1、年产55万吨可发性聚苯乙烯的生产工艺流程设计摘 要本设计以年产5.5万吨可发性聚苯乙烯的生产工艺设计，通过自身所学的知识，资料和现实情况相结合。参考传统的工艺路线，对可发性聚苯乙烯的生产工艺在质量保证下进行了缩减了生产时间，采用了一步法的生产技术下生产可发性聚苯乙烯，不仅可以保证质量在优良以上，而且还可以提高产量，保证了经济效益进行了相应的物料衡算 和热量衡算， 对设备进行了选型，按照国家标准的三废处理的合理设计，最后进行成本的核算，来预计未来几年的盈亏情况 关键词：可发性聚苯乙烯；一步法；生产工艺路线；物料及热量衡算，设备选型AbstractThis design with the annu
2、al output of 55,000 tons of recoverable polystyrene production process design, through their own knowledge, data and reality combined. Refer to traditional technology, the production process of polystyrene under quality assurance, reduced production time by one step method under the production techn
3、ology of polystyrene production, not only can ensure the quality in high above,but also can increase production, to ensure the economic benefits for the corresponding material balance and heat balance, on the equipment selection,according to the national standard of three wastes treatment of reasona
4、ble design,finally to cost accounting, to profit and loss is expected in the next few years.Key words: Expandable polystyrene One-step method Production process route Material and heat balance Equipment selection1 前言1.1聚苯乙烯聚苯乙烯是由苯乙烯单体自由基聚合反应合成的聚合物，英文名称为Polystyrene,简称PS。晶态密度为1.11.1.12，非晶态密度为1.041.06，
5、玻璃化转变温度为8090。通常以非晶态出现，无色无味，透明并且有光泽的一种热塑性塑料。熔融温度超过250。折射度1.591.60.因其易加工，容易获得原料，绝缘等原因常常用在手轻工市场，装修行业，包装行业等等。1.2可发性聚苯乙烯可发性聚苯乙烯（ expandable polystyrene）是一种聚苯乙烯里加入了发泡剂的聚合物。缩写代号“EPS”。外观为无色透明珠状颗粒。1925年，德国开始生产了当时的高端化学品苯乙烯，并引起当时社会的轰动，也为后来的聚苯乙烯的生产打下了基础。在1930年时候人民初步探索了出聚苯乙烯的合成（悬浮聚合）。在1943年PS塑料在美国率先使用。时间轴到了1952年
6、EPS开始闯入人民视野，到了2000年左右EPS开始了飞速的发展。1.3可发性聚苯乙烯的合成方法可发性聚苯乙烯的合成方法一般以下两种，常用发泡剂为低沸点烃（如石油醚、丁烷、戊烷等），制备时以苯乙烯单体在高压釜中一次反应完成，称一步法；一步法的精髓在于聚合过程后在加入发泡剂称二步法。一步法产品发泡后泡孔均匀细小，制品弹性好，但聚合物的分子分部不均，分子量相对较小。二步法产品聚合物分子量高，制成泡沫塑料强度好，但操作复杂。在一定条件下加热起泡，即成泡沫塑料。存放过程需要十分注意，一旦超过了百分之五的发泡含量容易使物品发现性质上的变化，保存时要低温环境，存储的条件比较困难。1.4可发性聚苯乙烯的应用
