吨年苯丙乳液聚合装置工艺设计

1、吨年苯丙乳液聚合装置工艺设 40000吨/年苯丙乳液聚合装置工艺设计 （代飞江汉大学） 摘要：本文以生产苯丙乳液为目的，阐述了苯丙乳液的研究现状。通过对各种合成工艺 路线综合评价、分析比较，选择合理的生产工艺，确定经济合理的工艺流程。计算出每 批物料的进料量、反应热，从而选择合适的换热方式和设备。根据测得的物料粘度选择 合适的搅拌器和搅拌功率，从而最终按照40000吨/年苯丙乳液的规格设计出主要设备 聚合釜，并对其工艺工程进行设计，绘制合理的工艺流程图。 关键词：苯丙乳液；生产工艺；搅拌装置；聚合釜 Abstract : This paper production styrene-acryli

2、c latex for the purpose, expounds the present situation of the study styrene-acrylic latex, through various synthesis process route comprehensive evaluation, the analysis and comparison, the choice of reasonable production process, determine the economic and reasonable process flow. Calculated each

3、batch of material feed rate, reaction heat, to choose a suitable heat transfer methods and equipment. According to the measurement of material viscosity choose appropriate mixer and mixing power, and in the end to 40000 tons/year styrene-acniic latex design specifications of the main equipment-polym

4、erization kettle, and its technological engineering design, draw reasonable process flow diagram. Key word： Styrene-acrylic emulsion; the production process; stirring device ; polymerizer. 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指 导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致 谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表

5、或公布过的研究成果,也不包 含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对 本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说 明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的 规定即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学 校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览 服务；学校可以采用影印.缩印.数字化或其它复制手段保存论文；在不 以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是

6、本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人主全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留.使用学位论文的规定同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被 查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印.缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。

7、 作者签名：日期：年 月 日 导师签名:日期：年 月 日 第一部分绪论1 1苯丙乳液的用途和特点1 2苯丙乳液的研究进展2 2.1乳化剂体系研究进展2 2.2引发剂体系研究进展3 2.3苯丙乳液的改性研究3 2.4苯丙乳液聚合工艺研究进展6 3苯丙乳液聚合的方法8 4研究目的和步骤8 第二部分工艺计算与选型依据9 1小试原料配比和工艺条件选择的依据9 1.1单体用量9 1.2乳化剂的选择和用量9 13引发剂的用量9 1.4反应温度的选择10 1.5反应时间的选择10 1.6产品主要技术性能指标10 2搅拌罐的设计11 2.1鑽体的长径比12 2.2装料系数12 2.4确定筒体直径和高度13 3

8、搅拌设备的传热13 3.1传热方式13 3.2确定传热方式15 4搅拌器16 4.1搅拌器分类及参数16 4.2搅拌器选型17 4.3搅拌橫体及附件17 4.4叶轮位置与标准搅拌槽18 4.5搅拌器功率的估算18 第3部分工艺设计20 1物料衡算20 1.1预乳化液组成20 12引发剂组成20 1.3各物料含20 2热最衡算21 3反应釜设计22 3.1估算内径23 3.2封头设计23 3.3确定筒体高度24 3.4传热面积24 3.5确定筒体厚度25 4夹套的设计25 4.1确定夹套直径26 4.2确定夹套高度26 4.3确定夹套筒体壁厚26 4.4确定夹套封头壁厚26 5水压测试26 5.

9、1釜体试水压26 5.2夹套试水压时釜体稳定性26 5.3夹套水压试验27 6搅拌器设计27 6搅拌器类型选择27 6.2搅拌功率计算27 7设计结果28 致谢29 参考文献30 附录一外压受压圆筒几何参数计算图32 附录二 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图33 附录三聚合釜总装备图34 附录四苯丙乳液聚合工艺流程图35 第一部分绪论 1苯丙乳液的用途和特点 随着建筑业的发展，外墙涂料的在涂料工业中的地位也越来越重要了。外墙涂料不 仅对建筑物起美化作用，更重要的是能给建筑物提供保护，使其免受大气、紫外线、雨 水及一些化学物质的侵害，延长其使用寿命，其中乳胶涂料以其质轻、安全环保、色彩 丰富、施工

10、效益髙、易于翻新和维护等特点成为涂料中的姣楚，并且丙烯酸酯类乳胶涂 料的生产技术也己经很成熟了。聚丙烯酸酯类乳液具有优异的透明性、成膜性、耐油性、 耐候性、机械稳定性和粘附性，且原料来源丰富，成本较低，被广泛应用于涂料、纺织、 皮革、造纸、粘合剂等领域。 苯乙烯和丙烯酸酯共聚物乳液涂料又称苯丙乳液涂料，是一种用苯乙烯改性的丙 烯酸酯系共聚物乳液涂料，它用苯乙烯部分或全部代替纯丙乳液中的甲基丙烯酸甲酯。 由于在共聚物中引入了苯乙烯链段，可提高涂膜的耐水性、耐碱性、硬度、抗污性和抗 粉化性。苯丙乳液为乳白色液体，带蓝光。固体含量4045%,粘度801500I11P可配制高 光泽乳液涂料；其成本要比

11、纯丙乳液涂料低。这种涂料可供水泥沙浆、灰泥沙浆、木材、 混凝土底材的涂装，也可以配制沙浆喷涂漆和水泥系涂料，大量地用作外墙涂料。这类 涂料用途多样，在乳液涂料总产量中占有很大的比例，是一类很有发展前途的乳液涂料。 特别是近年来将其用作水性防锈乳胶涂料，具有无毒、无味、不燃、污染少、耐气 候老化、耐光老化、耐化学腐蚀、光泽可调等优点，克服了油性防锈涂料易燃、易爆、 有毒、严重污染环境的缺点，并且通过添加少量的功能单体（占单体总量的3%以下）、 选择不同的乳化剂种类及配比，尤其是进行粒子设计，如釆用壳核组成设计及聚合工艺 可使其具有某些特定的性能，从而被用于某些不同的专门用途，作为涂料成膜物用的苯

