河南城建学院本科毕业设计 3工艺衡算和设备选型
水： 20639.?29聚合物： 16886.?69(8) 整理并校核计算结果
对聚合工序做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律有：整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。
(9) 生产聚丙烯酸钠的各工序物料衡算整理如表3-2。
表3.2 生产聚丙烯酸钠各工序物料衡算结果
工序名称 输出 原料 质量（kg） 产品 输入 质量（kg） ?6.176.?17206 4168 9配碱 99%片碱 7181.24 纯水 9574.99 30%氢氧化钠 23937.47 30%氢氧化钠 23937.47 中和液 37525.98 其中：丙烯酸钠 16886.69 水 20639.29 聚合物 16886.69 水 20639.29 分散剂 67546.76 分散稳定剂 337.73 中和 99%丙烯酸 12937.01 纯水 651.51 中和液 37525.98 聚合 2%引发剂 6.17 分散剂 67546.76 分散稳定剂 337.73 3.1.2热量衡算
聚丙烯酸钠的生产可分为多个工序，每一个生产工序都有一定的能量变化，因此各工序分别计算。整个过程均采用25℃作为基准温度，生产1批聚丙烯酸钠产品各工序的原料需求情况按物料衡算表中计。 (1) 配碱工序
由物料衡算可知，在配碱工序中，需纯氢氧化钠7181.24g，溶解用水 6124.27kg，氢氧化钠的质量百分比浓度为30%，折算为物质的量为分别为：
7181.24?1000?179531mol 氢氧化钠： nNaOH?4016756.23?1000?930901.67mol 水： nH2O?18查表可知氢氧化钠在此浓度下的溶解热为46.03kJ/mol，此浓度下溶液的平均比热为3.348kJ/kg?K，水的比热为4.18kJ/kg?K，已知片碱和纯水的进料温度为25℃，氢氧化钠溶液的出料的温度为30℃，配碱过程最大温升65℃，冷却水出入平均温差为10℃。
输入的热量Q1入包括氢氧化钠带入的热量Q11，纯水带入的热量Q12，氢氧化
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钠带入的溶解热Q13，由于氢氧化钠带入的热量Q11和纯水带入的热量Q12为0。
所以 Q1入?46.0?31795?31移走的热量Q15。
其中 Q14?3.348?7181.23??30?25??120213.79kJ
由于Q1入?Q1出 Q15?Q1入?Q1?48263811.93?120213.79?8143598.14kJ 需冷却水的质量：
mH2O?8143598.14/?4.18?10??194822.92kg
(2) 中和工序
已知条件：丙烯酸的进料温度为25℃，比热为2.76kJ/kg?K，氢氧化钠水溶液的进料温度为30℃，平均比热为3.348kJ/kg?K，中和液的平均比热为
3.28kJ/kg?K，水的比热为4.18kJ/kg?K，100℃时水的蒸发热为2587kJ/kg，丙
826kJ 3811.93输出的热量Q1出出包括氢氧化钠溶液由25℃升到30℃所需的热量Q14和冷却
烯酸与氢氧化钠的中和热55.67kJ/mol，中和液输出温度为30℃，冷却水平均温差为10℃。
中和工序的输人热量Q2入包括：氢氧化钠水溶液引入的热量Q21，丙烯酸引入的热量Q22，丙烯酸中和热Q23，其计算结果如下：
氢氧化钠水溶液带入的热量：
Q21?3.348?7181.23??30?25??120213.79kJ
丙烯酸引入的热量为零：Q22?0
在中和工序中，中和度为100%，因此发生中和反应的丙烯酸为：
Q23?55.67?179531?9994490.77kJ
输入热量
Q2入?Q21?Q22?Q23?120213.79?9994490.77?10114704.56kJ
输出的热量Q2出出包括中和液移走的热量Q24，水分蒸发吸收的热量Q25，以及冷却水带走的热量Q26。其计算结果如下：
Q24?3.28?615426.07??30?25??625426.07kJ
这一工序水分蒸发很少，故水分蒸发热量可忽略不计。 所以 Q25?0
由于Q2入?Q2出 所以Q26?Q2入?Q24?10114704.56?615426.07?9499278.49kJ 冷却水用量：
mH2O?9499278/?4.18?10??227255.47kg
(3) 聚合反应工序
已知丙烯酸中和液的平均比热为3.28kJ/kg?K，中和液进料温度为30℃，丙
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烯酸钠的聚合热为77.7kJ/mol，水的比热为4.18kJ/kg?K，l00℃水的蒸发热为
2587kJ/kg，聚合物混合物出料温度为60℃，聚合物平均比热为2.53kJ/kg?K，
分散剂平均比热2.30kJ/kg?K
输入的热量Q3入包括：丙烯酸中和液引入的热量Q31，丙烯酸钠聚合的聚合反应放热Q32，其计算结果如下：
丙烯酸钠中和液引入的热量：
Q31?3.28?37525.98??30?25??615426.07kJ
聚合物反应放热：
Q32?77.7?179531?13949558.7kJ
则输入的热量：
Q3入?Q615426.0?731?Q32?13949?558.71kJ 4564984.77输出的热量Q3出包括生成的聚合物从25℃升温到60℃所需的热量Q33，分散介质带走的Q34和水从25℃到60℃的热量Q35及耗损的热量。其计算结果如下：
聚合物带走的热量：
Q33?2.53?16886.69??60?25??1495316.4kJ
