聚合釜的热量衡算

聚合釜的热量衡算
一． 聚合釜的热量衡算
聚合釜的操作控制，主要是升温和反应操作。

由于聚合反应中链的引发阶段是吸热过程，需要从釜外供给所需热量。

在链的增长阶段则是放热过程，需要将釜内的热量及时移除，将反应温度平稳的控制在规定值（选用偶氮二异庚腈为引发剂，聚合反应在57℃左右时发生）。

这两个过程可分别向夹套中通入加热蒸汽和冷却水来完成。

聚合釜生产操作周期分配
操作
清釜
进水
进VCM
冷搅拌 升温
反应
出料
总计
时
间/min
20
15
15
20
30
270
20
390
1、 升温期的热量衡算（以70m 3为例计算）
升温阶段是物料由25℃加热至56.2℃，升温时间0.5小时。

此阶段加热介质为饱和蒸汽，压力为0.4MPa ，温度为142℃。

也即此阶段所需的总热量是釜体及釜内物料升温达到聚合条件所消耗的热量。

即升温过程中，釜内物料主要是去离子水（分散剂含量甚微，可并入水中一起计算），VCM 单体。

33m 3的釜重27ton, 70m 3的釜重45ton 已知条件如下表：
名称
重量B kg 初t ℃ 终t ℃ △t ℃ p C kJ/（㎏·℃）
水
46205.7302
不含二次用水
25
57
32
4.2
单体 29849.3206 25
57
32
取1.4212
釜体
取釜体自重
45000 25
57
32
0.504
去离子水（助剂等）升温所需消耗的热量：
B
kJ 385.621004625-572.47302.46205t -P =⨯⨯=⋅=）（）（初终水水水t C W Q
VCM 单体升温消耗的热量：
Q 单体=W 单C p 单(t 终−t 初)=29849.3206×1.4212×(57−25)
=1357499kJ/B
釜体升温消耗的热量：
B kJ 72576025-57504.045000t -t
C W Q P =⨯⨯=⋅=）（）（初终釜釜釜
消耗的热量都是由加热介质饱和蒸汽提供的。

Q 蒸汽=Q 水+Q 单+Q 釜=8293305kJ/B
当达到聚合条件（温度升到57℃），进入恒温反应阶段。

2.恒温反应阶段的热量衡算
由物料衡算可知：VCM 的每批投投量kg 3206.29849W =单，总转化率x=88%，反应时间h 5.4=θ
，高峰时反应速率是平均反应速率的1.5倍，聚合反应热
mol /kJ 3.96-=∆H ，反应温度T=57℃，冷却水进口温度为5℃，冷却水进
出口温度差为5℃，氯乙烯的相对分子质量M =62.5g/mol 。

一釜料的总聚合热∑Q 取决于氯乙烯投料量W 单和最终转化率。

kJ 100473.4%885
.62103206.298493.9673
⨯=⨯⨯⨯
=⋅⋅=∑x M W ΔH Q 单
平均热负荷Q ：h kJ 10994.85
.410
0473.467
⨯=⨯==
∑θ
Q Q
令最大热负荷max Q 与平均热负荷-
Q 之比等于热负荷分布指数Q
Q R m ax =，对
于本聚合反应R=1.5，故最高热负荷：
W 107475.3h kJ 103491.15.110994.8676max ⨯=⨯=⨯⨯==R Q Q
对数平均温差为：()()()()
46.4910
57557ln 1057557ln 2
1
21=-----=-=
T-t T-t T-t T-t Δt m ℃
二. 求总传热系数K
1、复合导热系数、粘度、密度的计算
热导率、密度和粘度均应为悬浮混合液的复合值
①悬浮液导热系数λm的计算
λm=λc·[2λc+λd-2φd(λc-λd)]/[ 2λc+λd+φd(λc-λd)]
式中：λc，λd分别为连续相和分散相的导热系数
φd为分散相体积分率
以转化率达70%（任务书规定的转化率为88%）的氯乙烯悬浮聚合体系为例，有机粒子本身可看作聚氯乙烯分散在氯乙烯中的悬浮体系，再由有机粒子在水中构成总的悬浮体系。

