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常州工程职业技术学院《聚合反应过程及设备》项目实施过程报告项目名称：苯乙烯聚合设备设计姓名：项目组：第三组时间：2013.4.13任务一：聚苯乙烯间歇釜式反应器体积设计•一、设计原理1、概念生产时间（Ʈ生）：间歇反应器物料进行反应达到所要求的转化率所需要的时间。辅助时间（Ʈ辅）：除生产时间外还必须有的对生产起辅助作用的时间，如加料、卸料及清洗时间。装料系数（Φ）：料液体积占罐总体积的比例，称为填充系数，也称装料系数，表示加入釜内的物料体积占釜总体积的分数。反应器的有效体积（VR）：反应物料所占体积。反应器的实际体积：单位装料系数下是反应器有效体积。2、反应器设计原理•物料衡算式进入微元体积的反应物的速度=流出微元体积的反应物的速度+在微元体积内由于化学反应而消耗的反应物的速度+在微元体积内反应物的累积速度或流入速度=流出速度+反应掉的速度+累积速度•间歇釜式反应器物料衡算式因釜内各点的组成、温度相同，其在反应过程中无物料加入和引出故间歇釜式反应器物料衡算式可变为：釜内由于反应而消耗反应物A的速度=-釜内反应物A的累积速度==反应物A的消耗量÷（时间x反应物的体积）×反应物的体积3、反应器体积计算反应总时间Ʈ总=Ʈ生产+Ʈ辅助有效体积VR=V0Ʈ总实际体积V=VR/φ•二、任务解读1、反应器设计所需要的参数苯乙烯聚合设备设计参数项目要求辅助时间1h生产速率898Kg/h年产量/吨7000反应温度140℃反应液流量1282Kg/h生产时间/h7800速率常数0.25稀释剂流量154Kg/h甲苯/%12转化率0.45苯乙烯流量1128.2kg/h聚合率/%79.5粘度1002、参数选定依据•反应温度:140℃根据书表6-1，聚苯乙烯的平均分子质量为1.5×105左右，稀释剂为12%时，选定温度为140℃。•速率常数：0.25根据表6-4反应速率常数K与温度的关系表，当温度为140℃时，速率常数为0.25。•辅助时间：通常选择1-1.5h之间，所以选择1h。•密度：根据表6-11，温度与密度关系，当温度为140℃时，密度为880kg/m-³。•装料系数：根据经验，一般选取在0.75-0.85之间。三、苯乙烯间歇聚合釜体积设计聚合物生产速率：WD=7000000÷7800=898kg/h反应液流量：W=898÷0.70=1282kg/h稀释剂流量：Ws=1282×0.12=154kg/h苯乙烯流量：1282×0.88=1128.2kg/h当T=140℃时，K=0.25，ρ=880，Φ=0.8,采用二级反应：CA0=V0/ρ=1128.2/880=1.28kmol/m³Ʈ=1/k×XA/CA0（1-XA）Ʈ=1/0.25×0.7/1.28（1-0.7)=7.3hƮ辅=1hƮ总=7.3+1=8.3h因为VR=V0×V总所以VR=1128.2×8.3=9346.06=9.34606m³又因为V=VR÷Φ所以V=9.34606÷0.8=11.705075m³所以采用间歇釜式反应器所得反应器体积为11.705075m³.任务二：聚苯乙烯连续釜式反应器体积设计•一、设计原理1、单级连续反应器设计原理单级反应器的操作系统连续进料和连续出料，釜内各处的组成和温度均匀，不随时间而变化，是稳态操作，且出口组成与釜内组成相同。2、反应器体积计算方法物料衡算式进入微元体积的反应物的速度=流出微元体积的反应物的速度+在微元体积内由于化学反应而消耗的反应物的速度+在微元体积内反应物的累积速度或流入速度=流出速度+反应掉的速度+累积速度单级连续反应器物料衡算式因为单级连续反应器是连续稳态过程，没有物料的累积所以物料衡算式可简化为：加入反应物A的速度=引出反应物A的速度+由于反应而消耗的反应物A的速度v0CA0=v0CA+ץAVRCA0-CA=ץA×VR/VO或Ʈ=VR/V0=(CA0-CA)/ץA式中v0——加入到反应物的容积速度Ʈ——平均停留由于反应器内各处的组成和温度相同，且不随时间而变化因而反应速度恒定不变，即ץA为一常数所以利用上式计算时不必积分。