聚丙烯酸钠,化工课程设计-.doc

目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论111 聚丙烯酸钠在食品工业中的应用112 聚丙烯酸钠的生产与应用现状313 设计依据6第二章 工艺路线的选择与论证921 工艺路线的选择922 工艺流程923 生产过程与控制1024 静态反相悬浮聚合设备1025 工艺条件的选择与优化11第三章 物料恒算与能量恒算1631 计算依据1632 各工序物料恒算1633 能量恒算19第四章 设备选型及其工艺计算2141 主要设备的选型2142 主要设备的工艺计算2443 设备一览表2644 设备流程图2745 原料规格与消耗定额28第五章 建设工程及公用和辅助工程说明3051 建设工程说明3052 中试车间布置3053 给水、排水系统3054 电力供应及生产控制31第六章 环境保护与劳动安全32第1章 绪论61 环境保护3262 劳动安全、职业卫生与消防32第七章 概算与技术经济分析 3471 项目投资估算3472 生产成本分析3473 经济效益分析35结论37参考文献38附录41致谢42第1章 绪论1. 1 聚丙烯酸钠在食品工业中的应用1. 1. 1 聚丙烯酸钠的结构与性质食品添加剂的使用历史悠久，尤其第二次世界大战以后，食品工业发展迅速，食品添加剂的使用范围、种类日益扩大、增多，且已成为现代食品工业必不可少的物质，已发展成独立的行业，是现代食品工业的基础工业之一1。食品胶是一类非常重要的食品添加剂；其研究和开发一直以来都是食品配料行业中十分活跃的领域。相当数量和种类的加工食品若要进一步提高其感官品质和质量，都离不开食品胶体在其中的有效应用；聚丙烯酸钠是水溶性高分子化合物，其化学结构如下：图1-1 聚丙烯酸钠的化学结构Fig.1-1 Chemical structure of polyacrylic acid sodium聚丙烯酸钠缓慢溶于水，形成极粘稠的透明溶液，其粘性不像羧甲基纤维素钠（CMC）和海藻酸钠那样吸水膨胀，而是由于分子内许多阴离子基的离子现象使分子链增长，表观粘度增大而形成高粘性的溶液，粘度约为CMC和海藻酸钠的1520倍2，加热处理、中性盐类和有机酸类对其粘性影响很小，耐碱性好，久存粘度变化小，不易腐败变质。聚丙烯酸钠属于无毒物质，其半致死量（小鼠，经口）LD50 10 g/kg，亚急性试验（大鼠）为0.5 g/kg/d以下，6个月无异常，小鼠骨髓微核试验、精子畸形试验和Ames试验均为阴性，表明聚丙烯酸钠对哺乳动物的体细胞、生殖细胞无致突变作用，对细菌检测系统无遗传毒性。另外，由于聚丙烯酸钠不能被人体消化道消化及吸收，因而成为一种良好的食品加工助剂3。1.1.2 聚丙烯酸钠在食品工业中的应用聚丙烯酸钠的上述特性使它具有多种用途，其增稠特性作为食品胶的应用就是其中之一。国外从二十世纪六十年代开始将聚丙烯酸钠用于多种食品的增稠、增筋和保鲜等，是美国FDA、日本厚生省等批准使用的食品添加剂，2000年中国卫生部也正式批准为食品级增稠剂（种类代码20.0），近几年才在我国大规模推广应用。（1）聚丙烯酸钠在食品中的功效聚丙烯酸钠在食品中有如下功效4-10：（1）在原料面粉的蛋白质分子之间架桥形成网状结构，增强原料面粉中的蛋白质粘结力。增强食品的粘弹性，改善组织；（2）使淀粉粒子相互结合，分散渗透至蛋白质的网状结构中；（3）形成质地致密、表面光滑且具有光泽的面团；（4）形成稳定的面团胶体，防止可溶性淀粉渗出；（5）具有很强的保水性，使水分均匀保持于面团中，防止干燥；（6）提高面团的延展性；（7）使原料中的油脂成分稳定地分散至面团中。（2）聚丙烯酸钠在食品中的应用以上述功效为基础，聚丙烯酸钠作为食品添加剂的主要用途有11-14：（1）用于面包、蛋糕、面条类、拉面、饺子粉等面粉制品，以及米粉等大米制品，增强原料面粉或者米粉中的蛋白质的粘结力，防止可溶性淀粉和营养成分渗出，提高面团的延展性和原材料利用率，抑制面包等食品因自然干燥引起的老化现象，改善口感和风味，用量约0.05 wt.%。程晓梅等15在面条加工中添加聚丙烯酸钠，发现面条感官评分随着聚丙烯酸钠添加量的增加呈上升趋势，之后又随着添加量的继续增加急剧降低，其原因主要是聚丙烯酸钠通过主链间氢键等非共价作用力形成具有一定粘弹性的连续三维凝胶网络结构，这种网络结构起着类似面筋网络结构的功能，从而改良面团的流变特性，使面条的硬度增加，面条的抗拉强度提高，粘着性降低，煮熟后断条减少，固形物溶出率和面汤的混浊度下降，面条透亮、滑爽、不粘牙。