年产4000吨的聚苯乙烯反应装置设计.docx

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年产4000吨的聚苯乙烯反应装置设计

年产4000吨的聚苯乙烯反应装置设计

1.生产能力：

4000吨/年

2.原料：

主原料：

苯乙烯（88%）

溶剂：

甲苯（12%）

引发剂：

过氧化壬二酸二叔丁酯（0.025%）

3.主原料粘度：

0.72Pa·s

密度：

0.297g/ml

相对密度：

0.9019

比重：

88%

反应过程：

四釜串联生产过程

转化率：

84%

1.1聚苯乙烯简介

1.2聚苯乙烯性能与应用

1.3聚苯乙烯生产工艺

2.基本条件设定

2.1温度

2.2反应装置

2.3搅拌装置

3反应装置

3.1工艺条件

3.2反应装置体积计算

4搅拌装置

4.1尺寸

4.2功率，转速

4.3电机

5结论

1.1聚苯乙烯简介

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。

密度：

1.05g/cm3　

聚苯乙烯是质硬、脆、透明、无定形的热塑性塑料。

　　聚苯乙烯的比重是1.057~1.070克/厘米3。

热变形温度70℃一98℃，与配方及后处理有关。

聚苯乙烯的透明度达88~92%，折光率为1.592~1.60，由于这样高的折光率使它有良好的光泽。

聚苯乙烯能自由着色，无嗅无味无毒，不致菌类生长。

具有良好耐水、耐光和耐化学性能，特别是具有优异的电绝缘性能和低吸湿性。

其主要缺点是机械强度不高，质脆，耐热性低并易燃。

　　聚苯乙烯的识别特征：

为无色透明，无延展性，似玻璃状材料，制品落地或敲打时具有金属的清脆梯“叮当"声。

1.2

[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，

苯乙烯丙烯腈（SAN）

SAN是StyreneAcrylonitrile的缩写。

苯乙烯丙烯腈是苯乙烯丙烯腈的共聚物，是一种无色透明，具有较高的机械强度的聚丙烯基工程塑料。

SAN的化学稳定性要比聚苯乙烯好。

SAN类产品的透明度和抗紫外性能不如聚甲基丙烯酸甲酯类产品但是价格相对便宜。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）

ABS是Acrylonitrilebutadienestyrene的缩写。

这种塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物。

具有高强度，低重量的特点。

是常用的一种工程塑料之一。

SBS橡胶

SBS橡胶是一种聚（苯乙烯－丁二烯－苯乙烯）结构的三段嵌段共聚物。

这种材料同时具有聚苯乙烯和聚丁二烯的特点，是一种耐用的热塑性橡胶。

SBS橡胶经常被用来制造轮胎。

聚苯乙烯易加工成型，并具有透明、廉价、刚性、绝缘、印刷性好等优点。

可广泛用于轻工市场，日用装璜，照明指示和包装等方面。

在电气方面更是良好的绝缘材料和隔热保温材料，可以制作各种仪表外壳、灯罩、光学化学仪器零件、透明薄膜、电容器介质层等。

[2] 

可用于粉类和乳液类化妆品。

用于粉饼有很好的压缩性,可改善粉的黏附性能。

赋予皮肤光泽和润滑感,是代替滑石粉和二氧化硅的高级填充剂。

[3] 

1.3

（1）　通用级聚苯乙烯,是以苯乙烯为单体经过自由基聚合或离子型聚合制得的。

生产方法有本体聚合法、溶液聚合法、悬浮聚合法和乳液聚合法等。

目前工业化生产所采用的主要是悬浮聚合法和本体聚合法。

（2）1.本体聚合法　将苯乙烯单体送入预聚釜中,再加入少量添加剂和引发剂,于95～115℃下加热搅拌进行预聚合,待转化率达到20%～35%之后,再送入带有搅拌器的塔式反应器内进行连续聚合反应。

聚合温度逐段提高到170℃左右,以达到完全转化。

少量未反应的苯乙烯从塔顶放出,并可回收再用。

聚合物连续从塔底出料,经挤出造粒即得成品,包装后出厂。

（7）本体聚合法是聚苯乙烯树脂的最主要生产方法，用于通用型PS于HIPS注塑料的生产。

为了便于去除聚合热以控制反应速率、降低熔融物的粘度以及生产HIPS时防止橡胶分子的交联，加有少量溶剂甲苯或乙苯。

此情况下不同于加有大量溶剂的溶液聚合法。

单体苯乙烯以及少量溶剂，有些情况下还加有引发剂，连续送入第一个反应器中，反应器组由3~5个反应器组成，反应器形状与结构因去除聚合热的方式和熔融物料的混合方式的不同而不同。

反应条件根据生产聚苯乙烯分子量的要求、物料在反应器中停留的时间，即要求的生产量来决定。

当所用溶剂数量一定时，提高反应温度和生产速度则分子量降低。

在多区反应器中或一组反应器中，反应温度随转化率的提高而提高，以保持相对稳定的反应速度和放热速度。

对于热聚合，反应温度一般为120~180℃范围，如加有引发剂，则此温度下限范围可扩展至90℃。

（3）悬浮聚合法2.悬浮聚合法　以苯乙烯为单体,水为介质,以明胶或淀粉、聚乙烯醇、羟乙基纤维素等保护胶或碳酸镁、硅酸镁、磷酸钙等不溶性无机盐等为分散剂,顺丁烯二酸酐-苯乙烯共聚物钠盐为助分散剂,以过氧化苯甲酰为引发剂,在85℃左右进行引发聚合。

也可不用引发剂,在高压聚合釜中于100℃以上的高温下进行高温聚合。

聚合物经洗涤、分离、干燥即得无色透明的细珠状树脂。

（8）

单体油相与水相的比例在0.8:

