熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用連續(xù)反應(yīng)釜的設(shè)計4500噸聚苯乙烯／年

1、1.設(shè)計方案簡介1.1聚苯乙烯的生產(chǎn)方法苯乙烯為無色或微黃色易燃液體。有芳香氣味和強折射性。不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、二硫化碳等有機溶劑。苯乙烯的熔點為30.6，相對密度為0.9019，沸點為145.2，折射率1.5463，閃點為31，臨界溫度為373，臨界壓力為4.1MPa。 閃點是指可燃性液體表面上的蒸汽和空氣的混合物與火接觸而初次發(fā)生閃光時的溫度。臨界溫度是該物質(zhì)可能被液化的最高溫度。臨界壓力是指在臨界溫度時使氣體液化所需要的最小壓力。苯乙烯受熱會形成自由基，受熱至120時自由基生成速率明顯增加，可用于引發(fā)聚合。因而，苯乙烯的聚合可以不加引發(fā)劑，而是在熱的作用下進行熱引發(fā)聚合。但苯

2、乙烯的熱聚合產(chǎn)物很復(fù)雜，至少有15種聚合物生成，其中，三烯化合物是真正的引發(fā)劑。三烯化合物與苯乙烯發(fā)生氫原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成兩個單體自由基，然后進行引發(fā)聚合：本設(shè)計由于以甲苯為稀釋劑，故采用的是溶液聚合。溶液聚合是將單體和引發(fā)劑溶于適當溶劑中進行的聚合反應(yīng)。其基本組成由分單體、引發(fā)劑、溶劑組成，聚合場所在溶液內(nèi)，是均相介質(zhì)。溶液聚合的優(yōu)點是散熱控溫容易，可避免局部過熱，體系粘度較低，能消除凝膠效應(yīng)。其缺點是溶劑回收麻煩，設(shè)備利用率低、聚合速率慢、分子量不高。下面是陶氏化學公司溶液聚合生產(chǎn)聚苯乙烯流程(圖b)，以乙苯作溶劑，降低反應(yīng)混合物的粘度、提高傳熱效率。 本設(shè)計主要對第二個反應(yīng)釜進行設(shè)計，選

3、用立式攪拌反應(yīng)釜。2.基本設(shè)計條件的選定2.1反應(yīng)溫度的確定 目前工業(yè)上高溫苯乙烯本體聚合在120170上進行熱聚合。本體聚合采用分段聚合，以解決本體聚合的散熱問題，苯乙烯具有熱引發(fā)聚合的特點，不加引發(fā)劑，在120以上，即有較高的聚合速率。在170下聚合，幾乎可達到完全轉(zhuǎn)化。而反應(yīng)最終聚合率為0.795，以甲苯為引發(fā)劑，故選取反應(yīng)溫度150。2.2 反應(yīng)器的選擇本反應(yīng)采用攪拌釜反應(yīng)器。由于此設(shè)計是苯乙烯的聚合反應(yīng)，可以近似看作是液液反應(yīng)，產(chǎn)量要求不大，因而本設(shè)計選用立式攪拌反應(yīng)釜。2.3攪拌裝置的選擇攪拌裝置的主要作用是強制物料流動，強化傳熱與傳質(zhì)效果；使物料充分接觸，均勻混合。因此攪拌釜反應(yīng)

4、器對各種反應(yīng)體系適應(yīng)性強，操作彈性大，適用溫度和壓力范圍廣，既可用于間歇操作，又可用于連續(xù)操作。苯乙烯單體聚合反應(yīng)中，聚合物是熔融狀態(tài)，隨著聚合過程的進行粘度逐漸增大。粘度在75 Pa.s以下，可用渦輪式攪拌器。當攪拌速度很高時，容易產(chǎn)生漩渦，大大降低了液體內(nèi)部的混合效果，為了增加液體的剪切作用，加強攪拌的激烈程度，常在釜體內(nèi)靠近器壁的地方裝上擋板，增大被攪拌液體的湍流程度，改善攪拌效果。2.4換熱裝置的選擇攪拌反應(yīng)鍋大多設(shè)有傳熱裝置，以滿足加熱或冷卻的需要。本設(shè)計是放熱反應(yīng)，因此傳熱裝置是用于冷卻。傳熱方式、傳熱結(jié)構(gòu)形式和傳熱劑的選擇主要決定于所需控制的溫度的高低、反應(yīng)熱的大小、傳熱速度的快

