40000噸年苯丙乳液聚合裝置工藝設(shè)計(jì)

1、<p>　　40000噸/年苯丙乳液聚合裝置工藝設(shè)計(jì)</p><p>　　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。通過對(duì)各種合成工藝路線綜合評(píng)價(jià)、分析比較，選擇合理的生產(chǎn)工藝，確定經(jīng)濟(jì)合理的工藝流程。計(jì)算出每批物料的進(jìn)料量、反應(yīng)熱，從而選擇合適的換熱方式和設(shè)備。根據(jù)測(cè)得的物料粘度選擇合適的攪拌器和攪拌功率，從而最終按照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

2、程進(jìn)行設(shè)計(jì)，繪制合理的工藝流程圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：苯丙乳液 ；生產(chǎn)工藝；攪拌裝置；聚合釜</p><p>　　Abstract ：This paper production styrene-acrylic latex for the purpose, expounds the present situation of the study styrene-acrylic lat

3、ex, through various synthesis process route comprehensive evaluation, the analysis and comparison, the choice of reasonable production process, determine the economic and reasonable process flow. Calculated each batch of

4、 material feed rate, reaction heat, to choose a suitable heat transfer methods and equipment. According to the measurement of material viscosity c</p><p>　　Key word：Styrene-acrylic emulsion; the production p

5、rocess; stirring device ; polymerizer.</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一部分 緒論1</p><p>　　1 苯丙乳液的用途和特點(diǎn)1</p><p>　　2 苯丙乳液的研究進(jìn)展2</p><p>　　2.1

6、乳化劑體系研究進(jìn)展2</p><p>　　2.2 引發(fā)劑體系研究進(jìn)展3</p><p>　　2.3 苯丙乳液的改性研究3</p><p>　　2.4 苯丙乳液聚合工藝研究進(jìn)展6</p><p>　　3 苯丙乳液聚合的方法8</p><p>　　4 研究目的和步驟8</p><p>　

7、　第二部分 工藝計(jì)算與選型依據(jù)9</p><p>　　1 小試原料配比和工藝條件選擇的依據(jù)9</p><p>　　1.1 單體用量9</p><p>　　1.2 乳化劑的選擇和用量9</p><p>　　1.3 引發(fā)劑的用量9</p><p>　　1.4 反應(yīng)溫度的選擇10</p><p

8、>　　1.5 反應(yīng)時(shí)間的選擇10</p><p>　　1.6 產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)10</p><p>　　2 攪拌罐的設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.1 罐體的長(zhǎng)徑比12</p><p>　　2.2 裝料系數(shù)12</p><p>　　2.4 確定筒體直徑和高度13</p><p

9、>　　3 攪拌設(shè)備的傳熱13</p><p>　　3.1 傳熱方式13</p><p>　　3.2 確定傳熱方式15</p><p><b>　　4 攪拌器16</b></p><p>　　4.1 攪拌器分類及參數(shù)16</p><p>　　4.2 攪拌器選型17</p>

10、;<p>　　4.3 攪拌槽體及附件17</p><p>　　4.4 葉輪位置與標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽18</p><p>　　4.5 攪拌器功率的估算18</p><p>　　第3部分 工藝設(shè)計(jì)20</p><p><b>　　1 物料衡算20</b></p><p>　　1.1 預(yù)

11、乳化液組成20</p><p>　　1.2 引發(fā)劑組成20</p><p>　　1.3 各物料含量20</p><p><b>　　2 熱量衡算21</b></p><p>　　3 反應(yīng)釜設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.1 估算內(nèi)徑23</p><p>　　3

12、.2 封頭設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.3確定筒體高度23</p><p>　　3.4傳熱面積24</p><p>　　3.5確定筒體厚度25</p><p><b>　　4夾套的設(shè)計(jì)25</b></p><p>　　4.1 確定夾套直徑25</p><p>

13、;　　4.2 確定夾套高度26</p><p>　　4.3 確定夾套筒體壁厚26</p><p>　　4.4確定夾套封頭壁厚26</p><p><b>　　5 水壓測(cè)試26</b></p><p>　　5.1 釜體試水壓26</p><p>　　5.2 夾套試水壓時(shí)釜體穩(wěn)定性26&l

14、t;/p><p>　　5.3 夾套水壓試驗(yàn)26</p><p>　　6 攪拌器設(shè)計(jì)27</p><p>　　6.1攪拌器類型選擇27</p><p>　　6.2 攪拌功率計(jì)算27</p><p><b>　　7設(shè)計(jì)結(jié)果28</b></p><p><b>　

15、　致 謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p>　　附錄一 外壓受壓圓筒幾何參數(shù)計(jì)算圖32</p><p>　　附錄二 外壓圓筒、管子和球殼厚度計(jì)算圖33</p><p>　　附錄三 聚合釜總裝備圖34</p><p>　　附錄四 苯

16、丙乳液聚合工藝流程圖35</p><p><b>　　第一部分 緒論</b></p><p>　　1 苯丙乳液的用途和特點(diǎn)</p><p>　　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。外墻涂料不僅對(duì)建筑物起美化作用，更重要的是能給建筑物提供保護(hù)，使其免受大氣、紫外線、雨水及一些化學(xué)物質(zhì)的侵害，延長(zhǎng)其使用壽命，其中乳膠

17、涂料以其質(zhì)輕、安全環(huán)保、色彩豐富、施工效益高、易于翻新和維護(hù)等特點(diǎn)成為涂料中的姣楚，并且丙烯酸酯類乳膠涂料的生產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)很成熟了。聚丙烯酸酯類乳液具有優(yōu)異的透明性、成膜性、耐油性、耐候性、機(jī)械穩(wěn)定性和粘附性，且原料來源豐富，成本較低，被廣泛應(yīng)用于涂料、紡織、皮革、造紙、粘合劑等[1]領(lǐng)域。</p><p>　　苯乙烯和丙烯酸酯共聚物乳液涂料又稱苯-丙乳液涂料，是一種用苯乙烯改性的丙烯酸酯系共聚物乳液涂料，它用苯

18、乙烯部分或全部代替純丙乳液中的甲基丙烯酸甲酯。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。苯丙乳液為乳白色液體，帶藍(lán)光。固體含量40～45％，粘度80～1500mPa·s，單體殘留量0.5%，pH值8～9。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。貯存于5～30 ℃的庫房?jī)?nèi)，貯存期一般為1年。&

19、lt;/p><p>　　這類涂料保光性、保色性、戶外耐久性、抗污性好,和對(duì)填料粘結(jié)強(qiáng)度高;可配制高光澤乳液涂料；其成本要比純丙乳液涂料低。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。這類涂料用途多樣，在乳液涂料總產(chǎn)量中占有很大的比例，是一類很有發(fā)展前途的乳液涂料。 </p><p>　　特別是近年來將其用作水性防銹乳膠涂料，具有

