化学工程及工艺设计 论文正文

WORD格式整理.摘要IAbstract II目录1第一章绪论31.ABS树脂生产技术现状及进展31.1技术概况31.2乳液接枝本体SAN掺混法41.2.1接枝用主干胶乳的合成41.3ABS连续本体聚合法52国内外ＡＢＳ树脂生产与市场分析及预测[4]62.1生产情况分析预测62.2市场分析及预测83发展趋势[2]103.1生产技术发展趋势103.2产品发展趋势10第二章工艺流程设计121.生产方法、原料和主要工艺参数的选择121.1生产方法的选择121.2原料的选择121.3主要工艺参数132.聚合反应过程工艺流程叙述152.1工艺流程方框图152.2工艺流程叙述16第三章工艺与设备计算193.1基础数据193.2物料衡算203.3设备计算213.3.1釜数及其主要工艺参数的确定213.3.2搅拌器的计算233.3.3传热装置设计253.3.4设计结果〔以生产聚丁二烯胶乳为例25第四章辅助设备选型264.1反应釜卸料泵264.2凝聚釜264.3离心机274.4混料槽284.5挤出机28第五章厂址的选择及其厂房布置305.1厂址选择305.2厂房布置305.2.1总图布置的选择原则305.2.2车间区域划分及布置说明31第六章安全、环保和三废处理326.1安全方面326.1.1主要物料的安全性质及防护326.1.2安全防护措施346.1.3ABS聚合安全操作[23]346.2环保方面356.2.1废水366.2.2噪声366.3污染防治措施366.3.1废水366.3.2噪声376.4环保排放指标37七章车间定员387.1车间生产岗位及工作387.2班次、人员编制38第八章产品成本估算408.1固定成本估算408.2可变成本估算418.3利润估算41小结42致谢43参考文献44诚信说明…………………45.第一章绪论ABS树脂是五大合成树脂之一,其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良,还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点,容易涂装、着色,还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工,广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域,是一种用途极广的热塑性工程塑料。ABS树脂是丙烯腈、1,3-丁二烯、苯乙烯三种单体的接枝共聚物。它的分子式可以写为<C8H8·C4H6·C3H3N>x,但实际上往往是含丁二烯的接枝共聚物与丙烯腈-苯乙烯共聚物的混合物,其中A代表丙烯腈,提供耐化学性和热稳定性；B代表丁二烯,提供韧性和抗冲性;S代表苯乙烯,赋予刚性和易加工性。但是,在聚丁二烯橡胶与苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚反应中,除了生成聚丁二烯橡胶与苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物外,单体苯乙烯和丙烯腈会发生共聚生成游离SAN。所以实际上得到的是聚丁二烯与苯乙烯、丙烯腈接枝共聚物和游离SAN的混合物。商业上通常将这种混合物与其他SAN的掺混物称之为ABS树脂。ABS树脂生产技术现状及进展1.1技术概况ABS树脂是在聚苯乙烯树脂改性的基础上发展起来的,1947年美国橡胶公司采用共混法工艺实现了ABS树脂的工业法生产;1954年美国的Borg-Wamer公司采用乳液接枝聚合开发了接枝型ABS树脂并实现了工业化。采用乳液接枝法生产的产品的流动性和低温抗冲击性能远优越于共混法的产品扩是真正意义上的ABS树脂,乳液接枝法生产ABS树脂工艺的开发促进了ABS工业的迅速发展。