日产19吨高烃值丙烯酸乳液工艺制备设计

化 工 设 计 课题：日产19吨高烃值丙烯酸乳液工艺制备设计学院： 化学化工学院班级： 化工122学号：1205200018姓名：朱志豪指导老师： 王正平教授 2015-7-1目录第一章绪论21.1高烃值丙烯酸乳液的现状21.1.1用途及性质21.1.2丙烯酸乳液的基本性能21.1.3主要生产厂家21.2生产方法3第二章工艺过程分析32.1反应机理32.2工艺流程示意图42.3设计基准与参数42.4工艺过程叙述52.5原材料消耗主要原料、辅助原料52.5.1原料、辅助原料规格：52.5.2预计原料及辅助原料的消耗定额：52.6公用工程规格及消耗定额（水电气）62.6.1公用工程规格：62.6.2预计公用工程消耗定额：6第三章物料衡算63.1全过程的物料衡算63.1.1小时生产能力63.1.2物料衡算依据73.1.3物料衡算过程73.1.3.1乳化反应器进口原料中各组分的流量73.1.3.2乳化反应器出口单体乳液的流量83.1.3.3升温时聚合反应器进口原料中各组分的流量83.1.3.5中和时反应器进口原料中各组分的流量83.1.3.6反应器出口产品中各组分的流量83.3.2换热面积的计算103.4.1聚合反应釜的工艺计算103.4.1.1聚合反应釜体积、数量103.4.1.2罐体几何尺寸计算113.4.2乳化反应釜的工艺计算123.4.2.1乳化反应釜体积、数量123.4.2.2罐体几何尺寸计算13第四章主要设备134.1设备选择的原则134.1.1设计与选用方法134.1.2设备工艺设计与选型原则144.2设备一览表15第五章附图带控制点工艺流程图165.1设备图及工艺流程图16第六章感想与感受17第一章绪论1.1高烃值丙烯酸乳液的现状1.1.1用途及性质丙烯酸乳液具有成本低、耐候性好、光泽高、环保的特点，是涂料中发展最快、品种最多的环保型涂料。研究丙烯酸涂料的烃基值、玻璃化转变温度、固化速度等对基材的润湿、漆膜的强度、涂料的施工工艺、涂层的光泽饱和度等的影响，有利于扩大其应用领域，替代环境污染产品。水性烃基丙烯酸涂料发展前景广阔。丙烯酸乳液作为水性涂料的基料早已用于建筑涂料,也大量用于气干涂料和烘烤涂料领域中,但是它在高质量工业涂料方面的应用存在许多困难。乳液合成工艺的进展,使乳胶涂料获得令人满意的性能,扩大了其在工业涂装领域中的应用。1.1.2丙烯酸乳液的基本性能1、化学稳定性 化学稳定性是指乳液对添加的化学药品主要是电解质的稳定性,检测方法通常用5%CaCl2进行检测。2、机械稳定性 机械稳定性是指乳液在经受机械操作时间的稳定性。3、冻融稳定性 因乳液组成中一半是水,受冻后使介质变成冰,产生强大的冰压,使得护层5双电层破坏面造成破乳,冻融稳定性即是指乳液经过冻融和融化交替变化时的稳定性。4、稀释稳定性 稀释稳定性是指乳液加水稀释后的稳定性。5、量低成膜温度(MFFT) MFFT是指乳液薄膜在温度条件合适时,随水份蒸发聚合物乳液粒子充分融结成连续透明薄膜时的温度即为MFFT。 MFFT过高会造成龟裂现象,可加入成膜助剂Texanol等进行调节。6、玻璃化温度(Tg) 玻璃化温度(Tg)是指高聚物由弹性状态转变为玻璃态的温度.Tg高 膜硬度好耐沾污性好,相对来讲MFFT也高,如使用不当,容易产生龟裂等现象.Tg低 膜较软,发粘耐沾污性差。 1.1.3主要生产厂家国外： 国民淀粉、巴斯夫、罗门哈斯、长三角： 江苏日出、上海保丽佳、江阴国联珠三角: 巴德夫、广东天银、台湾长兴山东地区：日照广大、垦利金友来、青州宝达、青州贝特、宁津五湖北京周边：北京亚克力、北京互益、北京东联、北京宝威、东方永宇、北京科信、科之信河北： 河北新光1.2生产方法本文采用种子乳液聚合法，以甲基丙烯酸甲脂、丙烯酸丁脂、甲基丙烯酸、苯乙烯、甲基丙烯酸烃乙脂作为共聚单体，制备用于高烃基丙烯酸乳液。本工艺以水为溶剂不仅降低成本，而且克服了有机溶剂的有毒性、易挥发性、刺激性气味大等缺点。 