反应器工艺设计2-1.ppt

1、聚合物合成 工艺设计,材料科学与工程学院 许莉莉,第6章 设备的工艺设计,1 设备选型及设计的原则 2 液体输送机械的选型设计 3 反应器的工艺设计 4 贮罐的选型及工艺设计 5 换热设备的选择及工艺设计,3反应器(Reactor)的选型与设计,聚合反应过程的特点： 反应机理复杂，产品质量指标多，大多数反应体系随聚合反应的进行，粘度急剧上升，物理粘壁现象严重，搅拌流动困难，传热传质不均匀等。,对反应器的工艺要求与设计要点,1 反应动力学要求 （或产品质量与产量的要求） 2 热量传递的要求 3 质量传递过程与动量传递过程的要求 4 过程操作与控制的要求 5 机械工程的要求 （1）结构型式 （2）

2、材质选定 6 技术经济管理的要求,一 对反应器的工艺要求与设计要点,聚合反应器分类与选型,1 反应动力学要求（或产品质量与产量的要求） 根据动力学确定一定的转化率和反应时间，从而决定满足一定生产规模所需的反应器容积，进而确定设备的工艺尺寸等。 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。,2 热量传递的要求 及时移出反应热，保证反应过程正常进行，需要解决传热方式和传热装置问题，还需设计出可靠的计测控制系统以便对反应温度实施有效的检测和控制。,3 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泵用以调

3、节流量和流速，或在釜式反应器内设置搅拌等措施。,4 工程控制的要求 为保证生产稳定、可靠、安全地进行，设计反应器时必须重视安全操作和自动控制。 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。,5 机械工程的要求 （1）结构型式 保证反应设备在操作条件下有足够的强度、足够的传热面积，并易制造。 （2）材质选定 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，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反应或污染产品。用搪瓷或搪玻璃的设备。,6 技术经济管理

4、的要求 经济效果的好与差是衡量设计质量的关键因素。 设计成果应当投资少，符合优质高产低耗的要 求，需采取多方面的措施。,1 反应动力学要求 （或产品质量与产量的要求） 2 热量传递的要求 3 质量传递过程与动量传递过程的要求 4 过程操作与控制的要求 5 机械工程的要求 （1）结构型式 （2）材质选定 6 技术经济管理的要求,一 对反应器的工艺要求与设计要点,聚合反应器分类与选型,按基本结构分类如下： 管式、塔式反应器 釜式反应器 特种反应器,二 聚合反应器分类与选型,釜式反应器的基本结构,管式、塔式反应器 （Tubular Reactor、Tower Reactor）,特点：传热面积较大，传

5、热系数较高，流体流速较快，因此反应物料停留时间短，便于分段控制以创造最适宜的温度梯度和浓度梯度。结构简单、耐高压等优点。,应用： 一般用于规模大的气体反应和某些液体反应，还可用于强烈放热或吸热的化学反应。如LDPE,PP生产中所用的管式反应器。,特点：可间歇操作也可连续操作，停留时间可长可短，温度、压力范围可高可低，停止操作后易开启清理。,釜式反应器（Tank Reactor）,应用：一般由于有液相参加的化学反应，如液固，液液，液气，液固气。如PP,PS生产中所用的釜式反应器。 特种反应器,分类：间歇操作 Batch Reactor 连续操作Continuous Stirred Tank Re

6、actor(CSTR) 半间歇釜式反应器Semi-batch Tank Reactor,特种反应器（Special Reactor ）,特点：高粘度聚合体系，如螺杆型反应器、表面更新型反应器（聚酯生产中后缩聚反应采用的单轴或双轴卧式反应器）。,BACK,PP环管生产装置,缩聚釜,PVC 间歇聚合釜,PVC 间歇聚合釜,三 釜式反应器的基本结构,1 釜体 提供足够的反应体积保证反应物达到规定转化率所需的时间，并且有足够的强度和耐腐蚀能力以保证运行可靠。,2 换热装置 有效地输入或移出热量，以保证反应过程最适宜地温度。,釜式反应器设计程序及计算方法,NEXT,3 搅拌器 加强反应物料与催化剂均匀混

7、合使之接触良好，使各类助剂均匀分散，使悬浮体系或乳液体系保持稳定，强化釜内传热与传质。 作用： 混合功能 搅动功能 分散功能 悬浮功能,4 轴密封装置 用来防止釜体与搅拌轴之间的泄漏。 5 上、下封头 6 工艺接管 为适应工艺需要，设备上必须有各种加料口、出料口、视镜、人孔及测温孔等，其大小和安装位置均由工艺条件确定。,1 反应釜体积计算 （1）间歇反应釜 （2）连续反应釜 2 确定封头型式 3 确定封头与筒体的连接方式 4 反应釜直径D0与筒体高度H的确定 5 计算并选择釜体内径。 计算釜体直边高度。 计算最高液位、最低液位。 画出反应器几何外型示意图。 6 应用举例 7 釜式反应器小结,我

