年产2万吨聚氯乙烯聚合反应釜设计_毕业设计

年产2万吨聚氯乙烯聚合反应釜设计_毕业设计 年产2万吨聚氯乙烯聚合反应釜设计 前言 随着计算机技术的发展, 微型计算机越来越广泛地用于化工生产过程的控制。过去, 衙化公司电化厂的聚合釜控制由人工操作, 不但劳动强度大, 而且控制精度低, 往往发生树脂转型。从1 9 8 9 年开始, 衡化公司电化厂和衙化公司开发处对电化厂聚合釜的微机控制进行了开发研制工作, 总共投资了万元。其控制对象主要是聚合釜下层温度和夹套水温。采用一台单板针算机( 下位机)控制5 只聚合釜温度, 并且通过R S 一2 32 C口向IB M一P C ( 上位机) 传递现场信息以实现数据的存储、图形显示、打印制表等多种功能。该系统自1 9 9 0 .09 月投运以来, 不但安全可靠, 而且各项经济技术指标均符合设计要求。 聚氯乙烯是五大通用树脂之一，由于具有良好的性能，应用领域最宽，在全世界得到了广泛应用。我国是世界上PVC生产和消费发展最快的国家。本设计基于对PVC四种合成方法的比较，选用悬浮法聚合工艺。同时介绍了国内聚氯乙烯生产的常用技术，通过对悬浮法进行深入 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，提出聚氯乙烯生产技术的新方向。确定悬浮法聚氯乙烯生产工艺的基础上进行了物料衡算，热量衡算，设备选型等。在此基础上,绘制聚合反应工段的基本工艺流程图和主体聚合反应釜的装配图。经过本次设计,了解了化工工艺生产的各个环节和实施步骤, I 掌握了化工设计的基本程序和方法,认识到理论实验到工厂大规模生 产的转变过程. II 目录 前言 ...................................................... I 目录 ..................................................... II 第一章 综述............................. 错误～未定义书签。1 国内外PVC发展状况及趋势 ........ 错误～未定义书签。1 1.1 1.1.1PVC简介 ....................................... 1 1.1.2国内聚氯乙烯发展动态及趋势 .................... 1 1.1.3国外聚氯乙烯发展动态及趋势 .................... 1 1.2聚合工艺方法 ....................................... 2 1.2.1悬浮聚合 ...................................... 3 1.3悬浮聚合工艺流程叙述 ............................... 3 1.3.1 加料系统 ..................................... 4 1.3.2 聚合系统 ..................................... 4 1.3.3 回收系统 ..................................... 5 1.3.4 干燥系统 ..................................... 5 1.4原料及其他主要组分 ................................. 6 1.5 原料及产品性能 .................................... 6 第二章 影响聚合产品质量的因素 ............................ 7 第三章 工艺计算........................................... 8 3.1 物料衡算 .......................................... 8 3.1.1 聚合釜 ....................................... 8 II 3.1.2 出料槽 ...................................... 14 3.1.3 汽提塔............................................. 15 第四章 化工设备的选型和设计计算 ......................... 13 4.1 聚合釜的选型 ..................................... 13 4.1.1 验算 ...................... 错误～未定义书签。20 错误～未定义书签。45参考文献 ......................... 