聚氯乙烯生產合成工段工藝設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10414聚氯乙烯生產合成工段工藝設計計算案例 .461.5由工段選定設備及熱量衡算1.5.1氣流干燥塔熱量衡算(1)水分蒸發量W物料離心處理等操作后，在干燥器中，物料初濕和終濕含水量：絕干物料量：(2)空氣用量L干燥塔內水分汽化時所需的熱量：干燥塔內物料升高溫度值時所需熱量：（1.5.1-1）物料離開干燥器時的比熱為：絕干物料的比熱Cs＝1.764kJ/kg·℃廢氣帶走熱量：由熱量衡算式得：（1.5.1-2）查I-H圖得I2=34kJ/kg絕干氣；I1=110kJ/kg絕干氣；[26]得Ｌ＝37.00kg絕干氣/s(3)出干燥塔時氣體濕度H2用式得：(4)塔徑D假定干燥塔入口：u空氣=20m/s：（1.5.1-3）：指1kg干空氣和所帶有的水蒸氣所占有的面積，m3/kg絕干氣(5)塔高Zu0：沉降速度m/s；uu0：沉降速度m/s；ug：空氣流速，應為平均溫度下的速度；τ：停留時間，材料在此時間段內進行熱量傳遞。(1)：設，屬于過度流區，則：（1.5.1-4）密度：，顆粒平均直徑：。空氣的物性值，可按絕干空氣在平均溫度下所查，得：校核:可知計算正確。(2)ug：則τ:（1.5.1-5）所以1.5.2聚合釜熱量衡算該設備聚合的熱源有兩個：升溫及恒溫段。升溫過程這一階段加熱所需的總熱是在達到聚合條件之前整個釜體和材料加熱時消耗的總熱。即Q1+Q2+Q3=Q4。計算：去離子水消耗熱：單體消耗熱：釜消耗熱：蒸汽提供熱：恒溫反應階段①求總傳熱系數Ｋ的值等于總熱阻，改值與分熱阻得關系如下：[24]（1.5.2-1）該式子中：：釜內壁和釜外液膜的給熱系數值，單位：Ｗ/m2·k；：釜內導熱熱阻，：聚合釜的厚度，：導熱率。（1.5.2-2）該式中：：釜的內徑值；：攪拌葉直徑值；為粘度，：攪拌雷諾數；是物料密度值；：導熱率；c：比熱容；：重力因子值；：普蘭特準數；：近壁處粘度；水流速；常數C。本設計聚合釜：，，。＝0.6，998，，，流體冷卻時，。代入公式：（1.5.2-3）夾套內裝設為：螺旋導流板。：螺距當量直徑；：雷諾準數值；：彎曲半徑；該設計中，可取；螺距；水普蘭特數。縫隙泄露中：一般的實測值≈計算值×80%，故故由得總傳熱系數為：②總傳熱面積A：在高峰期時，，聚合反應熱，反應溫度為5℃。平均反應速率值：平均熱負荷放熱量熱負荷分布指數，：水流量故本設計中，釜夾套傳熱面積：，由該式可知，該傳熱面積在該工段中的設計符合要求。聚合釜的熱量衡算結果整理在表1.9中。表1.9計算結果反應過程Q入，kJ/釜Q出，kJ/釜升溫的階段Q1：水，明膠吸熱量Q2：單體所需熱量Q3：設備所需熱量Q4：蒸所需量恒溫反應的階段QR：放熱量Q水：冷卻水吸收熱量1.6主要設備計算及選型1.6.1聚合釜選型在使用過程中，對聚合物的要求應是嚴格的，根據聚合過程的一系列特點，必須從兩個方面加以考慮：一是設備的安全性和可靠性。在保證安全生產的基礎上，除滿足聚合物強度和剛度要求外，還應留有一定余量；第二，工藝設計的合理性，即聚合釜的設計和制造，聚合釜必須以滿足聚合法人工藝為基礎，具有高效傳熱元件。穩定的聚合工藝，合理的攪拌裝置，使樹脂質量在一定程度上得到保證，鏡面拋光，便于清洗和涂裝釜。間歇操作的設計任務相比較其他操作來說是較多的，可采用多個反應器并聯的方式。為了更簡易的操作設備，還考慮到經濟型。反應器體積一致。故在本設計采用用如圖1.3的聚合釜。該釜是國產釜，容積為48m3（型），材質為不銹鋼。確定好聚合釜的具體規格后，計算反應器的數量：圖1.345m3聚合釜結構圖本設計中每天生產產品的量：生產周期包括反應時間，輔助時間：（1.6.1-1）對于本反應：故每天生產3批裝料系數：（1.6.1-2）式中VR—反應液體體積/m3，VT—反應器實際體積/m3。