2萬噸年SAN懸浮聚合生產車間的工藝設計

1、 2萬噸年SAN懸浮聚合生產車間的工藝設計沈云浩（常州大學材料科學與工程學院材料化學101班）指導老師：張震乾目錄1項目簡介TOC o 1-5 h z1.1項目名稱2 HYPERLINK l bookmark4 1.2項目內容2 HYPERLINK l bookmark6 1.3設計依據(jù)及必要性2 HYPERLINK l bookmark8 1.4市場前景分析2 HYPERLINK l bookmark10 1.5產品方案2 HYPERLINK l bookmark12 1.6技術方案及設備方案22生產方法與工藝流程 HYPERLINK l bookmark14 2.1生產方法42.2聚合工藝

2、過程4 HYPERLINK l bookmark28 2.3工藝流程9 HYPERLINK l bookmark32 2.4工藝參數(shù)10 HYPERLINK l bookmark34 2.5主要設備控制方案102.6安全防護措施113物料衡算以及熱量橫算3.1物料衡算123.2熱量衡算154設備工藝計算4.1釜體的設計174.2攪拌器的確定184.3各物料進出管口直徑確定194.4軸密封形式194.5流體輸送機械的選型設計204.6調節(jié)釜的設計204.7單體預乳化罐的設計204.8過濾器的設計215參考文獻1項目簡介1.1項目名稱：2萬噸/年SAN懸浮聚合生產車間的工藝設計。1.2項目內容1、

3、設計方案簡介，選定的工藝流程、主要設備的型式進行簡單的論述。2、對選定的工藝流程進行物料衡算，對某些設備進行熱量衡算，為設備的工藝計算提供依據(jù)。3、主要設備的工藝設計計算，包括工藝參數(shù)的選定、原材料消耗計算、動力計算、設備的工藝尺寸計算及結構設計；典型輔助設備的選型和計算，包括典型輔助設備的工藝尺寸計算和型號規(guī)格的選定。4、工藝流程圖一單線圖的形式繪制，標出主要設備、輔助設備和主要工藝參數(shù)測量點，并繪制工藝流程草圖、PFD、PID圖。1.3設計依據(jù)及必要性依據(jù)設計任務書或可行性研究報告的批文，環(huán)境影響報告書的批文，技術引進報告的批文以及其他相關性文件等。依據(jù)主要原料及物理性質、生產方法、生產能

4、力。SAN樹脂是作為由丙烯腈和苯乙烯進行共聚反應而生產的一種共聚產物。熱塑性SAN樹脂為無色非晶態(tài)或透明的微黃色顆粒狀樹脂，相對密度為0.7,收縮率在0.2%0.5%之間，無毒。作為一種有剛性并且十分堅固的材料，耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、耐油性、抗震動性和化學穩(wěn)定性十分優(yōu)異。目前，其只要用來摻混生產ABS的產品，因而ABS的生產量直接決定了SAN的需求與產量。1.4市場前景分析：在外國，SAN樹脂很早便已經發(fā)展，并形成了一系列的高質量產品。而中國的SAN樹脂牌號少，質量層次不齊，很難滿足中國各行各業(yè)的不同需求，從而導致中國客戶大量進口外國SAN樹脂，而中國的產品大量滯銷，SAN產業(yè)鏈嚴重滯后。因此結

5、合我國目前現(xiàn)狀，要穩(wěn)定和提高產品的質量，解決產品中存在的問題，盡最大的努力降低成本，突破技術難點和薄弱環(huán)節(jié)，早日實現(xiàn)裝置全面達標。讓中國的SAN樹脂品牌化，質量化，從而走出中國，在國際市場上開辟一個屬于中國的領域。1.5產品方案:生產能力：SAN樹脂2萬噸/年;開工時間：250d/a,24h/d。1.6技術方案及設備方案:（一）技術方案：工業(yè)生產SAN樹脂一般采用三種方法：乳液共聚、懸浮井聚和本體共聚。本設計選用懸浮聚合法作為設計的基本原理。因為聚合反應熱容易除去，生產操作安全，反應過程中物料粘度變化不大，溫度可以控制。SAN生產方法是通過自由基在引發(fā)劑或熱引發(fā)進行共聚合，但由于兩種單體的競聚