31 III 第一章 综述 1.1 国内外PVC发展状况及趋势 1.1.1PVC简介 聚氯乙烯(PVC)是五大通用合成树脂之一，其制品具有质轻柔软、机械强度高、耐腐蚀、绝缘透明等性能，广泛应用于工业、农业、建筑、包装等领域。 1.1.2国内聚氯乙烯发展动态及趋势 我国PVC发展的现状。产能快速增长，结构调整势在必行，截至2011年国内PVC总产量达97家，产能40万吨以上的企业目前已经有17家了，产能的比重达到了45%以上，总体来看从2004年到2011年国内聚氯乙烯的产能和产量也在快速增长，我们可以看出产能方面从2004年产能达到664万吨，到2011年2200万吨。从产量上可以看到，2004年达到了503万吨，到2011年1295万吨，增幅达到了231%。 从市场的需求数据来分析，2007年中国的聚氯乙烯的表现需求量已经突破了1000万吨，受到金融危机的影响，2008年表现的需求量下降到了923万吨，随着国内经济政策刺激的显现，2009年表现突破了1000万吨，预计在2012年市场需求量将达到1416万吨左右，与2011年相比将有4.1%的增长。 1 改变我国聚氯乙烯企业的规模结构、提高装置国产化水平，改善我国聚氯乙烯行业经济效益、提高竞争能力。 开发新品种，开拓新领域是我国聚氯乙烯行业的发展重点。目前，在这方面与国外的差距较大，也是进口量增加的一个因素。今后国内PVC行业应注重PVC专用品种的开发与生产，通过各种改性技术增加PVC专用料比例，进一步拓宽应用领域，扩大市场份额，提高产品的附加值116J。如导电(抗静电)PVC;低发泡挤出管材专用科:超高超低聚合度PVC;耐高温食品瓶用混合料;超高流动性科;弹性料等。 1.1.3国外聚氯乙烯发展动态及趋势 世界PVC的生产以乙烯为原料的占90,以上，其余的是以乙炔为原料。国外PVC的发展趋势主要在改进工艺路线、提高产品性能、减少环境污染等方面 3(1)PVC的生产发展趋势是装置大型化。聚合釜单台容积已达135m 3左右，多数为70,110 m。单套装置能力最大已达50万吨,年。 (2)采用高活性引发剂、复合分散剂、快速终止剂，缩短聚合反应周 3期，提高聚合釜的生产强度，可提高到200t,m(a以上，有的甚至 3.达到500t,ma。 (3)优化工艺，节能降耗。如采用高效催化剂，减少设备尺寸，降低投资，提高收率，降低消耗，简化净化流程;粘釜技术不断发展，形成喷涂防粘釜和改进釜壁 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 两种体系;开发节能型干燥器等。 (4)开发新的原料路线，以乙烷为原料，替代价格相对较贵的乙烯，降低PVC的生产成本。 2 (5)使用将氯化氢转化为氯来替代原平衡氧氯化工艺的氧氯化单元，以简化生产工艺、降低投资。 1.2聚合工艺方法 目前，PVC的聚合方法主要有四种:本体法、乳液法、溶液法、悬浮法。其中以悬浮法生产的PVC占总量近80%，在PVC生产中占重要地位。近年来，该技术已取得突破性进展。 1.2.1悬浮聚合 借助机械搅拌和分散剂的作用，使VCM单体以小液滴悬浮在水中，形成稳定的悬浮体进行聚合。因采用悬浮法聚合PVC生成技术易于调节品种，生成过程易于控制，设备和运行费用低，易于大规模组织生产而得到广泛的应用。 悬浮法聚氯乙烯生产技术日新月异，并在工艺和工程两方面都取得了突破性进展。在工艺技术方面，主要表现在:产品牌号多，质量稳定，用途日益广泛，聚合反应和产品后处理技术日趋完善，能耗物耗降低等。在聚合工程技术方面，主要表现在:聚合釜大型化，聚合生产控制技术先进，聚合釜传热能力大，单釜生产强度高。我国PVC工业起步于1958年，生产工艺技术近十几年来取得了长足的进展。如复合分散剂和引发剂、链转移剂、热稳定剂和终止剂等的广泛应用:防粘釜技术得到提高;在后处理工序中普遍采用连续汽提工艺;干燥多采用气流或流化床干燥器等。但是长期以来，高消耗、低效率一直 3 制约着我国聚氯乙烯行业的技术进步和整体水平的提高，其中聚合过程是主要影响环节。 液态氯乙烯单体以水为分散介质，并加入适当的分散剂和不溶于水而溶于单体的引发剂，在一定温度下，借助搅拌作用，使其呈珠粒状悬浮于水相中进行聚合。聚合完成后，经碱洗、汽提、离心、干燥得到白色粉末状PVC树脂。选取不同的悬浮分散剂，可得到颗粒结构和形态不同的两类树脂。国产牌号分为SG-疏松型(“棉花球”型)树脂;XJ-紧密型(“乒乓球”型)树脂。疏松型树脂吸油性好，干流动性佳，易塑化，成型时间短，加工操作方便，适用于粉料直接成型，因而一般选用悬浮法聚合的疏松型树脂，作为PVC制品成型的基础原料。目前各树脂厂所生产的悬浮法PVC树脂，基本上都是疏松型的。 