ABS装置PBL单元工艺设计

摘要 PBL 工艺区域生产聚丁二烯胶乳（PBL）,它是聚丁二烯橡胶在水中的一种 乳化液，作为 HRG 区域中生产树脂的原料。 生产 PBL 分为 5 个工艺步骤： A 准备进料 B 反应 C 闪蒸未反应的丁二烯 D 均质 E PBL 储存 准备进料阶段包括从丁二烯单体中去除抑制剂，制备批次加入的溶液、乳 化剂和反应催化剂，和在反应的结束后回收未反应的丁二烯循环使用。 反应区域由平行安装的 5 台相同的反应釜组成，采用程序操作。批次加入 一定数量的无离子水、乳化剂、反应催化剂溶液和部分丁二烯单体。经过升温 后，反应开始，在后续反应中计量加入丁二烯、引发剂和链转移剂。当丁二烯 进料完成，反应器温度上升开始精致阶段，使剩下的丁二烯反应近乎完全，此 后，冷却反应器夹套，粗 PBL 溶液进入闪蒸阶段。反应周期总计约 10-13 小时， 包括进料、反应、输送反应后组分和为下次进料做准备的时间。 为了能从粗 PBL 中去除未反应的丁二烯单体，需要在受控的真空条件下操 作闪蒸罐。丁二烯经过回收，循环进入进料准备单元，同新鲜丁二烯单体一起 进料。 泵将粗 PBL 从闪蒸罐输送至均值单元。在这里，乳胶橡胶粒径增加，粒径 分布达到用于 HRG 反应的要求。该操作包括粗乳胶中间品储罐、均质机进料 罐、泵和均质机。4 台均质机平行连续进料。 关键字：乳化液,连续进料,闪蒸 Abstract Abstract The PBL process area makes Polybutadiene Latex (PBL),an emulsion of polybutadiene rubber in water that is used as a row material to make resin in the HRG process area. a.Feed preparation b. Reaction c.Flash removal of unreacted butadiene d. Homogenization e.PBL storage Feed preparation includes the operations of removing inhibitor from butadiene monomer preparation of batch solutions,an emulsifierand reaction catalysts,and recover of unreacted butadiene from the end of the processfor recycle. Reaction area consists of five identical reactor installed in parallel.which operate in rsequence.A reactor is charged with batch quantities of demineralized water,emulsifier,reaction catalysts solution,and a partial charge of butadiene monomer.After heat up and initiation of reaction,butadiene,initiator,andchain transfer agent are metered to the reactor as the reaction proceeds.After the butadiene feed quantity is complete,reactor temperature is increased for the polishing step,which polymerizes the remaining butadiene to near-compltion.The reactor contents are then cooled before transferring the