物料衡算
更新时间:2024-05-18 08:01:01 阅读量: 综合文库 文档下载
4反应釜设计计算
本课程设计的任务是年产1万吨腈纶聚合釜设计,采用二步法间歇水相沉淀聚合,以丙烯腈、醋酸乙烯酯、甲基丙烯磺酸钠为单体进行共聚。课程设计的主要内容是聚合釜的设计,所以在下面的物料衡算中主要计算与聚合釜有关的物料,其他的不作说明。根据上文中原料的选择与配比可以有如下条件:
(1)聚合温度45℃,聚合时间1h,反应操作周期τt=2h,单釜聚合转化率82%,总转化率为97%,聚合pH值为2.0±0.2。
(2)聚合反应配方,三种单体的进料比 AN:VAc:MAS = 90:9:1 ,总单体浓度为33%,表4-1列出了其他原料与总单体的进料比值。
4-1其他原料加入量
原料名称
NaClO3
用量(相对总单体量)
0.5% 0.001% 2.0%
原料名称
NaNO3
用量(相对总单体量)
0.9% 0.43%
CuSO4·5H2O
NaHSO3
β-ME
4.1聚合釜物料衡算 4.1.1计算条件
因为是间歇操作过程,所以基准为“批”,计算基准为kg·B?1。本课程设计的聚合釜的年产量是1万吨,年工作时数为7200小时,而丙烯腈三元共聚的反应操作周期τt=2h,这样一年就要生产的批次N( N= 7200/2=3600)。
丙烯腈聚合过程以及后处理中损失的丙烯腈3%,而丙烯腈单釜的转化率只有82%(未聚合的单体经过脱单体塔后经过在处理又循环使用,回到聚合釜中)。 4.1.2物料计算
丙烯腈聚合过程以及后处理中损失量为3%,而聚合釜单釜的转化率只有82%由此可以算出每批投入的总单体量(三种单体)。 每批投入的总单体量:
m总单体?10000?1000?3.49?103kg???1
0.97?0.82?3600第二单体醋酸乙烯酯VAc、第三单体甲基丙烯磺酸钠MAS的投料量可以根据其与丙腈的进料比确定,AN:VAc:MAS=90:9:1。
每批VAc投料量mVAc=m总单体×9% =314.31kg·B?1
每批MAS投料量mMAS=m总单体×1% =34.92kg·B?1 每批投入总单体量mAN=m总单体×90%= 3143.1kg·B?1
其他原料的投料量可以根据NaClO3、NaHSO3、CuSO4·5H2O、NaNO3、β-ME与总单体的比值确定。
每批NaClO3投料量mNaClO3=m总单体×0.5%=17.45kg·B?1
每批NaHSO3投料量mNaHSO3=m总单体×2.0%=69.8 kg·B?1 每批CuSO4·5H2O投料量:
mCuSO4?5H2O=m总单体×0.001%=0.0349kg·B?1 每批NaNO3投料量mNaNO3=m总单体×0.9%=34.41 kg·B?1 每批水投入量:
m ? m ? 100 - 33?7085.75kg??-1水总单体33
各个原料的投料量均计算出,通过各个物料的加和就可以得到聚合釜总加料量wd,其计算公式为:
每批β-ME投料量mβ-ME=m总单体×0.43%=15.007kg·B?1
wd=m总单体+m水+mNaClO+mNaHSO3+mCuSO?5HO+mNaNO3+mβ-ME
342 =3490+17.45+69.8+0.0349+34.41+15.007+7085.75
=10712.46kg·B?14.2聚合釜的计算
4,2.1聚合釜几何体积的设计 1、 聚合釜实际体积计算
聚合釜中反应混合液的密度ρm选择:聚合釜中主要组份水的密度为1000
kg∕m3、丙烯腈的密度为810 kg∕m3、醋酸乙烯酯密度为930 kg∕m3、亚硫酸氢钠的相对密度为1480 kg∕m3、硝酸钠的密度为2257 kg∕m3,由于水和丙烯腈占绝大部分所以取反应混合液密度ρm=950 kg∕m3。
反应混合液体积: VR=
wd10712.46??11.276 m3 p950
聚合釜的装料系数?一般在0.6~0.85之间[8],本课程设计选取0.8作装料系数[8],则聚合釜实际体积VT可根据VT=VR计算[9]。
?聚合釜实际体积VT=
2、聚合釜的尺寸以及上下封头尺寸设计
VR??11.276?14.09 m3 0.8对直立反应釜来说,釜体容积通常是指圆柱形筒体及上下封头所包含的容积之和,根据釜体容积VT和物料性质选定釜体的长径比H∕D值(其比值一般在1~1.5之间)[9],估计釜体总高度H、内径D。
课程设计任务要求使用标准椭圆封头,标准椭圆封头的体积为0.131D3, 封头高度h封=D∕4。
令:h为釜体直边高度、H为聚合釜釜体总高度,则:
H=h+2×h封=h+D∕2
若取H∕D=1.5,则有:H=1.5D=h+D∕2 ,则有h=D。
ππVT=×D2×h+0.262D3=×D3+0.262×D3=1.047D3