（2）方便面等油炸食品加工中，使原料中的油脂成分稳定地分散至面团中，降低吸油率，节约用油；（3）红薯、玉米、燕麦和马铃薯等粉丝粉条制品，提高产品的筋力，增加耐煮性；（4）水产糜状制品、罐头食品和紫菜干等，强化组织，保持新鲜味，增强味感；（5）冰淇淋等冷冻食品、糖果等改善味感及稳定性。齐凤生等16将聚丙烯酸钠应用于冷食品加工中，发现其粘度随酸、食盐、加热时间的增加而降低；在水的硬度较高时产生沉淀。聚丙烯酸钠可用于非酸、低盐、低硬度水冷食品夹心中，并对夹心料的口感质量起着重要的作用。在主要原料一定的情况下增加聚丙烯酸钠的添加量可以提高夹心料的品质。这主要是因为聚丙烯酸钠的水溶液具有良好的拉丝效果，常应用于冷冻食品芯料中及拉丝类冷饮制品，一般用量0.10.2 wt.%；（6）果酱、番茄沙司、调味酱、酱油等调味品及稀奶油、果汁等的增稠和稳定；（7）冷冻食品、水产加工品的保鲜“冰衣”；（8）糖液、盐水、饮料、酒类的除浊澄清剂；（9）用于制造人造肉，提高蛋白质纤维的粘弹性和伸长度。1. 2 聚丙烯酸钠的生产与应用现状1. 2. 1 聚丙烯酸钠的市场概况随我国食品工业的发展，我国聚丙烯酸钠的市场容量越来越大。在我国正式批准聚丙烯酸钠作为食品添加剂使用之前，我国东南沿海的广东、福建、江苏、浙江的一些食品生产企业（主要是外资和合资企业）已经在使用日本进口的聚丙烯酸钠，目前进人中国市场的主要是日本化药株式会社和日本触媒株式会社的产品，国内市场规模大约1500 t/a，并以年均8%以上的速度增长，其中仅广东省的市场规模就达到800 t/a 17。1. 2. 2 聚丙烯酸钠的生产工艺近年来，我国科研人员也开展了食品添加剂聚丙烯酸钠的合成研究，主要是河南省精细化工重点实验室开展的水溶液聚合法合成食品级聚丙烯酸钠，以及湖南省原子能农业应用研究所开展的辐射法合成食品级聚丙烯酸钠，国内全部生产能力远远不能满足市场需求。（1）水溶液聚合法18-27水溶液聚合法是工业生产中最常用的聚丙烯酸钠合成方法。该方法是将原料丙烯酸溶解在水溶液中，用氢氧化钠溶液中和得到丙烯酸钠水溶液，再采用引发剂在一定条件下引发丙烯酸钠的聚合反应，得到聚丙烯酸钠与水的胶状混合物。干燥分离除去混合物中的水，粉碎为粉末，即可得到优质的聚丙烯酸钠固体粉末。由于在合成过程中，原料丙烯酸和氢氧化钠中可能带入一些诸如阻聚剂、丙烯醛、丙酸等有机杂质以及铁、铜、钙、镁、铝、铅、砷等无机及重金属杂质，这些杂质的存在一方面会引起阻聚、交联等副反应，致使无法得到分子量高、溶解性好的产品。另一方面也使产品不能满足食品添加剂的卫生指标。因此，一般通过减压蒸馏、活性炭吸附、离子交换树脂处理等方法，除去聚合反应原料中的有害杂质。水溶液聚合法合成食品级聚丙烯酸钠的工艺路线如下： 丙烯酸 树脂 助剂 中和 精制 聚合 造粒 干燥 粉碎 包装 烧碱 活性炭 氮气 图1-2 水溶液聚合法工艺流程图Fig. 1-2 Flow chart of water solution polymerization由于该工艺在聚合过程中，生成的含有大量水的聚丙烯酸钠胶体难以粉碎和干燥，因此，造粒困难和干燥工序能耗过高已经成为制约聚丙烯酸钠成本降低和生产能力提高的关键因素。近年来特别是能源价格高涨，导致采用水溶液聚合法或者辐射法合成的聚丙烯酸钠的干燥能耗成本占其全部生产成本的一半左右，并且该生产工艺严重制约了生产能力的提高。（2）辐射聚合法丙烯酸单体可通过辐照直接引发自由基进行聚合反应，然后用氢氧化钠中和得到聚丙烯酸钠，其合成原理如下：图1-3 辐射聚合法原理Fig.1-3 Principles of irradiation polymerization湖南原子能农业应用研究所的王克勤等28以60Co为辐射源，采用辐射聚合法合成食品级聚丙烯酸钠，其工艺流程如下： 辐照聚合 氢氧化钠 原料提纯 原料配比 中和 包装密封 调配浓度图1-3 辐射聚合法工艺流程图Fig.1-3 Flow chart of irradiation polymerization辐射聚合法的缺点是不能得到固体粉末状的聚丙烯酸钠产品，只能得到聚丙烯酸钠溶液。由于聚丙烯酸钠溶液的储存、运输以及使用不方便，因而其应用市场受到限制。但是，采用这种方法得到的聚丙烯酸钠溶液也可以通过干燥和粉碎等工序得到固体粉末状的产品，但仍然存在干燥能耗大、生产能力低等缺陷。