结合此次设计的基本要求可以得出:采用悬浮聚合。 1.3悬浮聚合工艺流程叙述 4 1.3.1 加料系统 加料系统包括:VCM贮存与进料，脱盐水的贮存与加料，注入水与冲洗水的加料，助剂的配制及加料(缓冲剂、调节剂、引发剂、终止剂)。 进料方式主要有冷态非同步进料和热水同步进料。先加入常温的VCM和水,同时加入各种助剂,然后升温开始聚合,被称为冷态非同步进料。升温需要40,60min/釜,升温使釜壁附近过热,会分解引发剂产生自由基引发聚合反应,在釜壁左右高温区生成小分子产物;自由基远离釜壁,在低温区反应生成大分子量PVC,对质量均产生不利影响。热水同步进料即同时加入VCM和热水,使釜内温度基本保持在反应温度。加入引发剂后反应立即开始,可以省去釜的升温时间,消除小分子PVC、大分子PVC,对提高产量和质量均有益。在防粘釜技术比较好的情况下,水溶性的引发剂用于热水同步进料,避免了高温下引发剂初始分布不均匀导致局部反应过热而使鱼眼数目增加。从釜底加入,不容易堵塞加料管入口。保证了树脂产品鱼眼不增加而反应时间缩短。 1.3.2 聚合系统 本工段包括聚合、汽提及压缩冷凝回收等岗位。本工段的主要任务就是将氯乙烯经过悬浮聚合成为聚氯乙烯，同时回收未反应的单体。具体工艺流程叙述如下:将软水经软水过滤器送至软水计量槽，经流量计计量后加入清理好的聚合釜中，同时将分散剂、热稳定剂、 5 消泡剂、PH缓冲剂、引发剂等助剂加入;单体(精氯乙烯)则经单体过滤器过滤，由单体流量计计量后，经封闭的进料系统加入聚合釜中，在 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的温度和压力下使单体聚合，聚合完毕后加入终止剂，回收未反应单体，将物料用出料泵打入出料槽中。 由聚合釜压入出料槽中的悬浮液，用加料泵经过滤器、热交换器送到汽提塔顶部，经蒸汽加温、汽提，用塔顶冷凝器回收未反应单体，汽提塔底物料用出料泵经热交换器回收热量后，打入中间槽，再经离心机脱去大部分水后，将湿物料送干燥系统干燥。 1.3.3 回收系统 1.单体气提系统 在国内，脱除PVC浆料中VCM的方法主要有:直接回收和压缩冷凝与汽提结合两种方法。直接回收法是将未反应的VCM气体直接回收至气柜，PVC浆料在回收槽中用压缩空气对浆料中残留的大量VCM进行脱除，气体直接放空，污染环境。压缩冷凝与汽提结合的方法是将未反应的VCM气体直接送入压缩机，压缩后的气体经二级冷凝后送至聚合釜，浆料经蒸汽汽提,脱除的部分未反应的VCM直接回收至气柜，经汽提后出塔的PVC浆料中残留VCM质量分数由400,1 000μg/ g 降 【3】【4】低至10μg/ g，这样使 PVC树脂中的VCM含量大大降。日本窒素公司是将PVC浆料经初步闪蒸后，再连续送入汽提塔，有效地回收未反应的VCM，未反应的VCM在后序装置中液化，回用于聚合。采用 6 此方法生产的PVC树脂中含VCM质量分数可小于1μg/ g ，甚至可达0.1μg/ g。 2.浆料气提系统 由汽提塔浆料槽底部来的浆料，经块料破碎机破碎后，用汽提塔供给泵经板式换热器与汽提完毕的浆料换热，一部分从塔顶加入汽提塔，另一部分回流到浆料槽，同时蒸汽由汽提塔底部进入; VCM由蒸汽汽提带走。塔釜浆料由塔底浆料泵送出，并与浆料槽来的浆料换热后，一部分送到浆料混料槽，另一部分返回塔釜液位同时防止浆料中PVC沉降，汽提完毕的浆料中，VCM残留量在30PPm左右，塔顶出来的含VCM的蒸汽，用冷凝器冷凝，由分离器分离，冷凝液从分离器底经泵送至废水贮槽，未凝的汽提经过滤器过滤，送至VCM回收工序，浆料送至干燥工序。 1.3.4 干燥系统 干燥主要有2种方式,即气流干燥和流态化干燥。我国PVC工业化生产最初主要用的是气流干燥器,但是随着聚合工艺技术的发展,聚合生产能力提高,树脂产品也朝着疏松型发展,气流干燥器从生产能力和干燥效果等方面已经不能满足生产的需要,后来发展到气流干燥器,沸腾床干燥器和冷风冷却3段干燥技术。但这样动力消耗大,产品质量不是很好。目前主要用的是旋风干燥和卧式内加热流化床。旋风干燥器结构简单,投资较少,目前很多装置都在用。卧式内加热流化床综合能耗比旋风干燥器要低,主要有多室沸腾床和两段沸腾床2 7 种。但在生产中发现多室沸腾床的花板容易漏料,不同牌号切换时比较麻烦,且生产能力有限。两段流化床改进了床的花板,操作稳定性好,易于产品牌号的切换,生产能力较大,具有良好的市场前景。本设计采用沸腾床进行干燥。 1.4 原料及其他主要组分 ?单体:氯乙烯纯度99.98% 【6】?分散剂:PVC生产中所用的分散剂分为主分散剂和辅助分散[7]剂。本设计采用88%的聚乙烯醇和75%的聚乙烯醇。 ?引发剂:由于聚乙烯悬浮聚合温度在50~60?