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毕业设计题 目 年产18000吨柔性 不饱和聚酯树脂生产线设计 学 院 材料科学与工程 专 业 复合材料与工程 班 级 复材0902 学 生 覃项 学 号 20090121276 指导教师 丁妍羽 二一三年六月三日摘 要本设计方案是设计一条年产18000吨柔性不饱和聚酯树脂生产线的设计。柔性不饱和聚酯树是不饱和聚酯树脂中的一个特殊品种，其固化后柔韧性好且延伸率极高，颜色浅，因此，可做一些仿木制品并可与其他树脂混合以增加其柔性。本设计兼顾实用性和经济性，以摩尔比为2.1:1:1的1,2-丙二醇、顺酐、己二酸经熔融缩聚反应生成聚酯，再在质量分数为40%的苯乙烯中稀释得到最终产品，并且在配方设计中加入间苯二酚来控制成品性能和反应进度。根据配比对年产18000吨柔性不饱和聚酯树脂进行了物料衡算、主要设备选型、能量衡算、经济技术指标安排、全厂布局设计等设计过程。本设计完成了工艺流程图、车间平面图、车间立面图、车间侧面图、全厂总平面图等五张AutoCAD图纸。关键词：柔性不饱和聚酯树脂；配方；全厂布置；工艺流程；AutoCAD图纸Abstract This production line is designed with an annual output of 18,000 tons of flexible unsaturated polyester resin. Flexible unsaturated polyester resin is a particular species unsaturated polyester resin, which has good flexibility, high elongation and light color, consequently some wood products can be made by flexible unsaturated polyester resin and the flexible of other resins can be improved by adding flexible unsaturated polyester resin. The production line is practical and economic, in which the resin formula are consist of the 1,2propylene glycol, maleic anhydride, adipic acid(a molar ratio of of 2.1:1:1), the melt polycondensation method is adopted in this paper, at last the unsaturated polyester is diluted in the mass fraction of 40% of styrene to obtain the final product. The resorcinol is used to control product performance and the progress of the reaction. According to the ratio of annual output of 18,000 tons of flexible unsaturated polyester resin, the material balance, major equipment selection, energy balance, economic and technical indicators arrangements and plant layout design process are made. The design process flow diagram, the five AutoCAD drawings of the workshop floor plan, workshop elevation, the workshop side view and whole plant