1、安徽理工大学课程设计说明书安徽理工大学课 程 设 计 说 明 书题目：年产 5 万吨腈纶聚合釜设计说明书院系 ： 材料科学与工程学院 专业班级 ： 高分子材料与工程 08 级 1 班 学号 ： 2008300046 学生姓名 ： 周玲玲 指导老师 ： 于秀华 高俊珊 滕艳华 2012 年 1 月 4 日安徽理工大学课程设计说明书安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表指导教师评语：成绩：_指导教师：_年 月 日安徽理工大学课程设计（论文）任务书安徽理工大学课程设计说明书材料科学与工程 学院 高分子材料 教研室学号 2008300046 学生姓名 周玲玲专业（班级） 高分子 08-1班设计题目 年
2、产 5 万吨腈纶聚合釜设计说明书设计技术参数 1、腈纶年产量 5 万吨；2、采用两步法制备；3、总损耗 3%；4、年工作时数 8000 小时。设计要求 1、设计说明书以 A4 纸输出，字数 600010000。2、聚合釜设计图采用 1 号图纸手工绘制，绘制规范要以国家标准为准，反应釜要经济、合理、安全。工作量 1、设计说明书一份（物料衡算为主） 。根据生产规模和年工作日及所给配方进行物料衡算，确定工艺流程，完成设备选型。2、用 1 号图纸表示出所涉及的反应釜。包括设备的主视图，俯视图。工作计划12.20 课程设计动员，指导教师下达课程设计任务书。指导教师介绍课程设计的基本思路和方法。12.21
3、 1.5 学生查阅有关资料，制定设计进度计划。设计计算、论证、绘图。编写设计说明书初稿，审核、校对、编写设计说明书。1.6 学生上交设计说明书和图纸，指导教师批阅，评定成绩，写出设计总结。参考资料1、 陈昀.聚合物合成工艺设计 M.北京：化学工业出版社.2、 张洋.高聚物合成工艺设计基础 M.北京:化学工业出版社.3、 赵德仁等.高聚物合成工艺学 M.北京:化学工业出版社.4、 谭天恩等.化工原理M.北京:化学工业出版社.5、 倪进方等.化工设计M.华东理工大学出版社.指导老师签字 教研室主任签字安徽理工大学课程设计说明书2011 年 12 月 12年产 5 万吨腈纶聚合釜设计摘要丙烯腈(AN
4、)共聚物（AN wt85）纤维即腈纶，在合成纤维中因其纺织服用性能类似羊毛，深受消费者欢迎，成为当今世界轻纺工业的重要原料。通常引入第二单体，如丙烯酸甲酯(MA)、醋酸乙烯酯(VAc)、衣康酸（IA）、丙烯酸(AA)等，以改善纤维的纺丝性能。目前国内工业化的腈纶共聚第二单体主要为丙烯酸甲酯（MA）和醋酸乙烯酯(VAc)两种。其中后者原料来源丰富，价格低，且高含量下还可提供纤维的高伸缩性，成为近年来研发的热点。丙烯腈水相沉淀聚合多以氧化还原体系作引发剂，分解活化能低，可在较低温度下引发聚合。还原剂多采用亚硫酸氢盐，其有效成分为亚硫酸氢根离子，只有在合适酸性条件下通过电离平衡，才能保证一定的还原剂
5、有效浓度。在实际生产中，该工艺采用独特的纯铝直聚合釜，利用适度酸性条件下的微量腐蚀以达到釜内材料表面的自清洁作用，从而保持壁清洁，减少粘釜，故通常控制聚合体系pH值在2.53.0为宜。但当以醋酸乙烯酯为第二单体时一般聚合体系pH值降到1.92.2之间。关键词：丙烯腈，醋酸乙烯酯，水相沉淀聚合安徽理工大学课程设计说明书目录1 引言.11.1 腈纶生产的历史 .11.2 腈纶的生产方法 .11.3 聚丙烯腈纤维的性能和应用 .21.4 腈纶生产的意义 .32 工艺流程选择 42.1 腈纶生产工艺选择 .42.2 聚丙烯腈水相沉淀聚合的原料选择 .52.2.2 引发剂体系的选择52.2.3 其他原料
6、的选择52.2.4 原料的进料处理及配比的选择72.3 聚合工艺参数的选择 .82.3.1 聚合温度82.3.2 聚合时间92.3.3 聚合转化率92.3.4 损失率的分配92.3.5 反应操作周期的分配92.3.6 工作压力的选择93 设计计算103.1 聚合釜物料衡算103.1.1 计算条件收集.103.1.2 计算物料.103.2 聚合釜设计 123.2.1 聚合釜釜体几何尺寸设计.123.2.2 聚合釜釜体选材.133.2.3 进出口管径.133.2.4 传热装置的设计.143.2.5 搅拌装置设计.153.2.6 挡板设计 16安徽理工大学课程设计说明书3.2.7 人孔及支座的设计.
