年产3000吨乳胶漆工厂的设计.doc

课程设计计划书年产3000吨乳胶漆工厂的设计专业：班级：组员：指导老师：姓名：学号：日期;一 设计思想和设计原则 1.1设计思想1) 服从国家的总体规划布局的要求，遵守国家法律、法规，坚持基本建设程序。2) 合理利用土地，既考虑不占和少占耕地又要照顾到后续发展空间的要求。3) 充分利用地区的有利条件，注意资源合理开发利用，对建厂的基本条件进行科学的分析和比较，应有多个可供选择的方案进行比较评价。4) 注意选址的自然条件，避开洪水、地震等灾害多发地区。5) 注意保护环境，满足可持续发展的要求，尽量减少对生态、自然风景的破坏和影响。6) 重视对三废处理场地的确定，防止对周边产生不良影响。1.2 设计原则1.2.1产品要求乳胶漆应当执行由国家环境保护总局1999年3月23日批准，并于同日实施的标准HJBZ4-1999环境标志产品技术要求 水性涂料。其基本要求为：1）产品质量必须符合国家规定的产品质量标准（若无国家标准，则必须执行行业标准）。2）企业污染物排放必须符合国家或地方规定的污染物排放标准。HJBZ4-1999规定的技术内容有以下3部分：1）产品中的挥发性有机物（VOC）含量应小于250g/L。（标准中对挥发性有机物（VOC）做了定义：指任何参加气相光化学反应的有机物；）2）产品生产过程中，不得认为添加含有重金属的化合物，总含量应小于500mg/kg（以铅计）；3）产品生产过程中，不得人为添加甲醛的聚合物含量应小于500mg/kg。 安全生产1.2.2厂址选择原则1）、厂址宜选在原料、燃料供应和产品销售便利的地区，并在储运、机修、公用工程和生活设施等方面具有良好协作条件的地区。2）、厂址应靠近水量充足、水质良好，电力供应充足的地方。3）、厂址应选在有便利交通的地方。4）、选厂应注意节约用地，不占或少占耕地，厂区的面积形状和其它条件应满足工艺流程合理布置的需要，并要予留适当的发展余地。5）、选厂应注意当地的自然环境条件，工厂投产后对周围环境造成的影响作出预评价，工厂的生产区和居民区的建设地点应同时选定。1.2.3环保指标在做好自身经济发展的同时，维护它与环保及社会责任之间的平衡。我们规定必须采用对健康和环境均无害的方法来研制、生产、分销和推广我们的产品和服务，务求为乳胶漆用户提供高技术、高质量、安全环保的产品及一流的服务。二 产品方案乳胶漆是一种水性涂料。乳胶漆中没有或很少有有机溶剂，因此它对人的身体没有危害，对环境没有污染，它的出现和发展适应了改善人类对生存环境的要求。 乳胶漆就象古来就有的水性涂料一样，用水稀释，以水清洗。它又与传统低质水性涂料不一样，在建筑物表面结成的膜不溶于水，具有传统油漆的基本性质。乳胶漆表面成膜，因此，耐污、耐擦、防水、耐候性好，并有光泽度。在生产时节能，在施工时方便， 装饰效果非常好。 乳胶漆可用于建筑物和住宅的内墙、外墙、屋顶和室内管道。它价格适中，品种繁多，可供用户选择， 深受用户的喜爱。 在世界建筑涂料领域，乳胶漆已把传统类型的涂料排斥殆尽，而且乳胶漆还正向几乎所有的涂料应用领域，如汽车和防腐蚀涂料领域进军。可以概括的说，乳胶漆是二十一世纪建筑涂料中的宠儿。2.1 产品名称和性质产品名称：苍南牌聚醋酸乙烯酯乳胶漆 产品性质：毒性小、不易燃烧、使用方便等优点。此外，该漆还具有原料易得、成本低、遮盖力强，适用于中档的居室装饰和大型建筑工程内装饰。2.2 生产规模：年产3000吨2.3产品包装形式：桶装20L、罐装12L三 生产方法和工艺流程3.1 生产方法3.1.1原料路线 聚醋酸乙烯酯乳液毒性小、不易燃烧、使用方便，因此收到人们的青睐，使其在涂料中得到了广泛应用。（1）乳胶漆的配方原材料用量/%叔醋乳液2535钛白粉2025碳酸钙1015中和剂0.10.3成膜助剂1.01.5消泡剂0.20.4增稠剂0.30.4润湿剂0.10.2分散剂0.20.4流平剂0.10.3防霉杀菌剂0.10.3防冻剂24去离子水2535（2）乳液配方，采用保护胶体和单体混合法的VA/VeoVa乳液配方如下表所列：醋酸乙烯-叔碳酸乙烯比例75/25组分用量/质量份初始投料介质去离子水413.5阴离子乳化剂Rhodacal DS 101.5pH缓冲剂硼砂2.5pH调节剂醋酸1.0引发剂过硫酸钾1.0保护胶体Cellosize QP 30020.0单体预乳化液介质去离子水167.5pH缓冲剂硼砂2.5pH调节剂醋酸1.0阴离子乳化剂Rhodacal DS 101.0非离子乳化剂Disponil 0250（10%水溶液）200.0单体叔碳酸乙烯酯（VeoVa）250.0单体醋酸乙烯750.0引发剂溶液介质去离子水120.0 引发剂过硫酸钾2.3合计1933.83.1.2 合成机理自由基聚合1.