日產(chǎn)19噸高烴值丙烯酸乳液工藝制備設(shè)計

化工設(shè)計課題：日產(chǎn)19噸高烴值丙烯酸乳液工藝制備設(shè)計學(xué)院：化學(xué)化工學(xué)院班級：化工122學(xué)號：姓名：朱志豪指導(dǎo)老師：王正平專家2023-7-1

TOC\o"1-4"\h\z\u目錄第一章緒論 21.1高烴值丙烯酸乳液的現(xiàn)狀 21.1.1用途及性質(zhì) 21.1.2丙烯酸乳液的基本性能 21.1.3重要生產(chǎn)廠家 21.2生產(chǎn)方法 3第二章工藝過程分析 32.1反映機(jī)理 32.2工藝流程示意圖 42.3設(shè)計基準(zhǔn)與參數(shù) 42.4工藝過程敘述 52.5原材料消耗—重要原料、輔助原料 52.5.1原料、輔助原料規(guī)格： 52.5.2預(yù)計原料及輔助原料的消耗定額： 52.6公用工程規(guī)格及消耗定額（水電氣） 62.6.1公用工程規(guī)格： 62.6.2預(yù)計公用工程消耗定額： 6第三章物料衡算 63.1全過程的物料衡算 63.1.1小時生產(chǎn)能力 63.1.2物料衡算依據(jù) 73.1.3物料衡算過程 7乳化反映器進(jìn)口原料中各組分的流量 7乳化反映器出口單體乳液的流量 8升溫時聚合反映器進(jìn)口原料中各組分的流量 8中和時反映器進(jìn)口原料中各組分的流量 8反映器出口產(chǎn)品中各組分的流量 83.3.2換熱面積的計算 103.4.1聚合反映釜的工藝計算 10聚合反映釜體積、數(shù)量 10罐體幾何尺寸計算 113.4.2乳化反映釜的工藝計算 12乳化反映釜體積、數(shù)量 12罐體幾何尺寸計算 13第四章重要設(shè)備 134.1設(shè)備選擇的原則 134.1.1設(shè)計與選用方法 134.1.2設(shè)備工藝設(shè)計與選型原則 144.2設(shè)備一覽表 15第五章附圖——帶控制點工藝流程圖 165.1設(shè)備圖及工藝流程圖 16第六章感想與感受 17第一章緒論1.1高烴值丙烯酸乳液的現(xiàn)狀1.1.1用途及性質(zhì)丙烯酸乳液具有成本低、耐候性好、光澤高、環(huán)保的特點，是涂料中發(fā)展最快、品種最多的環(huán)保型涂料。研究丙烯酸涂料的烴基值、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、固化速度等對基材的潤濕、漆膜的強(qiáng)度、涂料的施工工藝、涂層的光澤飽和度等的影響，有助于擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，替代環(huán)境污染產(chǎn)品。水性烴基丙烯酸涂料發(fā)展前景廣闊。丙烯酸乳液作為水性涂料的基料早已用于建筑涂料,也大量用于氣干涂料和烘烤涂料領(lǐng)域中,但是它在高質(zhì)量工業(yè)涂料方面的應(yīng)用存在許多困難。乳液合成工藝的進(jìn)展,使乳膠涂料獲得令人滿意的性能,擴(kuò)大了其在工業(yè)涂裝領(lǐng)域中的應(yīng)用。1.1.2丙烯酸乳液的基本性能1、化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性是指乳液對添加的化學(xué)藥品重要是電解質(zhì)的穩(wěn)定性,檢測方法通常用5%CaCl2進(jìn)行檢測。2、機(jī)械穩(wěn)定性機(jī)械穩(wěn)定性是指乳液在經(jīng)受機(jī)械操作時間的穩(wěn)定性。3、凍融穩(wěn)定性因乳液組成中一半是水,受凍后使介質(zhì)變成冰,產(chǎn)生強(qiáng)大的冰壓,使得護(hù)層—5雙電層破壞面導(dǎo)致破乳,凍融穩(wěn)定性即是指乳液通過凍融和融化交替變化時的穩(wěn)定性。4、稀釋穩(wěn)定性稀釋穩(wěn)定性是指乳液加水稀釋后的穩(wěn)定性。5、量低成膜溫度(MFFT)MFFT是指乳液薄膜在溫度條件合適時,隨水份蒸發(fā)聚合物乳液粒子充足融結(jié)成連續(xù)透明薄膜時的溫度即為MFFT。MFFT過高會導(dǎo)致龜裂現(xiàn)象,可加入成膜助劑Texanol等進(jìn)行調(diào)節(jié)。