悬浮法生产聚苯乙烯

高分子合成工艺设计说明书院、部：材料与化学工程学院学生姓名： 指导教师：罗建新职称讲师专业：高分子材料与工程学院班级：1001班完成时间： 2013年6月2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。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。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；针对聚合反应釜进行了物料衡算、热量衡算，在此基础上通过分析工艺流程，选择出了工艺设备并计算，绘制了带控制点的流程图、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AbstractExpandablePolystyrene(ExpandablePolyStyrene,referredtoasEPS)commonlyknownastheDepartmentofpolystyreneandstyrenecopolymerisakindofmixturewithresinthephysicalblowingagentandotheradditivesmixture.Themostcommonistobemadeofpolystyrenewithn-pentaneasablowingagentaggregatesoftransparentPS.Thedesignisaboutofpolystyrenepolymerizationprocesssectionthattheannualproductioncapacityis32000tons,Thereactionmechanismisfreeradicalpolymerization,suspensionpolymerizationprocessusedstyreneasmonomer,watersuspensionmediumdoneusingone-stepproductionoflow-temperaturesuspensionpolymerizationprocess.Thismethodisaddingstyrenemonomer,initiator,dispersingagent,water,blowingagentandotherauxiliariestoreactor,thepolymercontainingafoamingagent,aftertheresinparticlesbywashing,centrifugalseparationanddrying,thesystemmaybemadeofpolystyrenebeadsproducts;mainlycontraposethepolymerizationreactorcarriedoutformaterialbalance,heatbalance,inthisbasedontheanalysisprocesstoselectoutoftheprocessequipmentandcalculateanddrawtheflowchartwithcontrolpoints.Andthepreparationofthedesignspecificationsandcalculationsofthebook.KeyWords：expandablepolyStyrene；suspensiontechnique；craftcalculation；technologicaldesign目录第一章绪论TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1.1聚苯乙烯简介 6\o"CurrentDocument"1.2聚苯乙烯的基本物性 81.3国内外的现状及发展前景第二章工艺流程和方案的说明及论证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⑶ 92.2.2添加少量溶剂的单釜连续本体聚合技术 102.3苯乙烯的悬浮聚合⑷ 112.4苯乙烯种子法悬浮聚合 122.5发泡聚苯乙烯生产工艺 .13一步法聚合工艺 15二步法聚合工艺 16-步法工艺与二步法工艺的比较[6] 172.5.4可发性聚苯乙烯基本性能 182.5.5生产原理及工艺流程 错误!未定义书签。92.5.5.1生产原理 202.5.5.2生产流程 错误!未定义书签。第三章物料衡算 错误!未定义书签。3.1计算依据 错误!未定义书签。3.2聚合工段物料衡算 错误!未定义书签。3.2.1进料阶段 错误!