自由基聚合的机理 烯类，包括单烯类和1，1-双取代的单烯类、共轭二烯类，在含有弱键的引发剂作用下均裂产生自由基时则发生自由基聚合。自由基聚合机理，即由单体分子转变成大分子的微观过程，由链引发、链增长、链终止、链转移等基元反应串、并联而成，应该与宏观过程相联系，并加以区别。 链引发 链引发是形成单体自由基（活性种）的反应，引发剂引发时由下列两步组成:第一步：引发剂I分解，形成自由基。第二步：初级自由基与单体加成，形成单体自由基。 以上两步的力学行为有所不同。第一步引发剂分解是吸热反应，活化能高，反应速率小，分解速度慢。第二步是放热反应，活化能低，反应速率大，与后继的链增长反应相当。因此链引发反应是由第一步即引发剂分解反应控制的。 链增长 单体自由基打开烯类分子的键，加成，形成自由基。新的自由基并不衰减，继续与烯类单体连锁加成，形成结构单元更多的自由基。链增长有两个特征：一是强放热，一般烯类单体聚合热为55-95KJ/mol;二十活化能低，增长极快，在0.1-10s内，就可使聚合度达到很大，速率难以控制，随即终止。因此，体系由单体和聚合物两部分组成，不存在聚合度递增的中间产物。在链增长中，两结构单元键接主要以头尾键接为主，间有头头或尾尾键接。活性末端自由基可以绕临近的C-C单键自由旋转，单体以不同的构型随机地增长的结果，聚合物多呈无规立体构型。 链终止 自由基活性高，难孤立存在，易相互作用而终止。双基终止有歧化终止和偶合终止两种方式。偶合终止是两自由基的独电子相互结合成共价键的终止方式，结果，出现头头键接，大分子链的聚合度是链自由基结构单元数的两倍，大分子链两端均含自由基的残基。歧化终止是某自由基夺取另一自由基上的氢原子或其他原子而终止的方式。歧化终止的结果，大分子的聚合度与链自由基的结构单元数相同，每个大分子只有一端是引发剂残基，另一端为饱和或不饱和，两者各半。链终止方式与单体种类、聚合温度有关。偶合终止的活化能低，低温聚合有利于偶和终止。升高温度，歧化终止增多。总之，链终止反应活化能很低，甚至于零。终止速率常数极高，但双基终止受扩散控制。增长和终止是一对竞争反应。仅从一对自由基双基终止与自由基、单体分子的增长进行比较，终止显然比增长快。但对整个体系，单体浓度远大于自由基浓度，结果，增长速率要比终止速率大得多。否则，不可能形成高聚物。链自由基还可能被初级自由基或聚合釜金属器壁上的自由电子所终止。 链转移 链自由基还有可能从单体、引发进、溶剂或大分子上夺取一个原子而终止，将电子转移给失去原子的分子而成为新自由基，继续新链的增长。向低分子链转移的结果，将使聚合物分子量降低。链自由基向大分子转移一般发生在叔氢原子或氯原子上，结果是叔碳原子带上独电子，进一步引发单体聚合，就形成支链。自由基向某些物质，如形成稳定自由基，就不能再引发单体聚合，最后失活终止，产生诱导期。这一现象成为阻聚作用。 综上所述，自由基聚合的微观机理特征可概括如下:.自由基聚合微观历程可明显地区分为链引发、链增长、链终止等基元反应，显示出慢引发、快增长、速终止的动力学特征，链引发是控制速率的关键步骤。.只有链增长反应才使聚合度增加，增长极快，1s内就可使聚合度增长到成千上万，不能停留在中间阶段。因此反应产物中除少数引发剂外，仅由单体和聚合物组成。前后生成的聚合物的分子量变化不大。.随着聚合的进行，单体浓度逐渐降低，聚合物浓度相应增加。延长聚合时间主要是提高转化率。聚合过程体系粘度增加，将使速率和分子量同时增加。.少量苯醌等阻聚剂足以使自由基聚合终止5。2.聚合方法:乳液聚合简单地说，单体在水中分散成乳液状态的聚合，称作乳液聚合。传统（或经典）乳液聚合的基本配方由单体、水、水溶性引发剂和水溶性乳化剂四组分构成。 乳液聚合具有许多优点：.以水作介质，环保安全，乳胶粘度低，便于混合传热、管道输送和连续生产；.聚合速率快，可在较低的温度下聚合，同时产物分子量高；.胶乳可直接使用，如水乳漆，粘结剂，纸张、织物、皮革的处理剂等。 乳液聚合也有若干缺点：.需要固体产品时，胶乳需经凝聚、洗涤、脱水、干燥等多道工序，成本较高；.产品中留有乳化剂杂质，难以完全除净，有损电性能等。乳液聚合的应用主要三个方面，在此加工厂的设计中，聚合后乳液主要用于内墙涂料。 在经典乳液聚合体系中，初始时乳化剂可以处于水溶液、胶束、液滴表面3个场合。乳化剂的作用有三：.降低表面张力，使单体分散成细小液滴；.在胶束或液滴表面形成保护层，防止凝聚，使乳液稳定；.形成胶束，使单体增溶。 乳液聚合机理：乳液聚合遵循自由基聚合机理，但聚合机理和聚合速率却可同时增加，可见存在着独特的反应机理和成粒机理。乳液聚合开始时，单体和乳化剂分别处在溶液、胶束、液滴三相。