20、無毒、無味、不燃、污染少、耐氣候老化、耐光老化、耐化學(xué)腐蝕、光澤可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，克服了油性防銹涂料易燃、易爆、有毒、嚴(yán)重污染環(huán)境的缺點(diǎn)，并且通過添加少量的功能單體（占單體總量的3%以下）、選擇不同的乳化劑種類及配比，尤其是進(jìn)行粒子設(shè)計(jì)，如采用殼核組成設(shè)計(jì)及聚合工藝可使其具有某些特定的性能，從而被用于某些不同的專門用途，作為涂料成膜物用的苯丙乳液，國內(nèi)外雖早已有研制和生產(chǎn)，但與實(shí)際應(yīng)用要求相比，還存在一些問題，特別是與國外的優(yōu)良品種，還存在相

21、當(dāng)大的差距。針對(duì)現(xiàn)有的苯丙乳液，特別是國內(nèi)苯丙乳液存在的問題，很有必要研究和進(jìn)一步開發(fā)苯丙乳液以滿足眾多行業(yè)對(duì)苯丙乳液的要求[2]。</p><p>　　2 苯丙乳液的研究進(jìn)展</p><p>　　2.1 乳化劑體系研究進(jìn)展</p><p>　　國外關(guān)于乳化劑的研究起始于20世紀(jì)50-60年代，當(dāng)時(shí)人們研究較多的是表面活性引發(fā)劑和表面活性鏈轉(zhuǎn)移劑；其研究熱潮出現(xiàn)在2

22、0世紀(jì)末和21世紀(jì)初，隨著可聚合乳化劑的優(yōu)異性能逐漸被人們發(fā)現(xiàn)，研究越來越集中在可聚合乳化劑上面。具有代表性的研究是由歐盟資助、Guyot A[3]等領(lǐng)導(dǎo)的由8個(gè)學(xué)術(shù)和5個(gè)工業(yè)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行的系統(tǒng)研究。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。在此之后的系統(tǒng)研究漸少，人們更多地傾向于進(jìn)行新結(jié)構(gòu)反應(yīng)型乳化劑的合成與性能研究，以期找到性能更加優(yōu)異的品種和開拓其應(yīng)用領(lǐng)域等。另一方面，最近

23、研究較多的是將可聚合乳化劑應(yīng)用到微乳聚合中制備無機(jī)或有機(jī)納米粒子。國內(nèi)關(guān)于反應(yīng)型乳化劑的研究始于近幾年，目前比較熱門的幾種可聚合乳化劑有陰離子型 、陽離子型馬來酸酯類的和丙烯酰胺可聚合乳化劑等。</p><p>　　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、

24、粘附力、耐水性等有著十分重要的影響。</p><p>　　陰、非離子乳化劑的穩(wěn)定機(jī)理不同，陰離子型靠靜電力使乳液穩(wěn)定，而非離子乳化劑靠分子的空間位阻維持乳液穩(wěn)定，這就決定了非離于乳化劑分于遠(yuǎn)大于陰離子乳化劑。陰離子乳化劑乳化效率要高于非離子乳化劑。單獨(dú)靠非離子乳化劑很容易破乳，單獨(dú)用陰離子乳化劑存在電解質(zhì)穩(wěn)定性差等弊端。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。兩者合理并用或作

25、為復(fù)合物使用，可使這兩種乳化劑交替地吸附在乳膠粒的表面，降低同一乳膠粒表面的靜電斥力．增強(qiáng)乳化劑在膠粒上的吸附牢度，降低表而的電荷密度，使帶負(fù)電的自由基更易進(jìn)入乳膠粒中．提高乳液聚合速率。當(dāng)兩者并用時(shí)陰離子乳化劑吸附在聚合物顆粒表而并電離，形成表面負(fù)電層，從緊密層到體系本體形成電位，其靜電斥力保持了體系的穩(wěn)定；非離子乳化劑吸附在顆粒表面形成彈性水化層來阻止膠粘的聚沉。這兩種性質(zhì)不同的穩(wěn)定機(jī)理，大大提高乳液的機(jī)械穩(wěn)定性、鈣離子穩(wěn)定性、熱穩(wěn)

26、定性等。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?？梢圆煌椒?，控制膠粒大小及分布、乳液黏度、乳液聚合反應(yīng)速率等。</p><p>　　近年來，采用反應(yīng)型乳化劑制備微皂乳液是熱點(diǎn)之一。反應(yīng)型乳化劑除了具有傳統(tǒng)乳化劑的親水基、親油基之外，還具有能參與聚合的反應(yīng)性基團(tuán)。按照引入的反應(yīng)性基團(tuán)參與聚合方式的不同，反應(yīng)型乳化劑被分為3大類[5]：(1)引入具有引發(fā)劑作用的基團(tuán)，構(gòu)成表面活性引發(fā)劑；(2)引

27、入具有鏈轉(zhuǎn)移作用的基團(tuán)，構(gòu)成表面活性鏈轉(zhuǎn)移劑；(3)引入可聚合的基團(tuán)，構(gòu)成表面活性單體，又稱可聚合乳化劑。但表面活性引發(fā)劑和表面活性鏈轉(zhuǎn)移劑會(huì)對(duì)聚合動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響，且表面活性引發(fā)劑在很多時(shí)候引發(fā)效率不高，而表面活性鏈轉(zhuǎn)移劑會(huì)對(duì)聚合物的分子量產(chǎn)生影響。因此人們的研究更多地集中在可聚合乳化劑上面。因此，苯丙乳液用的乳化體系應(yīng)以陰離子乳化劑、非離子乳化劑混用或經(jīng)反應(yīng)制得的復(fù)合乳化劑為主體，并通過改變陰、非乳化劑的種類、配比和用量來調(diào)節(jié)乳液的性

28、能，使其滿足苯丙乳液不同的性能要求。</p><p>　　2.2 引發(fā)劑體系研究進(jìn)展</p><p>　　引發(fā)劑的種類和用量對(duì)聚合反應(yīng)速率、單體轉(zhuǎn)化率、乳膠粒的粒徑、乳液的黏度和成膜性能等會(huì)產(chǎn)生很大影響。當(dāng)引發(fā)劑濃度增大時(shí)，體系的轉(zhuǎn)化率、黏度、凝膠也會(huì)增加。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。因此．

29、在反應(yīng)中要選擇合適的引發(fā)劑用量。而選取合適的引發(fā)劑對(duì)乳液聚合至關(guān)重要。</p><p>　　研究表明，采用氧化還原引發(fā)體系聚合的核/殼型的苯丙乳液與用過硫酸鹽引發(fā)聚合的普通乳液相比，聚合反應(yīng)溫度降低了15～20℃，玻璃化溫度比普通乳液低8～10℃，乳膠粒大小均勻，膜的拉伸強(qiáng)度及韌性也大大提高。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。Lee[6]等研究了不同引發(fā)劑對(duì)復(fù)合聚合物粒子組分聞的相容性以及形態(tài)的影