（3）反相悬浮聚合法反相悬浮聚合法是在搅拌条件下，将含有引发剂的丙烯酸钠水溶液滴加到含有表面活性剂的有机溶剂中，并加热到一定温度引发聚合反应。反应完成后，共沸脱水，得到粒状或粉状聚丙烯酸钠产品的合成方法。邹胜林等29采用反相悬浮聚合发合成了高分子量的聚丙烯酸钠，克服了水溶液聚合后期粘度大、搅拌传热困难等缺点，并制得粒径在50200 mm，分子量大于1000104的透明粒状聚合物。他们发现乳化剂和中和度是影响聚合稳定性的重要因素，选用亲水亲油平衡值（HLB值）为4.7的Span-60，丙烯酸的中和度为93%时，聚合稳定性较好。（4）反相乳液聚合法与反相悬浮聚合法不同，反相乳液聚合法是在搅拌条件下，将含有表面活性剂的丙烯酸钠水溶液滴加到含有引发剂的有机溶剂中，加热到一定温度引发聚合反应，反应完成后，过滤、干燥脱水，得到粒状或粉状聚丙烯酸钠产品的合成方法。陈双玲等30采用反相乳液聚合法合成了高分子量的聚丙烯酸钠，从聚合到共沸出水过程体系稳定，且得到的聚丙烯酸钠具有更高的相对分子质量和更好的溶解性。1. 3 设计依据1. 3. 1 本文的设计依据针对食品级聚丙烯酸钠的生产工艺缺陷，本文开发了食品级聚丙烯酸钠的静态反相悬浮聚合生产新工艺。该工艺以可多次重复使用的食用植物油为连续相，在没有搅拌的情况下，将含有引发剂的丙烯酸钠水溶液滴加到一定温度的食用植物油中并引发聚合反应，无需氮气保护即可在反应器底部得到聚丙烯酸钠胶体微球，经微波干燥得到颗粒状聚丙烯酸钠产品。该工艺与水溶液聚合法相比可以省略造粒工序，并由于聚丙烯酸钠胶体微球的比表面积大，干燥容易，降低干燥能耗50%以上，生产能力大。该工艺具有以下优点：（1）本中试生产新工艺涉及食品添加剂聚丙烯酸钠的静态反相悬浮生产新工艺，具有工艺流程短、生产能耗低、生产能力大的特点；（2）本中试生产工艺高效先进，本工艺经过大量试验筛选，选用无杂质残留的过氧化氢为引发剂，采用洁净的微波干燥技术；（3）本中试生产新工艺将反应物料的加料方式设计成封闭状态，有效防止了丙烯酸的挥发损失，对环境友好，降低了生产成本。为了探索食品级聚丙烯酸钠的静态反相悬浮聚合生产新工艺在工业放大过程中的规律，为该工艺的工业化生产设计建立科学依据，本文在东莞市科技计划项目的资助下开展50 t/a反相悬浮聚合工艺生产食品级聚丙烯酸钠的中试设计工作，为中试生产试验奠定基础。该设计以本文开发的食品级聚丙烯酸钠的静态反相悬浮聚合生产新工艺为基础，主要设计原则如下：（1）本设计充分考虑东莞市明兴米粉厂中试车间的具体情况，在尽量不改变原有厂房的整体结构和水电设施的同时，做到设备紧凑、空间利用率高，尽量节省所用场地，不影响该厂正常生产，又做到工艺合理的原则进行设计。（2）在积极采用先进技术，在工艺和设备设计时，既考虑设备与工艺过程的相应适性和合理性，在满足工艺要求前提下，尽量采用先进设备。（3）在工艺设计时，充分考虑操作的环境卫生、安全，体现了现代化生产企业的文明风范。1. 3. 2 产品规格食品级聚丙烯酸钠为白色粉末状固体，或者晶莹颗粒状固体，产品质量技术指标见表1-1.表1-1食品添加剂聚丙烯酸钠质量规格标准*Table 1-1 Standard of polyacrylic acid sodium as a food additives项目指标硫酸盐（以SO4计），wt.% 0.49重金属（以Pb计）/(mg/kg) 20.0砷（以As计）/(mg/kg) 2.0残存单体，wt.% 1.0低聚合物，wt.% 5.0干燥失重，wt.% 6.0烧灼残渣，wt.% 76.0pH值（0.1%水溶液）8100.2%水溶液粘度（60 rpm.20）250430 cps（* 引自中华人民共和国卫生部公告2010年第12号，食品添加剂聚丙烯酸钠质量规格标准）。7广东工业大学工程硕士学位论文第2章 工艺路线的选择与论证工艺流程的选择原则是：有一定的科学先进性，能体现社会经济效益以及可操作性强。在兼顾企业的实际情况下，工艺流程短、设备投资少、能耗及生产成本低、生产能力大、适应生产连续化的工艺流程，使整个生产装置达到国内先进水平。2. 1 工艺路线的选择水溶性高分子材料的合成方法，一般有本体聚合法、水溶液聚合法、反相悬浮聚合法以及乳液聚合法。本体聚合法的优点是不使用溶剂，但存在分子量难以控制、残留单体含量大、反应热难以控制、容易发生热交联反应而生产交联聚合物等缺点，不能用于合成食品级聚丙烯酸钠。