阴离子聚丙烯酰胺1.docx
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阴离子聚丙烯酰胺1
精细化学工程课程设计
设计题目：
阴离子聚丙烯酰胺
设计者
方运成201141604063
韩文秀201141604068
欧阳磊201141604075
唐受源201141604080
姚舜201141604087
专业：
化学工程与工艺（精细化工）
指导教师：
孙德帅
设计日期：
2014.5.18—2014.6.18
设计任务书
1、设计题目：
阴离子聚丙烯酰胺
2、设计任务与操作条件：
1、生产能力：
1080吨／年
2、设备型式：
搅拌反应釜
3、操作条件：
4、主要原料及其规格：
丙烯酰胺（工业级）
白色晶体
含量≥95%
丙烯酸（工业级）
无色液体
含量≥98%
氢氧化钠（工业级）
白色半透明状固体
含量≥98%
乙二胺四乙酸钠（试剂级）化学纯
白色结晶粉末
含量≥99%
过硫酸铵（工业级）
白色结晶
含量≥99%
亚硫酸氢钠（试剂级）化学纯
白色结晶性粉末
含量≥99%
5、产品规格（APAM）
指标名称指标
外观无色透明液体
相对分子质量，万300~400
固含量，%5~6
游离单体，%《0.5
pH值7~8
性质
无色粘稠液体，固含量6%，pH值7~8，在水中易溶解分散，平均分子量100以上，呈阴离子型。
用途
造纸业中用作浆内添加剂，具有较好的助留助滤作用。
分子量大于350万时对长纤维纸浆的分散有特别好的效果。
此外还可用做水处理剂。
石油工业中用作油田泥浆处理器，增稠剂，助沉剂等。
煤炭工业中用作洗煤添加剂。
6、流程说明：
将20份重的丙烯酰胺投入酰胺溶解槽中，加入80份重的去离子水，搅拌溶解配成20%的丙烯酰胺水溶液。
将20份重的丙烯酸，投入丙烯酸中和釜中，加入42.5份去离子水，并通冷却水冷却，在不断通冷却水冷却并搅拌下慢慢加入30%的氢氧化钠37.5份。
注意加碱中和过程应控制反应温度在30℃以下。
中和反应结束后反应液的pH应在8~9.得到20%的丙烯酸钠水溶液。
按丙烯酰胺水溶液与丙烯酸钠水溶液重量比2:
1的比例将它们分别加入配料罐中，两百份混合液加一份1%的EDTA溶液，搅拌均匀后即为混合单体。
将混合单体两百份转入聚合釜中，并加入460份去离子水，然后搅拌，通氮气，并升温至40~50℃保温，约半小时后加入3份5%的过硫酸铵水溶液在40~50℃搅拌，连续通氮反应3~4小时，至聚合反应完成，得到无色透明粘稠溶液，出料分装即为产品。
3、设计项目：
对阴离子聚丙烯酰胺的生产工艺进行物料衡算，热量衡算及选择适宜的搅拌釜。
设计
目录
1、生产周期
2、反应方程式
3、物料衡算
4、热量衡算
1、工艺流程
由反应物经加碱中和再聚合制的。
反应流程图参见附图。
2、生产周期
以下是生产阴离子聚丙烯酰胺反应的时间安排见表1
表1生产时间安排
步骤
加料溶解
加碱中和
转移物料
混合搅拌
聚合反应
出料分装
时间
0.5h
1.0h
0.5h
0.5h
4.5h
0.5h
生产一批产品合计耗时约7.5小时
每天生产3批次产品
阴离子聚丙烯酰胺的生产能力为90吨每月
每批次生产1.0t（含杂质）
3、反应方程式
4、物料衡算
进入系统的物料量=离开系统的物料量+系统内物料累积量
生成阴离子聚丙烯酰胺（相对分子质量350万）质量为60.06Kg时：
加入20%丙烯酰胺水溶液200.20Kg
含水量160.16Kg
加入20%丙烯酸钠水溶液100.10Kg
含水量80.08Kg
反应消耗水的量为：
0.22/228*18=0.02Kg
加入5%亚硫酸氢钠的量为：
1000/666*3=4.50Kg
含水量4.50*0.95=4.28Kg
加入5%过硫酸铵的量为：
1000/666*3=4.50Kg
含水量4.50*0.95=4.28Kg
加入去离子水1000/666*460=690.70Kg
未反应的亚硫酸氢钠0.22-0.22/228*104=0.12Kg
反应生成硫酸钠0.22/228*142*0.5=0.07Kg
反应生成硫酸0.22/228*98*1.5=0.14Kg
反应生成硫酸铵0.22/228*132=0.13Kg
加碱中和反应的物料衡算表见表1
表1每批投料物料衡算表
输入
输出
名称
重量Kg
组成%
纯重Kg
名称
重量Kg
组成%
纯重Kg
丙烯酰胺水溶液
200.20
水80%
160.16
阴离子聚丙烯酰胺
60.06
100%
60.06
丙烯酰胺20%
40.04
丙烯酸钠水溶液
100.10
水80%
80.08
丙烯酸钠20%
20.02
去离子水
690.70
水100%
690.70
水
939.48
100%
939.48
过硫酸铵水溶液
4.50
过硫酸铵5%
0.22
硫酸钠
0.07
100%
0.07
水95%
4.28
硫酸
0.14
100%
0.14
亚硫酸氢钠水溶液
4.50
亚硫酸氢钠5%
0.22
硫酸铵
0.13
100%
0.13
水95%
4.28
硫酸氢钠
0.12
100%
0.12
氮气
5.00
氮气100%
5.00
氮气
5.00
100%