30、響。他們利用聚甲基 丙烯酸甲酯(PM—MA)作為種子乳液，加人苯乙烯(PSt)單體引發(fā)聚合。發(fā)現(xiàn)用水溶性引發(fā)劑K2SO3，得到PMMA為核，聚苯乙烯(PSt)為殼的復(fù)合聚合物粒子；用介于水溶性和油溶性之間的引發(fā)劑4，4’-偶氮雙(4-氰墓戊酸)(ABCVA)，得到的是以PMMA為殼，其中含有多個(gè)PSt核的復(fù)合聚合物粒子：用油溶性引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN)，得到的是PMMA和PSt的均相聚合物。水溶性的引發(fā)劑不易進(jìn)入聚合物種了內(nèi)部，因

31、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]。</p><p>　　2.3 苯丙乳液的改性研究</p><p>　　苯丙乳液的傳統(tǒng)工藝是由苯乙烯、丙烯酸酯及丙烯酸共聚而成。但僅靠這三種單體聚合而成的苯丙乳液尚有許多不足，為了賦予苯丙乳液更加優(yōu)良的性能，適用于工業(yè)運(yùn)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。</p&g

32、t;<p>　　2.3.1 交聯(lián)改性</p><p>　　三十多年來,苯丙乳液的生產(chǎn)技術(shù)有了長(zhǎng)足發(fā)展,如微乳液和大粒徑乳液技術(shù),核殼結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)乳液等,聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、溶解度參數(shù),以及強(qiáng)韌性指數(shù)等參數(shù)也已經(jīng)引入到乳液聚合物鏈鍛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上[7]。但圍繞著丙烯酸酯類乳液性能改進(jìn)這一核心課題共聚和交聯(lián)是貫穿始終的研究?jī)?nèi)容。按固化溫度可分為兩類[8]:</p><p>　　(

33、一) 高溫烘烤,在成膜過程中,溫度升到130℃左右,使線型分子上的活性基團(tuán)之間發(fā)生交聯(lián),形成體型結(jié)構(gòu),從而得到不溶熔目的。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(N-MA)，N-烷氧甲基丙烯酰胺。羥甲基化的二酮丙烯酰胺(HMDAA)以及N-羥甲基-1-丁烯酰胺(AMC)和N-甲酰基-1

34、-N-烯丙基亞甲基二胺(MAMD)。(2) 外交聯(lián)性乳液(也稱間隙交聯(lián)) 的一種方式,通過外加交聯(lián)劑而進(jìn)行交聯(lián)的一種方式,常用的交聯(lián)劑有環(huán)氧樹脂、三聚氰胺樹脂、水溶性脲醛樹脂等。但以上二種交聯(lián)方式都因交聯(lián)溫度較高、使用面積不廣而受到限制,人們對(duì)室溫交聯(lián)型苯丙乳液的開發(fā)研究更加急迫。</p><p>　　(二) 室溫交聯(lián)。(1) 單組分室溫交聯(lián)及常見的金屬離子交聯(lián),是在乳液聚合時(shí),加入含羧基功能單體;然后加入氨水中

35、和到偏堿性,隨后加入二價(jià)以上金屬離子交聯(lián)劑,成膜時(shí)大分子鏈上的羧基與金屬離子發(fā)生交聯(lián),而具有配位能力的高價(jià)金屬鹽類螯合交聯(lián)的不穩(wěn)定和與乳液的相溶性差等問題也使其應(yīng)用受到限制,因此研究在室溫下能形成穩(wěn)定的聚合物交聯(lián)結(jié)構(gòu)的室溫交聯(lián)型苯丙乳液成為近二十年來研究熱點(diǎn)之一。清華大學(xué)的唐黎明、闞成友等對(duì)此作了進(jìn)一步的探討,開辟了一條可行的途徑。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。乳液在成膜過程中,由于水不斷從膜

36、中逸出,交聯(lián)反應(yīng)不斷進(jìn)行,這稱之為失逸性的交聯(lián)反應(yīng)。因此交聯(lián)反應(yīng)與干燥的溫度(包括濕度) 和干燥的時(shí)間有很大關(guān)系。(2) 雙組分及多組分室溫交聯(lián)。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。崔月芝,段洪東等利用合成的雙丙桐丙烯酰胺(DAAM) 為官能單體與苯乙烯、丙烯酸酯等單體共聚后,合成了一種含酮羰基的苯丙乳液與含肼基的聚氨脂水分散體混合后得到了交聯(lián)型聚胺氨酯/苯丙

37、樹脂復(fù)合</p><p>　　聚合物之間的交聯(lián)接枝反應(yīng)的目的在于使核與殼之間形成一過渡層，從而降低核殼問的界面能，提高了兩種聚合物之間的相容性及界面間的粘合力，使核殼結(jié)構(gòu)的聚合物粒子更穩(wěn)定。如Hellippan[9]等用種子乳液制得PBA/MMA復(fù)合乳膠粒，通過C-NMR分析發(fā)現(xiàn)了85％PMMA分子鏈接枝在PBA乳膠粒的表面層上，從而使體系的相容性大大提高。Lee[10]等制得的PBA/PSt核殼聚合物之間一薄層

38、PBA-g-PSt共聚物。這一薄層接枝共聚物起著增容劑的作用，能大大提高聚合物粒子兩相之間的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.3.2 功能單體的引入</p><p>　　李樹良[11]等人在苯丙乳液中引入丙烯酸、丙烯腈等功能單體，并采用核殼法進(jìn)行四元共聚，獲得硬核軟殼的非均相乳液，用于配制建筑用膠粘劑，得到的乳液不僅易于成膜，成膜后強(qiáng)度高、粘附力強(qiáng)，而且耐玷污、耐溶劑、與顏料相存性好。在苯

39、丙乳液中引入適量的功能性單體丙烯酸、丙烯酰胺、N-羥甲基丙烯酰胺、環(huán)氧樹酯及其他含氮單體進(jìn)行改性，不僅提高聚合物的綜合性能，而且還賦予乳液防銹性及穩(wěn)定性。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。在苯丙乳液中引人甲基丙烯酸、丙烯酸等功能性單體或其他丙烯酸疇類可制成防火專用苯丙乳液。甘盂瑜[12]等人采用種子半連續(xù)法合成了一種苯丙乳液，又用多種改性單體（丙