a．PVC分散在VCM中的悬浮体系—有机粒子的λPVC-VCM
φPVC=11.86/（11.86+8.45）=0.584
液态VCM导热系数公式λVCM=A·ρVCM·C VCM·（ρVCM/M）1/3
其中：ρVCM=0.8423g/㎝3 C VCM=0.38 Kcal/ kg·℃（氯乙烯的比热）M=62.5（氯乙烯的分子量）A=1.52
∴λPVC
连=1.52×0.8423×0.38×（0.8423/62.5）1/3
=0.1158 Kcal/ hr m℃VCM的热导率
λPVC分=0.14 Kcal/ hr m℃（PVC的热导率）（该项为已知量）
∴
λ=0.1158×[2×0.1158+0.14-2×0.584×(0.1158-0.14)]/[2×0.1158+ 0.14+0.584×(0.1158-0.14)]=0.1295 Kcal/ hr m℃
b.有机粒子分散于水中的λm
λ水50℃=64.78×10-2W/m℃λ水60℃=65.94×10-2W/m℃
内差法得λ水57℃=0.6559 W/M℃=0.5639 Kcal/ hr m℃(57℃是该例子的反应温度)
λm （最终结论！！）=0.5639×[2×0.5639+0.1295-2×(0.142+0.199) ×(0.5639-0.1295)] /[2×0.5639+0.1295+(0.142+0.199)
×(0.5639-0.1295)]=0.3856 Kcal/ hr m℃
0.142单体体积分数0.199聚合物
②悬浮液的平均粘度μm
μm=（1+0.5∮s）μ/（1-∮s）4
式中：∮s为分散相体积分率μ为反应温度下水的粘度
μ水50∮=0.5494mPa·s μ水60∮=0.4688mPa·s
内差法得μ水57∮=0.4930mPa·s
μm=（1+0.5∮s）μ/（1-∮s）4
=[1+0.5(0.142+0.199)] ×0.4930/[1-(0.142+0.199)]4
=3.060mPa·s（粘度的最终结论）
③悬浮液的比热Cm
57∮时：Cvcm=0.38 Kcal/ kg·∮ Cpvc=0.44 Kcal/ kg·∮
C水50∮=4.174kJ/kg·∮ C水60∮=4.178 kJ/kg·∮
内差法得：C水57∮=4.177 kJ/kg·∮=0.998 Kcal/ kg·∮
Cm=∑xici=0.38×0.097+0.44×0.377+0.998×0.526
=0.728 Kcal/ kg·∮注意是质量分率
④
⑤其它参数的确定
国产33m3Ⅰ型不锈钢釜
搅拌转数：N=134.5rpm
釡内径：T=2600mm=2.6m
取桨叶直径：D=0.5T=0.5×2.6=1.3m
釜体公称容积30m3
总传热面积67m2
釜体传热面积52m2
内冷管传热面积15m2
搅拌转速134.5rpm
设备总重27ton
国产70 m3聚合釜，
70 m3(古德里奇)型聚合釜筒体Φ3800×4928，釜体高6834，总高9111搅拌转数：N=97.5rPm
釡内径：D=3810mm=3.81m
取桨叶直径：d=0.5T=0.5×3.81=1.905m
夹套半管外径：114.3mm
夹套半管内径：100mm
夹套传热面积：80 m2
2、计算聚合釜与夹套系统的给热系数
14.031
3221)()3600()(w g c nd D C μμλ
μμρλα= （1）
式（1）中D 为釜内径，d 为搅拌叶直径，ρ为密度，μ为粘度，
μ
ρ
2(nd ）
为搅拌雷诺数，λ为热导率，c 为比热容，g 为重力因子，（λ
μg
c 3600）为普兰特
准数，w μ为近壁处粘度，系数C 为常数。

普兰特准数（Pr=
λ
μg
c 3600）的另一种表达式为
cμλ
出现不同表达式的原因是两式中μ、c 和λ的单位不同
前式μ、c 和λ的单位分别为帕•秒、千卡/公斤•℃、千卡/米•时• ℃
而后式的单位分别为 帕•秒、焦/公斤•℃、瓦/米• ℃
求普兰特准数时，要根据所得数据的单位来选择计算公式。

建议采用第一种。

以70 m 3聚合釜为例 1）计算釡内壁给热系数α1
14.031
32
21)()3600()(w g c nd D C μμ
λ
μμρλα= α1=0.36×(0.3856/3.81)×[1047.1×97.5/60×1.9052/(3.059×10-3)]0.67×(3600×0.728×3.059×10-3×9.81/0.3856)0.33×(3.059×10-3/8.266×10-3)0.14 =3059w/m 2℃
2）釜外壁给热系数2α的计算
)R
d .(P R d λ.α
e .r .e e 7711023040802+= （2）
夹套装有螺旋导流板，式中e d 为螺距的当量直径，R 为弯曲半径，因
釜径较大，一般较正因子)77
.11(R
d e
+的数值不大，因此可以取1.05，螺距e d 可取0.55m ，水的流速可取u=2m/s 冷却水的Cp ，λ，μ值
Cp9.5∮=1.001 Kcal/ kg·∮ μ水9.5∮=1.3319mPa·s
λ0∮=55.13×10-2w/m∮=0.4725Kcal/ hr m ℃ λ10∮=57.45×10-2w/m∮=0.4924 Kcal/ hr m ℃
9.5∮下，ρH 20=999.71 kg/ m 3
α2=0.023×（49.3×10-2/0.55）×[0.55×2×999.71/ (1.3319×10-3)]0.8×[3600×1.001×1.3319×10-3×9.81/（49.3×10-2）]0.4×1.05=7243 w/m 2℃
由于缝隙泄露一般的实测值约为计算值的80%，因此
K m W 7.5793%8072432'2•=⨯=α
3、计算聚合釜的总传热系数K
总传热系数K 的倒数称为总热阻，与分热阻有如下关系：
λδ
αα∑
++=2
1
1
1
1
K
（3）
式（3）中21,αα——釜内壁和釜外壁给热系数，W/㎡•k
λδ
∑——釜壁导热部分的热阻，其中δ为厚度，λ为热导率
对于搅拌内壁给热系数可用下列准数方程计算：
对于国产70m 3不锈钢聚合釜而言，其釜壁热阻
λδ
∑一般为
K m W 1013.81230
124•⨯=-，故由式（1）知总传热系数为： K m W 9.7611230
17.57931305911111
2
'
21•=++=++=∑λδααk
三、求总传热面积
因为m t KA ∆=max Q ，则总传热面积为：
2
6
max m 45.9946.499.761107475.3=⨯⨯=∆=m t k Q A
冷却水是用来移除聚合放出的热量，故：
h kJ 103491.17max ⨯=∆=t C W q P 水 h kg 104.65⨯=水W
对于703m （型∏）不锈钢聚合釜，其夹套传热面积A=80㎡〈116.17㎡，此传热面积不满足要求，故需要增加内冷管。