聚合釜的设计说明书.doc
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一物料衡算
1物料衡算的任务
通过物料衡算确定聚合釜的个数、体积、每釜投料量及各工序进出物料量。
为设备计算、选型和热量衡算提供依据。
3衡算的依据
1设计生产规模年产AS树脂7000吨
2设计生产时间8000小时/年
3生产周期8小时
4单体(苯乙烯和丙烯腈)转化率 转化率为96%
4收集的数据
1苯乙烯密度0.9060g/cm3(25℃)
2丙烯腈密度 0.8060g/cm3(25℃)
3水的密度0.9982g/cm3(25℃)
4参考配方
表1配方列表(质量比)
名称
份数
苯乙烯
70
丙烯腈
30
水
100
二戊烯
1.2
过氧化二特丁基
0.03
丙烯酸-丙烯腈2-乙基己脂共聚物(90:
10)
0.03
5衡算基准
以一釜物料为衡算对象,以釜中生成的树脂为衡算基准。
单位为kg/釜。
6总收率及损失分配
根据生产统计数字,树脂总收率取为94%,树脂总损失为6%。
各工序损失分配如下(以釜内生成的树脂为准):
聚合部分2%
洗涤部分1%
离心部分1%
干燥部分1%
包装部分1%
7聚合釜投料量
聚合过程中物料体积变化不大,因此以25℃时的物料体积为依据来计算釜内物料体积。
初步选取24m3聚合釜,聚合釜装料系数取为0.8。
则聚合釜有效体积为19.2m3聚合釜投料量根据参考配方按比例计算。
计算过程略。
表2聚合釜投料量表
名称
投入量
苯乙烯
6.92m3
丙烯腈
3.30m3
水
8.92m3
二戊烯
106.85千克
过氧化二特丁基
2.68千克
丙烯酸-丙烯腈2-乙基己脂共聚物(90:
10)
2.68千克
8聚合部分物料衡算
由于产品中引发剂,稳定剂及链转移剂的量很少,所以在产品中将其忽略不计,并假设所有助剂都被洗涤水带走。
苯乙烯量:
6.92×906.0=6269.52Kg
丙烯腈 3.30×806.6=2659.80Kg
软水量:
8.92×998.2=8904Kg
生成AS树脂量:
(6269.2+2659.80)×96%=8572Kg
损失AS树脂量:
8572.15×2%=171.4Kg
未反应单体(苯乙烯及丙烯腈)量:
(6269.52+2659.80)
-8572=357.32Kg
进入下一工序的AS树脂量:
8572-171.4=8401Kg
表4聚合部分物料平衡表(单位千克)
物料名称
进料
出料
苯乙烯
6269.52
250.78
丙烯腈
2659.80
106.39
水
8904
8904
二戊烯
106.85
106.85
过氧化二特丁基
2.68
2.68
丙烯酸-丙烯腈2-乙基己脂共聚物(90:
10)
2.68
2.68
AS树脂
——
8572
损失AS树脂
——
171.4
合计
17945.38
17945.38
9洗涤部分
拟选用2个16m3洗涤釜。
每釜用2000Kg水洗涤,洗涤后湿物料中含水20%。
损失AS树脂量:
8572×1%=86Kg
进入下一工序的AS树脂量:
8401-86=8315Kg
洗涤后湿物料中含水量为:
8315×0.2/0.8=2079Kg
洗涤排水量为:
2000×2+8904-2079=10825Kg
表5洗涤部分物料平衡表(单位千克)
名称
进料
出料
AS树脂
8401
8315
洗涤水
4000
——
湿物料含水
——
2079
水
8904
10825
损失AS树脂
——
86
合计
21305
21305
8.10离心部分
经离心脱水后湿物料含水量为5%。
损失AS树脂量为:
8572×1%=86Kg
进入下一工序的PMMA量:
8315-86=8229Kg
湿物料含水量为:
8229×0.05/0.95=433Kg
离心脱水量为:
2079-433=1646Kg
表6离心部分物料平衡表(单位千克)
名称
进料
出料
AS树脂
8315
8229
湿物料含水
2079
433
损失AS树脂
——
86
离心脱水
——
1646
合计