6、率相差很大，如苯乙烯為r1約0.4,丙烯腈為r2約0.04，苯乙烯的聚合速率比丙烯腈快得多，隨著共聚反應的進行，苯乙烯單體消耗速率快，比丙烯腈單體先消耗完。在聚合后期生成的是丙烯腈均聚物，因此，共聚物組成與單體投料比不同，共聚物組成隨著共聚轉化率的提高不斷變化，共聚物是不同組成聚合物的混合物。乳液聚合主要優(yōu)點有：聚合反應中的反應熱簡單的就能去除掉；生產操作安全，不會發(fā)生特大安全事故；反應過程中無聊粘度變化不大而且還能控制溫度等。缺點：聚合物的外觀不太好，透明度差；與聚苯乙烯比較有發(fā)黃現(xiàn)象。（二）設備方案：該項目主要生產設備為聚合釜、調配罐、貯槽、混合槽、沸騰干燥器等大型設備以及各類機泵、各種儀

7、表等。2生產方法與工藝流程2.1生產方法選擇生產工藝路線就是指選擇生產方法。生產方法就是指在化工生產過程中使用何種原料、根據(jù)何種原理、選擇實施何種方法，通過何種操作過程實現(xiàn)從原料變?yōu)楫a品的方法。主要生產方法:將苯乙烯與丙烯腈在控制溫度的情況下，通過改變溫度與壓力進行懸浮聚合，然后將所得聚合物料進行篩選除雜，從而得到高質量的SAN樹脂。本項目基本工藝由原材料的配制、聚合、脫單體和成品包裝等工序?；窘M分是：單體、懸浮劑、阻聚劑等。2.1.1原料選擇：該項目選用的原料主要單體為：苯乙烯和丙烯腈。2.1.2聚合機理：自由基共聚反應。2.1.3實施方法：本項目擬采用懸浮聚合法獲得SAN樹脂。2.1.4

8、操作過程：采用間歇式操作。2.2聚合工藝條件2.2.1單體的選擇：SAN樹脂是丙烯晴一苯乙烯共聚物，其特性是由兩組份的配比及每一種組分的化學結構，物理形態(tài)控制。丙烯腈表現(xiàn)的特性是耐熱性、耐化學性、剛性、抗拉強度；苯乙烯表現(xiàn)的特性是加工流動性，光澤性。這兩組分的結合，優(yōu)勢互補，使SAN樹脂具有優(yōu)良的綜合性能。（1）苯乙烯苯乙烯結構式為CHCH=CH，是不飽和芳烴中最簡單、最重要的成員，屬于帶有烯烴側652鏈并與苯環(huán)形成共軛體系的單環(huán)芳烴，廣泛用作生產苯乙烯系樹脂和合成橡膠的原料，如GPPS、HIPS、ABS、SAN、SMA、SBR等。目前世界苯乙烯產量已達1900萬噸/年，90%以上都是通過乙苯

9、催化脫氫制得，中國苯乙烯產量約為80萬噸/年。表1苯乙烯的物理性質物理量名稱量值沸點(O.IMPa)/C145.0凝固點/C-30.6閃點/CTag開杯法34.4Cleveland開杯法31.1自燃溫度/c490.0爆炸極限（空氣中）/%1.16.1表2工業(yè)用苯乙烯質量標準序號指標名稱優(yōu)級品質量指標一級品合格品測試方法1外觀清晰透明無機械雜質無游離水目測2純度，%99.699.499.0GB/T12688.1-903色度，號101530GB/T12688.2-904總醛，%0.010.020.04GB605-885聚合物，mg/kg101050GB/T12688.5-906過氧化物，mg/kg

10、100100200GB/TT12688.4-907阻聚劑，mg/kg1030GB/TT12688.7-908硫,mg/kg303030GB/TT12688.6-90丙烯腈丙烯腈結構式為CH2=CHCN。目前，世界總生產能力約為4870kt/a,其中90%采用Sohio法，中國丙烯腈生產能力約為430kt/a。丙烯腈在常溫常壓下，是一種具有苦杏仁氣味的無色透明液體。表3丙烯腈的主要物理性質物理量名稱量值沸點/C77.3熔點/C-83.550.05臨界溫度/C246臨界壓力/Mpa3.12相對密度/0.8004(25C)d=0.8281-0.001106t(t=030c)比熱容/J(kgk)-12

11、0.920.03蒸汽相對密度1.83(空氣=1.0)折射率1.3888粘度(25C)/(MPas)0.34X10-3表面張力/(mNm-1)27.3閃點/c0燃燒溫度/C481表4工業(yè)用丙烯腈規(guī)格序號指標名稱指標優(yōu)等品一等品合格品1外觀透明液體、無懸浮物2色度（Pt-co），號55103酸度0.00200.00354密度(20C)/(g/cm3)0.8000.8075PH值（5%水溶液）6.09.06滴定值（5%的水溶液）/ml2.02.03.07水分/%（質）0.450.450.608總醛（以乙醛計）/%（質）0.050.050.0109總氰（以氫氰酸計）/%（質）0.00050.00100

