材料合成工藝學課程設計

1、<p><b>　　材料合成工藝學</b></p><p><b>　　課程設計</b></p><p>　　學 院 生物與化學工程學院 </p><p>　　專業(yè)班級 AAAAAAAAAAAAAAAAAA </p><p>　　學生姓名 AA AA

2、 </p><p>　　學 號 AAAAAAAAAA </p><p>　　指導教師 AAAAAA </p><p>　　日 期 2011年7月4日 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><

3、;b>　　一、 緒論1</b></p><p>　　二、 工藝流程和方案的說明及論證1</p><p><b>　　1.工藝流程1</b></p><p><b>　　2.方案的說明2</b></p><p><b>　　3.工藝流程圖4</b>&l

4、t;/p><p><b>　　三、 物料衡算4</b></p><p><b>　　四、 熱量衡算9</b></p><p>　　五、 聚合釜及各設備選型12</p><p>　　六、 生產車間布置13</p><p>　　七、 對設計的評述及結論17</p>

5、;<p>　　八、 參考文獻18</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　化工設計是化工生產裝置建設的靈魂，是將人們的要求變?yōu)楝F(xiàn)實生產的第一步。先進的設計思想、科學的設計方法、現(xiàn)代化的設計手段與工具、高水平高質量的設計作品是工程設計人員堅持的設計方針和追求的設計目標。聚合物合成生產裝置設計屬于化工設計的范疇，是針對聚合物合成生產過

6、程的化工設計。</p><p>　　聚合物合成工藝設計就是指將單體原料通過聚合反應制得聚合物產品的生產過程中所用的方法、技術等，全部用圖紙、表格、文字說明等方式概述出來的過程及結果。</p><p>　　工藝流程和方案的說明及論證</p><p><b>　　1.工藝流程</b></p><p>　　（1）把軟水經過軟水

7、計量槽（W101）計量后放入聚乙烯醇溶解釜(V101)。</p><p>　　（2）把規(guī)定量的聚乙烯醇由入孔投入聚乙烯醇溶解釜(V101)內。</p><p>　?。?）向聚乙烯醇溶解釜(V101)的夾套中送入水蒸汽，升溫至80攝氏度，攪拌4-6小時，配制成聚乙烯醇溶液。</p><p>　?。?）把醋酸乙烯酯投入單體計量槽(W102)內，把鄰苯二甲酸二丁酯投入增塑

8、劑計量槽(W103)內，并把預先配制的規(guī)定量的過硫酸鉀溶液和碳酸氫鈉溶液分別投入引發(fā)劑計量槽(W105)和PH調節(jié)劑計量槽(W104)。</p><p>　?。?）把聚乙烯醇溶液由聚乙烯醇溶解釜(V101)通過過濾器（V102）用隔膜泵（P101）輸送到聚合釜(R101)中，并由入孔加入規(guī)定量的OP-10，并開動攪拌使其溶解。</p><p>　?。?）向聚合釜(R101)中由單體計量槽(

9、W102)加入單體醋酸乙烯酯，并通過引發(fā)劑計量槽(W104)加入過硫酸鉀溶液，在攪拌下乳化30min。</p><p>　?。?）向聚合釜(R101)夾套內通水蒸汽，將釜中物料升溫至60攝氏度，向聚合釜(R101)加入單體和引發(fā)劑，聚合反應開始，并通過回流冷凝器(H101)和聚合釜(R101)夾套通入冷卻水進行換熱，控制溫度，穩(wěn)定在60攝氏度進行反應，反應時間10hr。</p><p>　

10、?。?）反應完全后，向聚合釜(R101)夾套通入冷卻水冷卻至50攝氏度，再加入PH調節(jié)劑和增塑劑，攪拌均勻。出料，通過過濾器過濾(V103)后，進入乳液儲罐(T104)。</p><p><b>　　2.方案的說明</b></p><p>　　由于設計任務書表明此聚合采用乳液聚合，以下簡要論述乳液聚合。</p><p>　　聚醋酸乙烯酯是由聚醋

