课程设计,毕业设计正文.doc

安徽理工大学课程设计说明书前言腈纶工业始于20世纪50年代，先后经历了快速发展期，缓慢期，进入21世纪发展速度呈现螺旋上升的趋势，在发达国家产量逐渐降低，而发展中国家产量不断走高。腈纶的用途多种多样，它产量大，价格便宜，质量堪比羊毛、棉花。在纺织行业中有着举足轻重的地位。腈纶的生产工艺也多种多样，而氯化锌一步法又是其中比较成熟的工艺。聚丙烯腈纤维可以用来制作套衫、毛毯、地毯、童装以及诸如旗布、遮阳篷等户外产品，在纺织上有很大的用处。腈纶在化学纤维中需求量一直身居显赫，并能保持此位置而抵住涤纶、尼龙汲取烯烃类纤维的强烈竞争，原因在于腈纶具有诸多非常有用而重要的优势。腈纶的优良性能使其在服装、服饰、产业三大领域有广泛的应用。1腈纶的概况1.1腈纶的发展历史 早在100多年前人们就已制得聚丙烯腈,但因没有合适的溶剂，未能制成纤维。1942年，德国人H.莱因与美国人G.H.莱瑟姆几乎同时发现了二甲基甲酰胺溶剂，并成功地得到了聚丙烯腈纤维。1950年，美国杜邦公司首先进行工业生产。以后,又发现了多种溶剂,形成了多种生产工艺。1954年，联邦德国法本拜耳公司用丙烯酸甲酯与丙烯腈的共聚物制得纤维，改进了纤维性能，提高了实用性，促进了聚丙烯腈纤维的发展。腈纶工业从2O世纪5O年代在美国、德国和日本实现了工业化生产，6O年代和7O年代世界腈纶工业快速发展，到8O年代由于服用纤维转向棉和天然纤维，而且原料价格上涨，成本增加，导致腈纶增长减缓。欧洲、美国、日本等发达国家和地区因腈纶生产中物耗、能耗和环境影响等因素逐渐处于停滞或萎缩状况，并向发展中国家转移。1984年，聚丙烯腈纤维的世界产量为2.4Mt。2000-2006年，我国平均每年要进口411kt腈纶，已经成为世界最大腈纶输入国。 近年来世界腈纶产量不断减少。美国目前唯一腈纶生产厂Solutia公司在2005年已退出腈纶产业，墨西哥生产厂也宣布自2006年从腈纶退出，欧洲和日本、韩国也在减小腈纶产量。1990-2005年，世界腈纶生产的平均增长率仅有08 ，其总体变化不大，基本保持平衡。2004年全球腈纶产量为2 750kt，占化纤总量的比例为796 ；2005年全球腈纶产量为2 619 kt，占化纤总量的比例为778 。2006年全球腈纶产量继续下降约4 。 在世界经济一体化大趋势中, 睛纶产业链形成了国际供需分工新格局。发达国家产品侧重于个性化、功能化、环保化和高技术化;发展中国家则主要生产中低档常规产品。我国腈纶工业要想在激烈的竞争中生存发展下去, 就要突破科技创新的贫乏区, 努力提高产品的科技含量, 研制开发高性能、高技术的腈纶纤维, 进一步向精、深、细加工方向发展, 确保产品质量的稳定,逐步提高产品的附加值。11.2腈纶的用途聚丙烯腈纤维是一种高分子长链合成聚合物形成的人造纤维，其丙烯腈含量至少占85%。它表面平滑，具有良好的悬垂性能，可以生产保暖但是很轻的织物。它的弹性和回弹性具佳，并具有优异的耐阳光和耐气候性能。这种纤维可以水洗或干洗。但是聚丙烯腈纤维的强度一般，湿态时强度约降低20%，但是干燥后即行恢复。这是一种疏水性纤维（回潮率为1%），常发生静电和起球现象，其耐磨性能一般。有着人造羊毛美称的腈纶，又有着便宜的价格，所以成为了羊毛和棉花的最佳替代品。在我国化纤工业中，聚酯纤维主要用于仿棉或仿丝型织物、而仿毛型织物以腈纶为主要原料。腈纶外观蓬松，手感柔软，具有良好的耐光、耐气候、其弹性和保暖性可以和羊毛媲美，深受消费者欢迎。在我国毛纺及人造毛皮所用原料中腈纶占最主要地位。腈纶的优良性能使其在服装、服饰、产业三大领域有广泛的应用。聚丙烯腈纤维根据不同的用途的要求可纯纺或与天然纤维混纺，可与羊毛混纺成毛线，或织成毛毯、地毯等，还可与棉、人造纤维、其他合成纤维混纺，织成各种衣料和室内用品。1.3腈纶在中国 中国消费市场对腈纶产品的需求量，远远大于供应量。