年产1000吨PVB生产工艺设计.docx

1、年产1000吨PVB生产工艺设计武汉理工大学本科生毕业设计年产5000吨白乳胶生产工艺设计 学院（系）： 专业班级 ： 学生姓名 ： 指导老师 ： 学位论文原创性说明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所得到的研究结果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律效果后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本

2、学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日武汉理工大学本科生毕业设计任务书学生姓名 ： 专业班级： 指导教师 ： 工作单位： 设计题目: 年产5000吨白乳胶生产工艺设计设计主要内容：1. 年产5000吨白乳胶生产工艺的确定2. 完成主要设备的设计及其它配套设备的选型3. 完成车间平面的布置要求完成的主要任务:1.不少于15篇的相关文献资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告2.完成设计图纸四张

3、（工艺流程图，设备平面布置图，主要设备装配图，车间立面图 ）3.计说明说一份，字数不少于一万字4.完成不少于五千字的用英文文献翻译必读参考资料：化工原理，化工制图，化工设计，化工仪表及自动化，化工机械设备，化学工艺手册指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) 武汉理工大学本科生毕业设计开题报告学生姓名 专业班级 选题题目：年产5000吨白乳胶生产工艺设计1、选题的目的及意义（含国内外的研究现状分析）聚醋酸乙烯乳液即白乳胶,为单一组份的化合物。聚醋酸乙烯乳液为白色的粘稠液体,其粘接强度高、柔韧性好,用它制成的水性乳胶漆色彩鲜艳,耐酸碱和耐水洗涤,不易泛黄。聚醋酸乙烯乳液是以水为分散介质,不使用易

4、污染的溶剂,具有生产方便、价格低、粘合强度高、无毒无腐蚀性、无火灾危险和耐候性好等特点,可制成高浓度的产品。它是广泛用于木材、织物、包装、建筑等行业的粘合剂,是市场上粘合剂用量最大的品种,在家具拼板中的用量日益增加。美国的聚醋酸乙烯的消费占醋酸乙烯用量的第一位。聚醋酸乙烯的最大用户是粘合剂,其次是乳胶漆。美国用乙烯类单体为原料制造水性乳胶漆的产量已占涂料总产量的近半左右。西欧的聚醋酸乙烯主要用于涂料和建筑,其次用于粘合剂和纤维。西欧涂料工业中所消费的聚醋酸乙烯约占总消费量的37%。日本将聚醋酸乙烯主要用于粘合剂。国内的聚醋酸乙烯的用途分别为:粘合剂占55%,印刷占10%,卷烟占10%,涂料与建

5、筑占20%,织物加工占1%,其他4%。国外的用途分别为:粘合剂占37%,涂料和建筑占35%,纸张和织物加工占10%以上。相比之下,国内的聚醋酸乙烯的应用尚有相当的差距,在织物加工与纸张加工方面尚有较大的市场潜力。聚醋酸乙烯乳液在建筑上可与其他的材料配合使用。在水泥砂浆中加入10%20%可提高抗压强度及拉伸强度。与填料等配合可用于地面、墙面施工等。聚醋酸乙烯乳液广泛用于纤维、无纺布、植绒、纸张等的粘接。还可用于制造纸管、耐水瓦机纸板、铝箔等。在粘合性、耐水性、贮存性等方面优于其他粘合剂。在我国,应拓展聚醋酸乙烯在涂料、建筑、造纸和织物加工等方面的应用。美国的聚醋酸乙烯年需求增长率为3%,在纸业中

6、的年用量已达到13万吨。美国聚醋酸乙烯的年用量为64万吨。西欧聚醋酸乙烯的年用量为68万吨。国内的年用量为24万吨。年需求增长率为10%。由于白乳胶的应用很广泛，而且在世界范围内的需求量迅速增大，发展前景可观，所以白乳胶的生产工艺流程很重要。我国是在二十世纪五十年代才开始研究白乳胶，在二十世纪七十年代才开始实现其工业化的生产。现在国内对于白乳胶的应用主要还是在胶黏剂方向，而水性漆方向是国内的发展趋势，所以针对不同特性的改性白乳胶需要寻求更好的生产工艺。2、设计的主要内容和方案查阅资料得到配方如下：配方（质量比）： 醋酸乙烯50%，聚乙烯醇4%，邻苯二甲酸二丁酯5%，蒸馏水40%，过硫酸钾1%，

