1、尼龍-66的連續聚合生產工藝流程課程設計高分子合成工藝設計說明書年產60萬噸尼龍66連續聚合生產工藝設計院、部：材料與化學工程學院學生姓名：指導教師：職稱專業：高分子材料與工程班級：1001班完成時間：2013年06月03日 II摘要本文主要闡述了尼龍-66的國內外發展現狀以及研究其連續聚合生產工藝流程設計過程。設計尼龍-66連續聚合的工藝流程，選擇正確的工藝條件和設備并進行合理的設備配置，以便按我們的要求進行生產。關鍵詞：尼龍-66；連續聚合IIIIABSTRACTThisarticleexpoundedthedevelopmentsituationfromdomesticandoverse

2、asofnylon-66andalsostudieditsprocessofcontinuouspolymerization.Inordertomeetourrequest,wedesignedprocessofcontinuouspolymerizationofnylon-66,chosesuitableprocessingconditionanddevicearrangethedevicesappropriately.Keywords：nylon-66；continuouspolymerization V目錄TOC o 1-5 h z1緒論1 HYPERLINK l bookmark4 1

3、.2國外生產現狀1 HYPERLINK l bookmark8 1.3國內生產現狀2 HYPERLINK l bookmark12 1.3進出口情況3 HYPERLINK l bookmark16 2工藝流程和方案的說明及論證5 HYPERLINK l bookmark18 2.1工藝路線的選擇5 HYPERLINK l bookmark20 2.2工藝流程設計52.2.1尼龍66的生產原料及原料制備52.2.2尼龍66的生產工藝9 HYPERLINK l bookmark32 2.3工藝參數的選擇102.3.1工藝關鍵點控制102.3.2工藝說明12 HYPERLINK l bookmark

4、58 3物料衡算133.1年產量60萬噸尼龍-66的物料衡算過程13 HYPERLINK l bookmark66 4熱量衡算18 HYPERLINK l bookmark68 4.1尼龍66生產中的能耗分析18 HYPERLINK l bookmark70 4.2尼龍66生產設備的能量衡算184.2.1蒸發器184.2.2反應器204.2.3閃蒸器214.2.4聚合器23 HYPERLINK l bookmark90 5聚合釜及各設備選型25 HYPERLINK l bookmark92 5.1對設備的要求25 HYPERLINK l bookmark94 5.2溶解過程25 HYPERLI

5、NK l bookmark96 5.3預縮聚過程25 HYPERLINK l bookmark98 5.4閃蒸過程25 HYPERLINK l bookmark100 5.5后縮聚過程26參考文獻27IIVV致謝29附錄30 引言+生產能力數據+聚合方法（連續縮聚+間歇縮聚）+主要（連續聚合）尼龍66是最早研制成功的尼龍品種,于1939年由美國杜邦公司實現工業化生產,是目前最主要的尼龍品種之一。尼龍66的耐熱性、結晶度比尼龍6高,強度、吸水性（吸水率比尼龍6小）等性能也比尼龍6優良,特別是耐熱性和耐油性好。與鑄鐵、銅、鋁等金屬材料相比,雖然剛性遜于金屬,但強度則高于部分金屬,因此尼龍66可代替

6、金屬材料獲得廣泛的應用國外生產現狀目前,世界所需的尼龍材料中,以尼龍6和尼龍66為主,纖維中尼龍6和尼龍66約占98%以上;工程塑料中,尼龍6和尼龍66約占90%,尼龍6和尼龍66的比例約為60：40。以尼龍66為代表的聚酰胺產品是目前全球產量和市場消費量最大的工程塑料產品,被廣泛應用于輪胎、汽車、電子、電器產業。目前,全球不到10家的尼龍66生產企業占據了世界絕大部分的市場份額。這些企業包括美國英威達公司、首諾公司、法國羅地亞公司、德國巴斯夫公司、日本旭化成公司、中國中平能化集團等。其中,英威達公司的產量約占世界市場的1/3。2006年,世界尼龍生產能力超過700萬t/a,產量約為520萬t

7、,裝置平均開工率為73%。亞洲尼龍生產能力和消費量占世界總量的比例分別為45.3%和43.0%,是世界最大的尼龍生產和消費地區,該地區尼龍年凈進口量為10萬t左右。北美地區尼龍供需基本平衡,其中美國是世界最大的尼龍生產國和消費國,其產量和消費量分別占世界的27.5%和28.4%。西歐產量占世界的12.6%,但消費量則占世界的13.4%,該地區年凈進口量近6.5萬t。其中尼龍66的比例將有所提高,與尼龍6之比將達到45B55。表1是2007年世界尼龍纖維供需情況。其中，全世界尼龍66年產量約為（200240）萬t。表12007年世界尼龍纖維供需情況國家及地區生產萬t/a產量萬t/a年均增長率北美

8、洲加拿大17.213.31.8墨西哥7.14.32.1美國111.794.3-0.5小計136111.9-0.2續表12007年世界尼龍纖維供需情況國家及地區生產萬t/a產量萬t/a年均增長率中南美洲12.910.61.9西歐5645.1-0.6中東歐24.214.53.3非洲4.93.92.8中東159.62.7亞洲中國131.1100.54.1日本23.412.20.5韓國24.614.5-1.3臺灣69.141-0.3其他46.125.22.1合計543.33891.51.3國內生產現狀我國尼龍66的生產始于20世紀60年代中期。1965年遼陽石油化纖公司引進法國羅納#普朗克公司的尼龍生

