年产1000吨PVB生产工艺设计

本科生毕业设计

年产5000吨白乳胶生产工艺设计

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武汉理工大学学士学位论文 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 （工艺流程图Ａ２，设备平面布置图Ａ０，主要设备装配图Ａ０，车间立面图Ａ１ ）

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)

武汉理工大学学士学位论文 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%,在纸业中的年用量已达到13万吨。美国聚醋酸乙烯的年用量为万吨。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，发展前武汉理工大学学士学位论文 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%，，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4～6个小时充分溶解。 （2） 降温到60～65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6～8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，用碳酸氢钠调剂ＰＨ，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 武汉理工大学学士学位论文 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。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。 武汉理工大学学士学位论文 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 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． 2． 3． 4 年 月 日

武汉理工大学学士学位论文 目 录

摘 要 ....................................................................... 1 Abstract..................................................................... 3 1.绪论 ...................................................................... 4 2.物料衡算................................................................... 6

2.1 物料衡算的任务 ............................................................................................................... 6 2.2衡算的依据 ........................................................................................................................ 6 2.3 收集的数据 ....................................................................................................................... 6 2.4 衡算基准 ........................................................................................................................... 6 2.5聚合釜投料量 .................................................................................................................... 6 2.6每釜年生产能力及釜的个数 ............................................................................................ 7 2.7物料流程图 ........................................................................................................................ 7 3.聚合釜的设计 ............................................................... 9

3.1设计任务 ............................................................................................................................. 9 3.2 设计依据 ............................................................................................................................ 9 3.3 聚合釜几何尺寸的确定 .................................................................................................... 9 3.4 夹套几何尺寸的确定 ...................................................................................................... 10 3.5 聚合釜壁厚的计算 .......................................................................................................... 10 3.6 夹套厚度的计算 .............................................................................................................. 11 3.7 水压试验应力校核 ......................................................................................................... 12

3.7.1筒体水压试验应力校核 ........................................................................................ 12 3.7.2夹套水压试验应力校核 ........................................................................................ 12 3.8 聚合釜有关数据 .............................................................................................................. 13 4. 聚合釜搅拌器的设计 ....................................................... 13

4.1 设计任务 .......................................................................................................................... 13 4.2 设计依据 .......................................................................................................................... 13 4.3 搅拌器选型 ...................................................................................................................... 14 4.4 搅拌器转速 ...................................................................................................................... 14 4.5 搅拌器轴功率 .................................................................................................................. 14 5. 热量衡算 ................................................................. 15

5.1 衡算任务 .......................................................................................................................... 15 5.2 收集的数据 ...................................................................................................................... 15 5.3 操作时间平衡表 .............................................................................................................. 15 5.4 升温阶段的热量衡算 ...................................................................................................... 16 5.5 聚合阶段的热量衡算 ...................................................................................................... 16 5.6 冷却阶段的热量衡算 ...................................................................................................... 16 5.7蒸汽和冷却水用量的计算 ............................................................................................... 16 6.附体附件选型 .............................................................. 17

6.1支座 ................................................................................................................................... 17

6.2接管的选型 ....................................................................................................................... 17

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武汉理工大学学士学位论文 6.3配套设备选型 ................................................................................................................... 18 7.设计小结.................................................................. 18 8.设计参考图 ................................................................ 20 参考文献.................................................................... 22 致谢 ....................................................................... 23

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武汉理工大学学士学位论文 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。

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

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武汉理工大学学士学位论文 Abstract

Based 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 the 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 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 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.

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武汉理工大学学士学位论文 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，

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武汉理工大学学士学位论文 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例复配，达到了不错的乳化效果。

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武汉理工大学学士学位论文 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）

质量分数(%)

50 40 4 5 1 适量

名称

醋酸乙烯 蒸馏水 聚乙烯醇 邻苯二甲酸二丁酯

过硫酸钾 碳酸氢钠

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。

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武汉理工大学学士学位论文 表2-2 聚合釜投料量表

名称

醋酸乙烯 蒸馏水 聚乙烯醇

邻苯二甲酸二丁酯 过硫酸钾 碳酸氢钠

质量（kg) 2800 2600 150 260 60 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：6000×7500÷24=1875000Kg=1875吨 取聚合釜备用系数为1.1

则聚合釜个数为： n=1.1×5000÷1875=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4～6个小时充分溶解。

（2） 降温到60～65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6～8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，用碳酸氢钠调剂ＰＨ，然后冷却，成品包装。

