聚丙烯酸钠生产工艺设计.doc

23目 录第1章 合成工艺相关背景知识11.1 聚丙烯酸钠简介11.2 聚丙烯酸钠的产品性能和用途11.3 反相悬浮聚合2第2章 聚合物合成的原理32.1 合成原料以及原料的要求32.2 反应方程式32.3 反相悬浮聚合及相关高分子化学及物理的原理4第3章 工艺流程设计53.1工艺流程图及简介53.2 工艺流程的分析 7第4章 物料衡算94.1主要原料丙烯酸（）的投料量94.2 V102(中和罐)物料衡算94.3 V101（NaOH溶液调配罐）物料衡算114.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算124.5 R101（聚合反应器）物料衡算134.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算144.7整理并校核计算结果15第5章 聚合物反应器的设计175.1反应器的类型175.2反应器体积的计算185.3外形尺寸的设计195.4搅拌器的设计21设计总结23参考文献23第1章 合成工艺相关背景知识1.1 聚丙烯酸钠简介聚丙烯酸钠，英文名Sodium polyacrylate，缩写PAAS或简称PAA-Na，结构式为CH2CH(COONa)n。是种水溶性高分子化合物。商品形态的聚丙烯酸钠，相对分子质量小到几百，大到几千万，外观为无色或淡黄色液体、粘稠液体、凝胶、树脂或固体粉末，易溶于水。因中和程度不同，水溶液的pH一般在6-9。能电离，有或无腐蚀性。易溶于氢氧化钠水溶液，但在氢氧化钙、氢氧化镁等水溶液中随碱土金属离子数量增加，先溶解后沉淀。无毒。 丙烯酸分子式1.2 聚丙烯酸钠的产品性能和用途食品级聚丙烯酸钠的用途1、增稠剂。2、作为电解质与蛋白质相互作用，改变蛋白质结构，增强食品的粘弹性，改善组织。3、由于在水中溶解较慢，可预先与砂糖、粉末淀粉糖浆、乳化剂等混合，以提高溶解速度。4、作糖液、盐水、饮料等的澄清剂（高分子凝聚剂）。 造纸化学品造纸涂料上作为分散剂。最合适的相对分子质量是2000-3000。商品形态一般是30%或42%固含量。粘度小于600mPa.s。外观无色透明至琥珀色液体。pH在6-9之间 。 其他领域水性涂料，其分散作用； 纺织印染助剂，起浆料分散作用； 陶瓷加工助剂，起分散作用； 洗涤剂中作为洗涤助剂，起分散作用或防污垢再沉积作用； 油田上作为堵漏剂； 农业上作为土壤保湿剂； 医药上作为药物载体； 化肥工业作为化肥的控释剂； 作为高吸水树脂应用于尿布等。水处理剂分散剂1.3 反相悬浮聚合聚丙烯酸盐类高吸水性树脂主要采用溶液聚合法和反相悬浮法合成。反向悬浮聚合是以有机溶剂为分散介质，将单体、引发剂、交联剂水溶液在悬浮剂和强力搅拌作用下分散成悬浮水相液滴而进行的聚合方法。反相悬浮法具有反应热易排除、聚合过程稳定、能够直接得到粒状产品、无须粉碎工序、产品易干燥、产物的综合吸水性能好等优点，采用反相悬浮法能够合成医疗卫生用品所需的高品质吸水性树脂，在我国具有广阔的应用前景。第2章 聚合物合成的原理2.1 合成原料以及原料的要求主要原材料 : 丙烯酸（）：丙烯酸是最简单的不饱和羧酸，由一个乙烯基和一个羧基组成。纯的丙烯酸是无色澄清液体，带有特征的刺激性气味。它可与水、醇、醚和氯仿互溶，是由从炼油厂得到的丙烯制备的。 化学性质：易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。若遇高热，可发生聚合反应，放出大量热量而引起容器破裂和爆炸事故。遇热、光、水分、过氧化物及铁质易自聚而引起爆炸、具有双键及羧基官能团的联合反应、可以发生加成反应、官能团反应以及酯交换反应、长制备多环和杂环化合物、易被氢还原为丙酸、遇碱能分解成甲酸和乙酸。 原料丙烯酸最好在13-30温度范围内贮存。如发生冻结，要慢慢化冻，切忌急剧加热，熔化温度不得超过40，不能使丙烯酸带有金属离子。正庚烷：是一种无色易挥发液体，常用作辛烷值测定的标准、溶剂，以及用于有机合成，实验试剂的制备。2.2 反应方程式2.3 反相悬浮聚合及相关高分子化学及物理的原理 反相悬浮聚合法是以溶剂(油相)为分散介质， 经碱部分中和的水溶性单体丙烯酸钠，在悬浮分散剂和搅拌作用下分散成水相液滴，引发剂和交联剂溶解在水相液滴中在加热的情况下进行的聚合方法。该法解决了水溶液聚合法的传热，搅拌困难等问题；且反应条件温和，可直接获得珠状产品，生产的聚丙烯酸 钠粒径大小可根据用途要求调节，溶剂容易与聚合物分离，是一种合成聚丙烯酸钠独特的方法。缺点是反应过程控制较不稳定；主设备材质要求高；设备投资较大；采用易燃的有机溶剂，需要溶剂回收装置，存在消防隐患和产生污染；只能进行间歇生产，设备利用率低。 