7、EPS的化学性质是拥有出色的隔热性能，独有的防震性能，使用时间长，和顶级的防水性，因此在很多行业中得到应用，其中以道路工程，建筑行业，水利工程为主，在农业，航空行业也有涉及，所以EPS的功能性还没完全开发，日后还有很多可取之地。1.4.1在道路工程中的应用（1）路基路提基料。由于EPS密度小，强度高可以解决沉降的问题，可以把沉降的封填满，所以可以做一种填料（2）设计成结构顶部，路提下埋设的刚性材料往往会产生不同的应力的反应，这时候加入EPS可以解决这个问题，因为EPS可以减弱应力的影响（3）路基防冻层：因为EPS有隔热的作用，加入EPS后，路基顶面可以设计防冻层，保持了路面稳定性能1.4.2
8、在建筑行业中的应用（1）将EPS直接填在建筑外层，可以加固了外墙的防震结构，可以保护了内层材料结构，又可以起到隔热的作用，同时经济效益高，施工简单，美观（2）将EPS放入房顶中，因为现在房顶传统材料的保温结构相比之下较弱，而且容易报废。这是由于材料的防水性跟防晒性能欠缺引起的。但是现在可以加入EPS板，在房顶的防水层下面做一层EPS板，然后在铺一层覆盖层，这个方法可以增加使用年限，又可以增强防水性能（3）用于建筑的特殊用料，随着高层建筑的增多，房屋的承重性能变得十分重要，有一些地方要使用轻质材料并且拥有高强度的，往往会使用EPS。1.4.3 在水利工程中的应用随在水利工程中一般采用EPS板函夹
9、基础保温层，用于中间层，作为浅埋的中间层，实现省时省力的工程量，减少水利工程所需的价钱，通过EPS还可以减少冻结城，通过EPS的结构可以有效的预防冻结，还能解决一部分的漏水问题。1.5课题研究内容及意义本课题研究的主题：可发性聚苯乙烯。随着现在房地产越来越多，因为中国国情问题，现在建筑行业越来越发达，EPS可以帮助房地产增长经济效益，所以EPS越来越被重视起来.不可否认，目前EPS的应用还不是很普及，技术问题过高等问题，造假过高，对于其性能还没完全开发，还有等等一些问题。本文就是要解决如何大批生产大量高质量的EPS，本文使用的就是最普通的方法用最经济的方法来生产，利用最少的机器生产最多的产品，
10、本文就是要解决如何最优解决产量问题。 未来的EPS一定会向着低价格，高强度，质量高，拥有良好的化学和物理性能的方面发展，而且可以带动经济发展的一种趋势，还可以克服各个领域的局限性，例如道路工程中车辆荷载作用下EPS块体间的缝隙将逐渐变大等，而且EPS将会在建筑行业中越来越成为主流材料。2可发性聚苯乙烯的聚合工艺流程设计EPS 生产工艺步骤：预发泡-成品-发泡塑性-后处理。即可得到泡沫塑料品，发泡成型的聚苯乙烯是目前市场上最具有价值的包装材料和保温材料。本文生产EPS的采用一步法生产工艺。聚苯乙烯泡沫塑料用于独特的防水性，优良的隔热性能，机械强度大，可以通过控制蒸煮以及压制条件来控制生产出不同的
11、聚苯乙烯泡沫材料。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:R2Rb.初级自由基与单体,形成单体自由基 R+ CH=CH2R-CH2-CH （2）链增长R-CH2-CH+nCH2=CHR-CH2-CHnCH2-CH （3）链终止偶合终止RCH2-CHnCH2-CH+RCH2-CHmCH2-CHRCH2-CHnCH2-CH=CH-CH2 CH-CH2 mR歧化终止RCH2-CHnCH2-CH+RCH2-CHmCH2-CHRCH2-CHnCH2-CH2+R CH2-CHmCH=CH 2.1.工艺流程2.1.1工艺流程选择原则
