连续法生产年产15万吨GPPS本体聚合工艺设计

1、15万吨/年GPPS本体聚合车间的工艺设计院 系： 材料科学与工程学院 专业班级： 高分子1302班 指导老师： 袁新强 姓 名： 张杰 学 号： 1314024035 完成时间： 2016.11.4 目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc15826 1 概述1 HYPERLINK l _Toc32669 1.1 聚苯乙烯国内外生产与技术应用情况 PAGEREF _Toc32669 3 HYPERLINK l _Toc8129 1.2 国内聚苯乙烯的生产与技术应用存在的问题 PAGEREF _Toc8129 4 HYPERLINK l _Toc19995 1.3 本

2、设计的目的、内容及要求 PAGEREF _Toc19995 5 HYPERLINK l _Toc22640 2 GPPS工艺流程设计 PAGEREF _Toc22640 6 HYPERLINK l _Toc29754 2.1 方案流程图 PAGEREF _Toc29754 6 HYPERLINK l _Toc21328 2.2 主工艺流程的确定 PAGEREF _Toc21328 6 HYPERLINK l _Toc32552 2.2.1 聚合过程 PAGEREF _Toc32552 6 HYPERLINK l _Toc11597 2.2.2 原料准备过程 PAGEREF _Toc11597

3、7 HYPERLINK l _Toc7171 2.2.3 分离及聚合物后处理 PAGEREF _Toc7171 7 HYPERLINK l _Toc31197 2.3 工艺参数选择 PAGEREF _Toc31197 7 HYPERLINK l _Toc25099 2.3.1 工艺配方 PAGEREF _Toc25099 7 HYPERLINK l _Toc25919 2.3.3 反应器的选择 PAGEREF _Toc25919 8 HYPERLINK l _Toc9626 2.3.4 搅拌装置的选择 PAGEREF _Toc9626 8 HYPERLINK l _Toc20242 2.3.5

4、 换热装置的选择 PAGEREF _Toc20242 8 HYPERLINK l _Toc31165 2.3.6 反应终点产品指标 PAGEREF _Toc31165 8 HYPERLINK l _Toc4214 2.4 主要设备控制方案 PAGEREF _Toc4214 8 HYPERLINK l _Toc9296 2.4.1 反应器的温度控制 PAGEREF _Toc9296 8 HYPERLINK l _Toc19493 2.4.2 反应器的压力控制 PAGEREF _Toc19493 9 HYPERLINK l _Toc10283 2.4.3 反应器液位的控制 PAGEREF _Toc

5、10283 9 HYPERLINK l _Toc24696 2.4.4 泵的控制 PAGEREF _Toc24696 9 HYPERLINK l _Toc15774 2.5 方案流程草图及工艺简述 PAGEREF _Toc15774 10 HYPERLINK l _Toc18800 3 第一聚合反应器的物料衡算 PAGEREF _Toc18800 11 HYPERLINK l _Toc15639 3.1 物料平衡示意图 PAGEREF _Toc15639 11 HYPERLINK l _Toc7230 3.2 化学变化及物理化学变化 PAGEREF _Toc7230 11 HYPERLINK

6、l _Toc26931 3.3 生产规模 PAGEREF _Toc26931 11 HYPERLINK l _Toc27532 3.4 物料衡算 PAGEREF _Toc27532 12 HYPERLINK l _Toc2950 4 第一聚合反应器的热量衡算 PAGEREF _Toc2950 14 HYPERLINK l _Toc20089 热量衡算的计算 PAGEREF _Toc20089 14 HYPERLINK l _Toc5423 5 第一聚合反应器的设备工艺计算 PAGEREF _Toc5423 15 HYPERLINK l _Toc27087 5.1 聚合釜尺寸的计算和选型 PAG

