年產(chǎn)五萬噸聚苯乙烯聚合工段工藝設(shè)計畢業(yè)論文.doc

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2011屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計年產(chǎn)五萬噸聚苯乙烯聚合工段工藝設(shè)計畢業(yè)論文目 錄年產(chǎn)5萬噸聚苯乙烯聚合工段工藝設(shè)計I摘 要IAbstractII1緒論11.1概述11.1.1聚苯乙烯簡介11.1.2聚苯乙烯的基本物性11.1.3國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展前景21.2設(shè)計依據(jù)21.3指導(dǎo)思想21.4廠址的選擇31.5節(jié)能與環(huán)境保護31.5.1節(jié)能31.5.2環(huán)境保護31.6安全防火31.6.1消防設(shè)施31.6.2滅火程序42 工藝論證52.1工藝原理52.1.1生產(chǎn)方案52.1.2 工藝路線52.1.3工藝流程52.1.4反應(yīng)原理52.2聚苯乙烯的生產(chǎn)技術(shù)62.3發(fā)泡聚苯乙烯技術(shù)工藝比較62.3.1塔式本體聚合技術(shù)62.3.2添加少量溶劑的單釜連續(xù)本體聚合技術(shù)72.3.3苯乙烯的懸浮聚合72.3.4苯乙烯種子法懸浮聚合72.4發(fā)泡聚苯乙烯生產(chǎn)工藝82.4.1一步法聚合工藝82.4.2二步法聚合工藝82.4.3一步法工藝與二步法工藝的比較82.5可發(fā)性聚苯乙烯基本性能92.5.1力學(xué)性能92.5.2絕熱性能92.5.3化學(xué)性能93 聚合工段工藝和生產(chǎn)流程113.1聚合工段工藝過程敘述113.2生產(chǎn)流程113.3產(chǎn)品規(guī)格、原料及公用工程條件113.3.1產(chǎn)品規(guī)格113.3.2生產(chǎn)方式及規(guī)模123.3.3原料123.3.4工藝控制條件134 物料衡算154.1計算依據(jù)154.2聚合工段物料衡算154.2.1進料階段154.2.2出料階段165 聚合工段熱量衡算186 設(shè)備計算216.1聚合釜的設(shè)計216.1.1聚合基本數(shù)據(jù)216.1.2聚合釜容積確定216.1.3聚合釜的選型原則216.1.4釜的選擇216.1.5聚合釜攪拌器的設(shè)計236.2泵的設(shè)計246.2.1計算依據(jù)246.2.2管內(nèi)流速的計算246.2.3直管阻力和局部阻力損失的計算256.2.4確定泵軸功率256.2.5泵的選型256.3換熱器的設(shè)計256.3.1設(shè)計依據(jù)：256.3.2計算總傳熱系數(shù)266.3.3計算傳熱面積27 6.3.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸27參考文獻28附錄1 設(shè)備一覽29謝 辭31291 緒論1.1概述1.1.1聚苯乙烯簡介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。通常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070，但脆，低溫易開裂。此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(dá)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(xué)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)，大體積側(cè)基為苯環(huán)的無規(guī)排列決定了聚苯乙烯的物理化學(xué)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。1.1.2聚苯乙烯的基本物性基本物理性質(zhì)：比重：1.05克/立方厘米 成型收縮率：0.60.8 成型溫度：170250 物料性能：電絕緣性(尤其高頻絕緣性)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(xué)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(xué)儀器光學(xué)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。1.1.3國內(nèi)外的現(xiàn)狀及發(fā)展前景目前世界上聚苯乙烯的主要生產(chǎn)廠家有美國的 Dow Chemical、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6080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(zé)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(dāng)時世界上較先進的連續(xù)本體聚合工藝。通過對這些引進技術(shù)的消化吸收，使我國對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年代中期到目前的迅速發(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(dá)到100 kta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(dá)到一個新臺階，生產(chǎn)能力有了較大的發(fā)展。1.2設(shè)計依據(jù)設(shè)計所參考和依據(jù)：(1)化學(xué)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)1.3指導(dǎo)思想本設(shè)計的指導(dǎo)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(dá)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(dá)到環(huán)保要求； (5)廠房、車間、設(shè)備布置嚴(yán)格按照土建標(biāo)準(zhǔn)，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。 1.4廠址的選擇適合全國和地區(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)濟合理有充足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他精神文明建設(shè)對擬建項目留有適當(dāng)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。1.5節(jié)能與環(huán)境保護1.5.1節(jié)能本設(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(dāng)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)。1.5.2環(huán)境保護 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。1.6安全防火1.6.1消防設(shè)施地下消火栓4個，8公斤干粉27個，30公斤干粉車一個，1211滅火器32個。火災(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(xì)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(dǎo)匯報。1.6.2滅火程序第一套方案是起初火災(zāi)補救第二套方案是報警。2 工藝論證2.1工藝原理2.1.1生產(chǎn)方案以苯乙烯為單體，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)泡劑和其他助劑一起加入反應(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。22.1.2 工藝路線以羥基磷酸鈣、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。32.1.3工藝流程 工藝流程見圖2-1圖2-1 工藝流程簡圖2.1.4反應(yīng)原理總反應(yīng)式：nCH2=CHCH2-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:R2Rb.初級自由基與單體,形成單體自由基 R+ CH=CH2R-CH2-CH （2）鏈增長R-CH2-CH+nCH2=CHR-CH2-CHnCH2-CH （3）鏈終止偶合終止RCH2-CHnCH2-CH+RCH2-CHmCH2-CHRCH2-CHnCH2-CH=CH-CH2 CH-CH2 mR歧化終止RCH2-CHnCH2-CH+RCH2-CHmCH2-CHRCH2-CHnCH2-CH2+R CH2-CHmCH=CH 2.2聚苯乙烯的生產(chǎn)技術(shù)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。