年产10万吨丁苯橡胶聚合工段工艺的设计说明

(298.15K)=20.757 KJ/mol=4.96 Kcal/mol

故在25℃下,液态的QBD =18.7-4.96=13.74 Kcal/mol;由于该乳聚反应在聚合釜中低温操作,反应前后压力的变化不大 ,故可近似的认为是恒压操作。

通常情况下,低温下的液体的比热容虽随温度的升高而增加,但是它是温度的弱函数故可将液体的比热容视为常数,则可查得:

CP(BD)=124.92J/(mol.k)=0.03 Kcal/(mol.℃);CP(ST)=178.23 J/(mol.k)=0.042 Kcal/(mol.℃);

在10℃下,QBD=QBD(25℃)+CP (T2 - T1 )=13.74+0.030×(10-25)=13.29 Kcal/mol;同理得:QST=16.05 Kcal/mol;

则 BD的质量聚合热Qm(BD)= QBD/MBD=13.29/0.054=246.11 Kcal/Kg ;同理得:Qm(ST)=154.33 Kcal/Kg;由于胶乳中BD、ST质量分数为76%和24%,每小时聚合釜中的总聚合热为:Qp=m胶乳×〔(1-0.24)×13.29/0.054

+0.24×16.05/0.104〕=43262.38×〔0.76×246.11+0.24×154.33〕=9692469.01Kcal/h;

则反应时间为6.84h时,QP= Qp/6=1615411.50Kcal/h;反应时间为 7.6h时,QP= Qp/7=1384609.86Kcal/h

反应时间为9.88h时,QP= Qp/9=1076916.22 Kcal/h

5.3 聚合釜的搅拌热

为了简化整个的设计过程依据工业上实际投入生产中,取搅拌热是聚合热的5%,即Q搅拌 =5%×Q聚 。

则反应时间为6.84h时,,5%×Q聚 =1615411.50×5%=80770.58 Kcal/h;反应时间为7.6h时,Q搅拌 =1384609.86×5%=69230.49Kcal/h;

反应时间为9. 88h时,Q搅拌 =969246.90×5%=48462.35 Kcal/h

5.4 大气给热

当反应时间为6.84 h时,第一釜的热损失量:

Q1 =(Q显 +Q聚 + Q搅拌)×5%=(113998.47+1615411.50+80770.58)×5%=90509.03Kcal/h;

第二釜的热损失量: Q2=89018.17Kcal/h; 第三釜至末釜的热损失量: Q3=84809.10Kcal/h;

当反应时间为7.6 h时,第一釜的热损失量:

Q1 =(Q显 +Q聚 + Q搅拌)×5%=(113998.47+1384609.86+69230.49) ×5%= 78391.94Kcal/h; 第二釜的热损失量: Q2=76601.09Kcal/h; 第三釜至末釜的热损失量: Q3=72692.02Kcal/h;

则在不同的反应时间里,物料的热量衡算表如下所示: 计算得反应时间为6.84热量平衡如表:

表2-4 反应时间为6.84h时第一反应釜的热量平衡表

热聚合热 (Kcal/h) 1615411.50 冷剂带走的热量 -1719671.52

热总量 (Kcal/h 1810180.55 总量 -1810180.55

(Kcal/h)

带进釜的热量

带走的热量

113998.47 热损失 -90509.03

(Kcal/h) 80770.58

表2-5 反应时间为6.84h时第二反应釜的热量平衡表

冷却显热(Kcal/h) 聚合热

(Kcal/h)

带进釜的热量

带走的热量

78181.40 热损失 -89018.17

1615411.50 冷剂带走的热量 -1174531.74

搅拌热 (Kcal/h) 80770.58

总量 (Kcal/h) 1774363.48 总量 -1774363.48

表2-6 反应时间为6.84h时第三至末釜的热量平衡表

带进釜的热量

带走的热量

冷却显热 (Kcal/h) 0 热损失 -84809.10

聚合热 (Kcal/h) 1615411.50 冷剂带走的热量 -1611372.98

搅拌热 (Kcal/h) 80770.58

接下表5-6 总量 (Kcal/h) 1696182.08 总量 -1696182.08

计算得反应时间为7.6h的热量平衡如表:

表2-4 反应时间为7.6h时第一反应釜的热量平衡表

热聚合热 (Kcal/h) 1384609.86 冷剂带走的热量 -1489446

热总量 (Kcal/h) 1567837.94 总量 -1567837.94

(Kcal/h)

