的反应器，如螺杆型反应器、表面更新型反应器等。然而在聚合物合成中使用最广泛的是搅拌釜式反应器。此反应器通常设有搅拌装置，其主要作用是强制物料流动，强化传热与传质效果；使物料充分接触，均匀混合；强化表面更新作用，有利于小分子组分汽化；使非均相物料分散。因此搅拌釜反应器对各种反应体系适应性强，操作弹性大，使用温度和压力范围广，既可用于间歇操作，也可用于连续操作。用于间歇操作时，生产灵活性大，更换品种方便，适应市场需求能力强。用于连续操作时，反应器操作过程稳定，产品质量均一，且多釜串联连续操作产量大。

在聚合后期传质常是反应的控制因素，故反应器的设计要能提供大的传质表面和短的扩散路径，当然还要能在高真空下操作。由于在缩聚过程中物系的黏度变化很大，因此连续缩聚反应器往往由多个形式不同的反应器串联而成。日立公司的直缩法生产聚酯的流程。以对苯二甲酸和乙二醇为原料使之淤浆化，在高温和弱加压下进行酯化反应，在高真空下缩聚生产出聚酯。所用的聚合装置为：酯化工序采用二个立式搅拌釜，缩聚工序采用一个立式搅拌釜和二卧式搅拌釜。

反应器釜体外型是由圆形直筒部分与上下封头组成。封头与筒体的连接形式有两种：焊接连接和法兰连接。法兰连接便于设备内部结构的安装与检修，但是造价较高，密封性能较差；焊接连接设备结构简单、造价低、密封性能好，但不利于设备安装与检修，为此常在釜体上封头上开设人孔。一般来说，对于搅拌釜反应器，若反应器直径较大，对密封要求较高时，应采用焊接连接。考虑到高真空的反应条件及经济因素本设计选用焊接连接封头与筒体。

[9]

4.4.2 第一酯化釜的工艺计算 搅拌釜反应器的结构主要有釜体、搅拌装置、传热装置、工艺接管等组成。这里只对第一酯化釜的釜体进行相关设计计算。 （1）停留时间τ

根据质量守衡定律，第i个反应器中组分Ａ的物料平衡关系为：

vi-1CＡi-1＝viCＡi＋rAiVRi ①

式中 vi-1——第i釜进口处物料体积流量，m/h； vi——第i釜出口处物料体积流量，m3/h； CＡi-1——第i釜进口处A的浓度，kmol/m3； CＡi——第i釜出口处A的浓度，kmol/m3； VRi——第i釜反应液的体积，m3；

rAi——用A浓度变化表示的第i釜的反应速率，kmol/h。

对于恒容反应来说，vi＝vi-1、CＡi＝CA0（1－xＡi）、CＡ i-1＝CA0（1－xＡi-1）、rAi＝－d CＡi/dt、rxi=dxAi/dt= rAi/ CＡ0。将这些条件代入式①整理得：

τi=VRi/v0=( CＡi－1－CＡi)/ rAi=CＡ0(xAi－xAi－１)/ rAi

或 τi＝（xAi－xAi－１）／rxi ② 式中 τi ——物料在第i釜中平均停留时间，h； xＡi-1——第i釜进口处A的转化率； xAi ——第i釜出口处A的转化率；

3

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rxi ——用A转化率变化表示的第i釜的反应速率，h-1。

第一酯化釜中已知PTA进料的质量流量为10792.08 kg/h，PTA密度为1.593 g/cm3。则PTA进料的体积流量为

10792.08 ÷ 1593＝ 6.775 m3/h

已知PTA的摩尔流量为65.0125 kmol/h，则进料PTA的摩尔浓度为

65.0125 ÷ 6.775＝9.596 kmol/m3

根据前面所述的物料流量，将第一酯化釜的物料平衡数据代入②，得 τi＝（xAi－xAi－１）／rxi ＝（0.89-0）× 9.596 ÷ 6.775＝1.3 h （2）反应体积的计算（volume of reactor）