生产原料：原料名称丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲脂苯乙烯丙烯酸烃乙脂VV-10丙烯酸原料分数/g112751761 第二章工艺过程分析2.1反应机理过硫酸铵引发的丙烯酸类单体的聚合是自由基引发机理，可由下列3步基元反应组成，包括链引发、链增长、链终止等步骤，具体如下：（1）链引发（2）链增长（3）链终止单体聚合原理：水预引发剩余乳化反应SR-10表面活性剂剂纯水、碳酸氢钠、过硫酸铵水全部单体苯聚合反应引发剂+水保温引发剂中和反应氨水产品2.2工艺流程示意图2.3设计基准与参数已知所给的单体以及其他物质的质量总和=198.014g200.000g，则放大倍数为日产量/质量总和=19×1000000/200.000=95000原料名称丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲酯苯乙烯丙烯酸羟乙酯VV-10原料投入量/kg/d104525654751615570原料名称丙烯酸碳酸氢钠氨水过硫酸铵纯水原料投入量/kg/d9551.39512.7312160乳化剂SR-10加入量为单体总质量的2%，则SR-10投入量为（1045+2565+475+1615+570+95）×0.02=127.3 kg/d，则每批投入量=127.3/2=63.65kg/批2.4工艺过程叙述1、在反应釜中先加入纯水、碳酸氢钠和过硫酸铵，启动搅拌并升温；2、将全部单体（即丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酸羟乙酯、VV-10和丙烯酸）、纯水和SR-10表面活性剂（2%）加入乳化釜充分混合乳化1h，乳化后的物质通入乳液贮罐备用；3、向反应釜中加入定量的乳化液，进行预引发反应10min；4、将过硫酸铵和纯水加入计量高位槽中充分混合，待反应釜的温度升到90后在4h内与剩余乳化液一起滴加完成；5、将过硫酸铵和纯水在反应釜的温度升到90时，半小时滴加完后，在90保温2h；6、反应结束后降温至60以下，加入氨水，搅拌均匀，得到产品，桶装包装。2.5原材料消耗主要原料、辅助原料2.5.1原料、辅助原料规格：表1原材料生产厂家规格丙烯酸丁酯广州市俱辉化工有限公司工业用甲基丙烯酸甲酯鑫瑞化工有限公司工业用苯乙烯无锡丰信化工工业用丙烯酸羟乙酯鑫瑞化工有限公司工业用VV-10佛山市南海今佳贸易有限公司工业用丙烯酸广州托力特化工工业用SR-10表面活性剂深圳市金兄弟化工科技有限公司 工业用过硫酸铵鑫瑞化工有限公司工业用NaHCO3湖北兴银河化工有限公司工业用35%氨水东莞市鸿进化工有限公司工业用纯水深圳市汇通源环保科技有限公司2.5.2预计原料及辅助原料的消耗定额：表2名称单耗kg/(每吨产品)日耗(kg/d)丙烯酸丁酯551045甲基丙烯酸甲酯1352565苯乙烯25475丙烯酸羟乙酯851615VV-1030570丙烯酸595SR-10表面活性剂6.7127.3过硫酸铵0.6712.73NaHCO32.751.335%氨水595纯水640121602.6公用工程规格及消耗定额（水电气）2.6.1公用工程规格：表3冷却用水硬度10ppm，水压0.2Mpa，水温 上水30，回水40电380V 220V蒸汽0.20.6MPa2.6.2预计公用工程消耗定额：表4名称单耗日耗水13121.39kg39364.16kg电445.784kw·h1337.352kw·h第三章物料衡算3.1全过程的物料衡算3.1.1小时生产能力已知丙烯酸乳液日产量为19吨，按每天进行2批生产，每批产量为9.5吨，生产周期为12h（包含辅助时间），产品乳液损失率3.0%计算，则每小时丙烯酸乳液产量为：9.5×1000×1.0312=815.42kg/h3.1.2物料衡算依据1、每小时丙烯酸乳液产量=815.42kg/h2、进反应器原料的质量分数原料名称丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲酯苯乙烯丙烯酸羟乙酯VV-10质量分数5.56%13.64%2.53%8.29%3.03%相对分子质量g/mol128.17100.12104.15116.12198.30原料名称丙烯酸碳酸氢钠氨水过硫酸铵纯水质量分数0.51%0.068%0.51%0.27%64.64%相对分子质量g/mol72.0684.01228.2018.013、乳化剂SR-10加入量为单体的2%3.1.3物料衡算过程已知所给的单体以及其他物质的质量总和=198.014g200.000g，则放大倍数为每批产量/质量总和=9.5×1000000/200.000=47500乳化剂SR-10加入量为单体总质量的2%，则SR-10投入量为（43.54+106.87+19.79+67.29+23.75+3.96）×0.02= 