【10万吨聚酰胺装置聚合工艺设计5500字（论文）】

万吨聚酰胺装置聚合工艺设计目录TOC\o"1-3"\h\u20921聚酰胺简介 1213832生产工艺的选择 1174272.1生产工艺简介 1219602.2工艺原理 194863物料衡算 2242523.1设计条件 2238433.1.1全套装置工艺参数 2147943.1.2酰胺进料量 2198863.2催化剂用量 3164283.3氢气用量 369473.4原材料消耗定额 3317733.5小环管的物料衡算 3102443.6大环管反应器的物料衡算 426883.7闪蒸罐的物料衡算 5308244热量衡算 6222204.1计算依据 7191344.2小环管的热量衡算 7274504.3大环管反应器的热量衡算 9224585设备选型 1080785.1设备选型原则 10313685.2小环管的选型 117485.2.1小环管的工艺参数 11193855.2.2选型 114115.3大环管反应器的选型 12195955.3.1大环管反应器的工艺参数 1234955.3.2选型及结构 12280255.4闪蒸罐的选型 13210435.5汽蒸罐的选型 1416485.6袋式过滤器的选型 1514507总结 16内容摘要已内酰胺水解聚合包括三个主反应，即单体水解开环反应、加聚反应和缩聚合反应的反应。项目采用巴斯夫研发技术，通过温度控制反应聚合度。本文首先介绍了该产品的设计概况，其中包括产品的设计规模和规格以及生产路线的选择。将反应和精馏的个工段的各个工艺条件和工艺指标进行了重点分析，并对工艺部分以及非工艺部分进行探究和探索。关键词：己内酰胺聚合工艺设计1聚酰胺简介聚酰胺被广泛应用于生产领域中，可制成各种各样的产品，例如常见的制成品有轮胎以及工业丝线和民用丝线等。聚酰胺通过加工还可以制成弹力尼龙，尼龙的命名方式是根据尼龙生产原料中碳原子的含量进行命名的，再通过缩聚最终形成聚酰胺。聚酰胺生产工艺过程中的节能，能够降低生产聚酰胺的成本，聚酰胺生产节能管理的体系主要是通过一系列的组织生产过程中的设定，形成一个良好完整的生产过程，以及生产管理体系，并且以节能为目的，实现聚酰胺生产全过程资源的节约。通过建立整套的节能管理体系，贯穿聚酰胺的整个生产过程，并通过对节能方案的建立、使用、改进以及对方案的优化，实现大幅度的聚酰胺生产节能，综合节能管理组合与办法，融入最新节能技术以及节能产品，降低对原料的损耗，提升资源的利用率，从而实现聚酰胺的生产节能。2生产工艺的选择2.1生产工艺简介聚酰胺的生产过程主要分为两部分进行。第1步是聚酰胺盐的生产，聚酰胺盐的生产过程是首先制造出具有高纯度和温度的聚酰胺盐水溶液，主要的处理方式是利用盐处理工程进行制造，然后再通过一系列的操作，进行高浓度的熔体聚合，最终形成的熔体聚合物，与普通的分子量分布来说差别不大，且这种高黏度的熔体质量均一，同时具有更高的可塑性，在聚酰胺盐的生产过程中，需要利用计量确定聚酰胺盐的含量，再进行蒸发操作，除去聚酰胺盐溶液中的水分，然后进行预缩聚操作，进而进行闪蒸，进一步在常压下进行缩聚，缩聚完成之后再进行减压缩聚，最终形成聚酰胺盐熔体。第2步是在完成聚酰胺盐缩聚之后，将聚酰胺盐运送至生产工厂进行聚酰胺的聚合，将聚酰胺盐用工程车运送过来之后，将其放入到聚酰胺生产工艺设备中，并加入热稳定剂以及催化反应剂，然后迅速进行混合搅拌，再进行多余水分的蒸发，聚酰胺盐的浓度增加，然后再输送到反应器中进行初步缩聚操作，在缩聚操作完成之后，传输到闪蒸器当中，进一步进行水分的蒸发和缩聚，此时通过机械操作将蒸发器内的压力降至常压，迫使溶液中的水分与物料迅速分离。完成初步聚合的聚酰胺盐溶体，再由下一个聚合器进行聚合反应，进一步分离出聚合物中的水分，形成高黏度的聚合物熔体。最后将聚合物熔体送入造粒机进行造粒至此聚酰胺形成。2.2工艺原理从中转罐区送来的酰胺需经过预精制、保安精制后才能成为精酰胺进入反应系统。其中固碱塔，脱除大量水和无机硫。2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O2NaOH+H2S=Na2S+2H2ONaOH+nH2O=NaOH.nH2O分子筛塔，利用分子筛的吸附原理，脱除微量的水，该塔可以再生。汽提塔，利用汽提塔的操作原理脱除酰胺中的轻组分，尤其是一氧化碳。脱硫塔，主要是脱除羰基硫。COS+H2O=H2S+CO2ZnO+H2S=ZnS+H2O分子筛塔，继续脱除微量的水。该塔可以再生。脱砷塔，主要是脱除砷化氢。