1~2:

1范围，苯乙烯悬浮聚合在釜式压力反应器中间歇操作，开始反应温度为80℃，逐渐提高到140℃左右。

反应时间为5~24h，然后经酸洗使分散剂溶解，再经离心分离脱除水后干燥、添加必要助剂与颜料后挤出造粒得到成品粒料。

本设计由于以甲苯为稀释剂，故采用的是溶液本体法。

溶液聚合是将单体和引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合反应。

其基本组成由分单体、引发剂、溶剂组成，聚合场所在溶液内，是均相介质。

溶液聚合的优点是散热控温容易，可避免局部过热，体系粘度较低，能消除凝胶效应。

其缺点是溶剂回收麻烦，设备利用率低、聚合速率慢、分子量不高。

2．1目前工业上高温苯乙烯本体聚合在120—170℃上进行热聚合。

本体聚合采用分段聚合，以解决本体聚合的散热问题，各段温度均不相同，预聚温度为115～125℃，三台聚合釜的反应温度分别为125～150℃、150～160℃、155～165℃。

2.2本反应采用搅拌釜反应器。

由于此设计是苯乙烯的聚合反应，可以近似看作是液－液反应，产量要求不大，因而本设计选用立式搅拌反应釜,第一个釜为预聚合釜。

采用上加料，底出料方式。

2.3搅拌装置的主要作用是强制物料流动，强化传热与传质效果；使物料充分接触，均匀混合。

因此搅拌釜反应器对各种反应体系适应性强，操作弹性大，适用温度和压力范围广，既可用于间歇操作，又可用于连续操作。

苯乙烯单体聚合反应中，聚合物是熔融状态，随着聚合过程的进行粘度逐渐增大。

粘度在75Pa.s以下，可用涡轮式搅拌器。

当搅拌速度很高时，容易产生漩涡，大大降低了液体内部的混合效果，为了增加液体的剪切作用，加强搅拌的激烈程度，常在釜体内靠近器壁的地方装上挡板，增大被搅拌液体的湍流程度，改善搅拌效果。

3．1.工艺条件：

预聚温度为115～125℃，三台聚合釜的反应温度分别为125～150℃、150～160℃、155～165℃；采用少量甲苯作为溶剂，溶剂量为12%。

引发剂选用过氧化壬二酸二叔丁酯，搅拌时间4~5h，加料和出料时间为1h，最终转化率达84%。

反应周期：

由于温度、溶剂、搅拌速度、搅拌时间等影响，聚合物的聚合度不同。

热引发的苯乙烯单体聚合的反应级数一般认为是一级或二级反应，本设计采用一级引发的机理计算。

则取K=0.44

，要求聚苯乙烯转化率84%，计算反应时间换成自己的转化率

辅助时间设为t=1h

操作周期圆整为6h

物料衡算：

热引发本体聚合制备年产4000吨聚苯乙烯，每年工作330天，苯乙烯单体聚合一般采用4到5级反应釜进行反应，要求聚苯乙烯转化率84%，以氮气为保护气，以甲苯为溶剂，甲苯在反应液中质量分数为12%，则苯乙烯的质量分数为88%。

物料衡算：

热引发本体聚合制备年产4000吨聚苯乙烯，每年工作330天，苯乙烯单体聚合一般采用4到5级反应釜进行反应，要求聚苯乙烯转化率83%，以氮气为保护气，以甲苯为溶剂，甲苯在反应液中质量分数为12%，则苯乙烯的质量分数为88%。

下面都按自己的产量算

苯乙烯每天需投入量：

则物料每天的投入总量：

甲苯每天投入的总量：

反应总体积计算：

每天生产批次为

由密度与温度的关系图查得，反应温度为150℃下反应液的密度

，

每批处理体积量

取填料系数为0.7

反应器所需容积为

假设用一只反应釜，即m=1，得

求得：

因此本设计用一只反应釜计算。

取反应釜

得

圆整为2m=2000mm

确定封头尺寸

本设计选用椭圆形封头标准件，它的内径应该与筒体内径相同，即封头公称直径为

，因此根据《化工机械基础》（第二版）附录中有关筒体和封头数据，查得封头公称直径为

时，封头容积

，封头总高度

。

筒体高度

圆整为1.0m

釜体实际高度为：

按圆整后的筒体高

度修正实际的容积，则

实际长径比：

反应器最高液位高度：

苯乙烯体积收缩系数：

最低液位高度

4、搅拌装置

1.尺寸：

本实验选择涡轮式，用圆盘涡轮式搅拌桨。

由于桨叶直径D与釜径

的比值范围0.2~0.5，取0.5，故D=1m

叶轮距釜底高度

取0.2故h=0.2m

叶片宽度b=（0.125~0.25）D取0.25故b=0.25m

2.转速与功率：

转速：

由于本设计选取圆盘涡轮式搅拌桨，u=4~10m/s，取u=6m/s

故

查资料得反应液的黏度

=0.72Pa.s，又反应液的密度

据几何条件，圆盘涡轮式搅拌桨，4块宽度为0.1的挡板，b/D=1/5

查得与Re值的对应的

3.电机功率

选用填料密封时

=10%～15%

，选

=15%

，

的范围为0.8～0.95，取0.85计算.

结论

附录

【5】许长清等.合成树脂及塑料手册.北京：

化学工业出版社，1991

【6】王久芬主编.化工生产流程图解.北京：

化学工业出版社，1992

∙2．  聚苯乙烯  ．环球塑化 ．2014-05-30 [引用日期2014-06-4] ．

∙3．  聚苯乙烯  ．化化网 [引用日期2014-07-20] ．

7,8环球塑化聚苯乙烯2014。

5。

30