6、玻璃化溫度(Tg)玻璃化溫度(Tg)是指高聚物由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度.Tg高膜硬度好耐沾污性好,相對來講MFFT也高,如使用不妥,容易產(chǎn)生龜裂等現(xiàn)象.Tg低膜較軟,發(fā)粘耐沾污性差。1.1.3重要生產(chǎn)廠家國外：國民淀粉、巴斯夫、羅門哈斯、長三角：江蘇日出、上海保麗佳、江陰國聯(lián)珠三角:巴德夫、廣東天銀、臺灣長興山東地區(qū)：日照廣大、墾利金友來、青州寶達(dá)、青州貝特、寧津五湖北京周邊：北京亞克力、北京互益、北京東聯(lián)、北京寶威、東方永宇、北京科信、科之信河北：河北新光1.2生產(chǎn)方法本文采用種子乳液聚合法，以甲基丙烯酸甲脂、丙烯酸丁脂、甲基丙烯酸、苯乙烯、甲基丙烯酸烴乙脂作為共聚單體，制備用于高烴基丙烯酸乳液。本工藝以水為溶劑不僅減少成本，并且克服了有機(jī)溶劑的有毒性、易揮發(fā)性、刺激性氣味大等缺陷。生產(chǎn)原料：原料名稱丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲脂苯乙烯丙烯酸烴乙脂VV-10丙烯酸原料分?jǐn)?shù)/g112751761第二章工藝過程分析2.1反映機(jī)理過硫酸銨引發(fā)的丙烯酸類單體的聚合是自由基引發(fā)機(jī)理，可由下列3步基元反映組成，涉及鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止等環(huán)節(jié)，具體如下：（1）鏈引發(fā)（2）鏈增長（3）鏈終止單體聚合原理：水預(yù)引發(fā)剩余乳化反映SR-10表面活性劑劑純水、碳酸氫鈉、過硫酸銨水水預(yù)引發(fā)剩余乳化反映SR-10表面活性劑劑純水、碳酸氫鈉、過硫酸銨水所有單體苯聚合反映引發(fā)劑+水保溫引發(fā)劑中和反映氨水產(chǎn)品2.3 設(shè)計基準(zhǔn)與參數(shù) 已知所給的單體以及其他物質(zhì)的質(zhì)量總和=198.014g≈200.000g，則放大倍數(shù)為日產(chǎn)量/質(zhì)量總和=19×1000000/200.000=95000原料名稱丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲酯苯乙烯丙烯酸羥乙酯VV-10原料投入量/kg/d104525654751615570原料名稱丙烯酸碳酸氫鈉氨水過硫酸銨純水原料投入量/kg/d9551.39512.7312160乳化劑SR-10加入量為單體總質(zhì)量的2%，則SR-10投入量為（1045+2565+475+1615+570+95）×0.02=127.3kg/d，則每批投入量=127.3/2=63.65kg/批2.4工藝過程敘述1、在反映釜中先加入純水、碳酸氫鈉和過硫酸銨，啟動攪拌并升溫；2、將所有單體（即丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯酸羥乙酯、VV-10和丙烯酸）、純水和SR-10表面活性劑（2%）加入乳化釜充足混合乳化1h，乳化后的物質(zhì)通入乳液貯罐備用；3、向反映釜中加入定量的乳化液，進(jìn)行預(yù)引發(fā)反映10min；4、將過硫酸銨和純水加入計量高位槽中充足混合，待反映釜的溫度升到90℃后在4h內(nèi)與剩余乳化液一起滴加完畢；5、將過硫酸銨和純水在反映釜的溫度升到90℃時，半小時滴加完后，在90℃保溫2h；6、反映結(jié)束后降溫至60℃以下，加入氨水，攪拌均勻，得到產(chǎn)品，桶裝包裝。2.5原材料消耗—重要原料、輔助原料2.5.1原料、輔助原料規(guī)格：表1原材料生產(chǎn)廠家規(guī)格丙烯酸丁酯廣州市俱輝化工有限公司工業(yè)用甲基丙烯酸甲酯鑫瑞化工有限公司工業(yè)用苯乙烯無錫豐信化工工業(yè)用丙烯酸羥乙酯鑫瑞化工有限公司工業(yè)用VV-10佛山市南海今佳貿(mào)易有限公司工業(yè)用丙烯酸廣州托力特化工工業(yè)用SR-10表面活性劑深圳市金兄弟化工科技有限公司

