年产六万吨聚苯乙烯聚合工段工艺设计

可发性聚苯乙烯〔ExpandablePolyStyrene，简称EPS〕通称聚苯乙烯和苯乙烯系共聚物，是一种树脂与物理性发泡剂和其它添加剂的混合物。最常见的可发性聚苯乙烯是含有作为发泡剂的戊烷的透明PS粒料。本设计为年产6万吨可发性聚苯乙烯聚合工段工艺设计，反响机理是自由基聚合，采用悬浮聚合工艺，以苯乙烯为单体，水做悬浮介质，采用低温悬浮聚合一步法生产工艺。此方法是将苯乙烯单体、引发剂、分散剂、水、发泡剂和其他助剂一起参加反响釜内,聚合后得含发泡剂的树脂颗粒,经洗涤、离心别离和枯燥,制得可发性聚苯乙烯珠粒产品；针对聚合反响釜进行了物料衡算、热量衡算，在此根底上通过分析工艺流程，选择出了工艺设备并计算，绘制了带控制点的流程图、并编制了设计说明书和计算书。关键词：可发性聚苯乙烯悬浮聚合物料衡算工艺设计ExpandablePolystyrene(ExpandablePolyStyrene,referredtoasEPS)commonlyknownastheDepartmentofpolystyreneandstyrenecopolymerisakindofmixturewithresinthephysicalblowingagentandotheradditivesmixture.Themostcommonistobemadeofpolystyrenewithn-pentaneasablowingagentaggregatesoftransparentPS.

Thedesignisaboutofpolystyrenepolymerizationprocesssectionthattheannualproductioncapacityis60,000tons,Thereactionmechanismisfreeradicalpolymerization,suspensionpolymerizationprocessusedstyreneasmonomer,watersuspensionmediumdoneusingone-stepproductionoflow-temperaturesuspensionpolymerizationprocess.Thismethodisaddingstyrenemonomer,initiator,dispersingagent,water,blowingagentandotherauxiliariestoreactor,thepolymercontainingafoamingagent,aftertheresinparticlesbywashing,centrifugalseparationanddrying,thesystemmaybemadeofpolystyrenebeadsproducts;mainlycontraposethepolymerizationreactorcarriedoutformaterialbalance,heatbalance,inthisbasedontheanalysisprocesstoselectoutoftheprocessequipmentandcalculateanddrawtheflowchartwithcontrolpoints.Andthepreparationofthedesignspecificationsandcalculationsofthebook.KeyWords：ExpandablePolyStyreneSuspensionTechniqueCraftcalculationTechnologicaldesign聚苯乙烯是指由苯乙烯单体经自由基缩聚反响合成的聚合物，英文名称为Polystyrene,简称PS。它是一种无色透明的热塑性塑料，具有高于摄氏100度的玻璃转化温度，因此经常被用来制作各种需要承受开水的温度的一次性容器，以及一次性泡沫饭盒等[1]。通常的聚苯乙烯为非晶态无规聚合物，具有优良的绝热、绝缘和透明性，长期使用温度0～70℃，但脆，低温易开裂。此外还有全同和间同立构聚苯乙烯。全同聚合物有高度结晶性。聚苯乙烯〔PS〕包括普通聚苯乙烯，发泡聚苯乙烯〔EPS)，高抗冲聚苯乙烯〔HIPS〕及间规聚苯乙烯〔SPS〕。普通聚苯乙烯树脂为无毒，无臭，无色的透明颗粒，似玻璃状脆性材料，其制品具有极高的透明度，透光率可达90％以上，电绝缘性能好，易着色，加工流动性好，刚性好及耐化学腐蚀性好等。