12、满足可行性和具有一定科学水平，能达到预期产品的性能指标和经济效益，可操作性高。在兼顾企业的同时制定出工艺流程最简、技术相对成熟、投资量最少、生产成本低、适应生产的连续化，使整个生产装置达到顶尖水平。工艺设计的原则：（1）可靠稳定、安全、良好的经济效益、技术相对高端，合理，成熟；（2）合理的工艺方向和工艺流程；（3）可以稳定持续的发展；（4）利用我国现有的机械水平进行部分的机械设计；（5）三废处理良好，保护环境；（6）要考虑其他专业的设计要求，并为其设计提供可靠依据；2.1.2 工艺流程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式流程。以前使用本体聚合的时候，反应过程不加
13、入引发剂，通过加热的方式，让他慢慢反应，当预聚合温度达到要求是就保持在要求数值下，这时的反应转化率十分的低下，不足百分之35.如果超过了预聚合温度，这时所得到的产物又与预期的产物有比较大的出入，产生的产品粘度过大.从工程角度分析，该工艺还有以下不足的地方：转化率与预期不符，后期的反应速度相比前期较慢，需要的反应釜比较特殊；物料黏度过大，后处理过程中十分困难，需要不断加热才能使液体进入处理区，十分不便，降温时，前后温差过大，容易造成产物损坏。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，因为苯乙烯不溶于水，溶于有机物，所以一般来说可以选择使用乙醇和苯，但是由于乙醇溶于水，所以选
14、择苯是首选。由于添加了溶剂，并且反应过程的速率较低，转化率相对低，可以设计相对应的洗涤过程，使得未反应的单体可以再次循环利用，通过一些冷却回流的装备转入反应釜中，通过对于把反应釜中的单体不断利用，提高了经济效益，通过科技的不断发展，单体反应率接近顶峰。本次我们使用的工艺中加入了其他助剂，提高了反应速率，并且把成功率保持在了百分之80上下，所以我们的方法在传统方法上比较可行，可以作为主要卖点。它依次按以下步骤进行：1、将水加入安装有搅拌装置的，并且夹套可用蒸汽加热的反应釜内。以50100转/分的转速下搅拌的同时依次加入分散剂TCP,助分散SM-Na，助剂12C-Na2SO4，搅拌均匀至25分钟左
15、右。2、搅拌同时再加入单体苯乙烯。升温至6070，搅拌均匀3、再加入引发剂BPO，CP-02，控制温度为8090的条件下，搅拌进行反应。4、当转化率达到80%时再加入石油醚，控制温度为105125，继续搅拌46个小时进行反应。5、洗涤后，降温出料一种可发性聚苯乙烯的一步法生产技术配方 苯乙烯： 100 份 水： 100 份 石油醚： 5-12份 BPO： 0.51.2份 CP-02： 0.30.6份TCP： 0.250.55份SM-NA 适量12C-Na2SO4 适量2.1.3操作方式的确定采用间歇操作的操作方式。2.1.4反应器的控制本设计对以下三个方面的主要设备控制工艺进行了简单的简述：（
16、1）反应器的控制（2）泵的控制；（3）报警和紧急停止1、反应器的控制；本反应装置采用综合反应控制器（SC），同时兼有反应器温度控制（TC）、反应器压力控制（PC）通、反应器液位控制（LC）为一体的综合控制装置，能方便的提供实时反应进程数据参数。（1）温度控制：通过控制冷凝水的流量来控制反应体系温度。（2）压力控制：通过半自动化控制放空阀的开放以及通惰性气体的阀门开放来达到压力的控制。（3）液位控制：通过液体的压差来进行控制液体的流速。2、泵的控制离心泵的控制室采用直接控制法来调节管路中的流量。直接法：将流量阀门直接安装在管子上，流量阀门上安装一个流量计，通过阀门来控制流量，设定数值来调节流体通
17、过的流速。3、报警切断及连锁为了确保生产的正常有序进行，虽然采用比较先进的操作系统，使得的系统操作在正常水平中操作，但是仍然会百密一疏。对于任何的突发事件都应该考虑到，并在设计中采取充分的附加方法措施，如报警、紧急停止等。（1） 报警（alarm）。控制参数值超出控制范围，并且该数值可以让工人来之前稳定并且可以完全修复，通过警示灯和警示喇叭提示。（2） 紧急停止（isolation）。对于马上要产生事故的事件，马上停止任何一切的工业措施。3 参考配方工业类型：半连续法生产规模：年产5.5万吨的可发性聚苯乙烯的工艺设计年产5.5万吨EPS，规模330天，每天3批，6条生产线现在我们如今要制造5.
