一、裝置簡介
(一)裝置發(fā)展及其類型
?。保b置發(fā)展
聚苯乙烯樹脂(PS)是世界五大通用塑料之一，是熱塑性樹脂的主要品種，其產(chǎn)量僅次于聚烯烴和聚氯乙烯，在合成樹脂中占有重要地位。
聚苯乙烯樹脂的生產(chǎn)一般采用本體聚合、溶液聚合、乳化聚合、懸浮聚合等四種工藝。中國現(xiàn)有的懸浮聚合工藝技術(shù)，由于規(guī)模小、產(chǎn)品種類單一、原料單耗和能耗都較高，因而缺乏競爭力。致使在國際上，由于懸浮聚合工藝排放廢水量比較大，能耗、物耗高，也正在逐漸被本體聚合工藝所取代。
連續(xù)本體法已逐漸發(fā)展成為生產(chǎn)聚苯乙烯樹脂的一種常用方法，因為該方法能以較低的成本生產(chǎn)出純度高、殘留單體含量低的產(chǎn)品。流程中可以有1-5個反應(yīng)器，其構(gòu)型有多種。通常把苯乙烯、溶劑(乙苯)，有時也有引發(fā)劑一起加入到第一個反應(yīng)器中，反應(yīng)器通常是在連續(xù)升溫下操作，操作溫度為90—180℃，最終轉(zhuǎn)化率可達60％—90％。反應(yīng)流出物送人真空脫揮器，將殘留單體和溶劑蒸發(fā)掉，熔融聚合物擠出造粒，冷凝下來的未反應(yīng)單體和溶劑經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)返回到反應(yīng)器進料中。
我國從20世紀60年代開始生產(chǎn)PS，80年代開始從國外引進的技術(shù)和設(shè)備，使我國H工業(yè)得到不斷的發(fā)展和壯大。到2000年，我國PS生產(chǎn)能力已經(jīng)達100X104t／a左右。
2．裝置的主要類型
連續(xù)本體聚合工藝的典型生產(chǎn)技術(shù)有德國BASF公司、美國Huntsman公司的臥式、立式釜工藝技術(shù)，美國DOW化學(xué)公司的高立式釜工藝技術(shù)，美國Cosden公司(現(xiàn)美國FINA公司)的臥式釜工藝技術(shù)，日本東洋工程公司一三井東亞公司(TEC—MTC)的矮立式釜工藝技術(shù)等工藝技術(shù)。
(二)裝置單元組成與工藝流程
1。組成單元
整個生產(chǎn)裝置由下列主要單元組成：
原料接受、儲存及配制系統(tǒng)；切膠、溶膠及供料系統(tǒng)；聚合系統(tǒng)；脫揮發(fā)系統(tǒng)；冷凝及抽真空系統(tǒng)；造粒系統(tǒng)；粒料輸送，儲存及包裝系統(tǒng)；導(dǎo)生系統(tǒng)；公用工程系統(tǒng)。
各單元介紹如下：
(1)原料接收、儲存及配制
苯乙烯單體從界區(qū)外批量送人本裝置苯乙烯罐中。當生產(chǎn)通用級GPPS產(chǎn)品時，苯乙烯經(jīng)進料泵直接送到主進料泵的人口。當生產(chǎn)高抗沖級HIPS產(chǎn)品時，苯乙烯經(jīng)進料泵送到漿液罐配制橡膠溶液并送至溶膠罐進行溶解，然后再送到主進料泵。
礦物油從界區(qū)外送來存人本裝置礦物油罐中，礦物油經(jīng)泵送到主進料泵的人口管道，其流量由調(diào)節(jié)閥控制。
乙苯由界區(qū)外送至本裝置乙苯貯槽中。乙苯按需要補充到循環(huán)液中，循環(huán)液連續(xù)加入反應(yīng)原料中。兩者共用循環(huán)液進料泵輸送。循環(huán)液送至主進料泵的入口。隨反應(yīng)的進行，循環(huán)液不斷循環(huán)使用，其中的雜質(zhì)不斷增多，需定期將部分循環(huán)液送回苯乙烯裝置回收處理。當反應(yīng)系統(tǒng)中需注入循環(huán)液或乙苯時，可通過泵經(jīng)過過濾器向反應(yīng)系統(tǒng)供料。