但目前工業(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。2.3發(fā)泡聚苯乙烯技術(shù)工藝比較2.3.1塔式本體聚合技術(shù)經(jīng)典的塔式反應(yīng)器是德國法本式流程。這種老式的塔式本體聚合不使用引發(fā)劑，通過熱引發(fā)聚合，預(yù)聚合溫度為80100，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115120，轉(zhuǎn)化率可達(dá)50%，黏度較大。從工程角度分析，該工藝還有以下缺點：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；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。2.3.2添加少量溶劑的單釜連續(xù)本體聚合技術(shù)添加少量溶劑的苯乙烯本體聚合，溶劑量通?？刂圃?%15%范圍內(nèi)。添加溶劑的主要目的是降低體系的黏度。溶劑通常只選用苯或乙苯，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，并且轉(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。通過對脫揮設(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。2.3.3苯乙烯的懸浮聚合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)。水通常被用作懸浮介質(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8085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120150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(xué)觀點來看,苯乙烯的懸浮聚合和本體聚合相似,可以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，所以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，所以它的分子量主要決定于引發(fā)劑加入量的多少。通常很少使用分子量調(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，而且通常認(rèn)為鏈終止主要通過自由基的轉(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(xué)性能會受到影響。另外，懸浮聚合苯乙烯轉(zhuǎn)化率不可能達(dá)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(xué)污水，廢單體放空則會污染環(huán)境。2.3.4苯乙烯種子法懸浮聚合種子懸浮聚合工藝，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(dá)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，而單體小液滴則通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，而且可任意通過改變種子的粒度和加入量，來調(diào)節(jié)產(chǎn)物的粒徑。2.4發(fā)泡聚苯乙烯生產(chǎn)工藝2.4.1一步法聚合工藝一步法是將苯乙烯單體、引發(fā)劑，分散劑、水、發(fā)泡劑和其他助劑一起加入反應(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(dá)90以上時加入。2.4.2二步法聚合工藝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23%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(fēng)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(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο陆n23小時，以獲得EPS。2.4.3一步法工藝與二步法工藝的比較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， 故目前國外生產(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(yán)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)其他品種，市場適應(yīng)性強2.5可發(fā)性聚苯乙烯基本性能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(xué)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(xué)（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(xué)性能和絕熱性能都起重要的作用。2.5.1力學(xué)性能EPS泡沫塑料閉孔結(jié)構(gòu)內(nèi)含98%的氣體可以使其通過改變和恢復(fù)形狀來緩沖沖擊，這一過程可以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/gcm-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(xué)性能不受濕氣的影響。2.5.2絕熱性能除了真空，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。但是，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(xì)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他物質(zhì)，比如食品。應(yīng)注意EPS泡沫塑料在非常低的密度時（1015 gcm3）具有較大的導(dǎo)熱性，隨著密度的增加而下降，密度在3050 gcm3時具有最佳絕熱性能，密度繼續(xù)增加，導(dǎo)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/gcm-31020405060導(dǎo)熱率/Wm-1K-10.0430.0350.0330.0330.0342.5.3化學(xué)性能EPS的性能受化學(xué)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泡沫塑料和其他聚合物一樣，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。 3 聚合工段工藝和生產(chǎn)流程3.1聚合工段工藝過程敘述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(fēng)送、篩分、涂層、計量稱重后,包裝成EPS成品。3.2生產(chǎn)流程貯存于工藝水槽(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。啟動攪拌至設(shè)定轉(zhuǎn)速62轉(zhuǎn)、分41Hz，依次加入HAP、SDBS、DSP。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?xí)r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115121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。