年產(chǎn)5萬噸腈綸聚合釜設(shè)計

1、安徽理工大學(xué)課程設(shè)計說明書安徽理工大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書題目：年產(chǎn)5萬噸腈綸聚合釜設(shè)計說明書院系： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級：高分子材料與工程08級1班 學(xué)號： 2008300046 學(xué)生姓名： 周玲玲 指導(dǎo)老師： 于秀華 高俊珊 滕艷華 2012年 1 月 4 日安徽理工大學(xué)課程設(shè)計（論文）成績評定表指導(dǎo)教師評語：成績：_指導(dǎo)教師：_年 月 日安徽理工大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書 材料科學(xué)與工程 學(xué)院 高分子材料 教研室學(xué)號2008300046學(xué)生姓名周玲玲專業(yè)（班級）高分子08-1班設(shè)計題目年產(chǎn)5萬噸腈綸聚合釜設(shè)計說明書設(shè)計技術(shù)參數(shù)1、 腈綸年產(chǎn)量5萬噸；2、 采用兩步法制備；3

2、、總損耗3%；4、年工作時數(shù)8000小時。設(shè)計要求1、 設(shè)計說明書以A4紙輸出，字?jǐn)?shù)600010000。2、聚合釜設(shè)計圖采用1號圖紙手工繪制，繪制規(guī)范要以國家標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，反應(yīng)釜要經(jīng)濟(jì)、合理、安全。工作量1、設(shè)計說明書一份（物料衡算為主）。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和年工作日及所給配方進(jìn)行物料衡算，確定工藝流程，完成設(shè)備選型。2、用1號圖紙表示出所涉及的反應(yīng)釜。包括設(shè)備的主視圖，俯視圖。工作計劃12.20課程設(shè)計動員，指導(dǎo)教師下達(dá)課程設(shè)計任務(wù)書。指導(dǎo)教師介紹課程設(shè)計的基本思路和方法。12.211.5學(xué)生查閱有關(guān)資料，制定設(shè)計進(jìn)度計劃。設(shè)計計算、論證、繪圖。編寫設(shè)計說明書初稿，審核、校對、編寫設(shè)計說明書。1.6

3、學(xué)生上交設(shè)計說明書和圖紙，指導(dǎo)教師批閱，評定成績，寫出設(shè)計總結(jié)。參考資料1、 陳昀.聚合物合成工藝設(shè)計M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2、 張洋.高聚物合成工藝設(shè)計基礎(chǔ)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.3、 趙德仁等.高聚物合成工藝學(xué)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.4、 譚天恩等.化工原理M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.5、 倪進(jìn)方等.化工設(shè)計M.華東理工大學(xué)出版社.指導(dǎo)老師簽字教研室主任簽字 2011 年 12 月 12年產(chǎn)5萬噸腈綸聚合釜設(shè)計摘要丙烯腈(AN)共聚物（AN wt85）纖維即腈綸，在合成纖維中因其紡織服用性能類似羊毛，深受消費(fèi)者歡迎，成為當(dāng)今世界輕紡工業(yè)的重要原料。通常引入第二單體，如丙烯酸甲酯(MA

4、)、醋酸乙烯酯(VAc)、衣康酸（IA）、丙烯酸(AA)等，以改善纖維的紡絲性能。目前國內(nèi)工業(yè)化的腈綸共聚第二單體主要為丙烯酸甲酯（MA）和醋酸乙烯酯(VAc)兩種。其中后者原料來源豐富，價格低，且高含量下還可提供纖維的高伸縮性，成為近年來研發(fā)的熱點。丙烯腈水相沉淀聚合多以氧化還原體系作引發(fā)劑，分解活化能低，可在較低溫度下引發(fā)聚合。還原劑多采用亞硫酸氫鹽，其有效成分為亞硫酸氫根離子，只有在合適酸性條件下通過電離平衡，才能保證一定的還原劑有效濃度。在實際生產(chǎn)中，該工藝采用獨(dú)特的純鋁直聚合釜，利用適度酸性條件下的微量腐蝕以達(dá)到釜內(nèi)材料表面的自清潔作用，從而保持壁清潔，減少粘釜，故通?？刂凭酆象w系p

5、H值在2.53.0為宜。但當(dāng)以醋酸乙烯酯為第二單體時一般聚合體系pH值降到1.92.2之間。關(guān)鍵詞：丙烯腈，醋酸乙烯酯，水相沉淀聚合 目錄1引言11.1腈綸生產(chǎn)的歷史11.2腈綸的生產(chǎn)方法11.3聚丙烯腈纖維的性能和應(yīng)用21.4腈綸生產(chǎn)的意義32 工藝流程選擇42.1腈綸生產(chǎn)工藝選擇42.2聚丙烯腈水相沉淀聚合的原料選擇52.2.2引發(fā)劑體系的選擇52.2.3其他原料的選擇52.2.4原料的進(jìn)料處理及配比的選擇72.3聚合工藝參數(shù)的選擇82.3.1聚合溫度82.3.2聚合時間92.3.3聚合轉(zhuǎn)化率92.3.4損失率的分配92.3.5反應(yīng)操作周期的分配92.3.6工作壓力的選擇93設(shè)計計算103

6、.1 聚合釜物料衡算103.1.1計算條件收集103.1.2計算物料103.2聚合釜設(shè)計123.2.1聚合釜釜體幾何尺寸設(shè)計123.2.2聚合釜釜體選材133.2.3進(jìn)出口管徑133.2.4傳熱裝置的設(shè)計143.2.5攪拌裝置設(shè)計153.2.6 擋板設(shè)計163.2.7人孔及支座的設(shè)計163.2.9設(shè)計結(jié)果匯總17結(jié)論18參考文獻(xiàn)191引言1.1腈綸生產(chǎn)的歷史聚丙烯腈(PAN)纖維是由以丙烯脯(AN)為主要鏈結(jié)構(gòu)單元的聚合物紡制的纖維。而由AN含量占3585的共聚物制成的纖維稱為改性聚丙烯脂纖維。在國內(nèi)聚丙烯腈纖維或改性聚丙烯腈纖維商品名為腈綸。 早在1894年法國化學(xué)家牟若(Moureu)首次

