聚合物合成工艺设计作业讲解.docx

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聚合物合成工艺设计作业讲解

湖南工学院

年产5万吨聚苯乙烯聚合工段工艺设计

小组成员：

严智龙坚指导教师：

谭茜

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。

本设计为年产5万吨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

Abstract

EPS（expandablePolyStyreneEPS）knownaspolystyreneandstyrenecopolymers,isamixtureofaresinandphysicalfoamingagentandotheradditives.ThemostcommoncanbemadeofpolystyreneiscontainedaspentanefoamingagenttransparentPSmaterialparticle.

Suspensionpolymerizationisthedesignfortheannualproductioncapacityof5milliontonsofpolystyrenesectionprocessdesign,reactionmechanismoffreeradicalpolymerization,suspensionpolymerization,usingstyrenemonomer,waterassuspendingmedium,usinglow-temperatureone-stepproductionprocess.Thismethodisstyrenemonomer,initiator,dispersionagent,water,foamingagentandotheradditivestogetherintoareactionkettle,afterpolymerizationcontainingblowingagentofresinparticles,afterwashing,centrifugalseparationanddrying,canbemadeofpolystyrenebeadsproducts;forpolymerizationreactionkettleofmaterialbalanee,heatbalancecalculation,basedontheanalysisoftheprocessflow,selectionoftheprocessequipmentandcalculation.Drawaflowchartwithcontrolpoints,andthepreparationofthedesignspecificationsandcalculations.

Keywords:

ExpandablePolystyrenesuspensionpolymermaterialbalancecalculationprocessdesign

摘要1

1绪论4

1.1概述4

1.1.1聚苯乙烯简介4

1.2指导思想4

1.3节能与环境保护4

1.3.1节能4

1.3.2环境保护5

2工艺论证6

2.1工艺原理6

2.1.1生产方案6

2.1.2工艺路线6

2.1.3工艺流程6

2.1.4反应原理6

2.2聚苯乙烯的生产技术7

3聚合工段工艺和生产流程8

3.1聚合工段工艺过程叙述8

3.2生产流程8

3.3产品规格、原料及公用工程条件8

3.3.1产品规格8

3.3.2生产方式及规模9

4物料衡算10

4.1计算依据10

4.2聚合工段物料衡算10

4.2.1进料阶段10

4.2.2出料阶段11

5聚合工段热量衡算13

附录16

1绪论

1.1概述

1.1.1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。

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0〜70C，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，冈『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。

1.2指导思想

本设计的指导思想是：

（1）采用悬浮聚合工艺，确保产品质量高，生产过程安全；

（2）生产过程采用自动化控制，机械化操作；

（3）对于易燃易爆的地方，采用了可靠的控制，并设置了报警消防设施；

（4）采用技术成熟的溶液聚合方法，达到了环保要求，对生产过程中的排放物要经过处理，以达到环保要求；

（5）厂房、车间、设备布置严格按照土建标准，以保证生产正常的运行和操作方便以及操作人员的安全为主。

1.3节能与环境保护

1.3.1节能

本设计采用的节能方法：

（1）本设计采用悬浮聚合法合成EPS副反应少，收率高。

（2）合理进行设备布置，尽力按物料流向布置，减少物料往返输送次数。

（3）适当利用位差，物料靠重力输送，而减少输送设备，节约部分动力。

（4）选择设备时，凭着高效节能的原则。

（5）设计中加强了对进入装置的水、电、蒸气的计量，为加强能源管理，合理用电、水、气打下良好基础。

132环境保护

该厂建设地应对市区居民的生活及附近的工农业生产均无影响。

废渣经沉降池处理的凝聚物主要成份为可发性聚苯乙烯悬浮物，每年清理一次,送公司堆埋厂统一处理。

废液洗涤各类设备的洗净油及废油，经集中回收并入其它装置的燃料油中外销。

废气主要来自聚合釜及料仓，废气中主要成份为苯乙烯和戊烷的混合物，因为间歇排放，绝对量比较少，采取直接排放。

同时应有步骤地进行植树，种草，增加绿化面积。

美化环境的同时也起到了降低噪声的作用。

2工艺论证

2.1工艺原理

2.1.1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。

2.1.2工艺路线

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。

2.1.3工艺流程

工艺流程见图2-1

图2-1工艺流程简图

2.1.4反应原理

总反应式：

nCH=CHR〔CH-CHn

苯乙烯的聚合属于自由基聚合，主要分为链引发、链增长、链终止三个阶段

（1）.链引发

a.引发剂分解,形成初级自由基R:

