课程设计（论文）1万吨每年丙烯酸酯橡胶乳液聚合车间的工艺设计 (2).doc

陕西理工学院课程设计目录1项目简介1.1项目名称41.2 项目设计依据 41.2.1 主要原料及物理性质 41.2.2 生产方法 41.3设计依据及必要性41.4 市场前景分析 41. 5 生产能力51.6 技术方案及设备方案5 1.6.1技术方案5 1.6.2设备方案61.7聚合反应机理及影响反应的因素61.7.1聚合反应机理 61.7.2影响反应的因素 62生产方法与工艺流程2. 1 生产方法 82.1.1 原料选择 82.1.2 聚合机理 82.1.3 实施方法 82.1.4 操作过程 82. 2 聚合工艺过程82.2.1单体的选择 82.2.2引发剂的选择92.2.3乳化剂的选择92.2.4分散介质的选择 92.2.5其他介质的选择 92.2.6聚合温度和压力 102.2.7 所选物料物理性质 2.3工艺流程10 2.4 工艺参数122.4.1工艺配方 122.4.2主要单体参数 122.4.3 主要工艺参数132.4.4产品技术参数 132.5 主要设备控制方案 142.5.1 反应器的温度控制142.5.2 反应器的压力控制142.5.3 反应器的压力控制142.5.4 泵的控制 143物料衡算及热量衡算3.1物料衡算153.1.1物料平衡示意图3.1.2 所发生的聚合反应方程式3.1.3 收集数据3.1.4确定主要原料投料数量3.1.5 顺流程设备进行计算3.2热量衡算 3.2.1.收集数据3.2.2.热量计算4 设备工艺计算4.1 反应聚合釜的设计 4.1.1釜体的设计4.1.2 釜体外形尺寸的设计4.1.3搅拌装置的设计4.1.4传热装置的计算4.2各物料进出管口直径确定4.3轴密封形式4.4泵的工艺设计4.5调节釜的设计 4.6引发剂罐4.7 单体乳化罐4.8 过滤器.4.9 工艺管口的设计5 参考文献1项目简介：1.1 项目名称 ： 1万吨/年丙烯酸酯橡胶乳液聚合车间的工艺设计。1.2 项目设计依据 ：121主要原料及物理性质：根据自主调研拟定主要聚合单体 。 122生产方法： 乳液聚合是生产acm的主要方法。主要是由于该工艺设备简单，易于实施；另一方面，acm目前主要用于高温、耐油密封制品，不要求有过高的低温屈挠性能，如果期望低温耐油性能，可以通过低温耐油单体的分子内增塑来实现。乳聚法合成acm体系中，乳化体系和用量将影响聚合过程中的稳定性、最终转化率、分子量分布、生胶加工性能甚至硫化胶的物性，因此要加入许多助剂，如乳化剂、引发剂、分子量调节剂和凝聚剂等。1.3项目设计必要性丙烯酸酯橡胶简称acm，主要用于汽车工业而被誉为“高性能汽车胶”。acm制品用于生产数十种汽车配件，按目前国内平均每辆车消费acm约0.8kg计，2005年和2010年汽车生产需要acm将分别达到0.60万t和0.9万t，社会维修量需要消耗acm将分别达到为0.51万t和1.16万t，因此预计我国今年和2010年国内汽车工业对acm的需求将分别达到1.11万t/a和2.04万t/a。这尚不包括国内用于出口的密封件制品对acm的消耗。随着我国汽车工业的迅猛发展，未来3-5年内将是我国acm需求的高峰期。acm正展现出良好发展前景，成为国内倍受关注和积极发展的高新材料之一。传统的汽车制件及密封垫片使用耐油、耐热的合成橡胶，其典型产品为丁腈橡胶和氯丁橡胶。由于长期使用温度以120 为限。不适合现代车辆提高远行速度后的耐热要求。丙烯酸酯橡胶目前可以在175 下长期使用，也有在一25或一35 下使用的耐寒型或超耐寒型产品。国外从70年代起已开始将丙烯酸酯橡胶用于汽车工业，制造各种骨架封件、油冷器或加热器垫片o 型环、y型油封及油盘和轴承密封件 同目前汽车工业中仍使用的丁腈橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶相比，在耐热及耐油性能方面，丙烯酸酯橡胶优于丁腈橡胶、硅橡胶和氯丁橡胶，稍次于氟橡胶；但丙烯酸酯橡胶加工时不需要二次硫化就可改进其使用性能，并能减少混练、硫化加工对橡胶辊筒及模具的腐蚀。因此在其加工工艺性能、物理力学性能和价格方面优于氟橡胶。