聚合釜的设计说明书.docx
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聚合釜的设计说明书
一物料衡算
1物料衡算的任务
通过物料衡算确定聚合釜的个数、体积、每釜投料量及各工序进出物料量。
为设备计算、选型和热量衡算提供依据.
3衡算的依据
1设计生产规模年产AS树脂7000吨
2设计生产时间8000小时/年
3生产周期8小时
4单体(苯乙烯和丙烯腈)转化率转化率为96%
4收集的数据
1苯乙烯密度0.9060g/cm3(25℃)
2丙烯腈密度0。
8060g/cm3(25℃)
3水的密度0。
9982g/cm3(25℃)
4参考配方
表1配方列表(质量比)
名称
份数
苯乙烯
70
丙烯腈
30
水
100
二戊烯
1。
2
过氧化二特丁基
0.03
丙烯酸—丙烯腈2—乙基己脂共聚物(90:
10)
0。
03
5衡算基准
以一釜物料为衡算对象,以釜中生成的树脂为衡算基准。
单位为kg/釜。
6总收率及损失分配
根据生产统计数字,树脂总收率取为94%,树脂总损失为6%。
各工序损失分配如下(以釜内生成的树脂为准):
聚合部分2%
洗涤部分1%
离心部分1%
干燥部分1%
包装部分1%
7聚合釜投料量
聚合过程中物料体积变化不大,因此以25℃时的物料体积为依据来计算釜内物料体积。
初步选取24m3聚合釜,聚合釜装料系数取为0。
8.则聚合釜有效体积为19.2m3聚合釜投料量根据参考配方按比例计算。
计算过程略。
表2聚合釜投料量表
名称
投入量
苯乙烯
6。
92m3
丙烯腈
3.30m3
水
8。
92m3
二戊烯
106.85千克
过氧化二特丁基
2。
68千克
丙烯酸-丙烯腈2—乙基己脂共聚物(90:
10)
2.68千克
8聚合部分物料衡算
由于产品中引发剂,稳定剂及链转移剂的量很少,所以在产品中将其忽略不计,并假设所有助剂都被洗涤水带走。
苯乙烯量:
6。
92×906.0=6269。
52Kg
丙烯腈3.30×806.6=2659。
80Kg
软水量:
8。
92×998。
2=8904Kg
生成AS树脂量:
(6269。
2+2659。
80)×96%=8572Kg
损失AS树脂量:
8572.15×2%=171。
4Kg
未反应单体(苯乙烯及丙烯腈)量:
(6269.52+2659.80)
-8572=357.32Kg
进入下一工序的AS树脂量:
8572-171.4=8401Kg
表4聚合部分物料平衡表(单位千克)
物料名称
进料
出料
苯乙烯
6269.52
250。
78
丙烯腈
2659.80
106。
39
水
8904
8904
二戊烯
106.85
106。
85
过氧化二特丁基
2。
68
2.68
丙烯酸—丙烯腈2-乙基己脂共聚物(90:
10)
2.68
2.68
AS树脂
—-
8572
损失AS树脂
——
171.4
合计
17945.38
17945。
38
9洗涤部分
拟选用2个16m3洗涤釜.每釜用2000Kg水洗涤,洗涤后湿物料中含水20%。
损失AS树脂量:
8572×1%=86Kg
进入下一工序的AS树脂量:
8401-86=8315Kg
洗涤后湿物料中含水量为:
8315×0。
2/0.8=2079Kg
洗涤排水量为:
2000×2+8904-2079=10825Kg
表5洗涤部分物料平衡表(单位千克)
名称
进料
出料
AS树脂
8401
8315
洗涤水
4000
——
湿物料含水
——
2079
水
8904
10825
损失AS树脂
-—
86
合计
21305
21305
8。
10离心部分
经离心脱水后湿物料含水量为5%。
损失AS树脂量为:
8572×1%=86Kg
进入下一工序的PMMA量:
8315-86=8229Kg
湿物料含水量为:
8229×0.05/0.95=433Kg
离心脱水量为:
2079-433=1646Kg
表6离心部分物料平衡表(单位千克)
名称
进料
出料
AS树脂
8315
8229
湿物料含水
2079
433
损失AS树脂
-—
86
离心脱水
——
1646
合计
10394
10394
11干燥部分
物料经干燥后含水量为0。
5%。
损失AS树脂量:
8572×1%=86Kg
进入下一工序的AS树脂量:
8229-86=8143Kg
物料含水量:
8143×0.005/0。
995=41Kg
干燥蒸发水量:
433-41=392Kg
表7干燥器物料平衡表(单位千克)
名称
进料
出料
AS树脂
8229
8143
物料含水
433
41
损失AS树脂
——
86
干燥水量
——
392
合计
8662
8662
12包装部分
损失AS树脂量为:
8572×1%=86Kg
产品中AS树脂量为:
8143-86=8057Kg
损失的水量:
86×0。
5%=0。
43Kg
产品中水量:
41-0.43=40.57Kg
每釜生产的产品总量:
8057+40。
57=8097。
57Kg
表8包装部分物料平衡表(单位千克)
名称
进料
出料
AS树脂
8143
8057
水
41
40。
57
损失AS树脂
——
86
损失水
——
0。
43
合计
8184
8184
13每釜年生产能力及釜的个数
设计生产规模为年产AS树脂7000吨,设计生产时间为每年8000小时,生产周期为8小时,每釜生产能力为8097.57kg。
则每釜年生产能力为:
8097。
57×8000÷8=8098吨
取聚合釜备用系数为1。
1
则聚合釜个数为:
n=1.1×7000÷8098=0。
95
因此聚合釜个数可取为1个.
