【導讀】12萬噸聚氯乙烯聚合工段工藝設計

　　

【正文】 △ t=（ ） =106kj/h Q2:單體升溫消耗的熱量 Q2= qm2Cp2△ t=（ ） =106kj/h Q3:聚合壺升溫消耗熱量 Q3= qm3Cp3△ t=6600/()=105kj/h Q4:蒸汽所提供能量 25 Q4=Q1+Q2+Q3 =106 kj/h +106 kj/h +105kj/h =106 kj/h 恒溫反應階段 : (1)求總傳熱系數(shù) K 總傳質(zhì)系數(shù) K 的倒數(shù)稱為總熱阻與分熱阻有以下關(guān)系： 1/K=1/a1+1/a2 +Sd/λ α α2分別代表釜內(nèi)壁和釜外液膜給熱系數(shù) w/m2k ? ??/ 代表釜壁導熱部分的熱阻，其中 ? 為厚度， ? 為導熱率。 對于攪拌釜內(nèi)壁給熱系數(shù)可用下列準數(shù)方程計算： 式中 D 為釜內(nèi)徑， d 為攪拌葉直徑， ? 為 )()3600()( 31321 wgdDc ??? ?? ??? ? 密度， ? 為粘度， ( 2nD )/?? 為攪 拌雷諾數(shù)， ? 為導熱率， c 為比熱容， g 為重力因子，（ 3600 gc? / )? 為普蘭特準數(shù)， w? 為近壁處粘度，系數(shù) c 為常數(shù)，國產(chǎn) 48 3m 釜經(jīng)實驗標核 c=, 將D=3m,d=1212mm, kmw ?? /? , 3/998 mkg?? , sPa ??? ?? , srn /? ,流體被冷卻時，（ )w?? = 代入以上數(shù)據(jù)得： ) () (3 3/123/221 2 ?????? ???? ??? kmw ?? 2/ 對于釜外壁給熱系數(shù) 2? ，采用夾套內(nèi)裝設螺旋導流板。 2? 可由以下準數(shù)方程計算： )( RdPRd eree ?? ?? 式中 ed 為螺距的當量直徑， R 為彎曲半徑，因釜徑較大，一般校正因子 26 )( Rde? 的數(shù)據(jù)不大，因此可以取 ，又因為水的導熱系數(shù) kmw ?? /? ，螺距 ed =，水的普蘭特數(shù) ?rP ，水的流速 smu /2? ，故代入以上數(shù)據(jù)得： kmw ????? ????? ? /)10550 ( ? 由于縫隙泄露一般的實測值約為計算值的 80%，因此 %???? 對于國產(chǎn) 48 3m 不銹鋼聚合釜而言，其釜壁熱阻 ? ??/ 一般為 kmw ??? ? 24 / ，故總傳熱系數(shù)為： kmwk ???????? ? 2/21/???? 由物料衡算可知： VC 的每批投料量 Bkgw B /? ，總轉(zhuǎn)化率 ?x ，反應時間?? ，高峰時反應速率是平均反應速率的 倍，聚合反應熱 m o lKJH /??? ，反應溫度 CT ?? ,總傳熱系數(shù) kmwk ?? 2/ ，冷卻水的進口溫度 Ct ?5? ,冷卻水出口溫度差為 C?5 ，則： 氯乙烯的相對分子質(zhì)量 kmo lkgM /? ，平均反應速率： hm olM xw Br / 41 4???? ????? ? 故平均熱負荷 ????? ?? HrQ . 令最大熱負荷 maxQ 與平均熱負荷 _Q 之比等于熱負荷分布指數(shù) _max /R? ,查《聚氯乙烯工藝學》，對于本聚合反應取 ?R , 故 WhKJR 666_m a x ???????? ， 又因為 mtKAQ ??max 對數(shù)平均溫差： CtTtTtTtTtm ?)()(ln)()(2121 ?????????????? , 27 總傳熱面積： 26m a x mtkQA m ??????， 最大水流量為 )/( hkgqm ，則 6m a x )510( ??????? mpm qtcqq ， 故 hkgq m / 5?? 。 對于 48 3m )( 型?? 不銹鋼聚合釜，其夾套傳熱面積 49?A 2m 小于 2m ，因此此傳熱面積不滿足要求，需要增加內(nèi)冷管，查的型號為 5108?? 