使用实践表明，丙烯酸酯橡胶制品在汽车上的应用，可明显改善汽车的运行状况，能有效地减少汽车故障的发生，同时也可减轻污染、保护环境和延长汽车寿命。丙烯酸酯橡胶还可用来制造飞机、摩托车等交通工具上使用的各种橡胶输油管、另外acm还不断应用于高压电力电缆私地下掩埋电缆护套、电器制件的胶辊、传动带和胶管等。1.4市场前景分析 ：在先进工业国家，acm 已广泛作为耐热耐油的材料。随着进口汽车大量涌入国门， 以及国内高速汽车的发展，汽车(含摩托车)密封件的问题就逐渐暴露出来，普通的丁腈橡胶不能满足这些汽车(含摩托车)部件的要求特别是耐高温性能和耐臭氧性，只能采用acm橡胶部件。目前acm橡胶部件的主要用途如下：(1)各种密封垫、0型环等密封材科；(2)散热器、加热器等各种软管；(3)点火线和一般电工用垫及导线护套：(4)火花塞盖；(5)各种牯合剂、密封剂；（6)辊简类；（7)汽车的防污染部件(成型品)； （8)传输带和油罐衬里等。目前国内有数家企业生产acm，但是远远不能满足国内市场需求，主要依赖进口满足国内需求，更值得注意的是由于acm的配合和加工的特殊性，不同厂家生产的acm具有不同的配合和加工要求，而国内acm制品生产企业对加工和配合研究重视不够，影响了我国acm的推广应用，因此加快对acm配合加工中助剂应用问题显得比acm合成与生产更为重要和迫切。鉴于此我们设计采用乳液聚合法，年产量1万吨acm的生产装置、要求设计人员根据乳液聚合法生产acm的最新国内生产技术及工艺对1万吨/年丙烯酸酯橡胶乳液聚合车间的工艺设计。1.5生产能力：acm产量为1万吨年；考虑装置的大修，开工时间：330da,24hd。1.6技术方案及设备方案：1.6.1技术方案：丙烯酸酯橡胶可以采用溶液聚合、悬浮聚合或乳液聚合三种基本工艺生产。聚合反应由自由基引发，反应温度一般为50-100度，反应温度和引发剂的浓度对聚合反应速率和丙烯酸酯橡胶的分子量分布影响很大。1、溶液聚合：溶液聚合是把单体溶解在适当的溶剂中进行聚合反应，这时聚合热可借助溶剂的蒸发而排放，容积则可以从冷凝器回收，且溶剂起了稀释剂的作用，所以溶液聚合体系的黏度较低，物料混合和传热都比较容易，凝胶现象不易出现，温度容易控制。减小了局部过热现象聚合物分子量也比较均一，而且可以利用不同溶剂来控制分子量。有时可以直接利用聚合物的溶液作为涂料来使用，这些都是溶液聚合的优点。缺点：由于单体浓度低，反应速度慢，设备生产能力和利用率较低；易向溶剂发生连转移反应，聚合物分子量较低；聚合物中夹带的微量溶剂，应响产品质量；溶剂损失大，溶剂价格高且溶剂分离回收费用高，使生产成本增加，而且许多溶剂易燃、易爆、有毒，必须注意安全和劳动保护。这些缺点无不与使用溶剂有关。2、悬浮聚合： 悬浮聚合是使单体小液滴分散在介质（通常是水）中进行的聚合反应，这就容易解决散热问题，因为大多数单体不溶于水，所以需要借助机械搅拌作用，将水中的单体打成小液滴，另加悬浮分散剂，防止液滴重新聚合。在悬浮聚合时，通常使用能溶于单体而不溶于水的引发剂（油溶性引发剂）把引发剂预先溶在单体内，聚合时就是在单体微珠内进行聚合反应，多以悬浮聚合就是在单体微珠内进行的本体聚合。悬浮聚合的优点是聚合热容易排散，具有溶液聚合的优点，而且产品分子量相当高。此外，体系黏度低，便于操作，生产的微珠可以直接应用。它的缺点是产品纯度不高。3、乳液聚合：单体被乳化剂以乳液状态分散在水介质中的聚合反应称为乳液聚合。乳液聚合反应体系的主要组成是单体、水、引发剂和乳化剂。乳液聚合与悬浮聚合的差别是：1、乳液聚合中，聚合反应粒子的粒径小，只有0.11m，而悬浮聚合的粒径为0.52mm；2、乳液聚合中用水溶性引发剂，而悬浮聚合中则用油溶性引发剂；3、乳液聚合的产物是一种稳定的分散液，悬浮聚合得到的产物则可快速从液相中析出。正是这些差别导致了乳液聚合具有与悬浮聚合不同的聚合机理。 对溶液、悬浮聚合，聚合反应速率和聚合物分子量之间存在明显的倒数关系。这一点严重的限制了对聚合物分子量的大幅度改变。要降低低分子量可以无需改变聚合速而用加入链转移剂来完成，但要大幅度提高分子量，只能通过降低引发剂浓度或反应温度来实现从而降低聚合物反应速率来实现，而乳液聚合却不同，它提供了一个提高聚合物分子量而不降低聚合速率的独特方法。