【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)是一個(gè)年產(chǎn)1萬(wàn)噸聚氯乙烯反應(yīng)工程中的聚合反應(yīng)工段的設(shè)計(jì)。對(duì)廠址進(jìn)行了選擇，采取了防火防爆防雷等重要措施，對(duì)三廢的處理回收等進(jìn)。行了敘述，畫(huà)出了整個(gè)工藝的流程圖。完成了整個(gè)聚氯乙烯聚合車(chē)間的初步設(shè)計(jì)工

　　

【正文】 出料量（㎏／ h） 1 PVC 損失 2 VCM 年產(chǎn) 1萬(wàn)噸聚氯乙烯聚合車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 37 3 水 合計(jì) 熱量衡算 聚合釜 聚合釜的熱量衡算包括升溫階段和恒溫階段。 升溫階段是將 20℃的進(jìn)料升至 55℃所需要的熱量，這部分熱值由 95℃的水來(lái)提供，其出口溫度為 92℃。 恒溫反應(yīng)階段，由于本設(shè)計(jì)中單體聚合的反應(yīng)為放熱反應(yīng)。要保持恒溫的話，必須把反應(yīng)熱移 走。本設(shè)計(jì)采用進(jìn)口溫度為 5℃的冷卻水，其出口溫度為 7℃。 進(jìn)料 20℃，聚合溫度 55℃；熱水進(jìn)口溫度 95℃，出口溫度 92℃；冷卻水進(jìn)口溫度為 5℃，出口溫度 7℃。具體如下圖所示， 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 圖 28 聚合過(guò)程中的熱量過(guò)程模擬 ① 20℃時(shí) VCM、水、助劑的熱量 Q1. 設(shè)以 0℃為基準(zhǔn)，各助劑的熱量可以忽略不計(jì)。 20℃下查表得，CVCM=℃ = kJ/(kg.℃； CH2O= kJ/(kg.℃ ),則 Q1= CVCMWVCMt + CH2OWH2Ot = 20200（ 20+） + 26000（ 20+） =39900000 kJ ②將 20℃ VCM、水、助劑升溫至 55℃所用的熱量 Q2（也即熱水提供的熱量） 55℃下查表得， CVCM= kcal/kg.℃ =(kg.℃ ),則 （ 20+55） /2=℃時(shí)， CVCM= kJ/(kg.℃ ) Q2= CVCMWVCM△ t + CH2OWH2O△ t = 20200 35+ 26000 35 Q1 VC、水、助 劑 聚合釜 反應(yīng)熱 Q4 5℃ 水 95℃ 水 7℃ 水 92℃ 水 PVC、 VC、水、助劑 Q3 Q2 Q5 將 20℃ 的 VC、水、助劑升溫至 55℃ 所需的熱量 20℃ 時(shí) VC、水、助劑的熱量 冷卻水帶走的熱量 反應(yīng)熱 55℃ 時(shí) VC、水、助劑、 PVC的熱量 年產(chǎn) 1萬(wàn)噸聚氯乙烯聚合車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 39 =4827200 kJ ③ 55℃時(shí) PVC、 VCM、水、助劑的熱量 Q3 查表得， CPVC= kJ/(kg.℃ )，則 Q3= CVCM WVCMt + CH2OWH2Ot+ CPVCWPVCt = 3000（ 55+） + 26000（ 55+） + 17000（ 55+） =47383547 kJ ④聚合釜反應(yīng)熱 Q4 VCM 的聚合熱約為 1540kJ/kg。 Q4=1540 17000=26180000 kJ ⑤冷卻水帶走的熱量 Q5 Q1+ Q2 +Q4= Q3 +Q5 Q5= Q1+ Q2 +Q4 Q3 =23523653 kJ 反應(yīng)過(guò)程 Q 入 ， 釜/KJ Q 出 ， KJ/釜 Q1： 20℃時(shí) VCM、水、助劑的熱量 39900000 Q2：熱水提供的熱量 4827200 Q3： 55℃時(shí) PVC、 VCM、水、助劑的熱量 47383547 Q4：聚合釜反應(yīng)熱 26180000 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 40 Q5：冷卻水帶走的熱量 23523653 總計(jì) 70907200 70907200 干燥部分 圖 29 PVC 干燥示意圖 干燥過(guò)程中的總熱量： Q= LDP Q ?? 式中， PQ —— 加熱空氣的熱量； DQ —— PVC 干燥過(guò)程中補(bǔ)充的熱量； LQ —— 干燥過(guò)程中損失的熱量。 PVC 干燥過(guò)程，是先用風(fēng)機(jī)抽吸大氣，然后用蒸汽加熱到 145℃，此熱空氣再通過(guò) PVC，以此達(dá)到干燥目的。 入口空氣溫度為 ℃，相對(duì)濕度 80％ ?？諝庠诒患訜岬?145℃后 送入干燥器，離開(kāi)干燥器時(shí)溫度為 45℃。 ?? ， ?? 。 年產(chǎn) 1萬(wàn)噸聚氯乙烯聚合車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 41 本設(shè)計(jì)中在干燥器中不補(bǔ)充加熱，即 DQ =0。故 Q= LP ? 用空氣濕焓圖（即濕空氣的 I— H 圖）確定相關(guān)參數(shù)。 176。176。C176。 C=%=%i( )I 145 圖 210 濕空氣的 I— H圖 ①風(fēng)機(jī)進(jìn)出口空氣濕度 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 42 ℃的等溫線與 Φ ＝ 80％ 的等相對(duì)濕度線的交點(diǎn)為 A。由 A 點(diǎn)沿等濕度線交水平軸于 C點(diǎn)，讀出濕度 ℃ ＝ V/kgd 。 ②風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣焓值 通過(guò) A點(diǎn)作等焓線交左縱軸于 E 點(diǎn)，讀出焓值 ℃ ＝ 9kcal/kgd =10 4J/kgd 。 ③空氣加熱器出口熱空氣焓值 濕空氣通過(guò)加熱器僅升高其溫度而濕度是不變的。所以，由進(jìn)入加熱器空氣狀態(tài)點(diǎn) A 沿等濕度線向上與 t＝ 145℃的等溫度線相交與 i 點(diǎn)，由 i點(diǎn)讀出濕空氣離開(kāi)加熱器時(shí)的焓值為 I145℃ ＝ 41kcal/kgd= 10 5J/kgd 。 ④每 1kg 干空氣中增加的水蒸汽量和熱量計(jì)算 因?yàn)榭諝怆x開(kāi) PVC 時(shí)的最低溫度為 145℃，該點(diǎn)的濕度 H145℃ ＝ V/kgd 。 因此，每 1kg 干空氣中增加的水蒸汽量 △H ＝ H145℃ － ℃ ＝ － ＝ V/kgd 每 1kg干空氣中增加的熱量 △I ＝ I145℃ － ℃ ＝ 41－ 9＝ 32kcal/kgd =10 5J/kgd ⑤空氣流量的確定 由物料衡算可知， =如果干燥時(shí)間為 5 小時(shí)，則總共要干燥的水量為 5= kg 則每小時(shí)干空氣流量為 年產(chǎn) 1萬(wàn)噸聚氯乙烯聚合車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 43 hdkgw / 9 3 4 60 1 6 9 ??? 冷空氣（ ℃）比容 2 7 32 7 3)2 4 7 7 ( tHv ???? 所以 dkgmv ??????? / )( 3 冷空氣（ ℃）體積流量 hmdkgmhdkgv / 4 3 5 7/????? ⑥ 放空尾氣流量計(jì)算 該點(diǎn)質(zhì)量流量包含兩部分：一部分是干空氣質(zhì)量流量，另一部分是脫附的水蒸汽質(zhì)量流量。 即： hkgw / 0 5 2 02 3 4 9 3 4 6 ??? 3 空氣加熱器熱量衡算 （ 1）加熱蒸汽量的計(jì)算 每 1kg 干空氣增加的熱量 △I=32kcal/kgd =10 5J/kgd 干 空氣流量為 W=d/h 由 ℃的冷空氣加熱到 145℃所需熱量為： Q=W△I= d/h 32kcal/kgd ==10 9J/h 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 44 因?yàn)榧訜嵴魵獗韷?，即絕壓為 ，其溫度為 ℃ ，氣化熱為r=496kcal/kg。 所以加熱蒸汽量： hkgkgk c a l hk c a lrQw / 8 9 3/4 9 6 / 3 9 1 0 0 ??? 年產(chǎn) 1萬(wàn)噸聚氯乙烯聚合車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 45 第三章 設(shè)備的選型和計(jì)算 聚合釜的選型 已知聚合過(guò)程的生產(chǎn)時(shí)間如下： 操作 水相 加料 密封 試壓 加 VCM 加熱 升溫 恒溫 聚合 回收 單體 出料 清釜 涂布 合計(jì) 時(shí)間 Min 30 15 20 40 300 40 30 60 535 20℃ 時(shí)，查表得 VCM 的密度為 910 kg/ m3，則每批處理 VCM 體積為： VVCM=20200/910= 水油比為 ，則每天處理的 H2O 的體積為： VH2O = 26000/1000=26m3 擬選定的聚合釜型號(hào)和臺(tái)數(shù) 忽略引發(fā)劑和助劑的體積，則每批處理總體積為： V 總 = VVCM+ VH2O= m3 取 裝料系數(shù) η=0. 9，故聚合釜的容積至少為 據(jù)此取 m3的釜 4 臺(tái)。 