丙烯酸酯—苯乙烯共聚物乳液生产工艺设计.doc

课程设计论文 题目：丙烯酸酯苯乙烯共聚物乳液生产工艺设计目 录一、概述.- 1 -1.1 原料介绍-1-二、生产方法的选择和流程设计.221 工艺流程说明及操作步骤.- 2 -22 丙烯 酸酯苯乙烯共聚物乳液生产流程框图.- 2 -三、设备计算和选型.- 3 -3.1 反应釜的结构和材质.- 3-3.2 反应釜中物质的平均密度m的计算.- 3 -3.3 反应釜的计算和选型.- 4 -四、环境保护与安全措施.- 5 -4.1 环境保护.54.2 安全措施.5五、心得体会.6六、参考文献：.7 一、概 述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液也称苯-丙乳液。它由苯乙烯和丙烯酸酯类单体、引发剂、乳化剂等通过乳液聚合反应制得的共聚物乳液。用它作建筑涂料的基料，配以各种助剂、颜料和填料就可制成各种色调鲜艳的乳胶涂料。这类涂料具有突出的耐水、耐候、保光、保色性能，对墙面附着力强，干燥速度快，施工方法多样，可喷、可刷，也可辊涂，施工效率高，既可外用，也可内用；既可制成平光涂料，也可制成半光和有光涂料；既可制成高档涂料在现代化高层建筑中使用，又可制成低档品种在一般建筑中使用。是当今国外发展最快的水性涂料，也是我国外墙涂料的主要品种。 建筑涂料的发展方向是无毒安全、节约资源、有利于环境保护的水性涂料和无公害低污染涂料。不断提高水性涂料的质量，开发新的品种，是巩固和发展水性建筑涂料的重要环节之一。 苯丙乳液是胶体分散体系，具有明显的胶体化学性质，当苯丙乳液与水泥或其他颜料混合均匀后，苯丙乳粒子向浆体内分散，被吸附在其他颜料、水泥凝胶及未水化的水泥粒子的表面上。聚合物粒子封闭了水泥凝胶及未水化水泥粒子的微孔和毛细管孔，水泥进一步水化由于聚合物粒子被吸附在水泥凝胶表面上，使水泥浆体内存在足够的水分，防止了水泥的结块现象，因此苯丙乳液水泥漆具有一定的贮存稳定性。苯丙乳液实际上是由苯乙烯和丙烯酸酯类单体共聚而成，本文从最终产品的性能比考虑，选定由苯乙烯和丙烯酸酯共聚体系，并加入少量丙烯酸作为交联剂。反应过程按自由基加成方式聚合。 苯丙乳液具有色彩丰富、美观大方、施工简便、工期短、工效高;特别具有保色性；耐污染性的优点。适用外墙涂料、彩色涂料、复层花纹涂料、内墙涂料、防水涂料等建筑装饰领域。本文对苯丙乳液的聚合机理、合成工艺、影响因素及产物的性能检测作了详细的介绍。这对于制备出高质量的苯丙乳胶涂料具有很大的科学和经济意义 通过乳液聚合方法制备的聚合物乳液具有很多的特殊性能,其产品被广泛应用,特别是水基型乳液更是受到青睐。但水乳型产品干燥速度较慢的缺点却制约了其应用,为了弥补这一缺陷,以提高乳液固含量为目的的研究受到了人们重视。高固含量乳液不仅可以提高干燥速度,而且还可以减少干燥、贮存及运输过程中的能耗,克服了低固含量水溶性乳液的某些局限性。但乳液的高固含量与低黏度是相互矛盾的,高固含量乳液的聚合反应常常因黏度增大而失去稳定性,导致反应失败。利用预乳化半连续乳液聚合方法,系统研究了苯乙烯/丙烯酸丁酯/丙烯酸共聚物(st/ba/aa)高固含量乳液的制备工艺,并探讨了各种影响因素对乳液性能的影响。1.1 原料介绍 1.1.1 主要原料苯乙烯(st)、丙烯酸丁酯(ba),北京东方化工厂;丙烯酸(aa),分析纯,天津化学试剂研究所，十二烷基硫酸钠(aes),北京宏开永胜精细化工有限公司，烷基酚聚氧乙烯醚(op-10),广州市汇采涂料化学品有限公司;过硫酸铵(aps),分析纯,北京化学试剂二厂。 1.1.2 原料介绍（1）苯乙烯苯，别名：乙烯基苯；乙烯苯 英文名：styrene；phenylethylene 性质：无色油状易燃液体，强折射性和芳香气味。