設計熱引發(fā)苯乙烯單體聚合用的攪拌反應釜6000

1、精細化工工程課程設計任務書精細化工工程課程設計任務書班級：化學工程與工藝專業(yè) 設計題目：熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計一一 設計條件設計條件1、生產能力： 6000 噸聚苯乙烯年。2、以甲苯為稀釋劑，在反應液中質量分數(shù)為 12%。3、考慮到物料黏度和傳熱的需要，苯乙烯單體聚合一般采用 4 到 5級反應釜進行反應，反應最終聚合轉化率為 0.795，反應液中最終含聚合物的質量分數(shù)為 70%。本設計任務主要是對第一個反應釜進行設計，第一個反應釜中聚合轉化率為 0.45。目錄目錄1.設計方案簡介設計方案簡介 .11.1 聚苯乙烯的生產方法.12.基本設計條件的選定基本設計條件的選定 .22.1

2、反應溫度的確定.22.2 反應器的選擇.22.3 攪拌裝置的選擇.32.4 換熱裝置的選擇.33.反應釜體的設計反應釜體的設計 .33.1 工藝條件的確定.33.2 反應釜體積的計算.34.攪拌裝置的設計攪拌裝置的設計 .54.1 攪拌器的尺寸計算.54.2 攪拌器的轉速和功率計算.64.3 電機的功率和減速機的選擇.75.夾套的設計夾套的設計 .85.1 熱量衡算.85.2 總傳熱系數(shù) K 的確定 .85.3 傳熱面積的計算.105.4 夾套幾何尺寸的計算.116.結論結論 .117.附表附表 .128. 參考文獻參考文獻 .149.附圖附圖 .15熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計11.

3、設計方案簡介設計方案簡介1.1 聚苯乙烯的生產方法聚苯乙烯的生產方法苯乙烯極易在熱作用下形成自由基，進行自由基聚合，或在自由基引發(fā)劑、離子型催化劑存在下聚合生成聚苯乙烯。工業(yè)上的主要生產方法有本體聚合、懸浮聚合和乳液聚合。均聚物的生產主要是本體法和懸浮法,共聚物則多采用懸浮法和乳液法。本設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。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，是均相介質。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。其缺點是溶劑回收麻煩，設備利用率低、聚合速率慢、分子量不高。下面是陶氏

4、化學公司溶液聚合生產聚苯乙烯流程(圖 b)，以乙苯作溶劑，降低反應混合物的粘度、提高傳熱效率。 本設計主要對第一個反應釜進行設計，選用立式攪拌反應釜。2.基本設計條件的選定基本設計條件的選定2.1 反應溫度的確定反應溫度的確定 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，熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計2即有較高的聚合速率。在 170下聚合，幾乎可達到完全轉化。而反應最終聚合率為0.795，以甲苯為引發(fā)劑，故選取反應溫度 150。2.2 反應器的選擇反應器的選擇本反應采用攪

5、拌釜反應器。由于此設計是苯乙烯的聚合反應，可以近似看作是液液反應，第一個反應釜的反應粘度相對較低，反應時間相對比較長，反應需加熱且對壓強和溫度的控制要求比較高，此外產量要求不大，因而本設計選用立式攪拌反應釜。2.3 攪拌裝置的選擇攪拌裝置的選擇攪拌裝置的主要作用是強制物料流動，強化傳熱與傳質效果；使物料充分接觸，均勻混合。因此攪拌釜反應器對各種反應體系適應性強，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，容易產生漩渦，大大降低了液體

6、內部的混合效果，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 換熱裝置的選擇換熱裝置的選擇攪拌反應鍋大多設有傳熱裝置，以滿足加熱或冷卻的需要。本設計是放熱反應，因此傳熱裝置是用于冷卻。傳熱方式、傳熱結構形式和傳熱劑的選擇主要決定于所需控制的溫度的高低、反應熱的大小、傳熱速度的快慢和工藝的要求等。選用在反應釜外設置供加熱用的夾套傳熱裝置。夾套傳熱的優(yōu)點是結構簡單，耐腐蝕，適應性強。夾套高度應高于液面高度，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構。當夾套內轉熱劑的壓力大

