设计热引发苯乙烯单体聚合用的搅拌反应釜6000

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1、精细化工工程课程设计任务书班级：化学工程与工艺专业设计题目：热引发的苯乙烯单体聚合用反应釜的设计一设计条件1、生产能力：6000吨聚苯乙烯／年。2、以甲苯为稀释剂，在反应液中质量分数为12%。3、考虑到物料黏度和传热的需要，苯乙烯单体聚合一般采用4到5级反应釜进行反应，反应最终聚合转化率为0.795，反应液中最终含聚合物的质量分数为70%。本设计任务主要是对第一个反应釜进行设计，第一个反应釜中聚合转化率为0.45。目录1.设计方案简介11.1聚苯乙烯的生产方法12.基本设计条件的选定22.1反应温度的确定22.2反应器的选择22.3搅拌装置的选择3

2、2.4换热装置的选择33.反应釜体的设计33.1工艺条件的确定33.2反应釜体积的计算34.搅拌装置的设计54.1搅拌器的尺寸计算54.2搅拌器的转速和功率计算64.3电机的功率和减速机的选择75.夹套的设计85.1热量衡算85.2总传热系数K的确定85.3传热面积的计算105.4夹套几何尺寸的计算116.结论117.附表128.参考文献149.附图15热引发的苯乙烯单体聚合用反应釜的设计1.设计方案简介1.1聚苯乙烯的生产方法苯乙烯极易在热作用下形成自由基，进行自由基聚合，或在自由基引发剂、离子型催化剂存在下聚合生成聚苯乙烯。工业上的主要生产方法

3、有本体聚合、悬浮聚合和乳液聚合。均聚物的生产主要是本体法和悬浮法,共聚物则多采用悬浮法和乳液法。本设计由于以甲苯为稀释剂，故采用的是溶液聚合。溶液聚合是将单体和引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合反应。其基本组成由分单体、引发剂、溶剂组成，聚合场所在溶液内，是均相介质。溶液聚合的优点是散热控温容易，可避免局部过热，体系粘度较低，能消除凝胶效应。其缺点是溶剂回收麻烦，设备利用率低、聚合速率慢、分子量不高。下面是陶氏化学公司溶液聚合生产聚苯乙烯流程(图b)，以乙苯作溶剂，降低反应混合物的粘度、提高传热效率。本设计主要对第一个反应釜进行设计，选用立式搅拌反应釜

4、。2.基本设计条件的选定2.1反应温度的确定目前工业上高温苯乙烯本体聚合在120—170℃上进行热聚合。本体聚合采用分段聚合，以解决本体聚合的散热问题，苯乙烯具有热引发聚合的特点，不加引发剂，在120℃14热引发的苯乙烯单体聚合用反应釜的设计以上，即有较高的聚合速率。在170℃下聚合，几乎可达到完全转化。而反应最终聚合率为0.795，以甲苯为引发剂，故选取反应温度150℃。2.2反应器的选择本反应采用搅拌釜反应器。由于此设计是苯乙烯的聚合反应，可以近似看作是液－液反应，第一个反应釜的反应粘度相对较低，反应时间相对比较长，反应需加热且对压强和温度的控

5、制要求比较高，此外产量要求不大，因而本设计选用立式搅拌反应釜。2.3搅拌装置的选择搅拌装置的主要作用是强制物料流动，强化传热与传质效果；使物料充分接触，均匀混合。因此搅拌釜反应器对各种反应体系适应性强，操作弹性大，适用温度和压力范围广，既可用于间歇操作，又可用于连续操作。苯乙烯单体聚合反应中，聚合物是熔融状态，随着聚合过程的进行粘度逐渐增大。粘度在75Pa.s以下，可用涡轮式搅拌器。当搅拌速度很高时，容易产生漩涡，大大降低了液体内部的混合效果，为了增加液体的剪切作用，加强搅拌的激烈程度，常在釜体内靠近器壁的地方装上挡板，增大被搅拌液体的湍流程度，改

6、善搅拌效果。2.4换热装置的选择搅拌反应锅大多设有传热装置，以满足加热或冷却的需要。本设计是放热反应，因此传热装置是用于冷却。传热方式、传热结构形式和传热剂的选择主要决定于所需控制的温度的高低、反应热的大小、传热速度的快慢和工艺的要求等。选用在反应釜外设置供加热用的夹套传热装置。夹套传热的优点是结构简单，耐腐蚀，适应性强。夹套高度应高于液面高度，以便于提供最大的传热面积。当传热速率要求不高和传热剂的工作压力较低时，通常使用夹套传热结构。当夹套内转热剂的压力大于0.6MPa时，夹套必须采用加强措施。当传热面积需要很大时则一般选用蛇管传热设备，设备的确

7、定需要根据计算传热的结果来确定。14热引发的苯乙烯单体聚合用反应釜的设计3.反应釜体的设计3.1工艺条件的确定由于温度、溶剂、搅拌速度、搅拌时间等影响,聚合物的聚合度不同，由150℃下，苯乙烯的聚合度大概为1200，本操作反应属于溶液聚合的一级反应。3.2反应釜体积的计算3.2.1反应周期的确定热引发的苯乙烯单体聚合的反应级数一般认为是一级或二级反应，本设计采用一级引发的机理计算。由一级反应的反应速度常数与温度的关系图查得反应温度为150℃下K=0.44，计算反应时间有：操作周期：t¢+=3h3.2.2物料衡算聚苯乙烯年生产量6000吨/年，每年工

8、作330天，苯乙烯单体聚合一般采用4到5级反应釜进行反应，反应最终聚合率为79.5%，反应液最终聚合物的质量分数为70%，