floor plan are completed. Keyword: Flexible unsaturated polyester resin; Formula; Whole plant layout; Process flow; AutoCAD drawings目 录摘要IAbstractII1前言11.1 柔性不饱和聚酯树脂的应用11.2 国内外柔性不饱和聚酯树脂的研究现状11.3 课题设计的目的与意义32 配方42.1 生产柔性UPR选用的原材料及性能42.2 配方设计43 生产工艺的设计63.1工艺设计原则63.2生产方法的选择63.3 投料方式的选择63.4 投料方法的确定73.5 工艺流程73.5.1 生产工艺流程73.5.3 树脂质量检验84物料衡算94.1 物料衡算的依据94.2日产量的计算94.3树脂实际投料量计算95主要生产设备选择125.1温度的设计125.2设计压力125.3 反应釜数量125.4反应釜的设计125.4.1确定筒体和封头的直径135.4.2确定筒体高度H135.4.3釜体壁厚的计算135.4.4釜体封头厚度的计算145.4.5夹套直径选取145.4.6确定夹套高度145.4.7校核传热面积155.4.8夹套筒体壁厚的计算155.4.9夹套封头厚度的计算155.5 稀释釜设计175.5.1 稀释釜设计原则175.5.2 稀释釜的长径及封头175.5.3 稀释釜的夹套壁厚设计175.5.4釜体壁厚的计算175.5.5釜体封头壁厚的计算185.6 反应釜与稀释釜搅拌装置的选择195.6.1 反应釜和稀释釜搅拌器的尺寸195.6.2 搅拌轴功率的计算205.6.3 搅拌轴和传动装置的计算215.7电动机的选用235.8 减速机的选用245.9联轴器的选用246热量衡算257辅助生产设备的选择277.1 加热系统选择277.1.1 热油炉效率计算277.1.2 热油炉的选择277.2 CO2系统的确定277.3反应釜冷凝器的选择287.3.1 卧式冷凝器的选择287.3.2立式冷凝器的选择297.4物料计量罐的设计297.5 物料泵的设计307.6 真空泵与真空缓冲罐的设计317.6.1 真空泵选型317.6.2 真空缓冲罐的设计317.7 其他设备的设计317.8 缩水缸的设计328车间的布局设计338.1 车间的整体布局338.2 车间的平面布局338.2.1 车间的柱网布置和跨度338.2.2 车间的空间布局338.3 车间建筑面积的确定338.3.1物料面积的确定348.3.2成品存放面积的确定348.3.3设备面积的确定358.3.4功能室面积的确定358.4 车间各楼层设备的布置358.5楼层面积的确定359 厂区的布局设计379.1 厂址选择的原则379.2 厂区平面布局的原则379.3 本设计厂区具体布局3810厂区的安全生产3910.1 厂区劳动保护措施3910.2 “三废”处理3910.3 聚酯树脂的贮存3911车间经济技术指标安排4011.1 车间员工的组成4011.2 车间工作制度4011.3 生产车间设备的保养及维修4111.4 车间运输4111.5车间经济指标一览表4212 结 论43参 考 文 献44致 谢461前言不饱和聚酯树脂（UPR）是由多元醇和多元酸进行缩聚反应得到的，在大分子主链上含有酯基重复结构单元的树脂。它是由不饱和二元酸或酸酐、饱和二元酸或酸酐与二元醇经过缩聚反应形成的聚合物，再经苯乙烯稀释得到。由于UPR中存在不饱和双键，在有引发剂的作用下可以进行共聚固化，UPR在交联后的柔韧性主要取决于所用二元酸及二元醇的种类和数量以及交联程度。交联密度高，柔性下降，反之，则提高。1.1 柔性不饱和聚酯树脂的应用1柔性不饱和聚酯树脂是不饱和聚酯树脂（UPR）中的一个特殊品种，可在室温固化，固化后柔韧性好，可做家具、地板等仿木制品。可加入各种填料，如滑石粉、石灰石粉以及轻质微珠等，做成不同柔性和质量的制品还可以与砂子混合做马路、桥梁维修的急用路面，只需7%8%的树脂即可粘结成路面。柔性树脂还有一个重要用途是作为改性树脂与其它各种树脂混合，以增加树脂的柔韧性。1.2 国内外柔性不饱和聚酯树脂的研究现状柔性不饱和聚酯树脂具有较高的经济价值，所以国内外的研究者们对其进行了大量的研究。