5.3kg/h3.1.3.1乳化反应器进口原料中各组分的流量丙烯酸丁酯：815.42×0.0556=45.34kg/h=353.75mol/h甲基丙烯酸甲酯：815.42×0.1364=111.22kg/h=1110.87mol/h苯乙烯：815.42×0.0253=20.63kg/h=198.08mol/h丙烯酸羟乙酯：815.42×0.0829=67.60kg/h=582.16mol/hVV-10：815.42×0.0303=24.7kg/h=124.56mol/h丙烯酸：815.42×0.0051=4.16kg/h=57.73mol/h纯水：815.42×0.2374=193.58kg/h=10754.44mol/h乳化剂SR-10：（43.54+106.87+19.79+67.29+23.75+3.96）×0.02= 5.3kg/h3.1.3.2乳化反应器出口单体乳液的流量单体乳液：45.34+111.22+20.63+67.6+24.7+4.16+527.08+5.3=801.87kg/h3.1.3.3升温时聚合反应器进口原料中各组分的流量纯水：815.42×0.187=152.48kg/h碳酸氢钠：815.42×0.00068=0.554kg/h过硫酸铵：815.42×0.000505=0.412kg/h3.1.3.4反应时聚合反应器进口原料中各组分的流量乳化液：815.42×0.5825=474.98kg/h过硫酸铵：815.42×0.00172=1.4kg/h纯水：815.42×0.202=164.71kg/h3.1.3.5中和时反应器进口原料中各组分的流量氨水：815.42×0.0051=4.16kg/h3.1.3.6反应器出口产品中各组分的流量丙烯酸乳液：815.42kg/h物料平衡表组分乳化反应进口乳化反应出口mol/hkg/h%mol/hkg/h%(wt)(wt)丙烯酸丁酯353.7545.349.6000甲基丙烯酸甲酯1110.87111.2223.54000苯乙烯198.0820.634.36000丙烯酸羟乙酯582.1667.614.3000VV-10124.5624.75.23000丙烯酸57.734.160.88000SR-105.31.12000纯水10754.44193.5840.97000单体乳液000472.53100合计472.53100472.53100组分聚合反应进口聚合反应出口mol/hkg/h%mol/hkg/h%(wt)(wt)单体乳液472.5361.16000NaHCO37.300.5540.06000过硫酸铵8.791.8120.22000氨水4.60 0.50000纯水19476.67317.1938.06000丙烯酸乳液000796.69100合计796.69100796.69100热量衡算条件设夹套式换热器里的流体为水，进口处水温为20，出口处温度为40。釜内流体进口温度为25，出口温度为90。3.3.2换热面积的计算本设计的反应为双键聚合反应，双键官能团的摩尔数与反应各单体的摩尔数总和相等，则每小时反应消耗的双键摩尔数为：353.75+1110.87+198.08+582.16+124.56+57.73=2427mol/h 双键的聚合反应热为60kJ/mol，热损失去H的5%，则放出热量为：Q=2427×60×1-0.05=138339kJ/h温度的对数平均值：T=T1-T2lnT1T2=70-15ln（7015）=35.7=308.7K取总传热系数为K=200W/（m²·K）=720kJ/（m²·K·h）则换热面积S=QT×K=138339308.7×720=0.622m²主要设备的工艺计算3.4.1聚合反应釜的工艺计算3.4.1.1聚合反应釜体积、数量本设计采用间歇生产，故用间歇釜进行反应。间歇釜反应体积公式为：Vr=Q0（t+t0）式中：t反应时间，s、min或h；t0辅助生产时间，是卸料、装料、清洗、升温、降温等时间之和，s、min或h；Q0按照生产能力计算好出来的单位时间需要处理的原料液体体积，m³/s、m³/min或m³/h等。