未定义书签。3.2.2出料阶段 错误!未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z第四章热量衡算 244.1显热计算 244.2聚合热 254.2.1聚合釜的搅拌热…. 264.2.2热量损失 264.3蒸汽的用量 264.4冷却水的用量 27第五章聚合釜及各设备选型 错误!未定义书签。5.1聚合釜的设计 错误!未定义书签。5.1.1聚合釜基本数据 错误!未定义书签。5.1.2聚合釜容积确定 错误!未定义书签。5.1.3聚合釜的选型原则 错误!未定义书签。5.1.4釜的选择 错误!未定义书签。5.1.5聚合釜搅拌器的设计 错误!未定义书签。5.2泵的设计5.2.1计算依据 错误!未定义书签。5.2.2管内流速的计算 错误!未定义书签。5.2.3直管阻力和局部阻力损失的计算 错误!未定义书签。5.2.4确定泵轴功率 错误!未定义书签。5.2.5泵的选型[10] 错误!未定义书签。5.3换热器的设计 错误!未定义书签。5.3.1设计依据 错误!未定义书签。5.3.2计算总传热系数 错误!未定义书签。5.3.3计算传热面积 错误!未定义书签。5.3.4工艺结构尺寸 错误!未定义书签。第六章结论参考文献致谢附录悬浮法生产聚苯乙烯第一章绪论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。1949年，德国的巴斯夫公司发明了一种被称为可发性聚苯乙烯（EPS,expandablepolystyrene）的材料。这种材料具有特别多的优点，如吸水率较小，热传导率低、隔音性能优越、防潮、抗震且具有良好的电绝缘性能等。这种材料的加工成型工艺简单，具有较大的价格优势。聚苯乙烯材料最先被瑞典政府用于大规模的救生圈商业化生产中。此后由于其各种优良的性能，在汽车、火车、冷藏、建筑、船舶等行业得到了广泛的应用，主要用于隔热防烟材料和抗震材料，同时也被广泛用作包装材料。发泡聚苯乙烯又称可发性聚苯乙烯，英文名expandablepolystyrene简称EPS。指含有发泡剂、一旦受热能立即发泡膨胀的珠粒状聚苯乙烯树脂。是由苯乙烯悬浮聚合，再加入发泡剂而制得。白色珠状颗粒，相对密度1.05。热导率低，吸水件小。耐冲击振动、隔热、隔音、防潮、减振。介电性能优良。一般粒度10〜40目。堆密度0.6。含水0.1%。含挥发物（主要为发泡剂）6%-8%。以苯乙烯在发泡剂（通常使用低沸点烃类）存在下进行悬浮聚合而制得。亦可将珠粒聚苯乙烯分散于水中，在一定温度下搅拌，使发泡剂与溶胀了的珠粒接触并渗入其中制得。其结构式为：-CHCH-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°C，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。聚苯乙烯（PS）是一种热塑性树脂，由于其价格低廉且易加工成型，因此得以广泛应用。聚苯乙烯有均聚物（透明粒料）或增韧接枝共聚物或与弹性体的共混体（抗冲击聚苯乙烯IPS）形式。聚苯乙烯共聚物在物理性能和热性能上比均聚物有所提高。这几类聚苯乙烯有多种品级，如标准IPS和标准透明品级、抗环境应力开裂品级（ESCR）、耐紫外线级。阻燃级、耐磨级、制轻质制件的高挠性品级、可发泡品级、超初级以及低残余挥发分品级等。聚苯乙烯树脂用于制造日常生活中的一次性餐具、汽车部件、包装材料、玩具、建筑材料、电器和家庭用品等。透明PS粒料它是通过苯乙烯单体的加成聚合反应得到的无定形聚合物。无色、透明，光学性能极好，并有高刚性。性脆易裂、经过双轴拉伸后才较柔软和有韧性，透明PS的代表性能如下：密度1.05g/cm3拉伸强度48.3MPa.弯曲强度82.7MPa.典型收缩率0.0045in/in热膨胀系数5—8X10-5in/（in・°c）伸长率2—3%维卡软化点225°F聚苯乙烯本身耐y射线，因此y线照射灭菌对制品性能没有影响。聚苯乙烯溶于芳香族溶剂和某些酮类，能溶解于甲基乙基酮。透明PS颗粒的熔体指数范围是1—25g/10min或高于25g/10min。它有耐热高的品级（维卡软化点达223°F），也有残余单体含量低的品级。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。1.2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°C—250°C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：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。