年产一万吨聚苯乙烯聚合工段工艺设计精品

1、毕毕 业业 设设 计计 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

2、.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。 关键词关键词：热引发 本体聚合 聚苯乙烯 苯乙烯 预聚釜 聚合釜 designdesign descriptiondescription this design is mainly aimed at the annual output of 10000 tons of polymerization polystyrene workshop process design. design content mainly includes the introduction, polys

3、tyrene introduced the polymerization mechanism, polymerization process, material balance, the design of the reaction kettle, heat balance, automatic control and so on several parts. this design uses a thermal bulk polymerization production process, the technological process is determined on the basi

4、s of calculation in design of the following sections: the design of the material balance and the reaction kettle, heat balance, etc. the design theory of value is ten thousand tons of calculating charge per hour need for styrene 1288.8 kg, 175.69 kg, toluene per hour generated polystyrene after calc

5、ulation, the annual output of 10800 tons. in line with the requirements of design. the kettle body volume of 14.33 m3, body height of 3.18 m. the total heat of reaction of 24000000 kj. . keywords：heat cause bulk polymerization polystyrene styrene the performed kettle polymerization kettle 目目 录录 设计说明

6、.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.

7、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 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 3.4.1 dow 化学公司.16 3.4.2 fina 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

8、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

9、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

10、.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 前前 言言 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 070，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

11、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

12、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。 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 聚苯乙烯简介聚苯乙烯简介

13、 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。 1.21.2 聚苯乙烯的性能与应用聚苯乙烯的性能与应用 1.2.11.2.1 聚苯乙烯的特性及用途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 1.041.16g/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，

14、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 1.591.60，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

15、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

16、，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。 1.2.21.2.2 聚苯乙烯的共混改性及用途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 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

17、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

18、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

19、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

20、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 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，

21、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 23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

22、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 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

23、高，并且在苯乙烯质量分数为 72时达到最大值。 1.2.31.2.3 苯乙烯系列共聚物苯乙烯系列共聚物 （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

24、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。 （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

25、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

26、 （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） 增韧，透明性好改造硬质 pvc 的 加工性、抗冲性与耐 热性 丁二烯（k 树 脂） 透明度、冲击强度好食品包装、容器、 文具、医疗器械 1.31.3 聚苯乙烯的使用及生产近况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

27、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

28、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。 1.41.4 聚苯乙烯的发展现状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

29、。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

30、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。 1.4.11.4.1 聚苯乙烯产量及消费量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。 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30253084 德国450400 日本1022770 韩国1130562 法国382280 比利时705140 中国台湾省771187 加拿大195333 巴西314304 西班牙199211 1.4.21.4.2 聚苯乙烯的消费结构及预测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

31、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 1012kg 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 61510kg/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 510 年国内 ps 的潜在市场将会看好，但必

32、须要注意向 高档次牌号发展。 1.4.31.4.3 聚苯乙烯的主要生产厂商聚苯乙烯的主要生产厂商 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） 公司生产能力 basf2026 dow chemical1690 nova1391 atofina1100 奇美700 chevron phillps450 日本 a l kgj u l d hf/28 . 0 081 . 0 2 099 . 0 20023 . 0 2 2 1 （2）局部阻力的计算： 有 7 个 90标准弯头，查化工原理上册 p34 得局

33、部阻力系数分别是： 进口突然收缩 0.5 ，90标准弯头 0.75 ， kgj u hf/028 . 0 2 099 . 0 )5 . 0775 . 0 ( 2 22 2 总的阻力： kgjhhh fff /308 . 0 028 . 0 28 . 0 21 确定泵的扬程 )0, 6(13. 6 2 2 1 2 2 pzmh g uu g p zh f 5.6.35.6.3 确定泵轴功率确定泵轴功率 泵的有效功率： wgqhnh57.1857)3600/75.10(8 . 9 9 . 905 对于小流量的离心泵： neph 10.6取取 泵轴功率： 559.02 h h n nw 5.6.45

