分子量聚丙烯酰胺干燥设备毕业设计 25页

'分子量聚丙烯酰胺干燥设备毕业设计摘要本设计来源是通过在聚合物二厂聚合二车间实习，并且对合成聚丙烯酰整体生产工艺流程的分析和对其干燥设备进行分析，从文献、书籍和网络了解干燥器的发展和各类干燥器的优缺点。通过查阅有关设计流化床干燥器的中外文献，及有关聚丙烯酰胺的理化性质与合成方法，对卧式多室流化床干燥器进行设计。设计内容包括干燥器主体的工艺计算和干燥器附属设备的选型和计算。本文较全面的的阐述聚丙烯酰胺干燥设备的工艺流程及原理，并对干燥器工进行设计，通过对干燥器的物料衡算、能量衡算，确定干燥器的底面积和高度，对干燥系统绘制带控制点的流程图及车间平面图，完成干燥装置装配图。经计算与校核，干燥器的设计结果基本符合要求第一章前言1.1聚丙烯酰胺的发展1.国外聚丙烯酰胺的生产及消费情况目前世界上聚丙烯酰胺的总生产能力约为55×104t/a，美国、日本、欧洲是聚丙烯酰胺的主要生产国家和地区，其生产能力约占世界总生产能力的75%。国外聚丙烯酰胺的主要消费领域是水处理和造纸业，其用量占总消费量的80%以上。各国聚丙烯酰胺的消费结构有所不同，美国和西欧的聚丙烯酰胺主要用于水处理，在造纸业所占比例相对较小，而日本的聚丙烯酰胺则主要用于造纸工业[1]。2.国内生产消费及市场分析石油开采是目前我国聚丙烯酰胺最大的消费领域，其消费量约占国内聚丙烯酰胺总消费量的81%。水处理是我国聚丙烯酰胺的第二大消费领域，目前消费量约占消费量的9%，与国外发达国家相比有很大的差距。聚丙烯酰胺在造纸行业中主要用作助留剂（增强颗粒的流动性，改善颗粒的表面性质，使之光滑）、干增强剂（用于提高纸张的抗张强度、耐破应力、耐折度及挺度）和废水处理的絮凝剂。在采矿、冶金、煤炭、制糖、水泥增强剂、高吸水性树脂、粘合剂、皮革复鞣剂等领域，聚丙烯酰胺也有一定的消费量[5]。油田开采占81%，水处理占9%，造纸占5%，矿山占2%，其它占3%[2]。 1.2聚丙烯酰胺的种类聚丙烯酰胺的合成可分为生物制丙烯酰胺聚合法和化学生产丙烯酰胺聚合法。化学合成方法就是通过化学药剂合成丙烯酰胺单体，由单体聚合成聚丙烯酰胺的方法。物理合成是通过生物菌类的初级代谢产物生产丙烯酰胺单体，在通过化学方法聚合成聚丙烯酰胺。根据PAM大分子链上官能团在水溶液中的离解性质，可划分成阴离子型（CPAM）、阳离子型（APAM）、非离子型（NPAM）及两性离子型几个品种。也可根据相对分子质量划分成低分子量（100万以下）、中低分子量（100万～1000万）和高分子量（1000万以上）几个类型。PAM的应用范围在很大程度上取决于其化学组成和相对分子质量。如何制备高分子量、高性能的PAM一直都是研究者探讨的重点和难点[3]。1.3聚丙烯酰胺的性质聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）是丙烯酰胺及其衍生的均聚物和共聚物的统称。因其结构单元中含有酰胺基、易形成氢键，使其具有良好的水溶性和很高的化学活性，可通过接枝、交联等反应得到多种衍生物。1.4聚丙烯酰胺的主要特点固体聚丙烯酰胺的物理性质见表1-1[4]表1-1固体聚丙烯酰胺的物理性质性质指标密度（23℃），g/cm³1.302表面张力，mN/m35-40玻璃化温度，℃188软化温度，℃210热失重，℃初失踪，290；失重70%，430；失重98%，550热分解气体<300℃,NH3;>300,H2、CO、NH3溶剂水、丙烯酸、醋酸、二甲基甲酰胺、吗啉θ溶剂水：甲醇=59：41（V/V）非溶剂烃类、醇类、酯类、四氢呋喃 