1万吨腈纶聚合釜设计说明书

安徽理工大学课程设计说明书题目：年产1万吨腈纶聚合釜设计说明书院系：材料科学与工程学院专业班级：高分子材料与工程09级1班学号：2009300340学生姓名：陈志冲指导老师：于秀华王艳丽高俊珊2012年12月28日安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表安徽理工大学课程设计（论文）任务书材料科学与工程学院高分子材料教研室年产1万吨腈纶聚合反应釜的设计摘要丙烯腈（C3H3N)是聚合聚丙腈的单体，在实验室中，我们通常是用来作为一种纤维来研究。

这种纤维即腈纶，是由聚丙烯腈纺制的纤维或丙烯腈含量占85%以上的共聚物纺制而成。

由于腈纶有的性质和适应性，成为当今世界轻纺工业的重要原料，而受到消费者和企业家的青睐。

目前国内工业化的腈纶通过共聚第二单体如丙烯酸甲酯（MA）或醋酸乙烯酯(VAc)水相沉淀聚合聚丙烯腈。

聚丙烯腈纤维的研发具有很重要的意义，包括对新成纤工艺研究和聚丙烯腈纤维的新品种，如阻燃性聚丙烯腈纤维，高收缩性聚丙烯腈纤维等高性能的产品。

如果能够合成出来的话，这必将是化工行业的新血液和动力，推动我们经济的发展。

关键字：纤维，丙烯腈，第二单体，水相沉淀聚合目录摘要 01绪论 (1)1.1腈纶的发展概况 (1)1.2腈纶的现状研究........................................................... 2腈纶的合成工艺. (1)2.1腈纶的聚合方法 (1)2.1.1 自由基共聚合 (2)2.1.2水相沉淀聚合 (2)3 聚丙烯腈物料的选择 (2)3.1 单体的选择 (2)3.2 引发剂体系的选择 (2)3.3 其他原料选择 (3)3.4 原料进料处理及配比选择 (3)3.4.1 进料处理 (3)3.4.2 原料的配比用量 (4)3.5聚合工艺的影响因素 (4)3.5.1聚合温度 (5)3.5,2聚合时间 (5)3.5.3聚合转化率 (5)3.5.4损失率的分配 (5)3.5.5反应操作周期的分配 (5)3.5.6工作压力的选择 (5)3.5.7聚合釜材料选择 (5)4 反应釜设计计算 (6)4.1聚合釜物料衡算 (6)4.1.1计算条件 (6)4.1.2物料计算 (6)4.2聚合釜的计算 (7)4.2.1聚合釜体积计算 (7)4.2.2物料进出口管径 (9)4.2.3传热装置的设计 (9)4.2.4搅拌装置设计 (10)4.2.5物料挡板设计 (11)4.2.6入孔及支座设计 (12)4.2.7法兰的选用 (12)4.2.8设计结果 (12)总结 (14)参考文献 (15)1 绪论1.1腈纶的发展概况聚丙烯腈(PAN)纤维是由以丙烯脯(AN)为主要链结构单元的聚合物纺制的纤维。

而由AN含量占35％—85％的共聚物制成的纤维称为改性聚丙烯脂纤维[3]。

聚丙烯腈的合成是在1894年法国化学家牟若(Moureu)首次提出的，直到1929年才由德国的巴斯夫（BASF）公司成功地合成出聚丙烯腈，并在德国申请了专利（DRP Nr 58035l 和654989），而聚丙烯腈纤维的工业化生产是直到1950年才在德国和美国实现。

早期的聚丙烯腈由于分子链中的含有大量的电负性较大的氰基（—CN），使得聚丙烯腈均聚大分子刚性较大，制成的纤维染色性差，弹性较低，在应用中受到很大的限制，只能为工业纺丝，为改善其染色性、可纺性及耐热性等，开发了以丙烯腈为主的二元或三元共聚物，使得其综合性能得到提高，聚丙烯腈纤维工业迅速发展[1]。

1.2腈纶的现状研究PAN所具有的性质，首先只要在最终产品的组成上与其他的品种的纤维混纺，就可以降低严重的静电和起球，而大大的改善穿着性能，混纺可以使产品具有较好的穿着性能，而且可以改善其护理性能。