12、 丙乳液，国内外虽早己有研制和生产，但与实际应用要求相比，还存在一些问题，特别 是与国外的优良品种，还存在相当大的差距。针对现有的苯丙乳液，特别是国内苯丙乳 液存在的问题，很有必要研究和进一步开发苯丙乳液以满足众多行业对苯丙乳液的要求 121。 2苯丙乳液的研究进展 2.1乳化剂体系研究进展 国外关于乳化剂的研究起始于20世纪5060年代，当时人们研究较多的是表面活性 引发剂和表面活性链转移剂；其研究热潮出现在20世纪末和21世纪初，随着可聚合乳化 剂的优异性能逐渐被人们发现，研究越来越集中在可聚合乳化剂上面。具有代表性的研 究是由欧盟资助、Guyot Al等领导的由8个学术和5个工业实验室联

13、合进行的系统研究。 他们系统地研究了影响可聚合乳化剂应用性能的诸多因素，同时探讨了怎样使可聚合乳 化剂达到最佳使用效果。在此之后的系统研究渐少，人们更多地倾向于进行新结构反应 型乳化剂的合成与性能研究，以期找到性能更加优异的品种和开拓其应用领域等。另一 方面，最近研究较多的是将可聚合乳化剂应用到微乳聚合中制备无机或有机纳米粒子。 国内关于反应型乳化剂的研究始于近几年，目前比较热门的几种可聚合乳化剂有阴离子 型、阳离子型马来酸酯类的和丙烯酰胺可聚合乳化剂等。 乳化剂及乳液体系对苯丙乳液的聚合和性能影响最大，乳化剂的结构、临界胶束 浓度(CMC)或用量以及初始阶段乳化剂与单体配比对乳液的粒径及其分

14、布、黏度、最低 成膜温度、聚合稳定性以及涂膜连续性、完整性、粘附力、耐水性等有着十分重要的影 响。 阴、非离子乳化剂的稳定机理不同，阴离子型靠静电力使乳液稳定，而非离子乳化 剂靠分子的空间位阻维持乳液稳定，这就决定了非离于乳化剂分于远大于阴离子乳化 剂。阴离子乳化剂乳化效率要高于非离子乳化剂。单独靠非离子乳化剂很容易破乳，单 独用阴离子乳化剂存在电解质稳定性差等弊端。阴非复配乳化剂或由这两类乳化剂化学 合成的复合乳化剂比单独用一种乳化剂效果要好。两者合理并用或作为复合物使用，可 使这两种乳化剂交替地吸附在乳胶粒的表面，降低同一乳胶粒表面的静电斥力.增强乳 化剂在胶粒上的吸附牢度，降低表而的电荷

15、密度，使带负电的自由基更易进入乳胶粒 中.提高乳液聚合速率。当两者并用时阴离子乳化剂吸附在聚合物颗粒表而并电离，形 成表面负电层，从紧密层到体系本体形成电位，其静电斥力保持了体系的稳定；非离子 乳化剂吸附在颗粒表面形成弹性水化层来阻止胶粘的聚沉。这两种性质不同的稳定机 理，大大提高乳液的机械稳定性、钙离子稳定性、热稳定性等。阴离子和非离子型表而 活性剂的混合物是水不溶单体的有效乳化剂。可以不同方法，控制胶粒大小及分布、乳 液黏度、乳液聚合反应速率等。 近年来，采用反应型乳化剂制备微皂乳液是热点之一。反应型乳化剂除了具有传统 乳化剂的亲水基、亲油基之外，还具有能参与聚合的反应性基团。按照引入的反

16、应性基 团参与聚合方式的不同，反应型乳化剂被分为3大类叫(1)引入具有引发剂作用的基团, 构成表面活性引发剂；(2)引入具有链转移作用的基团，构成表面活性链转移剂；(3) 引入可聚合的基团，构成表面活性单体，又称可聚合乳化剂。但表面活性引发剂和表面 活性链转移剂会对聚合动力学产生影响，且表面活性引发剂在很多时候引发效率不高， 而表面活性链转移剂会对聚合物的分子量产生影响。因此人们的研究更多地集中在可聚 合乳化剂上面。因此，苯丙乳液用的乳化体系应以阴离子乳化剂、非离子乳化剂混用或 经反应制得的复合乳化剂为主体，并通过改变阴、非乳化剂的种类、配比和用量来调节 乳液的性能，使其满足苯丙乳液不同的性能

17、要求。 2.2引发剂体系研究进展 引发剂的种类和用量对聚合反应速率、单体转化率、乳胶粒的粒径、乳液的黏度和 成膜性能等会产生很大影响。当引发剂浓度增大时，体系的转化率、黏度、凝胶也会增 加。另外，自由基生成速率大，链终止速率亦增大，聚合物平均分子质量降低，当引发 剂浓度太低时，聚合反应速率低，体系转化率低，反应不完全。因此.在反应中要选择 合适的引发剂用量。而选取合适的引发剂对乳液聚合至关重要。 研究表明，采用氧化还原引发体系聚合的核/壳型的苯丙乳液与用过硫酸盐引发聚 合的普通乳液相比，聚合反应温度降低了 1520-C,玻璃化温度比普通乳液低810C, 乳胶粒大小均匀，膜的拉伸强度及韧性也大大

18、提高。引发剂的亲水性对核壳聚合物微粒 的结构形态影响很大。Lee等研究了不同引发剂对复合聚合物粒子组分闻的相容性以 及形态的影响。他们利用聚甲基 丙烯酸甲酯(PM-MA)作为种子乳液，加人苯乙烯 (PSt)单体引发聚合。发现用水溶性引发剂KiSOj,得到PMMA为核，聚苯乙烯(PSt) 为壳的复合聚合物粒子；用介于水溶性和油溶性之间的引发剂4,牢-偶氮双(4-氤墓戊 W (ABCVA),得到的是以PMMA为壳，其中含有多个PSt核的复合聚合物粒子：用油 溶性引发剂偶氮二异丁膳(AIBN),得到的是PMMA和PSt的均相聚合物。水溶性的引 发剂不易进入聚合物种了内部，因而在种子外部引发聚合，油溶