crude PBL solution to the Flash step.The total reactor cycle is 12-13 hours,including the steps of filling,reacting,transfer of reacted contents,and preparation for the next charge. The flash Tank operates under a controlled vacuum in order to remove unreacted butadeiene monomer from the crude PBL.The butadiene is recovered and recycled to the feed preparation area for use with fresh butadiene monomer feed. Crude PBL is pumped from the Flash size distribution is formed that is required for the use in the resin HRG reaction.This operation includes internediate ctude latex storage, homogenizer are fed continuously,in parallel. The PBL product discharges from the homogenizer to one of product storage tanks for testing,prior to bulk storage and feeding to the HRG resin production area. Keywords：Emulsion Feed continuously Flas 目录 目录 摘摘 要要. I 目录目录. IV 前言前言. - 1 - 0.1 课题的意义及目的.- 1 - 0.2 世界 ABS 树脂的生产现状及市场前景.- 1 - 0.3 我国 ABS 树脂的生产现状及市场前景.- 2 - 第一章第一章 文献综述文献综述. - 4 - 1 .1 ABS 简介. - 4 - 1.1.1 结构.- 4 - 1.1.2 性质.- 4 - 1.1.3 ABS 生产工艺介绍.- 5 - 1.1.4 产品描述 .- 5 - 1.1.5 产品的生产方法和性能.- 6 - 1.1.6 用途及包装储运 .- 6 - 1.1.7 主要 ABS 生产工艺发展现状和前景.- 6 - 1.2 PBL 单元介绍. - 7 - 1.2.1 工艺流程.- 7 - 1.2.2 工艺描述.- 7 - 1.2.3 原材料及其作用.- 9 - 1.2.4 生产过程的氧化还原作用原理.- 15 - 1.2.5 助剂的配制及进料方式.- 15 - 第二章第二章 反应釜物料横算及其相关设计反应釜物料横算及其相关设计.- 19 - 2.1 本设计的任务. - 19 - 2.2 反应釜物料衡算.- 19 - 2.3 反应釜的设计.- 20 - 2.3.1 反应釜的体积 .- 20 - 2.3.2 反应釜高度直径计算 .- 21 - 2.3.3 反应釜壁厚的计算 .- 21 - 2.3.4 反应釜传动装置设计 .- 22 - 2.4 多层搅拌器功率计算.- 25 - 目录 2.5 按扭矩计算轴的强度.- 26 - 第三章第三章 反应釜热量恒算及其相关设计反应釜热量恒算及其相关设计.- 29 - 3.1 反应釜的传热装置设计.- 29 - 3.1.1 反应釜夹套面积计算.- 29 - 3.1.2 反应釜挡板面积计算.- 30 - 3.1.3 反应釜放热量计算 .- 30 - 3.2 冷却水的工艺设计.- 31 - 3.2.1 夹套换热量计算.- 32 - 3.2.2 挡板换热量计算 .- 35 - 3.2.3 比较得出结论 .- 38 - 3.3 校核换热面积 .