7、提出了聚丙烯腈的合成，直到1929年德國的巴斯夫（BASF）公司成功地合成出聚丙烯腈，并在德國申請了專利（DRP Nr 58035l和654989）。 1942年德國的赫博特雷思（Herbed Rein）和美國杜邦（Du Pont）公司同時發(fā)明了溶解聚丙烯腈的溶劑二甲基甲酰胺（DMF）。由于當(dāng)時正處于第二次世界大戰(zhàn)，直到1950年才在德國和美國實現(xiàn)了聚丙烯腈纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，德國的商品名為貝綸（Perlon），美國的商品名為奧綸（Orlon），它們是世界上最早實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的聚丙烯脯腈纖維品種。聚丙烯腈纖維具有許多優(yōu)良性能,如柔軟性和保暖性好，有“合成羊毛”之稱；耐光性和耐輻射性優(yōu)異。但其強(qiáng)度

8、并不高，耐磨性和抗疲勞性也較差。隨著合成纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種改性聚丙烯腈纖維相繼出現(xiàn)，使之應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。聚丙烯腈纖維自實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來，因其性能優(yōu)良，原料充足，發(fā)展很快。20紀(jì)60年代由于實現(xiàn)了從電石乙炔路線轉(zhuǎn)向石油裂解路線生產(chǎn)丙烯腈，并完成了多種溶劑的工藝開發(fā)以及纖維性能的改進(jìn)，纖維的產(chǎn)量年均增長率高達(dá)22左右。由于受原料的限制，到1978年世界總產(chǎn)量突破200萬噸以后，其產(chǎn)量增加緩慢，1995年世界總產(chǎn)量為二百三十多萬噸。有專家預(yù)測，由于原料及加工技術(shù)的改進(jìn)，聚丙烯腈纖維在未來的10年內(nèi)將快速發(fā)展，世界總產(chǎn)量將突破400萬噸。1.2腈綸的生產(chǎn)方法生產(chǎn)聚丙烯腈常用的第二單體為甲

9、基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺等，一般含量達(dá)10%左右，可適當(dāng)降低聚合物分子間的作用力，增強(qiáng)纖維柔軟性及手感。第三單體多為甲基烯丙基磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉、甲基乙烯基吡啶、衣康酸等，其用量不超過0.5%，以引入極性基團(tuán)，改善纖維染色性能。由于近年來價格競爭激烈，故以廉價的醋酸乙烯酯（VAc）作為第二單體。按照紡絲原液的制備方法，腈綸生產(chǎn)工藝可分為溶液均相聚合一步法和非均相聚合二步法兩種。1、均相溶液聚合所謂均相溶液聚合指所用溶劑既能溶解單體又可溶解聚合產(chǎn)物。反應(yīng)結(jié)束后，聚合物溶液可直接用于紡絲，所以該法亦稱一步法。如以硫氰酸鈉濃水溶液、氯化鋅濃水溶液、硝酸、二甲基甲酰胺、二甲基亞

10、砜等為溶劑的丙烯腈聚合均采用此法。以硫氰酸鈉一步法均相溶液聚合為例，其原料丙烯腈、第二單體丙烯酸甲酯(MA)、異丙醇及488硫氰酸鈉水溶液等分別經(jīng)由計量泵計量后放人配料桶。引發(fā)劑偶氮二異丁腈（AIBN）和淺色劑二氧化硫脲（TUD）經(jīng)稱量后，經(jīng)由旋流液封加料斗加入配料桶。衣康酸（ITA）則被調(diào)成一定濃度水溶液經(jīng)計量相加入配料桶。調(diào)好后連續(xù)地以穩(wěn)定的流量注入試劑混合桶，然后，與從聚合漿液中脫除的未反應(yīng)單體等充分混合并調(diào)溫后用計量泵連續(xù)送入聚合釜進(jìn)行聚合反應(yīng)。聚合反應(yīng)結(jié)束后，料液進(jìn)入脫單體塔，將未反應(yīng)的單體分離并抽提到單體冷凝器，由反應(yīng)油混合液冷凝后帶回試劑混合桶。對于低轉(zhuǎn)化率聚合反應(yīng)，出料混合物中

11、非反應(yīng)單體約含40%45%，中轉(zhuǎn)化率反應(yīng)則含30%左右。料液中單體含量不應(yīng)超過0.3%。脫單體后聚合物溶液經(jīng)脫泡、調(diào)濕、過濾即可送去紡絲。2、非均相聚合 丙烯腈的非均相聚合一般多采用以水為介質(zhì)的水相沉淀聚合法。水相沉淀聚合是指以水為介質(zhì)，單體在水中具有一定的溶解度，當(dāng)水溶性引發(fā)劑引發(fā)聚合時，聚合產(chǎn)物不溶于水而不斷地從水相中沉淀出來。水相沉淀聚合具有下列優(yōu)點： (1)水相聚合通常采用水溶性氧化還原引發(fā)體系，引發(fā)劑分解活化能較低，聚合可在3050甚至更低的溫度下進(jìn)行，所得產(chǎn)物色澤較白； (2)木相聚合反應(yīng)的反應(yīng)熱容易控制，聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量分布較窄； (3)聚合速度較快，產(chǎn)物粒子大小較均勻且含

12、水率較低，聚合轉(zhuǎn)化率較高，漿狀物料易于處理，回收工序相應(yīng)地較為簡單。國外的聚丙烯脂纖維廠大多采用二步法聚合，它占聚丙烯腈纖維總產(chǎn)量的70以上。1.3聚丙烯腈纖維的性能和應(yīng)用1、聚丙烯腈纖維有許多優(yōu)良的特性：近似羊毛，蓬松、卷曲和柔軟。密度比羊毛小(一般為1.141.18g/，羊毛為1.31.32g/）。強(qiáng)度比羊毛12.5倍，保暖性也好，常用來代替羊毛。利用其熱彈性可制膨體紗，彈性好，保暖性也好特好，可替代羊毛絨線 。耐光、耐候性好，除含氟纖維外，是合成纖維中最好的，耐熱性也較好，在熨燙高溫下(150)仍能保持白度。能耐酸(如35%鹽酸、65%硫酸、45%硝酸)，耐堿性較差，不溶于一般有機(jī)溶劑，