5、慢和工藝的要求等。選用在反應(yīng)釜外設(shè)置供加熱用的夾套傳熱裝置。夾套傳熱的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，耐腐蝕，適應(yīng)性強。夾套高度應(yīng)高于液面高度，以便于提供最大的傳熱面積。當傳熱速率要求不高和傳熱劑的工作壓力較低時，通常使用夾套傳熱結(jié)構(gòu)。當夾套內(nèi)轉(zhuǎn)熱劑的壓力大于0.6MPa時，夾套必須采用加強措施。當傳熱面積需要很大時則一般選用蛇管傳熱設(shè)備，設(shè)備的確定需要根據(jù)計算傳熱的結(jié)果來確定。2.5聚合工藝流程圖料斗去包裝造粒機擠壓機添加劑溶劑和單體去精制循環(huán)使用脫出揮發(fā)物塔聚合反應(yīng)器苯乙烯3.物料衡算 聚苯乙烯年生產(chǎn)量6500噸/年，每年工作330天，苯乙烯單體聚合一般采用4到5級反應(yīng)釜進行反應(yīng)，反應(yīng)最終聚合率為79.5

6、%，反應(yīng)液最終聚合物的質(zhì)量分數(shù)為70%，以甲苯為稀釋劑，在反應(yīng)液中質(zhì)量分數(shù)為12%，則苯乙烯的質(zhì)量分數(shù)為88%，物料衡算有：苯乙烯每天需投入量：物料每天的投入總量：甲苯每天投入的總量：4. 反應(yīng)釜體的設(shè)計由于溫度、溶劑、攪拌速度、攪拌時間等影響,聚合物的聚合度不同，由150下，苯乙烯的聚合度大概為1200，本操作反應(yīng)屬于溶液聚合的一級反應(yīng)。4.1反應(yīng)釜體積的計算4.1.1反應(yīng)時間的確定熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合的反應(yīng)級數(shù)一般認為是一級或二級反應(yīng)，本設(shè)計采用一級引發(fā)的機理計算。由一級反應(yīng)的反應(yīng)速度常數(shù)與溫度的關(guān)系圖查得反應(yīng)溫度為150下k=0.44，計算反應(yīng)時間有：4.1.2 反應(yīng)物料的體積計算由密

7、度與溫度的關(guān)系圖查得，反應(yīng)溫度為150下反應(yīng)液的密度=833 k g/ m3，計算如下：每天所需處理物料總體積： 每個設(shè)備每天能操作的批數(shù)：每小時所需處理物料總體積：物料體積：=根據(jù)經(jīng)驗，裝料系數(shù)一般取0.70.8之間，取=0.75，求得=4.2 反應(yīng)釜尺寸的計算4.2.1確定筒體內(nèi)徑根據(jù)表2-1罐體長徑比經(jīng)驗表，一般攪拌罐的液液相物料H/11.3，取H/1.3 圓整為 4.2.2確定封頭尺寸橢圓封頭選擇標準件，其內(nèi)徑與筒體內(nèi)徑相同。參照化工設(shè)備機械基礎(chǔ)課程設(shè)計指導書的附錄查找，筒體公稱直徑圓整為1400mm時,，當封頭公稱直徑DN時，直邊高度h宜為25mm曲邊高度， 直邊高度4.2.3確定罐