研究者对柔性UPR的改性研究包括改变其主链结构、接枝引入柔性链段、改变交联剂等方法。Abdeen2研究了酸酐对UPR合成的影响，用不同比例的邻苯二甲酸酐与马来酸酐和丙二醇进行酯化反应。结果表明当马来酸酐在混合酸酐中含量为60-70%时，机械性能指标如冲击强度、吸水率、韧性和表面硬度等均达到了最大值。王颖3研究了SMC、DMC用间苯二甲酸UPR的合成，当用间苯二甲酸代替苯酐时，可明显改善所合成树脂力学强度、耐热性和耐化学腐蚀性能，且固化后树脂的热变形温度、弯曲强度、冲击强度都会提高。同时由于间苯二甲酸单元的结构较邻苯二甲酸对称，间苯二甲酸的加入，使整个大分子结构也较规整，树脂强度提高，同时表现出良好的韧性。王伟萦4采用两步法合成不饱和聚酯-环氧树脂嵌段共聚物，第一步先用过量的苯酐、顺酐与丙二醇反应生成由羧基封端的UP，第二步用环氧树脂和上述的UP嵌段共聚合，生成嵌段共聚物，并用丙烯酸封端。通过调节不饱和酸的过量摩尔比来控制光敏预聚物的分子量。结果表明，不饱和酸的过量摩尔比越大，分子量越大，固化速率也就越快。朱立新5合成了一种含有反应活性马来酸酐端基的改性聚乙二(PEG-MAH)，用其对高交联度不饱和聚酯(UP)进行增韧。结果表明，含有反应性马来酸酐端基的聚乙二醇参与了UPR的固化反应，可在交联网络中构成不同长度的柔性链段，从而显著地提高了UPR的韧性，同时保持了其它性能如强度和模量的稳定。Abdel6研究了交联单体对UPR的柔韧性的影响，分别用St和St/丙烯腈(AN)混合物作交联剂，结果表明交联单体混合物中St的量减少、AN含量增加可以提高UPR的柔韧性。刘岚7用锥板黏度计研究了UPR及不同活性稀释体系的流变性能，包括St、l,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、乙氧基化的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMP(EO)1lA)、二缩乙二醇二乙烯基醚(DVE-3)。通过对树脂的流变性能分析，发现树脂本身是一种非常接近牛顿流体的假塑性流体。李英8利用4，4-二苯甲烷型双马来酰亚胺(BMD)作为共聚单体与UP进行共聚改性，对这一共聚体系的性能进行了研究。研究结果表明，双马来酰亚胺的引入对UPR的力学性能造成一定影响，尤其显著提高了共聚物热分解温度和热变形温度。王钧9对低黏度端羟基UPR的配方、合成工艺方法进行了研究，通过控制二元醇的过量分率并选择合适的二元醇合成得到了一类黏度低、高端羟基的新型UPR，并用该树脂与2，4-甲苯二异氰酸酯(TDI)共混活性高。结果表明二元醇的过量分率控制在30%-35%，可以获得一系列低黏度UPR，其黏度低于通用UPR的1/3，用一缩二乙二醇封端合成的UPR加入质量分数为7.5的TDI，在过氧化苯甲酰和N,N-二甲基苯胺室温固化体系下，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了87.5%、50%和200%，大幅度提高了力学性能。鲁博10对聚氨酯改性UPR的微观结构与性能进行了研究，利用与天然纤维具有良好亲和性的聚酯聚氨酯(PU)改性UPR，通过扫描电镜(SEM)、傅立变换叶红外光谱(FI-IR)、接触角和力学性能等，研究了改性UPR的微观结构、反应程度和主要性能。研究结果表明，引入PU提高了UPR的韧性，增加了与天然纤维的界面浸润性，降低了UPR的固化收缩率。力学性能测试表明，当PU含量为5%时，其冲击强度可提高80%，弯曲模量降低小于20%，固化收缩率低于4%。赵世琦11用碳酸钙刚性粒子和具有核壳结构的微凝球软颗粒(聚丙烯酸酯聚甲基丙烯酸甲酯)作为增韧剂，研究了它们对UPR的增韧作用，发现UPR的脆韧转变现象。当增韧剂的用量达到一定程度，即颗粒间距超过临界颗粒间距时，材料的断裂韧性会发生突变。临界基质层厚度的大小由基质性质决定，与所加的分散相颗粒粒径和形状等因素无关。Guhanathan12研究了包括蓖麻油、TDI、AN等与通用UPR不同成分构成的三组分IPN。结果发现聚氨酯聚丙烯腈，通用UPR(PU/PAN/GPR)IPN经过单级分解，当PU/PAN与GPR的比例为10：90时体系达到了很好的相容性，同时基体树脂的抗张强度下降，弯曲和冲击强度上升。