年产08万吨发泡聚苯乙烯聚合工段工艺设计毕业设计.doc

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化工与材料工程学院毕业设计

年产0.8万吨发泡聚苯乙烯聚合工段工艺设计

Annualproductioncapacityof8,000tonsofexpandedpolystyrenepolymerizationprocessdesignsection

学生学号

学生姓名

专业班级

指导教师

联合指导教师

完成日期

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

化工与材料工程学院毕业设计

独创声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

摘　　要

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。

可发性PS可被加工成低密度（0．7—10．0ib／ft3）的泡沫塑料剂品。

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0.8万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；在此基础上对聚合工段进行物料衡算、热量衡算、设备选型计算，绘制了带控制点的流程图、平面布置图及配管图，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

Abstract

ExpandablePolystyrene（ExpandablePolyStyrene,referredtoasEPS）commonlyknownastheDepartmentofpolystyreneandstyrenecopolymerisaresinwiththephysicalblowingagentandotheradditivesmixture.EPScanbeprocessedintolow-density（0.7-10.0ib/ft3）goodsofthefoamagent.Themostcommonistobemadeofpolystyrenewithn-pentaneasablowingagentaggregatesoftransparentPS.

Thedesignfortheannualproductioncapacityof8,000tonscanbemadeofpolystyrenepolymerizationprocessdesignsection,thereactionmechanismisfreeradicalpolymerization,suspensionpolymerizationprocessusedtostyreneasmonomer,watersuspensionmediumdoneusingone-stepproductionoflow-temperaturesuspensionpolymerizationprocess.Thismethodisastyrenemonomer,initiator,dispersingagent,water,blowingagentandotherauxiliariestojoinreactor,thepolymercontainingafoamingagent,aftertheresinparticlesbywashing,centrifugalseparationanddrying,thesystemmaybemadeofpolystyrenebeadsproducts;inthissectionbasedonthepolymermaterialbalance,heatbalance,equipmentselection,themappingofcontrolpointswiththeflowchart,diagramandlayoutofpipingplansandthepreparationofthedesignspecificationandcalculationofthebook.

KeyWords：

ExpandablePolyStyrene；SuspensionTechnique;Craftcalculation；Technologicaldesign

-III-

目　　录

摘　　要 I

Abstract II

第1篇设计说明书 1

第1章绪论 1

1.1设计依据、指导思想 1

1.1.1设计依据 1

1.1.2指导思想 1

1.2厂址的选择 1

1.3设计地区的自然条件 2

1.4车间布置、岗位人员配制 2

1.4.1车间布置 2

1.4.2岗位人员配制 2

1.5节能与环境保护 2

1.5.1节能 2

1.5.2环境保护 3

1.6安全防火 3

1.6.1消防设施 3

1.6.2灭火程序 4

第2章工艺论证 5

2.1工艺原理 5

2.1.1实施方案 5

2.1.2工艺路线 5

2.1.3工艺流程 5

2.1.4反应原理 5

2.2发泡聚苯乙烯技术工艺比较 6

2.2.1塔式本体聚合技术 6

2.2.2添加少量溶剂的单釜连续本体聚合技术 7

2.2.3苯乙烯的悬浮聚合 7

2.2.4苯乙烯种子法悬浮聚合 7

2.3发泡聚苯乙烯生产工艺 8

2.3.1一步法聚合工艺 8

2.3.2二步法聚合工艺 8

2.3.3一步法工艺与二步法工艺的比较 8

2.4可发性聚苯乙烯基本性能 9

2.4.1力学性能 9

2.4.2绝热性能 9

2.4.3化学性能 10

第3章聚合车间工艺流程 11

3.1本岗位管理范围及任务 11

3.1.1岗位管理范围及任务 11

3.1.2岗位任务 11

3.2生产原理及工艺流程 11

3.2.1生产原理 11

3.2.2生产流程 11

3.3产品规格、原料及公用工程条件 14

3.3.1产品规格 14

3.3.2生产方式及规模 15

3.3.3原料 15

3.3.4公用工程 16

3.3.5工艺控制条件 17

3.3.6仪表测量及控制一览表 18

3.4工艺设备选择 18

3.4.1聚合工段设备型号选择 18

第4章技术经济分析 19

4.1原料消耗定额 19

4.2生产成本 19

4.3盈亏平衡 20

第2篇工艺设计计算 21

第5章设计基础 21

5.1聚合工艺介绍 21

5.1.1聚合工段工艺过程叙述[9] 21

第6章物料衡算 22

6.1计算依据 22

6.2聚合工段物料衡算 22

6.2.1进料阶段 22

6.2.2出料阶段 23

第7章聚合工段热量衡算 25

第8章设备计算 29

8.1聚合釜的设计 29

8.1.1聚合基本数据 29

8.1.2聚合釜容积确定 29

8.1.3聚合釜的选型原则 29

8.1.4釜的选择 29

8.1.5聚合釜搅拌器的设计 30

8.2泵的设计 33

8.2.1计算依据 33

8.2.2管内流速的计算 33

8.2.3直管阻力和局部阻力损失的计算 33

8.2.4确定泵轴功率 34

8.2.5泵的选型 34

8.3换热器的设计 35

8.3.1设计依据：

35

8.3.2计算总传热系数 35

8.3.3计算传热面积 36

8.3.4工艺结构尺寸 36

结　　论 38

参考文献 39

附录A仪表测量及控制一览表 40

附录B设备一览 41

致　　谢 44

-43-

第1篇设计说明书

第1章绪论

1.1设计依据、指导思想

1.1.1设计依据

设计所参考和依据:

（1）吉林化工学院毕业设计（论文）任务书（0.8万吨发泡聚苯乙烯聚合工段工艺设计）

（2）吉林市龙山化工厂聚合岗位操作法

（3）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》

（4）《化工工艺手册》

（5）《化工设计》

（6）《石油化工数据手册》。

1.1.2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。

1.2厂址的选择

本车间建于吉林市江北化工区，这里是全国最大的化工基地，地处松花江畔，水源充足，水质优良，且原料充足，便利。

同时有铁路与全国各地相连，交通便利。

附近有动力厂、电厂，所需动力，蒸汽供应方便，经济合理，特别是化工区地处吉林市的东北部，而该地区的主导风向为西南、西北风，对市区居民的生活及附近的工农业生产均无影响。

该处的下游还有污水处理厂，能将工业、生活污水进行有效的处理。

综合考虑，于该处建厂，地址最为理想。

1.3设计地区的自然条件

本设计的发泡聚苯乙烯车间建在吉林市江北区原吉化有机合成厂旧址。

该地区的自然条件如表1-1所示：

表1-1吉林地区的自然条件

土壤最大冻土深度：

1.8米

土壤设计冻土深度：

1.7米

全年主导风向：

西南风

夏季主导风向：

东南风

年平均风速：

3.4米/秒

地震裂度：

7度

年平均降雨量：

668.4毫米

日最大降雨量：

119.3毫米

平均气压：

745.66mmH

最高气温：

36.6℃

最低气温：

-38℃

平均相对温度：

71%

最大降雪量：

420毫米

水温：

15℃

1.4车间布置、岗位人员配制

1.4.1车间布置

本设计的设备布置，既满足了生产实际需要，又考虑了设备的安装，检修方便，节约空地。

布置设备时，注意远近相结合既紧凑又要符合生产工艺和安全要求，生产装置街区根据工艺流程和安全的需要，尽可能缩短装卸物料线。

本着满足工艺条件的原则，首先确定关键设备的位置，其它设备则尽可能在主要设备的四周，以利于操作，检修和配管。

在厂房内，从一楼到三楼配有走梯。

阀门、仪表等部件距地面较近，以利于手工操作和检修。

界区明确，工艺流程通畅，安全合理。

1.4.2岗位人员配制

岗位人员配制：

单体贮存工序每班1人，溶液配制工序每班1人，聚合工序每班2人，后处理工序每班2人。

每工序分四班人三班倒，总计24人。

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

该厂建于吉林市东北部的江北化工区，该地区的主导风向为西南、西北风，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,排放量为1t/a。

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。

第2章工艺论证

2.1工艺原理

2.1.1实施方案

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。

[1]

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]

2.1.3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=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-CH2

CH-CH2mR

②歧化终止

RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·→RCH2-CHnCH2-CH2+R

CH2-CHmCH=CH

2.2发泡聚苯乙烯技术工艺比较

2.2.1塔式本体聚合技术[3]

经典的塔式反应器是德国法本Ⅲ式流程。

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。

为了提高反应速度，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，后期反应速率很慢，总的停留时间太长，反应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。

2.2.2添加少量溶剂的单釜连续本体聚合技术

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进，如今聚合产物中的残余单体含量已降至很低，质量比法本工艺有很大提高。

2.2.3苯乙烯的悬浮聚合[4]

2.2.3.1聚合原理

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应。

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%。

苯乙烯苯乙烯悬浮聚合的温度，有高低之分。

低温法在80～85℃聚合，如仅靠热引发，则反应速度很慢，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），避免反应速度过快而产生爆聚[8]。

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。

分散剂与反应历程无关。

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，由于加入了引发剂，所以它的分子量主要决定于引发剂加入量的多少。

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应热容易扩散开来被介质带走，总体上克服了反应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，反应温度分布范围窄，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净度稍低，因为它的珠粒表面容易黏有悬浮分散剂等残余物，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达到100%，剩余的单体有一部分被放空，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，废单体放空则会污染环境。

2.2.4苯乙烯种子法悬浮聚合

种子悬浮聚合工艺，是在聚合开始前，向体系中加入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，而单体小液滴则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加入量，来调节产物的粒径。

2.3发泡聚苯乙烯生产工艺

2.3.1一步法聚合工艺

2.3.1.1技术原理

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加入反应釜聚合，得含发泡剂的树脂颗粒，经洗涤、离心分离和干燥，制得EPS珠粒产品。

为避免发泡剂对聚合反应的阻抑影响，发泡剂一般应在聚合转化率达90％以上时加入。

二步法是将苯乙烯聚合成一定粒度的PS珠粒，经分级过筛，再重新加水、乳化剂、发泡剂和其他助剂，于浸溃釜内加热浸溃，故此法又称后浸渍法。

2.3.2二步法聚合工艺

2.3.2.1技术原理

二步法工艺是将苯乙烯、PS、软水以及分散剂溶解、混合，经计量槽加入聚合釜内，加入引发剂和部分助剂，在适宜的条件下进行聚合生成PS粒料并干燥至含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。

2.3.3一步法工艺与二步法工艺的比较[5]

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，难免产生部分含发泡剂的粉状物，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，同时还可避免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，产品成本高。

一步法虽有缺点，但与二步法比较仍是利多弊少，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比较

项目

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

2.4可发性聚苯乙烯基本性能

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，则需要强的力学（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。

[6]

2.4.1力学性能

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-3

15

25

40

50

拉伸强度/kpa

200

350

600

750

弯曲强度/kpa

200

400

700

900

压缩10%的压应力/kpa

90

180

320

400

EPS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