11、酸乙烯酯經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，該設計采用的是乳液聚合。乳液聚合是在用水作介質的乳液中，按膠束機理或低聚物機理生成彼此孤立的乳膠粒，在其進行自由基加成聚合或離子加成聚合來生產高聚物的一種聚合方法，對于在充分混合的間歇反應器中進行的乳液聚合過程來說，據(jù)反應機理可分為四個階段：分散階段、乳膠粒生成階段、乳膠粒生長階段、聚合反應完成階段。該方法有如下優(yōu)點：</p><p>　?。?）

12、聚合體系具有粘度低、易散熱，乳液穩(wěn)定性高．具有較高的聚合反應速率和高的聚合物分子量。</p><p>　　（2）乳液聚合以水作介質，還具有成本低廉，生產安全，膠乳粘度低，便于混合傳熱、管道輸送和連續(xù)生產，環(huán)境污染小的優(yōu)點。</p><p>　　（3）反應在常壓下進行，對設備無加壓要求。</p><p>　?。?）聚合后膠乳可直接使用。</p><

13、p>　　采用乳液聚合也有如下缺點：</p><p>　?。?）因需要固體產品，膠乳需要進行凝聚、洗滌、脫水、干燥等多道工序，成本較高。</p><p>　　（2）產品中留有乳化劑雜質，難以完全除凈，有損電性能等。</p><p>　　聚醋酸乙烯酯乳液聚合的工藝條件</p><p><b>　?。?）單體</b>&l

14、t;/p><p>　　由于儲存和運輸?shù)囊?，醋酸乙烯酯在出廠前常加入阻聚劑以保持醋酸乙烯酯的穩(wěn)定性，醋酸乙烯酯的性質直接影響乳液粘度、固含量，單體經蒸餾后，可以使聚醋酸乙烯酯的粘度大為提高。</p><p><b>　?。?）定劑</b></p><p>　　聚醋酸乙烯的基本性質是由其聚合度和醇解度決定的，聚醋酸乙烯分子中含有大量親水性基團羥基，所

15、以它是一種水溶性的高分子化合物?？刂坪镁垡蚁┐挤€(wěn)定劑的用量可以使聚醋酸乙烯酯達到適當?shù)恼扯取?lt;/p><p><b>　?。?）乳化劑</b></p><p>　　在其它條件均不改變的情況下，改變乳化劑用量，其粘度的變化呈凸曲線變化。乳化劑用量過少，乳液穩(wěn)定性差，易破乳。乳液粘度隨乳化劑用量的增加而增大，當乳化劑用量為單體總量的0．15％ 時，粘度最大，乳化劑用量超過

16、最佳值時，乳液顆粒增多，粒徑變小，粘度下降 。</p><p><b>　?。?）引發(fā)劑</b></p><p>　　在一定聚合溫度下，當引發(fā)劑濃度很低時，隨著引發(fā)劑量的增加，粘度、固含量增大，當引發(fā)劑用量為單體總量的0．6％時，粘度最大，為4．2 Pa·s；固含量為36％ ，當引發(fā)劑繼續(xù)增加時，乳液粘度反而下降，固含量基本不變。原因是，當單體量不變而引發(fā)劑

17、用量增加，引發(fā)劑分解的自由基多，使活性中心增多，從而使反應生成大分子的聚合物，乳液粘度、固含量增加；而引發(fā)劑用量過大，分解自由基過多，引發(fā)速度過快，聚合物分子鏈短，相對分子量小，乳液粘度低。</p><p>　　在乳液聚合時，介質的pH值直接影響引發(fā)劑的分解速度，要求乳液聚合體系的pH值為6左右，由于單體中殘留少許醋酸，加之引發(fā)劑分解時產生的硫酸根，至使體系的pH值降至4—5，因此用適量碳酸氫鈉調節(jié)pH值。另外，