7、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備，設備的確定需要根據(jù)計算傳熱的結果來確定。熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計33.反應釜體的設計反應釜體的設計3.1 工藝條件的確定工藝條件的確定由于溫度、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，本操作反應屬于溶液聚合的一級反應。3.2 反應釜體積的計算反應釜體積的計算3.2.1 反應周期的確定熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合的反應級數(shù)一般認為是一級或二級反應，本設計采用一級引發(fā)的機理計算。由一級反應的反應速度常數(shù)與溫度的關系圖查得反應溫度為 150下 K=0

8、.44，計算反應時間有：1hhxkA36. 145. 011ln44. 0111ln1操作周期：+ =3h3.2.2 物料衡算 聚苯乙烯年生產量 6000 噸/年，每年工作 330 天，苯乙烯單體聚合一般采用 4 到 5 級反應釜進行反應，反應最終聚合率為 79.5%，反應液最終聚合物的質量分數(shù)為 70%，以甲苯為稀釋劑，在反應液中質量分數(shù)為 12%，則苯乙烯的質量分數(shù)為 88%，物料衡算有：苯乙烯每天需投入量：kgGA21.22870795.0/)33010006000(物料每天的投入總量：kgGGAD88.2598888. 0/21.2287088. 0/甲苯每天投入的總量：kgGGGAD

9、B67.311821.2287088.259883.2.3 反應物料的體積計算由密度與溫度的關系圖查得，反應溫度為 150下反應液的密度= =833 k g/ m3，計算如下：每天所需處理物料總體積： 3322 .3183388.25988mGVDD每個設備每天能操作的批數(shù)：832424熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計4每批需處理的物料體積：=,RVDV34832m根據(jù)經驗，裝料系數(shù)一般取 0.70.8 之間，取= =0.75，求得=aV3R33. 575. 075. 9Vm假設用一只反應釜，即 m=1,得 求得： =5.33333. 575. 02433224mVmVDaaV3m因此本設

10、計用一只反應釜。3.2.4 反應釜體積計算3.2.4.1 確定筒體內徑根據(jù)表 2-1 罐體長徑比經驗表，一般攪拌罐的液液相物料H/11.3，取H/1.3iDiD33333. 53 . 144mDDHDViiiT 圓整為 m74. 1Dimm1800Di3.2.4.2 確定封頭尺寸橢圓封頭選標準件，它的內徑與筒體內徑相同，根據(jù)文獻1附表 4-2，筒體公稱直徑圓整為 1800mm 時,38652. 0mV封曲邊高度， 直邊高度mmh4501封mmh402封mmh490封3.2.4.3 確定筒體高度1H=1HmDVVi42. 18 . 1785. 08652. 0233. 5785. 0222封圓整

11、為=1.51Hm釜體實際高度為 H=mh48. 249. 025 . 12H1封按圓整后的筒體高度修正實際的容積，則3323262. 68 . 1262. 028 . 1785. 0262. 04mDHDViiT熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計5反應器實際長徑比：/=2.48/1.8=1.38HiD最高液位高度= =maxhmDVVhiR72. 18 . 1785. 08652. 0449. 0785. 022封封苯乙烯體積收縮系數(shù)：174. 0最低液位高度mDVVhhiR45. 18 . 1785. 08652. 04)174. 01 (49. 0785. 0)1 (22min封封4.攪

12、拌裝置的設計攪拌裝置的設計4.1 攪拌器的尺寸計算攪拌器的尺寸計算4.1.1 攪拌器的選定，尺寸確定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。當攪拌轉速很高時，容易產生漩渦，大大降低了液體內部的混合效果。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

13、程度，將切線流動轉變?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；DHj葉片寬度 W=1/10T；葉片長度 L=1/4D；液深 H/T=(液深是器徑的 0.956956.08.1/72.1倍)；擋板數(shù)=4；板寬。TWb10/14.2 攪拌器的轉速和功率計算攪拌器的轉速和功率計算4.2.1 轉速的確定攪拌器尺寸與轉速的大小與攪拌目的及被攪拌物料的物性有關。例如，均相液相的混合與固體的溶解對轉速的要求較低。而非均相液體的乳化或氣相的分散則要求較高

14、的轉速。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。熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計6由于本設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 =1.8/4=0.45故轉速 min/276/6 . 445. 014. 35 . 6NrsrDu4.2.2 攪拌器的校正查附圖 4 有反應液的粘度= =0.72 Pa.s13.93772. 08336 . 445. 022NDRe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， DHj