7、163.2.9 设计结果汇总.17结论 .18参考文献 .19安徽理工大学课程设计说明书11 引言1.1 腈纶生产的历史聚丙烯腈(PAN)纤维是由以丙烯脯(AN)为主要链结构单元的聚合物纺制的纤维。而由 AN 含量占 3585的共聚物制成的纤维称为改性聚丙烯脂纤维。在国内聚丙烯腈纤维或改性聚丙烯腈纤维商品名为腈纶 。3早在 1894 年法国化学家牟若(Moureu) 首次提出了聚丙烯腈的合成，直到 1929 年德国的巴斯夫（BASF）公司成功地合成出聚丙烯腈，并在德国申请了专利（DRP Nr 58035l 和 654989） 。 1942 年德国的赫博特雷思（ Herbed Rein）和美国杜
8、邦（Du Pont）公司同时发明了溶解聚丙烯腈的溶剂二甲基甲酰胺（DMF） 。由于当时正处于第二次世界大战，直到 1950 年才在德国和美国实现了聚丙烯腈纤维的工业化生产，德国的商品名为贝纶（Perlon） ，美国的商品名为奥纶（ Orlon） ，它们是世界上最早实现工业化生产的聚丙烯脯腈纤维品种。聚丙烯腈纤维具有许多优良性能,如柔软性和保暖性好，有“合成羊毛” 之称；耐光性和耐辐射性优异。但其强度并不高，耐磨性和抗疲劳性也较差。随着合成纤维生产技术的不断发展，各种改性聚丙烯腈纤维相继出现，使之应用领域不断扩大。聚丙烯腈纤维自实现工业化生产以来，因其性能优良，原料充足，发展很快。20 纪 60
9、 年代由于实现了从电石乙炔路线转向石油裂解路线生产丙烯腈，并完成了多种溶剂的工艺开发以及纤维性能的改进，纤维的产量年均增长率高达 22左右。由于受原料的限制，到 1978 年世界总产量突破 200 万吨以后，其产量增加缓慢，1995 年世界总产量为二百三十多万吨。有专家预测，由于原料及加工技术的改进，聚丙烯腈纤维在未来的 10 年内将快速发展，世界总产量将突破 400 万吨。1.2 腈纶的生产方法生产聚丙烯腈常用的第二单体为甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺等，一般含量达 10%左右，可适当降低聚合物分子间的作用力，增强纤维柔软性及手感。第三单体多为甲基烯丙基磺酸钠、苯乙烯磺酸钠
10、、甲基乙烯基吡啶、衣康酸等，其用量不超过 0.5%，以引入极性基团，改善纤维染色性能。由于近年来价格竞争激烈，故以廉价的醋酸乙烯酯（VAc）作为第二单体。按照纺丝原液的制备方法，腈纶生产工艺可分为溶液均相聚合一步法和非均相聚合二步法两种 。21、均相溶液聚合 3所谓均相溶液聚合指所用溶剂既能溶解单体又可溶解聚合产物。反应结束后，聚合物溶液可直接用于纺丝，所以该法亦称一步法。如以硫氰酸钠浓水溶液、氯化锌浓安徽理工大学课程设计说明书2水溶液、硝酸、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等为溶剂的丙烯腈聚合均采用此法。以硫氰酸钠一步法均相溶液聚合为例，其原料丙烯腈、第二单体丙烯酸甲酯(MA)、异丙醇及 488硫氰
11、酸钠水溶液等分别经由计量泵计量后放人配料桶。引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）和浅色剂二氧化硫脲（TUD）经称量后，经由旋流液封加料斗加入配料桶。衣康酸（ITA ）则被调成一定浓度水溶液经计量相加入配料桶。调好后连续地以稳定的流量注入试剂混合桶，然后，与从聚合浆液中脱除的未反应单体等充分混合并调温后用计量泵连续送入聚合釜进行聚合反应。聚合反应结束后，料液进入脱单体塔，将未反应的单体分离并抽提到单体冷凝器，由反应油混合液冷凝后带回试剂混合桶。对于低转化率聚合反应，出料混合物中非反应单体约含 40%45%，中转化率反应则含 30%左右。料液中单体含量不应超过 0.3%。脱单体后聚合物溶液经脱泡、调湿、
12、过滤即可送去纺丝。2、非均相聚合 3丙烯腈的非均相聚合一般多采用以水为介质的水相沉淀聚合法。水相沉淀聚合是指以水为介质，单体在水中具有一定的溶解度，当水溶性引发剂引发聚合时，聚合产物不溶于水而不断地从水相中沉淀出来。水相沉淀聚合具有下列优点：(1)水相聚合通常采用水溶性氧化还原引发体系，引发剂分解活化能较低，聚合可在 3050甚至更低的温度下进行，所得产物色泽较白；(2)木相聚合反应的反应热容易控制，聚合产物的相对分子质量分布较窄；(3)聚合速度较快，产物粒子大小较均匀且含水率较低，聚合转化率较高，浆状物料易于处理，回收工序相应地较为简单。国外的聚丙烯脂纤维厂大多采用二步法聚合，它占聚丙烯腈纤
