【苯乙烯-丙烯酸酯乳液聚合装置工艺设计与实现（论文）】

苯乙烯-丙烯酸酯乳液聚合装置工艺设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u2019摘要 V第一章引言1.1苯乙烯-丙烯酸酯乳液的背景及意义苯乙烯-丙烯酸酯酯乳液由苯乙烯单体以及丙烯酸酯单体聚合而成，是一种乳白色液体。建造涂料，地板涂料，金属表面涂料与各类粘合剂等方面都能有所应用，用途十分广泛，如今发展前景优异。耐水性，耐老化性和拉伸强度等方面性能差强人意是单一的苯乙烯-丙烯酸酯乳液的缺点。极大的限制了其用途，这时，国内外的学者想到了有机硅，有机氮，环氧树脂，蒙脱石等材料。这些可用于进行苯乙烯-丙烯酸酯乳液的改性工作。1.2苯乙烯-丙烯酸酯乳液的研究进度1.2.1乳化剂体系研究进展外国学者在1950和1960年代开始了乳化剂的研究。之后，人们渐渐发现乳化剂拥有更优越的性能，因此人们的研究方向由表面活性引发剂和表面活性链转移剂转变为了可聚合乳化剂，是当时的研究热潮。因为乳液的颗粒直径和分布、粘度、最小成膜温度、聚合稳定性和成膜连续完整、附着力、耐水性都受限于乳化剂的特性。所以，苯乙烯-丙烯酸酯乳液的聚合效果和性能受乳化剂与乳液体系的影响颇深[4]，这也凸显了其重要性。阴非离子的稳定机理不一样。阴型乳化剂(BH-Y)依靠静电力，而非型表面活性剂使用分子位阻。因此，阴型乳化剂分子小于非型表面活性剂。单独使用非型表面活性剂更容易破乳，而阴型单乳化剂具有电解质稳定性差的缺点。阴非离子复合乳化剂，比单用乳化剂更有效。两种类型的乳化剂都交叉吸附在乳胶颗粒表面上，以减少同一乳胶颗粒表面上的静电排斥。提高乳液聚合的效率。反应性乳化剂在近些年诞生。它不但具备亲水性和亲脂性基团，而且具有参与聚合的反应性基团。然而，表面活性引发剂和表面活性链转移剂影响聚合动力学，同时表面活性引发剂通常具有低的引发效率，同时，聚合产物的分子量会被表面活性链转移剂影响。1.2.2引发剂的科研进度聚合速率，单体转化率，胶乳粒径，乳液粘度和成膜性能与引发剂的类型和用量密切相关。随着引发剂浓度的增加，系统的转化率，粘度和凝胶度也会增加。另外，随着自由基产生率的增加，链终止率也增加，反之则反应不完全。所以，为乳液聚合反应选择合适的引发剂和合适数量的引发剂是非常重要的。1.2.3苯乙烯-丙烯酸酯乳液改性传统工艺使用3种单体共聚成苯乙烯-丙烯酸酯乳液，但这种乳液存在非常多缺点。可以使用核-壳乳液聚合，并且引入各种改性单体或功能单体以改善性能以更好地提供苯乙烯-丙烯酸酯乳液性能。满足工业应用。(1)主要改性材料如今，在国内外，用苯乙烯-丙烯酸酯乳液改性的常见材料有有机硅，有机氟，环氧酯，聚氨酯，醇酸酯等。这些材料通常单独使用(有机硅和有机氟除外)，并且大多数材料在乳胶颗粒的外层聚合，以最大程度地利用改性剂。其他改性材料主要包含：环氧树脂、水性聚氨酯(WPU)、N-羟甲基丙烯酰胺、纳米SiO2、苄氯苯乙烯、蒙脱土和水溶性醇酸树脂等。(2)改性方法有两种固定苯乙烯-丙烯酸酯乳液的方法：1物理拼混型；2接枝共聚型。因为所有的预乳化方法都可用于接枝共聚，所以只介绍接枝共聚的方法，有：种子乳液半连续滴加，种子乳液聚合，多阶段种子乳液法，不同单体的半连续聚合，改性单体的预处理和共聚，预乳化种子乳液聚合，水解抑制技术，预乳化核壳法和核壳法。1.2.4苯乙烯-丙烯酸酯乳液聚合工艺研究进展高的最低成膜温度(MFT)具有不能在室温下成膜的缺点，这极大地限制了通过常规乳液聚合方法获得的苯乙烯-丙烯酸酯乳液的应用范围。得益于国内外学者们的反复探索，许多新型聚合工艺在传统的乳液聚合法上应运而生。核-壳乳液聚合可以解决高的最低成膜温度(MFT)具有不能在室温下成膜的缺点。