日产19吨高烃值丙烯酸乳液工艺制备设计

化工设计课题：日产19吨高烃值丙烯酸乳液工艺制备设计学院：化学化工学院班级：化工122学号：姓名：朱志豪指导老师：王正平专家2023-7-1

TOC\o"1-4"\h\z\u目录第一章绪论 21.1高烃值丙烯酸乳液的现状 21.1.1用途及性质 21.1.2丙烯酸乳液的基本性能 21.1.3重要生产厂家 21.2生产方法 3第二章工艺过程分析 32.1反映机理 32.2工艺流程示意图 42.3设计基准与参数 42.4工艺过程叙述 52.5原材料消耗—重要原料、辅助原料 52.5.1原料、辅助原料规格： 52.5.2预计原料及辅助原料的消耗定额： 52.6公用工程规格及消耗定额（水电气） 62.6.1公用工程规格： 62.6.2预计公用工程消耗定额： 6第三章物料衡算 63.1全过程的物料衡算 63.1.1小时生产能力 63.1.2物料衡算依据 73.1.3物料衡算过程 7乳化反映器进口原料中各组分的流量 7乳化反映器出口单体乳液的流量 8升温时聚合反映器进口原料中各组分的流量 8中和时反映器进口原料中各组分的流量 8反映器出口产品中各组分的流量 83.3.2换热面积的计算 103.4.1聚合反映釜的工艺计算 10聚合反映釜体积、数量 10罐体几何尺寸计算 113.4.2乳化反映釜的工艺计算 12乳化反映釜体积、数量 12罐体几何尺寸计算 13第四章重要设备 134.1设备选择的原则 134.1.1设计与选用方法 134.1.2设备工艺设计与选型原则 144.2设备一览表 15第五章附图——带控制点工艺流程图 165.1设备图及工艺流程图 16第六章感想与感受 17第一章绪论1.1高烃值丙烯酸乳液的现状1.1.1用途及性质丙烯酸乳液具有成本低、耐候性好、光泽高、环保的特点，是涂料中发展最快、品种最多的环保型涂料。研究丙烯酸涂料的烃基值、玻璃化转变温度、固化速度等对基材的润湿、漆膜的强度、涂料的施工工艺、涂层的光泽饱和度等的影响，有助于扩大其应用领域，替代环境污染产品。水性烃基丙烯酸涂料发展前景广阔。丙烯酸乳液作为水性涂料的基料早已用于建筑涂料,也大量用于气干涂料和烘烤涂料领域中,但是它在高质量工业涂料方面的应用存在许多困难。乳液合成工艺的进展,使乳胶涂料获得令人满意的性能,扩大了其在工业涂装领域中的应用。1.1.2丙烯酸乳液的基本性能1、化学稳定性化学稳定性是指乳液对添加的化学药品重要是电解质的稳定性,检测方法通常用5%CaCl2进行检测。2、机械稳定性机械稳定性是指乳液在经受机械操作时间的稳定性。3、冻融稳定性因乳液组成中一半是水,受冻后使介质变成冰,产生强大的冰压,使得护层—5双电层破坏面导致破乳,冻融稳定性即是指乳液通过冻融和融化交替变化时的稳定性。4、稀释稳定性稀释稳定性是指乳液加水稀释后的稳定性。5、量低成膜温度(MFFT)MFFT是指乳液薄膜在温度条件合适时,随水份蒸发聚合物乳液粒子充足融结成连续透明薄膜时的温度即为MFFT。MFFT过高会导致龟裂现象,可加入成膜助剂Texanol等进行调节。6、玻璃化温度(Tg)玻璃化温度(Tg)是指高聚物由弹性状态转变为玻璃态的温度.Tg高膜硬度好耐沾污性好,相对来讲MFFT也高,如使用不妥,容易产生龟裂等现象.Tg低膜较软,发粘耐沾污性差。