2万吨年SAN悬浮聚合生产车间的工艺设计.docx
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2万吨年SAN悬浮聚合生产车间的工艺设计
2万吨/年SAN悬浮聚合生产车间的工艺设计
沈云浩
(常州大学材料科学与工程学院材料化学101班)
指导老师:
张震乾
1项目简介
1.1项目名称………………………………………………………2
1.2项目内容……………………………………………………2
1.3设计依据及必要性…………………………………………2
1.4市场前景分析………………………………………………2
1.5产品方案…………………………………………………2
1.6技术方案及设备方案…………………………………………2
2生产方法与工艺流程
2.1生产方法…………………………………………………4
2.2聚合工艺过程……………………………………………4
2.3工艺流程………………………………………………9
2.4工艺参数…………………………………………………10
2.5主要设备控制方案…………………………………………10
2.6安全防护措施………………………………………………11
3物料衡算以及热量横算
3.1物料衡算…………………………………………………12
3.2热量衡算…………………………………………………15
4设备工艺计算
4.1釜体的设计………………………………………………17
4.2搅拌器的确定…………………………………………18
4.3各物料进出管口直径确定………………………………19
4.4轴密封形式…………………………………………19
4.5流体输送机械的选型设计………………………………20
4.6调节釜的设计………………………………………20
4.7单体预乳化罐的设计………………………………20
4.8过滤器的设计………………………………………21
5参考文献
1项目简介
1.1项目名称:
2万吨/年SAN悬浮聚合生产车间的工艺设计。
1.2项目内容
1、设计方案简介,选定的工艺流程、主要设备的型式进行简单的论述。
2、对选定的工艺流程进行物料衡算,对某些设备进行热量衡算,为设备的工艺计算提供依据。
3、主要设备的工艺设计计算,包括工艺参数的选定、原材料消耗计算、动力计算、设备的工艺尺寸计算及结构设计;典型辅助设备的选型和计算,包括典型辅助设备的工艺尺寸计算和型号规格的选定。
4、工艺流程图一单线图的形式绘制,标出主要设备、辅助设备和主要工艺参数测量点,并绘制工艺流程草图、PFD、PID图。
1.3设计依据及必要性
依据设计任务书或可行性研究报告的批文,环境影响报告书的批文,技术引进报告的批文以及其他相关性文件等。
依据主要原料及物理性质、生产方法、生产能力。
SAN树脂是作为由丙烯腈和苯乙烯进行共聚反应而生产的一种共聚产物。
热塑性SAN树脂为无色非晶态或透明的微黄色颗粒状树脂,相对密度为0.7,收缩率在0.2%~0.5%之间,无毒。
作为一种有刚性并且十分坚固的材料,耐热性、尺寸稳定性、耐油性、抗震动性和化学稳定性十分优异。
目前,其只要用来掺混生产ABS的产品,因而ABS的生产量直接决定了SAN的需求与产量。
1.4市场前景分析:
在外国,SAN树脂很早便已经发展,并形成了一系列的高质量产品。
而中国的SAN树脂牌号少,质量层次不齐,很难满足中国各行各业的不同需求,从而导致中国客户大量进口外国SAN树脂,而中国的产品大量滞销,SAN产业链严重滞后。
因此结合我国目前现状,要稳定和提高产品的质量,解决产品中存在的问题,尽最大的努力降低成本,突破技术难点和薄弱环节,早日实现装置全面达标。
让中国的SAN树脂品牌化,质量化,从而走出中国,在国际市场上开辟一个属于中国的领域。
1.5产品方案:
生产能力:
SAN树脂2万吨/年;
开工时间:
250d/a,24h/d。
1.6技术方案及设备方案:
(一)技术方案:
工业生产SAN树脂一般采用三种方法:
乳液共聚、悬浮井聚和本体共聚.。
本设计选用悬浮聚合法作为设计的基本原理。
因为聚合反应热容易除去,生产操作安全,反应过程中物料粘度变化不大,温度可以控制。
SAN生产方法是通过自由基在引发剂或热引发进行共聚合,但由于两种单体的竞聚率相差很大,如苯乙烯为r1约0.4,丙烯腈为r2约0.04,苯乙烯的聚合速率比丙烯腈快得多,随着共聚反应的进行,苯乙烯单体消耗速率快,比丙烯腈单体先消耗完。
在聚合后期生成的是丙烯腈均聚物,因此,共聚物组成与单体投料比不同,共聚物组成随着共聚转化率的提高不断变化,共聚物是不同组成聚合物的混合物。
乳液聚合主要优点有:
①聚合反应中的反应热简单的就能去除掉;②生产操作安全,不会发生特大安全事故;③反应过程中无聊粘度变化不大而且还能控制温度等。
缺点:
①聚合物的外观不太好,透明度差;②与聚苯乙烯比较有发黄现象。
(二)设备方案:
该项目主要生产设备为聚合釜、调配罐、贮槽、混合槽、沸腾干燥器等大型设备以及各类机泵、各种仪表等。
2生产方法与工艺流程
2.1生产方法
选择生产工艺路线就是指选择生产方法。
生产方法就是指在化工生产过程中使用何种原料、根据何种原理、选择实施何种方法,通过何种操作过程实现从原料变为产品的方法。
主要生产方法:
将苯乙烯与丙烯腈在控制温度的情况下,通过改变温度与压力进行悬浮聚合,然后将所得聚合物料进行筛选除杂,从而得到高质量的SAN树脂。
本项目基本工艺由原材料的配制、聚合、脱单体和成品包装等工序。
基本组分是:
单体、悬浮剂、阻聚剂等。
2.1.1原料选择:
该项目选用的原料主要单体为:
苯乙烯和丙烯腈。
2.1.2聚合机理:
自由基共聚反应。
2.1.3实施方法:
本项目拟采用悬浮聚合法获得SAN树脂。
2.1.4操作过程:
采用间歇式操作。
2.2聚合工艺条件
2.2.1单体的选择:
SAN树脂是丙烯晴--苯乙烯共聚物,其特性是由两组份的配比及每一种组分的化学结构,物理形态控制。
丙烯腈表现的特性是耐热性、耐化学性、刚性、抗拉强度;苯乙烯表现的特性是加工流动性,光泽性。
这两组分的结合,优势互补,使SAN树脂具有优良的综合性能。
(1)苯乙烯
苯乙烯结构式为C6H5CH=CH2,是不饱和芳烃中最简单、最重要的成员,属于带有烯烃侧链并与苯环形成共轭体系的单环芳烃,广泛用作生产苯乙烯系树脂和合成橡胶的原料,如GPPS、HIPS、ABS、SAN、SMA、SBR等。
目前世界苯乙烯产量已达1900万吨/年,90%以上都是通过乙苯催化脱氢制得,中国苯乙烯产量约为80万吨/年。
表1苯乙烯的物理性质
物理量名称
量值
沸点(0.1MPa)/℃
凝固点/℃
闪点/℃
Tag开杯法
Cleveland开杯法
自燃温度/℃
爆炸极限(空气中)/%
145.0
-30.6
34.4
31.1
490.0
1.1~6.1
表2工业用苯乙烯质量标准
序号
指标名称
质量指标
测试方法
优级品
一级品
合格品
1
外观
清晰透明
无机械杂质
无游离水
目测
2
纯度,%≥
99.6
99.4
99.0
GB/T12688.1-90
3
色度,号≤
10
15
30
GB/T12688.2-90
4
总醛,%≤
0.01
0.02
0.04
GB605-88
5
聚合物,mg/kg≤
10
10
50
GB/T12688.5-90
6
过氧化物,mg/kg≤
100
100
200
GB/TT12688.4-90
7
阻聚剂,mg/kg
10~30
GB/TT12688.7-90
8
硫,mg/kg≤
30
30
30
GB/TT12688.6-90
(2)丙烯腈
丙烯腈结构式为CH2=CHCN。
