丙烯酸酯—苯乙烯共聚物乳液生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)論文 題目：丙烯酸酯苯乙烯共聚物乳液生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)目 錄一、概述.- 1 -1.1 原料介紹-1-二、生產(chǎn)方法的選擇和流程設(shè)計(jì).221 工藝流程說(shuō)明及操作步驟.- 2 -22 丙烯 酸酯苯乙烯共聚物乳液生產(chǎn)流程框圖.- 2 -三、設(shè)備計(jì)算和選型.- 3 -3.1 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和材質(zhì).- 3-3.2 反應(yīng)釜中物質(zhì)的平均密度m的計(jì)算.- 3 -3.3 反應(yīng)釜的計(jì)算和選型.- 4 -四、環(huán)境保護(hù)與安全措施.- 5 -4.1 環(huán)境保護(hù).54.2 安全措施.5五、心得體會(huì).6六、參考文獻(xiàn)：.7 一、概 述苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液也稱(chēng)苯-丙乳液。它由苯乙烯和丙烯酸酯類(lèi)單體、引發(fā)劑、乳化劑等通過(guò)乳液

2、聚合反應(yīng)制得的共聚物乳液。用它作建筑涂料的基料，配以各種助劑、顏料和填料就可制成各種色調(diào)鮮艷的乳膠涂料。這類(lèi)涂料具有突出的耐水、耐候、保光、保色性能，對(duì)墻面附著力強(qiáng)，干燥速度快，施工方法多樣，可噴、可刷，也可輥涂，施工效率高，既可外用，也可內(nèi)用；既可制成平光涂料，也可制成半光和有光涂料；既可制成高檔涂料在現(xiàn)代化高層建筑中使用，又可制成低檔品種在一般建筑中使用。是當(dāng)今國(guó)外發(fā)展最快的水性涂料，也是我國(guó)外墻涂料的主要品種。 建筑涂料的發(fā)展方向是無(wú)毒安全、節(jié)約資源、有利于環(huán)境保護(hù)的水性涂料和無(wú)公害低污染涂料。不斷提高水性涂料的質(zhì)量，開(kāi)發(fā)新的品種，是鞏固和發(fā)展水性建筑涂料的重要環(huán)節(jié)之一。 苯丙乳液是膠體

3、分散體系，具有明顯的膠體化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)苯丙乳液與水泥或其他顏料混合均勻后，苯丙乳粒子向漿體內(nèi)分散，被吸附在其他顏料、水泥凝膠及未水化的水泥粒子的表面上。聚合物粒子封閉了水泥凝膠及未水化水泥粒子的微孔和毛細(xì)管孔，水泥進(jìn)一步水化由于聚合物粒子被吸附在水泥凝膠表面上，使水泥漿體內(nèi)存在足夠的水分，防止了水泥的結(jié)塊現(xiàn)象，因此苯丙乳液水泥漆具有一定的貯存穩(wěn)定性。苯丙乳液實(shí)際上是由苯乙烯和丙烯酸酯類(lèi)單體共聚而成，本文從最終產(chǎn)品的性能比考慮，選定由苯乙烯和丙烯酸酯共聚體系，并加入少量丙烯酸作為交聯(lián)劑。反應(yīng)過(guò)程按自由基加成方式聚合。 苯丙乳液具有色彩豐富、美觀大方、施工簡(jiǎn)便、工期短、工效高;特別具有保色性；耐污染

4、性的優(yōu)點(diǎn)。適用外墻涂料、彩色涂料、復(fù)層花紋涂料、內(nèi)墻涂料、防水涂料等建筑裝飾領(lǐng)域。本文對(duì)苯丙乳液的聚合機(jī)理、合成工藝、影響因素及產(chǎn)物的性能檢測(cè)作了詳細(xì)的介紹。這對(duì)于制備出高質(zhì)量的苯丙乳膠涂料具有很大的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義 通過(guò)乳液聚合方法制備的聚合物乳液具有很多的特殊性能,其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用,特別是水基型乳液更是受到青睞。但水乳型產(chǎn)品干燥速度較慢的缺點(diǎn)卻制約了其應(yīng)用,為了彌補(bǔ)這一缺陷,以提高乳液固含量為目的的研究受到了人們重視。高固含量乳液不僅可以提高干燥速度,而且還可以減少干燥、貯存及運(yùn)輸過(guò)程中的能耗,克服了低固含量水溶性乳液的某些局限性。但乳液的高固含量與低黏度是相互矛盾的,高固含量乳液的聚合反應(yīng)