1.1.3重要生产厂家国外：国民淀粉、巴斯夫、罗门哈斯、长三角：江苏日出、上海保丽佳、江阴国联珠三角:巴德夫、广东天银、台湾长兴山东地区：日照广大、垦利金友来、青州宝达、青州贝特、宁津五湖北京周边：北京亚克力、北京互益、北京东联、北京宝威、东方永宇、北京科信、科之信河北：河北新光1.2生产方法本文采用种子乳液聚合法，以甲基丙烯酸甲脂、丙烯酸丁脂、甲基丙烯酸、苯乙烯、甲基丙烯酸烃乙脂作为共聚单体，制备用于高烃基丙烯酸乳液。本工艺以水为溶剂不仅减少成本，并且克服了有机溶剂的有毒性、易挥发性、刺激性气味大等缺陷。生产原料：原料名称丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲脂苯乙烯丙烯酸烃乙脂VV-10丙烯酸原料分数/g112751761第二章工艺过程分析2.1反映机理过硫酸铵引发的丙烯酸类单体的聚合是自由基引发机理，可由下列3步基元反映组成，涉及链引发、链增长、链终止等环节，具体如下：（1）链引发（2）链增长（3）链终止单体聚合原理：水预引发剩余乳化反映SR-10表面活性剂剂纯水、碳酸氢钠、过硫酸铵水水预引发剩余乳化反映SR-10表面活性剂剂纯水、碳酸氢钠、过硫酸铵水所有单体苯聚合反映引发剂+水保温引发剂中和反映氨水产品2.3 设计基准与参数 已知所给的单体以及其他物质的质量总和=198.014g≈200.000g，则放大倍数为日产量/质量总和=19×1000000/200.000=95000原料名称丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲酯苯乙烯丙烯酸羟乙酯VV-10原料投入量/kg/d104525654751615570原料名称丙烯酸碳酸氢钠氨水过硫酸铵纯水原料投入量/kg/d9551.39512.7312160乳化剂SR-10加入量为单体总质量的2%，则SR-10投入量为（1045+2565+475+1615+570+95）×0.02=127.3kg/d，则每批投入量=127.3/2=63.65kg/批2.4工艺过程叙述1、在反映釜中先加入纯水、碳酸氢钠和过硫酸铵，启动搅拌并升温；2、将所有单体（即丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酸羟乙酯、VV-10和丙烯酸）、纯水和SR-10表面活性剂（2%）加入乳化釜充足混合乳化1h，乳化后的物质通入乳液贮罐备用；3、向反映釜中加入定量的乳化液，进行预引发反映10min；4、将过硫酸铵和纯水加入计量高位槽中充足混合，待反映釜的温度升到90℃后在4h内与剩余乳化液一起滴加完毕；5、将过硫酸铵和纯水在反映釜的温度升到90℃时，半小时滴加完后，在90℃保温2h；6、反映结束后降温至60℃以下，加入氨水，搅拌均匀，得到产品，桶装包装。2.5原材料消耗—重要原料、辅助原料2.5.1原料、辅助原料规格：表1原材料生产厂家规格丙烯酸丁酯广州市俱辉化工有限公司工业用甲基丙烯酸甲酯鑫瑞化工有限公司工业用苯乙烯无锡丰信化工工业用丙烯酸羟乙酯鑫瑞化工有限公司工业用VV-10佛山市南海今佳贸易有限公司工业用丙烯酸广州托力特化工工业用SR-10表面活性剂深圳市金兄弟化工科技有限公司