上下，根据反应温度选择合适的引发剂，其原则为在在反应温度条件下引发剂的半衰期约为2小时最佳。常用过氧化乙酰环己烷硫酰、过氧化二月桂酰、过碳酸二环己酯等。本设计采用过氧化二碳酸(2,乙基己基)酯。 ?终止剂:反应结束后残余的自由基和引发剂残留在树脂中，为了保证质量要加入终止剂消除。当前,许多厂家选用二乙基羟胺 (DEHA)作为终止剂,其主要原因是DEHA终止效果好,而且无毒。本设计的终止剂是丙酮羧氨基硫脲(ATSC)。当反应出现紧急事故时，采用紧急终止剂NO终止反应。 ?阻聚剂:本设计采用壬基苯酚作为阻聚剂。聚合反应终止后， 。未反应的VCM既可以连续回收，也可PVC浆液中含有未反应的VCM 以间歇回收。未反应的VCM有自由基引发剂，在回收系统的罐和管线中引发聚合，最终造成堵塞。因此要加壬基苯酚作为阻聚剂。 8 ?缓冲剂:碳酸钠、三聚磷酸钠、磷酸钠、氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸铵等。本设计采用磷酸三钙，磷酸三钙是一种粒状固体，与水混合后加入聚合釜。磷酸三钙不溶于水，所以需要进行不断地搅拌。 1.5 原料及产品性能 ?氯乙烯 : CH=CHCl分子量62.50，无色易液化的气体。液体的密2 3度0(912lg,cm。沸点-13(9?。凝固点-160?。自燃点472?。临界温度142?。临界压力55.2Pa。难溶于水、易聚合。能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限3(6%-26(4,。遇明火、高温有燃烧爆炸的危险。VCM浓度为8%~12%时有麻醉左右，高浓度会引起死亡。在 -6PVC制品中VCM的含量上限为1.0×10。 无空气和水分的纯氯乙烯很稳定，对碳钢无腐蚀作用。有氧存在时，氯乙烯过氧化物，它可与水生成盐酸从而腐蚀设备，过氧化物还可以使氯乙烯产生自聚作用。长距离运输时应加入阻聚剂氢醌。 ?磷酸钙:别名磷酸三钙，化学式Ca(PO4)，分子量310.18。白色32 无定形粉末。溶于稀盐酸、硝酸、磷酸、乙酸、亚硫酸，生成可溶性酸式磷酸盐，也能溶于铵盐溶液。不溶于水、乙醇和乙醚。熔点1670?， 3密度3.14g/cm。 ?聚乙烯醇:是一种高分子聚合物，无臭、无毒，外观为白色或微黄色絮状、片状或粉末状固体。分子式为(C2H4O)n，絮状PVA的假比重为(0.21 ,0.30)g/cm3，片状PVA的假比重为(0.47?0.06)g/cm3。 9 聚乙烯醇有较好的化学稳定性及良好的绝缘性、成膜性。具有多元醇的典型化学性质，能进行酯化、醚化及缩醛化等反应。 ?过氧化二碳酸(2,乙基己基)酯:本品为无色透明液体，EHP活性氧?2.70%，NaCl含量?0.20%;相对密度0.964。商品为50%~65%的甲苯、二甲苯、矿物油溶液;理论活性氧含量4.62%。含量为46%的EHP溶液的半衰期为40?，10.33h;50?，1.5h;受热或见光易分解，储运温度,,15?，时间少于3个月。 ?丙酮缩氨基硫脲(ATSC):为白色片状结晶,熔点179-180?。溶于酸,微溶于水和乙醇。 ?对壬基苯酚:淡黄色粘稠液体。略有苯酚气味。相对密度0.94-0.95(20/20?)。沸点(95%)283-302?。不溶于水，略溶于石油醚，溶于丙酮、四氯化碳、乙醇和氯仿。用于制备合成洗涤剂、增湿剂、润滑油添加剂、增塑剂等。由壬烯与苯酚在酸性催化剂存在下缩合而成。 第二章 工艺条件影响因素 聚氯乙烯聚合时主要影响因素讨论如下: (1)聚合温度 聚合速度随着温度的升高而加快，但温度升高链转移速度加快会降低聚合度。在PVC生产中，聚合温度由需要的聚合度确定。聚合温度越高，生产的PVC聚合度越低。 (2)聚合釜的传热能力 10 反应的热量是靠冷却水移走的，如不能保证移热能力，反应温度就会失控，产生爆聚，不仅影响PVC质量，还会发生安全事故。有效地移走反应热量的措施如下: ?提高冷却水流速，增大换热系数。上海氯碱化工股份有限公司在扩产改造中提高聚合釜冷却水循环泵的流量和扬程使聚合釜生产强度提高了10,。 ?降低冷却水温度，增大温差。目前，国内多数企业采用7?冷冻水替代冷却水来提高聚合釜的移热能力，但需要重新整定聚合釜控制参数PID。 ?釜内设内冷管和挡板，通入冷却水，加大换热面积和移热能力。 ?设置釜顶回流冷凝器，采用冷凝VCM蒸气的方法移走反应热。 ?改进聚合釜夹套结构，提高换热系数，新型聚合釜一般采用半管式夹套，夹套移热能力可提高15,以上。 ?加强釜内粘釜物的清除，减少污垢热阻(目前国外较先进的防粘釜技术能达到1000釜以上才需清釜(国内先进的PVC企业已经能达到500釜以上才需清釜。 ?采用后注水工艺。 