年产12万吨PS本体聚合车间的工艺设计

1、12 万吨/年 ps 本体聚合车间的工艺设计 院 系： 专业班级： 指导老师： 姓名学号： * * * * * * * * 完成时间： 2015 年 1 月 4 日 前前 言言 聚苯乙烯塑料简介聚苯乙烯系塑料指大分子链中包括苯乙烯的一类塑料，包括苯乙烯及其共聚 物，具体品种包括 ps、 hips 及 abs 三类。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。ps 包括普通聚苯乙烯(gpps)、可发性聚苯乙烯 (eps)和茂金属聚苯乙烯(sps)等。eps 为在 gppg 中浸渍低沸点的物理发泡剂，加工中受热可发泡。 sps 为间同 p

2、s，详见本节改性品种中介绍。 ps 的优点为高透明性、其透光率可达 90%以上，电 绝缘性好、身着色、加工流动性好、刚性好及耐化学腐蚀性好等。ps 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。到 2000 年，我国 ps 的年产量可达 85 万 t。主要生产厂家有:台湾奇美惠州工厂(gpps300kt/a)、扬子石化公司(gpps 和 hips120kt/a)、汕 头海洋公司 ps 厂(gpps80kt/a)、湛江中美化学公司 (gpps80kt/a)、高桥石化公司 (gpps 和 hips50kt/a)、广州石化总厂 (gpps 和 hips50kt/a)、无锡华

3、腾化工塑料公司 (gpps 和 hips7.5kt/a) 、 上海石化总厂(eps30kt/a) 、 齐鲁石 化 公司 (gpps36kt/a) 、 大 庆石 化总 厂(gpps 和 hips25kt/a)、吉化公司有机合成厂 (gppsl0kt/a)、金陵石化公司塑料厂 (epsl0kt/a)、 汕头合成树脂厂(gpps 和 hipsl0kt/a)、上海塑料制品七厂 (eps3kt/a)、盘锦乙烯公司 (hips2kt/a)以及北京燕山石化二分厂、常州化工厂、大连氯酸钾厂及哈尔滨化工四厂等。 、psps 的结构的结构 ps 的大分子主链为饱和烃类聚合物，具有良好的电绝缘性又因吸湿性小，可用于

4、潮湿环境中。 ps 的侧基为体积大的苯环，分子结构不对称，大分子链运动困难，ps 呈现刚性和脆性，制品易 产生内应力。 由于苯基的存在，主链上氢原子活化，易于被空气中的氧氧化，制品长期户外使用 变黄变脆。但同时，苯基的存在又赋予其较高的耐辐射性能，在 106gy 辐射剂量下，性能变化很小。 、psps 的性能的性能 （a）一般性能 ps 为无色透明的粒料，燃烧时发浓烟并带有松节油气味，吹熄可拉长丝；制品 质硬似玻璃状，落地或敲打金发出类似金属的声音能断不能弯，断口处呈现蚌壳色银光。 ps 的 吸水率为 0.05%，稍大于 pe，但对制品的强度和尺寸稳定性影响不大。 (b)光学性能透明性好是 p

5、s 最大的特点，透光率可达 88%92%，同 pc 和 pmma 一样属最优秀 的透明塑料品种，人称三大透明塑料。ps 的折射率为 1.591.60，但因苯环的存在，其双折射较 大，不能用于高档光学仪器。 (c)力学性能 ps 硬而脆、无延伸性、拉伸至屈服点附近即断裂。ps 的拉伸强度和弯曲在通用 热塑性塑料中最高，其拉伸强度可达 60mpa但冲击强度很小，难以用做工程塑料。ps 的耐磨性差， 耐蠕变性一般。ps 的力学性能随温度的影响比较大。 (d)热学性能 ps 的耐热性能不好，热变形温度仅为 7090，只可长期在 6080温度范 围内使用。 ps 的耐低温性也不好，脆化温度为 30。ps

6、 的热导率低，一般为 0.040.13w/mk 线膨胀系数较大，与金属相差悬殊，故制品不易带金属嵌件。 (e)电学性能 ps 的电绝缘性优良，且不受温度和湿度的影响，介电损耗角正切值小，可耐适 当的电晕放电，耐电弧性好，适于做高频绝缘材料。 (f)环境性能 ps 的化学稳定性较好，可耐一般酸、碱、盐、矿物油及低级醇等，但可受许多 烃类、酮类及高级脂肪酸等侵蚀，可溶于芳烃 (如苯、甲苯、乙苯及苯乙烯)、氯化烃(如四氯化碳、 氯仿及氯苯)等。ps 的耐候性不好，耐光、氧化性都差，不适长期户外使用，但 ps 的耐辐射性好。 ps 的主要用途为包装产品 50%，透明产品 40%，注塑制品 10%。 受

7、欧洲债务危机加深等因素的影响，世界经济的不确定性也随之增加。经济复苏放缓，国际市 场需求萎缩，加之人民币汇率升值、中东地区局势动荡等因素的影响，2011 年 ps 出口业务呈现放 缓的趋势。中国 ps 经历了二十多年的发展，从进口发展到有能力自给，再到出口大国，产品产量、 品质、价格优势明显。具有很强的竞争力。 本设计采用本体法连续聚合生产聚苯乙烯。 目 录 前 言 1 1 目 录 2 2 设计指导书 4 4 1 ps 的聚合机理 4 4 1.1 聚合过程 4 4 1.1.1 链引发 4 4 1.1.2 链增长 4 4 1.1.3 链终止 4 4 1.1.4 链转移 4 4 1.2 聚合工艺

