30万吨年ABS树脂乳液聚合生产车间的实用工艺设计

30万吨/年ABS树脂乳液聚合生产车间的工艺设计万叶辉涛党鋆（理工学院材料科学与工程学院高分子072班）指导老师：营堂目录1项目简介1.1项目名称 (2)1.2项目容 (2)1.3设计依据及必要性 (2)1.4市场前景分析 (2)1.5产品方案 (2)1.6技术方案及设备方案 (2)2生产方法与工艺流程2.1 生产方法 (4)2.2 聚合工艺过程 (4)2.3 工艺流程 (9)2.4 工艺参数 (10)2.5 主要设备控制方案 (10)2.6 安全防护措施 (11)3物料衡算以及热量横算3.1物料衡算 (12)3.2热量衡算 (15)4 设备工艺计算4.1釜体的设计 (17)4.2搅拌器的确定 (18)4.3各物料进出管口直径确定 (19)4.4轴密封形式 (19)4.5流体输送机械的选型设计 (20)4.6 调节釜的设计 (20)4.7 单体预乳化罐的设计 (20)4.8 过滤器的设计 (21)5参考文献1项目简介1.1项目名称：30万吨/年ABS树脂乳液聚合生产车间的工艺设计。

1.2项目容1、设计方案简介，选定的工艺流程、主要设备的型式进行简单的论述。

2、对选定的工艺流程进行物料衡算，对某些设备进行热量衡算，为设备的工艺计算提供依据。

3、主要设备的工艺设计计算，包括工艺参数的选定、原材料消耗计算、动力计算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；典型辅助设备的选型和计算，包括典型辅助设备的工艺尺寸计算和型号规格的选定。

4、工艺流程图一单线图的形式绘制，标出主要设备、辅助设备和主要工艺参数测量点，并绘制工艺流程草图、PFD、PID图。

1.3设计依据及必要性依据设计任务书或可行性研究报告的批文，环境影响报告书的批文，技术引进报告的批文以及其他相关性文件等。

依据主要原料及物理性质、生产方法、生产能力。

ABS树脂是微黄色固体，有一定的韧性，密度约为1.04～1.06 g/cm3。

它抗酸、碱、盐的腐蚀能力比较强，也可在一定程度上耐受有机溶剂溶解。

ABS树脂是丙烯腈—丁二烯—苯乙烯的三元共聚物。

ABS树脂外观微黄不透明，相对密度1.04。

它具有良好尺寸稳定性，突出的耐冲击性、耐热性、介电性、耐磨性，表面光泽性好，易涂装和着色等优点。

ABS树脂可以在-25℃～60℃的环境下表现正常，而且有很好的成型性，加工出的产品表面光洁，易于染色和电镀。

因此它可以被用于家电外壳、玩具等日常用品。

1.4市场前景分析：1997年世界ABS树脂生产能力为556万吨/年，主要产地是亚洲、北美和西欧。

亚洲的生产能力占世界总能力的60%以上。

目前世界ABS生产能力发展的特点是“西方不振、东方高涨”，未来几年世界新增能力仍主要集中在亚洲地区，韩国、中国和中国省以及马来西亚都将新建或扩建ABS树脂生产装置，虽然亚洲地区的这些新增计划不一定全部实现，但在未来几年还是会有较大的发展。

1999年，世界ABS树脂需求量为375、2万吨，1996-2010年的年均需求增长率为2.9%。

随着ABS树脂逐渐向高性能、多功能树脂发展，其需求量会大幅增加。

1.5产品方案：生产能力：ABS树脂30万吨／年；开工时间：330d／a,24h／d。

1.6技术方案及设备方案：（一）技术方案：ABS的工业生产方法很多，主要有乳液接枝、乳液接枝掺合法和连续本体法等。

乳液接枝法是使苯乙烯单体和丙烯腈接枝在聚丁二烯胶乳上得到的ABS树脂。

这种方法现已为乳液接枝掺合法所取代。

乳液接枝共混法是在ABS树脂的传统方法--乳液接枝法的基础上发展起来的，它将部分苯乙烯单体和丙烯腈与聚丁二烯胶乳进行乳液接枝共聚，而以另一部分苯乙烯单体和丙烯腈单体进行共聚生成SAN，然后再将两者以不同比例掺合可以得到各种牌号的ABS树脂。