19、性的引发剂易进人聚合 物种子内部，形成均相聚合物。 2.3苯丙乳液的改性研究 苯丙乳液的传统工艺是由苯乙烯、丙烯酸酯及丙烯酸共聚而成。但仅靠这三种单体 聚合而成的苯丙乳液尚有许多不足，为了赋予苯丙乳液更加优良的性能，适用于工业运 用，可以采用核壳乳液聚合，同时引入不同的改性单体或功能单体，以提高其相关性能。 2. 3. 1交联改性 三十多年来，苯丙乳液的生产技术有了长足发展,如微乳液和大粒径乳液技术，核壳 结构和层状结构乳液等，聚合物玻璃化转变温度、溶解度参数，以及强韧性指数等参数也 己经引入到乳液聚合物链锻结构设计上。但围绕着丙烯酸酯类乳液性能改进这一核心 课题共聚和交联是贯穿始终的研究内容

20、。按固化温度可分为两类： (一) 高温烘烤,在成膜过程中，温度升到130C左右，使线型分子上的活性基团之间发 生交联，形成体型结构，从而得到不溶熔目的。它包括(1)自交联型乳液，自交联也称为内 交联,是在聚合物大分子上引入功能单体，此类单体除带有双键外,还带有其它官能团， 当涂膜烘烤时，所带官能团之间发生交联，常用交联剂有：N-轻甲基丙烯酰胺(N-MA), N-烷氧甲基丙烯酰胺。轻甲基化的二酮丙烯酰胺(HMDAA)以及N-轻甲基T-丁烯酰胺 (AMC)和N-甲酰基T-N-烯丙基亚甲基二胺(MAMD)。 外交联性乳液(也称间隙交 联)的一种方式，通过外加交联剂而进行交联的一种方式，常用的交联剂有

21、环氧树脂、三 聚氤胺树脂、水溶性腺醛树脂等。但以上二种交联方式都因交联温度较高、使用面积不 广而受到限制，人们对室温交联型苯丙乳液的开发研究更加急迫。 (二) 室温交联。(1)单组分室温交联及常见的金属离子交联，是在乳液聚合时，加入 含拔基功能单体;然后加入氨水中和到偏碱性，随后加入二价以上金属离子交联剂，成膜 时大分子链上的殻基与金属离子发生交联，而具有配位能力的高价金属盐类螯合交联的 不稳定和与乳液的相溶性差等问题也使其应用受到限制，因此研究在室温下能形成稳定 的聚合物交联结构的室温交联型苯丙乳液成为近二十年来研究热点之一。清华大学的唐 黎明、阚成友等对此作了进一步的探讨，开辟了一条可行的

22、途径。在有交联单体参与下 聚合形成的乳液，加入交联剂以后,即形成了室温交联型乳液。乳液在成膜过程中，由于 水不断从膜中逸出，交联反应不断进行，这称之为失逸性的交联反应。因此交联反应与干 燥的温度(包括湿度)和干燥的时间有很大关系。(2)双组分及多组分室温交联。这类 交联体系较多，常见的有含活泼氢聚合物乳液/多异氤酸酯交联体系，含胺基或拔基的水 溶液或乳液与环氧树脂的交联体系。崔月芝，段洪东等利用合成的双丙桐丙烯酰胺(DAAM) 为官能单体与苯乙烯、丙烯酸酯等单体共聚后,合成了一种含闺琰基的苯丙乳液与含腓 基的聚氨脂水分散体混合后得到了交联型聚胺氨酯/苯丙树脂复合乳液,反应提高了乳 液的耐水性，

23、耐溶剂性，断裂强度，断裂伸长率等。如果胶粒的核与壳的两种聚台物相容 性不好就容易发生迁移、相反转、变形等情况。为了提高核壳之间的相稳定性，往往通 过交联的方法，防止微粒发生迁移或相反转。 聚合物之间的交联接枝反应的目的在于使核与壳之间形成一过渡层，从而降低核壳 问的界面能，提高了两种聚合物之间的相容性及界面间的粘合力，使核壳结构的聚合物 粒子更稳定。如Hellippan191等用种子乳液制得PBAAIMA复合乳胶粒，通过CNMR分 析发现了85 % PMMA分子链接枝在PBA乳胶粒的表面层上，从而使体系的相容性大大提 高。Lee（,0等制得的PBA/PSt核壳聚合物之间一薄层PBA-g-PS哄

24、聚物。这一薄层接枝共 聚物起着增容剂的作用，能大大提高聚合物粒子两相之间的稳定性。 2. 3.2功能单体的引入 李树良刚等人在苯丙乳液中引入丙烯酸、丙烯膳等功能单体，并采用核壳法进行四 元共聚，获得硬核软壳的非均相乳液，用于配制建筑用胶粘剂，得到的乳液不仅易于成 膜，成膜后强度髙、粘附力强，而且耐玷污、耐溶剂、与颜料相存性好。在苯丙乳液中 引入适量的功能性单体丙烯酸、丙烯酰胺、N轻甲基丙烯酰胺、环氧树酯及其他含氮单 体进行改性，不仅提高聚合物的综合性能，而且还赋予乳液防锈性及稳定性。在苯丙乳 液中加人适量丙烯睛单体，不仅会使乳液聚合过程易于分散、传热、操作稳定，而且能 提高产物的耐溶剂性和耐磨

