【10萬(wàn)噸聚酰胺裝置聚合工藝設(shè)計(jì)5500字（論文）】

萬(wàn)噸聚酰胺裝置聚合工藝設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u20921聚酰胺簡(jiǎn)介 1213832生產(chǎn)工藝的選擇 1174272.1生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介 1219602.2工藝原理 194863物料衡算 2242523.1設(shè)計(jì)條件 2238433.1.1全套裝置工藝參數(shù) 2147943.1.2酰胺進(jìn)料量 2198863.2催化劑用量 3164283.3氫氣用量 369473.4原材料消耗定額 3317733.5小環(huán)管的物料衡算 3102443.6大環(huán)管反應(yīng)器的物料衡算 426883.7閃蒸罐的物料衡算 5308244熱量衡算 6222204.1計(jì)算依據(jù) 7191344.2小環(huán)管的熱量衡算 7274504.3大環(huán)管反應(yīng)器的熱量衡算 9224585設(shè)備選型 1080785.1設(shè)備選型原則 10313685.2小環(huán)管的選型 117485.2.1小環(huán)管的工藝參數(shù) 11193855.2.2選型 114115.3大環(huán)管反應(yīng)器的選型 12195955.3.1大環(huán)管反應(yīng)器的工藝參數(shù) 1234955.3.2選型及結(jié)構(gòu) 12280255.4閃蒸罐的選型 13210435.5汽蒸罐的選型 1416485.6袋式過(guò)濾器的選型 1514507總結(jié) 16內(nèi)容摘要已內(nèi)酰胺水解聚合包括三個(gè)主反應(yīng)，即單體水解開(kāi)環(huán)反應(yīng)、加聚反應(yīng)和縮聚合反應(yīng)的反應(yīng)。項(xiàng)目采用巴斯夫研發(fā)技術(shù)，通過(guò)溫度控制反應(yīng)聚合度。本文首先介紹了該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)概況，其中包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)模和規(guī)格以及生產(chǎn)路線的選擇。將反應(yīng)和精餾的個(gè)工段的各個(gè)工藝條件和工藝指標(biāo)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，并對(duì)工藝部分以及非工藝部分進(jìn)行探究和探索。關(guān)鍵詞：己內(nèi)酰胺聚合工藝設(shè)計(jì)1聚酰胺簡(jiǎn)介聚酰胺被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域中，可制成各種各樣的產(chǎn)品，例如常見(jiàn)的制成品有輪胎以及工業(yè)絲線和民用絲線等。聚酰胺通過(guò)加工還可以制成彈力尼龍，尼龍的命名方式是根據(jù)尼龍生產(chǎn)原料中碳原子的含量進(jìn)行命名的，再通過(guò)縮聚最終形成聚酰胺。聚酰胺生產(chǎn)工藝過(guò)程中的節(jié)能，能夠降低生產(chǎn)聚酰胺的成本，聚酰胺生產(chǎn)節(jié)能管理的體系主要是通過(guò)一系列的組織生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)定，形成一個(gè)良好完整的生產(chǎn)過(guò)程，以及生產(chǎn)管理體系，并且以節(jié)能為目的，實(shí)現(xiàn)聚酰胺生產(chǎn)全過(guò)程資源的節(jié)約。