40、烯酸、N一羥甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、丙烯腈和三聚氰胺等）對(duì)其進(jìn)行了共聚改性，考查了各種改性方法的效果。張虎[21]等人采用種子乳液半連續(xù)工藝法合成了脲基單體改性烴基苯丙乳液，與水性異氰酸酯固化劑配制的雙組份水性塑料涂料，用于極性塑料基材的表面涂裝，產(chǎn)品具有優(yōu)異的附著力、耐醇性、耐水性。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</p><p>　　林旻等[13]為檢測(cè)添加納米材料對(duì)苯丙乳液性能的影響并提

41、高其在乳液中的穩(wěn)定性、進(jìn)行了納米材料包裹劑的選擇，以及納米材料用量及加入方式、不同納米材料的對(duì)比等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米材料進(jìn)行包裹、后分散于擁有大側(cè)鏈基團(tuán)的單體中的工藝時(shí)，乳液的硬度、黏度等參數(shù)均有著不同程度的提高，甚至還產(chǎn)生某些特殊性能，如加入納米涂層具有自潔和殺菌能力、還能提高耐色變和耐老化性能。王犇[14]等的研究指出納米SiO2添加到外墻涂料中可提高涂料的耐擦洗性、強(qiáng)度、硬度等。馬利等通過硅烷偶聯(lián)劑改性納米與丙烯酸丁

42、酯、苯乙烯、甲基丙烯酸幾種單體共聚，合成納米二氧化硅苯丙乳液，以其為主要成膜物質(zhì)制備的乳膠漆耐老化性、耐洗刷性、耐水性等均得到很大改善。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)材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并制造出了性能優(yōu)異的新一代功能型材料。吳健春[16]等人利用超聲波分散工藝，將納米二氧化鈦分散到普通外墻乳膠漆中制備納米改性外墻乳膠漆

43、，發(fā)現(xiàn)納米TiO2加入到外墻乳膠漆中充分分散后可以大幅度地提高涂</p><p>　　2.4 苯丙乳液聚合工藝研究進(jìn)展</p><p>　　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。經(jīng)過反復(fù)的探索，目前國內(nèi)外已經(jīng)在傳統(tǒng)乳液聚合工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)出核、殼乳液聚合、無皂乳液聚合、有機(jī)．無機(jī)復(fù)合乳液聚合、互穿網(wǎng)絡(luò)聚合和微乳液聚合等新的聚合

44、工藝。下面就核、殼乳液聚合、無皂乳液聚合、有機(jī)、無機(jī)復(fù)合乳液聚合、基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　核殼乳液聚合生成具有異相結(jié)構(gòu)的膠粒，能很好地解決這問題。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。殼單體的加料方法包括平衡溶脹法、連續(xù)法、半連續(xù)法和預(yù)乳化-半連續(xù)法等。Min等[17]研究了PBA (I)／PSt(II)體系，結(jié)

45、果表明，間歇法和溶脹法所得產(chǎn)物的接枝共聚物(PBA-g-St)的含量比連續(xù)法要高，儲(chǔ)存穩(wěn)定性要好些，且殼層硬單體組分PSt的比例相對(duì)減少，軟單體組分PBA的比例相對(duì)增加；但半連續(xù)法所得膠乳粒子尺寸比較均勻，分散性小。工業(yè)上采用最普遍的是半連續(xù)種子乳液聚合。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

46、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。</p><p>　　所謂無皂乳液聚合指在反應(yīng)過程中完全不加乳化劑或僅加入微量乳化劑(小于臨界膠束濃度CMC)的乳液聚合過程。傳統(tǒng)的乳液聚合法因乳化劑的存在而影響乳液成膜的致密性、耐水性、耐擦洗性和附著力等，無皂乳液聚合由于避免了乳化劑存在下的隔離、吸水、滲出等

47、作用，能得到單一分散、表面潔凈的膠乳粒子，同時(shí)消除了乳化劑對(duì)環(huán)境的污染。與傳統(tǒng)乳液聚合相比，無皂乳液聚合的特點(diǎn)主要在于膠粒的形成機(jī)理及其穩(wěn)定的條件完全不同。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。引入這些基團(tuán)主要通過3種方法[18]：1)利用引發(fā)劑如過硫酸鹽分解產(chǎn)生的自由基引發(fā)聚合而引入離子基團(tuán)：2)與水溶性單體進(jìn)行共聚，共聚單體因親水性而位于膠粒表面，這些親水基或者在

48、一定pH值下以離子形式存在，或者依靠它們之間的空間位阻效應(yīng)而穩(wěn)定膠粒：3)加入離子型單體參加共聚，由于其親水性而傾向丁排列在聚合物離子-水界面，發(fā)揮類似乳化劑的作用。</p><p>　　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。微乳液聚合凝聚物量較少，可提高產(chǎn)率避免粘釜。超微乳液聚合是指單體和分散介質(zhì)在大量表面活性劑的作用下，形成(半)透明

49、的、熱力學(xué)穩(wěn)定的體系。其聚合反應(yīng)速度很快，生成的聚合物粒子非常小，大約在20nm～40nm。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)。但在目前所研究的微乳液聚合體系中，過高乳化劑含量(>10％)和過低單體含量(<10％)限制了聚合物微乳液在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[19]。尋找新的聚合體系，有效地降低體系中乳化劑的用量和

50、提高單體的含量，成為微乳液聚合的熱點(diǎn)之一，也是微乳液聚合的難點(diǎn)之一。徐相凌[20]等通過在普通的乳化劑的親油端中間位置上，接上一中等長(zhǎng)度的親油鏈，制成了Y型乳化劑。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。為了有效地降低體系中乳化劑用量，提高體系中單體／乳化劑比例，除了改進(jìn)聚合工藝，如采用種子聚合或連續(xù)聚合外，最為有效的辦法就是</p><p>　　近年來，在乳液聚合理論和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了有

51、機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合高分子乳液，材料的復(fù)合已從單純的機(jī)械共混發(fā)展到亞微觀的有機(jī)復(fù)合[21]。納米復(fù)合高分子乳液中一相為有機(jī)聚合物相，另一相為無機(jī)相，這種復(fù)合材料與常規(guī)的聚合物／無機(jī)填料復(fù)合體系不同，不是有機(jī)相與無機(jī)相的簡(jiǎn)單混合，而是兩相在納米尺寸范圍內(nèi)復(fù)合而成的。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)。無機(jī)材料具有硬度高、耐老化、耐溶劑、價(jià)廉等長(zhǎng)處，而有機(jī)材料具有成膜性好、柔韌性好、可選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。用

52、有機(jī)-無機(jī)復(fù)合乳液聚合得到的高分子乳液具有附著性能好、耐水性好、透氣透濕性高、抗粘連性、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在化工、電子學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、生物學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，有機(jī)-無機(jī)復(fù)合乳液聚合最關(guān)鍵的技術(shù)是要解決有機(jī)、無機(jī)兩種材料的界面親和性，高性能有機(jī)硅-丙烯酸酯復(fù)合乳液是有機(jī)-無機(jī)復(fù)合乳液聚合最典型的代表[22]。</p><p>　　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