特别是一些高端的仿羊绒、羊毛等制品的腈纶，目前很大程度上仍依靠进口。而腈纶产品的出口量较少。国内腈纶的自给率较低，产能增长相对缓慢。预计到了“十二五”末，缺口会更加显著，将达到40万吨以上。预计到2015年，中国腈纶的产能将由“十一五”末的86万吨，增加到“十二五”末的120万吨左右。到2020年将发展到128万吨左右。作为腈纶的主要原料，“十一五”末，我国丙烯腈的产能已达90万吨，2009年的产量为82万吨。尽管我国腈纶行业对丙烯腈的需求量与当前产量相当，但由于丙烯腈的用途相当广泛，目前只有50%丙烯腈（约40万吨）用于腈纶生产，因此我国丙烯腈的缺口仍然很大，每年大约要进口40万吨。（丙烯腈用途分配大致为腈纶50%，ABS/SAN35%，丙烯酰胺和己二腈10%，其他5%）。 “十一五”期间，我国腈纶产品的进口量逐渐降低，从2005的46.5万吨，逐步下降到2008年的14.6万吨，2009年又有所增长，达到17.99 万吨。出口方面，从2005年的2000吨逐渐增长，2008年达到峰值1万吨，2009年降至5000吨左右。腈纶产品的自给率从2005年的 60.83逐渐提高到2008年的81.72，2009年有所下降，到79.5。 进入21世纪以来，尽管我国的腈纶企业都投入了大量的资金用于现有设备的改造，但受到上世纪90年代初各企业低水平产能扩张和工艺路线多样化的影响，腈纶企业的设备和工艺技术水平参差不齐，产品的质量差异较大。目前的12家企业平均规模低于经济规模，总体的劳动生产率较低，生产成本较高。而且，国内腈纶企业总体技术开发能力较弱，科研成果的转化率较低，产品品种比较单一。21.4国内外腈纶工业的对比世界腈纶工业从20世纪50年代初实现工业化，我国是在1969年实现工业化生产的。1998年世界腈纶产量为2 658 kt，其中亚洲地区生产量为1 194 kt，占世界总量的44.9%。亚洲，不但已成为腈纶的生产中心，而且目前也发展成为纺织品的制造中心。1.4.1 平均规模和生产能力从生产能力来看，我国与发达国家或地区相比还存在一定的差距。我国的腈纶装置平均生产能力仅为48 kt/a，是韩国的56%，美国的64%，中国台湾的58%，日本的79%，日本生产能力较低的东丽、东邦和Kaneka Corporation是以生产PAN基碳纤维或改性腈纶为主业的。我国腈纶工业的产能特点是工厂分散，在13家主要腈纶生产企业中，达不到经济规模的接近50%。31.4.2 中国成为世界腈纶生产大国瑞士纺织机械供应商绍尔公司发布的2002年全球纺织品市场发展情况的报告称，2002年全球纤维产量增加了4.5%，达到56 100 kt，人均年消费量为9 kg。纤维市场主要为化学纤维所占据，2002年产量达到33 700 kt，增长6.1%,拥有60%的市场份额。以生产地区来看，亚洲地区化学纤维产量占全球化学纤维总产量的65%。2001年，全球腈纶的产量为2 555 kt,其中中国产量为519.2 kt,占世界腈纶产品总量的20.3%。1.4.3 中国腈纶产量稳步增长近几年来，掌握高技术的主要腈纶生产国家或地区产量下降，发展方向正逐步调整，而发展中国家的腈纶产量却在稳步上升。2工艺流程的选择2.1 生产原料 聚丙烯腈聚合一步法采用溶液聚合，聚合物不经过分离直接制备得到纺丝原液。聚丙烯腈的合成二步法采用水相沉淀聚合，聚合物经过清洗、分离后重新溶解，分二步制备得到纺丝原液。两种不同工艺各有其不同特点。生产聚丙烯腈原丝所用的原料主要有单体、溶剂、引发剂以及其它辅助化工原料等几类。因聚丙烯腈原丝的制备工艺比较多， 对于不同制备工艺， 或者针对聚丙烯腈原丝的不同要求， 需要采用与之相适应的化工原料。 制备聚丙烯腈原丝常用的单体有丙烯腈、丙烯酸甲酯、衣康酸、丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、醋酸乙烯、丙烯酰胺等等，新开发的单体有 2- 丙烯酰胺 -2- 甲 基丙磺酸（ AMPS ）、 苯乙烯磺酸氨等。