材料合成工艺学课程设计.docx
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材料合成工艺学课程设计
材料合成工艺学
课程设计
学院生物与化学工程学院
专业班级AAAAAAAAAAAAAAAAAA
学生姓名AAAA
学号AAAAAAAAAA
指导教师AAAAAA
日期2011年7月4日
目录
一、绪论1
二、工艺流程和方案的说明及论证1
1.工艺流程1
2.方案的说明2
3.工艺流程图4
三、物料衡算4
四、热量衡算9
五、聚合釜及各设备选型12
六、生产车间布置13
七、对设计的评述及结论17
八、参考文献18
1、绪论
化工设计是化工生产装置建设的灵魂，是将人们的要求变为现实生产的第一步。
先进的设计思想、科学的设计方法、现代化的设计手段与工具、高水平高质量的设计作品是工程设计人员坚持的设计方针和追求的设计目标。
聚合物合成生产装置设计属于化工设计的范畴，是针对聚合物合成生产过程的化工设计。
聚合物合成工艺设计就是指将单体原料通过聚合反应制得聚合物产品的生产过程中所用的方法、技术等，全部用图纸、表格、文字说明等方式概述出来的过程及结果。
2、工艺流程和方案的说明及论证
1.工艺流程
（1）把软水经过软水计量槽（W101）计量后放入聚乙烯醇溶解釜（V101）。
（2）把规定量的聚乙烯醇由入孔投入聚乙烯醇溶解釜（V101）内。
（3）向聚乙烯醇溶解釜（V101）的夹套中送入水蒸汽，升温至80摄氏度，搅拌4-6小时，配制成聚乙烯醇溶液。
（4）把醋酸乙烯酯投入单体计量槽（W102）内，把邻苯二甲酸二丁酯投入增塑剂计量槽（W103）内，并把预先配制的规定量的过硫酸钾溶液和碳酸氢钠溶液分别投入引发剂计量槽（W105）和PH调节剂计量槽（W104）。
（5）把聚乙烯醇溶液由聚乙烯醇溶解釜（V101）通过过滤器（V102）用隔膜泵（P101）输送到聚合釜（R101）中，并由入孔加入规定量的OP-10，并开动搅拌使其溶解。
（6）向聚合釜（R101）中由单体计量槽（W102）加入单体醋酸乙烯酯，并通过引发剂计量槽（W104）加入过硫酸钾溶液，在搅拌下乳化30min。
（7）向聚合釜（R101）夹套内通水蒸汽，将釜中物料升温至60摄氏度，向聚合釜（R101）加入单体和引发剂，聚合反应开始，并通过回流冷凝器（H101）和聚合釜（R101）夹套通入冷却水进行换热，控制温度，稳定在60摄氏度进行反应，反应时间10hr。
（8）反应完全后，向聚合釜（R101）夹套通入冷却水冷却至50摄氏度，再加入PH调节剂和增塑剂，搅拌均匀。
出料，通过过滤器过滤（V103）后，进入乳液储罐（T104）。
2.方案的说明
由于设计任务书表明此聚合采用乳液聚合，以下简要论述乳液聚合。
聚醋酸乙烯酯是由聚醋酸乙烯酯经自由基聚合而成的高分化合物。
通常采用分散聚合和乳液聚合的，该设计采用的是乳液聚合。
乳液聚合是在用水作介质的乳液中，按胶束机理或低聚物机理生成彼此孤立的乳胶粒，在其进行自由基加成聚合或离子加成聚合来生产高聚物的一种聚合方法，对于在充分混合的间歇反应器中进行的乳液聚合过程来说，据反应机理可分为四个阶段：
分散阶段、乳胶粒生成阶段、乳胶粒生长阶段、聚合反应完成阶段。
该方法有如下优点：
（1）聚合体系具有粘度低、易散热，乳液稳定性高．具有较高的聚合反应速率和高的聚合物分子量。
（2）乳液聚合以水作介质，还具有成本低廉，生产安全，胶乳粘度低，便于混合传热、管道输送和连续生产，环境污染小的优点。
（3）反应在常压下进行，对设备无加压要求。
（4）聚合后胶乳可直接使用。
采用乳液聚合也有如下缺点：
（1）因需要固体产品，胶乳需要进行凝聚、洗涤、脱水、干燥等多道工序，成本较高。
（2）产品中留有乳化剂杂质，难以完全除净，有损电性能等。
聚醋酸乙烯酯乳液聚合的工艺条件
（1）单体
