1、聚合物合成聚合物合成工艺设计工艺设计材料科学与工程学院材料科学与工程学院 许莉莉许莉莉第第6 6章章 设备的工艺设计设备的工艺设计1 1 反应动力学要求反应动力学要求（或产品质量与产量的要（或产品质量与产量的要求）求）根据根据动力学动力学确定一定的确定一定的转化转化率率和和反应时间反应时间，从而决定满足一定生产规模所需的从而决定满足一定生产规模所需的反应器反应器容积容积，进而确定设备的，进而确定设备的工艺尺寸工艺尺寸等。等。该因素对设备的选型、操作方式的确定和设该因素对设备的选型、操作方式的确定和设备台数都有较大影响。备台数都有较大影响。2 2 热量传递的要求热量传递的要求 及时移出反应热，保
2、证反应过程正常进行，及时移出反应热，保证反应过程正常进行，需要解决需要解决传热方式传热方式和和传热装置传热装置问题，还需问题，还需设计出可靠的设计出可靠的计测控制系统计测控制系统以便对反应温以便对反应温度实施有效的检测和控制。度实施有效的检测和控制。3 3 质量传递过程与流体动力学过程的要求质量传递过程与流体动力学过程的要求 为使反应和传热正常进行反应系统的物料为使反应和传热正常进行反应系统的物料流动需满足既定要求。为此，设计时采用流动需满足既定要求。为此，设计时采用在管式反应器外面加设在管式反应器外面加设泵泵用以调节流量和用以调节流量和流速，或在釜式反应器内设置流速，或在釜式反应器内设置搅拌
3、搅拌等措施。等措施。4 4 工程控制的要求工程控制的要求 为保证生产稳定、可靠、安全地进行，设为保证生产稳定、可靠、安全地进行，设计反应器时必须重视计反应器时必须重视安全操作安全操作和和自动控制自动控制。例如设置防爆膜、安全阀、自动排料阀以及例如设置防爆膜、安全阀、自动排料阀以及快速终止聚合反应等措施。为此目的而设快速终止聚合反应等措施。为此目的而设计地工艺接管和辅助设备等均需仔细考虑，计地工艺接管和辅助设备等均需仔细考虑，并尽量采用自动控制。并尽量采用自动控制。5 5 机械工程的要求机械工程的要求（1 1）结构型式结构型式 保证反应设备在操作条件下有足保证反应设备在操作条件下有足够的强度、足
4、够的传热面积，并易制造。够的强度、足够的传热面积，并易制造。（2 2）材质选定材质选定 设备所用的材料对反应介质具有设备所用的材料对反应介质具有稳定型。材质必须耐腐蚀，对反应介质稳定，稳定型。材质必须耐腐蚀，对反应介质稳定，且材质力求价廉易得，尽量立足于国内。一般且材质力求价廉易得，尽量立足于国内。一般不用碳钢制作，以防铁离子渗入反应体系干扰不用碳钢制作，以防铁离子渗入反应体系干扰反应或污染产品。用搪瓷或搪玻璃的设备。反应或污染产品。用搪瓷或搪玻璃的设备。6 6 技术经济管理的要求技术经济管理的要求经济效果的好与差是衡量设计质量的关键因素。经济效果的好与差是衡量设计质量的关键因素。设计成果应当
5、投资少，符合优质设计成果应当投资少，符合优质高产低耗高产低耗的要的要求，需采取多方面的措施。求，需采取多方面的措施。BACKPVC 间歇聚合釜PVC 间歇聚合釜 24mTdRWVmdRWV 或RTVV TRTinVV 反应釜并联的台数TnmdRV b.b.碟封头碟封头(dished head)(dished head)c.c.锥形封头（锥形封头（conical head)conical head)d.d.球面封头（球面封头（spherical head)spherical head)封头名称封头高度（h）封头侧面积(s)封头体积(V)特 点半球封头0.5D0.5D1.571D1.571D2 2
6、0.2618D0.2618D3 3标准椭圆封 头0.25D0.25D1.083D1.083D2 20.131D0.131D3 3应力分布均匀，封头与筒体的强度相等，应用最广碟封头0.225D0.225D1.063D1.063D2 20.122D0.122D3 3曲面连接处存在弯曲应力，强度不如标准椭圆封头球面封头0.134D0.134D0.842D0.842D2 20.0539D0.0539D3 3一般用于卧式容器的两端封头平封头0D0D0.785D0.785D2 20D0D3 3600锥封头0.866D0.866D1.571D1.571D2 20.2267D0.2267D3 3应力分布不均匀
7、，加工简单，造价低，排料容易，可用于低压反应器。如间歇缩聚反应，产物粘度高，采用1200锥封头作为下封头便于出料。1200锥封头0.375D0.375D1.123D1.123D2 20.1397D0.1397D3 3900锥封头0.5D0.5D1.111D1.111D2 20.1309D0.1309D3 3haRT5.35.0333000.4249705.3106.2624mWVmTdR 3667.66.04mVVRT33332047.1262.04262.04DDDDhDVTmVDT853.1047.1667.6047.133 mDVVhT020.28.1785.08.1131.02667.