53、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。采用基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合，可制備顆粒含量高、粒徑適宜和高抗沖強(qiáng)度的產(chǎn)品，還可獲得相對(duì)分子質(zhì)量非常低的、高分散性物質(zhì)和嵌段共聚物。</p><p>　　3 苯丙乳液聚合的方法</p><p>　　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?？總鹘y(tǒng)的聚合方法是不能解決這一問題的。核殼乳液聚

54、合生成具有異相結(jié)構(gòu)的膠粒，能很好地解決這一問題。制備核殼乳液最常用的方法就是種子聚合。</p><p>　　乳液聚合是制造合成聚合物的主要實(shí)施方法之一。目前在世界范圍內(nèi)的乳液聚合法用來大量的制備各種類型乳液聚合物和聚合物乳液，其產(chǎn)品已廣泛的應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，成為不可缺少的材料或工作物質(zhì)。</p><p>　　由于乳液聚合體系粘度低，反應(yīng)中心乳膠粒直徑小，故容易散熱；乳液聚合反應(yīng)即可具有

55、高的聚合反應(yīng)速率，又可獲得高分子量的聚合物，再者進(jìn)行乳液聚合所用設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程較短，不要求高溫高壓的反應(yīng)條件，操作方便，技術(shù)容易掌握，生產(chǎn)靈活性大。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

56、的發(fā)展。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用種子乳液聚合法。</p><p><b>　　4 研究目的和步驟</b></p><p>　　本課題是以生產(chǎn)苯丙乳液為目的，通過合成工藝路線的比較，確定經(jīng)濟(jì)合理的工藝流程，設(shè)計(jì)裝置中的主要設(shè)備——聚合釜。由于設(shè)計(jì)需要每一批的進(jìn)料量、反應(yīng)時(shí)所放出熱量的速率、以及物料的粘度、密度和比熱等數(shù)據(jù)，故本設(shè)計(jì)工作分兩

57、步進(jìn)行：</p><p>　　1、資料收集：通過查閱資料，確定物料的進(jìn)料比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等操作條件，以滿足生產(chǎn)需要，確定實(shí)際生產(chǎn)的進(jìn)料量，為工藝設(shè)計(jì)提供計(jì)算數(shù)據(jù)，測(cè)產(chǎn)品的粘度密度等作為設(shè)計(jì)依據(jù)。</p><p>　　2、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

58、和聚合釜總裝圖。</p><p>　　第二部分 工藝計(jì)算與選型依據(jù)</p><p>　　1 小試原料配比和工藝條件選擇的依據(jù)</p><p>　　1.1　單體用量[23]</p><p>　　不同的單體具有不同的性能，一種單體均聚物一般不具備全面的性能(表1)，需選用多種單體進(jìn)行共聚合成。丙烯酸丁酯玻璃化溫度較低，是一種軟單體。如其含量較高，

59、則產(chǎn)品強(qiáng)度低，但成膜性好。苯乙烯玻璃化溫度較高，是一種硬單體，如其含量較高，則產(chǎn)品強(qiáng)度高，但成膜性差。故二者共用，通過調(diào)整比例，可使乳液性能較為理想。</p><p>　　表 1　不同單體的性能</p><p>　　1.2　乳化劑的選擇和用量[23]</p><p>　　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。陰離子乳

60、化劑賦予乳液較好的機(jī)械穩(wěn)性；非離子乳化劑賦予乳液較好的化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)實(shí)踐對(duì)比，選用陰離子型乳化劑十二烷基硫酸鈉與非離子型乳化劑op-10組成復(fù)合體系，可提高乳液的穩(wěn)定性，解決膠體易破乳問題，同時(shí)根據(jù)乳化劑對(duì)粘度的影響（圖1），其最佳用量：十二烷基硫酸鈉為0.6%，op-10 為0.3% 。 圖 1 乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粘度影響</p><p>　　1.3 引發(fā)劑的用量[23]</p

61、><p>　　引發(fā)劑是聚合反應(yīng)的觸媒。用量少則反應(yīng)不完全，用量大則反應(yīng)劇烈甚至爆聚。因此適當(dāng)?shù)挠昧坎粌H可使聚合過程穩(wěn)定，而且也可使聚合反應(yīng)完全。一般引發(fā)劑用量占單體量的0.2 %～0.7 %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%。</p><p>　　1.4　反應(yīng)溫度的選擇</p><p>　　溫度對(duì)乳液聚合反應(yīng)影響較大[25]，反應(yīng)溫度小于7

62、8 ℃時(shí)，滴加進(jìn)的單體不能及時(shí)反應(yīng)出現(xiàn)單體積累；當(dāng)溫度大于87 ℃時(shí)，瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)粗粒子，甚至在瓶壁上出現(xiàn)凝聚物。溫度在78～ 87 ℃時(shí)，聚合過程穩(wěn)定、乳液增稠性能好，圖2為溫度對(duì)粘度的影響。 </p><p>　　圖2 溫度對(duì)粘度的影響</p><p>　　1.5 反應(yīng)時(shí)間的選擇 [2

63、5]</p><p>　　固定乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，引發(fā)劑用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%，反應(yīng)溫度80℃時(shí)，溫度對(duì)黏度的影響如圖1-3，由圖1-3可知，選擇反應(yīng)時(shí)間為3小時(shí)比較合適。</p><p>　　圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)黏度的影響</p><p>　　1.6 產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)</p><p>　　外觀：帶有藍(lán)色熒光的白色乳液 &

64、lt;/p><p>　　固含量：(40±2)%</p><p>　　pH值：7～8 </p><p>　　粘度：80～1500 mPa·s</p><p>　　最低成膜溫度：15℃</p><p><b>　　2 攪拌罐的設(shè)計(jì)</b>&l

65、t;/p><p>　　為反應(yīng)溫度分布均勻，需使用攪拌反應(yīng)釜。典型的攪拌反應(yīng)器如圖4所示，它主要由攪拌罐、攪拌裝置和軸封三大部分組成。 </p><p>　　攪拌罐包括罐體、加熱裝置及附件。罐體為一個(gè)提供化學(xué)反應(yīng)空間的容器。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。例如在容器外部設(shè)置夾套，或者在容器內(nèi)部設(shè)置蛇管；為了與減速機(jī)和軸封相連接，頂蓋上要焊裝

66、底座；為了便于檢修內(nèi)件及加料和排料，需要裝焊人孔，手孔和各種管件；為了在操作過程中有效地監(jiān)視和控制物料的溫度，壓力和 </p><p>　　料面高度，則需要安裝溫度計(jì)，壓力 圖4</p><p>　　表，液面計(jì)，視鏡和安全泄放裝置；有是為了改變物料流型，增強(qiáng)攪拌強(qiáng)度，強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱，還要在罐體的內(nèi)部焊