通過(guò)建立整套的節(jié)能管理體系，貫穿聚酰胺的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，并通過(guò)對(duì)節(jié)能方案的建立、使用、改進(jìn)以及對(duì)方案的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)大幅度的聚酰胺生產(chǎn)節(jié)能，綜合節(jié)能管理組合與辦法，融入最新節(jié)能技術(shù)以及節(jié)能產(chǎn)品，降低對(duì)原料的損耗，提升資源的利用率，從而實(shí)現(xiàn)聚酰胺的生產(chǎn)節(jié)能。2生產(chǎn)工藝的選擇2.1生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介聚酰胺的生產(chǎn)過(guò)程主要分為兩部分進(jìn)行。第1步是聚酰胺鹽的生產(chǎn)，聚酰胺鹽的生產(chǎn)過(guò)程是首先制造出具有高純度和溫度的聚酰胺鹽水溶液，主要的處理方式是利用鹽處理工程進(jìn)行制造，然后再通過(guò)一系列的操作，進(jìn)行高濃度的熔體聚合，最終形成的熔體聚合物，與普通的分子量分布來(lái)說(shuō)差別不大，且這種高黏度的熔體質(zhì)量均一，同時(shí)具有更高的可塑性，在聚酰胺鹽的生產(chǎn)過(guò)程中，需要利用計(jì)量確定聚酰胺鹽的含量，再進(jìn)行蒸發(fā)操作，除去聚酰胺鹽溶液中的水分，然后進(jìn)行預(yù)縮聚操作，進(jìn)而進(jìn)行閃蒸，進(jìn)一步在常壓下進(jìn)行縮聚，縮聚完成之后再進(jìn)行減壓縮聚，最終形成聚酰胺鹽熔體。第2步是在完成聚酰胺鹽縮聚之后，將聚酰胺鹽運(yùn)送至生產(chǎn)工廠進(jìn)行聚酰胺的聚合，將聚酰胺鹽用工程車運(yùn)送過(guò)來(lái)之后，將其放入到聚酰胺生產(chǎn)工藝設(shè)備中，并加入熱穩(wěn)定劑以及催化反應(yīng)劑，然后迅速進(jìn)行混合攪拌，再進(jìn)行多余水分的蒸發(fā)，聚酰胺鹽的濃度增加，然后再輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行初步縮聚操作，在縮聚操作完成之后，傳輸?shù)介W蒸器當(dāng)中，進(jìn)一步進(jìn)行水分的蒸發(fā)和縮聚，此時(shí)通過(guò)機(jī)械操作將蒸發(fā)器內(nèi)的壓力降至常壓，迫使溶液中的水分與物料迅速分離。完成初步聚合的聚酰胺鹽溶體，再由下一個(gè)聚合器進(jìn)行聚合反應(yīng)，進(jìn)一步分離出聚合物中的水分，形成高黏度的聚合物熔體。最后將聚合物熔體送入造粒機(jī)進(jìn)行造粒至此聚酰胺形成。2.2工藝原理從中轉(zhuǎn)罐區(qū)送來(lái)的酰胺需經(jīng)過(guò)預(yù)精制、保安精制后才能成為精酰胺進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)。其中固堿塔，脫除大量水和無(wú)機(jī)硫。2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O2NaOH+H2S=Na2S+2H2ONaOH+nH2O=NaOH.nH2O分子篩塔，利用分子篩的吸附原理，脫除微量的水，該塔可以再生。汽提塔，利用汽提塔的操作原理脫除酰胺中的輕組分，尤其是一氧化碳。脫硫塔，主要是脫除羰基硫。COS+H2O=H2S+CO2ZnO+H2S=ZnS+H2O分子篩塔，繼續(xù)脫除微量的水。該塔可以再生。脫砷塔，主要是脫除砷化氫。2AsH3+2CuO=2CuAs+2H2O+H22AsH3+Al2O3=2AlAs+3H2O3物料衡算3.1設(shè)計(jì)條件3.1.1全套裝置工藝參數(shù)生產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)10萬(wàn)噸生產(chǎn)時(shí)間：年工作時(shí)數(shù)8000小時(shí)每噸聚酰胺消耗酰胺理論量：1.02噸酰胺（100%）全裝置總收率按98%計(jì)算，損耗為2%（以1.02噸100%酰胺為基準(zhǔn)計(jì)算收率和損耗），損耗分配如下：精制工段酰胺損失0.5%閃蒸工