工業(yè)用過硫酸銨鑫瑞化工有限公司工業(yè)用NaHCO3湖北興銀河化工有限公司工業(yè)用35%氨水東莞市鴻進(jìn)化工有限公司工業(yè)用純水深圳市匯通源環(huán)?？萍加邢薰?.5.2預(yù)計原料及輔助原料的消耗定額：表2名稱單耗kg/(每噸產(chǎn)品)日耗(kg/d)丙烯酸丁酯551045甲基丙烯酸甲酯1352565苯乙烯25475丙烯酸羥乙酯851615VV-1030570丙烯酸595SR-10表面活性劑6.7127.3過硫酸銨0.6712.73NaHCO32.751.335%氨水595純水640121602.6公用工程規(guī)格及消耗定額（水電氣）2.6.1公用工程規(guī)格：表3冷卻用水硬度≤10ppm，水壓≥0.2Mpa，水溫上水≤30℃，回水≤40℃電380V220V蒸汽0.2～0.6MPa2.6.2預(yù)計公用工程消耗定額：表4名稱單耗日耗水13121.39kg39364.16kg電445.784kw·h1337.352kw·h第三章物料衡算3.1全過程的物料衡算3.1.1小時生產(chǎn)能力已知丙烯酸乳液日產(chǎn)量為19噸，按天天進(jìn)行2批生產(chǎn)，每批產(chǎn)量為9.5噸，生產(chǎn)周期為12h（包含輔助時間），產(chǎn)品乳液損失率3.0%計算，則每小時丙烯酸乳液產(chǎn)量為：9.5×1000×1.033.1.2物料衡算依據(jù)1、每小時丙烯酸乳液產(chǎn)量=815.42kg/h2、進(jìn)反映器原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)原料名稱丙烯酸丁酯甲基丙烯酸甲酯苯乙烯丙烯酸羥乙酯VV-10質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.56%13.64%2.53%8.29%3.03%相對分子質(zhì)量g/mol128.17100.12104.15116.12198.30原料名稱丙烯酸碳酸氫鈉氨水過硫酸銨純水質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.51%0.068%0.51%0.27%64.64%相對分子質(zhì)量g/mol72.0684.01228.2018.013、乳化劑SR-10加入量為單體的2%3.1.3物料衡算過程已知所給的單體以及其他物質(zhì)的質(zhì)量總和=198.014g≈200.000g，則放大倍數(shù)為每批產(chǎn)量/質(zhì)量總和=9.5×1000000/200.000=47500乳化劑SR-10加入量為單體總質(zhì)量的2%，則SR-10投入量為（43.54+106.87+19.79+67.29+23.75+3.96）×0.02=5.3kg/h乳化反映器進(jìn)口原料中各組分的流量丙烯酸丁酯：815.42×0.0556=45.34甲基丙烯酸甲酯：815.42×0.1364=111.22苯乙烯：815.42×丙烯酸羥乙酯：815.42×0.0829=67.60kg/h=582.16mol/hVV-10：815.42×丙烯酸：815.42×0.0051=4.16kg/h=57.73mol/h純水：815.42×0.2374=193.58kg/h=10754.44mol/h乳化劑SR-10：乳化反映器出口單體乳液的流量單體乳液：45.34+111.22+20.63+67.6+24.7+4.16+527.08+5.3=801.87kg/h升溫時聚合反映器進(jìn)口原料中各組分的流量純水：碳酸氫鈉：過硫酸銨：815.42×0.000505=0.412kg/h