9、產技術,建設了1套年產能力4.6萬t的生產裝置（其中尼龍66約為12萬t/a）。經過多年的建設，目前國內尼龍66生產能力達到20.1萬t/a。尼龍66國內生產情況見表2。表2國內尼龍66生產能力情況公司生產萬t/a中平能化集團14.7Invisata尼龍公司1.1遼寧石化公司1.2中達化學纖維公司1.2廈門東綸公司0.5營龍化學纖維公司1.4合計20.12010年,預計國內尼龍生產能力將達130萬t/a以上，產品中尼龍6仍占主要地位,尼龍66的生產能力屆時將達到30萬t/a左右,按開工率80%計,產量將達到24萬t左右。預計2010年各類尼龍總需求量將達（170180）萬t,國內仍需進口產品來

10、滿足下游的需求,屆時我國尼龍66需求約為（4045）萬七,其中簾子布的需求將有所增加。1.3進出口情況尼龍66產品眾多,進出口都比較活躍,出口量略大于進口量。近年來,國內尼龍66的進口量逐年增長,2005年進口量約為10萬t,2006年則達到16.77萬t,2007年表巒萬2虜年國年國尼尼龍66產品進口情況產品名稱進口/t出口/t高強力紗783825366彈力絲（不超過50特）22792069彈力絲（超過50特）886198紗線（不超過50轉）11303677單絲（超過50轉）12636紗線（多股紗線）14554209小計2502132525簾子線45979052PA66鹽1500144042

11、002到2007年,國內70%以上的尼龍66市場份額都被國外公司所占據,國內4家生產尼龍66的主要企業的平均開工率不足40%。從2006年起,尼龍66的主要生產原料己二胺、己二酸的價格雙雙暴漲,但國內尼龍66的價格卻沒有相應上漲,反而出現了銷售量增加、銷售價格下降的奇怪行情走勢。因此,有關部門認定,存在國外聚酰胺巨頭在中國傾銷的現象。并于2008年開展了反傾銷工作,2009年6月26日,商務部對該案作出了反傾銷初裁。反傾銷初裁為國內企業爭回了利益。目前,國外尼龍66巨頭在中國的傾銷行為已有所收斂,出口到中國的產品報價也有所回升。在此帶動下,國產尼龍66的價格也有了20%左右的回升。目前,國內5

12、條采用連續聚合裝置的尼龍66生產線已經在滿負荷運行,一家企業停產近半年的間歇聚合生產裝置也重新開車。國內尼龍66的產銷量也創出新高。這預示著尼龍66樹脂將會迅猛增長。尼龍66聚合反應有2種工藝，分別為連續聚合工藝和間歇式聚合工藝。這2種工藝原理相同，均為己二胺和己二酸縮聚得到尼龍66高聚物。其不同主要在于工藝流程及產品應用范圍。工藝流程和方案的說明及論證工藝路線的選擇國內生產尼龍66主要有兩種不同的工藝技術:連續縮聚生產技術;間歇縮聚生產技術。本次課程設計主要闡述尼龍-66的連續聚合生產工藝。工藝流程設計尼龍66的生產原料及原料制備原料性能參數及制備(1)己二酸的理化性質外觀白色結晶體氣味有骨

13、頭燒焦的氣味分子式C6H1004分子量146.14熔點153C沸點3327C密度1.360閃點20985C燃點(開杯)23185C熔融黏度4.54mPas(160C)溶解性微溶于水，易溶于酒精、乙醚等大多數有機溶劑。己二酸在水中的溶解度隨溫度變化較大，當溶液溫度由28C升至78C時，其溶解度可增大20倍。15C時溶解度為144g/100mL；25C時溶解度為23g/100mL；100C時溶解度為160g/100mL。己二酸為白色單斜晶體，無色無嗅、微酸性，易溶于甲醇、乙醇，可溶于水和丙酮中，而微溶于環已烷和苯中，能升華。己二酸的合成主要有苯酚法、環己烷法和丙烯睛二聚發等。苯酚法是以苯酚為原料，

14、用雷尼鎳作催化劑，在140C150C和23兆帕壓力下，加氫生成環己醇；再用60%65%硝酸在銅或釩催化劑存在下，在5560C氧化成己二酸。環己烷法是以環己烷為原料，在環烷酸鈷或硼酸催化劑存在下，通入空氣加壓液相氧化，生成環已酮和環已醇的混合物，再用60%硝酸在4560C氧化成己二酸。丙烯腈法是以丙烯腈為原料，用電化學還原或化學還原的方法二聚生成己二腈，再在稀硫酸水溶液中加熱水解得己二酸。(2)己二胺的物化性質白色片狀結晶體，有氨臭，可燃分子量116.21熔點4142C沸點204205C相對密度0883(30/4C)粘度(50C)1.46kPas折射率nD(40C)1.4498閃點81C微溶于水