丙烯酰胺的物理化学性质与应用之间的一般关系见表1-2[4]表1-2聚丙烯酰胺的物理化学性质与应用之间的一般关系聚丙烯酰胺的物理性质作用结构因素应用工业吸附性分散酰氨基分散助剂表面涂布造纸、纺织医药黏附（结）酰氨基离子基团增加纸张干强钻井泥浆建材粘结造纸地质、石油建筑絮凝线型长链酰氨基离子基团固体回收污水治理水的净化助流和助滤采矿、选矿环保公用事业、养殖造纸、选矿高黏性流变控制线型长链离子基团减阻增稠消防、化工、舰船减阻三次采油交联性凝胶交联基团增稠、调剖三次采油离子基团增加纸张湿强固定土壤、保墒表面涂层造纸农业、造林、改造沙漠建筑高吸水性交联基团酰氨基离子基团保水、保液保温尿布农业植保医用辅助生物惰性和生物相溶性酰氨基体内植物填充控释药物医药1.5干燥器的分类与选择1.5.1干燥器的分类表1-3常用干燥器的分类类型干燥器对流干燥器厢式干燥器，沸腾干燥器，气流干燥器转筒干燥器，喷雾干燥器传到干燥器滚筒干燥器，真空盘架式干燥器辐射干燥器红外线干燥器介电加热干燥器微波干燥器 1.5.2干燥器的选择表1-4主要干燥器的选择表湿物料的状态物料的实例处理量试用的干燥器液体或泥浆状洗涤剂、树脂溶剂、盐溶液、牛奶等大批量喷雾干燥器小批量滚筒干燥器泥糊状染料、颜料、硅胶、淀粉、泥土等大批量气流干燥器、带式干燥器小批量真空转筒干燥器粉粒状（0.01～20μm）聚氯乙烯等合成树脂、合成肥料、磷肥、活性炭等大批量气流干燥器转筒干燥器流化床干燥器小批量转筒干燥器厢式干燥器块状（20～100μm）煤、焦炭、矿石等大批量转筒干燥器小批量厢式干燥器片状烟叶、薯片大批量带式干燥器小批量穿流厢式干燥器短纤维醋酸纤维、硝酸纤维大批量带式干燥器小批量穿流厢式干燥器一定大小的物料或制品陶瓷器、胶合板、皮革等大批量隧道干燥器小批量高频干燥器 第二章设计内容概述2.1工艺原理和设计目的2.1.1工艺原理本装置用丙烯酰胺单体溶液聚合生产聚丙烯酰胺产品,可根据市场需求生产抗盐聚丙烯酰胺产品。本车间采用均聚后加碱水解工艺，该工艺能使聚丙烯酰胺分子量大幅度提高，最高可达3500万以上，具有较高的抗盐性能。1.聚合反应原理本工艺采用丙烯酰胺单体溶液均聚方法聚合，丙烯酰胺单体在催化剂作用下，发生自由基聚合。聚合反应方程式：HHnCH2=CH{CC}nO=C－NH2HO=C－NH22.水解反应基本原理聚合胶粒与粒碱接触后，发生水解反应。水解反应方程式：(CH2CH)n+mNaOH(CH2CH)m(CH2CH)n－m+mNH3[6]CONH2COONaCONH22.1.2设计目的设计主要针对专业实习的生产车间，根据分析聚合物二厂聚合二车间13线生产的整体流程，对产品的干燥过程进行分析，针对聚合二车间13生产线干燥设备，进行优化设计。此设计根据13线现有干燥设备进行设计分析。采用流化床式干燥器的原因是生产的聚丙烯酰胺的颗粒较大，处理量较大，物料的初含水量很高，要求生产产品的干燥程度均匀。2.2干燥流程简介及卧式多室流化床干燥意义简介卧式多室流化床干燥器的形状为长方形。用垂直挡板分隔成多室，挡板与孔板间留有一定空隙（一般为几十毫米）使物料能够通过。湿物料加入后经气流作用，做类似液体流动，由第一室依次流经各室，至最后一室卸出干燥后产品 。由于挡板的作用，各室的物料不可能像单室干燥那样互相混料。物料由一室依次流经各室时其水分含量亦依次减小。所以产品的干燥程度均匀，这是卧式干燥器的主要优点。来自气流干燥器的颗粒状物料用加料器加到干燥器的第一室，依次经各室后，于50℃下离开干燥器。经过滤的空气由送风机送到翅片加热器升湿到125℃后进入干燥器，经过与聚丙烯酰胺颗粒接触进行传热传质后温度降到73.5℃。废气经旋风分离器净化后由抽风机排至大气。空气加热器以1MPa的饱和水蒸气作载热体。干燥过程中采用前送后抽式供气系统，维持干燥器在-200—-300Pa下工作。2.3干燥器的设计依据工艺条件设计一台干燥聚丙烯酰胺颗粒的卧式多室流化床干燥器，年产量1.3万吨。用于干燥中分子量的聚丙烯酰胺颗粒，设计内容包括干燥器结构的确定，干燥工艺的流程，干燥工艺的基本计算，干燥过程附属设备的计算和选型。来自气流干燥器的颗粒状物料用加料器加到干燥器的第一室，依次经各室后，于50℃下离开干燥器。经过滤的空气由送风机送到翅片加热器升湿到125℃后进入干燥器，经过与聚丙烯酰胺颗粒接触进行传热传质后温度降到73.5℃。废气经旋风分离器净化后由抽风机排至大气。空气加热器以1MPa的饱和水蒸气作载热体。