7、EREF _Toc27087 15 HYPERLINK l _Toc11094 5.2 搅拌装置的设计 PAGEREF _Toc11094 16 HYPERLINK l _Toc15226 选择搅拌桨叶形式 PAGEREF _Toc15226 16 HYPERLINK l _Toc5143 5.2.2 搅拌附件的设计 PAGEREF _Toc5143 16 HYPERLINK l _Toc6552 5.2.3 确定搅拌转速 PAGEREF _Toc6552 17 HYPERLINK l _Toc7100 5.3 传热装置的计算 PAGEREF _Toc7100 17 HYPERLINK l _

8、Toc23370 5.4 工艺管口的设计 PAGEREF _Toc23370 17 HYPERLINK l _Toc4318 轴密封装置 PAGEREF _Toc4318 18 HYPERLINK l _Toc30312 6 工艺流程图绘制 PAGEREF _Toc30312 19 HYPERLINK l _Toc7724 工艺设计评述 PAGEREF _Toc7724 20 HYPERLINK l _Toc17101 参考文献 PAGEREF _Toc17101 21 1 概述 聚苯乙烯（PS）是一种热塑性非结晶性的树脂，包括通用级聚苯乙烯GPPS)，高抗冲聚苯乙烯（HIPS），发泡聚苯乙烯

9、（EPS）及间规聚苯乙烯（SPS）。据统计，世界通用级聚苯乙烯约占聚苯乙烯系树脂总量的一半，高抗冲聚苯乙烯占三分之一，其它的占剩余份额。通用级聚苯乙烯是以苯乙烯为单体经过自由基聚合或离子型聚合制得的。可由多种合成方法聚合而成，目前工业上主要采用本体聚合法和悬浮聚合法。通用级聚苯乙烯因具有极高的透明度且具有优良的刚性，易着色，加工流动性好，刚性好及耐化学腐蚀性好，特别是良好的卫生性、价廉,使其在食品包装方面具有广阔的应用前景。我国生产通用级聚苯乙烯的企业大多引用日本的TEC-MTC工艺和美国的Fina工艺。但我国大部分企业对通用聚苯乙烯的生产工艺技术仍比较落后，通用聚苯乙烯产品的生产远远不能满足

10、加工工业需要，加工产品质量不稳定，这些企业对GPPS工业化生产与发展有待于提高。本设计通过借鉴日本的TEC-MTC工艺，采用热引发本体聚合法，提高产品质量，减少工厂生产所得的不合格品，提高了产能。 目前世界上四大聚苯乙烯生产厂家有美国Dow Chemical、Fina 、德国法本和BASF。这四大公司的聚苯乙烯生产技术各有特点。德国法本公司，在国际上聚苯乙烯最先是由实现工业化的，在之后经过的技术实践，现在聚苯乙烯系列树脂的工艺生产大都采用本体连续聚合方法工艺。此方法相比乳液聚合法能够生产更纯净的、高透明的及外观漂亮的聚苯乙烯系列树脂。美国的Dow公司也是在上世纪30年代开始研究聚苯乙烯的生产工

11、艺的，经过60年代的创新发展，对聚苯乙烯的聚合工艺发展起到了促进作用，在聚苯乙烯的生产领域中处于领先的地位。该公司的生产工艺是采用双官能团的引发剂引发，然后加入少量的乙苯作为循环溶剂，采用乙二醇做冷剂。设备采用碳钢的反应器及不锈钢的真空循环系统、添加剂系统。德国的BASF公司生产工艺采用引发剂引发及少量乙苯作为循环剂。美国的Fina公司采用热引发剂，加入少量的乙苯作为溶剂。设备全是碳钢材料，生产设备投资较少。日本的TEC-MTC工艺采用热引发，高光泽HIPS的生产才用引发剂引发，加入少量乙苯作为溶剂，设备全为不锈钢材料。而在世界通用级聚苯乙烯生产工艺中，美国Dow公司跟日本三井东亚公司的TEC