67、裝擋板和導(dǎo)流筒。另外，在罐體上還需設(shè)置工藝接管等附件，但是隨著附件的增加，往往會(huì)給設(shè)備的制造和維修帶來很多麻煩，增加設(shè)備制造和維修費(fèi)用。所以在確定攪拌罐結(jié)構(gòu)的時(shí)候應(yīng)全面綜合考慮，使設(shè)備滿足生產(chǎn)工藝要求有做到經(jīng)濟(jì)合理，實(shí)現(xiàn)最佳化設(shè)計(jì)[26]。 </p><p>　　罐體的幾何尺寸包括內(nèi)徑DT、高度H、</p><p>　　容積V及壁厚δ（見圖5）</p><p>　　

68、圖5 罐體的直徑與高度</p><p>　　2.1 罐體的長(zhǎng)徑比</p><p>　　選擇罐體的長(zhǎng)徑比應(yīng)考慮的主要因素有3個(gè)方面，即長(zhǎng)徑比對(duì)攪拌功率的影響，對(duì)傳熱的影響以及物料攪拌反應(yīng)特性對(duì)長(zhǎng)徑比的要求。</p><p>　　·罐體長(zhǎng)徑比對(duì)攪拌功率的影響 </p><p>　　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

69、體內(nèi)徑通常有一定的比例范圍。隨著罐體長(zhǎng)徑比的減小，即高度減小而直徑放大，攪拌器槳葉直徑也相應(yīng)放大。在固定的攪拌軸轉(zhuǎn)數(shù)下，攪拌器功率與攪拌器槳葉直徑的5次方成正比。所以，隨著罐體直徑的放大，攪拌器功率增加很多，這對(duì)于需要較大攪拌作業(yè)功率的攪拌過程是適宜的，否則減小長(zhǎng)徑比只能無謂地消耗一些攪拌器功率，長(zhǎng)徑比則可以考慮選得大一些。</p><p>　　·罐體長(zhǎng)徑比對(duì)傳熱的影響 </p>

70、<p>　　套傳熱有顯著影響。容器一定時(shí)長(zhǎng)徑比越大則罐體盛料部分表面積越大，夾套的傳熱面積也就越大。同時(shí)長(zhǎng)徑比越大，則傳熱表面距離罐體中心越近，物料的溫度梯度就越小，有利于提高傳熱效果。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。</p><p>　　·物料特性對(duì)罐體長(zhǎng)徑比的要求 </p><p>　　某些物料的攪拌反應(yīng)過程對(duì)罐體長(zhǎng)徑比有著特殊要求，例如發(fā)

71、酵罐之類，為了使通入罐內(nèi)的空氣與發(fā)酵液有充分的接觸時(shí)間，需要有足夠的液位高度，希望長(zhǎng)徑比取得大一些。</p><p>　　根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，幾種攪拌罐的長(zhǎng)徑比大致如表2。</p><p>　　表2 幾種攪拌罐的長(zhǎng)徑比</p><p>　　2.2 裝料系數(shù)[26]</p><p>　　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

72、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。　</p><p>　　反應(yīng)液體積VR與反應(yīng)器實(shí)際體積VT有如下關(guān)系：</p><p>　　VR＝VTη（m3） （1—1）</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理地選用裝填系數(shù)η值，盡量提高設(shè)備利用率。通常η可取0.6～0.85。如果物料在反應(yīng)過程中起

73、泡沫或呈沸騰狀態(tài)，η應(yīng)取低值，約0.6～0.7；如果物料反應(yīng)平穩(wěn)，η取0.8～0.85（物料黏度較大可取大值）。</p><p>　　2.4確定筒體直徑和高度[27]</p><p>　　知道了筒體的長(zhǎng)徑比和裝填系數(shù)之后，還不能直接算出筒體直徑和高度，因?yàn)楫?dāng)筒體直徑不知道時(shí)封頭的容積就不知道，罐體全容積也不能最后知道。查表【7】標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的體積為0.131D3、h封=D/4。</p

74、><p>　　令：h為釜體直邊高、H為反應(yīng)器釜體總高度，則：</p><p>　　H=h+2h封=h+D/2=1.5D</p><p>　　若取H/D=1.5，則有：h=D</p><p>　　VT =πD2h/4+0.262D3 = πD3 /4+0.262D3 =1.047 D3 （1—2）</p><p>

75、;　　所以 D= （1—3）</p><p>　　圓整后查表【7】選取公稱直徑。</p><p><b>　　所以，釜直邊高</b></p><p>　　h=( VT-2×V封)/0.785D2 （1—4）<

76、/p><p>　　再重新計(jì)算H及新的長(zhǎng)徑比，大致符合要求便可。</p><p>　　3 攪拌設(shè)備的傳熱[25]</p><p><b>　　3.1傳熱方式</b></p><p>　　反應(yīng)器的加熱和冷卻有多種方式?？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

77、遍的采用夾套傳熱的方式。</p><p><b>　　3.1.1夾套傳熱</b></p><p>　　傳熱夾套一般由普通碳鋼制成，它是一個(gè)套在反應(yīng)器筒體外面能形成密封空間的容器，既簡(jiǎn)單又方便（如圖6）。夾套上設(shè)有水蒸汽、冷卻水或其他加熱、冷卻介質(zhì)的進(jìn)出口。如果加熱介質(zhì)是水蒸氣，則進(jìn)口管應(yīng)靠近夾套上端，冷凝液從底部排除；如果傳熱介質(zhì)是液體，則進(jìn)口管應(yīng)安置在底部，液體從地

78、步進(jìn)入，上部流出，使介質(zhì)能充滿整個(gè)夾套的空間。有時(shí)，對(duì)于較大型容器，為了得到較好的傳熱效果，在夾套空間裝設(shè)螺旋導(dǎo)流板，以縮小夾套中的流體的流通面積，提高流體的流動(dòng)速度和不避短路，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜一些。</p><p>　　夾套的高度決定于傳熱面積F，而傳熱面積F是由工藝要求確定。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。</p><p&g

79、t;　　根據(jù)裝料系數(shù)η，則物料容積V·η，因此，夾套高度H夾可由下式來估算：</p><p>　　H夾≥（V·η-V封）/f （1—5）</p><p>　　f=πD2/4 （1—6）</p><p>　　式中：f——筒體橫截面積（m2）；</p><p>

80、;　　D——容積內(nèi)直徑（m）；</p><p><b>　　η——裝料系數(shù)；</b></p><p>　　V——容器容積（m3）；</p><p>　　V封——封頭容積(m3)</p><p><b>　　圖6夾套傳熱釜</b></p><p><b>　　3.1.