其次是PAN纤维的阻燃性能，因为它具有优良的耐光及耐气候劳度，同时耐腐蚀性良好，不仅运用于室外用品，甚至运用于航空领域。

据统计，20世纪90年代中期世界各地腈纶最终用途中，用于服饰有20世纪90年代初的50%增加到76%，用于装饰材料由45%降至25%，产业用途由5%降至1%，在西欧，20世纪90年代末期用于服饰由60%增加至77%，用于装饰由4%降至19.5%，产业用途由6%降至3.5%。

再者，随着工业化的进程，我们所需要的材料性能也逐渐的提高，强度、耐高温、吸水性、阻燃性不断地被研究，我们通常寻求一个实验条件及一种特殊的助剂来实现分子质量的均化，性能的提高。

2腈纶的合成工艺2.1腈纶的聚合方法聚丙烯腈在实验中的合成方法与我们在工业中的方法其实没多大的差别。

在以丙烯腈为单体的基础上，我们可以通过添加不同的引发剂、稳定剂、促进剂、增强剂等助剂，控制聚合反应的参数如温度、压强、时间、配比等来调整产物的分子量及分布。

自由基聚合、乳液聚合、悬浮聚合、溶液聚合等方法都能在一定条件下生成得到聚丙烯腈。

通常用甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯、丙烯酸甲酯、丙烯酰胺等为第二单体来进一步提高反应的进度。

但是主要的聚合方法有两种一种为一步聚合即自由基聚合，另一种为两步聚合即水相沉淀聚合。

2.1.1自由基共聚合自由基聚合是以硫氰酸钠浓水溶液、氯化锌浓水溶液、硝酸、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等为溶剂，以硫氰酸钠为均相溶液，以丙烯腈为原料，丙烯酸甲酯(MA)为第二单体，加入引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）调整温度，在和添加的原料充分混合后进入反应釜中，进行反应。

自由基共聚合的特点是反应速度快，操作方便，产品容易获得，并且在生产条件下，容易受到参数的影响，同时反应产生较多的热，对反应有明显的促进作用，但是增加了参数的变动，成为合成工艺的不稳定因素。

在产品的性能上，由于反应的速度的快速，使得产物的分子量分布范围较宽，纤维的性能得不到适当的体现。

另一方面转行化率的难以控制使得反应的原料损失较大。

2.1.2水相沉淀聚合水相沉淀聚是以水为介质添加具有较好的溶解度的单体，在水溶性引发剂的引发下引发聚合。

水相沉淀聚合具有下列优点：首先，采用水溶性氧化－还原引发体系，引发剂分解活化能较低,聚合可在30～50℃甚至更低的温度下进行。

其次，水相聚合反应的反应热容易控制，聚合产物的相对分子质量分布较窄。

最后，聚合速度较快,产物粒子大小较均匀且含水率较低，聚合转化率较高，浆状物料易于处理，回收工序相应地较为简单。

在生成的纤维溶液后采取湿法技术，对纤维进行干燥、拉丝，蜷曲。

而本设计则选择以丙烯腈单体，醋酸乙烯酯(VAc)为第二单体，NaClO3－NaHSO3氧化还原体系作为引发剂，通过水相沉淀聚合来进行工艺设计。

3 聚丙烯腈物料的选择3.1 单体的选择腈纶共聚第二单体主要为丙烯酸甲酯(MA)和醋酸乙烯酯(VAc)两种。

其中后者原料来源丰富，价格低，且高含量下还可提供纤维的高伸缩性，本课程设计选取醋酸乙烯酯作为第二单体。

第三单体可以是甲基烯丙基磺酸钠、苯乙烯磺酸钠、甲基乙烯基吡啶、衣康酸等。

而国内工业生产多选用甲基丙烯磺酸钠(MAS)或苯乙烯磺酸钠(SSS)[5]。

3.2 引发剂体系的选择水相沉淀聚合中常采用水溶性氧化-还原引发体系。

如NaClO3－Na2SO3、NaClO3－NaHSO3、K2S2O5－NaHSO3等[4]。

有时还加入少量亚铁盐，如FeSO4，俗称活比剂(或促进剂)，以提高反应速率。

最常采用的是NaClO3－Na2SO3体系，但因为借鉴安庆石化的聚丙烯腈聚合所以选用NaClO3－NaHSO3氧化还原体系作为引发剂。

3.3 其他原料选择①PH调节剂由于氧化还原体系(NaClO3－NaHSO3)为弱酸盐存在电离平衡，对pH值很敏感，在酸性条件下才能保持一定的有效浓度，有效成分为亚硫酸根。