5、常常因黏度增大而失去穩(wěn)定性,導(dǎo)致反應(yīng)失敗。利用預(yù)乳化半連續(xù)乳液聚合方法,系統(tǒng)研究了苯乙烯/丙烯酸丁酯/丙烯酸共聚物(st/ba/aa)高固含量乳液的制備工藝,并探討了各種影響因素對(duì)乳液性能的影響。1.1 原料介紹 1.1.1 主要原料苯乙烯(st)、丙烯酸丁酯(ba),北京東方化工廠;丙烯酸(aa),分析純,天津化學(xué)試劑研究所，十二烷基硫酸鈉(aes),北京宏開(kāi)永勝精細(xì)化工有限公司，烷基酚聚氧乙烯醚(op-10),廣州市匯采涂料化學(xué)品有限公司;過(guò)硫酸銨(aps),分析純,北京化學(xué)試劑二廠。 1.1.2 原料介紹（1）苯乙烯苯，別名：乙烯基苯；乙烯苯 英文名：styrene；phenylethy

6、lene 性質(zhì)：無(wú)色油狀易燃液體，強(qiáng)折射性和芳香氣味。溶點(diǎn)：-33 沸點(diǎn)：146 比重：0.9045（25/25） 密度：754.33公斤/立方米 閃點(diǎn)：31.1 自燃溫度：490.不溶于水，溶于乙醇及乙醚。能聚合，也能與其他單體共聚，聚合時(shí)放出熱量，能引起爆炸。用途：本品用于聚苯乙烯、合成橡膠、工程塑料、離子交換樹(shù)脂、醫(yī)藥等工業(yè)。 (2) 丙烯酸丁酯，英文名：butyl acrylate 性質(zhì)：無(wú)色液體，易燃。比重：0.898(20/4) 沸點(diǎn)：145146 凝固點(diǎn)：-64 閃點(diǎn)：48.9 不溶于水，能與乙醇、乙醚混溶，遇熱容易聚合。（3） 十二烷基硫酸鈉，別名：椰油醇硫酸鈉 性質(zhì)：白色或微

7、黃色粉末 熔點(diǎn)：200以上 ，稍具脂肪味 濃度：25%40%的產(chǎn)品為無(wú)色或淡黃的膏狀物，溶于水。用途：在化妝品中做乳化劑，在牙膏中作發(fā)泡劑，亦是液體洗滌劑的主要原料。 （4） 過(guò)硫酸銨，別名：高硫酸銨，過(guò)二硫酸銨 英文名：ammonium persulfate性質(zhì)：無(wú)色單斜結(jié)晶或白色結(jié)晶粉末 相對(duì)密度：1.982，熔點(diǎn)：120（分解）,分解時(shí)放出氧而變成焦硫酸銨。干燥環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性；在潮濕環(huán)境中易受潮結(jié)塊，逐漸分解放出氧和臭氧。溶于水，在溫水中其溶解度增大，受熱發(fā)生分解，生成酸性硫酸銨和過(guò)氧化氫。具有強(qiáng)氧化性和腐蝕性。用途：可做氧化劑、漂白劑、脫臭劑，高分子聚合的助聚劑，氯乙烯化合物的

8、聚合引發(fā)劑，特別是用于乳化聚合和氧化還原聚合。亦用作過(guò)硫酸銨和雙氧水的原料，以及制造苯胺染料。還用于肥皂和油脂的漂白、金屬的蝕刻和食品的保存劑等。 (5) 丙烯酸，英文名：acrylic acid 結(jié)構(gòu)式：c3h4o2 溶解性： 與水混溶，可混溶于乙醇、乙醚。 主要用途： 用于樹(shù)脂制造、合成橡膠乳液制造等領(lǐng)域。 二、生產(chǎn)方法的選擇和流程設(shè)計(jì) 現(xiàn)采用丙烯酸酯和苯乙烯在引發(fā)劑的作用下，以乳液聚合法聚合。該法優(yōu)點(diǎn)如下：聚丙烯酸酯彈性好，特別適用于溫度變化劇烈、脹縮系數(shù)變化較大的戶外使用。 苯乙烯的價(jià)格比甲基丙烯酸便宜，丙烯酸酯苯乙烯共聚物乳液具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，所以發(fā)展迅速，有廣闊的使用前途，在外用建筑涂

