年产一万吨聚苯乙烯聚合工段工艺设计方案.docx
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毕 业 设 计
题 目：
年产1万吨聚苯乙烯聚合车间工艺设计
学 院：
专 业：
姓 名：
学 号：
指导老师：
完成时间：
设计说明
本次设计主要是针对年产1万吨聚苯乙烯聚合车间工艺的设计。
设计的内容主要包括绪论、聚苯乙烯的聚合机理、聚合工艺介绍、物料衡算、反应釜的设计、热量衡算、自动控制等几部分。
本设计采用的是热引发本体聚合的生产工艺，在确定工艺流程的基础上对以下几部分进行了设计计算：
物料衡算、反应釜的设计、热量衡算等。
本次设计年理论产值是一万吨经计算投料每小时需投入苯乙烯1288.8kg，甲苯175.69kg，每小时生成的聚苯乙烯计算后可知，年产量为1.08万吨。
符合设计的要求。
釜体容积14.33m3，釜体高度3.18m。
共需反应热为24000000KJ。
关键词：
热引发 本体聚合 聚苯乙烯 苯乙烯 预聚釜 聚合釜
Design Description
Thisdesignismainlyaimedattheannualoutputof10000tonsofpolymerizationpolystyreneworkshopprocessdesign.Designcontentmainlyincludestheintroduction,polystyreneintroducedthepolymerizationmechanism,polymerizationprocess,materialbalance,thedesignofthereactionkettle,heatbalance,automaticcontrolandsoonseveralparts.ThisdesignUSESathermalbulkpolymerizationproductionprocess,thetechnologicalprocessisdeterminedonthebasisofcalculationindesignofthefollowingsections:
thedesignofthematerialbalanceandthereactionkettle,heatbalance,etc.Thedesigntheoryofvalueistenthousandtonsofcalculatingchargeperhourneedforstyrene1288.8kg,175.69kg,tolueneperhourgeneratedpolystyreneaftercalculation,theannualoutputof10800tons.Inlinewiththerequirementsofdesign.Thekettlebodyvolumeof14.33m3,bodyheightof3.18m.Thetotalheatofreactionof24000000kJ.
.
Keywords：
Heatcause Bulkpolymerization polystyrene styreneTheperformedkettle Polymerizationkettle
目录
设计说明 I
DESIGN DESCRIPTION I
前 言 1
第1章绪论 1
1.1聚苯乙烯简介 1
1.2聚苯乙烯的性能与应用 1
1.2.1聚苯乙烯的特性及用途 1
1.2.2聚苯乙烯的共混改性及用途 1
1.2.3苯乙烯系列共聚物 3
1.3聚苯乙烯的使用及生产近况 5
1.4聚苯乙烯的发展现状 5
1.4.1聚苯乙烯产量及消费量 5
1.4.2聚苯乙烯的消费结构及预测 6
1.4.3聚苯乙烯的主要生产厂商 6
1.4.4新产品开发 7
1.4.5生产和发展的思考 7
第2章聚苯乙烯的聚合机理 9
2.1聚合过程 9
2.1.1链引发 9
2.1.2链增长 9
2.1.3链终止 9
2.1.4链转移 10
2.2聚合工艺 10
2.2.1预聚合 10
2.2.2聚合 11
2.2.3分离及聚合物后处理 11
2.3聚合工艺流程图 11
2.4聚合体系各组分及作用 12
2.4.1单体苯乙烯 12
2.4.2引发剂 13
河南城建学院本科毕业设计 目录
2.4.3添加剂 13