工业用过硫酸铵鑫瑞化工有限公司工业用NaHCO3湖北兴银河化工有限公司工业用35%氨水东莞市鸿进化工有限公司工业用纯水深圳市汇通源环保科技有限公司2.5.2预计原料及辅助原料的消耗定额：表2名称单耗kg/(每吨产品)日耗(kg/d)丙烯酸丁酯551045甲基丙烯酸甲酯1352565苯乙烯25475丙烯酸羟乙酯851615VV-1030570丙烯酸595SR-10表面活性剂6.7127.3过硫酸铵0.6712.73NaHCO32.751.335%氨水595纯水640121602.6公用工程规格及消耗定额（水电气）2.6.1公用工程规格：表3冷却用水硬度≤10ppm，水压≥0.2Mpa，水温上水≤30℃，回水≤40℃电380V220V蒸汽0.2～0.6MPa2.6.2预计公用工程消耗定额：表4名称单耗日耗水13121.39kg39364.16kg电445.784kw·h1337.352kw·h第三章物料衡算3.1全过程的物料衡算3.1.1小时生产能力已知丙烯酸乳液日产量为19吨，按天天进行2批生产，每批产量为9.5吨，生产周期为12h（包含辅助时间），产品乳液损失率3.0%计算，则每小时丙烯酸乳液产量为：9.5×1000×1.033.1.2物料衡算依据1、每小时丙烯酸乳液产量=815.42kg/h2、进反映器原料的质量分数原料名称丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲酯苯乙烯丙烯酸羟乙酯VV-10质量分数5.56%13.64%2.53%8.29%3.03%相对分子质量g/mol128.17100.12104.15116.12198.30原料名称丙烯酸碳酸氢钠氨水过硫酸铵纯水质量分数0.51%0.068%0.51%0.27%64.64%相对分子质量g/mol72.0684.01228.2018.013、乳化剂SR-10加入量为单体的2%3.1.3物料衡算过程已知所给的单体以及其他物质的质量总和=198.014g≈200.000g，则放大倍数为每批产量/质量总和=9.5×1000000/200.000=47500乳化剂SR-10加入量为单体总质量的2%，则SR-10投入量为（43.54+106.87+19.79+67.29+23.75+3.96）×0.02=5.3kg/h乳化反映器进口原料中各组分的流量丙烯酸丁酯：815.42×0.0556=45.34甲基丙烯酸甲酯：815.42×0.1364=111.22苯乙烯：815.42×丙烯酸羟乙酯：815.42×0.0829=67.60kg/h=582.16mol/hVV-10：815.42×丙烯酸：815.42×0.0051=4.16kg/h=57.73mol/h纯水：815.42×0.2374=193.58kg/h=10754.44mol/h乳化剂SR-10：乳化反映器出口单体乳液的流量单体乳液：45.34+111.22+20.63+67.6+24.7+4.16+527.08+5.3=801.87kg/h升温时聚合反映器进口原料中各组分的流量纯水：碳酸氢钠：过硫酸铵：815.42×0.000505=0.412kg/h