曾黎明13制备了一种新的4,4-二苯基甲烷双马来酰亚胺(BMI)改性UPR。研究了不同质量比的BMI对UPR及复合材料性能的影响。结果表明，改性树脂基复合材料的力学性能均有较大幅度的提高，其中拉伸强度提高了13%，剪切强度提高了31%，弯曲强度提高了55%，冲击韧性提高了25%，只有压缩强度提高较少，不到10%，同时复合材料的耐热性能得到了提高。1.3 课题设计的目的与意义本设计方案为柔性不饱和聚酯树脂的生产线，通用的不饱和聚酯树脂一般由不饱和酸和多元醇合成的，1,2丙二醇分子结构中有不对称的甲基，由此得到的聚酯结晶倾向少，与交联剂苯乙烯有良好的相容性。为增加树脂的柔性，采用改变酸的种类来增加其柔性的方法，己二酸具有较长的链长，分子中引入己二酸是分子链中不饱和双键的距离增大，获得合适的凝胶、固化时间，较高的拉伸强度和断裂伸长率，综合性能较好的产品。同时，加入较少量的己二酸就可以获得比较适宜的硬度，可以降低树脂的成本，获得较高的性价比。另外，本设计方案中所用原料为1,2丙二醇，顺酐和己二酸，这些原料都为工业生产中的常用原料，产地分布广泛，供应量充足。2 配方原料通常为工业生产中的常用原料，产地分布广泛，供应量充足，通过反应后获得性能较好的产品。此外在原料采购中，应尽量使用当地原材料或国内生产的原材料，以减少运输费用，提高经济效益。优先采用质量好、产地近、价格低的原料。2.1 生产柔性UPR选用的原材料及性能14（1）顺酐（顺丁烯二酸酐）：分子量98，熔点52.8，沸点202.2，相对密度1.5，白色晶体。化学式：。作用：生产柔性UPR的主要原料之一，熔点低、含水少、反应速度快、热变形温度中等，并且价格低。（2）己二酸：分子量145，白色晶体，熔点153.0153.1。密度1.36化学式：HOOC-(CH2)4-COOH。作用：改善不饱和聚酯树脂的柔性。 （3）苯乙烯：分子量104，相对密度0.9，无色透明液体。化学式：作用：作为生产树脂的交联剂和稀释剂。（4）1,2-丙二醇：分子量76，无色粘稠稳定的吸水性液体，几乎无味无臭，相对密度1.04，熔点：59，沸点：188.2。化学式：CH2OH-CHOH-CH3 作用：生产UPR的主要原料之一，熔点低、反应速度快、并且价格低。（5）石蜡：保护层，防止树脂固化后表面发粘，用量为物料总量的0.02%。（6）间苯二酚：作为生产树脂的阻聚剂，用量为物料总量的0.01%。2.2 配方设计14酸酐的选择：一、顺酐在实际生产中有广泛的应用，本设计将它作为主要的不饱和酸原料，因其熔点低、含水少、反应速度快，且市场价格低廉，可以有效地降低生产成本。二、己二酸为饱和酸原料，作为加入的酸可以调节聚酯的不饱和性，提高树脂的韧性，改善聚合产物与苯乙烯的相容性，使树脂具有良好的综合性能。此外，提高饱和酸对不饱和酸的用量比可防止产生支链，提高树脂的柔软性。醇的选择：用结构不对称的1,2-丙二醇减少结晶度，能更好的与苯乙烯共融且在酸值恒定时，醇过量5%。其他成分的选择：一、采用间苯二酚作为阻聚剂，使用浓度为树脂总质量的0.01%。二、用石蜡作为保护层，防止树脂表面发粘。三、采用苯乙烯作为聚酯的稀释交联单体，比起其他的单体，苯乙烯适中，价格合理。据文献15得：一般柔性UPR的酸值范围在1725，故本课题选取酸值为20。合成柔性不饱和聚酯树脂的配方如表2.1所示。表2.1 柔性不饱和聚酯树脂的配方组分分子量摩尔比质量质量分数%1,2-丙二醇 762.10159.6己二酸 1451.00145顺酐 98.1.0098 理论缩水量182.0036聚酯产量366.660%苯乙烯104244.440%聚酯树脂产量611注：反应中需加入质量分数为0.01%的阻聚剂间苯二酚和质量分数为0.02%的石蜡3 生产工艺的设计3.1工艺设计原则16（1）以人为本、安全第一为原则。人是劳动创造的主体，故人是最关键的，工厂设计要以人为本，安全可靠，环境健康，保证生产。（2）经济原则。设计应做到经济合理，在保障生产的前提下尽可能节约建设资金，降低产品成本。为此，设计中应考虑充分发挥设备的效能，降低原材料燃料的消耗，提高产品产率，降低废品率，使主要技术指标比同类企业具有先进性。（3）节能环保原则。考虑垃圾的放置，回收利用。