15、(0C,100ml水中溶解20g；30C，100ml水中溶解085g)難溶于乙醇、乙醚和苯在空氣中易吸收水分和二氧化碳己二胺又稱六亞甲基二胺，1,6-己二胺(簡稱己二胺)，是合成尼龍66的主要中間體之一。己二胺為具有臭味的無色葉片狀晶體，己二胺溶于水、醇和芳烴類溶劑，難溶于脂肪烴類。目前工業上生產乙二胺的方法主要是己二腈加氫制備的。尼龍-66鹽的簡介尼龍-66鹽是己二酸己二胺鹽的俗稱，分子式：C12H2604N2,分子量262.35,結構式：+H3N(CH2)6NH3+-OOC(CH2)4COO-。尼龍-66鹽是無臭、無腐蝕、略帶氨味的白色或微黃色寶石狀單斜晶系結晶。室溫下，干燥或溶液中的尼龍

16、-66鹽比較穩定，但溫度高于200C時，會發生聚合反應。(4)尼龍-66鹽的主要物理性質熔點，C193197生成熱,J/kgK3.169X10折射率，nD(30C)1.4291.583(50%水溶液)水中溶解率，g/ml，50C54.00升華溫度，C78密度，g/cm31.201尼龍-66鹽在水中的溶解度很大(見表01-69)。且隨著溫度上升而增大，其溶解度cs與溫度的關系可描述為：cs=-376.3286+1.9224T0.001149T2表4尼龍-66鹽在水中的質量分數表4尼龍-66鹽在水中的質量分數溫度K273.16283.16293.16303.16313.16323.16333.16

17、343.16353.16質量分數37434750.552.5545658.561.5尼龍66鹽的制備以己二酸和二元胺合成縮聚時，一般是把己二胺和己二酸制成尼龍66鹽，然后再進行縮聚反應。成鹽化學反應式如下：HOOC(CH)COOH+HN(CH)NH-OOC(CH)COO-.H+N(CH)NH+22262243263制備尼龍66鹽時，分別把己二胺和己二酸酰配成溶液，然后再混合中和成尼龍66鹽溶液。主要有水溶液法和溶劑結晶法。水溶液法是將己二胺和己二酸分別配成水溶液，直接用于縮聚反應生產尼龍66樹脂，是最理想的工藝。水溶液法的特點是不采用甲醇等溶劑，方便易行，安全可靠，工藝流程短，成本低。溶液結晶

18、法是以甲醇或乙醇為溶劑，經中和、結晶、離心分離、洗滌，制得固體尼龍66鹽。溶劑結晶法的特點是運輸方便、靈活，產品質量好，但對溫度、濕度、光和氧敏感性較強，在縮聚反應中要重新加水溶解。原料的純度、結晶溫度、機械損失、溶劑濃度和用量等都對尼龍66鹽的收率和質量產生影響。另外殘存于己二胺中的1，2-二胺基環己烷、1-氨基甲基環戊烷、氨基己腈等雜質，可影響尼龍66的穩定性。(5)尼龍-66的性能表參數5尼龍-66的性能參數密度(g/cm3)1.101.14拉伸強度(MPa)60.080.0；洛氏硬度118熔點252C；熔點在259267C的范圍內波動。脆化溫度30C熱分解溫度350C沖擊強度(kJ/m

19、2)60100彎曲彈性模量(MPa)20003000體積電阻率(Qcm)1.83X1015平衡吸水率2.5%介電常數1.63化學式NH(CH2)6NHC0(CH2)4C0n能耐酸、堿、大多數無機鹽水溶液、鹵代烷、烴類、酯類、酮類等腐蝕成型收縮率PA60.8-2.5%，PA661.5-2.2%成型溫度220-300C干燥條件尼龍-66的AH尼龍-66的AS尼龍-66的Tm100-110C/12小時4390.3J/mol8.37J/kmol259.3C尼龍66的制備工藝尼龍66是由己二胺和己二酸進行縮聚制得的。在工業生產中，為了保證己二胺和己二酸等物質的量比進行縮聚反應，一般制成尼龍66鹽后再進行

20、縮聚反應。尼龍66的生產工藝尼龍“連續聚合工藝由圖1尼龍66連續縮聚工藝可知，蒸發器用蒸汽加熱，濃縮鹽液，蒸發水分，將尼龍66鹽水溶液質量分數由50%提高到70%以上。預熱器是兩個列管式換熱器，將鹽液由150C預熱到起始反應溫度210C。反應器分為三段，第一、第二段主要是進一步蒸發水分，提高溫度，在第三段進行縮聚反應，由于在此階段所得的聚合物聚合度約20，還需要進一步反應，所以反應器內的反應又稱為預縮聚。閃蒸器內有由細突然變粗的蛇管。人口壓力為2MPa，出口壓力為常壓，物料通過閃蒸器后，由于壓力迅速降為常壓，溫度高達280C的水迅速汽化,同時壓力能轉變為動能，使物料與水的混合物高速進人旋風分離

21、器，物料與水分離，物料進人后聚合器。后聚合器內有螺旋推進器，物料在螺旋推進器的葉片上形成只有幾毫米厚的薄膜，便于迅速脫去水分子，使聚合物相對分子質量達到工藝要求，完成縮聚反應。圖I尼龍66連續縮聚工藝流程Fig.1Processflowdiagramofnylon66continuouspolycondensation1第一蒸發器諾一第二蒸發器;3預熱器.4一反應器；5閃蒸器;6旋風分離器;7后聚后器;8增壓泵工藝參數的選擇2.3.1工藝關鍵點控制熔融態聚合物進料量的控制雙螺桿要求其進料量必須精確穩定可調,經過多次技術交流,最終選定使用具有計量功能的齒輪泵配套變頻電動機,利用電位器來調節齒輪泵

