年产3000t聚丙烯酸树脂工艺设计-化工原理课程设计.doc

年产3000t聚丙烯酸树脂工艺设计-化工原理课程设计.txt我们用一只眼睛看见现实的灰墙，却用另一只眼睛勇敢飞翔，接近梦想。男人喜欢听话的女人，但男人若是喜欢一个女人，就会不知不觉听她的话。 本文由布拉姆斯托克贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 化工工艺课程设计报告 设计题目： 指导老师： 设计者班级： 设计者姓名： 设计日期： 年产 3000 吨聚丙烯酸树脂的工艺设计 年 月 日 年 月 日 1 目录 一、设计任务书3 二、生产主要工序和工艺流程4 三、聚合工序物料衡算4 （1）出主副反应方程式3 （2）集相关数据资料4 （3）选择计算基准与计算单位5 （4）选择计算顺序5 （5）计算主要原料的投料数量5 （6）顺流程逐个设备展开计算6 （7）整理并校核计算结果8 （8）写物料平衡表8 四、 聚合反应器的工艺计算、 设计、 选型10 五、 聚合反应器设计结果一览表11 六、 工艺设计总结12 七、 参考文献12 八、 聚合反应器几何外形示意图13 九、 工艺流程图14 2 设计任务书 年产 2000-8000 吨聚丙烯酸树脂的工艺设计 一、设计内容： 1. 丙烯酸反相悬浮聚合制备高吸水树脂的主要工序，本设计生产方法的选择依据。 2. 对上述工艺的聚合工序做物料衡算。 3. 对聚合反应器进行工艺计算、设计和选型。 4. 绘制丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作工艺流程图 二、设计要求 1. 年产 2000-8000 吨，年生产时间为 330 天。间歇操作，V101，V102，V103，R101 每天 8 批，V104 由于引发剂用量很少，所以每天配制一批即可。聚合反应过程中 单体完全参加反应，转化率为 100%，单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变 化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有增加。原料 NaOH 水溶 液浓度为 50%， 其他原料均视为纯物质。其他技术指标见附表。 2. 每人绘制一张完整的合成工段的工艺流程图，选用 A3 图纸。 三、设计报告书内容 1. 任务书 2. 设计说明书： 1） 目录 2） 设计说明书 生产方法简介 对中和罐 V102，分散介质调配罐 V103,引发剂调配罐做相应的物料衡算，并编写各自的物 料平衡示意图和总物料平衡示意图。编写物料流程图，编写物料平衡表。对聚合反应器 进行工艺计算、设计和选型， 包括反应器的体积，釜体外形尺寸的设计(封头选型确定 封头与筒体的连接方式， 选择长径比， 计算并选择釜体内径， 直边高度， 计算最高液位、 最低液位。 画出反应器的几何外形示意图。 涉及的容器等设备应有相应的设备容积的设 计。并列出设计结果一览表。要求对设计中出现的问题列出，并列出解决的办法。 3）工艺流程图， 用 A3 图纸绘制。 4）参考文献。 附表 技术指标 项目内容 聚合物后处理损失率 丙烯酸中和度 原料 NaOH 水溶液浓度 中和用 NaOH 水溶液浓度 单体水溶液浓度 引发剂用量 引发剂水溶液浓度 分散稳定剂用量 分散介质（正庚烷）用量 正庚烷循环用量 技术指标 2%聚合物质量 75%（mol） 50%(质量) 30%(质量) 45%(质量) 0.2%单体质量 50%(质量) 2%单体质量 与单体质量比为 4：1 90%正庚烷总用量 3 二、生产主要工序和工艺流程 (1) 主要组成工序： 原料准备工序 ，聚合工序 ，分离工序 ， 聚合物后处理工序。 (2) 工艺流程简述 来自 T101 中的纯丙烯酸用原料泵 P102 分批加入 V102 中。T102 中 NaOH 水溶液的浓度为 50%，它在 V101 中被稀释成浓度为 30%的溶液，然后按一定比 例缓慢加入 V102 中与丙烯酸进行中和反应，得到中和度为 75%的丙烯酸与丙烯 酸钠混合物（简称单体） ，再加入适量水，得到单体浓度为 45%的溶液。正庚烷 与一定量的分散稳定剂在 V103 中进行配制得到分散液，其按比例与单体溶液共 同进入反应器 R101 中，然后加入在 V104 中配制好的引发剂浓度为 50%的水溶 液。反应大约进行 2.5h。