第三章 工艺计算 11 3.1 物料衡算 3.1.1 聚合釜 聚合釜由锅体、锅盖、搅拌器、支承及传动装置、轴封装置等组成，夹套外壁焊接支座，聚合反应釜下部开有放料口。 1.物料平衡图 图2-1 合釜物料平衡图 2.已知数据 在本次设计中为年产2万吨的PVC聚合。年生产时间为300天,。悬浮法聚氯乙烯聚合反应是一个间歇反应，每循环% 个周期反应称之为% 个批次过程。 聚合过程中的配方设计: 名称 单体 去离子水 引发剂 其它助剂 用量(份) 100 130 0.05 0.2 3.计算 按已知配方可得出以下: 12 (1)VC用量M1 设单体的转化率为85%，则每批投入的VCM量为: 320000×10/(300×2×0.85)=39215.7kg/B 聚合后处理过程中，会损失部分PVC。故设VCM的量: M1=40000 kg/B (2)水的用量M2 设水油比为1.3:1，则M2= M1×1.3=52000kg/B (3)各助剂用量M3 ?引发剂用量m1 m1= M1×0.05%=26kg/B ?助剂的量m2 m2= M1×0.2%= 104kg/B 出料(以釜为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ) 设损失的PVC量为420 kg 则，出料中PVC的量:40000×0.85+26,420=33606 kg/B 未反应VCM:40000×0.15=6000 kg/B 设85%未反应的单体回收，则 回收VCM:6000×0.85=5100 kg/B 剩余VCM:6000,5100=900 kg/B 4(物料平衡表 表2-1 聚合釜物料衡算表 序号 品名 进料量(kg) 出料量(kg) 1 VCM 40000 900 13 回收5100 2 引发剂 26 0 3 助剂 104 104 4 水 52000 52000 5 PVC 33606 损失420 合计 92130 92130 3.1.2 出料槽 1.物料平衡图 图2-2 料槽的物料平衡图 2.计算 设出料槽中PVC损失为1%。 则出出料槽的PVC为:33606,336.06=33269.94 kg 3.物料平衡表 14 表2-2 出料槽物料平衡表 序号 品名 进料量(kg) 出料量(kg) 1 VCM 900 900 2 助剂 104 104 3 水 52000 52000 4 PVC 33606 33269.94 (损失 336.06) 合计 43290 43290 3.1.3 汽提塔 汽提塔，就是依据气液相的挥发度的不同或溶解度随温度的变化 有明显变化而进行分离的设备。本设计用水蒸气进行气提。 1.物料平衡图 图2-3. 汽提塔的物料平衡图 2. 已知数据 15 浆料进口温度t=80?; 蒸汽进口温度 :t底=110?，压强为3atm 出汽提塔的VCM为50ppm，蒸汽出口温度110?，压强为1atm 收率:99.5%; PVC产品含水量:0.3% 3.计算 从这一步开始到筛分包装为连续过程，因此，计算标准相应的转换为千克/小时。则每小时生产的PVC量为: 72×10/(300×24)=2777.8kg/h 由PVC产品含水量为0.3%，得绝干树脂含量为:2777.8×99.7%=2769.5kg/h 考虑各步收率，汽提塔:99.5%;离心机:99%;干燥:99%;包装:98.5% 故汽提塔进料中PVC量为 2769.5/(0.995×0.99×0.99×0.985)=2883.2kg/h (1) 各物质进入汽提塔的量 水量为:52000×(2883.2/33269.94)=4506.4kg/h 助剂量为:104×(2883.2/33269.94)=6.9 kg/h VC的量为:900×(2883.2/33269.94)=78 kg/h (2) 各物质出汽提塔的量 出口PVC量为: 2883.2×0.995=2868.8kg/h;损失的PVC量为:14.4kg/h 16 A.、取塔顶温度为80?，塔底温度为110? 对于VCM t=(80+110)/2=95? 平均 VCM的比热:Cp=26.602cal/克分子?;Cp=27.19cal/克分子? 90?100? 用内插法求得，Cp=26.605cal/克分子?=0.4257kcal/kg? 95? 110?VCM汽化热ΔH=3034cal/克分子=48.5kcal/kg VCM 水的比热Cp=4.22 KJ/kg??;Cp=4.208KJ/kg?? 90?100? 则，Cp=4.214KJ/kg??=1.007kcal/kg??. 95? 同理可计算出:Cp=1.8422KJ/kg?=0.44kcal/kg? PVC B、3atm大气压下求水蒸气的焓及温度(3atm=304Pa) 水蒸气的焓:ΔH=2728.5KJ/kg=651.84kcal/kg 300kPa 水蒸气的温度t=133.3? 