丙烯腈常常被称为合成聚丙烯腈纤维的第一单体， 而其它单体则被称为共聚单体， 或第二、第三单体等。 丙烯腈是制备聚丙烯腈原丝最主要的单体。 丙烯腈的制备主要有三种方法： 第一种是环氧乙烷与氢氰酸的反应合成法， 先制得氰乙醇， 再经脱水制成丙烯腈。第二种是在 CuCl 和 NH4Cl 的催化下， 采用乙炔和氢氰酸经加成反应而得到丙烯腈。 这种方法又称直接法。 第三种是现行工业生产中最常用的方法， 主要原料是丙烯和合成氨， 所以称为丙烯氨氧化法（ sohio 法）。 尽管丙烯氨氧化法技术成熟可靠，但是人们不断寻求更经济、更合理的合成技术。 国外一些大公司开始了以丙烷为原料的开发研究工作。 丙烯腈是一种无色易流动液体， 具有特殊的辛辣杏仁气味。容易聚合， 运输、贮存过程要加入阻聚剂； 蒸气有毒！ 相对密度为 0.8060（ 20/4 ）； 沸点 77.3 77.9 ； 凝固点 -83 -84 ； 密度在 20 时为 0.81g/cm 3 ； 折光指数 N D25 =1.3888 ； 聚合热 72.3kJ/mol 。 易溶于一般有机溶剂， 还容易溶解于硫氰酸钠、氯化锌等无机盐水溶液， 在水中的溶解度为 7.3wt. % （ 20 ）； 自 动点火温度 481 ， 在燃烧过程中产生的危害气体主要是一氧化碳和氰化氢； 易挥发、易燃易爆， 在空气中的爆炸极限为 2.6 17.5v% 。 丙烯腈属于高毒性类物质。根据国外有关安全手册， 已经发现丙烯腈对动物吸收、摄取或皮肤接触的暴露中毒会影响到骨髓、肾、中枢神经系统、肝和上下呼吸道系统。 丙烯腈已经表现出对许多动物的致癌作用。还表明对细菌繁殖和哺乳动物的细胞繁殖具有畸变作用、对胚胎的毒性作用和对动物的再生毒性作用。 试验表明通过吸入摄取或皮肤、眼的接触， 对丙烯腈的暴露对人的健康影响初步包括： 特别的不舒服， 如， 恶心、头痛、或虚弱； 肝、肾功能失常； 对精神系统暂时麻醉抑制， 如， 眩晕、 头疼、 模糊、 不协调或失去知 觉； 不正常的造血功能贫血症、减少白血球的产生； 对上呼吸道的刺激， 对肺的暂时性刺激所引 起的咳嗽、不舒服、呼吸困难、呼吸短促； 对皮肤的刺激引 起不舒服或皮疹； 对眼睛刺激引起不舒服、流泪或视觉模糊等。在丙烯腈中过度暴露， 还会导致下列影响： 肝功能不正常， 恶心呕吐， 食欲降低， 肚子痛不正常的肾功能会减少小便量， 导致尿液化验不正常或水肿。对精神系统的影响如痉挛、 失去知觉； 暂时的感觉神经系统的影响如发烧； 对肺的严重刺激； 发绀或极度暴露导致死亡。传染病学研究和实验室研究的结果还表明： 丙烯腈对人有致癌的危险。证据表明通过皮肤摄取的丙烯腈量可以产生系统毒性， 原来患有精神系统、肺、肝、肾或骨髓等疾病的更可能由于过度暴露而中毒。所以， 在生产运输、使用处理丙烯腈的时候要严格遵守国家的有关法规以及所在单位的规定， 如我国按工业企业设计卫生标准规定， 车间空气内允许极限浓度为 2mg/m 3 。 凡是生产和使用丙烯腈的场所都需要特别有效的泄漏处置和应急机制。 个人要佩戴必要防毒面具或防护服， 戴化学安全防护眼镜和手套等。 二甲基亚砜（ DMSO ） 是目前国内最常用的制备聚丙烯腈原丝的溶剂。 它是无色透明略有臭味的液体。 相对密度 1.1014 （ 20/4 ）， 沸点 189 ，凝固 点 18.5 ， 闪 点 95 ， 燃点 304 ， 折 射率 1.47833 （ 20 ）DMSO 是一种极性高、吸湿力强的有机溶剂， 溶于水、醇、醚、丙酮， 水溶液呈碱性。对碱稳定， 在酸性条件下产生少量的甲基硫醇、甲醛、二甲基硫、甲磺酸等化合物。 无水的二甲基亚砜对金属腐蚀性很小， 然而含水的二甲基亚砜对铁、锌、铜、铝合金、普通不锈钢都具有相当的腐蚀性。 它的蒸气压比较低， 爆炸性小， 但容易燃烧。 