年产3万吨聚苯乙烯聚合车间设计-化工学院本科毕业论文

XXXXXXXX本科生毕业设计XXXXXXXXXXXXX 论文题目：年产3万吨聚苯乙烯聚合车间设计院别：化学与化工学院专业：XXXX年级：XXXX级班级：X班姓名：XXXX学号：XXXX指导教师：XXXX完成时间：XXXX年 XX 月 XX 日宜宾学院2018届本科生毕业设计摘 要本设计题目是年产3万吨聚苯乙烯聚合车间设计，聚苯乙烯是一种广泛应用于医药、电气、塑料等领域的材料。聚苯乙烯在国内发展迅速，市场需求量猛增，聚合工艺在我国发展不太成熟，大部分依靠引进国外工艺技术。因此大力发展聚合工艺是我国发展的重要方向。本设计采取悬浮聚合法，聚合温度为6090。根据选择的工艺进行物料衡算、热量衡算、主要设备选型和设计。设计三个并联聚合釜，每个聚合釜体积为36.7m3。最后画出带控制点的工艺流程图、车间平面布置图、主体设备图。关键词 聚苯乙烯；悬浮聚合；工艺选择；工艺流程；聚合釜IAbstractThe title of this design is the design for the polystyrene polymerization workshop with an annual output of 30,000 tons.As a new material, polystyrene is widely used in the field of medicine,electrical engineering,plastomer and so forth. the development of polystyrene is quickly and its quantity demanded has a violent increase in China. However, the development of polymerization technique is so immature in china that most need to rely on foreign technology. Accordingly, pay more attention to develop polymerization technique is an important direction for china.The method of suspension polymerization is used in this design, and the polymerization temperature is 6090 .Based on the selected process material balance, heat balance, model selection and design.Design of three parallel polymerizers, each of which has a volume of 36.7m3.Finally, the process flow chart with control point, workshop layout, technological process and main equipment were drawed.Key words Polystyrene Polymerization technique Technological selectionTechnological process Polymerizer1目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题意义11.2 苯乙烯的结构和性质11.3 聚苯乙烯的概述21.3.1 聚苯乙烯的结构以及性能21.4 聚苯乙烯国内外生产现状和应用31.4.1 聚苯乙烯国外产业现状31.4.2 产品国内产业现状5第2章 聚苯乙烯的生产工艺62.1 聚苯乙烯主要生产工艺62.1.1 本体聚合62.1.2 溶液聚合72.1.3 乳液聚合82.1.4 悬浮聚合82.2 工艺流程92.2.1 工艺流程图92.2.2 工艺路线102.2.3 工艺配比10第3章 物料衡算113.1 衡算方法113.2 物料计算依据113.2.1 进料阶段113.2.2 出料阶段13第4章 能量衡算154.1 计算方法与原则154.1.1 能量衡算的目的及意义154.1.2 计算数据参数154.1.3 能量衡算的依据及必要条件15第5章 设备设计和选型185.1 反应釜设计185.1.1 设备选型步骤与原则185.2 聚合釜设计内容185.3 反应釜设计185.3.1 