3.2生产方法的选择17根据缩聚反应实施方法的不同，可分为熔融缩聚法、溶剂共沸脱水法、减压法等多种。 一、熔融缩聚法是指直接将醇、酸进行熔融缩聚反应，除了加入反应物料外不加入其他的物料，利用水和醇的沸点差，并结合通入惰性气体保护的情况下，使反应生成的水分离出来。此方法设备简单、操作方便、生产周期短。二、溶剂共沸法是指在缩聚反应的过程中加入某种溶剂（如甲苯、二甲苯等），利用水和甲苯的沸点较低，将反应生成的水迅速的从反应物中带出，从而促使缩聚反应的完成。此方法优点是反应比较平稳，易于进行掌握，制品颜色较浅，但需要另加一套分水回流装置。此外反应过程由于含有甲苯，因此应适当注意防火，注意生产安全。三、减压法是指当缩聚反应进行到2/33/4时，抽真空进行减压脱水，减压速度为每10 min真空度提高100 mmHg，直到真空度达600700 mmHg为止。当反应物料酸值达到要求时停止反应。用此种方法生产的树脂含水量较少，但分子量较大。比较上述各方法的优缺点，并考虑到目前大多数合成树脂厂采用熔融缩聚法合成UPR，且为降低成本、方便操作，本设计中采用熔融缩聚法合成树脂。3.3 投料方式的选择根据所用原材料可分为液体料和固体料两种，投料方式各有所不同。目前工厂用的液体料主要有两种投料方式：一种是通过齿轮泵将液体打入计量罐中，称量完毕后再进行投料；另一种是直接打入高位槽计量罐中再进行投料。比较上述两种方法，第一种比较准确，故本设计采用第一种投料方式进行投料。目前工厂用的固体料主要有两种投料方式：一种是将固体料通过投料口直接加到反应釜中；另一种方法是将固体料进行预熔化，成为液体后再加到反应釜中。第一种比较实用、经济、设备简单、操作方便，故本设计采用第一种投料方式投放固体料。3.4 投料方法的确定18在树脂生产过程中，根据投料时机的不同，可将投料方法分为“一步法”和“二步法”。“一步法”：是指在UPR生产过程中，将原材料按配比称好，并在反应初期一次放入反应釜中进行缩聚反应，反应合成树脂。“二步法”：是指将各种原材料分成两份，每份单独先后加入到反应釜中，如首先将二元醇和顺酐投入到反应釜中，待物料完全熔化后启动搅拌装置，加热反应体系，使物料温度逐渐升温至190210，竖式回流冷凝器出口温度控制在105以下。保持反应釜温度在210，直到试样的酸值达到90100，降低釜内温度到160以下后，以同样的方式将己二酸投入反应釜中。在反应过程中，逐渐排除由缩聚反应放出的水，反应终点由测定UPR的酸值来控制。当酸值达到规定值，即为反应终点。实践证明，在其它条件相同的情况下，“二步法”生产的树脂的热变形温度及其它物理性能好于“一步法”。但考虑到本设计生产的为柔性聚酯树脂，为节约成本和时间，方便操作，故选用“一步法”进行投料。3.5 工艺流程3.5.1 生产工艺流程（1）按照设计配称出各种物料；（2）检查全部阀门，尤其是“聚酯放料阀”，确保处在正常状态；（3）打开“放空阀”，向反应釜中通入惰性气体，排除反应系统中的空气；（4）依次投入1,2-丙二醇、顺酐、己二酸。若粉尘太大，可开真空泵抽气；（5）待二元酸熔化后启动搅拌装置，反应釜的投料系数不超过80%，否则易产生泛泡现象；（6）加热反应体系，卧式冷凝器通水；（7）加热物料温度达190220，保持竖式回流冷凝分离器出口温度在105以下，以防止二元醇挥发损失；（8）在反应过程中，逐渐排除由缩聚反应放出的水分，反映终点由测定不饱和聚酯的酸值来控制。当酸值达到202 mgKOH/g时，即为反应终点；（9）待酸值合格后，把料温降至190，加入计量的石蜡和阻聚剂，再搅拌30 min，待进一步稀释；（10）检查稀释釜阀门，尤其是成品树脂放料阀和成品树脂包装放料阀，打入苯乙烯，稀释釜夹套和立式冷凝器通冷却水，开动搅拌器；（11）打开阀门聚酯放料阀，使聚酯缓慢流入稀释釜中，控制聚酯流速，使混合温度不超过90。混合搅拌30 min以上；（12）稀释完毕，将树脂冷却至室温，经过滤，放料包装；（13）每批产品取样品500 ml，送交化验室检验。3.5.3 树脂质量检验质量检验一般包括四项指标：酸值、粘度、凝胶时间和固体含量18。（1）酸值：酸值定义为中和1 g试样所需氢氧化钾的毫克数，实质上是试样中游离酸的量度。