微量单体和乳化剂以分子分散状态真正溶解在水中，构成水溶液连续相。大部分乳化剂形成胶束，每一胶束由50-100个乳化剂分子聚集而成。但部分单体分散成液滴，直径为1-10微米，比胶束大百倍。1.成核机理和聚合场所 单体的水溶性、乳化剂浓度、引发剂的溶解性能等是影响成核机理的重要因素，有胶束成核、水相成核、液滴成核三种可能。 胶束成核：难溶于水的单体所进行的经典乳液聚合，以胶束成核为主。经典乳液聚合体系选用水溶性引发剂，在水中分解成初级自由基，引发溶于水中的微量单体 ，在水相中增长成短链自由基。聚苯乙烯疏水，短链自由基只增长少数单元就沉洗出来，与初级自由基一起被增溶胶束捕捉，引发其中的单体聚合而成核，即所谓胶束成核。胶束成核后继续聚合，转变成单体-聚合物胶粒，增长聚合就在胶粒内进行。胶粒内单体浓度降低后，就有液滴内的单体通过水相扩散来补充，保持胶粒内单体浓度恒定，构成动平衡。液滴只是储存单体的仓库，并非引发聚合的场所。单体液滴消失后，才由胶粒内的残余单体继续聚合至结束，最后成为聚合物胶粒。原来构成胶束的乳化剂不足以覆盖逐渐长大的胶粒表面，就由未成核的胶束中的乳化剂通过水相扩散来补充。可见只有很少一部分胶束才成核，未成核的大部分胶束只是乳化剂的临时仓库，液滴中单体为胶束或胶粒继续聚合提供原料后，留下的乳化剂也扩散到胶粒表面，使之稳定。初期的单体-聚合物胶粒较小（十几纳米），只能容纳1个自由基，由于胶粒表面乳化剂的保护作用，包埋在胶粒内的自由基寿命较长（10-100s），允许较长时间的增长，等水相中的第2个自由基扩散入胶粒内 ，才双基终止，胶粒内自由基数变为零。第3个自由基进入胶粒后，又引发聚合；第4个自由基进入，再终止；如此反复进行，胶粒内的自由基数在0和1之间变化。总的来说，体系中一半胶粒含有1个自由基，另一半则无自由基，胶粒内平均自由基数为0.5。聚合中后期，当胶粒足够大时，也可能容纳几个自由基，同时引发增长。乳液聚合的特征就是链引发、链增长、链终止的基元反应在“被隔离”的胶束或胶粒内进行。就是这种“隔离作用”才使乳液聚合兼有高速率和高分子量的特点。 水相（均相）成核：有相当多的水溶性单体进行乳液聚合时，以均相聚合为主。 液滴成核： 液滴粒径较小和、或采用油溶性引发剂，有利于液滴成核。 有两种情况可能导致液滴成核：一是液滴小而多，表面积与增容胶束相当，可参与吸附水中形成的自由基，引发成核。而后发育成胶粒；二是用油溶性引发剂，滴于单体液滴内，就地引发聚合，类似液滴内的本体聚合。 2.乳液聚合过程的三个阶段 根据胶粒发育情况和相应速率变化，可将经典乳液聚合过程分成三个阶段。 第一阶段成核期或增速期,水相中自由基不断进入增溶胶束，引发其中的单体而成核，继续增长聚合，转变成单体-聚合物胶粒。这一阶段，胶束不断减少，胶粒不断增多，速率相应增加；单体液滴数不变，只是体积不断缩小。到达一定转化率，未成核的胶束消失，表示成核期结束，胶粒数趋向恒定，聚合速率也因而恒定，这是第一阶段结束和第二阶段开始的宏观标志。第一阶段时间较短，相当于2%-15%转化率苯乙烯等难溶于水的单体，成核时间长，转化率则较高。 第二阶段胶粒数恒定期或恒速期,这一阶段从增溶胶束消失开始，只有胶粒和液滴两种粒子。单体从液滴经水相不断扩散如胶粒内，保持胶粒内的单体浓度恒定，因此聚合速率也恒定，胶粒不断长大，最后直径可达50-150nm。单体液滴的消失或聚合速率开始下降是这一阶段结束的标志。第二阶段结束的转化率与单体种类有关，单体水溶性大的，第二阶段结束的转化率也较低，如苯乙烯40%-50%，甲基丙烯酸甲酯25%。 第三阶段降速期,这个阶段体系中已无单体液滴，只剩下胶粒一种粒子，依靠胶粒内的残余单体继续聚合，聚合速率递降。这个阶段粒径变化不大，最终形成100-200nm的聚合物粒子，这比增溶胶束直径大十几倍，却比原始液滴要小一个数量级7。 传统乳液聚合的机理特征可总结为：在水相中引发，胶束成核，在胶束或胶粒的隔离环境下增长，自由基寿命长，另一自由基进入胶粒后，才终止；兼具高速率和高聚合度。3.1.3 操作方式 分批式（间歇）操作 将一种或一部分反应物先加入反应器中，然后另将一种或剩余部分反应物在一定时间内分批或连续加入反应器中反应，当反应达到一定转化率时，停止反应，取出全部产物。采用这种操作方式。反应过程平缓，反应温度容易控制，不易发生爆聚。通常，为控制共聚物组成，可先将一种单体加入反应器中，反应过程中不断加入另一种单体，控制反应过程中几种单体的比例，达到控制共聚物组成的目的。3.2工艺流程3.2.1 相关反应方程式nCH2 =CH-OCOCH3 CH(OCOCH3)-CH2n3.2.2 生产工艺 按照上述单体预乳化液配方，加入除单体外的其他组分，在强烈搅拌中，加入单体，制备稳定的单体单体预乳化液。 