由于储存和运输的要求，醋酸乙烯酯在出厂前常加入阻聚剂以保持醋酸乙烯酯的稳定性，醋酸乙烯酯的性质直接影响乳液粘度、固含量，单体经蒸馏后，可以使聚醋酸乙烯酯的粘度大为提高。
（2）定剂
聚醋酸乙烯的基本性质是由其聚合度和醇解度决定的，聚醋酸乙烯分子中含有大量亲水性基团羟基，所以它是一种水溶性的高分子化合物。
控制好聚乙烯醇稳定剂的用量可以使聚醋酸乙烯酯达到适当的粘度。
（3）乳化剂
在其它条件均不改变的情况下，改变乳化剂用量，其粘度的变化呈凸曲线变化。
乳化剂用量过少，乳液稳定性差，易破乳。
乳液粘度随乳化剂用量的增加而增大，当乳化剂用量为单体总量的0．15％时，粘度最大，乳化剂用量超过最佳值时，乳液颗粒增多，粒径变小，粘度下降。
（4）引发剂
在一定聚合温度下，当引发剂浓度很低时，随着引发剂量的增加，粘度、固含量增大，当引发剂用量为单体总量的0．6％时，粘度最大，为4．2Pa·s；固含量为36％，当引发剂继续增加时，乳液粘度反而下降，固含量基本不变。
原因是，当单体量不变而引发剂用量增加，引发剂分解的自由基多，使活性中心增多，从而使反应生成大分子的聚合物，乳液粘度、固含量增加；而引发剂用量过大，分解自由基过多，引发速度过快，聚合物分子链短，相对分子量小，乳液粘度低。
在乳液聚合时，介质的pH值直接影响引发剂的分解速度，要求乳液聚合体系的pH值为6左右，由于单体中残留少许醋酸，加之引发剂分解时产生的硫酸根，至使体系的pH值降至4—5，因此用适量碳酸氢钠调节pH值。
另外，引发剂用水稀释后缓慢加入。
（5）反应温度
在反应物配比、加料方式及搅拌强度不变情况下，通过实验发现，反应温度的改变对聚醋酸乙烯酯乳液的粘度、固含量的影响很大。
原因是该聚合反应为吸热反应，所以反应温度高，有利于该反应进行，但反应温度达到80℃时，超过醋酸乙烯酯单体的沸点（72℃）会使回馏量增加，消耗能量，低温使反应速度慢，反应不完全。
乳液粘度低。
因此，反应适合在75℃进行。
3.工艺流程图
3、物料衡算
（1）画出物料平衡关系示意图
图1为聚醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作物料平衡关系示意图。
对于物料数量和组分没有发生变化的设备可不做物料衡算，所以在物料平衡关系图中，可不画出T101，P101等设备。
图1.聚醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作物料平衡关系示意图
M1-软水；M2-聚乙烯醇；M3-聚乙烯醇溶液；M4-过滤后的聚乙烯醇溶液M5-单体醋酸乙烯酯；M6-增塑剂DOP；M7-PH调节剂碳酸氢钠；
M8-引发剂过硫酸钾；M9-乳化剂OP-10；M10-聚合物；M11-过滤后的聚合物；M12-实际还需加的水
（2）明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式
①在V101，V103中，只是物料的混合和过滤，没有发生相变化和化学反应
②在聚合釜R101中，引发剂引发单体发生自由基聚合其反应方程式如下：
（3）收集数据资料
①生产规模。
设计任务书中规定的年产量（生产能力）：
2000t/a
②生产时间。
年工作日：
300d/a
间歇操作，聚合釜R101每天2批，其它原料配制每天1批。
③相关技术指标（表1）
表1技术指标
项目内容
技术指标
项目内容
技术指标
过滤器过滤损失率
2%（质量）
过硫酸钾溶液浓度
20%（质量）
碳酸氢钠溶液浓度
10%（质量）
聚乙烯醇溶液浓度
30%
引发剂效率f
0.8
④质量标准。
原料均视为纯净物。
⑤化学变化参数。
醋酸乙烯酯在引发剂引发下发生自由基聚合反应，各组分相对分子质量如下：
组分
相对分子质量
单体
醋酸乙烯酯
86
介质
蒸馏水（总量）
18
（4）选择计算基准和计算单位
因为是间歇操作过程，所以基准为“批”，单位为B·d-1。
聚合釜R101的操作周期是2B·d-1，而其他原料配制的操作周期是1B·d-1。