溶点：-33 沸点：146 比重：0.9045（25/25） 密度：754.33公斤/立方米 闪点：31.1 自燃温度：490.不溶于水，溶于乙醇及乙醚。能聚合，也能与其他单体共聚，聚合时放出热量，能引起爆炸。用途：本品用于聚苯乙烯、合成橡胶、工程塑料、离子交换树脂、医药等工业。 (2) 丙烯酸丁酯，英文名：butyl acrylate 性质：无色液体，易燃。比重：0.898(20/4) 沸点：145146 凝固点：-64 闪点：48.9 不溶于水，能与乙醇、乙醚混溶，遇热容易聚合。（3） 十二烷基硫酸钠，别名：椰油醇硫酸钠 性质：白色或微黄色粉末 熔点：200以上 ，稍具脂肪味 浓度：25%40%的产品为无色或淡黄的膏状物，溶于水。用途：在化妆品中做乳化剂，在牙膏中作发泡剂，亦是液体洗涤剂的主要原料。 （4） 过硫酸铵，别名：高硫酸铵，过二硫酸铵 英文名：ammonium persulfate性质：无色单斜结晶或白色结晶粉末 相对密度：1.982，熔点：120（分解）,分解时放出氧而变成焦硫酸铵。干燥环境下具有良好的稳定性；在潮湿环境中易受潮结块，逐渐分解放出氧和臭氧。溶于水，在温水中其溶解度增大，受热发生分解，生成酸性硫酸铵和过氧化氢。具有强氧化性和腐蚀性。用途：可做氧化剂、漂白剂、脱臭剂，高分子聚合的助聚剂，氯乙烯化合物的聚合引发剂，特别是用于乳化聚合和氧化还原聚合。亦用作过硫酸铵和双氧水的原料，以及制造苯胺染料。还用于肥皂和油脂的漂白、金属的蚀刻和食品的保存剂等。 (5) 丙烯酸，英文名：acrylic acid 结构式：c3h4o2 溶解性： 与水混溶，可混溶于乙醇、乙醚。 主要用途： 用于树脂制造、合成橡胶乳液制造等领域。 二、生产方法的选择和流程设计 现采用丙烯酸酯和苯乙烯在引发剂的作用下，以乳液聚合法聚合。该法优点如下：聚丙烯酸酯弹性好，特别适用于温度变化剧烈、胀缩系数变化较大的户外使用。 苯乙烯的价格比甲基丙烯酸便宜，丙烯酸酯苯乙烯共聚物乳液具有价格优势，所以发展迅速，有广阔的使用前途，在外用建筑涂料中得到广泛应用，是目前使用较多的一种丙烯酸酯涂料。21 工艺流程说明及操作步骤在反应釜中先加入25%的去离子水和2%乳化剂op-10，启动搅拌并升温；将1%乳化剂op-10、0.5%十二烷基硫酸钠、24.5%丙烯酸丁酯、24.5%丙烯酸丙酯、49%苯乙烯、2%丙烯酸和25%去离子水加进计量高位槽充分混合乳化；将0.4%过硫酸铵各40%的去离子水加入计量高位槽中充分混合，待反应釜的温度升到80在2小时内滴加完成；将0.06%的过硫酸铵和5%的去离子水在反应釜的温度升到90时，半小时加完。反应结束后降温，得产物。 22 丙烯酸酯苯乙烯共聚物乳液生产流程框图1%乳化剂op-10、0.5%十二烷基硫酸钠、24.5%丙烯酸丁酯、24.5%丙烯酸丙酯、49%苯乙烯、2%丙烯酸和25%去离子水反应釜25%的去离子水和2%乳化剂op-100.4%过硫酸铵各40%的去离子水0.06%的过硫酸铵和5%的去离子水乳液桶装预乳化滴加先加恒温后加质控点检测细度、粘度维持一定的反应温度和时间三、设备计算和选型3.1 反应釜的结构和材质（1）材质：选用搪玻璃（2）结构为：k型3.2 反应釜中物质的平均密度m的计算根据1/m = i/i其中 i第i中物料的质量分数，di = mi/m i第i中物料的密度 mi第i中物料的质量 m 总物料量物质名称苯乙烯丙烯酸丙烯酸丁酯乳化剂op-10十二烷基硫酸钠过硫酸铵质量 kg27763113.327763111127.822.2密度/cm30.911.050.8991.070.251.98 1/m = i/i= 2776.3/（0.915799.2）+ 113.3/（1.055799.2）+2776.3/（0.8995799.2）+1111/（1.075799.2）+27.8/(0.255799.2)+ 22.2/(1.985799.2) =1.117m = 1/1.117 = 0.895 g/cm3 = 0.895kg/l物质总体积为：m/m =5799.2/ 0.895 = 6479.55l3.3 反应釜的计算和选型3.3.1 确定筒体和封头型式从该反应的反应条件和反应现象可以得知它是属于带搅拌的低压反应釜类型，根据惯例，选择圆柱形筒体和椭圆形封头。