13、能溶于極性大的有機(jī)溶劑，如二甲基酰胺、二甲基亞砜等。均聚的聚丙烯腈染色性較差，利用共聚方法引入帶不同類型親染料基團(tuán)的第三單體，可改善染色性能，并擴(kuò)大染料類型和品種。如采用分散染料、陽離子染料、堿性染料及酸性染料等，可得到色譜齊全、色彩鮮艷、水洗和日曬牢固較好的纖維。但是聚丙烯腈纖維也有不足之處，如強(qiáng)度、起始彈性模量均處中等水平，其彈回性和卷曲性還不及羊毛。2、聚丙烯腈纖維的應(yīng)用：由于聚丙烯腈纖維的這些特性，故可廣泛地用于混紡或純紡織物中。如可制成各種似毛的呢料、針織品及長絨織物。因為吸濕性低常與棉、毛或粘膠纖維混紡，以改進(jìn)其吸濕性能。又可制成膨體紗，大量用來代替羊毛。另外在軍用和工業(yè)方面也取得

14、了應(yīng)用。在室外用的織物、有帆布、炮衣、窗簾和旗幟等。1.4腈綸生產(chǎn)的意義聚丙烯腈纖維大量用作“仿羊毛”纖維，替代羊毛。它的發(fā)展很快，現(xiàn)今已是合成纖維中的第三位，其產(chǎn)量僅次于滌綸與尼龍。廣泛用作人造皮毛、編織物、編織用毛線、地毯用織物和室內(nèi)裝飾品等。聚丙烯腈纖維還可以經(jīng)高溫?zé)崽幚沓商祭w維和石墨纖維，為制造高強(qiáng)度高模量復(fù)合材料提供增強(qiáng)型纖維。但是聚丙烯腈纖維的紡絲性能不佳、生產(chǎn)成本較高，一直是國內(nèi)腈綸生產(chǎn)企業(yè)的首要關(guān)注問題。纖維紡絲性能主要由紡絲工藝決定，但聚合物本身結(jié)構(gòu)的影響是根本的，如聚合物分子量及其分布、共聚物組成及序列分布等。聚合物本身特性對紡絲性能的影響，進(jìn)行丙烯腈纖維改性，主要有兩個方

15、面：一是對聚合物分子量進(jìn)行調(diào)整二是給聚合物選擇合適的共聚單體及含量。而降低生產(chǎn)成本也有兩方面問題，一是生產(chǎn)原料價格控制陰，另一個則是聚合工藝的優(yōu)化設(shè)計。棉花等天然纖維還滿足不了全世界對纖維的要求, 進(jìn)入21 世紀(jì)后, 腈綸還能保持一定的發(fā)展, 但增加速度很慢。工藝技術(shù)和裝備水平有一定的進(jìn)步, 一方面可提高效率, 降低成本, 同時也為了滿足環(huán)保等嚴(yán)格的要求, 如開發(fā)熔融紡絲技術(shù)等一些綠色生產(chǎn)技術(shù)。企業(yè)要成為科技進(jìn)步的主體和主戰(zhàn)場, 面對激烈競爭的腈綸工業(yè)尤為重要。要在下世紀(jì)建成若干個腈綸科研開發(fā)基地其主要任務(wù)是新產(chǎn)品開發(fā), 重點應(yīng)是毛型纖維。加入WTO后, 我國纖維界就真正轉(zhuǎn)入了世界化纖產(chǎn)業(yè)之中

16、,企業(yè)必須面對現(xiàn)實, 迎接挑戰(zhàn), 在競爭中求生存,立足于優(yōu)化結(jié)構(gòu), 注意品種開發(fā), 加大技術(shù)改造步伐, 提高產(chǎn)品科技含量, 提高員工素質(zhì)、管理水平和降低生產(chǎn)成本, 從而提高質(zhì)量、附加值, 使之具有較強(qiáng)的市場開拓能力。在質(zhì)量、品種、成本、效益上能和國際同行相抗衡, 同時加速企業(yè)重組、聯(lián)合、兼并的進(jìn)程, 走集約型、效益型的發(fā)展道路, 全面提高企業(yè)競爭力, 這是我國腈綸業(yè)的根本出路。2 工藝流程選擇2.1腈綸生產(chǎn)工藝選擇聚丙烯腈聚合有一步法、二步法。兩種不同工藝各有其不同特點，表2-1列舉比較了不同特點。 表2-1 一步法和二步法工藝特點比較比較項目一步法二步法流程纖維生產(chǎn)連續(xù)化，紡絲原液的制備流程

17、短，溶劑回收流程往往較長。紡絲原液的制備流程分二步，流程較長。對溶劑要求溶劑參與聚合過程，要求溶劑的純度高，雜質(zhì)少，溶劑的的鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)低。溶劑不參與聚合過程，對聚合不產(chǎn)生影響，要求溶劑的純度比一步法稍低。共聚體的選用聚合體系粘度高，即使在連續(xù)聚合的情況下，若難有很高攪拌，就得選用恒比聚合條件，以保證聚合體系內(nèi)各處都有相同的單體配比使生成聚合物分子具有相同的化學(xué)組成，故對單體的競聚率有嚴(yán)格要求，第二、第三單體選用余地相對窄。聚合體系粘度低，容易達(dá)到均勻混和，聚合體系內(nèi)各處都有相同的單體配比，所以對單體的競聚率要求不高，第二、第三單體選用余地相對大。聚合過程與設(shè)備均相溶液聚合，聚合體系粘度高，散熱