8、4 4 1.2.1 预聚合 4 4 1.2.2 聚合 5 5 1.2.3 分离及聚合物后处理 5 5 1.3 聚合体系各组分及作用 5 5 1.3.1 单体苯乙烯 5 5 1.3.2 引发剂 5 5 1.3.3 添加剂 6 6 2 聚苯乙烯工艺流程设计 6 6 2.1 工艺路线 6 6 2.2 单体原料路线的确定 6 6 2.3 溶剂的选择 6 6 2.4 工艺流程及工艺参数 6 6 2.5 方案流程图 7 7 2.6 工艺流程草图 7 7 3 物料衡算及热量衡算 8 8 3.1 生产规模 8 8 3.2 化学变化及物理化学变化 8 8 3.3 链增长 8 8 3.3.1 计算主要原料投料流量

9、 8 8 3.3.2 物料平衡投料汇总 1010 3.4 热量衡算 1111 4 反应器的设计 1212 4.1 设计内容及要求 1212 4.2 设备的工艺计算及选型 1212 4.2.1 聚合釜的计算 1212 4.2.2 泵的选择 1313 4.3 换热器的设计 1515 4.4 储罐的选择 1717 4.5 设计一览表 1818 4.6 搅拌装置的设计 1818 4.6.1 选择搅拌桨叶形式 1818 4.6.2 搅拌附件的设计 1818 4.6.3 确定搅拌转速 1919 4.6.4 计算搅拌桨叶排出流量 1919 4.6.5 计算搅拌功率 1919 4.7 传热装置的计算 2020

10、 4.8 进料口径的计算 2121 4.9 轴封装置 2121 5 参考文献 2222 6 致谢 2323 1 1 psps 聚合机理聚合机理 1.11.1 聚合过程聚合过程 在烃类物质中，苯乙烯的单体活性较大。而对自由基而言，苯乙烯在烃类之中自由基活性较小， 也就是说苯乙烯自由基不活泼。这是因为苯乙烯单体的双键与苯环产生共轭反应，双键上的电子云 易流动极化，兀键易均裂，所以苯乙烯单体活泼。而当苯乙烯形成苯乙烯自由基时，自由基的独立 电子也可与苯环共轭而稳定，故苯乙烯的自由基就不活泼。聚苯乙烯热引发连续本体聚合时，其聚 合机理是基于典型的自由基聚合过程，它总是由链引发、链增长和链终止三个基本单

11、元组成。 热引发就是苯乙烯单体受热使部分苯乙烯的双键打开，进行双烯加成反应， 形成中间产物， 再与单体进行氢原子转移产生初级游离基，从而引发大量的苯乙烯进行聚合反应。 1.1.11.1.1 链引发链引发 苯乙烯单体的分子式中的双键虽然与苯环产生共轭，相对稳定，但在受热激发后，仍可产生自 由活性种，最初的热引发过程是进行双烯加成反应，产生两个初级游离基，在游离基的影响下，单 体的烯烃双链会产生自由基活性种。 1.1.21.1.2 链增长链增长 活性种在运动过程中，将会彼此相遇而结合成多分子的聚合物，而且这些分子仍带有活性（多 余的一个电子呈负极性），苯乙烯的活性种结合有三种方式，头尾、头头、尾尾

12、相接。但实验证明 其主要是头尾相接。因为头尾相接结构稳定共轭，所以其能级较低；头头相接或尾尾相接，能级较 高，其结构相对不稳定。如此的链增长是相当迅速的。因链增长的活化能低，苯乙烯的活化能为 32.7kj/mol，其在 0.01 秒几秒之内可能聚合成千上万、而链增长中，聚苯乙烯的聚合热为 69.9 kj/mol，如何处理好聚合热是聚苯乙烯聚合反应的关键。但实验证明，其主要是头尾相接。因为头 尾相接结构稳定共轭，其能级较低。头头相接或尾尾相接，能级较高，其结构相对不稳定。如此的 链增长是相当迅速的。因链增长的活化能低，苯乙烯的活化能为 32.7 kj/mol，其在 001 秒几 秒之内可能聚合成

13、千上万、而链增长中，聚苯乙烯的聚合热为 699 kjmol，如何处理好聚合热 是聚苯乙烯聚合反应的关键。 1.1.31.1.3 链终止链终止 链终止可以有双键耦合终止和单基终止。据实验，苯乙烯在较低聚合温度的情况下，几乎百分 之百是偶合型终止。在高转化率和高粘度的情况下，活性链与反应器金属表面碰撞发生金属自由电 子结合，“粘壁”终止，或被高粘度聚合物包裹而终止。 1.1.41.1.4 链转移链转移 链转移是指高分子活性链相互作用，结果使电子或氢原子的转移，使活性链失去活性而成为稳 定高分子。聚苯乙烯的稳定链也是通过链转移得到的。链转移的另一种形式是高分子活性链与单体 作用，使高分子的活性点转移

14、到单体，单体成为活性种，这种链转移不影响聚合速率。 1.21.2 聚合工艺聚合工艺 由于本体聚合体系的黏度大，聚合热不容易导出，易引起局部过热，轻者会使产品变形，影响 产品质量，重者会引起爆聚，使聚合失败。为了解决这个矛盾，苯乙烯热聚合在工艺上分“预聚” 和“聚合”两段进行。 1.2.11.2.1 预聚合预聚合 预聚合在预聚釜中完成。预聚釜是带搅拌装置的压力釜。带有球形盖及底的铝质或不锈钢的圆 筒形设备，内部有传热盘管，外壁有钢质夹套，并装有不锈钢的锚式或框式搅拌器。预聚釜容积视 生产能力而定，我国早期聚苯乙烯生产装置的预聚釜的容积为 2m3。 预聚合的工艺条件：搅拌转速为 3036r/min