种子聚合最常见，并且通过将壳单体添加到通过乳液聚合法制备的种子乳液中来使核单体聚合。半连续种子乳液聚合是工业上最常用的。当在反应过程里只滴加微量乳化剂甚至完全不滴加乳化剂的聚合过程，是无皂聚合。当使用乳化剂时，无皂乳液聚合可防止分离，水分吸收和渗出作用，具备洁净的优点。微乳聚合在系统中和微乳化过程中使用辅助乳化剂，例如高速搅拌，高压均质化和超声分散，这是和普通的乳液聚合的区分。微乳液聚合少量凝结的特性可以提高收率并防止粘连。还有一种为超细乳液聚合。由于其高稳定性，均匀的细小粒径和快速的溶解速度，微乳液聚合乳液和超微乳液聚合乳液在克服常见聚合体系的某些困难(例如相对分子量和分布控制)方面具有潜在的优势。1.3苯乙烯-丙烯酸酯乳液制备方式现在在全球大范围生产乳液聚合物，用途广泛。乳液聚合体系优点显著。设备便宜、操作简单、工艺易学以及流程短，生产更灵活。另外，使用的介质为水，更是无污染、价低易得，对工人更加安全。因此采用种子聚合法。1.4研究目标与方式经过对比，选择确定工艺流程，设计聚合釜。因为需要算出每批物料的放热、进料量和物料密度、粘度以及比热等数值，所以分两步进行设计工作：1.收集资料：查阅收集各物料的化学物理性质，提供设计依据。2.计算过程：根据收集到的数据信息以及工艺要求选择工作技术和控制方法。选择设备和聚合装置的机体尺寸计算，制作工艺流程图和聚合装置的CAD图。

第二章计算和选型2.1试验原料比例与工艺选择2.1.1单体加入量单一单体性能不足，所以采用多种单体共聚的方式[11]。玻璃态丙烯酸丁酯是低温软质单体。含量高，易成膜，易碎。玻璃态苯乙烯是高温硬质单体，含量越高，成膜性能越差，但强度越高。所以同时采用两者，比例经过调整，能使乳液性能更理想。表2-1不同单体的性能2.1.2选取乳化剂与加入量乳液聚合中，机械与化学稳定性分别由阴非型乳化剂提供。试验后发现，阴型乳化剂月桂基硫酸钠和非型表面活性剂\t"/item/op%E2%80%9410/_blank"聚氧乙烯辛基苯酚醚-10会产生复合体系以提高稳定性[11]，此时难破乳。我们选择，0.6%的月桂基硫酸钠，0.3%的\t"/item/op%E2%80%9410/_blank"聚氧乙烯辛基苯酚醚-10。图2-1质量分数对黏度影响2.1.3引发剂加入量引发剂可以催化聚合[11]。过量易爆，反之，反应不全。必须使用适当的量来稳定聚合过程并完成反应。引发剂的量通常占单体量的0.2%至0.7%[12]，并且通常通过实验使用的是过二硫酸铵，量为0.4%。2.1.4反应温度的影响聚合反应温度的选择很重要[13]，若温度低于78℃，无法及时反应；超过87℃时又可能单体聚积，甚至形成聚集体。稳定的聚合过程和良好的乳化增稠温度为78℃至87℃。图2-2温度对黏度的影响2.1.5反应时间的影响乳化剂3%，引发剂0.4%[13]。图2-3显示了80℃时反应时间对粘度的影响。依图，我们选择3h最优。图2-3反应时间对粘度的影响2.1.6产物主要指标颜色：白色乳液质量百分数：(40±2)%酸碱度：7-8黏度：80-1500mPa·sMFT：15℃2.2搅拌罐搅拌作用可以使反应时候的反应温度更加的均匀，达到反应更充分的目的。主体由搅拌罐、搅拌装置以及轴封构成。储罐存放反应物质。在容器内部或外部提供加热或冷却装置，以满足化学反应的吸收和放热要求。例如，在容器的外部安装外套或在容器上安装蛇形管。要连接减速器和轴封，必须将底座焊接到顶盖上，以便供排，焊接检查孔，手动控制和各种管件，以方便内部零件和零件的维护；还有的零件可以更好的控制和监控反应过程中物料温度、压力、高度，更能增加搅拌强度，并提高质量和传热。另外，有必要在罐中安装诸如工艺接管之类的附件，但是随着附件数量的增加，设备的生产和维护变得成问题，并且设备的生产和维护成本也会增加。