聚合反應(yīng)使用的引發(fā)劑是TBPB或DP—275B，它是用乙苯和礦物油配成的溶液，可以直接使用。將桶裝引發(fā)劑用泵送到引發(fā)劑供料槽中。經(jīng)引發(fā)劑供料泵計量送到第一反應(yīng)器。聚苯乙烯需加入抗氧劑及硬脂酸鋅等粉狀固體添加劑。按比例將它們加到添加劑槽中，槽中預(yù)先加入定量的循環(huán)液，攪拌器及循環(huán)泵使添加劑均勻的懸浮于循環(huán)液中，懸浮液用添加劑供料泵計量送到第二反應(yīng)器中部。
(2)切膠、溶膠及進料準備
①切膠、溶膠
橡膠是以25—34kg一塊裝成木箱運來的，直到使用時才從箱中取出膠塊。聚丁二烯橡膠冷流會導(dǎo)致膠塊變形?？赡茏兂刹贿m于進入到切膠系統(tǒng)的形狀。
苯乙烯用泵連續(xù)送到漿液罐的底部，使苯乙烯與橡膠形成漿液。只要切膠在進行，苯乙烯就一直連續(xù)輸送。對不同牌號的產(chǎn)品切膠量以及與其相關(guān)的苯乙烯的量是不同的。苯乙烯—膠混合物由漿液泵送到溶膠罐。
從溶膠罐出來的膠液直接流到主進料泵，在那里它按要求和其他物質(zhì)混合，形成反應(yīng)器的主要供料。
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從主進料泵出來的物料過濾后經(jīng)計量提供聚合反應(yīng)的主供物料流。主供料預(yù)熱到80℃左右，進入第一反應(yīng)器。生產(chǎn)抗沖級產(chǎn)品時，預(yù)熱后的一部分物料經(jīng)進料泵送到第二反應(yīng)器的中部，此股物料稱為M2進料。
(3)聚合系統(tǒng)
本單元由幾個串聯(lián)的反應(yīng)器組成，物料連續(xù)的從低溫區(qū)流向高溫區(qū)，溫度范圍在90-180℃之間。反應(yīng)所產(chǎn)生的聚合熱是經(jīng)換熱載體實現(xiàn)熱交換的。反應(yīng)器一般都設(shè)有攪拌，實現(xiàn)共混及反應(yīng)均勻。最終產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率可達80％—85％。
(4)脫揮發(fā)系統(tǒng)
從最終反應(yīng)器擠出的物流中約含有80％—85％的聚合物，15％—20％的液體，這股物料經(jīng)減壓后，到聚合物加熱器中，在很短的時間內(nèi)聚合物溫度從180qC加熱到230℃，然后落到一個帶夾套的脫揮發(fā)物器中，該脫揮發(fā)物器操作處于負壓狀態(tài)，絕壓一般控制在30mmHg以下，以除去聚合物中的溶劑乙苯和未反應(yīng)的苯乙烯。脫揮發(fā)物器底部的聚合物泵把熔融狀態(tài)的聚合物送到擠壓模頭進行造粒。
(5)冷凝及真空系統(tǒng)
從脫揮發(fā)物器脫除的苯乙烯、乙苯等物料蒸汽先進人部分冷凝器，物料中少量的焦油即苯乙烯的齊聚物等在此冷凝下來，流人焦油收集罐。物流中未冷凝下來的蒸汽進入最終的冷凝器，使苯乙烯、乙苯冷凝下來，所形成的冷凝液就是工藝物料的循環(huán)液，可循環(huán)使用。
(6)切粒系統(tǒng)
由聚合物齒輪泵送出的熔融聚合物經(jīng)模頭擠出，條料分別進入水浴槽進行冷卻。經(jīng)固化后的條料從水浴槽中拉出，經(jīng)干燥后進人切粒機。模頭處設(shè)排風(fēng)罩以抽出從模頭擠料時揮發(fā)出來的小分子。