对与连续操作，反应液体积计算公式如下：

VＲ＝Wdτ／ρm ③

式中 Wd——为物料的质量流量，单位为 kg／h

τ——为物料的平均停留时间（无辅助操作时间），单位为 h ρm——为反应液混合密度，单位为 kg／m

3

３

已知EG进料的质量流量为4514.47 kg/h ，EG的密度为1.480 g/cm。则EG进料的体积流量为

4514.47 ÷ 1480＝3.050 m/h

假定PTA和EG混合时无体积变化V物料＝VPTA＋VEG＝6.775＋3.050＝9.825 m3/h

ρm ＝（WPTA＋WEG）／V物料＝（10792.08＋4514.47）÷ 9.825＝1558 kg/m3

将数据带入③式中得

VＲ＝Wdτ／ρm＝（10792.08＋4514.47）× 1.3 ÷ 1558＝12.772 m3

根据实际生产经验，反应器的有效体积为80％，所以理论反应釜体积为 12.772 ÷ 0.8＝15.965 m

根据《化工工艺设计手册》釜式反应器的规格，圆整为20 m3。

从力学角度分析，标准椭圆封头的应力分布比较均匀，封头的强度与和其连接的筒体强度相等，所以搅拌釜反应器的封头大都选用标准封头。查《聚合物合成工艺设计》表6-1得，标准封头的体积为0.131Ｄ3、封头高度h封＝0.25D、封头侧面积S＝1.083D2，D为釜体直径。令：h为釜体直边高度、Ｈ为反应器釜体的高度，则：

H＝h＋2h封＝h＋D/2

因一般搅拌釜液-固物料类型H/D＝1～1.5，故取H/D＝1.5，则h＝D

VT＝0.25π D2 h＋0.262 D3＝0.25π D3＋0.262 D3＝1.047D3

D ＝（VT/1.047）

1/3

1/3

3

3

＝（20/1.047）＝2.673 m

虽然反应器属于非标准设备，但用于制造反应器的上下封头仍应选用标准封头。因为H/D较小，所以次处按公称尺寸选定釜体的直径为2.6 m

釜体的直边高度为：h＝（VT－2V封）/0.25 π D2＝（20－2×0.131×2.63）/（0.785×2.62）＝2.901 m

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釜体实际高度为：H＝h＋2h封＝2.901＋2×2.6/4＝4.201 m

根据《聚合物合成工艺设计》中表6-2，取封头直边高度为50mm， 釜体圆形直筒部分高度：2.901－2×0.05＝2.801 m

反应器的实际体积为：VT′＝0.25π D2 h＋0.262D3＝0.785×2.62×2.901＋0.262×2.63＝19.999 m3 反应器实际长径比：H/D＝4.201 / 2.6＝1.616 （3）搅拌器的选型

搅拌叶与搅拌轴之间的夹角不同，对流体产生的搅拌效果不同，按此原则可将搅拌桨大致分为三类。

平叶桨：搅拌桨叶与搅拌轴平行，以剪切作用为主，流动类型为径向流动，如平桨、直叶或弯叶涡轮桨、锚式桨、框式桨等。

折叶桨：搅拌桨叶与搅拌轴有一定的角度，以循环流动为主，流动类型为轴向流动，如斜桨、开启式折叶涡轮桨和圆盘式折叶涡轮桨等。

螺旋叶面桨：搅拌桨叶绕搅拌轴螺旋上升，如推进式桨、螺杆式桨、螺带式桨等。

一个好的选型方法最好具备两个条件，一是选择结构合理，一是选择方法简便，而这两点却往往难以同时具备。由于液体的黏度对搅拌状态有很大影响。所以根据搅拌介质黏度大小来选型是一种基本的方法。

对于高黏度体系，由于黏度较大，不能有太大的剪切速率，否则易造成摩擦生热，另外还会使搅拌轴承受较大的扭矩，搅拌功率大，能量消耗大，因此高黏体系需在很低的转速下搅拌。在低搅拌转速条件下，物料处于层流状态，单靠流动是不能满足混合需要的，所以需要有较大的推动面积及搅拌直径。随着黏度增高的各种搅拌器使用顺序为推进式、涡轮式、桨式、锚式和螺带式等。[10]