水溶液聚合法的优点是工艺路线简单，设备要求低，但缺点是聚合反应所得到的聚丙烯酸钠难以破碎和干燥，干燥能耗大，生产能力低。乳液聚合法需要使用乳化剂，会在产品中引进杂质，难以达到食品级聚丙烯酸钠的质量技术指标要求。使用食品级乳化剂又会提升生产成本。反相悬浮聚合法可以直接得到比表面积非常大的聚丙烯酸钠胶体微球，干燥容易，干燥过程能耗低，因此生产成本低廉，生产能力大。但是，普通反相悬浮聚合法需要搅拌，设备要求高。本项目选择静态反相悬浮聚合法生产食品级聚丙烯酸钠，聚合反应过程不需要搅拌，设备要求低，生产控制简单。2. 2 工艺流程按照一定的比例，将丙烯酸溶解于水中，用氢氧化钠水溶液中和得到丙烯酸钠水溶液。用活性炭处理过丙烯酸钠水溶液，抽滤，在纯净的丙烯酸钠水溶液中溶解一定比例的引发剂过氧化氢、过碳酸钠或者过氧化苯甲酰，得到分散相。以菜子油、花生油、茶油、葵花籽油、大豆油、棕榈油或者玉米油为连续相，在没有搅拌的情况下，将分散相缓慢滴加到加热到一定温度的连续相中，进行聚合反应，得到聚丙烯酸钠胶体微球。用金属筛网从分散相中分离出聚丙烯酸钠胶体微球，采用离心法除去聚丙烯酸钠胶体微球表面的植物油，采用微波干燥方法去除胶体中的水分，得到固体微球状食品级聚丙烯酸钠产品。工艺流程如图2-1所示： 丙烯酸 引发剂 中和 精制 聚合 离心 干燥 包装 烧碱 活性炭图2-1 静态反相悬浮聚合的工艺流程图Fig. 2-1 Flow chart of static inverse suspension polymerization2. 3 生产过程与控制（1）丙烯酸中和：按一定的酸碱质量比例进行计量，在中和反应釜中先加入丙烯酸，搅拌加入纯净水，配制丙烯酸水溶液，然后缓慢加入碱液进行中和，获得丙烯酸钠水溶液。（2）中和液的提纯精制：向丙烯酸钠溶液中加入计量的活性炭，搅拌一定时间后，用抽滤装置抽滤，收集滤液，得到精制的丙烯酸钠水溶液。（3）聚合反应：在中和液中加入引发剂，搅拌均匀，通过医用针头递加到一定温度的油相中进行聚合反应，每隔一定时间，从聚合反应釜中放出聚丙烯酸钠胶体微球和油的混合物，经筛网过滤分离，收集聚丙烯酸钠胶体微球。（4）离心脱油：收集的聚丙烯酸钠胶体微球表面上沾附少量油相，经离心分离，除去油相。（5）干燥、包装：将脱油的聚丙烯酸钠胶体微球放入微波干燥器中进行干燥，得到具有良好流动性的微球状产品。计量、包装，得到产品聚丙烯酸钠。2. 4 静态反相悬浮聚合设备静态反相悬浮聚合设备如图2-2所示。图2-2 静态反应悬浮聚合反应设备Fig. 2-2 Equipment for static inverse suspension polymerization2. 5 工艺条件的选择与优化2. 5. 1 原料精制方法的选择对于食品级聚丙烯酸钠，其合成原料丙烯酸钠水溶液的纯度对于产品的品质而言非常关键。为了使最终产物的纯度达到食品级要求，必须对原料进行精制，除去其中的阻聚剂、重金属等杂质。合成原料的精制方法有两种，一种是对丙烯酸与氢氧化钠进行中和反应之前的原料进行精致，另外一种是对中和产物丙烯酸钠水溶液进行精制。由于氢氧化钠的精制比较困难，设备要求高，我们选择对中和产物丙烯酸钠进行精制。研究发现，采用活性炭处理中和之后的丙烯酸钠水溶液，用量为1 wt.%（按水溶液计算），常温下搅拌处理1小时，过滤，所得到的丙烯酸钠水溶液完全满足要求。因此，采用活性炭处理剂中和产物丙烯酸钠水溶液的方法，对食品级聚丙烯酸钠的合成原料进行精制。2. 5. 2 连续相的选择对于反相悬浮聚合工艺，连续相的性质对产物的性能有重要的影响。采用反相悬浮聚合工艺制备食品级聚丙烯酸钠，选择连续相的时候，首先考虑连续相必须能够与食品发生直接接触，同时，连续相的密度必须接近、但又小于分散相的密度，这样，有利于分散相在连续相中分散为微小的小液滴，每个小液滴成为一个微型的水溶液聚合反应器。综合各方面考虑，天然可食用植物油就成为连续相的最佳选择。实验发现，菜籽油、花生油、茶油、葵花籽油、大豆油、棕榈油、玉米油均可作为连续相，但是，从连续相的可重复利用角度考虑，花生油、茶油、葵花籽油只能重复利用12次，而葵花籽油和玉米油可以重复利用多次。结合成本考虑，选择玉米油作为连续相。2. 5. 3 引发剂的选择与影响可用于合成聚丙烯酸钠的引发剂有多种，常见的引发剂有偶氮类引发剂（如偶氮二异丁氰）、过氧化物引发剂（如过氧化氢、过氧化苯甲酰）、过硫酸盐引发剂（如过硫酸钠、过硫酸铵）等。