乳液聚合主要优点有：1、聚合反应可在较低温度下进行，并能同时获得高聚合速率和高分子量；2、以水为介质，比热容大，体系黏度小，有利于散热；3、乳液产品（称胶乳）可以直接作胶粘剂和表面处理剂加以使用，而没有易燃及污染环境等问题。乳液聚合主要缺点有：1、聚合物以固体使用时，需要加破乳剂，会产生大量废水，而且要洗涤、脱水、干燥； 2、工序多，生产成本比悬浮聚合高；3、产物中杂质含量较高。鉴于上述依据本项目拟采用乳液聚合法生产工艺生产丙烯酸酯橡胶。 该法是目前生产acm主要方法，主要由于该工艺设备简单，易于实施；另外一方面acm目前主要用于高温耐油密封制品，不要求有过高的低温屈挠性能，如果期望低温耐油性能，可以通过低温耐油单体的分子内增塑来实现。乳聚法合成acm体系中，乳化体系和用量将影响聚合过程中的稳定性、最终转化率、分子量分布、生胶加工性能甚至硫化胶的物性，因此要加入许多助剂，如乳化剂、引发剂、分子量调节剂和凝聚剂等。一般选用阴离子或阴离子和非离子复合型乳化剂如十二烷基磺酸钠；油溶性引发剂异丙苯过氧化氢，水溶性引发剂过硫酸盐、过氧化氢和叔丁基过氧化氢等；选用叔十二烷基硫醇或二硫化烷基黄原酸酯做分子量调节剂等。聚合温度一般在50100，可以通过冷凝回流或逐渐添加单体的方式除去聚合热，以控制聚合速度，减少单位时间发热量。乳液聚合从水中分离出聚合物需要增加盐析工序，因此需要添加盐析剂，一般选用nacl、cacl2等盐类，也可选用hcl、h2so2等酸类，工业上常选用cacl2作盐析剂。盐析时候可用聚丙烯酸钠、聚乙烯醇等作保护剂，以防止胶粒粘结成团，盐析后可用氢氧化钠溶液从胶中洗提出乳化剂，使得生胶易于硫化。另外乳聚法acm的干燥方式，不同公司也会选用不同方式，如美国氰特公司、日本瑞翁公司采用挤出干燥工艺，日本东亚油漆公司则为烘干产品。1.6.2设备方案。该项目主要生产设备为聚合釜、过滤器、釜等大型设备以及各类机泵、各种仪表等。17聚合反应机理及影响反应的因素1.7.1聚合反应机理因为其是线性饱和的无定形共聚物，故其采用乳液聚合按自由基机理聚合而成。聚合过程中的几个特点予以说明:1.因为是乙烯基型单体共聚物，主链是饱和的，基本上无支化和交联的问题，故聚合转化率可高达98%。2.共聚单体的竞聚率若相差很大，高转化率时，共聚物组成的均匀性必须考虑与控制。3.酯类单体在聚合过程中会水解，为此必须保持聚合体系的ph值，以减少水解反应，常加入四硼酸钠缓冲剂来稳定酸度。1.7.2影响聚合反应的因素a:基本组分的影响;单体丙烯酸酯聚合物通常是将几种丙烯酸酯单体共聚形成的共聚物，单体组成决定着聚合物的物理、化学及机械性能。合成丙烯酸酯共聚物的单体有黏性单体(软单体)、内聚单体(硬单体)和改性单体(官能团单体)三类。其中黏性单体贡献黏附性和柔软性，常见的有丙烯酸乙酯，丙烯酸丁酯，丙烯酸2一乙基己酯等。内聚单体贡献内聚力和强 度，常见的有(甲基)丙烯酸甲酯，苯乙烯，醋酸乙烯酯等。改性单体(带有如环氧基等活性基团)的引入可赋予聚合物膜一些特殊的反应特性，常见的有(甲基)丙烯酸，(甲基)丙烯酸羟乙酯，甲基丙烯酸缩水甘油酯，n一羟甲基丙烯酰胺等。乳化剂 丙烯酸酯乳液聚合中乳化剂的作用主要表现在聚合前形成增溶胶束，聚合中和聚合后使乳胶粒稳定。丙烯酸酯乳液聚合通常采用阴离子和非离子型乳化剂的复配体系，制得的产物兼有粒细、低泡和稳定的特点，用量通常是单体总量的24。随乳化剂用量的增加，聚合稳定性增加，但聚合物的分子量、沉淀率、耐水性和剥离强度均有所下降，而太多会使乳液粒子大小不一，胶膜耐水性差，使用性能大为下降。乳化温度一般控制在阴离子乳化剂的三相平衡点以上、非离子乳化剂的浊点以下，阴离子和非离子型乳化剂复配使用时三相平衡点和浊点都会有所偏离 ，一般在4o50c，乳化25rain以上可形成稳定的预乳液。对机械稳定性不好的乳液，应加大阴离子型乳化剂的用量，对化学稳定不好的乳液则需增加非离子型乳化剂的用量。引发剂 丙烯酸酯类乳液聚合体系中的引发剂多为过硫酸铵、过硫酸钾及过硫酸钠等水溶性过硫酸盐，一 般用单体总量的02o8。随引发剂用量的增加，聚合速率和转化率增加，聚合物分子量乳液稳定性、胶膜的剥离强度、内聚力和耐水性下降；引发剂用量过少，不易引发聚合，反应缓慢。用量为0204时，制备的丙烯酸酯乳液呈兰色、粒度小，乳液的稳定性好。