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。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。塑件壁厚均匀，最好不带嵌件，各面应圆弧连接，不宜有缺口、尖角。其他性质：PS的分子量过高，加工困难，所以通常聚苯乙烯的分子量为5〜20万。PS的机械性能，随温度升高，刚性（弹性模量、抗拉强度、冲击强度等下降，而断裂伸长率较大。PS的透明性好，透光率达88〜92%，仅次于丙烯酸类聚合物，折射率为1.59〜1.60。故可用作光学零件，但它受阳光作用后，易出现发黄和混浊。PS有主要缺点是性脆和耐热性低。对PS进行改性，如橡胶改性的高抗冲PS（HIPS）；MMA-丁二烯-苯乙烯（MBS）；A（丙烯腊）B（丁二烯）S，在工业上应用最广泛的是ABS塑料。优异、持久的隔热保温性：挤塑板，导热系数为0.028w/mk,具有高热阻、低线性膨胀率的特性。其导热系数远远低于其它的保温材料如：EPS板、发泡聚氨酯、保温砂浆、水泥珍珠岩等。同时由于苯材料具有稳定的化学结构和物理结构，确保本材料保温性能的持久和稳定。1.3国内外的现状及发展前景中国国产产品性能和质量较差，不能满足市场的要求中国聚苯乙烯产品的质量和性能较差，除外资及合资企业产品外，国内厂商的产品多数不能满足电子行业等用户对产品性能和质量的要求，难以进入这个庞大的市场。在聚苯乙烯需求量最大的电子/电器行业中，进口产品占绝对优势，国产树脂只有少量应用，而且只能用于低档产品。国内知名电器制造商为了保证其产品质量，全部使用进口原料或外资合资企业的产品，连用于防震外包装的发泡聚苯乙烯也通常使用进口产品或合资企业的产品进入2000年以来，世界聚苯乙烯的消费增长变慢，消费量仅比1999年增长了1.4%，增长率为近年来的新低。特别是受到亚洲金融危机的影响，产量减少最多的国家和地区也集中在亚洲地域。 2003年世界聚苯乙烯的总生产能力为1426万吨/年，产量为1080.1万吨/年，其中北美地区的生产能力为325.2万吨/年，约占世界聚苯乙烯总生产能力的 22.8%；产量为251.3万吨/年，约占世界总产量的23.3%；南美地区的生产能力为66.6万吨/年，约占世界总生产能力的4.8%；产量为40.1万吨/年，约占世界总产量的3.7%；西欧地区的生产能力为295.4万吨/年，约占世界总生产能力的20.7%；产量为262.7万吨/年，约占世界总产量的24.3%；东北亚地区的生产能力为489.2万吨/年，约占世界总生产能力的34.3%；产量为373.8万吨/年，约占世界总产量的34.6%；东南亚地区的生产能力为97.3万吨/年，约占世界总生产能力的6.8%；产量为71.5万吨/年，约占世界总产量的6.6%；其他地区的生产能力为152.5万吨/年，约占世界总生产能力的10.7%；产量为80.7万吨/年，约占世界总产量的7.5%。目前世界上聚苯乙烯的主要生产厂家有美国的DowChemical、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。欧洲EPS市场在一次晃动性的开头之后，上半年是兴旺的。生产厂商和转销商2002年开始有极少原料，且装置开工率已收缩为70-75%的低位。不过二季度原料苯乙烯的缺口使EPS供应性趋紧°EPS需求也见到季节性的抬升，也受到买主的更高价格期待值的促进。在夏季的间歇平静之后，9、10月消费量再次回升，但目前正在放慢，供应情况已得到改善，目前供需更为平衡。市场行家们预测2002年需求，对于2001年是持平或最多提高1-2%。德国是EPS最大市场，其消费量因建筑业的滑坡以及预料短期内改进不大而减少。比荷卢（Benelux）市场需求量也减少，但欧洲东南部的消费量在增加。CMAI估计，今年西欧的产量为94万吨左右，需求量处于80万吨以下。欧洲的生产能力依旧过剩，它的生产能力约在140万吨/年，而消费量在110万吨/年。Kaucuk公司阶段扩能到6万吨/年，已在今年早期竣工。在捷克共和国Krulupy的装置，已在分阶段从20000吨/年提高产能，该装置是在1996年开始生产的。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100kt/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。我国的可发性聚苯乙烯产品的生产存在许多问题，远远不能满足加工