15、，温度保持 8090，6h7h，转化率 30 35，这时苯乙烯聚合的自动加速现象尚未出现或刚开始。由预聚釜出来的混合物转化率为 30%35%。 预聚合过程中要采用隋性气体保护：反应系统中采用 n2 保护，尤其是脱氧 n2 保护，可抑制 聚苯乙烯热氧化而变黄。 1.2.21.2.2 聚合聚合 转化率为 30%35% 的粘稠预聚浆自两台预聚釜底部经阀门沿加热导管连续地流入聚合塔中， 温度在 100200，转化率约 98%，自聚合釜流出的物料中聚苯乙烯的浓度约为 7090%，尚有不 少未反应的苯乙烯单体、溶剂和易挥发物，送入脱挥器以脱除可挥发组分。脱除可挥发组分后的熔 融聚苯乙烯可以直接造粒，包装。

16、 1.2.31.2.3 分离及聚合物后处理分离及聚合物后处理 真空脱气塔塔底装有筛板，从塔底连续流出的 ps 熔融物经真空系统脱除单体和低聚物后呈细 条状挤出。经牵引、流水冷却后，用切粒机造粒。粒状的 ps 用水流输送到料仓，过滤、脱水、干 燥得成品，然后包装出售。 本次课题主要研究采用热引发本体聚合的聚合工艺制备聚苯乙烯，首先是苯乙烯的预聚合反应， 将苯乙烯单体、引发剂以及其他一些助剂加入搅拌转速为 3036r/min，温度保持在 8090的 预聚釜中反应 67 小时。然后再进行后聚合反应，将转化率为 3035% 的黏稠预聚浆自两台预聚 釜底部经阀门沿加热导管连续地流入后聚合釜中进行反应，温

17、度保持在 100200。最后进行分 离及聚合物后处理，自后聚合釜流出的物料送入脱挥器，脱除单体和低聚物，然后从挤出机中呈细 条状挤出，经牵引、流水冷却后，用切粒机造粒。粒状的 ps 输送到料仓，过滤、脱水、干燥得成 品，然后包装。 1.31.3 聚合体系各组分及作用聚合体系各组分及作用 1.3.11.3.1 单体苯乙烯单体苯乙烯 苯乙烯为无色或微黄色易燃液体。有芳香气味和强折射性。不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、 二硫化碳等有机溶剂。苯乙烯的熔点为30.6，相对密度为 0.9019，沸点为 145.2，折射率 1.5463，闪点为 31，临界温度为 373，临界压力为 4.1mpa。 闪点是指

18、可燃性液体表面上的蒸 汽和空气的混合物与火接触而初次发生闪光时的温度。临界温度是该物质可能被液化的最高温度。 临界压力是指在临界温度时使气体液化所需要的最小压力。 苯乙烯受热会形成自由基，受热至 120时自由基生成速率明显增加，可用于引发聚合。因而， 苯乙烯的聚合可以不加引发剂，而是在热的作用下进行热引发聚合。但苯乙烯的热聚合产物很复杂， 至少有 15 种聚合物生成，其中，三烯化合物是真正的引发剂。三烯化合物与苯乙烯发生氢原子转 移反应，生成两个单体自由基，然后进行引发聚合： 由于苯乙烯分子中的乙烯基与苯环之间形成共轭体系，电子云在乙烯基上流动性大，使得苯 乙烯的化学性质非常活泼，不但能进行均

19、聚合，也能与其他单体如丁二烯、丙烯腈等发生共聚合反 应。是合成塑料、橡胶、离子交换树脂和涂料等的主要原料。 苯乙烯在贮运存过程中会发生自聚，一般加入少量阻聚剂对叔丁基邻苯二酚（tbc）。使用前 应该用氢氧化钠水溶液洗涤、水洗、干燥纯化。一般工业级苯乙烯中含有少量乙苯、2甲基苯乙 烯、异丙苯等杂质，对聚合及产物性能会产生影响。 1.3.21.3.2 引发剂引发剂 为了更好地控制产品分子量及其分布、单体转化率，热引发苯乙烯本体聚合体系中还加入一定 量的引发剂。常用的引发剂有偶氮类及过氧类引发剂， 要求 t1/2 = 1hr （100140）为好 ，比如 bpo（中温）和过氧化苯甲酸叔丁酯（高温）的

20、复合引发剂。广东化工2003 年第 30 卷 第 2 期文献研究报道：研究者考察了热引发方式和不同种类、浓度下的引发剂引发方式在苯乙烯的 热引发 n 本体聚合中对聚合反应速率和产品的分子量及其分子量分布的影响28。结果表明：引发剂用于苯 乙烯的本体聚合可缩短反应停留时间、提高转化率或提高产品的分子量、使分 子量分布变窄，双官能团引发剂的影响更为明显。如双功能引发剂过氧化壬二酸二叔丁酯使用 后可以明显增加分子量，改善分子量分布： 1.3.31.3.3 添加剂添加剂 少量添加剂如抗氧剂、润滑剂、着色剂。 抗氧剂是一类化学物质，当其在聚合物体系中仅少量存在时，就可延缓或抑制聚合物氧化过程 的进行，从

