年产1万吨溶剂型丙烯酸酯压敏胶生产装置设计

[12]。物料衡算方程可通过对一个反应器微元段应用应用质量守恒定律得出，即单位时间内物对整个反应器积分后得到总的物料衡算。基础数据1.产品名称：溶剂型丙烯酸酯压敏胶2.年工作日：300天3.生产能力：1万吨4.相关技术指标见表4-1表4-1技术指标项目内容技术指标聚合物损失率2%聚合物质量单体溶液浓度45%（质量）引发剂用量0.3%单体质量交联剂用量0.5%单体质量溶剂用量55%（质量）注：聚合物损失率后处理工艺中的损失率。5.质量标准：原料均看作纯物质。6.化学变化参数：聚合反应转化率视为100%。选择计算基准和计量单位间歇生产，每天生产33333.33kg，分三批次生产，每批次11111.11kg。以批为计算基准，单位为kg。计算投料质量生产过程中，聚合物损失率为2%。1.每批次应生产的聚合物数量为：10000×10002.引发剂AIBN（0.3%单体质量，相对分子质量为164.21）分解生成N2（相对分子质量为28.01）和自由基，自由基全部结合到聚合物中，每批次生成的N2的质量：设每批次生成的N2的质量为x。其占单体质量的百分比为：28.01根据N2与单体质量间的关系列等式：11337.87+解得：x3.单体100%转化成聚合物，则每批次单体（45%总质量）总投料量为：（4.引发剂AIBN每批次投料量为：5103.21×0.3%=15.315.交联剂MDI（0.5%单体质量）每批次投料量为：5103.21×0.5%=25.526.根据单体配比BA∶2-EHA∶MMA∶2-HPA=5∶3∶1∶1，分别计算这四种单体每批次的投料量：四种单体每批次总投料量：5103.21-15.31-25.52=5062.38kg丙烯酸丁酯每批次投料量：5062.38×50%=2531.19丙烯酸异辛酯每批次投料量：5062.38×30%=1518.71甲基丙烯酸甲酯每批次投料量：5062.38×10%=506.24丙烯酸羟丙酯每批次投料量：5062.38×10%=506.247.溶剂乙酸乙酯每批次投料量：（物料衡算结果见表4-2表4-2生产溶剂型丙烯酸酯压敏胶物料衡算表输入输出组分质量（kg/批）组分质量（kg/批）丙烯酸丁酯2531.19氮气2.60丙烯酸异辛酯1518.71聚合物损耗226.76甲基丙烯酸甲酯506.24溶剂型丙烯酸酯压敏胶11111.11丙烯酸羟丙酯506.24偶氮二异丁腈15.31二苯甲烷-4,4＇-二异氰酸酯25.52乙酸乙酯6237.26合计11340.47合计11340.47热量衡算热量衡算原理能量守恒定律在涉及热现象宏观过程的具体表述即为热力学第一定律：∆U=式中∆U为系统热力学能的变化，系统与环境的热交换为Q（传入热量为正、传出热量为负），与环境的功交换为W，kJ；反应釜热量衡算式本设计中的热量衡算主要体现在聚合反应釜。对于有传热要求的的设备，其热量平衡方程为：Q1式中,Q1—物料带入到设备的热量，kJQ2—加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJQ3—过程热效应（放热为正，吸热为负），kJQ4—物料离开设备所带走的热量，kJQ5—加热或冷却设备所消耗的热量，kJQ6—设备向环境散失的热量，kJ物料热量衡算以批为单位。反应釜热量衡算1.生产压敏胶所用原料的比热推算：对于液体的热容，根据《化工工艺计算》P130中的公式C式中，k，a—常数，如表4-3所示；M—化合物分子量。表4-3有机热容计算式中的常数有机物ka醇3.56-0.1000酸3.81-0.1520酮2.46-0.0135酯2.51-0.0573脂肪烃3.68-0.1130丙烯酸丁酯C丙烯酸异辛酯C甲基丙烯酸甲酯C丙烯酸羟丙酯C乙酸乙酯C对于固体的热容，根据公式C式中，M—化合物分子量；ni—分子中同种元素原子数；Ci—元素的原子比热容，kJ/(kg·℃查阅《制药工程工艺设计》P111，得到各原子的摩尔热容数据，见表4-4表4-4元素原子的摩尔热容原子Ca（kcal/(kmol·℃）C1.8H2.3O4.0N2.6AIBNCMDIC由前面物料衡算的结果可知，m1=2531.19kg，m2=1518.71kg，m3=506.24kg，m4=506.24kg，m5=6237.26kg，m6=15.31kg，m7=25.52kg。2.升温阶段在此阶段中，单体及溶液进料温度为25℃，升温至80℃，由于还未加入引发剂，故假设单体不发生聚合反应。