9、料中得到廣泛應(yīng)用，是目前使用較多的一種丙烯酸酯涂料。21 工藝流程說(shuō)明及操作步驟在反應(yīng)釜中先加入25%的去離子水和2%乳化劑op-10，啟動(dòng)攪拌并升溫；將1%乳化劑op-10、0.5%十二烷基硫酸鈉、24.5%丙烯酸丁酯、24.5%丙烯酸丙酯、49%苯乙烯、2%丙烯酸和25%去離子水加進(jìn)計(jì)量高位槽充分混合乳化；將0.4%過(guò)硫酸銨各40%的去離子水加入計(jì)量高位槽中充分混合，待反應(yīng)釜的溫度升到80在2小時(shí)內(nèi)滴加完成；將0.06%的過(guò)硫酸銨和5%的去離子水在反應(yīng)釜的溫度升到90時(shí)，半小時(shí)加完。反應(yīng)結(jié)束后降溫，得產(chǎn)物。 22 丙烯酸酯苯乙烯共聚物乳液生產(chǎn)流程框圖1%乳化劑op-10、0.5%十二烷基硫

10、酸鈉、24.5%丙烯酸丁酯、24.5%丙烯酸丙酯、49%苯乙烯、2%丙烯酸和25%去離子水反應(yīng)釜25%的去離子水和2%乳化劑op-100.4%過(guò)硫酸銨各40%的去離子水0.06%的過(guò)硫酸銨和5%的去離子水乳液桶裝預(yù)乳化滴加先加恒溫后加質(zhì)控點(diǎn)檢測(cè)細(xì)度、粘度維持一定的反應(yīng)溫度和時(shí)間三、設(shè)備計(jì)算和選型3.1 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)（1）材質(zhì)：選用搪玻璃（2）結(jié)構(gòu)為：k型3.2 反應(yīng)釜中物質(zhì)的平均密度m的計(jì)算根據(jù)1/m = i/i其中 i第i中物料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，di = mi/m i第i中物料的密度 mi第i中物料的質(zhì)量 m 總物料量物質(zhì)名稱(chēng)苯乙烯丙烯酸丙烯酸丁酯乳化劑op-10十二烷基硫酸鈉過(guò)硫酸銨質(zhì)量

11、kg27763113.327763111127.822.2密度/cm30.911.050.8991.070.251.98 1/m = i/i= 2776.3/（0.915799.2）+ 113.3/（1.055799.2）+2776.3/（0.8995799.2）+1111/（1.075799.2）+27.8/(0.255799.2)+ 22.2/(1.985799.2) =1.117m = 1/1.117 = 0.895 g/cm3 = 0.895kg/l物質(zhì)總體積為：m/m =5799.2/ 0.895 = 6479.55l3.3 反應(yīng)釜的計(jì)算和選型3.3.1 確定筒體和封頭型式從該反應(yīng)的

12、反應(yīng)條件和反應(yīng)現(xiàn)象可以得知它是屬于帶攪拌的低壓反應(yīng)釜類(lèi)型，根據(jù)慣例，選擇圓柱形筒體和橢圓形封頭。3.3.2 確定筒體和封頭直徑 反應(yīng)物料先為液固相類(lèi)型，后為液液相類(lèi)型，查表可得出，h/di為11.3。該反應(yīng)的狀態(tài)為無(wú)泡沫和無(wú)沸騰情況，黏度也不大，故可取裝料系數(shù)=0.7。反應(yīng)物總體積為6479.55l，則反應(yīng)釜容積為：6479.55/0.7 = 9256.50l，取反應(yīng)釜容積為10000l即10m3，考慮到容器比較大，可取h/di = 1.1，這樣可使直徑不致太大。 反應(yīng)釜直徑估算： di = 4v/（h/di） 1/3 =410/(3.141.1) 1/3 =2.43待添加的隱藏文字內(nèi)容2圓整

13、至公稱(chēng)直徑標(biāo)準(zhǔn)系列，取=2400mm。封頭取相同的內(nèi)徑，其曲面高度由表查得h1 = 600mm，直邊高度h2，查表可取40mm。3.3.3 確定筒體高度 當(dāng)di = 2400mm，h2 =25mm時(shí)，從表查得橢圓形封頭的容積vh =2.00m3，再查表得筒體每一米高的容積v1 = 4.524m3/m，則筒體高估算為： h =（v vh）/ v1 =（10 2.00）/4.524 = 2.65m 取h為2.7m，于是h/di = 2.7/2.4 = 1.13.3.4 確定夾套直徑 查表得：di = di + 200 = 2400 + 200 = 2600mm 夾套封頭也采用橢圓形，并與夾套筒體取

