年產(chǎn)五萬噸聚苯乙烯聚合工段工藝設(shè)計模板

資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除?？砂l(fā)性聚苯乙烯(ExpandablePolyStyrene,簡稱EPS)通稱聚苯乙烯和苯乙烯系共聚物,是一種樹脂與物理性發(fā)泡劑和其它添加劑的混合物。最常見的可發(fā)性聚苯乙烯是含有作為發(fā)泡劑的戊烷的透明PS粒料。本設(shè)計為年產(chǎn)5萬噸可發(fā)性聚苯乙烯聚合工段工藝設(shè)計,反應(yīng)機理是自由基聚合,采用懸浮聚合工藝,以苯乙烯為單體,水做懸浮介質(zhì),采用低溫懸浮聚合一步法生產(chǎn)工藝。此方法是將苯乙烯單體、引發(fā)劑、分散劑、水、發(fā)泡劑和其它助劑一起加入反應(yīng)釜內(nèi),聚合后得含發(fā)泡劑的樹脂顆粒,經(jīng)洗滌、離心分離和干燥,制得可發(fā)性聚苯乙烯珠粒產(chǎn)品;針對聚合反應(yīng)釜進行了物料衡算、熱量衡算,在此基礎(chǔ)上經(jīng)過分析工藝流程,選擇出了工藝設(shè)備并計算,繪制了帶控制點的流程圖、并編制了設(shè)計說明書和計算書。關(guān)鍵詞:可發(fā)性聚苯乙烯懸浮聚合物料衡算工藝設(shè)計目錄聚苯乙烯是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基縮聚反應(yīng)合成的聚合物,英文名稱為Polystyrene,簡稱PS。它是一種無色透明的熱塑性塑料,具有高于攝氏100度的玻璃轉(zhuǎn)化溫度,因此經(jīng)常被用來制作各種需要承受開水的溫度的一次性容器,以及一次性泡沫飯盒等。一般的聚苯乙烯為非晶態(tài)無規(guī)聚合物,具有優(yōu)良的絕熱、絕緣和透明性,長期使用溫度0～70℃,但脆,低溫易開裂。另外還有全同和間同立構(gòu)聚苯乙烯。全同聚合物有高度結(jié)晶性。聚苯乙烯(PS)包括普通聚苯乙烯,發(fā)泡聚苯乙烯(EPS),高抗沖聚苯乙烯(HIPS)及間規(guī)聚苯乙烯(SPS)。普通聚苯乙烯樹脂為無毒,無臭,無色的透明顆粒,似玻璃狀脆性材料,其制品具有極高的透明度,透光率可達90％以上,電絕緣性能好,易著色,加工流動性好,剛性好及耐化學腐蝕性好等。普通聚苯乙烯的不足之處在于性脆,沖擊強度低,易出現(xiàn)應(yīng)力開裂,耐熱性差及不耐沸水等。普通聚苯乙烯樹脂屬無定形高分子聚合物,聚苯乙烯大分子鏈的側(cè)基為苯環(huán),大致積側(cè)基為苯環(huán)的無規(guī)排列決定了聚苯乙烯的物理化學性質(zhì),如透明度高.剛度大.玻璃化溫度高,性脆等?？砂l(fā)性聚苯乙烯為在普通聚苯乙烯中浸漬低沸點的物理發(fā)泡劑制成,加工過程中受熱發(fā)泡,專用于制作泡沫塑料產(chǎn)品。高抗沖聚苯乙烯為苯乙烯和丁二烯的共聚物,丁二烯為分散相,提高了材料的沖擊強度,但產(chǎn)品不透明。間規(guī)聚苯乙烯為間同結(jié)構(gòu),采用茂金屬催化劑生產(chǎn),是近年來發(fā)展的聚苯乙烯新品種,性能好,屬于工程塑料?；疚锢硇再|(zhì):比重:1.05克/立方厘米成型收縮率:0.6％—0.8％成型溫度:170℃—250℃物料性能:電絕緣性(特別高頻絕緣性)優(yōu)良,無色透明,透光率僅次于有機玻璃,著色性耐水性,化學穩(wěn)定性良好,強度一般,但質(zhì)脆,易產(chǎn)生應(yīng)力脆裂,不耐苯﹑汽油等有機溶劑。適于制作絕緣透明件﹑裝飾件及化學儀器﹑光學儀器等零件。成型性能:1.無定形料,吸濕小,不須充分干燥,不易分解,但熱膨脹系數(shù)大,易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。流動性較好,可用螺桿或柱塞式注射機成型。2.宜用高料溫,高模溫,低注射壓力,延長注射時間有利于降低內(nèi)應(yīng)力,防止縮孔變形。3.可用各種形式澆口,澆口與塑件圓弧連接,以免去處澆口時損壞塑件脫模斜度大,頂出均勻塑件壁厚均勻,最好不帶鑲件,如有鑲件應(yīng)預(yù)熱。當前世界上聚苯乙烯的主要生產(chǎn)廠家有美國的DowChemical、Huntsman、Fina、Mobil、Chevron、Amoco、德國的BASF、日本的旭化成、三井東壓、三菱化成等。這些公司的聚苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)各有特點。國內(nèi)PS生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展可分為3個階段:一是60—80年代初的摸索階段。其技術(shù)以小本體法和懸浮法為主,較為落后,裝置規(guī)模均在萬噸以下,如上海高橋石油化工公司、金陵石油化工有限責任公司和中國石油蘭州石化分公司(簡稱蘭州石化)等。