Q=25+同理，Q=80+由于乙酸乙酯沸点为77.2℃，在升温至80℃过程中会汽化，查《化工原理》（上）附录三可知，乙酸乙酯汽化热为368kJ/kg，（乙酸乙酯汽化吸热，在后续计算中注意添上负号）故Q根据工艺操作经验，（Q5+Q6）一般为（QQ由Q1+=1.7350×=3.6187计算所得Q2为正值，即该阶段应使用加热剂使物料在30分钟内升温至80℃，所选加热剂为0.6MPa饱和水蒸气，其对应温度为160℃，查阅《化工原理》（上）附录八可知，其汽化潜热为2082.3kJ/kg，则水蒸气用量m3.聚合阶段聚合阶段温度维持在80℃，同时向反应釜中投入引发剂AIBN（进料温度为25℃），引发物料进行聚合反应。Q=2531.19×1.9006×80+1518.17×1.8615×80+506.24×1.9277×80+506.24×1.8990×80+6237.26×1.9419×80+同理，Q=2531.19×1.9006×80+1518.17×1.8615×80+506.24×1.9277×80+506.24×1.8990×80+6237.26×1.9419×80+聚合反应的聚合热可按聚合过程中碳碳双键的断裂和碳碳单键的形成计算，此外，引发剂分解时有C-N键的断裂和C-C键、N≡N键的形成（化学键断裂吸热，化学键形成放热），其键能查阅《有机化学》（第2版）P4可知，见表4-5表4-5共价键键能序号共价键键能kJ/mol1C-C345.62C=C610.03C-N304.64C=N748.95C-O357.76O-H462.87N≡N946.08N-H390.8Q=×=3090.8322Q由Q1+=1.7366×计算所得Q2为正值，即该阶段应使用加热剂使聚合反应温度维持在80℃左右，所选加热剂为与升温阶段相同，均为0.6MPm4.冷却阶段聚合反应后，需将物料冷却至50℃，再将交联剂MDI加入，等待其完全溶解即可出料。Q=2531.19×1.9006×80+1518.71×1.8615×80+506.24×1.9277×80+506.24×1.8990×80+6237.26×1.9419×80+1.0573×25Q=2531.19×1.9006×50+1518.71×1.8615×50+506.24×1.9277×50+506.24×1.8990×50+6237.26×1.9419×50+1.0573×50=1.0867×在冷却过程中，乙酸乙酯冷凝放热，加入的交联剂MDI溶解时放热（熔融热为101.6kJ/kg），交联过程在此只考虑C=N键、O-H键的断裂和C-O键、N-H键的形成（由于交联过程中反应比较复杂，且热量变化在这一阶段占比极小）。Q=6237.26×368+25.52×101.6+2×Q由Q1+=1.0867×计算所得Q2为负值，即该阶段应使用冷却剂使反应釜温度在90分钟内冷却至50mTc—冷却水进口温度为20Th—冷却水出口温度为30Cp—水的比热容（20℃与30℃之间的平均比热容），查阅《化工原理》（上）附录五可知，Cp则m表6-3生产溶剂型丙烯酸酯压敏胶的各阶段热量衡算表阶段名称输入kJ输出kJ升温Q15.4218×Q41.7350×Q23.6187Q5+Q61.3059×Q32.2953×水蒸气用量1737.8400聚合Q11.7355×Q41.7366×Q21.2872Q5+Q61.3071×Q33090.8322水蒸气用量61.8163冷却Q11.7373Q41.0867×Q2-2.8666Q5+Q68.1794×Q32.2978×冷却水用量6.8677×设备设计及选型主要设备设计选型反应釜体积计算根据物料衡算的结果可知，各物料每批次所需加入的质量，结合其密度，即可计算出每批次物料的总体积V==+初步设计两套反应釜，由于反应过程中乙酸乙酯会沸腾起泡，故装料系数取0.65，则每套反应釜总体积为V=125100.652反应釜静压力和温度计算反应釜温度可用公式PT混合液平均密度ρn1.044+6237.26×0.902+15.31×=0.908已知P则工作压力P又设计压力为工作压力的110%，则设计压力为Pc已知聚合温度为80℃，则取设计温度100℃，计算所得设计压力为0.1248MPa，又原料和产物对钢材的腐蚀不大，因此反应釜的材质选用不锈钢。反应釜换热核算升温阶段向反应釜的夹套中通入0.6MPa饱和水蒸气加热，其温度为160℃，查阅《化工原理》（上）附录八可知，密度为3.256kg/m3。该阶段需将物料在30分钟内从25℃加热至80℃，饱和水蒸气在管道的流速一般为20～40m/s，本设计选取40m/s，反应釜水蒸气进孔直径为0.07m。每套反应釜应通入的饱和水蒸气量为868.9200kg。V=d单位时间每套反应釜传热量为Q=传热系数取1450W/(m·℃)，故换热面积A=又反应釜夹套面积A=即升温阶段反应釜符合要求。