2AsH3+2CuO=2CuAs+2H2O+H22AsH3+Al2O3=2AlAs+3H2O3物料衡算3.1设计条件3.1.1全套装置工艺参数生产规模：年产10万吨生产时间：年工作时数8000小时每吨聚酰胺消耗酰胺理论量：1.02吨酰胺（100%）全装置总收率按98%计算，损耗为2%（以1.02吨100%酰胺为基准计算收率和损耗），损耗分配如下：精制工段酰胺损失0.5%闪蒸工段酰胺损失0.5%汽蒸工段酰胺损失0.8%聚酰胺粉料损失汽蒸工段0.1%，造粒工段0.1%3.1.2酰胺进料量聚酰胺每小时净生产量：100000/8000=12.5t需要100%酰胺：12.5*1.02=12.75t则取12.75t酰胺为基准计算收率和损耗扣除损耗，则参加反应的酰胺：12.75/(1-0.5%-0.5%-0.8%)=12.984t按转化率55%，则需要100%酰胺进料量为：12.984/0.55=23.61t原料纯度为99.5%，则原料量为：23.61/0.995=23.73t3.2催化剂用量=1\*GB3①.主催化剂（CS-Ⅱ型和DQ-Ⅰ型）主催活性：25~31kgPP/gcat，取30kgPP/gcat。则主催用量：12.984*1000/30=432.8g②其它按主催：助催TEAL：给电子体DONOR：烃油十脂=0.06：0.35：0.015：0.35助催TEAL用量:0.35*432.8/0.06=2524.7g给电子体DONOR用量：0.015*432.8/0.06=108.2g烃油十脂：2524.7g则催化剂总量：432.8+2524.7+108.2+2524.7=5590.4g,即5.59kg3.3氢气用量H2消耗定额：0.009~0.31kg/tpp,此处取值：0.20kg/tpp则H2用量：0.20*12.984=2.5968kg3.4原材料消耗定额表3.1原材料消耗定额表名称单位消耗定额原料酰胺t23.73氢气kg2.5968化学品主催化剂g432.8三乙基铝g2524.7给电子体g108.2烃油+脂g2524.73.5小环管的物料衡算进料：酰胺进料流量2700~3300kg/h，取3000kg/h主催化剂432.8g催化剂总量5.59kg主催化剂：100~150gPP/gcat，取100gPP/gcat则预聚合生成聚酰胺：432.8*100=43280g=43.28kg未反应的酰胺：3000-43.28=2956.72kg出料：PP43.28kg酰胺2956.72kg催化剂5.59kg表3.2小环管物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量（kg）输入酰胺30003005.59催化剂5.59输出酰胺2956.723005.59PP43.28催化剂5.5920℃时酰胺的密度为：400～700Kg/m3，取600Kg/m3停留时间约4分钟则预聚反应器小环管的体积为：V=(3000/60)*4/600＝0.3333m33.6大环管反应器的物料衡算大环管小环管PP43.28大环管小环管PP43.28kg2956.72Kg催化剂5.59Kg进料管酰胺20730KgPP13070.976Kg丙烯10596.024Kg闪蒸罐氢气转化率55%进料：酰胺23.73*1000-43.28=23686.72kgPP43.28kg生成PP：23686.72*55%=13027.696kg出料：PP13027.696+43.28=13070.976kg酰胺23.73*1000-13070.976=10659.024kg表3.3大环管物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量（kg）输入酰胺（小环管）2956.7223730酰胺（酰胺进料管）20730PP（小环管）43.28输出酰胺10659.02423730PP13070.976在70℃的反应温度下，反应器内的浆液密度应保持在560～565Kg/m³，取560Kg/m³，又停留时间为1.5h则大环管的体积为：V＝（10659.024+13070.976）*1.5/560＝63.5625m³3.7闪蒸罐的物料衡算进料：PP13070.976kg酰胺10659.024kg闪蒸罐PP+酰胺闪蒸罐PP+酰胺酰胺+PPPP+酰胺大环管循环洗涤塔袋式过滤器闪蒸罐顶部酰胺带走粉尘为10%，底部粉尘带走酰胺10%闪蒸罐塔顶出料为：酰胺：10659.024*90%=9593.12kgPP：13070.976*10%=1307.10kg闪蒸罐塔底出料为：PP：13070.976*90%=11763.88kg酰胺：10659.024*10%=1065.90kg表3.4闪蒸罐物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量（kg）输入酰胺10659.02423730PP13070.976输出酰胺（闪蒸罐顶）9593.1223730PP(闪蒸罐顶)1307.10酰胺（闪蒸罐底）1065.90PP(闪蒸罐底）11763.884热量衡算热量衡算是指根据能量守恒定律对设备在操作过程中传入热量或传出热量的平衡计算。