12、.002010過氧化物（以過氧化氫計）/%（質）0.000020.000020.0000411鐵/%（質）0.000010.00000.0000212丙烯醛/%（質）0.00100.00200.004013丙酮/%（質）0.0100.0200.03014乙腈/%（質）0.0150.0200.03015銅/%（質）0.000010.0000116沸程（在0.10133Mpa下）/C74.579.0對一羥基苯甲醛/%（質）0.00350.004517阻聚劑氨/%（質）0.0080.0122.2.2懸浮劑的選擇懸浮劑是將小于4微米的微粒均勻分散于試劑中的制劑。懸浮劑在制備SAN樹脂過程中起到了十分重

13、要的作用。它能夠將原本在溶液中不均與分散的單體均勻的分散在溶劑中，從而使反應更加徹底更加有效率。懸浮劑的選擇受到很多因素的影響，比如溫度，壓力，溶劑和是否與單體有反應等，介于本實驗在140C之上，所以最終選擇碳酸鎂作為本次設計的懸浮劑。2.2.3阻聚劑的選擇阻聚劑分子與鏈自由基反應，形成非自由基物質或不能引發(fā)的低活性自由基，從而使聚合終止。阻聚劑可以防止聚合作用的進行，在聚合過程中產生誘導期(即聚合速度為零的一段時間)，誘導期的長短與阻聚劑含量成正比，阻聚劑消耗完后，誘導期結束，即按無阻聚劑存在時的正常速度進行。選擇阻聚劑主要是要求有較高阻聚效率，還應考慮它在單體中的溶解度，與單體的適應性，能

14、夠容易用蒸餾或化學方法將阻聚劑從單體中除去。進過多方面考略，選擇TBC作為本設計的阻聚劑。2.2.4SAN懸浮聚合方案流程簡圖圖1懸浮聚合法生產SAN生產方案流程圖2.3工藝流程(1)SAN的制備由苯乙烯單體、丙烯腈和溶劑以及回收液組成的物料經預熱后進入聚合釜，丙烯腈：苯乙烯單體=50：50。聚合反應溫度為120150C，壓力0.150.75MPa,反應后從聚合釜出來的物料用齒輪泵送入第一脫揮器，在0、196MPa壓力下閃蒸除去大部分丙烯腈和部分苯乙烯單體、乙苯等揮發(fā)組分。然后經管式加熱器加熱至240C后，進入第二脫揮器，在2.67kPa壓力下再脫除殘余的苯乙烯單體等揮發(fā)組分。整個系統(tǒng)用290

15、C的熱油保溫。熔融的SAN送去擠條切粒，進行產品與準備項目數(shù)據(jù)聚合溫度/C100160停留時間/h810h表5制備SAN樹脂的工藝條件2.4工藝參數(shù)：2.4.1工藝配方（質量分數(shù)）配料比苯乙烯：丙烯腈=100:100懸浮劑用量c=0.222%（單體質量分數(shù)）阻聚劑用量d=0.028%（單體質量分數(shù)）2.4.2主要單體參數(shù)單體名稱相對分子質量沸點/c熔點/c折射率密度丙烯腈53.0677.3-821.3880.806苯乙烯104.14145.2-30.61.54690.9062.4.3主要工藝參數(shù)聚合溫度100160C轉化率70%75%損失率2%2.5主要設備控制方案2.5.1反應器的溫度控制反

16、應溫度的控制主要是通過與夾套內循環(huán)水進行熱量交換來實現(xiàn)的。不同的聚合反應器，聚合反應機理不同、操作方式不同、溫度控制不同、傳熱介質、傳熱方向及控制特點的不同，如連鎖聚合反應溫度較低，多為放熱反應，反應速率極快，所以反應過程中撤熱必須及時，否則易發(fā)生爆聚。而縮聚反應反應熱效應小，由于反應溫度較高，所以大多需要供熱，反應速率比較平穩(wěn)，傳熱速率也比較平穩(wěn)。連續(xù)操作反應溫度控制必須平穩(wěn)，抗外界干擾能力要強。而間歇操作反應溫度要盡量按預定要求控制，允許有小量的波動。恒溫反應過程，反映前期速率較快，傳熱速率快，反應溫度不易控制。而變溫反應過程，反應速率在一定時間內比較平穩(wěn)，傳熱速率也比較平穩(wěn)，反應溫度易控

