2萬(wàn)噸年SAN懸浮聚合生產(chǎn)車(chē)間的工藝設(shè)計(jì)

1、 2萬(wàn)噸年SAN懸浮聚合生產(chǎn)車(chē)間的工藝設(shè)計(jì)沈云浩（常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料化學(xué)101班）指導(dǎo)老師：張震乾目錄1項(xiàng)目簡(jiǎn)介T(mén)OC o 1-5 h z1.1項(xiàng)目名稱(chēng)2 HYPERLINK l bookmark4 1.2項(xiàng)目?jī)?nèi)容2 HYPERLINK l bookmark6 1.3設(shè)計(jì)依據(jù)及必要性2 HYPERLINK l bookmark8 1.4市場(chǎng)前景分析2 HYPERLINK l bookmark10 1.5產(chǎn)品方案2 HYPERLINK l bookmark12 1.6技術(shù)方案及設(shè)備方案22生產(chǎn)方法與工藝流程 HYPERLINK l bookmark14 2.1生產(chǎn)方法42.2聚合工藝

2、過(guò)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(shè)備控制方案102.6安全防護(hù)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(shè)備工藝計(jì)算4.1釜體的設(shè)計(jì)174.2攪拌器的確定184.3各物料進(jìn)出管口直徑確定194.4軸密封形式194.5流體輸送機(jī)械的選型設(shè)計(jì)204.6調(diào)節(jié)釜的設(shè)計(jì)204.7單體預(yù)乳化罐的設(shè)計(jì)204.8過(guò)濾器的設(shè)計(jì)215參考文獻(xiàn)1項(xiàng)目簡(jiǎn)介1.1項(xiàng)目名稱(chēng)：2萬(wàn)噸/年SAN懸浮聚合生產(chǎn)車(chē)間的工藝設(shè)計(jì)。1.2項(xiàng)目?jī)?nèi)容1、

3、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介，選定的工藝流程、主要設(shè)備的型式進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。2、對(duì)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)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)備的工藝尺寸計(jì)算和型號(hào)規(guī)格的選定。4、工藝流程圖一單線(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)，并繪制工藝流程草圖、PFD、PID圖。1.3設(shè)計(jì)依據(jù)及必要性依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)或可行性研究報(bào)告的批文，環(huán)境影響報(bào)告書(shū)的批文，技術(shù)引進(jìn)報(bào)告的批文以及其他相關(guān)性文件等。依據(jù)主要原料及物理性質(zhì)、生產(chǎn)方法、生產(chǎn)能

4、力。SAN樹(shù)脂是作為由丙烯腈和苯乙烯進(jìn)行共聚反應(yīng)而生產(chǎn)的一種共聚產(chǎn)物。熱塑性SAN樹(shù)脂為無(wú)色非晶態(tài)或透明的微黃色顆粒狀樹(shù)脂，相對(duì)密度為0.7,收縮率在0.2%0.5%之間，無(wú)毒。作為一種有剛性并且十分堅(jiān)固的材料，耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、耐油性、抗震動(dòng)性和化學(xué)穩(wěn)定性十分優(yōu)異。目前，其只要用來(lái)?yè)交焐a(chǎn)ABS的產(chǎn)品，因而ABS的生產(chǎn)量直接決定了SAN的需求與產(chǎn)量。1.4市場(chǎng)前景分析：在外國(guó)，SAN樹(shù)脂很早便已經(jīng)發(fā)展，并形成了一系列的高質(zhì)量產(chǎn)品。而中國(guó)的SAN樹(shù)脂牌號(hào)少，質(zhì)量層次不齊，很難滿(mǎn)足中國(guó)各行各業(yè)的不同需求，從而導(dǎo)致中國(guó)客戶(hù)大量進(jìn)口外國(guó)SAN樹(shù)脂，而中國(guó)的產(chǎn)品大量滯銷(xiāo)，SAN產(chǎn)業(yè)鏈嚴(yán)重滯后。因此結(jié)