连续操作过程热量衡算的内容主要是计算正常操作时的传热速率，为设备传热面积、传热介质流量、工艺管径等的计算及控制方案的选择提供依据。在化工过程中，各种热量之间的转换关系可以用热平衡方程表示：∑Q=∑H出-∑H进其中∑Q设备或系统与外界环境交换热量之和，通常包括热损失，kJ；∑H出离开设备或系统各股物料的焓之和，kJ；∑H进进入设备或系统各股物料的焓之和，kJ；4.1计算依据酰胺聚合热：2172.95kJ/kgPP表4.1水的比热℃20307080Kcal/(kg*℃)0.9990.9971.001.002表4.2液相酰胺比热℃25506070Kcal/(kg*℃)0．6850．8000．8100．910表4.3气相酰胺比热℃50607620Kcal/(kg*℃)1．641．6431．6471．633表4.4聚酰胺比热℃207080105Kcal/(kg*℃)1．932．232．2462．526表4.5酰胺汽化潜热506076Kcal/kg2750235017004.2小环管的热量衡算预聚生成PP：43.28kg酰胺聚合热：2172.95kJ/kgPP输入热量：20℃的酰胺带入热量Q1=CP*m*△t=0.685*4.2*3000*20=172620kJPR的反应热Q2=2172.95*43.28=94045.276kJ输出热量：预聚物带走热量Q3=CP*m*△t=1.93*43.28*20=1670.608kJ 未反应酰胺带走热量Q4=CP*m*△t=0.685*4.2*(3000-43.28)*20=170129.669kJ通过通冷却水移走聚合反应生成热，设备向外界环境散热的热量可忽略不计，则冷却水带走的热量为Q5：Q5=Q1+Q2-Q3-Q4=172620+94045.276-1670.608-170129.669=94864.999kJ夹套水进口温度范围是9.5～10.5℃，本设计取10℃，出口温度取15℃因为Q=C水*m水*△t得m水=Q5/（C水*△t）所以m水=94864.999/(4.2*5)=4517.4kg聚酰胺聚合釜夹套传热的总传热系数为：K=δ*e-0.809CK—总传热系数，ω/m²kδ—酰胺转化率为零时的传热系数，ω/m²kC—酰胺转化率（C=43.28/3000=0.01443）对于碳钢材质的聚合釜δ可取560～698ω/m²k，取δ=600ω/m²k则K=600*e-0.809*0.01443=599.988ω/m²k传热方式：夹套式换热为主 反应温度：20℃→20℃冷却水：10℃→15℃平均温差△t=（△t1-△t2）/㏑（△t1/△t2）则△t=[(20-10)-(20-15)]/㏑[(20-10)-(20-15)]=7.214℃1ω=3.6kJ/h传热面积[10]A=Q/（K.△t）则A=Q5/（K.△t）=(94864.999/3.6)/(599.988*7.214)=6.09m²表4.6小环管热量衡算表热量名称热量（kJ）总量（kJ）输入热量20℃的酰胺带入热量Q1172620266665.276PR的反应热Q294045.276输出热量预聚物带走热量Q31670.608266665.276未反应酰胺带走热量Q4170129.669冷却水带走的热量为Q594864.999冷却水用量（kg）4517.4夹套传热面积（㎡）6.094.3大环管反应器的热量衡算生成PP：13027.696kg氢气的进料温度为20℃，量为2.5968kg进料：PP43.28kg酰胺：23686.72kg出料：PP13070.976kg酰胺：10659.034kg输入热量：预聚物带入热量Q1=CP*m*△t=2.23*43.28*70=6756.008kJ酰胺带入的热量Q2=CP*m*△t=0.91*4.2*23686.72*70=6337145.069kJ氢气带入热量Q3=CP*m*△t=3.408*4.2*2.5968*50=1858.478kJ反应生成热Q4=2172.95*13070.976=28402577.3kJ输出热量：聚合物带走热量Q5=13070.976*2.23*70=2040379.354kJ酰胺带走热量Q6=10659.034*0.91*70*4.2=13579609.32kJ通过通冷却水移走聚合反应生成热设备向外界环境散热的热量可忽略不计，则冷却水带走的热量为Q7：Q7=Q1+Q2+Q3+Q4-Q5-Q6=6756.008+6337145.069+1858.478+28402577.3-2040379.354-13579609.32=19128348.18