分散介质带走的热量：
Q34?2.3?67546.76??60?25??5437508.55kJ
水带走的热量：
Q35?4.18?6197.95??60?25??906760.09kJ
(3) 生产聚丙烯酸钠的各工序物料衡算整理如下表3-3。
表3.3 生产聚丙烯酸钠的各工序热量衡算
工序名称
输入 Q1入
配碱
kJ 8263811.93
0 0
8263811.93 10114704.56 120213.79
0 9994490.77 14564984.77 615426.07 13949558.7
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输出
kJ 8263811.93 120213.79 8143598.14
10114704.56 615426.07
0 9499278.49 14564984.77 1495316.4 5437508.55 906760.09
Q1出 Q14
Q11
Q12 Q15
Q13
Q2入
中和
Q2出
Q21 Q22
Q24
Q25 Q26 Q3出 Q33 Q34 Q35
Q23 Q3入
聚合
Q31 Q32
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3.2 主要设备工艺尺寸的计算及选型
3.2.1各釜体高度与内径尺寸确定
(1) 配碱釜
日产聚丙烯酸钠101.53吨，需配碱液23937.47?6?143624.82kg；溶碱时最高温度为50℃，查得30%碱液的比重为1.33gcm3；则6.06吨碱液的体积为：
143.62482/1.33=107.99m3；
按装料系数75%计，需配碱釜容积为107.990.75?143.99m3。
生产工艺条件为：所处理的为碱性溶液，釜体内为常压，温度为50℃，夹套为循环冷却水，夹套内表压为0.3MPa，温度小于50℃，故可确定该釜属于带搅拌装置的低压反应釜。本设计采用圆筒形壳体和标准椭圆形封头作为釜体的结构型式，盛装物料的碱液可选用材质为钢的不锈钢釜。
查表得标准椭圆封头的体积为0.393D3、h封?D/4。令：h为釜体直边高度、
H为反应釜体的总高度，则：
H?h?2?h封?h?D/2?1.5D
因为所处理的物料为液-固相，其筒体高度于筒体直径之比H/D为1～1.5。若选1.5，则有：h?D
??V??D2?h?0.786D3??D3?0.262?D3?1.571D3
44得 D?3V143.99?3?4.509m 1.5711.571虽然釜属于非标准设备，但用于制造反应器的上下封头仍应选用标准封头。因为H/D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径4.51m。
釜体的直边高度为：
V?2?V封143.99?2?0.393?4.513??4.502m
0.785?D20.785?4.512釜体实际高度为：
H?h?2?h封?4.502?2?1.12275?6.757m
根据表取封头直边高度50mm，釜体圆形直筒部分高度：
4.502?2?0.05?4.402m
配碱釜的实际体积为：
?V??D2h?0.786D3?0.785?4.512?4.502?0.786?40513?143.99m3
4?7实际长径比： H/D?6.754?.51
搅拌型式可选用为推进式搅拌器，搅拌电机功率为9kw，转速为60r/min。
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(2)中和釜
中和釜用于对丙烯酸的完全中和，单生产线日产聚丙烯酸钠100t，按每批需中和液：
23937.47?12937.01?651.5?37525.98kg
在中和液60℃时，测得其密度为1.36gcm3，37525.98kg的中和液的体积为
27.60m3，按装料系数0.75计算，需中和釜的体积为27.60/0.75?36.8m3。
查表得标准椭圆封头的体积为0.393D3、h封?D/4。令：h为釜体直边高度、
H为反应釜体的总高度，则：
H?h?2?h封?h?D/2?1.5D
因为所处理的物料为液-固相，其筒体高度于筒体直径之比H/D为1~1.5。若选1.5，则有：h?D
??V??D2?h?0.786D3??D3?0.786?D3?1.571D3
44得 D?3V36.8?3?2.863m 1.5711.571用于制造反应器的上下封头选用标准封头。因为H/D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径2.87m。
釜体的直边高度为：
V?2?V封36.8?2?0.393?2.8633??2.853m 220.785?D0.785?2.863釜体实际高度为：
H?h?2?h封?2.853?2?2.853/4?4.285m
根据表取封头直边高度50mm，釜体圆形直筒部分高度：
2.853?2?0.05?2.753m
中和釜的实际体积为：
?V??D2h?0.786D3?0.785?2.8532?2.853?0.786?2.8633?36.80m3
4.863 实际长径比： H/D?4.285/2?按每批量计，可选用材质为带夹套的直径1600mm为搪瓷釜，配用60r/min的减速箱，三相搅拌电机3kw的标准设备。 (3)分散介质调配罐
分散介质调配罐用于对分散液的配置，每批反应需分散液：
67546.76?337.73?67884.49kg
测得分散液密度为1.0g/cm3，67884.49kg的介质液的体积为67.89m3，
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