第3章聚合工艺介绍 14
3.1聚合条件 14
3.2聚合设备 14
3.3预聚合釜的作用 14
3.4主要生产工艺 15
3.4.1Dow化学公司 16
3.4.2FINA公司 17
3.4.3猎人化学公司/鲁姆斯#克利斯特公司 19
3.4.4三井东压公司 20
第4章物料衡算 22
第5章反应釜的设计 26
5.1反应周期的确定 26
5.2反应釜的体积计算 26
5.3反应釜的设计计算 27
5.4搅拌装置的设计 28
5.4.1搅拌器的尺寸计算 29
5.4.2搅拌器的转速和功率计算 29
5.5电机的功率和减速机的选择 31
5.5.1电机的功率 31
5.5.2减速机的选择 31
5.6泵的设计 31
5.6.1管内流速的计算 32
5.6.2直管阻力和局部阻力损失的计算 32
5.6.3确定泵轴功率 32
5.6.4泵的选型 33
5.6.5工艺管口的设计 33
第6章热量衡算 36
6.1热量衡算的内容及作用 36
6.1.1为后续工艺设计提供依据 36
6.1.2热量消耗的计算及能源的综合利用 36
6.1.3为其他专业设计提供依据 36
6.2传热设备的热量衡算 36
6.3载热体的消耗量 38
6.4总传热系数K的确定 38
6.5夹套传热装置的设计 38
6.7夹套几何尺寸的计算 41
6.7.1夹套直径Dj的计算 41
6.7.2夹套高度Hj的计算 42
第7章自动控制 43
7.1控制方式 43
7.2主要控制方案 43
7.2.1泵的控制 43
7.2.2反应器的自动控制 43
第8章设计结果 44
参考文献 45
附录 47
附表一、设计一览表 47
附表二、主要符号说明 47
致谢 50
前 言
聚苯乙烯（Polystyrene，缩写PS）是指由苯乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物[1]。
它是一种无色透明的热塑性塑料，具有高于100℃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以及无规立构聚苯乙烯。
全同聚合物有高度结晶性，间同聚合物有部分结晶性。
聚苯乙烯
（PS）包括普通聚苯乙烯，发泡聚苯乙烯[2]（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。
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，发展的聚苯乙烯新品种[3]，性能好，属于工程塑料。
本课题研究的是热引发本体聚合的生产工艺，热引发本体聚合即单体（或原料低分子物）在不加溶剂以及其它分散剂的条件下，由热的作用使其自身进行聚合引发的聚合反应。
有时也可加少量着色剂、增塑剂、分子量调节剂等。
液态、气态、固态单体都可以进行本体聚合。
进入20世纪90年代以来，中国聚苯乙烯需求旺盛，消费量飞速增长。
但是国内生产能力不足，进口依赖度大，中国聚苯乙烯的生产能力虽然增长很快，但仍远不能满足需求，不得不依靠大量进口。
因此对聚苯乙烯聚合工艺车间的设计有广扩的前景和重要的意义。
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第1章绪论
1.1聚苯乙烯简介
聚苯乙烯是四大通用热塑性树脂之一，它是由苯乙烯单体通过聚合反应而得到的高聚物，聚合方法有本体聚合[4]、悬浮聚合、溶液聚合等。
目前，大多聚苯乙烯生产厂家都采用本体聚合，通常用热引发或引发剂引发进行聚合反应而得到聚苯乙烯，其反应都属于自由基型的聚合。
1.2聚苯乙烯的性能与应用
1.2.1聚苯乙烯的特性及用途
聚苯乙烯是一种无定型的透明热塑性塑料。
其分子中仅含C、H两种元素，平均分子量在20万左右，密度为1.04～1.16g/cm3，比聚氯乙烯的密度小而大于聚乙烯和聚丙烯。
聚苯乙烯的主链上带有结构庞大的苯环，故柔顺性差，质硬脆，抗冲击性能差，其制品敲打起来能发出类似金属的声音。
聚苯乙烯无色透明，透光率为88%～90%，折光系数为1.59～1.60，透光性仅次于聚甲基丙烯酸甲酯。
在受到光照和长时间存放时，往往出现混蚀和发黄现象。
聚苯乙烯易于着色，有良好的可塑流动性和较小的成型收缩率，是成型工艺性最好的塑料品种之一。
因此易于制得形状复杂的塑件。