300kPa C、1atm大气压下，110?水的焓=461.34KJ/kg=110.21kcal/kg 设蒸汽冷凝放热量为Q，通入蒸汽量为ykg/h 放 ?Q=y(651.84-110.21)=541.63y 放 设物料吸收热量为Q1，部分VCM气化吸热为Q2 ?Q=Q+Q=Q 吸12放 Q=CpWt+CpWt+CpWt 1PVCPVCVCMVCMH2OH2O =0.44×2883.2×(110-80)+0.4257×77.6×(110-80)+1.007×4482.3×(110-80)=174459.6kcal/h 设从塔顶回收xkg/hVCM ?Q=48.5x 2 ?Q=Q+Q=174459.6+48.5x=541.63y ? 吸12 17 汽提塔出料中VCM含量为50ppm -6(77.6-x)/[2883.2+6.9+4482.3+(77.6-x)+y]=50×10 ? 联立?、?，解得: x=77.2 kg/h y= 329kg/h ?出料中VCM:77.6,77.2=0.4kg/h 4.物料平衡表 表2-3 汽提塔物料平衡表 序号 品名 进料量(kg/h) 出料量(kg/h) 1 PVC 2883.2 26469.5 损失14.4 2 VCM 77.6 0.4 回收77.2 3 水 4482.3 4482.3 4 助剂 6.9 6.9 5 蒸汽 180.9 180.9 合计 7630.9 7630.9 第四章 化工设备的选型和设计计算 320?时，查表得VCM的密度为910 kg/ m，则每批处理VCM体积 3 为:V=40000/910=43.96mVCM 18 水油比为1.3，则 忽略引发剂和助剂的体积，则每批处理总体积为:V= V+ 总VCM 3V=43.96+52000/1000=95.96 m H2O 9，故聚合釜的容积至少为 取装料系数η=0. 33 95.96m/0.9=106.6m 3据此选30m.聚合釜4台 1 技术特性 3釜体全容积31.7m. 釜体设计压力1.55MPa 釜体设计温度100? 搅拌器型式三叶后掠式、三层 搅拌转数 l.20r/min 电机功率: 55kw 釜体高径比:1.93 传动方式: 上传动 减速机: 平行轴线开线齿轮传动(输出轴为空心轴) 轴封: 双端面平衡型机械密封, 轴径D=125 安全阀: 主体材料16Mn R + OCrl8Ni9(板厚14 + 3 和1 6 + 3 ) 2 用户相匹配的工艺设计条件 冷却水流量 :1.7 0 一2 0 0 t/h 冷却水进口水温:?32 ? 3底轴承注水泵:流量0.1m小时 压力3. 2MPa 密封油站调整工作压力:1.2 Mpa 一l. 6MPa 喷淋阀气源压力0. 4 一1.6 MPa 釜上电动机YB 280 M ~ 6 V1, 隔爆dIIBT4 , 5 5kw , 380 V, 50Hz 人孔密封水压l.6 MPa 19 设计结构特点 . 1 4.1.2 验算 ,111,，，, ,,,k10 ,式中，——釜内壁给热系数;——釜外壁给热系数; ,01 ,,——壁厚;——釜壁传热系数 (1) 釡内壁给热系数α的计算 1 212,,,,ndc36000.1433,,C()()() 1D,,,w 20 式中，D:釡内径(1600?);d:搅拌桨叶直径; n:搅拌器转数;λ:釜内物料的导热系数; ρ:釜内物料的密度;c:釜内物料的比热; μ:釜内物料的黏度;μ:壁温下流体的粘度。 w 2(ndρ/μ)为搅拌雷诺数N ，(3600cμ/λ)为普兰特准数Pr，Re 常数C随聚合釜结构和搅拌浆型式等而变。此操作下无挡板，选C=0.36。 ? 悬浮液的密度 悬浮体系各组分体积如下:(转化率为70%) 3脱盐水:26 m 3VCM量:43.96×30%=13.2m 3PVC量:43.96×70%×842.3/1400=18.5m 3则悬浮体系总体积: 26+13.2+18.5=57.7m 各组分体积分率: 3 水:x=26/57.7=0.451; ρ=984.7 kg/ m11 3VCM:x2=13.2/57.7=0.229;ρ=842.3 kg/ m 2 3PVC:x=18.5/57.7=0.321;ρ=1400 kg/ m 33 ?ρ=?xρ=0.451×984.7+0.229×842.3+0.321×1400=1086.4kg/ ii 3m ? 浮液导热系数λ的计算 λ=λc?[2λc+λd-2φd(λc-λd)]/[ 2λc+λd+φd(λc-λd)] 式中:λc，λd分别为连续相和分散相的导热系数; 21 φd为分散相体积分率。 