18、引發(fā)劑用水稀釋后緩慢加入。</p><p><b>　　（5）反應溫度</b></p><p>　　在反應物配比、加料方式及攪拌強度不變情況下，通過實驗發(fā)現(xiàn)，反應溫度的改變對聚醋酸乙烯酯乳液的粘度、固含量的影響很大。原因是該聚合反應為吸熱反應，所以反應溫度高，有利于該反應進行，但反應溫度達到80℃時，超過醋酸乙烯酯單體的沸點(72℃)會使回餾量增加，消耗能量，低溫使反

19、應速度慢，反應不完全。乳液粘度低。因此，反應適合在75℃進行。</p><p><b>　　3.工藝流程圖</b></p><p><b>　　物料衡算</b></p><p>　?。?）畫出物料平衡關系示意圖 </p><p>　　圖1為聚醋酸乙烯酯乳液聚合間歇操作物料平衡關系示意圖。</p

20、><p>　　對于物料數(shù)量和組分沒有發(fā)生變化的設備可不做物料衡算，所以在物料平衡關系圖中，可不畫出T101，P101等設備。</p><p>　　圖1. 聚醋酸乙烯酯乳液聚合間歇操作物料平衡關系示意圖</p><p>　　M1-軟水；M2-聚乙烯醇；M3-聚乙烯醇溶液；M4-過濾后的聚乙烯醇溶液 M5-單體醋酸乙烯酯；M6-增塑劑DOP；M7-PH調節(jié)劑碳酸氫鈉；M8-

21、引發(fā)劑過硫酸鉀；M9-乳化劑OP-10；M10-聚合物；M11-過濾后的聚合物；M12-實際還需加的水</p><p>　　（2） 明確物料發(fā)生的化學變化，寫出主、副反應方程式</p><p>　?、?在V101，V103中，只是物料的混合和過濾，沒有發(fā)生相變化和化學反應</p><p>　?、?在聚合釜R101中，引發(fā)劑引發(fā)單體發(fā)生自由基聚合其反應方程式如下：&l

22、t;/p><p><b>　?。?）收集數(shù)據(jù)資料</b></p><p>　?、?生產規(guī)模。設計任務書中規(guī)定的年產量（生產能力）：2000t/a</p><p>　?、?生產時間。年工作日：300d/a</p><p>　　間歇操作，聚合釜R101每天2批，其它原料配制每天1批。</p><p>　　

23、③相關技術指標（表1）</p><p><b>　　表1 技術指標</b></p><p>　?、苜|量標準。原料均視為純凈物。</p><p>　　⑤化學變化參數(shù)。醋酸乙烯酯在引發(fā)劑引發(fā)下發(fā)生自由基聚合反應，各組分相對分子質量如下：</p><p>　?。?）選擇計算基準和計算單位</p><p>

24、;　　因為是間歇操作過程，所以基準為“批”，單位為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。但引發(fā)劑向R101進料周期仍與聚合釜的操作周期相同，所以在物料衡算時，物料M8的數(shù)量仍以2 B·d-1計算。在做設備工藝計算時，引發(fā)劑計量槽W105的體積大小應按1B·d-1計算。</p><p><b>　　確定

25、計算順序</b></p><p>　　由于產物與原料之間的化學計量關系比較簡單，且整個工藝過程比較簡單，容易得到產量與單體原料投料之間的比例關系，所以采用順流程的計算順序。</p><p>　　計算主要原料（醋酸乙烯酯）投料數(shù)量</p><p>　　用順流程的計算順序進行物料衡算必須先求出主要原料（醋酸乙烯酯）每批投料量。該生產裝置年產量2000t，年開

26、工300d，每天生產兩批，過濾器過濾損失率為2%。</p><p>　　每批應生產聚合物數(shù)量=</p><p>　　①引發(fā)劑（0.5%單體質量）80%結合到聚合物中；</p><p>　　②單體100%轉化成聚合物，且單體相對分子質量與聚合物結構單元相對分子質量相同；</p><p>　?、鄞姿嵋蚁ネ读狭?</p><p

27、>　　順流程逐個設備展開計算</p><p>　?、賄101（溶解釜）物料衡算</p><p><b>　　M1（軟水）=</b></p><p><b>　　M2（聚乙烯醇）=</b></p><p>　　M3（聚乙烯醇溶液）=</p><p>　?、赩102（過濾器