8、體高度4.2.3.1確定筒體高度=圓整為=1.1釜體實際高度為H=按圓整后的筒體高度修正實際的容積，則反應(yīng)器實際長徑比：/=1.85/1.4=1.32最高液位高度=苯乙烯體積收縮系數(shù)：最低液位高度5. 攪拌裝置的設(shè)計5.1攪拌器的尺寸計算在均相液體的混合中，此類體系對攪拌功能要求比較簡單，以混合攪動功能為主，攪拌過程的主要控制因素是液體在反應(yīng)器中的容積循環(huán)速率。湍流流動時最好加擋板。渦輪式攪拌漿具有較大的局部剪切作用和容積循環(huán)速率，所以對此類操作效果比較好。其中以直葉渦輪漿的前切作用最大，液滴分散程度最大。當攪拌轉(zhuǎn)速很高時，容易產(chǎn)生漩渦，大大降低了液體內(nèi)部的混合效果。為了增加液體的剪切作用，加

9、強攪拌的激烈程度，常在釜體內(nèi)靠近器壁的地方裝上擋板。擋板的作用是可以避免液體在旋轉(zhuǎn)的攪拌軸中心形成液體凹陷的漩渦現(xiàn)象，增大被攪拌液體的湍動程度，將切線流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向和徑向流動，改善攪拌效果。安裝了擋板后，在較小的攪拌轉(zhuǎn)速下，就可以達到湍流的狀態(tài)。但安裝擋板后，流動阻力增加，攪拌功率增加。本實驗選擇渦輪式，用六平片式渦輪，輪徑D/T1/4；葉輪距器底高度；葉片寬度W=1/10T；葉片長度L=1/4D；液深H/T=(液深是器徑的1.321倍)；擋板數(shù)=4；板寬。5.2攪拌器的轉(zhuǎn)速和功率計算5.2.1轉(zhuǎn)速的確定攪拌器尺寸與轉(zhuǎn)速的大小與攪拌目的及被攪拌物料的物性有關(guān)。例如，均相液相的混合與固體的溶解對

10、轉(zhuǎn)速的要求較低。而非均相液體的乳化或氣相的分散則要求較高的轉(zhuǎn)速。對黏度小的液體，攪拌器的作用范圍較大，可用較小直徑的攪拌葉。液體的黏度很高時，則攪拌器的有效作用范圍變小，需要較大的攪拌器。由于本設(shè)計選取六平片式渦輪攪拌器，u=2.56.5m/s，取u=6.5m/s, D =1/4T =1.4/4=0.35故轉(zhuǎn)速 5.2.2攪拌器的校正查附圖4有反應(yīng)液的粘度=0.72 Pa.s根據(jù)幾何條件，六平葉片渦輪，4塊寬度為0.1的擋板，D/T=1/3, ，W=1/5D， H=T Wb=1/10T L=1/4D，查曲線6與Re值的對應(yīng)的 校正D/T的影響：校正液深：校正葉輪數(shù)目影響H/T1.25時,用一個

11、葉輪，葉輪間距S=H/3；H=1.025T；則查文獻得：所以5.2.3攪拌器的功率計算攪拌軸的功率Pa由上面計算有D=1/4T=1.4/4=0.35m，轉(zhuǎn)速N=5.9r/s， 5.3電機的功率和減速機的選擇5.3.1電機的功率根據(jù)5.2.3確定電動機功率Pa. 攪拌軸密封所消耗的功率(Pm/KW),密封裝置主要有填料密封和機械密封兩種形式,當選用填料密封時Pm=10%15%Pa,選Pm=12%Pa,的范圍為0.80.95,取0.85計算. 5.3.2減速機的選擇由計算得出攪拌的公稱輸出軸轉(zhuǎn)速為n=355r/min，配電機功率為P=6.8kw，可選用二級齒輪減速機6夾套的設(shè)計6.1 熱量衡算熱量

