聚苯乙烯反应器设计

摘 要

本文是对10万吨/年高抗冲聚苯乙烯（HIPS）的生产过程设计中反应器进行的设计，通过采用反应器设计的一系列方法以及强度校核等方法，设计出了生产反应所需的反应器，并且对反应器的零部件进行了简要计算，进而选出了零部件的型号；另外，本文还对所设计的反应器的过程控制、开停车方案以及危险性分析等作了说明，从而对所设计的反应器进行了全方位的分析；在本文的最后，附上了反应器的装配图，便于制造时进行参考。总之，本文为整个生产的工艺过程打下良好的基础。

关键词：反应器设计；高抗冲聚苯乙烯生产；过程控制；反应器装配图

ABSTRACT

This article is written for the reactor of 50000 tons one year of HIPS’s production process design. Through a series ways of reactor design and strength check, the reactor needed for reaction is designed out, and a brief calculation for parts of the reactor has been carried out. And then the models of the parts has been selected. In addition, the article also talks about on the design of the reactor process control, starting and ending the process, as well as risk analysis. And thus a comprehensive analysis of the reactor is carried. In the end of this article, the assembly drawing of the reactor is attached, which is convenient to refer to while manufactured. In short, this article lays a good foundation for the entire production process.

Keywords: reactor design; HIPS production; process control; reactor assembly drawing

目 录

第一章 设计要求、目标说明 ........................... 1 第二章 设计方法说明 .................................. 2

2.1 综述 ............................................. 2 2.2 流程中拟运用的方法 ................................ 2

2.2.2 假设 ........................................ 4

第三章 设备说明 ...................................... 5

3.1 反应器塔体和夹套工艺尺寸 .......................... 5 3.2 物料衡算说明 ...................................... 6

3.2.1 原料、产品物性简介 .......................... 6 3.3.2 计算举例 .................................... 7 3.3 能量衡算 ......................................... 10 3.4 搅拌器设计说明 ................................... 11 3.5 设备强度校核说明 ................................. 12 3.6 反应器附件的设计说明 ............................. 13 3.7 各个管线接口的说明 ............................... 14

第四章 过程控制 ..................................... 15

4.1 控制方案描述 ..................................... 15

4.1.1 温度控制 ................................... 15 4.1.2 压力控制 ................................... 15 4.2 设备的管道仪表流程图 ............................. 15

1

4.3 设备开停车方案 ................................... 15

4.3.1 开车方案 ................................... 15 4.3.2 停车方案 ................................... 16 4.3.3 临时停车方案 ............................... 16 4.3.4 紧急停车方案 ............................... 16 4.3.5 复车方案 ................................... 17

第五章 设备图 ....................................... 18 第六章 设计讨论：敏感性技术分析 .................... 19

6.1 原材料的影响 ..................................... 19

6.1.1苯乙烯的影响 ................................ 19 6.1.2 矿物油的影响 ............................... 19 6.2生产配方的影响 ................................... 20

6.2.1 橡胶含量的影响 ............................. 20 6.2.2 矿物油含量的影响 ........................... 20 6.2.3 乙苯含量的影响 ............................. 20 6.3工艺条件的的影响 ................................. 21

6.3.1 搅拌器的影响 ............................... 21 6.3.2反应温度和停留时间的影响 .................... 21

第七章 安全、环境因素考虑 ........................... 23

7.1 HAZOP危险性分析 ................................. 23 7.2 物料危险性分析 ................................... 25

7.2.1 苯乙烯 ..................................... 25

2

7.2.2 乙苯 ....................................... 26 7.3 水污染源及防治措施 ............................... 27

7.3.1 生产废水 ................................... 27 7.3.2 生产净废水 ................................. 27 7.3.3 生活污水 ................................... 28 7.3.4 地面冲洗水 ................................. 28 7.4 噪声源及防治措施 ................................. 28 7.5 绿化 ............................................ 28

附录一 物性数据 .................................... 30 附录二 计算举例 .................................... 31 附录三 部分符号说明 ................................ 40

3

第一章 设计要求、目标说明

本文中所述的，是100000吨/年高抗冲聚苯乙烯生产项目中反应过程的反应器及其相关附属设备的设计。反应器是生产高抗冲聚苯乙烯的核心设备，以苯乙烯和顺丁橡胶为原料，在DP275B为引发剂的条件下进行聚合反应，生成HIPS以及少量的低聚物，产物流出反应器后进入闪蒸罐对未反应的苯乙烯和乙苯进行回收并循环利用。其中反应过程共包含四台卧式活塞流反应器，反应温度分别为120℃‐140℃、140℃‐160℃、160℃‐180℃、180℃‐200℃，反应压力为微正压约0.1MPa。相关附属设备包括搅拌器，夹套，电动机，支座，凸缘法兰，底盖，各种封头等。

反应器设计需满足如下条件：

（1）反应器应保证各组分均匀分布，满足满釜操作条件。

（2）反应器应具有良好的传热效果，并根据反应需要对温度进行分段控制。 （3）反应器的材料应是耐高温，耐腐蚀的。 （4）反应器应利于物料的传质，有良好的搅拌装置。 （5）反应器应有利于产品的后处理和三废的治理等问题。

反应器的具体工艺条件见表1-1

表1-1 反应器设计条件

反应温度（℃） 压力（MPa） 反应形式 进料方式 操作方式 反应时间（h） 反应物料处理量（kg/h）

反应器1 120-140 0.1 连续反应 连续进料 满釜 1 17876.13

反应器2 140-160 0.1 连续反应 连续进料 满釜 1 17876.13

反应器3 160-180 0.1 连续反应 连续进料 满釜 1 17876.13

反应器4 180-200 0.1 连续反应 连续进料 满釜 1 17876.13

1

第二章 设计方法说明

2.1 综述

反应器设计的设计包括以下几个方面：

（1）根据物料以及反应的要求确定反应器的形式，进而设计出反应器的尺寸。 （2）对反应器的附件进行合理设计，对能够直接选型的附件进行选型。 （3）对设备的开停车进行描述，并对整套设备进行HAZOP分析。 （4）对公用工程的消耗量进行精确计算，对整套设备进行准确估价。

2.2 流程中拟运用的方法

（1）反应塔塔体壁厚的计算方法

反应塔塔体受外压作用，按照外压容器设计方法进行设计，简要说明如下： 第一，假设n错误!未找到引用源。，计算enC 错误!未找到引用源。，定出L/D0，D0/e值。

第二，查图得到系数A。

第三，根据所用的材料，选择相应的厚度计算图，通过A值查得B值。 第四，计算许用外压

错误!未找到引用源。

第五，比较许用外压[p]与设计外压p，若p≦[p] ，假设的厚度错误!未找到引用源。可用，若小得过多，可将n错误!未找到引用源。适当减小，重复上述计算；若p > [p]，须增大初设的n错误!未找到引用源。，重复上述计算，直至使p ≦ [p]为止。

（2）夹套壁厚的计算方法

夹套受内压，按照内压容器设计方法进行设计，厚度计算公式为：

n2ptpDiC

其中：n为夹套的名义壁厚，mm；p为夹套的设计压力，MPa；Di为夹套的内径，mm；为材料的许用应力，MPa；为焊接接头系数，C为壁厚附加

t量，mm。

（3）搅拌功率的计算方法 按照下面的通用公式计算搅拌功率

2

3PskPoNDj

5式中 Po—功率准数；

k—功率准数校正总系数； Dj—搅拌器直径，m； N—搅拌器转速，m/s。 （4）搅拌器直径的计算方法

搅拌轴收到扭转和弯曲的组合作用，其中以扭转为主，所以工程上采用近似的方法来确定搅拌轴的直径，即通过轴的扭转刚度条件与强度条件确定搅拌轴的直径。

轴的扭转强度条件：maxMT WoMT3180轴的扭转刚度条件：10 GJ式中：max为轴横截面上的最大剪应力，MPa；MT为轴所传递的扭矩，MPa；

W为轴的抗扭截面模量，mm3；为轴扭转变形的扭转角，0/m，G为搅拌轴材料的剪切弹性模量，MPa；J为轴截面的极惯性矩，mm4。

（5）传热计算得方法

夹套中流动的传热介质为导生油，设计夹套换热面积与反应塔的换热面积进行比较，当需要的换热面积的较大值小于夹套与反应塔的换热面积时能够满足换热要求。

计算换热面积的公式为QKAtm

式中：K——总传热系数 W/(错误!未找到引用源。2.K) A——传热面积 m2

tm——对数平均温差 K

（6）附件的计算方法

反应塔的附件包括塔体法兰，人孔及其法兰，传动装置，手孔，视镜等，在对这些附件设计时，更多地采用了标准设备，根据已知条件直接选型。

（7）容器试压方法 液压试压：

pT1.25p

3



t

要求满足的强度条件：T气压试验：

pT(Die)0.9s

2epT1.15p t需要满足的强度条件：TpT(Die)0.8s

2e2.2.2 假设

（1）在计算反应塔的容积时，需要有物料的流量，由于该物料为混合物，故不容易计算，因此假设忽略少量引发剂和助剂的流量，这样计算的结果理论上虽然与精确结果不一样，但在工业生产中是可以接受的，也是经常采用的方法。