7、碳酸氢钠适量。设计操作： （1） 将聚乙烯醇和蒸馏水加入反应锅中，缓缓加热升温至80摄氏度，充分搅拌均匀，经过46个小时充分溶解。（2） 降温到6065摄氏度，实行保温，一边按配方量的15%醋酸乙烯，一边按配方量的40%加入过硫酸钾。（3） 反应时会放出热量温度回升高，在温度达到80摄氏度左右时，按照配方用量分别加入醋酸乙烯，每次10%，在68个小时内添加完毕。（4） 在逐步滴加醋酸乙烯的过程中，每小时加入过硫酸钾的4%6%，等醋酸乙烯添加完后将余下的过硫酸钾全部倒入反应器内，此时温度上发生到90摄氏度到95摄氏度。（5） 保温30分钟，冷却到50摄氏度，加入邻苯二甲酸二丁酯，搅拌均匀，用碳酸

8、氢钠调剂，然后冷却，成品包装。生产中需要注意的对反应有影响的条件：（1） 引发剂的影响醋酸乙烯乳液聚合常用的引发剂为过硫酸盐。引发剂采用分次添加的方式，聚合开始后连续滴加，可以控制引发剂不过量，以免引起爆聚，造成乳液稳定性下降。一般来说，适当减少引发剂用量可提高聚合度，制得粘接性较强的乳液。 （2） 乳化剂的影响 乳化剂的品种对乳液粒径、相对分子质量、反应速率和乳液稳定性都有较大影响。可使聚合物乳液有更大的稳定性，乳液的固含量随乳化剂用量的增加而增加，粘度也随之增大，粘接力也相应增强。（3） 聚乙烯醇的影响 在醋酸乙烯乳液聚合的过程中，聚乙烯醇既起到了乳化剂的作用，同时又起到了保护胶体的作用。

9、不加聚乙烯醇而直接进行乳液聚合所得到的白乳胶在静置几分钟后会立刻凝结，变成胶冻状，无法使用。若加入聚乙烯醇的量过大，就会导致所得乳液粘度太高，流动性太差，也无法使用。 （4） 反应温度的影响 反应温度影响聚合反应速率和乳液的平均相对分子质量。反应温度升高会使乳胶粒数目增大，平均直径减小；反应温度升高，使乳胶之间发生重合，聚结速率增大，乳胶粒表面上的水化层变薄，都会导致乳液稳定性下降，如果反应温度高于或等于乳化剂的浊点时，乳化剂就失去了作用，从而引起破乳。3、进度安排第三周：查阅白乳胶相关的文献资料，明确白乳胶的相关知识第四周：确定白乳胶生产工流程设计的内容，确定白乳胶的生产工艺的方案，完成开题

10、报告。第五周：确定了生产白乳胶的原料及配方。第六周：初步根据所选定的工艺历程选定反应器为夹套型的反应釜。再根据配方计算出密度，将质量产量转换成体积产量。根据反应釜计算原理初步计算反应釜的规格。第七周：确定反应釜的规格后，进行壁厚等的细节计算。第八周：进一步验算，确定釜的规格。第九周：确定釜的规格后，完成其它设备的初步选型。第十周：经过反复验算确定各种设备的型号。第十一周：开始使用绘图软件绘制设备装配图。第十二周：绘制主要设备的装配图。第十三周：最后完善主要设备的装配图。第十四周：绘制生产工艺流程图。第十五周：绘制车间立面图。第十六周：完成设计，答辩。 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月

11、日 5、开题答辩小组意见答辩小组组长签名： 答辩小组成员签名：1 23 4 年 月 日 摘 要本文根据多份文献和多次试验确定了生产白乳胶的配方以及生产的基本步骤。本次设计以大量的文献和实验为基础设计出了具体的生产工艺流程，选择了主要反应器的类型，并且根据年产量计算了反应器的尺寸，根据设计的具体流程计算并且选择了其他的配套的设备。对生产的设备进行了车间内的平面布置和立面布置。而且完成了主要设备装配图，工艺流程图，车间平面布置图，设备立面图。本次设计的特色在于反应原料的预处理，和对出产物的乳化机中和。通过预处理的时间与反应时间的周期性来节约总的生产时间，在尽量节约设备使用的情况下节约下大量的时间。

12、关键词：白乳胶；反应釜；筒体；夹套；封头；直径；高度；高径比；壁厚；内压；外压；搅拌；功率；电机；支座；接管AbstractBased on a number of documents and numerous tests to determine the basic steps of the production of white latex formulations and production. The design is based on the literature and experimental design of the production process, select t