聚苯乙烯的力学性能与制造方法、相对分子量的大小、含杂质量和定向度有关，相对分子量小者，机械强度要低些，一般低于硬质聚氯乙烯[5]。
聚苯乙烯具有很小的吸水率，在潮湿环境中其形状和尺寸的变化都很小。
热绝缘性也很好。
聚苯乙烯具有优良的电绝缘性能，尤其在高频条件下介电损耗仍然很小，是优良的高频绝缘材料[6]。
聚苯乙烯易燃烧，且离火后仍继续燃烧，火焰呈橙黄色，并有浓黑烟碳束，燃烧时塑料软化，起泡并发出特殊的苯乙烯单体味。
聚苯乙烯的主要缺点是脆性大，若是成型制品的热处理不恰当，制品中存在较大内应力时，在使用中制品可能自行开裂。
聚苯乙烯被广泛应用于光学工业中，这是因为它有良好的透光性所致，可制造光学玻璃和光学仪器[7]，也可制作透明或颜色鲜艳的，诸如灯罩、照明器具等。
聚苯乙烯还可制作诸多在高频环境中工作的电气元器件和仪表等。
单独使用聚苯乙烯作制品，脆性大，而在聚苯乙烯中加人少量其他物质，如丁二烯即可明显
降低脆性，提高冲击韧性，这种塑料叫抗冲击聚苯乙烯，它的力学性能大为提高，可用此塑料制作出许多性能优良的机械零件和构件来。
1.2.2聚苯乙烯的共混改性及用途
对于聚乙烯（PE）与聚苯乙烯（PS）体系，早期大多采用添加接枝物或嵌段
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河南城建学院本科毕业设计 绪论
共聚物作为相容剂，但这种增容方法的一个明显的缺点在于增容剂需要首先合成，而且造价昂贵，因此难以实现工业化生产。
反应增容则是对PS/PE体系的又一种增容方法，被认为具有价廉、应用方便等优点，但也存在PE，PS需官能化及相内自交联等缺陷。
Baker将RPS（侧基有过氧化键的PS）、CPE（羧基化PE）、
PE、PS同时加入双螺杆挤出机中，所制得的共混物性能比用PS-g-PE增容的
PS/PE性能优异。
徐伟强等将RPS和MPE（马来酸酐接枝PE）加入反应式挤出机进行熔融共混挤出，研究表明MPE/RPS反应共混体系的断裂伸长率及拉伸强度比RPS/PE的大。
据DMA分析RPS/MPE反应性共混物具有部分交联结构，且使MPE的结晶度及熔点均降低。
而国内陈建定、林明德等人用RPS与PE进行共混反应，制成PS-g-PE，对PS/PE具有增容作用，提高共混物的力学性能。
（1）PS/PP共混体系
由于PS与PP不相容，表面张力大，PP/PS共混物通常是具有不同形态的多相体系，呈现粗糙的相形态，界面黏结差，导致力学性能差。
通过加入合适的增容剂如嵌段或接枝共聚物可以改善共混物中组分间的相互作用，影响共混物的相形态。
有效的增容剂分布在组分的界面，通过降低界面张力来改善界面黏合力和提高分散相的分散性与抗团聚的能力，促进应力在两相界面的有效传递，防止在相间缺陷部位的断裂，并改善共混物的物理与力学性能。
RPS-MPP（马来酸酐官能化聚丙烯）对PS/PP体系有较好的反应增容效果。
有研究报道，熔融共混法制取的PS/PP体系有PS-g-PP接枝物生成。
（2）PS/PC共混体系
PC和PS结构中都有苯环，用DSC分析PC/PS共混物表明，PC的玻璃化温度降低，而PS的玻璃化温度升高，即两组分的Tg互相靠拢，说明PC与PS可部分相容。
将RPS与PC进行反应挤出共混，应力-应变试验及动态力学分析
（DMA）表明，RPS和PC发生了接枝反应。
另外，RPS对PS/PC共混体系有较好的增容效果。
PS-g-MAH（苯乙烯接枝马来酸酐共聚物）、SBS-g-MAH等增容剂也可用来增容PC/PS共混体系。
聚乙烯接枝马来酸锌（PE-g-MAZn）离聚体对
PC/PS体系增容作用也较显著。
（3）PS/PMMA共混体系
PMMA是透明性和耐候性均较好的塑料。
PS与之共混可望提高其耐热性而不影响体系的透明性。
据文献报道，将St/MMA（苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯无规共聚物）、PS-g-MMA和P（St-b-MMA）（苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物）相比，P（St-b-MMA）对PS/PMMA体系有最好的增容效果。
（4）PS增韧改性
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刚性有机粒子增韧改性PS