- 39 - 3.4 反应釜换热水系统工艺设计.- 43 - 3.4.1 冷却水的质量流量计算.- 43 - 第四章第四章 设计总结设计总结. - 45 - 参考文献参考文献. - 48 - 谢辞谢辞. - 50 - 附录附录 A 符号说明符号说明. - 50 - 前言 前言 0.1 课题的意义及目的 ABS 树脂( 丙烯腈- 丁二烯- 苯乙烯共聚物) ,又名丙丁苯橡胶, 是苯 乙烯系列树脂中发展与变化最大的品种。ABS 树脂具有耐热、表面硬度高, 尺 寸稳定、耐化学性及电性能良好, 易于成型和机械加工等优异的综合性能, 在 电子电器、仪器仪表、汽车、建材工业和日用制品等方面具有广泛的应用。近 年来, 随着我国国民经济的高速增长, ABS 树脂的生产和消费也呈飞速发展的 态势, 但目前我国 ABS 树脂的生产能力和产量还不能满足国内实际生产的需求, 每年都得大量进口, 开发利用前景广阔。 0.2 世界 ABS 树脂的生产现状及市场前景 20 世纪 90 年代以来, 世界 ABS 树脂的生产得到了很大的发展。1995 年 世界 ABS 树脂的总生产能力只有 420.0 万 t /a, 2002 年增加到 630.0 万 t /a, 2004 达到 717.1 万 t /a, 2005 年进一步增加到约 747.6 万 t /a。 近年来, 世界 ABS 树脂的需求量一直以年均约 5.0%的增长率增长。亚太 地区, 尤其中国大陆是带动 ABS 树脂消费增长的主要地区。2005 年全世界 ABS 树脂的总需求量约为 554.0 万 t, 比 2004 年减少约 2.0%, 其中约 53.9%用 于家用电器及用品, 10.5%用于汽车工业, 4.0%用于办公机器, 2.2%用于管材及管 件, 29.4%用于其他方面。其中, 家用电器及用品消费的 ABS 树脂主要用在计 算机及配件、冰箱、冷柜的门及内胆上; 而汽车消费的 ABS 树脂主要以共混合 金的形式应用在汽车部件和汽车音响上。 世界各地区 ABS 树脂的消费结构有所不同,西欧 ABS 树脂主要用于汽车、 器具和电信领域,北美除此之外还用于建筑( 管材) 领域, 日本和韩国主要用于 汽车领域, 亚太地区其他国家则主要用作器具、电信、玩具领域。亚太地区 ABS 树脂除日本有特殊牌号, 基本上都是通用品, 而西欧和北美有大量高性能、 前言 混配的特殊 ABS 树脂产品。预计 2009 年全世界 ABS 树脂的总需求量将达到 约 751.0 万 t, 其中家用电器及用品的消费量为 427.0 万 t, 汽车消费量为 85.0 万 t, 办公机械消费 25.0 万 t, 管材及配件消费量为 15.0 万 t, 其他方面的消费 量为 199.0 万 t, 分别占 ABS 树脂消费总量的 56.9%、11.3%、3.3%、2.0%和 26.5%。 汽车工业依旧是 ABS 树脂增长速度最快的消费领域, 其次为电器行业。 目前, 世界 ABS 树脂的主要贸易地区为亚洲、北美及西欧, 2005 年这三 个地区的贸易量之和约占世界 ABS 树脂贸易总量的 92.5%。其中,亚洲地区约 占 63.6%, 北美地区约占 7.8%, 西欧地区约占 21.1%。亚洲地区占世界贸易总 量的比例呈逐年上升的趋势。除亚洲地区外, 世界其它地区的 ABS 树脂基本处 于短缺状态, 2005 年亚洲地区 ABS 树脂的净出口量达到约 25.0 万 t, 预计今 后几年亚洲地区仍将成为世界 ABS 树脂的主要输出地。 0.3 我国 ABS 树脂的生产现状及市场前景 我国 ABS 树脂的研制开发始于 20 世纪 60 年代, 1975 年兰州石油化工公 司合成橡胶厂采用乳液接枝法建成我国第一套生产能力为 2 000 t /a 的 ABS 树 脂生产装置。1978 年上海高桥石油化工公司化工厂用自己开发的乳液接枝- 乳 液 SAN 掺合工艺建成一套生产能力为 2 000 t /a 的 ABS 树脂生产装置。