二是80年代末期到90年代中期的發(fā)展階段。其技術(shù)以引進技術(shù)為主,所引進的技術(shù)均采用當時世界上較先進的連續(xù)本體聚合工藝。經(jīng)過對這些引進技術(shù)的消化吸收,使中國對PS生產(chǎn)技術(shù)有了較深的了解,對國內(nèi)PS生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展起了較大的促進作用,如撫順石油化工公司(簡稱撫順石化)、北京燕山石油化工有限公司(簡稱燕山石化)、汕頭海洋第一聚苯樹脂有限公司(簡稱汕頭海洋)和齊魯石油化工公司(簡稱齊魯石化)。三是90年代中期到當前的迅速發(fā)展階段。此階段國內(nèi)對PS的市場需求增長迅速,國內(nèi)缺口很大。除中國石油化工集團公司和中國石油天然氣集團公司系統(tǒng)、地方本身建設(shè)或合資建設(shè)PS新裝置(如揚子一BASF、汕頭海洋、鎮(zhèn)江奇美公司)外,國外知名PS大廠商(如美國Dow和Chervon公司)紛紛進入中國建廠,其建設(shè)規(guī)模均達到100kt／a以上,所采用的技術(shù)都為各廠家最先進的技術(shù),國內(nèi)PS生產(chǎn)技術(shù)水平達到一個新臺階,生產(chǎn)能力有了較大的發(fā)展。設(shè)計所參考和依據(jù):(1)化學工業(yè)部發(fā)布的《化工工藝設(shè)計施工圖內(nèi)容和深度的統(tǒng)一規(guī)定》(2)《化工工藝手冊》(3)《化工設(shè)計》(4)《石油化工數(shù)據(jù)手冊》(5)《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》本設(shè)計的指導思想是:(1)采用懸浮聚合工藝,確保產(chǎn)品質(zhì)量高,生產(chǎn)過程安全;(2)生產(chǎn)過程采用自動化控制,機械化操作;(3)對于易燃易爆的地方,采用了可靠的控制,并設(shè)置了報警消防設(shè)施;(4)采用技術(shù)成熟的溶液聚合方法,達到了環(huán)保要求,對生產(chǎn)過程中的排放物要經(jīng)過處理,以達到環(huán)保要求;(5)廠房、車間、設(shè)備布置嚴格按照土建標準,以保證生產(chǎn)正常的運行和操作方便以及操作人員的安全為主。適合全國和地區(qū)工業(yè)布局以及產(chǎn)品供需安排的要求﹔符合城市規(guī)劃或工業(yè)區(qū)域規(guī)劃﹔盡可能節(jié)約占地面積﹐少占或不占良田﹑耕地﹔企業(yè)生產(chǎn)所需的資源能夠落實﹐原料﹑燃料及輔助材料的供應(yīng)經(jīng)濟合理﹔有充分可靠的水源和電源﹔交通運輸條件比較方便﹑經(jīng)濟﹔不污染環(huán)境﹐不破壞文物古跡﹐不妨礙文化﹑旅游及其它精神文明建設(shè)﹔對擬建項目留有適當發(fā)展馀地﹔地質(zhì)條件較好﹐施工難度小﹐建設(shè)投資省﹔項目建成投產(chǎn)後﹐經(jīng)濟效益良好。本設(shè)計采用的節(jié)能方法:(1)本設(shè)計采用懸浮聚合法合成EPS,副反應(yīng)少,收率高。(2)合理進行設(shè)備布置,盡力按物料流向布置,減少物料往返輸送次數(shù)。(3)適當利用位差,物料靠重力輸送,而減少輸送設(shè)備,節(jié)約部分動力。(4)選擇設(shè)備時,憑著高效節(jié)能的原則。(5)設(shè)計中加強了對進入裝置的水、電、蒸氣的計量,為加強能源管理,合理用電、水、氣打下良好基礎(chǔ)。該廠建設(shè)地應(yīng)對市區(qū)居民的生活及附近的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均無影響。廢渣經(jīng)沉降池處理的凝聚物主要成份為可發(fā)性聚苯乙烯懸浮物,每年清理一次,送公司堆埋廠統(tǒng)一處理。廢液洗滌各類設(shè)備的洗凈油及廢油,經(jīng)集中回收并入其它裝置的燃料油中外銷。廢氣主要來自聚合釜及料倉,廢氣中主要成份為苯乙烯和戊烷的混合物,因為間歇排放,絕對量比較少,采取直接排放。同時應(yīng)有步驟地進行植樹,種草,增加綠化面積。美化環(huán)境的同時也起到了降低噪聲的作用。地下消火栓4個,8公斤干粉27個,30公斤干粉車一個,1211滅火器32個?；馂?zāi)發(fā)生后報警程序和內(nèi)容:(1)發(fā)現(xiàn)火險后進行起初火災(zāi)補救。(2)判斷火勢即刻報警,火警:119(3)首先講清起火單位名稱,詳細地址。(4)燃燒物質(zhì)簡介。(5)火勢大小及著火部位、相關(guān)部位。(6)報警人姓名及報警電話號碼。