二甲基亚砜毒性虽小， 但是对皮肤有强烈的渗透性， 经常性接触可能会引起皮炎， 有时也会引起肌体的变态性反应。 由于它对许多物质的溶解性， 一向被称为“万能溶媒”， 还具有消炎、止痛、利尿、镇静和促进伤口愈合的疗效， 对肌体的渗透、对药物的携带、增效作用， 在国外被称为“万能药” 。 4 在聚丙烯腈原丝的聚合和纺丝生产中， 还可以用二甲基乙酰胺（ DMAc ）、丙酮、碳酸乙烯酯、氯化锌的水溶液以及硝酸水溶液等。 比如， 国内曾用硝酸水溶液进行碳纤维原丝的生产， 取得了可喜的成绩。2.2.1单体的选择目前国内工业化的腈纶共聚第二单体主要为丙烯酸甲酯(MA)和醋酸乙烯酯(VAc)两种。本课程设计选取MMA作为第二单体。2.2.2引发剂体系的选择水相沉淀聚合中常采用水溶性氧化-还原引发体系。如NaClONaSO 、NaClONaHSO、KSONaHSO等。有时还加入少量亚铁盐，如FeSO，俗称活比剂(或促进剂)，以提高反应速率。最常采用的是NaClONaSO体系，但因为借鉴安庆石化的聚丙烯腈聚合所以选用NaClONaHSO氧化还原体系作为引发剂。2.2.3其他原料的选择1、PH调节剂 由于氧化还原体系(NaClONaHSO)为弱酸盐存在电离平衡，对pH值很敏感，在酸性条件下才能保持一定的有效浓度，有效成分为亚硫酸根。在pH=3.35时亚硫酸根浓度最大，pH=1时亚硫酸浓度最大。对于不同引发体系，聚合反应受pH值影响不同，但都必须在酸性条件下才能进行，通常PH值约为2.03.5之间。2、添加剂 在丙烯腈水相沉淀聚合体系中，加入少量Fe、Cu可提高聚合速率并缩短诱导期，而加入NaCl、NaS0等中性盐，则会降低聚合速率。Cu的影响与Fe相似，在NaClONaHSO引发体条聚合反应中，Cu可起到促进别的作用，反应原理是Cu反应，由此可见，体系中加入CuSO会促进活性剂中心生成，聚合反应速率加快。应当指出，在硫氰酸钠浓水溶液中，以偶氮二异丁腈作引发剂的丙烯腈聚合中，铁、铜等离于的存在都对反应有阻聚作用。而在NaClONaSO 、 NaClONaHSO作引发体系的丙烯腈水相沉淀聚合中，铁、铜等离子均起加速聚合反应作用。2.2.4原料的进料配比的选择 (1) 混合单体比课程设计采用的是丙烯腈、醋酸乙烯酯、甲基丙烯磺酸钠的三元共聚制备聚丙烯腈，在查阅部分文献后选择将三组的质量比AN:MMA93.5:6.5。(2)氧化剂还原剂配比氧化剂NaClO的加入量一般为总单体量的0.2%-0.8%，因此将氧化剂的加入量定为总单体质量的0.5%。而还原剂NaHSO的用量与氧化剂的用量有一定的比例的，一般比例在1：31：20间,还原剂的加入量占总单体量的2.0%。(3) CuSO的用量：促进剂5HO的用量选择为总单体量的0.001%(4)硝酸钠的用量：NaNO的用量选择为总单体量的0.9%(5)链转移剂（相对分子质量调节剂）ME的用量选择为总单体量的0.43%(6)单体浓度：单体的浓度常控制在28%30%范围内，本人选取单体浓度为35.3%进行设计。2.3 腈纶生产方法比较一步法生产中，丙烯腈和共聚单体都加到溶剂中呈溶液态聚合，聚合后聚合体不经分离，直接配成纺丝原液去纺丝。此法聚合体制备与纺丝原液的配置一步完成，故称作一步法。具有生产流程短、工序紧凑、连续化程度高，以实现自动化，基建投资低等优点。但因采用溶液聚合，共聚单体都必须溶于溶剂，故选这面较窄，影响发展差别化纤维；工艺管理要求严格，任意工序出现故障都会相互影响；反应中产生的不合格聚合物不易分离出来，溶剂单体带入的各类杂质都成为原液的制作部分，对纺丝和最终产品质量产生不利的影响，同时是溶剂回收和净化变得复杂；由于原液中存在未反应的单体，使纺丝渝溶剂回收都有有毒单体排放，使后序被污染。