的內(nèi)冷管每根的傳熱面積為 2m ，所以需要增加的內(nèi)冷管數(shù)為： ????n 根 整理以上結(jié)果得： 表 16 反應過程熱量數(shù)據(jù) 反應過程 入Q ， 釜/KJ 、釜，出 KJQ 1Q :VC 升溫吸收的熱量 ? 2Q :水、明膠等升溫吸收的熱量 ? 3Q :設備升溫吸收的熱量 ? 4Q ：加熱蒸汽帶入的熱量 ? RQ :反應放出的熱量 ? 水Q ：冷卻水帶走的熱量 ? 總計 ? ? 汽提塔熱量衡算 料漿從氣提塔上部進入，下部通入蒸汽進行氣提， VCM 通過擴散的方式進入蒸汽，并與蒸汽逸出，蒸汽在塔頂冷凝， VCM 則進入回收系統(tǒng)。料漿 從氣提他上部進入，下部通蒸汽進行氣提， VCM 通過擴散的方式進入蒸汽，并與蒸汽逸出，蒸汽在塔頂冷凝，VCM 進入回收系統(tǒng)。進入氣體塔內(nèi)的物料初始溫度為 66℃ ，氣體塔內(nèi)壓強為 ， 28 再次壓強下水的沸點為 86℃ ，潛熱為 ，水蒸汽的比熱容 Cp=(kg. ℃ )。進入氣提塔蒸氣的初始溫度為 142℃ ，物料的升溫以及 VC 單體向蒸氣的擴散能由氣的潛熱和顯熱提供，而且單體的擴散能為 71kj/mol，假定在塔內(nèi)有 35%的蒸氣冷凝，其余在塔頂冷凝。 又因為單體的擴散能為： ()/（ ） 71=故所需的總熱量 Q 總 =+++=設蒸氣的流量為 V，則： Q 總 =（ 14286） V+=故得 V= 列管式換熱器熱量衡算 在 下冷凝水蒸氣，冷凝量 w1=冷凝溫度 T=86℃ ，冷凝潛熱 r=，用冷水進行冷凝，冷凝水的入口溫度為 20℃ ，出口溫度為 28℃ 。 熱負荷： Q=w1r== 水耗量： w2=Q/[Cp(t2t1)]=(2820)=平均溫差： △ tm=[(8620)(8628)]/ln(8620)/(8628)]=℃ 對于列管式換熱器中總傳熱系數(shù) K 的經(jīng)驗值，當汽流體為水，熱流體為蒸氣時， K在 ℃ 1范圍內(nèi)取 K=2800 ℃ 1，估計傳熱面積 S=Q/(K△ tm)=103/(2800)= 從腐蝕性傳熱面積和價格三方面考慮后，選用 f25 無縫鋼管，此管的內(nèi)徑di=，綜合考慮管內(nèi) Re，管程壓降 △ p 及單程管數(shù)三方面的因素，水的流束選為u=，故單程管數(shù) n/=w2/（ diρ） =4（ 998） =78 根 單程管長為 l= S/（ n/πd02） =（ 78） = 所以選定換熱器管長 L=，則管程數(shù) Np=1/=，取 Np=1，則總管數(shù) n= n/=78根。 29 氣流干燥塔熱量衡算 1）生產(chǎn)能力：干燥器每小時干燥濕物料 。 2）空氣狀況：進預熱器溫度 t0=15℃ ， Ho= 水 /kg 絕干空氣，離開預熱器 t1=140℃ ,離開干燥器 t2=58℃ 。 3）物料狀況：物料初濕含量 w1=，物料終濕含量 w2=，物料進入干燥器的溫度θ1=15℃ ，物料出干燥器時的溫度 θ2=50℃ ，物料密度 ρs=1400kg/m3，絕干物料比熱Cs=℃ ，顆粒 平均直徑 d=。 （ 1）分蒸發(fā)量 w x1=w1/（ 1w1） =()= x2= w2/（ 1w2） =()= Gc=,故 w=Gc（ x1x2） =（ ） =（ 2）空氣消耗量 L 氣流干燥管中不補充加熱，現(xiàn)干燥所需熱量全部由預熱器供給熱量衡算得： Qp=L（ I1I0），由 t1=140℃ ， H1= 水 /kg 絕干氣，查 HI 圖得： I1=160kj/kg 絕干氣， tw=40℃ ，由 t0=15℃ ， H0= 水 /kg 絕干氣，查 HI 圖知 I0=34 kj/kg 絕干氣，物料離開干燥器時的比熱為： Cm=Cs+Cwx2=+= kj/kg. ℃ ，所以， L(16034)=(5815)+(2490+58)+(5015) 得 L=空氣離開干燥器的濕度 H2由物料衡算求得，即， L=w/(H2H1) H2=w/L+H0=+= （ 3）干燥塔直徑 D 采用等直徑干燥塔根據(jù)經(jīng)驗取干燥管入口的空氣速度 u=20m/s，干燥塔直徑可用下列式計算 D=（ 4LVH/ uπ） 