热引发的苯乙烯单体聚合用连续反应釜的设计4500吨聚苯乙烯／年

1、1.设计方案简介1.1聚苯乙烯的生产方法苯乙烯为无色或微黄色易燃液体。有芳香气味和强折射性。不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、二硫化碳等有机溶剂。苯乙烯的熔点为30.6，相对密度为0.9019，沸点为145.2，折射率1.5463，闪点为31，临界温度为373，临界压力为4.1MPa。 闪点是指可燃性液体表面上的蒸汽和空气的混合物与火接触而初次发生闪光时的温度。临界温度是该物质可能被液化的最高温度。临界压力是指在临界温度时使气体液化所需要的最小压力。苯乙烯受热会形成自由基，受热至120时自由基生成速率明显增加，可用于引发聚合。因而，苯乙烯的聚合可以不加引发剂，而是在热的作用下进行热引发聚合。但苯

2、乙烯的热聚合产物很复杂，至少有15种聚合物生成，其中，三烯化合物是真正的引发剂。三烯化合物与苯乙烯发生氢原子转移反应，生成两个单体自由基，然后进行引发聚合：本设计由于以甲苯为稀释剂，故采用的是溶液聚合。溶液聚合是将单体和引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合反应。其基本组成由分单体、引发剂、溶剂组成，聚合场所在溶液内，是均相介质。溶液聚合的优点是散热控温容易，可避免局部过热，体系粘度较低，能消除凝胶效应。其缺点是溶剂回收麻烦，设备利用率低、聚合速率慢、分子量不高。下面是陶氏化学公司溶液聚合生产聚苯乙烯流程(图b)，以乙苯作溶剂，降低反应混合物的粘度、提高传热效率。 本设计主要对第二个反应釜进行设计，选

3、用立式搅拌反应釜。2.基本设计条件的选定2.1反应温度的确定 目前工业上高温苯乙烯本体聚合在120170上进行热聚合。本体聚合采用分段聚合，以解决本体聚合的散热问题，苯乙烯具有热引发聚合的特点，不加引发剂，在120以上，即有较高的聚合速率。在170下聚合，几乎可达到完全转化。而反应最终聚合率为0.795，以甲苯为引发剂，故选取反应温度150。2.2 反应器的选择本反应采用搅拌釜反应器。由于此设计是苯乙烯的聚合反应，可以近似看作是液液反应，产量要求不大，因而本设计选用立式搅拌反应釜。2.3搅拌装置的选择搅拌装置的主要作用是强制物料流动，强化传热与传质效果；使物料充分接触，均匀混合。因此搅拌釜反应

4、器对各种反应体系适应性强，操作弹性大，适用温度和压力范围广，既可用于间歇操作，又可用于连续操作。苯乙烯单体聚合反应中，聚合物是熔融状态，随着聚合过程的进行粘度逐渐增大。粘度在75 Pa.s以下，可用涡轮式搅拌器。当搅拌速度很高时，容易产生漩涡，大大降低了液体内部的混合效果，为了增加液体的剪切作用，加强搅拌的激烈程度，常在釜体内靠近器壁的地方装上挡板，增大被搅拌液体的湍流程度，改善搅拌效果。2.4换热装置的选择搅拌反应锅大多设有传热装置，以满足加热或冷却的需要。本设计是放热反应，因此传热装置是用于冷却。传热方式、传热结构形式和传热剂的选择主要决定于所需控制的温度的高低、反应热的大小、传热速度的快

5、慢和工艺的要求等。选用在反应釜外设置供加热用的夹套传热装置。夹套传热的优点是结构简单，耐腐蚀，适应性强。夹套高度应高于液面高度，以便于提供最大的传热面积。当传热速率要求不高和传热剂的工作压力较低时，通常使用夹套传热结构。当夹套内转热剂的压力大于0.6MPa时，夹套必须采用加强措施。当传热面积需要很大时则一般选用蛇管传热设备，设备的确定需要根据计算传热的结果来确定。2.5聚合工艺流程图料斗去包装造粒机挤压机添加剂溶剂和单体去精制循环使用脱出挥发物塔聚合反应器苯乙烯3.物料衡算 聚苯乙烯年生产量6500吨/年，每年工作330天，苯乙烯单体聚合一般采用4到5级反应釜进行反应，反应最终聚合率为79.5