14物料流程图
物料流程图(千克)
洗涤水4000
苯乙烯AS树脂
丙烯腈未未反应单体357。
32
软水8904软水8904
添加剂122。
21添加剂122。
21
损失AS树脂废水10825
171。
4
损失AS树脂86
未反应单体357.32
AS树脂8315AS树脂8229
湿物料含水2079湿物料含水433
损失AS树脂86损失AS树脂86
离心脱水1646干燥除水392
AS树脂8143损失AS树脂86,水0。
43
水41产品中AS树脂8057,水40.57
二聚合釜的设计
1设计任务
选择聚合釜及夹套材料,确定聚合釜和夹套的几何尺寸,并对聚合釜及夹套进行强度计算。
2设计依据
1设计压力聚合釜0.6MPa(外压)
夹套0.65MPa
2设计温度160℃
3聚合釜体积24m3
3聚合釜几何尺寸的确定
初步选取公称直径为Dg2400的筒体,封头选取Dg2400的标准椭圆封头。
查表得封头的尺寸如下:
曲边高度h1=650mm直边高度h2=50mm
内表面积Fh=6.5453m2容积Vh=1.9905m3
查表得Dg2400的筒体的有关数据如下:
一米高容积V1=4.5245m3一米高内表面积F1=7。
54m2
则筒体高度计算为:
H=(V-V封)/V1=(24—1.9905)÷3.142=4.23m=4。
9m
长径比H/D=4900÷2400=2。
04。
釜的实际体积为:
V实际=HV1+V封=4。
9×4。
5245+1。
9905=24。
16m3
釜的实际装料系数为:
η实际=V物/V实际=(8。
92+3.30+6.92+0.165)÷24。
16=19。
3÷24。
16=0.7988
4夹套几何尺寸的确定
取公称直径为Dg2600的夹套,夹套封头也采用标准椭圆封头,并取与夹套筒体相同的直径。
查表得Dg2600的标准椭圆封头的有关尺寸如下:
直边高度h2=50mm内表面积Fh=7。
6545m2容积Vh=2.5131m3
聚合釜筒体部分物料的高度:
H物=(V物—V封)/V1=(19.3-1。
99)÷4。
5245=3。
83m
液面高度H液=H物+h1+h2=3830+50+650=4530mm
夹套包围的筒体高度
H包=H物+△=3。
83+0。
77=4。
70m
夹套筒体的高度
H夹=H包+50=4700+50=4750mm
聚合釜内传热面积A=H包F1+Fh=4。
7×7。
54+6.5453=42.0m2
5聚合釜壁厚的计算
聚合釜采用00Cr19Ni10与16MnR不锈钢复合钢板制造。
可以16MnR钢来进行强度计算。
初步选取钢板名义厚度δn=20mm,则钢板有效厚度δe=δn-C,其中C=C1+C2C1为钢板负偏差,取0。
8mm,C2为腐蚀裕度,取1。
2mm,则壁厚附加量C=2mm,
δe=18mm
D0/δe=(Di+2δn)/δe
其中D0为聚合釜外径,Di为聚合釜内径。
则
D0/δe=(2400+16×2)/18=135.11
计算长度L=H+h2+1/3h1,其中H为筒体高度,h2为封头直边高度,h1为封头曲边高度。
则L=4900+50+1/3×500=5117mm
L/D0=5117/2432=2.10
查《外压或轴向受压圆筒几何参数计算图》,得到系数A=0.00045
然后查图《外压圆筒和球壳厚度计算图(16MnR钢)》得到B=85MPa
则计算许用外压力[P]
[P]=B/(D0/δe)=85/135。
11=0。
63MPa
设计外压P=0。
6MPa,小于[P]且比较相近.则所选取的δn=16mm符合要求。
即筒体厚度δn=20mm
封头厚度取与筒体相同的厚度20mm。
6夹套厚度的计算
夹套选用20R钢板制造。
夹套计算厚度为:
δ=PcDi/(2φ[σ]t—Pc)
式中Pc为计算压力,取0.65MPa,Di为夹套内径,2600mm,
φ为焊缝系数,取0.85(双面对接焊,局部无损探伤)
[σ]t为材料许用应力,查表得113MPa
则δ=0.65×2600/(2×0.85×113—0.65)=8.8mm
钢板名义厚度δn=δ+C+△其中C=C1+C2C1为钢板负偏差,取0.8mm,C2腐蚀裕度取1。
2mm,则壁厚附加量C等于2mm。
那么,δn=8.8+2+△=12mm
夹套封头厚度取与夹套筒体相同的厚度12mm.