8、,四 釜式反应器设计程序及计算方法,a.根据年产量确定日产量Wd ，kgd-1 b.确定生产周期或每天生产批数 T=R+ a (6-1) 式中 T一个生产周期的时间，h； R反应达到预期转化率所需反应时间，h； a 辅助操作时间，h。 则：每天生产批数 24 /T (6-2) c.选择反应器装料系数 VR/VT (6-3) 式中 VR 反应物料所占体积，m3 VT 反应器实际体积，m3。 搅拌釜反应器，取0.70.8，有起泡或沸腾时，取0.40.6。,间歇釜式反应器容积计算方法,d.计算反应器体积及台数,间歇釜式反应器容积计算方法,多台反应器并联使用,或,Wd 日产量 ，kgd-1 T一个生产

9、周期的时间，h 每天生产批数 反应器装料系数 VR 反应物料所占体积，m3 VT 反应器实际体积，m3,a.根据年产量确定每小时处理物料量d , kgh-1； b.确定物料平均停留时间，(无辅助操作时间)，h； c.确定装料系数(同间歇操作); d.计算反应器体积及台数。 连续操作反应液体积计算公式如下：,连续釜式反应器容积计算方法,a.标准椭圆封头(standard ellipse head) b.碟封头(dished head) c.锥形封头（conical head) d.球面封头（spherical head),封头(end plate)是化工设备的重要组成部分，它与圆形直筒部分一起组

10、成设备的外壳，如储罐、塔设备、换热器、反应器等设备的釜体均是由筒体与封头组成的。,确定封头型式,封头的设计参数及特点,封头的设计参数及特点,示意图,各种封头的外形尺寸,封头与筒体的连接形式有两种:焊接连接和法兰连接。法兰连接便于设备内部结构的安装与检修，但造价较高，密封性能较差;焊接连接设备结构简单、造价低、密封性能好，但不利于设备安装与检修，为此常在釜体上封头上开设人孔。一般来说，对于搅拌釜反应器，若反应器直径较大，对密封要求较高时，应采用焊接连接。若直径较小，内部结构比较复杂，对安装和检修要求较明确时，可采用法兰连接。容器法兰及垫片的设计标准参见附录。 容器法兰的密封面型式有平面、凹凸面和

11、榫槽面三种 (图)，其中榫槽面法兰密封性能最好，平面法兰最差，但平面法兰造价低，因此可根据设备的性能要求进行选择。,确定封头与筒体的连接方式, 法兰的结构及密封面型式,法兰的结构及密封面型式,H 釜体总高度 (Height，包括封头高度)，m； D 釜体直径 (Diameter)，m。 H/D小 (矮胖型)，釜内液体比表面积大，表面更新容易，小分子组分易汽化;搅拌轴相对较短，搅拌装置旋转稳定；搅拌桨直径大，需要搅拌功率高；对传热面积的增加不利;传热距离较长，传热效果差。 H/D大 (瘦高型)，釜内液体比表面积小，有利于气体吸收;搅拌轴较长，加工困难，且旋转不稳定;单位反应器体积夹套传热面积较大

12、，传热距离较短，传热效果较好。,反应釜直径D0与筒体高度H的确定,反应釜直径D0与筒体高度H的确定,例6-1 有一变容反应体系，采用搅拌釜反应器，日产量Wd=26.6td-1,间歇操作。R3h、a=0.5h、m970kgm-3、体积收缩系数-0.2、0.6、H/D1.52，上下封头均用标准椭圆封头，如本题附图所示，确定反应器几何外形尺寸。,可 以 取 V = 12 M 3,解：,查表6-1标准椭圆封头的体积为0.131D3、h封D/4。 令：h为釜体直边高度、H为反应器釜体总高度，则： Hh+2h封h+D/2=1.5D,反应液体积：,若取H/D1.5，则有：hD,反应器总体积应为：,间歇操作周

13、期：,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应该选用标准封头（参见附录）。因为H/D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为1.8m。 釜体的直边高度为：,釜体实际高度为：,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：,最低液位：,反应器实际长径比为：H/D=2.92/1.8=1.622。,最高液位：,小 结, 定操作方式 反应器体积计算 确定封头型式及连接方式 确定釜体高度和直径 确定反应器的实际体积 反应器的实际长径比 计算最高液位、最低液位 画出反应器几何外形示意图,例6-2 有一丙烯聚合反应体系，