（2）在查询一些有范围的参数时，均取了靠近有利于提高设备规格的值。 （3）计算支座的载荷时，许多附件的质量无法准确得到，根据附件的大小，用的材料，对其质量进行了假设，取比估算出的值大一些的数值，从而保证选出的支座足够支撑起整套设备。

（4）计算塔内冷却弯管时并根据换热所需面积计算出管径和管长。 （5）根据可行性研究报告，设计的四个聚合反应器的尺寸相同，故设计以第一个反应器为例，并依据其中有较高要求的数据进行设计，以此来满足四个反应器的设计要求。

4

第三章 设备说明

本报告设计的是反应过程的后四台聚合反应器，四台反应器串联操作，每台反应器都带有外部夹套和72组阿基米德螺旋线内盘管，每两组内盘管中间有一层双桨平叶式搅拌器，共有36组桨叶，以保证物料均匀，从而达到产品质量稳定。通过控制其搅拌速度、反应温度和出料速度，可控制物料在反应系统内的停留时间，并使物料达到预定的转化率。各后级反应器均有物料回流至前级反应器以保持卧式反应器的满釜操作，反应热由夹套和冷却盘管散热。物料在聚合反应器中的停留时间约为1 h，达到预期转化率的物料通过齿轮泵并经加热器加热后送往脱挥工序。

3.1 反应器塔体和夹套工艺尺寸

反应器塔体和夹套的详细工艺尺寸如下表3-1所示

表3-1 反应器塔体和夹套的详细工艺尺寸 项目 反应器类型 塔体设计压力（MPa） 夹套内设计压力（MPa） 塔体内设计温度（℃） 夹套内设计温度（℃）

塔体材料 夹套材料

塔体及夹套焊接接头系数

设计温度下材料许用应力错误!未找到引用源。

(MPa)

塔体筒体计算厚度(mm) 夹套计算厚度（mm） 反应塔公称直径（mm）

20 8 2000

Q235—C Q235—C

结果

带夹套的搅拌卧式活塞流反应器

0.20 0.15 150 150 Q235—C Q235—C 0.8 125 125

5

夹套公称直径(mm) 反应塔高度（mm）

2400 10000

续表3-1 反应器塔体和夹套的详细工艺尺寸 夹套高度(mm)

反应釜容积（错误!未找到引用

源。） 塔体质量（kg） 夹套质量（kg）

9550 5450 10000 23

3.2 物料衡算说明 3.2.1 原料、产品物性简介

（1）苯乙烯

常压苯乙烯是无色透明油状液体，能溶于醇及醚，难溶于水，遇明火极易燃烧。受热、曝光或存在过氧化物催化剂时，极易聚合放热导致爆炸。与氯磺酸、发烟硫酸、浓硫酸反应剧烈，有爆炸危险。有毒，对人体皮肤、眼和呼吸系统有刺激性。空气中最高容许浓度为100ppm。

（2）高抗冲聚苯乙烯

高抗冲聚苯乙烯又称接枝型高冲击强度聚苯乙烯，是由本体-悬浮聚合与本体聚合两种方法制得，白色不透明珠状或颗粒。相对密度1．04-1．06，热变形温度70-84℃。韧性好，耐冲击，耐油、耐水。吸水性(24h)0．10％-0．14％,电绝缘性好，体积电阻率＞1016Ωm。溶于苯、甲苯、醋酸乙酯、二氯乙烷等有机溶剂。高温下会发生断链（280℃左右）。

拉伸强度(MPa) 15～30 伸长率〔％) 35～60 弯曲强度(MPa) 29.4～50 冲击强度(N／M) 0.09～0.16 维卡软化点((℃) 84～100 熔体指数(g／l0min) 2～9

根据可行性研究报告，本项目所选工艺配方如下：

6

表3-2 原料配方表

物料 苯乙烯 聚丁二烯橡胶

乙苯 矿物油 引发剂 抗氧剂 链转移剂 其他助剂

重量份 92 4 2 1 0.16 0.12 0.08 0.64

3.3.2 计算举例

物料流量计算：

忽略引发剂、抗氧剂等少量组分的影响，则原料组成中苯乙烯92%，橡胶4%，乙苯2%，矿物油1%。

产品高抗冲聚苯乙烯的年产量为10万吨，年工作时间为8400小时，则单位

7时间产量为1010840011904.76kg/h，考虑到整个生产过程中有产品的损

失，收率按98%计算，则理论上产品产量为11904.76/0.9812147.71kg/h。

产品高抗冲聚苯乙烯由聚苯乙烯、橡胶、矿物油组成，其中苯乙烯转化为聚苯乙烯的转化率由工艺条件可知为75%。则：

聚苯乙烯与橡胶的质量比为：920.75/417.25 矿物油与橡胶的质量比为：1/40.25

产品中聚苯乙烯所占质量比为：17.25/(17.2510.25)0.9324 产品中橡胶所占质量比为：1/(17.2510.25)0.05405 产品中矿物油所占质量比为：0.25/(17.2510.25)0.01351 每小时聚苯乙烯的产量为：12147.710.932411326.52kg/h 所需的苯乙烯质量流量为：11326.52/0.7515102.03kg/h

7

所需的橡胶的质量流量为：12147.710.05405656.58kg/h 所需的矿物油质量流量为：12147.710.01351164.12kg/h

2328.30kg/h 92由于橡胶溶液和副线进料首先在预聚合反应器中进行初步聚合，完成相反

所需的乙苯溶剂的质量流量为：15102.03转，达到25--35％的转化率后，送往下一级反应器继续进行反应。故假设在预聚釜中完成了30%的转化，则进入反应器的苯乙烯质量流量为10571.42kg/h，橡胶的质量流量为459.61kg/h，矿物油的质量流量为114.88kg/h，乙苯作为溶剂和链转移剂使用10%，则进入反应器的乙苯的质量流量为295.47kg/h。这部分原材料连续进入四个卧室活塞流反应器进行反应，进料温度分别为120℃、150℃、170℃、190℃，转化率分别达到39%、48%、60%、75%，各后级反应器均有物料回流至前级反应器以保持卧式反应器的满釜操作。从反应器出来的聚合物液首先进入压力调节阀进行减压，然后进入预热器中，用热导生油加热，温度从210℃迅速升到230℃，然后再进入一个带夹套的闪蒸罐中，对这个闪蒸罐抽真空，将容器内压力控制在10mmHg以下，由于苯乙烯、乙苯的沸点远低于高聚物，所以在罐中迅速气化，实现闪蒸。

另外假设在四个反应器中乙苯的消耗量分别达12%、15%、20%和25%，橡胶和矿物油消耗量各反应器相同，分别为40%、70%、90%、100%。

则反应过程主物料进料总表如下：

表3-3 主物料进料表

物料 苯乙烯 聚丁二烯橡胶

乙苯 矿物油

进料量（kg/h/) 10571.42 459.61 295.47 114.88

反应过程主物料流量表如下：

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表3-4 主物料流量表（单位kg/h）

主进料 局部进料1 局部进料2 局部进料3 闪蒸罐 循环进料1 循环进料2 循环进料3

来源 2#预聚釜 1#反应器 2#反应器 3#反应器 4#反应器 2#反应器 3#反应器 4#反应器

去往 1#反应器 2#反应器 3#反应器 4#反应器 闪蒸罐 1#反应器 2#反应器 3#反应器

苯乙烯 10571.42 9212.24 7853.06 6040.81 3775.51 785.306 604.081 377.551

HIPS 4809.65 6257.46 7872.70 9865.50 12229.29 787.27 986.55 1222.929

橡胶 459.61 393.95 196.97 65.66 0 19.697 6.5660 0

乙苯 295.47 288.91 279.06 262.65 246.23 27.906 26.265 24.623

矿物油 114.88 98.47 49.24 16.41 0 4.924 1.641 0

总计 16251.03 16251.03 16251.03 16251.03 16251.03 1625.103 1625.103 1625.103

对反应器1进行计算举例： 主进料：

苯乙烯：10571.42kg/h，高抗冲聚苯乙烯：4809.65kg/h，橡胶：459.61kg/h， 乙苯：295.47kg/h，矿物油：114.88kg/h。