13、he type of reactor, and calculated the size of the reactor according to the annual output, according to the specific process of the design and selected other supporting equipment. Workshop layout and elevation layout of production equipment. And completed a major equipment assembly drawings, process

14、 flow diagrams, workshop floor plan, equipment elevations.The characteristics of this design is that the pretreatment of the reactants, and the product of the emulsification machine. The cyclical nature of the pretreatment time and reaction time to save the total production time, save under a lot of

15、 time try to save the equipment.Key words: white latex, reaction kettle, tube, jacket, head diameter, height, height to diameter ratio, wall thickness, internal pressure, external pressure, mixing, power, motors, bearings, pipe.1.绪论聚醋酸乙烯乳液即白乳胶,为单一组份的化合物。聚醋酸乙烯乳液为白色的粘稠液体,其粘接强度高、柔韧性好,用它制成的水性乳胶漆色彩鲜艳,耐酸碱

16、和耐水洗涤,不易泛黄。聚醋酸乙烯乳液是以水为分散介质,不使用易污染的溶剂,具有生产方便、价格低、粘合强度高、无毒无腐蚀性、无火灾危险和耐候性好等特点,可制成高浓度的产品。它是广泛用于木材、织物、包装、建筑等行业的粘合剂,是市场上粘合剂用量最大的品种,在家具拼板中的用量日益增加。由于白乳胶的应用很广泛，而且在世界范围内的需求量迅速增大，发展前景可观，所以白乳胶的生产工艺流程很重要。我国是在二十世纪五十年代才开始研究白乳胶，在二十世纪七十年代才开始实现其工业化的生产。现在国内对于白乳胶的应用主要还是在胶黏剂方向，而水性漆方向是国内的发展趋势，所以针对不同特性的改性白乳胶需要寻求更好的生产工艺。美国

17、的聚醋酸乙烯的消费占醋酸乙烯用量的第一位。聚醋酸乙烯的最大用户是粘合剂,其次是乳胶漆。美国用乙烯类单体为原料制造水性乳胶漆的产量已占涂料总产量的近半左右。西欧的聚醋酸乙烯主要用于涂料和建筑,其次用于粘合剂和纤维。西欧涂料工业中所消费的聚醋酸乙烯约占总消费量的37%。日本将聚醋酸乙烯主要用于粘合剂。国内的聚醋酸乙烯的用途分别为:粘合剂占55%,印刷占10%,卷烟占10%,涂料与建筑占20%,织物加工占1%,其他4%。国外的用途分别为:粘合剂占37%,涂料和建筑占35%,纸张和织物加工占10%以上。相比之下,国内的聚醋酸乙烯的应用尚有相当的差距,在织物加工与纸张加工方面尚有较大的市场潜力。聚醋酸乙

18、烯乳液在建筑上可与其他的材料配合使用。在水泥砂浆中加入10%20%可提高抗压强度及拉伸强度。与填料等配合可用于地面、墙面施工等。聚醋酸乙烯乳液广泛用于纤维、无纺布、植绒、纸张等的粘接。还可用于制造纸管、耐水瓦机纸板、铝箔等。在粘合性、耐水性、贮存性等方面优于其他粘合剂。在我国,应拓展聚醋酸乙烯在涂料、建筑、造纸和织物加工等方面的应用。美国的聚醋酸乙烯年需求增长率为3%,在纸业中的年用量已达到13万吨。美国聚醋酸乙烯的年用量为64万吨。西欧聚醋酸乙烯的年用量为68万吨。国内的年用量为24万吨。年需求增长率为10%。由于白乳胶的消耗量巨大，并且发展前景尤为可观所以本次设计选择了白乳胶生产工艺设计这

19、个题目。通过查阅各种文献，和实验室的实验确定了合适的白乳胶生产配方，以及生产的工艺流程。相同的配方，不一样的工艺就会生产出不同等级的产品，尤其是高分子合成，引发剂的加入时间，引发剂的加入频率，加入的量的多少都决定了高分子聚合的进度，为了避免引起爆聚，要很注重引发剂的加入。乳液聚合容易在反应后期破乳，所以聚合反应的乳化剂的选择很重要，不仅要求乳化效果好，还要价格便宜，单一的乳化剂并不能完全的满足生产需求，所以可以使用多种乳化剂的复配使用。经过实验室的反复试验确定了使用SDS和OP10，SDS是应用很广泛，而且价格比较合适的表面活性剂，OP-10的乳化效果很好，而且是液体乳化剂，两者按照配方中的比