目前,世界总生产能力约为4870kt/a,其中90%采用Sohio法,中国丙烯腈生产能力约为430kt/a。
丙烯腈在常温常压下,是一种具有苦杏仁气味的无色透明液体。
表3丙烯腈的主要物理性质
物理量名称
量值
沸点/℃
77.3
熔点/℃
-83.55±0.05
临界温度/℃
246
临界压力/Mpa
3.12
相对密度/
0.8004(25℃)
d=0.8281-0.001106t(t=0~30℃)
比热容/[J·(kg·k)-1]
20.92±0.03
蒸汽相对密度
1.83(空气=1.0)
折射率
1.3888
粘度(25℃)/(MPa·s)
0.34×10-3
表面张力/(mN·m-1)
27.3
闪点/℃
0
燃烧温度/℃
481
表4工业用丙烯腈规格
序号
指标名称
指标
优等品
一等品
合格品
1
外观
透明液体、无悬浮物
2
色度(Pt-CO),号<
5
5
10
3
酸度<
0.0020
0.0035
-
4
密度(20℃)/(g/cm3)
0.800~0.807
5
PH值(5%水溶液)
6.0~9.0
6
滴定值(5%的水溶液)/ml<
2.0
2.0
3.0
7
水分/%(质)<
0.45
0.45
0.60
8
总醛(以乙醛计)/%(质)<
0.05
0.05
0.010
9
总氰(以氢氰酸计)/%(质)<
0.0005
0.0010
0.0020
10
过氧化物(以过氧化氢计)/%(质)<
0.00002
0.00002
0.00004
11
铁/%(质)<
0.00001
0.0000
0.00002
12
丙烯醛/%(质)<
0.0010
0.0020
0.0040
13
丙酮/%(质)<
0.010
0.020
0.030
14
乙腈/%(质)<
0.015
0.020
0.030
15
铜/%(质)<
0.00001
0.00001
-
16
沸程(在0.10133Mpa下)/℃
74.5~79.0
17
阻聚剂
对一羟基苯甲醛/%(质)
0.0035~0.0045
氨/%(质)
0.008~0.012
2.2.2悬浮剂的选择
悬浮剂是将小于4微米的微粒均匀分散于试剂中的制剂。
悬浮剂在制备SAN树脂过程中起到了十分重要的作用。
它能够将原本在溶液中不均与分散的单体均匀的分散在溶剂中,从而使反应更加彻底更加有效率。
悬浮剂的选择受到很多因素的影响,比如温度,压力,溶剂和是否与单体有反应等,介于本实验在140℃之上,所以最终选择碳酸镁作为本次设计的悬浮剂。
2.2.3阻聚剂的选择
阻聚剂分子与链自由基反应,形成非自由基物质或不能引发的低活性自由基,从而使聚合终止。
阻聚剂可以防止聚合作用的进行,在聚合过程中产生诱导期(即聚合速度为零的一段时间),诱导期的长短与阻聚剂含量成正比,阻聚剂消耗完后,诱导期结束,即按无阻聚剂存在时的正常速度进行。
选择阻聚剂主要是要求有较高阻聚效率,还应考虑它在单体中的溶解度,与单体的适应性,能够容易用蒸馏或化学方法将阻聚剂从单体中除去。
进过多方面考略,选择TBC作为本设计的阻聚剂。
2.2.4SAN悬浮聚合方案流程简图
图1悬浮聚合法生产SAN生产方案流程图
2.3工艺流程
(1)SAN的制备
由苯乙烯单体、丙烯腈和溶剂以及回收液组成的物料经预热后进入聚合釜,丙烯腈:
苯乙烯单体=50:
50。
聚合反应温度为120~150℃,压力0.15~0.75MPa,反应后从聚合釜出来的物料用齿轮泵送入第一脱挥器,在0、196MPa压力下闪蒸除去大部分丙烯腈和部分苯乙烯单体、乙苯等挥发组分。
然后经管式加热器加热至240℃后,进入第二脱挥器,在2.67kPa压力下再脱除残余的苯乙烯单体等挥发组分。
整个系统用290℃的热油保温。
熔融的SAN送去挤条切粒,进行产品与准备
项目
数据
聚合温度/℃
停留时间/h
100~160
8~10h
表5制备SAN树脂的工艺条件