本设计的聚丙烯酸钠生产使用反 相悬浮聚合法，单釜间歇聚合工艺 。采用反相悬浮法合成高分子量的聚丙烯酸钠，首先将丙烯酸单体经部分中和，单体溶液分散并悬浮于连续有机相中（如环己烷等），以无机过氧类引发剂 （如过硫酸钾） 或水溶性氧化还原引发体系（如过硫酸铵、尿素）引发聚合，生成粉状或粒状沉淀，与溶剂分离后即得最终产品。第3章 工艺流程设计3.1工艺流程图及简介图3.1 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡关系图来自中的纯丙烯酸用原料泵分批加入中。NaOH水溶液的浓度为，在中被稀释成浓度为的溶液，然后按一定比例缓慢加入中与丙烯酸进行中和反应，得到中和度为的丙烯酸与丙烯酸钠混合物（简称单体），再加入适量水，得到单体浓度为的溶液。正庚烷与一定量的分散稳定剂在中进行配制得到分散液，其按比例与单体溶液共同进入反应器中，然后加入在中配制好的引发剂浓度为的水溶液6。反应大约进行2.5小时。反应结束后，聚合物混合液被送至分离工序及后处理工序进行分离、干燥、包装等处理，得到最终产物。正庚烷经蒸馏处理后循环使用。 图3.2 聚丙烯酸反向悬浮聚合间歇操作合成工艺图 T101-丙烯酸贮罐；T102-浓NaOH溶液贮罐；V101-NaOH溶液调配罐；V102-中和罐；V103-分散介质调配罐；V104-引发剂调配罐；R101-聚合反应器；P101，P102，P103-液体输送泵3.2 工艺流程的分析 3.2.1反应方程式： 在、中是单纯的物料混合配制，无相变化与化学变化。 在中的丙烯酸被中和，中和反应方程式如下： 在中引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下：丙烯酸自由基聚合中单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量无化学计量上的变化，引发剂会结合到聚合物分子链上。3.2.2本设计所涉及的要求及原材料 生产规模。设计任务书中规定的年产量（生产能力）：4500t/a；损失率：3% 生产时间。年工作日：300d/a(24h/d)间歇操作，、每天8批，由于引发剂用量很少，所以每天配制一批即可。 质量标准。原料NaOH溶液浓度为，其他原料均视为纯物质。因为只对聚合工序做物料衡算，所以不用考虑产品的其他质量指标。化学变化参数。加入的NaOH能够与丙烯酸完全反应，生成丙烯酸钠。各组分相对分子质量如表2-1所示：表3-1 各组分相对分子质量化合物丙烯酸NaOH丙烯酸钠单体混合物相对分子质量72409418其中：中和的丙烯酸单体混合物的平均相对分子质量：聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为，单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有增加。选择计算基准与计算单位因为是间歇操作过程，所以基准为“批”，单位为B/d。大部分设备的操作周期为8B/d，只有（引发剂调配罐）是1B/d。但引发剂向进料周期仍与其他设备相同，所以在做物料衡算时，物料的数量仍以8B/d计算。在做设备工艺计算时，的体积大小应按1B/d处理量进行。表3-2 技术指标项目内容技术指标聚合后处理损失率3% 聚合物质量丙烯酸中和度75%（摩尔）原料NaOH水溶液浓度50%（质量）中和用NaOH水溶液浓度30%（质量）单体水溶液浓度45%（质量）引发剂用量0.2%单体质量引发剂水溶液浓度50%（质量）分散稳定剂用量2%单体质量散介质（正庚烷）用量与单体质量为4:1正庚烷循环用量90%正庚烷总用量第4章 物料衡算4.1主要原料丙烯酸（）的投料量用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须先求出主要原料（丙烯酸）每批投料量。该生产装置年产量4500t，年开工300天，每天生产8批，后处理中聚合损失率3%。每批应生产聚合物数量为：引发剂（单体质量）全部结合到聚合物中；单体转化成聚合物，且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同；单体混合物平均相对分子质量（丙烯酸的中和度为）：可得丙烯酸相对分子质量：单体平均相对分子质量丙烯酸投料量 表4-1 数据汇总表(1)项目内容数据每批应生产聚合物数量1932.99kg/B丙烯酸投料量1569.46kg/B单体混合物相对分子质量88.54.2 V102(中和罐)物料衡算M4V102M6M1M5 图4.1 V102物料平衡示意图已知：丙烯酸中和度、丙烯酸相对分子质量、NaOH相对分子质量、单体平均相对分子质量M1 (原料丙烯酸)=1569.46kg/B M4 (NaOH溶液)NaOH： 合计： (单体溶液)单体： ： 合计： （无离子水B）：对中组分水做物料衡算有：中和反应生成水中和反应生成水：无离子水B：对做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：即：说明物料衡算是正确的。