工业需要，加工产品质量不稳定，工艺落后，每年还要大量进口，对 EPS工业化生产进行改进研究可以解决这些问题，提高产品质量，减少工厂生产中所得到的不合格品，提高工业化产值。国内 EPS产能逐年提升，国内各个EPS生产家竞争激烈。对EPS工业化的改进研究可以提升生产厂家EPS的竞争力，提高企业的EPS产量，增加企业在EPS生产中所得的收益。第二章工艺流程和方案的说明及论证2.1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]2.2反应原理2.2.1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。2.2.2发泡聚苯乙烯技术工艺比较：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°C，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115〜120C，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。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°C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80〜85C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120〜150C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总反应式：nCH「CH一1如2-如二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（1）.链引发引发剂分解，形成初级自由基R:R—2R・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-CH-CH-+nCH=CH一牌-CH-CH一；CH-CH-2 2 2 n2

（3）.链终止①偶合终止R〔CH-CH」nCH-CH・+R〔CH-CH〕CH-CH•一R〔CH-CH〕CH-CH二CH-CH〔2 2 2 m2 2 n2 2②歧化终止RICH-CH3nCH-CH•+R^CH-CH孑CH-CH•一R《CH-CH孑nCH-CH+Rt2 2 2 m2 2 2 2CH2-CHfmCH二CH2.3工艺路线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°C时仅为0.062%。苯乙烯悬浮聚合的温度，有高低之分。低温法在80〜85C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120〜150C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。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。⑶2.3.1发泡聚苯乙烯生产工艺2.3.1.1一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。2.3.1.2二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。2.3.1.3-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，粒子均匀工艺条件一 能耗较大，流程长，工艺要求工艺要求严格，能耗少，流程短相对较低，易操作技术经济一次性投资较高，生产自动化程 一次性投入较低，自动化程度高，易集中控制，人工操作少 度低，人工操作较多中间产品PS可作为产品出售，生产灵活性因发泡剂易挥发，故仓储时间短也可生产其他品种，市场适应市场适应性差，设备利用率差性强2.3.2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。2.3.2.1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-315 25 40 50拉伸强度/kpa20 350 600 750弯曲强度/kpa20 400 700 900压缩10%的压应力/kpa90 180 320 400EPS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的影响。2.3.2.2绝热性能除了真空，空气是最简单，成本最低的绝热介质，薄空气层具有非常低的传热性。但是，依靠空气作为绝热介质并不总是实用，对包装货物的材料，需要形成外封壳。EPS含许多细微气泡的闭孔结构，使其具有优良的绝热性。