但直 到 20 世纪 80 年代初期, 我国 ABS 树脂的生产发展十分缓慢, 年产量只有 3 000 t 左右, 远远不能满足国内市场迅速发展的要求,产品几乎全部依赖进口。 随着我国 ABS 树脂生产能力的不断扩大, 产量也不断增加。1995 年我国 ABS 树脂的产量只有 4.04 万 t, 2000 年增长到 29.9 万 t, 19952000 年间产 量的年均增长率 49.2%; 2004 年我国 ABS 树脂树脂的产量约为 60.0 万 t, 比 2003 年增长约 9.1%; 2005 年产量达约 75.0 万 t, 比 2004 年增长约为 25.0%, 20002005 年 ABS 树脂产量的年均增长率约为 20.19%。 前言 近年来, 随着我国家电和汽车工业的不断发展, 对 ABS 树脂需求量将不断 增加, 而目前的 ABS 树脂生产能力和产量不能满足实际生产的需求, 因此, 国 内外许多生产厂家都准备新建或扩建生产装置 本设计在于解决国内 ABS 需求，通过引进和研究国外先进的生产设备和技 术，以增加我国 ABS 树脂的产量，提高国内企业对 ABS 树脂的生产能力。 文献综述 第一章 文献综述 1 .1 ABS 简介 ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物）树脂 是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。 1.1.1 结构 ABS 树脂是丙烯腈（Acrylonitrile） 、1,3-丁二烯（Butadiene） 、苯乙烯 （Styrene）三种单体的接枝共聚物。但实际上往往是含丁二烯的接枝共聚物与 丙烯腈-苯乙烯共聚物的混合物。其中，丙烯腈占 15%35%，丁二烯占 5%30%， 苯乙烯占 40%60%，最常见的比例是 A:B:S=20:30:50，此时 ABS 树脂熔点为 175。随着三种成分比例的调整，树脂的物理性能会有一定的变化。 1.1.2 性质 1,3-丁二烯为 ABS 树脂提供低温延展性和抗冲击性，但是过多的丁二烯会 降低树脂的硬度、光泽及流动性；丙烯腈为 ABS 树脂提供硬度、耐热性、耐酸 碱盐等化学腐蚀的性质；苯乙烯为 ABS 树脂提供硬度、加工的流动性及产品表 面的光洁度。 基础性质： ABS 树脂是微黄色固体，有一定的韧性，密度约为 1.041.06 g/cm3。它抗 酸、碱、盐的腐蚀能力比较强，也可在一定程度上耐受有机溶剂溶解。ABS 树 脂可以在-2560的环境下表现正常，而且有很好的成型性，加工出的产品 表面光洁，易于染色和电镀。因此它可以被用于家电外壳、玩具等日常用品。 文献综述 常见的乐高积木就是 ABS 制品。 性能数据： 相对密度 103107 izod 冲击强度 1862-2158 Jm 拉伸强度 343-49 MPa 洛氏硬度 R 62118 伸长率 2-4 弯曲强度 58.8-784 MPa 马丁耐热 74-85 1.1.3 ABS 生产工艺介绍 ABS 有两种主要的工业生产方法： （1）将丙烯腈-苯乙烯共聚物（AS）与聚丁二烯（B）混合或这将两种胶 乳混合后再共聚。 （2）在聚丁二烯胶乳中加入丙烯腈及苯乙烯单体进行接枝共聚。 生产 1 公斤 ABS 树脂需要的原料和能源大约相当于生产 2 公斤石油。奇美 实业是世界上最大的 ABS 树脂生产商，其在台南及镇江的工厂每年大约生产 130 万吨 ABS 树脂。其他主要的 ABS 树脂生产厂商包括：拜耳化工、LG 化学、 GE 塑料、巴斯夫及陶氏化工等。 结构、性质和应用在 ABS 树脂中，橡胶颗粒呈分散相，分散于 SAN 树脂 连续相中。当受冲击时，交联的橡胶颗粒承受并吸收这种能量，使应力分散， 从而阻止裂口发展，以此提高抗撕性能。 接枝共聚合的目的在于改进橡胶粒表面与树脂相的兼容性和粘合力。这与 游离 SAN 树脂的多少和接枝在橡胶主链上的 SAN 树脂组成有关。这两种树 脂中丙烯腈含量之差不宜太大，否则兼容性不好，会导致橡胶与树脂界面的龟 裂。 