反应结束后，聚合物混合液被送至分离工序及后处理工 序进行分离、 干燥、 包装等处理， 得到最终产物。 正庚烷经蒸馏处理后循环使用。 三、聚合工序物料衡算 （1） 明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式 在 V101、V103、V104 中是单纯的物料混合配制，无相变与化学变化。 在 V102 中 75%的丙烯酸被中和，中和反应方程式如下： CH2 = CH - COOH + NaOH CH 2 = CH - COONa + H 2 O 在 R101 中引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下： CH 2 = CH + CH 2 = CH ? CH 2 ? CH ? n ? ?CH 2 ? CH ?m COOH COONa COOH COONa 丙烯酸自由基聚合中单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量无 化学计量上的变化，引发剂会结合到聚合物分子链上。 （2） 收集数据资料 生产规模 生产时间 设计任务书中规定的年产量：3000 t ? a ?1 年工作日：330 d ? a ?1 间歇操作，V101、V102、V103、R101 每天 8 批，V104 由于引发剂用量很 少，所以每天制备一批即可。 相关技术指标 项目内容 技术指标 聚合物后处理损失率 2%聚合物质量 丙烯酸中和度 75%（mol） 原料 NaOH 水溶液浓度 50%(质量) 中和用 NaOH 水溶液浓度 30%(质量) 单体水溶液浓度 45%(质量) 引发剂用量 0.2%单体质量 4 项目内容 引发剂水溶液浓度 分散稳定剂用量 分散介质（正庚烷）用量 正庚烷循环用量 技术指标 50%(质量) 2%单体质量 与单体质量比为 4：1 90%正庚烷总用量 质量标准 原料 NaOH 溶液浓度为 50%，其他原料均视为纯物质，因为 只对聚合工艺做物料衡算，所以不用考虑产品的其它质量指标。 化学变化参数 加入的 NaOH 能够与丙烯酸完全反应，生成丙烯酸钠。 各组分相对分子质量如下： 化合物 丙烯酸 NaOH 丙烯酸钠 水 单体混合物 相对分子质量 72 40 94 18 88.5 其 中 ： 75% 中 和 的 丙 烯 酸 单 体 混 合 物 的 平 均 相 对 分 子 质 量 ： 72 0.25 + 94 0.75 = 88.5 聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为 100%，单体混合物与聚 合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数 量略有增加。 （3） 选择计算基准与计算单位 因为是间歇操作过程，所以基准为“批” ，单位为 B ? d ?1 。大部分设备的操 作周期为 8 B ? d ?1 ，只有 V104（引发剂调配罐）是 1 B ? d ?1 。但引发剂向 R101 进料周期仍与其他设备相同，所以在做物料衡算时，物料 M11 的数量仍以 8 B ? d ?1 计算。在做设备工艺计算时，V104 的体积大小应按 1 B ? d ?1 处理量进行 计算。 （4） 确定计算顺序 由于产物与原料之间的化学计量关系比较简单，且整个工艺过程比较简单， 容易得到产量与单体原料投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。 （5） 计算主要原料（丙烯酸）投料数量 用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须先求出主要原料（丙烯酸）每批投料 量。该生产装置年产量 3000t，年开工 330d，每天生产 8 批，后处理中聚合物损 失率 2%。 