这种情况下EPS是理想的包装材料。由于其内在的性质，EPS泡沫塑料不会直接影响其他物质，比如食品。应注意EPS泡沫塑料在非常低的密度时（10~15g•cm3）具有较大的导热性，随着密度的增加而下降，密度在30~50g•cm3时具有最佳绝热性能，密度继续增加，导热性又随之增加（参见表2-3）表2-3不同密度的EPS泡沫塑料热性能（来源：BASF）密度/g•cm-31020405060导热率/W•m-i•K-10.0430.0350.0330.0330.0342.3.2.3化学性能EPS的性能受化学药剂的影响变化比较大。长时间接触盐水、皂液、漂白剂和大多数稀酸溶液而不会影响其性能，但多种有机溶剂会明显影响其性能。EPS泡沫塑料和其他聚合物一样，长时间曝露在紫外线下，性能会有很大变化。但考虑到作为包装材料时，使用期限较短，这一影响并不重要；作为建筑材料使用时，使用寿命虽然较长，但曝露在紫外线下的可能性较小，故这一影响也不太重要°EPS对动物没有营养价值，不会受霉菌侵蚀，也不会分解出任何污染地下水的水溶物。2.4工艺流程2.4.1聚合工段工艺过程：EPS产品的生产采用低温悬浮聚合一步法工艺技术，以苯乙烯单体为主要原料，以水悬浮介质和介质，在机械搅拌和分散剂的作用下，苯乙烯单体被分散成无数油状的液滴，并悬浮限水中，在引发剂的作用下，在每个液滴中发生按自由基反应历程进行的聚合反应，聚合到稳定阶段后加入发泡剂，发泡剂在一定的温度压力下，渗到珠粒内，同时聚合反应进一步进行，生产出合格的EPS粒子。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，生产出合格的EPS粒子。生成的EPS粒子经水洗，离心脱水一级干燥，二级干燥风送、筛分、涂层、计量称重后,包装成EPS成品。生产流程：贮存于工艺水槽(V-103)中的脱盐水在表(FQC-103)的控制下，用泵(P-103)定量打入聚合釜(R-201/2/3)中。启动搅拌至设定转速62转、分41Hz，依次加入HAP、SDBS、DSP。贮存于V-101中的苯乙稀在表(FQC-101)控制下，用泵P-101定量打入釜(R-201/2/3)中。普通型EPS在①②③步骤后，加入SN、CP-O2、DCP、BPO、甲苯(如果有回溶料则同时加入)。开蒸汽升温，温度升SMC时开始计时°90°C恒温。计时山加入KPS。90°C恒温期间观察现象，控制粒径。粒子下沉时重新时50分钟加入第二批HAP，补水至正常液位，封取样孔盖，并放空。1h时加戊烷，用30分钟加完，然后开蒸汽升温至96C闭蒸汽°3h时升温至115〜121C恒温浸渍，6小时30分钟后降温至40C以下出料至水洗釜(V-201/2/3)添加剂-单体筛分聚合釜洗涤釜离心机干燥分离机产品添加剂-单体筛分聚合釜洗涤釜离心机干燥分离机产品2.4.2操作流程：1、 将水槽中的脱盐水用泵打入聚合釜；2、 启动搅拌器，设定好转速，依次加入羟基磷酸钙（HAP）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、磷酸氢二钠（DSP）。PH值控制于7.2~8.6之间，酸性太大粒子成长太快，容易胶结。3、 将苯乙烯用泵打入聚合釜。4、 向釜内投加计量的成核剂（SN）、过氧化二异丙苯（DCP）、过氧化苯甲酰（BPO）、过氧化苯甲酸叔丁酯（TBPB）（如果有会熔料则同时加入）。搅拌10min。5、 打开蒸汽阀，开始升温。温度升到88°C时计时，调节冷却水量保持釜内温度在90±1C恒温。并开始加入稳定剂过硫酸钾。6、 计时150分钟时，为反应的高峰期，要频繁取样观察，控制好温度。如果粒子增长过快，则要补加HAP，保证悬浮稳定。反之则加入适量碳酸钙。7、 待粒子下沉后，重新计时。计时50min时，架第二批HAP，补水至正常液位。8、 10min后用泵将戊烷均匀打入聚合釜内。9、 重新计时1.5h后开蒸汽升温至96C闭气自然升温。10、 1.5h后开汽升温，120C恒温，浸渍。11、 2h后打开冷却水，会合聚合釜降温。温度降至40C以下，缓慢放空，打