聚合釜体积的计算185.3.2 确定筒体内径195.3.3 筒体高度195.3.4 筒体厚度的设计205.3.5 人孔和支座的选择205.3.6工艺管道口的设计205.4 夹套的设计225.4.1 夹套的直径225.4.2 夹套高度确定225.4.3 夹套厚度计算225.5 筒体和夹套校核225.5.1 筒体水压试验应力校核225.5.2 夹套水压试验应力校核235.6 聚合釜搅拌器选型和设计235.6.1 搅拌器选择235.7 搅拌器计算235.7.1 尺寸确定235.7.2 功率计算235.8传热系数245.8.1釜体对流传热系数245.8.2夹套的对流传热系数245.9 泵的选型255.9.1 流体输送机械的选型的计算25第6章 车间布置设计266.1化工车间设计依据266.1.1常用设计标准、规范和规定266.2化工车间布置266.2.1车间布置原则266.2.2车间布置方法266.3车间典型设备布置设计266.3.1聚合釜的布置266.5车间厂房布置的原则266.4车间布置图简述266.5.1厂房形式的选择27第7章安全生产和三废防治287.1厂房防火防爆设计287.1.1设计原则287.1.2防火防爆车间设计287.2环境保护措施287.2.1主要污染源297.2.2主要污染物297.3有机溶剂处理29参考文献30致谢31附录32V第1章 绪论1.1 选题意义聚苯乙烯广泛应用于各大领域，在生活中给与了人们很多方便。随着国内经济的发展，在机电行业、仪器仪表、通讯器行业等方面，对于原料苯乙烯合成聚苯乙烯的需求加大，刺激了此行业的飞速发展。国内外生产工艺也极大的提高，聚苯乙烯的产量也飞速加大。1.2 苯乙烯的结构和性质苯乙烯，英文名为Styrene，分子式为C8H8，相对分子质量为104g/mol1，苯乙烯结构见图1-1。查询资料知道，苯乙烯能在大部分有机溶剂中溶解，比如常见的甲苯、苯、石油等。苯乙烯也是工业上合成塑料分子材料的重要单体原料。图1-1苯乙烯分子式结构图Fig. 1-1 Structural diagram of styrene图1-2苯乙烯产品现状Fig. 1-2 Status of styrene products由图1-2知道，消费量逐年增加，市场需求旺盛，整体趋势为上升趋势，值得进行投资生产。1.3 聚苯乙烯的概述1.3.1 聚苯乙烯的结构以及性能聚苯乙烯是常见的高聚物，在生活中，经常被我们所使用，在各个领域带来了极大的方便。Polystyrene为聚苯乙烯的英语书写形式，缩写为PS。它的外观通常无色、无臭、无味；表面有光泽而且透明的高性能的固体；聚苯乙烯能在有机溶剂中溶解，常见的有机溶剂有四氯乙烷、苯乙烯、异丙烷等。其理化性质见表1-1。表1-1 聚苯乙烯理化性质 Tab.1-1 Physicochemical Properties of Polystyrene项目数值玻璃化温度8090 相对密度1.041.06 g/cm3熔融温度240 电阻率室温，10201022 cm导热系数30时，0.116 w/(mk)聚苯乙烯(PS)通常通过聚合的方式，在一定条件下聚合而成的高聚物，广泛运用在各大领域的优良材料。聚苯乙烯的结构式见图1-3图1-3聚苯乙烯分子的结构图Fig.1-3 Structure diagram of polystyrene molecule （1）热力学性能：其中它的玻璃化温度一般是8085 ，受热较好，在工业上也使用也很普遍。晶体状态不容易在表面被呈现，=1.041.06 g/cm3是非晶体的物质密度，=1.111.12 g/cm3是晶体的物质密度。非晶态状态的无规则的聚合物-聚苯乙烯，因为它的绝缘性，常用于电行业，而且发展迅速。还有它的透明性，常用于农业方面，使许多农作物生产收益较大。聚苯乙烯在工业上长期使用温度070 ，不易长期使用，在长期使用后，聚苯乙烯表面结构容易变形，在阳光照射下也容易变得脆而开裂1。（2）力学性能：聚苯乙烯是普通的高聚物，它的无规则排列决定了它的材质是一种表面硬度较大材料，表面延伸区较小，拉伸时不容易变形，表面屈服度在通用塑料中最高，力学性能与聚合过程所加入的改性材料不同而不同。（3）辐射性能：聚苯乙烯上含有苯基，活性较强a氢原在主链上容易被氧化，所以在空气中聚苯乙烯系列材料容易被氧化而发黄变脆。材料耐辐射性能因苯基的存在变得很好，在吸收1000 kGy2的辐射后仍能保持其各项性能变化较小，被选为辐射堆隔离的材料。