《精细化学品合成》课程设计

《精细化学品合成》课程设计一、课程设计的目的了解重要有机精细化学品的合成原理和路线，根据反应路线进行设备选型和尺寸计算，设备工艺参数的确定及辅助设备的确定，绘制流程图，培养初步进行工程设计的能力。

二、设计任务书设计热引发苯乙烯单体聚合用的搅拌反应釜。

给定条件如下：（1）聚苯乙烯年产量：5000吨（2）年生产时间：7800小时（3）稀释剂：甲苯，在反应液中的质量百分含量为12%（4）最终聚合率：80%针对特定精细化学品的合成，设计反应器。

要求说明合成原理、合成路线，并根据原理和路线，设计搅拌式反应器尺寸、工艺参数以及所需的辅助设备，最终绘制反应器和辅助设备的流程图。

三、设计说明书1、聚苯乙烯分子式如下：2、聚苯乙烯的介绍：1),聚苯乙烯是指由苯乙烯单体经自由基缩聚反应合成的聚合物，它是一种无色透明的热塑性塑料，具有高于摄氏100度的玻璃转化温度，因此经常被用来制作各种需要承受开水的温度的一次性容器，以及一次性泡沫饭盒等。

普通聚苯乙烯树脂属无定形高分子聚合物，聚苯乙烯大分子链的侧基为苯环，大体积侧基为苯环的无规排列决定了聚苯乙烯的物理化学性质，如透明度高.刚度大.玻璃化温度高，性脆等。

可发性聚苯乙烯为在普通聚苯乙烯中浸渍低沸点的物理发泡剂制成，加工过程中受热发泡，专用于制作泡沫塑料产品。

高抗冲聚苯乙烯为苯乙烯和丁二烯的共聚物，丁二烯为分散相，提高了材料的冲击强度，但产品不透明。

间规聚苯乙烯为间同结构，采用茂金属催化剂生产，是近年来发展的聚苯乙烯新品种，性能好，属于工程塑料。

2),聚苯乙烯的物性：聚苯乙烯非晶态密度1.04～1.06克/厘米3，晶体密度1.11～1.12克/厘米3，熔融温度240℃，电阻率为1020～1022欧·厘米。

导热系数30℃时0.116瓦/(米·开)。

通常的聚苯乙烯为非晶态无规聚合物，具有优良的绝热、绝缘和透明性，长期使用温度0～70℃，但脆，低温易开裂。

此外还有全同和间同立构聚苯乙烯。

全同聚合物有高度结晶性。

聚苯乙烯相对密度也仅次于PP、PE，具有优异的电性能，特别是高频特性好，另外，在光稳定性方面仅次于甲基丙烯酸树脂，但抗放射线能力是所有塑料中最强的。

聚苯乙烯最重要的特点是熔融时的热稳定性和流动性非常好，所以易成型加工，特别是注射成型容易，适合大量生产。

成型收缩率小，成型品尺寸稳定性也好。

热性能：最高工作温度为60～80℃。

当加热至Tg以上，PS转变为高弹态，且保持这种状态在较宽的范围内，这就使其热成型提供方便。

PS的热变形温度为70～80℃，脆化温度为-30℃，PS在高真空和330～380℃下剧烈降解。

防腐蚀、经久耐用性：一般的硬质发泡保温材料使用几年后易产生老化，随之导致吸水造成性能下降。

而挤塑板因具有优异的防腐蚀、防老化性、保温性，在高水蒸汽压力下，仍能保持其优异性能，使用寿命可达到30-40年。

3),中国生产聚苯乙烯的现状1>,中国国产产品性能和质量较差，不能满足市场的要求中国聚苯乙烯产品的质量和性能较差，除外资及合资企业产品外，国内厂商的产品多数不能满足电子行业等用户对产品性能和质量的要求，难以进入这个庞大的市场。

