年產(chǎn)4000噸的聚苯乙烯反應(yīng)裝置設(shè)計(jì)

年產(chǎn)4000噸的聚苯乙烯反響裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力：4000噸/年原料：主原料：苯乙烯〔88%〕溶劑：甲苯〔12%〕引發(fā)劑：過(guò)氧化壬二酸二叔丁酯〔0.025%〕主原料粘度：0.72Pa·s密度：0.297g/ml相對(duì)密度：0.9019比重：88%反響過(guò)程：四釜串聯(lián)生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)化率：84%目錄1.1聚苯乙烯簡(jiǎn)介1.2聚苯乙烯性能與應(yīng)用1.3聚苯乙烯生產(chǎn)工藝2.根本條件設(shè)定2.1溫度2.2反響裝置2.3攪拌裝置3反響裝置3.1工藝條件3.2反響裝置體積計(jì)算4攪拌裝置4.1尺寸4.2功率，轉(zhuǎn)速4.3電機(jī)5結(jié)論1.1聚苯乙烯簡(jiǎn)介苯乙烯為無(wú)色或微黃色易燃液體。有芳香氣味和強(qiáng)折射性。不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、二硫化碳等有機(jī)溶劑。苯乙烯的熔點(diǎn)為－30.6℃，相對(duì)密度為0.9019，沸點(diǎn)為145.2℃，折射率1.5463，閃點(diǎn)為31℃，臨界溫度為373℃，臨界壓力為4.1MPa。密度：1.05g/cm3聚苯乙烯是質(zhì)硬、脆、透明、無(wú)定形的熱塑性塑料。聚苯乙烯的比重是1.057~1.070克/厘米3。熱變形溫度70℃一98℃，與配方及后處理有關(guān)。聚苯乙烯的透明度達(dá)88~92%，折光率為1.592~1.60，由于這樣高的折光率使它有良好的光澤。聚苯乙烯能自由著色，無(wú)嗅無(wú)味無(wú)毒，不致菌類(lèi)生長(zhǎng)。具有良好耐水、耐光和耐化學(xué)性能，特別是具有優(yōu)異的電絕緣性能和低吸濕性。其主要缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度不高，質(zhì)脆，耐熱性低并易燃。聚苯乙烯的識(shí)別特征：為無(wú)色透明，無(wú)延展性，似玻璃狀材料，制品落地或敲打時(shí)具有金屬的清脆梯“叮當(dāng)"聲。1.2[5]有很小的吸水率，在潮濕環(huán)境中其形狀和尺寸的變化都很小。熱絕緣性也很好。聚苯乙烯具有優(yōu)良的電絕緣性能，尤其在高頻條件下介電損耗仍然很小，是優(yōu)良的高頻絕緣材料[6]聚苯乙烯易燃燒，且離火后仍繼續(xù)燃燒，火焰呈橙黃色，并有濃黑煙碳束，燃燒時(shí)塑料軟化，起泡并發(fā)出特殊的苯乙烯單體味。聚苯乙烯的主要缺點(diǎn)是脆性大，假設(shè)是成型制品的熱處理不恰當(dāng)，制品中存在較大內(nèi)應(yīng)力時(shí)，在使用中制品可能自行開(kāi)裂。聚苯乙烯被廣泛應(yīng)用于光學(xué)工業(yè)中，這是因?yàn)樗辛己玫耐腹庑运?，可制造光學(xué)玻璃和光學(xué)儀器7]聚苯乙烯還可制作諸多在高頻環(huán)境中工作的電氣元器件和儀表等。單獨(dú)使用聚苯乙烯作制品，脆性大，而在聚苯乙烯中加人少量其他物質(zhì)，如丁二烯即可明顯降低脆性，提高沖擊韌性，這種塑料叫抗沖擊聚苯乙烯，它的力學(xué)性能大為提高，苯乙烯丙烯腈〔SAN〕SAN是StyreneAcrylonitrile的縮寫(xiě)。苯乙烯丙烯腈是苯乙烯丙烯腈的共聚物，是一種無(wú)色透明，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度的聚丙烯基工程塑料。SAN的化學(xué)穩(wěn)定性要比聚苯乙烯好。SAN類(lèi)產(chǎn)品的透明度和抗紫外性能不如聚甲基丙烯酸甲酯類(lèi)產(chǎn)品但是價(jià)格相對(duì)廉價(jià)。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物〔ABS〕ABS是Acrylonitrilebutadienestyrene的縮寫(xiě)。這種塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物。具有高強(qiáng)度，低重量的特點(diǎn)。是常用的一種工程塑料之一。SBS橡膠SBS橡膠是一種聚〔苯乙烯－丁二烯－苯乙烯〕結(jié)構(gòu)的三段嵌段共聚物。這種材料同時(shí)具有聚苯乙烯和聚丁二烯的特點(diǎn)，是一種耐用的熱塑性橡膠。