34、.6.4 泵的选型泵的选型 由输送温度为常温、粘度小、无腐蚀性、无固体颗粒的液体，流量小、扬程 小故选离心泵，离心泵结构简单，造价低，体积小，重量轻，安装检修方便。选 型号为 is50-32-160 泵四台，正常使用三台，备用一台。is50-32-160 泵的流量 6.3m3/h，扬程 8m，转速 1450r/min，效率 4.8%，轴功率 0.29kw，电动机功率 0.55kw；质量（泵/底座）=50/38，必须汽蚀余量 2.0m. 5.6.55.6.5 工艺管口的设计工艺管口的设计 （1）进料口管径 液体物料一般釜体上部加入，所以进料管口设在釜盖上。为了防止液体物料 沿釜壁流动，可将进料管

35、口伸进反应器内，有时还可将进料管口插入反应液中。 为了防止液体物料飞溅到釜壁，可将出口端向搅拌轴方向做成 45的切口。 本设计进料口开在上封头上，进料管口插入反应液至底部。 聚合釜每小时处理的反应混合液量： hkgw/08.1464 d 混合液的密度为： 3 /833mkg m 则每秒进料流率： 。 smv m /109 . 4 83360 08.1464 60 w 34- 22 d 进 进料流速为 0.15m/s，则进料管直径为： m u v d065 . 0 14 . 3 15 . 0 109 . 4 22 4- 1 进 进料口管径取 dn75，进料口管内径。 md075 . 0 1 （2

36、）出料口管径 出料口开在聚合釜的反应液液面位置上。由于苯乙烯和聚苯乙烯的密度相差 不多，连续操作，进入反应釜的物料与出反应釜的物料保持平衡，所以出口管径 与进口管径相同即： 。 mdd075 . 0 12 进出料口与筒体的连接均采用榫槽面平焊管法兰，公称通径 dn 为 75mm， 公称压力 pn 为 1.0mpa。其标准号：hg5011-58；垫片材质为橡胶石棉。 （3）仪表测量口 反应液常用的仪表测量口有测温口、测压口、液位测量口等。这些测量口的 直径通常是有规范的。测温口一般设在反应器的底部，温度计需插入反应液中。 为保护温度计，可将温度计放入金属套管中，然后插入反应液中。测压口设在反 应

37、器釜盖上。 （4）人孔的选用 选用圆形人孔，圆形人孔直径一般在 400600mm，因为容器压力不太大， 所以人孔可取大些更方便人进入清理等。 本课程设计选择直径 600mm 的人孔，开在聚合釜的上封头上。人孔主要由 筒节、法兰、手柄组成。 （5）飞机管架 当工艺管口过多时，可将物料性质相近的工艺管口组合在一起，做成组合管 架（飞机管架） ，减少釜盖的开口。一般分别将液体物料进料管口组合在一起， 将气体进出口和测压口、安全阀门、放空口等组合一起。 （6）支座的选用 本课程设计的聚合釜尺寸较大，而对于高大的釜设备最常用的支座就是裙式 支座。裙座的形式分为圆筒形和圆锥形，由于圆筒形裙座制造方便、节省

38、材料， 所以广泛使用，本课程设计也选用圆筒形裙座。 裙座与釜体的焊接形式选择对接焊缝，此种焊接形式可承受较高的轴向载荷， 适用于大型设备。对接焊缝要求裙座与釜体直径相等，所以裙座的直径也为 2.6m。 裙座斜边与垂直方向的夹角应控制在 15内。 聚合釜设计汇总表 序号项目数值 1聚合釜实际容积 t v14.33m3 2聚合釜公称直径 d2.6m 3聚合釜实际长径比 hd1.22m 4釜体直边高度 h1.8m 5釜体实际高度 h3.18m 6封头直径d取2.6m 7封头高度h取0.69m 8封头直边高度h取0.04m 9进料口管径 1 d0.075m 10出料口管径 2 d0.075m 第第 6