二步法生产中，丙烯腈和共聚单体在水中呈珠滴状进行悬浮聚合，制的聚合体后需经分离 洗涤 脱水干燥（或不干燥）制成固体粉末或含一定水的淤浆后，在用溶剂重新溶解，配成原液，由于聚合与原液制备分二次完成故称二步法，此法丙烯腈与共聚单体不必溶于溶剂，溶剂与第二单体的选择面较宽采用的催化剂廉价易制备，聚合反应热易去除，反应控制较稳定，转化率低高，同体积反产品聚合中不合格应釜较一步法可提高一倍以上 聚合中不合格产品可严格分离出来，反应中产生的杂质，未反应的单体都经洗涤脱除，配置的纺丝原液，纯度高，无有毒单体，纺丝与溶剂回收工序无单体污染，分离后干聚合物可长期储存，远距离运输，生产灵活性大，在溶解调配过程中采用掺入其他化合物就可制的具有特殊功能的差别化纤维与功能纤维，由于聚合物干料可大批量相混，纤维质量稳定。此外，溶剂不参与反应过程，溶剂回收与净化工序简单，由于二步法聚合物需经分离后重溶解配纺丝原液，因此，工序较长，连续化程度较差，投资较一步法高，特别在采用有机溶剂时，对分离后聚合物中含水量要求严格。52.4 腈纶的合成 世界各国生产的聚丙烯腈纤维大多由三元共聚物制得,丙烯腈占90 %94 % ,第二单体加入量为5 %8 % ,第三单体为013 %210 %。加入第二单体的目的是为了提高纤维的机械强度、弹性和手感,在一定程度上也可以改善染色性能。常用的第二单体有丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯和丙烯酰胺等。加入第三单体的目的是引入一定数量的亲染料基团,增加纤维对染料的亲和力,可制得色谱齐全、颜色鲜艳、染色牢度好的纤维。第三单体分两大类:一类是对阳离子染料有亲和力,含有羧基或磺酸基团的单体,如丙烯磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、甲基丁二酸(又名衣康酸) 、对- 乙烯基苯磺酸钠等;另一类对酸性染料有亲和力,含有胺基、酰胺基、啶等的单体,如乙烯吡啶,含有碱性染色基团的2甲基乙烯吡啶等。 腈纶的原料丙烯腈由石油裂解的副产品丙烯制得,由丙烯、液氨以及氧气在400 500 下发生气、固相催化反应制取(丙烯- 氨氧化法) 。由于聚丙烯腈共聚物加热到230 以上时只发生分解而不熔融,因此,它不能像涤纶、锦纶纤维那样进行熔融纺丝,而采用溶液纺丝的方法。根据所用溶剂的不同分为均相溶液聚合和非均相溶液聚合。均相溶液聚合所用的溶剂既能溶解单体,又能溶解反应所生成的聚合体,反应完毕后,聚合液可直接用于纺丝,故又称腈纶生产一步法。如浓硫氰酸钠水溶液、浓氯化锌水溶液、硝酸、二甲基亚砜(DMSO) 、二甲基甲酰胺(DMF) 和二甲基乙酰胺(DMAC) 为溶剂聚合,则可采用均相溶液聚合。非均相聚合所用的介质只能溶解或部分溶解单体,而不能溶解聚合体,在聚合过程中聚合体不断地呈絮状沉淀析出,经分离再溶解于溶剂中制成纺丝溶液,称为腈纶生产二步法。因非均相聚合介质在大多数情况下都使用水,又称为水相聚合法。聚合时根据溶剂不同选用不同的引发剂,在水相聚合时则用氧化还原引发体系。为防止聚合体产生颜色,在聚合过程中加入少量的还原剂或其它添加剂,以提高纤维的白度。腈纶纺丝分为干法与湿法。在腈纶纤维的纺丝工序中,把腈纶原液从有很多微细孔眼的喷嘴中挤出,使之成为纤维状。湿式是在凝固浴中、干式是在惰性气体中凝固后变成纤维,这就是湿式和干式的不同。湿法纺丝速度慢,适于纺制仿真丝织物。干法纺丝速度高,适合生产短纤维。短纤维蓬松柔软,适用生产仿毛织物。干法纺丝时,原液从喷丝孔中挤出形成的原液细流,不是进入凝固浴而是进入纺丝甬道中。在甬道内热气流的作用下,使原液细流迅速蒸发,在逐渐脱去溶剂的同时,原液细流凝固并伸长变细形成初生纤维,再经水洗、牵伸、上油、卷曲等后加工工序形成成品纤维。现我国DMF 溶剂干纺工艺装置由于工艺流程长,工程设备造价高,差别化进程慢及能耗环保问题,其发展空间已经有限。水相沉淀聚合二步法由于其极易撤热、高转化率及生产灵活性强等优势是当前通用腈纶的首选流程，约占世界腈纶总产量的77%。