开取样孔。12、出料至洗涤釜，加盐酸及大量洗涤水，洗涤水PH值为4~5之间。然后经离心机分离，加入干燥剂防静电及后筛分，得产品。2.5产品规格本装置设计年产50000吨可发性聚苯乙烯,可生产普通型“R”、阴燃型“F”两个品种八个品级的产品。鉴于国家规定的产品规格，考虑到用户的要求和经济衡算，其产品指标如表2-4所示：表2-4产品指标览表品种及牌号LR(101.201.301.401)外观松散、白色或无色的小珠粒比重1.05粒子直径1.8-0.4mm相对密度550-650kg/m3发汽剂含量，％N5.0残留苯乙烯,％W0.30含水量,％W0.5相对粘度1.8-2.1颗粒筛析%^902.6原料2.6.1原材料规格表2-5原料规格一览序号原材料名称代号 控制项目名称及指标 用途外观:无色透明液杂机械杂质无游离水份 lima1 苯乙烯ST -I 反应单体纯度：N99.6%聚合物:W50ppmTBC:W50ppm外观：白色结晶粉沫2过氧化苯甲酰BPO3过氧化苯甲酸叔丁酯Cp-Q4羟基磷酸钙HAP5十二烷基苯磺酸钠SDBS6磷酸氢二钠DSP7涂层剂8戊烷C5o过氧化9二异丙苯DCP六漠环10十二烷HBCD11成核剂SN12过硫酸钾KPS2纯度：干基N98%(m/m) 低温水份：<25-305 引发剂活性氧量(干基)％N6.50引发剂“C”含量：N95%叔丁基过氧化氢含量(TBHP)<1%高温引发铁含量：<5ppm剂比重d425:1.035-1.045折光指数n25:1.495-1.50分散剂试剂级助分散剂稳定剂外观:细白粉未,无团块粒径:200目通过95%以上C4:<4%正.异戊烷含量94%C6:<2%环烷烃：<0.1%苯:0.1%发泡剂外观:无色或白色结晶粉末纯度：N96%总挥发物％N0.4父联剂阻燃剂水份及挥发份%<2.0阻燃剂密度g/cm3:0.93粘度cps:450调理2.6.2工艺控制条件表2-6LR-EPS牌号的标准操作条件一览表序号操作控制项目工艺条件LR-EPS仪表位号1BPO、DCP、Cp—Q2加入温度常温TRC201A.B.C2聚合阶段温度C88-91TR202A.B.C压力Mpa常压PI201A.B.C时间3-3.5h3浸渍阶段温度C115--121TRC201A.B.CTR202A.B.C压力Mpa0.6-0.8PI201A.B.C时间h（含升温）54出料温度。CW40TRC201A.B.CTR202A.B.C5戊烷加入时间min30-456X-201入口温度C39±2TIC2037E-201出口风温N90TIC2048涂层剂用量/千分3-49包装净重kg25+0.1第三章物料衡算3.1聚合工段物料衡算3.1.1计算依据（1） 年产量：0.8万吨（2） 年工作时数：7200小时（3） 单体纯度：99.6%（4） 单体转化率：98%（5） 苯乙烯组分含量92%（6） 工艺配比（净含量/100分单体，质量百分含量）：工艺配比见表3-1[8]表3-1LF-EPS发泡聚苯乙烯工艺配比序号原料名称规格LR-EPS备注1水脱盐水1242苯乙烯（ST）99.6%100单体3成核剂（SN）0.114发泡剂94%8.3925羟基磷酸钙（HAP）0.177主分散剂6十二烷基本磺酸钠（SDBS）0.0004助分散剂7过氧化苯甲酰（BPO）干基98%0.196低温引发剂8过氧化苯甲酸叔丁脂（cp-o2）95%0.8高温引发剂9六漠环十二烷0.689阻燃剂10过氧化二异丙苯（DOP）0.0349阻燃剂11磷酸氢二钠）99%无水0.039稳定12过硫酸钾0.0014调理3.1.2进料阶段每年生产：7200/17=424批每批生产：8000000/424=18868kg某组份进料量=每小:"产品中3且分的含量该组分转化率X该组分纯度产品中苯乙烯 100 X100务91%（100+8.392+0.11+0.196+0.08+0.689+0.349苯乙烯进料量二1886X91%=17602.52k批苯乙烯进料量二98%99.6% '批辅助物料计算：（1） 分散介质水的进料量为：17602.52kg/批X124%=21827.12kg/批（2） 分散剂主分散剂HAP：17602.52kg/批X0.177%=31.16kg/批17602.52kg/批X0.100%=17.6kg/批助分散剂SDBS：17602.52kg/批X0.0004%=0.07kg/批成核剂SN：17602.52kg/批X0.110%=19.36kg/批引发剂低温引发剂BPO：17602.52kg/批X0.196%=34.5kg/批高温引发剂CP-O2：17602.52kg/批X0.080%=14.08kg/批发泡剂C50:17602.52kg/批X8.392%=1477.2kg/批阻燃剂HBCD：17602.52kg/批X0.689%=121.28kg/批DCP：17602.52kg/批X0.349%=61.43kg/批稳定剂DSP：17602.52kg/批X0.039%=6.87kg/批无机氧化剂KPS：17602.52kg/批X0.0014%=0.25kg/批进料总量为：17602.52+21827.12+31.16+17.6+0.07+19.36+34.5+14.08+1477.2+121.28+61.43+6.87+0.25=41213.44kg/批3.1.3出料阶段单体