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武汉理工大学学士学位论文 2.8物料流程简图

醋酸乙烯 过硫酸钾

聚乙烯醇 蒸馏水 聚乙烯 醇的溶 解 反应釜 的聚合 反应

乳化反 应釜

乳化剂 碳酸氢

去包装车间 白乳胶储槽 8

武汉理工大学学士学位论文 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 Pa 2 设计温度 聚合釜 150℃ 夹套 150℃ 3 聚合釜体积 7.5m3

3.3 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=3400÷1600=2.125。 釜的实际体积为：

V实际 = HV1+V封 = 3.4×2.017+0.6166 = 7.47m釜的实际装料系数为： η

实际

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=V物/V实际=6÷7.47=0.803

由此可见，聚合釜的尺寸是合理的。

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武汉理工大学学士学位论文 3.4 夹套几何尺寸的确定

取公称直径为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=2.825×5.03+2.9761=17.186m2

3.5 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δn=16mm，则钢板有效厚度δe=δn- 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, δe=14.2mm

D0/δe=（Di +2δn）/δe

其中D0为聚合釜外径，Di为聚合釜内径。则 D0/δe=（1600+16×2）/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+1/3×400=3583mm L/D0=3583/1632=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［P］

［P］=B/（D0/δe）=75/115=0.65 M Pa

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武汉理工大学学士学位论文 设计外压P=0.5MPa ，小于［P］且比较相近。则所选取的δn=16 mm符合要求。 即筒体厚度δn=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：

δ= PcDi/（2φ［σ］t-Pc）

式中 Pc为计算压力，取0.5MPa，Di为夹套内径，1700mm, φ为焊缝系数，取0.85（双面对接焊，局部无损探伤） ［σ］t为材料许用应力，查表得113MPa 则δ=0.5×1700/（2×0.85×113-0.5）=4.436mm

钢板名义厚度δn=δ+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，δn=4.436+2.8+△ = 8mm

夹套封头厚度取与夹套筒体相同的厚度8mm。

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武汉理工大学学士学位论文 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=1.5×0.5=0.75MPa 水压试验时的薄膜应力为

σT =PT（Di+δe）/2δe 考虑到液柱压力，代入计算时PT 取0.95MPa σT =0.75×（1600+14.2）/2×14.2=56.8MPa 查表得16MnR的屈服极限σs=345MPa 则筒体厚度满足水压试验时强度要求。

故 0.9φσs = 0.9×0.85×345=263.93M Pa ＞56.8MPa =σT

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［σ］/［σ］T =1.25×0.5×113/113=0.625MPa 水压试验时的薄膜应力为

σT = PT（Di+δe）/2δe ，有效厚度δe=δn- C = 8 – 2.8 = 5.2mm 故 σT = 0.625×（1700+5.2）/2×5.2=102.5MPa 查表得20R的屈服极限σs=235MPa

故 0.9φσs=0.9×0.85×235=179.78MPa ＞102.5MPa =σT 所以夹套厚度满足水压试验时强度要求。

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。

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武汉理工大学学士学位论文 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=636×3.4+636×2=3434.4Kg 夹套质量m2=676×2.825+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） 封头直径材质 质量（Kg）

（mm）

釜体 1600 3400 16 1600 复合钢板 3434 夹套 1700 2825 8 1700 20R 2337

4. 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（90℃） 0.9653g/cm3 白乳胶的粘度（90℃） 0.317ｍPaＳ 釜的体积 7.5m3

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武汉理工大学学士学位论文 4.3 搅拌器选型

根据搅拌物料的性质，白乳胶的粘度很低，搅拌要求选用平直/D叶桨式搅拌器即可，由于料液层比较高，液面高度3120mm，H液 /D=1.95,其比值大于1.4无哦一采用双层搅拌桨。

为了将物料搅拌均匀，故设计安装层两桨叶，相邻两层搅拌叶交错成90º安装，两层桨叶的安装位置如下：

一层安装在下封头焊缝线高度上，另一层安装在液面下约1800mm处。 D/T取值范围在0.2到0.5之间，其中 D—搅拌器直径 T—釜的直径。由于生产过程中的中物料的粘度都不高所以D/T的取值选择0.5，可以得到搅拌器直径取800mm。