1.4 聚苯乙烯国内外生产现状和应用1.4.1 聚苯乙烯国外产业现状世界聚苯乙烯（PS）的生产能力各大地区数据统计如图1-4图1-4聚苯乙烯的地区生产能力Fig.1-4 Regional production capacity of polystyrene在产品的生产情况中，聚苯乙烯的生产能力和产能在东北亚地区较大，聚苯乙烯的生产能力和产能在南美地区较小。东北亚地区的产量较大，说明该地区的市场需求较大，使用相关聚苯乙烯产品较多。相反，南美地区市场需求和是产能较弱。随着全球经济的飞速发展，全球各地区聚苯乙烯消费也加大，其中东北亚地区，年消费量最大，南美地区最少。世界上聚苯乙烯被应用于3大行业，在消费结构上3聚苯乙烯呈现多样性。聚苯乙烯应用范围见表1-2，聚苯乙烯在生活方面，常常生产加工各种能食品包装的包装，比如常见的塑料瓶子，瓶盖。在电气行业它常常用于外壳的包装，比如常见的高频率的电容器。在其他行业，我们常常看见存放原料的槽，反应槽。给许多行业带来了很大的发展方便。从聚苯乙烯的应用领域来看，聚苯乙烯具有很多优良的性能。表1-2聚苯乙烯应用范围Tab.1-2 Scope of application of polystyrene地区应用领域百分比（%）西欧地区电器/电子行业15包装容器48其他地方37东北亚地区电器/电子行业49包装容器20其他地方31中国电器/电子行业63包装容器7其他地方30由表1-2统计数据知道，中国在电器和电子行业聚苯乙烯应用百分比较大，包装容器百分比较少。聚苯乙烯在各大地区消费情况不一样，全球的聚苯乙烯的消费量情况见表1-3。表1-3地区消费情况Tab.1-3 Regional consumption地区聚苯乙烯消费量（万吨/年）百分比（%）北美地区250.523.0西欧地区226.920.8东北亚地区409.237.6东南亚地区49.84.6其他地区1089.91.4.2 产品国内产业现状聚苯乙烯在近几年的产量和产能见图1-51-5国内聚苯乙烯的走势Fig. 1-5 Trends of domestic polystyrene由图1-5统计的数据知道，聚苯乙烯的走势逐渐走强，市场需求加大，产量趋势总体向上，值得进行投资。第2章 聚苯乙烯的生产工艺2.1 聚苯乙烯主要生产工艺目前，世界上聚苯乙烯生产工艺4一般有四种类型。2.1.1 本体聚合本体聚合在国外发展较好，聚合基本原理一般是以苯乙烯为单体，通过热引发或者在加入引发剂的情况下，自身通过自由基本体聚合而形成聚苯乙烯的聚合反应。加入相关的助剂，增加产品的各种性能。在生产的产品中，世界上比较先进的本体聚合工艺一般代表有主要巴斯夫、有道化学、何斯顿、住友重械与苏尔寿三公司等。本体聚合生产工艺优点：较简单，产物比较干净，不容易产生对环境有害的产物，生产投资较少，投资者可以获得较多的利润。聚合过程中可以采取连续生产的操作方式，生产能力和效率都比较高，为我们节省了很多时间。本体聚合生产工艺缺点：较大的聚合热被产生，对聚合釜要求较大，聚合釜的体积和材质选取条件也比较严格。在聚合过程中由于热引发造成自由基形成，使聚合过程中自动加速，气泡容易在聚合过程中被产生，导致颜色不均一在产品中被呈现。体系粘度随聚合不断增加，混合和传热困难；聚合速率会随着聚合过程自动加速。再聚合过程中，暴聚常见于聚合热处理不好，使产品聚合达到标准的难度加大，严重时，可能会产生爆炸事件。GPPS生产流程框图见图2-1，HIPS生产流程框图见图2-2苯乙烯溶剂连续聚合连续聚合脱挥 发物挤条 切粒图2-1GPPS生产流程框图Fig.2-1 GPPS production flow block diagram苯乙烯橡胶本体预聚溶解原料脱挥 发物挤条 切粒图2-2HIPS生产流程框图Fig.2-2 HIPS production flow block diagram2.1.2 溶液聚合 低沸点的溶剂被用在聚合过程，所选用溶剂的沸点温度被选为溶液聚合反应过程的反应聚合温度，且在溶剂的回流温度下进行5。溶液聚合过程，一般采取的操作方式为间歇式操作方式。在聚合反应快结束的时候，一般把聚合液中原料单体减少投放，在聚合釜中没有反应完的苯乙烯单体，我们常常采取化学的反应方法或者采取精馏的方式回收苯乙烯单体。获取固体相的聚苯乙烯，后续处理方式一般要经过蒸发，脱气处理，干燥等，最后得到产品。溶液聚合生产工艺优点：由于该工艺采取的溶剂温度较低，体系容易控制，作为传热介质时，在体系内黏度较低，通过一系列的控制，聚合过程不容易产生产品凝胶现象，这样可以避免局部过热，减低聚合热，有利于产品的形成。在温度较低的阶段，聚合高聚物的分子量也比较容易控制和分子形状也容易控制。溶液聚合过程，体系温度较低，所以聚合过程产生的聚合热也容易被导出，不容易因为聚合热过大导致暴聚。