聚合物合成工艺设计作业

聚合物合成工艺设计结课作业 湖湖南南工工学学院院 年年产产5 万万吨吨聚聚苯苯乙乙烯烯聚聚合合工工段段工工艺艺设设计计 小小组组成成员员 严严 智智 龙龙 坚坚 指指导导教教师师 谭谭 茜茜 聚合物合成工艺设计结课作业 0 摘摘 要要 可发性聚苯乙烯 Expandable PolyStyrene 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 5 万吨可发性聚苯乙烯聚合工段工艺设计 反应机理是自由 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 和其他助剂一起加入反应釜内 聚合后得含发泡剂的树脂颗粒 经洗涤 离心分 离和干燥 制得可发性聚苯乙烯珠粒产品 针对聚合反应釜进行了物料衡算 热 量衡算 在此基础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 聚合物合成工艺设计结课作业 1 Abstract EPS expandable PolyStyrene EPS known as polystyrene and styrene copolymers is a mixture of a resin and physical foaming agent and other additives The most common can be made of polystyrene is contained as pentane foaming agent transparent PS material particle Suspension polymerization is the design for the annual production capacity of 5 million tons of polystyrene section process design reaction mechanism of free radical polymerization suspension polymerization using styrene monomer water as suspending medium using low temperature one step production process This method is styrene monomer initiator dispersion agent water foaming agent and other additives together into a reaction kettle after polymerization containing blowing agent of resin particles after washing centrifugal separation and drying can be made of polystyrene beads products for polymerization reaction kettle of material balance heat balance calculation based on the analysis of the process flow selection of the process equipment and calculation Draw a flow chart with control points and the preparation of the design specifications and calculations Key words Expandable Polystyrene suspension polymer material balance calculation process design 聚合物合成工艺设计结课作业 2 目目 录录 摘 要 1 1 绪论 4 1 1 概述 4 1 1 1 聚苯乙烯简介 4 1 2 指导思想 4 1 3 节能与环境保护 4 1 3 1 节能 4 1 3 2 环境保护 5 2 工艺论证 6 2 1 工艺原理 6 2 1 1 生产方案 6 2 1 2 工艺路线 6 2 1 3 工艺流程 6 2 1 4 反应原理 6 2 2 聚苯乙烯的生产技术 7 3 聚合工段工艺和生产流程 8 3 1 聚合工段工艺过程叙述 8 3 2 生产流程 8 3 3 产品规格 原料及公用工程条件 8 3 3 1 产品规格 8 3 3 2 生产方式及规模 9 4 物料衡算 10 4 1 计算依据 10 4 2 聚合工段物料衡算 10 4 2 1 进料阶段 10 4 2 2 出料阶段 11 5 聚合工段热量衡算 13 附 录 16 聚合物合成工艺设计结课作业 3 1 绪论 1 1概述 1 1 1 聚苯乙烯简介 聚苯乙烯是指由苯乙烯单体经自由基缩聚反应合成的聚合物 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 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 普通聚苯乙烯的不足之处在于性脆 冲击强度低 易出现应力 开裂 耐热性差及不耐沸水等 1 2指导思想 本设计的指导思想是 1 采用悬浮聚合工艺 确保产品质量高 生产过程安全 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 达到了环保要求 对生产过程中的排放 物要经过处理 以达到环保要求 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安全为主 1 3节能与环境保护 1 3 1 节能 本设计采用的节能方法 1 本设计采用悬浮聚合法合成 EPS 副反应少 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 节约部分动力 4 选择设备时 凭着高效节能的原则 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 气打下良好基础 聚合物合成工艺设计结课作业 4 1 3 2 环境保护 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 绝对量比较少 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 聚合物合成工艺设计结课作业 5 2 工艺论证 2 1工艺原理 2 1 1 生产方案 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加入反应 釜内 聚合后得含发泡剂的树脂颗粒 经洗涤 离心分离和干燥 制得可发性聚苯 乙烯珠粒产品 2 1 2 工艺路线 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 按自由基反应历程进行 聚合反应 聚合到稳定时间后加入发泡剂 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 干燥 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 2 1 3 工艺流程 工艺流程见图 2 1 聚 合 引发剂溶液 单 体 分散剂 洗 涤干 燥筛 分 产 品 图 2 1 工艺流程简图 2 1 4 反应原理 总反应式 nCH2 CH CH2 CH n 苯乙烯的聚合属于自由基聚合 主 聚合物合成工艺设计结课作业 6 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 CH nCH2 CH 3 链终止 偶合终止 R CH2 CH nCH2 CH R CH2 CH mCH2 CH R CH2 CHnCH2 CH CH CH2 CH CH2 mR 歧化终止 R CH2 CH nCH2 CH R CH2 CH mCH2 CH R CH2 CH nCH2 CH2 R CH2 CH mCH CH 2 2聚苯乙烯的生产技术 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 