普通聚苯乙烯的缺乏之处在于性脆，冲击强度低，易出现应力开裂，耐热性差及不耐沸水等。普通聚苯乙烯树脂属无定形高分子聚合物，聚苯乙烯大分子链的侧基为苯环，大体积侧基为苯环的无规排列决定了聚苯乙烯的物理化学性质，如透明度高.刚度大.玻璃化温度高，性脆等。可发性聚苯乙烯为在普通聚苯乙烯中浸渍低沸点的物理发泡剂制成，加工过程中受热发泡，专用于制作泡沫塑料产品。高抗冲聚苯乙烯为苯乙烯和丁二烯的共聚物，丁二烯为分散相，提高了材料的冲击强度，但产品不透明。间规聚苯乙烯为间同结构，采用茂金属催化剂生产，是近年来开展的聚苯乙烯新品种，性能好，属于工程塑料[2]。根本物理性质：比重：1.05克/立方厘米成型收缩率：0.6％—0.8％成型温度：170℃—250℃物料性能：电绝缘性(尤其高频绝缘性)优良，无色透明，透光率仅次于有机玻璃，着色性耐水性，化学稳定性良好，强度一般，但质脆，易产生应力脆裂，不耐苯﹑汽油等有机溶剂[3]。适于制作绝缘透明件﹑装饰件及化学仪器﹑光学仪器等零件。成型性能：1.无定形料，吸湿小，不须充分枯燥，不易分解，但热膨胀系数大，易产生内应力。流动性较好，可用螺杆或柱塞式注射机成型。2.宜用高料温，高模温，低注射压力，延长注射时间有利于降低内应力，防止缩孔变形。3.可用各种形式浇口，浇口与塑件圆弧连接，以免去处浇口时损坏塑件脱模斜度大，顶出均匀塑件壁厚均匀，最好不带镶件，如有镶件应预热。目前世界上聚苯乙烯的主要生产厂家有美国的DowChemical、Huntsman、Fina、Mobil、Chevron、Amoco、德国的BASF、日本的旭化成、三井东压、三菱化成等。这些公司的聚苯乙烯生产技术各有特点[4]。国内PS生产工艺技术的开展可分为3个阶段：一是60—80年代初的摸索阶段。其技术以小本体法和悬浮法为主，较为落后，装置规模均在万吨以下，如上海高桥石油化工公司、金陵石油化工有限责任公司和中国石油兰州石化分公司(简称兰州石化)等。二是80年代末期到90年代中期的开展阶段。其技术以引进技术为主，所引进的技术均采用当时世界上较先进的连续本体聚合工艺。通过对这些引进技术的消化吸收，使我国对PS生产技术有了较深的了解，对国内PS生产技术的开展起了较大的促进作用，如抚顺石油化工公司(简称抚顺石化)、北京燕山石油化工(简称燕山石化)、汕头海洋第一聚苯树脂(简称汕头海洋)和齐鲁石油化工公司(简称齐鲁石化)[5]。三是90年代中期到目前的迅速开展阶段。此阶段国内对PS的市场需求增长迅速，国内缺口很大。除中国石油化工集团公司和中国石油天然气集团公司系统、地方本身建设或合资建设PS新装置(如扬子一BASF、汕头海洋、镇江奇美公司)外，国外知名PS大厂商(如美国Dow和Chervon公司)纷纷进入中国建厂，其建设规模均到达100kt／a以上，所采用的技术都为各厂家最先进的技术，国内PS生产技术水平到达一个新台阶，生产能力有了较大的开展。设计所参考和依据(1)化学工业部发布的《化工工艺设计施工图内容和深度的统一规定》(2)《化工工艺手册》(3)《化工设计》(4)《石油化工数据手册》(5)《化工设备机械根底》本设计的指导思想是[6]：(1)采用悬浮聚合工艺，确保产品质量高，生产过程平安；(2)生产过程采用自动化控制，机械化操作；(3)对于易燃易爆的地方，采用了可靠的控制，并设置了报警消防设施；(4)采用技术成熟的溶液聚合方法，到达了环保要求，对生产过程中的排放物要经过处理，以到达环保要求；(5)厂房、车间、设备布置严格按照土建标准，以保证生产正常的运行和操作方便以及操作人员的平安为主。适合全国和地区工业布局以及产品供需安排的要求[7]﹔符合城市规划或工业区域规划﹔尽可能节约占地面积﹐少占或不占良田﹑耕地﹔企业生产所需的资源能够落实﹐原料﹑燃料及辅助材料的供给经济合理﹔有充足可靠的水源和电源﹔交通运输条件比拟方便﹑经济﹔不污染环境﹐不破坏文物古迹﹐不阻碍文化﹑旅游及其他精神文明建设﹔对拟建工程留有适当开展馀地﹔地质条件较好﹐施工难度小﹐建设投资省﹔工程建成投产後﹐经济效益良好。本设计采用的节能方法：〔1〕本设计采用悬浮聚合法合成EPS，副反响少，收率高。〔2〕合理进行设备布置，尽力按物料流向布置，减少物料往返输送次数。〔3〕适当利用位差，物料靠重力输送，而减少输送设备，节约局部动力。〔4〕选择设备时，凭着高效节能的原那么。