14、采用搅拌釜反应器，年产量Wy=4250ty-1,间歇操作,年工作时间8000小时。R3.5h、a=1.5h、m500kgm-3、体积收缩系数-0.2、0.6、H/D1.82.5，上下封头均用标准椭圆封头，如本题附图所示，确定反应器几何外形尺寸。,则，D=4.380m,解：间歇操作周期为：T=R+a=3.5+1.5=5.00hr； 年批次：8000/5=1600 反应液体积：VR=4250103/（1600500）=5.3125m3 反应液总体积：VT=VR/=5.3125/0.6=8.8542m3 查表1得标准椭圆封头体积为0.131D3,h封=0.25D 令h为釜体直边高度，H为反应器釜体总

15、高度，则： Hh2h封hD/2=1.8D(取H/D1.8)，则h=1.3D D=1.9039m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： 反应器实际高度为Hh2h封hD/2=2.88051.8000/23.7805m 反应器实际长径比：H/D=3.7805/1.8=2.1003 最高液位： 最低液位：,解：间歇操作周期为：T=R+a=3.5+1.5=5.00h 年批次：8000/5=1600 反应液体积：VR=4250103/（1600

16、500）=5.3125m3 反应液总体积：VT=VR/=5.3125/0.6=8.8542m3 查表1得标准椭圆封头体积为0.131D3,h封=0.25D 令h为釜体直边高度，H为反应器釜体总高度，则： Hh2h封hD/2=1.8D(取H/D1.8)，则h=1.3D,则，D=4.380m,解：间歇操作周期为：T=R+a=3.5+1.5=5.00hr； 年批次：8000/5=1600 反应液体积：VR=4250103/（1600500）=5.3125m3 反应液总体积：VT=VR/=5.3125/0.6=8.8542m3 查表1得标准椭圆封头体积为0.131D3,h封=0.25D 令h为釜体直边

17、高度，H为反应器釜体总高度，则： Hh2h封hD/2=1.8D(取H/D1.8)，则h=1.3D 则，D=4.380m 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 反应器实际长径比：H/D=3.7805/1.8=2.1003 最高液位： 最低液位： 2解：物料流程示意图：,因为H/D取得较小，所以此处按公

18、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 反应器实际长径比：H/D=3.7805/1.8=2.1003,最高液位： 最低液位：,2解：物料流程示意图：,液相本体法聚丙烯生产工艺的聚合釜属于中压容器，同时考虑挂胶问题，据此进行主要设备的选择和工艺尺寸的设计计算。 1 反应釜设计 2 闪蒸釜设计 3 泵类等辅助设备的选型,实例 PP间歇法

19、,国内间歇法本体聚合PP生产技术中，生产装置中所用的聚合釜主要有4m3、12m3和15m33种 。 开始反应时，釜内全是液相丙烯，随着反应时间的延长，液相丙烯中悬浮的聚丙烯固体颗粒逐渐增多，反应后期几乎全是PP颗粒 。 聚合釜采用螺带式搅拌器（单螺带搅拌或双螺带搅拌）。为防止釜底下料管的堵塞，釜底设计了小搅拌。聚合热以夹套散热为主，辅以釜内冷却管散热的方式。,一 聚合釜设计容积的计算,反应釜设计,1.1聚合釜材质的选定 1.2 聚合釜容积的确定 1.3 聚合釜外形尺寸的设计 1.4 内构件及搅拌轴封的设计 2 闪蒸釜设计 3 泵类等辅助设备的选型,1.1聚合釜材质的选定 聚合釜生产的操作压力为

20、3.50.1Mpa，反应温度为763，同时催化剂有腐蚀作用，聚合有挂胶现象，故其材质选用不锈钢，这样产品的清洁度也较高。,每釜每次产量：2658Kg 则每釜年产量：80002658/(51000)=4252.8t,1.2 聚合釜容积的确定 计算公式：,可以取V=12m3,式中：V聚合釜设计容积，m3； E装置单线生产能力，t/a； P单釜操作周期，h； T年操作时数，h/a； C丙烯转化率，%； d最高操作温度（75）时液相丙烯的密度，t/m3； 聚合釜最高操作温度条件下的设计装料系数，%。,1.聚合釜高径比的选择 聚合釜高径比的选取主要考虑三个方面的需要： 有利于聚合釜撤热，所以要保证较大的