13、维总产量的 70以上。1.3 聚丙烯腈纤维的性能和应用1、聚丙烯腈纤维有许多优良的特性 ：4近似羊毛，蓬松、卷曲和柔软。密度比羊毛小(一般为 1.141.18g/ ，羊毛为3cm1.31.32g/ ） 。强度比羊毛 12.5 倍，保暖性也好，常用来代替羊毛。3cm利用其热弹性可制膨体纱，弹性好，保暖性也好特好，可替代羊毛绒线 。耐光、耐候性好，除含氟纤维外，是合成纤维中最好的，耐热性也较好，在熨烫高温下(150)仍能保持白度。能耐酸(如 35%盐酸、65%硫酸、45%硝酸)，耐碱性较差，不溶于一般有机溶剂，能溶于极性大的有机溶剂，如二甲基酰胺、二甲基亚砜等。均聚的聚丙烯腈染色性较差，利用共聚方
14、法引入带不同类型亲染料基团的第三单体，可改善染色性能，并扩大染料类型和品种。如采用分散染料、阳离子染料、碱性染料安徽理工大学课程设计说明书3及酸性染料等，可得到色谱齐全、色彩鲜艳、水洗和日晒牢固较好的纤维。但是聚丙烯腈纤维也有不足之处，如强度、起始弹性模量均处中等水平，其弹回性和卷曲性还不及羊毛。2、聚丙烯腈纤维的应用：由于聚丙烯腈纤维的这些特性，故可广泛地用于混纺或纯纺织物中。如可制成各种似毛的呢料、针织品及长绒织物。因为吸湿性低常与棉、毛或粘胶纤维混纺，以改进其吸湿性能。又可制成膨体纱，大量用来代替羊毛。另外在军用和工业方面也取得了应用。在室外用的织物、有帆布、炮衣、窗帘和旗帜等 。41.
15、4 腈纶生产的意义聚丙烯腈纤维大量用作“仿羊毛”纤维，替代羊毛。它的发展很快，现今已是合成纤维中的第三位，其产量仅次于涤纶与尼龙。广泛用作人造皮毛、编织物、编织用毛线、地毯用织物和室内装饰品等。聚丙烯腈纤维还可以经高温热处理成碳纤维和石墨纤维，为制造高强度高模量复合材料提供增强型纤维。但是聚丙烯腈纤维的纺丝性能不佳、生产成本较高，一直是国内腈纶生产企业的首要关注问题。纤维纺丝性能主要由纺丝工艺决定，但聚合物本身结构的影响是根本的，如聚合物分子量及其分布、共聚物组成及序列分布等。聚合物本身特性对纺丝性能的影响，进行丙烯腈纤维改性，主要有两个方面：一是对聚合物分子量进行调整二是给聚合物选择合适的共
16、聚单体及含量。而降低生产成本也有两方面问题，一是生产原料价格控制阴，另一个则是聚合工艺的优化设计 。棉花等天然纤维还满足不了全世界对纤维的要求, 进入21 世纪后, 腈纶1还能保持一定的发展, 但增加速度很慢。工艺技术和装备水平有一定的进步, 一方面可提高效率, 降低成本, 同时也为了满足环保等严格的要求, 如开发熔融纺丝技术等一些绿色生产技术。企业要成为科技进步的主体和主战场, 面对激烈竞争的腈纶工业尤为重要。要在下世纪建成若干个腈纶科研开发基地其主要任务是新产品开发, 重点应是毛型纤维。加入WTO后, 我国纤维界就真正转入了世界化纤产业之中,企业必须面对现实, 迎接挑战, 在竞争中求生存,
17、立足于优化结构, 注意品种开发, 加大技术改造步伐, 提高产品科技含量, 提高员工素质、管理水平和降低生产成本, 从而提高质量、附加值, 使之具有较强的市场开拓能力。在质量、品种、成本、效益上能和国际同行相抗衡, 同时加速企业重组、联合、兼并的进程, 走集约型、效益型的发展道路, 全面提高企业竞争力, 这是我国腈纶业的根本出路 。6安徽理工大学课程设计说明书42 工艺流程选择2.1 腈纶生产工艺选择聚丙烯腈聚合有一步法、二步法。两种不同工艺各有其不同特点，表2-1列举比较了不同特点。 表2-1 一步法和二步法工艺特点比较比较项目 一步法 二步法流程 纤维生产连续化，纺丝原液的制备流程短，溶剂回
18、收流程往往较长。纺丝原液的制备流程分二步，流程较长。对溶剂要求 溶剂参与聚合过程，要求溶剂的纯度高，杂质少，溶剂的的链转移常数低。溶剂不参与聚合过程，对聚合不产生影响，要求溶剂的纯度比一步法稍低。共聚体的选用 聚合体系粘度高，即使在连续聚合的情况下，若难有很高搅拌，就得选用恒比聚合条件，以保证聚合体系内各处都有相同的单体配比使生成聚合物分子具有相同的化学组成，故对单体的竞聚率有严格要求，第二、第三单体选用余地相对窄。聚合体系粘度低，容易达到均匀混和，聚合体系内各处都有相同的单体配比，所以对单体的竞聚率要求不高，第二、第三单体选用余地相对大。聚合过程与设备均相溶液聚合，聚合体系粘度高，散热较难；