12、-MTC工艺最为领先。我国聚苯乙烯的生产工艺经历着起步、扩展和规模化3个阶段。在20世纪60到80年代处于起步阶段，在该阶段中，技术相对落后，以小体本法和悬浮法为主要的生产工艺。企业生产规模都在万吨以下。到20世纪的80年代末期到90年代中期为扩展阶段，在这一阶段过程中，企业引进了当时的国际先进技术连续本体聚合工艺，对当时生产技术的发展起到了促进作用。20世纪90年代中期到现在是规模化发展阶段，在此阶段，由于经济的迅猛发展，我国国内对聚苯乙烯的需求迅速增长，国内出现很大的缺口，国外先进企业纷纷到我国建厂，带来了先进的生产技术，我国聚苯乙烯的生产技术水平也达到了一个新的平台，年产量也有大量的进步

13、。在我国引进的国外先进技术中，我国很多企业先后进行引进Fina工艺，也是我国企业引进最多的生产工艺。我国的辽宁抚顺石油、汕头海洋和辽宁盘锦乙烯等公司先后引进了这一生产工艺。但是这些企业所运用的都不是Fina公司的最先进聚苯乙烯生产工艺。我国的湛江新中美引进了Fina公司典型商业化的聚苯乙烯生产工艺。我国的很多企业也引进了日本的TEC-MTC生产工艺。我国的兰州石化和齐鲁石化公司等公司都引进了这一生产工艺。兰州石化引进的较为古老的生产工艺，齐鲁石化引进的为新进的生产工艺。特别在通用级聚苯乙烯生产工艺中，主要引进日本的TEC-MTC工艺。我国自上世界80年代就陆续从国外引进先进设备进行生产。但是，

14、我国大部分企业对聚苯乙烯的生产工艺技术仍比较落后，这些企业生产与发展有待于提高。1.2 国内聚苯乙烯的生产与技术应用存在的问题从全球看，PS生产能力已过剩，国外有些公司已将能力小的PS装置关闭或停产，但近几年来我国PS消费增长较快。预计到2015年国内PS消费将趋平稳并呈基本自给状态，因而在2010年前后我国PS（含GPPS）预计仍将以6%7%的增长率发展，所以国外的投资商看准中国市场和廉价的劳动力成本，纷纷来我国发展建设原料苯乙烯装置，往往以合资或甚至独资建设技术先进的经济规模PS（含GPPS）装置来抢占中国市场。另一方面随着我国加入WTO后对主要石化产品进口关税将从2005年的91.7%降

15、至2008年的61.5%甚至更低，这必然将冲击国内一些规模小的PS生产厂。 （2）最近国务院出台产业结构调整文件指出100 kt/a以下的PS生产装置属于限制项目。这样国内一些规模小的装置，原料靠进口或不落实，产品挡次低成本又高的装置应淘汰、关闭。国家宏观部门宜对那些缺乏长远战略眼光，只顾眼前利益，认为产不足需，未经周密市场调查，还在盲目投资并继续搞能力过剩的低档牌号PS树脂的情况采取措施，进行严格限制。（3）全国新建PS装置要注意布局合理。要照顾中西部地区，但不宜铺过多的新点，并要按经济规模来考虑，单线生产能力最好在200 kt/a以上。对老装置挖潜、扩建亦宜向经济规模靠拢，这样可充分利用装

16、置区潜力和公用、辅助设施的优越条件，从而可降低投资及生产成本并能早日回收资金。国家在行业政策上已对100 kt/a及以下规模的PS装置列入限制性项目。另外，建设时要充分考虑到原料的落实。（4）国内GPPS产品要向高端化挺进。电子和电器业持续快速发展，已推动相关行业的发展，PS乃是其中之一。由于近年来我国电子和电器行业增长率保持在15%以上，所以相应使空调、电脑、电视机等电子和电器产品零部件要求PS行业提供这方面性能优异产品，但我国现有PS多数的品种不能满足需要，因此，国内GPPS企业产品必然就会被进口牌号产品所替代。 本设计的目的、内容及要求 本设计以苯乙烯为聚合单体，采用热引发本体聚合法，对