本设计在查阅了相关文献及比较了一步法与二步法后选取了二步法水相沉淀聚合作为课程设计年产5万吨腈纶的聚合釜设计的聚合工艺方法。下图为聚丙烯腈的水相沉淀聚合工艺流程图。图2 聚丙烯腈的水相沉淀聚合工艺流程图1AN+MMA计量稳压罐 ，2NaClO+ CuSO氧化剂稳压罐 ，3NaHSO+ NaNO+ME+水催化系统储存罐， 4计量泵 ， 5搅拌及电动机 ， 6聚合釜 ， 7终止罐 ，8输送泵 ， 9脱单体塔 ，10离心脱水机2.5聚合釜选型 聚合釜容积的选型与制造费用、运行费用、运输条件、生产效率和产品质量等密切相关。100m3聚合釜是引进和吸收欧洲PVC聚合釜先进技术，在国内成功研究开发和制造的聚合釜。聚合釜直径为4 300mm，内夹套直径 4 200，筒体切线长度5 900，长径比为1.38。釜体内壁电解抛光，抛光精度Ra 0.1 um，机械密封使用寿命12 000 h以上，泄漏量小于5 mL/h。设备总体技术达到国际先进水平，可用于生产各种型号的悬浮法PVC树脂，尤其是生产用于注塑料的高型号树脂（SG7 和SG8树脂），更显出其独特的优势，并实现全过程自动化控制。2.6 聚合釜换热方式 聚合釜的换热能力的大小决定釜的生产能力，聚合釜的换热能力取决于3个因素，即传热系数、换热面积、换热的温差。 聚合釜的大型化的一个主要问题就是当釜的直径增大时，其釜壁实际厚度必须增加，否则达不到耐压等级。一般氯乙烯单体聚合的最高温度选为80oC，对应的蒸汽压力为1.5 Mp，考虑到安全系数，一般悬浮法聚氯乙烯聚合釜的设计最高工作压力定为2.5 Mp。我国聚氯乙烯树脂标准有8个牌号，SG-8树脂的反应温度最高一般为6567 oC，对应的压力为1.151.20 Mpa，其实际工作最高压力不超过1.20 Mpa，聚合釜的设计最高工作压力可以定为2.0 Mpa4。如70m3聚合釜的直径为3 810，如果使用不锈钢和碳钢的复合钢板的厚度为3mm + 27mm，而100m3聚合釜的直径为4 250，如果使用复合钢板的厚度为3mm + 30mm，100m3聚合釜壁的传热系数比70m3传热系数降低7%。因此，当聚合釜的体积增大时，直筒段夹套和封头的总换热能力降低很多，表面积与体积比例从1.26降为1.00。如果不从工艺方面采取措施（如设置釜顶冷凝器等），聚合反应时间将会增加25%。 换热夹套方式可以分为传统的釜外冷却夹套方式和釜内换热夹套方式，釜外夹套冷却方式具有制造简单，釜的内壁既承担承重的作用也要承担换热的功能，由于内壁较厚其换热能力较低；釜内换热夹套方式制造技术要求高，釜自身和反应物料的重量由釜外壳来承担，釜内壁只是起到隔绝冷却介质和换热的功能，可以很大程度地减少釜内壁的厚度，提高传热系数，提高聚合釜的生产强度。 对外夹套结构而言，釜体壁厚是影响传热的主要部分，占总热阻的56%以上，因此减少金属壁厚的热阻是提高聚合釜传热效率的主要方向，但釜体壁厚受压力和材料强度的制约，无法进一步减薄。聚合釜采用不锈钢复合钢板内夹套结构的聚合釜型，可以同时解决聚合釜强度和传热的问题。使得夹套内的冷却水与釜内的介质仅隔几毫米厚度，金属壁厚的热阻大大下降，提高了釜的传热系数。另外，全流通螺旋夹套结构传热面积达到最大化。上海森松和北京化二的技术人员对于夹套的方式进行比较，重点对以下4种换热内夹套的方式进行了研究，图3为螺旋导流板全流通夹套结构。、图4为半圆管夹套结构，图5为角钢全流通内夹套结构，图6为半管层叠焊接全流通内夹套结构。 图3 图4 图5 图62.7 釜顶冷凝器 使用大型聚合釜，可以采用微机控制，批次之间树脂质量稳定，且消耗定额低。但采用大聚合釜技术后，聚合釜的除热问题一直没有彻底解决。为获得最佳热平衡，国外在聚合釜外增加了回流冷凝器，显著提高了聚合釜的除热能力。对釜顶回流冷凝器有!种不同的观点。一种观点认为冷凝器导致了物料凝胶量增加。