b/D的取值范围在0.1到0.25之间，b为搅拌器的宽度，取其比值为0.1得到b=80mm。

所选择的搅拌器为双层搅拌桨，且搅拌器直径为800mm，搅拌桨的宽度为80mm。

4.4 搅拌器转速

根据设计经验，搅拌器转速N可取125r/min, 即2r/s。

4.5 搅拌器轴功率

取D/T=0.5 ，其中 D—搅拌器直径 T—釜的直径， 则D=0.5×1600=800mm 液体的平均密度: ρ

平均

=1.01g/cm3

轴功率 P=n ρ N3D5/（1.365×105） 式中： P—轴功率，KW； n—叶个数；

N—搅拌器转速，r/min； D—叶轮直径，m； ρ—流体密度，g/cm。

则 P=2×1.01×（125）3×（0.8）5/（1.365×105）=8.4 KW

电动机的额定功率PＮ＝（P＇+P）／η

传动装置的机械效率η可取0.9，轴封装置的摩擦损失功率P＇约占搅拌功率的 5％．

则 PＮ＝8.4×1.05／0.9＝9.8 KW

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3

武汉理工大学学士学位论文 那么所选电动机型号为Y160M－1，11KW，效率90.8％

所选减速机，由转速125ｒ／min选用XLD12－25型 轴径计算：

d=A(P/n) (1/3)

上式中: d－轴径; A－是由轴的材料和承载情况确定的系数;

P－搅拌轴的功率; n－轴的转速;

选轴的材料为45号钢,因搅拌轴主要承受扭矩,可取A较小值,故取A=110

则: d=A(P/n) (1/3) =110×(9.8÷125)(1/3)=48mm

考虑到搅拌时介质腐蚀等影响,故取搅拌轴的最小直径为60mm..

5. 热量衡算

5.1 衡算任务

计算各个阶段传热的速率，蒸汽和冷却水的用量，校核传热面积以确定换热设备的工艺尺寸。

5.2 收集的数据

PVB的比热 1.758KJ/（Kg·k） 低碳钢比热 0.11KJ/（Kg·K） PVA的比热 1.825KJ/（Kg·k） 不锈钢比热 0.12KJ/（Kg·K） 水比热 0.999KJ/（Kg·K）

5.3 操作时间平衡表

1.进料 1小时 2.预混合 20-- 80℃ 6小时 3.聚合 80——65 ℃ 10小时 4.冷却 80——50 ℃ 1小时 5.放料 1小时 6.清釜 2小时 7.包装 3小时

共计 24小时

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武汉理工大学学士学位论文 5.4 升温阶段的热量衡算

从常温20℃升温到80℃，升温时间为6小时。则Δt=80-20=60℃ 聚合釜吸收的热量： Q1=C1m1Δt=0.12×3434×60=24725 kJ 夹套吸收的热量： Q2 =C1m2Δt=0.11×2337×60=124 kJ 由于助剂的量很少，故可忽略不计。下同。

水吸收的热量： Q3=C3m3Δt=0.999×20×60=158242 kJ VA吸收的热量： Q4=C4m4Δt=1.2×150×60=10800 kJ 则蒸汽供给的热量： Q= Q1+Q2+ Q3+Q4=209191 kJ

蒸汽的供热速率： q1=Q/t=209191÷6=34865 kJ/h

5.5 聚合阶段的热量衡算

由于聚合过程中会自动升温，只是需要在加入引发剂的时候一段很短的时间内需要升温，所以聚合过程中的聚合热完全可以满足温度要求。

5.6 冷却阶段的热量衡算

80——50 ℃ 降温，降温时间为1小时。

聚合釜放出的热量：Q1’= C1m1Δt =0.12×3434×(80-50)=12362 KJ 夹套放出的热量：Q2’= C2m2Δt =0.11×2323×(80-50)=7666 KJ 水放出的热量：Q3’= C3m3Δt =0.999×20×(80-50)=79121KJ VA放出的热量：Q4’= C4m4Δt=1.2×150×(80-50)=00 KJ 则冷却水带走的热量：

Q7 = Q1’+ Q2’+ Q3’+ Q4’=1049 KJ 冷却水的传热速率：q7’=Q/t=1049KJ/h

5.7蒸汽和冷却水用量的计算

用0.5MPa的蒸汽加热，蒸汽的汽化潜热为2358kJ/kg，每釜需蒸汽供给热量为209191kJ，则每釜蒸汽用量为209191÷2358= Kg

用冷却水冷却，取冷却水温度20——35℃，每釜需冷却水带走的热量为

Q7 =1049 KJ 每釜需冷却水用量为

Q8/(cΔt)=1049/[0.999×(35-20)]=7吨

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武汉理工大学学士学位论文 6.附体附件选型

6.1支座

通过计算得到反应釜的总质量为5771kg，物料总质量为6000kg，总重量为11771kg.即11.771吨，由于支座为四个所以单个承重则为2.95吨，所以选择B型支座，单个承重为3吨的标准支座，地脚螺栓孔径为30mm