12、衡算按照能量守恒定律，傳熱設(shè)備的熱量衡算由下式計算： Q1物料帶入設(shè)備的熱量，kJQ2加熱劑或者冷卻劑傳遞的熱量（加熱劑加入熱量為“+”，冷卻劑吸收熱量為“”），kJQ3過程的熱效應(yīng)(放熱為“+”，吸熱為“”，與熱焓符號正好相反)，kJQ4離開設(shè)備物料帶走的熱量，kJQ5設(shè)備各部件所消耗的熱量，kJQ6設(shè)備的熱損失，kJ要計算傳熱設(shè)備的熱負荷，就是要求出其中Q2的值。以下分別計算各部分的熱量。一般以進料溫度作為基準計算比較方便。 Q5 和Q6是在反應(yīng)過程中熱量的損失，在工業(yè)上一般估計Q5 +Q6=15% Q2熱平衡式整理為： （1）計算其中，查圖，在150下反應(yīng)液的聚合反應(yīng)熱，有=。由于此聚合

13、反應(yīng)沒有發(fā)生物料狀態(tài)變化熱效應(yīng)，故所產(chǎn)生的物理熱效應(yīng)可以忽略不計，即，有（2）計算 因為物料先預(yù)熱到80才進料，故取基準溫度80，查表知在150時，反應(yīng)液的比熱容Cp =2.1kJ/(kg.k),有（3） 計算 （反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故須采用冷卻水冷卻）6.2總傳熱系數(shù)K的確定反應(yīng)器是進行化學反應(yīng)的設(shè)備，化學反應(yīng)過程常伴有放熱或者吸熱反應(yīng)，為了維持最佳的反應(yīng)溫度，反應(yīng)器中必須設(shè)置傳熱裝置。一般的攪拌釜是在釜體的內(nèi)部或外部設(shè)置供加熱或冷卻用的傳熱裝置，通常為釜體外部夾套或釜內(nèi)蛇管。夾套為傳熱裝置夾套一般由普通碳鋼制備，它是套在反應(yīng)器筒外能形成密封空間的容器，既簡單又方便。為了強化傳熱，在夾套內(nèi)常采用

14、螺旋導流板。夾套筒器身的間距視容器公稱直徑的大小采用不同的數(shù)值，一般為25100 mm。夾套的高度取決于工藝要求的傳熱面積，但一般不能低于料液的高度，應(yīng)比液面高度高出50100 mm，以保證傳熱。通常加套內(nèi)的壓力不能超過1000 kPa，夾套傳熱的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，耐腐蝕，適應(yīng)性強。但是傳熱效率不太高。計算K值的基準面積，習慣上常用設(shè)備的外表面積Ao，當Ao/Ai<2時近似按平壁計算，即Ai»Am»Ao。在計算給熱系數(shù)a不考慮鍋壁厚度的影響。式中 K總傳熱系數(shù)，w/m2· a-給熱系數(shù)，w/m2·； Rz-污垢熱阻，m2·/w； d-反應(yīng)器

15、壁厚，m； l-設(shè)備壁導熱系數(shù)，w/m·。（1） 污垢熱阻污垢熱阻通常采用經(jīng)驗值，常用污垢熱阻大致范圍如表所示。表 熱交換表面垢層系數(shù)Rz載熱體流速<1 m/s流速> 1 m/s載熱體流速< 1 m/s水<50煤氣0.002井水0.00020.0002空氣0.0001河水0.00010.00060.00020.0004有機蒸汽0.0001硬水0.00060.0006有機液體0.0002蒸餾水0.00010.0001純水蒸氣0軟化水0.00020.0001帶油水蒸氣0.0002水>50冷卻劑0.0002井水0.00040.0004鹽溶液0.0002河水0.