冷凝器通常是多管型的，安装在聚合釜顶部，含有氯乙烯单体的蒸汽从反应混合物中升入冷凝器，冷凝成液态，在没有保护胶的情况下，落入聚合釜中，会增加树脂中的凝胶量；另一种相反的观点则认为回流冷凝器对氯乙烯单体与水的共沸混合物的除热是非常有效的，这些冷凝液滴落到聚合釜中以后，在有搅拌的条件下，不会影响聚氯乙烯树脂的质量。 100 m3聚合釜釜顶冷凝器的面积根据循环水冷却水的温度不同而异，一般设计为140200 m2。同时采用回流冷凝器时，将体系内的氮气和不凝性气体排净，防止惰性气体聚集在冷凝器的顶部，影响冷凝效果的发挥。在配方设计中尽量不使用带有挥发性的引发剂或溶剂，防止釜内雾沫夹带而使冷凝器堵塞。为防止在冷凝器内产生黏壁物，提高换热速度，净化由回流冷凝器净化的部分冷却的单体和蒸汽，在转化率达40%70%时，为储存冷凝氯乙烯单体提供了回收槽。另外将回流冷凝器的温度要控制在比聚合釜低1015 oC，以防止回流冷凝器和聚合釜的联接处产生结垢物。62.8釜上关键配件的选择 喷淋阀有气动和电动2种驱动，目前电动驱动基本上取代了气动驱动。电动驱动的特点是工作平稳、准确，可进行微机程控远距离控制；喷淋阀配有过载、短路、断路等保护装置，使用的安全可靠性大大加强；喷淋阀丝杠处安装了防止操作人员误操作造成超行程的防锁死装置，问题处理完毕后，打开防锁装置可继续使用，不影响生产。 目前专为聚合釜配套的柱塞式出料阀有气动和电动2种形式，大部分用户采用电机驱动。电机装置同时配备“短路”“、断路”、“过载”等，综合保护器可调节，性能安全可靠。由于采用柱塞式结构，所以在开闭过程中运行平稳，密封性能好，阻力小，同时柱塞与釜口平齐，不会留下死角，避免对树脂质量造成影响。 电动专用柱塞式出料阀是手动出料阀的替代产品，它通过电力控制，电机带动减速机内的蜗轮和蜗杆及阀杆的旋转，使阀门中的柱塞做上下往复直线运动，通过行程开关控制柱塞移动的距离，达到阀开、阀关的目的。2.9 聚合釜的安装 70 m3聚合釜采用挂耳式支撑，受力点在建筑物距地7.8 m处。100 m3聚合釜采用裙座式支撑，考虑釜底的搅拌器和电机的位置、直径较大的出料管道的安装位置、出料泵和出料过滤器等设备的安装位置，将釜的裙座支撑在距地4 m高的建筑物框架上。3设计的流程3.1 聚合釜物料衡算3.1.1计算条件因为是间歇操作过程，所以基准为“批”，计算基准为kgB。本课程设计的聚合釜的年产量是5万吨，年工作时数为8000小时，而丙烯腈三元共聚的反应操作周期=2h，这样一年就要生产4000批。丙烯腈聚合过程以及后处理中损失的丙烯腈为3%，而丙烯腈单釜的转化率只有82%3.1.2计算物料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(二种单体)。每批投入的总单体量15715.36 kgB 为了方便计算水的用量，假设所加的原料均不含水，将原料中的水计算入加水量中。丙烯腈、第二单体MMA的投料量可以根据其与丙腈的进料比确定，AN:MMA93.5:6.5。每批MMA投料量6.5% 1021.50 kgB每批投入总单体量93.5%14693.86kgB其他原料的投料量可以根据NaClO、NaHSO、5HO、NaNO、ME与总单体的比值确定。 每批NaClO投料量0.5%78.58kgB每批NaHSO投料量2.0%314.31 kgB每批NaNO投料量0.9%141.38 kgB每批ME投料量0.43%67.58 kgB每批水投入量28715.03kgB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，其计算公式为： 15715.3628715.0378.58314.310.157141.3867.5845032.4 kgB 3.2聚合釜设计3.2.1聚合釜釜体几何尺寸设计1、 聚合釜实际体积计算 聚合釜中反应混合液的密度选择：聚合釜中主要组份水的密度为1000 kg、丙烯腈的密度为810 kg、甲基丙烯酸甲酯的密度为973 kg、亚硫酸氢钠的相对密度为1480 kg、硝酸钠的密度为2257 kg，由于水和丙烯腈占绝大部分所以取反应混合液密度930 kg。 