实验发现，采用这些引发剂均可以得到分子量10004000万的聚丙烯酸钠。但是，从提高产品品质、消除产品中的杂质的角度考虑，理想的引发剂应该是反应之后不残留任何杂质。因此，采用过氧化氢为引发剂，反应之后的产物为水，是最理想的引发剂。过氧化氢的用量对聚丙烯酸钠分子量的影响如图2-3所示。图2-3 过氧化氢的用量对聚丙烯酸钠分子量的影响Fig. 2-3 Influence of H2O2 on Mw of polyacrylic acid sodium引发剂的用量越大，单位时间内由过氧化氢分解所产生的自由基越多，将有利于自由基之间相互碰撞而发生链终止反应，不利于提高聚丙烯酸钠的分子量。但如果过氧化氢的浓度较低，引发和反应时间较长，聚合反应釜的高度必须很高。综合考虑，选择过氧化氢的用量为丙烯酸钠水溶液质量的1.5%。2. 5. 4 单体浓度的影响研究发现，丙烯酸钠单体浓度主要影响反应产物的分子量。在其它反应工艺条件确定的情况下，单体浓度对反应产物分子量的影响如图2-4所示。图2-4 丙烯酸钠单体浓度对反应产物的分子量Fig. 2-4 Influence of monomer concentration on Mw of polyacrylic acid sodium由图2-4可知，丙烯酸钠单体浓度越高，产物的分子量越大。但是，实验发现，在室温条件下，丙烯酸钠在水中的溶解度有限，当丙烯酸钠的质量分数超过44%之后，会有部分丙烯酸钠从水溶液中析出，造成溶液出现浑浊。从提高产物分子量及减少产物中水分含量、提高干燥效率的角度考虑，选择丙烯酸钠单体浓度为44 wt.%。2. 5. 5 反应温度的影响反应温度主要影响聚丙烯酸钠的分子量，同时，反应温度还影响聚合反应的完成时间，以及聚合反应的激烈程度，因而影响到生产能力和产物中低聚物的含量。实验发现，反应温度4560，低聚物含量低于0.5%，反应能够较快地进行，聚丙烯酸钠的分子量为31004000万。但反应温度较低的情况下，所得胶体微球的水分难以在反应过程中部分脱除，易出现微球相互粘连；反应温度较高，则易出现暴聚和微球破裂情况。综合考虑，选择反应温度为50。2. 5. 6 连续相的脱除聚合反应完成之后，得到聚丙烯酸钠胶体微球，含水量为51.35%。从连续相玉米油中取出反应产物，发现聚丙烯酸钠胶体微球表面粘附少量玉米油。采用离心机对聚丙烯酸钠胶体微球进行离心处理，发现粘附的玉米油很容易被去除。因此，可以采用离心方法去除聚丙烯酸钠胶体微球表面粘附的少量玉米油。2. 5. 7 干燥方式的选择对反应制得的聚丙烯酸钠胶体微球进行干燥，可以选择热风（干燥箱、回转窑等）、红外线、微波等干燥方式。由于干燥时间和干燥温度是影响生产能力和生产成本的重要因素，箱式干燥需用专门的盛装器，不适合连续性生产，而且干燥过程由外而内进行，表层发干变硬，内在水分不易蒸发，干燥速度慢，生产效率低，以煤为燃料，存在烟气排放等环境问题，用电干燥则热效率低；回转窑设备占地面积大，同样需用煤为燃料，存在烟气排放等环境问题。红外线、微波都是先进的干燥手段，特别是微波干燥法近年来在食品、农副产品、陶瓷、木材、煤，化工产品（如硅胶、无机盐、聚丙烯酰胺）等干燥方面都有着广泛的应用，但用于聚丙烯酸钠的工业干燥上尚未见报道。微波加热与传统加热方式完全不同，具有以下几个特点31-34：它使被加热物料本身成为发热体，微波可造成水珠内部高速汽化甚至爆炸，可在被干燥物内部微孔中产生驱动力排出内部吸附水，增大物料内外的压力梯度，成倍地缩短干燥时间，不需要热传导过程。即便是热传导性较差的物料，也可在极短的时间内达到加热温度。由于含有水分的物质容易吸收微波而发热，加热系统本身不被加热，因此除少量的传输损耗外，几乎无其他损耗，故热效率高，比常规加热节能3050%。无论物料各部位形状如何，微波加热均可使被加热物体表里同时均匀渗透电磁波而产生热能。所以加热均匀性好，不会出现外焦内生现象。微波加热只需有水电的基本条件，只要控制微波功率即可实现立即加热或终止，应用微机可进行加热过程和加热工艺规范的自动化控制，可实现连续性生产。微波能控制在金属制成的加热室内和波导管中工作，无微波泄漏现象，无放射线危害及有害气体排放，不产生余热和粉尘污染，不污染环境，是一种先进加热手段。我们在实验室小试过程中采用家用微波炉和20 kW的工业微波干燥生产线对微波干燥方法进行了试验，并与采用工业电加热箱式干燥器的结果进行比较，试验结果见表2-1。