5、合我國(guó)目前現(xiàn)狀，要穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，解決產(chǎn)品中存在的問(wèn)題，盡最大的努力降低成本，突破技術(shù)難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，早日實(shí)現(xiàn)裝置全面達(dá)標(biāo)。讓中國(guó)的SAN樹(shù)脂品牌化，質(zhì)量化，從而走出中國(guó)，在國(guó)際市場(chǎng)上開(kāi)辟一個(gè)屬于中國(guó)的領(lǐng)域。1.5產(chǎn)品方案:生產(chǎn)能力：SAN樹(shù)脂2萬(wàn)噸/年;開(kāi)工時(shí)間：250d/a,24h/d。1.6技術(shù)方案及設(shè)備方案:（一）技術(shù)方案：工業(yè)生產(chǎn)SAN樹(shù)脂一般采用三種方法：乳液共聚、懸浮井聚和本體共聚。本設(shè)計(jì)選用懸浮聚合法作為設(shè)計(jì)的基本原理。因?yàn)榫酆戏磻?yīng)熱容易除去，生產(chǎn)操作安全，反應(yīng)過(guò)程中物料粘度變化不大，溫度可以控制。SAN生產(chǎn)方法是通過(guò)自由基在引發(fā)劑或熱引發(fā)進(jìn)行共聚合，但由于兩種單體的競(jìng)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(yīng)的進(jìn)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(zhuǎn)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(diǎn)有：聚合反應(yīng)中的反應(yīng)熱簡(jiǎn)單的就能去除掉；生產(chǎn)操作安全，不會(huì)發(fā)生特大安全事故；反應(yīng)過(guò)程中無(wú)聊粘度變化不大而且還能控制溫度等。缺點(diǎn)：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(shè)備方案：該項(xiàng)目主要生產(chǎn)設(shè)備為聚合釜、調(diào)配罐、貯槽、混合槽、沸騰干燥器等大型設(shè)備以及各類(lèi)機(jī)泵、各種儀

7、表等。2生產(chǎn)方法與工藝流程2.1生產(chǎn)方法選擇生產(chǎn)工藝路線(xiàn)就是指選擇生產(chǎn)方法。生產(chǎn)方法就是指在化工生產(chǎn)過(guò)程中使用何種原料、根據(jù)何種原理、選擇實(shí)施何種方法，通過(guò)何種操作過(guò)程實(shí)現(xiàn)從原料變?yōu)楫a(chǎn)品的方法。主要生產(chǎn)方法:將苯乙烯與丙烯腈在控制溫度的情況下，通過(guò)改變溫度與壓力進(jìn)行懸浮聚合，然后將所得聚合物料進(jìn)行篩選除雜，從而得到高質(zhì)量的SAN樹(shù)脂。本項(xiàng)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：?jiǎn)误w、懸浮劑、阻聚劑等。2.1.1原料選擇：該項(xiàng)目選用的原料主要單體為：苯乙烯和丙烯腈。2.1.2聚合機(jī)理：自由基共聚反應(yīng)。2.1.3實(shí)施方法：本項(xiàng)目擬采用懸浮聚合法獲得SAN樹(shù)脂。2.1.4

8、操作過(guò)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(shù)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(xué)結(jié)構(gòu)，物理形態(tài)控制。丙烯腈表現(xiàn)的特性是耐熱性、耐化學(xué)性、剛性、抗拉強(qiáng)度；苯乙烯表現(xiàn)的特性是加工流動(dòng)性，光澤性。這兩組分的結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使SAN樹(shù)脂具有優(yōu)良的綜合性能。（1）苯乙烯苯乙烯結(jié)構(gòu)式為CHCH=CH，是不飽和芳烴中最簡(jiǎn)單、最重要的成員，屬于帶有烯烴側(cè)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(chǎn)苯乙烯系樹(shù)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(chǎn)量已達(dá)1900萬(wàn)噸/年，90%以上都是通過(guò)乙苯