2.4工艺参数:
2.4.1工艺配方(质量分数)
配料比苯乙烯:
丙烯腈=100:
100
悬浮剂用量c=0.222%(单体质量分数)
阻聚剂用量d=0.028%(单体质量分数)
2.4.2主要单体参数
单体名称
相对分子质量
沸点/ºС
熔点/ºС
折射率
密度
丙烯腈
53.06
77.3
-82
1.388
0.806
苯乙烯
104.14
145.2
-30.6
1.5469
0.906
2.4.3主要工艺参数
聚合温度100~160℃
转化率70%~75%
损失率2﹪
2.5主要设备控制方案
2.5.1反应器的温度控制
反应温度的控制主要是通过与夹套内循环水进行热量交换来实现的。
不同的聚合反应器,聚合反应机理不同、操作方式不同、温度控制不同、传热介质、传热方向及控制特点的不同,如连锁聚合反应温度较低,多为放热反应,反应速率极快,所以反应过程中撤热必须及时,否则易发生爆聚。
而缩聚反应反应热效应小,由于反应温度较高,所以大多需要供热,反应速率比较平稳,传热速率也比较平稳。
连续操作反应温度控制必须平稳,抗外界干扰能力要强。
而间歇操作反应温度要尽量按预定要求控制,允许有小量的波动。
恒温反应过程,反映前期速率较快,传热速率快,反应温度不易控制。
而变温反应过程,反应速率在一定时间内比较平稳,传热速率也比较平稳,反应温度易控制。
2.5.2反应器的压力控制
先将聚合釜抽真空在通入氮气排除空气并且降温,然后在减压下进行聚合。
通过调节真空泵的抽气量控制反应器的压力。
2.5.2反应器液位的控制:
(进料时打开进料泵,物料到达预定液位时,关闭进料泵)
在间歇操作过程中,反应器的液位高度是一个重要的控制参数,但是由于间歇操作对于液体的流速没有多大的要求,所以,对于反应器的流入流出量没多大要求。
2.5.4泵的控制(直接流量调节)
泵的控制有两一是直接流量调节,二是旁路流量调节。
直接流量调节控制方案简单,易操作。
所以在选择时采用直接流量调节。
2.6安全防护措施
2.6.1聚合工段
设计中电气设备一律选用隔爆式电气设备,各设备均有接地线、跨接线等防静电设施及防雷设施;各岗位设有排气系统。
此外生产中还要注意以下问题:
①禁止穿带钉子鞋进入装置现场;禁止吸烟;禁止随意用铁器碰击设备;机动车不经许可不得进入生产区。
②生产人员必须熟悉相关岗位消防设施的种类和存放位置,并熟练准确使用,了解现场物料的性质。
③生产人员必须佩戴好劳动保护用品,在接触化合物时必须带手套、面具及其他防护用品。
④生产人员在生产过程中要及时检查,消除漏点。
⑤设备跑料、贮罐冒顶应立即采取紧急措施,切断物料来源,控制现场,通知附近使用明火单位立即停止,严禁开、停传动设备,及时回收流失物料或用蒸汽蒸煮,消除危险。
⑥生产装置检修敲打设备时,必须使用铜制工具或在铁制工具上涂上黄干油,以免引起火花。
⑦生产现场禁止存放大量易燃易爆物品。
⑧设备开车前必须用氮气置换。
⑨各贮罐装料不得超过规定的装料系数,而且要有氮气保护。
⑩设备检修必须将物料倒空,并用盲板切断与其他设备的连接,清除可燃物,经车间安全员同意,指令专人到现场监护,检修人员方可动火。
2.6.2后处理工段
①处理的电器、转动设备多,生产人员上岗必须穿好工作服带好安全帽。
所有电器设备在运转中禁止用手乱动。
②生产人员工作服内禁止带东西,防止落入设备影响生产。
③非岗位人员禁止入内,库内经常保持卫生。
3.1物料衡算
3.1.1如下图示,对于物料数量与组成没有变化的设备不做物料衡算。
图2SAN悬浮聚合间歇操作物料平衡示意图
M1——原料Na2CO3,M2——无离子水A,M3——16%Na2CO3,M4——原料MgSO4,M5——无离子水B,M6——16%MgSO4,M7——SM-Na钠盐,M8——MgCO3溶液,M9——苯乙烯,M10——丙烯腈,M11——单体混合液,M12—待聚合溶液,M13—阻聚剂,M14—聚合物混合液