20世纪70年代开始,ABS生产工艺技术进入大发展时期,至今先后开发了乳液接枝聚合法、乳液接枝掺混法和连续本体聚合法。其中乳液接枝掺混法又分为：乳液接枝—乳液SAN掺混法；乳液接枝—悬浮SAN掺混法；乳液接枝—本体SAN掺混法。这3种ABS树脂工业生产技术综合评价见表1[1]。其中乳液接枝本体SAN掺混法以技术最成熟、产品范围最宽、性能最好、有利于大型化和降低成本而成为目前世界上应用最广泛的ABS树脂生产工艺,国内近期引进的五套大型装置均采用此工艺。而连续本体法由于其具有工艺流程简单、环保和投资省的优势在近年来也得到逐步发展,但由于目前工艺上的局限性,其产品范围和性能有局限性,还有待进一步改进,这也是世界上各大ABS树脂生产厂家的研究开发方向之一。下面就上述两种较有代表性的工艺进行介绍[2]:表13种ABS树脂工业生产技术综合评价项目乳液接枝聚合乳液接枝掺混法连续本体聚合法乳液SAN掺混悬浮SAN掺混本体SAN掺混技术水平已落后,仍生产效益差,仍生产广泛采用大力发展尚不完善最低投资中等较高较高中等反应控制较容易容易容易容易困难设备要求聚合简单聚合简单后处理复杂后处理复杂简单热交换容易容易容易较容易困难后处理复杂复杂复杂复杂简单环保差差较差中最好发展趋势淘汰无发展空间仍有发展空间主要方法前程广阔,有待完善品种变化品种可调品种灵活品种灵活品种灵活品种少产品质量含杂质较多含杂质较多含一定量杂质含杂质较少产品纯净1.2乳液接枝本体SAN掺混法乳液接枝本体SAN掺混法是在乳液接枝法的基础上发展起来的,大体上可分为以下步骤:接枝用主干胶乳的合成,接枝用主干胶乳与苯乙烯和丙烯睛的接枝共聚,SAN共聚物的合成,接枝胶乳本身和与SAN的掺混成ABS树脂。接枝用主干胶乳的合成ABS接枝用主干胶乳一般要求采用粒径大于0.25um的大粒径的聚丁二烯胶乳,合成工艺有在聚合过程中由丁二烯单体直接合成大粒径胶乳的一步法和先合成小粒径胶乳再附聚成大粒子的两步法,两步法由于反应停留时间短、操作灵活而成为目前的研究重点。.1一步法采用的放大粒径技术有适时补皂法、加人溶剂法、补加单体法、种子聚合法和聚合后期自聚集法和中和部分皂或降低pH值法等。上述技术的关键是加人乳化剂、溶剂、单体种子等的数量、时机和补加次数,这是影响胶乳粒径的稳定性和大小的主要因素。.2二步法即附聚法技术有冷冻、压力、机械搅拌、化学、高分子胶乳附聚等方法。冷冻法产品纯净、易于工业化、反应时间短,但只能得到中粒度的胶乳,胶乳冷冻时会析出凝胶,且动力消耗较大;压力法虽较老,但有些公司现仍用得较好;机械搅拌法是利用高搅拌强度来得到大粒径胶乳;化学法缺点在于附聚后粒径受限制,温度及时间的影响大,控制相对难,不易重复;高分子胶乳附聚法是近年来出现的新型工艺,离子型乳化剂胶乳和。,a一不饱和梭酸共聚胶乳作为附聚集剂,可有效地缩短附聚时间。主干胶乳与苯乙烯和丙烯睛的接枝共聚在此共聚过程中,聚丁二烯链上的双键以及链节的两个a-H易受自由基攻击形成接枝点,苯乙烯和丙烯睛等单体进行接枝反应,生成ABS接枝共聚物,并伴随游离SAN的生成。影响接枝效率的因素主要有引发剂的种类及浓度、接枝反应转化率、单体浓度、聚丁二烯浓度及其微观结构、反应温度、乳化剂种类和聚合加料工艺等,而提高接枝效率和接枝均匀性的关键是控制聚合过程的反应速率,而聚合反应速率又与单体浓度、引发剂浓度、乳化剂浓度有关,所以控制聚合反应速率也就是控制聚合体系中这3者的总浓度和以加人速度控制的瞬间浓度。这一点对获得较好性能的ABS接枝共聚物非常重要。ABS接枝共聚物再经过凝聚过程就成为可掺混的粉状的ABS粉。本体SAN共聚物的合成SAN的合成主要有悬浮法和本体法两种工艺,连续本体法由于具有工艺流程简单、操作易、产品质量好、污染少和投资省的优点成为新建装置的首选工艺。