高分子工程设计--设备工艺计算课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,5.1,设备选型及设计的原则,合理性。设备在满足工艺设计一般要求的基础上要与工艺流程、生产规模、操作条件、控制水平等相适应，能充分发挥每台设备的生产能力。,先进性。设备运转可靠性、自控水平、生产能力、生产效率等要尽可能达到先进水平。,安全性。生产过程稳定、操作安全,有一定的弹性。,经济性。设备投资费用和操作费用要低。,此外,设备选型及,设计具体还要考虑技,术经济指标,(,如生产能,力、消耗系数、设备,价格、设备与管理费,用和产品总成本等,),与,设备结构,(,如强度、刚,性、耐久性、密封性,和材质等,),上的要求。,高分子工程设计5.1 设备选型及设计的原则 合理性。设,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,5.2,聚合反应器的工艺设计,常见的聚合反应器有搅拌釜反应器、管式反应器和塔式反应器。通常,这些聚合反应器为非定型设备，是要针对具体生产过程进行工艺设计的。又因聚合反应器是实现聚合反应过程的核心设备，它的设计水平会直接影响聚合物产品质量和产量、生产效益和水平。因此,如何选择聚合反应器的类型及结构并对其进行合理可靠的工艺设计是整个生产装置设计的关键。,高分子工程设计5.2 聚合反应器的工艺设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,5.2.1,聚合反应器工艺设计的基本要求,产品的质量与产量要求,首先,根据不同反应特点,以,及对产品质量和产量要求选择反应器类型，然,后,根据反应时间或停留时间及每批反应数量或流量确定反应器体积、台数、串并联方式、几何尺寸等。,物料流动要求,通常物料要处于一定的流动状态。釜式反应器多设搅拌装置用于强制物料流,动,;,管式反应器,多,采用外加泵调节物料的流量及流速。,高分子工程设计5.2.1 聚合反应器工艺设计的基本要求 产,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,热量传递要求,聚合反应过程常伴随有热传递现象。,连,锁,聚,合,通常是放热反应且放热集中,需及时撤热,;,缩聚反应,通常为吸热反应且温度较高,需,供热且,传热速率比较平缓。,过程操作与控制要求,聚合反应过程中工艺物料的进出、传热介质的进,出,、反应过程的观测与控制（视镜、测控口）、设备的安装与,维修,（,人,孔、手孔）、操作过程的安全装置（安全阀、放,空,口）等，都需要在反应器的不同位置设置不同尺寸的,工艺管口,。,高分子工程设计 热量传递要求 聚合反应过程常伴,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,5. 2.2,聚合反应器的类型及特点,釜式反应器,釜式反应器的基本结构如图,5-1,所示。这类反应器通,常带有,搅拌装置，,亦,称搅拌釜反应器。,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,(,生产灵活性大,、,更换品种方便,、,适应市场需求能力强,),，又可用于连续操作,(,反应器操作过程稳定,、,产品质量均一,、,多釜串联连操作产量大,),。据统计搅拌釜反应器在聚合反应器中80-90%。,图,5-1,釜式反应器的,基本结构,高分子工程设计5. 2.2 聚合反应器的类型及特点 釜式反,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,管式,、,塔式反应器,一般用于处理,粘度,较低的均相反应物料,属于连续操作反应器。在反应器内，物料的流动接近于平推流，,返混,程度不大，物料的浓度与温度沿反应器轴,向,分布,可根据加料速度来控制物料在反应器中的,停留,时间，也可按工艺要求分段控制反应温度。当反应器长径比较小时，在反应器内可设置多层隔板,防止物料形成沟流 。管式、塔式反应器约占聚合反,应,器的10-20%,如乙烯高压聚合、苯乙烯本体,聚合,、己内,酰,胺开环聚合、尼龙,66,的预缩聚等的反,应,型式为管式、塔式反应器。,高分子工程设计 管式、塔式反应器 一般用于处理,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,处理高,粘,度的聚合体系，如本体聚合或缩,聚,后期，物料的,粘,度可达500,-,5000Pas,特种反应器,高分子工程设计 处理高粘度的聚合体系，如本体聚合或缩,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,5.2.3,搅拌釜反应器的设计,搅拌釜反应器的结构主要由釜体,、,搅拌装置,、,传热装置,、,工艺接管,、,轴密封装置等组成,。,反应器釜体与贮罐外型相近,都是由圆形直筒部分与上下封头组成,。