17、15万吨/年GPPS本体聚合车间的进行工艺设计。运用此工艺，一方面提高产品质量，减少工厂生产所得的不合格品，提高了产能。另一方面，本体聚合工艺具有工艺流程简单、投资省、污染少和产品质量好的优点。因此目前在聚苯乙烯GPPS的生产中被广泛采用。另外，通过本设计培养我们的综合运用高分子工程设计和前期所学课程的基本知识，使我们掌握高分子合成工艺设计的主要程序、基本内容与设计方法。 本设计的内容与要求包括：（1）设计方案简介,对给定或选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述；（2）选定的工艺流程进行物料衡算，对某些设备进行热量衡算，为设备的工艺计算提供依据；（3）主要设备的工艺设计计算,包括工艺参数

18、的选定、原材料消耗计算、动力计算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；典型辅助设备的选型和计算，包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；（4）工艺流程简图以单线图的形式绘制，标出主要设备、辅助设备和主要工艺参数测量点，并绘制聚合工段的PFD；（5）主要设备工艺条件图，图面上应包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和接管表；（6）编写设计说明书。 2 GPPS工艺流程设计2.1 方案流程图 本设计借鉴日本的TEC-MTC本体法聚合生产工艺，以苯乙烯为聚合单体，采用热引发本体聚合法，对15万吨/年GPPS本体聚合车间的进行工艺设计，其方案流程图，如图2.1所示。 图2.1 方案流程图2.2

19、主工艺流程的确定2.2.1 聚合过程 由于本体聚合体系的黏度大，聚合热不容易导出，易引起局部过热，轻者会使产品变形，影响产品质量，重者会引起爆聚，使聚合失败。为了解决这个矛盾，苯乙烯热聚合在工艺上分“预聚”和“聚合”两段进行。 （1）预聚合预聚合在预聚釜中完成。预聚釜是带搅拌装置的压力釜。带有球形盖及底的铝质或不锈钢的圆筒形设备，内部有传热盘管，外壁有钢质夹套，并装有不锈钢的锚式或框式搅拌器。预聚釜容积视生产能力而定，我国早期聚苯乙烯生产装置的预聚釜的容积为2m3。预聚合的工艺条件：搅拌转速为3036 r/min，温度保持 100125，35h，转化率 3035，这时苯乙烯聚合的自动加速现象尚

20、未出现或刚开始。由预聚釜出来的混合物转化率为3035%。预聚合过程中要采用隋性气体保护：反应系统中采用N2保护，尤其是脱氧 N2 保护，可抑制聚苯乙烯热氧化而变黄。（2）聚合转化率为 3035% 的粘稠预聚浆自两台预聚釜底部经阀门沿加热导管连续地流入聚合釜中，温度在125200，转化率约98%，自聚合釜流出的物料中聚苯乙烯的浓度约为7090%，尚有不少未反应的苯乙烯单体、溶剂和易挥发物，送入脱挥器以脱除可挥发组分。脱除可挥发组分后的熔融聚苯乙烯可以直接造粒，包装。 2.2.2 原料准备过程 （1）单体苯乙烯 苯乙烯在贮运存过程中会发生自聚，一般加入少量阻聚剂对叔丁基邻苯二酚（TBC）。使用前应

21、该用氢氧化钠水溶液洗涤、水洗、干燥纯化。一般工业级苯乙烯中含有少量乙苯、2甲基苯乙烯、异丙苯等杂质，对聚合及产物性能会产生影响。 （2）溶剂的选择 各种溶剂对反应原料，产物及反应所用的各种引发剂的溶解能力不同。从溶解度参数，体系黏度，工程上传热与搅拌，生产能力提高，回收难以，毒性大小，经济，来源，输送等几方面对苯、甲苯、乙苯等综合比较，确定选乙苯。 （3）添加剂 少量添加剂如抗氧剂、润滑剂、着色剂。 抗氧剂是一类化学物质，当其在 HYPERLINK :/baike.baidu /view/344690.htm 聚合物体系中仅少量存在时，就可延缓或抑制聚合物氧化过程的进行，从而阻止聚合物的老化并