连续本体法合成SAN树脂主要包括配料、聚合、脱挥和造粒等过程:按比例配制的苯乙烯和丙烯睛单体在少量溶剂存在的情况下被连续加人到采用蒸发冷凝散热的全混流反应器,或再经过采用特殊内构件散热的多级活塞流反应器进行反应,在物料达到约75%的转化率后送到真空条件下的脱挥器将未反应的苯乙烯和丙烯睛单体和溶剂闪蒸出去并回收循环利用,熔融的物料再经过造粒成为SAN树脂成品。目前该工艺已很成熟,可有效控制SAN的分子量、丙烯睛含量,生产出综合性能良好的产品。1.2.4ABS接枝共聚物与SAN树脂的掺混ABS接枝共聚物与SAN树脂的掺混一般包括宏观和微观上的混合两个过程,前者主要目的是调整ABS粉与SAN树脂及各种助剂的比例以提供不同性能的品种和牌号,后者主要目的是通过双螺杆挤出机的作用使ABS接枝共聚物与SAN共聚物共混形成ABS的分散相和SAN的连续相,而分散相和连续相的分子结构、化学组成、分子量大小及分布、加工条件对最终产品有直接影响。乳液接枝本体SAN掺混法生产ABS的优点在于一是SAN的合成比较简单,污染少;二是ABS中的橡胶含量和SAN的分子量、含量可有效控制,可生产综合性能好,特别是韧性和刚性均很高的ABS树一脂;三是因其工艺的灵活可调,产品牌号多,应用范围广。1.3ABS连续本体聚合法ABS的连续本体法是由日本的TEC-MTC公司于80年代中期率先实现工业化,是近年来发展较快的工艺。它与HIPS的连续本体法很相似,主要区别在于反应多了丙烯腈单体[3]。ABS的连续本体聚合主要包括溶胶、预聚合、聚合、脱挥和造粒等过程:将一定量聚丁二烯橡胶溶于按比例配制的苯乙烯和丙烯睛单体在少量溶剂存在的情况下被连续加入到一个全混流反应器实现相转变,再经过多级活塞流反应器继续反应,整个聚合过程亦都伴随着接枝反应,接着在物料达到约75%的转化率后送到脱挥器将未反应的苯乙烯和丙烯睛单体和溶剂闪蒸出去并回收循环利用,熔融的物料再经过造粒成为ABS树脂成品。上述反应器的结构与HIPS,SAN本体聚合的反应器基本相同,因此ABS的连续本体生产线也可用于HIPS,SAN和GPPS的生产。ABS的连续本体法的优点在于一是工艺流程简单,只需要一套本体聚合装置;二是操作易、污染少和投资省;但由于本体工艺上的局限性,无法生产橡胶含量在20%以上的ABS,其产品的抗冲强度受限制,另外在橡胶粒径控制上相对较大,亦无法达到乳液接枝本体SAN掺混法能达到的高光泽度,因此ABS的连续本体法目前产品范围较窄。2国内外ＡＢＳ树脂生产与市场分析及预测[4]2.1生产情况分析预测世界20XX全球ABS总产能约为863万t/a,产量约为750万t。20XX全球主要ＡＢＳ生产企业及产能统计见表2.表220XX全球主要ABS生产企业及产能统计生产厂家国家和地区生产能力〔万ｔ／ａ奇美集团XX100.0XX奇美化工中国70.0BASF比利时、德国、韩国66.0LG化学公司韩国56.0英力士〔INEOSABS美国、西班牙等55.0XXＬＧ甬兴化学公司中国50.0SABIC创新塑料公司美国、荷兰等47.5Cheil〔三星第一毛织韩国45.0日本东丽公司日本、马来西亚42.0陶氏化学公司荷兰、美国40.0台塑化学和纤维公司XX37.0JSR合成橡胶公司日本33.0锦湖化学公司韩国25.0上海高桥石化公司中国20.0台塑工业〔XX有限公司中国30.0XX石化公司中国18.0新湖〔XX石化有限公司中国10.0天津大沽中国20.0XX华锦中国中国20.0IRPC公司泰国14.0其它65.0合计863.5近年来,由于家电和汽车工业的不断发展,对ABS树脂的需求量将不断增加,因此,许多生产厂家都准备新建或扩建ABS树脂生产装置。国外ABS树脂2011~2016年规划增加的产能见表3。