乳液法PVC糊用树脂聚合工段工艺设计任务书

1、乳液法PVC糊用树脂聚合工段工艺设计任务书一、设计题目：XXX吨乳液法PVC糊用树脂聚合工段工艺的设计二、设计任务1、 生产能力：年产量：（10000+学号后三位X1000）吨；2、年工作时数：7200小时；3、 原料：氯乙烯纯度（含丙烷）：99%;氯乙烯总转化率85%;4、操作条件本工艺为乳液聚合，间歇操作生产，聚合温度为48）5C，聚合压力为0.9 1.2MPa。去离子水为溶剂，过硫酸钾为引发剂，十二醇硫酸钠为乳化剂，对苯 二酚为终止剂，环戊二烯基树脂的混合物为防粘釜剂，NaOH为PH调节剂，十六醇为消泡剂，新鲜的单体和去离子水经预热后进入反应釜 R0201-R0205反应时 间14小时，

2、待聚合釜压力降至0.39MPa时结束反应，用真空泵将未反应单体抽出 回收至气柜，进行循环使用，胶乳进入胶乳储罐。根据上述条件对聚合反应釜进 行物料衡算和设备计算。表1氯乙烯乳液聚合配方物料质量/份VCM单体100水150引发剂0.02乳化剂0.6PH调节剂（NaOH ）0.06终止剂0.02消泡剂0.02防粘釜剂0.002三、设计内容：1、工艺流程设计及流程说明2、物料衡算3、热量衡算4、聚合釜尺寸设计(1) 聚合釜体设计(2) 搅拌器设计(3 )夹套设计5、聚合釜设备图(A2)和说明书四、参考设计计算程序：1物料衡算(1) 根据已知条件确定进出聚合釜的物料，画出图。间歇操作生产，年生产 时数

3、7200小时，单次操作周期18小时，年产400批次，以kg/批为计算基准。(2) 聚合工段进料(3) 聚合工段出料(4) 聚合工段物料平衡表2. 热量衡算(1 )查有关书籍得到相关数据和计算依据如下： 选择温度为0C时各组分的焓值为0J，作为计算的基准。 反应釜的操作压力是0.901.2MPa,操作温度是48 土 0.5C。 氯乙烯单体的聚合热为1540 kJ/kg，搅拌热为反应放出热量的5%，设备 损失的热量为总热量的5%。 氯乙烯的定压热容为1.53kJ/(kg oC) , PVC的定压热容在 1.5011.536kJ /(kg C)范围之内，水的定压热容为 4.21kJ /(kg oC)

4、。 热量计算公式为：Q二CPM汀(2) 将输入和输出系统的热量作热量衡算由于水和各种助剂进、出釜的温度均为48C，带进和带出的热量非常少，可以忽略不计，则 Qk进二Q水出Q助剂进Q助剂出VCM进=M PVC M未反应VCM经查得CpvcM与Cppvc相近，视为相等，且M 所以QVCM进-QPVCQ未反应VCM（3）计算聚合工段热量（4）热量平衡表3. 聚合反应釜设计（1）反应釜体积的计算查石油化工基础数据手册得知氯乙烯单体和水在各温度下的密度为:表2水和氯乙烯各温度下的密度40 C48 C50 C水992.2kg/m33988.9 kg/m3988.1 kg/mVCM875.7 kg/m 38

5、60.3 kg/m3856.4 kg/m3由于助剂的质量很少，故忽略不计。首先根据1PPi计算出水和氯乙烯混合物的密度，根据物料衡算算出的水和氯乙烯的质量， 进而算出所需聚合釜有效容积。选择聚合釜装料系数，对于不起泡、不沸腾的液体，装料系数:=0.750.85。计算聚合釜体积。根据搅拌与混合设备设计选用手册选择公称容积为80m3，筒体直径为3200mm,高度为9400mm的聚合釜，计算高径比 是否符合下表。因产量大，需选用多台反应器时，间歇操作通常是多台聚合釜并 联使用。表3常用搅拌容器的装液高径比种类筒内物料类型H/ D反应釜、混合槽、溶解槽液-液或液固体系11.3反应釜、分散槽气-液体系1

6、2聚合釜悬浮液、乳化液2.083.85发酵搅拌罐气-液体系1.72.5根据搅拌与混合设备设计选用手册和化工容器及设备简明设计手册选择聚合釜，聚合反应釜的主要性能参数如下表所示:表4聚合反应釜主要性能参数釜体数值封头数值公称容积（m3）80封头容积（m3）4.96筒体直径（mm）3200曲面咼度（mm）800高度（mm）9400直边高度（mm）50咼径比2.94内表面积（m2）11.629+3壁厚（mm）（2）搅拌器的设计1、设计依据氯乙烯乳液聚合以胶束成核为主的成粒机理决定了对聚合釜搅拌的要求： 低剪切、大循环、微悬浮。为此，在氯乙烯乳液聚合中应该选用循环型搅拌桨叶， 采用缓慢的搅拌转速。根据

7、聚合反应工程基础和搅拌与混合设备设计选用 手册，可知以下条件：（1）搅拌釜容积 V=80m3，釜径 D=3200mm=3.2m（2） 本设计选用推进式桨叶，di/D=0.10.33,选取di/D=0.3。Z=2、3、4 （以 3叶居多），选取Z=3。计算出搅拌浆直径。（3）乳液聚合的搅拌级别为610,间歇反应的搅拌级别为36,故本设计选 取搅拌等级为6级，此时总体流速u=11.0m/min（4）为有效消除漩涡可在釜内安装挡板，通常安装4块挡板，挡板的宽度为釜径的1/101/12。本设计选取四块挡板，且d/D=1/10，计算出挡板宽度。2、设计计算（1）计算乳液密度（2）乳液黏度根据聚合反应工程