对于恒容过程，一级反应时：ץA=kCA=kCA0(1-XA)因为XA=（CA0-CA)/CA0所以Ʈ=VR/V0=CA0XA/kCA0(1-XA)=XA/k(1-XA)二级反应：ץA=kCA2=KCA0²(1-XA)²Ʈ=VR/V0=CA0XA/kCA0²(1-XA)²=XA/kCA0(1-XA)²二、任务解读1、反应器设计所需要的参数苯乙烯聚合设备设计参数项目要求辅助时间1h生产速度898kg/h年产量/吨7000反应温度℃140反应液流量1282kg/h生产时间/h7800转化率0.45稀释剂流量154kg/h甲苯/%12密度880苯乙烯流量1128.2kg/h聚合率/%79.5装料系数0.8三、单级连续苯乙烯聚合釜体积设计聚合物生产速率：WD=7000000÷7800=898kg/h反应液流量：W=898÷0.70=1282kg/h稀释剂流量：Ws=1282×0.12=154kg/h苯乙烯流量：1282×0.88=1128.2kg/h当T=140℃时，K=0.25，ρ=880，Φ=0.8对于一级反应：Ʈ=1/k×XA/（1-XA）=1÷0.25×0.7/（1-0.7）=9.3h因为VR=V0×Ʈ所以VR=1128.2×9.3=10529.87=10.5298m³所以V=10.5298÷0.8=13.16225m³所以采用单机连续釜式反应器所需体积为13.16225m³。任务三：聚苯乙烯多级连续釜式反应器体积设计•一、设计基本原理1、多级串联理想混合釜式反应器设计原理以每级反应釜内为理想混合、级际无返混为基础。在多级串联理想混合釜式反应器串联的级数越多，越接近与平推流反应器，在相同的反应器容积时，所能达到的最终转化率就越高，或者在相同的转化率时所需的总容积越小。多级串联理想混合釜式反应器的每一釜都可以看作一个单级理想混合连续反应过程。2、反应器体积计算方法•V0CA(i-1)=V0CAi+ץAiVRi•CA(i-1)=CAi+ץAiƮi•CA(1-i)=CAi+ץAiƮi式中CA(i-1)——进入i级对应物A的浓度Cai——离开第i级时反应物A的浓度Ʈ=Vri/V0一级反应：CA1=CA0/(1+k1Ʈ1）二级反应：CA2=CA1/(1+k2Ʈ2)=CA0/(1+k1Ʈ1)(1+k2Ʈ2)•二、任务解读1、反应器设计所需要的参数苯乙烯聚合设备设计参数项目要求反应温度140℃生产速率898kg/h年产量/吨7000速率常数0.25反应液流量1282kg/h生产时间/h7800转化率0.45稀释剂流量154kg/h甲苯/%12粘度100苯乙烯流量1128.kg/h聚合率/%79.5装料系数0.8三、多级串联理想混合釜式反应器体积设计聚合物生产速率：WD=7000000÷7800≈898kg/h反应液流量：W=898÷0.70≈1282kg/h稀释剂流量：Ws=1282×0.12≈154kg/h苯乙烯流量：1282×0.88≈1128.2kg当T=140℃，k=0.25，ρ=880kg/m-³，CA0=V0/ρ=1282÷880≈1.46取X1=0.5，X2=0.6，X3=0.7,X4=0.795VR1=V0X1/kCA0(1-X1）=1128.2×0.5/0.25×1.28（1-0.5）²≈7051.52=7.05152m³VR2=V0(X2-X1)/kCA0(1-X2)²=1128.2×（0.6-0.5）/0.25×1.28（1-0.6）²≈2203.5156=2.2035m³VR3=V0(X3-X2)/kCA0(1-X3)²=1128.2×(0.7-0.6)/0.25×1.28(1-0.7)²≈3916.67=3.9167m³VR4=V0(X4-X3)/KCA0(1-X4)²=1128.2×(0.795-0.7)/0.25×1.28(1-0.795)²≈7969.88=7.9699m³V总=V1+V2+V3+V4=7.05152+2.2035+3.9167+7.9699=21.1416m³