试样溶于苯和乙醇的混合溶剂中，以氢氧化钾的乙醇标准溶液中和试样中的游离酸，用消耗的氢氧化钾乙醇溶液的体积来计算酸值。 （2）粘度：液体的粘度是液体分子间相互作用而产生阻碍分子间相互运动能力的量度。树脂粘度是流动性等性能的反映，粘度大小反映了润湿或浸透填料、增强材料的能力，对进一步加工操作影响较大。一般用4杯在25时从杯底小孔漏尽树脂所需的时间（s）来测粘度，4杯容量为100 ml，漏嘴直径为4mm。目前常用的是NOJ-1型旋转粘度计来测粘度，单位是MPaS11。（3）凝胶时间：凝胶时间（25）是指树脂从加入引发剂和促进剂开始到变成软胶状而失去流动性所经历的一段时间。常采用仪器法测定。（4）固体含量：在直径为7cm的小铝盘中称取1.52g树脂，利用树脂流动性，使树脂均匀摊于盘底，然后在1502的烘箱中烘1h，取出于干燥器中冷至室温，称其重量。4物料衡算4.1 物料衡算的依据根据质量守恒定律（在化学反应中，参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和）和柔性UPR的配方设计，物料的实际投料量比理论投料量要多加5%。4.2日产量的计算本设计为年产18000吨柔性UPR，年工作日按300天计算，则日产量为：W总=60（t）由本文表3.1配方知，苯乙烯的日消耗量为：W苯乙烯=6040%=24（t）聚酯的日产量为：W聚酯=6060%=36（t）4.3树脂实际投料量计算 （1）根据设定的酸值，计算柔性UPR的平均分子量Wn： Wn=561000/20=2800（2）写出投料反应式并计算平均聚合度：1,2-丙二醇与顺酐、己二酸混合后进行熔融缩聚反应，反应方程式如下： 由反应方程式可得342*n/2+18=2800所以n=16.27 聚合度为n/2=8.135（3）日产60t聚酯树脂，各种物料的理论日用量为：聚酯产量的摩尔量为n聚酯=36106/2800=1.29104W1,2-丙二醇=2.1n/2M1,2-丙二醇n聚酯=2.116.27/2761.29104=16.75（t）W己二酸=n/2M己二酸n聚酯=16.27/21451.29104=15.22（t）W顺酐= n/2M顺酐n聚酯=16.27/298 1.29104=10.28（t）W脱水=（3n/2-1）M顺酐n聚酯=（316.27/2-1）181.29104=0.54（t）每天总投料量G总为：G总=W1,2丙二醇+W顺酐+W己二酸+W苯乙烯- W水=16.75+15.22+10.28-0.54=41.71（t）（4）辅助材料用量的计算：W阻= W聚酯0.01%=360.01%=3.610-3（t）（5）各物料实际日投料量的计算：考虑到在UPR的合成过程中物料的损失及纯度等因素的影响，一般各物料用量均比理论用量多加5%，因此各物料的实际日投料量为：W1,2-丙二醇=16.751.05=17.59（t）W己二酸=15.221.05=15.98（t）W顺酐=10.281.05=10.79（t）W苯乙烯=241.05=25.2（t）W阻=3.61.05=3.7810-3（t）通过查阅资料得到各物料的密度，如下面表4.3所示。 表4.3各物料密度14物料名称物料密度（g/cm3）1,2-丙二醇1.04顺酐1.5 己二酸 1.36苯乙烯 0.9因为其他辅助材料用量少，可忽略不计，则各物料的投料体积为： 1,2丙二醇物料的体积V1=16105.77（L）顺酐物料的体积V2=6853.33（L）己二酸物料的体积V3=11191.18（L）苯乙烯物料体积V4=26666.67（L）所以日投入反应釜的体积为V反=V1+V2+V3=16105.77+6853.33+11191.18=34150.28（L） 日投入稀释釜的体积为 V稀= V反+ V4=25612.71+26666.67-540=51739.38（L）5主要生产设备选择生产柔性UPR所用的设备主要有反应釜、稀释釜、搅拌器、电动机，生产中各种设备的选型主要取决于反应釜的大小，即生产规模。反应釜采用夹套油加热、冷却系统；稀释釜采用夹套油加热、冷却系统。5.1温度的设计18 酯化反应加热升温是一个重要的因素，不达到一定温度，酯化反应速度很小，但达到可觉察的反应速度的温度时，几乎任何一个二元醇分子，都可能与二元酸分子缩合成酯，而且酯化反应本身是一个放热反应，倘若继续加热升温会造成反应过于猛烈而溢锅，所以反应到此阶段应停止升温，保温预聚半小时，因此，生产中必须将反应温度控制在一定的范围内，通常为160220，本设计采用210。