(范)年产2500吨聚苯乙烯反应装置设计 - 副本

（封面）年产2500吨聚苯乙烯反应装置设计 专业，班级，姓名，学号

（第一页）设计任务： 1. 生产能力：2500吨/年

2. 原料：主原料：苯乙烯（88%） 溶剂：甲苯（12%）

引发剂：过氧化壬二酸二叔丁酯（0.025%） 3. 主原料粘度：0.72Pa·s 密度：0.297g/ml 相对密度：0.9019 比重：88%

反应过程：四釜串联生产过程 转化率：83%

（第二页）

目录 一、聚苯乙烯简介 二、基本条件设定 1.温度 2.反应装置 3.搅拌装置 三、反应装置 1.工艺条件

2.反应装置体积计算 四、搅拌装置 1.尺寸

2.功率，转速 3.电机 五、结论

一、简介

苯乙烯，芳烃的一种。存在于苏合香脂中。无色，有特殊香气的液体。主要由乙苯制得，是聚合物的重要单体。在工业上，苯乙烯有乙苯催化去氢制得。

苯乙烯主要物理性质见表（1）。聚合级苯乙烯的纯度应>99.6%，但工业生产聚合级苯乙烯纯度可达99.7%~99.9%。所含杂质主要有乙苯、α-甲基苯乙烯、异丙苯等。

表（1） 苯乙烯主要物理性质

项目 数值 项目 数值 分子量 104.14 溶解度：苯乙烯在水中，25℃ -43.2×10

沸点，℃ 密度，g/ml 凝固点，℃ 聚合时体积收缩率，%

145.15 0.297 —30 17.0

聚苯乙烯（Polystyrene，缩写PS）是指由苯乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物。它是一种无色透明的热塑性塑料，具有高于100℃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以及无规立构聚苯乙烯。全同聚合物有高度结晶性，间同聚合物有部分结晶性。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。可发性聚苯乙烯为在普通聚苯乙烯中浸渍低沸点的物理发泡剂制成，加工过程中受热发泡，专用于制作泡沫塑料产品。高抗冲聚苯乙烯为苯乙烯和丁二烯的共聚物，丁二烯为分散相，提高了材料的冲击强度，但产品不透明。间规聚苯乙烯为间同结构，采用茂金属催化剂生产，发展的聚苯乙烯新品种，性能好，属于工程塑料。 1.聚苯乙烯的特性及用途

聚苯乙烯是一种无定型的透明热塑性塑料。其分子中仅含C、H两种元素，平均分子量在20万左右，密度为1.04～1.16g/cm，比聚氯乙烯的密度小而大于聚乙烯和聚丙烯。聚苯乙烯的主链上带有结构庞大的苯环，故柔顺性差，质硬脆，抗冲击性能差，其制品敲打起来能发出类似金属的声音。

聚苯乙烯无色透明，透光率为88%～90%，折光系数为1.59～1.60，透光性仅次于聚甲基丙烯酸甲酯。在受到光照和长时间存放时，往往出现混蚀和发黄现象。聚苯乙烯易于着色，

3

水在苯乙烯中，25℃ 氧（空气中）在苯乙

烯中，25℃ 折光率nD，25℃

粘度，Pa·s

6.5?10-4 5?10-5

1.54395 0.72

有良好的可塑流动性和较小的成型收缩率，是成型工艺性最好的塑料品种之一。因此易于制得形状复杂的塑件。

聚苯乙烯的力学性能与制造方法、相对分子量的大小、含杂质量和定向度有关，相对分子量小者，机械强度要低些，一般低于硬质聚氯乙烯。聚苯乙烯具有很小的吸水率，在潮湿环境中其形状和尺寸的变化都很小。热绝缘性也很好。

聚苯乙烯具有优良的电绝缘性能，尤其在高频条件下介电损耗仍然很小，是优良的高频绝缘材料。聚苯乙烯易燃烧，且离火后仍继续燃烧，火焰呈橙黄色，并有浓黑烟碳束，燃烧时塑料软化，起泡并发出特殊的苯乙烯单体味。

聚苯乙烯的主要缺点是脆性大，若是成型制品的热处理不恰当，制品中存在较大内应力时，在使用中制品可能自行开裂。

聚苯乙烯被广泛应用于光学工业中，这是因为它有良好的透光性所致，可制造光学玻璃和光学仪器，也可制作透明或颜色鲜艳的，诸如灯罩、照明器具等。聚苯乙烯还可制作诸多在高频环境中工作的电气元器件和仪表等。单独使用聚苯乙烯作制品，脆性大，而在聚苯乙烯中加人少量其他物质，如丁二烯即可明显降低脆性，提高冲击韧性，这种塑料叫抗冲击聚苯乙烯，它的力学性能大为提高，可用此塑料制作出许多性能优良的机械零件和构件来。 2. 聚苯乙烯的生产工艺