表2-1 不同干燥方法的试验结果Table 2-1 Experimental results of different drying methods干燥方法干燥时间干燥温度（）工业箱式干燥器6 h130微波干燥生产线60 min100注：物料堆积放置，微波干燥时间为物料进出生产线的时间，微波干燥温度为物料层内部温度由试验结果可知，微波干燥时间大大减少，并且原料非常洁净，适合食品级聚丙烯酸钠的干燥。因此，根据以上分析和经过在工业生产性的微波干燥生产线上试验的成功结果，选用微波连续加热干燥这一先进的干燥方式是切实可行的。2.6 工艺路线论证实验结果的测试在实验室开展对静态反相悬浮聚合合成聚丙烯酸钠的工艺路线展开论证，将论证实验结果进行分析测试，表明采用该工艺合成的聚丙烯酸钠完全符合国家标准的要求，如表2-2所示：表2-2 测试结果Table 2-2 Analytical results项目实测值质量要求硫酸盐（以SO4计），wt.%0.28 0.49重金属（以Pb计）/(mg/kg)3.0 20.0砷（以As计）/(mg/kg)0.7 2.0残存单体，wt.%0.8 1.0低聚合物，wt.%4.2 5.0干燥失重，wt.%5.3C=O16901743C=CC=O）吸收峰；在1630 cm-1附近没有出现不饱和双键（C=C）的吸收峰，说明聚合完全。在指纹区，990 cm-1和818 cm-1为=CH2和=CH伸缩振动吸收峰；另外，1553 cm-1和1410 cm-1附近出现了2个羧基盐的特征吸收峰。第3章 物料恒算和能量恒算3. 1 计算条件（1）年产50吨聚丙烯酸钠，每年工作日按300天计算，每天生产聚丙烯酸钠167公斤。（2）计算基准：以生产1吨聚丙烯酸钠产量为计算基准。（3）计算基础数据：丙烯酸的分子量 = 72.06氢氧化钠的分子量 = 40.00水的分子量 = 18.00丙烯酸钠的分子量 = 94.06（4）生产原理丙烯酸中和：丙烯酸钠聚合：3. 2 各工序物料恒算采用静态反相悬浮聚合工艺合成聚丙烯酸钠，需要经过配制酸碱水溶液、中和、脱除阻聚剂、抽滤、聚合反应、离心脱油、干燥、包装等多个工序。研究发现，除聚合、离心脱油、包装等工序基本不产生物料损耗之外，其余每个工序都有一定的物料耗损，故采用反推法来计算每个工序的物料输送35-38。3. 2. 1 干燥工序在该工序过程中，聚合反应生成的聚丙烯酸钠胶体微球，经离心脱油后（离心脱油导致玉米油损失折算为18.00 kg/吨产品），通过微波干燥脱除其中水分，包装即可得到成品。经分析聚丙烯酸钠胶体微球的固含量为51.35%，工序过程基本没有物质损失，但最终产品的含水量为4.10%。1000 kg含水量为4.10%的最终产品中，干物质的质量为：Wg = 1000(1-4.10%) = 959 kg (3.1)要得出959 kg干物质，需固含量为51.35%的聚丙烯酸钠胶体微球的质量为：Wj = 959 51.35% = 1868.00 kg (3.2)干燥过程需要脱除的水量为：Ws = 1868-1000 = 868 kg (3.3)3. 2. 2 聚合反应工序在聚合反应过程中，加入引发剂的中和液滴加到加热的油相中，引发剂受热分解产生自由基，引发聚合反应。在整个工序过程中，因中和液偶尔飞溅等原因导致的聚丙烯酸钠胶体微球的损失量为0.10%，聚合反应所添加的引发剂为0.20%的过氧化氢，该引发剂在反应过程中分解为水和氧，中和液中丙烯酸钠的含量为44.00%，反应过程中因水分受热蒸发而导致聚合反应得到的聚丙烯酸钠胶体微球的固含量为51.35%。由此可推算出：理论上应该得到的聚丙烯酸钠胶体微球的质量为：Wj = 1868(1-0.10%) = 1870.00 kg (3.4)损失的中和液折算为聚丙烯酸钠胶体微球时的质量为：Wd = 1870 kg-1868 kg = 2.00 kg (3.5)若得到1868 kg固含量为51.35%的聚丙烯酸钠胶体微球，需要丙烯酸钠含量为44.00%的中和液的质量为：Wz = (186851.35%)44.00% = 2180.00 kg (3.6)添加的引发剂的质量为：Wy = 21800.20% = 4.36 kg (3.7)引发剂分解所产生的水的质量为：Wf = 4.36(1834) = 2.31 kg (3.8)聚合过程水分蒸发量为：Ww = 1868(51.35%-44.00%)+2.31 = 140.00 kg (3.9)3. 2. 