3.1.2明确物料变化的化学变化,写出主,副反应方程式
在R101中发生Na2CO3+MgSO4——MgCO3+Na2CO3;
在R102中发生苯乙烯和丙烯腈悬浮聚合成SAN;
3.1.3收集数据
生产规模:
年生产量2万吨;
生产时间:
年工作日250d/a (24h/d);
间歇操作:
V101V102V103R101每天1批;
R102每天3批。
3.1.4技术指标
损失率:
2.0%产品质量;
悬浮剂:
0.222%单体质量;
阻聚剂:
0.028%单体质量;
3.1.5确定计算顺序
有给定条件及物料平衡关系示意图可采用顺流程的计算顺序。
3.1.6计算主要原料(丁二烯)投料数量
每批生产聚合物数量:
20000000/(250x3x0.98)=27210.88kg/B
所需苯乙烯数量:
27210.88x104.14/157.2117=18064.75kg/B
所需丙烯腈数量:
27210.88x53.06/157.2117=9183.85kg/B
3.1.7顺流程逐个计算
V101:
M1=(18064.75+9183.85)/100x0.09=24.52kg/B
M2=24.52/0.16x0.84=128.73kg/B
M3=M1+M2=153.25kg/B
V102
M4=(18064.75+9183.85)/100x0.12=32.70kg/B
M5=32.70/0.16x.84=171.68kg/B
M6=M4+M5=204.38kg/B
R101:
M3=M1+M2=153.25kg/B
M6=M4+M5=204.38kg/B
M7=(18064.75+9183.85)/100x0.028=7.63kg/B
M8=M3+M6+M7=365.26kg/B
V103:
M9=18064.75kg/B
M10=9183.85kg/B
M11=M9+M10=27248.6kg/B
R102
M12=M8+M11=365.26+27248.6=27613.86kg/B
M13=(18064.75+9183.85)/100x0.028=7.63kg/B
M14=M12+M13=27621.49kg/B
3.1.8物料衡算表:
SAN悬浮聚合间歇操作物料衡算表
物流号
Na2CO3
MgSO4
去离子水
SM-Na钠盐
MgCO3溶液
苯乙烯
丙烯腈
苯乙烯和丙烯腈混合液
待混合溶液
阻聚剂
SAN树脂混合物
总计
M1
24.52
24.52
M2
128.73
128.73
M3
24.52
128.73
153.25
M4
32.70
32.70
M5
171.68
171.68
M6
32.70
171.68
204.38
M7
7.63
7.63
M8
365.26
365.26
M9
18064.75
18064.75
M10
9183.85
9183.85
M11
27248.6
27248.6
M12
27613.86
27613.86
M13
7.63
7.63
M14
27621.49
27621.49
3.2:
热量衡算
3.2.1.热量衡算:
工艺参数
反应温度:
100-160℃
压力:
常压101.325Kpa
反应程度:
P=1-1/Xn=99.98%
物料衡算结果见物料衡算表
各物化数据:
见于计算过程中
升温时
Cp(水)=4.2J/(g*k)
Cp(苯乙烯)=1.99J/(g*k)
Cp(丙烯腈)=2.49J/(g*k)
Cp(SAN树脂)=
易知QT=Q1+Q2+Q3+Q4
即qT=q1+q2+q3+q4
由于生产使用间歇操作,所以
q1=WCp(dT/dt)
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