每批应生产聚合物数量= 3000 10 3 = 1159.55kg ? B ?1 330 8 0.98 引发剂（0.2%单体质量）全部结合到聚合物中； 单体 100%转化成聚合物， 且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分 子质量相同； 丙烯酸相对分子质量：单体平均相对分子质量=72：88.5 5 丙烯酸投料量= 1159.55 72 = 941.48kg ? B ?1 (1 + 0.002) 88.5 （6） 顺流程逐个设备展开计算 V102（中和罐）物料衡算 已知：丙烯酸中和度=75%、丙烯酸相对分子质量=72、NaOH 相对分子质量 =40、单体相对分子质量=88.5 M1（原料丙烯酸）=941.48 kg ? B ?1 M4（30%NaOH 溶液） ： NaOH： 941.48 0.75 H2O： 392.28 40 = 392.28kg ? B ?1 72 0 .7 = 915.32kg ? B ?1 0 .3 合计： 392.28 + 915.32 = 1307.6kg ? B ?1 ： M6（45%单体溶液） 88.5 单体： 941.48 = 1157.23kg ? B ?1 72 0.55 H2O： 1157.23 = 1414.39kg ? B ?1 0.45 合计： 1157.23 + 1414.39 = 2571.62kg ? B ?1 M5（无离子水 B） 对 V102 中组分水做物料衡算有：水 M5=水 M6-水 M4-中和反应生成水 中和反应生成水： 392.28 18 = 176.526kg ? B ?1 40 无离子水 B： 1414.39 ? 915.32 ? 176.526 = 322.54kg ? B ?1 对 V102 做 全 物 料 平 衡 计 算 ， 进 行 校 核 。 由 物 料 守 恒 定 律 应 有 ： M1+M4+M5=M6 941.48 + 1307.6 + 322.54 = 2571.62 = M6 （说明物料衡算是正确的） V101(NaOH 调配罐）物料衡算 M4 （30%NaOH 溶液）=1307.6 kg ? B ?1 NaOH：392.28 kg ? B ?1 H2O：915.32 kg ? B ?1 M2 （50%NaOH 浓溶液） NaOH：392.28 kg ? B ?1 6 H2O：392.28 kg ? B ?1 合计： 392.28 + 392.28 = 784.56 kg ? B ?1 M3 （无离子水 A）= 915.32 - 392.28 = 523.04 kg ? B ?1 对 V101 做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M2+M3=M4 784.56 + 523.04 = 1307.60 （说明物料衡算是正确的） V103（分散介质调配罐）物料衡算 已知：正庚烷：单体=4：1、分散稳定剂=2%单体质量 M7 （正庚烷）= 1157.23 4 = 4628.92kg ? B ?1 循环正庚烷= 4628.92 0.9 = 4166.03kg ? B ?1 新鲜正庚烷= 4628.92 0.1 = 462.89kg ? B ?1 M8 （分散稳定剂）= 1157.23 0.02 = 23.14kg ? B ?1 M9 （分散液）= 4628.92 + 23.14 = 4652.06kg ? B ?1 R101（聚合反应器）物料衡算 M10 （待聚合液）=M4+M9 单体： 1157.23 kg ? B ?1 H2O： 1414.39 kg ? B ?1 正庚烷： 4628.92 kg ? B ?1 分散稳定剂： 23.14 kg ? B ?1 合计： 1157.23 + 1414.39 + 4628.92 + 23.14 = 7223.68kg ? B ?1 M11 （引发剂水溶液） 已知：引发剂用量=0.2%单体质量、引发剂水溶液浓度=50%（质量） 引发剂： 1157.23 0.002 = 2.31 kg ? B ?1 H2O：2.31 kg ? B ?1 合计： 2.31 + 2.31 = 4.62kg ? B ?1 M12 （聚合物混合物） 分散稳定剂： 23.14 kg ? B ?1 7 正庚烷： 4628.92 kg ? B ?1 H2O： 1414.39 + 2.31 = 1416.70 kg ? B ?1 聚合物： 1157.23 + 2.31 = 1159.54 kg ? B ?1 合计： 1159.54 + 1416.7 + 4628.92 + 23.14 = 7228.30 kg ? B ?1 对 R101 做全物料平衡计算， 进行校核。 由物料守恒定律应有： M10+M11=M12 7223.68 + 4.62 = 7228.30 （说明物料衡算是正确的） V104（引发剂调配罐）物料衡算 已知：引发剂溶液每天配一批，供 8 批反应使用。 