乳化液：過硫酸銨：純水：中和時反映器進(jìn)口原料中各組分的流量氨水：反映器出口產(chǎn)品中各組分的流量丙烯酸乳液：815.42kg/h物料平衡表組分乳化反映進(jìn)口乳化反映出口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丙烯酸羥乙酯582.1667.614.3000VV-10124.5624.75.23000丙烯酸57.734.160.88000SR-105.31.12000純水10754.44193.5840.97000單體乳液000472.53100合計472.53100472.53100組分聚合反映進(jìn)口聚合反映出口mol/hkg/h%mol/hkg/h%(wt)(wt)單體乳液472.5361.16000NaHCO37.300.5540.06000過硫酸銨8.791.8120.22000氨水4.600.50000純水19476.67317.1938.06000丙烯酸乳液000796.69100合計796.69100796.69100熱量衡算條件設(shè)夾套式換熱器里的流體為水，進(jìn)口處水溫為20℃，出口處溫度為40℃。釜內(nèi)流體進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度為90℃。3.3.2換熱面積的計算本設(shè)計的反映為雙鍵聚合反映，雙鍵官能團(tuán)的摩爾數(shù)與反映各單體的摩爾數(shù)總和相等，則每小時反映消耗的雙鍵摩爾數(shù)為：353.75+1110.87+198.08+582.16+124.56+57.73=2427mol/h雙鍵的聚合反映熱為60kJ/mol，熱損失去△H的5%，則放出熱量為：Q=2427×60×溫度的對數(shù)平均值：△T=取總傳熱系數(shù)為K=200W/則換熱面積S=重要設(shè)備的工藝計算3.4.1聚合反映釜的工藝計算聚合反映釜體積、數(shù)量本設(shè)計采用間歇生產(chǎn)，故用間歇釜進(jìn)行反映。間歇釜反映體積公式為：Vr=式中：t—反映時間，s、min或h；t0—輔助生產(chǎn)時間，是卸料、裝料、清洗、升溫、降溫等時間之和，s、min或hQ0—按照生產(chǎn)能力計算好出來的單位時間需要解決的原料液體體積，m3/s、m3/min或m3/h已知生產(chǎn)周期為12h，即t+t又每小時丙烯酸乳液產(chǎn)量=815.42kg/h，取物料比重為1000kg/m3計算，則Q0Vr=對于不起泡和不處在沸騰狀態(tài)的液體，裝料系數(shù)η可取0.7~0.85。本設(shè)計的反映狀態(tài)無泡沫盒和無沸騰情況，粘度也不大，故可取裝料系數(shù)η=0.7。則反映釜實際體積為9.78/0.7=13.97m3，圓整為14m3查不銹反映釜系列尺寸表，選取公稱容量為5m3的不銹鋼反映釜，則反映釜個數(shù)為14/5=3(個)。