口錐結(jié)構(gòu)夾套。夾套設(shè)計(jì)直徑比D2/D1 確定D2=3300mm壁厚與直徑比