〔5〕设计中加强了对进入装置的水、电、蒸气的计量，为加强能源管理，合理用电、水、气打下良好根底。该厂建设地应对市区居民的生活及附近的工农业生产均无影响。废渣经沉降池处理的凝聚物主要成份为可发性聚苯乙烯悬浮物,每年清理一次,送公司堆埋厂统一处理。废液洗涤各类设备的洗净油及废油,经集中回收并入其它装置的燃料油中外销。废气主要来自聚合釜及料仓，废气中主要成份为苯乙烯和戊烷的混合物，因为间歇排放，绝对量比拟少，采取直接排放。同时应有步骤地进行植树，种草，增加绿化面积。美化环境的同时也起到了降低噪声的作用。地下消火栓4个，8公斤干粉27个，30公斤干粉车一个，1211灭火器32个。火灾发生后报警程序和内容：〔1〕发现火险后进行起初火灾补救。〔2〕判断火势即刻报警，火警：119〔3〕首先讲清起火单位名称，详细地址。〔4〕燃烧物质简介。〔5〕火势大小及着火部位、相关部位。〔6〕报警人姓名及报警号码。〔7〕报警后派人到路口接车。〔8〕介绍燃烧物性质及火场内部与外围情况。〔9〕向调度室和车间领导汇报。第一套方案是起初火灾补救第二套方案是报警。以苯乙烯为单体，水做悬浮介质，采用低温悬浮聚合一步法生产工艺。此方法是将苯乙烯单体、引发剂、分散剂、水、发泡剂和其他助剂一起参加反响釜内,聚合后得含发泡剂的树脂颗粒,经洗涤、离心别离和枯燥,制得可发性聚苯乙烯珠粒产品。以羟基磷酸钙、十二烷基苯磺酸钠为分散剂，以有机过氧化物为引发剂，在搅拌作用下，苯乙烯单体以液滴的形式悬浮于水中，按自由基反响历程进行聚合反响，聚合到稳定时间后参加发泡剂，发泡剂在一定温度压力下渗透到珠粒内，同时珠粒进一步聚合，得到EPS粒子，产物经洗涤、枯燥、筛分、称重。把含有发泡剂的聚苯乙烯珠粒,在发泡器中预发泡(用蒸气加热),在室温下熟化后即可供成型使用。将熟化后的发泡聚苯乙烯颗粒料,装入成型模中,上紧盖后通入蒸气加热,待成型后再通入水冷却,即得到制品[8]。工艺流程见图2-1图2-1工艺流程简图总反响式：nCH2=CH→CH2-CHn苯乙烯的聚合属于自由基聚合,主要分为链引发、链增长、链终止三个阶段。〔1〕．链引发a.引发剂分解,形成初级自由基R:R→2R·b.初级自由基与单体,形成单体自由基R·+CH=CH2→R-CH2-CH·〔2〕．链增长R-CH2-CH·+nCH2=CH→R-CH2-CHnCH2-CH·〔3〕．链终止①偶合终止RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·→RCH2-CHnCH2-CH=CH-CH2CH-CH2mR②歧化终止RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·→RCH2-CHnCH2-CH2+RCH2-CHmCH=CH通用级聚苯乙烯的生产方法有悬浮聚合法、本体聚合法、溶液聚合法和乳液聚合法等。但目前工业化的生产方法主要是悬浮聚合法和本体聚合法[10]。聚差乙烯有两个主要的制造工艺．分别为溶渡法(亦称总体或本体法)和悬浮法，两种主要类型的树脂为：固相聚苯乙烯和发泡聚苯乙烯(EPS)。固相聚苯乙烯连一步划分为通用型和耐冲击型。一般用途的聚苯乙烯是一种均聚物。耐冲击聚苯乙烯是一种共聚物。溶液法工艺用来生产固相聚苯乙烯，是一种占统治地位的工艺路线。而发泡的聚苯乙烯树脂那么是典型的水相悬浮工艺的产物。经典的塔式反响器是德国法本Ⅲ式流程[11]。这种老式的塔式本体聚合不使用引发剂，通过热引发聚合，预聚合温度为80～100℃，转化率控制在32%～35%，连续操作。为了提高反响速度，缩短停留时间，预聚合温度也可提高到115～120℃，转化率可达50%，黏度较大。从工程角度分析，该工艺还有以下缺点：①转化率过高，后期反响速率很慢，总的停留时间太长，反响器的容积效率大大降低；②物料黏度过大，只能用逐步升温的方式使之流动，前后温差太大，造成产物聚合度分布加宽。添加少量溶剂的苯乙烯本体聚合，溶剂量通常控制在3%～15%范围内。添加溶剂的主要目的是降低体系的黏度。溶剂通常只选用苯或乙苯，因为它们能和聚苯乙烯混溶，而且又容易得到。由于添加了溶剂，并且转化率较低，因此该工艺设计有脱挥发物装置，脱除的单体和溶剂循环使用。通过对脱挥设备结构的不断改良，如今聚合产物中的剩余单体含量已降至很低，质量比法本工艺有很大提高。苯乙烯的悬浮聚合是苯乙烯以微珠状分散在介质中进行的聚合反响[12]。