5.00
合计
1005
合计
1005
5、热量衡算
在设备选择中，对于没有传热要求的设备可以由物料处理量、物料的性质及工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式、台数、容积及尺寸要求；对于有传热要求的设备，则必须通过能量衡算，才能确定设备的主要工艺尺寸。
金光红C的生产中无论是进行物理过程的设备还是进行化学过程设备多数伴有能量的传递过程，所以必须进行能量衡算。
在这里主要对反应釜内的热量传递进行计算，以便为反应釜的选择提供依据。
说明：
1.下列计算数据的单位中没有特别标注的均为kj；
2.计算过程中出现的物料重量值见前述物料衡算中的有关内容，故此节只用其数值，并列于相关表格中，不再重复计算。
概述：
能量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。
根据设备热负荷的大小，所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的型式，计算传热面积，确定设备的主要工艺尺寸。
进行能量衡算是为了合理的用能。
能量衡算的主要依据是能量守恒定律。
它是以车间物料衡算的结果为基础而进行的。
此外，必须收集有关热力学数据。
热量衡算资料来源于化学反应热效应，原料、中间体和成品的热容、相变焓。
对于新设计的生产车间，热量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。
根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的型式、计算换热面积、确定设备的主要工艺尺寸。
传热所需的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。
对于车间工艺计算中的能量衡算可以简化为热量衡算。
在进行热量衡算时最好先确定计算基准，并按系统内温度变化进行分段计算。
5.1△Hp计算：
根据相关资料：
Cps的公式可得以下在25℃数据
H2Ocp=75.24J/mol·℃（NH4）2S2O8cp=164.76J/mol·℃
NaHSO3cp=101.50J/mol·℃N2cp=862J/kg·℃
CH2=CHCOONacp=125.53J/mol·℃CH2=CHCOONH2cp=155.08J/mol·℃
25℃为基准，则输入Hp1=0，反应在45℃条件下进行，初始时为常温阶段，温度从25℃升高到45℃,温差为20℃。
输出
Hp2=（939.47*75.24/18+0.22*164.76/228+0.22*101.50/104+20.02*125.53/94+40.04*155.08/85+5.00*862）*100*（45-25）=1.67*10^7
5.2化学变化引起的焓变△Hr的计算
5.2.1反应热△Hr的计算：
根据卡拉奇公式计算得：
丙烯酸钠：
燃烧热q=109.07*16+69.1*1=1814.22
丙烯酰胺：
燃烧热q=109.07*24+69.1*1=2686.78
反应热△Hr=△Hr=（1814.23+2686.78）*2.07*1000*1000=9.32*10^9
5.2.2溶解热△Hs由于浓度基本没变可视为0
得热量变化△H=△Hr+△Hp=9.32*10^9
6、反应器设
6.1反应釜釜体设计及选型
设备选型及设计通常在工艺流程设计、物料衡算及热量衡算工作完成的基础上进行。
但有时需要和物料衡算和热量衡算联合计算。
化工设备的工艺设计一般分为两类：
标准设备选型和非标准设备设计。
标准设备选型只需要设计出特征尺寸，就可以通过产品目录选择合适的设备。
非标准设备的设计，必须遵循设备设计的相关标准、规定等，通过计算来确定设备的结构及工艺尺寸。
反应釜是是化学生产中常用的典型设备，大致由釜体部分、传热、搅拌、传动及密封设备组成。
反应釜附体的主要部分是容器，其筒体基本上是圆柱形，封头常用椭圆形、锥形和平板，其中以椭圆形应用最广泛。
附体结构与传热形势有关，最常见的是夹套式壁外传热结构，也有釜体内部安装蛇管的传热结构，必要时可以同时使用。
本设计仅针对第二步加碱复分解反应阶段，即生成钠盐的过程设计反应釜。
6.1.1反应釜体积
每批进料的总体积即为反应釜的操作容积。
假设物料ρ=1064Kg/m３。
每批物料的体积Vo=m/ρ=1000/1064=0.94m３从生产工艺上了解到反应状态为液液相混合且有气体通入，液相的粘稠度较大，故装料系数η=0.40.则反应釜容积
Va=Vo/η=0.94/0.4=2.35m３
经圆整后取Va=2.4m３，故合成阶段选取容积为Va=2.4m３的反应釜。
6.2.2管体和封头直径
管体的基本尺寸首先决定与于艺要求。
对于带搅拌器的反应釜来说，设备容积为主要操作参数。
由于搅拌功率与搅拌器的直径的五次方成正比，而搅拌器的直径往往随容器的直径的增大而增大，因此在相同容积下，反应釜的直径过大是不适宜的。
根据工艺条件，反应物料为液液相型，查文献得反应釜的H/Di=1~1.。
3.考虑到容器体积不大，初步取H/Di=1.1.
