年產(chǎn)1萬噸溶劑型丙烯酸酯壓敏膠生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)

[12]。物料衡算方程可通過對(duì)一個(gè)反應(yīng)器微元段應(yīng)用應(yīng)用質(zhì)量守恒定律得出，即單位時(shí)間內(nèi)物對(duì)整個(gè)反應(yīng)器積分后得到總的物料衡算。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1.產(chǎn)品名稱：溶劑型丙烯酸酯壓敏膠2.年工作日：300天3.生產(chǎn)能力：1萬噸4.相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表4-1表4-1技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目?jī)?nèi)容技術(shù)指標(biāo)聚合物損失率2%聚合物質(zhì)量單體溶液濃度45%（質(zhì)量）引發(fā)劑用量0.3%單體質(zhì)量交聯(lián)劑用量0.5%單體質(zhì)量溶劑用量55%（質(zhì)量）注：聚合物損失率后處理工藝中的損失率。5.質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：原料均看作純物質(zhì)。6.化學(xué)變化參數(shù)：聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率視為100%。選擇計(jì)算基準(zhǔn)和計(jì)量單位間歇生產(chǎn)，每天生產(chǎn)33333.33kg，分三批次生產(chǎn)，每批次11111.11kg。以批為計(jì)算基準(zhǔn)，單位為kg。計(jì)算投料質(zhì)量生產(chǎn)過程中，聚合物損失率為2%。1.每批次應(yīng)生產(chǎn)的聚合物數(shù)量為：10000×10002.引發(fā)劑AIBN（0.3%單體質(zhì)量，相對(duì)分子質(zhì)量為164.21）分解生成N2（相對(duì)分子質(zhì)量為28.01）和自由基，自由基全部結(jié)合到聚合物中，每批次生成的N2的質(zhì)量：設(shè)每批次生成的N2的質(zhì)量為x。其占單體質(zhì)量的百分比為：28.01根據(jù)N2與單體質(zhì)量間的關(guān)系列等式：11337.87+解得：x3.單體100%轉(zhuǎn)化成聚合物，則每批次單體（45%總質(zhì)量）總投料量為：（4.引發(fā)劑AIBN每批次投料量為：5103.21×0.3%=15.315.交聯(lián)劑MDI（0.5%單體質(zhì)量）每批次投料量為：5103.21×0.5%=25.526.根據(jù)單體配比BA∶2-EHA∶MMA∶2-HPA=5∶3∶1∶1，分別計(jì)算這四種單體每批次的投料量：四種單體每批次總投料量：5103.21-15.31-25.52=5062.38kg丙烯酸丁酯每批次投料量：5062.38×50%=2531.19丙烯酸異辛酯每批次投料量：5062.38×30%=1518.71甲基丙烯酸甲酯每批次投料量：5062.38×10%=506.24丙烯酸羥丙酯每批次投料量：5062.38×10%=506.247.溶劑乙酸乙酯每批次投料量：（物料衡算結(jié)果見表4-2表4-2生產(chǎn)溶劑型丙烯酸酯壓敏膠物料衡算表輸入輸出組分質(zhì)量（kg/批）組分質(zhì)量（kg/批）丙烯酸丁酯2531.19氮?dú)?.60丙烯酸異辛酯1518.71聚合物損耗226.76甲基丙烯酸甲酯506.24溶劑型丙烯酸酯壓敏膠11111.11丙烯酸羥丙酯506.24偶氮二異丁腈15.31二苯甲烷-4,4＇-二異氰酸酯25.52乙酸乙酯6237.26合計(jì)11340.47合計(jì)11340.47熱量衡算熱量衡算原理能量守恒定律在涉及熱現(xiàn)象宏觀過程的具體表述即為熱力學(xué)第一定律：?U=式中?U為系統(tǒng)熱力學(xué)能的變化，系統(tǒng)與環(huán)境的熱交換為Q（傳入熱量為正、傳出熱量為負(fù)），與環(huán)境的功交換為W，kJ；反應(yīng)釜熱量衡算式本設(shè)計(jì)中的熱量衡算主要體現(xiàn)在聚合反應(yīng)釜。對(duì)于有傳熱要求的的設(shè)備，其熱量平衡方程為：Q1式中,Q1—物料帶入到設(shè)備的熱量，kJQ2—加熱劑或冷卻劑傳給設(shè)備和所處理物料的熱量，kJQ3—過程熱效應(yīng)（放熱為正，吸熱為負(fù)），kJQ4—物料離開設(shè)備所帶走的熱量，kJQ5—加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量，kJQ6—設(shè)備向環(huán)境散失的熱量，kJ物料熱量衡算以批為單位。