22、延长其使用寿命，又被称为“ HYPERLINK :/baike.baidu /view/283445.htm 防老剂”。 润滑剂的品种相当多，常用的外润滑剂有石蜡、硬脂酸及其盐类；内润滑剂有相对低分子量的PE、PTFE、PP等。这些低分子量的聚合物不但是优良内润滑剂，而且也是很好的外润滑剂。有时候，一种润滑剂的效果往往不理想，需要几种润滑剂配合使用，由此而产生了复合润滑剂，可以起到多方面的作用。2.2.3 分离及聚合物后处理 真空脱气塔塔底装有筛板，从塔底连续流出的PS熔融物经真空系统脱除单体和低聚物后呈细条状挤出。经牵引、流水冷却后，用切粒机造粒。粒状的PS用水流输送到料仓，过滤、脱水、干燥

23、得成品，然后包装出售。2.3 工艺参数选择 本设计是根据日本的TEC-MTC本体法来来选定工艺参数，如表3.1所示。表3.1 工艺参数苯乙烯乙苯抗老化剂抗紫外线剂94%4%1%1% 反应温度一般根据生产聚苯乙烯的分子量要求及生产量决定。对于热聚合，反应温度在120180，引发剂引发反应温度在90140为好。聚合温度与聚苯乙烯分子量的关系密切。作为通用级聚苯乙烯必须控制分子量在5万10万之间(重均分子量在 10万40万之间)。苯乙烯热聚合反应时，反应温度愈高，形成的活性中心愈多，反应速率越快，聚合物分子量越低。反应温度每上升20，分子量能成倍地下降。 目前工业上高温苯乙烯本体聚合在120170上

24、进行热聚合。本体聚合采用分段聚合，以解决本体聚合的散热问题，苯乙烯具有热引发聚合的特点，不加引发剂，在120以上，即有较高的聚合速率。在170下聚合，几乎可达到完全转化。而反应最终聚合率不小于98，以乙苯为溶剂，故选取反应温度150。2.3.3 反应器的选择 本反应采用不锈钢的搅拌釜反应器。由于此设计是苯乙烯的聚合反应，可以近似看作是液液反应，第一个反应釜的反应粘度相对较低，反应时间相对比较长，反应需加热且对压强和温度的控制要求比较高，此外产量要求不大，因而本设计选用立式搅拌反应釜。 搅拌装置的主要作用是强制物料流动，强化传热与传质效果；使物料充分接触，均匀混合。因此搅拌釜反应器对各种反应体系

25、适应性强，操作弹性大，适用温度和压力范围广，既可用于间歇操作，又可用于连续操作。 苯乙烯单体聚合反应中，聚合物是熔融状态，随着聚合过程的进行粘度逐渐增大。粘度在75 Pa.s以下，可用涡轮式搅拌器。当搅拌速度很高时，容易产生漩涡，大大降低了液体内部的混合效果，为了增加液体的剪切作用，加强搅拌的激烈程度，常在釜体内靠近器壁的地方装上挡板，增大被搅拌液体的湍流程度，改善搅拌效果。2.3.5 换热装置的选择 搅拌反应锅大多设有传热装置，以满足加热或冷却的需要。本设计是放热反应，因此传热装置是用于冷却。传热方式、传热结构形式和传热剂的选择主要决定于所需控制的温度的高低、反应热的大小、传热速度的快慢和工

26、艺的要求等。选用在反应釜外设置供加热用的夹套传热装置。夹套传热的优点是结构简单，耐腐蚀，适应性强。夹套高度应高于液面高度，以便于提供最大的传热面积。 MPa时，夹套必须采用加强措施。当传热面积需要很大时则一般选用蛇管传热设备，设备的确定需要根据计算传热的结果来确定。2.3.6 反应终点产品指标 采用热引发聚合，反应温度150，反应最终聚合率不小于98。脱挥发器在240250和高真空下操作，可使残余单体不大于500 ppm，脱挥所得的单体返回原料配制。根据资料介绍，要求系统进水量不能超过进料量的1，否则对生产产生影响。2.4 主要设备控制方案2.4.1 反应器的温度控制 反应温度的控制主要是通过