溶液聚合生产工艺缺点：该聚合工艺中，由于该体系的原因，体系的单体原料苯乙烯的初始浓度较低，反应速率较低，聚合速率也低，所以单体剩余较多，产品的生产能力较低，设备的相关效率也很低。再聚合过程中，苯乙烯单体浓度较低使聚合高聚物的分子量达不到较大的分子量，为了获得较大的高聚物，需要增加苯乙烯单体的浓度和有机溶剂的量，所以容易造成环境污染，有机溶剂分离时比较麻烦，不容易除去，那操作费用加大,不利于市场供应。溶液聚合工艺流程图见图2-3引发剂苯乙烯水聚合未反应单体聚合物溶液蒸馏聚合物沉淀分离干燥聚合物固体溶剂 回收 图2-3工艺流程图Fig.2-3 Process flow chart2.1.3 乳液聚合乳液聚合是在聚合反应中，在聚合反应釜中投放苯乙烯单体，乳化剂，水在搅拌器不断的搅拌下6，使苯乙烯单体不断分散在溶剂水中从而形成乳液，稍微稳定，把引发剂加到乳液中，去参与聚合反应。乳液聚合过程中，常见的加入苯乙烯单体，引发剂，乳化剂，还有溶剂水，在为了得到稳定的分子量的高聚物，我们常常在聚合釜内添加缓冲剂，保持反应的稳定体系。在其聚合过程，加入活化剂，防止产品被氧化变化，影响质量的外观，有时为了得到较大的分子量，我们还经常加入一些调剂分子量大小的助剂，让我们得到一些分子量想要的产品。乳液聚合生产工艺优点：再聚合过程中，常常是用水为介质，材料很容易得到，价格低廉。在反应过程中，体系黏度较低，容易操作其过程，反应温度不会变动太大，散热较好，在温度较低的时候，聚合速率也很大，得到的产品的分子量也很大。乳液聚合生产工艺缺点：在聚合过程中投放了乳化剂，容易形成悬在聚合釜的胶状物，造成釜体的内部堵塞。在聚合过程中，投放的各种助剂很多，用量超级大，所以产品不是很纯净，杂质较多，产品中留下的乳化剂会影响产品的性能。想得到固体产品时，经过的步骤很多，造成产品损失很多，对环境污染严重。乳液聚合工艺流程图见图2-4乳化剂苯乙烯水聚合脱单体凝聚分离干燥粉状胶乳乳胶液图2-4工艺流程图Fig.2-4 Process flow chart2.1.4 悬浮聚合悬浮聚合在工艺中，以小液滴形式悬浮在溶剂水中的苯乙烯单体在聚合釜中的进行聚合工艺7。把引发剂和苯乙烯加到聚合釜中，通过搅拌均匀，形成一个个小液滴的形式，在聚合釜中，小液滴被看成本体聚合的一个小单元。所以本体聚合和悬浮聚合聚合工艺很相似。其过程可以看成是把聚合釜中的单体小液滴转变为高聚物固体粒子，在聚合过程中，我们通常加入分散剂，在该体系中分散剂能有效保护产物减少他们的粘性。对于获的产品的质量较好，因为分散剂在聚合物表面可以保护产品。再聚合过程中聚合物还要受到搅拌的影响和分散剂的控制。悬浮聚合生产工艺优点：在聚合过程中，采取低温悬浮聚合，该高聚物的流程简单，得到的产品比较干净，不容易产生三废。所得到的产品在分子量也比较合适，在结构上也比较稳定，生产能力和效率都比较高，为我们节省了很多时间。聚合的速率也比较高，在聚合产物中杂质也比较少，后续处理比较简单，也就是说，溶剂分离很容易，不容易造成环境污染。该聚合过程采取低温聚合，所以，聚合热也容易导出，不易造成反应暴聚，对产品造成影响。生产成本低，投资门槛也低，得到的粒料可以直接加工成型。悬浮聚合生产工艺缺点：在聚合产物中也会有少量的单体原料没有反应的，会造成产品中的苯乙烯单体不容易清除，影响聚合物的性能。大部分时间需要加入其它助剂来改性产品质量和性能。外观不是很光滑，容易在聚合过程中老化变形。由以上对比知道悬浮聚合法和本体聚合法聚合方法相似，考虑到聚合过程中，聚合热较大，如果处理不当的话，会造成对产品造成很大影响，还可能存在许多安全隐患，故采取低温悬浮聚合法生产聚苯乙烯。2.2 工艺流程2.2.1 工艺流程图悬浮聚合聚合工艺流程图见图2-5引发剂苯乙烯水聚合筛分碱洗涤产品废液干燥图2-5工艺流程图Fig. 2-5 Process flow chart2.2.2 工艺路线苯乙烯被用为主要原料单体，投放引发剂过氧化苯甲酰，其他助剂，水，在搅拌聚合釜中搅拌均匀，得到聚苯乙烯出产品，经过一系列的浸泡，碱洗涤，在干燥器里面经过干燥，得到产品，在进行包装，最后得到高聚物聚苯乙烯产品。2.2.3 工艺配比生产过程中工艺的配方见表2-1表2-1工艺配比Tab 2-1 Technological ratio序号物料名称规格质量配比备注1水脱盐水124分散介质2苯乙烯99.6%100单体3成核剂0.114发泡剂94%8.3925羟基磷酸钙0.177主分散机6十二烷基苯磺酸钠0.0004助分散剂7过氧化苯甲酰干基0.196低温引发剂8过氧化苯甲酸叔丁酯95%0.08高温引发剂9六溴环二烷阻燃剂10过氧化二异丙苯0.0349阻燃剂11磷酸氢二钠99%0.039稳定12过硫酸钾0.0014调理第3章 物料衡算3.1 衡算方法计算很多是根据守恒定律来计算的，故在涉及物料衡算的时候，根据质量守恒的公式，可以根据进入系统的物料=离开系统的物料+其损失的物料，我们计算人员一般利用进入系统物料的流量和物料的组分来计算相关内容，熟悉物料的平衡方程式和约束方程式的建立。