由公式Va=π×H×Di×Di/4，初步估算筒体直径：
Di=1.406m
圆整至公称直径标准系列，取Di=1500mm，封头取于筒体相同内经Dg=1500mm，其内曲面高度查文献得h1=Dg/4=375mm，直边高度初步取h2=25mm。
6.1.3筒体高度
当Dg=1500mm，h2=25mm时，查文献得椭圆形封头的容积Vh=0.4416m３，筒体每米高的容积V1=1.766m３，则筒体的高估算为H=（Va-Vh）/V1=（2.4-0.4416）/1.766=1.109。
取H=1.65m，则H/Di=1.1符合要求。
6.1.4夹套直径
由文献知，当Di为700~1800mm时，夹套内经Dj=Di+100=1500+100=1600mm。
夹套封头也采用椭圆形封头，并与夹套筒体采用相同直径，其h1=Dj/4=400mm，直边高度初步取h2=25mm。
6.1.5夹套高度
夹套筒体的高度Hj主要取决于传热面积的要求，夹套的高度一般应不低于料液的高度，以保证充分传热。
根据装料系数η、操作体积Vo，夹套筒体高度Hj可由下式估算
Hj=H-Vh/V1=1.6-0.4416/1.766=1.35m
当反应釜筒体与上封头用设备法兰连接时，夹套顶边至少应在法兰下方150~200mm处。
综合以上考虑，最终选定夹套高度Hj=1.5m。
6.1.6夹套筒体封头厚度
夹套筒体与内筒的环焊缝，取焊缝系数为0.85，封头采用由钢板拼制的标准椭圆形封头，材料为Q235-B钢。
钢的许用应力为113。
夹套厚度计算如下：
δ=PD/（2σΦ-p）+C2=（1.1*0.6*1600）/（2*113*0.85-1.1*0.6）+2=6.95mm
夹套封头厚度计算如下：
δ=PD/（2σΦ-0.5p）+C2=1.1*0.6*1600/（2*113*0.85-0.5*1.1*0.6）=6.90mm
圆整至刚板规格厚度并查阅封头标准，夹套筒体与封头厚度均取8mm。
6.2搅拌器设计
6.2.1搅拌器
在反应釜中，为增加反应速度、强化传质或传热效果以及加强混合等作用，常装设搅拌装置（搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成）。
搅拌装置形式多样，由于液体粘度对搅拌状态有很大影响，所以根据搅拌介质粘度大小来选型是一种基本的方法。
6.2.2搅拌器选型
该设计是聚合反应，反应物料粘度适中，且为均相反应，故选用桨式搅拌器。
查文献得，搅拌器直径d约取反应釜内径Di的1/3~2/3，不宜过大。
取d/Di=0.5，则d=0.5Di=0.5*1500=750mm
为了将物料均匀搅拌，常装两片桨叶，两桨成180°安装。
桨式搅拌器转速较慢，转速n=60~120r/min，v≤3m/s。
搅拌器选型的规格如下表
表2搅拌器规格
类型
直径d（mm）
转速n（r/min）
叶片数
桨式
750
100
2
6.2.3搅拌器轴功率的计算
搅拌器的功率可按下式计算
符号
意义
数值
反应釜容积
2.4m³
筒体直径
1406mm
装料系数
H
筒体高度
1650mm
Dj
夹套直径
1600mm
Hj
夹套高度
1500mm
Dg
封头内径
封头直边高度
封头曲边高度
d
搅拌器直径
ρ
平均密度
平均粘度
n
转速
Ps
搅拌功率
P
电动机功率
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