18、5吨的可塑性聚苯乙烯，根据方程式来计算，苯乙烯加聚反应将双键断开，所以过程中只有苯乙烯进行了反应，其他物品没有进行反应，可以有如下的物料衡算式聚合物转化率80%水100%引发剂BPO0.6%引发剂CP-020.4%单体纯度99%分散剂TCP0.3%助分散剂SM-Na0.02%助剂12C-Na2SO40.01%石油醚6%单体纯度99，过程中包括后处理耗损率5，转化率80所以可以列数据为=9259.259kg.b. 处理后所需质量为9259.25995=9746.5889746.5880.8=12183.235kg.b 。因为单体纯度为99，所以所需原料等于12306.298kg.b产品中聚苯乙烯
19、含量=100/107.33=93%因为出料中不包括水，所以可以得出以下算式因为水的投入量等于苯乙烯的投入量所以等于11444.857kg.b苯乙烯：12306.298X93%=11444.857kg.b引发剂BPO：12306.298X0.6/107.33=68.795kg.b引发剂CP-02：12306.298X0.4/107.33=45.863kg.b分散剂TCP：12306.298X0.3/107.33=34.397kg.b助分散SM-Na：12306.298x0.02/107.33=2.293kg.b助剂12C-Na2SO4 12306.298x0.01/107.33=1.146kg.
20、b石油醚：12306.298x6/107.33=687.951kg.b因为本次设计就一个反应，没有其他的釜体，悬浮反应中减去去水的重量就等于了反应釜出料的量，所以可以得到以下数值11444.857+68.795+45.863+34.397+2.293+1.146+687.9512306.298所以最后得到的混合物质量为：12306.298+11444.857=23751.155kg4热量衡算左边的热量=右边的热量如图所示Q1+Q2+Q3+Q4=Q5Q1：交换热（容器中混合物的热量变化）Q2：反应热（反应釜中发生反应所产生的热量）Q3: 搅拌热（搅拌桨搅拌液体时产生的热量）Q4：热量损失苯乙烯：
21、1.61水：4.2（单位为KJ/Kg）聚合釜中以苯乙烯和水为主，所以平均比热容可以这么估算1.61x0.5+4.2x0.5=2.905 KJ/Kg4.1 Q1的计算Q1：已知物料的进料温度为 25，出料温度为 125，所以T=100则 Q=WCpmT=23751.155x2.905x100=6899710.5275kJ4.2 Q2的计算Q2：已知转化率为80%，苯乙烯聚合焓为71.72KJ/mol=11444.857/104.1580%71.72=6304.945KJ由于聚合反应是放热，所以热量为-6304.945kJ4.3 Q3的计算Q3:根据实际工业生产，因反应热比较大，取搅拌热是聚合反应
22、热的 5%Q3=5%Q2=315.247KJ由于搅拌作用为放热效应，故- 314.247kJ4.4 Q4的计算Q4：在本设计中，为简化计算，取热损失为总传热的 10%则Q=|（Q1+Q2+Q3）|10%=（6899710.527-6304.945-315.247）10%KJ=689309.033综上QT =Q1+ Q2+ Q3+ Q4=6899710.527-6304.945-315.247+689309.033=7582399.368KJ5设备参数计算5.1 设备选择原则5.1.1设备选型的原则（1）合理性。设备必须满足工艺设计的一般要求，设备要与你的物料衡算，热量衡算，生产规模，控制系统相
23、适应，有一个协同效应。设计中注意每个设备之间的关联，防止出现一些工业上的停滞。（2）技术上先进在满足生产需要的前提下，尽可能提高生产的质量，让设计的产品在质量上有所提高。（3）经济效益高即要求设备价格在市场价的下游，尽可能的延长使用寿命，节约能源的前提下，降到耗损.5.1.2化工设备材料选用五大原则（1）硬性条件过关，使用安全可靠设备是化工厂的最基础的原则，是生产线上成败的场所，也是工厂能否立足的生命线。因此，选用材料要做到万无一失、安全第一。在国家标准的大前提下，选用尽可能长寿的材料设备。（2）满足工艺及设备要求这是选材最基本的依据，在本次设计的产品生产过程中，能够适应用各种情况，可以耐腐蚀
24、，可以耐高温等等性质，要保证生产过程中没有隐患。（3）材料立足于当地和国内市场，当前的化工设备行业不景气，尽可能在保证产量和质量前提下，使用国内比较突出的材料制造的设备（5）综合经济指标核算材料选择之后，要制造成设备，其费用不仅是材料费用一项，还包括运费，加工成品费，日后维修的费用，还有日后维修的材料费用，这些都是需要考虑的，从这些费用中要选择最优的方法，这样才能物美价廉。5.2基础数据 年产量：55000吨 工作天数：330d/a H/D：11.5间歇操作周期：8h 每天批数：3B/d 体积收缩系数：-0.2苯乙烯的密度：0.906kg/L. 水密度为1 设备直径/mm3300、350400