因此应全面综合考虑确定搅拌罐的结构，符合生产工艺需求的同时更加经济合理，做到设计最佳化。储罐的几何尺寸包括内径DT，高度H，体积V和壁厚δ。图2-4搅拌罐2.2.1罐体长度与直径比例·比值影响搅拌效率确定搅拌器叶片的直径和结构的混合罐的内径通常具有固定的比率范围。随着罐长径比的减小，叶片直径增大。转数固定后，功率正比于叶片直径的五次方。所以，搅拌器的功率随罐直径的增加而增加，使其更适合于需要较大混合功率的过程，而减小长宽比则会浪费一部分搅拌器输出，因此最好选择较大的长宽比。·比值对传热的影响夹套传热受长径比有明显影响。一旦确定了容器，罐体填充部分的表面积会随着长径比的增加而增加，因此外套的传热面积也会相应增加。并且长宽比增加可以增大传热效率。考虑到外套的热传递，通常采用较大的纵横比。·物料特性对比值的要求一些有特殊要求的罐，例如发酵罐，需要更高的液位，以便进入罐中的空气可以与发酵液接触更多的时间，并且通常具有更大的纵横比。根据经验，不同类型的混合槽的长径比大致可参见表2-2。表2-2几种搅拌罐的长径比2.2.2装料系数确定罐长径比后，根据操作期间混合罐的允许充满度选择合适的填充系数，然后进行初步计算，四舍五入为整数以及核算确认，直径和高度最终确定。反应液体积VR和实际反应器体积VT具有以下关系：VR＝VTη(m3)(2—1)为了提高设备的利用率，必须合理设计和选择包装系数η。η通常取0.6-0.85。反应不处于平衡状态时，η应取0.6-0.7。如果材料反应平衡，则为材料的η为0.8至0.85(当粘度高时可以使用更大的值)。2.2.3确定筒体直径和高度在确定圆筒的长径比和填充系数之后，由于圆筒直径的不确定性也无法确定罐的封头容积和总容积。查表后可得标准椭圆形封头的体积0.131D3、h封=D/4。h是反应器主体的直侧高，H则是总高度。(2—2)所以(2—3)化整后查表得公称直径。得釜直边高(2—4)2.3搅拌设备传热2.3.1传热方法多种方法可加热/冷却反应器。例如，将热交换器安装在容器外部，例如容器外部的夹套和容器内部的蛇形管。夹套通常用于传递热量。(1)夹套传热传热套通常由普通碳素钢制成，这是一种简单方便的容器，可以在反应器筒外部形成密闭空间(图2-5)。夹套具有用于水蒸气，冷却剂以及其他介质的进出口[13]。若使用水蒸气加热，则应从顶端进、底端出。图2-5夹套工艺要求决定了传热面积F，传热面积F决定了夹套的高度[13]。夹套的高度通常不低于原料液体的高度，并且应该比容器中液体的高度高50-100mm，以确保足够的热传递。依据填充系数η和物料体积V·η，可以通过以下公式计算高度H：(2—5)(2—6)(2)蛇形管传热若传热面积小于需求量，或外壳衬有橡胶，耐火砖和其他阻热材料，这时无法使用夹套，则应使用蛇形管。表2-3列出了用于传热的管长与管直径的比值。表2-3管长与管径比例值表(3)内传热挡板和夹套随着反应器体积的增加，传热问题变得更加明显，并且不能单独满足夹套的要求，这时需要加装挡板。能够增大传热面积还能控制流型、加强搅拌。2.3.2决定传热方法几种夹套的的作用范围如表2-4表2-4各类夹套的作用范围(1)整体夹套的结构类型第一种类型仅有一部分夹套，一般在不太需求传热面积时采用。第二种类型则为筒体的一部分与下风头上具有夹套。这是常用类型结构夹套。第三种类型是通过计算长度L来减小罐体中的外部压力，或者完成用于罐体轴向上的温度控制，加热和冷却的分流套，并在每个部分之间放置一个加强环。这种类型的结构适用于细长的罐体。第四种类型是全罩式夹套。(2)整体夹套的尺寸和连接型式整个夹套和储罐之间有可拆与不可拆两种。结构简单的不可拆式具有一定的气密性，多适用于碳强制混合设备。由于恶劣的工作条件，可拆卸夹套的连接结构需要经常清洁。