19、体系内温度不均一，对聚合质量不利，溶剂杂质可能影响聚合质量。聚合设备长期运行基本不发生结皮，但溶剂具有腐蚀性和毒性，对设备材质和密封有一定要求。非均相聚合，以水为介质，散热容易，温度均一易控制，聚合体系粘度低，对聚合质量有利。聚合设备内发生结皮，需要定期清除。纺丝原液性能 纺丝原液均匀，少杂质，过滤性能好。但因粘度高残余单体不易完全除去，对纺丝环境有影响。聚合体快速溶解，纺丝原液均匀性不如溶液聚合。原液制备过程中易混入杂质，对过滤会产生不利。原液中无残余单体。生产控制 聚合工艺参数不易控制好；转化率对纺丝原液浓度影响大；由于聚合过程转化率与相对分子质量等不易同时控制好，不同规格的聚合液不易混批
20、与调整，较难控制好浓度与粘聚合工艺易控制，转化率对纺丝原液浓度无影响；不同规格的聚合体可在溶解前调安徽理工大学课程设计说明书5比较项目 一步法 二步法度。 整，较容易保证纺丝原液质水相沉淀聚合二步法由于其极易撤热、高转化率及生产灵活性强等优势是当前通用腈纶的首选流程，约占世界腈纶总产量的77%。本课程设计在查阅了相关文献及比较了一步法与二步法后选取了二步法水相沉淀聚合作为课程设计年产5万吨腈纶的聚合釜设计的聚合工艺方法。图2-1为聚丙烯腈的水相沉淀聚合工艺流程图图2-1聚丙烯腈的水相沉淀聚合工艺流程图1AN+VAc 计量稳压罐 ，2NaClO + CuSO 氧化剂稳压罐 ，3第三单体+NaHS
21、O + NaNO +34 33ME+水催化系统储存罐， 4计量泵 ， 5搅拌及电动机 ， 6聚合釜 ， 7终止罐 ，8输送泵 ， 9脱单体塔 ，10离心脱水机 2.2 聚丙烯腈水相沉淀聚合的原料选择2.2.1单体的选择目前国内工业化的腈纶共聚第二单体主要为丙烯酸甲酯(MA)和醋酸乙烯酯(VAc)两种。其中后者原料来源丰富，价格低，且高含量下还可提供纤维的高伸缩性，本课程设计选取醋酸乙烯酯作为第二单体。第三单体可以是甲基烯丙基磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、甲基乙烯基吡啶、衣康酸等。而国内工业生产多选用甲基丙烯磺酸钠(MAS)或苯乙烯磺酸钠(SSS) 。因为生产实习时参观过中石化安庆分公司聚丙烯腈生产，安
22、庆石5化采用甲基丙烯磺酸钠，本课程设计借鉴安庆石化的配方也选取甲基丙烯磺酸钠为第三单体。2.2.2 引发剂体系的选择水相沉淀聚合中常采用水溶性氧化-还原引发体系。如NaClO Na SO 、NaClO323NaHSO 、K S O NaHSO 等 。有时还加入少量亚铁盐，如FeSO ，俗称活332534 4安徽理工大学课程设计说明书6比剂(或促进剂) ，以提高反应速率。最常采用的是NaClO Na SO 体系，但因为借鉴323安庆石化的聚丙烯腈聚合所以选用NaClO NaHSO 氧化还原体系作为引发剂。32.2.3 其他原料的选择1、PH调节剂由于氧化还原体系(NaClO NaHSO )为弱酸
23、盐存在电离平衡，对pH 值很敏感，在酸33性条件下才能保持一定的有效浓度，有效成分为亚硫酸根，其电离平衡如表2-2所示。在pH=3.35时亚硫酸根浓度最大，pH=1时亚硫酸浓度最大。对于不同引发体系，聚合反应受pH值影响不同，但都必须在酸性条件下才能进行，通常PH值约为2.03.5之间 。1表2-2不同pH值下的H SO 、H 、 电离平衡浓度233SO体2体pH值 1 2 3 3.35 4 5 6(mol%)3SO2体0.0000074 0.00031 0.0047 0.172 0.047 0.333 0.833H (mol%) 0.15 0.63 0.94 0.968 0.95 0.66
24、0.167H SO (mol%)230.85 0.37 0.055 0.018 0.005 0.001 0资料来源：秦一秀.丙烯腈和醋酸乙烯酯水相沉淀连续共聚合研究.硕士学位论文. 杭州：浙江大学，2011 。在实际生产中pH值应控制在1.92.2之间，通常用硝酸来控制聚合反应体系的pH，由于盐酸对设备腐蚀严重，硫酸影响聚合物的白度，磷酸可以促使聚合浆液粘度增大，所以生产小多采用60的pH硝酸作为调节剂。 “A.C.C”聚合反应体系是采用NaOH与 HNO 反应生成NaNO 控制pH值。据文献报导，当采用带有磺酸基团的第三单33体时，控制一定的pH值所得聚合体颗粒均匀。而NaClO NaHSO