81、2蛇管傳熱</b></p><p>　　當(dāng)需要的傳熱面積較大、而夾套傳熱在允許的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)不能滿足要求時(shí)，或是殼體內(nèi)襯有橡膠、耐火磚等隔熱材料而不能采用夾套時(shí)，可采用蛇管傳熱，蛇管的管長(zhǎng)與管徑之比見表3。</p><p>　　表3管長(zhǎng)與管徑之比值表</p><p>　　3.1.3內(nèi)傳熱擋板和夾套</p><p>　　隨著反應(yīng)器容積

82、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。傳熱擋板既可以增加傳熱面積，移走熱量，又可以強(qiáng)化攪拌效果，起破壞渦流控制流型效果。</p><p><b>　　3.2確定傳熱方式</b></p><p>　　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。</p><p>　　表4 各種類型夾

83、套的使用范圍</p><p>　　3.2.1整體夾套的結(jié)構(gòu)類型</p><p>　　按照對(duì)罐體的包覆程度，夾套可分為4種類型。</p><p>　　第一種僅圓筒的一部分有夾套，用在需要加熱面積不大的場(chǎng)合。</p><p>　　第二種為圓筒的一部分和下風(fēng)頭包有夾套。這種夾套是常用的類型結(jié)構(gòu)。</p><p>　　第三種是

84、為減小罐體的外壓計(jì)算長(zhǎng)度L，或者為了實(shí)現(xiàn)在罐體的軸線方向分段地控制溫度、進(jìn)行加熱和冷卻而采用的分段夾套，各段之間設(shè)置加強(qiáng)圈或采用能夠起到加強(qiáng)圈作用的夾套封口件。這種結(jié)構(gòu)適用于罐體細(xì)長(zhǎng)的場(chǎng)合。</p><p>　　第四種為全包覆式夾套。</p><p>　　3.2.2整體夾套夾套的尺寸及連接型式</p><p>　　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

85、。</p><p>　　不可拆卸式夾套的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠，主要適用于碳鋼制的攪拌設(shè)備。</p><p>　　可拆卸式夾套的連接結(jié)構(gòu)，用在操作條件較差，以及要求定期檢查罐體外部表面或者要求定期清洗夾套內(nèi)污垢的場(chǎng)合。</p><p>　　夾套直徑確定見表5。</p><p>　　表5整體夾套直徑的確定</p><p>&

86、lt;b>　　4 攪拌器</b></p><p>　　4.1 攪拌器分類及參數(shù)[28]</p><p>　　攪拌器是攪拌槽的核心設(shè)備，一般是根據(jù)不同的應(yīng)甩條件和不同的工藝要求而設(shè)計(jì)的，其主要在于攪拌葉輪的型拭和傳動(dòng)裝置有區(qū)別。</p><p>　　（一）依據(jù)葉輪的形狀來分有：</p><p>　　1槳式——有分平槳和折槳兩種

87、。其槳寬和葉徑之比多為0.1～0.25，折槳角度為45°、60°一般只有兩片槳葉，槳葉外沿圓周速度為1.0～5.0m／s，轉(zhuǎn)速為1～100rpm，適用粘度在2P以下的液體，葉徑和槽徑之比為0.35～0.80，個(gè)別可達(dá)0.9，可安裝成單層式或多層式。</p><p>　　2渦輪式——可分為開啟式和圓盤式，如平直葉，彎葉， 圓盤平葉，圓盤彎葉等，槳數(shù)一般為6片，葉寬與葉徑之比為0.15~0.3(以

88、0.2居多)， 葉沿圓周速度為4～l0m／s，轉(zhuǎn)速為10～300rpm，分別適于粘度50P和10P以下的液體， 葉徑與槽徑之比為0.2～0.5。</p><p>　　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0.2～0.5。</p><p>　　4 錨框式——也是兩葉形式，外沿

89、圓周速度為l～5m／s，轉(zhuǎn)速為l～100rpm，適于粘度小于100P的液體攪拌， 葉徑與槽徑之比達(dá)0.9~0.98，特別用于攪拌范圍較大或液體易粘附于槽壁的場(chǎng)合。</p><p>　　5 螺帶式——圓周速度一般小于2m／s，轉(zhuǎn)速0.5 ～50r／min，葉徑與槽徑之比為0.9～0.98，適于粘度小于100P的場(chǎng)臺(tái)。</p><p>　　6 高剪切式——有鋸齒式，三角葉式等，適用于需高剪切的

90、情況。</p><p>　　（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1-7）</p><p>　　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、</p><p>　　無腐蝕的固體懸浮。一般要求精度</p><p>　　在5P。以內(nèi)，可用于大容積的攪拌</p>&

91、lt;p>　　槽，其標(biāo)準(zhǔn)形式是螺旋槳式葉輪。</p><p>　　2 徑向流葉輪——葉輪施以離</p><p>　　心力，沿半徑方向流出，上下方補(bǔ) 圖7 葉輪所造成的槽內(nèi)液體循環(huán)流動(dòng)途徑</p><p>　　充流入。有良好的適應(yīng)各種操作要求的性能，特別對(duì)于粘度高的液體攪拌。</p><p>　　4.2 攪拌器選型[48]<

92、/p><p>　　攪拌器是根據(jù)不同攪拌目的的工藝要求而造型的。</p><p>　　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。</p><p>　　為了達(dá)到一定的調(diào)勻度，需要一定的總體流動(dòng)；為了達(dá)到一定的分隔尺度，則需要一定的湍流強(qiáng)度，不同的工藝過程對(duì)總體流動(dòng)與湍流強(qiáng)度有不同的要求。</

93、p><p>　　一個(gè)好的選型方法最好具備兩個(gè)條件，一是選擇結(jié)果合理，一是選擇方法簡(jiǎn)便，而著兩點(diǎn)卻往往難以同時(shí)具備。</p><p>　　由于液體的黏度對(duì)攪拌狀態(tài)有很大的影響，所以根據(jù)攪拌介質(zhì)粘度的大小來選型是一種基本的方法。</p><p>　　4.3 攪拌槽體及附件[30]</p><p>　　4.3.1 槽體型式及尺寸</p>

94、<p>　　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：</p><p>　　葉輪個(gè)數(shù)＝實(shí)際液體深×液體比重÷槽徑</p><p>　　每個(gè)葉輪間距應(yīng)為1～1.5葉徑。</p&g

95、t;<p><b>　　4.3.2 附件</b></p><p>　　攪拌槽附件包括檔板、異流簡(jiǎn)等</p><p>　　1檔板——其作用是防止?jié){體打漩，以免固體顆粒因離心力向槽壁聚集和吸入空氣；此外，檔板還可增大湍動(dòng)程度。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)而不再能改善攪拌效果的擋板數(shù)量，可用下