44314.09VTD==3=2.378m
1.0471.047虽然聚合釜属于非标准设备,但用于制造聚合釜的上下封头仍应选用标准封头,此处按公称尺寸选定釜体内径[9],D应选定为3.00m。
14.09-2?0.131?2.3783 釜体直边高度为:h===2.38m 0.785?2.37820.785?D2VT-2V封 釜体实际高度为:H=h+2×h封=2.38+2×3.0∕4=3.88m
聚合釜的实际容积为:
π3VT=×D2h+0.262×D3=0.785×32×2.38+0.262×3.0
4=23.89m3
聚合釜实际长径比:H/D=3.88/3=1.3
上下封头均为标准椭圆封头,其直径D封=3.00m。 根据标准封头的设计参数[9]封头的高度(封头曲面高度)
h封=D∕4=0.75m=750mm,
封头直边高度h直为750mm。封头的壁厚在20~36mm。 4.2.2物料进出口管径 1、进料口管径
本课程设计进料口开在上封头上,聚合釜中的反应混合液体积VR=51.40 m,进料时间?1为20min,则每秒进料流率
3
?进=VR?1=
11.276=0.0094m3∕s。 20进料流速为1m∕s,则进料管直径为:
d1=20.0094?1=2?0.109m
3.14π进料口管径取DN150,进料口管内径d1=0.15m。 2、出料口管径
出料口开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体积仍为11.276 m3,出料时间?2=30min,则每秒出料流率:
VR?出=
?2=
11.276?0.00626m3∕s
30?60出料流速也为1m∕s,则出料口管径为:
d2?2
?20.00626?2?0.089m?3.14出料口管径取DN100,出料口管内径0.1m,但考虑到物料出口时粘度有所增加,为减小阻力并为安装调节阀,出料口管管径取DN150,即出料口管径d2为0.15m。
4.2.3传热装置的设计 1、传热装置的形式
由于丙烯腈聚合釜的直径比较大,反应混合液有一定黏度,聚合温度不算高,用夹套式传热装置就可满足需求了,并采用U形夹套。 2、夹套直边高度计算
丙烯腈聚合反应为放热反应,其反应热约为19.5kcal∕gmol。聚合釜并不是筒体整个都需夹套加热,只是部分筒体需要加热。
夹套内径D1一般按公称尺寸系列选择,以利于按标准选择夹套封头,查文献[8]取得夹套直径为3.2m,夹套与筒体间隙为0.2m[8]。
夹套直边高度H1主要由传热面积确定,一般应不低于料液高度,以保证充分传热。根据装料系数?、操作容积?VT,夹套直边高度可H1由下式估算:
φVT-V封0.8?14.089-0.131?3.03Hj==0.962m ?π2=2Dj?3.244并且夹套顶边满足聚合釜筒体与上封头法兰下方150~200mm处。 3、传热面积计算
聚合釜内的传热面积一般由筒体面积和下封头面积两部分构成,。聚合釜是传热面积一般是由圆形筒体和下封头两部分构成,即S传=S封+S筒。
下封头面积S封可由标准封头设计参数表中计算公式计算得到,其式为:
S封=1.083D2=1.083×32=9.738m2
筒体加热部分面积S筒计算式为:
S筒=πDHj=3.14×3.0×0.962=9.06m2 S传=S封+S筒=9.738+9.06=18.8m2
4、夹套工作温度
夹套内的工作温度、设计温度应与聚合度的工作温度、设计温度想匹配,所以夹套内的工作温度、设计温度选为55℃、120℃。 5、冷却剂
由于聚合反应为放热反应,为了控制聚合反应在最佳温度条件下进行,可通过夹套的内却介质将多余热量传递出去。该工艺采取的是-9℃冷盐水作为冷却剂。
4.2.4搅拌装置设计 1、搅拌器形式的选用
搅拌器的选型既要考虑搅拌效果、物料黏度和釜体的容积大小,也应考虑动力消耗、操作费用等因素。目前国内现有同类聚合釜均采用折叶平桨式搅拌器,每组四片叶片,安装三组搅拌桨,搅拌级别为9级。 2、搅拌器数量及尺寸选用
搅拌器的桨叶直径d与聚合釜直径D有d∕D=1/3,而桨叶宽度∕桨叶直径=1/6,则搅拌器桨叶直径d:
11d=D=×3.0≈1m
33搅拌器桨叶宽度d:
11d=d =×1≈0.166m
663、搅拌器转速计算
搅拌器搅拌级别为9级,桨叶端速应小于240m/min,有关参考文献中的搅拌端速为190m∕min ,本课程设计选择200m∕min。由u=πnd,搅拌器转速
n=
4、搅拌器功率计算
釜内流体的雷诺准数:否认
D2nρRe=
μ200u?63.7r∕min=1.062r∕s =
3.14?1πd
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