3.3.2 确定筒体和封头直径 反应物料先为液固相类型，后为液液相类型，查表可得出，h/di为11.3。该反应的状态为无泡沫和无沸腾情况，黏度也不大，故可取装料系数=0.7。反应物总体积为6479.55l，则反应釜容积为：6479.55/0.7 = 9256.50l，取反应釜容积为10000l即10m3，考虑到容器比较大，可取h/di = 1.1，这样可使直径不致太大。 反应釜直径估算： di = 4v/（h/di） 1/3 =410/(3.141.1) 1/3 =2.43圆整至公称直径标准系列，取=2400mm。封头取相同的内径，其曲面高度由表查得h1 = 600mm，直边高度h2，查表可取40mm。3.3.3 确定筒体高度 当di = 2400mm，h2 =25mm时，从表查得椭圆形封头的容积vh =2.00m3，再查表得筒体每一米高的容积v1 = 4.524m3/m，则筒体高估算为： h =（v vh）/ v1 =（10 2.00）/4.524 = 2.65m 取h为2.7m，于是h/di = 2.7/2.4 = 1.13.3.4 确定夹套直径 查表得：di = di + 200 = 2400 + 200 = 2600mm 夹套封头也采用椭圆形，并与夹套筒体取相同直径。3.3.5 确定夹套的高度 夹套筒体的高度估算：hi =（v - vh）/v1（0.8 10 2.00）/4.524 = 2.034 m 取hi为2000mm。3.3.6 传热面积当di=2400mm时，从表查出fh=7.55m2，f1=6.52，则f=fh+1.1 f1=7.55+1.16.52=14.722反应釜的规格按上述各步计算所得，对于技术参数可根据生产的实际情况选公称容积为10000l的搪玻璃反应缸的技术参数。四、环境保护与安全措施4.1 环境保护（1）“三废的来源”化工生产有很多工艺需要各种酸作为催化剂，自然而言就存在不少的废水废酸有等处理。生产过程中工业废水的主要来源式聚合反应中生成的水；水洗产生的废水。副反应生成的酯、醚和废酸等。（2）治理方法目前，各部门对三废的治理都极为关注。治理废水的一些方法：a 首先从生产工艺上进行改进，使生产过程不产生或少产生工业废水，或使废水少含或不含有毒物质。对必须排放的废水，尽最大可能回收有用物质，变废为宝、化害为利。b 减少废水排放量：根据工艺过程用水对水质的不同要求，采用多次利用，分级分段串连使用，并采用闭路循环等措施，以减少废水的排放量。同时也有利于节约用水。清水与污水分流管理：例如作为间接冷却水，是不被污染的清水，可经过降温处理后，闭路循环使用。而作为工艺水与过程物料直接接触的水，如洗涤水，可能受到严重污染，这种水必须经过有效处理，使之无害化。污染水与未被污染的水分流管理，可使处理的废水量大大减少。c 十二烷基硫酸钠，对皮肤和眼睛有一定的刺激作用，生产设备应密闭，操作人员应穿戴好防护用具。丙烯酸的存在会产生大量的废水废酸，应注意分离之后再排放。4.2 安全措施（1）苯乙烯：健康危害： 对眼和上呼吸道粘膜有刺激和麻醉作用。急性中毒：高浓度时，立即引起眼及上呼吸道粘膜的刺激，出现眼痛、流泪、流涕、喷嚏、咽痛、咳嗽等，继之头痛、头晕、恶心、呕吐、全身乏力等；严重者可有眩晕、步态蹒跚。眼部受苯乙烯液体污染时，可致灼伤。