6、%，反应液最终聚合物的质量分数为70%，以甲苯为稀释剂，在反应液中质量分数为12%，则苯乙烯的质量分数为88%，物料衡算有：苯乙烯每天需投入量：物料每天的投入总量：甲苯每天投入的总量：4. 反应釜体的设计由于温度、溶剂、搅拌速度、搅拌时间等影响,聚合物的聚合度不同，由150下，苯乙烯的聚合度大概为1200，本操作反应属于溶液聚合的一级反应。4.1反应釜体积的计算4.1.1反应时间的确定热引发的苯乙烯单体聚合的反应级数一般认为是一级或二级反应，本设计采用一级引发的机理计算。由一级反应的反应速度常数与温度的关系图查得反应温度为150下k=0.44，计算反应时间有：4.1.2 反应物料的体积计算由密

7、度与温度的关系图查得，反应温度为150下反应液的密度=833 k g/ m3，计算如下：每天所需处理物料总体积： 每个设备每天能操作的批数：每小时所需处理物料总体积：物料体积：=根据经验，装料系数一般取0.70.8之间，取=0.75，求得=4.2 反应釜尺寸的计算4.2.1确定筒体内径根据表2-1罐体长径比经验表，一般搅拌罐的液液相物料H/11.3，取H/1.3 圆整为 4.2.2确定封头尺寸椭圆封头选择标准件，其内径与筒体内径相同。参照化工设备机械基础课程设计指导书的附录查找，筒体公称直径圆整为1400mm时,，当封头公称直径DN时，直边高度h宜为25mm曲边高度， 直边高度4.2.3确定罐

8、体高度4.2.3.1确定筒体高度=圆整为=1.1釜体实际高度为H=按圆整后的筒体高度修正实际的容积，则反应器实际长径比：/=1.85/1.4=1.32最高液位高度=苯乙烯体积收缩系数：最低液位高度5. 搅拌装置的设计5.1搅拌器的尺寸计算在均相液体的混合中，此类体系对搅拌功能要求比较简单，以混合搅动功能为主，搅拌过程的主要控制因素是液体在反应器中的容积循环速率。湍流流动时最好加挡板。涡轮式搅拌浆具有较大的局部剪切作用和容积循环速率，所以对此类操作效果比较好。其中以直叶涡轮浆的前切作用最大，液滴分散程度最大。当搅拌转速很高时，容易产生漩涡，大大降低了液体内部的混合效果。为了增加液体的剪切作用，加

9、强搅拌的激烈程度，常在釜体内靠近器壁的地方装上挡板。挡板的作用是可以避免液体在旋转的搅拌轴中心形成液体凹陷的漩涡现象，增大被搅拌液体的湍动程度，将切线流动转变为轴向和径向流动，改善搅拌效果。安装了挡板后，在较小的搅拌转速下，就可以达到湍流的状态。但安装挡板后，流动阻力增加，搅拌功率增加。本实验选择涡轮式，用六平片式涡轮，轮径D/T1/4；叶轮距器底高度；叶片宽度W=1/10T；叶片长度L=1/4D；液深H/T=(液深是器径的1.321倍)；挡板数=4；板宽。5.2搅拌器的转速和功率计算5.2.1转速的确定搅拌器尺寸与转速的大小与搅拌目的及被搅拌物料的物性有关。例如，均相液相的混合与固体的溶解对

10、转速的要求较低。而非均相液体的乳化或气相的分散则要求较高的转速。对黏度小的液体，搅拌器的作用范围较大，可用较小直径的搅拌叶。液体的黏度很高时，则搅拌器的有效作用范围变小，需要较大的搅拌器。由于本设计选取六平片式涡轮搅拌器，u=2.56.5m/s，取u=6.5m/s, D =1/4T =1.4/4=0.35故转速 5.2.2搅拌器的校正查附图4有反应液的粘度=0.72 Pa.s根据几何条件，六平叶片涡轮，4块宽度为0.1的挡板，D/T=1/3, ，W=1/5D， H=T Wb=1/10T L=1/4D，查曲线6与Re值的对应的 校正D/T的影响：校正液深：校正叶轮数目影响H/T1.25时,用一个

11、叶轮，叶轮间距S=H/3；H=1.025T；则查文献得：所以5.2.3搅拌器的功率计算搅拌轴的功率Pa由上面计算有D=1/4T=1.4/4=0.35m，转速N=5.9r/s， 5.3电机的功率和减速机的选择5.3.1电机的功率根据5.2.3确定电动机功率Pa. 搅拌轴密封所消耗的功率(Pm/KW),密封装置主要有填料密封和机械密封两种形式,当选用填料密封时Pm=10%15%Pa,选Pm=12%Pa,的范围为0.80.95,取0.85计算. 5.3.2减速机的选择由计算得出搅拌的公称输出轴转速为n=355r/min，配电机功率为P=6.8kw，可选用二级齿轮减速机6夹套的设计6.1 热量衡算热量