文献综述 1.1.4 产品描述 ABS 树脂可用注塑、挤出、真空、吹塑及辊压等成型法加工为塑料，还可 用机械、粘合、涂层、真空蒸着等法进行二次加工。由于其综合性能优良，用 途比较广泛，主要用作工程材料，也可用于家庭生活用具。由于其耐油和耐酸、 碱、盐及化学试剂等性能良好，并具有可电镀性，镀上金属层后有光泽好、比 重轻、价格低等优点，可用来代替某些金属。还可合成自熄型和耐热型等许多 品种，以适应各种用途。 1.1.5 产品的生产方法和性能 ABS 树脂是以丁二烯、苯乙烯、丙烯腈为原料。采用乳液聚合法制成聚丁 二烯胶乳，再用此胶乳与苯乙烯和丙烯腈进行乳液接枝共聚，就制得 HRG 粉 料。采用本体聚合法将苯乙烯和丙烯腈共聚（SAN） ，然后将 HRG 粉料与 SAN 和各种添加剂按一定配比掺混，经挤出造粒，最终得到 ABS 树脂产品。 ABS 树脂是丙烯腈丁二烯苯乙烯的三元共聚物。ABS 树脂外观微黄 不透明，相对密度 1.04。它具有良好尺寸稳定性，突出的耐冲击性、耐热性、 介电性、耐磨性，表面光泽性好，易涂装和着色等优点。 1.1.6 用途及包装储运 适用于家用电器制品，如电视机外壳、冰箱内衬、吸尘器等，以及仪表、 电话、汽车工业用塑料制品。 可用汽车、火车、轮船等运输。贮运过程应防火、防水、防晒、防尘、防 污染等。贮存应放于干燥、通风良好的仓库中，防止阳光直接照射，不应露天 存放，产品应分批隔距堆放。不应与化学品及易燃物同时贮存或装运。 文献综述 1.1.7 主要 ABS 生产工艺发展现状和前景 ABS 树脂的生产方法很多,目前在全世界范围内的工业装置中应用较多的是:乳 液接枝掺混法,连续本体法等.近十年来在 ABS 树脂生产领域有两大进展,一是乳 液接枝本体 SAN 掺混工艺的开发和工业化取得很大成功,二是本体工艺逐步走 向完善并生产出有能力向一些市场渗透的树脂牌号。 乳液接枝连续本体(乳液-本体)工艺在 70 年代末被开发,90 年代引起工业重 视.根据 SRI 的估计,此工艺的生产成本低于连续本体工艺,但对环境的污染比连 续本体严重,而且建设费用较高。 此外工业上采用的 ABS 生产工艺还有:乳液悬浮法,本体悬浮法等.乳液悬浮 工艺与乳液本体工艺同期被开发,但未受到工业重视.本体悬浮工艺在发达国家 已基本被淘汰,但在一些发展中国家还有应用。 1.2 PBL 单元介绍 本公司采用乳液聚合的方法来制备 ABS，生产过程主要有四个单元， 分别为： 1）PBL 单元，也就是聚丁二烯胶乳的制备。 2）HRG 单元，也就是高接枝粉的制备。 3）SAN 单元，也就是丁二烯和丙烯腈共聚物的制备。 4）掺混单元，将 HRG 产物与 SAN 产物进行掺混。 最终生产出 ABS 树脂。 我所做的毕业设计所涉及的内容正是 PBL 单元的反应釜以及相关设备的选 型、物料和热量恒算，下面介绍 PBL 相关工艺流程以及助剂的配制和加料。 文献综述 1.2.1 工艺流程 进料洗涤换热器清洗反应釜闪蒸罐回流 BD 单体 合格品 中间品储罐 均质机成品储罐 不合格品 1.2.2 工艺描述 PBL 工艺区域生产聚丁二烯胶乳（PBL）,它是聚丁二烯橡胶在水中的一种 乳化液，作为 HRG 区域中生产树脂的原料。 生产 PBL 分为 5 个工艺步骤： A 准备进料 B 反应 C 闪蒸未反应的丁二烯 D 均质 E PBL 储存 准备进料阶段包括从丁二烯单体中去除抑制剂，制备批次加入的溶液、乳 化剂和反应催化剂，和在反应的结束后回收未反应的丁二烯循环使用。 反应区域由平行安装的 5 台相同的反应釜组成，采用程序操作。批次加入 一定数量的无离子水、乳化剂、反应催化剂溶液和部分丁二烯单体。经过升温 后，反应开始，在后续反应中计量加入丁二烯、引发剂和链转移剂。当丁二烯 进料完成，反应器温度上升开始精致阶段，使剩下的丁二烯反应近乎完全，此 后，冷却反应器夹套，粗 PBL 溶液进入闪蒸阶段。反应周期总计约 10-13 小时， 包括进料、反应、输送反应后组分和为下次进料做准备的时间。 为了能从粗 PBL 中去除未反应的丁二烯单体，需要在受控的真空条件下操 作闪蒸罐。