通过物料设计的流量去求出不知道物料的流量和组成的过程。在反应体系中系，通常物料衡算的基础表达方程式为：体系中物料堆积=物料的输入其他物料的输出生成消耗物料的总质量衡算方法被用作体系中有化学反应在计算时。3.2 物料计算依据聚合釜的进出口物料流程示意见图3-1图3-1物料流程图Fig. 3-1 Material flow chart3.2.1 进料阶段（1）聚合过程相关参数8聚合温度:6090转化率:98%苯乙烯纯度：99.6%开车：300天（2）生产批次聚合过程生产批次确定见表3-1表3-1生产批次Tab.3-1 Production batches项目数值项目数值物料输送时间40min聚合时间9240min辅助时间100min蒸汽升温时间40min物料放出时间60min生产批次确定：P=24/8=3批产品中苯乙烯质量分数： 100/(100+8.392+0.11+0.196+0.08+0.349)=91.7%苯乙烯每天每批进料： G=(30000100091.7%)/(90099.6%98%)=31315.74kg/批辅助物料（1）分散质水的进料：G1=1.24G=1,.2431315.74=38831.5kg/批（2）分散剂主分散剂羟基铃酸钙（HAP）：G2=0.177%G=0.177%31315.74=55.43kg/批 助分散剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）:G3=0.0004%G=0.0004%31315.74=0.129kg/批（3）成核剂SN: G4=0.11%G=0.11%31315.74=34.4kg/批 （4）引发剂低温引发剂过氧化苯甲酰（BPO）：G5=0.196%G=0.196%31315.74=61.4kg/批高温引发剂过氧化苯甲酸叔丁酯（CP-O2）：G6=0.08%G=0.08%31315.74=25.1kg/批（5）发泡剂戊烷的进料：G7=8.392%G=8.392%31315.74=2628.0kg/批（6）阻燃剂过氧化二异丙苯进料量（DOP）：G8=0.349%G=0.349%31315.74=109.1kg/批（7）稳定剂磷酸氢二钠的进料量（DSP）：G9=0.039%G=0.039%31315.74=12.1kg/批（8）无机氧化剂过硫酸钾的进料量（KPS）：G10=0.0014%G=0.0014%31315.74=0.44 kg/批（9)进料总量衡算：GI=G+G1+G2+G3+G4+G5+G6+G7+G8+G9+G10=73073.3kg/批3.2.2 出料阶段（1）单体苯乙烯进料量：G=31315.74kg/批 （2）单体ST在反应过程中所用量：G11=98%G=98%31315.74=30689.4kg/批 （3）单体ST剩余量：G12=G-G11=31315.74-30689.4=626.3kg/批（4）产品出料量： GO=GI-G12-G1=73073.3-626.3-38831.5=33617.6kg/批表3-1物料衡算表Tab. 3-1 Material balance sheet物料名称进料（kg/批）出料（kg/批）苯乙烯31315.74626.3HAP55.43SDBS0.129SN34.4戊烷2628BPO61.4CP-O225.1DOP109.1DSP12.1KPS0.44EPS产品33617.6水38831.538831.5总量73073.373073.3第4章 能量衡算4.1 计算方法与原则4.1.1 能量衡算的目的及意义体系的能量衡算在工程设计的目的，一般是为了设备选型和设计，进一步确定设备热负荷极限。查询物料的性质及相应工艺对应的设备尺寸，最后根据选择的传热表面的形式式，计算传热面积，最后确定主体设备的工艺尺寸。