带进釜的热量

带走的热量

113998.47 热损失 -78391.94

(Kcal/h) 69230.49

表2-5 反应时间为8.4h时第二反应釜的热量平衡表

冷却显热(Kcal/h) 聚合热

(Kcal/h)

带进釜的热量

带走的热量

78181.40 热损失 -76601.09

1384609.86 冷剂带走的热量 -1455420.66

搅拌热 (Kcal/h) 69230.49

总量 (Kcal/h) 1532021.75 总量 -1532021.75

表2-6 反应时间为8.4h时第三至末釜的热量平衡表

带进釜的热量

带走的热量

冷却显热 (Kcal/h) 0 热损失 -72692.02

聚合热 (Kcal/h) 1384609.86 冷剂带走的热量 -1381148.33

搅拌热 (Kcal/h) 69230.49

总量 (Kcal/h) 1453840.35 总量 -1453840.35

5.5 氨用量计算

已知m×Hr=Q冷剂 m:氨用量 Hr:氨的汽化潜热

查得7℃时Hr =295.7kcal/kg;5℃时Hr =297.252kcal/kg[2] 则反应时间为6.84h所需氨用量: 第一反应釜所需氨用量: m=

QHr1810180=295.7=6132.67kg/h

Q89018.17?20295.7第二反应釜所需氨用量: m=Hr==5989.41kg/h Q84809.10?20295.7第三反应釜至末釜: m=Hr==5706.21kg/h

则反应时间为7.6h所需氨用量:

Q1567810.2第一反应釜所需氨用量: m=Hr=295.7=5302.23kg/h

QHr第二反应釜所需氨用量: m==5188.96kg/h

Q第三反应釜至末釜: m=Hr=4924.16 kg/h

第 6 章 反应器和搅拌桨的选择

6.1 反应釜的选型

按聚合反应的特性及过程控制的重点在于除去聚合热的场合,可选用搅拌釜式反应器(参见《聚合反应工程基础》)。搅拌釜是乳液聚合最常用的反应器,也是应用最广的聚合反应器,釜式聚合反应器是一种形式多变的聚合装置,它广泛应用于低粘度的悬浮聚合过程,乳液聚合过程,也能用于高粘度的本体聚合和溶液聚合过程。从操作方式来看它能进行间歇、半连续、单釜和多釜连续操作,以满足不同聚合过程的要求。为了保证釜中物料的流动、混合与传热,液滴的分散或固体物料的均匀悬浮,釜中设有搅拌装置。

釜式反应器的除热主要采用夹套和各种内冷件,以立式最为常见。

综上所述,初选反应器为搅拌釜式反应器。由设计压力为3*105~5*105帕,热量衡算初选的反应器为φ2600*6600H,可选封头型式为:椭圆形底、盖,可拆盖,高度H=8740mm,公称容积为48m3,筒体内径为2600mm(参见陈敏恒,丛德滋,方图南,齐鸣斋。《化工容器及设备简明设计手册》)。

反应釜的型号见下表:

表5-1 反应釜的型号

封头型式 公称容积 计算容积 椭圆底盖

48 m3 35 m3

筒体直径

筒体高度

高度 8740mm

材质壁厚 50mm

2600 mm 6600 mm

反应釜和搅拌桨示意图:

6.1.1 聚合釜直径和高度的计算

综上所述,初选搅拌釜式反应器的体积为48m3,则聚合釜的D0和H的确定可选

?为:4D0H=V-V封 ;其中:D0为反应釜的直径;H为反应釜的高度;V为反应釜的

体积;V封为反应釜封头的体积。

H=k D0 (k取1~1.3) 则

D0=

3(4V?V封)对

?kD0估算,取k=1.2则有:D0=

3(4V?V封)4?4013)=(=3.59m;经过圆整至标准的公称直径,取D0=3600 mm

3.14?2?k当D0=3600 mm时,查表以内径为公称直径的椭圆形封头尺寸,取曲面高度h1=900m

m;直边高度hL=50 mm;封头体积Vh=6.62 m3,则H=4.32 m;经过圆整后为4300 mm。

由H=k D0知k=4300/3600=1.194,符合k的取值范围。所以聚合釜的直径D0

=3600 mm;H=4300 mm;

反应釜的型号为:

D0=3600㎜,H=4300㎜,封头曲面高h1=900㎜,直边高度=50mm,内表面积=14.64mm2

封头直径D=3600 ㎜;材质为碳钢。

6.2 聚合釜搅拌装置的计算

6.2.1 计算桨叶直径

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