(7)報警后派人到路口接車。(8)介紹燃燒物性質(zhì)及火場內(nèi)部與外圍情況。(9)向調(diào)度室和車間領(lǐng)導匯報。第一套方案是起初火災(zāi)補救第二套方案是報警。以苯乙烯為單體,水做懸浮介質(zhì),采用低溫懸浮聚合一步法生產(chǎn)工藝。此方法是將苯乙烯單體、引發(fā)劑、分散劑、水、發(fā)泡劑和其它助劑一起加入反應(yīng)釜內(nèi),聚合后得含發(fā)泡劑的樹脂顆粒,經(jīng)洗滌、離心分離和干燥,制得可發(fā)性聚苯乙烯珠粒產(chǎn)品。[2]以羥基磷酸鈣、十二烷基苯磺酸鈉為分散劑,以有機過氧化物為引發(fā)劑,在攪拌作用下,苯乙烯單體以液滴的形式懸浮于水中,按自由基反應(yīng)歷程進行聚合反應(yīng),聚合到穩(wěn)定時間后加入發(fā)泡劑,發(fā)泡劑在一定溫度壓力下滲透到珠粒內(nèi),同時珠粒進一步聚合,得到EPS粒子,產(chǎn)物經(jīng)洗滌、干燥、篩分、稱重。把含有發(fā)泡劑的聚苯乙烯珠粒,在發(fā)泡器中預(yù)發(fā)泡(用蒸氣加熱),在室溫下熟化后即可供成型使用。將熟化后的發(fā)泡聚苯乙烯顆粒料,裝入成型模中,上緊蓋后通入蒸氣加熱,待成型后再通入水冷卻,即得到制品。[3]工藝流程見圖2-1圖2-1工藝流程簡圖總反應(yīng)式:nCH2=CH→CH2-CHn苯乙烯的聚合屬于自由基聚合,主要分為鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止三個階段。(1)．鏈引發(fā)a.引發(fā)劑分解,形成初級自由基R:R→2R·b.初級自由基與單體,形成單體自由基R·+CH=CH2→R-CH2-CH·(2)．鏈增長R-CH2-CH·+nCH2=CH→R-CH2-CHnCH2-CH·(3)．鏈終止①偶合終止RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·→RCH2-CHnCH2-CH=CH-CH2CH-CH2mR②歧化終止RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·→RCH2-CHnCH2-CH2+RCH2-CHmCH=CH通用級聚苯乙烯的生產(chǎn)方法有懸浮聚合法、本體聚合法、溶液聚合法和乳液聚合法等。但當前工業(yè)化的生產(chǎn)方法主要是懸浮聚合法和本體聚合法。聚苯乙烯有兩個主要的制造工藝．分別為溶渡法(亦稱總體或本體法)和懸浮法,兩種主要類型的樹脂為:固相聚苯乙烯和發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)。固相聚苯乙烯連一步劃分為通用型和耐沖擊型。一般用途的聚苯乙烯是一種均聚物。耐沖擊聚苯乙烯是一種共聚物。溶液法工藝用來生產(chǎn)固相聚苯乙烯,是一種占統(tǒng)治地位的工藝路線。而發(fā)泡的聚苯乙烯樹脂則是典型的水相懸浮工藝的產(chǎn)物。經(jīng)典的塔式反應(yīng)器是德國法本Ⅲ式流程。這種老式的塔式本體聚合不使用引發(fā)劑,經(jīng)過熱引發(fā)聚合,預(yù)聚合溫度為80～100℃,轉(zhuǎn)化率控制在32%～35%,連續(xù)操作。為了提高反應(yīng)速度,縮短停留時間,預(yù)聚合溫度也可提高到115～120℃,轉(zhuǎn)化率可達50%,黏度較大。從工程角度分析,該工藝還有以下缺點:①轉(zhuǎn)化率過高,后期反應(yīng)速率很慢,總的停留時間太長,反應(yīng)器的容積效率大大降低;②物料黏度過大,只能用逐步升溫的方式使之流動,前后溫差太大,造成產(chǎn)物聚合度分布加寬。添加少量溶劑的苯乙烯本體聚合,溶劑量一般控制在3%～15%范圍內(nèi)。添加溶劑的主要目的是降低體系的黏度。溶劑一般只選用苯或乙苯,因為它們能和聚苯乙烯混溶,而且又容易得到。由于添加了溶劑,而且轉(zhuǎn)化率較低,因此該工藝設(shè)計有脫揮發(fā)物裝置,脫除的單體和溶劑循環(huán)使用。經(jīng)過對脫揮設(shè)備結(jié)構(gòu)的不斷改進,如今聚合產(chǎn)物中的殘余單體含量已降至很低,質(zhì)量比法本工藝有很大提高。苯乙烯的懸浮聚合是苯乙烯以微珠狀分散在介質(zhì)中進行的聚合反應(yīng)。水一般被用作懸浮介質(zhì),苯乙烯在水中的溶解度非常低,80℃時僅為0.062%。苯乙烯懸浮聚合的溫度,有高低之分。低溫法在80～85℃聚合,如僅靠熱引發(fā),則反應(yīng)速度很慢,因此要加引發(fā)劑;高溫法在120～150℃聚合,不加引發(fā)劑,反而要加一點阻聚劑(或緩聚劑),避免反應(yīng)速度過快而產(chǎn)生爆聚[8]。從動力學觀點來看,苯乙烯的懸浮聚合和本體聚合相似,能夠看成是在小顆粒中進行的本體聚合。