4.1.2 计算数据参数在相关温度下物料的摩尔比热容10见表4-1表4-1摩尔比热容Tab.4-1 Molar specific heat capacity序号原料名称温度（）物料比热（kJ/kg）1水（H2O）204.182苯乙烯（ST）701.7123成核剂(SN)2051.924发泡剂（戊烷）202.2195羟基磷酸钙（HAP）201.2986十二烷基苯磺酸钠（SDBS）201.8847过氧化苯甲酰(BPO)707.7048过氧化苯甲酸叔丁酯(CP-O2)201.8429过氧化二异丙苯(DOP)201.6674.1.3 能量衡算的依据及必要条件一般在工程中，计算的标准是依据守恒定律来计算的，在涉及到能量时，主要计算的依据原理是能量守恒定律，常用的单元设备的能量衡算方程式为:Q1+Q2=Q3+Q4+Q5其中：Q1物料被带入设备的总热量，kJQ2聚合过程的聚合显热和搅拌热，kJQ3加热介质或冷却介质传给设备和所处理物料的热量，kJQ4物料被带出设备所消耗的热量，kJQ5设备向环境散失的热量，又称热损失，kJ表4-2进料热量衡算Tab.4-2 Calorific balance of feed序号原料名称流量（kg/批）温度（）物料比热容（kJ/kg）物料热量（kJ/批）1水38831.5204.183246313.42苯乙烯28184.2701.7123377590.453131.51001.712536125.47626.3801.71285780.13成核剂34.42051.9235720.964发泡剂2628202.219116630.65羟基铃酸钙55.43201.29814396十二烷基苯磺酸0.129201.8844.867过氧化苯甲酰61.4707.704330958过氧化苯甲酸叔丁酯25.1201.842924.79过氧化二异丙苯12.1201.667403.110总量7262466.8（1） 显热计算在计算中是以0为计算基准。本设计采取：进料在聚合釜中温度是20，聚合反应温度为6090查询热量公式：Q=mCpT在20下，苯乙烯单体聚合热11：QST=70kJ/mol(1kcal=4.187kJ) MST=0.104kg/mol故苯乙烯质量聚合热：Qm=70/0.104=673.1kJ/kg聚合釜显热：Q显热=31315.7498%673.1=20657052.1kJ/批（2）聚合釜的搅拌热在聚合工业中，一般采取经验，搅拌热取聚合显热5%左右，故搅拌热：Q搅拌=5%Q显热=1032852.6kJ/批（3）聚合反应的热量损失Q5=（Q1+Q2)5%=1447618.5kg/批（4）物料离开设备时所消耗的热量Q4=623.3701.712=74696.3kJ/批（5）所需要蒸汽Q3=Q1+Q2Q4Q5=27430056.7kJ/批（6）蒸汽用量已知水的汽化潜热：H=2258kJ/kg（在温度为100，压强为0.1 MPa）m蒸汽=Q3/H=27430056.7/2258=12147.9kg/批（7）冷却水用量取冷却水进出口温度差T=10m水=Q/(CpT)=28952372.9/(4.1810)=692640.5kg/批表4-3聚合热量衡算Tab.4-3 Polymeric heat balance物料显热聚合釜聚合热搅拌器搅拌热总热量进反应釜热量（kJ/批）7262466.820657052.11032852.628952370.2热量损失蒸汽给热出反应釜热量（kJ/批）1447618.527430056.732第5章 设备设计和选型5.1 反应釜设计设备选型是依据物料衡算和热量衡算结果去选择处理能力与此相当的设备，设备材质依据反应物料性质和反应情况确定。5.1.1 设备选型步骤与原则一般来说，关于设备的选择有如下原则：（1）设备一般根据处理能力李来设计设备的公称直径，其设计不能超过设备最大生产极限。聚合釜应选择比较容易清洗的为最适宜。（2）对于腐蚀性的介质，要考虑所选设备能否经得起腐蚀。检验设备的各项指标是否符合反应要求。定型设备一般分为如下面3步进行。 通过工艺选择设备类型和设备材料。通过物料计算数据确定设备大小、台数。相关的计算校核。5.2 聚合釜设计内容聚合反应釜一般包括公称直径的计算，反应釜的筒体高度的计算，釜体的厚度，检验釜体的设计压力是否符合反应要求，夹套高度的设计，厚度的设计，聚合釜封头的选用以及相关的。以及搅拌器搅拌的方式的选择。本设计的聚合釜采用的材质为16MnR钢板制造，聚合温度一般是70，聚合阶段为常压且为恒压操作。