,一,、,釜体设计,反应器体积计算,间歇操作,根据年产量确定日产量,W,d,Kgd,-1,高分子工程设计5.2.3 搅拌釜反应器的设计 搅,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,选择反应器装料系数,确定生产周期或每天生产批数,高分子工程设计 选择反应器装料系数 确定生产周期或每天生,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,计算反应器体积,计算反应器台数,设计产量很大,需选用多台反应器,对于间歇操作时多台反应器通常并联使用且每个反应器体积,(V,Ti,),尽量相同,高分子工程设计 计算反应器体积 计算反应器台数,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,(2),连续操作,根据年产量确定每小时处理物料量,d,Kgh,-1,确定物料平均停留时间,h,同间歇操作一样确定装料系数,计算反应器体积,连续操作通常是多台反应器串联使用,每个反应器体积,(V,Ti,),可取相同,台数计算同间歇操作。,计算反应器台数,高分子工程设计(2) 连续操作 根据年产量确定每小时处理物,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,釜体外型尺寸设计,确定封头型式,封头是化工设备的重要组成部分，它与圆形直筒部分一起组成设备的外壳，如储罐、塔设备、换热器、反应器等设备的釜体均是由筒体与封头组成。搅拌釜反应器常用的封头型式有标准椭圆封头、蝶封头、锥封头和球面封头等。,高分子工程设计 釜体外型尺寸设计 确定封头型式,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,标准椭圆封头,由椭圆曲面和圆筒形组成,如图,5-2,所示。,图,5-2,标准椭圆封头,结构,标准椭圆封头的应力分布比较均匀、它的强度与其相连的筒体强度相同。搅拌釜反应器和压力容器大都选用此类封头,标准椭圆封头的直边高度与直径存在,5-1,所示的关系,表,5-1,标准椭圆封头的直边高度与直径的关系,高分子工程设计 标准椭圆封头 由椭圆曲面和圆筒形,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,碟封头,由三段圆弧连接成的曲线沿轴线旋转而成曲面,如图,5-3,所示。,应力分布不均匀,强度不如标准椭圆封头,当标准椭圆封头模具加工困难时,可用碟封头代替。,图,5-3,碟封头,结构,高分子工程设计 碟封头 由三段圆弧连接成的曲线沿,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,锥形封头,如图,5-4,所示。,应力分布不均匀,但加工简单,造价低,通常用于固体物料的存放,特殊情况可用于压力较低的反应器如间歇缩聚反应器。一般,锥度越小,排料越畅通。,图,5-4,锥形封头,结构,高分子工程设计 锥形封头 如图5-4所示。,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,如图,5-5,所示。,球面封头,一般用于卧式容器的两端封头。,图,5-5,球面封头,结构,高分子工程设计 如图5-5所示。 球面封头,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,表,5-2,为各种封头的设计参数。,表,5-2,各种封头的设计参数,高分子工程设计 表5-2为各种封头的设计参数。表5-,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,椭圆封头,蝶形封头,球形封头,锥形封头,平封头,无直边封头,高分子工程设计椭圆封头 蝶形封头 球形封头 锥形封头 平封头,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,确定封头与筒体的连接方式,封头与筒体有焊接连接和法兰连接两种连接方式。法兰连接便于设备内部结构的安装与检修,但造价较高、密封性能较差；而焊接连接设备结构简单、造价低、密封性能好，但不利于设备安装与检修，通常要在釜体上封头上开设人孔。 对于搅拌釜反应器，若反应器直径较大、密封要求较高时，应采用焊接连接。若直径较小、内部结构比较复杂、安装和检修要求较明确时，可采用法兰连接。,高分子工程设计 确定封头与筒体的连接方式 封头与,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,选择长径比,(H/D),釜内液体比表面积大，表面更新容易，小分子组分易汽化；搅拌轴相对较短，搅拌装置旋转稳定；搅拌桨直径大，需要搅拌功率高；对传热面积的增加不利,;,传热距离较长，传热效果差。,矮胖型,(H/D,小,),釜内液体比表面积小，有利于气体吸收；搅拌轴较长，加工困难，旋转不稳定；单位反应器体积夹套传热面积较大，传热距离较短，传热效果较好。