分散劑與反應(yīng)歷程無關(guān)。由于苯乙烯的懸浮聚合和本體聚合相似,因此它的分子鏈的形成也經(jīng)歷鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移的歷程。苯乙烯進行低溫懸浮聚合時,由于加入了引發(fā)劑,因此它的分子量主要決定于引發(fā)劑加入量的多少。一般很少使用分子量調(diào)節(jié)劑(如叔十二碳硫醇)來調(diào)節(jié)聚苯乙烯的分子量。苯乙烯在高溫懸浮聚合時,分子量只取決于溫度,而且一般認為鏈終止主要經(jīng)過自由基的轉(zhuǎn)移和兩個自由基之間的歧化而發(fā)生。苯乙烯懸浮聚合的優(yōu)點是聚合時所放出的反應(yīng)熱容易擴散開來被介質(zhì)帶走,總體上克服了反應(yīng)溫度分布范圍寬的現(xiàn)象,因而生產(chǎn)出的聚苯乙烯樹脂比老式本體聚合法生產(chǎn)出的聚苯乙烯耐熱度高。實質(zhì)上,反應(yīng)溫度分布范圍窄,促使分子量分布范圍變窄,從而使得聚苯乙烯樹脂耐熱度得到提高。苯乙烯懸浮聚合與本體聚合相比的缺點是產(chǎn)品純凈度稍低,因為它的珠粒表面容易黏有懸浮分散劑等殘余物,電性能、光學性能會受到影響。另外,懸浮聚合苯乙烯轉(zhuǎn)化率不可能達到100%,剩余的單體有一部分被放空,另有5000-6000mg/kg的單體殘留在樹脂中。如果采用酸洗技術(shù)來除去懸浮劑,還要產(chǎn)生更多的化學污水,廢單體放空則會污染環(huán)境。種子懸浮聚合工藝,是在聚合開始前,向體系中加入一定量的聚苯乙烯顆粒作為種子,在懸浮聚合的過程中種子顆粒不斷長大,得到最終產(chǎn)品。這種方法最早由日本積水化成公司提出[,隨后日本鐘淵和三菱油化也相繼進行了研究,申請了一系列專利。根據(jù)專利介紹,產(chǎn)品中某一粒徑級分的比例可達90%以上。種子聚合時,溶脹了單體的種子顆粒黏度較大,不易分散,而單體小液滴則經(jīng)過碰撞逐步并入種子顆粒中,結(jié)果僅剩下種子顆粒,并均勻長大,直至硬化。因此種子聚合產(chǎn)物的粒徑均勻,而且可任意經(jīng)過改變種子的粒度和加入量,來調(diào)節(jié)產(chǎn)物的粒徑。一步法是將苯乙烯單體、引發(fā)劑,分散劑、水、發(fā)泡劑和其它助劑一起加入反應(yīng)釜聚合,得含發(fā)泡劑的樹脂顆粒,經(jīng)洗滌、離心分離和干燥,制得EPS珠粒產(chǎn)品。為避免發(fā)泡劑對聚合反應(yīng)的阻抑影響,發(fā)泡劑一般應(yīng)在聚合轉(zhuǎn)化率達90％以上時加入。二步法工藝是將苯乙烯、PS、軟水以及分散劑溶解、混合,經(jīng)計量槽加入聚合釜內(nèi),加入引發(fā)劑和部分助劑,在適宜的條件下進行聚合生成PS粒料并干燥至含2~3%的水分。然后將擬進行浸漬的PS粒料,在不斷攪拌的條件下,用旋風加料器或人工送至含一定分散劑和發(fā)泡劑(如戊烷)的釜中,在適當?shù)臏囟群蛪毫ο陆n2~3小時,以獲得EPS。一步法工藝具有工藝簡單、流程短和投資費用低的優(yōu)點,在降低消耗和節(jié)約能耗方面均優(yōu)于二步法,但產(chǎn)品分子量略低,且由于聚合與浸潰在同一過程中進行,難免產(chǎn)生部分含發(fā)泡劑的粉狀物,處理起來十分麻煩。二步法生產(chǎn)工藝由于聚合后就對聚合物顆粒進行分級,再根據(jù)不同粒經(jīng)按不同工藝浸漬,故所得EPS珠粒質(zhì)量較佳,同時還可避免含發(fā)泡劑粉狀物的產(chǎn)生,不必進一步處理,但二步法工藝生產(chǎn)流程較長,投資費用較高,且生產(chǎn)過程能耗大,產(chǎn)品成本高。一步法雖有缺點,但與二步法比較仍是利多弊少,特別是在經(jīng)濟上占有極大優(yōu)勢,故當前國外生產(chǎn)EPS較為普遍地應(yīng)用一步浸漬法。表2-1一步法、二步法生產(chǎn)EPS比較項目一步法二步法EPS成品質(zhì)量粒徑分布較寬,不均勻粒徑分布較窄,粒子均勻工藝條件工藝要求嚴格,能耗少,流程短能耗較大,流程長,工藝要求相對較低,易操作技術(shù)經(jīng)濟一次性投資較高,生產(chǎn)自動化程度高,易集中控制,人工操作少一次性投入較低,自動化程度低,人工操作較多生產(chǎn)靈活性因發(fā)泡劑易揮發(fā),故倉儲時間短市場適應(yīng)性差,設(shè)備利用率差中間產(chǎn)品PS可作為產(chǎn)品出售,也可生產(chǎn)其它品種,市場適應(yīng)性強EPS最初應(yīng)用于建筑和包裝領(lǐng)域領(lǐng)域,其絕熱性能和力學保護性能是最優(yōu)的,在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用,如地板下或墻壁的隔熱材料,都得益于其良好的絕熱性,而作為易碎電子產(chǎn)品的包裝材料,則需要強的力學(沖擊)保護性能。