21、高径比才能保证足够的比热面； 有利于氢调，要保证有足够的比界面（单位釜容积的界面面积），聚合釜的高径比不能选取过大； 考虑对搅拌功率的影响，高径比越大，搅拌功率越大，消耗的动力越大，因此高径比不宜过大。 12m3聚合釜的高径比选取2.15（即H=2.15D）,1.3 聚合釜外形尺寸的设计,聚合釜外形尺寸示意图如图所示 V1=D2H1/4 因为H1=H-0.6D，H=2.15D 故V1=D2（H-0.6D）/4 V1=D2（2.15D-0.6D）/4 =1.217D3 两封头容积：,2.釜直径的求取,聚合釜容积：V=V1+V2 V=V1+V2=1.217D3+0.314D3 得：V=1.531D

22、3 式中： D= V聚合釜容积，m3； D聚合釜直径，m； V1筒体部分容积，m3； V2椭圆封头容积，m3； H1筒体部分高度，m； H聚合釜高，m； d椭圆封头短轴直径，m。 当V=12m3时： D= =1.986m，取D=2.0m。,2.釜直径的求取,釜高H 根据高径比H=2.15D，可求得釜高。H=2.15D即为求取釜高的公式。则，12m3聚合釜的釜高H为： H=2.15D=2.15 2.0m=4.30m 圆筒体高H1为： H1=H-0.6D=（2.15-0.6） D=1.55D=1.552.0m=3.10m,3.其他外形尺寸的确定,椭圆封头直径d的求取 根据d=0.6D，可求得12m

23、3釜的椭圆封头直径为： d=0.62.0=1.2m 椭圆封头的高r=d/2=1.2/2 =0.6m 根据以上数据复算釜的实际容积 V=1.531D3=1.5312.03=12.25m3 夹套比传热面 设F夹为夹套面积，则夹套比传热面,3.其他外形尺寸的确定,比界面,3.其他外形尺寸的确定,拌器设计主要是保证良好的搅拌效果，搅拌效果的好坏关系到釜内的反应是否均匀，反映热能否顺利撤除，气液界面能否及时更新以保证氢调效果。,1.4 内构件及搅拌轴封的设计,间歇式液相本体法聚丙烯装置的聚合釜内物料的相态是随时间而变化的固体颗粒浓度大或全部是固体颗粒情况下，选用一般的浆式、锚式、框式搅拌器是不适宜的。

24、经过大量的试验研究和生产实践的摸索表明，螺带式搅拌器对于聚丙烯固体颗粒物料的搅拌效果较好，而且所消耗的功率也比较小。,1.4 内构件及搅拌轴封的设计,1. 螺带 2. 搅拌转速的选定 3. 搅拌轴封的设计 4. 聚合釜搅拌功率计算 5. 聚合釜的传热设计 6. 指形内冷却管的设计,1.4 内构件及搅拌轴封的设计,1.螺带 螺带外径D1 考虑搅拌效果、搅拌功率和内冷却水管设置三个方面，选螺带外径D1=（0.70.8）D，本设计取D1=0.75D，螺带与釜内壁间隙为0.25m。,1.4 内构件及搅拌轴封的设计,1.螺带 螺带内径D2 由螺带外径和螺带叶片宽度（b）决定。 螺带叶片宽度影响搅拌效果。

25、 对于12m3聚合釜搅拌螺带宽度一般选取0.250.28m，本设计聚合釜搅拌螺带宽度为0.27m。,1.4内构件及搅拌轴封的设计,螺距设计 螺距对搅拌效果和搅拌功率都有一定影响，搅拌功率与螺距S0.22成正比，12m3的釜螺带螺距与物料高度比为0.3，为釜直筒高度的0.25倍，聚合釜直筒高度为3.10m，物料高度为2.34m，螺带螺距S=0.72m。,1.螺 带,釜底小搅拌的设置 聚合釜釜底下料管上球阀不管安装的与聚合釜如何接近，总会有一段短管搅拌不到，形成死角，故而要设计小搅拌，为防止釜底下料管的堵塞起到了很好的效果。,1.螺 带,搅拌转速的选定,2.搅拌转速的选定 搅拌转速是影响搅拌效果最

26、重要的因素之一，搅拌转速越高，传热传质效果越好，对氢调和产品熔体流动速度指标有利。但是，搅拌速度高，消耗的功率大，对搅拌器的要求也高。此外，还对聚丙烯物料有粉碎作用。因此，在选择搅拌速率时应综合考虑。,搅拌轴封的设计,液相本体聚合法的产品的熔体流动速率难以控制稳定，轴封泄露是一个重要原因，故设计好搅拌轴封是十分重要的。 聚合釜的轴封有两种形式，即机械式密封和填料式密封。 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，易于进入机械密封内损坏密封端面。另外，聚合釜