这一方法根据SAN共聚工艺不同又可分为乳液接枝乳液SAN掺合、乳液接枝悬浮SAN掺合、乳液接枝本体SAN掺合三种，目前乳液接枝一乳液SAN 共混法在发达国家已被淘汰；乳液接枝一悬浮SAN掺混法只适合于中小型生产装置。

乳液聚合主要优点有：①聚合反应可在较低温度下进行，并能同时获得高聚合速率和高分子量；②以水为介质，比热容大，体系黏度小，有利于散热；③乳液产品（称胶乳）可以直接作为胶粘剂和表面处理剂加以使用，而没有易燃及污染环境等问题。

缺点：①聚合物以固体使用时，需要加破乳剂，会产生大量废水；②而且要洗涤、脱水、干燥，工序多，生产成本比悬浮聚合高；③产物中杂质含量较高。

（二）设备方案：该项目主要生产设备为聚合釜、凝聚釜、接枝釜、贮槽、混合槽、沸腾干燥器等大型设备以及各类机泵、各种仪表等。

2生产方法与工艺流程2.1 生产方法选择生产工艺路线就是指选择生产方法。

生产方法就是指在化工生产过程中使用何种原料、根据何种原理、选择实施何种方法，通过何种操作过程实现从原料变为产品的方法。

主要生产方法：采用低温乳液共聚方法制备丙烯腈含量约为20%（质量分数）的丁腈胶乳，之后制备丙烯腈含量为20%～30% AS树脂乳液，然后通过采用适当比例将两种乳液共聚、凝聚、分离、水洗、过滤、干燥和挤出造粒，即可得ABS树脂。

本项目基本工艺由原材料的配制、聚合、脱单体和成品包装等工序。

基本组分是：单体、引发剂、乳化剂、分散剂、终止剂、分子量调节剂和抗氧剂等。

2.1.1 原料选择：该项目选用的原料主要单体为：丁二烯，苯乙烯和丙烯腈。

2.1.2 聚合机理：连锁聚合（增长链一经引发，迅速增长，反应一开始就生成相对分子量很高的聚合物，而转化率随反应进行逐步增加的聚合反应。

）2.1.3 实施方法：本项目拟采用乳液接枝共混法。

2.1.4 操作过程：采用间歇式操作。

2.2 聚合工艺条件2.2.1单体的选择：ABS树脂是丙烯晴--丁二烯--苯乙烯共聚物，其特性是由三组份的配比及每一种组分的化学结构，物理形态控制。

丙烯腈表现的特性是耐热性、耐化学性、刚性、抗拉强度；丁二烯表现的特性是抗冲击强度；苯乙烯表现的特性是加工流动性，光泽性。

这三组分的结合，优势互补，使ABS树脂具有优良的综合性能。

（1）1，3-丁二烯1，3-丁二烯通常简称丁二烯，结构式为CH2=CH-CH=CH2 。

一般以乙腈、二甲基甲酰胺为抽提剂，从约含40%丁二烯的裂解C4中抽提而得，也可以采用丁烯氧化脱氢或其他方法得到。

目前世界丁二烯的年生产能力约为7000kt,主要用于生产聚丁二烯、丁苯橡胶、丁苯树脂、SBS、ABS等高分子材料。

中国丁二烯年生产能力约为50余万吨，20世纪70年代初开发成功丁烯氧化脱氢法生产丁二烯。

目前主要采用乙烯装置副产C4馏分溶剂萃取精馏法生产丁二烯。

表3 不同温度下丁二烯的稳定贮存时间由于丁二烯具有上述性质，在运输、贮存和适用时必须采取严格的安全措施，绝氧、氮封。

装贮丁二烯的压力容器必须符合压力容器设计、制造、使用等一切规，并经专门机构检验；丁二烯贮罐要有明显标志（即红色危险物品标志）并定期进行气密性试验，试压之前要用水蒸气清洗、氮气置换。

此外在蒸馏、加热、室温下长期贮存丁二烯时需加入一定量的阻聚剂，如叔丁基邻苯二酚、氢醌等，加入量一般为(100～2000)×10-6,丁二烯贮罐气相中的氧含量应<0.3%。

