【正文】 終按照 40000 噸 /年苯丙乳液的規(guī)格 設(shè)計(jì)出主要設(shè)備—— 聚合釜， 并對(duì)其工藝工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，繪制合理的工藝流程圖。 40000噸 /年苯丙乳液聚合裝置工藝設(shè)計(jì) （代飛 江漢大學(xué)） 摘要 ：本文以生產(chǎn)苯丙乳液為目的，闡述了苯丙乳液的研究現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞 ： 苯丙乳液 ；生產(chǎn)工藝；攪拌裝置；聚合釜 Abstract ： This paper production styreneacrylic latex for the purpose, expounds the present situation of the study styreneacrylic latex, through various synthesis process route prehensive evaluation, the analysis and parison, the choice of reasonable production process, determine the economic and reasonable process flow. Calculated each batch of material feed rate, reaction heat, to choose a suitable heat transfer methods and equipment. According to the measurement of material viscosity choose appropriate mixer and mixing power, and in the end to 40000 tons/year styreneacrylic latex design specifications of the main equipmentpolymerization kettle, and its technological engineering design, draw reasonable process flow diagram. Key word： Styreneacrylic emulsion。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 1 第一部分 緒論 1 苯丙乳液的用途和特點(diǎn) 隨著建筑業(yè)的發(fā)展，外墻涂料的在涂 料工業(yè)中的地位也越來越重要了。由于在共聚物中引入了苯乙烯鏈段 ,可提高涂膜的耐水性、耐堿性、硬度、抗污性和抗粉化性。苯丙乳液附著力好，膠膜透明，耐水、耐油、耐熱、耐老化性能良好 ，可以 用作紙品膠粘劑，也可與淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉等膠粘劑配合使用。這種涂料可供水泥沙漿、灰泥沙漿、木材、混凝土底材的涂裝 ,也可以配制沙漿噴涂漆和水泥系涂料 ， 大量地用作外墻涂料。 178。他們系統(tǒng)地研究了影響可聚合乳化劑應(yīng)用性能的諸多因素，同時(shí)探討了怎樣使可聚合乳化劑達(dá)到最佳使用效果。 乳化劑及乳液體系對(duì)苯丙乳液的聚合和性能影響最大 [4]，乳化劑的結(jié)構(gòu)、臨界膠束濃度 (CMC)或用量以及初始階段乳化劑與單體配比對(duì)乳液的粒徑及其分布、黏度、最低成膜溫度、聚合穩(wěn)定性以及涂膜連續(xù)性、完整性、粘附力、耐水性等有著十分重要的影響。陰非復(fù)配乳化劑或由這兩類乳化劑化學(xué)合成的復(fù)合乳化劑比單獨(dú)用一種乳化劑效果要好。陰離子和非離子型表而活性劑的混合物是水不溶單體的有效乳化劑。178。因此人們的研究更多地集中在可聚合乳化劑上面。另外，自由基生成速率大，鏈終止速率亦增大，聚合物平均分子質(zhì)量降低，當(dāng)引發(fā)劑濃度太低時(shí)，聚合反應(yīng)速率低，體系轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)不完全。引發(fā)劑的親水性對(duì)核殼聚合物微粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)影響很大。水溶性的引發(fā)劑不易進(jìn)入聚合物種了內(nèi)部，因而在種子外部引發(fā)聚合，油溶性的引發(fā)劑易進(jìn)人聚合物種子內(nèi)部，形成均相聚合物 [7]。 4 用，可以采用核殼乳液聚合，同時(shí)引入不同的改性單體或功能單體，以提 高其相關(guān)性能。它包括 (1)自交聯(lián)型乳液 ,自交聯(lián)也稱為內(nèi)交聯(lián) ,是在聚合物大分子上引入功能單體 ,此類單體除帶有雙鍵外 ,還帶有其它官能團(tuán) , 當(dāng)涂膜烘烤時(shí)，所帶官能團(tuán)之間發(fā)生交聯(lián)，常用交聯(lián)劑有： N羥甲基丙烯酰胺 (NMA)，N烷氧甲基丙烯酰胺。 (二 ) 室溫交聯(lián)。在有交聯(lián)單體參與 下聚合形成的乳液 ,加入交聯(lián)劑以后 ,即形成了室溫交聯(lián)型乳液。這類交聯(lián)體系較多 ,常見的有含活潑氫聚合物乳液 /多異氰酸酯交聯(lián)體系 ,含胺基或羧基的水溶液或乳液與環(huán)氧樹脂的交聯(lián)體系。 178。Lee[10]等制得的 PBA/PSt核殼聚合物之間一薄層 PBAgPSt共聚物。在苯丙乳液中加人適量丙烯腈單體，不僅會(huì)使乳液聚合過程易于分散、傳熱、操作穩(wěn)定，而且能提高產(chǎn)物的耐溶劑性和耐磨性，改善施工性能。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量深入的研究，利用有機(jī)硅、有機(jī)氟、環(huán)氧樹脂、納米材料、蒙脫土、水溶性醇酸等對(duì)苯丙乳液進(jìn)行改性以提高其性能。高敬民 [15]利用納米 TiO2膠體的表面與界面效應(yīng)，采用甲基丙烯酸酯、苯乙烯、反應(yīng) 性乳化劑、交聯(lián)劑、偶聯(lián)劑等成功合成常溫自交聯(lián)苯丙乳液，明顯提高了傳統(tǒng)材料178。 苯丙乳液聚合工藝研究進(jìn)展 傳統(tǒng)乳液聚合方法得到的苯丙乳液，最低成膜溫度 (MFT)比較高，常溫下不能成膜，大大限制了它的應(yīng)用范圍。制備核殼乳液最常用的方法就是種子聚合，首先用乳液聚合法將成核單體制成種子乳液，然后將殼單體加入到種子乳液中進(jìn)行聚合。種子乳液聚合第 2階段反應(yīng)單體的加料方式，對(duì)所形成的乳膠粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)有很大影響，例如采用饑餓態(tài)半連續(xù)加料，種子乳膠粒表面及內(nèi)部的第 2單體濃度均很低，易形成核殼層間界限分明的粒子；采用平衡溶脹法加料，不但種子乳膠粒的表面第 2單體濃度很 高，而且單體有充分的時(shí)間向乳膠粒內(nèi)部滲透．所以種子乳膠粒內(nèi)部富含第 2單體，易形成核殼界限不分明的聚合物微粒。在無皂 乳液聚合體系中沒有乳化劑存在，膠粒主要通過結(jié)合在聚合物鏈或其端基上的離子基團(tuán)、親水基團(tuán)等而得以穩(wěn)定的。 微乳液聚合與普通乳液聚合的差別是在體系中引入了助乳化劑，并采用了高 速攪拌法、高壓均化法和超聲波分散法等微乳化工藝。微乳液聚合乳液及超微乳液聚合乳液由于其高穩(wěn)定性，粒徑大小均一以及速溶的特點(diǎn)，在克服常規(guī)聚合體系中存在的一些問題如控制相對(duì)分子質(zhì)量及其分布方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。將它與其它乳化劑復(fù)配，能夠大幅度地提高體系中單體的含量。有機(jī) 無機(jī)復(fù)合乳液聚合是把有機(jī)物和無機(jī)物的長(zhǎng)處結(jié)合起來的一種新型乳液聚合技術(shù)。 基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合相對(duì)來說是一種較新型的聚合方法，基團(tuán)轉(zhuǎn)移是一個(gè)活性過程，通過引入的引發(fā)劑把一種單體上的活性基團(tuán)轉(zhuǎn)移到另外的單體上。 3 苯丙乳液聚 合的方法 傳統(tǒng)乳液聚合方法得到的苯丙乳液。制備核殼乳液最常用的方法就是種子聚合。同時(shí)聚合物乳液以水為介質(zhì)，便宜，易得，不污染環(huán)境，不會(huì)對(duì)從事聚合物乳液生產(chǎn)和應(yīng)用的操作人員造成人體傷害，且聚合物乳液可以直接用作涂料、粘合劑等性能優(yōu)良的材料或工作物質(zhì)，所以，許多年來乳液聚合科學(xué)與技術(shù)一直保持長(zhǎng)盛不衰，乳液聚合理論、聚合物乳液和乳液聚合物的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)都得到了快速的發(fā)展。 設(shè)計(jì)計(jì)算：在確定了生產(chǎn)的進(jìn)料量后，進(jìn)行物料衡算、熱量衡算；根據(jù)工藝操作要求，設(shè)計(jì)合適的操作工藝及控制方式；設(shè)備選型、計(jì)算 聚合釜的主體尺寸；繪制帶主要控制點(diǎn)的工藝流程圖和聚合釜總裝圖。丙烯酸丁酯玻璃化溫度較低，是一種軟單體。 表 1 不同單體的性能 性能 成膜性 硬度 拉伸強(qiáng)度 附著力 耐濕性 耐熱性 耐紫外線 丙烯酸丁酯 有 很軟 很低 良好 一般 良好 良好 苯乙烯 無 硬 高 良好 優(yōu) 優(yōu) 一般 乳化劑的選擇和用量 [23] 在乳液聚合中，乳化劑的性能影響聚合反應(yīng)的速度、相對(duì)分子質(zhì)量大小及分布、乳膠粘度和穩(wěn)定性。