,瘦高型,(H/D,大,),高分子工程设计 选择长径比(H/D) 釜内液体比表,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,表,5-3,为几种搅拌反应器釜体的长径比。,计算并选择釜体内径,计算釜体直边高度,计算最高、最低液位,画出反应器几何外型示意图,表,5-3,几种搅拌反应器釜体的长径比,高分子工程设计 表5-3为几种搅拌反应器釜体的长径,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,例,:,有一变容反应体系，采用搅拌釜反应器，日产量,W,d,=26.6td,-1,，间歇操作。,R,=3h,、,a,=0.5h,、,m,=970kg,m,-3,体积收缩系数,=-0.2,、 、,H /D=1.5,2,，上下封头均用标准椭圆封头，确定反应器几何外型尺寸。,解：间歇操作周期,:,反应液体积,:,反应器总体积应为,:,高分子工程设计 例:有一变容反应体系，采用搅拌釜反应器，日产,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,查表,5-3,标准椭圆封头的体积为0.131D,3,、h,封,0.25D,令：h为釜体直边高度、H为反应器釜体总高度，则：,若取,H/D=1.5,则有,:,虽然,反应器属于非标准设备，但用于制造反应器上下封头仍应选用标准封头（,见教材,P186,附,录）。因为H /D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为1. 8m。,高分子工程设计 查表5-3标准椭圆封头的体积为0,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,釜体的直边高度,:,反应器釜体的总高度,:,根据表,5-2,可取封头的直边高度为,50mm,釜体圆形直筒部分高度为,2.020-20.05=1.920m,反应器的实际体积,:,反应器的实际长径比,:,最高液位,:,高分子工程设计 釜体的直边高度: 反,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,反应器的几何外型示意图及尺寸见图,5-6,最低液位,:,二、搅拌装置设计,搅拌釜反应器中的搅拌器通常由搅拌桨叶和搅拌轴等组成,通过搅拌器的旋转向流体输入机械能,从而使流体产生流动,进而进行能量传递和化学反应,具有混合、搅拌、分散和悬浮功能,不同的反应体系对搅拌器功能要求不同。,图,5-6,反应器的几何,外型示意图,高分子工程设计 反应器的几何外型示意图及尺寸见图,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,例如均相体系,以混合、搅动功能为主；,非,均相体系，四个功能均,有,，对分散与悬浮功能要求更显突出；连续操作对搅拌,器混,合功能要求比间歇操作要高,，保证物料连续进入反应器后能够迅速混合均匀,；高,粘,体系对搅拌器功能的,要,求,比,低,粘,体系,高,。,搅拌器的结构型式,按搅拌桨叶的结构型式可将搅拌器分为桨式,、,涡轮式,、,锚式,、,框式,、,螺带式等如表,5-4,所示 。,搅拌器的功能受,搅拌桨叶的型式及尺寸、搅拌桨叶的层数及安装位置、搅拌器转速、搅拌附件的安装与,否,等因素,有关,。,高分子工程设计 例如均相体系,以混合、搅动功能为,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,点击动画进入,按搅拌桨叶与搅拌轴之间的夹角可将搅拌桨叶大致分为平叶桨,、,折叶桨,、,和螺旋叶面桨三类。,平叶桨,搅拌桨叶与搅拌轴平行,以剪切作用为主,径向流动,如平桨,、,直叶或弯叶涡轮桨,、,锚式桨,、,框式桨等。,表,5-4,搅拌桨叶的结构型式,高分子工程设计点击动画进入 按搅拌桨叶与搅拌轴之,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,搅拌桨叶与搅拌轴有一定的夹角,以循环流动为主,轴向流动,如斜桨,、,开启式折叶涡轮桨,、,圆盘折叶涡轮桨等。,折叶桨,搅拌桨叶绕搅拌轴螺旋上升,如推进式,、,螺杆式桨,、,螺带式桨等。,螺旋叶面桨,若瘦高型反应器或大型反应器液位较深,可选用多层搅拌桨叶组合使用,也可选用不同的搅拌桨叶进行组合使搅拌达到预期的效果。,高分子工程设计 搅拌桨叶与搅拌轴有一定的夹角,以,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,搅拌附件是指在搅拌釜内为了改善液体流动状态而增设的部件，如挡板、导流筒等。它是搅拌装置的重要组成部分，对搅拌效果有直接的作用,一般应用在搅拌桨叶直径比反应器内径小很多的情况。,挡板的作用是可避免液体在高速旋转搅拌轴中心形成液面凹陷的漩涡，增大液体的湍动程度，改善搅拌效果。