反應(yīng)釜熱量衡算1.生產(chǎn)壓敏膠所用原料的比熱推算：對(duì)于液體的熱容，根據(jù)《化工工藝計(jì)算》P130中的公式C式中，k，a—常數(shù)，如表4-3所示；M—化合物分子量。表4-3有機(jī)熱容計(jì)算式中的常數(shù)有機(jī)物ka醇3.56-0.1000酸3.81-0.1520酮2.46-0.0135酯2.51-0.0573脂肪烴3.68-0.1130丙烯酸丁酯C丙烯酸異辛酯C甲基丙烯酸甲酯C丙烯酸羥丙酯C乙酸乙酯C對(duì)于固體的熱容，根據(jù)公式C式中，M—化合物分子量；ni—分子中同種元素原子數(shù)；Ci—元素的原子比熱容，kJ/(kg·℃查閱《制藥工程工藝設(shè)計(jì)》P111，得到各原子的摩爾熱容數(shù)據(jù)，見表4-4表4-4元素原子的摩爾熱容原子Ca（kcal/(kmol·℃）C1.8H2.3O4.0N2.6AIBNCMDIC由前面物料衡算的結(jié)果可知，m1=2531.19kg，m2=1518.71kg，m3=506.24kg，m4=506.24kg，m5=6237.26kg，m6=15.31kg，m7=25.52kg。2.升溫階段在此階段中，單體及溶液進(jìn)料溫度為25℃，升溫至80℃，由于還未加入引發(fā)劑，故假設(shè)單體不發(fā)生聚合反應(yīng)。Q=25+同理，Q=80+由于乙酸乙酯沸點(diǎn)為77.2℃，在升溫至80℃過程中會(huì)汽化，查《化工原理》（上）附錄三可知，乙酸乙酯汽化熱為368kJ/kg，（乙酸乙酯汽化吸熱，在后續(xù)計(jì)算中注意添上負(fù)號(hào)）故Q根據(jù)工藝操作經(jīng)驗(yàn)，（Q5+Q6）一般為（QQ由Q1+=1.7350×=3.6187計(jì)算所得Q2為正值，即該階段應(yīng)使用加熱劑使物料在30分鐘內(nèi)升溫至80℃，所選加熱劑為0.6MPa飽和水蒸氣，其對(duì)應(yīng)溫度為160℃，查閱《化工原理》（上）附錄八可知，其汽化潛熱為2082.3kJ/kg，則水蒸氣用量m3.聚合階段聚合階段溫度維持在80℃，同時(shí)向反應(yīng)釜中投入引發(fā)劑AIBN（進(jìn)料溫度為25℃），引發(fā)物料進(jìn)行聚合反應(yīng)。Q=2531.19×1.9006×80+1518.17×1.8615×80+506.24×1.9277×80+506.24×1.8990×80+6237.26×1.9419×80+同理，Q=2531.19×1.9006×80+1518.17×1.8615×80+506.24×1.9277×80+506.24×1.8990×80+6237.26×1.9419×80+聚合反應(yīng)的聚合熱可按聚合過程中碳碳雙鍵的斷裂和碳碳單鍵的形成計(jì)算，此外，引發(fā)劑分解時(shí)有C-N鍵的斷裂和C-C鍵、N≡N鍵的形成（化學(xué)鍵斷裂吸熱，化學(xué)鍵形成放熱），其鍵能查閱《有機(jī)化學(xué)》（第2版）P4可知，見表4-5表4-5共價(jià)鍵鍵能序號(hào)共價(jià)鍵鍵能kJ/mol1C-C345.62C=C610.03C-N304.64C=N748.95C-O357.76O-H462.87N≡N946.08N-H390.8Q=×=3090.8322Q由Q1+=1.7366×計(jì)算所得Q2為正值，即該階段應(yīng)使用加熱劑使聚合反應(yīng)溫度維持在80℃左右，所選加熱劑為與升溫階段相同，均為0.6MPm4.冷卻階段聚合反應(yīng)后，需將物料冷卻至50℃，再將交聯(lián)劑MDI加入，等待其完全溶解即可出料。Q=2531.19×1.9006×80+1518.71×1.8615×80+506.24×1.9277×80+506.24×1.8990×80+6237.26×1.9419×80+1.0573×25Q=2531.19×1.9006×50+1518.71×1.8615×50+506.24×1.9277×50+506.24×1.8990×50+6237.26×1.9419×50+1.0573×50=1.0867×在冷卻過程中，乙酸乙酯冷凝放熱，加入的交聯(lián)劑MDI溶解時(shí)放熱（熔融熱為101.6kJ/kg），交聯(lián)過程在此只考慮C=N鍵、O-H鍵的斷裂和C-O鍵、N-H鍵的形成（由于交聯(lián)過程中反應(yīng)比較復(fù)雜，且熱量變化在這一階段占比極小）。