年产五万吨聚苯乙烯聚合工段工艺设计方案文档格式.docx
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1.5节能与环境保护 3
1.5.1节能 3
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
2工艺论证 5
2.1工艺原理 5
2.1.1生产方案 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聚苯乙烯的生产技术 6
2.3发泡聚苯乙烯技术工艺比较 6
2.3.1塔式本体聚合技术 6
2.3.2添加少量溶剂的单釜连续本体聚合技术 7
2.3.3苯乙烯的悬浮聚合 7
2.3.4苯乙烯种子法悬浮聚合 7
2.4发泡聚苯乙烯生产工艺 8
2.4.1一步法聚合工艺 8
2.4.2二步法聚合工艺 8
2.4.3一步法工艺与二步法工艺的比较 8
2.5可发性聚苯乙烯基本性能 9
2.5.1力学性能 9
2.5.2绝热性能 9
2.5.3化学性能 9
3聚合工段工艺和生产流程 11
3.1聚合工段工艺过程叙述 11
3.2生产流程 11
3.3产品规格、原料及公用工程条件 11
3.3.1产品规格 11
3.3.2生产方式及规模 12
3.3.3原料 12
3.3.4工艺控制条件 13
4物料衡算 15
4.1计算依据 15
4.2聚合工段物料衡算 15
4.2.1进料阶段 15
4.2.2出料阶段 16
5聚合工段热量衡算 18
6设备计算 21
6.1聚合釜的设计 21
6.1.1聚合基本数据 21
6.1.2聚合釜容积确定 21
6.1.3聚合釜的选型原则 21
6.1.4釜的选择 21
6.1.5聚合釜搅拌器的设计 23
6.2泵的设计 24
6.2.1计算依据 24
6.2.2管内流速的计算 24
6.2.3直管阻力和局部阻力损失的计算 25
6.2.4确定泵轴功率 25
6.2.5泵的选型 25
6.3换热器的设计 25
6.3.1设计依据：
25
6.3.2计算总传热系数 26
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 31
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。
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：
0.6％—0.8％ 成型温度：
170℃—250℃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。
9
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60—80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，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 kt／a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；
（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。
[2]
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。
[3]
2.1.3工艺流程
筛分
干燥
洗涤
工艺流程见图2-1
分散剂
产品
引发剂溶液
聚合
单体
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-CH2+R
CH2-CHmCH=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。
聚差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。
2.3发泡聚苯乙烯技术工艺比较
2.3.1塔式本体聚合技术
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。
2.3.2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。
2.3.3苯乙烯的悬浮聚合
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。
2.3.4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。
2.4发泡聚苯乙烯生产工艺
2.4.1一步法聚合工艺
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。
2.4.2二步法聚合工艺
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。
2.4.3一步法工艺与二步法工艺的比较
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，流程短一次性投资较高，生产自动化程
能耗较大，流程长，工艺要求相对较低，易操作
一次性投入较低，自动化程
技术经济
生产灵活性
度高，易集中控制，人工操作少
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
度低，人工操作较多
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
2.5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。
2.5.1力学性能
EP
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