进料量：17602.52kg/批，单体转化率：98%,则单体ST的反应用量为：17602.52kg/批X98%=17250.47kg/批ST未反应的是：17602.52kg/批-17250.47kg/批二352.05kg/批EPS产品出料量二进料总量-未反应的单体出料量-水量二41213.44-352.05-21827.12=19034.27kg/批物料平衡见表3-2物料平衡表3-2进料（kg/批）出料（kg/批）苯乙烯17602.52352.05HAP31.16--SDBS0.07--湖南工学院材料与化学工程系高分子材料与工程1001班SN19.36--BPO34.5--CP-O261.43--戊烷1477.2--DCP61.43--DSP6.87--KPS0.25--亚硫酸氢钠0.057--EPS产品--19034.27水21827.1221827.12总量41213.4441213.44校验设计任务：EPS年产量：19034.27kg/批X424=8070530kg=0.81万t其年产量为：0.81万t结果稍大于所给设计任务，故设计为合格.第四章热量衡算4.1聚合工段热量衡算衡算式：进釜的热量二出釜的热量（冷剂带走的热量）Q显+Q聚+Q搅+Q损=Q吸（1）显热；（2）聚合热；（3）聚合釜搅拌热；（4）热量损失;（5）冷剂带走的热量。1显热计算本设计取：聚合阶段聚合釜进料温度20°C，聚合反应温度90°C,^T=70°C浸渍阶段聚合反应温度120C，出料温度40C,AT=80C1Kcal=4.187KJ由公式Q=qmCpAT计算得下表表：△T=80C（Cp值查表）表4-1第一阶段反应热单体流量（kg/批）△T(C)Cp(kJ/Kg.C)Q(kJ/批)ST17602.52X90%701898537.417602.52X10%1001.712301355.1417602.52X2%-80-48216.82水21827.12204.181824747.23HAP31.16201.298808.91-50-2022.28SDBS0.07201.8842.64SN19.362051.9220103.42BPO34.5707.7045315.76CP-O214.08201.842518.71C501477.2202.21965558.14HBCD121.28202.2305409.09DCP61.43201.6672048.08总量4074165.422、聚合热由ST转化率随时间变化曲线，可知每釜的转化率随时间的变化不大，故可近似认为每个釜的聚合热相等。如图4-1所示：

图4-1苯乙烯转化率随时间变化曲线图4-1苯乙烯转化率随时间变化曲线■14计算如下：由公式1—t T-TAH(KJ/mol)=AH[ _]。.38=AH[ ]o.38vT vti1-T VT1T-T查得单体ST的聚合热QST=70kJ/mol=16.72Kcal/mol(25°C,气态，无定形)；〔已知1Kcal=4.187KJ〕；MST=0.104kg/mol,Cp=178.23J/(mol・k)=0.178kJ/(mol•k)。计算得：AVHT(298.15K)=0.04Kcal/mol=0.167kJ/mol在25C下，液态的QST=70-0.167=69.83kJ/mol,反应前后压力的变化不大，故可近似的认为是恒压操作。在20C下，QST二QST(25C)+CP(T2-T1)=69.83+0.178X(20-25)=16.47Kcal/mol则ST的质量聚合热Qm(ST)=QST/MST=70/0.104=663.46kJ/kg每小时聚合釜中的总聚合热为：Qp=m出料XQm=17602.52X98%X663.46=11444996.56kJ/批；3、 聚合釜的搅拌热根据工业实际生产，取搅拌热是聚合热的5%,即Q搅拌=5%XQ聚，反应时间为10.76h时，Q搅拌=5%X11444996.56=572249.828kJ/批4、 热量损失聚合反应阶段反应时间为8h的热量损失Q1=(Q显+Q聚+Q搅拌)X5%=(4074165.42+11444996.56+572249.828)X5%=804570.6KJ/批