用量少則反應(yīng)不完全，用量大則反應(yīng)劇烈甚至爆聚。一般引發(fā)劑用量占單體量的 %～ %之間 [24]，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，一般選擇過硫酸銨為引發(fā)劑，用量為 0. 4%。 圖 3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)黏度的影響 產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo) 外觀：帶有藍(lán)色熒光的白色乳液 固含量： (40177。 11 2 攪拌罐的設(shè)計(jì) 為反應(yīng)溫度分布均勻，需使用攪拌反應(yīng)釜。由于化學(xué)反應(yīng)一般都要吸收和放出熱量，因此在容器的內(nèi)部或外部設(shè)置加熱或者冷卻裝置。 罐體的幾何尺寸包括內(nèi)徑 DT、高度 H、 容積 V及壁厚 δ（見圖 5） 圖 5 罐體的直徑與高度 178。罐體長(zhǎng)徑比對(duì)攪拌功率的影響 一定結(jié)構(gòu)型式攪拌器的槳葉直徑同與其裝配的攪拌罐罐體內(nèi)徑通常有一定的比例范圍。 178。因此單從夾套傳熱角度考慮，一般希望長(zhǎng)徑比取得大一些。 表 2 幾種攪拌罐的長(zhǎng)徑比 種類 設(shè)備內(nèi)物料類型 H/D 一般攪拌器 液 固相或液 液相物料 1～ 氣－液相物料 １～２ 發(fā)酵罐類 １ .７～２ .５ 裝料系數(shù) [26] 選擇了罐體長(zhǎng)徑比之后，還要根據(jù)攪拌罐操作時(shí)所允許的裝滿程度考慮選擇裝料系數(shù)η，然后經(jīng)過初步計(jì)算，數(shù)值圓整及核算，最終確定筒體直徑和高度。通常η可取 ～。 令： h 為釜體直邊高、 H 為反應(yīng)器釜體總高度，則： H=h+2h 封 =h+D/2= 若取 H/D=，則有： h=D VT =πD2h/4+ = πD3 /4+ = D3 （ 1— 2） 所以 D= 3 VT/ （ 1— 3） 圓整后查表 【 7】 選取公稱直徑?？稍谌萜鞯耐獠炕騼?nèi)部設(shè)置供加熱或冷卻的換熱裝置，例如在容器外部設(shè)置夾套，在容器內(nèi)部設(shè)置蛇管換熱器等，一般用的最普遍的采用夾套傳熱的方式。有時(shí)，對(duì)于較大型容器，為了得到較好的傳熱效果，在夾套178。但須注意的是夾套高度一般應(yīng)不低于料液的高度，應(yīng)該比器內(nèi)液面高出 50~100mm 左右，以保證充分傳熱。 表 3管長(zhǎng)與管徑之比值表 蒸汽壓力（ kgf/cm2） 2 3 5 管長(zhǎng)與管徑最大比 l/d 100 150 200 225 275 內(nèi)傳熱擋板和夾套 隨著反應(yīng)器容積的增大，傳熱問題顯得突出起來，光靠夾套已很不夠，常常要在反應(yīng)器內(nèi)附加傳熱擋板。 15 確定傳熱方式 反應(yīng)釜一般需采用夾套，而夾套又有多種類型各種類型夾套的適用范圍見表 4。這種夾套是常用的類型結(jié)構(gòu)。 整體夾套夾套的尺寸及連接型式 整體夾套和罐體有 2 種連接型式，即不可拆卸 式和可拆卸式。 表 5 整體夾套直徑的確定 Dg 500~600 700~1800 2020~3000 Dj Dg+50 Dg+100 Dg+200 夾套形式 溫度 (℃ ) 壓力（ kgf/cm2） 整體夾套 350 300 6 16 半圓管夾套 280 10~64 型鋼夾套 225 6~25 蜂窩夾套 250 25~40 178。其槳寬和葉徑之比多為 ～ ，折槳角度為45176。 3 推進(jìn)式 —— 一般有三片槳葉，螺距與葉徑之比約為 1～ 2，外沿圓周線速度達(dá) 3～15m／ s，轉(zhuǎn)速為 100～ 500rpm，適于粘度在 2P 以下的液體，葉徑和槽徑之比為 ～。 （二）依據(jù)葉輪所造成的槽內(nèi)液體循環(huán)流動(dòng)途徑來分有（圖 17） 1 軸向流葉輪 —— 特點(diǎn)是直徑小，轉(zhuǎn)速高，循環(huán)量大，常用于互溶液混合、傳熱和固體懸浮，特別是沉降速度低、 無腐蝕的固體懸浮。178。 不同工藝過程對(duì)槽中流動(dòng)的能量分配不同，攪拌槽中的混臺(tái)過程主要以混合是否均勻，即調(diào)勻度和以分散集中程度，即分隔尺寸等表示。 攪拌槽體及附件 [30] 槽體型式及尺寸 槽體型式多為立式，一般用圓形槽碟形底為多，應(yīng)避免錐底和帶棱角的槽，以免固體顆粒在死角處聚積，最好是槽中液深 H 和槽徑Ｄ之比為 1： 1，淺槽可為 1： 2或 1： 3，深槽在 1． 25： 1 以上時(shí)，就需安裝多個(gè)攪拌器葉輪，一般可按下式求得： 葉輪個(gè)數(shù)＝實(shí)際液體深179。檔板為垂直安裝在槽內(nèi)壁，其數(shù)量可用“充分檔板化” 條件確定，所謂“充分檔板化” 就是再增加檔板數(shù)而