20、例复配，达到了不错的乳化效果。2.物料衡算2.1 物料衡算的任务通过物料衡算确定聚合釜的个数、体积、每釜投料量及各工序进出物料量。为设备计算、选型和热量衡算提供依据。2.2衡算的依据1设计生产规模 年产PVB1000吨2 设计生产时间 7200小时/年3 生产周期 8小时2.3 收集的数据1 白乳胶密度 1.08g/cm3（25） 2水的密度 0.9982g/cm3（25）3参考配方表2-1 配方列表（质量比）名称质量分数(%)醋酸乙烯50蒸馏水40聚乙烯醇4邻苯二甲酸二丁酯5过硫酸钾1碳酸氢钠适量2.4 衡算基准以一釜物料为衡算对象，以釜中生成的树脂为衡算基准。单位为kg/釜。2.5聚合釜投

21、料量聚合过程中物料体积变化不大，因此以25时的物料体积为依据来计算釜内物料体积。初步选取7.5m3聚合釜，聚合釜装料系数取为0.8。则聚合釜有效体积为6m3 聚合釜投料量根据参考配方按比例计算。计算过程略。表2-2 聚合釜投料量表名称质量（kg)醋酸乙烯2800蒸馏水2600聚乙烯醇150邻苯二甲酸二丁酯260过硫酸钾60碳酸氢钠适量2.6每釜年生产能力及釜的个数 设计生产规模为年产 白乳胶5000吨，设计生产时间为每年7500小时，生产周期为24小时，每釜生产能力为6000kg。 则每釜年生产能力为：6000750024=1875000Kg=1875吨 取聚合釜备用系数为1.1 则聚合釜个数

22、为： n=1.150001875=2.93 因此聚合釜个数可取为3个。 2.7工艺流程的简介（1） 将聚乙烯醇和蒸馏水加入反应锅中，缓缓加热升温至80摄氏度，充分搅拌均匀，经过46个小时充分溶解。（2） 降温到6065摄氏度，实行保温，一边按配方量的15%醋酸乙烯，一边按配方量的40%加入过硫酸钾。（3） 反应时会放出热量温度回升高，在温度达到80摄氏度左右时，按照配方用量分别加入醋酸乙烯，每次10%，在68个小时内添加完毕。（4） 在逐步滴加醋酸乙烯的过程中，每小时加入过硫酸钾的4%6%，等醋酸乙烯添加完后将余下的过硫酸钾全部倒入反应器内，此时温度上发生到90摄氏度到95摄氏度。（5） 保温

23、30分钟，冷却到50摄氏度，加入邻苯二甲酸二丁酯，搅拌均匀，用碳酸氢钠调剂，然后冷却，成品包装。2.8物料流程简图 醋酸乙烯 过硫酸钾 聚乙烯醇的溶解反应釜的聚合反应聚乙烯醇 蒸馏水 乳化剂乳化反应釜碳酸氢钠白乳胶储槽去包装车间3.聚合釜的设计3.1设计任务 选择聚合釜及夹套材料，确定聚合釜和夹套的几何尺寸，并对聚合釜及夹套进行强度计算。3.2 设计依据1 设计压力 聚合釜 0.5M Pa（外压） 夹套 0.5M Pa2 设计温度 聚合釜 150 夹套 1503 聚合釜体积 7.5m33.3 聚合釜几何尺寸的确定初步选取公称直径为Dg1600的筒体，封头选取Dg1600的标准椭圆封头。查表得封

24、头的尺寸如下：曲边高度h1=400mm 直边高度h2=50mm内表面积Fh=2.9761m2 容积Vh=0.6166m3查表得Dg2000的筒体的有关数据如下：一米高容积V1=2.017m3 一米高内表面积F1=5.03m2则筒体高度计算为：H=（V-V封）/V1=（7.5-0.6166）2.017=4.23 m = 3.4m长径比 H/D=34001600=2.125。釜的实际体积为：V实际 = HV1+V封 = 3.42.017+0.6166 = 7.47m3釜的实际装料系数为：实际=V物/V实际=67.47=0.803由此可见，聚合釜的尺寸是合理的。3.4 夹套几何尺寸的确定取公称直径为

