《精細化學品合成》課程設計

1、精細化學品合成課程設計精細化學品合成課程設計一、課程設計的目的了解重要有機精細化學品的合成原理和路線，根據(jù)反應路線進行設備選型和尺寸計算，設備工藝參數(shù)的確定及輔助設備的確定，繪制流程圖，培養(yǎng)初步進行工程設計的能力。二、設計任務書設計熱引發(fā)苯乙烯單體聚合用的攪拌反應釜。給定條件如下：（1）聚苯乙烯年產(chǎn)量：5000噸（2）年生產(chǎn)時間：7800小時（3）稀釋劑：甲苯，在反應液中的質(zhì)量百分含量為12%（4）最終聚合率：80%針對特定精細化學品的合成，設計反應器。要求說明合成原理、合成路線，并根據(jù)原理和路線，設計攪拌式反應器尺寸、工藝參數(shù)以及所需的輔助設備，最終繪制反應器和輔助設備的流程圖。三、設計說明

2、書1、聚苯乙烯分子式如下： 2、聚苯乙烯的介紹：1),聚苯乙烯是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基縮聚反應合成的聚合物，它是一種無色透明的熱塑性塑料，具有高于攝氏100度的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因此經(jīng)常被用來制作各種需要承受開水的溫度的一次性容器，以及一次性泡沫飯盒等。普通聚苯乙烯樹脂屬無定形高分子聚合物，聚苯乙烯大分子鏈的側(cè)基為苯環(huán)材料的沖擊強度，但產(chǎn)品不透明。間規(guī)聚苯乙烯為間同結(jié)構(gòu)，采用茂金屬催化劑生產(chǎn)，是近年來發(fā)展的聚苯乙烯新品種，性能好，屬于工程塑料。2),聚苯乙烯的物性：聚苯乙烯非晶態(tài)密度1.041.06克/厘米3，晶體密度1.111.12克/厘米3，熔融溫度240，電阻率為10201022歐·

3、;厘米。導熱系數(shù)30時0.116瓦/(米·開)。通常的聚苯乙烯為非晶態(tài)無規(guī)聚合物，具有優(yōu)良的絕熱、絕緣和透明性，長期使用溫度070，但脆，低溫易開裂。此外還有全同和間同立構(gòu)聚苯乙烯。全同聚合物有高度結(jié)晶性。聚苯乙烯相對密度也僅次于PP、PE，具有優(yōu)異的電性能，特別是高頻特性好，另外，在光穩(wěn)定性方面僅次于甲基丙烯酸樹脂，但抗放射線能力是所有塑料中最強的。聚苯乙烯最重要的特點是熔融時的熱穩(wěn)定性和流動性非常好，所以易成型加工，特別是注射成型容易，適合大量生產(chǎn)。成型收縮率小，成型品尺寸穩(wěn)定性也好。 熱性能：最高工作溫度為6080。當加熱至Tg以上，PS轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，且保持這種狀態(tài)在較寬的范圍

4、內(nèi)，這就使其熱成型提供方便。PS的熱變形溫度為7080，脆化溫度為-30，PS在高真空和330380下劇烈降解。 防腐蝕、經(jīng)久耐用性：一般的硬質(zhì)發(fā)泡保溫材料使用幾年后易產(chǎn)生老化，隨之導致吸水造成性能下降。而擠塑板因具有優(yōu)異的防腐蝕、防老化性、保溫性，在高水蒸汽壓力下，仍能保持其優(yōu)異性能，使用壽命可達到30-40年。3),中國生產(chǎn)聚苯乙烯的現(xiàn)狀1>,中國國產(chǎn)產(chǎn)品性能和質(zhì)量較差，不能滿足市場的要求中國聚苯乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量和性能較差，除外資及合資企業(yè)產(chǎn)品外，國內(nèi)廠商的產(chǎn)品多數(shù)不能滿足電子行業(yè)等用戶對產(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求，難以進入這個龐大的市場。在聚苯乙烯需求量最大的電子電器行業(yè)中，進口產(chǎn)品占絕對

5、優(yōu)勢，國產(chǎn)樹脂只有少量應用，而且只能用于低檔產(chǎn)品。國內(nèi)知名電器制造商為了保證其產(chǎn)品質(zhì)量，全部使用進口原料或外資合資企業(yè)的產(chǎn)品，連用于防震外包裝的發(fā)泡聚苯乙烯也通常使用進口產(chǎn)品或合資企業(yè)的產(chǎn)品。 2>,裝置規(guī)模偏小，缺乏競爭力目前國內(nèi)有聚苯乙烯生產(chǎn)廠近40家，大部分能力在3萬噸年以下，還有不少規(guī)模在1萬噸年左右的小型裝置。能力達到10萬噸年的生產(chǎn)廠僅有5家。小裝置不但產(chǎn)品質(zhì)量不能和先進的大型生產(chǎn)裝置相比，而且生產(chǎn)成本也較高，在市場競爭中處于劣勢。 3>,原料供應不足，裝置開工率低與聚苯乙烯生產(chǎn)的高速發(fā)展不相適應的是，其原料苯乙烯生產(chǎn)發(fā)展相對較慢，聚苯乙烯裝置的原料來源受到限制，開工率