8、基础表5-9可得，该乳液聚合作均相处理，黏度可按1 Pa s 计。（3）搅拌桨叶的排出流量qd二 u( di42-)式中：u-总体流速，m/mindi-搅拌桨直径，m（4）计算搅拌转速n根据搅拌雷诺数及排出流量数的关系确定搅拌转速， 排出流量数与雷诺数的定义如下：NRe?ndi 2Nqd qdnd；3L00 9 仝OS0-7g 0.60 5P1叶轮直径与釜径的比値I 4 I I IH-4!-J_4U24 & 810 *2 斗 6 810q24 b 81進扌匸雷用譏攵A = pA图7排出流量数与搅拌雷诺数的关系示意图(5) 计算搅拌功率由聚合反应工程基础图5-13曲线2得当Ne与 的关系可知 的

9、大小。因有挡 板, NRe 103，由下列公式可知Np,进而可计算出功率P。Np = * NFr = *P = NP n3di5推进式搅拌器主要性能参数如表：桨叶的直径搅拌器的直径叶数搅拌转速搅拌功率材质(3) 夹套的设计1、计算依据(1) 传热公式：Q二KA.vtm(2) 热阻公式：1 = 1 1亠一亠只朗.Rd2K i a2九(3) 本设计为乳液聚合，可作均相处理，黏度按 计。(4) 因为各种助剂的加入量很少可以忽略不计，当转化率为56%时，反应 体系放热量最多，夹套设计需有足够的换热能力换掉此时聚合反应放出的热量即 可。2、：-1的计算根据搅拌与混合设备设计选用手册可知，对于三叶推进式搅

10、拌器,：1 =0.33（ ： Nd、3/Cp、3/3/Cp30.14/d 0.25/ C 0.15-）（）（可）（6）（H）式中：d搅拌器直径物料在主体温度下热导率D搅拌容器内径r 乳液密度I 流体在平均温度下黏度-W 壁温下流体黏度Cp 流体的定压比热容N 转速D(1)乳液的密度(2)乳液的比热容C p C pi xi查化工原理和石油化工基础数据手册可知乳液中各组分在比热容为:CP水=4.17kJ /（kg C）Cp（vcm） =1.53kJ/（kg C）Cp（pvc） = 1.80kJ/（kg C）(3) 热液的导热系数,_ ,2，c ，d _2 d（，c_，d）2九十九d +d0c -九

11、）式中下标c为连续相，d为分散相，d为分散相体积分率查化工原理和石油化工基础数据手册得知 48C时:水二0.5546kcal / (h m C) V C 0. 1 14k8al /h( m Cpvc =0.137kcal / (h m C)pvc ycM_ .2,-vCM +PVC -2%VC (上VCM - Apvc )2 -VCM PVCPVC (- VCM - PVC )0.147W/2入水+PVC_VCM 2PVC_VCM (-水-PVC-VCM ) c,，八、-水0.1262kcal/(h m C)2 水 PVC _VCMPVC _VCM (水一 PVC _VCM 丿LL查化工原理可

12、知流体被冷却时(一)0.14 =0.95（4）乳液黏度由计算依据条件可知乳液黏度J =1Pa s3、2的计算查化工容器简明设计手册得知29+3mm,夹套宽度68mm。80m3聚合釜螺距为500m m,釜壁厚螺距当量直径De4流道截面积传热周边1弯曲半径二釜半径釜壁厚丄夹套宽度2（1）求夹套内水流速度设本设计夹套进水温度为20C,出水温度为30C,反应过程为14h,则查化 工原理可知：表7不同温度下水的各种物理参数温度Cp/kJ kg-1 C-1p /kg m-3/Pa s入 /W m-1 c -120 C4.183998.231.004 X 10-0.59930 C4.174995.70.80

13、15 X 10-30.618假设夹套内水的各种物理参数均为平均状态下，则Cp =4.1785kJ/(kg C)= 996.95 kg/m -902.75 10-6 Pa s = 0.6085W/(m C)已知 Q = G*CP =tG* = ：?V水V 水=uA查化工原理可知选用整体夹套时，:-2的计算公式如下:：2 = 0.023(业)0.8(3)0.4(1 . 1力2)De 卩几R4、计算热阻(1)釜壁热阻的计算反应釜釜壁的组成：碳钢S i=29mm,不锈钢S 2=3mm查化工原理得知：碳钢和不锈钢在不同温度下的热导率如下表所示带入公式v= 得反应釜釜壁热阻为:2温度0 C100 C碳钢52.3W/(m C )48.9 W/(m C )不锈钢16.3 W/(m-C )17.5 W/(m C)求得48 C时：入仁50.67 W/(m?C )入 2=16.88 W/(m?C)(2)粘釜物和水垢热阻由化工原理表4-6得知聚合物的污垢热阻Rdi=0.000176(m2C )/W，水 的污垢热阻 Rd2=0.00026(m2 C )/W丄二丄丄 二RdiRd2K :- 1-：2已知夹套冷却水进水温度为20C，出口温度为30C，釜