21、而阻止聚合物的老化并延长其使用寿命，又被称为“防老剂”。 润滑剂的品种相当多，常用的外润滑剂有石蜡、硬脂酸及其盐类；内润滑剂有相对低分子量的 pe、ptfe、pp 等。这些低分子量的聚合物不但是优良内润滑剂，而且也是很好的外润滑剂。有时 候，一种润滑剂的效果往往不理想，需要几种润滑剂配合使用，由此而产生了复合润滑剂，可以起 到多方面的作用。 着色剂主要分颜料和染料两种。颜料按结构可分为有机颜料和无机颜料。染料是可用于大多数 溶剂和被染色塑料的有机化合物、优点为密度小、着色力高、透明度好，但其一般分子结构小，着 色时易发生迁移。 2 2 聚苯乙烯工艺流程设计聚苯乙烯工艺流程设计 2.12.1 工

22、艺路线工艺路线 本次课题主要研究采用热引发本体聚合的聚合工艺制备聚苯乙烯，首先是苯乙烯的预聚合反应， 将苯乙烯单体、引发剂以及其他一些助剂加入搅拌转速为 3036r/min，温度保持在 8090的 预聚釜中反应 67 小时。然后再进行后聚合反应，将转化率为 3035% 的黏稠预聚浆自两台预聚 釜底部经阀门沿加热导管连续地流入后聚合釜中进行反应，温度保持在 100200。最后进行分 离及聚合物后处理，自后聚合釜流出的物料送入脱挥器，脱除单体和低聚物，然后从挤出机中呈细 条状挤出，经牵引、流水冷却后，用切粒机造粒。粒状的 ps 输送到料仓，过滤、脱水、干燥得成 品，然后包装。 2.22.2 单体原

23、料路线的确定单体原料路线的确定 苯乙烯的合成一般为精制的苯在三氯化铝作用下与乙烯反应生成烃化液，然后脱氢得到苯乙烯。 结合当地情况，因地制宜，选择合适的原料路线。选用工业成品苯乙烯作为生产原料，以下为苯乙 烯主要物性参数，如表 所示。 表 2.1 苯乙烯主要物性参数表 项目数值项目数值 沸点/ 凝固点/ 密度/(g/ml ) 聚合热(hp)/(k/g) 聚合时体积收缩率/% 145.15 -30.6 0.297 -0.6702 17.0 溶解度（苯乙烯在水中，25） 溶解度（水在苯乙烯中，25） 溶解度（氧在苯乙烯中，25） 折光率(25)/nd 0.00032 0.00065 0.00005

24、 1.54395 2.32.3 溶剂的选择溶剂的选择 各种溶剂对反应原料，产物及反应所用的各种引发剂的溶解能力不同。从溶解度参数，体系黏 度，工程上传热与搅拌，生产能力提高，回收难以，毒性大小，经济，来源，输送等几方面对苯、 甲苯、乙苯等综合比较，确定选乙苯。 2.42.4 工艺流程及工艺参数工艺流程及工艺参数 本次设计主要是针对年产 12 万吨聚苯乙烯聚合车间工艺的设计。设计的内容主要包括概述、 工艺路线选择、工艺流程的设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺设计（反应器和其他主要设备） 、设计评述等几部分。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

25、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十二万 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 24000000kj。 2.52.5 方案流程图方案流程图 图 2.1 方案流程图 2.62.6 工艺流程草图工艺流程草图 图 2.2 工艺流程草图 3 3 物料衡算及热量衡算物料衡算及热量衡算 3.13.1 生产规模：生产规模： 年产量：12 万吨/a 生产时间：年工作日：330d/a.(24h/d) 相关技术指标： 苯

26、乙烯 碱洗 水洗 减压精馏 精制苯乙烯 挤出、造粒包装 混合 乙苯 聚合 工艺配方：防老化剂：1%（质量） 抗紫外线剂：1%（质量） 投料配比：0.94:0.0 切粒、包装工序物料损失率：e=0.5% 3.23.2 化学变化及物理化学变化化学变化及物理化学变化 变化关系，如表 3.1 表示 表 3.1 化学变化及物理化学变化的变化关系 化学物名称苯乙烯乙苯ps 链节聚合物 相对分子质量符号 msmp 相对分子质量 10410610470000 3.33.3 物料衡算物料衡算 3.3.13.3.1 计算主要原料（计算主要原料（psps）投料流量）投料流量 该生产 12 万吨（年开工 330d）连

27、续生产、切粒、包装工序物料损失率 0.5% ps 熔体流量=120000 x/330 x24x（1-0.005）=15227.65kg/h 3 10 熔体流量= +(c+d)=1.0398 nx wmtps twtw sm 实际投料量=1.03785x 熔体流量 ）（）（）（000125 . 0 -100025 . 0 -10005. 0-1)001 . 0 1 ( tw sm 实际投料质量流量=15227.65x1.03785=15804.02kg/h sm 投料摩尔流量=15804.02/104=151.9617kmol/h 101.0-苯乙烯 102.1-乙苯 101.1-苯乙烯 乙苯

28、201.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 201.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 202.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 202.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 203.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 230.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 204.2-苯乙烯 乙苯 低聚物 204.1-苯乙烯 乙苯 聚合物 301.1-苯乙烯 聚合物 301.2-苯乙烯 乙苯 (1)v101 物料衡算 101.0 sm: 15804.02kg/h v101.2 乙苯：15804.02x1/23.5=672.51 kg/h 合计：15804.02+ 672.51 =16476.53 kg/h （2） r201 物料衡算（转化率 15%） 由于抽真空