水通常被用作悬浮介质，苯乙烯在水中的溶解度非常低，80℃时仅为0.062%。苯乙烯悬浮聚合的温度，有上下之分。低温法在80～85℃聚合，如仅靠热引发，那么反响速度很慢，因此要加引发剂；高温法在120～150℃聚合，不加引发剂，反而要加一点阻聚剂〔或缓聚剂〕，防止反响速度过快而产生爆聚。从动力学观点来看,苯乙烯的悬浮聚合和本体聚合相似,可以看成是在小颗粒中进行的本体聚合。分散剂与反响历程无关。由于苯乙烯的悬浮聚合和本体聚合相似，所以它的分子链的形成也经历链引发、链增长、链终止和链转移的历程。苯议席进行低温悬浮聚合时，由于参加了引发剂，所以它的分子量主要决定于引发剂参加量的多少。通常很少使用分子量调节剂〔如叔十二碳硫醇〕来调节聚苯乙烯的分子量。苯乙烯在高温悬浮聚合时，分子量只取决于温度，而且通常认为链终止主要通过自由基的转移和两个自由基之间的歧化而发生。苯乙烯悬浮聚合的优点是聚合时所放出的反响热容易扩散开来被介质带走，总体上克服了反响温度分布范围宽的现象，因而生产出的聚苯乙烯树脂比老式本体聚合法生产出的聚苯乙烯耐热度高。实质上，反响温度分布范围窄，促使分子量分布范围变窄，从而使得聚苯乙烯树脂耐热度得到提高。苯乙烯悬浮聚合与本体聚合相比的缺点是产品纯洁度稍低，因为它的珠粒外表容易黏有悬浮分散剂等剩余物，电性能、光学性能会受到影响。另外，悬浮聚合苯乙烯转化率不可能到达100%，剩余的单体有一局部被放空，另有5000-6000mg/kg的单体残留在树脂中。如果采用酸洗技术来除去悬浮剂，还要产生更多的化学污水，废单体放空那么会污染环境。种子悬浮聚合工艺，是在聚合开始前，向体系中参加一定量的聚苯乙烯颗粒作为种子，在悬浮聚合的过程中种子颗粒不断长大，得到最终产品。这种方法最早由日本积水化成公司提出，随后日本钟渊和三菱油化也相继进行了研究，申请了一系列专利。根据专利介绍，产品中某一粒径级分的比例可达90%以上。种子聚合时，溶胀了单体的种子颗粒黏度较大，不易分散，而单体小液滴那么通过碰撞逐步并入种子颗粒中，结果仅剩下种子颗粒，并均匀长大，直至硬化。因此种子聚合产物的粒径均匀，而且可任意通过改变种子的粒度和参加量，来调节产物的粒径。一步法是将苯乙烯单体、引发剂，分散剂、水、发泡剂和其他助剂一起参加反响釜聚合，得含发泡剂的树脂颗粒，经洗涤、离心别离和枯燥，制得EPS珠粒产品。为防止发泡剂对聚合反响的阻抑影响，发泡剂一般应在聚合转化率达90％以上时参加。二步法工艺是将苯乙烯、PS、软水以及分散剂溶解、混合，经计量槽参加聚合釜内，参加引发剂和局部助剂，在适宜的条件下进行聚合生成PS粒料并枯燥至含2~3%的水分。然后将拟进行浸渍的PS粒料，在不断搅拌的条件下，用旋风加料器或人工送至含一定分散剂和发泡剂〔如戊烷〕的釜中，在适当的温度和压力下浸渍2~3小时，以获得EPS。一步法工艺具有工艺简单、流程短和投资费用低的优点，在降低消耗和节约能耗方面均优于二步法，但产品分子量略低，且由于聚合与浸溃在同一过程中进行，难免产生局部含发泡剂的粉状物，处理起来十分麻烦。二步法生产工艺由于聚合后就对聚合物颗粒进行分级，再根据不同粒经按不同工艺浸渍，故所得EPS珠粒质量较佳，同时还可防止含发泡剂粉状物的产生，不必进一步处理，但二步法工艺生产流程较长，投资费用较高，且生产过程能耗大，产品本钱高[13]。一步法虽有缺点，但与二步法比拟仍是利多弊少，特别是在经济上占有极大优势，故目前国外生产EPS较为普遍地应用一步浸渍法。表2-1一步法、二步法生产EPS比拟工程一步法二步法EPS成品质量粒径分布较宽，不均匀粒径分布较窄，粒子均匀工艺条件工艺要求严格，能耗少，流程短能耗较大，流程长，工艺要求相对较低，易操作技术经济一次性投资较高，生产自动化程度高，易集中控制，人工操作少一次性投入较低，自动化程度低，人工操作较多生产灵活性因发泡剂易挥发，故仓储时间短市场适应性差，设备利用率差中间产品PS可作为产品出售，也可生产其他品种，市场适应性强EPS最初应用于建筑和包装领域领域，其绝热性能和力学保护性能是最优的，在建筑领域的应用，如地板下或墙壁的隔热材料，都得益于其良好的绝热性，而作为易碎电子产品的包装材料，那么需要强的力学〔冲击〕保护性能。EPS越来越多的用于食品运输和包装〔鱼、水果和蔬菜〕，在这方面，力学性能和绝热性能都起重要的作用[14]。