干燥过程中采用前送后抽式供气系统，维持干燥器在-200—-300Pa下工作。2.3.1操作条件及基本物性数据[7]1．常规数据（1）干燥介质热空气初始湿度H00.018kg水/kg干气预热器入口温度t015℃离开预热器温度t1125℃（2）物料入口温度θ125℃（3）加热介质饱和蒸汽、压强1MPa（4）操作压强常压（5）设备工作日每年330天，每天24小时连续运行2．物性数据（1）颗粒平均粒径d1.10颗粒密度1300 堆积密度1189临界湿含量0.013（干基）干物料比热容3.45kJ/(kg.℃)[8]（2）物料静床层高度0.15（3）干燥装置热损失为有效传热量的15％。2.3.2设计分析干燥器分为两段干燥，进入第一干燥区的热空气温度为125℃，进入第二干燥区的热空气温度为85℃，从物料中蒸发出来的水汽经旋风分离器除尘，除尘后的废气汇入排气总管，由引风机送入烟囱，排入大气。回收的粉尘经旋风分离器下部的旋转阀和细粉回收机返回多螺旋缓冲料箱，进行二次造粒[9]。内部分配蒸发水量产量一段干燥：2178kg/h→1322kg/h，其中含37%水[9]二段干燥：397kg/h→925kg/h，其中含10%水一段干燥：产品进料温度：25℃2.4工艺计算2.4.1一段干燥工艺计算1．物料衡算与热量衡算（1）物料衡算kg绝干物料/h（2-1）（2-2）（2-3）（2）空气和物料出口温度的确定空气的出口温度t2应该比出口处湿球温度高出20～50℃（这里取35℃）即 ℃及H1=0.018查图（附表1湿焓图）[11]，得tw2=33.5摄氏度℃，近似取tw1=tw2=33.5℃，于是：℃（2-4）由水蒸气表查得rtw2=2409kJ/kg将有关的数据带入上式，即解得℃（3）干燥器的热量衡算干燥系统消耗的总热量为，干燥器中不补充热量，故，，因而可用(2-5)式进行计算，即（2-5）试中（2-6）（2-7）=832.3×（3.45+4.187×0.37）×（50.01-25）=17.33kW　　（2-8）=0.0167LkW=0.0314LkW因为干燥装置热损失为有效传热量的15%，即（2-9）将上面各式代入热量衡算式，便可解得空气耗用量，即 解得又由（4）预热器的热负荷和加热蒸汽消耗量℃，冷凝潜热r=2019.7kJ/kg蒸气消耗量为干燥器的热效率为（2-10）2．流化速度的确定（1）临界流化速度的计算在125℃下空气的有关参数查表（附表4干空气的物理性质）得：ρ=0.887kg/m3d，粘度μ=2.294×105Pa·s，导热系数λ=3.343×10-2w/m·c（2-11）取球形颗粒床层在临界流化点，由的数值查图（附表5）得，临界流化速度为（2）颗粒带出速度带出速度为 （3）操作流化速度取操作流化速度为，即3．流化床层底面积的计算(1)干燥第一阶段底面积由下式计算，即（2-12）式中有关参数计算如下：取静止床层厚度为，干空气得质量流速取为，即（2-13）（2-14）（2-15）（2-16）带入数据得解得(2)物料升温阶段所需底面积由下式计算，即（2-17）（2-18） 解得床层总的底面积为4．干燥器的宽度和长度取宽度b=1600mm，长度l=5530mm，则流化床的实际底面积为8.848沿长度方向在床层内设置四个横向分隔板，板间距0.5m物料在床层内的停留时间为（2-19）5．干燥器高度(1)向高度由下式计算，即（2-20）而由下式算出，即（2-21）(2)分离段高度由，从附表6中查得，（2-22）为了减少气流对固体颗粒的带出量，取分布板以上的总高度为2m。6．干燥器结构设计(1)布气装置采用单层多孔布气板，且取分布板压强降为床层压强降的15%，则 （2-23）再取阻力系数则筛孔气速为：（2-24）干燥介质的体积流量为：选取筛孔直径，则总筛孔数为:（2-25）分布板的实际开孔率为：,则实际开孔率为25.8％（2-26）在分布板上筛孔按等边三角形布置，孔心距为：（2-27）(2)分隔板沿长度方向设置四个横向分隔板，隔板与分布板之间的距离为20～40mm（可调节），提供室内物料通路，分隔板宽1.5m，高2.5m，由5mm厚钢板制造。