22、轉速,以穩定控制齒輪泵出料量。在線改性生產聚合單元與螺桿單元相互關聯,螺桿產量的變動勢必影響整個連續聚合生產線,一旦出現工藝波動,其所需調整時間長,質量穩定慢。因此經連續聚合反應的高溫熔融態聚合物必須連續不斷地向下游工序輸送,不能滯留,多余的聚合物必須合理分流。故需要設計安裝2臺計量泵,增加2臺三通閥和相應跨線,以實現同時或分別向螺桿和水下切粒機供料。通過以上設計,螺桿進料量處于受控狀態,可根據生產計劃及時調節,并確保連續聚合生產線穩定可靠。計量泵轉速-螺桿進料量-螺桿轉速-螺桿產量之間緊密關聯,通過計量泵轉速可以確定螺桿進料量,通過進料量可以確定螺桿轉速、助劑的計量和喂入速度,從而確定后序切

23、粒機的轉速和最終的改性產量。經過摸索得到表6所列的計量泵轉速-螺桿進料量-螺桿轉速-螺桿產量關聯據。表5計量泵轉速與螺桿進料量，螺桿轉速，螺桿產量的關系項目數據計量轉速r/min65075010001150螺桿進料量Kg/h6007009001000螺桿轉速r/min220350400530螺桿產量Kg/h857100012851428螺桿各區段加工溫度的控制傳統改性螺桿溫度靠電加熱和循環冷卻水冷卻來控制,在線改性螺桿擠出機也采用循環冷卻水進行冷卻。但在線改性螺桿原料為熔融態聚合物,其溫度高,在生產中螺桿溫度控制十分困難,經常造成溫度太高,引起連鎖停車。為了降低溫度,將循環冷卻水(30e左右)

24、改造為溫度較低的冷凍水(7e左右)進行冷卻，經改造后螺桿各段溫度控制穩定,產品不會再因溫度超高而氧化發黃。由于產品特性不同,溫度控制也不盡相同。經過反復試驗,對2730G產品生產過程中螺桿各加熱區表度控制如表G產量生產過程中螺桿各加熱區的溫度項目1區2區3區4區5區6區7區8區溫度27280370280275275280285/e0助劑的計量與添加尼龍66在線改性生產依托連續聚合工藝,為生產出品質優良、性能優越的產品,在理論上要根據助劑類別性質不同,在連續聚合生產的不同時機、不同加工階段引入。對于不影響聚合反應的部分助劑,可在連續聚合過程中直接添加;對于其它所需助劑,要視加入后是否分解、能否達

25、到改性作用等具體情況選擇不同時機加入。為了解決添加量問題,選用了4臺不同量程的計量秤進行試驗,需要與聚合物分散性混合的助劑在螺桿混合段喂入,以保證助劑性能穩定;需要剪切性混合的助劑在螺桿剪切段喂入,以便使助劑能受到充分剪切混合,達到改性的目的,提高改性產品的性能指標。螺桿開、停車控制生產過程中因螺桿故障緊急停止時,連續聚合生產線提供的熔融態聚合物仍會由計量泵不斷地供給螺桿,造成螺桿冒料,清理困難,且物料損失較大。因此要在螺桿進口管線上增設熔斷閥,并與螺桿開、停聯鎖。螺桿正常運轉時,熔斷閥處于關閉狀態,物料可順利進入螺桿;當螺桿停止時,熔斷閥連鎖斷開,物料被排出而不再進入螺桿。工藝說明在溶解釜1

26、中將尼龍“鹽及助劑配成60寫的水溶液,用熱水加熱到90C。然后用二氧化碳經齒形過濾器2將溶液壓到貯槽3,用熱水保持90C備用。用輸料柱塞泵4將料通過泵前過濾器20打入預熱器5,使溫度從90C快速上升到210C，壓力為1SMPa。物料經過高I管6、橫一管7、橫二管8、橫三管9、高l管10,繼續加熱、保壓、反應。由柱塞泵控制高I管和高l管物料液面，并由穩壓桶18進行分離穩壓。然后用減壓泵n將物料打入閃蒸器12進行快速汽液分離。溶液進入脫泡器17,在二氧化碳氣體保護下繼續脫水。物料進入后聚合釜13,減壓至0.063MPa,在280C下進行后縮聚，后縮聚釜液面由減壓泵控制。出料由出料螺桿14擠出,通過

27、鑄帶泵15鑄帶,經水槽冷卻,切粒,風干,即為成品。物料衡算年產量60萬噸尼龍-66的物料衡算過程圖I尼龍66連續縮聚工藝流程Fig.1Processflowdiagramofnylon66continuouspolycondensation1第一蒸發器諾一第二蒸發器;3預熱器.4一反應器；5閃蒸器;6旋風分離器;7后聚后器;8增壓泵生產規模：6000001a-1生產時間：330da-1(24hd-1)相關技術指標表8技術指標目指標外白色或微黃色顆粒顆粒度/粒g1g一1M40相對粘度2.502.80熔點/c250260水分/%三15密度/gcm一31.131.15拉伸強度/MPaM70斷裂伸長率