25、 引发体系是AN、第33二单体共聚，由于H 为染位提供剂，进入共聚体后使颗粒带负电，与带磺酸基第三3SO体单体作用一致，根据同性电荷相斥原理，阻碍了颗粒间的凝聚，从而使颗粒细匀。同时由于粒径均一，故粒子间对单体的吸附能力相差较小，使分子量分散性变小。当整个反应体系内pH值较小时，氢离子浓度高、颗粒间相斥能力就较小，致使颗粒间聚集较多。反之，当pH值大时，淤浆中颗粒间相斥能力也相应增大，则颗粒分布偏于较小部分，所以增大pH值有利于颗粒趋于细匀 。由于以上原因，本课程设计选择 NaOH7与HNO 反应生成NaNO 来控制聚合体系pH值。本课程设计选取pH的为2.0。332、添加剂在丙烯腈水相沉淀聚
26、合体系中，加入少量Fe 、Cu 可提高聚合速率并缩短诱导2体2体期，而加入NaCl、NaS0 等中性盐，则会降低聚合速率 。Cu 的影响与Fe 相似，4 1体 2体在NaClO NaHSO 引发体条聚合反应中，Cu 可起到促进别的作用，反应原理是 Cu33 2体反应，由此可见，体系中加入CuSO 会促进活性剂中心生成，聚合反应速率加快。2体 4应当指出，在硫氰酸钠浓水溶液中，以偶氮二异丁腈作引发剂的丙烯腈聚合中，铁、安徽理工大学课程设计说明书7铜等离于的存在都对反应有阻聚作用。而在NaClO Na SO 、 NaClO NaHSO3233作引发体系的丙烯腈水相沉淀聚合中，铁、铜等离子均起加速聚
27、合反应作用。33、相对分子量调节剂分子量调节剂也是一种链转移剂，在聚合过程中能使增长的大分子链上的自由基发生转移，生成稳定大分子，同时产生新的自由基，产生的新自由基由于活性较低而不能引发单体，因此加入分子量调节剂会影响大分子的聚合度，但是由于分子量调节剂的链转移常数大，则说明链转移反应快，会相应减慢链生长反应速率。以此来控制聚丙烯睛的分子量，从而掌握纺丝原液粘度。相对分子量调节剂种类较多，水相聚合反应体系采用 巯基乙醇( ME)作为分子量调节剂。由于 ME的链转移常数大，而且与单体加入成一定的比值，当大分子自由基与 ME能按加入单体与 ME比值换算后的比值关系相互碰撞而失掉活性，就可以制成符合
28、分子量要求的聚丙烯腈，大分子自由基与 ME反应试验表明，聚合浆液的落球粘度和增比粘度均随 ME用量增加而减小。而对转化率和反应速率影响不够明显，所以水相聚合反应中选取 ME作为控制聚丙烯腈平均分子量的调节剂 。72.2.4 原料的进料处理及配比的选择1、进料处理聚合釜前有三股物料系统(又称为三条管线系统)，即第一、二单体的原料系统，NaClO 和CuSO 的氧化剂系统，第三单体、NaHSO 、NaNO 、 ME催化剂系统，34 33原料丙烯腈、第二单体醋酸乙烯酯、第三单体甲基丙烯磺酸钠的回收单体分别贮存，各自通过泵输送进行过滤，计量后送入单体混和称量罐及混和单体贮罐，混合后的单体用泵送入换热器
29、后进入聚合釜中反应 。7第一、二单体进料处理第一单体丙烯腈用泵从贮罐抽出，通过过滤器送入单体混合称重罐内，同时由泵将醋酸乙烯酯从贮槽中抽出，通过过滤器进入VAc 计量罐，用计算机控制其流量也送入单体混合称重罐内。另外回收单体通过泵将回收单体从贮罐中抽出经过滤器，进入回收单体计量罐，经电子计算机计量进入单体混合称重罐中，在此罐内新鲜AN、回收AN和VAc按一定比例充分混合，经取样化验，符合要求后，用泵将混合单体打入混合单体贮罐 。 7NaClO 与CuSO 配制34NaClO 是强氧化剂，在贮存运输时要非常小心，应避免与有机物磷、硫和硫化物、金属粉末及铵盐等类物质接触，否则极易放热，发生燃烧与爆
30、炸。NaClO 溶解为吸热3过程，因此溶剂WDE“A ”用加热器将水预热到35后加到NaClO 溶解罐中。把经过称量的固体倒入溶解罐中溶解，待固体完全溶解以后，用离心泵经过过滤器送入氧化剂制备罐中，同时加入新鲜八级脱盐水，当NaClO 浓度达到2时加入经过称量的3安徽理工大学课程设计说明书8CuSO 待达到规定含量，用泵将其打入氧化剂稳压罐中。4NaNO 的制备3NaNO 是由NaOH 与HNO 反应制成的，42的NaOH 输送至稀释罐，用A级脱盐水将3其稀释至20，20的NaOH经过过滤器过滤后与用泵将57的浓HNO 同时加入至制备3罐中制备，由此罐得到的NaNO 浓度为27.4。将27.4