将初始投料投入反应釜，通入氮气，并加热至60。 当温度达到60时，停止通氮气，并把10%的单体预乳化液加入反应釜中 当该批料完成聚合时，醋酸乙烯回流停止。正常情况下，温度升至76 将剩余的单体预乳化液在3h以上的时间内逐步加入，并保持76。引发剂溶液经分管线同时加入，为了提高单体转换，引发剂溶液加料时间应比单体预乳化液投加时间长15min。 所有单体都加完后，将温度升至80，保持2h。 降温冷却至30，过筛，出料。3.2.3 注意事项 预乳化是乳液聚合工艺的1个重要环节,是乳液聚合反应能否正常进行的前提条件。实验发现,预乳化在聚合反应中一旦被忽视，就会导致聚合稳定性下降。乳化温度太低,时间太短或搅拌速度太慢,预乳化效果都差。乳化温度也不宜太高,否则，可能使部分单体自聚,影响聚合反应稳定性和使聚合物性质发生改变。搅拌速度取140150r/min为宜。经预乳化工艺生产的乳液易过滤,反应釜易清洗,这对提高滤网利用率,减少清釜次数,提高产量，降低成本极为有利。 温度方面：合反应温度对乳液聚合影响较大。对乳液聚合来说,聚合热靠水及单体蒸发散热,所以聚合反应温度一般控制在刚好产生回流的反应温度。同时,聚合反应温度的选择还受引发剂分解温度和半衰期的限制以及体系中各组分反应活性的限制。聚合反应温度愈高,引发剂分解愈快,单体反应活性增大,聚合速率加快,但树脂聚合度降低。反之,聚合反应温度降低,可使聚合度增加,但聚合速率减慢。综合考虑上述因素,经实验发现,反应温度在85左右时出现回流,恰好与引发剂的适用温度相适应。因而聚合反应温度控制在85左右较合适。 搅拌速度：拌的作用是使单体能以单体液滴稳定地分散在反应液中,并促使液滴中的单体向乳液聚合的场所扩散,因此,搅拌速度不宜过快。搅拌速度过高,单体分散过细,其表面自由能高,体系不稳定。预乳化的搅拌速度一般应小于聚合反应的搅拌速度，为此我们把预乳化的搅拌速度定在150r/min,聚合反应的搅拌速度定在200r/min。3.2.4 带控制点的工艺流程图 见附图 四 工艺计算4.1物料衡算（一）物料衡算流程图（二）收集数据资料生产规模：3000t/年生产时间：年工作日：320天（24hd-1）间歇操作，V101，R101，R102，R103每天3批，V102由于引发剂用量较少每天一批即可。相关技术指标聚合物后处理损失率为2%聚合物质量Disponil 0250为10%的水溶液，其他均为纯物质。因为只对聚合工序做物料衡算，所以不用考虑产品的其他质量指标。化学变化参数各组分的相对分子量为：取叔碳酸乙烯酯R1+R2=10，且R1、R2为饱和烷烃，则叔碳酸乙烯酯的相对分子质量为206，醋酸乙烯酯的相对分子质量为88，过硫酸钾K2S2O8的相对分子质量为270，水的相对分子质量为18，聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为100%。（5）确定计算顺序由于产物与原料之间的化学计量关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产量与单体原料投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。（6）计算主要原料的投料量用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须线求出主要原料每批投料量。该生产装置产量3000t，每年开工320d，每天生产3批，后处理中聚合物损失率2%。每批应生产乳胶漆的质量=3000100032030.983188.8kgB-1（7）顺流程逐个设备展开计算V101（单体预乳化液罐） 根据配方可知叔醋乳液占乳胶漆质量的30%，故叔醋乳液的质量=3188.830%=956.64kgB-1根据叔醋乳液配方，总质量份为1933.8，故可按照比例进行计算M3去离子水的质量=956.641933.8167.582.86 kgB-1M4硼砂的质量=956.641933.82.51.24 kgB-1M5醋酸的质量=956.641933.81.00.50 kgB-1M6 Rhodacal DS 10的质量= 956.641933.81.00.50 kgB-1M7 Disponil 0250（10%水溶液）的质量=956.641933.820099.87 kgB-1Disponil 0250的质量=水的质量为M2叔碳酸乙烯酯（VeoVa）的质量=M1醋酸乙烯的质量=故M8单体预乳化液的质量为=V102（引发剂溶液配制罐）由于产品分三批，而V102一天仅生产一批，故引发剂要配制3倍M3去离子水的质量=M9过硫酸钾的质量=故一批M11过硫酸溶液的总质量=178.09+3.41=181.5kgB-1每次加入到R101聚合反应釜的质量=181.53=60.5 kgB-1R101聚合反应釜初始投料M3去离子水的质量=M4硼砂质量=M5醋酸的质量= M6Rhocadal DS10的质量质量=M9过硫酸钾的质量=M10 Cellsize QP 300的质量=加入的M8单体预乳化液的质量为679.66 kgB-1，加入引发剂溶液的质量为60.5kgB-1则M12 叔醋乳液的质量=R102 助剂混合机根据乳胶漆的总质量和配方比例，可算出各助剂的量。