引发剂滴加速度原则上应与单体滴加速度一致，一般以20打底 20用于追加引发。 分散介质一水乳液聚合应采用去离子水或蒸馏水，一般占单体总量的5070，用水量太大，会影响设备利用率，降低生产效率；用水量太小，乳液浓度高，乳液不稳定，且体系黏度大，影响体系的传热效率链转移剂和ph值调节剂及其它助剂链转移剂可有效地控制聚合物分子量，使聚合物的分子量降低，对聚合速率影响不大。常采用十二烷基硫醇为链转移剂，用量为单体总量的10 30 。ph调节剂又称缓冲剂，目的是维持反应系统的ph在一定的范围内，一般选择磷酸氢二钠、碳酸氢钠和醋酸钠等，用量为03 156j。乳液聚合中有时还引入聚乙烯醇和羟乙基纤维素等保护胶，以使胶体稳定，减小乳液流变时的剪切力。b：其他因素的影响反应温度引发剂浓度一定时，温度升高，聚合速率增大，聚合物平均分子量降低。对水溶性小的单体自由基扩散速率增大，导致胶束成核速率增大，乳胶粒数 目增多，粒径减少；对水溶性大的单体，在水相中的链增长速率增大，从而形成更多的低聚物，也使乳胶粒数目增多，粒径减少。同时反应温度升高，会导致乳液稳定性下降。乳液聚合丙烯酸酯共聚温度一般为混合单体一 水的共沸回流温度，一般在7590度变动；当有可交联单体参与共聚时一般控制在7585度接近聚合终点时温度可升至9095度。搅拌强度对丙烯酸酯乳液聚合来说，应采用适当的搅拌速度，一般为lo0400rminl7。搅拌强度不能太高，否则会使乳胶粒数目减少，乳胶粒直径增大和聚合速率降低，同时会使乳液产生凝胶，甚至导致破乳。此外，搅拌器叶轮的直径也影响着单体的分散程度。加料方式丙烯酸酯乳液聚合的加料方式有间歇加料、半连续加料和预乳液滴加等方式。间歇加料法由于单体浓度大，易产生自动加速效应而发生冲料现象，聚合稳定性差；半连续加料法和预乳液滴加法因聚合速度易控制，反应平稳，且聚合物组成均匀易控。2生产方法与工艺流程2.1 生产方法 选择生产工艺路线就是指选择生产方法。生产方法就是指在化工生产过程中使用何种原料、根据何种原理、选择实施何种方法，通过何种操作过程实现从原料变为产品的方法。本项目基本工艺由原材料的配制、聚合、脱单体、后处理和成品包装等工序。基本组分是：单体、乳化剂、反应介质水、引发剂和分子量调节剂等。2.1.1 原料选择：该项目选用的原料主要单体为：丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸甲酯。2.1.2 聚合机理：因为其是线性饱和的无定形共聚物，故其采用乳液聚合按自由基机理聚合而成2.1.3 实施方法：本项目拟采用乳液聚合（单体被乳化剂以乳液状态分散在水介质中的聚合反应称为乳液聚合。）2.1.4 操作过程：采用间歇式乳液聚合生产法 将反应物按比例分批加入反应器中，反应达到一定转化率后，停止反应，取出全部产物。2.2 聚合工艺条件2.2.1单体的选择：丙烯酸乙酯赋予乳液聚合物以耐水性、粘附性、柔韧性、透明性及抗污染性。甲基丙烯酸甲酯赋予乳液聚合物以耐久性、硬度、保光保色性及耐水性。2.2.2引发剂的选择 引发剂是乳液聚合配方的重要组成部分，引发剂种类和用量直接关系到反应速率。聚合物乳液的稳定性及产品的质量。因此正确选择引发剂也是进行乳液聚合配方设计很重要的问题。根据反应体系不同可采用水溶性和油溶性引发剂也可按自由基生成机理选用热引发剂. 过氧化氢是最简单的过氧化物，但他需要很高的活化能，约220kj/mol才能均裂分解反应，实际温度在100以上。因此，一般不单独用作引发剂。乳液聚合所采用的大多是水溶性引发剂。水溶性较好的一般为无机过氧化物。例如过硫酸铵、过硫酸钾。他们的使用温度是6090.在过硫酸盐中，以过硫酸铵为引发剂，所得乳液耐水性较好，所以使用最广泛。过硫酸铵在水中溶解度最小（2%4%），价格最低。所以我们选用过硫酸铵作为引发剂。引发剂用量一般控制为单体总量的0.1%2%之间。在此我们取其量为0.3%。2.2.3乳化剂的选择表2.1 乳化剂的分类根据离子类型分类根据亲水基种类的分类根据离子类型分类根据亲水基种类分类阴离子乳化剂羧酸盐 rcoom硫酸盐 roso3m磺酸盐 rso3m磷酸盐 ro po(om)2两性乳化剂氨基酸型丙胺盐型 阳离子乳化剂胺盐非离子型乳化剂聚乙二醇型 多元醇型选择合理的乳化剂，优化其用量，并确定适宜加入方式，是获得优质乳液的前提条件之一。