7水压试验应力校核
7.1筒体水压试验应力校核
水压试验压力PT=1。
5P=1.5×0.6=0。
9MPa
水压试验时的薄膜应力为
σT=PT(Di+δe)/2δe考虑到液柱压力,代入计算时PT取0。
95MPa
σT=0。
95×(2400+18)/2×18=63.8MPa
查表得16MnR的屈服极限σs=345MPa
故0。
9φσs=0.9×0.85×345=263。
93MPa>63.8MPa=σT
则筒体厚度满足水压试验时强度要求.
7。
2夹套水压试验应力校核
夹套水压试验压力为
PT=1。
25P[σ]/[σ]T=1。
25×0.65×113/113=0.81MPa
水压试验时的薄膜应力为
σT=PT(Di+δe)/2δe,考虑到夹套液柱压力,代入计算时PT取0。
85MPa
有效厚度δe=δn-C=12–2。
8=9.2mm
故σT=0。
85×(2600+9.2)/2×9。
2=141.29MPa
查表得20R的屈服极限σs=235MPa
故0.9φσs=0.9×0.85×235=179。
78MPa>141.29MPa=σT
所以夹套厚度满足水压试验时强度要求。
水压试验的顺序是先做聚合釜水压试验,试验合格后再焊上夹套。
然后做夹套水压试验.夹套水压试验压力时,聚合釜内至少要保持0。
3MPa的压力.
8聚合釜有关数据
查表直径为2400mm,厚度为20mm的筒体一米高的质量为1192.5Kg,聚合釜封头质量为1014.6Kg。
直径为2600mm,厚度为12mm的筒体一米高的质量为774Kg,夹套封头质量为804.6Kg。
则聚合釜质量m1=795×4。
9+1014.6×2=7873Kg
夹套质量m2=774×4075+804。
6=3016Kg
聚合釜总质量m=7873+4481=12354kg
表9—1聚合釜有关数据表
项目
直径(mm)
高度(mm)
厚度(mm)
封头直径(mm)
材质
质量(Kg)
釜体
2400
4900
20
2400
复合钢板
7873
夹套
2600
4750
12
2600
20R
4481
二聚合釜搅拌器的设计
1设计任务
确定搅拌器的型式、几何尺寸、转速、轴功率以及电动机、减速机的选型.
2设计依据
釜的直径T2400mm
液面高度H4530mm
水的密度(80℃)0.9718g/cm3
水的粘度(80℃)0.317mPaS
AS树脂密度(80℃)1。
06g/cm3
釜的体积24m3
3搅拌器型式
根据搅拌物料的性质、搅拌要求选用平直叶桨式搅拌器,由于料液层比较高,为了将物料搅拌均匀,故设计安装三层桨叶,相邻两层搅拌叶交错成90º安装,三层桨叶的安装位置如下:
一层安装在下封头焊缝线高度上,另一层安装在液面下约200mm处,中间再安装一层。
4搅拌器转速
根据设计经验,搅拌器转速N可取65r/min,即1.08r/s。
5搅拌器轴功率
取D/T=0.6,其中D—搅拌器直径T—釜的直径,
则D=0。
6×2400=1440mm
液体的平均密度:
ρ平均=xρ水+yρMS+ρAN
=8.92/(6.92+3.30+8。
92)×0.9982+6.92/(6。
92+3.30+8.92)×0.9060
+3.30/(6.92+3.30+8.92)×0.8060=0.932g/cm3
轴功率P=nρN3D5/(1.365×105)
式中:
P-轴功率,KW;n—叶个数;
N—搅拌器转速,r/min;D—叶轮直径,m;
ρ—流体密度,g/cm3。
则P=3×0.932×(65)3×(1。
44)5/(1.365×105)=34。
8KW
电动机的额定功率PN=(P'+P)/η
传动装置的机械效率η可取0。
9,轴封装置的摩擦损失功率P'约占搅拌功率的
5%.