EPS泡沫塑料闭孔结构内含98%的气体可以使其通过改变和恢复形状来缓冲冲击，这一过程可以有效吸收瞬间冲击带来的能量，提供极好的防护〔参见表2-2〕表2-2不同密度的EPS泡沫塑料物理性质〔来源：BASF〕密度/g﹒cm-315254050拉伸强度/kpa20350600750弯曲强度/kpa20400700900压缩10%的压应力/kpa90180320400EPS泡沫塑料会吸收很少量的水，但没有吸湿性，其力学性能不受湿气的影响。除了真空，空气是最简单，本钱最低的绝热介质，薄空气层具有非常低的传热性。但是，依靠空气作为绝热介质并不总是实用，对包装货物的材料，需要形成外封壳。EPS含许多细微气泡的闭孔结构，使其具有优良的绝热性。这种情况下EPS是理想的包装材料。由于其内在的性质，EPS泡沫塑料不会直接影响其他物质，比方食品。应注意EPS泡沫塑料在非常低的密度时〔10~15g﹒cm3〕具有较大的导热性，随着密度的增加而下降，密度在30~50g﹒cm3时具有最正确绝热性能，密度继续增加，导热性又随之增加〔参见表2-3〕表2-3不同密度的EPS泡沫塑料热性能〔来源：BASF〕密度/g﹒cm-31020405060导热率/W﹒m-1﹒K-10.0430.0350.0330.0330.034EPS的性能受化学药剂的影响变化比拟大。长时间接触盐水、皂液、漂白剂和大多数稀酸溶液而不会影响其性能，但多种有机溶剂会明显影响其性能。EPS泡沫塑料和其他聚合物一样，长时间曝露在紫外线下，性能会有很大变化。但考虑到作为包装材料时，使用期限较短，这一影响并不重要；作为建筑材料使用时，使用寿命虽然较长，但曝露在紫外线下的可能性较小，故这一影响也不太重要。EPS对动物没有营养价值，不会受霉菌侵蚀，也不会分解出任何污染地下水的水溶物。EPS产品的生产采用低温悬浮聚合一步法工艺技术,以苯乙烯单体为主要原料,以水悬浮介质和介质,在机械搅拌和分散剂的作用下,苯乙烯单体被分散成无数油状的液滴,并悬浮限水中,在引发剂的作用下,在每个液滴中发生按自由基反响历程进行的聚合反响，聚合到稳定阶段后参加发泡剂，发泡剂在一定的温度压力下，渗到珠粒内，同时聚合反响进一步进行，生产出合格的EPS粒子[15]。以羟基磷酸钙、十二烷基苯磺酸钠为分散剂，以有机过氧化物为引发剂，在搅拌作用下，苯乙烯单体以液滴的形式悬浮于水中，按自由基反响历程进行聚合反响，聚合到稳定时间后参加发泡剂，发泡剂在一定温度压力下渗透到珠粒内，同时珠粒进一步聚合，生产出合格的EPS粒子[16]。生成的EPS粒子经水洗，离心脱水一级枯燥,二级枯燥风送、筛分、涂层、计量称重后,包装成EPS成品。①贮存于工艺水槽(V-103)中的脱盐水在表(FQC-103)的控制下，用泵(P-103)定量打入聚合釜(R-201/2/3)中。②启动搅拌至设定转速62转、分41Hz，依次参加HAP、SDBS、DSP。③贮存于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步骤后，参加SN、CP-O2、DCP、BPO、甲苯(如果有回溶料那么同时参加)。开蒸汽升温，温度升到88℃时开始计时。90℃恒温。计时1h参加KPS。90℃恒温期间观察现象，控制粒径。粒子下沉时重新时，50分钟参加第二批HAP，补水至正常液位，封取样孔盖，并放空。1h时加戊烷，用30分钟加完，然后开蒸汽升温至96℃闭蒸汽。3h时升温至115～121℃恒温浸渍，6小时30分钟后降温至40℃以下出料至水洗釜(V-201/2/3)中[17]。本装置设计年产60000吨可发性聚苯乙烯,可生产普通型“R〞、阴燃型“F〞两个品种八个品级的产品。鉴于国家规定的产品规格，考虑到用户的要求和经济衡算，其产品指标如表3-1所示：表3-1产品指标一览表品种及牌号LR(101.201.301.401)外观松散、白色或无色的小珠粒比重1.05粒子直径相对密度550-650kg/m3发汽剂含量，%≥5.0残留苯乙烯,%≤0.30含水量,%≤0.5相对粘度颗粒筛析%≥90根据实际经济分析，对工厂的实际生产作如下选择：操作方式：连续操作产品名称：可发性聚苯乙烯年生产量：60000吨/年年工作日：7200小时生产量：8.33吨/时年生产天数：300天原材料规格表3-2原料规格一览序号原材料名称代号控制工程名称及指标用途1苯乙烯ST外观:无色透明液杂机械杂质无游离水份纯度：≥99.6%聚合物:≤50ppmTBC:≤50ppm反响单体2过氧化苯甲酰BPO外观:白色结晶粉沫纯度：干基≥98%(m/m)水份:≤25-305活性氧量(干基)%≥6.50低温引发剂3过氧化苯甲酸叔丁酯Cp-O2引发剂“C〞含量：≥95%叔丁基过氧化氢含量(TBHP)≤1%铁含量：≤5ppm高温引发剂4羟基磷酸钙HAP分散剂5十二烷基苯磺酸钠SDBS试剂级助分散剂6磷酸氢二钠DSP稳定剂7涂层剂外观:细白粉未,无团块粒径:200目通过95%以上8戊烷C50C4:≤4%正.