（1）所选乳化剂的hlb值应和乳液聚合体系相匹配。下表是不同乳液聚合体系与乳化剂hlb的相关值。表2.2 不同乳液聚合体系与乳化剂hlb的相关值乳液聚合体系温度/hlb值乳液聚合体系温度/hlb值聚丙烯酸乙酯聚丙烯酸乙酯甲基丙烯酸甲酯406013.715.512.113.7丙烯酸丁酯丙烯酸丁酯聚甲基丙烯酸甲酯406014.515.512.013.1hlb就是用来衡量乳化剂分子中亲水部分和亲油部分对其性质所做贡献的小的物理量。每一种乳化剂都具有某一特定的hlb值，对于大多数乳化剂来说，其hlb值落在140之间。且hlb值越高表明亲水性越大。 十二烷基硫酸钠的hlb=40. 综合考虑我们选择十二烷基硫酸钠作为乳化剂。2.2.4分散介质的选择 绝大多数的正相乳液聚合以水为分散介质。水便宜，易得，没有燃烧，爆炸和中毒的危险，也不会造成环境污染，引起公害。进行乳液聚合对水的要求很苛刻，天然水和自来水均不能满足要求，水中所含的金属离子，尤其是钙、镁、铁、钱。等的高价金属离子会严重影响聚合物乳液的稳定性.所以进行乳液聚合应当用蒸馏水或去离子水，水的导电值应在10ms。2.2.5其他介质的选择分子量调节剂 是一类高活性物质，他很容易和自由基发生链转移反应，使活性链终止，而调节剂本身则形成一个新的自由基。这种自由基，仍然有引发活性，过加入调节剂可以降低聚合物分子量，而不影响聚合反应速率。一般选择 硫醇及其衍生物。在此选择十二烷基硫醇作为分子量调节剂，用量2.0%。 ph调节剂选择氨水。2.2.6聚合温度和压力 聚合温度：乳液聚合丙烯酸酯共聚温度一般为混合单体及水的共沸回流温度。一般在75-90度变动，当有可交联单体参与共聚时，一般控制在75-80度，接近聚合终点时温度可升至90-95度。 聚合压力 ： 常压。2.2.7 所选物料物理性质a. 收集物性数据1. 丙烯酸乙酯：ch2=chcooch2ch3物性：无色液体 易挥发 易燃 相对密度0.9234.熔点72.沸点99.8. 43(13.7kpa) 闪点15 蒸汽压（20）3.93kpa 汽化热0.35kj/g.比热容1.97j/g. 与乙醇乙醚混溶，溶氯仿稍溶于水。 毒性及防护：对眼黏膜皮肤有较强程度的刺激作用。车间应通风，设备应密闭，操作员应穿戴防护用具。2. 甲基丙烯酸甲酯：ch2=c(ch3)cooch3 物化性质：无色液体，易燃易挥发，相对密度0.9440.熔点-48，沸点100-101.蒸汽压25.5 5.33kpa ,溶于乙醇，乙醚，丙酮等有机溶剂中，微溶于乙醇和水，在光热电离辐射和催化剂存在下易聚合。 毒性：毒性较小，当浓度尚未达到产生毒性之前，其强烈的臭味易使人难受。人体皮肤接触甲基丙烯酸甲酯有少数人会出现红疹。 包装及贮存|：镀锌铁桶或者铝桶，贮存于阴凉通风的专用仓库，远离火种，热源，避免阳光直射。3. 十二烷基硫酸钠：c12h25oso3na物化性质：浅黄色透明液体，可溶于水，具有丰富的泡沫性和优良的洗涤性能，手感温和，生物降解性好。包装及贮存：塑料桶装或内衬塑料铁桶装，贮存于阴凉干燥处。4. 十二烷基硫醇：c12h26s物化性质：密度0.845，熔点-7，沸点266283，折射率1.4581.48，闪点87.包装：用内部有涂层的金属桶装。5.过硫酸铵：（nh4）2s2o8物化性质：无色单斜晶体，有潮解性，在120分解放出氧并生成焦硫酸盐，熔点120（分解），沸点120.相对密度1.982.相对蒸气密度7.9易溶于水。存贮：避免接触潮湿空气。2.3 工艺流程：间歇式乳液聚合基本工艺是，在装有搅拌机、冷却系统、温度计及进料泵的反应釜中加入一定量去离子水和乳化剂等，升温至一定温度。从乳化罐加入部分乳化单体和引发剂罐加入部分引发剂引发聚合，反应一段时间后 ，滴加剩余乳化单体及引发剂溶液。滴加结束后，保温，冷却降温，用氨水调节ph值，随后同时加入防菌剂、稳定剂和消泡剂，最后出料，过滤、包装。乳化剂丙烯酸乙酯乳胶液乳液聚合间歇法水引发剂分子量调节剂分离丙烯酸酯橡胶干燥凝聚水凝聚剂工艺流程简述：乳液聚合的过程：按工艺配方将乳化剂溶于去离子水中，在强烈搅拌下、加入混合单体，制备稳定的单体乳化液。