EPS越來越多的用于食品運輸和包裝(魚、水果和蔬菜),在這方面,力學性能和絕熱性能都起重要的作用。EPS泡沫塑料閉孔結(jié)構(gòu)內(nèi)含98%的氣體能夠使其經(jīng)過改變和恢復(fù)形狀來緩沖沖擊,這一過程能夠有效吸收瞬間沖擊帶來的能量,提供極好的防護(參見表2-2)表2-2不同密度的EPS泡沫塑料物理性質(zhì)(來源:BASF)密度/g﹒cm-315254050拉伸強度/kpa20350600750彎曲強度/kpa20400700900壓縮10%的壓應(yīng)力/kpa90180320400EPS泡沫塑料會吸收很少量的水,但沒有吸濕性,其力學性能不受濕氣的影響。除了真空,空氣是最簡單,成本最低的絕熱介質(zhì),薄空氣層具有非常低的傳熱性。可是,依靠空氣作為絕熱介質(zhì)并不總是實用,對包裝貨物的材料,需要形成外封殼。EPS含許多細微氣泡的閉孔結(jié)構(gòu),使其具有優(yōu)良的絕熱性。這種情況下EPS是理想的包裝材料。由于其內(nèi)在的性質(zhì),EPS泡沫塑料不會直接影響其它物質(zhì),比如食品。應(yīng)注意EPS泡沫塑料在非常低的密度時(10~15g﹒cm3)具有較大的導熱性,隨著密度的增加而下降,密度在30~50g﹒cm3時具有最佳絕熱性能,密度繼續(xù)增加,導熱性又隨之增加(參見表2-3)表2-3不同密度的EPS泡沫塑料熱性能(來源:BASF)密度/g﹒cm-31020405060導熱率/W﹒m-1﹒K-10.0430.0350.0330.0330.034EPS的性能受化學藥劑的影響變化比較大。長時間接觸鹽水、皂液、漂白劑和大多數(shù)稀酸溶液而不會影響其性能,但多種有機溶劑會明顯影響其性能。EPS泡沫塑料和其它聚合物一樣,長時間曝露在紫外線下,性能會有很大變化。但考慮到作為包裝材料時,使用期限較短,這一影響并不重要;作為建筑材料使用時,使用壽命雖然較長,但曝露在紫外線下的可能性較小,故這一影響也不太重要。EPS對動物沒有營養(yǎng)價值,不會受霉菌侵蝕,也不會分解出任何污染地下水的水溶物。EPS產(chǎn)品的生產(chǎn)采用低溫懸浮聚合一步法工藝技術(shù),以苯乙烯單體為主要原料,以水懸浮介質(zhì)和介質(zhì),在機械攪拌和分散劑的作用下,苯乙烯單體被分散成無數(shù)油狀的液滴,并懸浮限水中,在引發(fā)劑的作用下,在每個液滴中發(fā)生按自由基反應(yīng)歷程進行的聚合反應(yīng),聚合到穩(wěn)定階段后加入發(fā)泡劑,發(fā)泡劑在一定的溫度壓力下,滲到珠粒內(nèi),同時聚合反應(yīng)進一步進行,生產(chǎn)出合格的EPS粒子。以羥基磷酸鈣、十二烷基苯磺酸鈉為分散劑,以有機過氧化物為引發(fā)劑,在攪拌作用下,苯乙烯單體以液滴的形式懸浮于水中,按自由基反應(yīng)歷程進行聚合反應(yīng),聚合到穩(wěn)定時間后加入發(fā)泡劑,發(fā)泡劑在一定溫度壓力下滲透到珠粒內(nèi),同時珠粒進一步聚合,生產(chǎn)出合格的EPS粒子。生成的EPS粒子經(jīng)水洗,離心脫水一級干燥,二級干燥風送、篩分、涂層、計量稱重后,包裝成EPS成品。①貯存于工藝水槽(V-103)中的脫鹽水在表(FQC-103)的控制下,用泵(P-103)定量打入聚合釜(R-201/2/3)中。②啟動攪拌至設(shè)定轉(zhuǎn)速62轉(zhuǎn)、分41Hz,依次加入HAP、SDBS、DSP。③貯存于V-101中的苯乙稀在表(FQC-101)控制下,用泵P-101定量打入釜(R-201/2/3)中。普通型EPS在①②③步驟后,加入SN、CP-O2、DCP、BPO、甲苯(如果有回溶料則同時加入)。開蒸汽升溫,溫度升到88℃時開始計時。90℃恒溫。計時1h加入KPS。90℃恒溫期間觀察現(xiàn)象,控制粒徑。粒子下沉時重新時,50分鐘加入第二批HAP,補水至正常液位,封取樣孔蓋,并放空。1h時加戊烷,用30分鐘加完,然后開蒸汽升溫至96℃閉蒸汽。3h時升溫至115～121℃恒溫浸漬,6小時30分鐘后降溫至40℃以下出料至水洗釜(V-201/2/3)中。本裝置設(shè)計年產(chǎn)50000噸可發(fā)性聚苯乙烯,可生產(chǎn)普通型”R”、陰燃型”F”兩個品種八個品級的產(chǎn)品。