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1、北京理工大学珠海学院2011届毕业生毕业设计年产5万吨聚苯乙烯聚合工段工艺设计摘 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
2、；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 工艺设计目 录年产5万吨聚苯乙烯聚合工段工艺设计I摘 要IAbstractII1绪论11.1概述11.1.1聚苯乙烯简介11.1.2聚苯乙烯的基本物性11.1.3国内外的现状及发展前景21.2设计依据21.3指导思想21.4厂址的选择31.5节能与环境保护31.5.1节能31.5.2环境保护31.6安全防火31.6.1消防设施31.6.2灭火程序42 工艺论证52.1工艺原理52.1.1生产方案52.1.2
3、 工艺路线52.1.3工艺流程52.1.4反应原理52.2聚苯乙烯的生产技术62.3发泡聚苯乙烯技术工艺比较62.3.1塔式本体聚合技术62.3.2添加少量溶剂的单釜连续本体聚合技术72.3.3苯乙烯的悬浮聚合72.3.4苯乙烯种子法悬浮聚合72.4发泡聚苯乙烯生产工艺82.4.1一步法聚合工艺82.4.2二步法聚合工艺82.4.3一步法工艺与二步法工艺的比较82.5可发性聚苯乙烯基本性能92.5.1力学性能92.5.2绝热性能92.5.3化学性能93 聚合工段工艺和生产流程113.1聚合工段工艺过程叙述113.2生产流程113.3产品规格、原料及公用工程条件113.3.1产品规格113.3.
4、2生产方式及规模123.3.3原料123.3.4工艺控制条件134 物料衡算154.1计算依据154.2聚合工段物料衡算154.2.1进料阶段154.2.2出料阶段165 聚合工段热量衡算186 设备计算216.1聚合釜的设计216.1.1聚合基本数据216.1.2聚合釜容积确定216.1.3聚合釜的选型原则216.1.4釜的选择216.1.5聚合釜搅拌器的设计236.2泵的设计246.2.1计算依据246.2.2管内流速的计算246.2.3直管阻力和局部阻力损失的计算256.2.4确定泵轴功率256.2.5泵的选型256.3换热器的设计256.3.1设计依据：256.3.2计算总传热系数26
5、6.3.3计算传热面积27 6.3.4工艺结构尺寸27参考文献28附录1 设备一览29谢 辞31IV1 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070，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
6、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。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
7、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，是近年来发展的聚苯乙烯新品种，性能好，属于工程塑料。1.1.2聚苯乙烯的基本物性基本物理性质：比重：1.05克/立方厘米 成型收缩率：0.60.8 成型温度：170250 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。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，不须充分干燥，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
8、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。1.1.3国内外的现状及发展前景目前世界上聚苯乙烯的主要生产厂家有美国的 Dow Chemical、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。国内PS 生产工艺技术的发展可分为3个阶段：一是6080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，
9、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年代中期的发展阶段。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 生产技术的发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)、北京燕山石油化工有限公司(简称燕山石化)、汕头海洋第一聚苯树脂有限公司(简称汕头海洋)和齐鲁石油化工公司(简称齐鲁石化)。三是90年代中期到目前的迅速发展阶段。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
10、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，其建设规模均达到100 kta以上，所采用的技术都为各厂家最先进的技术，国内PS 生产技术水平达到一个新台阶，生产能力有了较大的发展。1.2设计依据设计所参考和依据：(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) 化工设备机械基础1.3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
11、； (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。 1.4厂址的选择适合全国和地区工业布局以及产品供需安排的要求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应经济合理有充足可靠的水源和电源交通运输条件比较方便经济不污染环境不破坏文物古迹不妨碍文化旅游及其他精神文明建设对
12、拟建项目留有适当发展馀地地质条件较好施工难度小建设投资省项目建成投产後经济效益良好。1.5节能与环境保护1.5.1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。1.5.2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
13、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。1.6安全防火1.6.1消防设施地下消火栓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
14、名及报警电话号码。（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。1.6.2灭火程序第一套方案是起初火灾补救第二套方案是报警。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。22.1.2 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。32.1.3工艺流程 工艺流程见图2-1图2-1 工艺流程简图2.1.4反应原理总反应式：nCH2=CHCH2-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