M13增稠剂质量=M14分散剂质量=M15消泡剂质量=M16防霉杀菌剂质量=M17防冻剂质量=M18润湿剂质量=M19流平剂质量=M3去离子水质量=M20钛白粉的质量=、M21碳酸钙的质量=则M22助剂混合物的总质量11.169.579.576.3895.664.786.38956.64701.54382.66R103 乳胶漆混合机加入M12的质量为957.59 kgB-1 加入M22的质量为2184.34kgB-1M23成膜助剂的质量为3188.81.3%=41.45 kgB-1M24中和剂的质量为3188.80.2%=6.38kgB-1故生产出的乳胶漆的质量为957.59+2184.34+41.45+6.38=3189.76kg整理并校核计算结果 在误差允许范围之内经核算整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。物料平衡总表醋酸乙烯-叔碳酸乙烯比例75/25组分实际用量(kgB-1)初始投料介质去离子水204.56阴离子乳化剂Rhodacal DS 100.74pH缓冲剂硼砂1.24pH调节剂醋酸0.50引发剂过硫酸钾0.50保护胶体Cellosize QP 3009.89单体预乳化液介质去离子水82.86pH缓冲剂硼砂1.24pH调节剂醋酸0.50阴离子乳化剂Rhodacal DS 100.50非离子乳化剂Disponil 0250（10%水溶液）99.87单体叔碳酸乙烯酯（VeoVa）123.67单体醋酸乙烯371.02引发剂溶液介质去离子水59.36引发剂过硫酸钾1.14合计957.59原材料用量%实际用量(kgB-1)叔醋乳液30957.59钛白粉22701.54碳酸钙12382.66中和剂0.26.38成膜助剂1.341.45消泡剂0.39.57增稠剂0.3511.16润湿剂0.154. 78分散剂0.39.57流平剂0.26.38防霉杀菌剂0.26.38防冻剂395.66去离子水30956.64合计1003189.764.2热量衡算1、各种热量的计算方法1. q1或Q1的计算（显热）根据物理化学的基础知识有： 恒容变化过程： qV= w （T2-T1）Cv 13 或 QV=W（T2-T1）Cv13式中 Cv恒容热容，KJ（kgC）；T1、T2物料进、出口温度, C ；w物料质量流量,kgh； W物料质量,kg； qV恒容变化过程中，系统与环境传热速率,KJh；Qv恒容变化过程中，系统与环境交换热量,KJ； 恒压变化过程： qp= w （T2-T1）Cp13或Qp=W（T2-T1）Cp13式中 Cp恒压热容, KJ（kgC）； qp恒压变化过程中, 系统与环境传热速率,KJh；Qv恒压变化过程中，系统与环境交换的热量,KJ； 液体或固体: Cv= Cp 间歇操作过程: q1= W Cp dTdt式中 q1由于物料温度变化，系统与环境传热速率, KJh；dTdt物料温度随时间的变化速率，Ch。 升温时，q1 或 Q1 0。降温时，q1 或 Q10。2. q2或Q2的计算（化学反应热、相变热、溶解热、混合热等） 当物料发生化学变化时： q2=Hr rAVR式中 VR反应液体积，m3； rA化学反应速率，Kmolm-3h-1；Hr化学反应热，kgKmol； q2由于物料发生化学反应，系统与环境传热速率,KJh。或： Q2=（W/M）Hrx 式中 W反应物质量，kg；M反应物的相对分子质量，kgKmol；x反应转化率的变化；Q2由于物料发生化学反应，系统与外界交换热量，KJ；Hr化学反应热，kgKmol。 当物料发生其他物理变化时：q2=WiHi式中 Wi发生某种变化的物质的质量流量，kgh；Hi单位物质发生该变化吸收或放出的热量，KJkg。变化过程为吸热过程时，q2大于0，变化过程为放热过程时，q2小于0。3. q3或Q3的计算（设备温度变化） q3=WiCpi dTmdt 式中 Wi设备各部分的质量和，Kg； Cpi设备各部分的热容，KJ（kgC）； dTmdt设备温度随时间变化速率，Ch； q3由于设备变温，系统与环境传热速率，KJh。 