5.3 反应釜设计5.3.1 聚合釜体积的计算聚合釜料相应密度见表5-1表5-1 原料部分密度表Tab.5-1 Raw material partial density table序号原料名称流量（kg/批）密度（kg/m3）1苯乙烯31315.7905.92戊烷26286303水38831.51000V进料=VST+V水+V戊烷V=m/VST=m/=31315.7/905.9=34.6m3V戊烷=m/=2628/630=4.2m3V水=m/=38831.5/1000=38.8m3V进料=VST+V水+V戊烷=77.1m3根据经验，一般装料系数取0.70.8之间，该过程取=0.75V釜=V进料/=77.1/0.75=110.1m3设备体积小，各方面容易满足，故反应釜设计成三个并联反应釜，每个反应釜体积：V1= 36.7m35.3.2 确定筒体内径根据相关资料查询一般搅拌罐液-液相物料H反应釜/Di 取11.3，取H反应釜/Di =1.3V1=（/4）Di3H反应釜/Di V1反应釜体积Di反应釜直径H反应釜反应釜的高度Di=(4V1)/(（H/Di）)=(436.7)/(3.141.3)=3.39m经过圆整至标准公称直径，取Di=3400mm,本设计采取椭圆形封头标准件，它的内径应该与筒体内经相同，根据公称直径Di=3400mm，查询封头和筒体数据知道，直边高度H封1=50mm，曲边高度H封1=850mm， 故封头总高度是H封头=900mm，封头体积V封=5.60m3。5.3.3 筒体高度除去封头的体积V筒体=V1-V封=36.7-5.6=31.1m3V筒体=/4(Di)3(H筒体/Di )H筒体=4V筒体/(Di2 )=(431.1)/(3.32 )=3.66m圆整后：H筒体=3.7m反应釜实际高度： H=H筒体+2H封头=3.7+20.9=5.5m按照圆整的简体高度修正实际的容积，则：V修=(Di3)/4(H筒体/Di )+0.262Di3=(3.43)/43.7/3.4+0.2623.42=36.6m3反应器实际长径之比： H筒体/Di =3.7/3.4=1.09根据经验公式确定，最高液位高度： Hmax=H封头+(V物料3）-V封头)/(0.785Di2 )=3.1m查询资料苯乙烯体积收缩系数一般为：=-0.174最低液位： Hmin=H封头+(1+)(V物料3-V封头)/(0.785Di2 )=2.73m5.3.4 筒体厚度的设计筒体材料：钢号为16MnR的不锈钢板，钢板标准为GB6654设计压力：P1=0.3MPa设计温度：T1=110为焊缝系数：0.85查询在该设计温度下，该钢板的许用应力:t=170MPa据钢板的名义厚度：n=+C1+C2=20mm负偏差：C1=1mm腐蚀裕量：C2=2mm故设计厚度：=n-C1-C2=17mm=(P外Di)/(2t-P外)=(P外3400)/(20.85170-P外 )=17m 故P外=1.4MPa1.5P1,符合设计外压大于许用外压。根据相关资料，筒体厚度为n=20mm5.3.5 人孔和支座的选择由于该设计聚合压力为常压的操作，所以可以选择人孔直径较大的，方便后期人员的清理，一般选择为600mm。采用裙座，裙座材质为Q235-A，裙座筒体外径为3400mm。5.3.6工艺管道口的设计（1）进料口径V进=m /=31315.9 /(905.934060)=4.810-3m3/s取进料口14的流速为u进=1m/s，则管道直径：d进料=(4V进)/(u进)=(40.0048)/(3.141)=0.0775m圆整为：894mm校核流速：u进1= (44.810-3)/(0.0810.081) 0.932m/s选择的无缝钢管的尺寸符合，圆整为894mm 采用板式平焊，法兰为HG20592-2009，采用的材料为Q235-A。 （2）出料口径V出料=m /=(33617.9+38831.5) /(83336060)=8.3810-3m3/s取出料口流速为u出=1.5m/s,则管道直径：d出料=(4V出)/(u出 )=(40.00838)/(3.141.5)=0.0844m圆整为：954mm校核流速：u出1= (48.2410-3)/(0.0870.087) 1.38m/s选用无缝钢管的尺寸符合，圆整为954mm 采用板式平焊，法兰为HG20592-2009，采用的材料用Q235-A。（3）冷却水进出口径V冷进=m /=692640.5/(1000324060)=0.0163m3/s取进口流速u冷进=1.3d冷进=(4V冷进)/(u冷进 )=(40.0163)/(3.141.3)=0.126m圆整为：1406mm校核流速：u冷进= (40.0163)/(0.1280.128) 1.27m/s选用无缝钢管的尺寸符合，故为1406mm，采用板式平焊法兰为HG20592-2009，采用的材料用Q235-A，冷却水出口管径和进口管径一样。（4）蒸汽进出口径V蒸进=m /=10918.7/(0.59734060)=2.54m3/s取进口流速为u蒸进=20m/s，则管道直径：d蒸料=(4V蒸进)/(u蒸进 )=(42.54)/(3.1420)=0.401m圆整为：45020mm校核流速：u蒸进= (42.54)/(0.410.41) 19.2m/s选用无缝钢管的尺寸符合，圆整为45020mm，采用板式平焊，法兰为HG20592-2009，采用的材料用Q235-A，蒸汽出口管径和进口管径一样。