28、）物料衡算</p><p>　　已知V102過濾器的過濾損失率2%</p><p>　　M3（聚乙烯醇溶液）=</p><p>　　M4（過濾后的聚乙烯醇溶液）=</p><p>　?、跼101（聚合釜）物料衡算</p><p>　　M4（過濾后的聚乙烯醇溶液）=</p><p>　　M5(單體

29、醋酸乙烯酯）=</p><p>　　M6（鄰苯二甲酸二丁酯）=</p><p>　　M7（碳酸氫鈉溶液）</p><p><b>　　碳酸氫鈉：</b></p><p><b>　　水：</b></p><p><b>　　合計：M7= </b><

30、/p><p>　　M8（引發(fā)劑過硫酸鉀溶液）</p><p><b>　　過硫酸鉀：</b></p><p><b>　　水：</b></p><p><b>　　合計：M8= </b></p><p>　　M9（乳化劑OP-10）= </p>

31、<p>　　M12（實際還需加的水）= </p><p>　　M10（聚合物）=M4+M5+M6+M7+M8+M9+M12= </p><p>　?、躒103（過濾器）物料衡算</p><p>　　已知V103過濾損失率為2%</p><p>　　M10（聚合物）= </p><p>　　M11（過濾后的聚

32、合物）= </p><p><b>　　整理并校核計算結果</b></p><p>　　對聚合工序做全物料平衡計算（圖2），進行校核。由物料守恒定律應有：</p><p>　　說明整個聚合工序的物料衡算過程是正確的。</p><p>　　圖2 總物料平衡示意圖</p><p>　　（9）繪制物料流

33、程圖，編寫物料平衡表</p><p>　　圖3 聚醋酸乙烯酯乳液聚合間歇操作物料流程示意圖</p><p>　　W101—軟水計量槽；W102—單體貯罐；W103—增塑劑貯罐；W104—pH調節(jié)劑貯罐；</p><p>　　W105—引發(fā)劑貯罐；W106—蒸餾水貯罐；V101—溶解槽；V102、V103—過濾器；</p><p>　　R101

34、—聚合釜；P101—隔膜泵；T104—乳液儲罐；H101—回流冷凝器</p><p>　　表2 醋酸乙烯酯乳液聚合間歇操作物料平衡表 單位：kg·B-1</p><p><b>　　熱量衡算</b></p><p>　?、偃媪私馕锪显诟鱾€設備中發(fā)生的化學變化及物理變化，凡是與外界有熱量交換的設備均需進行熱量衡算。由聚合工

35、藝流程可知，V101、R101需進行熱量衡算。</p><p>　?、谝驗槭菃闻_設備間歇操作，計算目的是進行能量消耗及成本核算，所以按式QT=Q1+Q2+Q3+Q4對傳熱進行平衡計算，計算單位為。</p><p><b>　?、凼占瘮?shù)據(jù)</b></p><p><b>　　工藝參數(shù)</b></p><p

36、>　　V101：升溫至80攝氏度，攪拌4-6小時。</p><p>　　R101：將釜中物料升溫至60攝氏度向夾套通入冷卻水進行換熱，控制溫度，穩(wěn)定在60攝氏度進行反應，反應時間10hr反應完全后，向聚合釜(R101)夾套通入冷卻水冷卻至50攝氏度。</p><p><b>　　物料衡算的結果</b></p><p>　　表3. 聚合釜R

37、101物料衡算結果表</p><p><b>　　c. 各種物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　表4. 各種物性數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　④熱量平衡關系式</b></p><p>　?、葜痦椨嬎愀鳠崃康臄?shù)值及傳遞方向</p><p>　?、駥⒏形锪嫌?5℃升溫至

38、60℃反應時間10h</p><p><b>　　Q1（顯熱）的計算</b></p><p>　　反應為恒容過程，所以</p><p>　　b. Q2的計算（化學反應熱、相變熱、溶解熱、混合熱等）</p><p>　　因為忽略了溶解熱、混合熱等，所以只需考慮化學反應熱</p><p>　　因為單體