釡內(nèi)徑： T=1600 ㎜ 釡內(nèi)壁厚： 3+24㎜ 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 46 斜漿 式槳葉 導(dǎo)流板 夾套 ，傳熱面積 m2 δ 碳鋼層 ： 24㎜ δ 不銹鋼 ： 3 ㎜ δ 粘釡物 ： ㎜ δ 水垢層 ： ≤ ㎜ 夾套進(jìn)出口水溫： t 進(jìn) =5℃ ； t 出 =7℃ 物料進(jìn)口 溫度 t=20℃ ； 聚合溫度 t=55℃ 驗(yàn)算 ???? ???? 01 111k 式中， 1? —— 釜內(nèi)壁給熱系數(shù)； 0? —— 釜外壁給熱系數(shù)； ? —— 壁厚； ? —— 釜壁傳熱系數(shù) （ 1） 釡內(nèi)壁給熱系數(shù) α 1的計(jì)算 )()36 00()(1 wdDC ??? ?? ??? ? 式中 ， D：釡內(nèi)徑 （ 1600 ㎜ ） ； d：攪拌槳葉直徑； n：攪拌器轉(zhuǎn)數(shù)； λ ：釜內(nèi)物料的導(dǎo)熱系數(shù)； 年產(chǎn) 1萬(wàn)噸聚氯乙烯聚合車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 47 ρ ：釜內(nèi)物料的密度； c：釜內(nèi)物料的比熱； μ ：釜內(nèi)物料的黏度； μ w：壁溫下流體的粘度 。 (nd2ρ /μ) 為攪拌雷諾數(shù) NRe ， (3600cμ /λ) 為普蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr，常數(shù) C 隨聚合釜結(jié)構(gòu)和攪拌漿型式等而變。此操作下無(wú)擋板，選 C=。 ① 懸浮液的密度 懸浮體系各組分體積如下：（轉(zhuǎn)化率為 70%） 脫鹽水： 26 m3 VCM 量： 30%= PVC 量： 70%則懸浮體系總體積： 26++= m3 各組分體積分率： 水： x1=26/=； ρ 1= kg/ m3 VCM： x2=； ρ 2= kg/ m3 PVC： x3=； ρ 3=1400 kg/ m3 ∴ρ=∑x iρ i=+ 58+0. 2211400=10 54kg/ m3 ② 浮液導(dǎo)熱系數(shù) λ 的計(jì)算 λ=λc[2λc+λd 2φd(λc λd)]/[ 2λc+λd+φd(λc λd)] 式中： λc ， λd 分別為連續(xù)相和分散相的導(dǎo)熱系數(shù) ； φd 為分散相體積分率 。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 48 轉(zhuǎn)化率達(dá) 70%的 VCM 懸浮聚合體系，有機(jī)粒子本身可看作聚氯乙烯分散在氯乙烯中的懸浮體系，再由有機(jī)粒子 在水中構(gòu)成總的懸浮體系。 a． PVC 分散在 VCM 中的懸浮體系 — 有機(jī)粒子的 λ PVCVCM φ PVC=（ +） = 液態(tài) VCM 導(dǎo)熱系數(shù)公式 λ VCM=Aρ VCMC VCM （ ρ VCM/M） 1/3 其中 ， ρ VCM=㎝ 3； C VCM= Kcal/ kg℃ ； M=； A= ∴λ PVC連 = （ ） 1/3 = Kcal/ hr m℃ λ PVC分 = Kcal/ hr m℃ ∴λ=[2+ 2( )]/[2++( )] = Kcal/ hr m℃ λm λ 水 50℃ =10 2W/M℃ λ 水 60℃ =10 2W/M℃ 內(nèi)差法得 λ 水 55℃ = W/M℃ = Kcal/ hr m℃ λ= 21[2 21+ (+)( 21)]/[2 21++(+) ( 21 )] 年產(chǎn) 1萬(wàn)噸聚氯乙烯聚合車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 49 = Kcal/ hr m℃ ③ 懸浮液的比熱 c 55℃ 時(shí)： Cvcm= Kcal/ kg℃ ； Cpvc= Kcal/ kg℃ 查表 C 水 50℃ =℃ ； C 水 60℃ = kJ/kg℃ 內(nèi)差法得： C 水 55℃ = kJ/kg℃ = Kcal/ kg℃ 懸浮液各組分的質(zhì)量分率： VCM 質(zhì)量 == kg H2O 質(zhì)量 =26= kg PVC 質(zhì)量 =1400= 12964kg 總質(zhì)量 =++12964 = ∴ 各組分的質(zhì)量分率： xvcm=xH2O =xpvc =12964/= ∴ c =∑x ici= +0. 58+0. 294 = Kcal/ kg℃ ④ 懸浮液的平 均粘度 μ 和 μ w μ= （ 1+∮s ） μ 水 /（ 1∮s ） 4 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 50 式中： ∮s 為分散相體積分率 ； μ 水 為反應(yīng)溫度下水的粘