或: Q3=WiCpiTm式中 Tm设备温度变化前后的温差，C。 通常在间歇操作过程中，物料起始时的温度与终止时的温度是不同的，设备的温度也随之而变，因此间歇操作q30.。若物料前后温度差别很大，则需要在下批投料前调整设备的温度，以保证每一操作周期物料的温度变化过程相同。4. q4或Q4的计算（热损失）q4=3.6Sii(Ti-T0）式中Si设备各部分的表面积，； i设备各部分表面对环境的传热系数，W（C）；Ti设备各部分表面温度，C；T0环境温度，C；q4热损失速率，KJh。或： Q4 = 3.6 Ai i (Ti-T0） t式中 t操作时间，h。当设备表面与环境温差较大时，应在设备外面包上保温介质。此时，保温层外部的温度与设备裸露处的温度是不同的，各部分热损失应分别计算。在实际设计中，若设备有保温层时，为简化计算，常取热损失速率为总传热速率的10%。2、热传介质的用量 由于我所设计的乳胶漆工厂用传热介质加热，也用传热介质冷却，而且还消耗电能。所以在热传介质的用量上，主要求传热介质用量和电能消耗量的计算上。 传热介质用量的计算 Gh=qT（H+ Cpt）式中 Gh传热介质的流量，kgh； H传热介质相变热，KJkg； Cp 传热介质的比热，KJ（kgC）； t传热介质进出口温差，C。若传热介质相变温度介于其进出口温度之间，则需分段计算。 (2) 电能消耗量的计算 E= qT（3600a） 其中 E电能耗功率，KW。 a用电设备的电功效率（一般取0.850.95），我们在设计时取a=0.90。3、聚合热Hr 聚合热在热力学上是判断聚合倾向的重要参数指标，在工程上是确定聚合工艺条件和设备传热设计的必要参数。聚合热由量热法、燃烧热法、热力学平衡法来实测，也可由标准生成热来计算。聚合热的影响因素有取代基的位阻效应、共轭效应、取代基的电负性及氢键和溶剂化效应等。25时醋酸乙烯酯和叔碳酸乙烯酯的聚合热可由聚合前后的键能的变化来估算。根据公式H=U+pV，定容变化时，H=U，即焓的变化等于内能的变化。醋酸乙烯酯聚合成聚醋酸乙烯酯时，一个键（610kJ/mol）被破坏从而转变成为两个键（345.6kJ/mol），那么存储在醋酸乙烯酯的键的内能就以聚合热的形式释放出来。所以可以估算得到醋酸乙烯酯的聚合热为81.2 kJmol-1，又过硫酸钾的分解时OO断裂则需要吸收138.9 kJmol-1，一个硫酸钾自由基与醋酸乙烯酯反应时，断裂一个C=O，形成一个C-O和C-C，故反映热为95.6 kJmol-1，由配方可知：醋酸乙烯酯、叔碳酸乙烯酯、过硫酸钾的进料量分别为371.02kgB-1，123.67 kgB-1和1.64 kgB-1，所以n（醋酸乙烯酯）=4314.19mol，n（叔碳酸乙烯酯）=542.41mol，n（过硫酸钾）=6.07mol，则25时我们加工厂的聚合热Hr=81.2（4314.19+542.41）/（4314.19+542.41+6.07）95.626.07/（4314.19+542.41+6.07）+138.96.07/（4314.19+542.41+6.07）=81.16 kJmol-1，将25的聚合热转变为反应温度（76）下的聚合热，得：Hr =Hr+Cp,m(T2-T1)= 81.16 kJmol-1+68.51(76-25)/1000 kJmol-1=77.67 kJmol-1将计算过程的各类数据和结果列成表：聚合热计算汇总表原料25时聚合热（kJ/mol）进料量（kg/b）醋酸乙烯酯-81.2371.02叔碳酸乙烯酯-80.2123.67过硫酸钾138.91.64硫酸钾自由基-95.61.64相关已知量醋酸乙烯酯的相对分子质量:0.086 kgmol-1， 醋酸乙烯酯的质量：371.02kg，叔碳酸乙烯酯的相对分子质量：0.228 kgmol-1，叔碳酸乙烯酯的质量;123.67kg，过硫酸钾的相对分子质量：0.270 kgmol-1， 过硫酸钾的质量：1.64kg，醋酸乙烯酯的物质的量：4314.19mol叔醋酸乙烯酯的物质的量：542.41mol过硫酸钾的物质的量为：6.07mol，则聚合物的物质的量为：12.12mol，有聚合物的总质量为371.02+123.67+1.64=496.33kg则聚合物的相对分子质量为40.951 kgmol-1，聚合物的聚合度为：400.693、相关热量衡算1. 聚合釜的热量衡算因为搅拌设备中的物料为低粘度流体时，搅拌热可忽略不计。故只计算聚合釜的热量平衡。有假设室温为25，合成乳液的温度为76，且压力是恒定的。