39、100%轉化成聚合物，所以，且反應放熱</p><p><b>　　故 </b></p><p>　　c. Q3（設備溫度變化)</p><p>　　設備溫度由25℃升溫至60℃</p><p>　　計算過程中設備向外界環(huán)境散失的熱量忽略不計，所以Q4=0</p><p><b>

40、　　所以</b></p><p>　?、蛳蚓酆细?R101)夾套通入冷卻水從60℃冷卻至50℃</p><p>　　a. Q1（顯熱）的計算</p><p>　　反應為恒容過程，所以</p><p>　　b. Q2的計算（化學反應熱、相變熱、溶解熱、混合熱等）</p><p>　　因為冷卻過程無化學反應，所

41、以Q2=0</p><p>　　c. Q3（設備溫度變化）</p><p>　　設備溫度有由60℃冷卻至50℃</p><p>　　計算過程中設備向外界環(huán)境散失的熱量忽略不計，所以Q4=0</p><p>　?、耷蟪雠c外界的傳熱量、傳熱方向</p><p>　　因為，為負值，說明需由系統(tǒng)向外界撤除熱量，此時需使用冷卻介

42、質。</p><p><b>　　聚合釜及各設備選型</b></p><p>　　所以，可選容積為17m3的碳鋼聚合釜。</p><p>　　選擇的各設備規(guī)格如下（表5）</p><p><b>　　表5 各設備規(guī)格表</b></p><p><b>　　生產車間布

43、置</b></p><p>　　生產車間的布置應按工藝生產過程的順序確定，生產線路盡可能做到直線而無返回的流動，但并不要求所有的生產車間一定要排在一條直線上。如果生產車間較多，排成直線，將使地形生長、并會使倉庫、輔助車間的配置及車間的管理等方面帶來不便。為了達到生產車間流線性的目的，也可以將建筑物一個和另一個聯(lián)接成T、L字形。車間生產路線一般分為水平的和垂直的兩種。此外，也有多線生產路線，使加工物料在

44、同一平面上由甲車間送入乙車間的叫水平生產線，使加工物料由上層的甲車間送至乙車間叫垂直生產路線，多線生產路線即開始是兩條或多條支線而后匯成一條主線。無論是那種生產線，車間之間的距離應該是最短的，并符合各種規(guī)范所規(guī)定的間距。對原料和成品車間則應該接近倉庫和運輸路線。同時也應該注意，中間車間也常常需要大量原料并生成各種副產品。</p><p>　　車間之間的管道盡可能沿著道路鋪設。對生產有害氣體和粉塵的車間應將其布置在

45、下風向，同時應考慮周圍環(huán)境。</p><p><b>　　設備布置原則：</b></p><p>　　1. 要滿足生產工藝要求</p><p>　?。?）在布置設備時，設備的平面位置和高低位置，應符合工藝流程和工藝條件的要求。</p><p>　?。?）同類型的設備或操作性質相似的有關設備，盡可能布置在一起，有效地利用車

46、間建筑面積，便于管理、操作和維修。</p><p>　　2. 要符合經濟原則</p><p>　?。?）要考慮設備和附屬設備所占的位置、設備與設備之間或設備與建筑物間的安全距離設備布置時，還應設當留有余地，以備今后的發(fā)展。</p><p>　　（2）要充分利用高位差，節(jié)省動力。</p><p>　?。?）中小型化工廠的設備布置，處了氣溫較低的

47、地區(qū)采用室內布置外，一般可采用室內露天聯(lián)合布置方案。</p><p>　　3. 要符合安全生產要求</p><p>　?。?）化工生產中，易燃、易爆、有毒的物品較多，布置設備時，應將加熱爐、明火設備、產生有毒氣體的設備布置在下風處。并使加熱爐、明火設備與易燃、易爆設備按規(guī)范保持一定的間距。傳動設備要有安裝防護裝置的位置。對于噪音大的設備宜采用封閉式隔離。設備之間或設備與墻之間的凈距離大小，