96、式估算：</p><p>　　m(w/d)1.2=0.35 （1—7）</p><p>　　式中m——“充分擋板化”的檔板數(shù)；</p><p>　　w 和d—— 檔板寬和葉輪直徑。</p><p>　　一般取w/d=1/10~1/12，m =6已足夠。</p><p&g

97、t;　　檔板雖能減少水平環(huán)流，提高懸浮效果，但也會(huì)在檔板的背面形成滯流區(qū)，引起固體顆粒的聚積，為此，在檔板與槽壁之問常留有一定縫隙，其寬度為檔板寬的0.1~0.15倍。</p><p>　　2導(dǎo)流筒——其作用主要是確定循環(huán)路徑以減少短路，同時(shí)亦加大筒內(nèi)液體的攪拌程度。但由于使阻力增加，消耗攪拌器的功率，因此需視具體要求決定是否設(shè)置。</p><p>　　4.4 葉輪位置與標(biāo)準(zhǔn)攪拌槽[30]

98、</p><p>　　葉輪一般設(shè)在槽中心，葉輪到槽底的距離c約等于葉輪直徑d，但對(duì)沉降速度較快的固俸顆粒，則應(yīng)降低安裝位置。</p><p>　　葉輪直徑與槽徑之比d／D與所選擇的葉輪型式有關(guān)，常用的范圍為：</p><p>　　平槳式d／D=0.50～0.83；</p><p>　　滑輪式d／D=0.33～0.40；</p>

99、<p>　　螺槳式d／D=0.1～0.33。</p><p>　　由于攪拌槽的幾何特性對(duì)液體流型與攪拌效果有較大影響，目前已研究確定一種“標(biāo)準(zhǔn)” 形式妁攪拌槽，其性能可滿足大多數(shù)工藝操作過程的要求。其幾何尺寸如下：</p><p>　　d／D=1／3，H1=d，H／D=1;w1／d=l／5，111=4，L／d=1／4；w ／D：l／10。此外，葉輪為6片平槳滑輪，安裝在直徑為s的

100、中心圓盤上。各式中：w1—— 葉輪寬， L一葉片長(zhǎng)。</p><p>　　4.5 攪拌器功率的估算[30]</p><p>　　對(duì)于不同的工藝過程需要不同的動(dòng)力，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)槽體和一定型式的攪拌器，當(dāng)用某種轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，使攪拌器連續(xù)運(yùn)行所需的動(dòng)力就是攪拌器的功率。</p><p>　　4.5.1 影響攪拌器功率的因素</p><p>　　攪拌

101、與槽內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，因此，影響流動(dòng)狀態(tài)的因素也會(huì)影響攪拌器的功率。如</p><p>　　1 攪拌器的幾何參數(shù) 槳葉直徑d，槳葉寬w1，槳葉角θ，轉(zhuǎn)速n，時(shí)數(shù)m，槳葉片離槽底高c等；</p><p>　　2 攪拌槽的幾何參數(shù)：槽徑D，槽高H0(液深)，擋板寬w，檔板數(shù)m，導(dǎo)流筒尺寸等；</p><p>　　3 攪拌漿體物性參數(shù)：漿體密度ρ，粘度μ，顆粒粒徑d，密度ρ

102、s等。</p><p>　　4.5.2 功率估算方法[31]</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)法。</p><p>　　一般關(guān)聯(lián)式——從諸影響攪拌功率的因素中，暫不考慮形狀幾何參數(shù)的影響，其功率有如下函數(shù)式：</p><p>　　N=Φρn3dj5(n2dj/g)（α-lgRe)/β (1-8)<

103、;/p><p>　　式中α、β依槳型不同，可從表6查得。</p><p>　　表6 推進(jìn)式、渦輪式攪拌槳的α、β值</p><p><b>　　第3部分 工藝設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本工藝采取種子乳液聚合法合成苯丙乳液，所選工藝流程：物料混合--預(yù)乳化約1.5h--加引發(fā)劑--邊加料邊乳化約3h--調(diào)PH--過濾。

104、由表1，單體最佳用量丙烯酸丁酯24.9%、苯乙烯17.9%，由圖1，乳化劑選用十二烷基硫酸鈉為0.6%，op-10 為0.3%。由圖2，溫度選擇80℃。由圖3，反應(yīng)時(shí)間取3h更合適。本設(shè)計(jì)以40000噸年產(chǎn)量為基準(zhǔn)合成苯丙乳液，下面進(jìn)行物料及熱量衡算并確定工藝設(shè)備規(guī)格。</p><p><b>　　1 物料衡算</b></p><p>　　1.1 預(yù)乳化液組成（W%）

105、</p><p><b>　　表7 預(yù)乳化液組成</b></p><p><b>　　1.2 引發(fā)劑組成</b></p><p>　　去離子水 15.45%； 引發(fā)劑APS 0.4% </p><p><b>　　1.3各物料含量&l

106、t;/b></p><p>　　由于工業(yè)操作、物料的轉(zhuǎn)移和反應(yīng)過程中原料的揮發(fā)等，可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，因此按照平均轉(zhuǎn)化率帶入計(jì)算，結(jié)果會(huì)存在一定的誤差。按每年工作300天計(jì)算，每天生產(chǎn)三班次，生產(chǎn)乳液</p><p>　　M=40000噸/（300×3）=44.44噸/次=44.44×103kg/次</p><p>　　按平均轉(zhuǎn)化率

107、按90.00%來計(jì)算，則每批的投料量,由于各物質(zhì)密度均大于水，故可按1g/ml估算所需反應(yīng)釜體積：</p><p>　　44.44×103kkg/90.00%=49.3778×103kg</p><p>　　m水=49.9%×49.3778×103 =2.463951×104kg V水=24639510ml</p&

108、gt;<p>　　mSDS=0.6%×49.3778×103 =2.96267×102 kg VSDS=296267ml</p><p>　　mOP=0.3%×49.3778×103 =1.48133×102kg VOP=148133ml </p><p>　　mBA=2

109、4.9%×49.3778×103=1.2295072×103 kg VBA=1229507ml</p><p>　　mMMA=2%×49.3778×103=9.87556×102 kg VMMA=987556ml</p><p>　　mAN=2%×49.3778×103

110、=9.87556×102 kg VAN=987561ml</p><p>　　mSt=17.9%×49.3778×103=8.838626×103 kg VSt=8838626ml</p><p>　　mAA=2%×49.3778×103=9.87556×102 kg

111、 VAA=987561ml</p><p>　　mAPS=0.4%×49.3778×103=1.97511×102 kg VAPS=197511ml</p><p>　　總物料V0= V水+VSDS+ VOP +VBA+VMMA+VAN+ VSt + VAA +VAPS =49377802ml=49.377802m3&l