(3)物料出口堰高h（2-28）（2-29）用下式求溢流堰高度h，即（2-30） 将有关数据代入上式，即整理得，经试差得，h=1m2.4.2二段干燥工艺计算1．物料衡算和热量衡算(1)物料衡算kg绝干物料/h（2-31）（2-32）（2-33）(2)空气和物料出口温度的确定空气的出口温度应该比出口处湿球温度高出20～50℃（这里取35℃）即由t1=85℃及H1=0.018查湿焓图（附表1湿焓图）[11]，得tw2=33.5℃，近似取tw2=tw1=33.5℃，于是：℃物料离开干燥器的温度由下式计算，即（2-34）由水蒸气表查得将有关数据带入上式，即 解得℃(3)干燥器的热量衡算干燥系统消耗的总热量为，干燥器中不补充热量，故，，因而可用(2-36)式进行计算，即（2-35）（2-36）（2-37）（2-38）=0.0155LkW=0.020LkW因为干燥装置热损失为有效传热量的15%，即将上面各式代入热量衡算式，便可解得空气耗用量，即解得又由(5)预热器的热负荷和加热蒸汽消耗量℃，冷凝潜热r=2019.7kJ/kg蒸气消耗量为干燥器的热效率为 2．流化速度的确定(1)临界流化速度的计算在85℃下空气的有关参数：ρ=0.986kg/m³，粘度μ=2.13×105Pa·s导热系数λ=3.092×10-2w/m·℃（2-39）取球形颗粒床层在临界流化点，由的数值查图得，临界流化速度为(2)颗粒带出速度带出速度为(3)操作流化速度取操作流化速度为，即3．流化床层底面积的计算(1)干燥第一阶段底面积由下式计算，即（2-40）式中有关参数计算如下：取静止床层厚度为，干空气得质量流速取为，即（2-41）（2-42）（2-43） （2-44）带入数据得解得(2)物料升温阶段所需底面积由下式计算，即（2-45）（2-46）解得床层总的底面积为2.4.3干燥器的宽度和长度一段干燥和二段干燥的总面积为4.09+8.84=12.93取宽度b=1600mm，长度l=8090mm，则流化床的实际底面积为12.94沿长度方向在床层内设置四个横向分隔板，板间距0.5m物料在床层内的停留时间为（2-47）2.4.4干燥器高度1.浓相段高度由下式计算，即 （2-48）而由下式算出，试中（2-49）2.分离段高度由，从附表查得，为了减少气流对固体颗粒的带出量，取分布板以上的总高度2.8m。2.4.5干燥器结构设计1.布气装置采用单层多孔布气板，且取分布板压强降为床层压强降的15%，则ΔPb=Z0(1-ε0)(ρs-ρ)g（2-50）式中ΔPb——床层的压力降，Pa；ΔPd——气体通过分布板的压力降，Pa。再取阻力系数则筛孔气速为：（2-51）干燥介质的体积流量为：选取筛孔直径，则总筛孔数为: （2-52）分布板的实际开孔率为：,则实际开孔率为28％（2-53）在分布板上筛孔按等边三角形布置，孔心距为：（2-54）2.分隔板沿长度方向射至四个横向分隔板，隔板与分布板之间的距离为20～40mm（可调节），提供室内物料通路，分隔板宽1.5m，高2.0m,由5mm厚钢板制造。3.物料出口堰高h（2-55）（2-56）用下式求溢流堰高度h，即（2-57）将有关数据代入上式，即整理得，经试差得，h=1m 2.5附属设备的选型2.5.1送风机和排风机1．送风机（2-58）根据经验，取风机全风压为4000。由风机的综合特性曲线图可选9-27-101N08型风机。2．排风机根据经验，取风机全风压为3000。由风机的综合特性曲线图可选9-27-101N08型风机。2.5.2供热设备根据设计要求拟选用SRZ型螺旋翅片加热器。2.5.3气固分离设备为获得比较高的固相回收率，拟选用XLP/B-8.2型旋风分离器。其圆筒直径820，入口气速20。压强降为1150，单台生产能力8650。 