则PN=34。
8×1.05/0。
9=40.6KW
那么所选电动机型号为YR132M2-4,42KW,效率90。
6%
所选减速机,由转速65r/min选用XLD40-11型
轴径计算:
d=A(P/n)(1/3)
上式中:
d-轴径;A-是由轴的材料和承载情况确定的系数;
P-搅拌轴的功率;n-轴的转速;
选轴的材料为45号钢,因搅拌轴主要承受扭矩,可取A较小值,故取A=110
则:
d=A(P/n)(1/3)=110×(31。
3÷65)(1/3)=86mm
考虑到搅拌时介质腐蚀等影响,故取搅拌轴的最小直径为90mm。
.
三热量衡算
1衡算任务
计算各个阶段传热的速率,蒸汽和冷却水的用量,校核传热面积以确定换热设备的工艺尺寸。
2收集的数据
AS树脂的比热 1.36KJ/(Kg·℃)低碳钢比热 0.46KJ/(Kg·℃)
聚合热 53KJ/mol不锈钢比热 0.502KJ/(Kg·℃)
水比热 4。
18KJ/(Kg·℃) 苯乙烯比热 1.70KJ/(Kg·℃)
丙烯腈比热1.58KJ/(Kg·℃)
3操作时间平衡表
1。
加料30分
2.升温20——80℃1小时
3.聚合80℃恒温5小时
4.冷却80——50℃30分钟
5.放料30分
6。
清釜30分
共计8小时
取操作周期为8小时
4升温阶段的热量衡算
从常温20℃升温到80℃,升温时间为1小时。
则Δt=90-20=60℃
聚合釜吸收的热量:
Q1=C1m1Δt=0。
502×7873×60=237135KJ
夹套吸收的热量:
Q2=C1m2Δt=0.46×4481×60=123675KJ
由于助剂的量很少,故可忽略不计.下同。
水吸收的热量:
Q3=C3m3Δt=4.18×8904×60=2243808KJ
苯乙烯吸收的热量:
Q4=C4m4Δt=1.70×6270×60=639540KJ
丙烯腈吸收的热量:
Q5=C5m5Δt=1。
58×2670×60=253116KJ
则蒸汽供给的热量:
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=237135+123675+2243808+639540+253116=3497274KJ
蒸汽的供热速率:
q1=Q/t=3497274÷1=3497274KJ/h
5聚合阶段的热量衡算
80℃恒温聚合5小时,生成AS树脂8572kg,AS树脂链节分子量为159.
聚合放热:
Q6=8572×1000÷159×53=2857333KJ
聚合放热速率:
q2=Q6/t=2857333÷5=571466KJ/h
冷却水带走的热量:
Q7=Q6=2857333KJ
冷却水的传热速率:
q3=q2=571466KJ/h
6冷却阶段的热量衡算
80—-50℃降温,降温时间为30分钟.
聚合釜放出的热量:
Q1’=C1m1Δt=0.502×7873×(80—50)=118567KJ
夹套放出的热量:
Q2’=C2m2Δt=0。
46×4481×(80-50)=61838KJ
水放出的热量:
Q3'=C3m3Δt=4.18×8904×(80—50)=1121904KJ
AS树脂放出的热量:
Q4'=C4m4Δt=1.36×8572×(80-50)=347938KJ
则冷却水带走的热量:
Q8=Q1’+Q2'+Q3'+Q4’=118567+61838+1121904+347938=1650247KJ
冷却水的传热速率:
q8'=Q/t=1650247÷0.5=3300494KJ/h
7蒸汽和冷却水用量的计算
用0。
6MPa的蒸汽加热,蒸汽的汽化潜热为2087kJ/kg,每釜需蒸汽供给热量为676117kJ,则每釜蒸汽用量为3497274÷2087=1676Kg
每釜生产AS树脂8097.57kg,则每吨产品蒸汽用量为
1676/8097。
57×1000=206。
98kg
用冷却水冷却,取冷却水温度20——35℃,每釜需冷却水带走的热量为
Q9=Q7+Q8=2857333+1650247=4507580kJ
每釜需冷却水用量为
Q9/(cΔt)=4507580/[4.18×(35—20)]=71549kg=71.5吨
每吨产品需冷却水用量为
171549/8097.57×1000=8835.9kg=9吨
8传热面积校核
对于聚合反应,最重要的是控制聚合温度。
所以聚合釜传热要求能及时移
去聚合热。
聚合过程中最大的放热速率大约为平均放热速率的3倍.