（5）介质水进出口径V进水=m /=38831.5 /(100034060)=5.3910-3m3/s假设水进口速度为u进水=3m/s，则管道尺寸：d进水=(4V进水)/(u进水 )=(40.00539)/(3.143)=0.0478m圆整为：573.5mm校核流速：u进水= (45.3910-3)/(0.050.05) 2.75m/s选用无缝钢管的尺寸符合，圆整为573.5mm，采用板式平焊法兰为HG20592-2009，采用的材料用Q235-A，水出口管径和进口管径一样。5.4 夹套的设计5.4.1 夹套的直径查询化工相关设备资料可以知道，本设计计算的筒体的公称直径Di=3400mm,所以按照一般规律，夹套公称直径：D夹套=3600，查询夹套封头体积：V封1=6.62m35.4.2 夹套高度确定查询相关资料，一般装料系数为0.70.8，取=0.8，H夹套=(V釜-V封)/(/4Di2 )=(0.836.7-5.6)/(/43.42 )=2.62m5.4.3 夹套厚度计算夹套设计钢号为20R的钢板为夹套的材料, 钢号为20R的钢板标准GB6654夹套内设计温度：T2=130设计压力：P2=0.4MPa夹套内介质为水蒸气，故液柱静压力可忽略，则釜体的计算压力：P1c=P1=0.3MPa焊缝系数：0.85查询在该设计温度下，该钢板的许用应力：t=113MPa=(P2CDi)/(2t-P2C )=(0.43400)/(20.85113-0.4)=7.09mm根据钢板的名义厚度：n=+C1+C2 负偏差：C1=1mm 腐蚀裕量：C2=2mm 故名义厚度：n=+C1+C2=10.9mm 圆整后为： n=11mm 5.5 筒体和夹套校核5.5.1 筒体水压试验应力校核水压试验压力：PT=1.5P1=1.50.3=0.45MPa 水压试验时的薄膜应力为： T=(PT(Di+)/2=(0.4(3400+6)/(26)=113.5MPa查表得16MnR的屈服极限16：s=345MPab=0.45s=0.450.85345=132MPaT=113.5MPa则筒体厚度满足水压试验时强度要求。 5.5.2 夹套水压试验应力校核夹套水压试验压力为：PT=1.5P=1.50.4=0.6MPa 水压试验时的薄膜应力17为：T=(PT(Di+)/2=(0.6(3400+10)/(210)=102.3MPa查表得20R的屈服极限： s=245MPab=0.6s=0.60.85245=125MPaT=102.3MPa则夹套厚度满足水压试验。 5.6 聚合釜搅拌器选型和设计5.6.1 搅拌器选择根据设计要求，将采取圆盘平直叶涡轮式桨叶为搅拌器。5.7 搅拌器计算5.7.1 尺寸确定（1）搅拌器直径：浆叶直径/反应釜直径（D/Di），D/Di范围为:0.330.40，本设计取：D/Di=0.4，故D搅拌=1360mm。（2）搅拌器高度：H搅拌=D搅拌=1360mm。（3）搅拌器宽度：W搅拌=268mm（4）将搅拌器转速：1.41r/s（5）搅拌雷诺数： Re=(D2N)/=(1.3621.41833)/0.72=3017.2（该反应液的黏度=0.72Pas，反应液密度=833kg/m3）圆盘涡轮式搅拌桨一般是4块，且宽度为0.1m的挡板，D/Di=0.4，Hj=D，查询与Re对应的Np=3.6（6）校正D/Di的影响：Np1=Np(D/T)2/(D/T)1 -1.2=3.6(1.36/3.4)/0.33-1.2=2.86（7）校正液深： Np2=Np1(H/D )2/(H/Di )1 0.6=2.78（8）叶轮数目校正：当H/Di1.25时，用两个叶轮，叶轮间S=H/3，H=1.025Di,则S/D=2.39，由经验公式NP/Np2=1.5,故NP=4.175.7.2 功率计算（1）搅拌器功率：P=NPN3D3 D5=4.178331.4131.365=45303W（2）电动机功率：填料装置为填料密封时，Pm=10%15%， Pm=13%时，传的范围一般为0.80.95，传=0.9，经验公式： P电=(P+Pm)/传 =(45303+13%45303)/0.9=56880w故，搅拌装置中的电动机，可以选择60kw的电动机。5.8传热系数5.8.1釜体对流传热系数温度为70时，查询介质的物性参数：=833kg/m3，Cp=5.12 kJ/(kg)，=0.035w/(m)，=0.62mPas。雷诺数： Re=Nd2 /=8