在pH=3.35时亚硫酸根浓度最大，pH=1时亚硫酸浓度最大。

对于不同引发体系，聚合反应受pH值影响不同，但都必须在酸性条件下才能进行，通常PH值约为2.0～3.5之间。

在实际生产中pH值应控制在1.9～2.2之间，通常用硝酸来控制聚合反应体系的pH，由于盐酸对设备腐蚀严重，硫酸影响聚合物的白度，磷酸可以促使聚合浆液粘度增大，所以生产小多采用60％的pH硝酸作为调节剂。

本课程设计选择NaOH与HNO3反应生成NaNO3来控制聚合体系pH值。

本课程设计选取pH的为2.0。

②添加剂在丙烯腈水相沉淀聚合体系中，加入少量Fe2+、Cu2+可提高聚合速率并缩短诱导期，而加入NaCl、NaS04等中性盐，则会降低聚合速率[4]。

Cu2+的影响与Fe2+相似，在NaClO3－NaHSO3引发体条聚合反应中，Cu2+可起到促进别的作用，反应原理是Cu2+反应，由此可见，体系中加入CuSO4会促进活性剂中心生成，聚合反应速率加快。

应当指出，在硫氰酸钠浓水溶液中，以偶氮二异丁腈作引发剂的丙烯腈聚合中，铁、铜等离于的存在都对反应有阻聚作用。

而在NaClO3－Na2SO3、NaClO3－NaHSO3作引发体系的丙烯腈水相沉淀聚合中，铁、铜等离子均起加速聚合反应作用。

③相对分子量调节剂分子量调节剂也是一种链转移剂，在聚合过程中能使增长的大分子链上的自由基发生转移，生成稳定大分子，同时产生新的自由基，产生的新自由基由于活性较低而不能引发单体，因此加入分子量调节剂会影响大分子的聚合度，但是由于分子量调节剂的链转移常数大，则说明链转移反应快，会相应减慢链生长反应速率。

以此来控制聚丙烯睛的分子量，从而掌握纺丝原液粘度。

3.4 原料进料处理及配比选择3.4.1 进料处理聚合釜前有三股物料系统(又称为三条管线系统)，即第一、二单体的原料系统，NaClO3和CuSO4的氧化剂系统，第三单体、NaHSO3、NaNO3、β－ME催化剂系统，原料丙烯腈、第二单体醋酸乙烯酯、第三单体甲基丙烯磺酸钠的回收单体分别贮存[6]，各自通过泵输送进行过滤，计量后送入单体混和称量罐及混和单体贮罐，混合后的单体用泵送入换热器后进入聚合釜中反应。

①第一、二单体进料处理第一单体丙烯腈用泵从贮罐抽出，通过过滤器送入单体混合称重罐内，同时由泵将醋酸乙烯酯从贮槽中抽出，通过过滤器进入VAc计量罐，用计算机控制其流量也送入单体混合称重罐内。

另外回收单体通过泵将回收单体从贮罐中抽出经过滤器，进入回收单体计量罐，经电子计算机计量进入单体混合称重罐中，在此罐内新鲜AN、回收AN和VAc按一定比例充分混合，经取样化验，符合要求后，用泵将混合单体打入混合单体贮罐[7]。

②NaClO3与CuSO4配制NaNO3是由NaOH与HNO3反应制成的，42％的NaOH输送至稀释罐，用A级脱盐水将其稀释至20％，20％的NaOH经过过滤器过滤后与用泵将57％的浓HNO3同时加入至制备罐中制备，由此罐得到的NaNO3浓度为27.4％[7]。

将27.4％的NaNO3溶液打入NaNO3稀释罐中，在稀释罐中加入A级脱盐水，稀释NaNO3的浓度至9.8％,最后用泵打入第三单体、NaNO3等的催化系统储存罐。