29、有少量聚合物被带出，同时带出少量的乙苯、苯乙烯 聚合物： 15804.02x15%x0.999=2368.23 kg/h 苯乙烯： 15804.02x（1-15%）x0.999=13419.98 kg/h 乙 苯： 672.51x0.999=671.84 kg/h 201.1 671.84+13419.98+2368.23=16460.05 kg/h 201.2 672.51x0.001+15804.02 x15%x0.001+15804.02x(1-15%)x0.001=16.48kg/h 对 r201 进行物料平衡验算： 总进料量：15804.02+ 672.51=16476.53 kg/

30、h 总出料量：16460.05+16.48=16476.53 kg/h (3) r202 物料衡算 （转换率 35%） 由于抽真空有少量聚合物被带出，同时带出少量的乙苯、苯乙烯 苯乙烯：13419.98x（1-35%） x0.9995=8718.63 kg/h 乙苯：671.84x0.9995=671.50 聚合物： （2368.23+13419.98）x35%x0.9995=5523.11 kg/h 2368.23x65%=1539.35 kg/h 202.1 1539.35+8718.63+671.50+5523.11=16452.59 kg/h 202.2 13419.98x(1-35%

31、)+671.84+(2368.23+13419.98) x35%x0.0005=7.46 kg/h 对 r202 进行物料平衡验算： 总进料量： 16460.05 kg/h 总出料量：16452.59+7.46=16460.05 kg/h （4） r203 物料衡算 （转换率 55%） 由于抽真空有少量聚合物被带出，同时带出少量的乙苯、苯乙烯 苯乙烯： 8718.63x（1-55%）x0.99975=3922.48 kg/h 乙苯：671.5x0.99975=671.38 kg/h 聚合物： （5523.11 +1539.35 +8718.63）x55%x0.99975=8677.45 kg/

32、h （1539.35+5523.11）x(1-55%)=3178.15 kg/h 抽出的低聚物：（5523.11 +1539.35 +8718.63）x55%x0.00025=1.98 kg/h 抽出的乙苯、苯乙烯：（8718.63x0.45+671.5）x0.00025=1.15 kg/h 203.1 3922.48+671.38+8677.45+3178.15=16449.46 kg/h 203.2 1.98+1.15=3.13 kg/h 对 r203 进行物料平衡验算： 总进料量：16452.59 kg/h 总出料量：16349.46+3.13=16452.59 kg/h (5) r20

33、4 物料衡算 （转换率 75%） 由于抽真空有少量聚合物被带出，同时带出少量的乙苯、苯乙烯 苯乙烯：3922.48x（1-75%）x0.999875=980.50 kg/h 乙苯：671.38 x0.999875=671.30kg/h 聚合物： （3922.48+8677.45 +3178.15）x75%x0.999875=11832.08 kg/h (8677.45+3178.15) x(1-75%)=2963.9 kg/h 抽出的聚合物：3922.48x(1-75%)+671.30 x0.000125=0.20 kg/h 抽出的乙苯、苯乙烯： (3922.48+8677.45+3178.1

34、5) x75%x0.000125=1.48 kg/h 204.1 2963.9+980.50+671.30+11832.08=16447.78 kg/h 204.2 1.48+0.206=1.68 kg/h 对 r204 进行物料平衡验算： 总进料量：16449.46 kg/h 总出料量：16447.78+1.68 =16449.46 kg/h （6）x301（蒸出 7.5%） 301.1 16447.78x(1-7.5%)=15214.20 kg/h 301.2 16447.78x7.5%=1233.58 kg/h 3.3.23.3.2 物料平衡投料汇总物料平衡投料汇总 表 3.2 ps 本

35、体法聚合连续操作物料平衡表 物流代号苯乙烯乙苯聚合物合计 101.0 101.1 101.2 201.1 201.2 202.1 202.2 203.1 203.2 204.1 204.2 301.1 301.2 3.43.4 热量衡算热量衡算 在化工过程中，各种热量之间的转换关系可以用热平衡方程表示： q =h进 -h出 其中q设备或系统与外界环境交换热量之和，通常包括热损失，kj； h进离开设备或系统的各股物料的焓之和，kj； h出进入设备或系统的各股物料的焓之和，kj； 在解决实际问题时，热平衡方程写成一下形式更容易计算： qt=q1+q2+q3+q4 式中 qt设备或系统内物料与外界交

36、换热量之和（传入为正、传出为负），kj； q1由于物料温度变化系统与外界的热量交换，kj； q2由于物料发生各种变化，系统与外界交换的热量，kj； q3由于设备温度改变，系统与外界交换的热量，kj； q4设备向外界环境散失的热量，kj； 上式热平衡方程也可以写为如下形式： qt=q1+q2+q3+q4 (kj/h) 式中各项 q 的物理意义与上式相对应，上式是按交换的热量建立的平衡方程，该式是按传递热 速率建立的热平衡方程，在实际中上式更具有使用意义。 由于反应在恒温恒压下进行并且为连续操作，所以对于各反应釜而言q1=0，q2=0，的 10%。(1)r201 vr=19x0.8=15.2 ca

37、=15804.02/104/15.2=10.00kmol/(m*h) ra=kca=240 x10=2.4xkmol/h q2=hrravr=-70 x15.2x2.4x=-2.55 kj/h 6 10 qt=q2/(1-10%)=-2.83 kj/h 6 10 q4 =qtx10%=-2.83 kj/h 4 10 (2)r202 vr=15.2x(1-0.15)=12.92m ca=8718.63/104/12.92=6.49kmol/(m*h) ra=kca=285x6.49=1.85xkmol/h q2=hrravr=-70 x12.92x1.85x=-1.67x kj/h qt=q2/

