摘 要

本论文是关于年产12000吨的发泡型的聚苯乙烯的车间工艺设计的说明书。

本论文主要可分成七大内容。第一章节为绪论，简要介绍了发泡型聚苯乙烯的有关内容并确定了整个生产设计的生产方法以及对工艺路线的选择。第二章开始为正文内容，其中第二章对聚合釜、洗涤釜等等进料出料的物料衡算，用物料衡算做为依据确认了相应聚合釜的个数、单釜体积、每釜投料量并对各个片段进料量出料量进行了衡算，这可对下面一章聚合釜计算、聚合釜选型以及釜内的热量衡算进行依据参考。第三章为聚合釜的设计，本章主要确定了聚合釜及其夹套的几何尺寸，并对它们进行强度计算。第四章为搅拌器的设计，本章主要确定了搅拌器的转速，几何尺寸，轴功率并依据计算数据选择相应电机和减速机。第五章相应的对聚合釜使用了热量衡算，核算了其传热面积。第六章对干燥器进行了相关计算，第七章对辅助设备风机，输送机，贮槽，计量槽等等进行了选型。

关键词：发泡型；聚苯乙烯；本体悬浮聚合；聚合釜。

Abstract

This paper is an annual production of 12,000 tons of foam polystyrene workshop process design specification.

This paper can be divided into seven main contents.The first chapter is the introduction, briefly introduces the content of foamed polystyrene and determines the production method of the whole production design and the selection of the process route. The second chapter is started for text content. The second chapter is to calculate the corresponding material balance for the process route and on the material balance calculation according to confirm the number of polymerizer , volume of single pot, volume of every reactor feeding and on the process of material in and out of balance, which can be given reference on computer devices, equipment selection and the reactor heat balance calculation. The third chapter is the design of the polymerizer , this chapter mainly determines the geometric size of the polymerizer and its kettle jacket, and calculates the strength for them. The fourth chapter is the design of agitator, this chapter mainly determines the geometric size, speed, shaft power of the agitator and the corresponding motor and speed reducer according to the calculation data. In the fifth chapter, the heat balance of the polymerizer is calculated, and the heat transfer area is calculated.In chapter 6, the relevant calculation of the dryer is carried out. Chapter 7 is the selection of auxiliary equipment fan, conveyor, storage tank, metering tank and so on.

Key words: foaming type; Polystyrene; Bulk suspension polymerization; Polymerization kettle