8、6785.02232封 mhh920.24/8.12020.22封 根据表6-2取封头直边高度为50mm,釜体圆形直筒部分高度:2.020-20.051.920m 反应器的实际体积为：33232666.68.1262.002.28.1785.0262.04mDhDVTmVDT853.1047.1667.6047.133 mDVVhhR722.18.1785.08.1131.0445.0785.0232max封封mDVVhhR408.18.1785.08.1131.042.0145.0785.01232min）（）（封封d/233332283.1262.03.1785.0262.04DDDDhD
9、VTmDVVhT8805.28000.1785.08000.1131.028542.8785.02232封mVDT9039.1283.18542.8283.133则，则，D=4.380mD=4.380m解：间歇操作周期为：解：间歇操作周期为：T=R+a=3.5+1.5=5.00hr；年批次：年批次：8000/5=1600反应液体积：反应液体积：VR=4250103/（1600500）=5.3125m3反应液总体积：反应液总体积：VT=VR/=5.3125/0.6=8.8542m3查表查表1得标准椭圆封头体积为得标准椭圆封头体积为0.131D3,h封封=0.25D令令h为釜体直边高度，为釜体直边
10、高度，H为反应器釜体总高度，则：为反应器釜体总高度，则：Hh2h封封hD/2=1.8D(取取H/D1.8)，则，则h=1.3D D=1.9039m因为因为H/D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为1.8000m釜体的直边高度为：釜体的直边高度为：233330.2620.785 1.30.2621.2834TVD hDDDD33332283.1262.03.1785.0262.04DDDDhDVTmVDT9039.1283.18542.8283.133根据表根据表2取封头直边高度为取封头直边高度为50mm,釜体圆形直筒部分高度釜体圆形直筒部分高度:
11、2.8805-20.052.7805m反应器实际体积：反应器实际体积：反应器实际高度为反应器实际高度为Hh2h封封hD/2=2.88051.8000/23.7805m反应器实际长径比：反应器实际长径比：H/D=3.7805/1.8=2.1003最高液位：最高液位：最低液位：最低液位：232330.2620.785 1.82.8805 0.262 1.88.85424TVD hDm3m a x221.85.3 1 2 50.1 3 11.8 02.2 3 8 40.7 8 540.7 8 51.8 0RVVhhmD封封3min2211.810.25.31250.131 1.801.82060.7
12、8540.785 1.80RVVhhmD封封（）（）33332283.1262.03.1785.0262.04DDDDhDVTmDVVhT8805.28000.1785.08000.1131.028542.8785.02232封mVDT9039.1283.18542.8283.133解：间歇操作周期为：解：间歇操作周期为：T T=R R+a=3.5+1.5=5.00h+a=3.5+1.5=5.00h年批次：年批次：8000/5=16008000/5=1600反应液体积：反应液体积：V VR R=4250=425010103 3/（16001600500500）=5.3125m=5.3125m3
13、 3反应液总体积：反应液总体积：V VT T=V=VR R/=5.3125/0.6=8.8542m/=5.3125/0.6=8.8542m3 3查表查表1 1得标准椭圆封头体积为得标准椭圆封头体积为0.131D0.131D3 3,h,h封封=0.25D=0.25D令令h h为釜体直边高度，为釜体直边高度，H H为反应器釜体总高度，则：为反应器釜体总高度，则：H Hh h2h2h封封h hD/2=1.8D(D/2=1.8D(取取H/DH/D1.8)1.8)，则，则h=1.3Dh=1.3D则，则，D=4.380mD=4.380m解：间歇操作周期为：解：间歇操作周期为：T=R+a=3.5+1.5=5