丁二烯经过回收，循环进入进料准备单元，同新鲜丁二烯单体一起 文献综述 进料。 泵将粗 PBL 从闪蒸罐输送至均值单元。在这里，乳胶橡胶粒径增加，粒径 分布达到用于 HRG 反应的要求。该操作包括粗乳胶中间品储罐、均质机进料 罐、泵和均质机。4 台均质机平行连续进料。 从均质机排出的 PBL 产品进入两个成品储罐中的一个，在储存和进入 HRG 反应区域前要进行测试。 1.2.3 原材料及其作用 表 1-1 原料简写表 简称化学名 BD丁二烯 固碱氢氧化钠 CHP异丙苯基过氧化氢 无离子水无离子水 EDTA乙二胺四乙酸二钠 硫酸亚铁硫酸亚铁 Flectol TMQ2,2,4 三甲基 1,2 二氢化氮杂萘，聚合 氢氧化钾氢氧化钾 甲醇甲醇 矿物酒精混合的 C9-C12 碳氢化合物 紧急终止剂 1866N,N 二乙基羟胺 SFS甲醛次硫酸钠 TBC4 叔丁基邻苯二酚 T-DDM(Sulfole)叔十二烷基硫醇 TFA 脂肪酸不饱和脂肪酸 TSPP无水焦磷酸四钠 （1）丁二烯清洗化学 TBC 是一种非常有效的自由基清除剂和活性二价铁离子（FE2+）的络合剂。 它允许在一定的时间储存在碳钢球罐或容器中。 文献综述 任何长时间贮存（72 小时）的 BD 单体，必需在容器中加入 70ppm 浓度 的 TBC.如果容器中 TBC 的含量降低到 50ppm，则必须将 TBC 的含量提高到 70ppm 以上。 实际操作中，如果 BD 没有经过抑制，且在没有补充任何新鲜 BD 单体到 加料罐的情况下存放时间超过 72 小时，BD 将送回到进料储罐容器中。 （2）BD 单体中的水 水微溶在 BD 单体中，在不同的温度下将会影响 BD 处理系统的不同部分。 BD 管道中的水 微凉的水将冻结堵塞管路。在操作过程中寒冷天气出现，管路的低点要求 排放或输送来防止微量水积累并且冻结。冻结和堵塞问题在长期批量 BD 贮存 罐发生相对于在不被抑制的 BD 短期贮罐中发生要多。 BD 回收中的水 BD 单体回收被水影响。第一压缩阶段要求循环水提供压缩机的密封并且 在倾析操作中从 BD 单体中分离。控制第一阶段尽可能冷以提高操作的几个办 法： 减少 BD 单体中水的溶解。 BD 较低的温度。 在第一阶段操作中回收更多单体。 减少副反应率像过氧化物聚合、爆米花聚合物、二聚物（4-VCH）形成。 保持 BD 倾析罐低压。 （3） BD 洗涤化学 BD 中的 TBC 必须被去除为了提高反应速率。 BD 洗涤是一个液-液接触和萃取工艺，是碱液在抑制的 BD 中去除 TBC 的 文献综述 过程。BD 洗涤系统包括碱沉降罐、接触器、碱循环系统、加料罐、废碱罐。 BD 单体通过洗涤系统时，弱酸 TBC 和强碱 NaOH 反应形成盐。合成的 TBC 盐从碱液中沉淀出来。 由于 TBC 盐形成并且从碱液中沉淀出来，它将阻塞接触塔并且在沉降罐和 管路中增大，因此每年定时清洗洗涤系统是被要求的。要求 BD 系统中的固含 量不大于 21%以阻止增大和阻塞发生。 （4）在半连续聚丁二烯工艺中，TBC 对 CHP 的影响 虽然 TBC 不会影响半连续反应的开始阶段，但它严重影响 BD 单体反应过 程的“进料”阶段。TBC 是一种很好的 Fe2+络合剂并且直接抑制氧化还原反应 并减慢反应速率。不稳定的化学和 Poly-BD 絮凝物形成导致高的内部反应污垢。 BD 单体中低的 TBC 含量是获得合适的反应速率和长的反应寿命的关键。BD 单 体中的 TBC 含量将要求小于 5 ppm。 （5）分布，和处理 TBC/碱 一定量的 BD 单体被洗涤后，用过的碱液被输送到碱废液贮存罐。这将允 许新配制碱液输送到碱洗沉降系统。废碱液被处置之前，废液贮罐也允许一些 BD 携带和少量溶解在废碱液中 BD 单体蒸出到回收系统。 废碱液不被送到工厂内的废水处理工艺。TBC 将杀死废水处理生物并且碱 液的 PH 值将会影响进一步操作，和关闭工厂内的全部废水处理设备。在任何 厂外处置工艺被选择之前，工厂的环境工程师将熟悉合适的废碱液的处理技术。 （6）SFS 贮存和在配制 max TQ-轴所传递的扭矩（kgf/cm）; -抗扭截面系数（cm3） ； p W 反应釜物料恒算及其相关设计 【】k-降低后的扭转许用剪应力（kgf/cm3） 。 只要知道了搅拌轴上所传递的扭矩和轴材料的许用剪应力之后，就 Q T k 【】 可以通过求出轴的抗扭断面系数即 max Q p T W 【】 p W （2） Q p k T W （实心轴） 3 16 P d W Q T71620N/ n 式中：d-搅拌轴的直径（cm） N-搅拌传递功率(HP) n-搅拌轴的转速（rpm） 若已知轴上传递功率 N 的单位为 kw，则应按 1kw=1.36HP 进行换算，其 结果为 Q T97400N/ n 将，值代入（2）中 Q T p W 3 71620 16 k dN n 整理后得 3 3 71620 16 d k N n 令 3 71620 16 k A 反应釜物料恒算及其相关设计 则得 3 N dA n 所以当 d 满足上述条件时，所设计的轴满足工艺要求。 根据上一节所算出来的搅拌轴直径 d=13.1cm，, 2 k 310kgf /cm【】 代入公式算的 3 16 P d W 441.19 p W 将代入式子（2）得441.19 p W Qk T441.19 310136768.9kgf /cm P W 【】 搅拌轴转速 n=72rpm ，得 Q T71620N/ n N137.49kw 3 71620 16 10.51 k A 则有 33 137.49 10.5110.51 1.2413.03 72 N A n 则，所以设计的搅拌轴符合工艺要求。d13.1 13.03 反应釜热量恒算及其相关设计 第三章 反应釜热量恒算及其相关设计 3.1 反应釜的传热装置设计 3.1.1 反应釜夹套面积计算 本釜采用普通夹套形式进行换热，前面已经算的反应釜公称直径 3400mm，长径比去 1.5 矩，釜高位 5.050mm。根据长径比和公称直径查化工 设备机械基础P457 表 18-27，釜体及下封头的总表面积得： 2 1 F26.914 m F1是釜体与下面的标准椭圆形封头两个元件的表面积之和，表面积封头直 边高度取 40mm，本釜为标准椭圆形封头。 设计本釜下封头取直径 0.25m 的区域为出料管口和 PBL 胶乳进料口，此处 不设夹套，该区域的面积 F不计算在内。 即 22 1 m 4 Frd其中d=0. 25 2 F0.0491m 当釜体夹套筒体高度低于釜体 h(m)时，传热面积 F 可取 F=F1-hF0(下封头为标准椭圆形) F0值可根据公称直径查化工设备机械基础P458 表 18-27 附表得 F0=10.68m。其中取夹套距上封头距离 h=0mm，则有 2 10 F FhF F26.91400.049126.8649 m 设计夹套厚度取釜壁厚的一半，反应釜壁厚为 30mm，所以设计夹套厚度 反应釜热量恒算及其相关设计 为 15mm，夹套与釜壁之间的距离取 110mm，如果工程需要不能满足，再行校 核。 3.1.2 反应釜挡板面积计算 根据反应釜的尺寸，初步设定挡板的大小， 挡板采用 316ss 材质，中国牌 号 ，中空，为立方体结构，全釜共 6 块挡板，而且规格都相017122CrNiMo 同。 设定挡板高度：4572 mm 挡板长度：300 mm 挡板厚度：100 mm 2 2 S4572 300 24572 100 2300 100 2 =3717600mm 3.7 m 每块挡板换热面积 反应釜的挡板所用的材质相同，并且每块挡板的规格都相同，所以可以一 起计算挡板总换热面积 2 S3.7 622.2 m 总 3.1.3 反应釜放热量计算 反应釜总放热量计算 放热量 Q=单位聚合热质量 已知丁二烯单位聚合热为 1256kj/kg,丁二烯进料量查 PBL 反应釜加料顺序 表得质量分别为 3732kg 和 13106kg。 