聚合物合成工艺设计作业.docx
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聚合物合成工艺设计作业.docx
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聚合物合成工艺设计作业
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
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。
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;forpolymerizationreactionkettleofmaterialbalance,heatbalancecalculation,basedontheanalysisoftheprocessflow,selectionoftheprocessequipmentandcalculation.Drawaflowchartwithcontrolpoints,andthepreparationofthedesignspecificationsandcalculations.
Keywords:
ExpandablePolystyrenesuspensionpolymermaterialbalancecalculationprocessdesign
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0~70℃,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。
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。
1.3.2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:
nCH2=CH→
CH2-CH
n
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=CH2→R-CH2-CH·
(2).链增长R-CH2-CH·+nCH2=CH→R
-CH2-CH
nCH2-CH·
(3).链终止
①偶合终止
R
CH2-CH
nCH2-CH·+R
CH2-CH
mCH2-CH·→R
CH2-CH
nCH2-CH=CH-CH2
CH-CH2
mR
②歧化终止
R
CH2-CH
nCH2-CH·+R
CH2-CH
mCH2-CH·→R
CH2-CH
nCH2-CH2+R
CH2-CH
mCH=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HAP、SDBS、DSP。
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,温度升到88℃时开始计时。
90℃恒温。
计时1h加入KPS。
90℃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96℃闭蒸汽。
3h时升温至115~121℃恒温浸渍,6小时30分钟后降温至40℃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,%≥
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%≥
90
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:
操作方式:
连续操作产品名称:
可发性聚苯乙烯
年生产量:
50000吨/年年工作日:
7920小时
生产量:
6.31吨/时年生产天数:
330天
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
1
水
脱盐水
124
2
苯乙烯(ST)
99.6%
100
单体
3
成核剂(SN)
0.11
4
发泡剂(戊烷)
94%
8.392
5
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%
0.08
高温引发剂
9
六溴环十二烷(HBCD)
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(DSP)
99%无水
0.039
稳定
12
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
苯乙烯进料量=107296×91%÷(99.6%×98%)=100032.13kg/批
辅助物料计算:
(1)分散介质
水的进料量为:
100032.13kg/批×124%=124039.84kg/批
(2)分散剂
主分散剂HAP:
100032.13kg/批×0.177%=177.06kg/批
助分散剂SDBS:
100032.13kg/批×0.0004%=0.40kg/批
(3)成核剂
SN:
100032.13kg/批×0.110%=110.04kg/批
(4)引发剂
低温引发剂BPO:
100032.13kg/批×0.196%=196.06g/批
高温引发剂CP-O2:
100032.13kg/批×0.080%=80.03kg/批
(5)发泡剂
戊烷:
100032.13kg/批×8.392%=8394.70kg/批
(6)阻燃剂
HBCD:
100032.13kg/批×0.689%=689.22kg/批
DOP:
100032.13kg/批×0.349%=34.91kg/批
(7)稳定剂
DSP:
100032.13kg/批×0.039%=39.01kg/批
(8)无机氧化剂KPS:
100032.13kg/批×0.0014%=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+689.22+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×98%=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
--
SN
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
124039.84
总量
233794.79
233794.79
校验设计任务:
EPS年产量:
1107754.31kg/批×466=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=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℃,聚合反应温度90℃,△T=70℃
浸渍阶段聚合反应温度120℃,出料温度40℃,△T=80℃
1Kcal=4.187KJ
由公式Q=qmCp△T计算得下表
表5-1:
△T=80℃(Cp值查表)
表5-1第一阶段反应热
单体
流量(㎏/批)
△T(℃)
Cp(kJ/Kg.℃)
Q(kJ/批)
ST
100032.13×90%
100032.13×10%
100032.13×2%
70
100
-80
1.712
10789065.4
1712550.07
-274008.01
水
124039.84
20
4.18
10369730.7
HAP
177.06
20
-50
1.298
4596.40
-11491.19
SDBS
0.04
20
1.884
15.076843
SN
110.04
20
51.92
114260.7
C50
8394.70
20
2.219
372556.62
BPO
196.06
70
7.704
105732.84
CP-O2
80.03
20
1.842
2948.15
HBCD
689.22
20
2.230
30739.27
DCP
34.91
20
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:
图5-1苯乙烯转化率随时间变化曲线
计算如下:
由公式
,
查得单体ST的聚合热QST=70kJ/mol=16.72Kcal/mol(25℃,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:
ΔVHT(298.15K)=0.04Kcal/mol=0.167kJ/mol
在25℃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20℃下,QST=QST(25℃)+CP(T2-T1)=69.83+0.178×(20-25)=16.47Kcal/mol
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×Qm=100032.13×98%×662.88=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%×Q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)×5%
=(23217860+64983112.37+3249155.62)×5%=4572504.4KJ/批
所需蒸汽给热为:
(23217860+64983112.37+3249155.62)-4572504.4=91450087.99-4572504.4
=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
附录
聚苯乙烯聚合工段CAD工艺流程图
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