挡板安装后液体可在较小搅拌转速下达到湍流状态。同时，流动阻力增加，搅拌功率增大。,挡板,搅拌附件的设置,高分子工程设计 搅拌附件是指在搅拌釜内为了改善液,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,釜体内一般安装四块挡板，宽度为釜体直径的,1/10-1/12,，高粘流体可小到,1,20,。挡板的上端与静液面平齐，下端与反应器直筒部分下沿平齐。,挡板主要有三种方式,如图,5-7,所示。,图,5-7,挡板,图,(a),挡板紧贴釜壁且垂直釜,壁，用于低粘度均相流体的搅,拌，效果显著。,图,(b),挡板与釜壁有一定距离,(,为板宽的,1/6),且垂直于釜壁，用,于含有固体颗粒或粘度较高液体,的搅拌，可避免固体颗粒堆积和,粘壁现象。,在层流区（,N,Re, 20,）搅拌,时，一般不需安装挡板。对于高,粘流体,(,粘度大于,60Pas),通常采,用具有刮壁效果的搅拌桨如框式,、,锚式,、,螺带式等,也可不安装挡板。,图,(c),挡板与釜壁倾斜安装，,留有一定间隙,既可避免固体颗粒,的堆积或粘液产生死角，还可降,低流动阻力。,高分子工程设计 釜体内一般安装四块挡板，宽度为釜,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,导流筒,导流筒的作用是控制釜内液体循环流量和循环方向，提高对釜内流体的搅拌强度,加强搅拌器对液体的剪切作用,一般是身上开有槽或孔圆筒，也可是换热环或密集排列的蛇形换热盘管。通常导流筒上端低于静液面如图,5-8,所示。,图,(a),推进式搅拌桨叶安装在导流筒套内且略高于导流筒的下端。,图,(b),涡轮式或桨式搅拌桨叶常置于导流筒的下端。导流筒直径一般为釜径的,70,。,图,5-8,导流筒,高分子工程设计 导流筒 导流筒的作用是控制釜内液,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,收集数据资料,反应体系物性数据（粘度、密度、数量、表面张力、物料组成、固体颗粒含量、粒状物料在悬浮介质中的沉降速率等）、反应体系对搅拌的要求、反应器的几何尺寸（反应釜的体积、直径、长径比、液位高度等）、有无相应的生产实例等。,选择搅拌桨叶型式,确定搅拌桨叶尺寸,a.,均相液体混合。以混合、搅动功能为主，液体在反应器中的容积循环速率是搅拌过程的主要控制因素。若对达到完全混合的时间没有严格要求，可选用任何类型搅拌器。低粘度液体通常可选用桨式（斜桨）、推进式桨、涡轮桨等。湍流流动时，最好加挡板。,搅拌装置设计的主要步骤,高分子工程设计 收集数据资料 反应体系物性数据,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,b.,非均相液体混合。四种功能均有,要求分散、悬浮功能更突出,液滴的大小及容积循环速率是非均相液体混合搅拌过程的主要控制因素。涡轮式搅拌桨具有较大的局部剪切作用和容积循环速率，其中直叶涡轮桨的剪切作用最大，液滴分散程度最好。当分散液粘度较大时，可考虑用弯叶涡轮，以减少动力消耗。,c.,固体悬浮。以悬浮兼分散功能为主，容积循环速率和流动的湍流程度固体悬浮搅拌过程的主要控制因素。可根据固体颗粒的性质及含固量选择搅拌器。固体颗粒较大、固液比,30%,时，可开式涡轮桨；固体颗粒较小、固液比在,60%-90%,时，可选用桨式搅拌器；固体颗粒较小、固液比,50%,时，可选用推进式桨。,高分子工程设计 b. 非均相液体混合。四种功能均,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,d.,气体吸收及气,-,液相反应。以分散与混合功能为主，局部的剪切作用、容积循环速率以及高转数是这种搅拌过程的主要控制因素。一般采用圆盘式涡轮搅拌器。,e.,高粘度反应体系。常见搅拌体系有本体聚合、溶液聚合、缩聚）。最好选用带有刮壁效果的搅拌桨，防止产生死角。随着反应体系粘度的增加，可依次选用涡轮式、锚式、框式、螺杆、螺带、特殊型高粘度搅拌器（圆盘式搅拌器）。在反应前后粘度差别很大的均相聚合体系可采用改变转速和搅拌器型式满足不同粘度条件下的搅拌效果要求。,选定搅拌器型式后,可根据表,3-8,计算搅拌桨叶的几何尺寸及安装位置。,高分子工程设计 d. 气体吸收及气-液相反应。以,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,设计搅拌附件,对于小尺寸搅拌桨（如桨式、涡轮式、推进式、螺杆式等）通常设置搅拌附件,;,具有刮壁作用的搅拌桨（锚式、筐式、螺带式等），则不能设置附件。,确定搅拌转数,a,根据搅拌要求选择搅拌等级。根据搅拌效果可将搅拌操作分为均相混合搅动型和非均相悬浮型两大类。不同搅拌类型对搅拌等级的要求见表,5-5,和表,5-6,。表,5-7,给出了聚合物生产中搅拌装置设计的参考标准。