1/2，當 t=140℃ 時， VH=（ 103+103H ） (t+273)=(103+103) (140+273) 30 =D=（ 4） 1/2= （ 4） 干燥塔高度 Z 干燥塔高度由下式計算，即 Z=τ(ugu0), 下面分別求出等號右邊的三個參數(shù)， u0沉降速度， m/s，可用試差法求得，設 Re=1—1000，即屬于過渡流區(qū)，則 u0=[4(ρsρ)]1/, 空氣的物性，按絕干空氣在平均溫度 tm=(140+58)/2=99℃ 下查得： λ=105 ， vg=105m2/s, ρg=, 故， u0=[41400 （ 103 ）（ 105） ]1/=校核， Re=d u0/ vg=103105=，可知 Re 范圍正確， u0=為所求。 ug—空氣速度應為平均速度下的溫度， ug=20（ 273+99） /（ 273+140） = τ停留時間 ,物料在此時間內(nèi)完成熱量傳遞 ,故 τ=Q/(as△ t),其中 s 為每秒進料具有的總面積。 Vh 標準狀態(tài)下濕空氣的比體積流量 m3/h , Va 表面風速 m/s 因標準狀況下濕空氣的比體積為 (+)m3/kg,所以受風面積 Aa=(+)/3600/= 根據(jù)受風面積及排管形式由表選擇合適的翅片式空氣加熱器查得，用 S4R2478,而S4R2478 中單排管數(shù)為 3，散熱面積為 ，通風凈面積為 。 計算翅片式空氣加熱器加熱濕空氣所需的熱量 Q=LCH(t1t0)=（ +） （ 10015） =1543kw 計算翅片式空氣加熱器的傳熱系數(shù) 對于 S 型翅 片式加熱器，采用蒸汽加熱空氣的情況，其總傳熱系數(shù)計算式為 K= 式中 K總傳熱系數(shù)， kw/ G濕空氣質(zhì)量流速， kg/ φ總傳熱系數(shù)修正系數(shù) Af通風凈面積 31 G=L（ 1+H0） / Af,其中通風凈面積 Af=，查得 4R 型排管的傳熱系數(shù)修正系數(shù)為，所以 G=（ 1+） /K==() 計算傳熱推動力 △ t =155（ 100+15） /2=℃ 濕空氣在翅片式空氣加熱器中從 15℃ 預熱到 100℃ ，所需的傳熱面積 A 需 =Q/（ K△ t） =1543/（ ） =，而兩臺 S4R2478 型翅片式空氣加熱器的傳熱面積為 3= m2,滿足傳熱面積的要求 . s=6Gc/（ dρ） =6（ 1031400） =△ tm =[(t1 θ1)(t2 θ2)]/ln[(t1θ1 )/(t2 θ2)] =[(14015)(5850)]/ln[(14015)/(5850)] =℃ 又 a=（ 2+） λ/d=（ 2+） 105/(103) =(m2. ℃ )且 Q=wr+Gc(Cs+Cwx1)（ twθ1） +GcCm2(θ2tw) =2419+（ +） (4015)+（ 5040） = 所以 τ=()=，故干燥管的高度為 Z=（ ）= 32 第六章 聚合反應釜選型 聚合過程的影響因素 氯乙烯懸浮聚合過程具有非均相自由基連鎖反應機理 ,其鏈終止是以長鏈自由基向單體鏈轉(zhuǎn)移為主要形式 ,致使聚氯乙烯樹脂的平均分子量與引發(fā)劑用量和轉(zhuǎn)化率基本無關(guān) ,僅決定于反應的溫度 .而氯乙烯在聚合反應過程中 ,會釋放大量熱 ,每聚合 1Kg 氯乙烯釋放出 1507KJ 的熱量 ,這部分熱量必須由夾套或內(nèi)冷管中的冷卻水及 時的移走 .因此說 ,聚合釜傳熱能力的大小 ,不僅影響到反應溫度的控制以及產(chǎn)品的分子量 (大小和分布 ).而且影響到聚合反應的時間以及生產(chǎn)能力 . 要加快釜的傳熱速率以提高生產(chǎn)能力 ,可以提高傳熱系數(shù) ,增加總傳熱面積 ,和降低水溫以擴大溫差三方面來解決 .由于釜夾套面積已定 ,釜容量愈大其單位容積傳熱面 (F/V)就相對減小 ,過多內(nèi)冷管的設置又影響到清釜操作和攪拌效果 ,因此提高 F 就受到了限制 .水溫方面則由于增加制冷費用 ,以及過低璧溫對產(chǎn)品質(zhì)量的不利影響 ,而僅在超大型釜中被采用 .所以提高總傳熱系數(shù) K 的辦法 ,成為目前聚