38、(1-10%)=-1.86x kj/h q4 =qtx10%=-1.86x kj/h (3)r203 vr=12.92x(1-0.15)=10.98 ca=3922.48/104/10.98=3.43 () ra=kca=321x3.43=1.1xkmol/h q2=hrravr=-70 x10.98x1.1x=-8.45xkj/h qt=q2/(1-10%)=/(1-10%)=- kj/h q4 =qtx10%= x10%=-9.39x kj/h (4)r204 vr=10.98x(1-0.15)=9.33 ca=980.50 /104/9.33=1.01 () ra=kca=352x1.0

39、1=355.52kmol/h q2=hrravr=-70 x9.33x355.52=-2.32xkj/h qt=q2/(1-10%)=- kj/h q4 =qtx10%=-2.58x kj/h 4 4 反应器的设计反应器的设计 4.14.1 设计内容及要求设计内容及要求 本次设计内容主要是 12 万吨/年 ps 本体聚合及产物后处理生产车间的工艺设计中的一部分，主 要设计内容有设计工艺计算，编写主要的设备工艺条件图，编制聚合及后处理工段的 pfd 及 pid。 具体详细的设计内容及要求有： （1） 主要设备的工艺计算，主要是反应釜，包括工艺参数 的选定，原材料的小号计算，动力 计算及设备的工艺

40、尺寸计算和结构设计； （2） 典型辅助设备的选型及计算，主要是泵的选择，换热器的计算及储罐的选择，包括这些 设备的主要尺寸的计算和设备型号的规格的选定； （3） 以单线图的形式绘制工艺流程图，标出主要设备辅助设备和主要工艺参数测量点，并绘 制聚合及产物后处理工段的 pfd 和 pid。 4.24.2 设备的工艺计算及选型设备的工艺计算及选型 4.2.14.2.1 聚合釜的计算聚合釜的计算 苯乙烯的本体集合过程采用连续四釜搅拌，而且四个釜的体积相同，其主要优缺点有，结构简 单，返混程度与高/径比及搅拌有关，轴向温差大。主要原料有苯乙烯和乙苯，采用热引发，不用 催化剂，在后处理过程中添加抗老化剂和

41、抗紫外线剂。 （一）基础数据 苯乙烯乙苯抗老化剂抗紫外线剂 94%4%1%1% 原料在整个反应过程中亏损率为 10%；装料系数为 0.85；物料在聚合釜内平均停留时间为 3.5h 以第一个釜为例，设计温度；釜内 100，设计压力；釜内 0.06mpa （2）聚合釜体积计算 一年内所需苯乙烯和乙苯的质量；12（94%+4%）90%=13.07（万吨） 每小时处理物料量;13.073.533024910=63.47 所需总反应体积：63.470.85=74.67 聚合釜体积：74.674=18.67 综上所述，聚合釜为 4 台，考虑 1.2 的备用系数，则需 19聚合釜 5 台 （二）聚合釜尺寸的

42、计算和选型 （1）选择长径比 因反应采用热引发，所以聚合釜采用长径比（h/d）小即矮胖型，釜内液体比表面积大，表面 更新容易，分子组分易气化；搅拌轴较短，搅拌装置旋转稳定，搅拌桨直径大，需要搅拌功率高， 对传热面积的增加不利；传热距离较长，传热效果差。综合取长径比（h/d）=1.2 （2）封头及釜径的确定 封头的选型 上下封头均用标准椭圆封头，封头高度：0.25d；封头体积 0.131 釜径的计算 设：h 为釜体直边高度、h 为反应器釜体总高度，则 h=h+20.25d=1.2d 所以 h=0.7d v=/4 d= 根据标准取 3m 封头尺寸确定（其设计标准参考教材聚合物合成工艺设计186 页

43、） d=3000mm 查表 3 标准椭圆封头得对应的封头曲面高度 封头的直边高度为 50mm， 厚度 =30mm 确定封头与筒体的连接方式 焊接连接设备结构简单、造价低，且因为此处反应器直径较大，要抽真空，对密封要求比较高， 所以采用焊接连接。 计算并选择釜体内径 取筒体厚度与封头厚度相同 =30mm，则=d-2=3000-230=2940mm 釜总高计算 h=1.2d=3600mm 计算釜体直边高度： 釜体的直边高度为 3600-2750=2100mm 反应器实际体积为： v=/4 反应器实际长径比：h/d=3.6/3=1.2 计算最高液位，最低液位 ： =1.74m 4.2.24.2.2

44、泵的选择泵的选择 以第一聚合釜与第二聚合釜之间的输送泵的选择为例 鉴于输送泵的特点及要求有流量稳定，一般扬程较高，粘度较大，泵入口温度一般为常温，但 某些中间输送的入口温度也可大于 100，因是连续反应，所以工作时不能停车，泵的连续运转周 期一般不小于 8000h，为适应 3 年一次大检修的要求，泵的设计寿命至少为 10，泵的备用率为 100%， 所以一般选用离心泵，扬程很大时，可考虑用容积式泵或高速泵，但这次泵的扬程不是很高，所以 采用离心泵。 （1）基础数据 输送介质：溶剂油（组成成分：苯乙烯 83% 乙苯 2% 聚苯乙烯 15%） 操作温度：100 聚合釜液面压力： 流量 60 入口 液