章文贡等使用混合稀土烷氧化合物掺杂PS，因其掺杂的改性PS结构中存在着稀土金属离子与苯环的配位作用，改性后的PS的玻璃化温度随稀土含量增加而下降，但其抗冲性能却显著提高，表明三异丁氧基混合稀土对PS有较好的增韧作用。
与单一稀土烷氧化合物相比，稀土掺杂量更大，产物透明度更高，增韧效果更好，且混合稀土价格低，因而有更好的应用前景。
刚性无机粒子增韧改性PS
近年来随着纳米技术的发展，纳米颗粒增韧PS也得到了迅速的研究。
用平均粒径为20nm左右的TiO2粒子，经偶联剂钛酸酯处理后，与HIPS高速混合，制备PS/纳米TiO2复合材料[8]。
结果表明，在纳米TiO2的含量为10％时，复合材料的冲击强度达到了最大。
复合材料的断裂伸长率也受到了TiO2含量的影响，当TiO2用量为2％～3％时，复合材料的断裂伸长率达到了最大值。
王文等在对不同烷氧基钬掺杂增韧PS的研究中发现，烷氧基钬化合物掺杂的
PS材料中存在着钬离子与PS大分子中苯环的配位作用。
改性后的PS的玻璃化温度随钬量增加而下降，并且随着烷氧基链长的增加而下降。
烷氧基钬掺杂改性
PS存在明显的增韧作用与材料中存在PS大分子苯环π电子与钬的配位作用、柔性烷氧基链引入和亚纳米粒子的析出等有关。
弹性体增韧PS体系
PSE是一类新型的茂金属聚合物。
唐卫华等通过PSE与PS共混，结果发现
PSE对PS力学性能产生了明显的影响[9]。
研究结果表明，PSE树脂与PS可以相容，且这种相容性随树脂中苯乙烯质量分数的提高而增大。
不同苯乙烯质量分数的PSE对PS的增韧效果有着明显的影响。
随着苯乙烯质量分数的增加，PSE的增韧效果得到了明显的提高，并且在苯乙烯质量分数为72％时达到最大值。
1.2.3苯乙烯系列共聚物
（1）高抗冲聚苯乙烯—HIPS：
与各种橡胶共混改善PS的抗冲性能。
一般的HIPS是苯乙烯与丁二烯橡胶的共聚物[10]。
对PS性能的改善效果和性能，与丁二烯橡胶含量、橡胶粒径、橡胶的分子量均有关。
HIPS具有良好的韧性、刚性、加工性和着色性，扩大了通用PS的用途范围，通过优化工艺条件、调整工艺配方等方法，提高HIPS的综合性能，增加HIPS品种。
当前研究开发的重要内容是在保持HIPS抗冲性能的基础上，提高产品光泽、刚性、耐化学性、透明性能等，改善其耐热性和抗静电性。
目前已在进行这方面的工作，如透明HIPS、高光泽高抗冲HIPS的研制。
河南城建学院本科毕业设计 绪论
（2）ABS树脂：
ABS树脂是由丙烯腈（AN）、丁二烯（B）与苯乙烯（S）三单体为基础合成的系列聚合物[11]的总称，是目前产量最大、应用最广泛的聚合物共混物。
它将
PAN、PB、PS的各种性能有机地统一起来，不仅具有韧、刚、硬相均衡的优良的力学性能，而且具有较好地耐化学性、表面光泽度、耐低温性、着色性和加工流动性等优点。
作为工程塑料广泛应用。
ABS树脂具有卓越的综合性能，在机电、交通工业可替代金属，制造齿轮、轴承、仪表外壳、电机外壳、汽车车身、挡泥板、机器罩等，这些制品强度大、重量轻、价格低。
另ABS还具有低温抗冲性，无毒，可制造冷藏库和冰箱的内衬、冰箱中的食品盘等耐寒制品。
可做各种用途的管材，ABS管道加工容易、有较好的韧性、硬度、耐渗透和腐蚀性。
还可代替木材制造木椅等日用家具和文具等等。
可见其用途之广泛。
现在还正在研制更新型的ABS树脂，高抗冲ABS、耐侯ABS、MBS、耐热
ABS等性能优越的新型ABS树脂不断出现。
同时也出现了不少共混合金，
ABS/PVC、ABS/PC等共混物。
（3）其它PS共聚物
共聚单体 共聚物特征 共聚物主要用途
丙烯腈
（SAN）
高抗冲性、耐热性、耐环境开裂性
汽车灯罩，电器、仪表的箱壳
马来酸酐
（SMA）
高耐热性 热塑性塑料
甲基丙烯酸甲酯
耐气候性、耐溶剂性，透
明
透明制品
丙烯腈、氯化聚乙烯
（ACS）
阻燃性、耐气候性，耐热性物理性能与ABS相似
办公用自控设备塑料部件、打字设备、
阻燃材料
甲基丙烯酸甲酯，丁二烯
（MBS）
丁二烯（K树脂）
增韧，透明性好 改造硬质PVC的加工性、抗冲性与耐
热性
透明度、冲击强度好 食品包装、容器、
文具、医疗器械
1.3聚苯乙烯的使用及生产近况
聚苯乙烯有多种类型。
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[12]。