25、性，改善施工性能。在苯丙乳液中引人甲基丙烯酸、丙烯酸 等功能性单体或其他丙烯酸畴类可制成防火专用苯丙乳液。甘盂瑜冋等人采用种子半连 续法合成了一种苯丙乳液，又用多种改性单体（丙烯酸、N轻甲基丙烯酰胺、二乙烯 基苯、丙烯騰和三聚氤胺等）对其进行了共聚改性，考査了各种改性方法的效果。张虎 等人采用种子乳液半连续工艺法合成了腺基单体改性矩基苯丙乳液，与水性异氤酸酯 固化剂配制的双组份水性塑料涂料，用于极性塑料基材的表面涂装，产品具有优异的附 着力、耐醇性、耐水性。国内外学者进行了大量深入的研究，利用有机硅、有机氟、环 氧树脂、纳米材料、蒙脱土、水溶性醇酸等对苯丙乳液进行改性以提高其性能。 林旻等冋为

26、检测添加纳米材料对苯丙乳液性能的影响并提高其在乳液中的稳定性、 进行了纳米材料包裹剂的选择，以及纳米材料用量及加入方式、不同纳米材料的对比等 试验，发现当采用硅烷偶联剂对纳米材料进行包裹、后分散于拥有大侧链基团的单体中 的工艺时，乳液的硬度、黏度等参数均有着不同程度的提高，甚至还产生某些特殊性能, 如加入纳米涂层具有自洁和杀菌能力、还能提高耐色变和耐老化性能。王梅等的研究 指出纳米SiO2添加到外墙涂料中可提高涂料的耐擦洗性、强度、硬度等。马利等通过硅 烷偶联剂改性纳米与丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸几种单体共聚，合成纳米二氧化 硅苯丙乳液，以其为主要成膜物质制备的乳胶漆耐老化性、耐洗刷性、耐

27、水性等均得到 很大改善。高敬民网利用纳米TiO2胶体的表面与界面效应，釆用甲基丙烯酸酯、苯乙 烯、反应性乳化剂、交联剂、偶联剂等成功合成常温自交联苯丙乳液，明显提高了传统 材料的各项性能指标，并制造出了性能优异的新一代功能型材料。吴健春3等人利用超 声波分散工艺，将纳米二氧化钛分散到普通外墙乳胶漆中制备纳米改性外墙乳胶漆，发 现纳米TiO2加入到外墙乳胶漆中充分分散后可以大幅度地提高涂料的抗老化性能，加 入纳米TiO2对苯丙乳胶漆的抗色变性也有着明显的提高。 2.4苯丙乳液聚合工艺研究进展 传统乳液聚合方法得到的苯丙乳液，最低成膜温度(MFT)比较高，常温下不能成膜, 大大限制了它的应用范围。

28、经过反复的探索，目前国内外已经在传统乳液聚合工艺的基 础上开发出核、壳乳液聚合、无皂乳液聚合、有机.无机复合乳液聚合、互穿网络聚合 和微乳液聚合等新的聚合工艺。下面就核、壳乳液聚合、无皂乳液聚合、有机、无机复 合乳液聚合、基团转移聚合进行简单介绍。 核壳乳液聚合生成具有异相结构的胶粒，能很好地解决这问题。制备核壳乳液最常 用的方法就是种子聚合，首先用乳液聚合法将成核单体制成种子乳液，然后将壳单体加 入到种子乳液中进行聚合。壳单体的加料方法包括平衡溶胀法、连续法、半连续法和预 乳化-半连续法等。Min等何研究了PBA(I)/PSt(ll)体系，结果表明，间歇法和溶胀法 所得产物的接枝共聚物(PB

29、A-g-St)的含量比连续法要高，储存稳定性要好些，且壳层硬 单体组分PSt的比例相对减少，软单体组分PBA的比例相对增加；但半连续法所得胶乳粒 子尺寸比较均匀，分散性小。工业上采用最普遍的是半连续种子乳液聚合。种子乳液聚 合第2阶段反应单体的加料方式，对所形成的乳胶粒的结构形态有很大影响，例如釆用 饥饿态半连续加料，种子乳胶粒表面及内部的第2单体浓度均很低，易形成核壳层间界 限分明的粒子；采用平衡溶胀法加料，不但种子乳胶粒的表面第2单体浓度很高，而且 单体有充分的时间向乳胶粒内部渗透.所以种子乳胶粒内部富含第2单体，易形成核壳 界限不分明的聚合物微粒。 所谓无皂乳液聚合指在反应过程中完全不加

30、乳化剂或仅加入微量乳化剂(小于临界 胶束浓度CMC)的乳液聚合过程。传统的乳液聚合法因乳化剂的存在而影响乳液成膜的致 密性、耐水性、耐擦洗性和附着力等，无皂乳液聚合由于避免了乳化剂存在下的隔离、 吸水、渗出等作用，能得到单一分散、表面洁净的胶乳粒子，同时消除了乳化剂对环境 的污染。与传统乳液聚合相比，无皂乳液聚合的特点主要在于胶粒的形成机理及其稳定 的条件完全不同。在无皂乳液聚合体系中没有乳化剂存在，胶粒主要通过结合在聚合物 链或其端基上的离子基团、亲水基团等而得以稳定的。引入这些基团主要通过3种方法 191： 1)利用引发剂如过硫酸盐分解产生的自由基引发聚合而引入离子基团：2)与水溶性 单体

31、进行共聚，共聚单体因亲水性而位于胶粒表面，这些亲水基或者在一定pH值下以 离子形式存在，或者依靠它们之间的空间位阻效应而稳定胶粒：3)加入离子型单体参加 共聚，由于其亲水性而倾向丁排列在聚合物离子-水界面，发挥类似乳化剂的作用。 微乳液聚合与普通乳液聚合的差别是在体系中引入了助乳化剂，并釆用了高速搅拌 法、高压均化法和超声波分散法等微乳化工艺。微乳液聚合凝聚物量较少，可提高产率 避免粘釜。超微乳液聚合是指单体和分散介质在大量表面活性剂的作用下，形成(半) 透明的、热力学稳定的体系。其聚合反应速度很快，生成的聚合物粒子非常小，大约在 20血40nnu微乳液聚合乳液及超微乳液聚合乳液由于其高稳定性