39、 6 章章 热量衡算热量衡算 热量衡算是指根据能量守恒定律对设备在操作过程中传入热量或传出热量的 平衡计算。 6.16.1 热量衡算的内容及作用热量衡算的内容及作用 6.1.16.1.1 为后续工艺设计提供依据为后续工艺设计提供依据 连续操作过程的热量衡算。计算正常操作时的传热速率，为设备传热面积， 传热介质流量，工艺管径等的计算及控制方案的选择提供依据，对于完整的工艺 设计过程，还需计算连续装置开、停车时传热效率的变化情况，以便为辅助工艺 控制过程的设计提供依据。 6.1.26.1.2 热量消耗的计算及能源的综合利用热量消耗的计算及能源的综合利用 热量消耗的计算主要为经济核算等提供依据，因此

40、需要按单位操作时间或处 理单位物质质量所需消耗热量进行计算。另外还需要根据热量衡算的结果，解决 能源合理应用的问题。 6.1.36.1.3 为其他专业设计提供依据为其他专业设计提供依据 提出传热介质的种类、相态、使用温度范围、使用压力范围、传热介质流量 及用量、设备是否需要保温等设计条件，为公用工程、自控仪表等提供依据。 6.26.2 传热设备的热量衡算传热设备的热量衡算 热量衡算按照能量守恒定律，传热设备的热量衡算由下式计算： 654321 qqqqqq q1物料带入设备的热量，kj q2加热剂或者冷却剂传递的热量（加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热 量为“”） ，kj q3过程的热效应（

41、放热为“+”，吸热为“”，与热焓符号正好相反） ，kj q4离开设备物料带走的热量，kj q5设备各部件所消耗的热量，kj q6设备的热损失，kj 要计算传热设备的热负荷 q2 ，一般以进料温度作为基准，所处理的物料带 入设备中的热量；热量损失在工业上一般的估计： 0 1 q 265 15%qqq 热平衡式整理为： 85 . 0 34 2 qq q （1）计算 3 q pr qqq 3 其中， a a r m g q 1000 查图，在 150下反应液的聚合反应热： ， molkjh ar /75)( 有=。 0 r qmolkjh ar /75)( 由于此聚合反应没有发生物料状态变化热效应，

42、故所产生的物理热效应可以 忽略不计，即，有 0 p q kjq m g qq r a a r 70 3 102 . 275 104 46.3092110001000 （2）计算 4 q 0d4 ttcgq pi 因为物料先预热到 80才进料，故取基准温度80，查附表在 150时， 0 t 反应液的比热容 cp=2.1kj/（kg.k） ，有 kjttcgq pi 6 0d4 1017 . 5 )80150(1 . 202.35138)( （3） 计算 2 q （反应为放热反应，故须采kj qq q 7 76 34 2 1098 . 1 85 . 0 102 . 21016 . 5 85 . 0

43、 用冷却水冷却） kj%qqq 67 265 1039 . 2 1059 . 1 15%15）（ 热量衡算表 项目输入热或反应热 kj输出热或热损失 kj 物料05.17 106 热效应2.2 107 0 设备及介质2.39 106 1.98 107 合计2.4 107 2.4 107 6.36.3 载热体的消耗量载热体的消耗量 要达到等温操作，则载热体带出热量应等于热量衡算式中的 q2 对于间歇釜式反应器，在进行热量衡算时是以每天处理的物料量为基准，在 计算传热面积时是以小时为基准。 进出 t 2 tc q g p cp-载热体的热容，kj/（kg） -每天生产的次数， -反应时间，h 夹套

44、的冷却水入口温度 20，出口温度 50，查表得冷却水的比热容 cp=4.174kj/（kg.k） 故 kj tc q g p 63.11670 36 . 1 8)2050(174 . 4 1059 . 1 t 7 2 进出 6.46.4 总传热系数总传热系数 k k 的确定的确定 反应器是进行化学反应的设备，化学反应过程常伴有放热或者吸热反应，为 了维持最佳的反应温度，反应器中必须设置传热装置。一般的搅拌釜是在釜体的 内部或外部设置供加热或冷却用的传热装置，通常为釜体外部夹套或釜内蛇管。 6.56.5 夹套传热装置的设计夹套传热装置的设计 夹套一般由普通碳钢制备，它是套在反应器筒外能形成密封空