25、、4505002200220032003200直边高度/mm2525、4025、40、5040、5050因为本次混合物中主体水和苯乙烯占主体百分之95，其他的物质密度可以忽略不记.所以混合物的密度可以这样计算（24612.597+22702.3861）/（22702.3861+27166.2219）=0.948所以可以得到混合物的密度为 948kg/m则=23751.155/948X3=8.3513m因为是搅拌釜反应器且反应比较剧烈，所以装料系数取0.6,所以可以求得 =8.3513/0.6=13.9188m公称容积L实际容量L电热功率kw夹套容量L内锅尺寸mm外锅尺寸mm减速机型号电机功率k
26、w搅拌转速n/min50623295400600B11.160-8010013062120500700B11.560-8020024763200600800B22.260-8030035563250700900B2360-80500589932909001100B3460-80100012159456012001400B35.560-802000224412475013001500B47.560-8030003201155101515001700B41160-8040004029155122616001800B51560-8050005170185140018002000B51560-8010
27、00010060205200022002400B518.585-1001200012050255230026002800B520.585-1001500015060355250030003200B62485-1001800018030405280034003600B62890-115选用15000容积的反应釜h 为釜体直边高度、H 为反应器釜体总高度，则： H=h+20.25D若取 H/D=1.5，则有h=D ；经查阅资料，标准椭圆封头的应力分布比较均匀，封头的强度与和其相连接的筒体强度相等，并且本设计反应物的粘度不是很高，所以选择标准椭圆封头。相关参数：，所以 =1.047 直径D=2.36
28、 = 0.6 =1.8109 虽然反应器属于非标准设备，但用于制造反应器的上下封头仍应选用标准封头，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为 2.4mh=（13.9188-2X1.8109）/0.785X2.4X2.4=2.2772 实际高度等于H=h+2h封=2.2776+2x0.6=3.4776设备直径/mm3300、350400、4505002200220032003200直边高度/mm2525、4025、40、5040、5050 根据表中数据得出，取封头直边高度为：50mm则釜体圆形直管部分高度为2.2772-2X0.05=2.1772m所以反应器实际体积： =0.785X2.4X2.4X2.
29、2772+2X1.8109 =13.9183.实际H/D=3.4776/2.4=1.449(由于釜中产生气体所以长径比在1-1.5之间，所以计算正常)（7）最高液位：=0.6+（8.3513-1.8109）/0.785X2.4x2.4=0.6+1.4464=2.0464m（8）最低液位：=0.6+(8.3513X0.8-1.8109)/0.785X2.4X2.4=0.6+1.0770=1.6770m5.3 搅拌装置（1）桨型选择 生产可发性聚苯乙烯，由于是悬浮聚合，体系粘度不是很大，具有良好的流动性，故本设计选用六片涡轮桨式直叶搅拌装置，搅拌等级为8级。（2）桨型尺寸 桨叶直径：d/D=1/41/2，取 0.3，d=0.3D=0.32.4=0.72m 桨叶宽度：b/d=1/81/5，取 0.2，b=0.2d=0.20.72=0.144m根据C/D=1，可得搅拌叶距釜底距离 C=D=2.4m（3）搅拌转速 查表得：总体流速度=14.6m/min 搅拌桨叶排出流量：=14.60.2916=4.257 m3/min 取搅拌端线速度：ut=3m/s 搅拌桨叶转速：=1.769r/s=106.14r/min，所以取110r/min表1.7 不同搅拌级别对应的总体流速搅拌级别12345678910总体流速/mmin-11.83.7