27、与夹套内循环水进行热量交换来实现的。不同的聚合反应器，聚合反应机理不同、操作方式不同、温度控制不同、传热介质、传热方向及控制特点的不同，如连锁聚合反应温度较低，多为放热反应，反应速率极快，所以反应过程中撤热必须及时，否则易发生爆聚。而缩聚反应反应热效应小，由于反应温度较高，所以大多需要供热，反应速率比较平稳，传热速率也比较平稳。连续操作反应温度控制必须平稳，抗外界干扰能力要强。而间歇操作反应温度要尽量按预定要求控制，允许有小量的波动。恒温反应过程，反映前期速率较快，传热速率快，反应温度不易控制。而变温反应过程，反应速率在一定时间内比较平稳，传热速率也比较平稳，反应温度易控制。 在本体聚合连续操

28、作温度采用二次循环控制，如图2.2 所示。二次循环（小循环）中的传热介质流量大而且控制恒定，保证反应过程中有较高的且稳定的传热系。2.4.2 反应器的压力控制 反应未开始时，先将聚合釜抽真空在通入氮气排除空气，然后在减压下进行聚合。通过调节真空泵的抽气量控制反应器的压力。所图如图 所示。2.4.3 反应器液位的控制 在连续操作过程中，反应器的液位高度是一个重要的控制参数，它与物料流量共同决定了物料在反应器中的有效反应体积，进而确定了物料在反应器中的平均停留时间。可采用出料流量一定，调节进料管路上的阀门，调节进料流量，控制反应器的液位。进料时打开进料泵，物料到达预定液位时，关闭进料泵。如图2.4

29、 所示。2.4.4 泵的控制 泵的控制有两一是直接流量调节，二是旁路流量调节。直接流量调节控制方案简单，易操作。所以在选择时采用直接流量调节。如图2.5 所示。 图2.4 反应器液位控制 直接流量调节2.5 方案流程草图及工艺简述 根据主工艺流程、工艺参数和主设备方案的确定，画出方案流程草图，如图2.6所示。图2.6 GPPS本体热引发聚合工艺流程草图 本次课题主要研究采用热引发本体聚合的聚合工艺制备聚苯乙烯，首先工业苯乙烯原料使用前应该用氢氧化钠水溶液洗涤、水洗、减压精馏纯化。再将精制后苯乙烯单体、乙苯溶剂以及其他一些助剂分别通过泵输送到混合釜中，混合均匀后传送五台串联相同规格的搅拌聚合釜，

30、其中第一二台为预聚合釜，后三台为聚合釜。最后进行分离及聚合物后处理，自后聚合釜流出的物料送入脱挥器，在高真空下脱除单体和低聚物，然后从挤出机中呈细条状挤出，经牵引、流水冷却后，用切粒机造粒。粒状的PS输送到料仓，过滤、脱水、干燥得成品，然后包装。 3 第一聚合反应器的物料衡算 3.1 物料平衡示意图 根据工艺流程草图画出物料流程示意图，如图3.1所示。 图3.1 GPPS本体聚合连续操作主反应器物料平衡示意图101.0-苯乙烯 102.1-乙苯 101.1-苯乙烯 乙苯 201.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 201.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 202.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 202.1-苯乙烯 乙

31、苯 聚合物 203.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 203.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 204.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 204.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 205.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 205.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 301.1-苯乙烯 聚合物 301.2-苯乙烯 乙苯3.2 化学变化及物理化学变化 在各聚合釜中，由于反应温度很高，高于苯乙烯和乙苯的沸点，所以缩聚生成的低聚物被蒸出。低聚物在被蒸出的同时，按气液平衡关系夹带出一定配比的苯乙烯跟乙苯。为了保持聚合反应原料配比，蒸出的低聚物、苯乙烯与乙苯经换热器冷凝回流回聚合釜中。所以各釜中的物料总质量是相同的。化学变化及物理化学变化关系，如表3.1