此反應中，考慮到各個因素：取。反應器：所需臺數：因此可以取n=4臺。1.6.2氣流干燥塔選型由已知條件計算有關選型數據：(1)管路實際流量操作溫度下，空氣密度：，(2)管路實際分壓在通入空氣的管路進口及出口的截面處，根據公式伯努利方程進行計算：（1.6.2-1）標準狀況下風壓：根據上述計算結果，查得4-72-16型通風機比較設施改設計中的參數。主要的性能相關的參數如表1.10所示：表1.10參數表名稱型號全壓范圍mmH2O功率范圍kW離心通風機4-72-1620~3241.1~2101.7附件設計聚合釜的安全附件裝置旨在確保控制裝置或設備或裝置的安全操作，可防止在聚合釜出現異常時發生意外升級，包括安全降壓閥，一次降壓爆破片，用于監測聚合釜反壓力壓力的壓力表，用于測量反應堆內材料液面的液面計、溫度計等。還有緊急關閉或安全鎖定。在發生緊急情況時，連續或并行處理的安全裝置。[20]1.7.1聚合釜設計氯乙烯在聚合過程中釋放大量熱量。影響聚合物傳熱的因素包括：傳熱系數的傳熱面積和傳熱溫差，聚合物種類越大，傳熱效率越高。聚合物壁厚越大，聚合物耐壓性越好，因此采用45m3聚合反應器。在設計攪拌裝置時，應根據聚合物的條件進行設計。聚合物的粒徑、材料性能、聚合溫度和壓力是影響共混體系的重要因素。因此，在設計攪拌裝置時，還應設計聚合物，以確定聚合物的直徑、高度和壁厚。[21]聚合釜計算過程中相關符號：Vg:釜體公稱容積；η:裝料系數；V：釜體全容積；Di：釜體直徑；H：釜體高度；V0：封頭容積。Vg：在本設計中可取η為0.75釜體直徑：該設計中，聚合釜高徑比：，取圓整后：2800mm。筒體高度H：由于Di=2800mm，可選橢圓形封頭。查出該類型封頭的容積表可得：V0=3.1198m3。圓整：4900mm。結果核算:結果滿足條件。1.7.2攪拌裝置設計氯乙烯聚合反應單元一般為立式聚合物。攪拌器的安裝可從聚合物頂部或聚合物底部插入，底部延伸式的安裝方式相對昂貴，技術要求高，但考慮到聚合物的設計尺寸為45m3，以提高聚合物的混合性能。為了使攪拌機更加穩定，延長攪拌機的使用壽命，在聚合物設備中安裝攪拌裝置，為了節省電能。不僅要提高攪拌器的導熱性，而且要在聚合物外部表面安裝冷卻水套，以提高聚合物的冷卻能力。在設計攪拌器時，應考慮聚合釜夾套結構。聚合釜反應溫度低于300℃，設計壓力低于1.4MPa。因此，選擇U形夾套。[22]依據《機械攪拌設備》，攪拌裝置滿足下列要求：直徑比：D2/D1≤1.2（D2：夾套直徑）聚合釜的直徑為2800mm，計算得：D2≤3360mm，取夾套內徑為3200mm。壁厚與直徑比由(1)中公式計算得：D2/D1=1.14（1.7.1-1）D1=2800mm，D2/D1=1.14，1.8mm≤S1≤196mm；取S1＝100mm壁厚得：S2/S1≤1.2S2≤1.2S1；S2≤120mm：取S2=120mmS1：聚合釜筒體的實際壁厚，mm；S2：夾套筒體的實際壁厚，mm。對于結構比起封口錐封閉，封口環封閉更簡單，操作更方便。厚度要求：h0≥1.5S2，h0≥180mm，取h0＝180mm。（封口環的實際厚度，mm）1.8強度校核1.8.1釜體圓筒計算聚合釜采用0Cr18Ni9Ti與16MnR的復合鋼板進行強度校核。[23]釜體壁厚計算選取材料為16MnR及0Cr18Ni9Ti，設計壓力在該設計中為1.4MPa，釜體的直徑為1.8m，焊縫系數φ=1.0，雙焊縫對接接頭和全熔透對接接頭的100%無損檢測等同于雙焊縫對接接頭。[22]設16MnR厚度在6到16mm之間，［σ］t=170MPa，σs=345MPa；0Cr18Ni9Ti［σ］t=128MPa（1.8.1-1）C為壁厚附加量C=C1+C2=0+1=1mm圓整取δ=14mm。應力校核：滿足要求水壓試驗