28、/%M30缺口沖擊強度/KJm-2M12無缺口沖擊強度/KJ.m-2M45化學變化參數。加入的己二酸能與己二胺完全反應，生成尼龍66鹽。各組分相對分子質量如下:表9化合物己二己二無龍水聚合物M胺酸66鹽W（尼龍66）相對分116146子質量26218MT24100各反應器反應液中聚合物數量NMx-2xMWNTTT生成水數量=2AxNMT0W聚合反應過程中單體完全參加反應，表轉化1率0可視為100%反應器位號1245X00.990.951抽出低聚物112010100000.2(0.0300/%a)(b)水汽化/%51590909090PA-66純溶液流量與PA-66鹽理論投料流量“丁的關系純溶液

29、二MA66W+(c+d)xW=24100W+0.0205W、=0.9312Wkg-h-1X-MTT101x2062tttNTWPA-66鹽實際投料流量=一Wx2=1.8574x純溶液kgh-1(1-a)(1-b)該生產裝置年產量60萬噸，年開工340d，連續生產、切粒、包裝工序物料損失率為0.3%PA-66純溶液600000 x103340 x24x(1-0.003)=73750.68kg.h-1PA-66鹽質量流量：W=73750.68x1.8574=136984.51kg-h-1T0PA-66摩爾流量：N=522.84kmol-h-1T01物料衡算個1-21-1PA-66鹽：136984.

30、51kgh-1水溶液J369；4,51x95%=65067.64kgh-1催化劑;136984.51*0.05%=68.49kgh-1HO蒸汽136984.510一2x5%=3624.61kgh-1合計：136984.51-3624.61+68.49=133428.39kgh-1的物料衡算總進量=136984.51+522.84=137507.35kgh-1出料量=3624.61+133882.74=137507.35kgh-1物料衡算2-220叵f2-1催化劑68.49kgh-1PA-66鹽純溶液136984.5十2=68492.25kgh-1水溶液(68494.25362461)X55%=

31、35677.202kgh-1PA-66鹽溶液：68492.25+35677.202=104169.452kgh-122水的蒸發(68494.25-3624.61)x45%=29191.338kgh-12.克Z2OHZOO0X6寸009“褐羊理Z寸Z6&Z899叢寸6ggs+g82Z8U+2.Z92+6寸009云如OJz寸.6爼ESH&OIX(ZOE.ooL9+ooIXXVTNo.oH匚于二H己o寸00.ZZSX00IXS60XZZ9ZX6Z/IZS*Nwxqwy22292HZ00X8660X9Z寸6寸89褐護腥*frk丄.gm.89H8660X6寸009“褐羊鰹00丄6卜IzgH8660XV8

32、&zgHnX8660丿n寸丄空8z6即E2H6寸89+8gg.I26Z+Z9V69匸寸sH*a2.空6E00Z寸溥*藝酒駆藝畀sz23Z662ZH%2X(6ggK+sxg60XE9IzgM)H&0IX(EP6ssy+ooIXXVXOH2磐LT.9Z0SCTlHo01g9Izgx8IX66oxzlz9zx3IzgH弓Nxz號之辱如2.克寸卜.992HZ6660X2292寢護腥*陽丄.為009心6660X6寸009寢羊2.克mgIzgHZ6660X6Z.ST十NLI9238卜.6Z92HZ6&Z899+29V卜026簾*蕤田酒2空8卜.6ZI92H6寸009+zoOXS.寸6寸89+Z0寸.169

33、寸S*獲MB畀寸2.克s.oggsHOZ.gz+zggzgeg+龍&+Z20云ln-覽克zgcozgKH&06x(ZOEooL9SE+ooIXXVXm窓維0H2.空oz.J3H8660小ZOO0X寸982Z8II畀如M2.豈龍&HZO.0Xzoo0X將寸6寸89褐護5*陽O血斗6847+136674+11807617+713992H12665L3疔一512逾左m“6849X00003HP0205kg?步TWS4逆“136715x00003HP4102疔TH0獗浦QNXAXX18+53559.43)X90%H6426418疔亍20瀕吟替11807617X00003、09997H3H43kg-T吟

34、斗00205+P4102+6426418+3543H6430P04疔T5替番屬曝駐遒W18991876kg-T狐圧章*12561848+6430P4H18991P088kgT611W吟替“11807617疔0一決”713992xlo甲71399疔壬612決湍丿“713992X9O譽6425928疔亍7丄712決湍丿“71399x90%=6426疔/m熱量衡算尼龍66生產中的能耗分析能量衡算是根據熱力學第一定律,即能量守恒與轉化定律,對化工過程進行能量的計算。能量的消耗在化工生產中是一項重要的技術經濟指標,它是衡量工藝過程、設備設計和操作水平是否先進合理的主要指標之一35。能量衡算有兩種情況,一