罐體幾何尺寸計算已知反映釜的體積V=5m3，在一般攪拌釜中物料類型為液-固相物料時的長徑比i的取值范圍在1~1.3之間，本次設(shè)計取i=1則筒體內(nèi)徑D圓整罐體筒體內(nèi)徑D.1封頭的擬定封頭選用橢圓封頭，型號是JB/T4746-2023公稱直徑總深度H/mm內(nèi)表面積容積V/直邊高度19005004.06240.9687.2擬定筒體高度反映釜容積V按照封頭和筒體兩部分容積之和計算，筒體高度按下式計算，并進(jìn)行圓整：H式中：—封頭容積—高筒體容積則H1=按照圓整后筒體高度修正實際容積V=.3夾套幾何尺寸計算.3.1夾套傳熱面積取裝料系數(shù)η=0.7，夾套高度H2按式H2=η夾套所包圍罐體的表面積一定要大于工藝規(guī)定的傳熱面積F，即F其中，經(jīng)查表知，封頭表面積F封=4.0624m2，一米高筒體內(nèi)表面積實際傳熱面積F=F封.3.2夾套幾何尺寸計算查表得：D夾套封頭也采用橢圓形，并與夾套筒體去相同直徑。3.4.2乳化反映釜的工藝計算乳化反映釜體積、數(shù)量本設(shè)計采用間歇生產(chǎn)，故用間歇釜進(jìn)行反映。間歇釜反映體積公式為：Vr=已知乳化時間為1h，即t+t又每小時單體乳液產(chǎn)量=472.53kg/h，取物料比重為1000kg/m3計算，則Q0Vr=對于不起泡和不處在沸騰狀態(tài)的液體，裝料系數(shù)η可取0.7~0.85。本設(shè)計的反映狀態(tài)無泡沫盒和無沸騰情況，粘度也不大，故可取裝料系數(shù)η=0.7。則反映釜實際體積為0.472/0.7=0.67m3，圓整為0.70m3查不銹反映釜系列尺寸表，選取公稱容量為0.80m3的不銹鋼反映釜，則乳化反映釜個數(shù)為0.70/0.80=1(個)。罐體幾何尺寸計算已知反映釜的體積V=0.8m3，在一般攪拌釜中物料類型為液-固相物料時的長徑比i的取值范圍在1~1.3之間，本次設(shè)計取i=1則筒體內(nèi)徑D圓整罐體筒體內(nèi)徑D.1封頭的擬定封頭選用橢圓封頭，型號是JB/T4746-2023公稱直徑總深度H/mm內(nèi)表面積容積V/直邊高度11003001.39800.1980.2擬定筒體高度反映釜容積V按照封頭和筒體兩部分容積之和計算，筒體高度按下式計算，并進(jìn)行圓整：H式中：—封頭容積—高筒體容積則H1=按照圓整后筒體高度修正實際容積V=第四章重要設(shè)備4.1設(shè)備選擇的原則4.1.1設(shè)計與選用方法(1)匯總設(shè)計數(shù)據(jù)、分析設(shè)計任務(wù)根據(jù)工藝衡算和工藝物料的規(guī)定、特性，獲得物料流量、溫度、壓力和化學(xué)性質(zhì)、物性參數(shù)，取得有關(guān)設(shè)備的負(fù)荷、流程中的地位與流程中其他設(shè)備的關(guān)系等數(shù)據(jù)。

