聚合釜的设计说明书文档格式.docx
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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
6269.52
250.78
2659.80
106.39
8904
106.85
2.68
AS树脂
——
8572
损失AS树脂
171.4
合计
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%。
8572×
1%=86Kg
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）
8401
8315
洗涤水
4000
湿物料含水
2079
10825
86
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：
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）
8229
433
离心脱水
1646
10394
11干燥部分
物料经干燥后含水量为0.5%。
8572×
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）
8143
物料含水
41
干燥水量
392
8662
12包装部分
损失AS树脂量为：
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）
8057
40.57
损失水
0.43
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
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
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
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×
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×
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
复合钢板
7873
夹套
2600
4750
12
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。
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÷
5=571466KJ/h
冷却水带走的热量：
Q7＝Q6＝2857333KJ
冷却水的传热速率：
q3=q2=571466KJ/h
6冷却阶段的热量衡算
80——50℃降温，降温时间为30分钟。
聚合釜放出的热量：
Q1’=C1m1Δt=0.502×
（80-50）=118567KJ
夹套放出的热量：
Q2’=C2m2Δt=0.46×
（80-50）=61838KJ
水放出的热量：
Q3’=C3m3Δt=4.18×
（80-50）=1121904KJ
AS树脂放出的热量：
Q4’=C4m4Δt=1.36×
（80-50）=347938KJ
则冷却水带走的热量：
Q8=Q1’+Q2’+Q3’+Q4’=118567+61838+1121904+347938=1650247KJ
q8’=Q/t=1650247÷
0.5=3300494KJ/h
7蒸汽和冷却水用量的计算
用0.6MPa的蒸汽加热，蒸汽的汽化潜热为2087kJ/kg，每釜需蒸汽供给热量为676117kJ，则每釜蒸汽用量为3497274÷
2087=1676Kg
每釜生产AS树脂8097.57kg，则每吨产品蒸汽用量为
1676/8097.57×
1000=206.98kg
用冷却水冷却，取冷却水温度20——35℃，每釜需冷却水带走的热量为
Q9=Q7+Q8=2857333+1650247=4507580kJ
每釜需冷却水用量为
Q9/（cΔt）=4507580/[4.18×
（35-20）]=71549kg=71.5吨
每吨产品需冷却水用量为
171549/8097.57×
1000=8835.9kg=9吨
8传热面积校核
对于聚合反应，最重要的是控制聚合温度。
所以聚合釜传热要求能及时移
去聚合热。
聚合过程中最大的放热速率大约为平均放热速率的3倍。
Q最大=3q平均=3q2=3×
571466=1714398KJ/h
传热面积的校核以聚合阶段的最大放热速率为依据进行。
8.1求80℃时，浆料的导热系数λs.
λs=λl×
[2λl+λp-2φs（λl-λp）]÷
[2λl+λp+φs（λl-λp）]
上式中：
λl—水的导热系数80℃时，λl=2.45KJ/（mh℃）
λp—颗粒导热系数80℃时，AS树脂颗粒λp=0.75KJ/（mh℃）
φs—颗粒在悬浮体系中占有的体积分数
80℃时,ρAS=1180kg/m3ρ水=971.81kg/m3
AS树脂体积V1=2217÷
1180=1.88m3
软水体积V2=8904÷
971.6=9.16m3
φs=8.09÷
（8.09+9.16）=0.47
则λs=2.45×
[2×
2.45+0.75-2×
0.47×
（2.45-0.75）]
÷
2.45+0.75+0.47×
（2.45-0.75）]=2.75KJ/（mh℃）
8.2计算物料粘度µ
s
因为体系为水油混合乳状液，选用油水乳状液粘度计算公式：
μ=μ0ek（1-ψ）
μ乳状液粘度
μ0水的粘度，80℃，3.54×
10-4PaS
K与体系组成和温度有关的系数（约为7.0）
Ψ体系含水率，51%
μ=3.54×
10-4×
e7.0×
49%
=1.09×
10-2PaS=39Kg/（mh）
8.3计算内壁薄膜给热系数αj
αjT/λ=0.36（λ/D）（Re）（2/3）（Pr）（1/3）（μ1/μp）0.14
D—搅拌器直径；
N—搅拌器转速；
Cp—浆料比热（80℃）；
Cp=4.18×
51%+1.36×
49%=2.81KJ/（kg℃）
λ—浆料导热系数；
λ=2.75KJ/（mh℃）
T—釜内径；
T=2400mmHj—夹套高度；
搅拌雷诺数Re=D2Nρ/μ=1.22×
1.08×
972÷
（1.09×
10-2）=1.39×
105
Re（2/3）=（1.39×
105）（2/3）=2.68×
103
普兰特数为NprPr（1/3）=（Cpμ/λ）（1/3）=（2.81×
39÷
2.75）（1/3）
=3.41
μ1/μp壁温下浆料粘度与总体温度下浆料粘度的比值，其值等于这两个温度的粘度的比值。
则（μ1/μp0.14=（0.350/0.354）0.14=0.998
因此αj=0.36×
（2.75/1.44）×
2.68×
103×
3.41×
0.998
=6270.3KJ/（m2h℃）
8.4总传热系数
1/K=1/α1+1/α2+Δr/λs+fc
α2—壁外侧给热系数；
取α2=8000KJ/（m2h℃）
Δr—釜壁厚度20mm;
fc—釜壁两侧污垢系数；
取fc=0.0002（m2h℃/KJ）
λs—釜壁导热系数；
λs=58KJ/（mh℃）
则1/K=1/6270.3+1/8000+0.020/58+0.0002
=0.000824（m2h℃/KJ）
那么K=1205.8KJ/（m2h℃）
8.5传热面积的校核
Q=KAΔt
冷却水温度按20℃升到35℃选取。
则Δt=80-（20+35）/2=52.5℃
Q=qmax=3q2=3×
571466=1714398KJ/h
因此A=Q/（KΔt）=1714398÷
（1205.8×
52.5）
=27.1m2
而聚合釜实际传热面积为42.0m2，需要的传热面积小于实际传热面积，
所以聚合釜传热面积可以满足传热
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