45、间的容器，既 简单又方便。为了强化传热，在夹套内常采用螺旋导流板。夹套筒器身的间距视 容器公称直径的大小采用不同的数值，一般为 25100 mm。夹套的高度取决于 工艺要求的传热面积，但一般不能低于料液的高度，应比液面高度高出 50100 mm，以保证传热。通常加套内的压力不能超过 1000 kpa，夹套传热的优点是结 构简单，耐腐蚀，适应性强。但是传热效率不太高。 计算 k 值的基准面积，习惯上常用设备的外表面积 ao，当 a0/ai2 时近似按 平壁计算，即 aiamao。在计算给热系数不考虑锅壁厚度的影响。 z r k 夹套锅内 11 1 式中 k总传热系数，w/m2 -给热系数，w/m

46、2； rz-污垢热阻，m2/w； -反应器壁厚，m； -设备壁导热系数，w/m。 1. 釜侧的传热膜系数 可采用如下的关联式求取。 c s ba prresj d 锅 d锅的直径，m 流体的导热系数，w/（mk） n搅拌转速，s-1 d搅拌浆直径，m 流体密度，kg/m3 ，s流体及其器壁上的黏度 pas 查文献附表有聚乙烯的导热系数： =0.17w/（m. ） ， 由附图知在反应温度下反应液的粘度： =0.72 pa.s.则有以下计算 4001554 72 . 0 833)4/6 . 2(18 . 3 re 22 nd 1 .8894 17 . 0 72 . 0 101 . 2 pr 3 p

47、 c 常数 j、a、b、c 的值与搅拌器型式、res 的范围、锅内有无挡板、反应锅几 何形状等因素有关。由于本设计选取涡轮式搅拌器，有挡板，所以 j=0.74 a=0.67 b=0.33 c=0.14 即 c s ba prresj d 锅 0.14 s 0.330.67 prres0.74 17 . 0 6 . 2 锅 其中 =s 解得)/(33.216 2 kmw 锅内 2.夹套内的传热膜系数 由于该聚合反应是放热反应，需冷却，故夹套内通的是冷水，则可采用如 下的关联式：re3600 时： 20 80 9300 . e . d u 夹 本夹套操作反应设置通冷却水的入口温度为 20，出口为

48、50，则定性温度 是 （20+50）/2=35 查资料有夹套内水的物性数据是： u = 1m/s 3 /95.993mkg)/( 8 . 62kmwspa 4 10224 . 7 22 1.91.8 4 () 4 44 0.20dj di 1001800 1001900mm (1.80.018 2) e a dm l 夹套直径(） 所以 3600275180 10224 . 7 95.993120 . 0 re 4 ude 故85.3540 20. 0 2 . 0 9300 d u 9300 2 . 0 8 . 0 0.2 e 8 . 0 夹 w/（m2k）85.3540 夹 设置反应釜的壁厚

49、为 反应釜的材料为铸铁，则有导热系 mmm018 . 0 18 数 取垢层阻力 rz=0.0004（井水） 则总传热系数有： )/( 8 . 62kmw )/(79.130 0004 . 0 8 . 62 018 . 0 85.3540 1 77.149 1 1 11 1 2 cmw r k z 夹套锅内 6.66.6 传热面积的计算传热面积的计算 对于间歇釜式反应器，在进行热量衡算时是以每天处理的物料量为基准， 在计算传热面积时是以小时为基准。 c tt tt tttt tm 34.114 50150 20150 ln )50150()20150( ln )()( 22 11 2211 2

50、35 2 02 . 7 34.11479.1303600 10109 . 3 m tk q f m 6.76.7 夹套几何尺寸的计算夹套几何尺寸的计算 6.7.16.7.1 夹套直径夹套直径 djdj 的计算的计算 dj 可根据罐体内径按下表推荐的数据选取。夹套封头根据夹套直径及所选 封头形式按标准选取。 夹套直径 dj 与罐体直径 dj 的关系（mm） di500600700180020003000 djdi+50di+100di+200 本反应釜的公称直径 di =2600mm 故夹套直径 dj =di +200 =2600+200=2800mm 6.7.26.7.2 夹套高度夹套高度 h