9、催化脫氫制得，中國(guó)苯乙烯產(chǎn)量約為80萬(wàn)噸/年。表1苯乙烯的物理性質(zhì)物理量名稱(chēng)量值沸點(diǎn)(O.IMPa)/C145.0凝固點(diǎn)/C-30.6閃點(diǎn)/CTag開(kāi)杯法34.4Cleveland開(kāi)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)指標(biāo)名稱(chēng)優(yōu)級(jí)品質(zhì)量指標(biāo)一級(jí)品合格品測(cè)試方法1外觀清晰透明無(wú)機(jī)械雜質(zhì)無(wú)游離水目測(cè)2純度，%99.699.499.0GB/T12688.1-903色度，號(hào)101530GB/T12688.2-904總?cè)?0.010.020.04GB605-885聚合物，mg/kg101050GB/T12688.5-906過(guò)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(jié)構(gòu)式為CH2=CHCN。目前，世界總生產(chǎn)能力約為4870kt/a,其中90%采用Sohio法，中國(guó)丙烯腈生產(chǎn)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(wú)色透明液體。表3丙烯腈的主要物理性質(zhì)物理量名稱(chēng)量值沸點(diǎn)/C77.3熔點(diǎn)/C-83.550.05臨界溫度/C246臨界壓力/Mpa3.12相對(duì)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(duì)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(diǎn)/c0燃燒溫度/C481表4工業(yè)用丙烯腈規(guī)格序號(hào)指標(biāo)名稱(chēng)指標(biāo)優(yōu)等品一等品合格品1外觀透明液體、無(wú)懸浮物2色度（Pt-co），號(hào)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(zhì)）0.450.450.608總?cè)ㄒ砸胰┯?jì)）/%（質(zhì)）0.050.050.0109總氰（以氫氰酸計(jì)）/%（質(zhì)）0.00050.00100

12、.002010過(guò)氧化物（以過(guò)氧化氫計(jì)）/%（質(zhì)）0.000020.000020.0000411鐵/%（質(zhì)）0.000010.00000.0000212丙烯醛/%（質(zhì)）0.00100.00200.004013丙酮/%（質(zhì)）0.0100.0200.03014乙腈/%（質(zhì)）0.0150.0200.03015銅/%（質(zhì)）0.000010.0000116沸程（在0.10133Mpa下）/C74.579.0對(duì)一羥基苯甲醛/%（質(zhì)）0.00350.004517阻聚劑氨/%（質(zhì)）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(shù)脂過(guò)程中起到了十分重

13、要的作用。它能夠?qū)⒃驹谌芤褐胁痪c分散的單體均勻的分散在溶劑中，從而使反應(yīng)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(yīng)等，介于本實(shí)驗(yàn)在140C之上，所以最終選擇碳酸鎂作為本次設(shè)計(jì)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(yīng)，形成非自由基物質(zhì)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(jìn)行，在聚合過(guò)程中產(chǎn)生誘導(dǎo)期(即聚合速度為零的一段時(shí)間)，誘導(dǎo)期的長(zhǎng)短與阻聚劑含量成正比，阻聚劑消耗完后，誘導(dǎo)期結(jié)束，即按無(wú)阻聚劑存在時(shí)的正常速度進(jìn)行。選擇阻聚劑主要是要求有較高阻聚效率，還應(yīng)考慮它在單體中的溶解度，與單體的適應(yīng)性，能

14、夠容易用蒸餾或化學(xué)方法將阻聚劑從單體中除去。進(jìn)過(guò)多方面考略，選擇TBC作為本設(shè)計(jì)的阻聚劑。2.2.4SAN懸浮聚合方案流程簡(jiǎn)圖圖1懸浮聚合法生產(chǎn)SAN生產(chǎn)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(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入聚合釜，丙烯腈：苯乙烯單體=50：50。聚合反應(yīng)溫度為120150C，壓力0.150.75MPa,反應(yīng)后從聚合釜出來(lái)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(jīng)管式加熱器加熱至240C后，進(jìn)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(gè)系統(tǒng)用290

15、C的熱油保溫。熔融的SAN送去擠條切粒，進(jìn)行產(chǎn)品與準(zhǔn)備項(xiàng)目數(shù)據(jù)聚合溫度/C100160停留時(shí)間/h810h表5制備SAN樹(shù)脂的工藝條件2.4工藝參數(shù)：2.4.1工藝配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）配料比苯乙烯：丙烯腈=100:100懸浮劑用量c=0.222%（單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)）阻聚劑用量d=0.028%（單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)）2.4.2主要單體參數(shù)單體名稱(chēng)相對(duì)分子質(zhì)量沸點(diǎn)/c熔點(diǎn)/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(zhuǎn)化率70%75%損失率2%2.5主要設(shè)備控制方案2.5.1反應(yīng)器的溫度控制反