18、較難；體系內(nèi)溫度不均一，對聚合質(zhì)量不利，溶劑雜質(zhì)可能影響聚合質(zhì)量。聚合設(shè)備長期運(yùn)行基本不發(fā)生結(jié)皮，但溶劑具有腐蝕性和毒性，對設(shè)備材質(zhì)和密封有一定要求。非均相聚合，以水為介質(zhì)，散熱容易，溫度均一易控制，聚合體系粘度低，對聚合質(zhì)量有利。聚合設(shè)備內(nèi)發(fā)生結(jié)皮，需要定期清除。紡絲原液性能紡絲原液均勻，少雜質(zhì)，過濾性能好。但因粘度高殘余單體不易完全除去，對紡絲環(huán)境有影響。聚合體快速溶解，紡絲原液均勻性不如溶液聚合。原液制備過程中易混入雜質(zhì)，對過濾會產(chǎn)生不利。原液中無殘余單體。生產(chǎn)控制聚合工藝參數(shù)不易控制好；轉(zhuǎn)化率對紡絲原液濃度影響大；由于聚合過程轉(zhuǎn)化率與相對分子質(zhì)量等不易同時控制好，不同規(guī)格的聚合液不易混

19、批與調(diào)整，較難控制好濃度與粘度。聚合工藝易控制，轉(zhuǎn)化率對紡絲原液濃度無影響；不同規(guī)格的聚合體可在溶解前調(diào)整，較容易保證紡絲原液質(zhì)水相沉淀聚合二步法由于其極易撤熱、高轉(zhuǎn)化率及生產(chǎn)靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢是當(dāng)前通用腈綸的首選流程，約占世界腈綸總產(chǎn)量的77%。本課程設(shè)計在查閱了相關(guān)文獻(xiàn)及比較了一步法與二步法后選取了二步法水相沉淀聚合作為課程設(shè)計年產(chǎn)5萬噸腈綸的聚合釜設(shè)計的聚合工藝方法。圖2-1為聚丙烯腈的水相沉淀聚合工藝流程圖圖2-1聚丙烯腈的水相沉淀聚合工藝流程圖1AN+VAc計量穩(wěn)壓罐 ，2NaClO+ CuSO氧化劑穩(wěn)壓罐 ，3第三單體+NaHSO+ NaNO+ME+水催化系統(tǒng)儲存罐， 4計量泵 ， 5

20、攪拌及電動機(jī) ， 6聚合釜 ， 7終止罐 ，8輸送泵 ， 9脫單體塔 ，10離心脫水機(jī) 2.2聚丙烯腈水相沉淀聚合的原料選擇2.2.1單體的選擇目前國內(nèi)工業(yè)化的腈綸共聚第二單體主要為丙烯酸甲酯(MA)和醋酸乙烯酯(VAc)兩種。其中后者原料來源豐富，價格低，且高含量下還可提供纖維的高伸縮性，本課程設(shè)計選取醋酸乙烯酯作為第二單體。第三單體可以是甲基烯丙基磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉、甲基乙烯基吡啶、衣康酸等。而國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)多選用甲基丙烯磺酸鈉(MAS)或苯乙烯磺酸鈉(SSS) 。因為生產(chǎn)實習(xí)時參觀過中石化安慶分公司聚丙烯腈生產(chǎn)，安慶石化采用甲基丙烯磺酸鈉，本課程設(shè)計借鑒安慶石化的配方也選取甲基丙烯磺酸鈉

21、為第三單體。2.2.2引發(fā)劑體系的選擇水相沉淀聚合中常采用水溶性氧化-還原引發(fā)體系。如NaClONaSO 、NaClONaHSO、KSONaHSO等。有時還加入少量亞鐵鹽，如FeSO，俗稱活比劑(或促進(jìn)劑)，以提高反應(yīng)速率。最常采用的是NaClONaSO體系，但因為借鑒安慶石化的聚丙烯腈聚合所以選用NaClONaHSO氧化還原體系作為引發(fā)劑。2.2.3其他原料的選擇1、PH調(diào)節(jié)劑由于氧化還原體系(NaClONaHSO)為弱酸鹽存在電離平衡，對pH值很敏感，在酸性條件下才能保持一定的有效濃度，有效成分為亞硫酸根，其電離平衡如表2-2所示。在pH=3.35時亞硫酸根濃度最大，pH=1時亞硫酸濃度最

22、大。對于不同引發(fā)體系，聚合反應(yīng)受pH值影響不同，但都必須在酸性條件下才能進(jìn)行，通常PH值約為2.03.5之間。表2-2不同pH值下的HSO、H、電離平衡濃度pH值1233.35456(mol%)0.00000740.000310.00470.1720.0470.3330.833H(mol%)0.150.630.940.9680.950.660.167HSO(mol%)0.850.370.0550.0180.0050.0010資料來源：秦一秀.丙烯腈和醋酸乙烯酯水相沉淀連續(xù)共聚合研究.碩士學(xué)位論文.杭州：浙江大學(xué)，2011 。在實際生產(chǎn)中pH值應(yīng)控制在1.92.2之間，通常用硝酸來控制聚合反應(yīng)體

23、系的pH，由于鹽酸對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，硫酸影響聚合物的白度，磷酸可以促使聚合漿液粘度增大，所以生產(chǎn)小多采用60的pH硝酸作為調(diào)節(jié)劑?！癆.C.C”聚合反應(yīng)體系是采用NaOH與HNO反應(yīng)生成NaNO控制pH值。據(jù)文獻(xiàn)報導(dǎo)，當(dāng)采用帶有磺酸基團(tuán)的第三單體時，控制一定的pH值所得聚合體顆粒均勻。而NaClONaHSO引發(fā)體系是AN、第二單體共聚，由于H為染位提供劑，進(jìn)入共聚體后使顆粒帶負(fù)電，與帶磺酸基第三單體作用一致，根據(jù)同性電荷相斥原理，阻礙了顆粒間的凝聚，從而使顆粒細(xì)勻。同時由于粒徑均一，故粒子間對單體的吸附能力相差較小，使分子量分散性變小。當(dāng)整個反應(yīng)體系內(nèi)pH值較小時，氫離子濃度高、顆粒間相斥能力就