32、表示。 表3.1 化学变化及物理化学变化的变化关系化学物名称苯乙烯乙苯PS链节聚合物相对分子质量符号MsMrMpMps相对分子质量10410610470000 本设计采用热引发本体聚合制备年产15万吨通用聚苯乙烯，每年工作330天，每天工作24h，苯乙烯单体聚合一般采用4到5级反应釜进行反应，要求聚苯乙烯产率98%，以氮气为保护气，以乙苯为稀释剂，乙苯在反应液中质量分数为4%，苯乙烯的质量分数为94%，其他助剂的质量分数为2%。该生产15万吨GPPS连续生产、切粒、包装工序物料损失率0.5%，因此反应液中最终含聚合物的质量分数为：100%=92%。各设备的工艺参数如表3.2所示。根据任务书的要

33、求，只针对第一聚合反应器进行物料衡算。表3.2 各设备的工艺参数反应器位号V101R201R202R203R204R205X301转化率/01535557598反应温度80100115115125125150150160155165240250抽出低聚物/%（质量）003.4 物料衡算（1） 计算主要原料投料量对总反应进行物料衡算：苯乙烯每天需投入量：苯乙烯每小时投入量：物料每天的投入量: 物料每小时的投入量：投料摩尔流量：GDh乙苯每天投入的总量： 乙苯每小时投入的量： (2)V101物料衡算101.0 苯乙烯: 101.2 乙苯：kg/h合计： （3）R201 物料衡算由于抽真空有少量聚合

34、物被带出，同时带出少量的乙苯、苯乙烯聚合物： 19423.02x15%x0.999=2910.54 kg/h 苯乙烯： 19423.02x（1-15%）x0.999=16493.06 kg/h 乙 苯： 826.52x0.999=825.69 kg/h 201.1 2910.54+16493.06+825.69=20229.29 kg/h 201.2 826.52x0.001+19423.02x15%x0.001+19423.02x(1-15%)x0.001=20.25 kg/h对 R201进行物料平衡验算:总进料量：19423.02+ 826.52=20249.54 kg/h总出料量：202

35、29.29+20.25=20249.54 kg/h 对R201进行物料衡算的结果汇总，如表3.3所示。表3.3 GPPS第一聚合反应器物料衡算结果汇总物流代号苯乙烯乙苯聚合物合计4 第一聚合反应器的热量衡算苯乙烯的本体聚合过程采用连续五釜搅拌，而且五个釜的体积相同。主要原料有苯乙烯和乙苯，采用热引发，不用催化剂，在后处理过程中添加抗老化剂和抗紫外线剂。由于反应在恒温恒压下进行并且为连续操作，所以对于各反应釜而言q1=0，q3=0，只需求q2，q4。而根据设计说明书的要求只对第一个聚合反应釜进行热量衡算。热量衡算的计算 h，以第一个釜为例，设计温度釜内100 MPa。由2第328页图5-6，密度

36、与温度的关系图查得，反应温度为100下反应液的密度。查图5-8，在100下反应速率常数k=240，反应液的聚合反应热为 （1）聚合釜体积计算 一年内所需苯乙烯和乙苯的质量：15（94%+4%）（万吨） = 2 * GB3 每小时处理物料量：107330243 = 3 * GB3 所需总反应体积：3 = 4 * GB3 聚合釜体积：3 综上所述，聚合釜为5台，考虑的备用系数，则需19m3聚合釜5台。 （2）第一聚合反应器的热量衡算R201 VR m3 CA Kmol/(m.h) rA=kCA103 Kmol/h q2=103106 KJ/h qT=q2106 KJ/h q4 =qT 104 KJ