16、應(yīng)溫度的控制主要是通過(guò)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

17、制。2.5.2反應(yīng)器的壓力控制先將聚合釜抽真空在通入氮?dú)馀懦諝獠⑶医禍?，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。2.5.2反應(yīng)器液位的控制：（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）在間歇操作過(guò)程中，反應(yīng)器的液位高度是一個(gè)重要的控制參數(shù)，但是由于間歇操作對(duì)于液體的流速?zèng)]有多大的要求，所以，對(duì)于反應(yīng)器的流入流出量沒(méi)多大要求。2.5.4泵的控制（直接流量調(diào)節(jié)）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)。2.6安全防護(hù)措施261聚合工段設(shè)計(jì)中電氣設(shè)備一律選用隔爆式電氣設(shè)備，各設(shè)備均有接地線(xiàn)、跨接線(xiàn)等

18、防靜電設(shè)施及防雷設(shè)施；各崗位設(shè)有排氣系統(tǒng)。此外生產(chǎn)中還要注意以下問(wèn)題：禁止穿帶釘子鞋進(jìn)入裝置現(xiàn)場(chǎng)；禁止吸煙；禁止隨意用鐵器碰擊設(shè)備；機(jī)動(dòng)車(chē)不經(jīng)許可不得進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)。生產(chǎn)人員必須熟悉相關(guān)崗位消防設(shè)施的種類(lèi)和存放位置，并熟練準(zhǔn)確使用，了解現(xiàn)場(chǎng)物料的性質(zhì)。生產(chǎn)人員必須佩戴好勞動(dòng)保護(hù)用品，在接觸化合物時(shí)必須帶手套、面具及其他防護(hù)用品。生產(chǎn)人員在生產(chǎn)過(guò)程中要及時(shí)檢查，消除漏點(diǎn)。設(shè)備跑料、貯罐冒頂應(yīng)立即采取緊急措施，切斷物料來(lái)源，控制現(xiàn)場(chǎng)，通知附近使用明火單位立即停止，嚴(yán)禁開(kāi)、停傳動(dòng)設(shè)備，及時(shí)回收流失物料或用蒸汽蒸煮，消除危險(xiǎn)。生產(chǎn)裝置檢修敲打設(shè)備時(shí)，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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)禁止存放大量易燃易爆物品。設(shè)備開(kāi)車(chē)前必須用氮?dú)庵脫Q。各貯罐裝料不得超過(guò)規(guī)定的裝料系數(shù)，而且要有氮?dú)獗Ｗo(hù)。設(shè)備檢修必須將物料倒空，并用盲板切斷與其他設(shè)備的連接，清除可燃物，經(jīng)車(chē)間安全員同意，指令專(zhuān)人到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)，檢修人員方可動(dòng)火。262后處理工段處理的電器、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備多，生產(chǎn)人員上崗必須穿好工作服帶好安全帽。所有電器設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中禁止用手亂動(dòng)。生產(chǎn)人員工作服內(nèi)禁止帶東西，防止落入設(shè)備影響生產(chǎn)。非崗位人員禁止入內(nèi)，庫(kù)內(nèi)經(jīng)常保持衛(wèi)生。3.1物料衡算3.1.1如下圖示，對(duì)于物料數(shù)量與組成沒(méi)有變化的設(shè)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(wú)離子水A,M

20、316%Na2CO3，M4原料MgSO4,M5無(wú)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(xué)變化，寫(xiě)出主，副反應(yīng)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(chǎn)規(guī)模：年生產(chǎn)量2萬(wàn)噸；生產(chǎn)時(shí)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(shù)指標(biāo)損失率：2.0%產(chǎn)品質(zhì)量；懸浮劑：0.222%單體質(zhì)

21、量；阻聚劑：0.028%單體質(zhì)量；315確定計(jì)算順序有給定條件及物料平衡關(guān)系示意圖可采用順流程的計(jì)算順序。316計(jì)算主要原料(丁二烯)投料數(shù)量每批生產(chǎn)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(gè)計(jì)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