31、的NaNO 溶液打入NaNO 稀3 3释罐中，在稀释罐中加入A级脱盐水，稀释NaNO 的浓度至9.8,最后用泵打入第三单3体、NaNO 等的催化系统储存罐 。3 72、原料的配比用量(1) 混合单体比课程设计采用的是丙烯腈、醋酸乙烯酯、甲基丙烯磺酸钠的三元共聚制备聚丙烯腈，在查阅部分文献后选择将三组的质量比AN:VAc:MAS90：9：1。(2)氧化剂还原剂配比氧化剂NaClO 的加入量 一般为总单体量的0.2%-0.8%，因此将氧化剂的加入量33定为总单体质量的0.5%。而还原剂NaHSO 的用量与氧化剂的用量有一定的比例的，3一般比例在1：31：20间，因此选择1：4为氧化剂还原剂比例，所
32、以还原剂的加入量占总单体量的2.0%。(3) CuSO 的用量：促进剂 5H O的用量 选择为总单体量的0.001%4 4CuS27(4)硝酸钠的用量：NaNO 的用量选择为总单体量的 0.9%3(5)链转移剂（相对分子质量调节剂） ME的用量选择为总单体量的0.43%(6)单体浓度：单体的浓度常控制在28%30% 范围内，本课程设计选取单体浓度为30%进行设计。图2-2 是单体浓度与聚合物增比粘度及单体转化率的关系 。3单体浓度%图 2-2 水相沉淀聚合时丙烯腈进料浓度与聚丙烯腈增比粘度和反应转化率的关系安徽理工大学课程设计说明书92.3 聚合工艺参数的选择2.3.1 聚合温度水相沉淀聚合反
33、应温度一般控制在3555 。反应温度除影响转化率、聚合度及4其分布外，对聚合产物的粒度、聚合物淤浆的分离性能等也有影响。本课程设计采取55作为聚合温度(工作温度)。而设计温度根据参考文献 选为120。72.3.2 聚合时间水相沉淀聚合的聚合时间一般在 12h ，由于聚合釜体积恒定，降低停留时间4可以提高产量，而延长停留时间，则可以提高单体转化率，由于停留时间的延长，引发剂可以充分分解，产生的自由基越多，所以单体转化率增加，但平均分子量会明显下降，影响聚合物的强度。本课程设计选取 1h 作为聚合时间。2.3.3 聚合转化率查阅文献 知，在上述聚合温度、聚合时间内的聚合转化率可以达到 80%85%
34、4之间，由于本课程设计选取的聚合时间较短，所以选取 81%作为丙烯腈三元共聚的聚合转化率。2.3.4 损失率的分配给出的总损失率是 3%，本课程设计将总损失率分配到如下几个方面：聚合损失、终止损失、脱单体损失、水洗损失、过滤损失以及机械损失等方面。假设聚合损失 0.2%，终止损失 0.1%，脱单体损失 1%，水洗损失 1%，过滤损失 0.5%，机械损失 0.2%。2.3.5 反应操作周期的分配本课程设计给出的总反应操作时间是 2 小时，整个操作时间分聚合反应时间，进料、出料、物料升温、设备升温或降温等辅助操作时间。聚合反应时间为 1h，进料时间选为 20min，出料时间选为 30min，其他时
35、间选为 10min。2.3.6 工作压力的选择丙烯腈聚合釜的工作压力不大，一般为 34 个大气压，据参考文献 工作压力为120.35MPa，本课程设计也选用此工作压力。而设计压力一般为工作压力的 1.051.10 倍，本课程设计选取 1.10 倍，即设计压力为 0.39MPa。安徽理工大学课程设计说明书103 设计计算本课程设计的任务是年产 5 万吨腈纶聚合釜设计，采用二步法间歇水相沉淀聚合，以丙烯腈、醋酸乙烯酯、甲基丙烯磺酸钠为单体进行共聚。课程设计的主要内容是聚合釜的设计，所以在下面的物料衡算中主要计算与聚合釜有关的物料，其他的不作说明。根据上文中原料的选择与配比可以有如下条件：(1)聚合
36、温度 45，聚合时间1h，反应操作周期 2h，单釜聚合转化率 81%，总转化率为 97%，聚合 pH 值为t2.00.2。(2)聚合反应配方三种单体的进料比 AN:VAc:MAS = 90:9:1 ,总单体浓度为 33%，表 3-1 列出了其他原料与总单体的进料比值。表 3-1 其他原料加入量原料名称 NaClO 35H O4CuS2NaHSO 3NaNO 3ME用量(相对总单体量) 0.5% 0.001% 2.0% 0.9% 0.43%3.1 聚合釜物料衡算3.1.1 计算条件收集因为是间歇操作过程，所以基准为“批” ，计算基准为 kgB 。本课程设计的聚1合釜的年产量是 5 万吨，年工作时