24、較小，致使顆粒間聚集較多。反之，當(dāng)pH值大時，淤漿中顆粒間相斥能力也相應(yīng)增大，則顆粒分布偏于較小部分，所以增大pH值有利于顆粒趨于細(xì)勻。由于以上原因，本課程設(shè)計選擇NaOH與HNO反應(yīng)生成NaNO來控制聚合體系pH值。本課程設(shè)計選取pH的為2.0。2、添加劑在丙烯腈水相沉淀聚合體系中，加入少量Fe、Cu可提高聚合速率并縮短誘導(dǎo)期，而加入NaCl、NaS0等中性鹽，則會降低聚合速率。Cu的影響與Fe相似，在NaClONaHSO引發(fā)體條聚合反應(yīng)中，Cu可起到促進(jìn)別的作用，反應(yīng)原理是Cu反應(yīng)，由此可見，體系中加入CuSO會促進(jìn)活性劑中心生成，聚合反應(yīng)速率加快。應(yīng)當(dāng)指出，在硫氰酸鈉濃水溶液中，以偶氮二

25、異丁腈作引發(fā)劑的丙烯腈聚合中，鐵、銅等離于的存在都對反應(yīng)有阻聚作用。而在NaClONaSO 、 NaClONaHSO作引發(fā)體系的丙烯腈水相沉淀聚合中，鐵、銅等離子均起加速聚合反應(yīng)作用。3、相對分子量調(diào)節(jié)劑分子量調(diào)節(jié)劑也是一種鏈轉(zhuǎn)移劑，在聚合過程中能使增長的大分子鏈上的自由基發(fā)生轉(zhuǎn)移，生成穩(wěn)定大分子，同時產(chǎn)生新的自由基，產(chǎn)生的新自由基由于活性較低而不能引發(fā)單體，因此加入分子量調(diào)節(jié)劑會影響大分子的聚合度，但是由于分子量調(diào)節(jié)劑的鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)大，則說明鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)快，會相應(yīng)減慢鏈生長反應(yīng)速率。以此來控制聚丙烯睛的分子量，從而掌握紡絲原液粘度。相對分子量調(diào)節(jié)劑種類較多，水相聚合反應(yīng)體系采用巰基乙醇(ME)作

26、為分子量調(diào)節(jié)劑。由于ME的鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)大，而且與單體加入成一定的比值，當(dāng)大分子自由基與ME能按加入單體與ME比值換算后的比值關(guān)系相互碰撞而失掉活性，就可以制成符合分子量要求的聚丙烯腈，大分子自由基與ME反應(yīng)試驗表明，聚合漿液的落球粘度和增比粘度均隨ME用量增加而減小。而對轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率影響不夠明顯，所以水相聚合反應(yīng)中選取ME作為控制聚丙烯腈平均分子量的調(diào)節(jié)劑。2.2.4原料的進(jìn)料處理及配比的選擇1、進(jìn)料處理聚合釜前有三股物料系統(tǒng)(又稱為三條管線系統(tǒng))，即第一、二單體的原料系統(tǒng)，NaClO和CuSO的氧化劑系統(tǒng)，第三單體、NaHSO、NaNO 、ME催化劑系統(tǒng)，原料丙烯腈、第二單體醋酸乙烯酯、第

27、三單體甲基丙烯磺酸鈉的回收單體分別貯存，各自通過泵輸送進(jìn)行過濾，計量后送入單體混和稱量罐及混和單體貯罐，混合后的單體用泵送入換熱器后進(jìn)入聚合釜中反應(yīng)。第一、二單體進(jìn)料處理第一單體丙烯腈用泵從貯罐抽出，通過過濾器送入單體混合稱重罐內(nèi)，同時由泵將醋酸乙烯酯從貯槽中抽出，通過過濾器進(jìn)入VAc計量罐，用計算機(jī)控制其流量也送入單體混合稱重罐內(nèi)。另外回收單體通過泵將回收單體從貯罐中抽出經(jīng)過濾器，進(jìn)入回收單體計量罐，經(jīng)電子計算機(jī)計量進(jìn)入單體混合稱重罐中，在此罐內(nèi)新鮮AN、回收AN和VAc按一定比例充分混合，經(jīng)取樣化驗，符合要求后，用泵將混合單體打入混合單體貯罐。 NaClO與CuSO配制NaClO是強(qiáng)氧化劑

28、，在貯存運(yùn)輸時要非常小心，應(yīng)避免與有機(jī)物磷、硫和硫化物、金屬粉末及銨鹽等類物質(zhì)接觸，否則極易放熱，發(fā)生燃燒與爆炸。NaClO溶解為吸熱過程，因此溶劑WDE“A”用加熱器將水預(yù)熱到35后加到NaClO溶解罐中。把經(jīng)過稱量的固體倒入溶解罐中溶解，待固體完全溶解以后，用離心泵經(jīng)過過濾器送入氧化劑制備罐中，同時加入新鮮八級脫鹽水，當(dāng)NaClO濃度達(dá)到2時加入經(jīng)過稱量的CuSO待達(dá)到規(guī)定含量，用泵將其打入氧化劑穩(wěn)壓罐中。NaNO 的制備NaNO是由NaOH與HNO反應(yīng)制成的，42的NaOH輸送至稀釋罐，用A級脫鹽水將其稀釋至20，20的NaOH經(jīng)過過濾器過濾后與用泵將57的濃HNO同時加入至制備罐中制備