32、，粒径大小均一以及 速溶的特点，在克服常规聚合体系中存在的一些问题如控制相对分子质量及其分布方面 具有潜在的优势。但在目前所研究的微乳液聚合体系中，过髙乳化剂含量(10%)和过 低单体含量(10%)限制了聚合物微乳液在工业领域中的应用。寻找新的聚合体系， 有效地降低体系中乳化剂的用量和提高单体的含量，成为微乳液聚合的热点之一，也是 微乳液聚合的难点之一。徐相凌泗等通过在普通的乳化剂的亲油端中间位置上，接上一 中等长度的亲油链，制成了Y型乳化剂。将它与其它乳化剂复配，能够大幅度地提高体 系中单体的含量。为了有效地降低体系中乳化剂用量，提高体系中单体/乳化剂比例， 除了改进聚合工艺，如采用种子聚合

33、或连续聚合外，最为有效的办法就是寻找和合成新 的高效乳化剂。 近年来，在乳液聚合理论和技术发展的基础上，出现了有机-无机纳米复合高分子 乳液，材料的复合已从单纯的机械共混发展到亚微观的有机复合呦。纳米复合高分子乳 液中一相为有机聚合物相，另一相为无机相，这种复合材料与常规的聚合物/无机填料 复合体系不同，不是有机相与无机相的简单混合，而是两相在纳米尺寸范围内复合而成 的。有机-无机复合乳液聚合是把有机物和无机物的长处结合起来的一种新型乳液聚合 技术。无机材料具有硬度高、耐老化、耐溶剂、价廉等长处，而有机材料具有成膜性好、 柔韧性好、可选择性强等优点。用有机-无机复合乳液聚合得到的高分子乳液具有

34、附着 性能好、耐水性好、透气透湿性高、抗粘连性、力学性能好等优点，在化工、电子学、 光学、机械、生物学等领域展现出广阔的应用前景。目前，有机-无机复合乳液聚合最 关键的技术是要解决有机、无机两种材料的界面亲和性，高性能有机硅-丙烯酸酯复合 乳液是有机-无机复合乳液聚合最典型的代表切。 基团转移聚合相对来说是一种较新型的聚合方法，基团转移是一个活性过程，通过 引入的引发剂把一种单体上的活性基团转移到另外的单体上。采用基团转移聚合，可制 备颗粒含量高、粒径适宜和高抗冲强度的产品，还可获得相对分子质量非常低的、高分 散性物质和嵌段共聚物。 3苯丙乳液聚合的方法 传统乳液聚合方法得到的苯丙乳液。最低成

35、膜温度(MFT)比较高，常温下不能成膜, 大大限制了它的应用范围。靠传统的聚合方法是不能解决这一问题的。核壳乳液聚合生 成具有异相结构的胶粒，能很好地解决这一问题。制备核壳乳液最常用的方法就是种子 聚合。 乳液聚合是制造合成聚合物的主要实施方法之一。目前在世界范围内的乳液聚合 法用来大量的制备各种类型乳液聚合物和聚合物乳液，其产品已广泛的应用于各个技术 领域中，成为不可缺少的材料或工作物质。 由于乳液聚合体系粘度低，反应中心乳胶粒直径小，故容易散热；乳液聚合反应 即可具有高的聚合反应速率，又可获得高分子量的聚合物，再者进行乳液聚合所用设备 简单，工艺流程较短，不要求高温高压的反应条件，操作方便

36、，技术容易掌握，生产灵 活性大。同时聚合物乳液以水为介质，便宜，易得，不污染环境，不会对从事聚合物乳 液生产和应用的操作人员造成人体伤害，且聚合物乳液可以直接用作涂料、粘合剂等性 能优良的材料或工作物质，所以，许多年来乳液聚合科学与技术一直保持长盛不衰，乳 液聚合理论、聚合物乳液和乳液聚合物的工业化生产和应用技术都得到了快速的发展。 本实验采用种子乳液聚合法。 4研究目的和步骤 本课题是以生产苯丙乳液为目的，通过合成工艺路线的比较，确定经济合理的工艺 流程，设计装置中的主要设备一一聚合釜。由于设计需要每一批的进料量、反应时所放 出热量的速率、以及物料的粘度、密度和比热等数据，故本设计工作分两步

37、进行： 1、资料收集：通过査阅资料，确定物料的进料比、反应时间、反应温度等操作条 件，以满足生产需要，确定实际生产的进料量，为工艺设计提供计算数据，测产品的粘 度密度等作为设计依据。 2、设计计算：在确定了生产的进料量后，进行物料衡算、热量衡算；根据工艺操 作要求，设计合适的操作工艺及控制方式；设备选型、计算聚合釜的主体尺寸；绘制带 主要控制点的工艺流程图和聚合釜总装图。 第二部分工艺计算与选型依据 1小试原料配比和工艺条件选择的依据 1.1单体用量|2引 不同的单体具有不同的性能，一种单体均聚物一般不具备全面的性能（表1）,需选 用多种单体进行共聚合成。丙烯酸丁酯玻璃化温度较低，是一种软单体

38、。如其含量较高, 则产品强度低，但成膜性好。苯乙烯玻璃化温度较高，是一种硬单体，如其含量较高, 则产品强度高，但成膜性差。故二者共用，通过调整比例，可使乳液性能较为理想。 表1不同单体的性能 性能 成膜性 硬度 拉伸强度 附着力 耐湿性 耐热性 耐紫外线 丙烯酸丁酯 有 很软 很低 良好 一般 良好 良好 苯乙烯 无 硬 高 良好 优 优 一般 1.2乳化剂的选择和用【 在乳液聚合中，乳化剂的性能影 响聚合反应的速度、相对分子质量大小 及分布、乳胶粘度和稳定性。阴离子乳 化剂赋予乳液较好的机械稳性；非离子 乳化剂赋予乳液较好的化学稳定性。经 实践对比，选用阴离子型乳化剂十二烷 基硫酸钠与非离子