通过泵10将去离子水打入反应釜12中，再通过泵11打自来水到聚合釜12加热套中，用水浴加热反应釜12。（循环水可作为员工洗浴用水）升温至8081c，再将20%的引发剂溶液加入反应釜12中，约10分钟后，加入5%的单体预乳化液。引发开始后，温度自动上升。待放热反应逐渐平稳，开始分别滴加剩余的单体预乳化液和引发剂溶液，滴加速度以保持反应温度在8285。约3小时滴加完成。保温一小时后，将菊和乳液专至调节釜13。待温度降至45 左右。用氨水调ph值至78。同时加入稳定剂、消泡剂、防菌剂。最后出料工艺流程简图：2.4工艺参数：2.4.1工艺配方（质量分数）表2.3工艺配方组分用量/份反应釜配料去离子水过硫酸铵十二烷基硫醇氨水十二万基硫酸钠1200.6416引发剂溶液去离子水过硫酸铵720.6乳化单体去离子水十二烷基硫酸钠甲基丙烯酸甲酯丙烯酸丁酯4841001002.4.2主要单体参数表2.4主要单体参数单体名称相对分子质量沸点/相对密度d(25)折射率玻璃化温度tg/k丙烯酸乙酯10099.80.92341.4238405甲基丙烯酸甲酯100.121010.9401.4118378甲基丙烯酸86.091631.0151.42884582.4.3 主要工艺参数 a. 聚合聚合温度 7080c聚合压力 常压聚合时间 2-3h转化率 95损失率 2 b. 碱处理 用氨水中和 ph=782.4.4产品技术参数表2.5丙烯酸酯橡胶国家标准型号ar-100ar-300门尼粘度30-5030-50灰分/%0.80.8挥发物/%0.80.8硬度（绍尔a）/度50-9550-95拉伸强度/mpa8-158-15扯断伸长率/%150-500150-5001标油体积变化率(15070h)/% 5103标油体积变化率(15070h)/%1825 压变（b法25%15070h）/%5050脆性温度/约-15约-302.5 主要设备控制方案2.5.1 反应器的温度控制反应温度的控制主要是通过与夹套内循环水进行热量交换来实现的。不同的聚合反应器，聚合反应机理不同、操作方式不同、温度控制不同、传热介质、传热方向及控制特点的不同，如连锁聚合反应温度较低，多为放热反应，反应速率极快，所以反应过程中撤热必须及时，否则易发生爆聚。而缩聚反应反应热效应小，由于反应温度较高，所以大多需要供热，反应速率比较平稳，传热速率也比较平稳。连续操作反应温度控制必须平稳，抗外界干扰能力要强。而间歇操作反应温度要尽量按预定要求控制，允许有小量的波动。恒温反应过程，反映前期速率较快，传热速率快，反应温度不易控制。而变温反应过程，反应速率在一定时间内比较平稳，传热速率也比较平稳，反应温度易控制。在乳液聚合间歇操作温度采用分程控制，可以避免传热滞后的现象发生，有利于实现预定的反应温度控制曲线。2.5.2 反应器的压力控制一般采用常压间歇聚合反应过程中反应压力应逐渐降低，特别是低真空度阶段反应器压力降低的速度不能太快，否则会把低聚物带出，使冷凝器及管道堵塞。2.5.3 反应器液位的控制（进料时打开进料泵，物料到达预定液位时，关闭进料泵）在间歇操作过程中，反应器的液位是通过每批加料量来决定的。2.5.4 泵的控制 （直接流量调节）泵的控制有两一是直接流量调节，二是旁路流量调节。a：直接流量调节。流量计及调节阀安装在输出管道上，流量计在前，调节阀在后，通过调节阀调节阀门的开启度，调节管路中流体流量的大小，该控制方案简单易操作。b：旁路流量调节。调节阀设在循环旁路管道上，流量计设在输出管道上，泵的流量是固定的，通过调节循环旁路中阀门的开启度，调节旁路中流体流量的大小，间接控制主路中的流体流量。由此可见直接流量调节控制方案简单，易操作。所以在选择时采用直接流量调节。