段酰胺損失0.5%汽蒸工段酰胺損失0.8%聚酰胺粉料損失汽蒸工段0.1%，造粒工段0.1%3.1.2酰胺進(jìn)料量聚酰胺每小時(shí)凈生產(chǎn)量：100000/8000=12.5t需要100%酰胺：12.5*1.02=12.75t則取12.75t酰胺為基準(zhǔn)計(jì)算收率和損耗扣除損耗，則參加反應(yīng)的酰胺：12.75/(1-0.5%-0.5%-0.8%)=12.984t按轉(zhuǎn)化率55%，則需要100%酰胺進(jìn)料量為：12.984/0.55=23.61t原料純度為99.5%，則原料量為：23.61/0.995=23.73t3.2催化劑用量=1\*GB3①.主催化劑（CS-Ⅱ型和DQ-Ⅰ型）主催活性：25~31kgPP/gcat，取30kgPP/gcat。則主催用量：12.984*1000/30=432.8g②其它按主催：助催TEAL：給電子體DONOR：烴油十脂=0.06：0.35：0.015：0.35助催TEAL用量:0.35*432.8/0.06=2524.7g給電子體DONOR用量：0.015*432.8/0.06=108.2g烴油十脂：2524.7g則催化劑總量：432.8+2524.7+108.2+2524.7=5590.4g,即5.59kg3.3氫氣用量H2消耗定額：0.009~0.31kg/tpp,此處取值：0.20kg/tpp則H2用量：0.20*12.984=2.5968kg3.4原材料消耗定額表3.1原材料消耗定額表名稱單位消耗定額原料酰胺t23.73氫氣kg2.5968化學(xué)品主催化劑g432.8三乙基鋁g2524.7給電子體g108.2烴油+脂g2524.73.5小環(huán)管的物料衡算進(jìn)料：酰胺進(jìn)料流量2700~3300kg/h，取3000kg/h主催化劑432.8g催化劑總量5.59kg主催化劑：100~150gPP/gcat，取100gPP/gcat則預(yù)聚合生成聚酰胺：432.8*100=43280g=43.28kg未反應(yīng)的酰胺：3000-43.28=2956.72kg出料：PP43.28kg酰胺2956.72kg催化劑5.59kg表3.2小環(huán)管物料平衡表物料名稱物料質(zhì)量（kg）總量（kg）輸入酰胺30003005.59催化劑5.59輸出酰胺2956.723005.59PP43.28催化劑5.5920℃時(shí)酰胺的密度為：400～700Kg/m3，取600Kg/m3停留時(shí)間約4分鐘則預(yù)聚反應(yīng)器小環(huán)管的體積為：V=(3000/60)*4/600＝0.3333m33.6大環(huán)管反應(yīng)器的物料衡算大環(huán)管小環(huán)管PP43.28大環(huán)管小環(huán)管PP43.28kg2956.72Kg催化劑5.59Kg進(jìn)料管酰胺20730KgPP13070.976Kg丙烯10596.024Kg閃蒸罐氫氣轉(zhuǎn)化率55%進(jìn)料：酰胺23.73*1000-43.28=23686.72kgPP43.28kg生成PP：23686.72*55%=13027.696kg出料：PP13027.696+43.28=13070.976kg酰胺23.73*1000-13070.976=10659.024kg表3.3大環(huán)管物料平衡表物料名稱物料質(zhì)量（kg）總量（kg）輸入酰胺（小環(huán)管）2956.7223730酰胺（酰胺進(jìn)料管）20730PP（小環(huán)管）43.28輸出酰胺10659.02423730PP13070.976在70℃的反應(yīng)溫度下，反應(yīng)器內(nèi)的漿液密度應(yīng)保持在560～565Kg/m3，取560Kg/m3，又停留時(shí)間為1.5h則大環(huán)管的體積為：V＝（10659.024+13070.976）*1.5/560＝63.5625m33.7閃蒸罐的物料衡算進(jìn)料：PP13070.976kg酰胺10659.024kg閃蒸罐PP+酰胺閃蒸罐PP+酰胺酰胺+PPPP+酰胺大環(huán)管循環(huán)洗滌塔袋式過(guò)濾器閃蒸罐頂部酰胺帶走粉塵為10%，底部粉塵帶走酰胺10%閃蒸罐塔頂出料為：酰胺：10659.024*90%=9593.12kgPP：13070.976*10%=1307.10kg閃蒸罐塔底出料為：PP：13070.976*90%=11763.88kg酰胺：10659.024*10%=1065.90kg表3.4閃蒸罐物料平衡表物料名稱物料質(zhì)量（kg）總量（kg）輸入酰胺10659.02423730PP13070.976輸出酰胺（閃蒸罐頂）9593.1223730PP(閃蒸罐頂)1307.10酰胺（閃蒸罐底）1065.90PP(閃蒸罐底）11763.884熱量衡算熱量衡算是指根據(jù)能量守恒定律對(duì)設(shè)備在操作過(guò)程中傳入熱量或傳出熱量的平衡計(jì)算。連續(xù)操作過(guò)程熱量衡算的內(nèi)容主要是計(jì)算正常操作時(shí)的傳熱速率，為設(shè)備傳熱面積、傳熱介質(zhì)流量、工藝管徑等的計(jì)算及控制方案的選擇提供依據(jù)。在化工過(guò)程中，各種熱量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可以用熱平衡方程表示：∑Q=∑H出-∑H進(jìn)其中∑Q設(shè)備或系統(tǒng)與外界環(huán)境交換熱量之和，通常包括熱損失，kJ；∑H出離開(kāi)設(shè)備或系統(tǒng)各股物料的焓之和，kJ；∑H進(jìn)進(jìn)入設(shè)備或系統(tǒng)各股物料的焓之和，kJ；4.1計(jì)算依據(jù)酰胺聚合熱：2172.95kJ/kgPP表4.1水的比熱℃20307080Kcal/(kg*℃)0.9990.9971.001.002表4.2液相酰胺比熱℃25506070Kcal/(kg*℃)0．6850．8000．8100．910表4.3氣相酰胺比熱℃50607620Kcal/(kg*℃)1．641．6431．6471．633表4.4聚酰胺比熱℃207080105Kcal/(kg*℃)1．932．232．2462．526表4.5酰胺汽化潛熱506076Kcal/kg2750235017004.2小環(huán)管的熱量衡算預(yù)聚生成PP：43.28kg酰胺聚合熱：2172.95kJ/kgPP輸入熱量：20℃的酰胺帶入熱量Q1=CP*m*△t=0.685*4.2*3000*20=172620kJPR的反應(yīng)熱Q2=2172.95*43.28=94045.276kJ輸出熱量：預(yù)聚物帶走熱量Q3=CP*m*△t=1.93*43.28*20=1670.608kJ 未反應(yīng)酰胺帶走熱量Q4=CP*m*△t=0.685*4.2*(3000-43.28)*20=170129.669kJ通過(guò)通冷卻水移走聚合反應(yīng)生成熱，設(shè)備向外界環(huán)境散熱的熱量可忽略不計(jì)，則冷卻水帶走的熱量為Q5：Q5=Q1+Q2-Q3-Q4=172620+94045.276-1670.608-170129.669=94864.999kJ夾套水進(jìn)口溫度范圍是9.5～10.5℃，本設(shè)計(jì)取10℃，出口溫度取15℃因?yàn)镼=C水*m水*△t得m水=Q5/（C水*△t）所以m水=94864.999/(4.2*5)=4517.4kg聚酰胺聚合釜夾套傳熱的總傳熱系數(shù)為：K=δ*e-0.809CK—總傳熱系數(shù)，ω/m2kδ—酰胺轉(zhuǎn)化率為零時(shí)的傳熱系數(shù)，ω/m2kC—酰胺轉(zhuǎn)化率（C=43.28/3000=0.01443）對(duì)于碳鋼材質(zhì)的聚合釜δ可取560～698ω/m2k，取δ=600ω/m2k則K=600*e-0.809*0.01443=599.988ω/m2k傳熱方式：夾套式換熱為主 反應(yīng)溫度：20℃→20℃冷卻水：10℃→15℃平均溫差△t=（△t1-△t2）/㏑（△t1/△t2）則△t=[(20-10)-(20-15)]/㏑[(20-10)-(20-15)]=7.214℃1ω=3.6kJ/h傳熱面積[10]A=Q/（K.△t）則A=Q5/（K.