乳化液：过硫酸铵：纯水：中和时反映器进口原料中各组分的流量氨水：反映器出口产品中各组分的流量丙烯酸乳液：815.42kg/h物料平衡表组分乳化反映进口乳化反映出口mol/hkg/h%mol/hkg/h%(wt)(wt)丙烯酸丁酯353.7545.349.6000甲基丙烯酸甲酯1110.87111.2223.54000苯乙烯198.0820.634.36000丙烯酸羟乙酯582.1667.614.3000VV-10124.5624.75.23000丙烯酸57.734.160.88000SR-105.31.12000纯水10754.44193.5840.97000单体乳液000472.53100合计472.53100472.53100组分聚合反映进口聚合反映出口mol/hkg/h%mol/hkg/h%(wt)(wt)单体乳液472.5361.16000NaHCO37.300.5540.06000过硫酸铵8.791.8120.22000氨水4.600.50000纯水19476.67317.1938.06000丙烯酸乳液000796.69100合计796.69100796.69100热量衡算条件设夹套式换热器里的流体为水，进口处水温为20℃，出口处温度为40℃。釜内流体进口温度为25℃，出口温度为90℃。3.3.2换热面积的计算本设计的反映为双键聚合反映，双键官能团的摩尔数与反映各单体的摩尔数总和相等，则每小时反映消耗的双键摩尔数为：353.75+1110.87+198.08+582.16+124.56+57.73=2427mol/h双键的聚合反映热为60kJ/mol，热损失去△H的5%，则放出热量为：Q=2427×60×温度的对数平均值：△T=取总传热系数为K=200W/则换热面积S=重要设备的工艺计算3.4.1聚合反映釜的工艺计算聚合反映釜体积、数量本设计采用间歇生产，故用间歇釜进行反映。间歇釜反映体积公式为：Vr=式中：t—反映时间，s、min或h；t0—辅助生产时间，是卸料、装料、清洗、升温、降温等时间之和，s、min或hQ0—按照生产能力计算好出来的单位时间需要解决的原料液体体积，m³/s、m³/min或m³/h已知生产周期为12h，即t+t又每小时丙烯酸乳液产量=815.42kg/h，取物料比重为1000kg/m³计算，则Q0Vr=对于不起泡和不处在沸腾状态的液体，装料系数η可取0.7~0.85。本设计的反映状态无泡沫盒和无沸腾情况，粘度也不大，故可取装料系数η=0.7。则反映釜实际体积为9.78/0.7=13.97m³，圆整为14m³查不锈反映釜系列尺寸表，选取公称容量为5m³的不锈钢反映釜，则反映釜个数为14/5=3(个)。罐体几何尺寸计算已知反映釜的体积V=5m³，在一般搅拌釜中物料类型为液-固相物料时的长径比i的取值范围在1~1.3之间，本次设计取i=1则筒体内径D圆整罐体筒体内径D.1封头的拟定封头选用椭圆封头，型号是JB/T4746-2023公称直径总深度H/mm内表面积容积V/直边高度19005004.06240.9687.2拟定筒体高度反映釜容积V按照封头和筒体两部分容积之和计算，筒体高度按下式计算，并进行圆整：H式中：—封头容积—高筒体容积则H1=按照圆整后筒体高度修正实际容积V=.3夹套几何尺寸计算.3.1夹套传热面积取装料系数η=0.7，夹套高度H2按式H2=η夹套所包围罐体的表面积一定要大于工艺规定的传热面积F，即F其中，经查表知，封头表面积F封=4.0624m²，一米高筒体内表面积实际传热面积F=F封.3.2夹套几何尺寸计算查表得：D夹套封头也采用椭圆形，并与夹套筒体去相同直径。3.4.2乳化反映釜的工艺计算乳化反映釜体积、数量本设计采用间歇生产，故用间歇釜进行反映。间歇釜反映体积公式为：Vr=已知乳化时间为1h，即t+t又每小时单体乳液产量=472.53kg/h，取物料比重为1000kg/m³计算，则Q0Vr=对于不起泡和不处在沸腾状态的液体，装料系数η可取0.7~0.85。本设计的反映状态无泡沫盒和无沸腾情况，粘度也不大，故可取装料系数η=0.7。则反映釜实际体积为0.472/0.7=0.67m³，圆整为0.70m³查不锈反映釜系列尺寸表，选取公称容量为0.80m³的不锈钢反映釜，则乳化反映釜个数为0.70/0.80=1(个)。罐体几何尺寸计算已知反映釜的体积V=0.8m³，在一般搅拌釜中物料类型为液-固相物料时的长径比i的取值范围在1~1.3之间，本次设计取i=1则筒体内径D圆整罐体筒体内径D.1封头的拟定封头选用椭圆封头，型号是JB/T4746-2023公称直径总深度H/mm内表面积容积V/直边高度11003001.39800.1980.2拟定筒体高度反映釜容积V按照封头和筒体两部分容积之和计算，筒体高度按下式计算，并进行圆整：H式中：—封头容积—高筒体容积则H1=按照圆整后筒体高度修正实际容积V=第四章重要设备4.1设备选择的原则4.1.1设计与选用方法(1)汇总设计数据、分析设计任务根据工艺衡算和工艺物料的规定、特性，获得物料流量、温度、压力和化学性质、物性参数，取得有关设备的负荷、流程中的地位与流程中其他设备的关系等数据。