3物料衡算及热量衡算：3.1 物料衡算3.1.1 物料关系示意图m5m13v101m1m2m3m4m7m10r201m11v102m12m9m6v103v104m8m1mma m2丙烯酸乙酯 m3十二烷基硫酸钠 m4去离子水 m5乳化单体 m6十二硫醇 m7过硫酸铵 m8去离子水 m9引发剂溶液 m10聚合物乳液 m11ph调节剂 m12破乳剂 m13丙烯酸胶粒 v101乳化单体与分子量调节剂罐v102引发剂罐v103调节罐r201聚合反应釜3.1.2 所发生的聚合反应方程式： 3.1.3 收集数据a: 生产规模 ：1万吨年b: 生产时间 ：330d年 采用间歇操作 因为反应时间约为3小时 辅助时间 45min 所以每天生产批次为：24（3+4560） 6（b） 由于在生产中每批引发剂用量较少 ， 所以引发剂每天配置一次即可.c技术指标： 聚合物损失率：2产品质量 引发剂： 0.3单体用量 分散介质： 1：1单体用量 乳化剂用量： 3单体用量 引发剂浓度： 约1.5 氨水： 1.0单体质量 助剂： 3.0单体质量 分子量调节剂(十二烷基硫醇)：2.0单体质量d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。3.1.4确定主要原料投料数量 该生产装置 1000t 年开工330d 每天24h 生产6批 后处理过程中聚合物损失率2. 所以每批生产聚合物数量为 ： 10000103（33060.98）=5153.58kgb(1) 引发剂（0.3单体质量）全部结合到聚合物中。(2) 单体100转化为聚合物。且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同(3) 丙烯酸乙酯相对分子质量：单体平均相对分子质量是（10050+10050） =100 因为引发剂 乳化剂 分子量调节剂 分散介质 助剂等都在聚合釜中 所以单体投料量=5153.8（1+1+0.003+0.03+0.015+0.01+0.03+0.02）=2444.77kgb 3.1.5 顺流程设备进行计算 a. v101(乳化单体调配罐)=2444.7750=1222.39kgb m1（丙烯酸乙酯投料量）=1222.39kgb m2 (甲基丙烯酸甲酯投料量)= 1222.39kgb m3 (去离子水)= 2444.7740=977.91kgb m4(十二烷基硫酸钠)= 2444.773=73.34kgb m4(十二烷基硫醇链转移剂)=2444.772.0=48.90kgb m5(乳化剂单体溶液)=m1+m2+m3+m4|+m4=2444.77+977.91+73.34=448.90=3544.92kg/bb. 引发剂单体调配罐的物料衡算 : m7(去离子水)=2444.77x60=1466.86kg/b m6(过硫酸铵)=x(1466.86+x)100=1.5 x=23.34kgb m8（引发剂溶液）=m6+m7=1489.2kg/bc. 反应聚合釜的物料衡算: m8(引发剂溶液)=1489.2kg/b m5(0乳化聚合物)=3544.92kg/b 聚合物乳液m9=m8+m5=1489.2+3544.92=5034.12kg/bd. m10(助剂)=2444.77*0.03=73.34kg/b m11(氨水)=2444.77*0.01=24.45kg/b 聚合物胶液：5034.12+73.34+24.45=5131.91kg/b 表3.1 丙烯酸酯橡胶乳液聚合间歇操作物料衡算表物料号甲基丙烯酸甲酯丙烯酸乙酯十二烷基硫醇过硫酸铵去离子水助剂氨水十二烷基硫酸钠聚合物合计m11222.39m21222.39m3977.91m473.34m448.90m53544.92m622.34m71466.86m81489.20m95034.12m1073.34m1124.45m125131.913.2热量衡算：3.2.1.收集数据 反应温度：80 基准温度0 压力：常压（101.3251kpa）3.2.2.热量计算q7=q1+q2+q3+q4 q7设备或系统内物料与外界交换热量之和 q1由于物料温度变化，系统与外部交换的热量 q3由于设备温度改变系统与外界交换的热量 q4设备向外界环境散失的热量 cp(水)=4.2j/(g ) cp(丙烯酸乙酯)=1.97j/(g ) cp(甲基丙烯酸甲酯)=1.99 j/(g ) cp（十二烷基硫醇）=2.45 j/(g ) cp（十二烷基硫酸钠）=2.49 j/(g ) cp（过硫酸铵）=2.51 j/(g ) h2=86.7kj/mol 基准温度为0。