由于后级反应器均有物料回流至前级反应器，所以对于1#反应器，其循环进料占2#反应器出料的10%，则循环进料流股的组成为：

苯乙烯：785.306kg/h，高抗冲聚苯乙烯：787.27kg/h，橡胶：19.697kg/h， 乙苯：27.906kg/h，矿物油：4.924kg/h。 由于循环流股也具有一定的转化率，则：

苯乙烯：785.306×0.39=306.27kg/h 橡胶：19.697×0.4=7.8788kg/h 乙苯：27.906×0.12=3.349kg/h 矿物油：4.924×0.4=1.9696kg/h

可得到生成的高抗冲聚苯乙烯为：306.27+7.8788+3.349+1.9696=319.467kg/h 再加上循环流股本身高抗冲聚苯乙烯，总生产量为：1106.737kg/h，相应的剩余的苯乙烯：479.04kg/h，橡胶：11.8182kg/h，乙苯：24.557kg/h，矿物油：2.9544kg/h。

同理可对另外三个聚合反应器做同样的计算，得到全过程详细的进出料组分

9

如下表所示：

表3-5全过程详细物料流量一栏表（单位kg/h）

第一聚合反应器 第二聚合反应器 第三聚合反应器 第四聚合反应器 闪蒸罐

来源 2#预聚釜 2#反应器 1#反应器 3#反应器 2#反应器 4#反应器 3#反应器 4#反应器

去往 1#反应器 1#反应器 2#反应器 2#反应器 3#反应器 3#反应器 4#反应器 闪蒸罐

苯乙烯 10571.42 785.306 9691.28 604.081 8167.18 377.551 6191.83 3775.51

HIPS 4809.65 787.27 7364.19 986.55 9158.90 1222.929 11319.88 12229.29

橡胶 459.61 19.697 405.77 6.5660 198.94 0 65.66 0

乙苯 295.47 27.906 313.47 26.265 301.38 24.623 282.35 246.23

矿物油 114.88 4.924 101.42 1.641 49.73 0 16.41 0

总计 16251.03 1625.103 17876.13 1625.103 17876.13 1625.103 17876.13 16251.03

3.3 能量衡算

根据假设，在能量衡算这一部分我们也只考虑组分较多的苯乙烯、橡胶、矿物油、乙苯和产品高抗冲聚苯乙烯，忽略少量引发剂和助剂等的量，进行能量衡算如下（物性数据见附录1）

对第一聚合反应器进行计算举例如下：

第一聚合反应器的进料由两部分组成：一是来自预聚釜的主进料，二是来自后一级反应器的循环进料。

主进料：

来自预聚釜的原料 温度为120℃，需要加热到150℃，故平均温度为：

t=（120+150）/2=135℃

根据附录数据，用线性插值法计算得苯乙烯的定压比热容为：2.025kJ/（kg•K） 同理，计算乙苯的定压比热容为：2.1385kJ/（kg•K）

根据热传导公式QwCpT，再利用物料衡算得到的数据，可得到下面的计算结果：

Q110571.422.025(150120)4809.651.3(150120)656.582.97(150120)164.121.8(150120)328.3052.1385(150120)918216.28kJ/h

10

循环进料：

来自下一级的循环物料温度由170℃降低到150℃，故循环进料的平均温度为：t=（170+150）/2=160℃。

查附录得出此温度下苯乙烯、乙苯的定压比热容分别为：2.106kJ/（kg•K）、2.309kJ/（kg•K）

根据热传导公式QwCpT，再利用物料衡算得到的数据，同理可得到下面的计算结果：

Q2785.3062.106(170150)724.8971.3(170150)65.6582.97(170150)16.4121.8(170150)32.83052.309(170150)57931.44kJ/h

计算反应放热以苯乙烯为基准，原料在第一聚合反应器中转化率达到39%，即有15102.03×0.39=5889.79kg/h的苯乙烯发生反应，减去预聚釜反应放出的热量即为本反应器的反应放热：

Q反应1359.18672.18913615.43kJ/h

第一聚合反应器热量汇总： 整个过程所需的加热量：

Q吸Q19.182105kJ/h

整个过程放出的热量：

Q放Q反应Q29.7155105kJ/h

理论上需要向外部排除的热量：

Q外Q放Q吸0.5335105kJ/h

对其余的三个聚合反应器也可用同样的方法进行计算，得到的结果汇总到下表：

表3-6

第一聚合反应器 第二聚合反应器 第三聚合反应器

预热需热量Q1×10-5/( kJ/h)

9.1820 6.0921 5.9657

能量衡算总表

总放热量 Q外×10-5/( kJ/h)

9.7155 9.6866 12.701

对外放热量 Q外×10-5/(kJ/h )

0.5335 3.5945 6.7353

反应放热量 Q反×10-5/( kJ/h)

9.1362 9.1362 12.182

11

第四聚合反应器 5.7003 15.227 15.227 9.5267

3.4 搅拌器设计说明

由于聚合反应体系粘度较高，且反应过程中会放出大量热，故需要安装搅拌器，一方面使物料混合均匀，另一方面使散热均匀。对于反应器的搅拌，应控制在适宜水平，使既能使微粒充分分散形成，又不会破坏微粒的埋入结构。搅拌浆提供的剪切力应适当，以便控制橡胶微粒直径在合适水平（1～2μm）。搅拌的剪切力越大，橡胶微粒直径越小。综合各因素以及现有的成熟工艺进行分析，选用双桨平叶式搅拌器。设计四台反应器搅拌的功率基本相同，以便选用相同设备。随着反应转化率的升高，反应物料的粘稠度也随之上升，使搅拌浆的转速显著下降。四部搅拌器的转速初步定为20RPM、15RPM、10RPM、5RPM详细的设计结果如下表3-7所示。

表3-7 搅拌器详细计算结果列表 项目 搅拌器类型 搅拌层数 搅拌桨直径（mm） 搅拌轴转速（r/min） 桨叶宽度（mm） 桨叶长度（mm） 桨叶厚度（mm） 搅拌轴直径（mm） 搅拌轴功率（kw）

搅拌轴材料 轴所传递的扭矩（N.m） 搅拌轴单位扭转角（/m）

设计数据

三桨平叶式搅拌器

单程 950 0.25 50 90 16 85 10.88 45钢 6926.9 0.94

3.5 设备强度校核说明

塔体、夹套设计完厚度后，还要进行强度校核，液压试验等，若不满足强度

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条件，则需要重新设计。详细的强度校核数据如下二表所示。

表3-8 塔体强度校核数据列表

1 2 4 5

项目

塔体筒体名义厚度（mm） 厚度附加量（mm） 塔体筒体外径（mm） 筒体计算长度（mm） 试验压力（MPa）

液压试验

错误!未找到引用源。(MPa) 0.9错误!未找到引用源。φ（MPa）

试验压力（MPa）

气压试验

错误!未找到引用源。(MPa) 0.8错误!未找到引用源。φ（MPa）

表3-9 夹套强度校核数据列表

1 2 4 5

项目

夹套筒体名义厚度（mm） 厚度附加量（mm） 夹套筒体外径（mm） 夹套计算长度（mm） 试验压力（MPa）

液压试验

错误!未找到引用源。(MPa) 0.9错误!未找到引用源。φ（MPa）

试验压力（MPa）

气压试验

错误!未找到引用源。(MPa) 0.8错误!未找到引用源。φ（MPa）

设计数据

8 2.8 2216 10 0.1875 45.2 211.5 0.172 41.4 188 设计数据 20 2.8 2040 10 0.125 9.2 211.5 0.115 8.5 188