Q=6237.26×368+25.52×101.6+2×Q由Q1+=1.0867×計(jì)算所得Q2為負(fù)值，即該階段應(yīng)使用冷卻劑使反應(yīng)釜溫度在90分鐘內(nèi)冷卻至50mTc—冷卻水進(jìn)口溫度為20Th—冷卻水出口溫度為30Cp—水的比熱容（20℃與30℃之間的平均比熱容），查閱《化工原理》（上）附錄五可知，Cp則m表6-3生產(chǎn)溶劑型丙烯酸酯壓敏膠的各階段熱量衡算表階段名稱輸入kJ輸出kJ升溫Q15.4218×Q41.7350×Q23.6187Q5+Q61.3059×Q32.2953×水蒸氣用量1737.8400聚合Q11.7355×Q41.7366×Q21.2872Q5+Q61.3071×Q33090.8322水蒸氣用量61.8163冷卻Q11.7373Q41.0867×Q2-2.8666Q5+Q68.1794×Q32.2978×冷卻水用量6.8677×設(shè)備設(shè)計(jì)及選型主要設(shè)備設(shè)計(jì)選型反應(yīng)釜體積計(jì)算根據(jù)物料衡算的結(jié)果可知，各物料每批次所需加入的質(zhì)量，結(jié)合其密度，即可計(jì)算出每批次物料的總體積V==+初步設(shè)計(jì)兩套反應(yīng)釜，由于反應(yīng)過程中乙酸乙酯會(huì)沸騰起泡，故裝料系數(shù)取0.65，則每套反應(yīng)釜總體積為V=125100.652反應(yīng)釜靜壓力和溫度計(jì)算反應(yīng)釜溫度可用公式PT混合液平均密度ρn1.044+6237.26×0.902+15.31×=0.908已知P則工作壓力P又設(shè)計(jì)壓力為工作壓力的110%，則設(shè)計(jì)壓力為Pc已知聚合溫度為80℃，則取設(shè)計(jì)溫度100℃，計(jì)算所得設(shè)計(jì)壓力為0.1248MPa，又原料和產(chǎn)物對(duì)鋼材的腐蝕不大，因此反應(yīng)釜的材質(zhì)選用不銹鋼。反應(yīng)釜換熱核算升溫階段向反應(yīng)釜的夾套中通入0.6MPa飽和水蒸氣加熱，其溫度為160℃，查閱《化工原理》（上）附錄八可知，密度為3.256kg/m3。該階段需將物料在30分鐘內(nèi)從25℃加熱至80℃，飽和水蒸氣在管道的流速一般為20～40m/s，本設(shè)計(jì)選取40m/s，反應(yīng)釜水蒸氣進(jìn)孔直徑為0.07m。每套反應(yīng)釜應(yīng)通入的飽和水蒸氣量為868.9200kg。V=d單位時(shí)間每套反應(yīng)釜傳熱量為Q=傳熱系數(shù)取1450W/(m·℃)，故換熱面積A=又反應(yīng)釜夾套面積A=即升溫階段反應(yīng)釜符合要求。由于聚合階段需要的飽和水蒸氣量比升溫階段少，且反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，為6h，故聚合階段反應(yīng)釜符合要求。冷卻階段向反應(yīng)釜的夾套中通入水冷卻，冷卻水進(jìn)口溫度為20℃，出口溫度為30℃，查閱《化工原理》（上）附錄五可知，水在20℃密度為997.0kg/m3。該階段需將物料在90分鐘內(nèi)從80℃冷卻至50℃，水在管道的流速一般為1～2m/s，本設(shè)計(jì)選取2m/s，反應(yīng)釜冷卻水進(jìn)孔直徑為0.07m。每套反應(yīng)釜應(yīng)通入的冷卻水量為3.4334×104V=d單位時(shí)間每套反應(yīng)釜傳熱量為Q=故換熱面積A=即冷卻階段反應(yīng)釜符合要求。綜上，反應(yīng)釜換熱符合要求。設(shè)備一覽表表5-1設(shè)備一覽表名稱規(guī)格材質(zhì)數(shù)量/套反應(yīng)釜R101、R10210m3不銹鋼2離心泵P101-P106不銹鋼6儲(chǔ)罐V101-V10410m3不銹鋼4臥式儲(chǔ)罐V105、V10650m3不銹鋼2冷凝器E101、E102不銹鋼2車間布置車間布置原則車間布置應(yīng)盡可能按照工藝流程順序?qū)υO(shè)備進(jìn)行布置，同時(shí)根據(jù)廠房大小及設(shè)備尺寸對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行排列，排列時(shí)要考慮設(shè)備尺寸、運(yùn)輸通道、檢修空間以及安全距離等，同時(shí)還要滿足安全、衛(wèi)生和環(huán)保要求，具體規(guī)范參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。