夹套直径确定见表2-5。表2-5整体夹套直径的确定2.4搅拌器2.4.1搅拌器类别和数据(一)根据叶轮形状区分：1桨类型——有折桨、平桨两种。叶片宽度与叶片直径比例是0.1至0.25。折角是45°，60°，通常仅安装两个叶片，叶片的外周速度为1.0至5.0m/s，并且转速为1至100rpm，适用于粘度为2P或以下的液体，叶片直径与凹槽直径比例为0.35至0.80。2涡轮类型——可以分为开式和盘式。叶片的数量大部分为6个，例如直叶片，弯曲叶片，盘形扁平叶片，盘形弯曲叶片，并且叶片宽度与叶片直径的比率如下：0.15至0.3(通常为0.2)。叶片的圆周速度为4至10m/s，转速10至300rpm。叶径槽径比例是0.2-0.5。3推进式——有三片叶片，螺距和叶径比例1-2。外周速度大概3-15m/s，转速是100-500rpm。适用于粘度小于2P的液体，叶径与槽径比例是0.2-0.5。4锚框式——有两片叶片，外周速度大概l-5m／s，转速是1-100rpm。适用于粘度小于100P的液体搅拌，叶片直径与凹槽直径比例为0.90-98，混合范围大，或适用于液体较稠，易于粘附在罐壁上的地方。5螺旋类型——圆周速度小于2m/s，转速为0.5-50r/min，叶片直径与凹槽直径比例为0.9至0.98，适用液体粘度小于100P。(二)依据叶轮在罐中液体的循环路径1轴叶轮——直径小，转速高，循环量大。用于互溶液体、传热和固体浮液。一般是螺旋桨形叶轮，可以搅拌精度5P内的大体积罐。图2-6叶轮在罐中液体的循环路径2径叶轮——叶轮在离心力的作用下沿径向流动，其上部和下部与由叶轮产生的罐中液体的循环流路互补。对于混合高粘度液体效果更佳。2.4.2搅拌器型号选择槽中混合度由分散度和浓度即分离度表示。要想达成理想中的均匀性，需要拥有足够的总体流量。合理的选择和简单选择是一个好的选择应该具备的条件，但是通常很难同时达成。介质的粘度决定了方法。2.4.3搅拌槽体及附件(1)槽体型式及尺寸储罐的形状通常是垂直的，通常具有圆形凹槽和板状底部，应避免锥形底部和带角度的凹槽，避免固体颗粒堆积在死角位置，储罐中的液体深度H与储罐直径的比值为1:1。浅储罐可以是1:2或1:3，如果深储罐大于125:1，则要加装叶轮。下面是公式：所有轮间距在1-1.5叶径。(2)附件附件有挡板和导流管1档板——加强湍流与防打漩。挡.板.安.装.数.量.根.据“全.挡.板”的.条.件.确.定，“全挡.板”是增加挡板数量但无法优化效果的数量，估算公式如下：(2—7)取足够。挡板能抵消水平循环和增强悬浮效果，但是必须确保挡板和凹槽壁之间有一定的间隙，因为固体颗粒会通过在挡板背面形成停滞区域而积聚。宽度应为挡板的宽度01到015倍。2导流管——其主要目的是确定循环路径，以减少短路并增加储罐中液体的搅动程度。但是，它会增阻，同时浪费搅拌器的动力。2.4.4叶轮在标准搅拌槽的位置叶轮一般设置在凹槽中间。叶轮与凹槽底的距离设为c，叶轮的直径为d，一般取c=d。叶轮直径和凹槽直径比d/D的常用范围是：平桨式；滑轮式；螺桨式。搅拌槽的“标准”形状可以满足大多数需求的性能、技术操作。其几何尺寸如下：d／D=1／3，H1=d，H／D=1;w1／d=l／5，H1=4，L／d=1／4；w／D=l／10。2.4.5估算搅拌功率(1)干扰搅拌功率的要素搅拌器的功率与流动状况有关。如下。1搅拌器的几何参数：、、、、、等；2搅拌槽的几何参数：、、、、导流管大小等；3搅拌浆体物理性质：、、、等。(2)功率大概计算[15]这里采用准数关联法。一般关联式——暂不考虑几何形状影响的计算方式，其功率为以下函数式：(2-8)在.公.式.中α、β取.决.于.桨.的.类.型，可.以.在.表2-6中.找.到。表2-6推进和涡轮式搅拌桨的α、β值