29、，由此罐得到的NaNO濃度為27.4。將27.4的NaNO溶液打入NaNO稀釋罐中，在稀釋罐中加入A級脫鹽水，稀釋NaNO的濃度至9.8,最后用泵打入第三單體、NaNO等的催化系統(tǒng)儲存罐。2、原料的配比用量(1) 混合單體比課程設(shè)計采用的是丙烯腈、醋酸乙烯酯、甲基丙烯磺酸鈉的三元共聚制備聚丙烯腈，在查閱部分文獻(xiàn)后選擇將三組的質(zhì)量比AN:VAc:MAS90：9：1。(2)氧化劑還原劑配比氧化劑NaClO的加入量一般為總單體量的0.2%-0.8%，因此將氧化劑的加入量定為總單體質(zhì)量的0.5%。而還原劑NaHSO的用量與氧化劑的用量有一定的比例的，一般比例在1：31：20間，因此選擇1：4為氧化劑還

30、原劑比例，所以還原劑的加入量占總單體量的2.0%。(3) CuSO的用量：促進(jìn)劑·5HO的用量選擇為總單體量的0.001%(4)硝酸鈉的用量：NaNO的用量選擇為總單體量的0.9%(5)鏈轉(zhuǎn)移劑（相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑）ME的用量選擇為總單體量的0.43%(6)單體濃度：單體的濃度?？刂圃?8%30%范圍內(nèi)，本課程設(shè)計選取單體濃度為30%進(jìn)行設(shè)計。圖2-2是單體濃度與聚合物增比粘度及單體轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。 單體濃度%圖2-2 水相沉淀聚合時丙烯腈進(jìn)料濃度與聚丙烯腈增比粘度和反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的關(guān)系2.3聚合工藝參數(shù)的選擇2.3.1聚合溫度 水相沉淀聚合反應(yīng)溫度一般控制在3555。反應(yīng)溫度除影響轉(zhuǎn)化率

31、、聚合度及其分布外，對聚合產(chǎn)物的粒度、聚合物淤漿的分離性能等也有影響。本課程設(shè)計采取55作為聚合溫度(工作溫度)。而設(shè)計溫度根據(jù)參考文獻(xiàn)選為120。2.3.2聚合時間水相沉淀聚合的聚合時間一般在12h，由于聚合釜體積恒定，降低停留時間可以提高產(chǎn)量，而延長停留時間，則可以提高單體轉(zhuǎn)化率，由于停留時間的延長，引發(fā)劑可以充分分解，產(chǎn)生的自由基越多，所以單體轉(zhuǎn)化率增加，但平均分子量會明顯下降，影響聚合物的強(qiáng)度。本課程設(shè)計選取1h作為聚合時間。2.3.3聚合轉(zhuǎn)化率查閱文獻(xiàn)知，在上述聚合溫度、聚合時間內(nèi)的聚合轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到80%85%之間，由于本課程設(shè)計選取的聚合時間較短，所以選取81%作為丙烯腈三元共聚

32、的聚合轉(zhuǎn)化率。2.3.4損失率的分配給出的總損失率是3%，本課程設(shè)計將總損失率分配到如下幾個方面：聚合損失、終止損失、脫單體損失、水洗損失、過濾損失以及機(jī)械損失等方面。假設(shè)聚合損失0.2%，終止損失0.1%，脫單體損失1%，水洗損失1%，過濾損失0.5%，機(jī)械損失0.2%。2.3.5反應(yīng)操作周期的分配本課程設(shè)計給出的總反應(yīng)操作時間是2小時，整個操作時間分聚合反應(yīng)時間，進(jìn)料、出料、物料升溫、設(shè)備升溫或降溫等輔助操作時間。聚合反應(yīng)時間為1h，進(jìn)料時間選為20min，出料時間選為30min，其他時間選為10min。2.3.6工作壓力的選擇 丙烯腈聚合釜的工作壓力不大，一般為34個大氣壓，據(jù)參考文獻(xiàn)工

33、作壓力為0.35MPa，本課程設(shè)計也選用此工作壓力。而設(shè)計壓力一般為工作壓力的1.051.10倍，本課程設(shè)計選取1.10倍，即設(shè)計壓力為0.39MPa。3設(shè)計計算本課程設(shè)計的任務(wù)是年產(chǎn)5萬噸腈綸聚合釜設(shè)計，采用二步法間歇水相沉淀聚合，以丙烯腈、醋酸乙烯酯、甲基丙烯磺酸鈉為單體進(jìn)行共聚。課程設(shè)計的主要內(nèi)容是聚合釜的設(shè)計，所以在下面的物料衡算中主要計算與聚合釜有關(guān)的物料，其他的不作說明。根據(jù)上文中原料的選擇與配比可以有如下條件：(1)聚合溫度45，聚合時間1h，反應(yīng)操作周期2h，單釜聚合轉(zhuǎn)化率81%，總轉(zhuǎn)化率為97%，聚合pH值為2.0±0.2。(2)聚合反應(yīng)配方三種單體的進(jìn)料比 AN:

34、VAc:MAS = 90:9:1 ,總單體濃度為33%，表3-1列出了其他原料與總單體的進(jìn)料比值。表3-1其他原料加入量原料名稱NaClO·5HONaHSONaNOME用量(相對總單體量)0.5%0.001%2.0%0.9%0.43%3.1 聚合釜物料衡算3.1.1計算條件收集因為是間歇操作過程，所以基準(zhǔn)為“批”，計算基準(zhǔn)為kg·B。本課程設(shè)計的聚合釜的年產(chǎn)量是5萬噸，年工作時數(shù)為8000小時，而丙烯腈三元共聚的反應(yīng)操作周期=2h，這樣一年就要生產(chǎn)4000批。丙烯腈聚合過程以及后處理中損失的丙烯腈為3%，而丙烯腈單釜的轉(zhuǎn)化率只有81%(未聚合的單體經(jīng)過脫單體塔后經(jīng)過在處理又