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 概论 1

1.2国内外的现状及发展前景  1

1.3聚合方法、工艺的选择 1

1.3.1聚合方法的选择 1

1.3.2悬浮聚合工艺的确定 1

1.4发泡性聚苯乙烯的生产方式及规模 2

第2章 物料衡算 3

2.1.设计任务 3

2.2.化学反应式 3

2.3.收集数据： 3

2.4 计算 3

2.4.1衡算基准 3

2.4.2总损失及总损失分配： 4

2.4.3确定聚合釜个数 4

2.4.4确定原料配方 5

2.4.5聚合部分物料衡算 5

2.4.6洗涤部分物料衡算 6

2.4.7离心部分物料衡算 7

2.4.8干燥部分物料衡算 7

第3章 反应釜 9

3.1给定任务 9

3.2给定条件 9

3.3开始计算 9

3.3.1分析反应釜的设计压力以及温度 9

3.3.2反应釜承受的压力表现。 9

3.3.3反应釜封头以及筒体的选择 9

3.3.4确定反应釜筒体的内径和长度 10

3.3.5核定聚合釜的体积及装料系数 10

3.3.6反应釜夹套的直径选择 11

3.3.7反应釜的夹套的高度的计算 11

3.3.8反应釜筒体的壁厚计算 11

3.3.9反应釜筒体封头壁厚的确定 12

3.3.10反应釜夹套筒体以及夹套封头厚度的计算 12

3.3.11计算反应釜的传热面积 13

3.3.12反应釜的水压试验和反应釜夹套的水压试验 13

3.3.13计算釜体及夹套重量 14

3.3.14小结 14

第4章 搅拌器的设计 15

4.1设计目标 15

4.2设计依据 15

4.3搅拌器型号的选择 15

4.4进行计算 15

4.4.1实际计算 15

4.5电机、减速器的选择 17

4.6择取反应釜的支座 17

4.7搅拌轴直径的计算 17

4.8择取密封的式样 18

第5章 热量衡算 19

5.1设计任务 19

5.2设计依据 19

5.3展开计算 19

5.3.1列出热化学反应方程式 19

5.3.2收集数据 20

5.3.3决定计算基础 20

5.3.4写出聚合釜内热平衡方程式 21

5.3.5分阶段分时间计算 21

5.4 浆料的导热系数 24

5.5 浆料内侧的给热系数 25

5.6 总传热系数 25

5.7 传热面积的校核 26

第 6 章 干燥器 27

6.1设计任务 27

6.2设计依据 27

6.3设备选型 27

6.4展开计算 27

6.4.1计算依据 27

6.4.2热量衡算 28

6.4.3空气消耗量 28

6.4.5传热面积计算 28

6.4.6冷却相关计算 29

第7章 辅助设备选型 30

7.1离心机的选型 30

7.2风机选型 30

7.3软水、苯乙烯计量槽的选择 30

7.4贮槽的选型 30

7.5洗涤釜的选型 31

7.6输送机的选型 31

参考文献 32

附录 33

附录A 34

附录B 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1 概论

聚苯乙烯是由苯乙烯通过各种助剂催化反应生成的，简称PS^[1]。聚苯乙烯生产的产品非常脆弱这一性质是由它的结构决定的，用聚苯乙烯制造的产品在较低温度下非常容易破裂^[2]。

普通的聚苯乙烯生产成功后加入相应的发泡剂就得到了我们所需要的发泡型聚苯乙烯^[3]。另外，普通的聚苯乙烯还可以制得抗冲压聚苯乙烯，丁二烯和苯乙烯通过自由基聚合就可以得到上述所说的高抗冲压聚苯乙烯，丁二烯是作为一种添加剂加入反应的，他可以改变聚苯乙烯内部的空间结构，让聚苯乙烯材料的抗拉抗压等等机械强度得到提高^[4]。

1.2国内外的现状及发展前景 

1953年，发泡型聚苯乙烯被德国的巴斯夫公司给研制了出来^[5]。实验证明其用于泡沫塑料的性能非常良好，救生圈是最早被应用于这种材料的,发泡型聚苯乙烯的隔音，隔潮减震比较好，由于这些优点，因而在土建材料、食品保存等等方面有广泛的应用。近些年，从事该材料研究方面的人有了对发泡型聚苯乙烯的性能的深度解析，不同的种类更加精细分明的发泡型聚苯乙烯正在被应用中，主要应用有成型加工等方面^[6]。

1.3聚合方法、工艺的选择

1.3.1聚合方法的选择

以下四种方法我们可以从中选一种聚合方法。

本体聚合有热效应大的缺点，产品有气泡，并且有变色的缺点，严重时则有温度失控，引起爆聚，使产品达标难度加大这些缺点^[7]。
溶液聚合缺点非常明显：聚合速率慢,产物分子量较低，消耗溶剂，溶剂的回收处理，设备利用率低，成本增加^[7]。
乳液聚合的缺点就是含有杂质影响成品的性能，反应器的生产能力也比本体聚合时低^[7]。
综上所述，通过学习悬浮聚合我们知道这样得到的聚苯乙烯具有纯度较高，成品分离、包装、储存、加工容易等优点，本课题对聚苯乙烯的生产工艺进行了系统的设计，我们从各方面考虑，选择悬浮聚合生产方法生产我们所需要的聚苯乙烯^[7]。

1.3.2悬浮聚合工艺的确定

悬浮聚合主要有两种方法即一步法与两步法。

一步法：是先用各种原料在聚合釜内生产出普通的聚苯乙烯，再加入发泡剂，然后在加温加压，之后我们便得到了聚苯乙烯的颗粒，这种颗粒里面含有发泡剂，然后我们对这种颗粒进行洗涤、离心等步骤,便可以得到我们需要的发泡型聚苯乙烯。