45、面至泵中心距离：3.5m 出口液面至泵中心距离：6.5m 吸入管管长：15m（管径 87止回阀 1 个、90弯头 1 个） 排出管管长：60m（管径 76闸阀 1 个、90弯头 3 个） （2）确定流量与量程 流量（考虑 1.2 倍的安全系数） v 以泵中心线为基准，在第一聚合釜液面与第二聚合釜液面之间例伯努利方程式 h= 式中 re= 查化工原理上册第 30 页表 1-1，取 =0.35，则 /d=0.004375 查第 29 页图 1-32 得：摩擦系数：=0.03 查第 31 页表 1-2 得：止回阀全开：=2，=0.5；90弯头：=0.75 /s re=（湍流） 查化工原理上册第 30

46、 页表 1-1，取 =0.35，则 /d=0.005 查第 29 页图 1-32 得：摩擦系数：=0.035 查第 31 页表 1-2 得：闸阀 1/2 开：=4.5，=1；90弯头：=0.753=2.25 h=（6.53.5） （3）选泵的类型 根据输送物料的流量、扬程及性质，确定选择 is 型单级单型离心泵。具体型号查化工原理 下册表八（泵与风机，）确定为 is100-65-250 型。有关性能如下： 转速 2980r/min 流量 100/h 扬程 80m 效率 72% 轴功率 30.3kw 电机功率 37kw 必须汽蚀余量 3.8m 泵重 95kg （4）电机的选择 配套电机功率 37

47、kw，型号 y200l2-2 （5）几何安装高度的确定 根据 化工原理上册 78 页（2-33），其最大允许安装高度的计算公式 式中 聚合釜内压力，mpa 被输送液体的饱和蒸汽压，mpa 吸入管阻力损失，m 必须汽蚀余量，m 带入相应数据得： m15 . 5 )5 . 08 . 3(99 . 4 81. 9910 10)023 . 0 06 . 0 ( hg 6 即:泵应安装在聚合釜液面 5.15m 以上。 输送泵总台数为 4 台（四个聚合釜之间），随着反应液黏度的增加，阻力损失增大，但可用减 少吸入和吸出的管长来弥补阻力损失的增加，所以 4 个泵的型号可选择一个型号。同时由于泵的备 用率为

48、100%，所以输送泵总共 8 台。其他类型的泵，如计算泵的类型的选择过程可参考输送泵的 选择过程，型号与主要性能参数见设备一览表。 4.34.3 换热器的设计换热器的设计 以四个聚合釜后的加热器为例 加热工艺物流的设备。一般采用水蒸气作为加热介质，当温度要求高时可采用导热油，熔盐等 作为加热介质。因为物料温度为 220，温度偏高，但仍然可以用水蒸气做加热介质。 基础数据 根据表压为 4.7mpa 查化工原理第 261 页（水与蒸汽的物理性质）加热蒸；汽的物理性质： 温度：260 密度：784/ 焓：1135.0kj/ 3 m 热导率：0.6043w/（m.） 导温系数： s/m10156 .

49、0 26 气液焓差：1652.1kj/h 比体积：0.04199/ 3 m 动力黏度： 比热容： spa10 9 . 105 6- ）（kgkj/948 . 4 根据基础数据组成：75%聚苯乙烯，25%苯乙烯（包括少量乙苯和低聚物）；取取进口温度 160、出口温度 220；定性温度 190。比热容 2.34、 ）（ kgkj/ 密度：1050/、黏度、热导率 0.8w/（m.） 3 mspa1 换热面积的计算 预热器热负荷; kj/h108452. 8160-22034 . 2 601050 6 ）（ 水蒸气用量： kg/h5354 1 . 1652108452 . 8 6 根据工艺条件，选择

50、固定管板式换热器，聚苯乙烯走管程，蒸汽走壳程。 平均温差： 220-260 160-260 ln 220-260-160-260 tm ）（）（ 根据管程动力黏度查化工原理第 231 页表 6-8（管壳式换热器的 k 值大致范围）k 为 800w/ ，则： ）（m2 2 6 m85.168 48.65800 108452 . 8 a 换热器的选型 根据化工原理上册第 300 页，选用型号为 jb/t4714-92 固定管板式换热器，换热器为 的换热器（管心距 32mm）。基本参数如下： mm25 公称直径 1000mm 公称压力 1.6mpa 管程数 2 管子根数 742 中心排管数 29 管

51、程流程面积 0.1285 换热管长度 3000mm 换热面积 168.9 管子排列方法 正三角 按传热面确定需要设备台数为： 9997. 0 9 . 16885.168 圆整为 1 台换热器。 k 值的校核 管程 1 m/s16 . 0 1285 . 0 3600 72 2925 8 . 0 11034 . 2 pr 51 . 2 1 78416 . 0 02 . 0 re 3 由于 re2000,0.48pr16700,所以按热交换器原理与设计第 61 页表 2-8 得 )/( 6 . 837409 . 1 ) 02. 0 3 ()51. 22925( 02. 0 8 . 0 86 . 1

52、)()(repr d 86 . 1 3/13/114 . 0 3/13/1 1 mw l d w ）（ 壳程 2 由基础化学工程第 176 页知，对于圆缺挡板用下式计算： 14 . 0 3/16 . 06 . 0 0 2 )(pr)(re)72 . 1 w l d 式中 )/( 6 . 294195. 087. 07 .384937 . 0 025 . 0 6043 . 0 72 . 1 95 . 0 87 . 0 /pr 7 . 3849re /0208 . 0 f / /83 . 6 784 5354 0909 . 0 fff 126. 03 . 0)025 . 0 7421 (4/14