(7)粒料輸送、儲存及包裝系統(tǒng)
從切粒機出來的粒料經(jīng)振動篩分出過大或過小的粒子或團料后，合格的進入料斗，經(jīng)旋轉(zhuǎn)閥送到輸送料管，輸送風(fēng)機將帶有粒料的氣流輸送至料倉。一般GPPS和HIPS產(chǎn)品料倉應(yīng)分別儲存相應(yīng)的粒料，不能混用。普通級產(chǎn)品和抗沖級產(chǎn)品分別由兩條推拉系統(tǒng)從料倉送至包裝作為成品。
(8)熱載體系統(tǒng)
整個工藝過程中，原料的預(yù)熱器，反應(yīng)器的盤管和夾套，脫揮發(fā)物器夾套及聚合物加熱器，聚合物輸送管道，部分冷凝器等都需要熱載體與其中的物料進行熱交換。熱載體的使用溫度一般有三種，一種是冷載體，溫度在60℃左右，一種是熱載體，溫度在2000℃左右，第三種是過熱載體，溫度在280℃左右。整個反應(yīng)的原料預(yù)熱、聚合、真空系統(tǒng)的部分冷凝等需要前兩種溫度的載體經(jīng)混合后，由調(diào)節(jié)閥控制所需的換熱。過熱載體主要是加熱聚合物加熱器和脫揮發(fā)物器，以及部分物料管線。熱載體的熱量由兩臺加熱爐提供。整個熱載體系統(tǒng)的不同溫度是靠換熱器來實現(xiàn)溫度控制的。
(9)公用工程系統(tǒng)
裝置公用工程主要包括：高、低壓氮氣、儀表風(fēng)及雜用風(fēng)、蒸汽、循環(huán)冷卻水、激冷水、消防水等。主要用于裝置吹掃、壓料；調(diào)節(jié)氣動閥門和切粒設(shè)備；加熱物料；冷卻換熱器；滅火、罐區(qū)降溫等。
2．工藝流程
聚苯乙烯生產(chǎn)工藝原則流程見圖5—3。
苯乙烯和其他的供料成分經(jīng)預(yù)熱后連續(xù)供到串聯(lián)的反應(yīng)器中，在這里大部分苯乙烯單體被轉(zhuǎn)化成聚合物。根據(jù)產(chǎn)品牌號的不同進料組成有所不同。進料中一般含有：苯乙烯和乙苯，其中乙苯是一種鏈轉(zhuǎn)移劑，還有各種產(chǎn)品添加劑，聚合反應(yīng)的化學(xué)引發(fā)劑，在生產(chǎn)高抗沖級產(chǎn)品時，進料還必須含有聚丁二烯橡膠。
物料在進入反應(yīng)器之前，要在預(yù)熱器中進行預(yù)熱。在第一反應(yīng)器還要進一步供熱以引發(fā)聚合反應(yīng)。其他的反應(yīng)區(qū)要冷卻，以除去聚合熱和控制反應(yīng)速率。進料和反應(yīng)器中的物：料是通過控制在一定溫度下的熱載體的循環(huán)進行加熱和冷卻的。從反應(yīng)器中出來的產(chǎn)品在脫揮發(fā)物器中進行加熱和抽真空以便除去乙苯和沒有反應(yīng)的苯乙烯。從最終反應(yīng)器出來的聚合物在聚合物加熱器中進一步加熱，這樣有助于脫除揮發(fā)分和把聚合物保持在適于泵送的黏度下。
揮發(fā)出來的物質(zhì)在真空系統(tǒng)(一級或兩級)的抽真空下經(jīng)過冷凝系統(tǒng)回收。部分冷凝器把進入最終冷凝器之前的蒸汽冷卻，并且除去了其中少部分蒸汽壓很低的象苯乙烯的齊聚物之類的組分。最終冷凝器回收了基本是所有剩余的苯乙烯和乙苯，這部分冷凝液在作為循環(huán)液進入聚合反應(yīng)系統(tǒng)之前，先返回到儲罐中儲存。
脫除揮發(fā)分的聚合物熔體，由齒輪泵送到擠出模頭，擠出的聚合物條料經(jīng)水浴槽拉人切粒機，切出的產(chǎn)品顆粒經(jīng)過篩子和磁鐵，除去過大的顆粒和金屬碎屑。