两步法：是先生产出普通的聚苯乙烯，就得到了聚苯乙烯颗粒，再加入水等等物质进行熟化，最后生产出我们需要的产品，这种方法也叫做后浸渍法^[8]。

1.4发泡型聚苯乙烯的生产方式及规模

由老师给定的生产任务中，我们可以知道，发泡型聚苯乙烯的生产是一种一年工作7500小时，每周期生产12小时，年生产达12000吨的间歇生产模式。

第2章 物料衡算

2.1.设计任务

年产发泡型聚苯乙烯（EPS）12000吨（含水2.5%）

2.2.化学反应式

2.3.收集数据：

1.生产规模：年产聚苯乙烯（PS）12000吨（含水2.5%）

2.生产时间：7500小时 /年

3.消耗定额：1.07吨纯St/吨Ps

4.损失分配：（以聚合釜中反应生成的聚苯乙烯量为主）

聚合部分 30% ；洗涤部分 20%；离心部分 30%；干燥部分 20%

5.转化率： 98%

6.引发剂引发效率： 80%

7.聚合釜工作周期： 12h

9.不同工序ps含水量：

出离心机ps含水量： 5%

出干燥器ps含水量： 2.5%

包装ps含水量： 2.5%

10.原料St纯度： 99.5%

11.物性常数：

原料ps比重： 0.89kg/l （20℃）

软水比重： 0.998kg/l （25℃）

2.4 计算

2.4.1衡算基准

以一釜物料为衡算对象，以釜中生成的树脂为衡算基准。单位为kg//釜

总收率=（实际得来的PS干产品量/反应生成的PS量）×100%

=（成品量×（1-成品含水量）/（成品量×消耗定额×St纯度×转化率）×100%

则本设计的总收率为：

总收率=（12000×（1－2.5%）/（12000×1.07×99.5%×98%）×100%=93.45%

2.4.2总损失及总损失分配：

总损失=1－总收率=1－93.45%=6.55%

损失分配：

聚合反应部分： 6.55%×30%=1.965%

洗涤部分： 6.55%×20%=1.31%

离心分离部分： 6.55%×30%=1.965%

干燥部分： 6.55%×20%=1.31%

2.4.3确定聚合釜个数

（1）选取聚合釜体积20m³

聚合釜的体积选取太大，则制作困难，而且操作时比较麻烦，如果生产过程中发生了故障则整锅料全部报废，而且PS生产过程中，会有挂壁现象发生，如体积太大，清理也困难，如果体积太小，则制作费用和操作费用均大大提高，而且挂壁也不易处理，所以综合各方面考虑，从合理性、可行性、诸因素考虑，故选择聚合釜的体积20m³

每小时消耗的苯乙烯量： m_C=12000×1.07×1000/7500=1712kg/h

每小时消耗的苯乙烯体积： m_C/（0.89×10³）=1.9236m^3/h

每昼夜消耗的苯乙烯体积： 1.9236×24=46.17m³

（2）根据参考配方可知： V_H2O/Vst=2.2/2.3=22/23

V_H2O=Vst×22/23

每小时消耗的软水量： 1.9236×22/23=1.84m³

每昼夜消耗的软水量： 1.84×24=44.16m³

确定聚合釜个数：

由（2）每台聚合釜的体积

V=Va× t×（1 ƞ）/（φ×m×24）

式中：V———为每个设备的容积

Va———为每昼夜所处理的反应物料的体积，m^3/昼夜；

φ———为设备的装料系数；

m———为设备的台数；

t———为每批反应所需时间；h；

ƞ———为设备能力的备用系数。

聚合釜装料系数 φ我们知道根据生产和实验的数据决定，通常为0.7~0.85，由于苯乙烯悬浮聚合过程状态较平稳，不会出现泡沫或沸腾状态，所以聚合釜装料系数可以取大一些，φ取0.8，设备的备用系数ƞ取10%，先不考虑备用台数得

m_p=Va×t/（V×φ×24）=（46.17 44.16）×12/（20×0.8×24=2.82）=3台

实际操作台数m=m_p×（1 ƞ）=3.3，取m=4台（其中一台备用）

2.4.4确定原料配方

在聚合反应中，投入原料的先后顺序是有严格规定的应当先加水，在加入助剂，然后加入苯乙烯进行反应。

根据给定生产配方2-1按比例算出实际配方：

（1）每釜每周期生产的ps量： 12000×10³×12/（7500×3）=6400kg

（2）每釜每周期投入的ST量： 6400×1.07=6848kg

（3）每釜每周期投入的St体积： 6848/890=7.69m³

（4）每釜每周期投入的软水体积： 7.69×22/23=7.36m³

（5）每釜每周期投入的HEC量： 0.8×（7.69/2.3）=2.67kg

( 6）每釜每周期投入的BPO量： 6.0×（7.69/2.3）=20.04kg

( 7）每釜每周期投入的CP-O2量： 0.001×（7.69/2.3）=0.0034kg

( 8）每釜每周期投入的NaNO2量： 0.05×（7.69/2.3）=0.167kg

(9）每釜每周期投入的三羟基聚醚量： 0.005×（7.69/2.3）=0.0167kg

则配方如下

表2.1 配方列表

2.4.5聚合部分物料衡算

由于产品中有少量的引发剂和助剂，所以将其分量忽略，并假定所有助剂都被洗涤釜的洗涤水带走。

ST量： 6848kg