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。
工业生产中用于挤塑成型或注塑成型的聚苯乙烯主要采用熔融本体聚合（热聚合）或加有少量溶剂的溶液-本体聚合方法生产。
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树脂的生产中被广泛采用。
苯乙烯的本体聚合反应属游离基加聚反应[13]，有热引发和引发剂引发两种引发方式。
过去多数聚苯乙烯厂家采用热引发方式。
在聚苯乙烯树脂50余年发展史中，各生产厂根据市场的需求，在制造工艺上展开了激烈的竞争，不断开发新产品，开拓新用途。
几十年来，聚苯乙烯树脂的市场不断扩大。
在日本，聚苯乙烯系树脂的产量已居五大通用热塑性树
脂之首。
目前我国聚苯乙烯技术发展已趋向国产化。
1.4聚苯乙烯的发展现状
2004年全球PS产能约20400kt，年消费共约17300kt，说明全球整体的PS产能已呈现过剩，而尤以欧洲、日本、韩国及中国台湾等为甚[14]。
由于原料成本的增加，国外PS生产厂商正承受利润低和市场供应过剩的打击，几大PS生产商则纷纷减产并采取兼并、停产与关闭不少规模小的PS装置，故全球消费量近几年来增长
率将降至2%以下。
进入20世纪90年代，国内PS的需求则旺盛，消费不断增长。
自上世纪80年代陆续从国外引进先进工艺技术和设备，使国内PS工业得到了不断发展和壮大，生产技术由悬浮法基本转为连续本体聚合法[15]。
自给率已由2000年的3418%提高到2004年的6017%。
如2004年国内产量约2300余kt，进口量为1560kt，表观消费量为3860kt。
为此，国外一些厂商/公司纷纷以合资或独资方式来国内建设规模大的PS工厂以抢占中国市场。
另一方面随着进口关税逐年降低，国外PS必将拥入国内市场。
为此，今后必将使国内一些规模小、产品档次低、技术不先进、成本高的企业受到严重冲击。
因此，国内PS企业的生产与发展值得思考。
1.4.1聚苯乙烯产量及消费量
2002年后主要国家和地区的PS产量及消费量统计，见表1。
河南城建学院本科毕业设计 绪论
表1主要国家和地区PS的产量和消费量（kt/a）
国家和地区
产量
消费量
美
国
3025
3084
德
国
450
400
日
本
1022
770
韩
国
1130
562
法
国
382
280
比利时
705
140
中国台湾省
771
187
加拿大
195
333
巴
西
314
304
西班牙
199
211
1.4.2聚苯乙烯的消费结构及预测
美国的聚苯乙烯主要用作包装材料，约占总消费量的35%，其次是用于电子、电器工业约占10%，玩具业约占10%，建筑业约占8%，其它方面包括日用塑料制品等约占37%。
前几年国外如美国、日本等人均年消费在10～12kg以上，近
年来日本及西欧人均年消耗由于受环保制约影响而有所下降（原来约为
615～10kg/人#年），而亚洲地区在2000年人均年消耗才达到1126kg，而我国按
2004年的PS预计人均年消耗亦仅为1165kg左右。
据美国著名咨询机构预测全球
PS市场将持续增长，且未来五年新增产能80%将来自中国[16]。
亚洲地区尤其是我国人口众多，因此近5～10年国内PS的潜在市场将会看好，但必须要注意向高档次牌号发展。
1.4.3聚苯乙烯的主要生产厂商
公司
生产能力
BASF
2026
DowChemical
1690
Nova
1391
按2002年初统计数字，世界最大的几个PS生产公司/厂商的生产能力见表2。
表2世界主要PS生产厂商生产能力统计（kt/a）
Atofina
1100
奇美
700
ChevronPhillps
450
日本A&M苯乙烯
437
Enichem
420
BP
355
表中几家国外主要大公司的PS生产能力约占世界总生产能力60%。
1.4.4新产品开发
世界各主要生产商都十分重视聚苯乙烯新产品开发。
随着苯乙烯树脂工艺技术的发展，出现了一些残留单体含量低、耐应力开裂性更好、光泽度和冲击综合性能更好的新牌号。
此外，通过使用添加剂进行改性，一些具有更好的耐候性和表面性能的牌号实现了工业化。
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