15、H=T Wb=1/10T L=1/4D，查曲線 6 與 Re 值的對應的2 . 3Np 校正 D/T 的影響：kwTDTDNNPp47. 433. 08 . 1/45. 02 . 32 . 12 . 1121校正液深：kwTHTHNNPP35. 4956. 047. 46 . 06 . 01212校正葉輪數(shù)目影響H/T 1.25 時,用一個葉輪，葉輪間距 S=H/3；H=1.025T；則27. 1413956. 0/TTDS查文獻2圖 2-8 曲線 2,得所以, 5 . 121PpNNkwNP53. 635. 45 . 124.2.3 攪拌器的功率計算攪拌軸的功率 Pa 由上面計算有 D=1/

16、4T=1.8/4=0.45m，轉速 N=4.6r/s， kwNp53. 63/833mkgkwwDNNPaP77. 91077. 945. 06 . 483353. 635353熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計74.3 電機的功率和減速機的選擇電機的功率和減速機的選擇4.3.1 電機的功率傳電機maPPP根據(jù)文獻3確定電動機功率. 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. kwPPPma87.1285. 077. 912. 077. 9傳電機4

17、.3.2 減速機的選擇由計算得出攪拌的公稱輸出軸轉速為 n=276r/min，配電機功率為 P=12.87，查文獻1表 4-11，可選用二級齒輪減速機5.夾套的設計夾套的設計5.1 熱量衡算熱量衡算熱量衡算按照能量守恒定律，傳熱設備的熱量衡算由下式計算： 654321QQQQQQQ1物料帶入設備的熱量，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(放熱為“+”，吸熱為“”，與熱焓符號正好相反)，kJQ4離開設備物料帶走的熱量，kJQ5設備各部件所消耗的熱量，kJQ6設備的熱損失，kJ要計算傳熱設備的熱負荷 Q2 ，一般以進料溫度作為基

18、準，所處理的物料帶入設備中的熱量；熱量損失在工業(yè)上一般的估計：Q5 +Q6=15% Q201Q熱平衡式整理為： 85. 0342QQQ（1）計算3QprQQQ3熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計8其中，查圖，在 150下反應液的聚合反應熱，有AArMGQ1000molkJHAr/75)(=。由于此聚合反應沒有發(fā)生物料狀態(tài)變化熱效應，故所產生0rqmolkJHAr/75)(的物理熱效應可以忽略不計，即，有0pQkJqMGQQrAAr6031042. 77510445. 021.2287010001000（2）計算4Q 04ttcGQpii因為物料先預熱到 80才進料，故取基準溫度80，查附表

19、2 在 150時，反應液的0t比熱容 Cp =2.1kJ/(kg.k),有kJttCGQpii6041082. 3)80150(1 . 288.25988)(（3） 計算2Q （反應為放熱反應，故須采kJQQQ6663421024. 485. 01042. 71082. 385. 0用冷卻水冷卻）每小時熱負荷：（為物料反應時間）kJQq5622109 . 336. 181024. 4（4）載熱體的消耗量要達到等溫操作，則載熱體帶出熱量應等于熱量衡算式中的 Q2 對于間歇釜式反應器，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。 （2-46）進出t2tcQGpcp-

20、載熱體的熱容，kJ/(kg)-每天生產的次數(shù)， -反應時間，h夾套的冷卻水入口溫度 20,出口溫度 50，根據(jù)文獻4有冷卻水的比熱容Cp=4.174KJ/(kg.K) 故kJtcQGp17.311236. 18)2050(174. 41024. 4t62進出熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計95.2 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) K 的確定的確定反應器是進行化學反應的設備，化學反應過程常伴有放熱或者吸熱反應，為了維持最佳的反應溫度，反應器中必須設置傳熱裝置。一般的攪拌釜是在釜體的內部或外部設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蛇管。5.2.1 夾套傳熱裝置夾套一般由普通碳鋼制備，它是

21、套在反應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，在夾套內常采用螺旋導流板。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，應比液面高度高出 50100 mm，以保證傳熱。通常加套內的壓力不能超過 1000 kPa，夾套傳熱的優(yōu)點是結構簡單，耐腐蝕，適應性強。但是傳熱效率不太高。計算 K 值的基準面積，習慣上常用設備的外表面積 Ao，當 Ao/Ai2 時近似按平壁計算，即 AiAmAo。在計算給熱系數(shù)不考慮鍋壁厚度的影響。ZRK夾套鍋內111式中 K總傳熱系數(shù)，w/m2 -給熱系數(shù)，w/m