,高分子工程设计 设计搅拌附件 对于小尺寸搅拌桨（,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,表,5-5,不同搅拌级别的搅拌效果,(,均相混合搅动型,),表,5-6,不同搅拌级别的搅拌效果,(,非均相悬浮型,),高分子工程设计表5-5 不同搅拌级别的搅拌效果(均相混合搅动,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,表,5-7,聚合物生产中搅拌装置设计的参考标准,高分子工程设计表5-7 聚合物生产中搅拌装置设计的参考标准,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,b.,选择流体总体流速,。不同搅拌级别对应流体总体流速,如表,5-8,所示。,c,.,计算搅拌桨叶排出流量q,d,。,表,5-8,不同搅拌级别对应流体总体流速,高分子工程设计 b. 选择流体总体流速。不同搅,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,d.,确定搅拌转速,n,。混合搅动型的搅拌器可根据搅拌雷诺数及排出流量数的关系确定搅拌转速，图,5-9,为涡轮搅拌桨的排出流量数与雷诺数的关系曲线。,图,5-9,涡轮搅拌桨的排出流量数与雷诺数的关系曲线,高分子工程设计 d.确定搅拌转速n。混合搅动型的,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,搅拌雷诺数,：,排出流量数：,悬浮型搅拌器还需考虑颗粒的沉降速率等后才能确定搅拌转速。,计算搅拌功率,a.,搅拌桨叶克服流体流动阻力所消耗的能量，简称搅拌器轴功率（,P,a,，,kW,）。它是搅拌电机消耗功率的主要部分，计算难度较大。,高分子工程设计搅拌雷诺数：排出流量数： 悬浮型搅,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,b.,搅拌轴密封所消耗的功率,(P,m,，,kW),。 密封装置主要有填料密封和机械密封两种，填料密封,P,m,=10-15% P,a,;,机械密封,P,m,=2% P,a,c.,机械传动消耗的功率（,P,e,，,kW,），也可用传动效率（,传,）表示。通常,取,0.8-0.95,还可从设计手册或电机产品样本中获得。,还可从设计手册或电机产品样本中获得。,高分子工程设计 b. 搅拌轴密封所消耗的功率(,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,通常是通过内设带有冷介质或热介质传热装置，提供足够的传热面积，带走或向物料中提供热量实现的。,反应器是发生化学反应产生聚合物的场所，而化学反应常伴有放热或吸热现象，那么如何操作才能保证反应器中的反应在预定的反应温度下进行呢？,三,、,传热装置设计,高分子工程设计 通常是通过内设带有冷介质或热介质传,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,传热装置的形式,在釜体外侧安装各种形状的钢结构（称夹套），使其与釜体表面形成密闭的空间。这种传热形式是在上述密闭空间内通入传热介质实现传热的，图,5-10,所示为常见的几种夹套型式。,夹套传热,图,5-10,常见的几种夹套型式,图,5-10,（,b,）中，一部分直,边釜壁和下封头外有夹套，是最,常见的夹套型式。通常夹套高度,高于液面高度以便提供最大的传,热面积；而对于热敏性体系，夹,套高度应低于液面高度。,图,5-10,（,a,）中，只有一部分,直边釜壁外有夹套，适用于传热,面积不大的情况,图,5-10,（,c,）中，夹套型式,便于釜体轴向分段控制温度。,图,5-10,（,d,）为全包式夹套,型式，即整体夹套。例如,PET,合,成中的缩聚反应器，反应过程有,气体蒸出，且易夹带低聚物，采,此夹套型式可以使低聚物遇到热,的上封头熔融流回到反应液中，,防止物料挂壁。,注意：若传热介质是气相或,气体冷凝时，气体应上进下出；,若传热介质是液体时，为使液体,充满夹套，液体应下进上出。,若采用整体夹套，且传热介,质是液体时，液体在夹套内流速,很慢，传热效率低，液体易走短,路，釜壁温度分布不均匀等。,高分子工程设计 传热装置的形式 在釜体外侧安装各,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,通常，在夹套内设置螺旋导流板或采用焊接螺旋半圆管、螺旋角钢等结构代替整体夹套不仅可大大提高传热介质的流速，强化传热效果，使釜壁温度分布均匀，而且能提高内釜体的强度和刚度。如图,5-11,所示。,上述夹套型式中，整体夹套用于气相反应时，有最大的传热面积；而用于液相反应时，同其它夹套型式一样，有效的传热面积应是与反应液实际接触的夹套部分的传热面积。,图,5-11,内置导流结构,高分子工程设计 通常，在夹套内设置螺旋导流板或采用,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,与反应器釜体直径选择的原则相同，夹套直径也应按公称尺寸选取，有利于按标准选择夹套的封头。