聚苯乙烯是四大通用热塑性树脂之一，它是由苯乙烯单体通过聚合反应而得到的高聚物，聚合方法有本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合，乳液聚合四种方法。乳液聚合主要用于ABS的生产，苯乙烯一般的溶液聚合工业上未采用，而发展为加有少量溶剂的溶液本体法。另一种生产方法是悬浮聚合法。

（1）本体聚合法和溶液本体法 本体聚合法是聚苯乙烯树脂的最主要生产方法，用于通用型PS于HIPS注塑料的生产。为了便于去除聚合热以控制反应速率、降低熔融物的粘度以及生产HIPS时防止橡胶分子的交联，加有少量溶剂甲苯或乙苯。此情况下不同于加有大量溶剂的溶液聚合法，可称之为溶液本体法。

单体苯乙烯以及少量溶剂，有些情况下还加有引发剂，连续送入第一个反应器中，反应器组由3~5个反应器组成，反应器形状与结构因去除聚合热的方式和熔融物料的混合方式的不同而不同。

反应条件根据生产聚苯乙烯分子量的要求、物料在反应器中停留的时间，即要求的生产量来决定。当所用溶剂数量一定时，提高反应温度和生产速度则分子量降低。在多区反应器中或一组反应器中，反应温度随转化率的提高而提高，以保持相对稳定的反应速度和放热速度。对于热聚合，反应温度一般为120~180℃范围，如加有引发剂，则此温度下限范围可扩展至90℃。

（2）悬浮聚合法 主要用于苯乙烯共聚物如SAN，SMMA，以及可发性聚苯乙烯（EPS）的生

产。苯乙烯悬浮聚合法油相中为苯乙烯，共聚单体，生产可发性聚苯乙烯时则还有低沸点脂肪烃，自由基引发剂，常用的为过氧化二苯甲酰，过氧化苯甲酸叔丁酯等，有时还加有链转移剂。水相中为去离子水、分散剂。由于苯乙烯悬浮聚合温度超过100℃，一般的有机类分散剂不能使用，而需要用高分散性不溶于水的无机盐粉料作为分散剂，常用的为磷酸钙、碳酸镁等。

单体油相与水相的比例在0.8 : 1~2 : 1范围，苯乙烯悬浮聚合在釜式压力反应器中间歇操作，开始反应温度为80℃，逐渐提高到140℃左右。反应时间为5~24h，然后经酸洗使分散剂溶解，再经离心分离脱除水后干燥、添加必要助剂与颜料后挤出造粒得到成品粒料。

本设计采用本体聚合法生产苯乙烯。由于本体聚合体系的黏度大，聚合热不容易导出，易引起局部过热，轻者会使产品变形，影响产品质量，重者会引起爆聚，使聚合失败。为了解决这个矛盾，苯乙烯热聚合在工艺上分“预聚”和“聚合”两段进行。

预聚合在预聚釜中完成。预聚合的工艺条件：搅拌转速为30～36r/min，温度保持 80～90℃，6h～7h，转化率 30％～ 35％，这时苯乙烯聚合的自动加速现象尚未出现或刚开始。由预聚釜出来的混合物转化率为30%～35%。预聚合过程中要采用隋性气体保护：反应系统中采用N2保护，尤其是脱氧 N2 保护，可抑制聚苯乙烯热氧化而变黄。 二、基本条件设定

1. 温度：本设计采用分段聚合工艺，各段温度均不相同，预聚温度为115～125℃， 三台聚合釜的反应温度分别为125～150℃、150～160℃、155～165℃。

2.反应装置：本设计采用的是四釜串联生产过程，第一个釜为预聚合釜。采用上加料，底出料方式。

3.搅拌装置：反应液粘度约为0.72Pa·s,本体聚合聚合热不易导出，故选用涡轮式搅拌器，用圆盘涡轮式搅拌桨。。 三、反应装置

1. 工艺条件：预聚温度为115～125℃， 三台聚合釜的反应温度分别为125～150℃、150～160℃、155～165℃；采用少量甲苯作为溶剂，溶剂量为12%。引发剂选用过氧化壬二酸二叔丁酯，搅拌时间4~5 h，加料和出料时间为1h，最终转化率达83%。

2. 反应装置体积计算

?反应周期：由于温度、溶剂、搅拌速度、搅拌时间等影响，聚合物的聚合度不同。热引发的苯乙烯单体聚合的反应级数一般认为是一级或二级反应，本设计采用一级引发的机理

?1计算。则取K=0.44h，要求聚苯乙烯转化率83%，计算反应时间