慢性影响：常见神经衰弱综合征，有头痛、乏力、恶心、食欲减退、腹胀、忧郁、健忘、指颤等。对呼吸道有刺激作用，长期接触有时引起阻塞性肺部病变。皮肤粗糙、皲裂和增厚。环境危害： 对环境有严重危害，对水体、土壤和大气可造成污染。燃爆危险：易燃，为可疑致癌物，具刺激性。操作注意事项： 密闭操作，加强通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴过滤式防毒面具，戴化学安全防护眼镜，穿防毒物渗透工作服，戴橡胶耐油手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与氧化剂、酸类接触。灌装时应控制流速，且有接地装置，防止静电积聚。搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。储存注意事项： 通常商品加有阻聚剂。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30。包装要求密封，不可与空气接触。应与氧化剂、酸类分开存放，切忌混储。不宜大量储存或久存。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。（2）十二烷基硫酸钠： 其具有一定的刺激性，对人的皮肤有低度刺激，对眼睛刺激较大，当溅到皮肤后，立即用清水冲洗，溅入眼睛用清水冲洗15min或用硼砂水冲洗。操作设备应密闭，现场通风，操作人员配戴防毒面具。（3）过硫酸铵具有强氧化性和腐蚀性，操作时一定要注意不要溅到皮肤上，如果不慎溅到，立即用清水冲洗，并涂抹一些药品在皮肤上。（4） 丙烯酸：易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇明火、高热能引起燃烧。与氧化剂能发生强烈反应。丙烯酸甲酯容易自聚，聚合反应随着温度的上升而急骤加剧。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。燃烧（分解）产物：一氧化碳、二氧化碳。呼吸系统防护：空气浓度超标时应该佩戴自吸过滤式防毒面具（半面罩）。 眼睛防护：戴化学安全防护眼镜。 身体防护：穿防静电工作服。 手防护：戴橡胶手套。五、心得体会通过这次课程设计，我感到无比的高兴，也学会了很多，收获很多，也有一些自己的体会，此次工艺设计课程，可以培养我针对一些具体问题去查找资料、在茫茫的资料中进行分析综合，进而提炼精华，最后成为我所用的资料；这些不仅巩固了我的基本知识，而且让我对以后走向实际生产有了更高的自信。其实，在这一次的课程设计的任务虽然没有包括工艺设计的全部内容，但是已经包括制定设计方向，生产方案的的确定，生产流程的设计，主要设备的工艺计算及选型，环保及安全措施等。所涉及的知识可以说是揽括了我们四年的知识，包括了涂料化学，化工原理和化工设计、工程制图、甚至物理化学等等，期间需要翻看以前的书籍和大量的文献及各种参考书籍。这个充分的考验我们的耐心，设计期间遇到许许多多的问题，从这里学到知识，使我觉得这一次的设计非常的有意义。 六、 参考文献1 王沛熹，姜冬梅，赵红.苯乙烯-丙烯酸酯类聚合物的开发m，吉林市图书馆2004年第一期2蒋国忠. 改性苯乙烯一丙烯酸醋防水防油剂的研究m,常州市灵达化学品有限公司，23卷第3 ,2008年9月赵晨阳李效玉. 高固含量的苯乙烯/丙烯酸丁酯/丙烯酸共聚物乳液的制备m,北京化工大学材料科学与工程学院, 第24卷第7期,2004年7月3李克华,赵修太,郑延成,陈迎伟. 丙烯酸酯苯乙烯共聚物降凝剂的合成m,江汉石油学院化工系,湖北荆州4 王亨权,徐宝财,徐理阮,潘榕伟. 苯乙烯一丙烯酸醋共聚乳液及其涂料的制备研究m,北京轻工业学院化学工程系, 第12卷第1期，1994年6月5 安静，李雪艳，