△t）=(94864.999/3.6)/(599.988*7.214)=6.09m2表4.6小環(huán)管熱量衡算表熱量名稱熱量（kJ）總量（kJ）輸入熱量20℃的酰胺帶入熱量Q1172620266665.276PR的反應(yīng)熱Q294045.276輸出熱量預(yù)聚物帶走熱量Q31670.608266665.276未反應(yīng)酰胺帶走熱量Q4170129.669冷卻水帶走的熱量為Q594864.999冷卻水用量（kg）4517.4夾套傳熱面積（㎡）6.094.3大環(huán)管反應(yīng)器的熱量衡算生成PP：13027.696kg氫氣的進(jìn)料溫度為20℃，量為2.5968kg進(jìn)料：PP43.28kg酰胺：23686.72kg出料：PP13070.976kg酰胺：10659.034kg輸入熱量：預(yù)聚物帶入熱量Q1=CP*m*△t=2.23*43.28*70=6756.008kJ酰胺帶入的熱量Q2=CP*m*△t=0.91*4.2*23686.72*70=6337145.069kJ氫氣帶入熱量Q3=CP*m*△t=3.408*4.2*2.5968*50=1858.478kJ反應(yīng)生成熱Q4=2172.95*13070.976=28402577.3kJ輸出熱量：聚合物帶走熱量Q5=13070.976*2.23*70=2040379.354kJ酰胺帶走熱量Q6=10659.034*0.91*70*4.2=13579609.32kJ通過(guò)通冷卻水移走聚合反應(yīng)生成熱設(shè)備向外界環(huán)境散熱的熱量可忽略不計(jì)，則冷卻水帶走的熱量為Q7：Q7=Q1+Q2+Q3+Q4-Q5-Q6=6756.008+6337145.069+1858.478+28402577.3-2040379.354-13579609.32=19128348.18kJ反應(yīng)溫度：70℃→70℃冷卻水：10℃→30℃冷卻水用量m水=Q7/（C水*△t）=19128348.18/4.2*(30-10)=227718.431kg平均溫差△t=[(70-10)-(70-30)]/In[(70-10)-(70-30)]=49.326℃聚酰胺聚合釜夾套傳熱的總傳熱系數(shù)為：K=δ*e-0.809CK—總傳熱系數(shù)，ω/m2kδ—酰胺轉(zhuǎn)化率為零時(shí)的傳熱系數(shù)，ω/m2kC—酰胺轉(zhuǎn)化率C=（13070.976-43.28）/23686.72=0.55對(duì)于碳鋼材質(zhì)的聚合釜δ可取560～698ω/m2k，取δ=600ω/m2k則K=δ*e-0.809C=600*e-0.809*0.55=384.51ω/m2k換熱面積；A=Q7/（K.△t）=(19128348.18/3.6)/(384.51*49.326)=280.15m2表4.7大環(huán)管熱量衡算表熱量名稱熱量（kJ）總量（kJ）輸入熱量預(yù)聚物帶入熱量Q16756.00834748336.85酰胺帶入的熱量Q26337145.069氫氣帶入熱量Q31858.478反應(yīng)生成熱Q428402577.3輸出熱量聚合物帶走熱量Q52040379.35434748336.85酰胺帶走熱量Q613579609.32冷卻水帶走熱量Q719128348.18夾套傳熱面積(㎡)280.155設(shè)備選型本次設(shè)計(jì)的設(shè)備工藝計(jì)算是在確定了設(shè)備的操作工藝參數(shù)及進(jìn)行了物料衡算、熱量衡算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。其內(nèi)容主要是確定設(shè)備的類型、規(guī)格、主要工藝尺寸、設(shè)備臺(tái)數(shù)等，其目的是為設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)、車間平面布置、配管設(shè)計(jì)等提供設(shè)計(jì)依據(jù)。5.1設(shè)備選型原則設(shè)備選型的總體原則是：滿足工藝要求；設(shè)備成熟可靠；能夠充分利用原料，避免浪費(fèi)；使用壽命盡量長(zhǎng)；容易安裝，便于操作。