在聚苯乙烯需求量最大的电子／电器行业中，进口产品占绝对优势，国产树脂只有少量应用，而且只能用于低档产品。

国内知名电器制造商为了保证其产品质量，全部使用进口原料或外资合资企业的产品，连用于防震外包装的发泡聚苯乙烯也通常使用进口产品或合资企业的产品。

2>,装置规模偏小，缺乏竞争力目前国内有聚苯乙烯生产厂近40家，大部分能力在3万吨／年以下，还有不少规模在1万吨／年左右的小型装置。

能力达到10万吨／年的生产厂仅有5家。

小装置不但产品质量不能和先进的大型生产装置相比，而且生产成本也较高，在市场竞争中处于劣势。

3>,原料供应不足，装置开工率低与聚苯乙烯生产的高速发展不相适应的是，其原料苯乙烯生产发展相对较慢，聚苯乙烯装置的原料来源受到限制，开工率受到影响。

1999年，中国苯乙烯生产能力为84.6万吨／年，产量60.2万吨，即使全部用于生产聚苯乙烯也仅能满足国内聚苯乙烯生产需要的43％。

原料供应的不足是造成装置开工率较低的主要原因之一。

1999年，中国聚苯乙烯产量约94万吨，装置的平均开工率仅为67％，生产能力大量闲置，进一步增加了中国对进口聚苯乙烯的依赖程度。

3、聚苯乙烯的合成1),聚苯乙烯的合成方程式：nCH2=CH→CH2-CH n2),工艺流程(合成路线)见下图工艺流程简图3),合成原理：聚苯乙烯的聚合属于自由基聚合,主要分为链引发、链增长、链终止三个阶段。

1>．链引发a.引发剂分解,形成初级自由基R:R→2R·b.初级自由基与单体,形成单体自由基R·+ CH=CH2→R-CH2-CH·2>．链增长R-CH2-CH·+nCH2=CH→R2-CH n CH2-CH·3>．链终止①偶合终止R CH2-CH nCH2-CH·+R CH2-CH m CH2-CH·→R CH2-CH nCH2-CH=CH-CH2CH-CH2mR②歧化终止R2-CH2-CH·+R CH2-CH CH2-CH·→R2-CH nCH2-CH2+R CH2-CH CH=CH四、设计计算书1、计算原理：聚苯乙烯年产量5000吨，年生产小时7800小时 稀释剂：甲苯（在反应液中质量百分含量12%） 最终聚合率 80% 由上得出：聚合物的生产速率kg/h /G p 64178006105=⨯=反应液流量h kg G/25.8018.0/641==其中稀释剂流量h kg Gs/15.9612.025.801=⨯=反应速度方程式和聚合釜中的物料及热量衡算式如下：A A kC r = （1）0=+-R A A Ai i V r VC C V （2）()()()0___=--+∆+-a c A r R A i p Q t t KA H V r t t C G （3）A r ：单体转化速率； G ：反应液质量流量； K :总传热系数；k ：反应速率常数； t ：反应温度； A ：聚合釜传热面积；A C :单体温度； ct ：载热体温度； a Q ：搅拌产生的热量；V：反应液体积流量； ___p C ：反应液平均热容； R V :反应器体积；()A R H ∆：聚合反应热；下角标i 表示聚合釜入口，第二釜以后即为前一釜的出口数值。

随着反应的进行。

反应液的密度ρ会发生变化，将A C 为聚合率A x 的函数，即()00/1ρρA A A x C C -= （4）式中 0A C 、0ρ——原料液中的单体浓度和密度。

将式（1）及（4）代入（2），得 ()()A Ai A Rx k x x G V -=-1/ρ （5）()f a r c c Q Q Q t t kA Q -+=-= （6）()()0/ρAi A A A r x x rH GC Q -∆-= （7）P Q a 3106.3⨯= （8） ()i P f t t C G Q -=___（9）式中 c Q ——由载热体传走的热量；r Q ——反应放热量；a Q ——由搅拌产生的热量；f Q ——原料液温度上升到反应温度所需的热量；it ——进口原料液的温度，3106.3⨯是1kW 功可转换为热量的（kJ ）。

附图2~4（如下）分别表示上述计算中所需的各种温度和聚合转化率A x 下的反应液的密度、比热容以及在140C ︒下反应液的粘度。

密度和比热容数据是由苯乙烯单体及其聚合物溶液的数值与稀释剂甲苯的数值在假定具有可加性的前提下推算而得到的。

粘度的数据是由单体与聚合物混合液的数值（假设甲苯为单体推算而得的。

附图5、6为将聚合反应作为一级反应时的速度常数k 和聚合反应热()A rH ∆与温度的关系。

由图可知，在140C ︒时，126.0-=h k，()131034.74-⋅⨯-=∆kmol kJ rH A ）2、设计条件：1）、选定反应釜的个数为4个，各釜的聚合温度均为140℃。