丁二烯聚合放热 Q12563732 1310621148528 KJ21.15 GJ（） 反应釜热量恒算及其相关设计 每小时放热量计算 查 PBL 反应釜加料顺序表得丁二烯的质量流量为 2621kg/h,则反应釜每小 时放热量 () Q1256 2621 3291976 kj 3.3 GJ 时 反应釜内物料吸收热量计算 反应釜进料采用的是热进料，起始温度为 20，在 63时深入反应，因 此反应釜放出的一部分热量被反应釜内物料吸收，用于升温。该部分热量不需 被冷却水带走，可去除。反应进入放热阶段。 21 Qmctt 放 （） 查反应釜物料数据得反应釜内混合物的比热 c=2.54kj/kg. 物料前面已经 计算过，故可得 m=41555.9kg 21 Qmctt 41555.9 2.546320 4.54 GJ 放 （） 则有反应釜冷却水系统需带走热量 QQQ21.15GJ4.54GJ16.61 GJ 吸总带 反应放出 16.61GJ 的时间t 16.61/3.35.03 （小时） 3.2 冷却水的工艺设计 冷却水的 进口温度 t1=4.5 ; 出口温度 t2=12; 冷却水的流速 u=4 m/s; 反应釜热量恒算及其相关设计 水的密度 =1000 kg/m3; 水的粘度=10-3 Pa.S; 3.2.1 夹套换热量计算 1）润湿周边长度的计算 反应釜外径 do=3.460m，夹套到反应釜外壁的距离 d=0.11 m 反应釜外壁润湿周长 11 L3.14 3.46010.864 md 夹套内壁润湿周长 22 L3.143.4602 0.1111.555 md （） 润湿周边长 12 L L10.864 11.55522.419 m 2）流通截面积的计算 流通截面积 A=A2-A1,其中 A2为夹套内截面积，A1釜外壁截面积。 2 22 1 3.460 A3.149.398 m 2 r 2 22 2 3.680 A3.1410.631 m 2 r 2 21 AAA10.631 9.3981.233 m 3)当量直径的计算 水力半径 H 1.233 r0.055 22.419 A m 当量直径 eH d4r4 0.0550.22m 4）雷诺指数的计算 3 0.22 4 1000 Re880000 10000 10 du 反应釜热量恒算及其相关设计 5）流体对流传热系数的计算 夹套内为完全湍流传热，对流传热系数计算公式如下： 0.8 0.023RePrn d 当流体被加热时，n=0.4，被冷却时 n=0.3，本流体为冷却水，故被加热， 取 n=0.4。 -水的传热系数，W/(m. ) d-当量直径 m Re-雷诺指数 Pr-普朗特指数 普朗特指数Pr Cp Cp-流体的定压比热容，j/kg. -流体的粘度 Pa.S -流体的传热系数，W/(m. ) 已知水的 Cp=4200 j/kg. ，粘度=10-3Pa.S，=0.56 W/(m. ) 3 4200 10 Pr7.5 0.56 Cp 0.80.80.4 0.56 0.023RePr0.0238800007.57466.27 0.22 n d 6）夹套总传热系数 K 的计算 总传热系数 K 是评价换热性能的一个重要参数，又是传热计算的基本数据， 确定 K 值和分析其影响因素具有重要意义。 根据天津大学出版社出版的化工原理总传热系数的计算公式为： 反应釜热量恒算及其相关设计 111 siso io b RR K 其中，-冷却水对流传热系数 i -物料对流传热系数 o b-壁厚 -釜壁材料的导热系数 -内部污垢热阻 si R -外部污垢热阻 so R 根据物料性质材料，选取物料对流传热系数=1000，壁厚 b=0.03m，查 o ss316 的国标得不锈钢导热系数=16.55 W/(m. )。即为上边求的。 i 对于污垢热阻，取内部为水的污垢热阻，外部为物料的污垢热阻，查 化工原理上册 P354 壁面污垢热阻表得 42 0.8598 10/ o si RmC W 42 1.7197 10/ o so RmC W 44 44444 4 111 10.031 0.8598 101.7197 10 7466.2716.551000 1.34 100.8598 1018.1 1010