35、種是對使用中的設備和裝置進行能量方面的評價,即實際測定一些裝置或設備的能量值,通過能量衡算計算出另外一些難以測定的能量值,從而評價裝置或設備的能量利用情況。另一種是在設計新的裝置或設備時,根據己知的物料量和有關的設定條件,求出能量的變化值,進而獲得位置的物料量或溫度、功率等重要參數。本文主要進行的是前一種情況。化工生產中熱量的消耗是能量消耗的主要部分,例如一套年產25萬t乙稀的裂解裝置，用柴油作裂解原料時,總能量消耗約為1314xlO9KMi,其中90%是熱量，因此，化工過程中的能量衡算主要是熱量衡算36。在實際應用時,由于進出設備的物料不止一種。因此熱量衡算式可采用工Q二工H2-工H1式中，

36、工Q過程換熱量之和，如有熱損失也應包含在內；工H2一離開設備的各物料焓的總和；工H進入設備的各物料焓的總和。尼龍66生產設備的能量衡算蒸發器在120C及表壓2.94XI。4Pa條件下蒸發鹽液中水分,濃縮為70%的鹽液。其中加熱蛇管加熱面積為8,為立式受壓容器，通入98XI。5Pa蒸汽,水蒸發量580kg/h。 70Hi12C：，C八Q損50%鹽液9(TCb蒸發器A蒸汽加熱熱量平衡式為Q-Q損二血+H水-H1H1單元設備入口焓,kj/hH2單元設備出口焓,kj/hQ一該單元設備的耗熱量,kj/hQ損一該單元設備的熱損失,J/hH水一該單元設備中蒸發的水產生的熱量,J/h基準:25C,聚合產量為l

37、OOOkg/h入口濃度為50%,由于蒸發器主要作用為使鹽溶液濃縮，則聚合物中66鹽的質量在蒸發器中固定不變為:1000X50%=500kg/h可查得25C,時水的比熱容為:4.186J/(kg.K)66鹽在25C,的比熱容為:2.10kJ/(kg.K)則進口鹽溶液的焓為進口溶液中水的焓與鹽的焓之和,即:H1=H1水十H1鹽=500X4.186X(93-25)+500X210X(9325)=213724kJ/h出口的鹽溶液的總重量為固定的鹽的質量除以出口鹽溶液的濃度,即:500/70%=714.3kg/h出口鹽溶液中水的重量為:714.3-500=214.3kg/h蒸發的水的重量為:500-21

38、4.3=285.7kg/h水的正常沸點為100C,AH汽化=2260kJ/kg,可査得水在9.8X105Pa時的沸點為179.18C,AH汽化=2018kJ/kg，因此蒸發的水產生的熱量為：H水=285.7X2018=576543kJ/h可查得120C時水的比熱容為:4199kJ/(kg.K)出口鹽溶液的焓為出口溶液中水的焓與鹽的焓之和,即:H2=H2水+H2鹽=214.3X4.199X(12025)+500X2.10X(12025)=185235kJ/h聚合過程中的熱損失包括三種,即保溫設備面積和附屬設備熱損失(PT1),熱載體往返回路保溫層表面的熱損失(PT2),溫度調節回路及泵的熱損失(

39、PT3)38.保溫設備面積及附屬設備熱損失為:(4.2)PT1=SiRAt=8X84X(120-25)=6384kj/hSi工藝設備保溫面積，m2R1保溫層熱阻。根據實際生產經驗,保溫層的熱阻在各種情況下差異不大,大概為8.4kj/hm2c.t一熱載體與車間環境溫差,C熱載體往返回路保溫層表面熱損失為:PT2=K!=0045(H2H1)(4.3)K為由生產經驗得出的比例系數為0045.蒸發器的加熱介質為蒸汽,因此導油熱溫度調節回路的熱損失PT3為0.052所以耗熱量Q=H2-H1+Q損+H*=H2-H1+PT1+0.045(H2-H1)+H水=(1+0.045)(185235-204295)+

40、6384+576543=563009kj/h反應器U形臥式三段反應器，三段均獨立加熱，內徑為500mm,L=25m,第三段中置有同心圓筒狀導流板。物料進口溫度為215C，出口溫度為245C，壓力為1.715Xl6Pa,蒸發水量為471kg/h,。預聚物麗為5000,含水率10%。245r圖反應器中的能量流程圖熱量平衡式為Q-Q損=H2-H1+H水+Q反(4.4)Q反一該單元設備的反應熱,kj/h基準:25C、聚合產量為1000kg/h可查得215C時水的比熱容為:4.264kj/(kgK)則進口鹽溶液的焓為:H1=H1+H1鹽=300X4.282X(215-25)+700X2.1X(215-2

41、5)=523374kJ/h反應式為O0HT+lI!IIIIng巴小NT才=加卜AQ吻fT-QthN-；r-1)H.0由預聚物Mn為5000可得n=22所以由反應式可得:生成尼龍66的質量為6072kg/h,水的質量為45.9kg/h出口預聚物的總重量為:607.2/90%=674.7kg/h出口預聚物中水的重量為:674.7-607.2=67.5kg/h蒸發的水的重量為:300-67.5=232.5kg/h可查得水在1715X106pa時的沸點為204C,命汽化=1922kJ/kg,因此蒸發的水產生的熱量為:H水=232.5X1922=446865kJ/h可查得245C時水的比熱容為:4334