12、衡算按照能量守恒定律，传热设备的热量衡算由下式计算： Q1物料带入设备的热量，kJQ2加热剂或者冷却剂传递的热量（加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“”），kJQ3过程的热效应(放热为“+”，吸热为“”，与热焓符号正好相反)，kJQ4离开设备物料带走的热量，kJQ5设备各部件所消耗的热量，kJQ6设备的热损失，kJ要计算传热设备的热负荷，就是要求出其中Q2的值。以下分别计算各部分的热量。一般以进料温度作为基准计算比较方便。 Q5 和Q6是在反应过程中热量的损失，在工业上一般估计Q5 +Q6=15% Q2热平衡式整理为： （1）计算其中，查图，在150下反应液的聚合反应热，有=。由于此聚合

13、反应没有发生物料状态变化热效应，故所产生的物理热效应可以忽略不计，即，有（2）计算 因为物料先预热到80才进料，故取基准温度80，查表知在150时，反应液的比热容Cp =2.1kJ/(kg.k),有（3） 计算 （反应为放热反应，故须采用冷却水冷却）6.2总传热系数K的确定反应器是进行化学反应的设备，化学反应过程常伴有放热或者吸热反应，为了维持最佳的反应温度，反应器中必须设置传热装置。一般的搅拌釜是在釜体的内部或外部设置供加热或冷却用的传热装置，通常为釜体外部夹套或釜内蛇管。夹套为传热装置夹套一般由普通碳钢制备，它是套在反应器筒外能形成密封空间的容器，既简单又方便。为了强化传热，在夹套内常采用

14、螺旋导流板。夹套筒器身的间距视容器公称直径的大小采用不同的数值，一般为25100 mm。夹套的高度取决于工艺要求的传热面积，但一般不能低于料液的高度，应比液面高度高出50100 mm，以保证传热。通常加套内的压力不能超过1000 kPa，夹套传热的优点是结构简单，耐腐蚀，适应性强。但是传热效率不太高。计算K值的基准面积，习惯上常用设备的外表面积Ao，当Ao/Ai<2时近似按平壁计算，即Ai»Am»Ao。在计算给热系数a不考虑锅壁厚度的影响。式中 K总传热系数，w/m2· a-给热系数，w/m2·； Rz-污垢热阻，m2·/w； d-反应器

15、壁厚，m； l-设备壁导热系数，w/m·。（1） 污垢热阻污垢热阻通常采用经验值，常用污垢热阻大致范围如表所示。表 热交换表面垢层系数Rz载热体流速<1 m/s流速> 1 m/s载热体流速< 1 m/s水<50煤气0.002井水0.00020.0002空气0.0001河水0.00010.00060.00020.0004有机蒸汽0.0001硬水0.00060.0006有机液体0.0002蒸馏水0.00010.0001纯水蒸气0软化水0.00020.0001带油水蒸气0.0002水>50冷却剂0.0002井水0.00040.0004盐溶液0.0002河水0.

16、00060.00080.00040.0006锅炉燃料0.001硬水0.0010.001机油0.0002蒸馏水0.00010.0001植物油0.0006软化水0.00020.0002（2）传热系数的确定. 釜侧的传热膜系数可采用如下的关联式求取。 D锅的直径，m流体的导热系数，W/（m·K）n搅拌转速，s-1d搅拌浆直径，m流体密度，kg/m3，s流体及其器壁上的黏度Pa·s常数J、a、b、c的值与搅拌器型式、Res的范围、锅内有无挡板、反应锅几何形状等因素有关。见下表。搅拌器形式Res值范围挡板Jabc浆式3004x105无0.360.670.330.1420400有或者无

17、0.4150.670.330.24涡轮<400>400有或无无0.540.740.670.670.330.330.140.14推进式200400有0.730.650.330.24无0.540.670.250.14锚式30300无1.000.500.330.133004000无0.380.670.330.13查文献有聚乙烯的导热系数=0.17W/(m. ) ,在反应温度下反应液的粘度=0.72 Pa.s. 则有以下计算 常数J、a、b、c的值与搅拌器型式、Res的范围、锅内有无挡板、反应锅几何形状等因素有关。由于本设计选取涡轮式搅拌器，有挡板，所以 J=0.74 a=0.67 b=0