异戊烷含量94%C6:≤2%环烷烃:≤0.1%苯:0.1%发泡剂9过氧化二异丙苯DCP外观:无色或白色结晶粉末纯度：≥96%总挥发物%≥0.4交联剂阻燃剂10六溴环十二烷HBCD水份及挥发份%≤2.0阻燃剂11成核剂SN密度g/cm3:0.93粘度cps:45012过硫酸钾KPS调理表3-3LR-EPS牌号的标准操作条件一览表序号操作控制工程工艺条件LR-EPS仪表位号1BPO、DCP、CP—O2参加温度常温2聚合阶段温度℃88-91压力Mpa常压时间3-3.5h3浸渍阶段温度℃115--121压力Mpa时间h(含升温)54出料温度℃≤405戊烷参加时间min30-456X-201入口温度℃39±2TIC2037E-201出口风温≥90TIC2048涂层剂用量/千分3-49包装净重kg25±0.1〔1〕年产量：6万吨〔2〕年工作时数：7200小时〔3〕单体纯度：99.6%〔4〕单体转化率：90%〔5〕苯乙烯组分含量92%〔6〕工艺配比〔净含量/100分单体，质量百分含量〕：工艺配比见表4-1表4-1LF-EPS发泡聚苯乙烯工艺配比序号原料名称规格EPS备注1水脱盐水1242苯乙烯〔ST〕99.6%100单体3成核剂〔SN〕0.114发泡剂(戊烷)94%8.3925羟基磷酸钙〔HAP〕0.177主分散剂6十二烷根本磺酸钠〔SDBS〕0.0004助分散剂7过氧化苯甲酰〔BPO〕干基98%0.196低温引发剂8过氧化苯甲酸叔丁脂〔CP-O2〕95%0.08高温引发剂9六溴环十二烷(HBCD)0.689阻燃剂10过氧化二异丙苯〔DOP〕0.0349阻燃剂11磷酸氢二钠〔DSP〕99％无水0.039稳定12过硫酸钾〔KPS〕0.0014调理每年生产：7200/17=424批每批生产：60000000/424=141509kg苯乙烯进料量=141509×91%÷(99.6%×90%)=143655.95kg/批辅助物料计算：〔1〕分散介质水的进料量为：143655.95kg/批×124%=178133.38kg/批〔2〕分散剂主分散剂HAP：143655.95kg/批×0.177%=254.27kg/批助分散剂SDBS：143655.95kg/批×0.0004%=0.57kg/批〔3〕成核剂SN：143655.95kg/批×0.110%=158.02kg/批〔4〕引发剂低温引发剂BPO：143655.95kg/批×0.196%=281.57kg/批高温引发剂CP-O2：143655.95kg/批×0.080%=114.92kg/批〔5〕发泡剂戊烷:143655.95kg/批×8.392%=12055.61kg/批〔6〕阻燃剂HBCD：143655.95kg/批×0.689%=989.79kg/批DOP：143655.95kg/批×0.0349%=50.14kg/批〔7〕稳定剂DSP：143655.95kg/批×0.039%=56.03kg/批〔8〕无机氧化剂KPS：143655.95kg/批×0.0014%=2.01kg/批〔9〕进料总量为：143655.95+178133.38+254.27+0.57+158.02+281.57+144.92+12055.61+989.79+50.14+56.03+2.01=335782.26kg/批单体进料量：143655.95kg/批，单体转化率：90%，那么单体ST的反响用量为：143655.95kg/批×90%=129290.35kg/批ST未反响的是：143655.95kg/批-129290.35kg/批=14365.60kg/批EPS产品出料量=进料总量-未反响的单体出料量-水量=335782.26-14365.60-178133.38=143283.282kg/批物料平衡见表4-2：表4-2物料平衡表进料〔kg/批〕出料〔kg/批〕苯乙烯143655.95143655.60HAP254.27--SDBS0.57--SN158.02--戊烷12055.61--BPO281.57--CP-O2114.92--HBCD989.79DCP50.14--DSP56.03--KPS2.01--EPS产品--143283.282水178133.378178133.378总量335782.25335782.25校验设计任务:EPS年产量：143283.282kg/批×424=6.075万t其年产量为:6.075万t结果稍大于所给设计任务,故设计为合格.热衡算式：进釜的热量=出釜的热量(冷剂带走的热量)Q显+Q聚+Q搅+Q损=Q吸〔1〕显热；〔2〕聚合热；〔3〕聚合釜搅拌热；〔4〕热量损失；〔5〕冷剂带走的热量。本设计取：聚合阶段聚合釜进料温度20℃，聚合反响温度90℃，△T=70℃浸渍阶段聚合反响温度120℃，出料温度40℃，△T=80℃1Kcal=4.187KJ由公式Q=qmCp△T计算得下表表5-1：△T=80℃〔Cp值查表〕表5-1第一阶段反响热单体流量〔㎏/批〕△T(℃)Cp〔kJ/Kg.℃〕Q(kJ/批)ST143655.95×90%143655.95×10%143655.95×1070100-801.71215494156.12459389.86-1967511.90水178133.38204.1814891950.6HAP177.06201.2986600.85SDBS0.57201.88421.48SN158.022051.92164087.96C5012055.61202.219535027.97BPO281.57707.704151845.07CP-O2114.92201.8424233.65HBCD989.79202.23044144.63DCP50.14201.6671671.67总量31785617.94由ST转化率随时间变化曲线，可知每釜的转化率随时间的变化不大，故可似认为每个釜的聚合热相等。如图5-1所示：图5-1苯乙烯转化率随时间变化曲线计算如下：由公式，查得单体ST的聚合热QST＝70kJ/mol＝16.72Kcal/mol(25℃,气态，无定形)〔1Kcal＝4.187KJ〕；MST=0.104kg/mol，Cp=178.23J/(mol·k)＝0.178kJ/〔mol·k〕。计算得：ΔVHT〔298.15K〕=0.04Kcal/mol=0.167kJ/mol在25℃下，液态的QST＝70-0.167＝69.83kJ/mol,反响前后压力的变化不大,故可近似的认为是恒压操作。在20℃下，QST=QST〔25℃〕+CP(T2-T1)=69.83+0.178×(20-25)=16.47Kcal/mol那么ST的质量聚合热Qm(ST)=QST/MST=70/0.104=662.88kJ/kg每小时聚合釜中的总聚合热为：Qp=m出料×Qm=143655.95×90%×662.88=85703990.52kJ/批；根据工业实际生产，取搅拌热是聚合热的5%，即Q搅拌=5%×Q聚，反响时间为10.76h时，Q搅拌=5%×85703990.52=4285199.5kJ/批聚合反响阶段反响时间为8h的热量损失Q1＝〔Q显+Q聚+Q搅拌〕×5％＝〔31785617.94+85703990.52+4285199.5〕×5%=6088740.40KJ/批所需蒸汽给热为：(31785617.94+85703990.52+4285199.5)-6088740.40=121774808-6088740.40=115686067.6kJ/批聚合阶段热量平衡表见表5-2表5-2热量平衡表显热聚合热搅拌热总量进釜热量〔Kj/批〕31785617.9485703990.524285199.5121774808热量损失蒸汽给热带走热量〔Kj/批〕6088740.4115686076.6121774808：Q总m蒸汽×Hr其中：m蒸汽―水蒸汽的用量Hr—水的汽化潜热2258kJ/kg所以蒸汽的用量：kg/批渍阶段没有聚合热，所以Q聚=0，Q吸=Q显+Q搅拌=31785617.94+4285199.5=36070817.44kJ/批：水进口温度15℃,出口温度35℃，由公式Q=m水Cp△T计算得：kg/批设计釜内温度为120℃；聚合阶段为常压，浸渍阶段为0.6-0.8Mpa；材质为1Cr18Ni9Ti；其他数据同前。