16、00060.00080.00040.0006鍋爐燃料0.001硬水0.0010.001機油0.0002蒸餾水0.00010.0001植物油0.0006軟化水0.00020.0002（2）傳熱系數(shù)的確定. 釜側(cè)的傳熱膜系數(shù)可采用如下的關(guān)聯(lián)式求取。 D鍋的直徑，m流體的導熱系數(shù)，W/（m·K）n攪拌轉(zhuǎn)速，s-1d攪拌漿直徑，m流體密度，kg/m3，s流體及其器壁上的黏度Pa·s常數(shù)J、a、b、c的值與攪拌器型式、Res的范圍、鍋內(nèi)有無擋板、反應(yīng)鍋幾何形狀等因素有關(guān)。見下表。攪拌器形式Res值范圍擋板Jabc漿式3004x105無0.360.670.330.1420400有或者無

17、0.4150.670.330.24渦輪<400>400有或無無0.540.740.670.670.330.330.140.14推進式200400有0.730.650.330.24無0.540.670.250.14錨式30300無1.000.500.330.133004000無0.380.670.330.13查文獻有聚乙烯的導熱系數(shù)=0.17W/(m. ) ,在反應(yīng)溫度下反應(yīng)液的粘度=0.72 Pa.s. 則有以下計算 常數(shù)J、a、b、c的值與攪拌器型式、Res的范圍、鍋內(nèi)有無擋板、反應(yīng)鍋幾何形狀等因素有關(guān)。由于本設(shè)計選取渦輪式攪拌器，有擋板，所以 J=0.74 a=0.67 b=0

18、.33 c=0.14 即 其中=s 解得.夾套內(nèi)的傳熱膜系數(shù) 由于該聚合反應(yīng)是放熱反應(yīng)，需冷卻，故夾套內(nèi)通的是冷水，則可采用如下的關(guān)聯(lián)式：Re<4400時： w/(m2·k) u-水在夾套內(nèi)流速，m/s， de -夾套的當量直徑，m。T夾套壁溫與水溫間的溫度差，K。Re>3600時： w/(m2·k) 本夾套操作反應(yīng)設(shè)置通冷卻水的入口溫度為20，出口為50，則定性溫度是 （20+50）/2=35查文獻有夾套內(nèi)水的物性數(shù)據(jù)是： 夾套直徑（Dj =Di + 100 = 1400 +100 = 1500mm）所以故設(shè)置反應(yīng)釜的壁厚為 反應(yīng)釜的材料為鑄鐵，則有導熱系數(shù)

19、取垢層阻力Rz=0.0004(井水) 則總傳熱系數(shù)有：6.3載熱體的消耗量和傳熱面積的計算6.3.1載熱體的消耗量要達到等溫操作，則載熱體帶出熱量應(yīng)等于熱量衡算式中的Q2 對于連續(xù)釜式反應(yīng)器，在進行熱量衡算時是以每天處理的物料量為基準，在計算傳熱面積時是以小時為基準。 cp-載熱體的熱容，kJ/(kg·)-每天生產(chǎn)的次數(shù)， -反應(yīng)時間，h夾套的冷卻水入口溫度20,出口溫度50，根據(jù)文獻有冷卻水的比熱容Cp=4.174KJ/(kg.K) 故6.3.2 傳熱面積的計算 對于連續(xù)釜式反應(yīng)器，在進行熱量衡算時是以每天處理的物料量為基準，在計算傳熱面積時是以小時為基準。 6.4 夾套幾何尺寸的

20、計算6.4.1 夾套直徑Dj的計算 Dj可根據(jù)罐體內(nèi)徑按表2-12推薦的數(shù)據(jù)選取。夾套封頭根據(jù)夾套直徑及所選封頭形式按標準選取。表2-12夾套直徑Dj與罐體直徑Dj的關(guān)系（mm）Di500600700180020003000DjDi+50Di+100Di+200本反應(yīng)釜的公稱直徑Di =1400mm，故 夾套直徑Dj =Di +100 =1400+100=1500mm6.4.2 夾套高度Hj的計算主要決定于傳熱面積Ah的要求，且一般不低于液面高度，以保證充分傳熱。此時可按 Va工藝計算給定容積，m3V封頭罐體下封頭容積，m3V1m1m高筒體容積，m3裝料系數(shù)，可取0.60.85（取裝料系數(shù)）故