有以上数据可计算各种热量的计算方法可求得聚合釜的热量2. Q1的计算（显热）由配方可知：每批生产的乳液的质量为M=957.59kgB-1，反映热的温度为T1=25，反应时的温度为T2=76。同时可由配方可知各物料的进料量为Q1= W/ MCp（T2-T1）=（4314.19+542.41+6.07+0.0167+0.00647+0.00354+24769.81）68.51(76-25) /1000=103536.27kJ3. Q2的计算（化学反应热、相变热、熔解热、混合热等）假设反应釜的损失率为1%15,由于物料发生化学反应等变化，系统与外界交换的热量为Q2=W/ MHr99%=（4314.19+542.41+6.07）77.670.99=373906.74kJ，4. Q3的计算和Q4的计算查阅相关文献，Q3+Q4之和可近似为总反应热的15%，则Q3+Q4=0.15QT5. 结论故设备物料与外界交换热量值和为：QT=Q1+Q2+Q3+Q4= Q1+Q2+0.15 QT则QT=318082.91kJ6. 传热介质的用量传热介质的用量的计算为G h =Q T / (H+ Cpt)= QT/77.67+4.187（25-30）=3225.83kg/h电能消耗量为E= QT/(36000.9)=98.17KW即每批反应电的用量为98.17KW7. 总括将以上计算进行总结，如表所示热量衡算各值汇总物理量数值物理量数值Q1/kJ103536.67QT/kJ318082.91Q2/kJ373906.74Gh/(kg/h)3225.83Q3Q4/kJ47712.44E/( KW)98.17将上面的计算中所用到的各类参数见表所示：各计算参数11 参数数值 参数数值恒压热容Cp,m/J/(molK)68.51反应时的温度为T2/76传热介质比热/kJkg-1 -14.187反应前设备温度T3/80传热介质进出口温差T/5反应后设备温度T4/30反应前的温度为T1/25用电设备的电功效率0.904.3反应器的工艺计算（1）、基本设计要求及设计依据反应器工艺设计时除需满足设备工艺设计的基本原则外，还必须满足一下具体要求。（1）产品产量与质量的要求首先应根据不同反应的特点及对产品产量和质量的要求，选择适当的反应器类型，然后根据工艺参数中的反应时间（间歇操作）及物料衡算中的每批反应数量，确定反应器所需要的体积、台数、串并联方式、反应器的几何尺寸等。（2）物料流动的要求 为了使物料在反应器中充分接触、混合均匀、达到强化传热、传质及表面更新的目的，通常物料要处于一定的流动状态。对于釜式反应器，多设有搅拌装置，用于强制物料流动。对于管式反应器，采用外加泵的方法调节物料的流量及流速。（3）热量传递的要求 聚合反应过程常伴随有热传递现象。连锁聚合通常都是放热反应，且放热集中，因此需要及时撤热。缩聚反应往往是高温下进行的，需要供热，且传热速率比较平缓。针对不同反应过程的传热特点和物料的特性，选择不同的传热方式，提供足够的传热面积及传热介质的流量，以确保工艺参数的实现。（4）过程操作与控制要求 聚合反应过程中工艺物料的进出、传热介质的进出、反应过程的观测与控制（视镜、测控口）、设备的安装与维护（人孔、手孔）、操作过程的安全装置（安全阀、放空口）等，都需要在反应器的不同位置设置不同尺寸的工艺管口 （2）、釜式反应器 我们所设计的乳胶漆工厂选择用间歇操作，采用釜式反应器。这类反应器通常设有搅拌装置，所以又称为搅拌釜反应器（如附图）。1.釜体的设计反应器釜体与贮罐外形相似，是由圆形直筒部分与上下封头组成（如附图）。 反应器体积的计算 我们设计的工厂采用间歇操作方式，根据年产量3000吨的设计要求，以及在物料衡算中确定的日生产量为Wd=30001000/（32030.98）=3188.8kg。生产周期为8个小时，每天生产3批。a.选择反应器装料系数 =Vr/Vt 式中Vr反应液体积（反应液体积变化时，按反应液最大体积计算），m。 Vt反应器实际体积，m。 对于搅拌式反应器，取0.70.8，有起泡或沸腾时，取0.40.6。由于我们设计的乳液工厂在生产过程中较少出现后一种情况，所以取0.70.8。b.反应器体积及台数Vr=Wd/（pa）式中 Wd日生产量，kg/d； P反应液混合密度，kg/ m； a每天生产批数，Bd。 可求的反应釜体积每批为1200L，按=Vr/Vt（其中Vr为反应器体积，Vt为反应器实际体积，m）计算，可选用公称容积为1250L的搪瓷玻璃开式搅拌反应，Vt =1250/0.75=1666.7L。则该反应釜的实际体积为1666.7L。同时，反应器台数Nt= Vr/Vt1，所以，用一台反应釜即可满足我们设计工厂的生产要求。 釜体外形尺寸的设计 确定封头型式。