37、数为 8000 小时，而丙烯腈三元共聚的反应操作周期=2h，t这样一年就要生产 4000 批。丙烯腈聚合过程以及后处理中损失的丙烯腈为 3%，而丙烯腈单釜的转化率只有 81%(未聚合的单体经过脱单体塔后经过在处理又循环使用，回到聚合釜中)。3.1.2 计算物料丙烯腈聚合过程以及后处理中损失量为 3%，而聚合釜单釜的转化率只有 81%由此可以算出每批投入的总单体量(三种单体)。每批投入的总单体量 15909.38 kgBm体总 单 501.97841图 3-1 为丙烯腈聚合釜进出物料示意图，但此图只是简化图，表示聚合釜加入了哪些物料而不能表示各个物料的加入方式。并且为了方便计算水的用量，假设安徽
38、理工大学课程设计说明书114、5、6、8 均不含水，将 4、5、6、8 中的水计算入 7 中。图 3-1 聚合釜进出物料示意图 1AN ， 2 VAc，3MAS，4NaClO 、NaHSO ， 5 5H O ， 6 ME， 7334CuS2水，8NaNO ，9聚合物混合物，10聚合损失3第二单体醋酸乙烯酯 VAc、第三单体甲基丙烯磺酸钠 MAS 的投料量可以根据其与丙腈的进料比确定，AN:VAc:MAS90:9:1。每批 VAc 投料量 9% 1431.84kgBVAcm体总 单 1每批 MAS 投料量 1% 159.09 kgBMS总 单每批投入总单体量 90%14318.44 kgBN体总
39、 单 1其他原料的投料量可以根据 NaClO 、NaHSO 、 5H O、NaNO 、 ME334CuS23与总单体的比值确定。每批 NaClO 投料量 0.5%79.55kgB33NaClO体总 单 1每批 NaHSO 投料量 2.0%318.18 kgBHSm总 单每批 5H O 投料量 0.001%0.159kgB4CuS242u5Om体总 单 1每批 NaNO 投料量 0.9%143.18 kgB33Na体总 单 1每批 ME 投料量 0.43%68.41 kgBME体总 单聚合釜12345689104 7安徽理工大学课程设计说明书12每批水投入量 32300.86 kgBm体体总 单
40、 1031各个原料的投料量均计算出，通过各个物料的加和就可以得到聚合釜总加料量 ，其dw计算公式为： dw体总 单 体3NaClO3NaHSOm42CuS5HO3NamME15909.3832300.8679.55318.180.159143.1868.4148819.7 kgB 13.2 聚合釜设计3.2.1 聚合釜釜体几何尺寸设计1、聚合釜实际体积计算聚合釜中反应混合液的密度 选择：聚合釜中主要组份水的密度为 1000 kg 、m 3m丙烯腈的密度为 810 kg 、醋酸乙烯酯密度为 930 kg 、亚硫酸氢钠的相对密度为3 3m1480 kg 、硝酸钠的密度为 2257 kg ，由于水和
41、丙烯腈占绝大部分所以取反应混3m3合液密度 950 kg 。3反应混合液体积 51.40RVdmw4819.7503聚合釜的装料系数 一般在 0.60.85 之间 ，本课程设计选取 0.8 作装料系数，8则聚合釜实际体积 可根据 计算 。TTR9聚合釜实际体积 64.30 。V51.40832、聚合釜的尺寸以及上下封头尺寸设计对直立反应釜来说，釜体容积通常是指圆柱形筒体及上下封头所包含的容积之和，根据釜体容积 和物料性质选定釜体的长径比 HD 值(其比值一般在 11.5 之间 )，T 9估计釜体总高度 H、内径 D。课程设计任务要求使用标准椭圆封头，标准椭圆封头的体积为 0.131 ，封头高3
42、D度 D4 。h体令：h 为釜体直边高度、H 为聚合釜釜体总高度，则：Hh2 h D2体若取 HD1.5，则有：H1.5DhD2 ,则有 hD 。 h0.262 0.262 1.047TV42D34333安徽理工大学课程设计说明书13D 3.945 m3TV1.04736.虽然聚合釜属于非标准设备，但用于制造聚合釜的上下封头仍应选用标准封头，此处按公称尺寸选定釜体内径 ，D 应选定为 4.00m。9釜体直边高度为：h 3.785mT2-V0.785体3264.30.14.785体釜体实际高度为：Hh2 3.78524.04 5.785mh体聚合釜的实际容积为： h0.262 0.785 3.7
