《精細(xì)化學(xué)品合成》課程設(shè)計(jì)

1、精細(xì)化學(xué)品合成課程設(shè)計(jì)精細(xì)化學(xué)品合成課程設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)的目的了解重要有機(jī)精細(xì)化學(xué)品的合成原理和路線，根據(jù)反應(yīng)路線進(jìn)行設(shè)備選型和尺寸計(jì)算，設(shè)備工藝參數(shù)的確定及輔助設(shè)備的確定，繪制流程圖，培養(yǎng)初步進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)熱引發(fā)苯乙烯單體聚合用的攪拌反應(yīng)釜。給定條件如下：（1）聚苯乙烯年產(chǎn)量：5000噸（2）年生產(chǎn)時(shí)間：7800小時(shí)（3）稀釋劑：甲苯，在反應(yīng)液中的質(zhì)量百分含量為12%（4）最終聚合率：80%針對(duì)特定精細(xì)化學(xué)品的合成，設(shè)計(jì)反應(yīng)器。要求說(shuō)明合成原理、合成路線，并根據(jù)原理和路線，設(shè)計(jì)攪拌式反應(yīng)器尺寸、工藝參數(shù)以及所需的輔助設(shè)備，最終繪制反應(yīng)器和輔助設(shè)備的流程圖。三、設(shè)計(jì)說(shuō)明

2、書(shū)1、聚苯乙烯分子式如下： 2、聚苯乙烯的介紹：1),聚苯乙烯是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基縮聚反應(yīng)合成的聚合物，它是一種無(wú)色透明的熱塑性塑料，具有高于攝氏100度的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，因此經(jīng)常被用來(lái)制作各種需要承受開(kāi)水的溫度的一次性容器，以及一次性泡沫飯盒等。普通聚苯乙烯樹(shù)脂屬無(wú)定形高分子聚合物，聚苯乙烯大分子鏈的側(cè)基為苯環(huán)材料的沖擊強(qiáng)度，但產(chǎn)品不透明。間規(guī)聚苯乙烯為間同結(jié)構(gòu)，采用茂金屬催化劑生產(chǎn)，是近年來(lái)發(fā)展的聚苯乙烯新品種，性能好，屬于工程塑料。2),聚苯乙烯的物性：聚苯乙烯非晶態(tài)密度1.041.06克/厘米3，晶體密度1.111.12克/厘米3，熔融溫度240，電阻率為10201022歐·

3、;厘米。導(dǎo)熱系數(shù)30時(shí)0.116瓦/(米·開(kāi))。通常的聚苯乙烯為非晶態(tài)無(wú)規(guī)聚合物，具有優(yōu)良的絕熱、絕緣和透明性，長(zhǎng)期使用溫度070，但脆，低溫易開(kāi)裂。此外還有全同和間同立構(gòu)聚苯乙烯。全同聚合物有高度結(jié)晶性。聚苯乙烯相對(duì)密度也僅次于PP、PE，具有優(yōu)異的電性能，特別是高頻特性好，另外，在光穩(wěn)定性方面僅次于甲基丙烯酸樹(shù)脂，但抗放射線能力是所有塑料中最強(qiáng)的。聚苯乙烯最重要的特點(diǎn)是熔融時(shí)的熱穩(wěn)定性和流動(dòng)性非常好，所以易成型加工，特別是注射成型容易，適合大量生產(chǎn)。成型收縮率小，成型品尺寸穩(wěn)定性也好。 熱性能：最高工作溫度為6080。當(dāng)加熱至Tg以上，PS轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，且保持這種狀態(tài)在較寬的范圍

4、內(nèi)，這就使其熱成型提供方便。PS的熱變形溫度為7080，脆化溫度為-30，PS在高真空和330380下劇烈降解。 防腐蝕、經(jīng)久耐用性：一般的硬質(zhì)發(fā)泡保溫材料使用幾年后易產(chǎn)生老化，隨之導(dǎo)致吸水造成性能下降。而擠塑板因具有優(yōu)異的防腐蝕、防老化性、保溫性，在高水蒸汽壓力下，仍能保持其優(yōu)異性能，使用壽命可達(dá)到30-40年。3),中國(guó)生產(chǎn)聚苯乙烯的現(xiàn)狀1>,中國(guó)國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品性能和質(zhì)量較差，不能滿足市場(chǎng)的要求中國(guó)聚苯乙烯產(chǎn)品的質(zhì)量和性能較差，除外資及合資企業(yè)產(chǎn)品外，國(guó)內(nèi)廠商的產(chǎn)品多數(shù)不能滿足電子行業(yè)等用戶對(duì)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的要求，難以進(jìn)入這個(gè)龐大的市場(chǎng)。在聚苯乙烯需求量最大的電子電器行業(yè)中，進(jìn)口產(chǎn)品占絕對(duì)

