年产9000t聚丙烯酸树脂工艺设计-化工原理课程设计[1].doc

化工工艺课程设计报告设计题目： 年产3000吨聚丙烯酸树脂的工艺设计指导老师： 设计者班级： 设计者姓名： 设计日期： 年 月 日 年 月 日目录一、设计任务书3二、生产主要工序和工艺流程4三、聚合工序物料衡算4（1）出主副反应方程式3（2）集相关数据资料4（3）选择计算基准与计算单位5（4）选择计算顺序5（5）计算主要原料的投料数量5（6）顺流程逐个设备展开计算6（7）整理并校核计算结果8（8）写物料平衡表8四、聚合反应器的工艺计算、设计、选型10五、聚合反应器设计结果一览表11六、工艺设计总结12七、参考文献12八、聚合反应器几何外形示意图13九、工艺流程图14设计任务书年产2000-8000吨聚丙烯酸树脂的工艺设计一、 设计内容：1. 丙烯酸反相悬浮聚合制备高吸水树脂的主要工序，本设计生产方法的选择依据。2. 对上述工艺的聚合工序做物料衡算。3. 对聚合反应器进行工艺计算、设计和选型。4. 绘制丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作工艺流程图二、 设计要求1. 年产2000-8000吨，年生产时间为330天。间歇操作，V101，V102，V103，R101每天8批，V104由于引发剂用量很少，所以每天配制一批即可。聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率为100%，单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有增加。原料NaOH水溶液浓度为50%， 其他原料均视为纯物质。其他技术指标见附表。2. 每人绘制一张完整的合成工段的工艺流程图，选用A3图纸。三、 设计报告书内容1. 任务书2. 设计说明书：1） 目录2） 设计说明书生产方法简介对中和罐V102，分散介质调配罐V103,引发剂调配罐做相应的物料衡算，并编写各自的物料平衡示意图和总物料平衡示意图。编写物料流程图，编写物料平衡表。对聚合反应器进行工艺计算、设计和选型， 包括反应器的体积，釜体外形尺寸的设计(封头选型确定封头与筒体的连接方式，选择长径比，计算并选择釜体内径，直边高度，计算最高液位、最低液位。画出反应器的几何外形示意图。涉及的容器等设备应有相应的设备容积的设计。并列出设计结果一览表。要求对设计中出现的问题列出，并列出解决的办法。3）工艺流程图， 用A3图纸绘制。4）参考文献。附表 技术指标项目内容技术指标聚合物后处理损失率2%聚合物质量丙烯酸中和度75%（mol）原料NaOH水溶液浓度50%(质量)中和用NaOH水溶液浓度30%(质量)单体水溶液浓度45%(质量)引发剂用量0.2%单体质量引发剂水溶液浓度50%(质量)分散稳定剂用量2%单体质量分散介质（正庚烷）用量与单体质量比为4：1正庚烷循环用量90%正庚烷总用量 二、生产主要工序和工艺流程(1) 主要组成工序：原料准备工序 ，聚合工序 ，分离工序 ， 聚合物后处理工序。(2) 工艺流程简述来自T101中的纯丙烯酸用原料泵P102分批加入V102中。T102中NaOH水溶液的浓度为50%，它在V101中被稀释成浓度为30%的溶液，然后按一定比例缓慢加入V102中与丙烯酸进行中和反应，得到中和度为75%的丙烯酸与丙烯酸钠混合物（简称单体），再加入适量水，得到单体浓度为45%的溶液。正庚烷与一定量的分散稳定剂在V103中进行配制得到分散液，其按比例与单体溶液共同进入反应器R101中，然后加入在V104中配制好的引发剂浓度为50%的水溶液。反应大约进行2.5h。反应结束后，聚合物混合液被送至分离工序及后处理工序进行分离、干燥、包装等处理，得到最终产物。正庚烷经蒸馏处理后循环使用。三、聚合工序物料衡算（1） 明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式 在V101、V103、V104中是单纯的物料混合配制，无相变与化学变化。 在V102中75%的丙烯酸被中和，中和反应方程式如下： 在R101中引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下：丙烯酸自由基聚合中单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量无化学计量上的变化，引发剂会结合到聚合物分子链上。（2） 收集数据资料 生产规模 设计任务书中规定的年产量：3000 生产时间 年工作日：330 间歇操作，V101、V102、V103、R101每天8批，V104由于引发剂用量很少，所以每天制备一批即可。 相关技术指标项目内容技术指标聚合物后处理损失率2%聚合物质量丙烯酸中和度75%（mol）原料NaOH水溶液浓度50%(质量)中和用NaOH水溶液浓度30%(质量)单体水溶液浓度45%(质量)引发剂用量0.2%单体质量项目内容技术指标引发剂水溶液浓度50%(质量)分散稳定剂用量2%单体质量分散介质（正庚烷）用量与单体质量比为4：1正庚烷循环用量90%正庚烷总用量 质量标准 原料NaOH溶液浓度为50%，其他原料均视为纯物质，因为只对聚合工艺做物料衡算，所以不用考虑产品的其它质量指标。 化学变化参数 加入的NaOH能够与丙烯酸完全反应，生成丙烯酸钠。