5.2小環(huán)管的選型5.2.1小環(huán)管的工藝參數(shù)操作/設(shè)計(jì)溫度：20℃/-45℃～150℃（夾套170℃）操作/設(shè)計(jì)壓力：3.4Mpa/4.7Mpa介質(zhì)：酰胺、催化劑、聚酰胺5.2.2選型預(yù)聚合反應(yīng)器主要有兩股進(jìn)料，一股來(lái)自催化劑在線混合器，其中含有一定量的催化劑混合物和冷丙稀，這是反應(yīng)主物料；另一股是沖洗泵的機(jī)械密封面的丙稀。預(yù)聚合反應(yīng)器為滿環(huán)管操作，用軸流泵打循環(huán)以達(dá)到均勻混合的目的?？刂茀^(qū)預(yù)聚合的丙稀流量必須在2500Kg/h以上，本次設(shè)計(jì)取為3000Kg/h，泵沖洗丙稀流量恒定在約400Kg/h。物料衡算中已得出小環(huán)管的體積為：V＝0.3333m3環(huán)管的截面積為：S＝ЛR2＝3.14×0.102＝0.0314m2則環(huán)管的長(zhǎng)度為：L＝V÷S＝0.3333÷0.0314＝10.62m將其分為兩根直管，每根直管段高5.31m。小環(huán)管與大環(huán)管基本類似，采用S.S材料。小環(huán)管為一內(nèi)徑為0.20m的環(huán)管，有兩根直管，直管段高為5.31m，通過(guò)兩個(gè)180o的彎管連接起來(lái)，容積為0.3333m3。反應(yīng)器的直管部分帶有夾套，夾套材質(zhì)為C.S，為防止介質(zhì)粘壁，內(nèi)表面需要拋光處理，粗糙度Ea=1.0。小環(huán)管表面積π*d*h=3.14*0.2*5.31*2=6.70m2>6.09m2而所需換熱面積為6.09m2，則設(shè)備選取合適。圖5.1預(yù)聚反應(yīng)器5.3大環(huán)管反應(yīng)器的選型5.3.1大環(huán)管反應(yīng)器的工藝參數(shù)操作/設(shè)計(jì)溫度：70℃/-45℃～150℃（夾套150℃）操作/設(shè)計(jì)壓力：3.4Mpa/4.7Mpa(夾套0.8Mpa)介質(zhì)：酰胺、聚酰胺、催化劑5.3.2選型及結(jié)構(gòu)在大環(huán)管內(nèi)生成的聚酰胺與丙稀混合物為漿料，為防止運(yùn)輸時(shí)管線堵塞，因此在大環(huán)管內(nèi)丙稀單程轉(zhuǎn)化率不宜過(guò)高，通過(guò)控制環(huán)管內(nèi)混合物堆積密度來(lái)控制轉(zhuǎn)化率。在物料衡算中已計(jì)算出大環(huán)管的體積為：V＝63.5625m3環(huán)管截面積為：S＝ЛR2＝3.14×0.252＝0.1963m2則環(huán)管的長(zhǎng)度為：L＝V÷S＝63.5625÷0.1963＝323.80m將其分為12根直管，每根直管段高26.98m。則大環(huán)管為一內(nèi)徑為0.5m的環(huán)管，有12根直管，直管段高為26.98m，通過(guò)5個(gè)180o的彎管連接起來(lái)，容積為63.5625m3。環(huán)管采用低溫碳鋼，為了防止粘壁，內(nèi)表面需拋光處理，表面粗糙度Ea=2.5。直管部分表面積：π*d*h=3.14*0.5*12*26.98=508.37m3，而所需換熱面積為：280.15m2故設(shè)計(jì)合理，選擇的大環(huán)管合適。環(huán)管反應(yīng)器的直管部分裝有夾套，夾套材質(zhì)為C.S。在夾套的上下兩處有夾套水出入口，根據(jù)配管要求，這兩部分的直徑被加大。由于環(huán)管與夾套溫差較大，因此在夾套上還裝有膨脹節(jié)。在大環(huán)管下部裝有軸流泵，它的作用就是使物料高速循環(huán)起來(lái)。使加入的催化劑分布均勻，并提高傳熱系數(shù)，反應(yīng)熱通過(guò)夾套中的循環(huán)冷卻水撤走。圖5.2環(huán)管反應(yīng)器5.4閃蒸罐的選型閃蒸就是高壓的飽和水進(jìn)入比較低壓的容器中后由于壓力的突然降低使這些飽和水變成一部分的容