根据搅拌过程的目的与搅拌器造成的流动状态，本设计的搅拌器采用圆盘式斜叶涡轮桨和圆盘式直叶涡轮桨，搅拌级别为7-10级。根据《聚合物合成工艺设计》表6-4知圆盘式涡轮桨的Z=4~8，d/D=1/4~1/2，b/d=1/8~1/5，C/D=1，ut=2~10m/s，d:L:b=20:5:4，因此取d/D=1/3，则

d=0.33×2600=867mm L=0.25d=0.25×867=217mm b=0.2d=0.2×867=173mm

（4）换热器的选型

在釜体外侧安装各种形状的钢结构，使其与釜体表面形成密闭的空间，在此空间内通入传热介质，这种结构称为夹套，搅拌釜一般都采用夹套这种传热装置。PET合成中有气体蒸出，且易夹带低聚物，所以夹套方式采用全包式，以便使低聚物遇到热的上封头时熔融，流回到反应液中，防止物料挂壁。

当需要的传热面积较大，单靠夹套面积不能满足需求时，可采用内置传热装置的方法增加传热面积。内置传热器的主要型式有蛇管（盘管）式、列管式、直管式、传热环等多种型式。因为反应前期反应体系的黏度不大，因此本设计采用列管式换热器。关于第一酯化反应釜详见附图2——主要设备图。[11]

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4.5 工艺管道的计算

聚酯生产中的大多数管道是有EG、DEG、水、水蒸气及热媒管道组成，所以这里只计算两条具有代表性的管道，即EG进料管和反应产生的水蒸气的排废管。

（1）EG进料管的选型

由《化工原理》查得，20℃时,ρ＝1113 kg/m3，μＥＧ＝23 mPa·s，属于高黏度液体， 查《聚合物合成工艺设计》，取u＝0.5 m/s.则

VS＝WS/ρ＝4514.47 kg·h-1÷1113kg·m3÷3600s＝0.0011267 m3/s d＝(4VS/πu)＝[4×0.0011267÷(3.14×0.5)]＝0.05358 m＝53.58 mm

式中 WS ——EG的质量流量； VS——EG的体积流量。

根据《化工设备机械基础》附录7，采用Ф57×3mm的热轧无缝钢管。 （2）水蒸气排放管的选型

聚酯工业中排放的水蒸气属于过热蒸汽，查《化工原理》知，260℃时,水蒸汽 ρ＝23.82kg/m，u＝40 m/s，则

VS＝WS/ρ＝2020.51÷23.82 ÷3600＝0.023562 m/s

d＝(4VS/πu)＝[4×0.023562÷(3.14×40)]＝0.02739m＝27.39 mm

式中 WS——上升蒸汽的质量流量； VS——上升蒸汽的体积流量。

根据《化工设备机械基础》采用Ф30×2.5mm的热轧无缝钢管。

（3）料浆进料管的选型

由上物料衡算、热量衡算计算可知PTA的WT0=10792.08kg/h，WEG=4514.47 kg/h, ρm=1558 kg/m3,取流速u＝0.5 m/s.则

VS＝WS/ρ＝(10792.08+4514.47) ÷1558÷3600=0.002729m3/s

d＝(4VS/πu)1/2＝[4×0.002729÷(3.14×0.5)]1/2＝0.08338m＝83.38 mm

根据《化工设备机械基础》采用Ф89×5mm的热轧无缝钢管。 4.6 厂房设计

化工车间的组成、结构受具体情况的影响很大，厂房的形式也因环境的不同而各异。厂房的形式有集中与分散、单层与多层、露天与室内之分。通过对经济、方便等多方面的考虑，本设计选用集中式单层厂房。因露天厂房有建筑费用少，有利于安装和检修，有利于通风、防火、防爆、防毒等优点，所以生产的主要设备安放在露天厂房。

车间的辅助生产部门包括控制室、检验室、配电室、空调室、原料仓库、产品仓库等，生活行政部门包括办公室、更衣室、浴室、厕所等。厂内所有车间均用钢筋混凝土柱建造，断面尺寸采用500mm×500mm。柱距、跨度均采用6m，墙厚采用240mm（一砖厚）。关于厂房的具体设计详见附图3——车间平面布置图。[12]

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