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3.6 反应器附件的设计说明

反应器附件包括电动机，支座，凸缘法兰，底盖，各种封头等，均按照条件要求进行选型即可。

3.7 各个管线接口的说明

管线接口包括夹套的上口接管与下口接管，反应器苯乙烯和橡胶混合液进料管，助剂进料管，反应器产品出料管，温度计接口，液位计接口等，各个接口尺寸如下表3-10所示。

表3-10 各管线接口一览表

来源 主进料 引发剂进料 循环物料 第一聚合反应器 循环物料 第二聚合反应器 循环物料 第三聚合反应器 蓝料等进料

去往 第一聚合反应器 第一聚合反应器 第一聚合反应器 第二聚合反应器 第二聚合反应器 第三聚合反应器 第三聚合反应器 第四聚合反应器 第四聚合反应器

管径d(mm)

80 10 20 80 20 80 20 80 10

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第四章 过程控制

4.1 控制方案描述 4.1.1 温度控制

采用温度控制器控制温度，将温控器与控制导生油的阀门组成一个温度控制系统，维持各个聚合工段反应温度在要求的范围值内。

4.1.2 压力控制

反应压力要求控制在0.2MPa以下，通过反馈调节来控制，改变进料气体（氮气）管路阀门的开度来实现。

4.2 设备的管道仪表流程图

见附图

4.3 设备开停车方案 4.3.1 开车方案

（1）初始化检查

a. 管线图检查：确保施工是完全按照PID图进行的，并且所有阀门和仪表都已

正确安装。

b. 设备检查：确保电动机已有效地工作。

c. 容器检查：对容器进行由内而外的探测，确保其按照预先设计要求制造的。 d. 材料检查：确保管路，容器，阀，泵是采用制定材料制造的。 e. 泄放装置检查：检查所有泄放阀是否安装，并调试其对信号的反应。 f. 电力过载保护系统：检查是否按照设计要求，安装了电力过载保护系统。 g. 管线检查：确保连接阀，容器，取样点的管线是畅通的。

h. 安全装置与防火检查：确保防火系统已正确安装，并测试系统是否可靠；检

查安全警示标志是否已安置在正确的位置，安全淋浴是否安装在容易到达的位置，紧急撤离路线是否在平面图中标明。

i. 清洁度检查：确保所有的管路和容器已经被清洗和吹扫。厂区应该没有污染

和零碎物品。撤离路线和进入厂区的通道应该绝对没有障碍物。

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j. 系统测试和泄露测试：检查焊接的管路系统和容器是否已经通过负压检测和

法兰系统泄露检测。

k. 仪表和控制检测：检查所有指定的控制点是否已经正确安装，并检查它们的

工作范围。

l. 容器内件：检查所有容器内的内件是否为设计要求内件。

m. 人员要求：操作人员必须经过专业技术培训和安全生产、防火防爆工具卫生

技术教育，熟练掌握本岗位安全操作规程及消防防护器材的使用，并经考核合格取得“安全作业证”后方可上岗。操作人员按规定着装，进入装置必须穿防静电服装，厂区内禁止使用移动电话。无关人员不得进入现场。 （2）开启公用工程

由于公用工程要长时间使用，故应事先介入厂区内，包括以下几类： a. 电力公用工程，包括备用发电机。 b. 水力公用工程，包括冷却水。 c. 消防用水。 d. 蒸汽管线。

（3）开车顺序

a. 打开气体入口阀门以及1、2、3、4号聚合反应器的进料、出料阀门，通入

氮气，排除反应器里面的空气。

b. 打开1号聚合反应器进料阀门，同时关闭2、3、4号聚合反应器的进料阀门，

装好引发剂并引入已预聚合的苯乙烯和顺丁橡胶混合原料液及产品。 c. 加入反应液的同时，打开1号聚合反应器夹套及塔内冷却弯管上下接管阀门，

开始通入导生油进行换热，同时打开搅拌电机，开始搅拌。

d. 待1号反应器出料管检测物料固含量满足要求时，陆续打开2、3、4号聚合

反应器的进料和出料阀门，同时打开相应夹套和冷却弯管导生油及出口阀门，保证聚合塔内温度和压力稳定。

e. 分别检测2、3、4号反应器出口物料固含量，满足要求后开始连续生产。 f. 利用控制系统维持操作条件稳定，直至反应结束。

4.3.2 停车方案

（1）断开各原料进口阀门以及循环流股阀门。

（2）待温度冷却至室温后，断开导生油阀门，停止冷却。 （3）关闭电机，停止搅拌。 （4）打开出料阀门，移出产物。

4.3.3 临时停车方案

当系统维护时，需要进行临时停车。在这种情况下，将各反应器中的物料分

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别导入其肥料中间储罐，闪蒸罐蒸出的循环物料可存储在其储罐中，然后按照一般的停车操作顺序停车。

4.3.4 紧急停车方案

当生产过程中突然发生停电、停水、停汽或发生重大事故时，则要全面紧急停车。这种停车事前是不知道的，操作人员要尽力保护好设备，防止事故的发生和扩大。对有危险的设备，如高压设备应进行手动操作，以排出物料；对有凝固危险的物料要进行人工搅拌（如聚合釜的搅拌器可以人工推动，并使本岗位的阀门处于正常停车状态）。

对于自动化程度较高的生产装置，在车间内备有紧急停车按钮，并和关键阀门锁在一起。当发生紧急停车时，操作人员一定要以最快的速度去按这个按钮。为了防止全面紧急停车的发生，一般的化工厂均有备用电源。当第一电源断电时，第二电源应立即供电。

不同类型的紧急停车状况有不同的操作方案。 （1）物料泄漏

由于反应器中的物料均为可燃的，因此当发生泄漏时应立即切断原料液的进料口，加大导生油流量，打开所有泄放阀，将塔内寄存的物料导入废料储罐中间罐，将可燃气体通过塔顶排除输送到火炬处处理。

（2）电力系统故障

电力系统发生故障后，所有自动控制都将失灵，搅拌器也会停止转动，反应变慢，此时要立即切断原料液进料管线，提高导生油系统流量，打开所有泄放阀，将釜内的积液导入废料储罐中间罐，将可燃气体通过塔顶排除输送到火炬处处理。

4.3.5 复车方案

复车方案随停车类型的不同而有所区别。

1、如果是临时停车，只需按照正常的开车顺序进行开车即可。

2、如果是紧急停车，在修复故障后将之前导去废料中间储罐的物料重新导回反应器中，这样可以节省复车时间，减少复车成本。

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第五章 设备图

见附图18

第六章 设计讨论：敏感性技术分析

6.1 原材料的影响 6.1.1苯乙烯的影响

苯乙烯单体是聚苯乙烯工艺中最核心的原料，对于在反应器中生产低挥发分含量的聚合物，单体的纯度是非常重要的。据FINA公司介绍，单体中聚合物含量低于500mg／kg以下时，对聚合反应没有严重影响，苯乙烯纯度应在99．6％以上。我厂在实际生产中发现，当杂质主要是乙苯时，单体纯度降至99．0％时，通过调整配方及工艺参数仍能生产出性能优异的HIPS。但甲基苯乙烯和二乙烯基苯是对聚合物质量有严重影响的杂质，应该减至最少。苯乙烯中阻聚剂含量小于9mg／kg时，阻聚剂对预聚合反应速度无显著影响：而当阻聚剂含量大于9mg／kg时，预聚合反应速度明显下降。同时，随着阻聚剂含量的减小，相转变过程变得越来越显著，为使相转变过程完成效果最佳，尽可能降低阻聚剂的含量是非常必要的。此外，随着阻聚剂含是的增大，相转变过程延迟。FINA公司认为，阻聚剂含量在5-9mg／kg是比较理想的。

6.1.2 矿物油的影响

矿物油为HIPS的分子内部润滑剂，它与HIPS有一定的相容性，矿物油的加入可减少聚合物分子问的内聚力，明显地降低聚合物的熔体粘度，有效地改善产品的流动性能，使产品的熔融指数升高。另一方面，由于矿物油分子量较低，它的加入又导致大分子链排列疏松，降低链间作用力，有利于链段运动，提高了产品的落锤冲击强度，但同时也使玻璃化温度Tg降低，使产品的耐热性能下降，表现为维卡软化点或热变形温度下降：随着矿物油百分含量的提高，弯曲强度和断裂伸长率增大，而抗拉和挠曲强度下降。过量的矿物油或者分子量太低及粘度很低的矿物油还能使HIPS制品易发汗，降低了制品的表面硬度，制品易被划伤，同时也使制品电镀更加困难，因此矿物油的选择和用量的控制十分重要。