51、jhj 的计算的计算 主要决定于传热面积 ah 的要求，且一般不低于液面高度，以保证充分传热。 此时可按： 1m v 封头 vv h a j va工艺计算给定容积，m3 v 封头罐体下封头容积，m3 v1m1m 高筒体容积，m3 1m 高筒体传热面积，m2 m f1 筒体的传热面积，m2 筒 f 封头的传热面积，m2 封 f 装料系数，可取 0.60.85 取装料系数则： 75 . 0 m vv h a j 55. 1 31 . 5 51 . 2 33.1475 . 0 v1m 封头 故取=1.6m，夹套筒体高度 h=1.6+0.69=2.29m j h 查表反应釜时，有 mmdn2600 3

52、 1 31 . 5 mv m 2 1 66 . 5 mf m 故有 查表有 2 1 773 . 8 66 . 5 55 . 1 mfhf mj 筒 2 7383 . 3 mf 封 所以 22 m02 . 7 f51.127383. 3773 . 8 fmf封 筒 则换热装置只选用夹套就足够了。 第第 7 7 章章 自动控制自动控制 7.17.1 控制方式控制方式 为了提高生产效率和产品质量，提高生产过程和工艺设备的安全性，提高生 产方案变化的灵活性和适应性，采用集散型控制系统（dcs）进行集中监控。 7.27.2 主要控制方案主要控制方案 根据国内装置多年生产经验，采用可靠成熟的控制方案。为了

53、确保装置运行 和人员安全，设有紧急停车系统（esd） 。esd 与 dcs 间有通讯接口，将 esd 的 所有控制内容状态，全部显示在 dcs 的 crt 上，以便操作人员全面掌握及控制 全厂的生产状态。 所有工艺参数的显示、打印、趋势记录以及信号越限报警均由 dcs 来完成。 dcs 留有与上位机的通讯接口，以便将来与总厂调度通讯，使厂方的管理人员时 时刻刻掌握整个工厂的生产运行状况。 7.2.17.2.1 泵的控制泵的控制 流量控制 1）通过控制离心泵的转速来控制泵的出口流量：这种控制方式在液体输送 管道上不需要安装调节阀，阻力损失小，机械效率高。用于循环水泵。 2）通过控制出口管路的阀门

54、开度控制泵出口流量：调节方便准确，适于化 工自动控制。用于原料进料泵、回流泵、循环泵、产品泵等工艺泵。 7 7.2.2.2.2 反应器的自动控制反应器的自动控制 化学反应器是化工生产过程中的重要设备。在化学反应器中可按受控条件进 行化学反应。反应器的结构有箱状和管状两种，前者容纳均匀混合的反应物，后 者则连续流过反应物。反应器的操作方式有批量和连续两种。化学反应可按单相 和多相进行，多相反应通常在催化剂的作用下进行。批量反应在给定的时间内进 行，连续反应沿反应物流体的流线进行，催化反应沿催化剂的表面进行。反应器 控制的优劣对生产过程的经济效益有直接影响。反应器的控制变量为反应物的流 速，控制作

55、用施加在反应器内或入口处的反应物流体上，同时对流速的变化率和 范围均有限制。因此，化学反应器的控制属于约束控制，常采用最优预测和适应 控制。 任何一个化学反应都有它最适宜的温度。温度控制的首要任务是正确选择敏 点位置，把感温元件安装在敏点处，可以及时反映整个反应温度的变化。 第第 8 8 章章 设计结果设计结果 本次设计的主要设计结果如下： 物料衡算表 名称输入物料 kg/h输出物料 kg/h 苯乙烯1288.825.77 甲苯175.69175.69 聚苯乙烯01262.03 总计1464.491464.49 聚合釜设计汇总表 序号项目数值 1聚合釜实际容积 t v14.33m3 2聚合釜公