48、雖無統(tǒng)一規(guī)定，但設計者應結合設備布置原則、設備大小、設備上連接管線的多少、管徑的粗細、檢修的頻繁的程度等各種因素，再根據(jù)生產經驗，決定安全間距。</p><p>　　4. 便于安裝和檢修</p><p>　　（1）設備要排列整齊，避免過擠過松，要充分考慮工人的操作和交通便利。原料、成品及排出物要有適當?shù)奈恢煤捅匾倪\輸通道；</p><p>　?。?）塔和立式設備的

49、人孔，應該對著空場地或檢修通道而布置在同一方向。臥式容器的人孔則應布置在一條線上等；</p><p>　?。?）必須考慮設備如何運入或搬出車間，對于運入或搬出次數(shù)較多時，宜設大門（大門寬度比最大設備寬0.5m）；對于外型尺寸特大的設備，可設安裝洞即在外墻預留洞口，待設備運入之后，再行砌封；</p><p>　?。?）有些設備例如反應釜、塔式設備等安裝時一半在樓下，一半在樓上，可從樓板上安裝

50、孔吊上；</p><p>　　（5）設備應盡可能避免布置在窗前，以免影響采光和開窗，如必須布置在窗前時，設備與墻間的凈距應大于600m；</p><p>　　（6）應考慮安裝臨時起重運輸設備的場所及預埋吊鉤，以便懸掛起重葫蘆，拆卸及檢修設備。</p><p>　　5．要有良好的操作條件</p><p>　　設備布置時，要考慮采光條件，工人應背

51、光操作，另外還要考慮通風。通風措施應根據(jù)生產過程中有害物質，易燃、易爆氣體的濃度及爆炸極限及廠房的溫度決定。此外，還應考慮廠房的衛(wèi)生條件。廠房太熱或太冷，沒有通風設備及保暖設備；平臺、樓梯位置不妥當，碰頭等，這些都必須加以改善。</p><p>　　下圖為生產車間布置圖</p><p><b>　　對設計的評述及結論</b></p><p>　

52、　本課程是材料科學與工程專業(yè)的一門實用性和技術性很強的專業(yè)課程。學習本課程的目的是使學生在學完材料科學與工程專業(yè)的有關課程后，尤其是在學完《材料合成工藝學》這門課程后，綜合運用3年所學的全部知識，進行工廠的初步設計。通過專業(yè)課程設計使我們掌握應具備的基本設計技能，待走上工作崗位后既能擔負起工廠技術改造的任務，又能進行車間或全廠的工藝設計。</p><p>　　做任何事情只有付出了才會有收獲。從最初的無從著手，到一

53、遍又一遍的計算，終于還是將其完成了。期間的過程雖然說是曲折的，但是最終還是學到了很多東西。</p><p>　　本次課程設計，我們查閱了相關的文獻，理清了自己的設計思路，通過對聚醋酸乙烯酯乳液聚合間歇操作的方案設計，提高了我們綜合應用專業(yè)知識解決工程實際問題的能力，培養(yǎng)了我實事求是、耐心細致及嚴謹負責的工作作風。</p><p>　　通過對聚醋酸乙烯酯乳液聚合間歇操作的方案中生產裝置的設計

54、，我了解了化工生產裝置開發(fā)的全過程及特點，了解了化工設計過程中工藝設計的重要意義及作用，了解了各種專業(yè)知識在工程實踐中是如何應用的，掌握了化工工藝設計的基本步驟、主要內容及工作方法，掌握了現(xiàn)代化設計工具，提高了工程技術能力及工程制圖能力，為將來成為現(xiàn)代化工程技術人員打下堅實的基礎。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　陳昀主編. 聚合物合

55、成工藝設計. 北京：化學工業(yè)出版社，2004.6</p><p>　　婁愛娟，吳志泉，吳敘美. 化工設計. 上海：華東理工大學出版社， 2002.7</p><p>　　時均，陳敏恒等主編. 化學工程手冊. 北京：化學工出版社，1996</p><p>　　王久芬. 高聚物合成工藝. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.7</p><p>　　劉