但引发剂向R101进料周期仍与聚合釜的操作周期相同，所以在物料衡算时，物料M8的数量仍以2B·d-1计算。
在做设备工艺计算时，引发剂计量槽W105的体积大小应按1B·d-1计算。
（5）确定计算顺序
由于产物与原料之间的化学计量关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产量与单体原料投料之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。
（6）计算主要原料（醋酸乙烯酯）投料数量
用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须先求出主要原料（醋酸乙烯酯）每批投料量。
该生产装置年产量2000t，年开工300d，每天生产两批，过滤器过滤损失率为2%。
每批应生产聚合物数量=
①引发剂（0.5%单体质量）80%结合到聚合物中；
②单体100%转化成聚合物，且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同；
③醋酸乙烯酯投料量=
（7）顺流程逐个设备展开计算
①V101（溶解釜）物料衡算
M1（软水）=
M2（聚乙烯醇）=
M3（聚乙烯醇溶液）=
②V102（过滤器）物料衡算
已知V102过滤器的过滤损失率2%
M3（聚乙烯醇溶液）=
M4（过滤后的聚乙烯醇溶液）=
③R101（聚合釜）物料衡算
M4（过滤后的聚乙烯醇溶液）=
M5（单体醋酸乙烯酯）=
M6（邻苯二甲酸二丁酯）=
M7（碳酸氢钠溶液）
碳酸氢钠：
水：
合计：
M7=
M8（引发剂过硫酸钾溶液）
过硫酸钾：
水：
合计：
M8=
M9（乳化剂OP-10）=
M12（实际还需加的水）=
M10（聚合物）=M4+M5+M6+M7+M8+M9+M12=
④V103（过滤器）物料衡算
已知V103过滤损失率为2%
M10（聚合物）=
M11（过滤后的聚合物）=
（8）整理并校核计算结果
对聚合工序做全物料平衡计算（图2），进行校核。
由物料守恒定律应有：
说明整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。
图2总物料平衡示意图
（9）绘制物料流程图，编写物料平衡表
图3聚醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作物料流程示意图
W101—软水计量槽；W102—单体贮罐；W103—增塑剂贮罐；W104—pH调节剂贮罐；
W105—引发剂贮罐；W106—蒸馏水贮罐；V101—溶解槽；V102、V103—过滤器；
R101—聚合釜；P101—隔膜泵；T104—乳液储罐；H101—回流冷凝器
表2醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作物料平衡表单位：
kg·B-1
物流号
醋酸乙烯酯单体
聚乙烯醇
H2O
OP-10
邻苯二甲酸二丁酯
过硫酸钾
碳酸氢钠
软水
合计
M1
711.44
711.44
M2
304.90
304.90
M3
304.90
711.44
1016.34
M4
996.02
M5
3387.81
3387.81
M6
615.45
615.45
M7
152.46
16.94
169.4
M8
67.76
16.94
84.70
M9
62.12
62.12
M12
10361.04
10361.04
M10
3387.81
298.80
10581.26
62.12
615.45
16.94
16.94
697.21
15676.53
4、热量衡算
①全面了解物料在各个设备中发生的化学变化及物理变化，凡是与外界有热量交换的设备均需进行热量衡
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