已知生产周期为12h，即t+t0=12h；又每小时丙烯酸乳液产量=815.42kg/h，取物料比重为1000kg/m³计算，则Q0=815.421000=0.815m³/h，故Vr=Q0t+t0=0.815×12=9.78m³对于不起泡和不处于沸腾状态的液体，装料系数可取0.70.85。本设计的反应状态无泡沫盒和无沸腾情况，粘度也不大，故可取装料系数=0.7。则反应釜实际体积为9.78/0.7=13.97m³，圆整为14m³。查不锈反应釜系列尺寸表，选取公称容量为5m³的不锈钢反应釜，则反应釜个数为14/5=3(个)。3.4.1.2罐体几何尺寸计算已知反应釜的体积V=5m³，在一般搅拌釜中物料类型为液-固相物料时的长径比i的取值范围在11.3之间，本次设计取i=1则筒体内径D134Vi=34×5×1=1.854m=1854mm圆整罐体筒体内径D1=1900mm3.4.1.2.1封头的确定封头选用椭圆封头，型号是JB/T 4746-2002公称直径总深度H/mm内表面积容积V/ 直边高度19005004.06240.9687253.4.1.2.2确定筒体高度反应釜容积V按照封头和筒体两部分容积之和计算，筒体高度按下式计算，并进行圆整：H1=（V-V封）/V1m式中： 封头容积 高筒体容积 则H1=（V-V封）/V1m=（5-0.9687）/2.835=1.422m，圆整筒体高度H1=1500mm按照圆整后筒体高度修正实际容积V=V1mH1+V封=5.2212m³3.4.1.2.3夹套几何尺寸计算3.4.1.2.3.1夹套传热面积取装料系数=0.7，夹套高度H2按式H2=V-V封/V1m计算H2=V-V封/V1m=（0.7×5-0.9687）/2.835=0.89m，圆整夹套筒体高度H2=900mm夹套所包围罐体的表面积一定要大于工艺要求的传热面积F，即F封+F筒F其中，经查表知，封头表面积F封=4.0624m²，一米高筒体内表面积F1m=5.97m²，则F筒=H2F1m=5.373m²实际传热面积F=F封+F筒=4.0624+5.373=9.4354m²>0.622m²，故无需考虑在反应釜内设置其他类型的传热装置。3.4.1.2.3.2夹套几何尺寸计算查表得：Di=D1+200=1900+200=2100mm夹套封头也采用椭圆形，并与夹套筒体去相同直径。3.4.2乳化反应釜的工艺计算3.4.2.1乳化反应釜体积、数量本设计采用间歇生产，故用间歇釜进行反应。间歇釜反应体积公式为：Vr=Q0（t+t0）已知乳化时间为1h，即t+t0=1h；又每小时单体乳液产量=472.53kg/h，取物料比重为1000kg/m³计算，则Q0=472.531000=0.472m³/h，故Vr=Q0t+t0=0.472×1=0.472m³对于不起泡和不处于沸腾状态的液体，装料系数可取0.70.85。本设计的反应状态无泡沫盒和无沸腾情况，粘度也不大，故可取装料系数=0.7。则反应釜实际体积为0.472/0.7=0.67m³，圆整为0.70m³。查不锈反应釜系列尺寸表，选取公称容量为0.80m³的不锈钢反应釜，则乳化反应釜个数为0.70/0.80=1(个)。3.4.2.2罐体几何尺寸计算已知反应釜的体积V=0.8m³，在一般搅拌釜中物料类型为液-固相物料时的长径比i的取值范围在11.3之间，本次设计取i=1则筒体内径D134Vi=34×0.8×1=1.006m=1006mm圆整罐体筒体内径D1=1100mm3.4.2.2.1封头的确定封头选用椭圆封头，型号是JB/T 4746-2002公称直径总深度H/mm内表面积容积V/ 直边高度11003001.39800.1980253.4.2.2.2确定筒体高度反应釜容积V按照封头和筒体两部分容积之和计算，筒体高度按下式计算，并进行圆整：H1=（V-V封）/V1m式中： 封头容积 高筒体容积 则H1=（V-V封）/V1m=（0.8-0.1980）/0.950=0.634m，圆整筒体高度H1=700mm按照圆整后筒体高度修正实际容积V=V1mH1+V封=0.863m³第四章主要设备4.1设备选择的原则4.1.1设计与选用方法(1)汇总设计数据、分析设计任务根据工艺衡算和工艺物料的要求、特性，获得物料流量、温度、压力和化学性质、物性参数，取得有关设备的负荷、流程中的地位与流程中其他设备的关系等数据。 (2)设计换热流程在换热设计时，应将换热的工艺流程仔细探讨，以利于充分利用热量，充分利用热源。 (3)选择换热器的材质根据介质的腐蚀性能和其他有关性能，按照操作压力，温度，材料规格和制造价格，综合选择。 (4)选择换热器类型根据热负荷和选用的换热器材料，选定某一种类型。 (5)确定换热器中冷热流体的流向据热载体的性质，换热任务和换热器的结构，决定采用并流，逆流或错流折流等。 (6)确定和计算平均温差tm确定终端温差，根据化学工程有关公式，算出平均温差。 (7)计算热负荷Q。 (8)估计污垢热阻系数并初算出传热系数K。 (9)算出总传热面积A。 (10)调整温度差，再算一次传热面积。 (11)选用系列换热器。 (12）验算换热器的压力降。 (13）画出换热器设备草图。由设备机械设计人员完成换热器的详细部件设计。 化工设备工艺设计，对于定型和标准设备来说就是选型，对于非标准设备来说就是通过化工计算，提出型式、材料、尺寸和其它一些要求，由化工设备专业进行工程机械加工设计，由有关机械加工厂制造。 4.1.2设备工艺设计与选型原则 1.合理性 2.可靠性、先进性 3.安全性 4.经济性全面贯彻先进、适用、高效、安全、可靠、经济俭省的原则，审慎地研究，认真地设计。 在反应器设计时，除了通常说的要求“合理、先进、安全、经济”的原则，还要，考虑下列设计要点： 1保证物料转化率和反应时间。 2满足物料和反应的热传递要求。 3设计适当的搅拌器和类似作用的机构。 4注意材质选用和机械加工要求。选材一般原则： 1满足工艺及设备要求； 2材质可靠，使用安全； 3易于加工； 4立足市场，立足国内，立足当地资源； 5综合经济指标核算。选泵的原则：1、基本泵型和泵的材料； 2、扬程和流量要求； 3、有效汽蚀余量和安装高度； 4、泵的台数和备用率。 换热器设计的一般原则：1、满足工艺操作条件2、能长期运转3、安全可靠4、不泄漏5、维修清洗方便6、满足工艺要求的传热面积7、尽量有较高的传热效率8、流体阻力尽量小9、满足工艺布置的安装尺寸等要求选用塔的基本原则 1. 要满足工艺要求，分离效率高。 2生产能力要大，有足够的操作弹性。 3运转可靠性高，操作、维修方便，少出 故障。 4结构简单，易于制造加工，造价较低。 5塔压降小。 4.2设备一览表12化工2工程名称化工设计设备一览表编制编号1205200018设计项目高羟值丙烯酸乳液校核第 1 页共 1 页审核序号设备名称及规格图号或标准号单位数量材料重量（kg）备注单总1聚合反应釜台3不锈钢2乳化反应釜台1不锈钢3单体乳液中间贮罐台1不锈钢4丙烯酸丁酯贮罐台1不锈钢5甲基丙烯酸甲酯贮罐台1不锈钢6苯乙烯贮罐台1不锈钢7丙烯酸羟乙酯贮罐台1不锈钢8VV-10贮罐台1不锈钢9丙烯酸贮罐台1不锈钢10NaHCO3计量罐台1不锈钢1135%氨水计量罐台1不锈钢12产品贮罐台1不锈钢13离心泵台9不锈钢修改标注姓名日期第五章附图带控制点工艺流程图5.1设备图及工艺流程图乳化反应釜工艺条件图见附图一：聚合反应釜工艺条件图见附图二：带控制点的工艺流程图见附图三（A1纸）：第六章感想与感受  课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、反应釜结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。  在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。   我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。   在实际计算过程中，我还发现由于没有及时将所得结果总结，以致在后面的计算中不停地来回翻查数据，这会浪费了大量时间。由此，我在每章节后及时地列出数据表，方便自己计算也方便读者查找。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。   通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。  我还要感谢我的指导老师王正平老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互支持。  限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。