第三章设计结果与讨论3.1设计结果3.1.1设计结果一览表表3-1卧式多室流化床干燥器设计计算结果总表项目符号单位计算数据处理湿物料量G1kg/h3500物料温度一段入口θ1℃25一段出口θ2℃50.02二段入口θ1℃50.02二段出口θ2℃68.1气体温度一段入口t1℃125一段出口t2℃73.5二段入口t1℃85二段出口t2℃68.5气体用量Lkg绝干空气/h130398一段热效率η%12.55二段热效率η%19流化速度um/s1.97床层底面积第一阶段A1m²8.16加热段A2m²0.677设备尺寸长lm8.6宽Bm1.6高Zm2.8布气板型号单层多孔板孔径d0mm2孔速u0m/s13.9孔数n0个1242088开孔率φ%28分隔板宽bm1.5与布气板距离hcmm20-40物料出口堰高度h0m13.1.2设计结果本设计结果与实际应用干燥设备实际尺寸有偏差，流化床设计尺寸的长度宽度与高度均小于现场尺寸。设计尺寸为1600mm×8600mm×2800mm，实际尺寸为1800mm×10500mm×3775mm。 通过本设计可以看出，干燥是一个复杂的工艺过程，不仅热风温度气流速度，振动强度，干燥时间各个单因素对干燥性能有显著影响，而且，因素之间也有相互作用。其结果对干燥系统设计和干燥操作都具有一定的指导意义3.2结果分析通过聚丙酰胺整体生产工艺流程的了解和对干燥设备的分析，查阅干燥器设计书籍，对聚合二车间干燥器进行设计。设计尺寸为1600mm×8600mm×2800mm，其宽×长×高均小于现场实际尺寸（1800mm×10500mm×3775mm），其原因分析为：现场设备热量的消耗损失，使传热量减小，从而加大了干燥器的尺寸。未添加震动器，实际干燥器在其中部有一震动器，使床层能够往复震动，使物料干燥的更加均匀，并减小物料的堆积高度，防止在流化床底面沉降，使物料干燥不均匀。若本设计安装此震动设备，将会使物料停留时间缩短，并且干燥更均匀。此次设计不可用作实际生产，但可为本科教学提供参考。 [参考文献][1]张桐郡，张明恂，娄轶辉．聚丙烯酰胺产业现状及发展趋势[J]．化学工业，2002，515-516．[3]单伟等．聚丙烯酰胺生产技术及其应用[J]．安徽化工．2010-2第36卷，第一期．[4]王庭富．聚丙烯酰胺颗粒干燥过程分析．机械设计与制造．2005-11.第11期．[5]刘杰，王学惠，刘影等．丙烯酰胺类聚合物在油田中的应用[J]．化学工程师，2006，（8）：21-23．[6]大庆炼化公司聚合物二厂聚合二车间操作规程[EB/OL]．[7]贾绍义等．化工原理课程设计[M]．天津：天津大学出版社，2002．[8]青岛化工学院组编写．化工物性算图手册[M]．现代化工，2002．[9]T.kuppan．换热器设计手册[M]．中国石化出版社，2004．[10]张旭红．超高分子量聚丙烯酰胺的研究[D]．大庆：大庆石油学院，2002．[11]夏清，陈常贵．化工原理[M]．天津：天津大学出版社．2005． 附录附表摘自《化工原理》及《化工原理课程设计》附表1湿空气的H—I图附表2饱和水蒸气表（按温度顺序排列）温度℃绝对压强蒸汽的密度kg/m³焓汽化热千克（力）/厘米²kPa液体蒸汽[千卡/千克]kJ/kg[千卡/千克]kJ/kg[千卡/千克]kJ/kg85℃0.59057.8750.353185.0355.88633.22651.1548.22295.2125℃2.367232.191.296125.4525.02648.82716.4523.52191.8 附表3饱和水蒸气表（按压强顺序排列）绝对压强kPa温度℃蒸汽的密度kg/m³焓kJ/kg汽化热kJ/kg液体蒸汽1×10³179.95.1432762.682782.52019.7附表4干空气的物理性质（101.33kPa）[11]温度t℃密度ρkg/m³比热容cpkJ/(kg·℃)导热系数λ×102W/(m·℃)粘度μ×105Pa·s普朗特数Pr801.0001.0093.0472.110.692900.9721.0093.1282.150.6901200.8981.0093.3382.290.6861400.8541.0133.4892.370.684附表5Ly与Ar之间关系图 附表6分离高度表'