5、優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂只有少量應(yīng)用，而且只能用于低檔產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)知名電器制造商為了保證其產(chǎn)品質(zhì)量，全部使用進(jìn)口原料或外資合資企業(yè)的產(chǎn)品，連用于防震外包裝的發(fā)泡聚苯乙烯也通常使用進(jìn)口產(chǎn)品或合資企業(yè)的產(chǎn)品。 2>,裝置規(guī)模偏小，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力目前國(guó)內(nèi)有聚苯乙烯生產(chǎn)廠近40家，大部分能力在3萬(wàn)噸年以下，還有不少規(guī)模在1萬(wàn)噸年左右的小型裝置。能力達(dá)到10萬(wàn)噸年的生產(chǎn)廠僅有5家。小裝置不但產(chǎn)品質(zhì)量不能和先進(jìn)的大型生產(chǎn)裝置相比，而且生產(chǎn)成本也較高，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。 3>,原料供應(yīng)不足，裝置開(kāi)工率低與聚苯乙烯生產(chǎn)的高速發(fā)展不相適應(yīng)的是，其原料苯乙烯生產(chǎn)發(fā)展相對(duì)較慢，聚苯乙烯裝置的原料來(lái)源受到限制，開(kāi)工率

6、受到影響。1999年，中國(guó)苯乙烯生產(chǎn)能力為84.6萬(wàn)噸年，產(chǎn)量60.2萬(wàn)噸，即使全部用于生產(chǎn)聚苯乙烯也僅能滿足國(guó)內(nèi)聚苯乙烯生產(chǎn)需要的43。原料供應(yīng)的不足是造成裝置開(kāi)工率較低的主要原因之一。1999年，中國(guó)聚苯乙烯產(chǎn)量約94萬(wàn)噸，裝置的平均開(kāi)工率僅為67，生產(chǎn)能力大量閑置，進(jìn)一步增加了中國(guó)對(duì)進(jìn)口聚苯乙烯的依賴程度。 3、聚苯乙烯的合成1),聚苯乙烯的合成方程式：nCH2=CHCH2-CHn 2),工藝流程(合成路線)見(jiàn)下圖工藝流程簡(jiǎn)圖3),合成原理：聚苯乙烯的聚合屬于自由基聚合,主要分為鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止三個(gè)階段。1>鏈引發(fā)a.引發(fā)劑分解,形成初級(jí)自由基 R:R2R·b.初級(jí)

7、自由基與單體,形成單體自由基 R·+ CH=CH2R-CH2-CH· 2>鏈增長(zhǎng)R-CH2-CH·+nCH2=CHR-CH2-CHnCH2-CH· 3>鏈終止偶合終止RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·RCH2-CHnCH2-CH=CH-CH2 CH-CH2 mR歧化終止RCH2-CHnCH2-CH·+RCH2-CHmCH2-CH·RCH2-CHnCH2-CH2+R CH2-CHmCH=CH 四、設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)1、計(jì)算原理：聚苯乙烯年產(chǎn)量5000噸，年生產(chǎn)小時(shí)7800小時(shí)稀釋劑：甲

8、苯（在反應(yīng)液中質(zhì)量百分含量12%）最終聚合率 80%由上得出：聚合物的生產(chǎn)速率反應(yīng)液流量其中稀釋劑流量反應(yīng)速度方程式和聚合釜中的物料及熱量衡算式如下： （1） （2） （3）：?jiǎn)误w轉(zhuǎn)化速率； ：反應(yīng)液質(zhì)量流量； :總傳熱系數(shù)；：反應(yīng)速率常數(shù)； ：反應(yīng)溫度； ：聚合釜傳熱面積；:單體溫度； ：載熱體溫度； ：攪拌產(chǎn)生的熱量；：反應(yīng)液體積流量； ：反應(yīng)液平均熱容； :反應(yīng)器體積；：聚合反應(yīng)熱；下角標(biāo)i表示聚合釜入口，第二釜以后即為前一釜的出口數(shù)值。隨著反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)液的密度會(huì)發(fā)生變化，將為聚合率的函數(shù)，即 （4）式中 、原料液中的單體濃度和密度。將式（1）及（4）代入（2），得 （5） （6）