进料体积主要是由苯乙烯、水和戊烷决定，所以：，其中由公式：m3/批m3/批m3/批V总=110.42+124.04+13.32=355.85m3/批：加料系数为0.75，那么反响釜体积为：m3/批因此选用120m3的反响釜，共需要4个本工艺过程是低温悬浮聚合，反响中放出大量的热，且体系黏度低，在反响过程中，为了更好的除去热量，可选用釜式搅拌反响器，并配以适当的搅拌桨叶及除热方式来满足工艺要求。而搅拌聚合釜是悬浮聚合中最常见的反响器，可以进行均相反响，也可进行多相反响，如液液反响、气液反响、液固反响。从操作方式上看可进行间歇反响、半连续反响、连续聚合等操作以满足不同的工艺要求。釜内可设搅拌装置及挡板，并可根据不同的情况在釜内安装换热器或在釜外设置夹套，可满足不同的换热需求[18]。初选搅拌釜式反响器的体积为120m3，那么聚合釜的和确实定可选为：=-；其中：－反响釜的直径；－反响釜的高度；－反响釜的体积；－反响釜封头的体积。〔i取1～3)图6-1聚合釜筒体图那么对估算，取i＝2那么有==4.24m；经过圆整至标准的公称直径，取＝4400mm当＝4400mm时，取高为8000mm。由知i＝8000/4400＝1.8，符合k的取值范围。所以聚合釜的直径＝4400mm；＝8000mm；综上所述，年产6万吨发泡聚苯乙烯反响器容积120m3、公称直径〔)4400mm、高度()8000mm、高径比〔／〕为1.8。在釜内置有挡板，釜外设有夹套，以带走多余热量。搅拌浆叶的排出流量依据反响釜内物料的物理性质，可选搅拌桨为圆盘涡轮式桨叶，桨叶层数为两层。由于桨叶直径D与釜径T的比值范围0.33～0.40,取D/T=0.40那么D=4.4×0.40=1.76m，取搅拌等级为9级，总体流速=17.4m/min。那么搅拌桨叶的排出流量m3/min计算搅拌转速假设为湍流操作，取NRe=1×10^4由D/T=0.4时查排出流量数与搅拌雷诺数的关系图得=0.69图6-2排出流量数与搅拌雷诺数的关系图因而：r/min=1.17r/s此时雷诺准数：NRe===11491.3搅拌功率P综上知区域内流动状态为湍流，湍流区功率曲线呈一水平直线，此时功率准数NP为常数，所以P=K1N3D5设计桨叶为六叶平直涡轮，〔湍流，有挡板〕查得：K1=3.8所以P=K1N3D5=3.8×950×1.173×1.25=97.64KW以计算输送苯乙烯的泵为例：〔1〕采用普通钢管进料。〔2〕苯乙烯进料的质量流量是143655.95kg/批，其密度是905.9kg/m3因此苯乙烯的体积流量为：m3/批〔3〕设计a、b两管内径D=80mm，如下列图所示：a管和b管内液体的流速m/sa管和b管内液体搅拌雷诺数：Re=即管内流动为湍流形态查《化工原理》上册.取管壁的绝对粗糙度ε=0.13mm，所以a管和b管相对粗糙度e=ξ/d=0.001625，由搅拌雷诺数Re=36145.41查得λ=0.022.〔1〕直管阻力的计算：其中为管线长，大约为20m;Hƒ1=J/kg〔2〕局部阻力的计算：有7个90°标准弯头，〔查《化工原理》上册〕得有局部阻力系数分别是：进口突然收缩，90°标准弯头，Hƒ2=J/kg总的阻力：Hƒ=Hƒ1+Hƒ2=0.4965J/kg确定泵的扬程：△Z=6，△P=0，u1=0H=m泵的有效功率NH=ρgHQ=905.9×9.8×7.497×158.58/(17×3600)=172.46W对于小流量的离心泵：泵轴功率：N=W由输送温度为常温、粘度小、无腐蚀性、无固体颗粒的液体，流量小、扬程小应选离心泵，离心泵结构简单，造价低，体积小，重量轻，安装检修方便。选型号为IS50-32-160泵两台，正常使用一台，备用一台。热流体入口温度：220℃，出口温度：130℃冷流体〔空气〕入口温度：25℃，出口温度：92℃根据工艺条件初步选用带膨胀节的固定管板式换热器。应该使冷流体走管程，热流体走壳程。初步选25×2.5的碳钢管，管内流速m/s。热流量：Q=qmCP△t=143655.95/17×1.733×(220-130)=1318011.09kg/h=366.11kg/s平均传热温差：tm=℃冷却水用量：㎏/h管程雷诺数：Re=W/(m2·℃)壳程传热系数:假设壳程的传热系数为2=290W/(m2·℃)污垢热阻：Rsi=0.000344m2·℃/WRs2=0.000172m2·℃/W管壁的导热系数=45W/(m2·℃)所以总传热系数=80.64W/(m2·℃)S=㎡选用25×2.5的碳钢传热管