17、制。2.5.2反應器的壓力控制先將聚合釜抽真空在通入氮氣排除空氣并且降溫，然后在減壓下進行聚合。通過調節(jié)真空泵的抽氣量控制反應器的壓力。2.5.2反應器液位的控制：（進料時打開進料泵，物料到達預定液位時，關閉進料泵）在間歇操作過程中，反應器的液位高度是一個重要的控制參數(shù)，但是由于間歇操作對于液體的流速沒有多大的要求，所以，對于反應器的流入流出量沒多大要求。2.5.4泵的控制（直接流量調節(jié)）泵的控制有兩一是直接流量調節(jié)，二是旁路流量調節(jié)。直接流量調節(jié)控制方案簡單，易操作。所以在選擇時采用直接流量調節(jié)。2.6安全防護措施261聚合工段設計中電氣設備一律選用隔爆式電氣設備，各設備均有接地線、跨接線等

18、防靜電設施及防雷設施；各崗位設有排氣系統(tǒng)。此外生產中還要注意以下問題：禁止穿帶釘子鞋進入裝置現(xiàn)場；禁止吸煙；禁止隨意用鐵器碰擊設備；機動車不經許可不得進入生產區(qū)。生產人員必須熟悉相關崗位消防設施的種類和存放位置，并熟練準確使用，了解現(xiàn)場物料的性質。生產人員必須佩戴好勞動保護用品，在接觸化合物時必須帶手套、面具及其他防護用品。生產人員在生產過程中要及時檢查，消除漏點。設備跑料、貯罐冒頂應立即采取緊急措施，切斷物料來源，控制現(xiàn)場，通知附近使用明火單位立即停止，嚴禁開、停傳動設備，及時回收流失物料或用蒸汽蒸煮，消除危險。生產裝置檢修敲打設備時，必須使用銅制工具或在鐵制工具上涂上黃干油，以免引起火花。

19、生產現(xiàn)場禁止存放大量易燃易爆物品。設備開車前必須用氮氣置換。各貯罐裝料不得超過規(guī)定的裝料系數(shù)，而且要有氮氣保護。設備檢修必須將物料倒空，并用盲板切斷與其他設備的連接，清除可燃物，經車間安全員同意，指令專人到現(xiàn)場監(jiān)護，檢修人員方可動火。262后處理工段處理的電器、轉動設備多，生產人員上崗必須穿好工作服帶好安全帽。所有電器設備在運轉中禁止用手亂動。生產人員工作服內禁止帶東西，防止落入設備影響生產。非崗位人員禁止入內，庫內經常保持衛(wèi)生。3.1物料衡算3.1.1如下圖示，對于物料數(shù)量與組成沒有變化的設備不做物料衡算。10 圖2SAN懸浮聚合間歇操作物料平衡示意圖Ml原料Na2CO3，M2無離子水A,M

20、316%Na2CO3，M4原料MgSO4,M5無離子水B，M616%MgSO4，M7SM-Na鈉鹽，M8MgCO3溶液，M9苯乙烯，M10丙烯腈，M11單體混合液，M12待聚合溶液，M13阻聚劑,M14聚合物混合液312明確物料變化的化學變化，寫出主，副反應方程式在R101中發(fā)生Na2CO3+MgSO4MgCO3+Na2CO3；在R102中發(fā)生苯乙烯和丙烯腈懸浮聚合成SAN；313收集數(shù)據(jù)生產規(guī)模：年生產量2萬噸；生產時間：年工作日250d/a(24h/d);間歇操作：V101V102V103R101每天1批；R102每天3批。314技術指標損失率：2.0%產品質量；懸浮劑：0.222%單體質

21、量；阻聚劑：0.028%單體質量；315確定計算順序有給定條件及物料平衡關系示意圖可采用順流程的計算順序。316計算主要原料(丁二烯)投料數(shù)量每批生產聚合物數(shù)量：20000000/(250 x3x0.98)=27210.88kg/B所需苯乙烯數(shù)量：27210.88x104.14/157.2117=18064.75kg/B所需丙烯腈數(shù)量：27210.88x53.06/157.2117=9183.85kg/B317順流程逐個計算V101:M1=(18064.75+9183.85)/100 x0.09=24.52kg/BM2=24.52/0.16x0.84=128.73kg/BM3=M1+M2=153.25kg/BV102M4=(18064.75+9183.85)/100 x0.12=32.70kg/BM5=32.70/0.16x.84=171.68kg/BM6=M4+M5=204.38kg/BR101:M3=M1+M2=153.25kg/BM6=M4+M5=204.38kg/BM7=(18064.75+9183.85)/100 x0.028=7.6