重合槽反応器

ポリスチレンスロセスの概要と重合槽の仕様

設計計算に必要な諸量

ポリマー生産量 ((学籍番号下2桁)*5)+1000 kg/hr

転化率 第1槽に送入したモノマーのうち第4槽出口でxe まで重合する
    xe =((学籍番号下2桁)*0.001 + 0.75 )

第1槽に送入される反応液:
組成 スチレンモノマー 88wt%,溶媒(トルエン) 12wt%
 モノマー分子量 M=104.2 kg/kmol
 物性値(140℃):密度 ρ= 850kg/m3,粘度 μ= 0.03kg/(m・s) = 108kg/(m・hr)
  熱容量 Cp= 0.49kcal/(kg・K),熱伝導度λ=0.10kcal/(m・hr・K),
反応速度定数 k= 0.26 hr-1,  反応熱 Q=17.7x103kcal/kmol

第1槽の操作条件: 撹拌回転数 N= 180rpm = 3s-1
  熱媒体側伝熱係数 h0= 1000kcal/(m2・hr・K),両側の汚れ係数 fc= 0.0008m2・hr・K/kcal
  槽壁厚み l = 10mm,槽壁熱伝導度 λs= 14kcal/(m・hr・K)

重合槽容積・寸法の計算

流通式反応器の基礎

反応速度式(一次) r =-k [M ]  (1)
([M ]:モノマー濃度[mol/l])
物質収支式 F [M]i + rV = F [M] (2)
(F:流量[m3/hr], V :槽容積[m3])

(第1槽)       (第2槽)        (第3槽)       (第4槽)

式(4.1)〜(4.4)よりV1=V2=V3=V4=V としてx1,x2,x3を消去すると,
xe=? (5)

(ヒント:)

重合槽形状

標準形状 (H/D)=1.5 (6)
V' =(π/4)D3((H/D)+0.068) (7)
V =0.8V' (8)
伝熱面積   SD2((H/D)+0.268) (9)

 

 

 

撹拌

撹拌羽根はd :l :b =20:5:4の 標準平板4枚羽根タービン型(右図)
d/D=1/3 (10)
取り付け位置は槽底から(1/3)H

邪魔板の寸法
完全邪魔板条件  (w/D)nB=0.5 (11)
(w:邪魔板の幅, nB:枚数) wは通常w≒0.1Dなのでこの程度になるようnB(偶数),wを決める

撹拌所要動力

P =NpρN 3d 5 (12)
P:所要動力[W],Np:動力数[-],ρ:液比重[kg/m3],N :回転数[s-1]
Re=d 2/μ (13)

槽冷却


槽内の伝熱係数 hj

反応により発生する熱量 qr=(反応モル数)xQ (16)
原料は100℃で供給されるので,この温度上昇(100℃→140℃)に必要な熱量: qf = FCp(t-ti) (17)

除熱量qc qc=qr-qf (18)
冷却媒体温度tc qc=US(t-tc) (19)

スチレン重合槽設計計算書 書式

                   学籍番号   氏名

1.生産量 

ポリマー生産量 ((学籍番号下2桁)*5)+1000 =        kg/hr
第一槽モノマー送入量R=        kg/hr
第一槽全供給液量(モノマー+溶媒) F=         m3/hr=         kg/hr

2.第一重合槽容積・寸法

各槽出口転化率 x1=    ,x2=    ,x3=     ,
        x4=xe=        ((学籍番号下2桁)*0.001 + 0.75 )
反応槽容積V =      m3,   反応槽容積V ' =       m3
槽径 D=      m, 胴長H=         m
伝熱面積 S=            m2

3.撹拌

羽根形状 d=     m, l =     m, b =    m
邪魔板 数 nB=       枚, 幅 w =       m

撹拌レイノルズ数 Re=      ,動力数 N p=        
所要動力 P [W=kg・m2/s3]=N p*ρ[kg/m3]*(N [s-1])3*(d [m])5=       kW

4.槽冷却

槽内伝熱係数 hj=         kcal/(m2・hr・K)
プラントル数 Pr=      
総括伝熱係数 U=            kcal/(m2・hr・K)

反応により発生する熱量 qr=((モノマー送入量)*x1/(モノマー分子量))*Q =         kcal/hr
供給液の温度上昇に要する熱量 qf=          kcal/hr
除熱量 =伝熱量  qc=          kcal/hr

冷却媒体温度 tc=       ℃