第三章数据计算这里选择使用种子法聚合苯乙烯-丙烯酸酯乳液。使用的工艺流程是物料混合-预乳化约15小时-加引发剂-乳化，同时进料约3小时-调节pH值后过滤。在图2-1中，丙烯酸丁酯对于单体的最佳用量为：24.9%、苯乙烯为17.9%，在图2-1中，得乳化剂采用月桂基硫酸钠最佳用量为：0.6%，\t"/item/op%E2%80%9410/_blank"聚氧乙烯辛基苯酚醚-10是0.3%。根据图2-2温度选用80℃。根据图2-3反应时间选择3小时。本课题以年产3万吨的苯乙烯-丙烯酸酯乳液为生产目的进行物料衡算与热量衡算，并且确定设备数据。3.1物料衡算3.1.1预乳化液构成(W%)表3-1预乳化液组成3.1.2引发剂构成；3.1.3物料含量计算结果可能会因为原料的挥发而产生误差，所以转化率选平均值。设计生产300天/年，3班/天。由于每种材料的密度都大于水的密度，因此所需的反应器体积估计为1g/ml，平均转化率取90.00%。3.2热量衡算查物性手册知：摩尔生成焓估算公式:[]密度: 质量进料：取单体转化率80%，则转化量如下：BA:MMA:AN:St:AA:假设全部聚合为一个分子：聚合物质量：分子量：每批物料反应热：其.中.批

3.3反应釜设计图3-1反应釜基本尺寸；釜内：；；温度；(水，80℃)夹套：；3.3.1估算内径反应器总体积釜实际高取较大值为1.5则有，反应过程体积微微缩小，所以较小值为0.6D:釜体直径3.3.2封头设计标准椭圆形封头:；；封头使用制作处常压下，内部压力和外部压力相同釜直边高釜的实际高3.3.3确定筒体高度釜体圆形直筒部分内表面积[16]:圆形筒体部分的液位高度3.3.4传热面积物料与反应釜接触面积检验传热面积是否足够：(1)确定流型在时测量苯乙烯-丙烯酸酯乳液的；壁温下的导热率λ被认为是大约80℃时水的导热率平均密度，80℃下平均比热容[10](2)计.算hjPr=Cpμ/λ=在Re=5000到850000的范围内有一个挡板，传热相关方程为：(3)计算总的传热系数在这些冷却条件下，按常规方式计算釜壁和冷却液的对流传热系数，并取作：取污垢系数：(4)计算传热面积分析结果和解决办法：传热面积：需求＞实际，所以安装蛇形管。由表选，。3.4确定筒体厚度因温度、强度且需具备腐蚀性能等要求，故采用材料Q235-AF。当直筒处于0192MP的内部压力下(由于釜体中的液体压力和直筒外壁上的夹套中的热介质压力而选择较大的值)时，计算出的直筒厚度：(3—1)P：进行安装阀门时，壁厚附加量当筒体遭遇的外压时筒体计算壁厚设计厚度考虑工作压力，采用直筒的壁厚检查：不变；适用筒体外径3.5设计夹套同时选择夹套和蛇形管进行换热工作。夹套的内压。使用和釜体一致的材料。3.5.1夹套直径3.5.2夹套高度，取3.5.3夹套筒体壁厚取3.5.4夹套封头壁厚取3.6水压试验3.6.1釜体试水压强度足够3.6.2夹套试水压时釜体稳定性釜体；查附录A/B可知B=82即，在测试夹套的水压时，釜的主体是安全的3.6.3夹套水压试验试验通过。3.7搅拌器设计3.7.1搅拌器类型选择选用平叶开启涡轮与推进式。因为一次要处理的材料更多并且液位较高，所以使用双层混合。平叶开启涡轮：；选；，取，转速越小，搅拌越强，综合考虑选择。液面距釜底；下搅拌器距釜底；两个搅拌器必须相距，所以距离可以达到1600mm。3.7.2搅拌功率计算搅拌器混合功率雷诺数所需功率总功率计算釜中影响要素如下表3-2。表3-2影响要素校正功率：电机功率；

计算总结设备参数技术过程如下：半连续运行，中间运行期间的搅拌器速度为。随附的是聚合器的CAD图和苯乙烯-丙烯酸酯乳液聚合工艺流程图(请参见附录C和D)。

参考文献张禹,朱超,冯波,张婉容,万凯,艾照