（2）苯乙烯苯乙烯结构式为C6H5CH=CH2，是不饱和芳烃中最简单、最重要的成员，属于带有烯烃侧链并与苯环形成共轭体系的单环芳烃，广泛用作生产苯乙烯系树脂和合成橡胶的原料，如GPPS、HIPS、ABS、SAN、SMA、SBR等。

目前世界苯乙烯产量已达1900万吨/年，90%以上都是通过乙苯催化脱氢制得，中国苯乙烯产量约为80万吨/年。

表5 工业用苯乙烯质量标准（3) 丙烯腈丙烯腈结构式为CH2=CHCN。

目前，世界总生产能力约为4870kt/a，其中90%采用Sohio 法，中国丙烯腈生产能力约为430kt/a。

丙烯腈在常温常压下，是一种具有苦杏仁气味的无色透明液体。

表6 丙烯腈的主要物理性质表7 工业用丙烯腈规格2.2.2引发剂的选择引发剂是乳液聚合配方的重要组成部分，引发剂种类和用量直接关系到反应速率。

聚合物乳液的稳定性及产品的质量。

因此正确选择引发剂也是进行乳液聚合配方设计很重要的问题。

根据反应体系不同可采用水溶性和油溶性引发剂也可按自由基生成机理选用热引发剂. 在ABS合成中，常用的引发剂有：过氧化氢异丙苯、过硫酸钾和偶氮二异丁腈等。

乳液聚合所采用的大多是水溶性引发剂。

水溶性较好的一般为无机过氧化物。

例如过硫酸铵、过硫酸钾。

他们的使用温度是60~90ºС.在过硫酸盐中，以过硫酸钾为引发剂，所得乳液耐水性较好，所以使用最广泛。

过硫酸钾在水中溶解度最小（1.75%~5.3%），价格最低。

所以我们选用过硫酸钾作为引发剂。

引发剂用量一般控制为单体总量的0.1%~2%之间。

2.2.3乳化剂的选择能使两种互不相溶的液体形成稳定乳液、既具有亲油性有具有亲水性（用HLB值表示其亲水亲油性，数值越高表示其亲水性越强)的物质成为乳化剂。

在用乳液法合成聚丁二烯胶乳及其与苯乙烯和丙烯腈的接枝反应中，常用的乳化剂有：硬脂酸钾、油酸钾、松香酸钾、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠等。

表9 合成ABS常用乳化剂性状综合上述乳化剂参数及其性状，选用油酸钾作乳化剂。

油酸钾是质量符合表10的油酸皂化而成。

工业品油酸（顺式十八碳-9-烯酸）是从黄色到红色的油状液体，有猪油气味。

当曝露于空气中时颜色能变深。

不溶于水，溶于酒精、乙醚及多种有机溶剂。

精制级油酸为无色透明，相对密度0.895（20℃），凝固点13.2℃，沸点286℃（13.1kPa），闪点372℃。

易燃，无毒。

表10 油酸的质量指标油酸钾的配制方法是在油酸中加入定量软水，在搅拌下加入定量KOH ，升温至70～80℃，皂化0.5～1h。

配制好的油酸钾规格为PH值11～13，浓度15%～20%。

2.2.4分散介质(溶剂)的选择能使物质分散于介质中的助剂称为分散剂，分散剂分为无机粉末和水溶性有机高分子两大类。

在ABS 合成中常用的分散剂有活性磷酸钙、聚乙烯醇和亚甲基二萘二磺酸钠等。

综合考虑，选用聚乙烯醇作分散剂。

表11 聚乙烯醇的质量指标2.2.5 终止剂的选择用于终止聚合反应的物质成为终止剂。

ABS 聚合时应用最普遍的终止剂是俗称福美钠的二甲基二硫代氨基甲酸钠（C 2H 6NCS 2Na)。

2.2.6分子量调节剂的选择 在生产聚合物过程中，为了避免聚合物分子量过高和过度支化，或因交联而引起的加工或成型困难，通常向聚合体系中加入分子量调节剂。

ABS 树脂合成中，一般使用叔十二碳硫醇作为分子量调节剂。

2.2.7抗氧剂的选择能延缓或阻止高分子材料氧化变质过程的物质称为抗氧剂。

使用它不但能保证高分子材料顺利进行加工，而且还可延长其使用寿命。