鑒于國家規(guī)定的產(chǎn)品規(guī)格,考慮到用戶的要求和經(jīng)濟衡算,其產(chǎn)品指標如表3-1所示:表3-1產(chǎn)品指標一覽表品種及牌號LR(101.201.301.401)外觀松散、白色或無色的小珠粒比重1.05粒子直徑1.8-0.4mm相對密度550-650kg/m3發(fā)汽劑含量,%≥5.0殘留苯乙烯,%≤0.30含水量,%≤0.5相對粘度1.8-2.1顆粒篩析%≥90根據(jù)實際經(jīng)濟分析,對工廠的實際生產(chǎn)作如下選擇:操作方式:連續(xù)操作產(chǎn)品名稱:可發(fā)性聚苯乙烯年生產(chǎn)量:50000噸/年年工作日:7920小時生產(chǎn)量:6.31噸/時年生產(chǎn)天數(shù):330天原材料規(guī)格表3-2原料規(guī)格一覽序號原材料名稱代號控制項目名稱及指標用途1苯乙烯ST外觀:無色透明液雜機械雜質(zhì)無游離水份純度:≥99.6%聚合物:≤50ppmTBC:≤10ppm反應(yīng)單體2過氧化苯甲酰BPO外觀:白色結(jié)晶粉沫純度:干基≥98%(m/m)水份:≤25-305活性氧量(干基)%≥6.50低溫引發(fā)劑3過氧化苯甲酸叔丁酯Cp-O2引發(fā)劑”C”含量:≥95%叔丁基過氧化氫含量(TBHP)≤1%鐵含量:≤5ppm比重d425:1.035-1.045折光指數(shù)n25:1.495-1.50高溫引發(fā)劑4羥基磷酸鈣HAP分散劑5十二烷基苯磺酸鈉SDBS試劑級助分散劑6磷酸氫二鈉DSP穩(wěn)定劑7涂層劑外觀:細白粉未,無團塊粒徑:200目經(jīng)過95%以上8戊烷C50C4:≤4%正.異戊烷含量94%C6:≤2%環(huán)烷烴:≤0.1%苯:0.1%發(fā)泡劑9過氧化二異丙苯DCP外觀:無色或白色結(jié)晶粉末純度:≥96%總揮發(fā)物%≥0.4交聯(lián)劑阻燃劑10六溴環(huán)十二烷HBCD水份及揮發(fā)份%≤2.0阻燃劑11成核劑SN密度g/cm3:0.93粘度cps:45012過硫酸鉀KPS調(diào)理表3-3LR-EPS牌號的標準操作條件一覽表序號操作控制項目工藝條件LR-EPS儀表位號1BPO、DCP、CP—O2加入溫度常溫TRC201A.B.CTR202A.B.C2聚合階段溫度℃88-91壓力Mpa常壓PI201A.B.C時間3-3.5h3浸漬階段溫度℃115--121TRC201A.B.CTR202A.B.C壓力Mpa0.6-0.8PI201A.B.C時間h(含升溫)54出料溫度℃≤40TRC201A.B.CTR202A.B.C5戊烷加入時間min30-456X-201入口溫度℃39±2TIC2037E-201出口風溫≥90TIC2048涂層劑用量/千分3-49包裝凈重kg25±0.1(1)年產(chǎn)量:5萬噸(2)年工作時數(shù):7920小時(3)單體純度:99.6%(4)單體轉(zhuǎn)化率:98%(5)苯乙烯組分含量92%(6)工藝配比(凈含量/100分單體,質(zhì)量百分含量):工藝配比見表4-1 表4-1LF-EPS發(fā)泡聚苯乙烯工藝配比序號原料名稱規(guī)格EPS備注1水脫鹽水1242苯乙烯(ST)99.6%100單體3成核劑(SN)0.114發(fā)泡劑(戊烷)94%8.3925羥基磷酸鈣(HAP)0.177主分散劑6十二烷基本磺酸鈉(SDBS)0.0004助分散劑7過氧化苯甲酰(BPO)干基98%0.196低溫引發(fā)劑8過氧化苯甲酸叔丁脂(CP-O2)95%0.08高溫引發(fā)劑9六溴環(huán)十二烷(HBCD)0.689阻燃劑10過氧化二異丙苯(DOP)0.0349阻燃劑11磷酸氫二鈉(DSP)99％無水0.039穩(wěn)定12過硫酸鉀(KPS)0.0014調(diào)理每年生產(chǎn):7920/17=466批每批生產(chǎn):50000000/466=107296kg苯乙烯進料量=107296×91%÷(99.6%×98%)=100032.13kg/批輔助物料計算:(1)分散介質(zhì)水的進料量為:100032.13kg/批×124%=124039.84kg/批(2)分散劑主分散劑HAP:100032.13kg/批×0.177%=177.06kg/批助分散劑SDBS:100032.13kg/批×0.0004%=0.40kg/批(3)成核劑SN:100032.13kg/批×0.110%=110.04kg/批(4)引發(fā)劑低溫引發(fā)劑BPO:100032.13kg/批×0.196%=196.06g/批高溫引發(fā)劑CP-O2:100032.13kg/批×0.080%=80.03kg/批(5)發(fā)泡劑戊烷:100032.13kg/批×8.392%=8394.70kg/批(6)阻燃劑HBCD:100032.13kg/批×0.689%=689.22kg/批DOP:100032.13kg/批×0.349%=34.91kg/批(7)穩(wěn)定劑DSP:100032.13kg/批×0.039%=39.01kg/批(8)無機氧化劑KPS:100032.13kg/批×0.0014%=1.40kg/批(9)進料總量為:100032.13+124039.84+177.06+0.40+110.04+196.06+80.03