14、.00hr；年批次：年批次：8000/5=1600反应液体积：反应液体积：VR=4250103/（1600500）=5.3125m3反应液总体积：反应液总体积：VT=VR/=5.3125/0.6=8.8542m3查表查表1得标准椭圆封头体积为得标准椭圆封头体积为0.131D3,h封封=0.25D令令h为釜体直边高度，为釜体直边高度，H为反应器釜体总高度，则：为反应器釜体总高度，则：Hh2h封封hD/2=1.8D(取取H/D1.8)，则，则h=1.3D则，则，D=4.380m因为因为H/D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为1.8000m釜体的直边
15、高度为：釜体的直边高度为：根据表根据表2取封头直边高度为取封头直边高度为50mm,釜体圆形直筒部分高度釜体圆形直筒部分高度:2.8805-20.052.7805m反应器实际体积：反应器实际体积：反应器实际高度反应器实际高度Hh2h封封5.3424/4=7.34m反应器实际高度为反应器实际高度为Hh2h封封hD/2=2.88051.8000/23.7805m反应器实际长径比：反应器实际长径比：H/D=3.7805/1.8=2.1003最高液位：最高液位：最低液位：最低液位：2解：物料流程示意图：解：物料流程示意图：mDVVhT8805.28000.1785.08000.1131.028542.8
16、785.02232封332328542.88.1262.08805.28.1785.0262.04mDhDVTmDVVhhR2384.280.1785.080.1131.03125.548.1785.0232max封封mVDT9039.1283.18542.8283.133因为H/D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为1.8000m釜体的直边高度为：根据表2取封头直边高度为50mm,釜体圆形直筒部分高度:2.8805-20.052.7805m反应器实际体积：反应器实际高度Hh2h封5.3424/4=7.34m反应器实际高度为Hh2h封hD/2=2.88051.8000/23.7805m反
17、应器实际长径比：H/D=3.7805/1.8=2.1003最高液位：最低液位：233330.2620.785 1.30.2621.2834TVD hDDDD1 2 2 闪蒸釜设计闪蒸釜设计3 3 反应釜设计 2 2 闪蒸釜设计闪蒸釜设计3 3 dCTPEV38.1090%0.381 70%80005 4252.8Vm3222314.0426.0342234DDDDdV d/2311.531V311.5311232/92.11223VFmm夹3222/26.0120.24/124/VFmmD夹 液相本体聚合法的产品的熔体流动速率难以控制稳定，液相本体聚合法的产品的熔体流动速率难以控制稳定，轴封泄
18、露是一个重要原因，故设计好轴封泄露是一个重要原因，故设计好搅拌轴封搅拌轴封是十分重要是十分重要的。的。聚合釜的轴封有两种形式，即聚合釜的轴封有两种形式，即机械式密封机械式密封和和填料式密填料式密封封。机械式密封的密封性好，用的好时可基本无泄漏，但机械式密封的密封性好，用的好时可基本无泄漏，但由于间歇式液相本体法聚丙烯生产的某些特点，使得机械由于间歇式液相本体法聚丙烯生产的某些特点，使得机械式密封难以发挥很好的效果，且生产中，固体物料浓度大，式密封难以发挥很好的效果，且生产中，固体物料浓度大，干锅回收丙烯后聚合釜内是固体颗粒，易于进入机械密封干锅回收丙烯后聚合釜内是固体颗粒，易于进入机械密封内损
19、坏密封端面。另外，聚合釜搅拌轴封为悬臂长，下部内损坏密封端面。另外，聚合釜搅拌轴封为悬臂长，下部设支撑点，轴较长，运转时摆动大，对机械密封不利。还设支撑点，轴较长，运转时摆动大，对机械密封不利。还有，聚合搅拌为间歇操作，搅拌速率低，这些对机械密封有，聚合搅拌为间歇操作，搅拌速率低，这些对机械密封不利，不利，因此本设计搅拌轴封选用填料式密封。因此本设计搅拌轴封选用填料式密封。33667.642.010%704000mV3221256.10.16.0342/12Rr34mVmH72.10.24256.1667.621搅拌轴功率的计算搅拌轴功率的计算 P P轴轴=1.710.42（9.81）0.96