2）、选定允许温差为△T=20℃3、第一釜的设计和计算1) 计算釜的容积和传热面积：设第一釜的聚合转化率45.0=A x （查附图2得：3/850m kg =ρ） 由式（5）得：釜的有效容积()()()()3397.29653.245.0185026.0045.025.8011m m x k x x G V A Ai A R ≈=-⨯⨯-⨯=--=ρ 选定筒体的长径比为1.5，根据JB1153-73规定选取筒体公称直径为D ，则高H=1.5D∴有：⎩⎨⎧==⇒=⇒=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛m H m D D D D 04.236.152.297.25.1232π27.804.236.114.3m DH A =⨯⨯==∴π2) 计算搅拌器转速和功率选定桨叶直径与管径的比值d/D=1/3 d=1/3D=0.45m 总体流速1min 4.6-⋅=m u泵送量132min 3.9236.114.34.6-⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯==m uA Q S设搅拌体系的流型属湍流区，当d/D=0.33时，查泵送准数Q N 与叶轮雷诺数关系图（附图7）得：78.0=Q N∴搅拌器转速为 1133218min 13145.078.03.9--⋅⋅=⨯=⋅=s r r d N Q N Q查附图4得 1103.03.0--⋅⋅==s m kg ρμ雷诺数 4221025.103.085018.245.0⨯=⨯⨯==μρN d R e根据液层深度与釜径比，安装1个叶轮，n=1搅拌器功率可按下式计算：kw d N n P 97.045.018.2850665353=⨯⨯⨯==ρ因反应液粘度不高，为防止搅拌产生漩涡，在釜壁安装4块挡板，宽度为釜径的1/10，即0.14m ；叶轮距釜底距离为液层深度的1/3，约为0.93m 。

3) 计算总传热系数在有挡板采用涡轮式搅拌器的情况下，夹套给热系数可通过下式计算：14.09/23/13/2sin 46.0--Ω⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=μμδωρλαw i i r e i H d z H R D式中 λ——流体导热系数； ω ——桨叶宽度； δ——桨叶倾斜角度； z ——桨叶数； i H ——夹套高度；μ——流体粘度；w μ——壁面温度下流体粘度； Ω —— 指数。

()16151025.13/243/2=⨯=eR由附图查得：1106.2--⋅⋅=k kg kJ C p 1142.0--⋅⋅=k h kJ λ1110803.0--⋅⋅=⋅=h m kg S Pa μw μ的估算值为S Pa ⋅212.0即：()()09.842.0/10806.2/3/13/13/1=⨯=⋅=λμp rC P根据HG 5-221-65 选定搅拌尺寸 m d 45.0=，叶长m l 15.0=，叶宽m 12.0=ω，平叶 90=δ，叶片数6=z ，夹套高m H i0.2=，挡板数4=B n即 ()36.00.2/60.112.0/sin =⨯⨯=⋅z H i δω()[]()()()()11214.014.0/9/29/219.02/12/12/11.161936.1/42.076.0393.1824.009.8161546.076.003.0/2129.0393.10.2/45.0/824.036.0/sin 19.002.015.066.0433.033.0-------⋅⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯========+=Ω=⨯=k h m kJ H z H n n i w i n i BBαμαδωμ设：载热体一侧给热系数11230102.4---⋅⋅⋅⨯=k h m kJ α釜壁两侧污垢系数120002.0-⋅⋅⋅=kJ k h m f c釜壁厚mm r 10=∆釜壁导热系数1115.58---⋅⋅⋅=k h m kJ s λ则 3010226.1//1/1/1-⨯=+∆++=c s i f r k λαα1127.815---⋅⋅⋅=∴k h m kJ k4) 热量衡算及误差校核计算苯乙烯的聚合反应热，苯乙烯的相对分子质量为2.104=m M则：反应放热量()()133001038.2262.10445.01034.7488.025.801-⋅⨯=⨯⨯⨯⨯=-∆-⋅=h kJ M x x rH C G Q m Ai A A A r ρ（0A C ：开始时的单体浓度；88.0%1210=-=A C ）将原料液冷却至C ︒10再供入釜中，入口和出口热容的算数平均值11___88.1--⋅⋅=k kg kJ C P《精细化学品合成》课程设计应化0701 骆云龙 学号：200705010112 11 由此物料放出的热量为：()()13___108.1951014088.125.801-⋅⨯=-⨯⨯=-⋅=h kg t t C G Q i P f 由搅拌产生的热量，可由搅拌功率求出，即： 133105.3106.397.097.0-⋅⨯=⨯⨯≈=h kg kw Q a需要由夹套导出的热量为:()13131008.34108.1955.338.226--⋅⨯=⋅⨯-+=-+=h kJ h kJ Q Q Q Q f a r c 计算反应液与载液体之间误差t ∆C C kA Q t c ︒<︒=⨯⨯==∆2008.47.87.8151008.343所以，设计方案成功。