SBS橡膠經(jīng)常被用來(lái)制造輪胎。聚苯乙烯易加工成型，并具有透明、廉價(jià)、剛性、絕緣、印刷性好等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛用于輕工市場(chǎng)，日用裝璜，照明指示和包裝等方面。在電氣方面更是良好的絕緣材料和隔熱保溫材料，可以制作各種儀表外殼、燈罩、光學(xué)化學(xué)儀器零件、透明薄膜、電容器介質(zhì)層等。[2]可用于粉類(lèi)和乳液類(lèi)化裝品。用于粉餅有很好的壓縮性,可改善粉的黏附性能。賦予皮膚光澤和潤(rùn)滑感,是代替滑石粉和二氧化硅的高級(jí)填充劑。[3]1.3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。生產(chǎn)方法有本體聚合法、溶液聚合法、懸浮聚合法和乳液聚合法等。目前工業(yè)化生產(chǎn)所采用的主要是懸浮聚合法和本體聚合法。1.本體聚合法將苯乙烯單體送入預(yù)聚釜中,再參加少量添加劑和引發(fā)劑,于95～115℃下加熱攪拌進(jìn)行預(yù)聚合,待轉(zhuǎn)化率到達(dá)20%～35%之后,再送入帶有攪拌器的塔式反響器內(nèi)進(jìn)行連續(xù)聚合反響。聚合溫度逐段提高到170℃左右,以到達(dá)完全轉(zhuǎn)化。少量未反響的苯乙烯從塔頂放出,并可回收再用。聚合物連續(xù)從塔底出料,經(jīng)擠出造粒即得成品,包裝后出廠(chǎng)?！?〕本體聚合法是聚苯乙烯樹(shù)脂的最主要生產(chǎn)方法，用于通用型PS于HIPS注塑料的生產(chǎn)。為了便于去除聚合熱以控制反響速率、降低熔融物的粘度以及生產(chǎn)HIPS時(shí)防止橡膠分子的交聯(lián)，加有少量溶劑甲苯或乙苯。此情況下不同于加有大量溶劑的溶液聚合法。單體苯乙烯以及少量溶劑，有些情況下還加有引發(fā)劑，連續(xù)送入第一個(gè)反響器中，反響器組由3~5個(gè)反響器組成，反響器形狀與結(jié)構(gòu)因去除聚合熱的方式和熔融物料的混合方式的不同而不同。反響條件根據(jù)生產(chǎn)聚苯乙烯分子量的要求、物料在反響器中停留的時(shí)間，即要求的生產(chǎn)量來(lái)決定。當(dāng)所用溶劑數(shù)量一定時(shí)，提高反響溫度和生產(chǎn)速度那么分子量降低。在多區(qū)反響器中或一組反響器中，反響溫度隨轉(zhuǎn)化率的提高而提高，以保持相對(duì)穩(wěn)定的反響速度和放熱速度。對(duì)于熱聚合，反響溫度一般為120~180℃范圍，如加有引發(fā)劑，那么此溫度下限范圍可擴(kuò)展至90℃。懸浮聚合法2.懸浮聚合法以苯乙烯為單體,水為介質(zhì),以明膠或淀粉、聚乙烯醇、羥乙基纖維素等保護(hù)膠或碳酸鎂、硅酸鎂、磷酸鈣等不溶性無(wú)機(jī)鹽等為分散劑,順丁烯二酸酐-苯乙烯共聚物鈉鹽為助分散劑,以過(guò)氧化苯甲酰為引發(fā)劑,在85℃左右進(jìn)行引發(fā)聚合。也可不用引發(fā)劑,在高壓聚合釜中于100℃以上的高溫下進(jìn)行高溫聚合。聚合物經(jīng)洗滌、別離、枯燥即得無(wú)色透明的細(xì)珠狀樹(shù)脂。〔8〕單體油相與水相的比例在0.8:1~2:1范圍，苯乙烯懸浮聚合在釜式壓力反響器中間歇操作，開(kāi)始反響溫度為80℃，逐漸提高到140℃左右。反響時(shí)間為5~24h，然后經(jīng)酸洗使分散劑溶解，再經(jīng)離心別離脫除水后枯燥、添加必要助劑與顏料后擠出造粒得到成品粒料。本設(shè)計(jì)由于以甲苯為稀釋劑，故采用的是溶液本體法。溶液聚合是將單體和引發(fā)劑溶于適當(dāng)溶劑中進(jìn)行的聚合反響。其根本組成由分單體、引發(fā)劑、溶劑組成，聚合場(chǎng)所在溶液內(nèi)，是均相介質(zhì)。溶液聚合的優(yōu)點(diǎn)是散熱控溫容易，可防止局部過(guò)熱，體系粘度較低，能消除凝膠效應(yīng)。其缺點(diǎn)是溶劑回收麻煩，設(shè)備利用率低、聚合速率慢、分子量不高。2．1目前工業(yè)上高溫苯乙烯本體聚合在120—170℃上進(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，各段溫度均不相同，預(yù)聚溫度為115～125℃，三臺(tái)聚合釜的反響溫度分別為125～150℃、150～160℃、155～165℃。2.2本反響采用攪拌釜反響器。由于此設(shè)計(jì)是苯乙烯的聚合反響，可以近似看作是液－液反響，產(chǎn)量要求不大，因而本設(shè)計(jì)選用立式攪拌反響釜,第一個(gè)釜為預(yù)聚合釜。采用上加料，底出料方式。