10394
10394
11干燥部分
物料经干燥后含水量为0.5%。
损失AS树脂量:
8572×1%=86Kg
进入下一工序的AS树脂量:
8229-86=8143Kg
物料含水量:
8143×0.005/0.995=41Kg
干燥蒸发水量:
433-41=392Kg
表7干燥器物料平衡表(单位千克)
名称
进料
出料
AS树脂
8229
8143
物料含水
433
41
损失AS树脂
——
86
干燥水量
——
392
合计
8662
8662
12包装部分
损失AS树脂量为:
8572×1%=86Kg
产品中AS树脂量为:
8143-86=8057Kg
损失的水量:
86×0.5%=0.43Kg
产品中水量:
41-0.43=40.57Kg
每釜生产的产品总量:
8057+40.57=8097.57Kg
表8包装部分物料平衡表(单位千克)
名称
进料
出料
AS树脂
8143
8057
水
41
40.57
损失AS树脂
——
86
损失水
——
0.43
合计
8184
8184
13每釜年生产能力及釜的个数
设计生产规模为年产AS树脂7000吨,设计生产时间为每年8000小时,生产周期为8小时,每釜生产能力为8097.57kg。
则每釜年生产能力为:
8097.57×8000÷8=8098吨
取聚合釜备用系数为1.1
则聚合釜个数为:
n=1.1×7000÷8098=0.95
因此聚合釜个数可取为1个。
14物料流程图
物料流程图(千克)
洗涤水4000
干
燥
离
心
洗
涤
聚
合
苯乙烯AS树脂
丙烯腈未未反应单体357.32
软水8904软水8904
添加剂122.21添加剂122.21
损失AS树脂废水10825
171.4
损失AS树脂86
未反应单体357.32
添加剂122.21
AS树脂8315AS树脂8229
湿物料含水2079湿物料含水433
损失AS树脂86损失AS树脂86
离心脱水1646干燥除水392
包装
AS树脂8143损失AS树脂86,水0.43
水41产品中AS树脂8057,水40.57
二聚合釜的设计
1设计任务
选择聚合釜及夹套材料,确定聚合釜和夹套的几何尺寸,并对聚合釜及夹套进行强度计算。
2设计依据
1设计压力聚合釜0.6MPa(外压)
夹套0.65MPa
2设计温度160℃
3聚合釜体积24m3
3聚合釜几何尺寸的确定
初步选取公称直径为Dg2400的筒体,封头选取Dg2400的标准椭圆封头。
查表得封头的尺寸如下:
曲边高度h1=650mm直边高度h2=50mm
内表面积Fh=6.5453m2容积Vh=1.9905m3
查表得Dg2400的筒体的有关数据如下:
一米高容积V1=4.5245m3一米高内表面积F1=7.54m2
则筒体高度计算为:
H=(V-V封)/V1=(24-1.9905)÷3.142=4.23m=4.9m
长径比H/D=4900÷2400=2.04。
釜的实际体积为:
V实际=HV1+V封=4.9×4.5245+1.9905=24.16m3
釜的实际装料系数为:
η实际=V物/V实际=(8.92+3.30+6.92+0.165)÷24.16=19.3÷24.16=0.7988
4夹套几何尺寸的确定
取公称直径为Dg2600的夹套,夹套封头也采用标准椭圆封头,并取与夹套筒体相同的直径。
查表得Dg2600的标准椭圆封头的有关尺寸如下:
直边高度h2=50mm内表面积Fh=7.6545m2容积Vh=2.5131m3
聚合釜筒体部分物料的高度:
H物=(V物-V封)/V1=(19.3-1.99)÷4.5245=3.83m
液面高度H液=H物+h1+h2=3830+50+650=4530mm
夹套包围的筒体高度
H包=H物+△=3.83+0.77=4.70m
夹套筒体的高度
H夹=H包+50=4700+50=4750mm
聚合釜内传热面积A=H包F1+Fh=4.7×7.54+6.5453=42.0m2
5聚合釜壁厚的计算
聚合釜采用00Cr19Ni10与16MnR不锈钢复合钢板制造。
可以16MnR钢来进行强度计算。