43、850.262T42D324.064.313.03m聚合釜实际长径比：HD5.78541.446。上下封头均为标准椭圆封头，其直径 4.00m 。根据标准封头的设计参数 封体 9头的高度(封头曲面高度) D41.00m1000mm，封头直边高度 为 50mm。封h体 h体头的壁厚在 2036mm。釜体圆形直筒部分高度：3.78520.053.685m。3.2.2 聚合釜釜体选材在水相聚合反应过程中聚合釜内结疤是生产过程中比较突出的一个问题，由于结疤造成传热效果变差，聚合釜内物料温度波动，从而影响产品质量，如疤层脱落后，将会堵塞管道。因此，如不采取适当的抗疤措施，则无法长期运转。日前，国内腈纶两
44、步法生产中聚合釜采用了铝质材，认为抗疤效果是比较好的。铝材质产生抗疤作用的原因是在铝釜中产生微电池。聚合釜所选用的铝材含铝量为 99，因铝中含有铁等杂质，这样在酸性介质中(pH1.9)，由于杂质与铝的电极电位不同，便形成了原电池。铝失去电子变成离子溶入介质中，使铝釜本身带负电荷，同时由于聚丙烯腈颗粒表面上出带有负电，因此聚台物颗粒不易粘附在聚合釜壁面上。另外，在聚合釜内对称地安装着四块材质是合金铝的挡板，合金铝与釜壁的纯铝电位不同，使釜壁带有负电，更加强了排斥聚合物颗粘附到釜壁的作用，从而起到电抗疤的作用。采用电极抗疤措施，虽然对釜壁有一定的腐蚀作用但产品中含铝量并不高，能满足产品质量要求。3
45、.2.3 进出口管径1、进料口管径本课程设计进料口开在上封头上，聚合釜中的反应混合液体积 51.40 ，进料RV3m时间 为 20min，则每秒进料流率1安徽理工大学课程设计说明书14 0.04283 s。进料流速为 1ms，则进料管直径为：进 R1V5.40263m2 2 0.2336m1d1.48进料口管径取 DN250，进料口管内径 0.25m。1d2、出料口管径出料口开在聚合釜的最低位置上。由于丙烯腈和聚丙烯腈的密度相差不多，所以令聚合完成后混合液的体积仍为 51.40 ，出料时间 30min，则每秒出料流率：3m2 0.02856 s体R2V51.4036。出料流速也为 1ms，则出
46、料口管径为：2 2 0.191md0.85314出料口管径取 DN200，出料口管内径 0.2m，但考虑到物料出口时粘度有所增加，为减小阻力并为安装调节阀，出料口管管径取 DN250，即出料口管径 为 0.25m。2d3.2.4 传热装置的设计1、传热装置的形式由于丙烯腈聚合釜的直径比较大，反应混合液有一定黏度，聚合温度不算高，用夹套式传热装置就可满足需求了，并采用 U 形夹套。2、夹套直边高度计算丙烯腈聚合反应为放热反应，其反应热约为 19.5kcalgmol。聚合釜并不是筒体整个都需夹套加热，只是部分筒体需要加热。夹套内径 一般按公称尺寸系列选择，以利于按标准选择夹套封头，查文献 取jD
47、8得夹套直径为 4.2m,夹套与筒体间隙为 0.2m。夹套直边高度 主要由传热面积确定，一般应不低于料液高度，以保证充分传热。jH根据装料系数 、操作容积 ，夹套直边高度 可由下式 估算：TVjH8 3.110mjT2jD4体 324.0.8631体0并且夹套顶边满足聚合釜筒体与上封头法兰下方 150mm200mm 处。3、传热面积计算聚合釜内的传热面积一般由筒体面积和下封头面积两部分构成， 。聚合釜是传热面安徽理工大学课程设计说明书15积一般是由圆形筒体和下封头两部分构成，即 。S传 体S体下封头面积 可由标准封头设计参数表中计算公式计算得到，其式为： S体1.083 1.083 17.32
48、8体2D24.02m筒体加热部分面积 计算式为：体 3.144.03.11039.061体jH2 17.32839.06156.389S传 体S体4、夹套工作温度夹套内的工作温度、设计温度应与聚合度的工作温度、设计温度想匹配，所以夹套内的工作温度、设计温度选为 55、120。5、冷却剂由于聚合反应为放热反应，为了控制聚合反应在最佳温度条件下进行，可通过夹套的内却介质将多余热量传递出去。该工艺采取的是-9冷盐水作为冷却剂。3.2.5 搅拌装置设计1、搅拌器形式的选用搅拌器的选型既要考虑搅拌效果、物料黏度和釜体的容积大小，也应考虑动力消耗、操作费用等因素。目前国内现有同类聚合釜均采用折叶平桨式搅拌器，每组四片叶片，安装三组搅拌桨，搅拌级别为 9 级。2、搅拌器数量及