21、取=1.2m，夾套筒體高度H=1.0+0.375=1.58m查文獻有反應(yīng)釜時，有 ，故有 查表有 所以則換熱裝置只選用夾套就足夠了。7設(shè)計結(jié)果一覽表年生產(chǎn)量：6500噸/年反應(yīng)物名稱苯乙烯稀釋劑名稱甲苯未反應(yīng)液密度，kg/m790反應(yīng)0.646時反應(yīng)液的密度833反應(yīng)液比熱容,2.1反應(yīng)速度常數(shù)k,0.44反應(yīng)液的粘度0.72聚合反應(yīng)熱75反應(yīng)釜體積2.37釜徑1400釜體高度1850攪拌器功率4.58 夾套筒體高1580電機功率6.03夾套高度1200攪拌器轉(zhuǎn)速355物料帶入設(shè)備的熱量 kJ0加熱劑或者冷卻劑傳遞的熱量 KJ過程的熱效應(yīng),kJ離開設(shè)備物料帶走的熱 ,KJ每小時熱負荷 kJ載熱

22、體的消耗量G, -2888.8總傳熱系數(shù)K w/m2· 124.96傳熱面積F, 7.08設(shè)計參數(shù)主要符號說明符號代表意義符號代表意義反應(yīng)物料的密度,kg/m3Cp反應(yīng)液的比熱容, kJ/(kg·K)物料的黏度，mPas反應(yīng)液導熱系數(shù)，W/（m·°C）GD每天需處理的物料總重量，kgVD每天所需處理物料的總體積，m3每天操作總批數(shù)每鍋每天操作批數(shù)m設(shè)備個數(shù)Vh每小時需處理物料體積，m3/hH封封頭高度，mVa反應(yīng)器的體積，m3反應(yīng)時間，hxA轉(zhuǎn)化率，%u冷卻水流速，m/sk反應(yīng)速率常數(shù)設(shè)備裝料系數(shù)CA反應(yīng)液濃度, kmol/LDi筒體和封頭的內(nèi)徑，mV封

23、封頭容積，m3Va攪拌設(shè)備體積容量，m3n攪拌設(shè)備轉(zhuǎn)速 ，r/sNp功率準數(shù)Re葉輪雷諾數(shù)Fr弗魯?shù)聹蕯?shù)P功率消耗，Wg重力加速度，m/s2N葉輪轉(zhuǎn)速，r/s D葉輪直徑，m液體粘度，Pa·S功率函數(shù)T筒體直徑，mW葉輪葉片寬度，mQ1物料帶入設(shè)備的熱量，kJQ2冷卻劑傳遞的熱量kJQ3過程的熱效應(yīng)，kJQ4離開設(shè)備物料帶走的熱量，kJQ5設(shè)備各部件所消耗的熱量，kJQ6設(shè)備的熱損失，kJQr化學反應(yīng)熱效應(yīng)，kJQp物理過程熱效應(yīng)，kJ標準化學反應(yīng)熱，kJ/molGA參加化學反應(yīng)的A的質(zhì)量，kgMAA反應(yīng)物的分子量K總傳熱系數(shù)，W/m2·a給熱系數(shù)，W/m2·Rz污垢熱阻，m2·/W反應(yīng)器壁厚，m設(shè)備壁導熱系數(shù)，W/m·de夾套的當量直徑，mJ a b c給熱系數(shù)確定所需的常數(shù)值G載熱體的消耗量,kJF傳熱面積，m2F筒體筒體的傳熱面積，m3F封封頭的傳熱面積，m2 為1米高筒體容積9后記通過此次課程設(shè)計，使我們更加扎實的掌握了有關(guān)化工工藝學方面的知識，在設(shè)計過程中雖