5.2设计压力19 釜内0.3 MPa；夹层0.5 MPa5.3 反应釜数量因为酯化反应温度200，所以选16MnR高合金钢反应釜。物料日投入量较大，考虑到加热和冷却设备的用量，宜用大体积反应釜，综合到效率问题，在这里选用6300L 根据化工合成选用反应釜的原则：一般投料量占反应釜体积的70%85%，即投料系数为70%85%19。本设计选用投料系数为80%。则一个反应釜的允许投入量为V=630080%=5040（L）所以需要反应釜的数量n反=V/V=34150.28/5040= 6.77取n=7通过理论计算可获得日产一釜树脂时，各物料的实际用量如表4.2所示。表5.1 各物料实际用量物料名称物料用量/kg1,2丙二醇2512.86顺酐1541.43己二酸 2282.865.4反应釜的设计 反应釜的设计主要包括筒体、封头、夹套的设计。5.4.1确定筒体和封头的直径 反应类型为液-固相类型，查化工设备设计基础19P196表6-1，H/Di可取11.319。本设计取H/Di=1.2，Di的估算值为Di=1.88(m) （5-1）式中 V釜体容积，m3；H釜体高度，m；Di釜体内径，mVb封头容积，m3从化工设备设计基础19P222附表5中查得Vb：0.826m3所以Di的真实值为Di=1.798mDi圆整到DN系列，取Di=1800 mm。本设计釜体封头与筒体取相同内径，即1800 mm。5.4.2确定筒体高度H当DN=1800 mm，从化工设备设计基础附表4查得筒体每一米高的容积V12.545m3 /m。则筒体高度估算为： H=2.15(m) (5-2)取H=2200 mm于是H/ Di =2200/1800=1.2，故合适。5.4.3釜体壁厚的计算釜体材料选用16MnR高合金钢，查化工设备设计基础附表1知钢板厚度1636mm，受力分析知筒体受力为外压，考虑到失稳情况，筒体的临界压力必须大于许用压力的m倍，即Pcr=mP19根据国标GB1501998钢制压力容器的规定m=3，所以Pcr=1.5MPaLcr= 220019 (5-3)Lcr为筒体临界长度，D0为筒体外径，e为筒体有效厚度所以为短圆筒所以Pcr19Et为材料弹性模量，E210=195GPa20L为筒体高度D0为筒体外径代入数据求的e=14mm 查化工设备设计基础P92表3-13 C1=0.8 C2=2C1:钢板负偏差，C2:为腐蚀裕量所以筒体厚度S=e+C1+C2=16.8mm 取18mm5.4.4釜体封头厚度的计算假设厚度为18mm，e=S-C1-C2-C3=14.7mmA=19 (5-4) R0=K1D0 K1=0.919则R0=0.91836=1652.4所以A=0.00008从化工设备设计基础P100图3-17知A在处于材料温度线左边，所以许用压力P=19P=1.230.5 所以厚度可行综上可得筒体厚度为18mm5.4.5夹套直径选取查化工设备设计基础19P197表6-2，取Dj=Di+100=1800+100=1900（mm）。夹套封头也采用椭圆形,并与夹套筒体取相同直径，即1900 mm。5.4.6确定夹套高度Hj=1.66（m） (5-5)取Hj=1.7m=1700 mm5.4.7校核传热面积容积底面积为S底=R2=3.140.92=2.54液体高度为h液=（V液-Vb）/S底=(4.88-0.826)/2.54=1.6当DN=1800mm时，从化工设备设计基础P220附表4和附表5查得筒体1米高内表面积F1 =5.66m2，封头内表面积Fh =3.64 m2。工艺要求的传热面积为S=Dh液+Fh =3.141.81.6+3.64=13m2则夹套传热面积F =Fh1.7F1 3.641.75.6613.3（m2）13（m2）这样在保证法兰装卸方便的前提下(200 mm)可具有最大的传热面积，增加了设备的操作性。5.4.8夹套筒体壁厚的计算反应釜的夹套筒体采用对接双面焊缝，焊缝进行局部无损探伤检查，封头采用标准椭圆形封头（长短轴之比为2），材料选用OCr13Al号高合金钢钢板。