42、kJ/(kgK)出口預聚物的焓為:H2=H2水+H2預聚物=67.5X4.334X(245-25)+607.2X2.1X(24525)=344886kJ/h反應熱：尼龍66鹽的反應熱為28.50kJ/kgK則Q反=700X28.5X(24525)=598465kJ/h熱損失:保溫設備面積及附屬設備熱損失為:S1=ndl=3.14X0.5X25=39.25(2.8)PT1=S1RAt=39.25X8.4X(24525)=72534kJ/h根據實際生產經驗,保溫層的熱阻在各種情況下差異不大,大概為8.4kJ/h就熱載體往返回路保溫層表面熱損失為:PT2=KA!=0.134(H2-H1)(3)反應的

43、加熱介質為聯苯,因此溫度調節回路的熱損失:估算可得S2=0.8,S1=31.4m?,PT3=S2RAt=58027kJ/h所以耗熱量Q=H2H1+Q損+H水+Q反=H2H1+PT1+0.134(H2H1)+PT3+H水+Q反=(1+0.134)(344886523374)+72534+58027+446865+598465=991334kJ/h閃蒸器通過三段異徑管逐漸加大，物料膨脹之后使水汽化。第一段=202mm,第二段=369mm,第三段=545mm,總長為886m,傳熱系數1.674X107J/hC.m?,傳熱面積為11.4物料進口溫度為450C，出口溫度為280C，壓力由2156xI06

44、Pa降為接近常壓。加熱介質是293C聯苯蒸汽。物料減壓之后，大部分的水汽化，成為低聚物熔體與水蒸汽的混合物。95%270nCAQ搗90%預聚物245CTrk蒸發器kH2聯苯加熱圖閃蒸器中的能量流程圖熱量平衡式為Q-Q損用2+只水-H1基準:25C、聚合產量為1000kg/h則進口物料的焓為:H1=H1水+H1鹽=00X4.334X(245-25)+900X2.1X(245-25)=511148kJ/h出口聚合物的總重量為:900/95%=947kg/h出口預聚物中水的重量為:947-900=47kg/h蒸發的水的重量為:100-47=53kg/h可查得水在2.156X10勺&時的沸點為216C

45、,AH汽化=1873kJ/kg,因此蒸發的水產生的熱量為H水=53XI873=99269kJ/h可査得270C時水的比熱容為:4.389kJ/(kgK)出口物料的焓為:H2=H2水+H2鹽=47X4.389X(270-25)+900X2.1X(270-25)=513589kJ/h熱損失:保溫設備面積及附屬設備熱損失為:PT1=S1RAt=11.4X8.4X(270-25)=23940kJ/h熱載體往返回路保溫層表面熱損失為:PT2=KH=0.203(H2-H1)K一為由生產經驗得出的比例系數為0.203.蒸發器的加熱介質為聯苯，因此溫度調節回路的熱損失估算可得S2=0.8m,S1=9.1m,P

46、T3=S2Rt=19152kJ/h所以耗熱量Q=H2-H1+Q損+H水=H2H1+PT1+0.045(H2H1)+PT3+H水=(1+0.203)(513589-511148)+23940+19152+99269=145298kJ/h聚合器上部為圓筒形、下部為圓錐形的立式反應器,錐體部有帶式攪拌器。旁邊設有一分離器，其內徑為960mm,槽體總長1750mm,液面控制為30%。物料在280C下進行常壓縮聚，Mn=1200013000。停留時間25分。95%280*C八Q損95%鹽液270?C聚合器反丿習熱聯苯力二熱圖聚合器中的能量流程圖熱量平衡式為Q-Q損=H2-H1+H水+Q反基準:25C、聚

47、合產量為1000kg/h可査得215C時水的比熱容為:4264kJ/(kgK)則進口鹽溶液的焓為:H1=H1水+H1鹽=50X4.389X(270-25)+950X21X(270-25)=542540kJ/h反應式為OGHH-TcC11IIIn-OOC(CH2COONH0(CH2)6NH3=H+(n1)H?O由預聚物Mn為12000可得n=53所以由反應式可得:生成尼龍66的質量為821kg/h出口預聚物的總重量為:821/95%=864kg/h出口預聚物中水的重量為:864-821=67.5kg/h蒸發的水的重量為:50-43=7kg/h可査得水在常壓時的沸點為100C,ZH汽化=2260k

48、j/kg,因此蒸發的水產生的熱量為:H水=7X2260=15820kJ/h可査得280C時水的比熱容為:4417kj/(kgK)出口預聚物的焓為:H2=H2水+H2預聚物=43X417X(280-25)+821X21X(280-25)=487771kj/h反應熱：尼龍66鹽的反應熱為28.50kj/kgK貝Q反=950X2850X(280270)=270750kj/h熱損失:保溫設備面積及附屬設備熱損失為:PT1=S1RAt=18X84X(28025)=38556kj/h根據實際生產經驗,保溫層的熱阻在各種情況下差異不大,大概為8.4Kj/hm”C熱載體往返回路保溫層表面熱損失為:PT2=KA

49、H=1.67(H2-H1)蒸發器的加熱介質為聯苯,因此溫度調節回路的熱損失:估算可得S2=08S1=144mPT3=S2RAt=30845kj/h所以耗熱量Q=H2H1+Q損+H水+Q反=H2H1+PT1+0134X(H2H1)+PT3+H水+Q反=(1+167)(487771542540)+38556+30845+15820+270750=209738kj/h聚合釜及各設備選型5.1對設備的要求連續縮聚工藝要求裝置能連續運轉,整個反應過程盡可能驅除全部水分。這就要求整套裝置傳熱效率高,以便短時間內高效地把水蒸發排出體系外。溶解過程尼龍“鹽配制成(60士0.5)%的水溶液后,pH值為7880。