由于在HIPS生产过程中，脱挥是在高温和真空条件下进行的，因此选用的矿物油除要符合食品卫生方面的要求外，为了提高矿物油的利用率和使用效果，挥发性是一项极其重要的指标。通常挥发度越低越好，由于在同一温度下，石蜡基矿物油较环烷基矿物油馏出物少，因此在大多数情况下，选用石蜡基矿物油较

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合适。在同系列的石蜡基矿物油中，通常是粘度越大，挥发度越低，因此选用高粘度石蜡基矿物油更加有利。

随着橡胶用量的增加，HIPS的抗冲强度、落锤冲击强度及断裂伸长率显著增加，熔融指数、维卡软化点、拉伸屈服强度及拉伸断裂强度则随橡胶用量的增加而下降。但当橡胶含量较高且超过一定值后，尤其是在脱挥工序中，橡胶接枝和交联反应会大为增加，过度的接枝和交联使产品的伸长率、落锤冲击等反而下降；另一方面，橡胶含量的增加，也会增加生产成本。因此根据不同产品的要求，适当控制橡胶含量十分重要。除了特殊产品的要求外，通常橡胶用量控制在5％～10％的范围内。在实际生产中，由于预聚合反应器中的停留时间较短，以及脱挥器中的交联和降解作用对产品的性能有一定影响，故橡胶含量在8％时冲击强度最好。

6.2生产配方的影响 6.2.1 橡胶含量的影响

苯乙烯与聚丁二烯橡胶共聚生产HIPS，橡胶是制取HIPS产品的关键，橡胶的用量对HIPS的产品性能有非常重要的影响。随橡胶用量的增加，HIPS橡胶颗粒更完整，分布更均匀。橡胶用量大，反应体系粘度高，同样搅拌速率下的剪切力大，橡胶粒子变小。随着橡胶用量的增加，HIPS中橡胶相体积分数不是单调递增的，而是在橡胶含量5％时，橡胶相体积分数有一最大值，之后随橡胶含量的增加，橡胶相体积分数下降，影响HIPS综合性能的关键在于橡胶相体积分数而不是橡胶的重量含量。相同的橡胶重量含量下体积分数的不同是由于橡胶颗粒内包容物含量不同之故，包容物含量大则橡胶相的体积分数增加，但树脂包容物的含量也存在最佳值。

6.2.2 矿物油含量的影响

矿物油作为HIPS的分子内部润滑荆，与HIPS有一定的相容性，加入后可减少聚合物分子间的内聚力。矿物油在橡胶中的溶解性比在聚合物中大，较多的矿物油分配在橡胶相中，使HIPS的橡胶相体积分数增加，因而使抗冲强度增加，而过量的矿物油却会使HIPS表面硬度降低。实践证明，在一定的矿物油用量范围内，既能使HIPS保持较高的拉伸率和落锤冲击性能，良好的流动性，又能使产品的耐热性能适中。但是过量矿物油的加入，则会使产品拉伸强度和耐热性等大幅度下降，会严重影响材料的应用，因此通常矿物油的用量控制在0％～6％范围内。

6.2.3 乙苯含量的影响

乙苯蒸气压比苯乙烯低，在相同条件下，蒸发速度较快，蒸发过程能带走反

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应热，而且乙苯作为溶剂又能对聚合物熔体起稀释作用，降低聚合物的粘度，改善体系的传热状况，尤其是乙苯易电离出H+，具有活性的大分子与氢结合后失活，终止反应，因此乙苯能有效地控制反应速度，具有调节聚合物分子量的作用。由于这一点，在HIPS生产过程中，常向系统加入一定量的乙苯，以使反应的温度和反应速度易于控制。但是，乙苯的加入又给生产过程带来其它影响。一方面，适量乙苯的加入，使蒸发更加均匀，且具有稀释作用，减少了局部过热发生，有利适度接枝反应和减少交联作用，故而有利于提高抗冲击性能和落锤冲击强度。但是，另一方面，当乙苯增加超过一定量时，由于终止反应的作用明显提高，使聚合物平均分子量大为降低，故而导致了产品的强度等性能急剧下降，对材料的性能带来十分不利的影响。因此其加入量的多少对产品的物理机械性能的影响是至关重要的。牛产实际表明，改变乙苯浓度是调整产品性能指标的一种有效手段。通常根据产品质量的要求控制2%-12％的乙苯含量是比较适宜的。

6.3工艺条件的的影响 6.3.1 搅拌器的影响

在H1PS生产装置中，预聚反应器是决定产晶质量的最重要的设备之一。预聚合过程是橡胶和苯乙烯共聚发生相转变的过程，通过搅拌器搅拌，产生剪切力，橡胶形成大小不一的粒子，均匀地分布在聚合物中。相反转的条件是影响产物性能的关键因素，充分的混合、均匀的温度分布和足够的搅拌速率是完成相反转的必要条件。一般情况下剪切速率必须高于最低临界剪切速率，聚合体系的橡胶含量越低，最低临界剪切速率就越高。如果剪切速率太高，橡胶粒径降低，橡胶内包藏的树脂量(内包藏量)减少，不利于提高产物的抗冲性能。如果剪切速率太低或混合不充分，相反转不完全或造成“死角”，橡胶形成的海棉状物质与PS构成双连续相，产物的冲击强度和加工流动性不佳。因此，搅拌器的形式、转速和散热方式都非常重要。在实际生产中，由于搅拌器形式和散热方式已经确定，因此，控制搅拌器转速是调整橡胶颗粒大小的最直接的方式。

通常，粒径大于5um的大胶粒能有效地吸收外加能量而使HIPS获得较好的柔韧性，lum左右的小胶粒可获得最好的悬臂梁冲击强度。而随着预聚合搅拌速度的增加，剪切力增大，橡胶粒子直径逐渐减小，粒径分布逐渐变窄，分布更均匀，粒子间的距离缩短；相反则橡胶粒径增大。因此，控制适当的搅拌速度，可使产品的冲击性能和柔韧性能都保持在较高的水平，使材料获得较好的综合性能。甚至可以根据产品的要求，改变搅拌速度，使产品的某项性能满足要求。

6.3.2反应温度和停留时间的影响

反应温度和物料在反应器中的停留时间对HIPS树脂的性能有重大影响。首先，在达到适当固定转化率条件下，当停留时间增长时，反应速度需减慢，反应

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温度相应较低，而在低温条件下，引发的活化分子数相对较少，有利于生成高分子量的大分子，使聚合物强度等性能提高。

因此，采用提高液位，增大反应器有效使用容积，或减慢生产速度，适当延长物料在反应器内的停留时间，均有利于提高产品的物理机械性能。但是依靠减慢生产速度来提高产品性能的办法，又会导致生产效率下降，生产成本增加。反应温度和停留时间的控制要根据产品质量本身的要求来确定。另外，随着反应的连续进行，各级反应器中物料转化率越来越高，物料的粘度越来越大，反应温度也需逐级提高，以改善物料的输送条件及传质传热效果。高温下，除了大分子的接枝和交联外，反应器中残留的苯乙烯单体又会被活化，产生低聚物，降低平均分子量，分子量分布变宽，致使产品的熔融指数升高，降低产品的强度性能。因此，各级反应器的温度和转化率的控制也显得相当重要。在实际生产过程中，预聚合反应器温度通常控制在较低的温度，其它反应器的温度逐渐升高，物料在反应系统中的停留时间以4～6h比较合适。

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第七章 安全、环境因素考虑

7.1 HAZOP危险性分析

表7-1 反应器的HAZOP分析

偏差 原因 1、压力控制系统故安装压力反应塔 压力高 障，釜内气体过多 发生爆炸 2、压力指示仪表故障 压力连锁 3、塔内温度过高 1、压力控制系统故安装压力反应塔 压力低 障，釜内气体过少 产品不达标 2、压力指示仪表故障 压力连锁 3、进气管堵塞 1、 温度控制系统故 反应塔 温度高 障 产品收率降低 2、 导生油流速变慢 3、 搅拌器出现故障 1、 温度控制系统故安装温度检反应塔 障 产品产量降低，测仪表 温度低 2、导生油流速过快 3、搅拌器出现故障 杂质生成量增多 温度连锁 以及冷却装置管路 检查温度控制系统温度连锁 管的导生油管路 测仪表 统，进入夹套和弯安装温度检检查温度控制系及进气管阀门 检测表 统，温度控制系统检查压力控制系检测表 统，温度控制系统， 检查压力控制系后果 安全措施 建议安全措施 23