+8394.70+689.22+34.91+39.01+1.40=233794.79kg/批單體進料量:100032.13kg/批,單體轉(zhuǎn)化率:98%,則單體ST的反應(yīng)用量為:100032.13kg/批×98%=98031.49kg/批ST未反應(yīng)的是:100032.13kg/批-98031.49kg/批=.64kg/批EPS產(chǎn)品出料量=進料總量-未反應(yīng)的單體出料量-水量=233794.79-.64-124039.84=107754.3kg/批物料平衡見表4-2:表4-2物料平衡表進料(kg/批)出料(kg/批)苯乙烯100032.13.64HAP177.06--SDBS0.40--SN110.04--戊烷8394.70--BPO196.06--CP-O280.03--HBCD689.22DCP34.91--DSP39.01--KPS1.40--EPS產(chǎn)品--107754.31水124039.84124039.84總量233794.79233794.79校驗設(shè)計任務(wù):EPS年產(chǎn)量:1107754.31kg/批×466=5.02萬t其年產(chǎn)量為:5.02萬t結(jié)果稍大于所給設(shè)計任務(wù),故設(shè)計為合格.熱衡算式:進釜的熱量=出釜的熱量(冷劑帶走的熱量)Q顯+Q聚+Q攪+Q損=Q吸(1)顯熱;(2)聚合熱;(3)聚合釜攪拌熱;(4)熱量損失;(5)冷劑帶走的熱量。1顯熱計算本設(shè)計取:聚合階段聚合釜進料溫度20℃,聚合反應(yīng)溫度90℃,△T=70℃浸漬階段聚合反應(yīng)溫度120℃,出料溫度40℃,△T=80℃1Kcal=4.187KJ由公式Q=qmCp△T計算得下表表5-1:△T=80℃(Cp值查表)表5-1第一階段反應(yīng)熱單體流量(㎏/批)△T(℃)Cp(kJ/Kg.℃)Q(kJ/批)ST100032.13×90%100032.13×10%100032.13×2%70100-801.71210789065.41712550.07-274008.01水124039.84204.1810369730.7HAP177.0620-501.2984596.40-11491.19SDBS0.04201.88415.076843SN110.042051.92114260.7C508394.70202.219372556.62BPO196.06707.704105732.84CP-O280.03201.8422948.15HBCD689.22202.23030739.27DCP34.91201.6671163.94總量232178602、聚合熱由ST轉(zhuǎn)化率隨時間變化曲線,可知每釜的轉(zhuǎn)化率隨時間的變化不大,故可似認為每個釜的聚合熱相等。如圖5-1所示:圖5-1苯乙烯轉(zhuǎn)化率隨時間變化曲線計算如下:由公式,查得單體ST的聚合熱QST＝70kJ/mol＝16.72Kcal/mol(25℃,氣態(tài),無定形)〔已知1Kcal＝4.187KJ〕;MST=0.104kg/mol,Cp=178.23J/(mol·k)＝0.178kJ/(mol·k)。計算得:ΔVHT(298.15K)=0.04Kcal/mol=0.167kJ/mol在25℃下,液態(tài)的QST＝70-0.167＝69.83kJ/mol,反應(yīng)前后壓力的變化不大,故可近似的認為是恒壓操作。在20℃下,QST=QST(25℃)+CP(T2-T1)=69.83+0.178×(20-25)=16.47Kcal/mol則ST的質(zhì)量聚合熱Qm(ST)=QST/MST=70/0.104=662.88kJ/kg每小時聚合釜中的總聚合熱為:Qp=m出料×Qm=100032.13×98%×662.88=64983112.37kJ/批;3、聚合釜的攪拌熱根據(jù)工業(yè)實際生產(chǎn),取攪拌熱是聚合熱的5%,即Q攪拌=5%×Q聚,反應(yīng)時間為10.76h時,Q攪拌=5%×64983112.37=3249155.62kJ/批4、熱量損失聚合反應(yīng)階段反應(yīng)時間為8h的熱量損失Q1＝(Q顯+Q聚+Q攪拌)×5％＝(23217860+64983112.37+3249155.62)×5%=4572504.4KJ/批所需蒸汽給熱為:(23217860+64983112.37+3249155.62)-4572504.4=91450087.99-4572504.4=86877583.59kJ/批聚合階段熱量平衡表見表5-2表5-2熱量平衡表顯熱聚合熱攪拌熱總量進釜熱量(Kj/批)2321786064983112.373249155.6291450087.99熱量損失蒸汽給熱帶走熱量(Kj/批)-4572504.486877583.5991450087.995、蒸汽的用量已知:Q總m蒸汽×Hr其中:m蒸汽―水蒸汽的用量Hr—水的汽化潛熱2258kJ/kg因此蒸汽的用量:kg/批6、冷卻水的用量m漬階段沒有聚合熱,因此Q聚=0,Q吸=Q顯+Q攪拌=23217860+3249155.62=26467015.62kJ/批已知:水進口溫度15℃,出口溫度35℃,由公式Q=m水Cp△T計算得:kg/批設(shè)計釜內(nèi)溫度為120℃;聚合階段為常壓,浸漬階段為0.6-0.8Mpa;材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti;其它數(shù)據(jù)同前。