具体方法，可在确定内釜体直径的基础上，按表,5-9,选取。,内置传热装置,当需要的传热面积较大，单靠夹套面积不能满足需求时，可采用内置传热装置的方法增加传热面积。内置传热器的主要型式有蛇管（盘管）式、列管式、直管式、换热环等多种型式，也可利用挡板或导流筒作为内置传热装置，如图,5-12,所示。,表,5-9,夹套直径选取,高分子工程设计 与反应器釜体直径选择的原则相同，夹,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,蛇管式,(coil pipe),传热装置沉浸在物料中，无散热损失，缩短了传热距离，传热均匀，另外可起到导流筒作用，强化了搅拌效果，但维修麻烦，不适用高粘度体系（易挂壁和结垢）,图,5-12,内置传热装置,高分子工程设计 蛇管式(coil pipe)传热装,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,列管式（,tube array,）传热装置能提供非常大的传热面积，适用于一般传热装置很难达到传热面积需求反应体系，如,PTA,连续直接酯化反应体系，但不适于高粘反应体系,当反应釜直径较大、反应液粘度较高、搅拌转速较慢时，即使夹套传热面积已经够用，但由于传热距离较远，传热效果较差，易造成反应液温度分布不均匀。此时可在反应器内设置换热环等缩短传热距离，改善传热效果。,高分子工程设计 列管式（tube array）传热,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,传热面积的计算,要计算反应器传热装置的传热面积，首先要计算总传热系数,K,，它不仅与釜内流体及传热介质的性质和流动状态有关，还与釜壁材质及结垢等因素有关。计算公式如下：,高分子工程设计 传热面积的计算 要计算反应器传,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,式中,a,i, a,0,计算是非常困难的，在反应器传热装置计算中一般采用估算或根据放大原则由工业生产装置的数据推算出来。 通常夹套内设置导流板或安装扰流喷嘴可提高传热介质的湍动程度，从而提高,a,0,。对于低粘度体系如悬浮聚合、乳液聚合等，在强制搅拌作用下，,a,i,可达约,2000 W,m,-2,-1,，不构成热阻的主要部分。当体系粘度增加，搅拌转速降低，,a,i,迅速降低，可使总传热系数下降到小于,100 W,m,-2,-1,，而这一点是很难克服的。另外，有机固体的热导率较小，最严重的传热阻力是附着在釜内壁上的聚合物结成的垢层，它会大大降低总传热系数。,高分子工程设计 式中ai, a0计算是非常困难,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,防止聚合物在釜内壁上结垢可采取的主要措施有：提高釜内壁的光洁度；在釜内壁上涂覆阻垢剂；使用刮壁式搅拌器，如框式、锚式、螺带式搅拌器；定期清洗釜内壁等。,搅拌反应器传热面积的计算与一般的传热面积的计算基本相同，计算公式如下：,高分子工程设计 防止聚合物在釜内壁上结垢可采取的主,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,例：悬浮法生产,PVC,，间歇操作，每批投料量,W,B,4400kg,B,-1,，总转化率,x,0.95,，反应时间,=6h,，高峰时的反应速率是平均反应速率的,2.67,倍，聚合反应热,H=-30.32 kJ,mol,-1,反应温度,T,50 ,，总传热系数,K=320W,m,-2,-1,，冷却水入口温度,t,1,=5,，冷却水进出口温差为,4.5,。求总传热面积。,高分子工程设计例：悬浮法生产PVC，间歇操作，每批投料量WB,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,四,、,工艺管口的设计,搅拌釜反应器上设置如液体物料进出管口、传热介质进出管口、气体进出管口、观测口、仪表测量口、安全装置口、人孔等工艺管口是为了保证生产的正常进行而设计的。这些工艺管口的直径、安装方位及位置、安装方式等与工艺条件、操作过程、设备力学强度、配管设计等因素有关。,液体物料进料管口一般设在釜盖上。为了防止液体物料沿釜壁流动可将进料管口伸进反应器内或插入反应液中；为了防止液体物料飞溅到釜壁上，可将出口端向搅拌轴方向做成,45,的切口，如图,5-13,（,a,）所示。,液体物料进出料管口,高分子工程设计四、工艺管口的设计 搅拌釜反应器上,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,液体物料出料管口一般设在釜底,为了保证出料完全，管口应设在釜最低位置,如图,5-13,（,b,）,（,d,）所示。