1、进料阀出现故障，原料加入不足 反应塔 液位低 2、反应塔塔体发生泄漏 3、液位测量装置出现故障 产品产量不足 反应塔液位指示器 检查进料管路及阀门，反应塔塔体的密封性，液位计是否正常

续表7-1 反应器的HAZOP分析

偏差 不准，加入原料过多 反应塔 2、原料进料阀门没液位高 有及时关闭 1、断电 正常工作 2、搅拌器从搅拌轴 搅拌器 脱落 不转动 3、搅拌器桨叶被塔内附件卡住 桨叶 1、夹套进口管线堵 塞 夹套中没有2、导生系统出现问传热介质 题 1、输送物料的泵没 计量罐中无物料 有正常运转 不能为反应提供2、物料输送管路堵原料 塞 3、计量罐泄露 进料流量过大

原因 1、原料计量罐计量后果 搅拌不充分，反 安全措施 建议安全措施 检查原料计量罐计反应塔液位指应效果差 示器 液体溢出 量是否准确，检查原料进料阀门是否正常 检查电力系统是否电机过热警报反应无法正常进器，温度连锁，行 压力连锁 落，有无附件卡住拌桨桨叶是否脱紧急停车，查看搅检查传热介质输送无法达到及时除去反应热 进出口流量控制阀警报 管路和阀门，检查导生系统是否正常工作 检查泵是否正常工作，检查物料输送计量罐液位指管路是否畅通，检示器 查计量罐是否有泄露 反应器液位过高，泄露 24

1、进料管线阀门开度过大 安装进料阀门警报系统 检查管线阀门是否异常

2、输送物料泵功率过高 1、进料管线阀门开进料流量过低 度过低 反应器液位过安装液位控制系统 检查进料泵是否异常 检查管线阀门的开安装进料阀门警报系统 安装流量检测系统 度 检查进料管线是否有泄露 检查进料管线是否堵塞 2、进料管线有泄露 低，后一级反应3、进料管线物料堵塞 器不能及时进行 7.2 物料危险性分析 7.2.1 苯乙烯

（1）性质

常压苯乙烯是无色透明油状液体，能溶于醇及醚，难溶于水，遇明火极易燃烧。受热、曝光或存在过氧化物催化剂时，极易聚合放热导致爆炸。与氯磺酸、发烟硫酸、浓硫酸反应剧烈，有爆炸危险。有毒，对人体皮肤、眼和呼吸系统有刺激性。 （2）健康危害

对眼和上呼吸道粘膜有刺激和麻醉作用。急性中毒：高浓度时，立即引起眼及上呼吸道粘膜的刺激，出现眼痛、流泪、流涕、喷嚏、咽痛、咳嗽等，继之头痛、头晕、恶心、呕吐、全身乏力等；严重者可有眩晕、步态蹒跚。眼部受苯乙烯液体污染时，可致灼伤。慢性影响：常见神经衰弱综合征，有头痛、乏力、恶心、食欲减退、腹胀、忧郁、健忘、指颤等。对呼吸道有刺激作用，长期接触有时引起阻塞性肺部病变。皮肤粗糙、皲裂和增厚。 （3）急救措施

急救措施按照不同的接触部位分为以下几种：

1、皮肤接触： 脱去污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。 2、眼睛接触： 立即提起眼睑，用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟，就医。

3、吸入： 迅速脱离现场至空气新鲜处，保持呼吸道通畅，如呼吸困难，给输氧，如呼吸停止，立即进行人工呼吸，就医。

4、食入： 饮足量温水，催吐，就医。 （4）消防措施及泄露应急处理

灭火方法：尽可能将容器从火场移至空旷处。喷水保持火场容器冷却，直至灭火结束。灭火剂：泡沫、干粉、二氧化碳、砂土。用水灭火无效。遇大火，消防人员须在有防护掩蔽处操作。

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泄漏应急处理：迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防毒服。尽可能切断泄漏源。防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。小量泄漏：用活性炭或其它惰性材料吸收。也可以用不燃性分散剂制成的乳液刷洗，洗液稀释后放入废水系统。大量泄漏：构筑围堤或挖坑收容。用泡沫覆盖，降低蒸气灾害。用防爆泵转移至槽车或专用收集器内，回收或运至废物处理场所处置。 （5）操作处置与储存

操作注意事项：密闭操作，加强通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴过滤式防毒面具（半面罩），戴化学安全防护眼镜，穿防毒物渗透工作服，戴橡胶耐油手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与氧化剂、酸类接触。灌装时应控制流速，且有接地装置，防止静电积聚。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。

储存注意事项：通常商品加有阻聚剂。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。包装要求密封，不可与空气接触。应与氧化剂、酸类分开存放，切忌混储。不宜大量储存或久存。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。

7.2.2 乙苯

（1）性质与用途

易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。不溶于水，可混溶于乙醇、醚等多数有机溶剂。 （2）健康危害

本品对皮肤、粘膜有较强刺激性，高浓度有麻醉作用。

急性中毒：轻度中毒有头晕、头痛、恶心、呕吐、步态蹒跚、轻度意识障碍及眼和上呼吸道刺激症状。重者发生昏迷、抽搐、血压下降及呼吸循环衰竭。可有肝损害。直接吸入其液体可致化学性肺炎和肺水肿。

慢性影响：眼及上呼吸道刺激症状、神经衰弱综合征。皮肤出现粘糙、皲裂、脱皮。 （3）环境危害

该物质对环境有危害，由于其挥发性比较大，在地表水体中的乙苯主要迁移过程是挥发和在空气中的光解,故生物富集量不多。 （4）急救措施

急救措施按照不同的接触部位分为以下几种：

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1、皮肤接触：脱去被污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。 2、眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗，就医。

3、吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给予输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸就医。

4、食入：饮足量温水，催吐，就医。

5、呼吸系统防护：空气中浓度超标时，应该佩戴自吸过滤式防毒面罩(半面罩)。紧急事态抢救或撤离时，应该佩戴空，气呼吸器或氧气呼吸器。 （5）消防措施及泄露应急处理

灭火方法：喷水保持火场容器冷却。尽可能将容器从火场移至空旷处。处在火场中的容器若已变色或从安全泄压装置中产生声音，必须马上撤离。灭火剂：泡沫、干粉、二氧化碳、砂土；用水灭火无效。

泄露应急处理：迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。迅速用砂土、泥块阻断洒在地上的乙苯向四周扩散。筑坝切断被污染的水体的流动，或用围栏限制水面乙苯的蔓延。配戴防毒面具、手套，将漏液收集在适当容器内封存，并用砂土或其他惰性材料吸附漏液，转移到安全地带。当乙苯洒到土壤中时，立即将被污染土壤收集起来，转移到安全地带。对污染地带加强通风，蒸发残液，排除乙苯蒸气。 （6）操作处置与储存

操作注意事项： 密密闭操作，加强通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴自吸过滤式防毒面具（半面罩），戴化学安全防护眼镜，穿防毒物渗透工作服，戴橡胶耐油手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与氧化剂接触。灌装时应控制流速，且有接地装置，防止静电积聚。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。

储存注意事项：储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。保持容器密封。应与氧化剂分开存放，切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。

7.3 水污染源及防治措施

按照水质的不同，本反应器及其附属设备排放的废水主要为：生产废水，生产净废水，生活污水和地面冲洗水。

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7.3.1 生产废水

生产废水量较少，主要产生于设备的清洗，废水中含有少量的苯乙烯，乙苯等有机物。可将其运输到厂区所在地的污水处理厂进行处理。

7.3.2 生产净废水

本套装置的换热系统中的换热介质采用导生油，故几乎不产生生产净废水。产生的少量生产净废水少部分用于地面冲洗，剩余进净下水管，输送到厂区所在地的污水处理厂。

7.3.3 生活污水

生活污水主要来自本工段的卫生间，淋浴器，洗眼器。主要成分是颗粒悬浮物，苯乙烯，乙苯等，经过污水输送管输送到污水处理厂处理。

7.3.4 地面冲洗水

成分和生活污水类似，处理方式一样，输送至污水处理厂进行处理。

7.4 噪声源及防治措施

本工段生产噪声的设备是生产过程中连续运行的各种泵类等设备的机械噪声以及大修时吹扫放空噪声。

机泵噪声多为低、中频噪声。主要是空化噪声、气蚀噪声、辐射噪声和机械噪声。防治措施主要有：尽量使泵在最佳效率点操作；电机选型时把噪声问题考虑在内，本设计中带动搅拌器的电机选型为Y225S-4，噪声一级和二级分别为79dB和84dB，在电机所有型号中属于噪声较小的一类；泵的入口关尺寸不能太小，以降低空化噪声；对于噪声特别大的泵，可以考虑加上隔声罩。