35、循環(huán)使用，回到聚合釜中)。3.1.2計算物料丙烯腈聚合過程以及后處理中損失量為3%，而聚合釜單釜的轉(zhuǎn)化率只有81%由此可以算出每批投入的總單體量(三種單體)。每批投入的總單體量15909.38 kg·B圖3-1為丙烯腈聚合釜進(jìn)出物料示意圖，但此圖只是簡化圖，表示聚合釜加入了哪些物料而不能表示各個物料的加入方式。并且為了方便計算水的用量，假設(shè)4、5、6、8均不含水，將4、5、6、8中的水計算入7中。856744109321聚合釜 圖3-1聚合釜進(jìn)出物料示意圖 1AN ， 2VAc，3MAS，4NaClO、NaHSO，5·5HO ， 6ME， 7水，8NaNO，9聚合物混合物，

36、10聚合損失 第二單體醋酸乙烯酯VAc、第三單體甲基丙烯磺酸鈉MAS的投料量可以根據(jù)其與丙腈的進(jìn)料比確定，AN:VAc:MAS90:9:1。 每批VAc投料量×9% 1431.84kg·B每批MAS投料量×1% 159.09 kg·B每批投入總單體量×90%14318.44 kg·B其他原料的投料量可以根據(jù)NaClO、NaHSO、·5HO、NaNO、ME與總單體的比值確定。 每批NaClO投料量×0.5%79.55kg·B每批NaHSO投料量×2.0%318.18 kg·B每批

37、3;5HO投料量×0.001%0.159kg·B每批NaNO投料量×0.9%143.18 kg·B每批ME投料量×0.43%68.41 kg·B每批水投入量×32300.86 kg·B各個原料的投料量均計算出，通過各個物料的加和就可以得到聚合釜總加料量，其計算公式為： 15909.3832300.8679.55318.180.159143.1868.4148819.7 kg·B 3.2聚合釜設(shè)計3.2.1聚合釜釜體幾何尺寸設(shè)計1、聚合釜實際體積計算聚合釜中反應(yīng)混合液的密度選擇：聚合釜中主要組份水的密度為1

38、000 kg、丙烯腈的密度為810 kg、醋酸乙烯酯密度為930 kg、亞硫酸氫鈉的相對密度為1480 kg、硝酸鈉的密度為2257 kg，由于水和丙烯腈占絕大部分所以取反應(yīng)混合液密度950 kg。反應(yīng)混合液體積51.40聚合釜的裝料系數(shù)一般在0.60.85之間，本課程設(shè)計選取0.8作裝料系數(shù)，則聚合釜實際體積可根據(jù)計算。聚合釜實際體積64.30。2、聚合釜的尺寸以及上下封頭尺寸設(shè)計對直立反應(yīng)釜來說，釜體容積通常是指圓柱形筒體及上下封頭所包含的容積之和，根據(jù)釜體容積和物料性質(zhì)選定釜體的長徑比HD值(其比值一般在11.5之間)，估計釜體總高度H、內(nèi)徑D。課程設(shè)計任務(wù)要求使用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，標(biāo)準(zhǔn)橢圓

39、封頭的體積為0.131，封頭高度D4 。令：h為釜體直邊高度、H為聚合釜釜體總高度，則： Hh2×hD2若取HD1.5，則有：H1.5DhD2 ,則有hD。 ××h0.262×0.262×1.047 D3.945 m雖然聚合釜屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但用于制造聚合釜的上下封頭仍應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)封頭，此處按公稱尺寸選定釜體內(nèi)徑，D應(yīng)選定為4.00m。釜體直邊高度為：h3.785m釜體實際高度為：Hh2×3.7852×4.045.785m聚合釜的實際容積為：×h0.262×0.785××3.7850.2

40、62×64.31聚合釜實際長徑比：HD5.78541.446。上下封頭均為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，其直徑4.00m 。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)封頭的設(shè)計參數(shù)封頭的高度(封頭曲面高度)D41.00m1000mm，封頭直邊高度為50mm。封頭的壁厚在2036mm。 釜體圓形直筒部分高度：3.7852×0.053.685m。3.2.2聚合釜釜體選材在水相聚合反應(yīng)過程中聚合釜內(nèi)結(jié)疤是生產(chǎn)過程中比較突出的一個問題，由于結(jié)疤造成傳熱效果變差，聚合釜內(nèi)物料溫度波動，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，如疤層脫落后，將會堵塞管道。因此，如不采取適當(dāng)?shù)目拱檀胧?，則無法長期運(yùn)轉(zhuǎn)。日前，國內(nèi)腈綸兩步法生產(chǎn)中聚合釜采用了鋁質(zhì)材，認(rèn)為抗疤效果

41、是比較好的。鋁材質(zhì)產(chǎn)生抗疤作用的原因是在鋁釜中產(chǎn)生微電池。聚合釜所選用的鋁材含鋁量為99，因鋁中含有鐵等雜質(zhì)，這樣在酸性介質(zhì)中(pH1.9)，由于雜質(zhì)與鋁的電極電位不同，便形成了原電池。鋁失去電子變成離子溶入介質(zhì)中，使鋁釜本身帶負(fù)電荷，同時由于聚丙烯腈顆粒表面上出帶有負(fù)電，因此聚臺物顆粒不易粘附在聚合釜壁面上。另外，在聚合釜內(nèi)對稱地安裝著四塊材質(zhì)是合金鋁的擋板，合金鋁與釜壁的純鋁電位不同，使釜壁帶有負(fù)電，更加強(qiáng)了排斥聚合物顆粘附到釜壁的作用，從而起到電抗疤的作用。采用電極抗疤措施，雖然對釜壁有一定的腐蝕作用但產(chǎn)品中含鋁量并不高，能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。3.2.3進(jìn)出口管徑1、進(jìn)料口管徑 本課程設(shè)計

42、進(jìn)料口開在上封頭上，聚合釜中的反應(yīng)混合液體積51.40，進(jìn)料時間為20min，則每秒進(jìn)料流率0.04283s。進(jìn)料流速為1ms，則進(jìn)料管直徑為： 220.2336m進(jìn)料口管徑取DN250，進(jìn)料口管內(nèi)徑0.25m。2、出料口管徑出料口開在聚合釜的最低位置上。由于丙烯腈和聚丙烯腈的密度相差不多，所以令聚合完成后混合液的體積仍為51.40，出料時間30min，則每秒出料流率：0.02856s。出料流速也為1ms，則出料口管徑為： 220.191m出料口管徑取DN200，出料口管內(nèi)徑0.2m，但考慮到物料出口時粘度有所增加，為減小阻力并為安裝調(diào)節(jié)閥，出料口管管徑取DN250，即出料口管徑為0.25m。