当聚合反应出料时液体粘度高时，为了保证出料通畅，可在出料管口外设套管，通入加热介质，若采用釜上部或侧面出料则应在釜最低处设置排料管口以便于维修设备时排放物料用。,图,5-13,液体物料进出料管口,高分子工程设计 液体物料出料管口一般设在釜底,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,连续操作时，可根据物料的体积流量直接计算进、出物料管口的直径。间歇操作时，应先确定进、出物料所用的时间，然后根据进、出物料的数量计算体积流量，再计算进、出物料管口的直径。其计算公式如,P128(8-1),其中物料的流速可根据物料的性质选择，如,P128,表,8-4,所示，再根据,P125,表,8-1,或,P183,附录中标准管子的公称直径选择合适的管径。,气体进、出管口一般设在釜盖上，常见的有蒸汽口、抽真空口、压缩空气进口、惰性气体进口等。气体管口管径的计算方法同液体管口管径计算。,气体物料进出料管口,高分子工程设计 连续操作时，可根据物料的体积流量直接,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,反应器常用仪表测量口有测温口、测压口、液位测量口等。其直径通常按照是有规范的。测温口一般设在反应器的底部，温度计需插入反应液中。为保护温度计，可将温度计放入金属套管中，然后插入反应液中。测压口设在反应器釜盖上。,仪表检测口,反应器一般为密闭式操作，有时带正压或负压，有时有气体产生等，为了操作安全，需在釜盖上设置安全阀口或放空口等。,安全装置口,高分子工程设计 反应器常用仪表测量口有测温口、测压,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,全启式安全阀,高分子工程设计全启式安全阀,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,微启式安全阀,高分子工程设计微启式安全阀,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,带扳手全启式安全阀,高分子工程设计带扳手全启式安全阀,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,一般设在釜盖上，通常设置两个及其以上，如图,5-14,所示，视镜的尺寸见,p188,附录,不带颈视镜参见,HGJ 501-86,带颈视镜参见,HGJ 502-86,。,观测口（视镜）,当反应温度较高时，视镜内外温差较大，易在镜片上结露，妨碍观察，此时可安装双层的保温视镜。,图,5-14,视镜结构,高分子工程设计 一般设在釜盖上，通常设置两个及其,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,为了便于搅拌器、搅拌附件、内置传热装置等的安装、清洗、维修等操作，应尽量在搅拌釜反应器釜盖上开设人孔，如图,5-15,所示。,人孔,图,5-15,人孔结构,高分子工程设计 为了便于搅拌器、搅拌附件、内置传,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,人孔有圆形和长圆形两种，圆形人孔制造方便，应用较为广泛，公称直径一般为,400-600mm,；而长圆形人孔制造复杂，对壳体强度影响较小，多用于小直径（,900mm,）反应器釜盖上，尺寸一般为,400mm,300mm,，短轴应与釜体的轴线平行。直径太小的反应器，则不宜开设人孔，此时反应釜的上封头与釜体的连接方式应采用法兰连接。,高分子工程设计 人孔有圆形和长圆形两种，圆形人孔,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,DN,H,L,500,645,320,600,755,340,750,980,345,高分子工程设计DNHL5006453206007553407,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,方型人孔（规格：,558426,）,加强型方人孔（规格,558426,）,椭圆人孔（规格：,458325,）,椭圆人孔（规格：,525430,）,高分子工程设计方型人孔（规格：558426） 加强型方人孔,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,DN400,上人孔,DN400,带视镜上人孔,DN500,上人孔,DN250,手孔,高分子工程设计DN400上人孔 DN400带视镜上人孔 DN,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,高分子工程设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,大部分工艺管口都设置在釜盖上，给反应釜的机械设计带来困难。