7.5 绿化

绿化可以美化环境，净化空气，减弱噪声。现代化工厂中，绿化已成为一项不可或缺的环保措施，本工艺项目可在厂区种植一些抗污染的花草树木，但不能影响到正常的生产运输工作。

28

参考文献

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29

附录一 物性数据

表附1-1 主要原料物理、化学性质表

沸点/℃ 蒸汽密度 20℃蒸汽压/mmHg -25℃溶解度（水中） 比重，25/25℃ 味道 外观 闪点℃ 燃烧极限﹪ 上限 下限 苯乙烯 145 3.6 4.5 0.032﹪ 0.9034 甜味 无色液体 31 1.1 6.1 乙苯 136 3.66 7.1 0.015﹪ 0.865 芳香味 无色液体 21 1.0 6.7 不发生聚合危险，但稳定性 易聚，30℃以下贮存 几乎能在所有温度下点燃 导生油 260-292 ＞1 ＜1 4-20ppm 1.011 浅黄色到无色液体 ＞150 0.52 7.3 良好的热稳定性，不发生聚合危险

通过查阅《化学化工物性手册——有机卷》《合成橡胶工业》，可得：

表附1-2 苯乙烯液体的定压比热容Cp（kJ/（kg•K））

物质 苯乙烯 温度℃ 40 1.703 60 1.771 80 1.839 100 1.860 120 1.975 140 2.042 160 2.106 180 2.245

表附1-3 乙苯液体的定压比热容Cp（kJ/（kg•K））

物质 乙苯 温度℃ 40 1.783 60 1.859 80 1.934 100 2.008 120 2.083 140 2.157 160 2.309 180 2.388

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顺丁橡胶Cp：2.9721kJ/(kg•K) 苯乙烯汽化热（200℃）：317.4kJ/kg 乙苯汽化热（200℃）：294.8kJ/kg 聚苯乙烯Cp：1.3kJ/(kg•K) 聚合反应热：16.7kcal/mol=672.18kJ/kg

150℃下0Cr18Ni9（普通型奥氏体不锈钢）的许用应力：137MPa 焊接接头系数：0.8；45钢的扭转许用应力：40MPa

附录二 计算举例

2.1 反应器的设计

对反应器内径、长度、壁厚的设计

由于反应器满釜操作，反应器中物料的最大体积即为反应结束后的体积，记第一聚合反应器的处理量为17876.13kg/h，混合物料的平均密度1000kg/m3， Vr，

反应器达到一定的转化率所需要的时间t=1h。

则物料的体积处理量VQt17876.13117.876m3

1000装填系数根据工艺条件f=0.8 反应器体积VrV17.87622.345m3，取整Vr23m3 f0.8取长径比

4Vr3234H1.87m，5.0，计算内径D1取D1=2000mm 3H3.145DD反应器内径为2m，反应器长度为10m。

由于夹套中导热油的压力大于反应器内的压力，故反应器按外压容器进行设计，外壳材料选用Q235—C，设计压力p=0.15-0.10=0.05MPa，为保证富裕量，设计压力取到0.2MPa，取设计温度为150℃。

假设筒体的名义厚度n20mm，壁厚附加量C由两部分组成，分别是钢板负偏差C1和腐蚀裕量C2，其中钢板负偏差按照下表选取。

表附2-1 钢板负偏差与钢板厚度/mm

钢板厚度 负偏差 钢板厚度 负偏差

2 0.18 6-7 0.6

2.2 0.19 8-25 0.8

2.5 0.2 26-30 0.9

2.8-3.0 0.22 32-34 1

3.2-3.5 0.25 36-40 1.1

3.8-4 0.3 42-50 1.2

4.5-5.5 0.5 52-60 1.3

31

查得C1=0.8mm，碳素钢双面腐蚀取C2=2mm，因此C=2.8mm。 有效厚度enC202.817.2mm 筒体外径D0D12n20002202040mm 筒体的计算长度L=10000mm 计算得：

DL4.9,0118.6，查图3—15得A=0.00022，由A查图3—17D0eB31.50.266MPa0.2MPa。 D0/e118.6得B=31.5MPa，计算p因此20mm的厚度满足设计要求，取筒体壁厚120mm

2.2 反应器夹套的设计 2.2.1 夹套公称直径的确定

夹套的筒体内径与反应器筒体内径之间的关系如下表所示：

表附2-2 夹套的筒体内径与塔体筒体内径之间的关系

D1 D2

500-600 错误!未找到引用

源。+50

700-1800 错误!未找到引用

源。+100

2000-3000 错误!未找到引用

源。+200

因此，夹套的公称直径D2=2000+200=2200mm

2.2.2 夹套压力设计的确定

根据已知的设计条件，夹套内走的是0.12MPa的导热油，设计压力为0.15MPa。

2.2.3 夹套筒体的设计

夹套高度H2=10000mm，夹套体积V2=3.14(1.12-12）×10=0.66m3。 夹套厚度按内压容器计算：

假设夹套名义厚度n8mm，钢板负偏差C1=0.8mm，C2=2mm。 有效厚度e82.85.2mm，设计温度下材料的需用应力为125MPa。 则允许最大压力为：

32

p2e21250.85.20.46MPa0.15MPa

Die22005.2t满足强度条件，最终确定下夹套厚度为n8mm。

2.2.4 夹套封闭件的设计

夹套内径为2200mm，选用焊接不可拆卸封闭件。根据夹套封闭件设计要求，其厚度要大于夹套筒体厚度，故取10mm，每个反应器左右各用一个封闭件，封闭件与反应器筒体成30度角。

2.3 反应器筒体及夹套的压力试验 2.3.1 反应器筒体的液压试验

pT1.25p1.250.10.125MPa

(Die)0.125(200017.2)TpT2217.20.89.2MPae0.9s0.9235211.5MPa

所以满足T0.9s，液压强度足够。

2.3.2 反应器筒体的气压试验

pT1.15p1.150.10.115MPa

pT(Die)0.115(200017T2.2)217.20.88.5MPa

e0.8s0.8235188MPa

所以满足T0.8s，气压强度足够。

2.3.3 夹套的液压试验

pT1.25pt1.250.151251250.1875MPa

pT(Die)T20.1875(20005.2)5.20.845.2MPae20.9s0.9235211.5MPa

33

所以满足T0.9s，液压强度足够。

2.3.4 夹套的气压试验

pT1.15p1.150.151250.172MPa

125tTpT(Die)0.172(20005.2)41.4MPa

2e25.20.80.8s0.8235188MPa

所以满足T0.8s，气压强度足够。

2.4 搅拌器的设计

2.4.1 搅拌器基本尺寸的确定

根据工艺条件，搅拌器类型选用双桨平叶式搅拌器，搅拌桨直径Dj满足

Di1.25:12:1，取Dj=950mm。搅拌桨叶宽度、长度和厚度均采用标准几何Dj关系，查表得：轴径d0=50mm宽度b=90mm，厚度=16mm。

2.4.2 搅拌功率的计算

按照下式计算搅拌器的功率：

3PskPoNDj

5式中 Po—功率准数；

k—功率准数校正总系数； Dj—搅拌器直径，m； N—搅拌器转速，m/s。

对于聚合反应，黏度在变化，而且变化量大，根据第一聚合反应器综合考虑，黏度μ=0.0025Pa.s，转速N=0.25r/s。

NDj210000.250.952计算搅拌雷诺数Re90250

0.0025根据文献查图得Po=0.90 校正总系数k=k1k2，k1H15,k22.5，计算校正总系数k=1。 D1 34

3将以上数据带入PskPoNDj，得到Ps10.88kW

52.4.3 搅拌轴直径的确定

搅拌轴扭矩M9550Ps10.8895506926.9Nm N15搅拌轴材料选用45钢，取范围内的最低值60MPa 抗扭截面模量W0.2d3 搅拌轴需满足：

W0.2d3M 即d36926.983.3mm 660100.2圆整到85mm。 下面进行刚度校核： 极惯性矩J0.1d4

剪切弹性模量G=8.1×104MPa 单位扭转角MTmax1806926.91800.94o/m1o/m 104GJ8.1100.10.0853.14因此搅拌轴刚度足够，轴径85mm满足要求。