转化率达70%的VCM悬浮聚合体系，有机粒子本身可看作聚氯乙烯分散在氯乙烯中的悬浮体系，再由有机粒子在水中构成总的悬浮体系。 a(PVC分散在VCM中的悬浮体系—有机粒子的λ PVC-VCM φ=18.5/(18.5+13.2)=0.584 PVC 液态VCM导热系数公式 1/3λ=A?ρ?C?(ρ/M) VCMVCM VCMVCM 3其中，ρ=0.8423g/?; VCM C=0.38 Kcal/ kg?? ; VCM M=62.5;A=1.52 1/3?λ=1.52×0.8423×0.38×(0.8423/62.5) PVC连 =0.1158 Kcal/ hr m? λ=0.14 Kcal/ hr m? PVC分 ?λ=0.1158×[2×0.1158+0.14-2×0.584×(0.1158-0.14)]/[2×0 .1158+0.14+0.584×(0.1158-0.14)] =0.1295 Kcal/ hr m? b.有机粒子分散于水中的λm -2-250?60?λ=64.78×10W/M? λ=65.94×10W/M? 水水 55?内差法得λ=0.6536 W/M? 水 =0.5621 Kcal/ hr m? 22 λ=0.5621×[2×0.5621+0.1295-2×(0.158+0.229)×(0.5621-0.12 95)]/[2×0.5621+0.1295+(0.158+0.229) ×(0.5621 -0.1295)] =0.653 Kcal/ hr m? ? 悬浮液的比热c 55?时:Cvcm=0.38 Kcal/ kg??;Cpvc=0.44 Kcal/ kg?? 50?60?查表C=4.174kJ/kg??;C=4.178 kJ/kg?? 水水 55?内差法得:C=4.176 kJ/kg?? 水 =0.997 Kcal/ kg?? 悬浮液各组分的质量分率: VCM质量=13.2×842.3=11118.4 kg HO质量=26×984.7=25602.2 kg 2 PVC质量=18.5×1400=29500kg 总质量=11118.4+25602.2+29500=66220.6kg ?各组分的质量分率: x=11118.4/66220.6=0.168 vcm x =25602.2/66220.6=0.39 H2O x =12964/66220.6=0.196 pvc ?c =?xc=0.38×0.168+0.44×0.39+0.998×0.196 ii =0.431 Kcal/ kg?? ? 悬浮液的平均粘度μ和μ w 4μ=(1+0.5?s)μ/(1-?s) 水 23 式中:?s为分散相体积分率; μ为反应温度下水的粘度。 水 -3-350?60?μ=0.5494×10mPa?s ;μ=0.4688×10mPa?s 水水 -355?内差法得μ=0.5091×10mPa?s 水 4μ=(1+0.5?s)μ/(1-?s) -34=[1+0.5(0.158+0.229)]×0.5091×10/[1-(0.158+0.229)] -3=4.3×10mPa?s 近似认为釡内壁温度为夹套冷却水温度。 t=5?，t=7? ?t=6? 进出平均 -3-30?10?μ=1.7921×10mPa?s ;μ=1.3077×10mPa?s 水水 -36?内差法得:μ=1.5015×10mPa?s 水 4 μ=(1+0.5?s)μ/(1-?s)w -34=[1+0.5(0.158+0.229)] ×1.5015×10/[1-(0.158+0.229)] -3=12.691×10mPa?s ? 其它参数的确定 搅拌转数:n=120r/min 釡内径: D=1700mm=1.7m 取桨叶直径:d=0.5T=0.5×1.7=0.85m ?釡内壁给热系数αi 212,,,,ndc36000.1433,,C()()() 1D,,,w 24 2-60.67=(0.36×0.653/1.7)(120×0.85×1086.4/60×4.3×10) -60。33-3-3(3600×0.596×4.3×10/0.653)(4.3×10/12.073×10) 0.14 =19802.9Kcal/ hr m? (2) 釡外壁给热系数α的计算 0 夹套按普通方式进水。即釜夹套不设导流板，冷却水自夹套下口进入，经夹套环隙直升而上由上口溢出。在夹套进口处水流速度虽很大，因夹套环隙面积大，使得水流速度很低，α很小，只有0 2582~698W/(m K)的程度。此时水流按自然对流方式进行传热。 0.135,3,GrPr, 0de 式中，Gr——格拉肖夫数 Pr——普兰克常数 3',gL(T,T)其中，Gr, ，为膨胀系数 ,2V -56?