56、称直径 d2.6m 3聚合釜实际长径比 hd1.22m 4釜体直边高度 h1.8m 5釜体实际高度 h3.18m 6封头直径d取2.6m 7封头高度h取0.69m 8封头直边高度h取0.04m 9进料口管径 1 d0.075m 10出料口管径 2 d0.075m 热量衡算表 项目输入热或反应热 kj输出热或热损失 kj 物料05.17 106 热效应2.2 107 0 设备及介质2.39 106 1.98 107 合计2.4 107 2.4 107 参考文献参考文献 李爱英, 李玉柱, 张 帆, 等. 高支化聚苯乙烯的合成与表征j. 江苏常熟理工学院, 江苏,常 熟: 2006 年 35 卷

57、第 6 期 2 宋学君. 聚苯乙烯泡沫塑料回收与改性利用的研究d. 东北大学, 博士学位论文, 2005 年 11 月 3 闫 展, 赵 妍, 赵振河, 等. 低温环保型聚丙烯酸酯黏合剂的合成及应用d, 西安工程大 学纺织与材料学院, 陕西: 2011 8-12 4 王文清. 聚苯乙烯工业装置的建模与优化d, 浙江大学, 博士学位论文, 2004 年 2 月 5 杨军校, 隋海波, 杨海君, 等. 新型硫掺杂聚苯乙烯的制备与表征j, 西南科技大学材料科 学与工程学院, 四川: 2010 年 7 月 794-798 6 台启龙. 新型磷氮化合物的合成及其阻燃聚苯乙烯的研究d, 中国科学技术大学,

58、 博士学 位论文, 2012 年 6 月 7 闫俊涛. 功能性聚苯乙烯复合粒子的合成与性能研究d, 吉林大学, 博士学位论文, 2012 年 5 月 8 董兰国, 常 娜, 宗成中, 等. 国内外聚苯乙烯共混改性研究进展j, 青岛科技大学橡塑材 料与工程教育部重点实验室, 山东青岛, 2005 71-74 9 陈志军, 彭 凯, 方少明, 等. fe3o4表面原位引发可控/“活性”聚合制备磁性聚苯乙烯纳米 粒子j, 郑州轻工业学院材料与化工学院, 高分子材料与工程系, 郑州: 2007, 23(3): 349- 354 10 吴宇, 低顺式聚丁二烯合成及其应用于连续本体法高抗冲 abs 制备研

59、究j, 兰州大学, 硕士学位论文, 2013 年 12 月 11 于志省. 本体法高性能 abs 树脂的研究d, 大连理工大学, 博士学位论文, 2010 年 9 月 12 齐桂莲. 废聚苯乙烯泡沫塑料的回收利用d, 泰山学院材料与化学工程系, 山东: 2006, 37 (1): 4852 13 谢芳宁, 潘勤敏, 孙建中, 等. 苯乙烯本体聚合机理及动力学模型j, 浙江大学高分子科 学与工程研究所, 杭州, 1997, 01-15 14 薛祖源, 聚苯乙烯生产与发展综述j, 中国天辰化学工程公司, 天津, 2006,16(6): 6-16 15 王梅, 刘源, 李杨. 连续本体法聚苯乙烯中试

60、装置的开发j, 北京燕山石油化工有限公司 研究院, 合成树脂及塑料, 2002, 18(4): 63-71 16 徐定红, 何 敏, 于 杰. 无卤阻燃高冲击强度聚苯乙烯体系研究进展j, 贵州正业工程 技术投资有限公司, 贵州: 2010 17 贾忠明. 苯乙烯系增韧树脂本体原位制备技术的研究j, 大连理工大学, 硕士学位论文, 2009 年 7 月 18 amosj l .the development of impact polystyrene j, .polym eng sei,1974,14(1):1 19 徐满才, 史作清, 何炳林, 超高交联聚苯乙烯吸附剂的合成、结构与性能j, 南