2.4.4 电动机的选型

轴封部位轴径d0=50mm

对于双端面机械密封消耗的功率Pm1.8d01030.197kW 传动效率设定为0.9 消耗的总功率PMPsPm9.600.19710.88kW

0.91.2根据消耗的功率，搅拌轴转速，扭矩等条件，最终确定电动机型号为YD-225M-12，由于电机转速与搅拌轴设计转速不一致，故在电机上安装变频器，使其输出转速与搅拌轴转速一致，即组成一个带变频器的电机。

2.5 换热计算

对于第一聚合反应器，反应器内平均温度t平均=135℃，需要放出热量Q1=0.5335×105kJ/h=14.82kW。

选用L-QC 320型导热油，其比热容在操作温度下为2.42kJ/kg·℃。

采用盘管和套管进行换热，设定导热油的进料温度为90℃，出料温度115℃。

35

碳素钢的总传热系数K值范围为285-850W/(m2·K)，结合换热介质等因素，取K=500W/(m2·K)。

由公式QKAtm，推出换热所需面积AQ/Ktm，其中

tm(13590)(135115)30.83oC

13590ln135115因此换热器总面积AQ/Ktm14.8210350030.830.96m3 假设导热油在盘管流动时有5%的能量损失，则导热油的质量流量为：

wQ53350928.23kg/h

0.95CpT0.952.4225导热油速度经验为2—4m/s，且密度为800kg/m3。

设定导热油通过盘管的流量占总流量的80%，则盘管的截面积：

S0.8w0.8928.231.3104m2

2360023600800盘管内径：d4S41.310412.87mm，圆整取15mm。 3.14A0.9620.38m，圆整取20m。 d3.140.015同理，对其他三个反应器进行设计计算，并选用标准管进行校核，得到结果

需要盘管的总长度：L如下表：

表附2-3 反应器换热设计汇总

第一反应器 第二反应器 第三反应器 第四反应器

进口温度T1/℃ 90 120 120 120

出口温度T2/℃ 115 140 140 140

流量w/(kg/s) 0.258 2.172 4.069 5.755

换热面积S/m2 0.96 4.33 4.74 4.76

套管内径d/mm 15 32 40 40

盘管长度L/m 20 43 38 38

2.6 反应器附件设计 2.6.1 反应器法兰设计

根据参考《化工设备设计基础》以及反应器公称直径DN=2000mm等条件，确定反应器法兰的类型为甲型平焊法兰。

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材料：Q235—C

由于反应器内压力不高，故密封面选择平面密封面。 标记：法兰—FF 2000—0.25 JB/T 4701—2000 垫片材料选择低压耐酸耐腐蚀橡胶石棉板。 垫片宽度：20mm.

螺栓采用六角头螺栓 A级 材料用Q235—A. 螺母采用I型六角螺母 A级 材料用Q235—A. 确定螺柱规格M27 数量48 法兰质量：190.8kg

2.6.2 支座的设计

根据已知条件，选取鞍式支座，参考标准JB/T4712—92。 首先粗略计算鞍座合负荷。 反应器总质量：m=m1+m2+m3+m4

式中：m1反应器质量，kg；m2为夹套总质量，kg；m3物料的质量，kg；m4附件的质量，kg。

（1）反应器的质量m1

DN=2000mm，120mm得筒节，每米质量为q1=995kg/m，故

m1=q1L=995×10=9550kg

（2）夹套总质量m2

m2=545×10+0.66×800=5978kg

（3）物料的质量m3

m3=17876.13×1=17876.13kg

（4）附件的质量m4

法兰质量取1000kg，支架质量100kg，电动机质量300kg，冷却盘管质量100kg，估计附件总质量

m4=1000+100+300+100+500=2000kg

支座承受的总质量为

M=9550+5978+17876.13+2000=35404.13kg，即每个支座受力173.48kN. 最后，支座高度选取300mm。

支座标记为：JB/T4712—92，鞍座BV325—F

2.6.3 视镜设计

结合釜的公称直径，操作压力，确定视镜的公称直径DN=100mm,公称压力PN=1.5MPa,材料为不锈钢

标记：视镜ⅡPN1.5DN100 HGJ 501-86

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2.6.4 凸缘法兰，底盖和机架的设计选型

凸缘法兰焊接于搅拌器封头上，选择R型不锈钢衬里凸缘法兰 标记为：HG 21564 法兰LR 250-304/304

底盖标记：HG 21565 底盖 LRS 250-250-50-304/304-F4

由于该反应搅拌不太强烈，受到的轴向力较小，故选用无支点机架，又因为选用的减速机是LC系列齿轮减速机，因此选用B型机架。减速机输出轴径为80mm，因此机架的型号选为WJ80 B.

2.6.5 联轴器的设计

该装置中两个地方选用了联轴器，第一是电动机与减速机的连接，第二是轴封处的轴和底盖处的轴的连接。

对于电动机与减速机的连接，通过电动机的型号，减速机的型号以及机架的选型，选择JQ型夹壳联轴器。

对于轴封处的轴与底盖处的轴的连接，已求得釜内搅拌轴的扭矩为 6926.9 N.m，由于联轴器两端的轴径不同以及连接处所处的位置不适宜采用联轴器，因此采取才轴径较大的轴上开一键槽，轴径较小的轴插入的方法来连接，键槽内径为50mm，连接位置为轴封上端。

2.6.6 轴封装置的设计

反应釜中应用的轴封结构主要有两大类，填料密封和机械密封。考虑到釜内的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，因此选用机械密封，为了进一步提高密封效果，采用双端面机械密封。

2.7 管线接口设计

物料在预聚釜中反应后进入反应器中，进料量为16251.03kg/h，120℃下进料，

16251.03混合溶液密度为1000kg/m3，则体积为V进料16.25m3/h

1000一般液体在管路中的流速范围是1.0m/s—3.0m/s，设定进料液体的流速为2m/s，则有d14V进料3600v416.2553.62mm

360023.14取管路内径为标准管径DN80.

循环液体的进料量为1625.1kg/h，同理混合液的密度为1000kg/m3

1625.11.625m3/h，同时也设定循环进料的流速为2m/s 则体积为V循环1000则有d24V循环3600v41.62516.95mm

360023.1438

取管路内径选标准管径DN20

引发剂的进料量很少，直接选用10mm的管径即可。

同理第二聚合反应器的蓝料、硬脂酸锌和抗氧化剂进料也选用10mm的管路。

通过物料衡算得到的物流流量可以对各管路进行设计，并选用标准管进行校核，结果汇总如下：

表附2-4 各个物料的管路设计汇总

主进料 循环进料 引发剂进料 1#反应器 蓝料等进料 循环进料 2#反应器 循环进料 3#反应器 4#反应器

去往 1#反应器 1#反应器 1#反应器 2#反应器 2#反应器 2#反应器 3#反应器 3#反应器 4#反应器 闪蒸罐

流量Q（kg/h）

16251.03 1625.1 2 17876.13 6.5 1625.1 17876.13 1625.1 17876.13 16251.03

流速v（m/s）

2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0

管径d(mm)

80 20 10 80 10 20 80 20 80 80

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附录三 部分符号说明

/h M——扭矩 N.m V1——苯乙烯的体积处理量 m³

W——抗扭界面模量 m3 Pm——机械密封消耗功率 kw V2——夹套体积 m³/h J——极惯性矩 m4

Vr——实际操作体积 m³

f——装填系数 H1——反应釜筒体高度 m H2——夹套高度 m D1——反应釜筒体内径 mm D2——夹套内径 mm Dj——搅拌桨直径 mm V1m——单位高度的容积 m³

1——反应釜筒体厚度 mm ——搅拌桨厚度 mm

2——夹套厚度 mm b——搅拌桨宽度 mm

PM——总消耗功率 Q——传热量 W

△tm——对数平均温差 ℃ A——传热面积 ㎡ Pg——气液相混合搅拌功率 w Ps——液相搅拌功率 kw

Zb——挡板数 G——通气系数 L——搅拌桨长度 mm

C——搅拌器至容器底距离 m Wb——挡板宽度 m 40