由于聚合阶段需要的饱和水蒸气量比升温阶段少，且反应时间较长，为6h，故聚合阶段反应釜符合要求。冷却阶段向反应釜的夹套中通入水冷却，冷却水进口温度为20℃，出口温度为30℃，查阅《化工原理》（上）附录五可知，水在20℃密度为997.0kg/m3。该阶段需将物料在90分钟内从80℃冷却至50℃，水在管道的流速一般为1～2m/s，本设计选取2m/s，反应釜冷却水进孔直径为0.07m。每套反应釜应通入的冷却水量为3.4334×104V=d单位时间每套反应釜传热量为Q=故换热面积A=即冷却阶段反应釜符合要求。综上，反应釜换热符合要求。设备一览表表5-1设备一览表名称规格材质数量/套反应釜R101、R10210m3不锈钢2离心泵P101-P106不锈钢6储罐V101-V10410m3不锈钢4卧式储罐V105、V10650m3不锈钢2冷凝器E101、E102不锈钢2车间布置车间布置原则车间布置应尽可能按照工艺流程顺序对设备进行布置，同时根据厂房大小及设备尺寸对生产设备进行排列，排列时要考虑设备尺寸、运输通道、检修空间以及安全距离等，同时还要满足安全、卫生和环保要求，具体规范参照国家标准。车间布置依据表6-1设计依据名称标准号《化工装置管道布置设计规定》HG/T20549-1998《化工装置管道材料设计规定》HG/T20646-1999《管道仪表流程图设计规定》HG20559-1993《石油化工给水排水管道设计规定》SH3034-1999《石油化工企业设计防火规定》GB50160-2008《工业企业设计卫生标准》GBZ1-2010《石油化工设备和管道隔热技术规范》SH3010-2000《化学工业给水排水管道设计规范》GB50873-2013《建筑设计防火规范》GB50016-2014《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-1992《化工企业安全卫生设计规定》HG20571-1995《工业企业厂房噪声标准》GB12348-2008车间布置详情本设计聚合阶段选用10m3反应釜双釜并联操作，每个反应釜总高约5.7m，故设计两层楼，第一层层高6m，第二层层高5m，每层规格24m×6m。一层主要放置的设备有乙酸乙酯储罐、产品储罐、离心泵等，并设有控制配电室、储藏室和包装室。二层主要放置的设备有反应釜、各原料储罐、离心泵和冷凝器等。其中原料储罐用支架将其位置抬高，反应釜安装在二楼楼板孔洞中，利用支座固定，上下两个部分分别处在两个楼层的空间中。生产工段主要分为升温、聚合和冷却。首先利用高位压力将储罐中的原料投入聚合反应釜，再通过离心泵将溶剂加入反应釜。通入水蒸气升温，升温至70℃时通入氮气，在30分钟内升温至80℃，人工从固体投料孔分三次加入引发剂，同时控制水蒸气量保持反应温度在80℃，聚合反应过程中乙酸乙酯蒸气进入冷凝器，冷凝后又回流至反应釜，乙酸乙酯的冷凝回流可以让反应更加平稳。反应6h后，通入冷却水，在80分钟内冷却至50℃左右，人工加入交联剂，待交联剂完全溶解，即可出料，利用高位压力将产品输送至产品储罐，后进入包装车间进行包装。车间具体布置见附录：年产1万吨溶剂型丙烯酸酯压敏胶车间布置图车间安全规程1.进入车间进行生产工作时，务必注意着装，按规定穿戴好防护装备方可开工。2.电气控制中的紧急开关，除发现重大的设备隐患及危害人身安全时不得随意使用。遵守谁操作、谁恢复的原则。3.设备维护时，确保设备是处于断电停机状态，并且需用相应标识告知该设备正处于维护状态。4.车间下班后要有专人负责安全检查，断电、关窗、锁门，确保安全后方可离开。5.设备故障时，不得擅自拆开防护装置排查故障，需联系专业维修人员进行排查和维修。6.车间内突然停电时，所有人员应立即停止正在进行的工作，疏散至安全场所。7.车间杜绝一切明火。8.进入工厂的新员工必须接受三级安全培训。参考文献VendammeR,SchüwerN,EeversW.Recentsyntheticapproachesandemergingbio-inspiredstrategiesforthedevelopmentofsustainablepressure-sensitiveadhesivesderivedfromrenewablebuildingblocks[J].JApplPolymSci,2014,131(17):40669.晏虹宇,张正源,王跃川.炔基改性光固化丙烯酸酯压敏胶[J].[1]四川大学高分子科学与工程学院,2022,40(05):1004-1009.朱梦璐,房宏伟,李建武,李程,解一军,瞿雄伟.压敏胶黏剂研究进展[J