(2)設(shè)計換熱流程在換熱設(shè)計時，應(yīng)將換熱的工藝流程仔細(xì)探討，以利于充足運(yùn)用熱量，充足運(yùn)用熱源。

(3)選擇換熱器的材質(zhì)根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性能和其他有關(guān)性能，按照操作壓力，溫度，材料規(guī)格和制造價格，綜合選擇。

(4)選擇換熱器類型根據(jù)熱負(fù)荷和選用的換熱器材料，選定某一種類型。

(5)擬定換熱器中冷熱流體的流向據(jù)熱載體的性質(zhì)，換熱任務(wù)和換熱器的結(jié)構(gòu)，決定采用并流，逆流或錯流折流等。

(6)擬定和計算平均溫差Δtm擬定終端溫差，根據(jù)化學(xué)工程有關(guān)公式，算出平均溫差。

(7)計算熱負(fù)荷Q。

(8)估計污垢熱阻系數(shù)并初算出傳熱系數(shù)K。

(9)算出總傳熱面積A。

(10)調(diào)整溫度差，再算一次傳熱面積。

(11)選用系列換熱器。

(12）驗算換熱器的壓力降。

(13）畫出換熱器設(shè)備草圖。由設(shè)備機(jī)械設(shè)計人員完畢換熱器的具體部件設(shè)計?；ぴO(shè)備工藝設(shè)計，對于定型和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來說就是選型，對于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來說就是通過化工計算，提出型式、材料、尺寸和其它一些規(guī)定，由化工設(shè)備專業(yè)進(jìn)行工程機(jī)械加工設(shè)計，由有關(guān)機(jī)械加工廠制造。4.1.2設(shè)備工藝設(shè)計與選型原則

1.合理性2.可靠性、先進(jìn)性3.安全性4.經(jīng)濟(jì)性全面貫徹先進(jìn)、合用、高效、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)儉省的原則，審慎地研究，認(rèn)真地設(shè)計。

在反映器設(shè)計時，除了通常說的規(guī)定“合理、先進(jìn)、安全、經(jīng)濟(jì)”的原則，還要，考慮下列設(shè)計要點：

1．保證物料轉(zhuǎn)化率和反映時間。

2．滿足物料和反映的熱傳遞規(guī)定。

3．設(shè)計適當(dāng)?shù)臄嚢杵骱皖愃谱饔玫臋C(jī)構(gòu)。

4．注意材質(zhì)選用和機(jī)械加工規(guī)定。選材一般原則：

1．滿足工藝及設(shè)備規(guī)定；

2．材質(zhì)可靠，使用安全；

3．易于加工；

4．立足市場，立足國內(nèi)，立足本地資源；

5．綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)核算。

選泵的原則：1、基本泵型和泵的材料；

2、揚(yáng)程和流量規(guī)定；

3、有效汽蝕余量和安裝高度；

4、泵的臺數(shù)和備用率。

換熱器設(shè)計的一般原則：1、滿足工藝操作條件

2、能長期運(yùn)轉(zhuǎn)

3、安全可靠

4、不泄漏

5、維修清洗方便

6、滿足工藝規(guī)定的傳熱面積

7、盡量有較高的傳熱效率

8、流體阻力盡量小

9、滿足工藝布置的安裝尺寸等規(guī)定選用塔的基本原則

1.要滿足工藝規(guī)定，分離效率高。

2．生產(chǎn)能力要大，有足夠的操作彈性。

3．運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高，操作、維修方便，少出故障。

4．結(jié)構(gòu)簡樸，易于制造加工，造價較低。

5．塔壓降小。

4.2設(shè)備一覽表12化工2工程名稱化工設(shè)計設(shè)備一覽表編制編號設(shè)計項目高羥值丙烯酸乳液校核第1頁共1頁審核序號設(shè)備名稱及規(guī)格圖號或標(biāo)準(zhǔn)號單位數(shù)量材料重量（kg）備注單總1聚合反映釜臺3不銹鋼2乳化反映釜臺1不銹鋼3單體乳液中間貯罐臺1不銹鋼4丙烯酸丁酯貯罐臺1不銹鋼5甲基丙烯酸甲酯貯罐臺1不銹鋼6苯乙烯貯罐臺1不銹鋼7丙烯酸羥乙酯貯罐臺1不銹鋼8VV-10貯罐臺1不銹鋼9丙烯酸貯罐臺1不銹鋼10NaHCO3計量罐臺1不銹鋼1135%氨水計量罐臺1不銹鋼12產(chǎn)品貯罐臺1不銹鋼13離心泵臺9不銹鋼修改標(biāo)注姓名日期第五章附圖——帶控制點工藝流程圖5.1設(shè)備圖及工藝流程圖乳化反映釜工藝條件圖見附圖一：聚合反映釜工藝條件圖見附圖二：帶控制點的工藝流程圖見附圖三（A1紙）：第六章感想與感受

課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計使我們初步掌握化工設(shè)計的基礎(chǔ)知識、設(shè)計原則及方法；學(xué)會各種手冊的使用方法及物理性質(zhì)