反应混合液体积48.42聚合釜的装料系数一般在0.60.85之间，本课程设计选取0.8作装料系数，则聚合釜实际体积可根据计算。聚合釜实际体积60.5。2、聚合釜的尺寸以及上下封头尺寸设计对直立反应釜来说，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，根据釜体容积和物料性质选定釜体的长径比HD值(其比值一般在11.5之间)，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0.131，封头高度D4 。令：h为釜体直边高度、H为聚合釜釜体总高度，则： Hh2hD2若取HD1.5，则有：H1.5DhD2 ,则有hD。 h0.2620.2621.047 D3.87 m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，D应选定为4.0m。釜体直边高度为：h3.482m釜体实际高度为：Hh23.48224.045.482m聚合釜的实际容积为：h0.2620.7853.4820.26260.51聚合釜实际长径比：HD5.48241.371。 上下封头均为标准椭圆封头，其直径4.00m 。根据标准封头的设计参数封头的高度(封头曲面高度)D41.00m1000mm，封头直边高度为50mm。封头的壁厚在2036mm。釜体圆形直筒部分高度：3.48220.053.382m。3.2.2聚合釜釜体选材在水相聚合反应过程中聚合釜内结疤是生产过程中比较突出的一个问题，由于结疤造成传热效果变差，聚合釜内物料温度波动，从而影响产品质量，如疤层脱落后，将会堵塞管道。因此，如不采取适当的抗疤措施，则无法长期运转。日前，国内腈纶两步法生产中聚合釜采用了铝质材，认为抗疤效果是比较好的。铝材质产生抗疤作用的原因是在铝釜中产生微电池。聚合釜所选用的铝材含铝量为99，因铝中含有铁等杂质，这样在酸性介质中(pH1.9)，由于杂质与铝的电极电位不同，便形成了原电池。铝失去电子变成离子溶入介质中，使铝釜本身带负电荷，同时由于聚丙烯腈颗粒表面上出带有负电，因此聚台物颗粒不易粘附在聚合釜壁面上。另外，在聚合釜内对称地安装着四块材质是合金铝的挡板，合金铝与釜壁的纯铝电位不同，使釜壁带有负电，更加强了排斥聚合物颗粘附到釜壁的作用，从而起到电抗疤的作用。采用电极抗疤措施，虽然对釜壁有一定的腐蚀作用但产品中含铝量并不高，能满足产品质量要求8。3.2.3进出口管径 1、进料口管径 聚合釜中的反应混合液体积48.42，进料时间为20min，则每秒进料流率0.04035s。进料流速为1ms，则进料管直径为： 220.2267m进料口管径取DN250，进料口管内径0.25m。2、出料口管径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51.40，出料时间30min，则每秒出料流率0.0269s。出料流速也为1ms，则出料口管径为： 220.185m出料口管径取DN200，出料口管内径0.2m，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DN250，即出料口管径为0.25m。3.2.4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19.5kcalgmol。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。夹套内径一般按公称尺寸系列选择，以利于按标准选择夹套封头，取得夹套直径为4.2m,夹套与筒体间隙为0.2m。夹套直边高度主要由传热面积确定，一般应不低于料液高度，以保证