（1）q1 :cp(混)=100/（1002+120+0.6+4+1+6）1.97+100/331.6+6/331.6 2.49+4/331.62.45+0.6/331.62.51+120/331.64.2=0.59+0.60+0.0045+0.030+0.0045+1.5199=2.79 j/(g )q1=w*c*t=5153.582.79(80-0)=1.15103（2）q2=w/mhrx=5153.58kg/100kg.mol-110-386.7kj/mol0.95=4244.74kj=4.210 3kj（3）设设备的温度没有发生变化。所以q3=0（4） q4=3.6si ai(ti-t0)在圆管或圆管保温层外t w 设备温度 t0室温20at=9.80.052(tw-to)=9.80.052(80-20)=12.82w/m2si=19. 釜体表面积计算： 封头表面积：21.0832=1.0831.93622=8.12 m2 釜体表面积： 釜体的总表面积为：8.12+11.4=19.5q4=3.6siai(ti-t0)at=12.92 w/.si=19.5ti=80 t0=20q4=3.619.512.9260=54419.04 kj综上所述 qt=q1+q2+q3+q4=1.15103kj+4.2103kj54419.04kj4设备工艺计算化工设备是进行化工生产过程的物质基础，他对装置的生产能力，操作过程稳定性和可靠性，产品质量等都起着重要的作用。因此设备工艺计算是工艺设计中的重要环节。4.1 反应聚合釜的设计4.1.1釜体的设计 1根据年生产量确定日生产量wd.kg.d-1 wd=10000103/3300.95=31897.93kg/b2. 确定生产周期和每天生产批数 vt=vr+va=3h+45/60h=3.75h a=24/g=24/3.75=6.4b6b 由于在反应时间取值时，取得是范围内的最大值，所以近似取6b/天。3.选择反应器装料系数 a=0.754.计算反应体积及台数 vr=wd*vt/em*24=wd/ emd em=100/2060.9234+100/1060.940+6/2061.015=0.934g/cm3 vr=31897.93/(9346)=5.7m3 所以反应器的总体积为 vt=vr/=5.7/0.75=7.6m3综上所述，选择反应器的体积为7.6 m3的一台釜。4.1.2 釜体外形尺寸的设计a.确定封头型式表4.1 标准椭圆封头对于搅拌釜反应器 我们选择标准椭圆封头来计算：标准椭圆封头封头高度（h）封头侧面积（s）封头体积*（v）0.25d1.083d20.131d3表4.2 标准椭圆直边、高度、与直径的关系设备直径/mm300，350400，45050022002200320073200直边高度/mm25525,4025,40,5040,5050因为h/d=1.52 h为釜体直边高度 h为反应釜总高度则 h=h+2*h封=h+dh=1.5d若取h/d=1.5 则有h=d vt=d2h/4+0.131d3*2=1.047 d3d=(vt/1.047)-1/3=1.0936m虽然反应器属于非标准设备，但用于制造反应器的上下封头仍采用标准封头。因h/d取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径为1.9m. 釜体的直边高度： h=vt-2*v封/0.785d2=7.6-2*0.131*1.93/0.785*1.92=2.048 m 釜体的实际高度: h=h+2*h封=2.048+2*1.9/4=3.0 m 封头表面积： 2*1.083 d2=1.083*1.9362*2=8.12 釜体表面积： dh=1.9*2*3=11.4 釜体的总表面积：8.12+11.4=19.5根据表取封头直边高度为50mm, 釜体圆形直筒部分高度=2.048-2*0.05=1.948m综上所述，封头直边高度为50mm的标准椭圆封头。b. 封头与釜体的连接方式选择：由于反应釜直径为1.9m，直径较小，采用法兰连接这样便于拆封处理。4.1.3搅拌装置的设计搅拌反应器中的搅拌器通常由搅拌桨叶和搅拌轴等组成，通常搅拌器的旋转流体输入机械能，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。 在此我们根据反应条件选择平叶浆式搅拌。其中设