所需蒸汽给热为：16091411.81-804570.6=15286841.21kJ/批聚合阶段热量平衡表见表4-2表4-2热量平衡表显热聚合热搅拌热总量进釜热量（Kj/批）24074165.411444996.56572249.82816091411.81热量损失蒸汽给热带走热量（Kj/批）-804570.6-15286841.21-16091411.815、蒸汽的用量已知：。总=山蒸汽XHr其中：m蒸汽一水蒸汽的用量、Hr一水的汽化潜热2258kJ/kg所以蒸汽的用量：Q 16091411.81m蒸汽=给= =4126.4kg/批m蒸汽Hr22586、冷却水的用量m渍阶段没有聚合热，所以Q聚二0,Q吸二Q显+Q搅拌=4074165.4+572249.828二4646415.23kJ/批已知：水进口温度15°C，出口温度35°C，由公式Q二m水CpAT计算得:Q=—^吸—水Q=—^吸—水Cp^xAt4646415.234.18x(35—15)=55579.13kJ/批第五章聚合釜及各设备选型5.1聚合釜的设计5.1.1聚合基本数据设计釜内温度为120C；聚合阶段为常压，浸渍阶段为0.6-0.8Mpa；材质为1Cr18Ni9Ti；其他数据同前。确定筒体和封头形式：

选择圆柱形筒体和椭圆形封头5.1.2聚合釜容积确定进料体积主要是由苯乙烯、水和戊烷决定，所以:V*ST+V水+V戊烷，其中由公式:V*ST+V水+V戊烷，其中由公式:体积=质量密度VST17602.52905.9=19.43m3/批21827.121000=21.83m3/批14772 ..V戊烷=630=2.34m3/批V总=19.43+21.83+2.34=43.6m3已知：加料系数为0.7，则反应釜体积为:V=Z总=436=62.29m3釜0.7 0.7因此选用30m3的反应釜，共需要3个5.2泵的设计以计算输送苯乙烯的泵为例：5.2.1计算依据（1） 采用普通钢管进料。（2） 苯乙烯进料的质量流量是17602.52kg/批，其密度是905kg/m3，粘度是0.72mPa.s因此苯乙烯的体积流量为:17602.5290517602.52905=19.43m3/批（3）设计a、b两管内径D=100mm，如下图所示:5.2.2确定泵轴功率泵的有效功率Nh=PgQH=905.9x9.8x7x19.43/3600=335.41W对于小流量的离心泵：取nnep=1和七=0.6泵轴功率：N N=——=559.02W叩x叩设备一览表表6-1釜类序号位号 名称 规格或型号 介质 温度。C压力Mpa1R-201 DN3000X3600（立式） 水苯乙烯聚合釜 0-150 0-1.55A/B/C 电机:YB280S-6N=22KW 戊烷表6-2容器类序号位号名称规格或型号介质温度压力Mpa

°C1V-102苯乙烯罐DN4000式）V=88m3H=7000（立ST常温常压2V-103戊烷罐C5常温0-0.43V-104工艺水槽DN3000式）V=20m3X3000（立H2O常温常压4V-201A/B放料缓冲槽DN4000X4100（立式）V=61m3减速机BFJ6-1/6N=11KW水EPS常温常压5V-202稳压罐DN400X1000 V=0.13m3水EPS0-40常压6V-3011#料粒储槽V=3.8m3H=2800DN1600X1920EPS常温常压7V-3088#料粒储槽V=3.8m3H=2800DN1600X1920EPS常温常压8V-3099#料粒储槽V=3.8m3H=2800DN1600X1920EPS常温常压9V-302-3072#-7#料粒储槽V=3.8m3H=2800DN1600X1920EPS常温常压10V-312-3172#-7#料槽V=1.0H=1405DN120X462EPS常温常压表6-3机泵类序号位号名称规格或型号介质温度C压力MpaQ=40m3/HH=76m电机1P-101苯乙烯泵N=22kwn=2950rpmST常温常压80AY-100BYB180M-2Q=5.2m3/HH=60m电机2P-102戊烷泵N=11kwn=2950rpmC5常温常压XGH6-100X2YB160M-2

Q=40m3/HH=76m电机3P-103工业水泵N=22kwn=2950rpmH2O常温常压PCP50-60Q=12.5m3/hH=32m电机4P-102放料泵N=3kwn=2950rpmEPS常温常压DHK50-32-160DYB100M-25M-201A离心脱水机/B电机N=4kwEPS水常温常压6M-202干燥送料螺旋电机N=2.2kwEPS水常温常压7M-203电机N=2.2kwEPS水常温常压8M-301A/B振动筛电机N=4kwEPS常温常压9M-302-304涂膜机电机N=5kwEPS常温常压10X-201干燥管EPS涂膜粉常温常压11X-202干燥旋风分离器EPS水常温常压干燥二级12X-203旋风分离器EPS常温常压13X-204送料管EPS常温常压送料一级14X-301旋风分离器EPS常温常压送料二级15X-302旋风分离器EPS常温常压16E-201干燥空气加热器17E-202关料加热器18B-201干燥鼓风机电机N=7.5kw19B-202干燥引风机电机N=22kw20B-2