材料合成工艺学课程设计.doc

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 AA AA 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11.工艺流程12.方案的说明23.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18一、 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。二、 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015 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06时，粘度最大，为42 Pa·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45，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.工艺流程图三、 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 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 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 生产规模。设计任务书中规定的年产量（生产能力）：2000t/a 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。 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f0.8 质量标准。原料均视为纯净物。 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2 B·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=引发剂（0.5%单体质量）80%结合到聚合物中；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；醋酸乙烯酯投料量=（7） 顺流程逐个设备展开计算V101（溶解釜）物料衡算M1（软水）=M2（聚乙烯醇）=M3（聚乙烯醇溶液）=V102（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）=R101（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= V103（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；W104pH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H2OOP-10邻苯二甲酸二丁酯过硫酸钾碳酸氢钠软水合计M1711.44711.44M2304.90304.90M3304.90711.441016.34M4996.02M53387.813387.81M6615.45615.45M7152.4616.94169.4M867.7616.9484.70M962.1262.12M1210361.0410361.04M103387.81298.8010581.2662.12615.4516.9416.94697.2115676.53四、 热量衡算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算。由聚合工艺流程可知，V101、R101需进行热量衡算。因为是单台设备间歇操作，计算目的是进行能量消耗及成本核算，所以按式QT=Q1+Q2+Q3+Q4对传热进行平衡计算，计算单位为。收集数据a. 工艺参数V101：升温至80摄氏度，搅拌4-6小时。R101：将釜中物料升温至60摄氏度向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反应完全后，向聚合釜(R101)夹套通入冷却水冷却至50摄氏度。b. 物料衡算的结果表3. 聚合釜R101物料衡算结果表组成R101进料Kg·B-1出料Kg·B-1醋酸乙烯酯3387.810聚乙烯醇298.80298.80水11278.4711278.47DOP615.45615.45OP1062.1262.12过硫酸钾16.943.39碳酸氢钠16.9416.94聚醋酸乙烯酯03401.36总计15676.5315676.53温度/2550c. 各种物性数据表4. 各种物性数据表物质密度（Kg/m3）热容（kJ·kg-1·-1）反应热kJ·mol-1聚乙烯醇13102.5水10004.2聚乙烯醇水溶液1428醋酸乙烯酯931.73.087.9OP101060过硫酸钾2480碳酸氢钠2200DOP1042设备（碳钢）0.48热量平衡关系式逐项计算各热量的数值及传递方向将釜中物料由25升温至60反应时间10ha. Q1（显热）的计算反应为恒容过程，所以b. Q2的计算（化学反应热、相变热、溶解热、混合热等） 因为忽略了溶解热、混合热等，所以只需考虑化学反应热 因为单体100%转化成聚合物，所以，且反应放热 故 c. Q3（设备温度变化)设备温度由25升温至60 计算过程中设备向外界环境散失的热量忽略不计，所以Q4=0所以向聚合釜(R101)夹套通入冷却水从60冷却至50a. Q1（显热）的计算反应为恒容过程，所以 b. Q2的计算（化学反应热、相变热、溶解热、混合热等）因为冷却过程无化学反应，所以Q2=0c. Q3（设备温度变化）设备温度有由60冷却至50 计算过程中设备向外界环境散失的热量忽略不计，所以Q4=0求出与外界的传热量、传热方向 因为，为负值，说明需由系统向外界撤除热量，此时需使用冷却介质。项目R101聚合釜Q入Q出Q1：物料带入的热Q2：化学反应热0Q3：设备带入的热53088Qr：冷却水移热0五、 聚合釜及各设备选型 所以，可选容积为17m3的碳钢聚合釜。