53、. 3 )(4/f m0656 . 0 032 . 0 025. 0 -113 . 0 t d -1hdf m37 . 0 025 . 0 7421 025 . 0 742-1 ndd nd-d l 3/16 . 06 . 0 2 14 . 0 w 0 m 3 2 21 2222 2 2 0 1 2 2 22 22 mw c d smv hmv m mhndd p m m m ）取（ ）（）（ 根据热交换器原理与设计第 290 页附录 c 和附录 e，取管内污垢热阻为 0.00019 ，管外污垢热阻为 0.00036。 w/m2）（w/m2）（ w/m00138. 0 6 .2941 1 00

54、036 . 0 56.16/025. 000019. 0 5 . 7528 1 k 1 2 ）（ )/(w 6 . 724km 传热系数 k 的储备系数为 %45. 9 800 6 . 724-800 %100 k k-k 0 0 校核 k 值可满足要求。其他换热设备可参考上述过程进行选型计算，具体型号见设备一览表。 4.44.4 储罐的选择储罐的选择 为了满足生产的需要，对储罐的选择主要依据化工工艺设计手册5-244 页（立式选择如 下： （1）1-苯乙烯储罐 选标准序号：hg-21502.1-1992-205、容积：220、内径：6550mm、 3 m 高度：7250mm、材料：q235-

55、a，f、设计温度：-19-150、设计压力：-0.5-2kpa、公称容积质量： 9760kg （2）2-乙苯储罐 选立式椭圆型封头储罐（p4.0mpa），公称容积：40、公称直径： 3 m 2880mm、高度 5600mm。 （3）14、19-储罐 选立式椭圆型封头储罐（p0.4mpa）,公称容积：40、公称直径： 3 m 2880mm、高度 5600mm。 （4）17-储罐 选标准序号：hg-21502.1-1992-205、容积：220、内径：6550mm、高度： 3 m 7250mm、材料：q235-a.f、设计温度：-19150、设计压力：-0.52kpa、质量：9760kg 4.54

56、.5 设计一览表设计一览表 表 4.1 机泵类 流程位号名称型号 流量 （/h） 3 m 扬程（m） /压力 （ka） 电压 （v） 数量 6,27,28,29,30,31 输送泵 is100-65-2501008038012 18,24 真空泵 2be1-153-0553203802 32,7 容积泵 vmf8029 鼓风机 9-27-101n0122583801 表 4.1 冷换设备 流程位号名称型号型式 程数 （n ） 根数 （n ） 换热面 积（） 挡板 距离 3 苯乙烯预热器 jb/t4714-92 浮头 638299.8300 4 冷凝器 jb/t4715

57、-92 浮头 232484.8300 5 精制苯乙烯预热器 jb/t4714-92 固定 1467106.3300 16 聚苯乙烯预热器 jb/t4714-92 固定 2742168.9300 4.64.6 搅拌装置的设计搅拌装置的设计 4.6.14.6.1 选择搅拌桨叶形式选择搅拌桨叶形式 由于该工艺为本体聚合，刚开始黏度较低，随后持续增大，所以第一个釜内选用推进式浆（螺 旋桨），其优点是结构简单，制造方便，适用液体黏度低，液量大的液体搅拌，利用较小的搅拌功 率通过高速转动的桨叶能获得较好的搅拌效果。而第二，三，四釜由于黏度大而选用框式桨，因为 体系黏度大，搅拌轴承受较大的扭矩，搅拌功率大，

58、能量消耗大，单靠流动不能满足混合需求，宜 采用具有刮壁效果的锚式或框式。 桨叶尺寸的确定（参考教材聚合物合成工艺设计第 77 页表 6-4 搅拌桨叶的结构形式及设计 参数和化工设备设计手册第 836 页）得： 推进式桨叶 叶片数 z=3 搅拌直径 d=1/4d=750mm, c=(11.5)d 取 c=900mm 框式桨 d=0.95d=2800mm 则搅拌器臂距釜内壁距离 e=1/2(2940-2800)=75mm 框器高度 h=0.6d=1680mm c=(0.02-0.06)d=(56168)mm,取 c=e=75mm 臂宽 b=1/12d=233mm 取 b=240mm 4.6.24.

59、6.2 搅拌附件的设计搅拌附件的设计 对于第一个搅拌釜要设置搅拌装置，后三个则不需要。 挡板的设计（作用是避免液体在旋转的搅拌轴中心形成液面凹陷的漩涡现象，增大被搅拌液体 的湍动程度，将切线流动转变为轴向和径向流动，改善搅拌效果） 设计四块挡板，挡板方式为紧贴着釜壁且垂直于釜壁，挡板宽 b=1/12= 取 b=250mm 内 d mm2452940 12 1 导流筒的设计（提高釜内液体的搅拌程度，加强搅拌器对液体的搅拌作用，控制釜内液体的循 环流量和循环方向，防止短路） （推进式桨叶安装在导流筒套内或略低于导流筒的下端。 205829407 . 0d%70d 内导 ） 4.6.34.6.3 确

60、定搅拌转速确定搅拌转速 根据搅拌要求选择搅拌等级（参考教材聚合物合成工艺设计第 81 页表 6-5,6-6,6-7） 取第一釜为 2 级，第四釜为 9 级。 选择总体流速（由搅拌级别查表 6-8 对应的流体总体流速） 第一釜，第四釜 1- 1 minm7 . 3 1- 2 minm 5 . 16 4.6.44.6.4 计算搅拌桨叶排出流量计算搅拌桨叶排出流量 ）（）（） （ ）（）（） （ 1 -3 3 2 2 2d2 1 -3 3 2 1 11d minm 3 . 284 4 8 . 214 . 3 5 . 16 4 d q minm225 . 1 4 75. 014 . 3 7 . 3 4