3 抽滤工序抽滤过程中，将活性炭添加到中和液中，搅拌一定时间后，吸附去除阻聚剂等杂质，再抽滤除去活性炭。若活性炭的添加量为中和液总质量的0.5%，则可以重复使用3次而达到理想效果。因活性炭也吸附部分含有丙烯酸钠的中和液，该工序约损失中和液0.87%。若得到2180 kg固含量为44.00%的丙烯酸钠中和液，抽滤之前需要丙烯酸钠含量为44.00%的中和液的质量为：Wz = 2180(1-0.87%) = 2200.00 kg (3.10)3.2.4 中和工序中和工序的操作过程是是将丙烯酸加入中和反应釜中，加入水搅拌溶解，再在冷却条件下缓慢加入浓度为32.00%的氢氧化钠溶液中和，控制中和反应过程的温度不超过55，中和过程因中和热使水分蒸发而损失水分18.00 kg。化学反应方程式如下：CH2=CHCOOH + NaOH CH2=CHCOONa + H2O + E72.06 40 94.06 18若得到2200 kg固含量为44.00%的丙烯酸钠中和液，需要加入的丙烯酸的质量为：Wb =(220044.00%)(72.0694.06) = 741.60 kg (3.11)需要加入的32.00%的氢氧化钠溶液的质量为：Wn = (220044.00%)(4094.06)0.32 = 1286.40 kg (3.12)丙烯酸中需要加入的水的质量为：Ww = 2200-(741.6+1286.4)+18.00 = 190.00 kg (3.13)3. 2. 5 物料恒算结果根据上述计算，各工序物料恒算结果如表3-1。表3-1各工序物料衡算结果表（以每吨产品计）Table 3-1 Data of mass balance for the materials weighed at every step工序名称进料出料原料或中间物质量/kg中间物或产品质量/kg中和丙烯酸水氢氧化钠/32wt%741.60190.001286.40中和液（51.35%）蒸发水分2200.0018.00抽滤中和液活性炭2200.0011.00中和液（含活性炭）2211.00聚合中和液引发剂2180.004.36胶体微球中和液损失及水分蒸发1868.00142.00干燥胶体微球1868.00产品（含水量4.10%）脱出水分1000.00868.003. 3 能量恒算食品级聚丙烯酸钠的静态反相悬浮生产可分为配制酸碱水溶液、中和、脱除阻聚剂、抽滤、聚合反应、离心脱油、干燥、包装等多个工序，每个工序均有一定的能量变化。抽滤、离心脱油、包装工序只需要一定的动力能耗，因此不计算这些工序的能量衡算。配制酸的水溶液是一个吸热过程，而原料碱可直接选用市售浓度为32 wt.%液碱，因而这两个过程的温度对整个反应体系无明显影响，可不对其做热量恒算。为了使中和过程中反应体系的温度不超过55，需要使用循环冷却水带走中和反应所产生的热量。此过程采用建设冷却水池、水泵输送和自然冷却的方法进行冷却，发现配备0.25 kW电动机的管道泵完全可以满足要求，而建设的5 m3冷却水池也能完全实现自然冷却。聚合过程也是一个反应放热过程，由于聚合反应在油相中进行，聚合反应所放出的一部分热量使自身的水分蒸发，另外一部分热量传递给油相。因此，需要使用50的循环恒温水浴将油相的温度稳定为502。该恒温水浴可在无反应的时候为油相保温，反应的时候带走聚合反应所产生的热量。这两个工序的温度效应均对生产能力无明显影响，也可以不进行热量恒算。干燥工序涉及到热能的消耗和加热功率的配置，因此，本设计只对干燥工序作热量衡算。从反应釜中放出的小颗粒聚丙烯酸钠胶体，经过油相中的聚合反应和水分部分蒸发，其固含量为51.35%，已不会导致小颗粒之间相互粘连，完全具有一定的流动性。经离心脱油后，放入微波干燥机中进行干燥。按照小颗粒聚丙烯酸钠胶体进入干燥机时的温度为环境温度25计算，聚丙烯酸钠的平均比热为1.47 kJ/kg，水的平均比热为4.18 kJ/kg，100水的汽化热为2587 kJ/kg。微波干燥的热效率受投料量的影响较大；若设置干燥温度为100，每升干燥空间投料0.2 kg（湿料），热效率可达41.0%，远远超过普通干燥方式。从微波干燥器中输出的热量Q出，包括水份从室温25到100变为水蒸汽所带走的热量Q1出，干燥为成品的聚丙烯酸钠从室温25到100所吸收的热量Q2出，以及干燥体系的热损失Q3出。