22、2； Rz-污垢熱阻，m2/w； -反應器壁厚，m； -設備壁導熱系數(shù)，w/m。. 釜側的傳熱膜系數(shù)可采用如下的關聯(lián)式求取。 csbaPrResJD鍋D鍋的直徑，m流體的導熱系數(shù)，W/（mK）n攪拌轉速，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 Pas查文獻4附表有聚乙烯的導熱系數(shù) =0.17W/(m. ) ,由附圖 4 知在反應溫度下反應液的粘度 =0.7 Pa.s. 則有以下計算熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計10 400107872. 0833)4/8 . 1 (6 . 4Re22nd 1 .864717. 07 . 0101 . 2Pr3pc常數(shù) J、a、

23、b、c 的值與攪拌器型式、Res 的范圍、鍋內有無擋板、反應鍋幾何形狀等因素有關。由于本設計選取渦輪式攪拌器，有擋板，所以 J=0.74 a=0.67 b=0.33 c=0.14 即 csbaPrResJD鍋 其中 =s 0.14s0.330.67PrRes0.7417. 08 . 1鍋 解得)/(77.1492kmw鍋內.夾套內的傳熱膜系數(shù) 由于該聚合反應是放熱反應，需冷卻，故夾套內通的是冷水，則可采用如下的關聯(lián)式：Re3600 時： w/(m2k) 0.2e8 . 0du9300夾本夾套操作反應設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4有夾

24、套內水的物性數(shù)據(jù)是： u = 1m/s 3/95.993mkg)/(8 .62kmwsPa410224. 7221.91.84 ()4440.20Dj Di 1001800 1001900mm(1.80.018 2)eAdmL夾套直徑(）所以360027518010224. 795.993120. 0Re4ude故85.354020. 02 . 09300du93002 . 08 . 00.2e8 . 0夾熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計11設置反應釜的壁厚為 反應釜的材料為鑄鐵，則有導熱系數(shù)mmm018. 018 取垢層阻力 Rz=0.0004(井水) 則總傳熱系數(shù)有：)/(8 .62k

25、mw)/(79.1300004. 08 .62018. 085.3540177.149111112CmwRKZ 夾套鍋內5.3 傳熱面積的計算傳熱面積的計算 對于間歇釜式反應器，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。CtTtTtTtTtm34.1145015020150ln)50150()20150(ln)()(22112211 235202. 734.11479.130360010109 . 3mtKqFm5.4 夾套幾何尺寸的計算夾套幾何尺寸的計算5.4.15.4.1 夾套直徑夾套直徑 DjDj 的計算的計算 Dj可根據(jù)罐體內徑按表 2-12 推薦的數(shù)

26、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的關系（mm）Di500600700180020003000DjDi+50Di+100Di+200本反應釜的公稱直徑 Di =1800mm，故 夾套直徑 Dj =Di +100 =1800+100=1900mm5.4.2 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 1mV封頭VVHajVa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)）mVVHaj23. 1545. 28

27、652. 033. 575. 0V1m封頭75. 0熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計12故取=1.3m，夾套筒體高度 H=1.3+0.49=1.79mjH查文獻1附表 4-1 有反應釜時，有 mmDN180031545. 2mVm2166. 5mFm故有 查附表 4-2 有 所以2136. 766. 53 . 1mFHFmJ筒27383. 3mF封 則換熱裝置只選用夾套就足夠了。22m02. 7F10.117383. 336. 7FmF封筒6.結論結論7.附表附表設計一覽表設計一覽表年生產量：6000 噸/年反應物名稱苯乙烯稀釋劑名稱甲苯未反應液密度，kg/m13790反應 0.45 時反應液的密度32/mkg，833反應液比熱容,PC11kkgkJ2.1反應速度常數(shù) k,1h0.44反應液的粘spa,0.7聚合反應熱molkJqr/,075反應釜體積3,mVa5.33釜徑mmD ,11800釜體高度mmH,2480攪拌器功率kwPi,9.77 夾套筒體高mmH,1790電機功率kwP,12.87夾套直徑jHmm1300攪拌器轉速min/,rN276物料帶入設備的熱量 kJ1Q0加熱劑或者冷卻劑傳遞的熱量 KJ2Q61024. 4熱引發(fā)的苯乙烯單體聚合用反應釜的設計13過程的熱效應,kJ3Q61042. 7離開設備物