25、Dg1700的夹套，夹套封头也采用标准椭圆封头，并取与夹套筒体相同的直径。查表得Dg1700的标准椭圆封头的有关尺寸如下：曲边高度h1=425mm 直边高度h2=50mm 内表面积Fh=5.57m2 容积Vh=1.58m3聚合釜筒体部分物料的高度： H物=（V物-V封）/V1=（6-0.6166）2.017=2.67m液面高度H液=H物+h1+h2=2850+50+450=3120mm夹套包围的筒体高度H包=H物+=2.67+0.13=2.80m夹套筒体的高度H夹=H包+50=2800+25=2825mm聚合釜内传热面积 A=H包F1+Fh=2.8255.03+2.9761=17.186m23

26、.5 聚合釜壁厚的计算 聚合釜采用0Cr18Ni9与16MnR不锈钢复合钢板制造。可以16MnR钢来进行强度计算。初步选取钢板名义厚度n=16mm，则钢板有效厚度e=n- C ,其中C = C1+C2 C1为钢板负偏差，取0.8mm,C2为腐蚀裕度，取1mm, 则壁厚附加量C=1.8mm,e=14.2mmD0/e=（Di +2n）/e 其中D0为聚合釜外径，Di为聚合釜内径。则D0/e=（1600+162）/14.2=115 计算长度 L=H+h2+1/3h1 ， 其中H为筒体高度，h2为封头直边高度，h1为封头曲边高度。则L=3400+50+1/3400=3583mm L/D0=3583/1

27、632=2.2查外压或轴向受压圆筒几何参数计算图（见设计参考图），得到系数A=0.00056然后查图外压圆筒和球壳厚度计算图（16MnR钢）（见设计参考图）得到B=75MPa则计算许用外压力PP=B/（D0/e）=75/115=0.65 M Pa设计外压P=0.5MPa ，小于P且比较相近。则所选取的n=16 mm符合要求。即筒体厚度n=16mm封头厚度取与筒体相同的厚度16mm。3.6 夹套厚度的计算夹套选用20R钢板制造。夹套计算厚度为： = PcDi/（2t-Pc）式中 Pc为计算压力，取0.5MPa，Di为夹套内径，1700mm,为焊缝系数，取0.85（双面对接焊，局部无损探伤）t为材

28、料许用应力，查表得113MPa则=0.51700/（20.85113-0.5）=4.436mm钢板名义厚度n=+C+ 其中C = C1+C2 C1为钢板负偏差，取0.8mm,C2腐蚀裕度取2mm,则壁厚附加量C等于2.8mm。那么，n=4.436+2.8+ = 8mm夹套封头厚度取与夹套筒体相同的厚度8mm。3.7 水压试验应力校核3.7.1筒体水压试验应力校核水压试验压力PT =1.5P=1.50.5=0.75MPa水压试验时的薄膜应力为 T =PT（Di+e）/2e 考虑到液柱压力，代入计算时PT 取0.95MPaT =0.75（1600+14.2）/214.2=56.8MPa 查表得16

29、MnR的屈服极限s=345MPa故 0.9s = 0.90.85345=263.93M Pa 56.8MPa =T 则筒体厚度满足水压试验时强度要求。3.7.2夹套水压试验应力校核夹套水压试验压力为PT =1.25P/T =1.250.5113/113=0.625MPa水压试验时的薄膜应力为T = PT（Di+e）/2e ，有效厚度e=n- C = 8 2.8 = 5.2mm故 T = 0.625（1700+5.2）/25.2=102.5MPa查表得20R的屈服极限s=235MPa故 0.9s=0.90.85235=179.78MPa 102.5MPa =T所以夹套厚度满足水压试验时强度要求。

30、水压试验的顺序是先做聚合釜水压试验，试验合格后再焊上夹套。然后做夹套水压试验。夹套水压试验压力时，聚合釜内至少要保持0.3MPa的压力。3.8 聚合釜有关数据 查表直径为1600mm，厚度为16mm的筒体一米高的质量为636Kg，聚合釜封头质量为383Kg。 直径为1700mm，厚度为8mm的筒体一米高的质量为676Kg，夹套封头质量为427Kg。 则聚合釜质量m1=6363.4+6362=3434.4Kg夹套质量m2=6762.825+427=2337Kg聚合釜总质量m = 3434+2337 =5771kg表3-1 聚合釜有关数据表项目直径（mm）高度（mm）厚度（mm）封头直径（mm）材质质量（Kg）釜体16003400161600复合钢板3434夹套170028258170020R23374. 聚合釜搅拌器的设计4.1 设计任务确定搅拌器的型式、几何尺寸、转速、轴功率以及电动机、减速机的选型。4.2 设计依据釜的直径T 1600mm 液面高度H 3400mm白乳胶的密度