9、（7） （8） （9）式中 由載熱體傳走的熱量；反應(yīng)放熱量；由攪拌產(chǎn)生的熱量；原料液溫度上升到反應(yīng)溫度所需的熱量； 進(jìn)口原料液的溫度，是1kW功可轉(zhuǎn)換為熱量的（kJ）。附圖24（如下）分別表示上述計(jì)算中所需的各種溫度和聚合轉(zhuǎn)化率下的反應(yīng)液的密度、比熱容以及在140下反應(yīng)液的粘度。密度和比熱容數(shù)據(jù)是由苯乙烯單體及其聚合物溶液的數(shù)值與稀釋劑甲苯的數(shù)值在假定具有可加性的前提下推算而得到的。粘度的數(shù)據(jù)是由單體與聚合物混合液的數(shù)值（假設(shè)甲苯為單體推算而得的。附圖5、6為將聚合反應(yīng)作為一級(jí)反應(yīng)時(shí)的速度常數(shù)k和聚合反應(yīng)熱與溫度的關(guān)系。由圖可知，在140時(shí)，）2、設(shè)計(jì)條件：1）、選定反應(yīng)釜的個(gè)數(shù)為4個(gè)，各釜的

10、聚合溫度均為140。2）、選定允許溫差為T(mén)=20 3、第一釜的設(shè)計(jì)和計(jì)算1) 計(jì)算釜的容積和傳熱面積：設(shè)第一釜的聚合轉(zhuǎn)化率 （查附圖2得：）由式（5）得：釜的有效容積選定筒體的長(zhǎng)徑比為1.5，根據(jù)JB1153-73規(guī)定選取筒體公稱直徑為D，則高H=1.5D有：2) 計(jì)算攪拌器轉(zhuǎn)速和功率選定槳葉直徑與管徑的比值d/D=1/3 d=1/3D=0.45m總體流速泵送量設(shè)攪拌體系的流型屬湍流區(qū)，當(dāng)d/D=0.33時(shí)，查泵送準(zhǔn)數(shù)與葉輪雷諾數(shù)關(guān)系圖（附圖7）得：攪拌器轉(zhuǎn)速為 查附圖4得 雷諾數(shù) 根據(jù)液層深度與釜徑比，安裝1個(gè)葉輪，n=1攪拌器功率可按下式計(jì)算：因反應(yīng)液粘度不高，為防止攪拌產(chǎn)生漩渦，在釜壁安

11、裝4塊擋板，寬度為釜徑的1/10，即0.14m；葉輪距釜底距離為液層深度的1/3，約為0.93m。3) 計(jì)算總傳熱系數(shù)在有擋板采用渦輪式攪拌器的情況下，夾套給熱系數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算：式中 流體導(dǎo)熱系數(shù)； 槳葉寬度； 槳葉傾斜角度； 槳葉數(shù)； 夾套高度； 流體粘度； 壁面溫度下流體粘度； 指數(shù)。由附圖查得： 的估算值為即：根據(jù)HG 5-221-65 選定攪拌尺寸 ，葉長(zhǎng)，葉寬，平葉，葉片數(shù)，夾套高，擋板數(shù)即 設(shè)：載熱體一側(cè)給熱系數(shù)釜壁兩側(cè)污垢系數(shù)釜壁厚釜壁導(dǎo)熱系數(shù)則 4) 熱量衡算及誤差校核計(jì)算苯乙烯的聚合反應(yīng)熱，苯乙烯的相對(duì)分子質(zhì)量為則：反應(yīng)放熱量 （：開(kāi)始時(shí)的單體濃度；）將原料液冷卻至再供入釜中，入口和出口熱容的算數(shù)平均值由此物料放出的熱量為：由攪拌產(chǎn)生的熱量，可由攪拌功率求出，即：需要由夾套導(dǎo)出的熱量為:計(jì)算反應(yīng)液與載液體之間誤差所以，設(shè)計(jì)方案成