14、相同直徑。3.3.5 確定夾套的高度 夾套筒體的高度估算：hi =（v - vh）/v1（0.8 10 2.00）/4.524 = 2.034 m 取hi為2000mm。3.3.6 傳熱面積當(dāng)di=2400mm時(shí)，從表查出fh=7.55m2，f1=6.52，則f=fh+1.1 f1=7.55+1.16.52=14.722反應(yīng)釜的規(guī)格按上述各步計(jì)算所得，對(duì)于技術(shù)參數(shù)可根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況選公稱(chēng)容積為10000l的搪玻璃反應(yīng)缸的技術(shù)參數(shù)。四、環(huán)境保護(hù)與安全措施4.1 環(huán)境保護(hù)（1）“三廢的來(lái)源”化工生產(chǎn)有很多工藝需要各種酸作為催化劑，自然而言就存在不少的廢水廢酸有等處理。生產(chǎn)過(guò)程中工業(yè)廢水的主要來(lái)源

15、式聚合反應(yīng)中生成的水；水洗產(chǎn)生的廢水。副反應(yīng)生成的酯、醚和廢酸等。（2）治理方法目前，各部門(mén)對(duì)三廢的治理都極為關(guān)注。治理廢水的一些方法：a 首先從生產(chǎn)工藝上進(jìn)行改進(jìn)，使生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生或少產(chǎn)生工業(yè)廢水，或使廢水少含或不含有毒物質(zhì)。對(duì)必須排放的廢水，盡最大可能回收有用物質(zhì)，變廢為寶、化害為利。b 減少?gòu)U水排放量：根據(jù)工藝過(guò)程用水對(duì)水質(zhì)的不同要求，采用多次利用，分級(jí)分段串連使用，并采用閉路循環(huán)等措施，以減少?gòu)U水的排放量。同時(shí)也有利于節(jié)約用水。清水與污水分流管理：例如作為間接冷卻水，是不被污染的清水，可經(jīng)過(guò)降溫處理后，閉路循環(huán)使用。而作為工藝水與過(guò)程物料直接接觸的水，如洗滌水，可能受到嚴(yán)重污染，這種水

16、必須經(jīng)過(guò)有效處理，使之無(wú)害化。污染水與未被污染的水分流管理，可使處理的廢水量大大減少。c 十二烷基硫酸鈉，對(duì)皮膚和眼睛有一定的刺激作用，生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)密閉，操作人員應(yīng)穿戴好防護(hù)用具。丙烯酸的存在會(huì)產(chǎn)生大量的廢水廢酸，應(yīng)注意分離之后再排放。4.2 安全措施（1）苯乙烯：健康危害： 對(duì)眼和上呼吸道粘膜有刺激和麻醉作用。急性中毒：高濃度時(shí)，立即引起眼及上呼吸道粘膜的刺激，出現(xiàn)眼痛、流淚、流涕、噴嚏、咽痛、咳嗽等，繼之頭痛、頭暈、惡心、嘔吐、全身乏力等；嚴(yán)重者可有眩暈、步態(tài)蹣跚。眼部受苯乙烯液體污染時(shí)，可致灼傷。慢性影響：常見(jiàn)神經(jīng)衰弱綜合征，有頭痛、乏力、惡心、食欲減退、腹脹、憂郁、健忘、指顫等。對(duì)呼吸道

17、有刺激作用，長(zhǎng)期接觸有時(shí)引起阻塞性肺部病變。皮膚粗糙、皸裂和增厚。環(huán)境危害： 對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重危害，對(duì)水體、土壤和大氣可造成污染。燃爆危險(xiǎn)：易燃，為可疑致癌物，具刺激性。操作注意事項(xiàng)： 密閉操作，加強(qiáng)通風(fēng)。操作人員必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。建議操作人員佩戴過(guò)濾式防毒面具，戴化學(xué)安全防護(hù)眼鏡，穿防毒物滲透工作服，戴橡膠耐油手套。遠(yuǎn)離火種、熱源，工作場(chǎng)所嚴(yán)禁吸煙。使用防爆型的通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備。防止蒸氣泄漏到工作場(chǎng)所空氣中。避免與氧化劑、酸類(lèi)接觸。灌裝時(shí)應(yīng)控制流速，且有接地裝置，防止靜電積聚。搬運(yùn)時(shí)要輕裝輕卸，防止包裝及容器損壞。配備相應(yīng)品種和數(shù)量的消防器材及泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。倒空的容器可能殘留