車間布置依據(jù)表6-1設(shè)計(jì)依據(jù)名稱標(biāo)準(zhǔn)號(hào)《化工裝置管道布置設(shè)計(jì)規(guī)定》HG/T20549-1998《化工裝置管道材料設(shè)計(jì)規(guī)定》HG/T20646-1999《管道儀表流程圖設(shè)計(jì)規(guī)定》HG20559-1993《石油化工給水排水管道設(shè)計(jì)規(guī)定》SH3034-1999《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)定》GB50160-2008《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GBZ1-2010《石油化工設(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范》SH3010-2000《化學(xué)工業(yè)給水排水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50873-2013《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2014《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058-1992《化工企業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計(jì)規(guī)定》HG20571-1995《工業(yè)企業(yè)廠房噪聲標(biāo)準(zhǔn)》GB12348-2008車間布置詳情本設(shè)計(jì)聚合階段選用10m3反應(yīng)釜雙釜并聯(lián)操作，每個(gè)反應(yīng)釜總高約5.7m，故設(shè)計(jì)兩層樓，第一層層高6m，第二層層高5m，每層規(guī)格24m×6m。一層主要放置的設(shè)備有乙酸乙酯儲(chǔ)罐、產(chǎn)品儲(chǔ)罐、離心泵等，并設(shè)有控制配電室、儲(chǔ)藏室和包裝室。二層主要放置的設(shè)備有反應(yīng)釜、各原料儲(chǔ)罐、離心泵和冷凝器等。其中原料儲(chǔ)罐用支架將其位置抬高，反應(yīng)釜安裝在二樓樓板孔洞中，利用支座固定，上下兩個(gè)部分分別處在兩個(gè)樓層的空間中。生產(chǎn)工段主要分為升溫、聚合和冷卻。首先利用高位壓力將儲(chǔ)罐中的原料投入聚合反應(yīng)釜，再通過離心泵將溶劑加入反應(yīng)釜。通入水蒸氣升溫，升溫至70℃時(shí)通入氮?dú)?，?0分鐘內(nèi)升溫至80℃，人工從固體投料孔分三次加入引發(fā)劑，同時(shí)控制水蒸氣量保持反應(yīng)溫度在80℃，聚合反應(yīng)過程中乙酸乙酯蒸氣進(jìn)入冷凝器，冷凝后又回流至反應(yīng)釜，乙酸乙酯的冷凝回流可以讓反應(yīng)更加平穩(wěn)。反應(yīng)6h后，通入冷卻水，在80分鐘內(nèi)冷卻至50℃左右，人工加入交聯(lián)劑，待交聯(lián)劑完全溶解，即可出料，利用高位壓力將產(chǎn)品輸送至產(chǎn)品儲(chǔ)罐，后進(jìn)入包裝車間進(jìn)行包裝。車間具體布置見附錄：年產(chǎn)1萬噸溶劑型丙烯酸酯壓敏膠車間布置圖車間安全規(guī)程1.進(jìn)入車間進(jìn)行生產(chǎn)工作時(shí)，務(wù)必注意著裝，按規(guī)定穿戴好防護(hù)裝備方可開工。2.電氣控制中的緊急開關(guān)，除發(fā)現(xiàn)重大的設(shè)備隱患及危害人身安全時(shí)不得隨意使用。遵守誰操作、誰恢復(fù)的原則。3.設(shè)備維護(hù)時(shí)，確保設(shè)備是處于斷電停機(jī)狀態(tài)，并且需用相應(yīng)標(biāo)識(shí)告知該設(shè)備正處于維護(hù)狀態(tài)。4.車間下班后要有專人負(fù)責(zé)安全檢查，斷電、關(guān)窗、鎖門，確保安全后方可離開。5.設(shè)備故障時(shí)，不得擅自拆開防護(hù)裝置排查故障，需聯(lián)系專業(yè)維修人員進(jìn)行排查和維修。6.車間內(nèi)突然停電時(shí)，所有人員應(yīng)立即停止正在進(jìn)行的工作，疏散至安全場(chǎng)所。7.車間杜絕一切明火。8.進(jìn)入工廠的新員工必須接受三級(jí)安全培訓(xùn)。參考文獻(xiàn)VendammeR,SchüwerN,EeversW.Recentsyntheticapproachesandemergingbio-inspiredstrategiesforthedevelopmentofsustainablepressure-sensitiveadhesivesderivedfromrenewablebuildingblocks[J].JApplPolymSci,2014,131(17):40669.晏虹宇,張正源,王躍川.炔基改性光固化丙烯酸酯壓敏膠[J].[1]四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院,2022,40(05):1004-1009.朱夢(mèng)璐,房宏偉,李建武,李程,解一軍,瞿雄偉.壓敏膠黏劑研究進(jìn)展[J