50、應在90C下保溫貯存,以防產生結晶。預縮聚過程預縮聚過程反應時間要充足,在反應壓力下得到接近平衡的聚合物,以聚合物的形式束縛住二元胺,以便在降低反應器壓力形成兩相體系時二元胺損失最小。在預聚合開始時控制溫度為215C，壓力為18MPa。預熱器一定要滿足這一要求,要做到物料先進先出,不能產生死角。在橫一管、橫二管脫溶解水并進行預縮聚,橫三管用以除去分子間的縮聚水。物料在橫管進行反應時,控制液面高度以管截面的50%一60%較適宜。必須控制蒸汽產生的速率和排出的速率相等,管內壓力保持恒定。嚴格控制高I管和高l管的物料液面，它的高低會影響蒸發面和傳熱面，也影響物料在管中的停留時間,對排水效果及聚合物的

51、結構、分子量大小、分子量分布也有影響。閃蒸過程從預聚管中出來的物料通過閃蒸器迅速降壓,排出水分。這一過程要有足夠的熱量使物料溫度不降低，閃蒸后料溫保持280C,這是閃蒸的關鍵。5.5后縮聚過程后縮聚是酞胺反應接近平衡的最終聚合階段,物料在后聚合釜停留時間要比常壓時間短，溫度控制在280C，真空度為00530.067MPa。后縮聚釜液面控制極為重要,要嚴格控制在一定范圍,而且要保持穩定。主要設備有濃縮槽、反應器、閃蒸器、前聚合器、后聚合器。濃縮槽用內盤管加熱使物料濃縮，反應器為3段U型管（各段加熱溫度不同）。閃蒸器是重式加熱器，在臥式圓筒槽內插入物料流于其內的被加熱蛇管和加熱用熱油流于其內的加熱

52、蛇管，被加熱蛇管是由3段異徑管組成，閃蒸器筒體中裝有液態聯苯，用加熱蛇管內流動的加熱用熱油加熱，從而產生聯苯蒸汽，再用該聯苯蒸汽加熱被加熱蛇管中流動的物料4。前、后聚合器都是帶排料螺桿及夾套的立式圓筒槽。后聚合器還有真空調節系統。參考文獻1無錫輕工業學院，輕工業部上海輕工業設計院編。輕工業出版社。1990：77.MichaelPMalveda.CEHmarketingresearchreportnylonfibersZ.Stanford:SirConsulting,2008.化工產品進出口數據庫EB/OL.中國化工信息網,2009.魯來勇,吳非尼龍66聚合反應工藝比較J河北化工2012,1(3

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54、):40-42趙國方編著化工工藝設計楷論。北京：原子能工業出版社,1900：67中央廣播電視大學化工類畢業設計指導書編寫組。化工類畢業設計指導書。北京：中央廣播電視大學出版社,1986：61武漢大學化學系化工教研編。化工制圖基礎。第二版,北京：高等教育出版社,1990：67華東化工學院機械制圖教研室編。化工制圖。北京：高峰教育出版社,1991：54丁富新。袁乃駒編。化學反應工程例題與習題。北京：清華大學出版社,1991:84美雷撕尼克著。化工過程分析與設計。蘇建民翻譯,北京：化學工業出版社,1985:132劉道德等編著。大學生畢業設計指導教程,長沙：中南大學出版社,2004:107.TaiK，

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57、努力！感謝張新杰同學對工藝流程圖的精心繪制，桂鵬同學對工藝過程的物料衡算和熱量衡算的詳細計算，還有張寧，張金泉，向帥，黃樂超，曾令成，賀瑜，龍洲，金家全，夏明陽的資料搜集與查找，以及吳王同學對工藝流程的整體設計與編輯整理。本次課程設計是我們班的首次嘗試，主要是鍛煉大家的繪圖能力資料搜集與整理的能力，熟悉工藝過程，為日后的畢業設計做準備，如有不足之處，希望大家多提寶貴意見！附錄作圖要求與說明1管路畫法管路要畫成水平或垂直，不用斜線或曲線，應避免穿過設備或使管路交叉不能避免的，應將橫向管線斷開一段。概括地說有如下3條：樓板或設備線給物料線讓路。豎線的給橫管線讓路。輔物料給主物料讓路。2主要圖形符號尺寸主要圖形符號尺寸見圖所示去B線粗來自.XFnr圖屮單位為m|EL100.4005-6B主要圖形符號尺寸3圖紙尺寸圖紙尺寸見圖2及圖3A：i也2AbXl841X11S9594X841420X594297X420210X297C105a25圖紙尺寸示意1jqaMic圖紙尺寸示意圖4標題欄尺寸及格式在工藝流程中，標題欄位于圖紙的右下角，其格式和內容如圖4諛計羊位窘稱）XXX年（工廠容珞J14日葩珈踽譙計頂月S說it沒計闇段6（s）1S審樣豐定昭辛業第莫共鑾6r-125UU1515