2.3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。因此攪拌釜反響器對(duì)各種反響體系適應(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。苯乙烯單體聚合反響中，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75Pa.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)攪拌的劇烈程度，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。3．1.工藝條件：預(yù)聚溫度為115～125℃，三臺(tái)聚合釜的反響溫度分別為125～150℃、150～160℃、155～165℃；采用少量甲苯作為溶劑，溶劑量為12%。引發(fā)劑選用過(guò)氧化壬二酸二叔丁酯，攪拌時(shí)間4~5h，加料和出料時(shí)間為1h，最終轉(zhuǎn)化率達(dá)84%。反響周期：由于溫度、溶劑、攪拌速度、攪拌時(shí)間等影響，聚合物的聚合度不同。熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合的反響級(jí)數(shù)一般認(rèn)為是一級(jí)或二級(jí)反響，本設(shè)計(jì)采用一級(jí)引發(fā)的機(jī)理計(jì)算。那么取K=0.44，要求聚苯乙烯轉(zhuǎn)化率84%，計(jì)算反響時(shí)間換成自己的轉(zhuǎn)化率輔助時(shí)間設(shè)為t=1h操作周期圓整為6h物料衡算：熱引發(fā)本體聚合制備年產(chǎn)4000噸聚苯乙烯，每年工作330天，苯乙烯單體聚合一般采用4到5級(jí)反響釜進(jìn)行反響，要求聚苯乙烯轉(zhuǎn)化率84%，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，以甲苯為溶劑，甲苯在反響液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，那么苯乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%。物料衡算：熱引發(fā)本體聚合制備年產(chǎn)4000噸聚苯乙烯，每年工作330天，苯乙烯單體聚合一般采用4到5級(jí)反響釜進(jìn)行反響，要求聚苯乙烯轉(zhuǎn)化率83%，以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，以甲苯為溶劑，甲苯在反響液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，那么苯乙烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%。下面都按自己的產(chǎn)量算苯乙烯每天需投入量：那么物料每天的投入總量：甲苯每天投入的總量：反響總體積計(jì)算：每天生產(chǎn)批次為由密度與溫度的關(guān)系圖查得，反響溫度為150℃下反響液的密度，每批處理體積量取填料系數(shù)為0.7反響器所需容積為假設(shè)用一只反響釜，即m=1，得求得：因此本設(shè)計(jì)用一只反響釜計(jì)算。取反響釜得圓整為2m=2000mm確定封頭尺寸本設(shè)計(jì)選用橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)件，它的內(nèi)徑應(yīng)該與筒體內(nèi)徑相同，即封頭公稱(chēng)直徑為，因此根據(jù)《化工機(jī)械根底》〔第二版〕附錄中有關(guān)筒體和封頭數(shù)據(jù)，查得封頭公稱(chēng)直徑為時(shí)，封頭容積，封頭總高度。筒體高度圓整為1.0m釜體實(shí)際高度為：按圓整后的筒體高度修正實(shí)際的容積，那么實(shí)際長(zhǎng)徑比：反響器最高液位高度：苯乙烯體積收縮系數(shù)：最低液位高度攪拌裝置尺寸：本實(shí)驗(yàn)選擇渦輪式，用圓盤(pán)渦輪式攪拌槳。由于槳葉直徑D與釜徑的比值范圍0.2~0.5，取0.5，故D=1m葉輪距釜底高度取0.2故h=0.2m葉片寬度b=〔0.125~0.25〕D取0.25故b=0.25m轉(zhuǎn)速與功率：轉(zhuǎn)速：由于本設(shè)計(jì)選取圓盤(pán)渦輪式攪拌槳，u=4~10m/s，取u=6m/s故查資料得反響液的黏度=0.72Pa.s，又反響液的密度據(jù)幾何條件，圓盤(pán)渦輪式攪拌槳，4塊寬度為0.1的擋板，b/D=1/5查得