6、受到影響。1999年，中國苯乙烯生產(chǎn)能力為84.6萬噸年，產(chǎn)量60.2萬噸，即使全部用于生產(chǎn)聚苯乙烯也僅能滿足國內(nèi)聚苯乙烯生產(chǎn)需要的43。原料供應的不足是造成裝置開工率較低的主要原因之一。1999年，中國聚苯乙烯產(chǎn)量約94萬噸，裝置的平均開工率僅為67，生產(chǎn)能力大量閑置，進一步增加了中國對進口聚苯乙烯的依賴程度。 3、聚苯乙烯的合成1),聚苯乙烯的合成方程式：nCH2=CHCH2-CHn 2),工藝流程(合成路線)見下圖工藝流程簡圖3),合成原理：聚苯乙烯的聚合屬于自由基聚合,主要分為鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止三個階段。1>鏈引發(fā)a.引發(fā)劑分解,形成初級自由基 R:R2R·b.初級

7、自由基與單體,形成單體自由基 R·+ CH=CH2R-CH2-CH· 2>鏈增長R-CH2-CH·+nCH2=CHR-CH2-CHnCH2-CH· 3>鏈終止偶合終止RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·RCH2-CHnCH2-CH=CH-CH2 CH-CH2 mR歧化終止RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·RCH2-CHnCH2-CH2+R CH2-CHmCH=CH 四、設計計算書1、計算原理：聚苯乙烯年產(chǎn)量5000噸，年生產(chǎn)小時7800小時稀釋劑：甲

8、苯（在反應液中質(zhì)量百分含量12%）最終聚合率 80%由上得出：聚合物的生產(chǎn)速率反應液流量其中稀釋劑流量反應速度方程式和聚合釜中的物料及熱量衡算式如下： （1） （2） （3）：單體轉(zhuǎn)化速率； ：反應液質(zhì)量流量； :總傳熱系數(shù)；：反應速率常數(shù)； ：反應溫度； ：聚合釜傳熱面積；:單體溫度； ：載熱體溫度； ：攪拌產(chǎn)生的熱量；：反應液體積流量； ：反應液平均熱容； :反應器體積；：聚合反應熱；下角標i表示聚合釜入口，第二釜以后即為前一釜的出口數(shù)值。隨著反應的進行。反應液的密度會發(fā)生變化，將為聚合率的函數(shù)，即 （4）式中 、原料液中的單體濃度和密度。將式（1）及（4）代入（2），得 （5） （6）

9、（7） （8） （9）式中 由載熱體傳走的熱量；反應放熱量；由攪拌產(chǎn)生的熱量；原料液溫度上升到反應溫度所需的熱量； 進口原料液的溫度，是1kW功可轉(zhuǎn)換為熱量的（kJ）。附圖24（如下）分別表示上述計算中所需的各種溫度和聚合轉(zhuǎn)化率下的反應液的密度、比熱容以及在140下反應液的粘度。密度和比熱容數(shù)據(jù)是由苯乙烯單體及其聚合物溶液的數(shù)值與稀釋劑甲苯的數(shù)值在假定具有可加性的前提下推算而得到的。粘度的數(shù)據(jù)是由單體與聚合物混合液的數(shù)值（假設甲苯為單體推算而得的。附圖5、6為將聚合反應作為一級反應時的速度常數(shù)k和聚合反應熱與溫度的關(guān)系。由圖可知，在140時，）2、設計條件：1）、選定反應釜的個數(shù)為4個，各釜的

10、聚合溫度均為140。2）、選定允許溫差為T=20 3、第一釜的設計和計算1) 計算釜的容積和傳熱面積：設第一釜的聚合轉(zhuǎn)化率 （查附圖2得：）由式（5）得：釜的有效容積選定筒體的長徑比為1.5，根據(jù)JB1153-73規(guī)定選取筒體公稱直徑為D，則高H=1.5D有：2) 計算攪拌器轉(zhuǎn)速和功率選定槳葉直徑與管徑的比值d/D=1/3 d=1/3D=0.45m總體流速泵送量設攪拌體系的流型屬湍流區(qū)，當d/D=0.33時，查泵送準數(shù)與葉輪雷諾數(shù)關(guān)系圖（附圖7）得：攪拌器轉(zhuǎn)速為 查附圖4得 雷諾數(shù) 根據(jù)液層深度與釜徑比，安裝1個葉輪，n=1攪拌器功率可按下式計算：因反應液粘度不高，為防止攪拌產(chǎn)生漩渦，在釜壁安

11、裝4塊擋板，寬度為釜徑的1/10，即0.14m；葉輪距釜底距離為液層深度的1/3，約為0.93m。3) 計算總傳熱系數(shù)在有擋板采用渦輪式攪拌器的情況下，夾套給熱系數(shù)可通過下式計算：式中 流體導熱系數(shù)； 槳葉寬度； 槳葉傾斜角度； 槳葉數(shù)； 夾套高度； 流體粘度； 壁面溫度下流體粘度； 指數(shù)。由附圖查得： 的估算值為即：根據(jù)HG 5-221-65 選定攪拌尺寸 ，葉長，葉寬，平葉，葉片數(shù)，夾套高，擋板數(shù)即 設：載熱體一側(cè)給熱系數(shù)釜壁兩側(cè)污垢系數(shù)釜壁厚釜壁導熱系數(shù)則 4) 熱量衡算及誤差校核計算苯乙烯的聚合反應熱，苯乙烯的相對分子質(zhì)量為則：反應放熱量 （：開始時的單體濃度；）將原料液冷卻至再供入釜中，入口和出口熱容的算數(shù)平均值由此物料放出的熱量為：由攪拌產(chǎn)生的熱量，可由攪拌功率求出，即：需要由夾套導出的熱量為:計算反應液與載液體之間誤差所以，設計方案成