R-2R・

b.初级自由基与单体,形成单体自由基R•+CH=CbHR-CH-CH・

（2）•链增长R-CH-CH•+nCh=CH>R-CH2-CHnCH~CH•

（3）.链终止

①偶合终止

R〔C也CH〕nCH_CH・+R〔CH_CH〕QHCHR〔CH-CH〕nChkCH=CH-CHi

CH-CH〕mR

②歧化终止

RlChl-CH」nCHkCH•+RCHkCH」QHkCH•—RCH-CH」nCHPCH+R爲爲6）爲（Q）

CHl-CHJnCH=CH

2.2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。

聚苯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。

3聚合工段工艺和生产流程

3.1聚合工段工艺过程叙述

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。

3.2生产流程

1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。

2启动搅拌至设定转速62转、分41Hz,依次加入HAPSDBSDSP

3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SNCP-O2DCPBPO甲苯（如果有回溶料则同时加入）。

开蒸汽升温，温度升到88C时开始计时。

90C恒温。

计时1h加入KPS90E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）中。

3.3产品规格、原料及公用工程条件

3.3.1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3-1所示：

表3-1产品指标一览表

品种及牌号

LR（101.201.301.401）

外观

松冃攵、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/m

发汽剂含量，%>

5.0

残留苯乙烯,%<

0.30

含水量,%<

0.5

相对粘度

1.8-2.1

颗粒筛析%>

3.3.2生产方式及规模

根据实际经济分析，对工厂的实际生产作如下选择:

4物料衡算

4.1计算依据

（1）年产量：

5万吨

（2）年工作时数：

7920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4-1

表4-1LF-EPS发泡聚苯乙烯工艺配比

序号

原料名称

规格

EPS

备注

水

脱盐水

124

苯乙烯（ST）

99.6%

100

单体

成核剂（SN

0.11

发泡剂（戊烷）

94%

8.392

羟基磷酸钙（HAP

0.177

主分散剂

十二烷基本磺酸钠（SDBS

0.0004

助分散剂

过氧化苯甲酰（BPO

干基98%

0.196

低温引发剂

过氧化苯甲酸叔丁脂（802）

95%

0.08

高温引发剂

六溴环十二烷（HBCD）

0.689

阻燃剂

过氧化二异丙苯（DOP

0.0349

阻燃剂

磷酸氢二钠（DSP

99%无水

0.039

稳定

过硫酸钾（KPS

0.0014

调理

4.2聚合工段物料衡算

4.2.1进料阶段

每年生产：

7920/17=466批

每批生产：

50000000/466=107296kg

产品中苯乙烯含量二100%=91%

（100+8.392+0.11+0.196+0.08+0.689+0.349）

苯乙烯进料量=107296X91沧（99.6%X98%）=100032.13kg/批

辅助物料计算：

（1）分散介质

水的进料量为：

100032.13kg/批X124%=124039.84kg/批

（2）分散剂

主分散剂HAP100032.13kg/批X0.177%=177.06kg/批

助分散剂SDBS100032.13kg/批X0.0004%=0.40kg/批

（3）成核剂

SN100032.13kg/批X0.110%=110.04kg/批

（4）引发剂

低温引发剂BPO100032.13kg/批X0.196%=196.06g/批

高温引发剂CP-02100032.13kg/批X0.080%=80.03kg/批

（5）发泡剂

戊烷：

100032.13kg/批X8.392%=8394.70kg/批

（6）阻燃剂

HBCD100032.13kg/批X0.689%=689.22kg/批

DOP100032.13kg/批X0.349%=34.91kg/批

（7）稳定剂

DSP100032.13kg/批X0.039%=39.01kg/批

（8）无机氧化剂KPS100032.13kg/批X0.0014%=1.40kg/批

（9）进料总量为：

100032.13+124039.84+177.06+0.40+110.04+196.06+80.03+8394.70+689.2

2+34.91+39.01+1.40=233794.79kg/批

4.2.2出料阶段

单体进料量：

100032.13kg/批，

单体转化率：

98%

则单体ST的反应用量为：

100032.13kg/批X98%=98031.49kg/批

ST未反应的是：

100032.13kg/批-98031.49kg/批=2000.64kg/批

EPS产品出料量=进料总量-未反应的单体出料量-水量

=233794.79-2000.64-124039.84=107754.3kg/批

物料平衡见表4-2:

表4-2物料平衡表

进料（kg/批）

出料（kg/批）

苯乙烯

100032.13

2000.64

HAP

177.06

SDBS

0.40

110.04

戊烷

8394.70

BPO

196.06

CP-O2

80.03

HBCD

689.22

DCP

34.91

DSP

39.01

KPS

1.40

EPS产品

107754.31

水

124039.84

总量

233794.79

校验设计任务：

EPS年产量：

1107754.31kg/批X466=5.02万t

其年产量为：

5.02万t

结果稍大于所给设计任务，故设计为合格.

5聚合工段热量衡算

热衡算式：

进釜的热量=出釜的热量（冷剂带走的热量）

Q显+Q聚+Q搅+Q损=0吸

（1）

⑵

（3）

（4）

（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20C，聚合反应温度90C,AT=70C浸渍阶段聚合反应温度120C，出料温度40C,AT=80C

1Kcal=4.187KJ

由公式Q=qmCPT计算得下表

表5-1:

△T=80C（Cp值查表）

表5-1第一阶段反应热

单体

流量（kg/批）

△T（C）

Cp（kJ/Kg.C）

Q（kJ/批）

100032.13X90%

10789065.4

100032.13X10%

100

1.712

1712550.07

100032.13X2%

-80

-274008.01

水

124039.84

4.18

10369730.7

HAP

177.06

1.298

4596.40

-50

-11491.19

SDBS

0.04

1.884

15.076843

110.04

51.92

114260.7

C50

8394.70

2.219

372556.62

BPO

196.06

7.704

105732.84

CP-O2

80.03

1.842

2948.15

HBCD

689.22

2.230

30739.27

DCP

34.91

1.667

1163.94

总量

23217860

2、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，故可似认为每个釜的聚合热相等。

如图5-1所示：

6040

207

01111*1

024BS101214

反应时间扫

图5-1苯乙烯转化率随时间变化曲线

计算如下：

hHT（KJ/mol）-vHti［斗］0.38八vH^T^T】0.38

由公式riTc「Tl,

查得单体ST的聚合热QST=70kJ/mol=16.72Kcal/mol（25C,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：

△VHT（298.15K）=0.04Kcal/mol=0.167kJ/mol

在25r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=QST（25C）+CP（T2-T1）=69.83+0.178X

（20-25）=16.47Kcal/mol

J则ST的质量聚合热Qm（ST）=QST/MST=70/0.104=662.88kJ/kg

每小时聚合釜中的总聚合热为：

Qp=m出料XQm=100032.13X98%X662.88=64983112.37kJ/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%<64983112.37=3249155.62kJ/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%

=（23217860+64983112.37+3249155.62）x5%=4572504.4KJ妣

所需蒸汽给热为：

（23217860+64983112.37+3249155.62）-4572504.4=91450087.99-4572504.

=86877583.59kJ/批

聚合阶段热量平衡表见表5-2

表5-2热量平衡表

显热

聚合热

搅拌热

总量

进釜热量（Kj/批）

23217860

64983112.37

3249155.62

91450087.99

热量损失

蒸汽给热

带走热量（Kj/批）

-4572504.4

86877583.59

91450087.99

聚苯乙烯聚合工段CAD工艺流程图

苯乙

—

V101

DCF

BPO$N

甲笫

V301

P1O1

V401

VI03

P102

R201

P103

去包装

TLO1"TZ

沸加

PL04

V302

XI01X1CI2

R20L

V101

V1OS

V201

V301

V302

T101

斑台釜

赶乙二端

工更水F

水洗釜

回收播

逼科角

P10L

P102

P1OS

PLO4

K101

1102

V401

V402

鶴1鱼

主心慕

离心泵

拂出机

造就苗

料斗

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