当工艺管口过多时，可将部分物料性质相近的工艺管口组合在一起，做成组合管架（飞机管架），减少釜盖的开口，一般分别将液体物料进料管口组合在一起，将气体进出管口和测压口、安全阀口、放空口等组合在一起，如图,5-16,所示。,飞机管架,图,5-16,飞机管架结构,高分子工程设计 大部分工艺管口都设置在釜盖上，给,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,五,、,轴密封装置,搅拌釜反应器的釜体是静止的，搅拌轴是旋转的，搅拌轴与釜体之间需有密封装置，以防止气体泄露，同时还可以保证釜内的压力或真空度满足工艺要求。,轴密封装置主要有两种形式：填料密封，优点是结构简单，填料拆装方便，造价低。但使用寿命短，密封性能较差，功率消耗较大。机械密封，密封性能可靠，功率消耗小，使用寿命长，使用范围广。但其造价高，安装精度要求高，反应釜直径太小时不适用。,高分子工程设计五、 轴密封装置 搅拌釜反应器的釜体,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,5.2.4,搅拌釜反应器的放大设计,为什么要对反应器进行放大设计？应该怎样进行放大设计，放大设计过程中应该注意的事项有哪些？,理论上讲，反应器尺寸变化不直接影响化学反应的本质规律，即反应机理及反应的微观动力学模型。实际上，若放大反应器尺寸，反应器内流体的流动状况则发生了变化，影响了反应体系动量、热量、质量传递过程，也就是说，相同反应体系物料在不同尺寸反应器中的速度分布、温度分布、浓度分布、停留时间等存在差异，即反应的宏观过程不同。,高分子工程设计5.2.4 搅拌釜反应器的放大设计,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,通常，反应器的工艺设计到投产使用必须经过小试到大试的过程，最终实现大规模生产，反应器也,日趋大型化,，即反应器存在尺寸放大的过程，若这种放大能成功，则意味着将小规模生产装置的生产过程在大规模的生产装置中同样能实现，成功的关键是是否正确进行放大。,以,VC,悬浮聚合反应器为例，我国,20,世纪,60,年代全部采用,7-13,.,5m,3,的聚合反应器，,70,年代普遍采用,30m,3,的反应器，,80,年代已有,80m,3,的大型反应器投产，日本,1968,年前多采用,30-50m,3,的反应器，,1971,年后普遍采用,127m,3,反应器，有的国家已设计投产,200-400m,3,的反应器,放大是整个工艺过程研究和开发的核心问题，具有技术性强、难度高、耗资大、历时长等特点，,20,世纪,60,年代以后，化学工业向大型化、综合化、优化、自动化等方向发展，对放大技术提出了更高的要求。目前反应器的放大设计与工艺参数确定的方法相似，有两大类，即数学模拟放大法（数模放大）与逐级经验放大法（相似放大）。,高分子工程设计 通常，反应器的工艺设计到投产使用,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,对于低粘度反应体系，假设物料充分混合均匀，反应过程只受动力学因素控制，则可以直接使用微观动力学模型对反应器进行放大设计。,对于实际反应器而言，物料一般很难达到理想的混合程度，若采用数学模拟放大法对反应器进行放大设计，就必须建立综合数学模型，定量描述反应的微观动力学、物料在反应器中的速度分布、浓度分布、温度分布、停留时间等情况。,高分子工程设计 对于低粘度反应体系，假设物料充分,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,对于聚合反应器来说，由于物料粘度高，动力学模型和传递过程模型很难建立，因此综合数学模型的建立几乎也是不可能的，故聚合反应器通常采用逐级经验放大法进行放大设计。 基本原理：在配方不变的前提下，即相同反应体系，无论反应机理如何，若反应器中物料的速度分布、浓度分布、温度分布、停留时间分布等相似，则不同尺寸反应器之间的反应过程也相似。,例如，对于均相搅拌釜反应器，若能达到理想混合（不存在浓度分布和温度分布），则大小反应器只要反应温度及反应时间或停留时间相同，就可以保持化学反应相似。表,5-10,简单介绍了搅拌釜反应器釜体、搅拌装置等放大设计的原则和放大计算公式。,高分子工程设计 对于聚合反应器来说，由于物料粘度高,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,表,5-10,搅拌釜反应器釜体、搅拌装置等放大设计的原则和放大计算公式,高分子工程设计表5-10 搅拌釜反应器釜体、搅拌装置等放大设,高分子工程设计,Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology,反应器体积发生变化时，总传热系数相应变化，使传热面积不能依据物料数量的变化比例或反应器几何尺寸变化比例进行放大。总传热系数的放大计算公式