物料衡算

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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