20、（2.32）1.34 （55/60）1.1（1.5）2=39.7 KW 故选用故选用55KW55KW电机即可。电机即可。电机的选用电机的选用 本聚合岗位是属于甲类防火，本聚合岗位是属于甲类防火，级防爆单级防爆单位，所以选用防爆电机。位，所以选用防爆电机。因为同步转速因为同步转速n n1 1=1500rpm=1500rpm，额定功率，额定功率75KW75KW 所以选用电机型号：所以选用电机型号：YB280S-4YB280S-4；额定电流；额定电流139.7A139.7A；电压；电压380V380V。传热方式的选择传热方式的选择 根据间歇式液相本体法聚丙烯的生产工艺特点，采根据间歇式液相本体法聚丙
21、烯的生产工艺特点，采用夹套式散热为主，辅以指形内冷却管散热的方式。用夹套式散热为主，辅以指形内冷却管散热的方式。反应放热计算反应放热计算 丙烯聚合热丙烯聚合热2172.95KJ/kgPP2172.95KJ/kgPP，反应高峰期每小时，反应高峰期每小时丙烯转化率为丙烯转化率为40%40%，12m12m3 3聚合釜参加反应的丙烯为聚合釜参加反应的丙烯为400004000070%=2800kg70%=2800kg 则反应高峰期：则反应高峰期：Q Qmaxmax=(2172.95=(2172.95280028004040)/1.0)/1.0 =243370KJ/h=676.03 KW =243370K
22、J/h=676.03 KW （其中（其中1KW=1KW=3.63.6KJKJ）搅拌摩擦热搅拌摩擦热Q Qa a=P=P轴轴=55KW=55KW 聚合高峰期总发热量聚合高峰期总发热量Q QT T Q QT T=Q=Qmaxmax+Q+Qa a=676.03+55=731.03KW=676.03+55=731.03KW 散走热量散走热量Q QT T的计算的计算 聚合釜本身的散热为总发热量聚合釜本身的散热为总发热量的的5%5%Q QT T=（1-0.051-0.05）731.03=694.48KW731.03=694.48KW 传热系数传热系数K K的计算的计算 K=K=0 0ee0.809c0.8
23、09c其中：其中：0 0液相丙烯的传热系数液相丙烯的传热系数w/mw/m2 2kk（对于不锈钢聚合（对于不锈钢聚合釜，釜，0 0=580=580698w/m698w/m2 2kk，取，取0 0=600w/m=600w/m2 2kk）CC转化转化10%10%时为反应放热高峰期时为反应放热高峰期 K=K=0 0ee0.809c0.809c=600=600e e（-0.809-0.8090.10.1）=553.37w/m=553.37w/m2 2kkCT8.5030762076ln)3076()2076(TKQTTF23T705.248.5037.5531048.694Fm则：指形冷却管长度计算指形
24、冷却管长度计算 （24.705-21.038=3.66724.705-21.038=3.667）取取=159mm=159mm时，时，L=3.667L=3.667（3.143.14*0.1590.159）=7.345m=7.345m L=7.345 L=7.3453=2.45m3=2.45m2.7m2.7m 取取=133mm=133mm时，时，L=3.667L=3.667（3.143.14*0.1330.133）=8.781m=8.781m L=8.781 L=8.7813=2.93m3=2.93m2.7m2.7m 指形内冷却管取三根长为指形内冷却管取三根长为2.45m2.45m的的=159mm=159mm的管。的管。聚合釜规格聚合釜规格：螺带式搅拌：螺带式搅拌20002000365836583232，N=55KWN=55KW，减，减速机速机NGW-L92NGW-L92，转速，转速50rpm50rpm，V=12mV=12m3 3。换 热 面 积：换 热 面 积：指 形 管指 形 管 5 m5 m2 2（3.6 6 7 m3.6 6 7 m2 2），夹 套），夹 套 2 3 m2 3 m2 2（21.038m21.038m2 2）。）。材质：材质：16MnR16MnR