18、.33 c=0.14 即 其中=s 解得.夹套内的传热膜系数 由于该聚合反应是放热反应，需冷却，故夹套内通的是冷水，则可采用如下的关联式：Re<4400时： w/(m2·k) u-水在夹套内流速，m/s， de -夹套的当量直径，m。T夹套壁温与水温间的温度差，K。Re>3600时： w/(m2·k) 本夹套操作反应设置通冷却水的入口温度为20，出口为50，则定性温度是 （20+50）/2=35查文献有夹套内水的物性数据是： 夹套直径（Dj =Di + 100 = 1400 +100 = 1500mm）所以故设置反应釜的壁厚为 反应釜的材料为铸铁，则有导热系数

19、取垢层阻力Rz=0.0004(井水) 则总传热系数有：6.3载热体的消耗量和传热面积的计算6.3.1载热体的消耗量要达到等温操作，则载热体带出热量应等于热量衡算式中的Q2 对于连续釜式反应器，在进行热量衡算时是以每天处理的物料量为基准，在计算传热面积时是以小时为基准。 cp-载热体的热容，kJ/(kg·)-每天生产的次数， -反应时间，h夹套的冷却水入口温度20,出口温度50，根据文献有冷却水的比热容Cp=4.174KJ/(kg.K) 故6.3.2 传热面积的计算 对于连续釜式反应器，在进行热量衡算时是以每天处理的物料量为基准，在计算传热面积时是以小时为基准。 6.4 夹套几何尺寸的

20、计算6.4.1 夹套直径Dj的计算 Dj可根据罐体内径按表2-12推荐的数据选取。夹套封头根据夹套直径及所选封头形式按标准选取。表2-12夹套直径Dj与罐体直径Dj的关系（mm）Di500600700180020003000DjDi+50Di+100Di+200本反应釜的公称直径Di =1400mm，故 夹套直径Dj =Di +100 =1400+100=1500mm6.4.2 夹套高度Hj的计算主要决定于传热面积Ah的要求，且一般不低于液面高度，以保证充分传热。此时可按 Va工艺计算给定容积，m3V封头罐体下封头容积，m3V1m1m高筒体容积，m3装料系数，可取0.60.85（取装料系数）故

21、取=1.2m，夹套筒体高度H=1.0+0.375=1.58m查文献有反应釜时，有 ，故有 查表有 所以则换热装置只选用夹套就足够了。7设计结果一览表年生产量：6500吨/年反应物名称苯乙烯稀释剂名称甲苯未反应液密度，kg/m790反应0.646时反应液的密度833反应液比热容,2.1反应速度常数k,0.44反应液的粘度0.72聚合反应热75反应釜体积2.37釜径1400釜体高度1850搅拌器功率4.58 夹套筒体高1580电机功率6.03夹套高度1200搅拌器转速355物料带入设备的热量 kJ0加热剂或者冷却剂传递的热量 KJ过程的热效应,kJ离开设备物料带走的热 ,KJ每小时热负荷 kJ载热

22、体的消耗量G, -2888.8总传热系数K w/m2· 124.96传热面积F, 7.08设计参数主要符号说明符号代表意义符号代表意义反应物料的密度,kg/m3Cp反应液的比热容, kJ/(kg·K)物料的黏度，mPas反应液导热系数，W/（m·°C）GD每天需处理的物料总重量，kgVD每天所需处理物料的总体积，m3每天操作总批数每锅每天操作批数m设备个数Vh每小时需处理物料体积，m3/hH封封头高度，mVa反应器的体积，m3反应时间，hxA转化率，%u冷却水流速，m/sk反应速率常数设备装料系数CA反应液浓度, kmol/LDi筒体和封头的内径，mV封

23、封头容积，m3Va搅拌设备体积容量，m3n搅拌设备转速 ，r/sNp功率准数Re叶轮雷诺数Fr弗鲁德准数P功率消耗，Wg重力加速度，m/s2N叶轮转速，r/s D叶轮直径，m液体粘度，Pa·S功率函数T筒体直径，mW叶轮叶片宽度，mQ1物料带入设备的热量，kJQ2冷却剂传递的热量kJQ3过程的热效应，kJQ4离开设备物料带走的热量，kJQ5设备各部件所消耗的热量，kJQ6设备的热损失，kJQr化学反应热效应，kJQp物理过程热效应，kJ标准化学反应热，kJ/molGA参加化学反应的A的质量，kgMAA反应物的分子量K总传热系数，W/m2·a给热系数，W/m2·Rz污垢热阻，m2·/W反应器壁厚，m设备壁导热系数，W/m·de夹套的当量直径，mJ a b c给热系数确定所需的常数值G载热体的消耗量,kJF传热面积，m2F筒体筒体的传热面积，m3F封封头的传热面积，m2 为1米高筒体容积9后记通过此次课程设计，使我们更加扎实的掌握了有关化工工艺学方面的知识，在设计过程中虽