43、3.2.4傳熱裝置的設(shè)計1、傳熱裝置的形式由于丙烯腈聚合釜的直徑比較大，反應(yīng)混合液有一定黏度，聚合溫度不算高，用夾套式傳熱裝置就可滿足需求了，并采用U形夾套。2、夾套直邊高度計算丙烯腈聚合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱約為19.5kcalgmol。聚合釜并不是筒體整個都需夾套加熱，只是部分筒體需要加熱。夾套內(nèi)徑一般按公稱尺寸系列選擇，以利于按標(biāo)準(zhǔn)選擇夾套封頭，查文獻(xiàn)取得夾套直徑為4.2m,夾套與筒體間隙為0.2m。夾套直邊高度主要由傳熱面積確定，一般應(yīng)不低于料液高度，以保證充分傳熱。根據(jù)裝料系數(shù)、操作容積，夾套直邊高度可由下式估算：3.110m并且夾套頂邊滿足聚合釜筒體與上封頭法蘭下方150mm20

44、0mm處。3、傳熱面積計算聚合釜內(nèi)的傳熱面積一般由筒體面積和下封頭面積兩部分構(gòu)成，。聚合釜是傳熱面積一般是由圓形筒體和下封頭兩部分構(gòu)成，即。下封頭面積可由標(biāo)準(zhǔn)封頭設(shè)計參數(shù)表中計算公式計算得到，其式為： 1.0831.083×17.328筒體加熱部分面積計算式為：3.14×4.0×3.11039.061 17.32839.06156.3894、夾套工作溫度 夾套內(nèi)的工作溫度、設(shè)計溫度應(yīng)與聚合度的工作溫度、設(shè)計溫度想匹配，所以夾套內(nèi)的工作溫度、設(shè)計溫度選為55、120。5、冷卻劑 由于聚合反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為了控制聚合反應(yīng)在最佳溫度條件下進(jìn)行，可通過夾套的內(nèi)卻介質(zhì)將多余

45、熱量傳遞出去。該工藝采取的是-9冷鹽水作為冷卻劑。3.2.5攪拌裝置設(shè)計1、攪拌器形式的選用攪拌器的選型既要考慮攪拌效果、物料黏度和釜體的容積大小，也應(yīng)考慮動力消耗、操作費(fèi)用等因素。目前國內(nèi)現(xiàn)有同類聚合釜均采用折葉平槳式攪拌器，每組四片葉片，安裝三組攪拌槳，攪拌級別為9級。2、攪拌器數(shù)量及尺寸選用攪拌器的槳葉直徑d與聚合釜直徑D有dD1/3，而槳葉寬度槳葉直徑1/6，則攪拌器槳葉直徑d： dD×4.01.334m攪拌器槳葉寬度d：dd ×1.340.222m3、攪拌器轉(zhuǎn)速計算攪拌器攪拌級別為9級，槳葉端速應(yīng)小于240mmin，有關(guān)參考文獻(xiàn)中的攪拌端速為190mmin ，本課

46、程設(shè)計選擇200mmin。由und，攪拌器轉(zhuǎn)速n47.8 rmin0.7967rs4、攪拌器功率計算釜內(nèi)流體的雷諾準(zhǔn)數(shù)：否認(rèn) Re式中d為槳葉直徑，n為攪拌器轉(zhuǎn)速，為物料密度，為物料粘度，代入數(shù)據(jù)得 Re89.79據(jù)Re89.79查功率因數(shù)曲線中運(yùn)動特征在過渡區(qū)并且3.1，則所需攪拌功率： P3.1×950××6.29 kW傳動效率按0.8計算，則實際功率為： 6.29÷0.87.86 kW3.2.6 擋板設(shè)計攪拌器在攪拌黏度不高的液體時，只要攪拌器轉(zhuǎn)速足夠高，都會產(chǎn)生切向流，嚴(yán)重時可使全部物料在聚合釜中央圍繞著攪拌器的圓形軌道旋轉(zhuǎn)，形成“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”

47、。在這一區(qū)域，液體沒有相對運(yùn)動，所以混合效果差。為了消除這些不良現(xiàn)象，可在聚合釜中裝設(shè)擋板，通常側(cè)向垂直安裝4塊寬度為釜體內(nèi)徑的112110的擋板，當(dāng)釜體很大時，可以酌量增加擋料板的數(shù)量。擋板的寬度采用永田經(jīng)驗式計算,擋板寬度B：( BD)·0.35, 為擋板塊數(shù)，D為聚合釜直徑。代入數(shù)據(jù)得， BD4.0×0.525m當(dāng)考慮到反應(yīng)液的影響，取計算值的75%作為實際擋板寬度。則實際擋板寬度 0.75×B0.75×0.5250.39m安裝擋板時，擋板一般緊貼于釜體壁，擋板上端與靜液線相齊，下端略低于下封頭與筒體的焊縫線即可。3.2.7人孔及支座的設(shè)計1、人孔的選用選用圓形人孔，圓形人孔直徑一般在400mm600mm，因為容器壓力不太大，所以人孔可取大些更方便人進(jìn)入清理等。本課程設(shè)計選擇直徑600mm的人孔，開在聚合釜的上封頭上。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、手柄組成。2、支座的選用本課程設(shè)計的聚合釜很大，而對于高大的釜設(shè)備最常用的支座就是裙式支座。裙座的形式分為圓筒形和圓錐形，由于圓筒形裙座制造方便、節(jié)省材料，所以廣泛使用，本課程設(shè)計也選用圓筒形裙座。裙座與塔體的焊接形式選擇對接焊縫，此種焊接形式可承受較高的軸向載荷，適用于大