kJ反应温度：70℃→70℃冷却水：10℃→30℃冷却水用量m水=Q7/（C水*△t）=19128348.18/4.2*(30-10)=227718.431kg平均温差△t=[(70-10)-(70-30)]/In[(70-10)-(70-30)]=49.326℃聚酰胺聚合釜夹套传热的总传热系数为：K=δ*e-0.809CK—总传热系数，ω/m²kδ—酰胺转化率为零时的传热系数，ω/m²kC—酰胺转化率C=（13070.976-43.28）/23686.72=0.55对于碳钢材质的聚合釜δ可取560～698ω/m²k，取δ=600ω/m²k则K=δ*e-0.809C=600*e-0.809*0.55=384.51ω/m²k换热面积；A=Q7/（K.△t）=(19128348.18/3.6)/(384.51*49.326)=280.15m²表4.7大环管热量衡算表热量名称热量（kJ）总量（kJ）输入热量预聚物带入热量Q16756.00834748336.85酰胺带入的热量Q26337145.069氢气带入热量Q31858.478反应生成热Q428402577.3输出热量聚合物带走热量Q52040379.35434748336.85酰胺带走热量Q613579609.32冷却水带走热量Q719128348.18夹套传热面积(㎡)280.155设备选型本次设计的设备工艺计算是在确定了设备的操作工艺参数及进行了物料衡算、热量衡算的基础上进行的。其内容主要是确定设备的类型、规格、主要工艺尺寸、设备台数等，其目的是为设备机械设计、车间平面布置、配管设计等提供设计依据。5.1设备选型原则设备选型的总体原则是：满足工艺要求；设备成熟可靠；能够充分利用原料，避免浪费；使用寿命尽量长；容易安装，便于操作。5.2小环管的选型5.2.1小环管的工艺参数操作/设计温度：20℃/-45℃～150℃（夹套170℃）操作/设计压力：3.4Mpa/4.7Mpa介质：酰胺、催化剂、聚酰胺5.2.2选型预聚合反应器主要有两股进料，一股来自催化剂在线混合器，其中含有一定量的催化剂混合物和冷丙稀，这是反应主物料；另一股是冲洗泵的机械密封面的丙稀。预聚合反应器为满环管操作，用轴流泵打循环以达到均匀混合的目的。控制区预聚合的丙稀流量必须在2500Kg/h以上，本次设计取为3000Kg/h，泵冲洗丙稀流量恒定在约400Kg/h。物料衡算中已得出小环管的体积为：V＝0.3333m3环管的截面积为：S＝ЛR2＝3.14×0.102＝0.0314m2则环管的长度为：L＝V÷S＝0.3333÷0.0314＝10.62m将其分为两根直管，每根直管段高5.31m。小环管与大环管基本类似，采用S.S材料。小环管为一内径为0.20m的环管，有两根直管，直管段高为5.31m，通过两个180º的弯管连接起来，容积为0.3333m3。反应器的直管部分带有夹套，夹套材质为C.S，为防止介质粘壁，内表面需要抛光处理，粗糙度Ea=1.0。小环管表面积π*d*h=3.14*0.2*5.31*2=6.70m2>6.09m2而所需换热面积为6.09m2，则设备选取合适。图5.1预聚反应器5.3大环管反应器的选型5.3.1大环管反应器的工艺参数操作/设计温度：70℃/-45℃～150℃（夹套150℃）操作/设计压力：3.4Mpa/4.7Mpa(夹套0.8Mpa)介质：酰胺、聚酰胺、催化剂5.3.2选型及结构在大环管内生成的聚酰胺与丙稀混合物为浆料，为防止运输时管线堵塞，因此在大环管内丙稀单程转化率不宜过高，通过控制环管内混合物堆积密度来控制转化率。在物料衡算中已计算出大环管的体积为：V＝63.5625m3环管截面积为：S＝ЛR2＝3.14×0.252＝0.1963m2则环管的长度为：L＝V÷S＝63.5625÷0.1963＝323.80m将其分为12根直管，每根直管段高26.98m。则大环管为一内径为0.5m的环管，有12根直管，直管段高为26.98m，通过5个180º的弯管连接起来，容积为63.5625m3。环管采用低温碳钢，为了防止粘壁，内表面需抛光处理，表面粗糙度Ea=2.5。直管部分表面积：π*d*h=3.14*0.5*12*26.98=508.37m3，而所需换热面积为：280.15m2故设计合理，选择的大环管合适。环管反应器的直管部分装有夹套，夹套材质为C.S。在夹套的上下两处有夹套水出入口，根据配管要求，这两部分的直径被加大。由于环管与夹套温差较大，因此在夹套上还装有膨胀节。在大环管下部装有轴流泵，它的作用就是使物料高速循环起来。使加入的催化剂分布均匀，并提高传热系数，反应热通过夹套中的循环冷却水撤走。图5.2环管反应器5.4闪蒸罐的选型闪蒸就是高压的饱和水进入比较低压的容器中后由于压力的突然降低使这些饱和水变成一部分的容