M13 （引发剂） 2.31 8 = 18.48kg ? B ?1 ： M14 （H2O） 2.31 8 = 18.48kg ? B ?1 ： （7）整理并校核计算结果 对聚合工艺做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有： M1+M2+M3+M5+M7+M8+M11=M12 941.48 + 784.56 + 523.04 + 322.54 + 4628.92 + 23.14 + 4.62 = 7228.30kg ? B ?1 说明整个聚合工艺的物料衡算过程是正确的。 （8）写物料平衡表 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡表 物 流 丙烯酸 号 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14 941.48 392.28 392.28 1157.23 392.28 523.04 915.32 322.54 1414.39 4628.92 4628.92 4628.92 4628.92 23.14 23.14 23.14 23.14 1159.54 单位：kg ? B ?1 分 散 聚合物 稳 定 剂 合计 单体 NaOH H2 O 引发剂 正庚烷 1157.23 1414.39 2.31 2.31 1416.70 18.48 18.48 8 941.48 784.56 523.04 1307.60 322.54 2571.62 4628.92 23.14 4652.06 7223.68 4.62 7228.30 18.48 18.48 四、聚合反应器的工艺计算、设计、选型 求 V101 体积 M 4 = M 2 xM 2 + M 3 xM 3 = 2130 392.28 915.32 + 1000 = 1339kg ? m ?3 1307.60 1307.60 VR = WM 4 M 4 = 1307.60 = 0.98m 3 1339 取 ? = 0.7 ，则 VT = VR = 0.98 = 1.39m 3 0 .7 求 V102 体积 M 6 = M 1 xM 1 + M 4 xM 4 + M 5 xM 5 = 1050 941.48 1307.6 322.54 + 1339 + 1000 = 1190.68kg ? m ?3 2571.62 2571.62 2571.62 VR = WM 6 M 6 = 2571.62 = 2.16m 3 1190.68 取 ? = 0.7 ，则 VT = VR = 2.16 = 3.09m 3 0 .7 4628.92 = 676.53kg ? m ?3 4652.06 求 V103 体积 M 9 = M 7 x M 7 = 680 VR = WM 6 M 6 = 4652.06 = 6.88m 3 676.53 取 ? = 0.7 ，则 VT = VR = 6.88 = 9.83m 3 0 .7 对 R101 作工艺计算 M 12 = M 10 x M 10 + M 11 x M 11 = 1190.68 2571.62 4652.06 231 + 676.53 + 1000 = 859.34kg ? m ?3 7228.30 7228.30 7228.30 9 3000 10 3 24 Wd T 330 8 = 1.322m 3 VR = = M 12 24 859.34 24 取 ? = 0.7 ，则 VT = VR = 1.332 = 1.889m 3 0 .7 D 。令 h 为釜体直边高度，H 为反应 4 D = 1 .5 D 2 标准椭圆封头的体积为 0.131D 3 ，h封 = 器釜体总高度，则： H = h + 2 h封 = h + 取 H / D = 1.5 ，则有 h = D VT = 4 D 2 h + 2 0.131D 3 = ( 4 + 0.262) D 3 = 1.047 D 3 D=3 VT 1.889 =3 = 1.217 m 1.047 1.047 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选用标准封 头。参照标准椭圆封头（JB/T 4737-95） ，此处按公称尺寸选定釜体直径为 1.2m 。 釜体的直边高度为： h = VT ? 2 V封 / 4 D