37、/h 5 第一聚合反应器的设备工艺计算5.1聚合釜尺寸的计算和选型 根据任务书的要求只对第一个聚合反应釜进行设备工艺计算。（1）选择长径比 因反应采用热引发，所以聚合釜采用长径比（H/D）小即矮胖型，釜内液体比表面积大，表面更新容易，分子组分易气化；搅拌轴较短，搅拌装置旋转稳定，搅拌桨直径大，需要搅拌功率高，对传热面积的增加不利；传热距离较长，传热效果差。综合取长径比。上述已计算出V=19m3，VRm3。（2）封头及釜径的确定 封头的选型 因反应器为压力釜，易发生应力集中，产生爆杂。而标准椭圆封头应力分布比较均匀，封头的强度与和与其相连接的筒体强度相等。所以上下封头均选用标准椭圆封头，封头高度

38、：；封头体积3 = 2 * GB3 釜径的计算 设：h为釜体直边高度、H为反应器釜体总高度，则 所以 V=/4D233 D=m 根据标准取 = 3 * GB3 封头尺寸确定 D=3000mm 根据1186页设计标准参考查表3查得，标准椭圆封头得对应的封头曲面高度h1=750mm，封头的直边高度为50mm，厚度=30mm。 = 4 * GB3 确定封头与筒体的连接方式 焊接连接设备结构简单、造价低，且因为此处反应器直径较大，要抽真空，对密封要求比较高，所以采用焊接连接。 = 5 * GB3 计算并选择釜体内径取筒体厚度与封头厚度相同=30mm，则D内=D-2=3000-230=2940mm =

39、6 * GB3 釜总高计算 H=1.2D=3600mm = 7 * GB3 计算釜体直边高度： 釜体的直边高度为h=3600-2750=2100mm = 8 * GB3 反应器实际体积为： V=/4D2D33 反应器实际长径比： = 9 * GB3 计算最高液位，最低液位 ： 由于该工艺为本体聚合，刚开始黏度较低，随后持续增大，所以第一个釜内选用推进式浆（螺旋桨），其优点是结构简单，制造方便，适用液体黏度低，液量大的液体搅拌，利用较小的搅拌功率通过高速转动的桨叶能获得较好的搅拌效果。而第二，三，四，五釜由于黏度大而选用框式桨，因为体系黏度大，搅拌轴承受较大的扭矩，搅拌功率大，能量消耗大，单靠流

40、动不能满足混合需求，宜采用具有刮壁效果的锚式或框式。根据参考教材1第77页表6-4 搅拌桨叶的结构形式及设计参数和7第836页确定桨叶尺寸得： 推进式桨叶 叶片数z=3 搅拌直径d=1/4D=750mm, C=(11.5)d取C=900mm 框式桨 d=0.95D=2800mm 则搅拌器臂距釜内壁距离e=1/2(2940-2800)=75mm 框器高度h=0.6d=1680mm C=(0.02-0.06)d=(56168)mm,取C=e=75mm 臂宽b=1/12d=233mm , 取b=240mm 对于第一、二个搅拌釜要设置搅拌装置，后三个则不需要。 为了避免液体在旋转的搅拌轴中心形成液面凹

41、陷的漩涡现象，增大被搅拌液体的湍动程度，将切线流动转变为轴向和径向流动，改善搅拌效果，所以要进行挡板的设计。 设计四块挡板，挡板方式为紧贴着釜壁且垂直于釜壁，挡板宽： B=1/12 D内=（1/12 )2940=245mm 取b=250mm 为了提高釜内液体的搅拌程度，加强搅拌器对液体的搅拌作用，控制釜内液体的循环流量和循环方向，防止短路要进行导流筒的设计。 D导=70%D内2940=2058mm 安装位置：推进式桨叶安装在导流筒套内或略低于导流筒的下端。 根据参考教材1第81页表6-5,6-6,6-7搅拌要求选择搅拌等级，取第一釜为2级，第五釜为9级。 由搅拌级别查表6-8对应的流体总体流速选择总体流速：第一釜V1，第五釜V2。5.3 传热装置的计算传热装置的形式：夹套传热参照7第956页到957页选U型封口锥结构夹套。夹套设计直径比D2/D1 确定D2=3300mm壁厚与直径比