下，λ水=0.5672W/(m ?);C =4.2 kJ/(kg.?);μ=150.17×10Pa p s 2计算得，α=582 W/(m ?)=501 Kcal/ hr m?(3) 釡壁热阻的计算 0 碳钢层厚:δ=24mm λ1=45 Kcal/ hr m? 1 不锈钢层:δ=3mm λ2=15 Kcal/ hr m? 2 粘釡物:δ=0.05mm λ3=0.14 Kcal/ hr m? 3 水垢厚:δ?0.2? λ4=1.5 Kcal/ hr m? 4 -3?δ/λ=(24/45+3/15+0.05/0.14+0.2/1.5)×10 25 -32=1.58×10 hr m?/ Kcal (4) 夹套传热系数K ,111,，， ,,,,k10 11,3= ，，1.58，1019802.9501 2 =0.003627hr m?/ Kcal 22解得:K=275.8Kcal/ hr m?=320.7W/( m ?) Q=K?S??tm 夹夹夹 ,,,TtTt，，，，12,,tm ,，，Tt1ln ，，,Tt2 式中，t1,t2——传热介质进、出口温度，?。 T——反应液温度，?。 ，，55,5,55,7，， ,t,,48.6m ，，55,5ln ，，55,7 设恒温聚合时间为300min。 3热负荷Q=23523653×10/(300×60)=1306869.6 W 因为聚合反应不是匀速放热反应，所以在聚合釜传热设计时，要知道最大放热速率，即最大热负荷，聚合釜的最大传热能力要大于最大热负荷。 Q令最大热负荷Q与平均热负荷之比等于热负荷分布指数R，max 则 QR=Q/ max 本设计中R选1.3。 26 Qmax=1.7Q=2221678.32 W S?= Qmax /( K?tm) =2221678.32/(320.7×48.6) 22= 142.5 m,170m 考虑到聚合釜备用情况，应在原有基础上再多加一台。 3故应选5台13.5 m的聚合釜。 4.3.1 搅拌系统 搅拌系统的性能是聚合釜的关键指标之一, 它关系到反应过程中的传质、传热是否均匀的问题, 搅拌器制造质量的好坏, 将直接影响聚合釜整机的性能。为确保搅拌器的制造精度, 我厂制造了桨叶专用压制胎具, 搅拌器组对工装、静平衡装置, 保证了搅拌器的制造质量符合满足设计图纸的要求。 4.3.2传热系统 传热能力是聚合釜的另一个关键指标, 为提高传热能力, 新型釜的传热系统设计上采用了半圆管式夹套和套管式内冷挡板的结构形式。过去,国内加工半圆管的方法一直是采用小块压制、组对时拼接的工艺路线, 外观质量较差, 为确保新型釜半圆管夹套的质量, 最好设计制造压制半圆管夹套的专用工装, 该工装可压制长度大于等于二分之一圆周的半圆管,并保证其形状一致, 外型美观,新型釜内冷挡板采用套管式结构, 该结构有利于提高传热系数。为保证内冷管的精度, 组焊时采用专用胎具控制, 保证了组焊后的形位精度。 27 4.3.3 传动与密封 传动系统运转是否平稳, 输出转速是否准确, 直接影响到搅拌器性能的发挥; 机械密封性能的好坏, 同时可能污染物料及工人的劳动环境; 减速机、电机综合噪音的高低, 也关系到操作工人的身心健康。为提高传动及密封系统的综合性能, 新型釜配套用减速机及机械密封。减速机的齿轮副采用氮化硬齿面磨齿; 机械密封采用双端面平衡型机封, 并在结构上做了相应的改进。为保证新型釜机械密封的性能稳定、可靠, 机械密封制造完成后,首先在试验台上进行试验, 考核其性能指标。新型30 m 3 聚合釜底轴承采用整体加工结构, 这就要求用于安装底轴承下凸缘孔, 必须同用于安装机架及机封的上凸缘定位止口同心，为保证这一技术指标的实现, 可以设计专用胎具, 保证了聚合釜釜体在6 m 落地车床上一次装卡完成车削。 参考文献 3[1] 邴涓林，金永利，李承志，100 m聚氯乙烯反应釜关键设备和成套工 28 艺技术的研制与开发，中国氯碱，2006，3:第3期( 3[2]戴文权，张纯德，张学刚，新型30m聚氯乙烯聚合釜设计开发及应用，中国化工装备，1999，[3]石景春(氯乙烯悬浮法聚合生产聚氯乙烯工艺流程解析，科技论坛 2012，第1期: [ 4] ( 年产2万吨PVC聚合车间工艺设计，百度2011优秀毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ， [5] Lyle.F.Albright, Yogendra Soni ,锦西化工厂李桂兰译,， 聚氯乙烯聚合釜设计与操作的最佳化 [ 6] 史子谨，聚合反应工程基础，化学工业出版社，2009年5月第11次印刷 29 课程 设 计 专 业 高分子材料与工程 班 级 10高分子(2)班 学生姓名 学 号 课 题 年产2万吨聚氯乙烯聚合反应釜设计 2013年 05 月 21 日