39、型乳化剂opT 0组成 复合体系，可提高乳液的稳定性，解决 胶体易破乳问题，同时根据乳化剂对粘 度的影响（图1）,其最佳用量：十二 烷基硫酸钠为0.6%,op-10为0.3% o 数对粘度影响 (BpdEm/羔 图1乳化剂质量分 13引发剂的用量囚 引发剂是聚合反应的触媒。用量少则反应不完全，用量大则反应剧烈甚至爆聚。因 此适当的用量不仅可使聚合过程稳定，而且也可使聚合反应完全。一般引发剂用量占单 体量的0.2%0.7 %之间，经实验，一般选择过硫酸鞍为引发剂，用量为0.4%. 1.4反应温度的选择 温度对乳液聚合反应影响较大I，反应 温度小于78 C时，滴加进的单体不能及时 反应出现单体积累

40、；当温度大于87 9时， 瓶内出现粗粒子，甚至在瓶壁上出现凝聚 物。温度在7887 *C时，聚合过程稳定、 乳液增稠性能好，图2为温度对粘度的影响。 图2温度对粘度的影响 1.5反应时间的选择Ml 固定乳化剂质量分数为3%,引发 剂用量质量分数0. 4%,反应温度80C 反应爼度2 反应时间h 时，温度对黏度的影响如图1-3,由图1-3可知，选择反应时间为3小时比较合适 图3反应时间对黏度的影响 1.6产品主要技术性能指标 外观：带有蓝色荧光的白色乳液 固含量：（402）% pH值：78 粘度：801500 mPa s 最低成膜温度：15C 2搅拌篠的设计 为反应温度分布均匀，需使用 搅拌反应

41、釜。典型的搅拌反应器如图4 所示，它主要由搅拌罐、搅拌装置和 轴封三大部分组成。 搅拌罐包括罐体、加热装置及附 件。罐体为一个提供化学反应空间的 容器。由于化学反应一般都要吸收和 放出热量，因此在容器的内部或外部 设置加热或者冷却装置。例如在容器 外部设置夹套，或者在容器内部设置 蛇管；为了与减速机和轴封相连接， 顶盖上要焊装底座；为了便于检修内 件及加料和排料，需要装焊人孔，手孔和各种管件；为了在操作过程中有效地监视 和控制物料的温度，压力和 料面高度，则需要安装温度计，压力 表，液面计，视镜和安全泄放装置；有是为了改变物料流型，增强搅拌强度，强化 传质和传热，还要在鑰体的内部焊装挡板和导流

42、筒。另外，在罐体上还需设置工艺 接管等附件，但是随着附件的增加，往往会给设备的制造和维修带来很多麻烦，增 加设备制造和维修费用。所以在确定搅拌罐 的时候应全面综合考虑，使设备满足生产工 求有做到经济合理，实现最佳化设计a】。 结构 艺要 罐体的几何尺寸包括内径Dt、高度H、 容积V及壁厚6 （见图5） 图5罐体的直径与高度 21鱸体的长径比 选择罐体的长径比应考虑的主要因素有3个方面，即长径比对搅拌功率的影响, 对传热的影响以及物料搅拌反应特性对长径比的要求。 罐体长径比对搅拌功率的影响 一定结构型式搅拌器的桨叶直径同与其装配的搅拌熊鑼体内径通常有一定的比 例范围。随着罐体长径比的减小，即高度

43、减小而直径放大，搅拌器桨叶直径也相应 放大。在固定的搅拌轴转数下，搅拌器功率与搅拌器桨叶直径的5次方成正比。所 以，随着罐体直径的放大，搅拌器功率增加很多，这对于需要较大搅拌作业功率的 搅拌过程是适宜的，否则减小长径比只能无谓地消耗一些搅拌器功率，长径比则可 以考虑选得大一些。 罐体长径比对传热的影响 套传热有显著影响。容器一定时长径比越大则讎体盛料部分表面积越大，夹套 的传热面积也就越大。同时长径比越大，则传热表面距离罐体中心越近，物料的温 度梯度就越小，有利于提高传热效果。因此单从夹套传热角度考虑，一般希望长径 比取得大一些。 物料特性对罐体长径比的要求 某些物料的搅拌反应过程对罐体长径比

44、有着特殊要求，例如发酵罐之类，为了 使通入罐内的空气与发酵液有充分的接触时间，需要有足够的液位髙度，希望长径 比取得大一些。 根据实践经验，几种搅拌罐的长径比大致如表2。 表2几种搅拌罐的长径比 种类 设备内物料类型 H/D 一般搅拌器 液-固相或液-液相物料 1 1.5 气一液相物料 12 发酵罐类 1. 72. 5 2.2装料系数126】 选择了罐体长径比之后，还要根据搅拌罐操作时所允许的装满程度考虑选择装 料系数八，然后经过初步计算，数值圆整及核算，最终确定筒体直径和高度。 反应液体积VR与反应器实际体积VT有如下关系： Vr=VtH (ms)(11) 设计时应合理地选用装填系数n值，尽

45、量提高设备利用率。通常n可取0.6 0.85o如果物料在反应过程中起泡沫或呈沸腾状态，n应取低值，约0607；如果 物料反应平稳，n取080.85 (物料黏度较大可取大值)。 2.4确定简体直径和高度2打 知道了筒体的长径比和装填系数之后，还不能直接算出筒体直径和高度，因为 当筒体直径不知道时封头的容积就不知道，罐体全容积也不能最后知道。査表标 准椭圆封头的体积为0.1312、h封二D/4。 令：h为釜体直边高、H为反应器釜体总高度，则: H=h+2h 封=h+D/2=1.5D 若取H/D=1.5,则有：h=D (12) (13) (14) Vt =D2h/4+0.262D3 = ttD3 /