根据受力分析得知，夹套筒体承受内压，因此夹套筒体壁厚可按下式计算：S夹+C （5-6）式中 P：设计压力，为0.5MPa； D：夹套内径，为1900mm； t：许用应力，查化工设备设计基础表22-10得25099MPa； ：焊缝系数，查化工设备设计基础表22-12得，0.9； C：附加厚度 S夹5.35（mm） C=C1+C2 C1：负差偏差 C2：腐蚀裕量 查化工设备设计基础表3-13得C1=0.2 C2=2所以S= S夹+C=5.35+0.2+2=7.555.4.9夹套封头厚度的计算夹套封头厚度可按下式计算：S+C式中 P、D、t、代号意义和数值同夹套筒体壁厚的计算式C=C1+C2+C30.220.32.5（mm）C3=0.3为热加工减薄量以此数值代入上式，则S2.57.84（mm） 根据钢板规格和化工设备设计基础附表1知钢板厚度215mm，则封头厚度取8 mm19。在工程上，往往是将封头和筒体取相同的壁厚。所以S夹也取8 mm。表5. 2 反应釜计算结果内径壁厚 高直边高度曲边高度筒体180018 2200 釜体封头18001825 450夹套19008 1700 夹套封头1900825 475反应釜结构如下图：5.5 稀释釜设计稀释釜的设计主要包括筒体、封头、夹套的设计，材料选用A3号钢板。5.5.1 稀释釜设计原则稀释釜采用搪瓷稀释釜，因为搪瓷釜具有耐腐蚀性，且表面光滑，易清洗，而且成本低；但允许工作温度有限制，还有就是搪玻璃层脆，传热慢等，需有一定防护措施。5.5.2 稀释釜的长径及封头稀释釜体积的确定：本设计采用一个稀释釜配一个反应釜，所以选7个稀释釜，所每个稀释釜的物料体积为51739.38/7=7391.34(L)，投料系数取0.8通常理论要设稀释釜的体积是反应釜体积的1.5倍21。V稀=1.5V反=1.56300=9450(L)根据HB203691选用容积为10000L稀释釜，则允许投入量为100000.8=8000（L）7391.34选用椭圆型底盖闭式，筒体内径DN=2200 mm、筒体高度H=2300 mm封头高度：h1=550mm；封头直边：h2=40 mm5.5.3 稀释釜的夹套壁厚设计釜内设计压力0.2 MPa，夹套设计压力0.6 MPa,反应温度900C稀释釜的夹套筒体采用对接双面焊缝，焊缝进行局部无损探伤检查，封头采用标准椭圆形封头，材料选用A3号钢板。根据受力分析得知，夹套筒体承受内压，同理，查化工设备设计基础表22-10得90=124.46 MPaS夹+C=8.5封头厚度SC=9.6 所以厚度取10 mm5.5.4釜体壁厚的计算 根据设计的压力，受力分析知，釜体是外压圆筒，承受压力为0.6 MPa外压。首先，假设筒体的计算壁厚S015 mm，并以此决定L/D0及D0/S0之值：D0筒体外径，D0=D内2S022002152230 mm；L筒体设计长度，L=3000 mm。则：L/D01.35 D0/S0148由化工设备设计基础图22-10查得B=900,则许用压力可由下式求出：=0.61 MPa0.6（MPa）因此，当筒体壁厚为15 mm时，能满足稳定要求。在考虑壁厚附加量CC1+C20.622.6 mm后，筒体壁厚：SS0C152.6=18 mm。5.5.5釜体封头壁厚的计算釜体封头壁厚可按下式计算：SC则：S+3.1=10.49（mm）式中 C=C1+C2+C30.620.53.1 mm由于考虑封头与筒体的装配及焊接问题，通常采用封头与筒体的壁厚为等厚度，所以，最后封头的厚度选取为18 mm。表5.3 稀释釜计算结果内径壁厚高直边高度曲边高度筒体220018 2300 釜体封头22001840 550夹套240010 1700 夹套封头24001040 600稀释釜结构如下图： 5.6 反应釜与稀释釜搅拌装置的选择搅拌装置通常由搅拌器和搅拌轴组成，搅拌器的型号很多，应根据工艺要求来选择。在化工合成中，混合高黏度的液体常用的搅拌器有桨式、框式、锚式、涡轮式和螺杆式。根据化工设备机械基础19200页知框式搅拌器椭圆形或蝶形下封头的釜体，通常框式搅拌器的直径DJ较大，取釜体内径的2/39/10，适用于有固体沉淀或容易挂料的场合。对于醇酸反应釜且釜底为椭圆形的适合选用框式搅拌器，故本设计中反应釜和稀释釜均选用框式搅拌器。5.6.1