封头是化工设备的重要组成部分，它与圆形直筒部分一起组成设备的外壳，如储罐、塔设备、换热器、反应器等设备的釜体均是由筒体与封头组成的。搅拌釜反应器常用的封头形式有标准椭圆封头、蝶封头、锥封头等，对于一般的贮罐，还可以采用平封头。我们通过反应釜及混合釜的指标设计出了标准椭圆封头。 确定封头与筒体的连接方式。封头与筒体的连接形式有两种：焊接连接和法兰连接。 容器法兰的密封面型式有平面、凹凸面和榫槽面三种，其中榫槽面法兰密封性能最好、平面法兰最差，但平面法兰造价低，因此可以根据设备的性能要求进行选择。 选择长径比(H/D)H釜体总高度，m；D釜体直径，m。H/D小（矮胖型），釜内液体比表面积大，表面更新容易，小分子组分易汽化；搅拌轴相对较短，搅拌装置旋转稳定；搅拌桨直径大，需要搅拌功率高；对传热面积的增加不利；传热距离较长，传热效果差。H/D小（瘦高型），釜内液体比表面积小，有利于气体吸收；搅拌轴较长，加工困难，且旋转不稳定；单位反应器体积夹套传热面积较大，传热距离较短，传热效果较好。几种搅拌反应器釜体的长径比5种类物料类型H/D一般搅拌罐液-固、液-液11.5气-固12发酵罐1.72.5由于我们设计乳胶漆工厂的物料类型是液-液形式，因此选用H/D的范围为1至1.5。我们工厂选择H/D为1.55。(3) 搅拌装置的设计 搅拌釜反应器中的搅拌器通常有搅拌桨叶和搅拌轴等组成，通过搅拌器的旋转向流体输入机械能，从而使流体产生流动。流体在流动过程中进行动量、热量、质量传递及化学反应，因此搅拌器的主要功能有以下几项：混合功能、搅动功能、分散功能、悬浮功能。搅拌器的结构型式搅拌浆叶与搅拌轴之间的夹角不同，对流体产生的搅拌效果不同，按此原则可将搅拌浆大致分为三类：平叶浆，折叶浆，螺旋叶面浆。搅拌附件的设置 当搅拌桨叶直径比反应器内径小很多时，为了达到更好的效果，通常需设置搅拌附件。搅拌附件是指在搅拌釜内为了改善液体流动状态而增设的部件。根据我们生产的乳液的机理及相关数据，通过相关文献我们决定选用圆盘涡轮式搅拌器，后弯叶片。(3). 传热装置的设计化工生产中传热过程十分普遍，换热设备的费用在总投资额中所占比重甚高，据统计，一般石油化工企业投资额中往往占30%40%5，因此掌握一般换热器运行规律和设计方法十分重要。我们设计的工厂传热装置采用夹套传热的方式进行热量的传递。与反应器釜体直径选择原则相同，夹套直径也应该按公称尺寸选取，有利于按标准选择夹套的封头。（4）混合釜我们设计的工厂在生产乳胶漆时同样选用间歇操作，步骤与反应釜相似。由物料衡算可知，每批混合釜进料量=3188.8kg/b,同样取0.7-0.8，已知进料量为3188.8L，按=Vr/Vt计算后，选用公称体积为3000L的搪瓷玻璃开式搅拌反应釜作为混合釜，其实际体积为3529L。计算可得=Vr/Vt=3188.4/3529=0.9,同时混合釜台数为Vr/Vt1，所以用一台混合釜即可（5）液体输送机械的设计由于我们乳胶漆生产工厂采用间歇操作生产，可选用任何类型的泵。流量大，扬程不大时，选用离心泵；扬程大，流量较小时，选用往复泵或多级离心泵。流量不大但要求准确计量并易调节时，选用计量泵，如催化剂、助剂等加料所用的泵。间歇操作过程中，一般只设一台。当流量很大一台泵不能满足要求时，可用两台泵操作。有时一台大泵虽然可以满足要求，但也可用两台流量较小的泵并联操作，流量保持在其额定值的70%，此时可不要备用泵。（6）贮罐的设计由于我们乳胶漆工厂对贮罐无特殊要求，所以选用标准设备。但还要根据物料流量、贮存时间和贮罐的使用场合来选取。贮存原料和成品的贮罐。原料的贮存有全厂性的原料，库房贮存和车间工段性的原料贮存。全厂性的贮罐一般主张至少有一个月的耗用量贮存；车间的贮罐一般考虑至少半个月的用量贮存。液体产品贮存一般设计至少一周的产品产量。如厂内使用的产品可视下工段（车间）的耗量，贮存下一工段一个月以上或两个月的使用数量；如果是出厂的终端产量，作为包装贮罐，存量可以适当小一些，最多可以考虑半个月的产量。计量罐一般用于间歇生产，容积根据每批物料量及存放时间而定。(7)设备条件一览表 设备一览表反应釜规格混合釜规格名称搪玻璃开式反应釜名称搪玻璃开式混合釜公称体积/L1250公称体积/L3000计算容积/L1667计算容积/L3529容积系数/VJ0.75容积系数/VJ0.85夹套换热面积/4.6夹套换热面积/8.3公称压力0.6MPa公称压力0.6MPa介质温度/0-200介质温度/0-200容器材质Q235-A容器材质Q235-A搅拌轴公称直径/mm80搅拌轴公称直径/mm80电动机样式叶轮式搅拌器电动机样式叶轮式搅拌器电动机功率/KW4.0电动机功率/KW4.0电动机型