Q最大=3q平均=3q2=3×571466=1714398KJ/h
传热面积的校核以聚合阶段的最大放热速率为依据进行。
8。
1求80℃时,浆料的导热系数λs。
λs=λl×[2λl+λp-2φs(λl—λp)]÷[2λl+λp+φs(λl—λp)]
上式中:
λl—水的导热系数80℃时,λl=2。
45KJ/(mh℃)
λp—颗粒导热系数80℃时,AS树脂颗粒λp=0。
75KJ/(mh℃)
φs—颗粒在悬浮体系中占有的体积分数
80℃时,ρAS=1180kg/m3ρ水=971。
81kg/m3
AS树脂体积V1=2217÷1180=1。
88m3
软水体积V2=8904÷971.6=9。
16m3
φs=8。
09÷(8.09+9.16)=0。
47
则λs=2。
45×[2×2。
45+0。
75-2×0.47×(2.45-0。
75)]
÷[2×2。
45+0。
75+0.47×(2。
45-0。
75)]=2.75KJ/(mh℃)
8.2计算物料粘度µs
因为体系为水油混合乳状液,选用油水乳状液粘度计算公式:
μ=μ0ek(1—ψ)
式中:
μ乳状液粘度
μ0水的粘度,80℃,3。
54×10—4PaS
K与体系组成和温度有关的系数(约为7.0)
Ψ体系含水率,51%
μ=3.54×10-4×e7。
0×49%
=1.09×10-2PaS=39Kg/(mh)
8.3计算内壁薄膜给热系数αj
αjT/λ=0.36(λ/D)(Re)(2/3)(Pr)(1/3)(μ1/μp)0.14
上式中:
D—搅拌器直径;N-搅拌器转速;
Cp—浆料比热(80℃);Cp=4.18×51%+1.36×49%=2.81KJ/(kg℃)
λ—浆料导热系数;λ=2。
75KJ/(mh℃)
T—釜内径;T=2400mmHj—夹套高度;
搅拌雷诺数Re=D2Nρ/μ=1。
22×1。
08×972÷(1。
09×10—2)=1.39×105
Re(2/3)=(1。
39×105)(2/3)=2.68×103
普兰特数为NprPr(1/3)=(Cpμ/λ)(1/3)=(2。
81×39÷2。
75)(1/3)
=3.41
μ1/μp壁温下浆料粘度与总体温度下浆料粘度的比值,其值等于这两个温度的粘度的比值。
则(μ1/μp0.14=(0.350/0.354)0.14=0.998
因此αj=0。
36×(2。
75/1。
44)×2。
68×103×3.41×0.998
=6270。
3KJ/(m2h℃)
8。
4总传热系数
1/K=1/α1+1/α2+Δr/λs+fc
α2-壁外侧给热系数;取α2=8000KJ/(m2h℃)
Δr—釜壁厚度20mm;
fc-釜壁两侧污垢系数;取fc=0.0002(m2h℃/KJ)
λs—釜壁导热系数;λs=58KJ/(mh℃)
则1/K=1/6270。
3+1/8000+0.020/58+0。
0002
=0.000824(m2h℃/KJ)
那么K=1205。
8KJ/(m2h℃)
8.5传热面积的校核
Q=KAΔt
冷却水温度按20℃升到35℃选取.
则Δt=80—(20+35)/2=52。
5℃
Q=qmax=3q2=3×571466=1714398KJ/h
因此A=Q/(KΔt)=1714398÷(1205.8×52。
5)
=27。
1m2
而聚合釜实际传热面积为42。
0m2,需要的传热面积小于实际传热面积,
所以聚合釜传热面积可以满足传热需要.
四干燥器的设计
1.设计任务
确定干燥器的类型及型号、几何尺寸、转筒转速、蒸汽用量。
2.
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