27、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。还有，聚合搅拌为间歇操作，搅拌速率低，这些对机械密封不利， 因此本设计搅拌轴封选用填料式密封。,3.搅拌轴封的设计,聚合釜搅拌功率计算,液相本体法聚丙烯聚合釜内搅拌功率随时间而变化。聚合釜内物料已确定时，搅拌功率主要取决于设备的几个因素，如聚合釜的高径比，搅拌器型长及尺寸的比例，搅拌转速，床层高度等，以及操作因素有关。 搅拌功率计算公式： P轴=1.71g0.95H1.34n1.1D12 本设计取n=55r/min 即0.917r/s 表观密度=0.42t/m3,4.聚合釜搅拌功率计算,物料高度（H）的计算 物料体积：,4.

28、聚合釜搅拌功率计算,下封头容积：,物料在直筒部分高度：,H=H1+d/2 =1.72+0.6=2.32 m,搅拌轴功率的计算 P轴=1.710.42（9.81）0.96（2.32）1.34 （ 55/60）1.1（1.5）2=39.7 KW 故选用55KW电机即可。 电机的选用 本聚合岗位是属于甲类防火，级防爆单位，所以选用防爆电机。 因为同步转速n1=1500rpm，额定功率75KW 所以选用电机型号：YB280S-4；额定电流139.7A；电压380V。,4.聚合釜搅拌功率计算,聚合釜的传热设计,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，采用夹套式散热为主，辅以指形内冷却管

29、散热的方式。 反应放热计算 丙烯聚合热2172.95KJ/kgPP，反应高峰期每小时丙烯转化率为40%，12m3聚合釜参加反应的丙烯为4000070%=2800kg 则反应高峰期： Qmax=(2172.95280040)/1.0 =243370KJ/h=676.03 KW （其中1KW=3.6KJ）,5. 聚合釜的传热设计,搅拌摩擦热Qa=P轴=55KW 聚合高峰期总发热量QT QT=Qmax+Qa=676.03+55=731.03KW 散走热量QT的计算 聚合釜本身的散热为总发热量的5% QT=（1-0.05）731.03=694.48KW 传热系数K的计算 K=0e0.809c 其中：0

30、液相丙烯的传热系数w/m2k（对于不锈钢聚合釜，0=580698w/m2k，取0=600w/m2k） C转化10%时为反应放热高峰期 K=0e0.809c =600e（-0.8090.1）=553.37w/m2k,5. 聚合釜的传热设计,T的求取 反应温度：7676 冷却水：2030,5. 聚合釜的传热设计,总传热面积FT计算,指形内冷却管的设计,夹套传热面积F 直筒部分高为3.1m，直筒部分夹套高取2.7m，下封头高为0.65m。 F=F1+F2=Dh+4rR =21.03824.705m2 需选用指形冷凝管。,6. 指形内冷却管的设计,指形冷却管长度计算 （24.705-21.038=3.

31、667） 取=159mm时，L=3.667（3.14*0.159）=7.345m L=7.3453=2.45m2.7m 取=133mm时，L= 3.667（3.14*0.133）=8.781m L=8.7813=2.93m2.7m 指形内冷却管取三根长为2.45m的=159mm的管。 聚合釜规格：螺带式搅拌2000365832，N=55KW，减速机NGW-L92，转速50rpm，V=12m3。 换热面积：指形管5m2（3.667m2），夹套23m2（21.038m2）。 材质：16MnR,6.指形内冷却管的设计,聚合釜向闪蒸釜喷料时压力最高，闪蒸釜的操作最高温度约70，闪蒸时聚丙烯粉料会放出少量腐蚀性气体HCl，对设备有一定的腐蚀。对闪蒸釜的设计压力要稍高于操作压力，取0.8Mpa，采用不锈钢。 容积 V= W/(d.f) W=2.800t d=0.42t/m3 f=0.5 V=2.800/(0.420.5) =13.3m3 取容积为15m3。,二 闪蒸釜设计,闪蒸釜规格：其搅拌器一般采用耙式搅拌器，转速为5rpm,减速机选用摆线针轮式。 型号：XLED7.5-117-1/289，功率为7.5KW，输出轴转速为5.2rpm。 配用电机：7.5/0.9/0.9+1.5=108KW，故选用YB160M-4型，功率为11KW。 材质：16Mn