其中，水份从室温25到100变为水蒸汽所带走的热量Q1出为：Q1出 = 832.20kg（100-25）4.18kJ/kg+832.20kg2587kJ/kg= 2,413,796.10 kJ (3-14)干燥为成品的聚丙烯酸钠从室温25到100所吸收的热量Q2出为：Q2出 = 959kg(100-25)1.47kJ/kg = 105,729.75 kJ (3-15)若保持输入热量与输出热量平衡，则：Q入41.0%= Q出= Q1出+ Q2出= 2,413,796.10kJ+105,729.75kJ= 2,519,525.85 kJ (3-16)由此可以计算出微波干燥器所生产的热量为：Q入= 6,145,185 kJ (3-17)第4章 设备选型及其工艺计算4. 1 主要设备的选型4. 1. 1 中和反应釜合成食品级聚丙烯酸钠的中和工序是将工业级丙烯酸加入反应釜中，加入水并搅拌溶解。在通入循环冷却水的情况下，缓慢加入浓度为32%的工业液碱（氢氧化钠水溶液）进行中和，同时控制中和液的温度不超过55。由于丙烯酸是一种弱酸，对普通金属具有一定的腐蚀性；中和温度不高，丙烯酸在中和过程中的挥发有限，对反应釜不要求完全密封回流或者高压操作；综合各种因素考虑，选择304材质的不锈钢搅拌罐作为中和反应釜，内盘不锈钢冷却水管，配备三相防爆搅拌电动机，框式搅拌桨并使用填料密封，完全达到使用要求。所选用的设备如图4-1所示。图4-1 中和反应釜Fig. 4-1 Reactor for neutralization该设备不仅可用于中和工序，采用活性炭吸附去除中和液中的杂质，也可以在该设备中进行。中和反应完成后，直接向该反应釜中的中和液添加活性炭，搅拌一定时间后进入抽滤工序即可。4. 1. 2 抽滤釜与离心机用于吸附去除中和液杂质的活性炭，采用抽滤方法去除，滤液为洁净的中和液，可直接用于聚合反应。所选择的抽滤设备为抽滤离心机，该设备将传统的真空抽滤器和离心机巧妙地设计在一台机器上，既具有真空抽滤功能，又具有离心功能。该设备不仅可用于抽滤，还可以用于后续的离心脱油工序。所选用的设备如图4-2所示。图4-2 抽滤离心机Fig. 4-2 Equipment for vacuum filtration and centrifugal4. 1. 3 聚合反应釜对于静态反相悬浮聚合工艺，其聚合反应时间为中和液液滴在油相中的有效停留时间。具体而言，聚合反应时间为中和液液滴进入油相、到到达反应釜底部的时间，即中和液液滴在油相中的下落时间。如果聚合反应在该时间未能充分完成并蒸发一部分水分，则形成的聚丙烯酸钠胶体颗粒容易黏结在一起，或者与聚合反应釜黏结在一起，不利于出料和后续的离心脱油及干燥。因此，在完成小试的基础上，本设计选用非标准设备，自行设计具有较大长径比的聚合反应釜并委托机械加工厂家进行加工制造，以保证中和液在聚合反应釜中具有较长的有效聚合反应时间。最后确定选用直立安装的304不锈钢材质的钢管，外套硬质PVC水管并两端密封、设置进水口和出水口，中间为恒温水浴，采用泵送热水循环的方法为反应釜保温。下端采用螺纹安装不锈钢球阀，间歇出料。出料时，球阀下方为油相接收槽，接收槽上为120目不锈钢筛网，聚丙烯酸钠胶体小球由不锈钢筛网收集后送往离心机进行脱油，油相透过不锈钢筛网落入接收槽后，由循环泵经顶端送回聚合反应釜。4. 1. 4 干燥器工业微波干燥器按照操作方式不同，可以分为连续式和间歇式。连续式设备的生产能力大，但价格较高。因此，本设计选用间歇式微波干燥器，所选用设备如图4-3所示。图4-3 间歇式微波干燥器Fig. 4-3 Microwave oven4. 2 主要设备的工艺计算4. 2. 1 中和反应釜的计算年产聚丙烯酸钠50吨，每天需要消耗丙烯酸的质量为：Wb = (741.60kg50)300 = 123.6 kg (4-1)每天需要消耗浓度为32.00%的氢氧化钠溶液的质量为：Wj = (1286.40kg50)300 = 214.4 kg (4-2)每天需要消耗的水的质量为：Ws = (190.00kg50)300 = 31.7 kg (4-3)每天需要消耗的原料总额为：Wz = Wb + Wj + Ws = 123.6kg+214.4kg+31.7kg = 655.7 kg (4-4)中和反应时间不超过2小时，加上进料和出料时间，按照每班4小时计算，每天可生产6班，则每班需要消耗的原料总额为：Wp = 655.7kg6 = 109.3 kg (4-5)由于控制中和液温度不超过55，水的比重可按照0.98 g/cm3计算