(2)设计换热流程在换热设计时，应将换热的工艺流程仔细探讨，以利于充足运用热量，充足运用热源。

(3)选择换热器的材质根据介质的腐蚀性能和其他有关性能，按照操作压力，温度，材料规格和制造价格，综合选择。

(4)选择换热器类型根据热负荷和选用的换热器材料，选定某一种类型。

(5)拟定换热器中冷热流体的流向据热载体的性质，换热任务和换热器的结构，决定采用并流，逆流或错流折流等。

(6)拟定和计算平均温差Δtm拟定终端温差，根据化学工程有关公式，算出平均温差。

(7)计算热负荷Q。

(8)估计污垢热阻系数并初算出传热系数K。

(9)算出总传热面积A。

(10)调整温度差，再算一次传热面积。

(11)选用系列换热器。

(12）验算换热器的压力降。

(13）画出换热器设备草图。由设备机械设计人员完毕换热器的具体部件设计。化工设备工艺设计，对于定型和标准设备来说就是选型，对于非标准设备来说就是通过化工计算，提出型式、材料、尺寸和其它一些规定，由化工设备专业进行工程机械加工设计，由有关机械加工厂制造。4.1.2设备工艺设计与选型原则

1.合理性2.可靠性、先进性3.安全性4.经济性全面贯彻先进、合用、高效、安全、可靠、经济俭省的原则，审慎地研究，认真地设计。

在反映器设计时，除了通常说的规定“合理、先进、安全、经济”的原则，还要，考虑下列设计要点：

1．保证物料转化率和反映时间。

2．满足物料和反映的热传递规定。

3．设计适当的搅拌器和类似作用的机构。

4．注意材质选用和机械加工规定。选材一般原则：

1．满足工艺及设备规定；

2．材质可靠，使用安全；

3．易于加工；

4．立足市场，立足国内，立足本地资源；

5．综合经济指标核算。

选泵的原则：1、基本泵型和泵的材料；

2、扬程和流量规定；

3、有效汽蚀余量和安装高度；

4、泵的台数和备用率。

换热器设计的一般原则：1、满足工艺操作条件

2、能长期运转

3、安全可靠

4、不泄漏

5、维修清洗方便

6、满足工艺规定的传热面积

7、尽量有较高的传热效率

8、流体阻力尽量小

9、满足工艺布置的安装尺寸等规定选用塔的基本原则

1.要满足工艺规定，分离效率高。

2．生产能力要大，有足够的操作弹性。

3．运转可靠性高，操作、维修方便，少出故障。

4．结构简朴，易于制造加工，造价较低。

5．塔压降小。

4.2设备一览表12化工2工程名称化工设计设备一览表编制编号设计项目高羟值丙烯酸乳液校核第1页共1页审核序号设备名称及规格图号或标准号单位数量材料重量（kg）备注单总1聚合反映釜台3不锈钢2乳化反映釜台1不锈钢3单体乳液中间贮罐台1不锈钢4丙烯酸丁酯贮罐台1不锈钢5甲基丙烯酸甲酯贮罐台1不锈钢6苯乙烯贮罐台1不锈钢7丙烯酸羟乙酯贮罐台1不锈钢8VV-10贮罐台1不锈钢9丙烯酸贮罐台1不锈钢10NaHCO3计量罐台1不锈钢1135%氨水计量罐台1不锈钢12产品贮罐台1不锈钢13离心泵台9不锈钢修改标注姓名日期第五章附图——带控制点工艺流程图5.1设备图及工艺流程图乳化反映釜工艺条件图见附图一：聚合反映釜工艺条件图见附图二：带控制点的工艺流程图见附图三（A1纸）：第六章感想与感受

课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质