表3国外ABS树脂在〔2011~2016年规划增加的产能〔万t/a公司地点增加产能备注英力士〔INEOS印度220XX完成伊朗石化商业公司伊朗20印度SPL印度马哈拉施特拉邦10IRPO公司泰国Rayong县2820XX年初建成20XX开始建设合计42中国20XX,我国ABS的产能达到253万t/a,实际产量约为196万t。20XX我国主要ABS生产企业及产能统计见表4。表420XX中国ABS主要生产企业及产能统计万t/a生产厂家生产能力产量XX奇美有限公司70.060XXLG甬兴化工有限公司50.050台塑工业〔XX有限公司30.024上海高桥石化20.016.62XX石化公司18.017.27XX石化公司5.01.58XX石化公司10.010.52新湖〔XX石化有限公司10.010.0天津大沽20.02.50XX华锦20.04.32合计253.0196.8120XX后中国新建、扩建的ABS装置情况统计见表5。表520XX后中国ABS新建、扩建装置情况统计万t/a。项目生产能力计划投产时间天津大沽化工有限公司20.02012上海华谊聚合物有限公司20.0一期：2011二期：2013LG化学和中国海洋石油总公司30.02011XXLG甬兴化工有限公司〔扩建20.0〔增加2012XX石化公司〔扩建40.0〔增加2012中石化股份公司XX分公司30.0招商项目奎屯－独山子石化工业园15.0招商项目XX高新技术产业开发区10.0招商项目广西XX铁山港〔临海工业区管委会招商局待定招商项目上海曹妃甸工业园区化学产业园50.0招商项目XX渤海新区化工产业园区30.0招商项目XX万州化工园区10.0招商项目合计275.02.2市场分析及预测世界20XX世界ABS树脂消费量约为740万t,主要消费地区是亚太、北美和欧洲地区。在其消费构成中,家用电器及用品仍占最大比例,约为56.9%；汽车配件次之,占11.3%；办公设备居第3位,占3%；管材及管件为2.0%,其它为26.5%。20XX世界ABS树脂年均需求增长率为4.5%,消费量达到775万t,其中家用电器及用品、汽车配件、办公设备、管材及管件消费量将分别达到447万t、85万t、23万t和14万t,分别占树脂需求量的58%、11%、3.0%和1.8%。2012~2015年世界ABS树脂供需预测见表6。表62012~2015年世界ABS树脂供需状况项目20XX20XX20XX2015年生产能力/万t980102010401060产量/万t900950970980消费量/万t870910950960中国20XX我国ABS的总消费量约为430万t,是世界ABS树脂最大的消费国。国内ABS主要用于汽车、家用电器和电子电器三大领域。我国是世界上最大的家用电器生产国和消费国,ABS树脂其中接近55%的消费量用于电子和电器配件上。同时中国也是世界上最大的汽车生产国,大约25%的ABS消费量用于汽车领域。尽管我国ＡＢＳ树脂的生产能力和产量增长很快,但仍不能满足需求,每年需大量进口,从2004~20XX,中国的ABS进口量连续增加,20XX由于全球金融危机导致ABS进口量降低,20XX随着全球经济的复苏,ABS进口量继续增加,20XX随着国内ABS产能的增加,对外依存度下降,所以中国ABS的进口量与20XX持平。2004~20XX我国ABS产量、进出口量及表观消费量统计见表7和图1.表72004~20XX中国ABS供需状况统计年份产量／万ｔ进口量／万ｔ出口量／万ｔ表观消费量／万ｔ自给率／％20XX83.6196.31.6278.330.020XX91.0198.71.4288.331.620XX128.0201.42.0327.439.120XX142.8217.33.2356.940.020XX157.0195.24.3347.945.120XX170.55216.75.0382.2545.020XX196.81216.95.5408.2149.0图12004~20XX中国ABS表观消费中国ABS市场的年消费量整体保持增长态势〔除20XX负增长外,年复合增长率为8%。