初步选取钢板名义厚度δn=20mm,则钢板有效厚度δe=δn-C,其中C=C1+C2C1为钢板负偏差,取0.8mm,C2为腐蚀裕度,取1.2mm,则壁厚附加量C=2mm,
δe=18mm
D0/δe=(Di+2δn)/δe
其中D0为聚合釜外径,Di为聚合釜内径。
则
D0/δe=(2400+16×2)/18=135.11
计算长度L=H+h2+1/3h1,其中H为筒体高度,h2为封头直边高度,h1为封头曲边高度。
则L=4900+50+1/3×500=5117mm
L/D0=5117/2432=2.10
查《外压或轴向受压圆筒几何参数计算图》,得到系数A=0.00045
然后查图《外压圆筒和球壳厚度计算图(16MnR钢)》得到B=85MPa
则计算许用外压力[P]
[P]=B/(D0/δe)=85/135.11=0.63MPa
设计外压P=0.6MPa,小于[P]且比较相近。
则所选取的δn=16mm符合要求。
即筒体厚度δn=20mm
封头厚度取与筒体相同的厚度20mm。
6夹套厚度的计算
夹套选用20R钢板制造。
夹套计算厚度为:
δ=PcDi/(2φ[σ]t-Pc)
式中Pc为计算压力,取0.65MPa,Di为夹套内径,2600mm,
φ为焊缝系数,取0.85(双面对接焊,局部无损探伤)
[σ]t为材料许用应力,查表得113MPa
则δ=0.65×2600/(2×0.85×113-0.65)=8.8mm
钢板名义厚度δn=δ+C+△其中C=C1+C2C1为钢板负偏差,取0.8mm,C2腐蚀裕度取1.2mm,则壁厚附加量C等于2mm。
那么,δn=8.8+2+△=12mm
夹套封头厚度取与夹套筒体相同的厚度12mm。
7水压试验应力校核
7.1筒体水压试验应力校核
水压试验压力PT=1.5P=1.5×0.6=0.9MPa
水压试验时的薄膜应力为
σT=PT(Di+δe)/2δe考虑到液柱压力,代入计算时PT取0.95MPa
σT=0.95×(2400+18)/2×18=63.8MPa
查表得16MnR的屈服极限σs=345MPa
故0.9φσs=0.9×0.85×345=263.93MPa>63.8MPa=σT
则筒体厚度满足水压试验时强度要求。
7.2夹套水压试验应力校核
夹套水压试验压力为
PT=1.25P[σ]/[σ]T=1.25×0.65×113/113=0.81MPa
水压试验时的薄膜应力为
σT=PT(Di+δe)/2δe,考虑到夹套液柱压力,代入计算时PT取0.85MPa
有效厚度δe=δn-C=12–2.8=9.2mm
故σT=0.85×(2600+9.2)/2×9.2=141.29MPa
查表得20R的屈服极限σs=235MPa
故0.9φσs=0.9×0.85×235=179.78MPa>141.29MPa=σT
所以夹套厚度满足水压试验时强度要求。
水压试验的顺序是先做聚合釜水压试验,试验合格后再焊上夹套。
然后做夹套水压试验。
夹套水压试验压力时,聚合釜内至少要保持0.3MPa的压力。
8聚合釜有关数据
查表直径为2400mm,厚度为20mm的筒体一米高的质量为1192.5Kg,聚合釜封头质量为1014.6Kg。
直径为2600mm,厚度为12mm的筒体一米高的质量为774Kg,夹套封头质量为804.6Kg。
则聚合釜质量m1=795×4.9+1014.6×2=7873Kg
夹套质量m2=774×4075+804.6=3016Kg
聚合釜总质量m=7873+4481=12354kg
表9-1聚合釜有关数据表
项目
直径(mm)
高度(mm)
厚度(mm)
封头直径(mm)
材质
质量(Kg)
釜体
2400
4900
20
2400
复合钢板
7873
夹套
2600
4750
12
2600
20R
4481
二聚合釜搅拌器的设计
1设计任务
确定搅拌器的型式、几何尺寸、转速、轴功率以及电动机、减速机的选型。
2设计依据
釜的直径T2400mm
液面高度H4530mm
水的密度(80℃)0.9718g/cm3