6.2接管的选型

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

工程规格 PN0.6，DN40 PN0.6，DN40 PN0.6，DN400 PN0.6，DN65 PN0.6，DN40 PN0.6，DN50 PN0.6，DN100 PN0.6，DN65 PN0.6，DN40

接管外径与

标准号

壁厚  

HG20592 HG20592 通104-3/18 HG20592 HG20592 HG20592 HG20592 HG20592 HG20592

接面形式 PL/RF PL/RF 槽口 PL/RF PL/RF PL/RF PL/RF PL/RF PL/RF

用途 蒸汽入口 引发剂入口 人孔 原料进口 温度计管口 压料口 压料管接管 出料口 冷凝水出口

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武汉理工大学学士学位论文 6.3配套设备选型

由于反应过程中，首先是聚乙烯醇的溶解，需要使用预溶解釜来溶解聚乙烯醇，由于聚乙烯醇的溶解很费时间，所以使用了预溶解釜，之所以使用一个预溶解釜，是因为，预溶解釜溶解好了供给第一个反应釜后，继续溶解，六个小时以后供给第二个釜，十二个小时之后供给第三个釜，地十八个小时，第一个反应釜就快生产完成，供给给第一个反应釜，到了第二十四个小时，第二个反应釜就要反应完全，供给第二各反应釜，以此类推，添加了一个预溶解釜可以缩短每个釜的反应时间，周期与预设的24个小时相比会缩短。这样就有足够的时间来清洗反应釜并且包装。

序号

1 2 3 4 5 6 7 8

名称 蒸馏水储槽 醋酸乙烯储槽 聚乙烯醇储罐 过硫酸钾溶液 乳化剂储槽 预溶解釜 乳化釜 计量泵

尺寸 立方米立方米立方米立方米立方米立方米立方米

个数 1 1 1 1 1 1 1 10

7.设计小结

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。

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。

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。不加聚乙烯醇而直接进行乳液聚合所得到的白乳胶在静

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武汉理工大学学士学位论文 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。

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。

在反应中各种物料添加的多少，添加的时间对于反应的进行有着很大的影响，对于化学反应而言，温度，压强都是至关重要的条件，反应的时间也决定了反应产物的产率，以及反应物的转化率。

本次设计在最初确定反应釜的尺寸的时候，先是确定反应釜的个数，因为反应釜的筒体部分是是由钢板卷压后焊接的，钢板的尺寸的是有固定的标准。所以反应釜的容量是有通用的标准的，因此设计时不是根据产量和周期，生产时间来计算出釜的容积，而是按照标准来选择合适的标准体积的反应釜，以及反应釜的个数。确定了标准体积之后，只要生产的时候容积的误差不大，并且有相当的余量，就可以成立，根据多方的计算就可以确定反应釜的最终的尺寸，在 毕业设计心得体会 随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

经过反复的思考与设计，我明白，设计虽然没有绝对的对与错，但是设计一定要合理，不仅要求原料的价格便宜，也要保证原料可以保证生产的产品品质和各。不仅要求设备简单，价格较低，更要经久耐用，保证生产的连续性以及生产的安全保障。

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武汉理工大学学士学位论文 8.设计参考图

外压或轴向受压圆筒几何参数计算图

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武汉理工大学学士学位论文

外压圆筒和球壳厚度计算图（16MnR钢）

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武汉理工大学学士学位论文 参考文献

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[15] 陈声宗. 化工设计[M] . 化学工业出版社. 2000.

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武汉理工大学学士学位论文 致谢

毕业论文即将完成，我的学生生涯也要告一段落了。借此机会，我要对四年来帮助过我的人表示深深的感谢。

感谢老师对我的悉心指导，感谢老师对我这次设计的悉心辅导，通过这次设计，我明白了很多以往设计中重复做过的却又一直疑惑的问题。

虽然毕业设计的答辩时间提前了很多，我的设计结束的有些匆忙，但是这次设计是我所有的设计中让我学到知识最多的一次。

经过了答辩之后，我就要毕业了，离开这个我生活，学习了四年的地方，我将带着思念，勇敢的走向属于我的未来。

2012年5月30日

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