选择的各设备规格如下（表5）六、 表5 各设备规格表名称型号规格公称容积（L）计算容积（L）参考重量（kg）软水槽K-500500560408单体计量槽K-4000400044001400增塑剂计量槽K-400400460308其他计量槽K-200200240236蒸馏水储罐K-7000700078001400乳液储罐F5000500059802452回流冷凝器WLN-10HP冷凝器面积m23.8热负荷kw21.3冷却水水量(m3/h)3.8溶解槽电加热公称容积（L）600L实际容积（L）650L内锅尺寸DmmØ800夹套尺寸D1mmØ1000电机功率2.2KW重量Kg700不锈钢过滤器GY41H口径DN15-DN600压力1.6MPa-6.4MPa材质铸铁,铸钢,不锈钢隔膜泵GBY-10流量（m3/h）00.8出口压力（kgf/m2）6扬程（m）050碳钢聚合釜17000L公称容积（L）12000实际容积（L）12060加热功率KW支5×15油夹套容量L1226内锅尺寸DmmØ1600夹套尺寸D1mmØ1750重量kg3160七、 生产车间布置 生产车间的布置应按工艺生产过程的顺序确定，生产线路尽可能做到直线而无返回的流动，但并不要求所有的生产车间一定要排在一条直线上。如果生产车间较多，排成直线，将使地形生长、并会使仓库、辅助车间的配置及车间的管理等方面带来不便。为了达到生产车间流线性的目的，也可以将建筑物一个和另一个联接成T、L字形。车间生产路线一般分为水平的和垂直的两种。此外，也有多线生产路线，使加工物料在同一平面上由甲车间送入乙车间的叫水平生产线，使加工物料由上层的甲车间送至乙车间叫垂直生产路线，多线生产路线即开始是两条或多条支线而后汇成一条主线。无论是那种生产线，车间之间的距离应该是最短的，并符合各种规范所规定的间距。对原料和成品车间则应该接近仓库和运输路线。同时也应该注意，中间车间也常常需要大量原料并生成各种副产品。 车间之间的管道尽可能沿着道路铺设。对生产有害气体和粉尘的车间应将其布置在下风向，同时应考虑周围环境。设备布置原则： 1. 要满足生产工艺要求 （1）在布置设备时，设备的平面位置和高低位置，应符合工艺流程和工艺条件的要求。 （2）同类型的设备或操作性质相似的有关设备，尽可能布置在一起，有效地利用车间建筑面积，便于管理、操作和维修。 2. 要符合经济原则 （1）要考虑设备和附属设备所占的位置、设备与设备之间或设备与建筑物间的安全距离设备布置时，还应设当留有余地，以备今后的发展。 （2）要充分利用高位差，节省动力。 （3）中小型化工厂的设备布置，处了气温较低的地区采用室内布置外，一般可采用室内露天联合布置方案。 3. 要符合安全生产要求 （1）化工生产中，易燃、易爆、有毒的物品较多，布置设备时，应将加热炉、明火设备、产生有毒气体的设备布置在下风处。并使加热炉、明火设备与易燃、易爆设备按规范保持一定的间距。传动设备要有安装防护装置的位置。对于噪音大的设备宜采用封闭式隔离。设备之间或设备与墙之间的净距离大小，虽无统一规定，但设计者应结合设备布置原则、设备大小、设备上连接管线的多少、管径的粗细、检修的频繁的程度等各种因素，再根据生产经验，决定安全间距。 4. 便于安装和检修 （1）设备要排列整齐，避免过挤过松，要充分考虑工人的操作和交通便利。原料、成品及排出物要有适当的位置和必要的运输通道； （2）塔和立式设备的人孔，应该对着空场地或检修通道而布置在同一方向。卧式容器的人孔则应布置在一条线上等； （3）必须考虑设备如何运入或搬出车间，对于运入或搬出次数较多时，宜设大门（大门宽度比最大设备宽0.5m）；对于外型尺寸特大的设备，可设安装洞即在外墙预留洞口，待设备运入之后，再行砌封； （4）有些设备例如反应釜、塔式设备等安装时一半在楼下，一半在楼上，可从楼板上安装孔吊上； （5）设备应尽可能避免布置在窗前，以免影响采光和开窗，如必须布置在窗前时，设备与墙间的净距应大于600m； （6）应考虑安装临时起重运输设备的场所及预埋吊钩，以便悬挂起重葫芦，拆卸及检修设备。 5要有良好的操作条件 设备布置时，要考虑采光条件，工人应背光操作，另外还要考虑通风。通风措施应根据生产过程中有害物质，易燃、易爆气体的浓度及爆炸极限及厂房的温度决定。此外，还应考虑厂房的卫生条件。厂房太热或太冷，没有通风设备及保暖设备；平台、楼梯位置不妥当，碰头等，这些都必须加以改善。 下图为生产车间布置图八、 对设计的评述及结论本课程是材料科学与工程专业的一门实用性和技术性很强的专业课程。学习本课程的目的是使学生在学完材料科学与工程专业的有关课程后，尤其是在学完材料合成工艺学这门课程后，综合运用3年所学的全部知识，进行工厂的初步设计。通过专业课程设计使我们掌握应具备的基本设计技能，待走上工作岗位后既能担负起工厂技术改造的任务，又能进行车间或全厂的工艺设计。做任何事情只有付出了才会有收获。从最初的无从着手，到一遍又一遍的计算，终于还是将其完成了。期间的过程虽然说是曲折的，但是最终还是学到了很多东西。本次课程设计，我们查阅了相关的文献，理清了自己的设计思路，通过对聚醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作的方案设计，提高了我们综合应用专业知识解决工程实际问题的能力，培养了我实事求是、耐心细致及严谨负责的工作作风。通过对聚醋酸乙烯酯乳液聚合间歇操作的方案中生产装置的设计，我了解了化工生产装置开发的全过程及特点，了解了化工设计过程中工艺设计的重要意义及作用，了解了各种专业知识在工程实践中是如何应用的，掌握了化工工艺设计的基本步骤、主要内容及工作方法，掌握了现代化设计工具，提高了工程技术能力及工程制图能力，为将来成为现代化工程技术人员打下坚实的基础。九、 参考文献1. 陈昀主编. 聚合物合成工艺设计. 北京：化学工业出版社，2004.62. 娄爱娟，吴志泉，吴叙美. 化工设计. 上海：华东理工大学出版社， 2002.73. 时均，陈敏恒等主编. 化学工程手册. 北京：化学工出版社，19964. 王久芬. 高聚物合成工艺. 北京：国防工业出版社，2005.75. 刘光启等编. 化学化工物性数据手册. 北京：化学工业出版社，2002