水的粘度(80℃)0.317mPaS
AS树脂密度(80℃)1.06g/cm3
釜的体积24m3
3搅拌器型式
根据搅拌物料的性质、搅拌要求选用平直叶桨式搅拌器,由于料液层比较高,为了将物料搅拌均匀,故设计安装三层桨叶,相邻两层搅拌叶交错成90º安装,三层桨叶的安装位置如下:
一层安装在下封头焊缝线高度上,另一层安装在液面下约200mm处,中间再安装一层。
4搅拌器转速
根据设计经验,搅拌器转速N可取65r/min,即1.08r/s。
5搅拌器轴功率
取D/T=0.6,其中D—搅拌器直径T—釜的直径,
则D=0.6×2400=1440mm
液体的平均密度:
ρ平均=xρ水+yρMS+ρAN
=8.92/(6.92+3.30+8.92)×0.9982+6.92/(6.92+3.30+8.92)×0.9060
+3.30/(6.92+3.30+8.92)×0.8060=0.932g/cm3
轴功率P=nρN3D5/(1.365×105)
式中:
P—轴功率,KW;n—叶个数;
N—搅拌器转速,r/min;D—叶轮直径,m;
ρ—流体密度,g/cm3。
则P=3×0.932×(65)3×(1.44)5/(1.365×105)=34.8KW
电动机的额定功率PN=(P'+P)/η
传动装置的机械效率η可取0.9,轴封装置的摩擦损失功率P'约占搅拌功率的
5%.
则PN=34.8×1.05/0.9=40.6KW
那么所选电动机型号为YR132M2-4,42KW,效率90.6%
所选减速机,由转速65r/min选用XLD40-11型
轴径计算:
d=A(P/n)(1/3)
上式中:
d-轴径;A-是由轴的材料和承载情况确定的系数;
P-搅拌轴的功率;n-轴的转速;
选轴的材料为45号钢,因搅拌轴主要承受扭矩,可取A较小值,故取A=110
则:
d=A(P/n)(1/3)=110×(31.3÷65)(1/3)=86mm
考虑到搅拌时介质腐蚀等影响,故取搅拌轴的最小直径为90mm..
三热量衡算
1衡算任务
计算各个阶段传热的速率,蒸汽和冷却水的用量,校核传热面积以确定换热设备的工艺尺寸。
2收集的数据
AS树脂的比热 1.36KJ/(Kg·℃)低碳钢比热 0.46KJ/(Kg·℃)
聚合热 53KJ/mol不锈钢比热 0.502KJ/(Kg·℃)
水比热 4.18KJ/(Kg·℃) 苯乙烯比热 1.70KJ/(Kg·℃)
丙烯腈比热1.58KJ/(Kg·℃)
3操作时间平衡表
1.加料30分
2.升温20——80℃1小时
3.聚合80℃恒温5小时
4.冷却80——50℃30分钟
5.放料30分
6.清釜30分
共计8小时
取操作周期为8小时
4升温阶段的热量衡算
从常温20℃升温到80℃,升温时间为1小时。
则Δt=90-20=60℃
聚合釜吸收的热量:
Q1=C1m1Δt=0.502×7873×60=237135KJ
夹套吸收的热量:
Q2=C1m2Δt=0.46×4481×60=123675KJ
由于助剂的量很少,故可忽略不计。
下同。
水吸收的热量:
Q3=C3m3Δt=4.18×8904×60=2243808KJ
苯乙烯吸收的热量:
Q4=C4m4Δt=1.70×6270×60=639540KJ
丙烯腈吸收的热量:
Q5=C5m5Δt=1.58×2670×60=253116KJ
则蒸汽供给的热量:
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=237135+123675+2243808+639540+253116=3497274KJ
蒸汽的供热速率:
q1=Q/t=3497274÷1=3497274KJ/h
5聚合阶段的热量衡算
80℃恒温聚合5小时,生成AS树脂8572kg,AS树脂链节分子量为159。
聚合放热:
Q6=8572×1000÷159×53=2857333KJ
聚合放热速率:
q2=Q6/t=2857333÷
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