進料體積主要是由苯乙烯、水和戊烷決定,因此:,其中由公式:m3/批m3/批m3/批V總=110.42+124.04+13.32=247.78m3/批已知:加料系數(shù)為0.7,則反應(yīng)釜體積為:m3/批因此選用120m3的反應(yīng)釜,共需要3個本工藝過程是低溫懸浮聚合,反應(yīng)中放出大量的熱,且體系黏度低,在反應(yīng)過程中,為了更好的除去熱量,可選用釜式攪拌反應(yīng)器,并配以適當?shù)臄嚢铇~及除熱方式來滿足工藝要求。而攪拌聚合釜是懸浮聚合中最常見的反應(yīng)器,能夠進行均相反應(yīng),也可進行多相反應(yīng),如液液反應(yīng)、氣液反應(yīng)、液固反應(yīng)。從操作方式上看可進行間歇反應(yīng)、半連續(xù)反應(yīng)、連續(xù)聚合等操作以滿足不同的工藝要求。釜內(nèi)可設(shè)攪拌裝置及擋板,并可根據(jù)不同的情況在釜內(nèi)安裝換熱器或在釜外設(shè)置夾套,可滿足不同的換熱需求。初選攪拌釜式反應(yīng)器的體積為120m3,則聚合釜的和的確定可選為:=-;其中:－反應(yīng)釜的直徑;－反應(yīng)釜的高度;－反應(yīng)釜的體積;－反應(yīng)釜封頭的體積。(i取1～3)圖6-1聚合釜筒體圖則對估算,取i＝2則有==4.24m;經(jīng)過圓整至標準的公稱直徑,取＝4400mm當＝4400mm時,取高為8000mm。由知i＝8000/4400＝1.8,符合k的取值范圍。因此聚合釜的直徑＝4400mm;＝8000mm;綜上所述,年產(chǎn)5萬噸發(fā)泡聚苯乙烯反應(yīng)器容積120m3、公稱直徑()4400mm、高度()8000mm、高徑比(／)為1.8。在釜內(nèi)置有擋板,釜外設(shè)有夾套,以帶走多余熱量。攪拌漿葉的排出流量依據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)物料的物理性質(zhì),可選攪拌槳為圓盤渦輪式槳葉,槳葉層數(shù)為兩層。由于槳葉直徑D與釜徑T的比值范圍0.33～0.40,取D/T=0.40則D=4.4×0.40=1.76m,取攪拌等級為9級,總體流速=17.4m/min。則攪拌槳葉的排出流量m3/min計算攪拌轉(zhuǎn)速假設(shè)為湍流操作,取NRe=1×10^4由D/T=0.4時查排出流量數(shù)與攪拌雷諾數(shù)的關(guān)系圖得=0.69圖6-2排出流量數(shù)與攪拌雷諾數(shù)的關(guān)系圖因而:r/min=1.17r/s此時雷諾準數(shù):NRe===11491.3攪拌功率P綜上知區(qū)域內(nèi)流動狀態(tài)為湍流,湍流區(qū)功率曲線呈一水平直線,此時功率準數(shù)NP為常數(shù),因此P=K1N3D5設(shè)計槳葉為六葉平直渦輪,(湍流,有擋板)查得:K1=3.8因此P=K1N3D5=3.8×950×1.173×1.25=97.64KW以計算輸送苯乙烯的泵為例:(1)采用普通鋼管進料。(2)苯乙烯進料的質(zhì)量流量是100032.13kg/批,其密度是905.9kg/m3,粘度是0.72mPa.s因此苯乙烯的體積流量為:m3/批(3)設(shè)計a、b兩管內(nèi)徑D=80mm,如下圖所示:a管和b管內(nèi)液體的流速m/sa管和b管內(nèi)液體攪拌雷諾數(shù):Re=即管內(nèi)流動為湍流形態(tài)查《化工原理》上冊.取管壁的絕對粗糙度ε=0.13mm,因此a管和b管相對粗糙度e=ξ/d=0.001625,由攪拌雷諾數(shù)Re=36145.41查得λ=0.022.(1)直管阻力的計算:其中為管線長,大約為20m;H?1=J/kg(2)局部阻力的計算:有7個90°標準彎頭,(查《化工原理》上冊)得有局部阻力系數(shù)分別是:進口突然收縮,90°標準彎頭,H?2=J/kg總的阻力:H?=H?1+H?2=0.7253J/kg確定泵的揚程:△Z=6,△P=0,u1=0H=m泵的有效功率NH=ρgHQ=905.9×9.8×6.732×110.42/(17×3600)=107.9