46、4+0.262D3 =1.047 D3 所以 D= Vvr/1.047 圆整后査表选取公称直径。 所以，釜直边高 h=( VT-2XV 封“0.785D2 再重新计算H及新的长径比，大致符合要求便可。 3搅拌设备的传热冏 3.1传热方式 反应器的加热和冷却有多种方式。可在容器的外部或内部设置供加热或冷却的 换热装置，例如在容器外部设置夹套，在容器内部设置蛇管换热器等，一般用的最 普遍的釆用夹套传热的方式。 3.1.1夹套传热 传热夹套一般由普通碳钢制成，它是一个套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器，既简单又方便(如图6)。夹套上设有水蒸汽、冷却水或其他加热、冷却介 质的进出口。如果加热介质是

47、水蒸气，则进口管应靠近夹套上端，冷凝液从底部排 除；如果传热介质是液体，则进口管应安置在底部，液体从地步进入，上部流出， 使介质能充满整个夹套的空间。有时，对于较大型容器，为了得到较好的传热效果, 在夹套空间装设螺旋导流板，以缩小夹套中的流体的流通面积，提高流体的流动速 度和不避短路，但结构较为复杂一些。 夹套的高度决定于传热面积F,而传热面积F是由工艺要求确定。但须注意的 是夹套高度一般应不低于料液的高度，应该比器内液面高出50100mm左右，以保 证充分传热。 根据装料系数H ,则物料容积V八， 夹套高度H夹可由下式来估算： H 夹N (V n -V M) (15) f= n D2/4 6

48、) 式中：f筒体横截面积(m2)； D容积内直径(m)； n一一装料系数； V一一容器容积(m3)； V封一一封头容积(m3) 图6夹套传热釜 3.1.2蛇管传热 当需要的传热面积较大、而夹套传热在允许的反应时间内不能满足要求时，或 是壳体内衬有橡胶、耐火砖等隔热材料而不能釆用夹套时，可釆用蛇管传热，蛇管 的管长与管径之比见表3。 表3管长与管径之比值表 蒸汽压力(kgf/cm2) 0.45 1.25 2 3 5 管长与管径最大比1/d 100 150 200 225 275 3.1.3内传热挡板和夹套 随着反应器容积的增大，传热问题显得突出起来，光靠夹套己很不够，常常要 在反应器内附加传热挡

49、板。传热挡板既可以增加传热面积，移走热量，又可以强化 搅拌效果，起破坏涡流控制流型效果。 3.2确定传热方式 反应釜一般需釆用夹套，而夹套又有多种类型各种类型夹套的适用范围见表4。 表4各种类型夹套的使用范围 夹套形式 温度CC) 压力（kgf/cnP） 整体夹套 350 6 300 16 半圆管夹套 280 10 64 型钢夹套 225 625 蜂窝夹套 250 25-40 3.2.1整体夹套的结构类型 按照对罐体的包覆程度，夹套可分为4种类型。 第一种仅圆筒的一部分有夹套，用在需要加热面积不大的场合。 第二种为圆筒的一部分和下风头包有夹套。这种夹套是常用的类型结构。 第三种是为减小罐体的外

50、压计算长度L,或者为了实现在罐体的轴线方向分段地 控制温度、进行加热和冷却而采用的分段夹套，各段之间设置加强圈或采用能够起 到加强圈作用的夹套封口件。这种结构适用于罐体细长的场合。 第四种为全包覆式夹套。 3. 2. 2整体夹套夹套的尺寸及连接型式 整体夹套和罐体有2种连接型式，即不可拆卸式和可拆卸式。 不可拆卸式夹套的结构简单，密封可靠，主要适用于碳钢制的搅拌设备。 可拆卸式夹套的连接结构，用在操作条件较差，以及要求定期检査罐体外部表 面或者要求定期清洗夹套内污垢的场合。 夹套直径确定见表5。 表5整体夹套直径的确定 39 Dg 500600 700-1800 20003000 Di Dg+

51、50 Dg+100 D 計 200 4搅拌器 4.1搅拌器分类及参数I绚 搅拌器是搅拌槽的核心设备，一般是根据不同的应甩条件和不同的工艺要求而 设计的，其主要在于搅拌叶轮的型拭和传动装置有区别。 （-）依据叶轮的形状来分有： 1桨式一一有分平桨和折桨两种。其桨宽和叶径之比多为0.10.25,折桨角度 为45、60。一般只有两片桨叶，桨叶外沿圆周速度为105.0m / s,转速为1 lOOrpm,适用粘度在2P以下的液体，叶径和槽径之比为0.350.80,个别可达0.9, 可安装成单层式或多层式。 2涡轮式一一可分为开启式和圆盘式，如平直叶，弯叶，圆盘平叶，圆盘弯叶 等，桨数一般为6片，叶宽与叶

52、径之比为0.150.3（以0.2居多），叶沿圆周速度为4 10m / s,转速为10300rpm,分别适于粘度50P和10P以下的液体，叶径与槽径 之比为020.5。 3推进式般有三片桨叶，螺距与叶径之比约为12,外沿圆周线速度达3 15m / s,转速为100500rpm,适于粘度在2P以下的液体，叶径和槽径之比为0.2 0.5 o 4锚框式也是两叶形式，外沿圆周速度为15m / s,转速为1lOOrpm, 适于粘度小于100P的液体搅拌，叶径与槽径之比达0.40.98,特别用于搅拌范围较 大或液体易粘附于槽壁的场合。 5螺带式一一圆周速度一般小于2m/s,转速0.550r/inin,叶径与