随着国内产量的大幅度增长及技术水平的提高,未来几年ABS树脂进口量会有下降的趋势。今后随着生产能力的增加,自给率将不断增加,到2015年其自给率预计达到75%。预测今后全球ABS年需求增长率为4.5%,中国更高达8%以上。20XX我国ABS树脂市场需求量将达到460万t左右,2015年ABS的总需求量将达到630万t,可见我国ABS树脂的市场前景广阔。中国ABS树脂的需求量和进口量均已居全球第一3发展趋势[2]3.1生产技术发展趋势ABS树脂生产技术将进一步改进、完善和提高,向节能、降耗、无公害化方向发展,大力降低产品成本,提高经济效益和社会效益。乳液接枝一SAN掺混法是工艺最成熟、产品范围最宽、实用性最强的ABS树脂生产技术,是目前世界范围内ABS生产装置应用最为广泛的工艺技术。而在乳液接枝一掺混法工艺中,乳液接枝一本体SAN掺混法工艺最有发展前途,其优点是:橡胶用量不受限制,便于生产高抗冲产品;接枝率容易控制,产品性能稳定;调节ABS粉料与SAN粒料混合比例可以生产多种牌号的ABS树脂;采用本体聚合法生产SAN树脂能耗低。因此,乳液接枝一本体SAN掺混法是目前生产ABS树脂的最佳方法,而且具有广阔的发展前景。连续本体法ABS树脂生产工艺[5]是一种正在发展中的技术,具有工艺流程短、装置建设费用低、"三废"量少并能与高抗冲聚苯乙烯、通用聚苯乙烯、SAN切换生产的优点,产品性能较以前已有很大提高,有些性能可与传统乳液接枝法生产的ABS树脂相媲美。尽管目前的工业装置较少,但是随着工艺的进一步完善和发展,连续本体法ABS树脂生产工艺必将在全世界得到广泛应用。3.2产品发展趋势ABS树脂的发展趋势是向高性能、多功能的专用树脂发展,以期提高产品的附加值和市场竞争力。高性能ABS树脂主要有耐热ABS、阻燃ABS、高冲ABS,透明ABS,高光泽ABS、消光ABS,耐候ABS、导电ABS,抗静电ABS、抗震ABS,抗蠕变ABS、高流动ABS等。ABS耐热性的提高,使其使用档次提高,满足了最终用途的高性能化要求,拓宽了应用领域。阻燃ABS的发展方向是阻燃的多功能化,如阻燃抗冲、阻燃发泡、阻燃耐候和阻燃耐热等。透明ABS的发展方向是综合性能的提高。总之,高性能ABS树脂不仅满足了制品的高性能化要求,提高了产品的使用档次和竞争力,而且拓宽了产品的应用领域。ABS树脂的发展方向是高性能化。然而,要达到高性能化,单靠ABS树脂自身的性能是难以达到的,只有通过ABS树脂的合金化,尤其是ABS树脂与聚碳酸酯<PC、聚对苯二甲酸乙二醇酯<PET>、聚对苯二甲酸丁二醇酯<PBT>,聚氨酯<PU等工程塑料的合金化才能达到,因而,ABS树脂的合金化是ABS树脂一个重要的发展方向。ABS树脂与其他树脂组成合金后,其综合性能大幅度提高,不仅满足了终端产品的高性能化要求,提高了产品的竟争力,而且拓宽了产品的应用领域。近年来,我国ABS树脂消费重心逐步转移,汽车、电子等行业的兴起使ABS树脂消费市场呈现新的格局。由于国内电视机、洗衣机等家电市场供大于求,以及改性聚丙烯等替代品的渗透和覆盖,在大型家电领域ABS树脂的消费量正在减少,而在小家电、办公设备和交通运输业等领域的消费悄然升温。ABS树脂在交通运输领域中的应用也有较大潜力：汽车、摩托车生产和消费的提速,将使汽车内饰件制品成为ABS树脂市场新的消费亮点,游艇和活动房屋等休闲用品也为ABS树脂打开了新销路。此外,ABS树脂在建材、医疗器械和合金共混材料方面也有良好的市场前景。消费格局的变化,将带来产品需求的改变。未来ABS产品的发展将向着通用料和专用料并重、通用料与合金并举的方向发展；未来ABS的市场将更加细分、竞争将更加激烈,企业间兼并重组的局面已为时不远。