3.3產(chǎn)品規(guī)格、原料及公用工程條件3.3.1產(chǎn)品規(guī)格本裝置設(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(biāo)如表3-1所示：表3-1產(chǎn)品指標(biāo)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%903.3.2生產(chǎn)方式及規(guī)模根據(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3.3.3原料原材料規(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(biāo)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d4 25:1.035-1.045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(xì)白粉未,無團塊粒徑:200目通過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3.3.4工藝控制條件表3-3 LR-EPS牌號的標(biāo)準(zhǔn)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、CPO2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392TIC2037E-201出口風(fēng)溫90TIC2048涂層劑用量/千分3-49包裝凈重kg250.14 物料衡算4.1計算依據(jù)（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4-1 LF-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4.2聚合工段物料衡算4.2.1進料階段每年生產(chǎn)：7920/17=466批每批生產(chǎn)：50000000/466=107296kg 苯乙烯進料量=10729691%(99.6%98%)=100032.13 kg /批輔助物料計算：（1）分散介質(zhì)水的進料量為：100032.13kg/批124%=124039.84 kg/批（2）分散劑主分散劑HAP：100032.13kg/批0.177%=177.06 kg/批助分散劑SDBS：100032.13kg/批0.0004%=0.40 kg/批（3）成核劑SN：100032.13kg/批0.110%=110.04 kg/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%=8394.70 kg/批（6）阻燃劑HBCD：100032.13 kg/批0.689%=689.22kg/批DOP：100032.13 kg/批0.349%=34.91 kg/批（7）穩(wěn)定劑 DSP：100032.13 kg/批0.039%=39.01 kg/批（8）無機氧化劑KPS：100032.13 kg/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4.2.2出料階段單體進料量：100032.13 kg/批，單體轉(zhuǎn)化率：98%，則單體ST的反應(yīng)用量為：100032.13 kg/批98%=98031.49 kg/批ST未反應(yīng)的是：100032.13 kg/批-98031.49 kg/批=2000.64kg/批EPS產(chǎn)品出料量=進料總量-未反應(yīng)的單體出料量-水量=233794.79-2000.64-124039.84=107754.3 kg/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 2000.64HAP177.06 -SDBS0.40 -SN110.04 -戊烷8394.70 -BPO196.06-CP-O280.03-HBCD689.22 DCP34.91 -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.5 聚合工段熱量衡算熱衡算式：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=qmCpT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)ST100032.1390%100032.1310%100032.132%70100-801.71210789065.41712550.07-274008.01水124039.84 204.1810369730.7HAP177.06 20-501.2984596.40-11491.19SDBS0.04201.88415.076843SN110.04 2051.92114260.7C508394.70 202.219372556.62 BPO196.06 707.704105732.84CP-O280.03 201.8422948.15HBCD689.22 202.23030739.27DCP34.91 201.6671163.94 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(rèn)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 70 kJ/mol16.72 Kcal/mol(25,氣態(tài)，無定形)已知1 Kcal4.187 KJ； MST=0.104 kg/mol，Cp=178.23 J/(molk)0.178kJ/（molk）。計算得：VHT（298.15K）=0.04Kcal/mol=0.167kJ/mol在25下，液態(tài)的QST 70-0.16769.83 kJ/mol,反應(yīng)前后壓力的變化不大,故可近似的認(rèn)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=100032.1398%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5m蒸汽Hr 其中： m蒸汽水蒸汽的用量Hr水的汽化潛熱2258kJ/kg 所以蒸汽的用量：kg/批6、冷卻水的用量m漬階段沒有聚合熱，所以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CpT計算得： kg/批6 設(shè)備計算6.1聚合釜的設(shè)計6.1.1聚合基本數(shù)據(jù) 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；其他數(shù)據(jù)同前。6.1.2聚合釜容積確定進料體積主要是由苯乙烯、水和戊烷決定，所以：，其中由公式： m3/批 m3/批 m3/批V總=110.42+124.04+13.32=247.78 m3/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6.1.3聚合釜的選型原則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(dāng)?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，可以進行均相反應(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。6.1.4釜的選擇初選攪拌釜式反應(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13)圖6-1 聚合釜筒體圖則對估算，取i2則有=4.24m；經(jīng)過圓整至標(biāo)準(zhǔn)的公稱直徑，取4400mm當(dāng)4400 mm時，取高為8000mm。由知i8000/44001.8，符合k的取值范圍。所以聚合釜的直徑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。6.1.5聚合釜攪拌器的設(shè)計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0.330.40,取D/T=0.40 則D=4.40.40=1.76 m，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=1104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=1.17 r/s此時雷諾準(zhǔn)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(zhǔn)數(shù)NP為常數(shù)，所以 P=K1rN3D5設(shè)計槳葉為六葉平直渦輪，（湍流，有擋板）查得：K1=3.8所以P= K1rN3D5=3.89501.1731.25=97.64KW6.2泵的設(shè)計以計算輸送苯乙烯的泵為例：6.2.1計算依據(jù)（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：6.2.2管內(nèi)流速的計算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=0.13mm，所以a管和b管相對粗糙度e=/d=0.001625，由攪拌雷諾數(shù)Re=36145.41查得=0.022.6.2.3直管阻力和局部阻力損失的計算（1）直管阻力的計算：其中為管線長，大約為20m;H1=J/kg（2）局部阻力的計算：有7個90標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)彎頭 ，H2=J/kg總的阻力：H= H1+ H2=0.7253 J/kg確定泵的揚程：Z=6，P=0，u1=0 H=m6.2.4確定泵軸功率泵的有效功率 NH