聚苯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则是典型的水相悬浮工艺的产物 聚合物合成工艺设计结课作业 8 聚合物合成工艺设计结课作业 9 3 聚合工段工艺和生产流程 3 1聚合工段工艺过程叙述 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 应历程进行的聚合反应 聚合到稳定阶段后加入发泡剂 发泡剂在一定的温度 压力下 渗到珠粒内 同时聚合反应进一步进行 生产出合格的 EPS 粒子 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 按自由基反应历程进行 聚合反应 聚合到稳定时间后加入发泡剂 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 生成的 EPS 粒子经水洗 离心脱水一级干燥 二级干燥风送 筛分 涂层 计量称重后 包装成 EPS 成品 3 2生产流程 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 启动搅拌至设定转速 62 转 分 41Hz 依次加入 HAP SDBS DSP 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 步骤后 加入 SN CP O2 DCP BPO 甲苯 如果有回 溶料则同时加入 开蒸汽升温 温度升到 88 时开始计时 90 恒温 计时 1h 加入 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 加入第二批 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 3 3产品规格 原料及公用工程条件 3 3 1 产品规格 本装置设计年产 50000 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 聚合物合成工艺设计结课作业 10 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 1 8 0 4mm 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 1 8 2 1 颗粒筛析 90 3 3 2 生产方式及规模 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 50000 吨 年 年工作日 7920 小时 生产量 6 31 吨 时 年生产天数 330 天 聚合物合成工艺设计结课作业 11 4 物料衡算 4 1计算依据 1 年产量 5 万吨 2 年工作时数 7920 小时 3 单体纯度 99 6 4 单体转化率 98 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 1 LF 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 124 2 苯乙烯 ST 99 6 100 单体 3 成核剂 SN 0 11 4 发泡剂 戊烷 94 8 392 5 羟基磷酸钙 HAP 0 177 主分散剂 6 十二烷基本磺酸钠 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 4 2聚合工段物料衡算 4 2 1 进料阶段 每年生产 7920 17 466 批 每批生产 50000000 466 107296kg 该组分纯度该组分转化率 产品中该组分的含量每小时产量 某组份进料量 聚合物合成工艺设计结课作业 12 100 91 100 产品中苯乙烯含量 100 8 392 0 11 0 196 0 08 0 689 0 349 苯乙烯进料量 107296 91 99 6 98 100032 13 kg 批 辅助物料计算 1 分散介质 水的进料量为 100032 13kg 批 124 124039 84 kg 批 2 分散剂 主分散剂 HAP 100032 13kg 批 0 177 177 06 kg 批 助分散剂 SDBS 100032 13kg 批 0 0004 0 40 kg 批 3 成核剂 SN 100032 13kg 批 0 110 110 04 kg 批 4 引发剂 低温引发剂 BPO 100032 13kg 批 0 196 196 06g 批 高温引发剂 CP O2 100032 13kg 批 0 080 80 03kg 批 5 发泡剂 戊烷 100032 13kg 批 8 392 8394 70 kg 批 6 阻燃剂 HBCD 100032 13 kg 批 0 689 689 22kg 批 DOP 100032 13 kg 批 0 349 34 91 kg 批 7 稳定剂 DSP 100032 13 kg 批 0 039 39 01 kg 批 8 无机氧化剂 KPS 100032 13 kg 批 0 0014 1 40kg 批 9 进料总量为 100032 13 124039 84 177 06 0 40 110 04 196 06 80 03 8394 70 689 2 2 34 91 39 01 1 40 233794 79kg 批 4 2 2 出料阶段 单体进料量 100032 13 kg 批 单体转化率 98 则单体 ST 的反应用量为 100032 13 kg 批 98 98031 49 kg 批 ST 未反应的是 100032 13 kg 批 98031 49 kg 批 2000 64kg 批 EPS 产品出料量 进料总量 未反应的单体出料量 水量 233794 79 2000 64 124039 84 107754 3 kg 批 物料平衡见表 4 2 聚合物合成工艺设计结课作业 13 表 4 2 物料平衡表 进料 kg 批 出料 kg 批 苯乙烯 100032 13 2000 64 HAP 177 06 SDBS 0 40 SN 110 04 戊烷 8394 70 BPO 196 06 CP O2 80 03 HBCD 689 22 DCP 34 91 DSP 39 01 KPS 1 40 EPS 产品 107754 31 水 124039 84 124039 84 总量 233794 79 233794 79 校验设计任务 EPS 年产量 1107754 31kg 批 466 5 02 万 t 其年产量为 5 02 万 t 结果稍大于所给设计任务 故设计为合格 聚合物合成工艺设计结课作业 14 5 聚合工段热量衡算 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 2 3 4 5 聚 合 釜 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 1 显热计算 本设计取 聚合阶段聚合釜进料温度 20 聚合反应温度 90 T 70 浸渍阶段聚合反应温度 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 第一阶段反应热 单体流量 批 T Cp kJ Kg Q kJ 批 ST100032 13 90 100032 13 10 100032 13 2 70 100 80 1 712 10789065 4 1712550 07 274008 01 水 124039 84 204 1810369730 7 HAP177 06 20 50 1 2984596 40 11491 19 SDBS0 04201 88415 076843 SN110 04 2051 92114260 7 C508394 70 202 219372556 62 BPO196 06 707 704105732 84 CP O280 03 201 8422948 15 HBCD689 22 202 23030739 27 DCP34 91 201 6671163 94 总量 23217860 聚合物合成工艺设计结课作业 15 2 聚合热 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 38 0 1 38 0 1 1 1 1 1 TT TT H T T