53、槽径之 比为0.90.98,适于粘度小于100P的场台。 6高剪切式一一有锯齿式，三角叶式等，适用于需高剪切的情况。 （二）依据叶轮所造成的槽内液体循环流动途径来分有（图1-7） 1轴向流叶轮一一特点是直径小，转速高，循环量大，常用于互溶液混合、 传热和固体悬浮，特别是沉降速度低、 无腐蚀的固体悬浮。一般要求精度11 H【I i | | 在5P。以内，可用于大容积的搅拌二 匚壬上卡二 二 槽，其标准形式是螺旋桨式叶轮。 2径向流叶轮一一叶轮施以离 心力，沿半径方向流出，上下方补图7叶轮所造成的槽内液体循环流动途径 充流入。有良好的适应各种操作要求的性能，特别对于粘度高的液体搅拌。 4.2搅拌器

54、选型国】 搅拌器是根据不同搅拌目的的工艺要求而造型的。 不同工艺过程对槽中流动的能量分配不同，搅拌槽中的混台过程主要以混合是 否均匀，即调匀度和以分散集中程度，即分隔尺寸等表示。 为了达到一定的调匀度，需要一定的总体流动；为了达到一定的分隔尺度，则 需要一定的湍流强度，不同的工艺过程对总体流动与湍流强度有不同的要求。 一个好的选型方法最好具备两个条件，一是选择结果合理，一是选择方法简便, 而着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的影响，所以根据搅拌介质粘度的大小来选 型是一种基本的方法。 4.3搅拌槽体及附件I期 4.3.1槽体型式及尺寸 槽体型式多为立式，一般用圆形槽碟形

55、底为多，应避免锥底和带棱角的槽，以 免固体颗粒在死角处聚积，最好是槽中液深H和槽径D之比为1： 1,浅槽可为1： 2 或1： 3,深槽在125： 1以上时，就需安装多个搅拌器叶轮，一般可按下式求得： 叶轮个数=实际液体深X液体比重弓槽径 每个叶轮间距应为115叶径。 4.3.2附件 搅拌槽附件包括档板、异流简等 1档板一一其作用是防止浆体打漩，以免固体颗粒因离心力向槽壁聚集和吸入空 气；此外，档板还可增大湍动程度。档板为垂直安装在槽内壁，其数量可用“充分 档板化”条件确定，所谓“充分档板化”就是再增加档板数而不再能改善搅拌效 果的挡板数量，可用下式估算： m(w/d)l,2=0.35(17)

56、式中m一 “充分挡板化”的档板数； W和d档板宽和叶轮直径。 一般取 w/d=l/10-l/12, m =6 己足够。 档板虽能减少水平环流，提髙悬浮效果，但也会在档板的背面形成滞流区，引 起固体颗粒的聚积，为此，在档板与槽壁之问常留有一定缝隙，其宽度为档板宽的 0.1-0.15 倍。 2导流筒一一其作用主要是确定循环路径以减少短路，同时亦加大筒内液体的搅 拌程度。但由于使阻力增加，消耗搅拌器的功率，因此需视具体要求决定是否设置。 4.4叶轮位置与标准搅拌槽刖 叶轮一般设在槽中心，叶轮到槽底的距离c约等于叶轮直径d,但对沉降速度较 快的固俸颗粒，则应降低安装位置。 叶轮直径与槽径之比d/D与所

57、选择的叶轮型式有关，常用的范围为： 平桨式 d / D=0.500.83； 滑轮式 d / D=0.330.40； 螺桨式d / D=0l033。 由于搅拌槽的几何特性对液体流型与搅拌效果有较大影响，目前己研究确定一 种“标准”形式妁搅拌槽，其性能可满足大多数工艺操作过程的要求。其几何尺寸 如下： d/D=l/3, Hl=d, H/D=l;wl/d=l/5, 111=4, L / d=l / 4； w / D： 1 / 10, 此外，叶轮为6片平桨滑轮，安装在直径为s的中心圆盘上。各式中：、vl一叶轮 宽，L 一叶片长。 4.5搅拌器功率的估算I呦 对于不同的工艺过程需要不同的动力，对于一定结

58、构槽体和一定型式的搅拌器, 当用某种转速进行搅拌，使搅拌器连续运行所需的动力就是搅拌器的功率。 4. 5.1影响搅拌器功率的因素 搅拌与槽内流动状态有关，因此，影响流动状态的因素也会影响搅拌器的功率。 如 1搅拌器的几何参数桨叶直径d,桨叶宽wl,桨叶角8,转速n,时数m,桨 叶片离槽底髙c等； 2搅拌槽的几何参数：槽径D,槽高Ho（液深），挡板宽w,档板数m,导流简 尺寸等； 3搅拌浆体物性参数：浆体密度P,粘度，颗粒粒径d,密度ps等。 4. 5.2功率估算方法1列 本设计釆用准数关联法。 一般关联式一一从诸影响搅拌功率的因素中，暂不考虑形状几何参数的影响, 其功率有如下函数式： N二 P

59、 n3dj5(nMj/g) (a_lsR6% x49.3778xl03 =2.96267xl02 kg mop=0.3%x493778xl03=1.48133xl02kg mBA=24.9%x49.3778x103=1 .2295072x 103 kg myiMA=2%x49.3778x103=9.87556x 102 kg mAN=2%x49.3778xl03=9.87556xl02 kg mst=17.9% x49.3778x103=8.838626x 103 kg mAA=2%x49.3778xl03=9.87556xl02kg hiaps=0.4%X49.3778x 103=1.975

60、11xl02 kg Vsds=296267ml V()p= 148133ml VBA=1229507ml VMMA=987556ml Van=987561iii1 Vst=8838626ml VAA=987561ml VAps=197511ml 总物料 Vo二 V 水+VSDS+ Vop +Vba+Vmma+Van+ Vst + Vaa +Vaps =49377802ml=49.377802m3 将 Vo=49.377802xl06ml 修整为 Vr=50hi3 2热量衡算 査物性手册得泗： 摩尔生成焙的估算：AH化10.835+为心(/灯+ W工切(”2刀 BA: AHr,=10.835+5