18、有害物。儲(chǔ)存注意事項(xiàng)： 通常商品加有阻聚劑。儲(chǔ)存于陰涼、通風(fēng)的庫(kù)房。遠(yuǎn)離火種、熱源。庫(kù)溫不宜超過(guò)30。包裝要求密封，不可與空氣接觸。應(yīng)與氧化劑、酸類(lèi)分開(kāi)存放，切忌混儲(chǔ)。不宜大量?jī)?chǔ)存或久存。采用防爆型照明、通風(fēng)設(shè)施。禁止使用易產(chǎn)生火花的機(jī)械設(shè)備和工具。儲(chǔ)區(qū)應(yīng)備有泄漏應(yīng)急處理設(shè)備和合適的收容材料。（2）十二烷基硫酸鈉： 其具有一定的刺激性，對(duì)人的皮膚有低度刺激，對(duì)眼睛刺激較大，當(dāng)濺到皮膚后，立即用清水沖洗，濺入眼睛用清水沖洗15min或用硼砂水沖洗。操作設(shè)備應(yīng)密閉，現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)，操作人員配戴防毒面具。（3）過(guò)硫酸銨具有強(qiáng)氧化性和腐蝕性，操作時(shí)一定要注意不要濺到皮膚上，如果不慎濺到，立即用清水沖洗，并涂

19、抹一些藥品在皮膚上。（4） 丙烯酸：易燃，其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物。遇明火、高熱能引起燃燒。與氧化劑能發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。丙烯酸甲酯容易自聚，聚合反應(yīng)隨著溫度的上升而急驟加劇。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，遇明火會(huì)引著回燃。燃燒（分解）產(chǎn)物：一氧化碳、二氧化碳。呼吸系統(tǒng)防護(hù)：空氣濃度超標(biāo)時(shí)應(yīng)該佩戴自吸過(guò)濾式防毒面具（半面罩）。 眼睛防護(hù)：戴化學(xué)安全防護(hù)眼鏡。 身體防護(hù)：穿防靜電工作服。 手防護(hù)：戴橡膠手套。五、心得體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我感到無(wú)比的高興，也學(xué)會(huì)了很多，收獲很多，也有一些自己的體會(huì)，此次工藝設(shè)計(jì)課程，可以培養(yǎng)我針對(duì)一些具體問(wèn)題去查找資料、在茫茫的資料中進(jìn)行分析綜合

20、，進(jìn)而提煉精華，最后成為我所用的資料；這些不僅鞏固了我的基本知識(shí)，而且讓我對(duì)以后走向?qū)嶋H生產(chǎn)有了更高的自信。其實(shí)，在這一次的課程設(shè)計(jì)的任務(wù)雖然沒(méi)有包括工藝設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，但是已經(jīng)包括制定設(shè)計(jì)方向，生產(chǎn)方案的的確定，生產(chǎn)流程的設(shè)計(jì)，主要設(shè)備的工藝計(jì)算及選型，環(huán)保及安全措施等。所涉及的知識(shí)可以說(shuō)是攬括了我們四年的知識(shí)，包括了涂料化學(xué)，化工原理和化工設(shè)計(jì)、工程制圖、甚至物理化學(xué)等等，期間需要翻看以前的書(shū)籍和大量的文獻(xiàn)及各種參考書(shū)籍。這個(gè)充分的考驗(yàn)我們的耐心，設(shè)計(jì)期間遇到許許多多的問(wèn)題，從這里學(xué)到知識(shí)，使我覺(jué)得這一次的設(shè)計(jì)非常的有意義。 六、 參考文獻(xiàn)1 王沛熹，姜冬梅，趙紅.苯乙烯-丙烯酸酯類(lèi)聚合物的開(kāi)發(fā)m，吉林市圖書(shū)館2004年第一期2蔣國(guó)忠. 改性苯乙烯一丙烯酸醋防水防油劑的研究m,常州市靈達(dá)化學(xué)品有限公司，23卷第3 ,2008年9月趙晨陽(yáng)李效玉. 高固含量的苯乙烯/丙烯酸丁酯/丙烯酸共聚物乳液的制備m,北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 第24卷第7期,2004年7月3李克華,趙修太,鄭延成,陳迎偉. 丙烯酸酯苯乙烯共聚物降凝劑的合成m,江漢石油學(xué)院化工系,湖北荊州4 王亨權(quán),徐寶財(cái),徐理阮,潘榕偉. 苯乙烯一丙烯酸醋共聚乳液及其涂料的制備研究m,北京輕工業(yè)學(xué)院化學(xué)工程系, 第12卷第1期，1994年6月5 安靜，李雪艷