WORD格式整理.第二章工艺流程设计1.生产方法、原料和主要工艺参数的选择1.1生产方法的选择ABS主要生产方法有乳液接枝乳液SAN掺混法、乳液接枝悬浮SAN掺混法、乳液接枝本体SAN掺混法、连续本体法、本体悬浮法、乳液悬浮法和乳液本体法等生产工艺。通过比较第一章中各种聚合方法的优缺点,选择乳液接枝本体SAN掺混法。该方法大体上可分为以下步骤:接枝用主干胶乳的合成,接枝用主干胶乳与苯乙烯和丙烯睛的接枝共聚,SAN共聚物的合成,接枝胶乳本身和与SAN的掺混成ABS树脂。1.2原料的选择主要原材料的关键指标[2]生产ABS的主要原材料有1,3-丁二烯、苯乙烯和丙烯腈。它们的主要控制指标见下列表格。表2.1丁二烯控制指标1,3－丁二烯<ω>％水分mg/kg总炔烃mg/kgTBCmg/kg二聚物mg/kg羰基化合物mg/kg过氧化物mg/kg气相含氧量/%≥99.3≤20≤2550~150≤1000≤10≤10≤0.3表2.2苯乙烯控制指标纯度<ω>％水分mg/kgTBCmg/kg聚合物mg/kg≥99.7≤30010~30≤10表2.3丙烯腈控制指标纯度<ω>％水分/%<质量>TBCmg/kg≥99≤0.4535~452生产ABS用的辅助原料乳化剂：歧化松香酸钾皂,其质量应符合表2.4中列出的指标要求,其检验方法执行ZB72002一84标准。小结通过这次毕业设计,我不仅把基础知识再次熟悉了一遍,而且丰富了大脑,同时在查阅资料的过程中也了解到了许多课本以外的知识,开拓了视野,使自己在专业知识方面和动手能力方面都有很大的提高。毕业设计是我作为学生即将完成学业的最后一次作业,它既是对学校所学知识的全面总结和综合应用,又为今后走向社会的实际操作应用建立了一个良好开端,毕业设计是我们对所学知识理论的检验和总结,能够独立培养和提高我们独立分析和解决问题的能力,是我在校期间向学校所交的最后一份综合性作业。毕业的时间一天一天的临近,毕业设计也接近了尾声,在不断的的努力下我的毕业设计终于完成啦！在没做毕业设计之前觉得毕业设计只是对这几年来所学的知识大概总结。但真正做毕业设计时发现自己的想法太过简单。毕业设计不仅是对前面所学的知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白自己原来学的知识太理论化了,面对单独课题是感觉很迷茫。自己要学的东西还太多,以前老觉得自己什么都懂,什么都会。通过这次毕业设计,使我更加明白学习是一个积累的过程,在以后的工作、生活中应该不断地学习,努力提高自己的知识和综合素质。总之,知识必需通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了,但真正用时才发现实两回事,所以实践是检验知识的唯一标准。.致谢在历时两个月的毕业设计即将完成之际,我想向曾经给我帮助和支持的人表示衷心的感谢。特别要感谢我的指导老师***老师,在设计的过程中,*老师一直主动找我们讨论毕业设计的情况,详细了解我们的工作进度,还提供了很多与设计相关的资料和信息,给我的毕业设计带来很大的帮助。*老师很有耐心地指导我怎样去做好本设计,仔细的查看我们的设计,并指出其中大大小小的问题,尤其是细节方面,使本设计不断完善化。同时也感谢同学们对我的帮助,提供了一个良好的设计环境,还指导我很多有关电脑的知识,对我的最终定稿提供了很大的帮助。WORD格式整理.参考文献[1]程曾越.谢培生,吴本仁等.通用树脂实用技术手册.北京:中国石化出版社,1999.391[2]黄立本等.ABS树脂及其应用.北京:化学工业出版社.2001.[3]三井东压化学株式会社.日本,特开平5一271360.1993[4]黄金霞.陆书来,刘彬等.化工新型材料