各组分相对分子质量如下： 化合物丙烯酸 NaOH 丙烯酸钠水 单体混合物 相对分子质量7240941888.5其中：75%中和的丙烯酸单体混合物的平均相对分子质量：聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为100%，单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有增加。（3） 选择计算基准与计算单位因为是间歇操作过程，所以基准为“批”，单位为。大部分设备的操作周期为8 ，只有V104（引发剂调配罐）是1。但引发剂向R101进料周期仍与其他设备相同，所以在做物料衡算时，物料M11的数量仍以8计算。在做设备工艺计算时，V104的体积大小应按1处理量进行计算。（4） 确定计算顺序由于产物与原料之间的化学计量关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产量与单体原料投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。（5） 计算主要原料（丙烯酸）投料数量用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须先求出主要原料（丙烯酸）每批投料量。该生产装置年产量3000t，年开工330d，每天生产8批，后处理中聚合物损失率2%。每批应生产聚合物数量= 引发剂（0.2%单体质量）全部结合到聚合物中； 单体100%转化成聚合物，且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同； 丙烯酸相对分子质量：单体平均相对分子质量=72：88.5丙烯酸投料量=（6） 顺流程逐个设备展开计算 V102（中和罐）物料衡算已知：丙烯酸中和度=75%、丙烯酸相对分子质量=72、NaOH相对分子质量=40、单体相对分子质量=88.5M1（原料丙烯酸）=941.48M4（30%NaOH溶液）：NaOH：H2O：合计：M6（45%单体溶液）： 单体： H2O： 合计：M5（无离子水B） 对V102中组分水做物料衡算有：水M5=水M6-水M4-中和反应生成水 中和反应生成水： 无离子水B：对V102做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M1+M4+M5=M6（说明物料衡算是正确的） V101(NaOH调配罐）物料衡算M4 （30%NaOH溶液）=1307.6 NaOH：392.28 H2O：915.32 M2 （50%NaOH浓溶液） NaOH：392.28 H2O：392.28 合计：M3 （无离子水A）=对V101做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M2+M3=M4（说明物料衡算是正确的） V103（分散介质调配罐）物料衡算已知：正庚烷：单体=4：1、分散稳定剂=2%单体质量M7 （正庚烷）=循环正庚烷=新鲜正庚烷=M8 （分散稳定剂）=M9 （分散液）= R101（聚合反应器）物料衡算M10 （待聚合液）=M4+M9 单体： H2O： 正庚烷： 分散稳定剂： 合计：M11 （引发剂水溶液）已知：引发剂用量=0.2%单体质量、引发剂水溶液浓度=50%（质量） 引发剂： H2O：2.31 合计：M12 （聚合物混合物） 分散稳定剂： 正庚烷： H2O： 聚合物： 合计：对R101做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M10+M11=M12（说明物料衡算是正确的） V104（引发剂调配罐）物料衡算已知：引发剂溶液每天配一批，供8批反应使用。M13 （引发剂）：M14 （H2O）：（7）整理并校核计算结果 对聚合工艺做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M1+M2+M3+M5+M7+M8+M11=M12说明整个聚合工艺的物料衡算过程是正确的。（8）写物料平衡表丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡表 单位：物流号丙烯酸单体NaOHH2O引发剂正庚烷分散稳定剂聚合物合计M1941.48941.48M2392.28392.28784.56M3523.04523.04M4392.28915.321307.60M5322.54322.54M61157.231414.392571.62M74628.924628.92M823.1423.14M94628.9223.144652.06M101157.231414.394628.9223.147223.68M112.312.314.62M121416.704628.9223.141159.547228.30M1318.4818.48M1418.4818.48四、聚合反应器的工艺计算、设计、选型求V101体积取，则求V102体积取，则求V103体积取，则对R101作工艺计算取，则标准椭圆封头的体积为，。令h为釜体直边高度，H为反应器釜体总高度，则：取，则有虽然反应器属于非标准设备，但用于制造反应器的上下封头仍选用标准封头。参照标准椭圆封头（JB/T 4737-95），此处按公称尺寸选定釜体直径为。釜体的直边高度为：釜体实际高度：由标准椭圆封头直边高度与直径关系表，取直边高度为50mm，釜体圆形直筒部分高度：反应器的实际体积为：反应器实际长径比：最高液面：取体积收缩系数，最低液面： 反应器的几何外形示意图见附图。五、反应器设计结果一览表 聚合反