表4-3数据汇总表(2)项目内容数据M1 (原料丙烯酸)1569.46kg/BM4 (30%NaOH溶液) 2179.8kg/BM6(45%单体溶液)4286.96kg/BM5（无离子水B）537.7kg/B4.3 V101（NaOH溶液调配罐）物料衡算 M2V101M4M3 图4.2 V101物料衡算示意图(NaOH溶液)=2179.8kg/B NaOH： 653.94kg/B： 1525.86kg/B（ NaOH浓溶液）NaOH：653.94kg/B ： 653.94kg/B合计：对中组分水做物料衡算:对做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律得：即：说明物料衡算是正确的。表4-4数据汇总表(3)项目内容数据M2(50% NaOH浓溶液)1307.88kg/BM3(V101中组分水)871.92kg/BM4 (30%NaOH溶液)2179.8kg/B4.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算V103M7M8M9图4.3 V103物料平衡示意图已知：正庚烷：单体分散稳定剂单体质量=（正庚烷）=循环正庚烷新鲜正庚烷（分散稳定剂）=（分散液）=对做全物料衡算，进行校核。由物料守恒定律得： 即：说明物料衡算是正确的。表4-5数据汇总表(4)项目内容数据M7(正庚烷)7716.52kg/B循环正庚烷6944.87kg/B新鲜正庚烷771.65kg/BM8(分散稳定剂)38.58kg/BM9(分散液)7755.1kg/B4.5 R101（聚合反应器）物料衡算M10R101M1222M111图4.4 R101物料平衡示意图（待聚合液）单体：1929.13kg/B：2357.86kg/B（分散液）:7755.1kg/B合计：（引发剂水溶液）已知：引发剂用量单体质量 引发剂水溶液浓度（质量） 引发剂： 则：3.86kg/B 合计：（聚合物混合液） 分散稳定剂：38.58kg/B 正庚烷：7716.52kg/B ：聚合物：1929.13+3.86=1932.99kg/B（与设计任务相符合）合计：对做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：即：说明物料衡算是正确的。表4-6 数据汇总表(5)项目内容数据M10(待聚合液)12042.06kg/BM11(引发剂水溶液)7.72kg/BM12(聚合物混合液)12049.78kg/B4.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算已知：引发剂溶液每天配制一批，供8批反应使用。（引发剂）：（）：表4-7 数据汇总表(6)项目内容数据M13(引发剂)30.88kg/BM14()30.88kg/B4.7整理并校核计算结果M2聚合工序M1M3M11M5M7M8M2 图4.5 总物料平衡示意图对聚合工序做全物料平衡计算（图3-5），进行校核。由物料守恒定律有： 即：说明整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。表4-2 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡表 单位：kg/B物流号丙烯酸单体NaOH引发剂正庚烷分散稳定剂聚合物合计M11569.461569.46M2653.94653.941307.88M3871.92871.92M4653.941525.862179.8M5537.7537.7M61929.132357.834286.96M77716.527716.52M838.5838.58M97716.5238.587755.1M101929.132357.837716.5238.5812042.06M113.863.867.72M121929.132361.693.867716.5238.5812049.78M1330.8830.88M1430.8830.88第5章 聚合物反应器的设计5.1反应器的类型：釜式反应器：釜式反应器的基本结构如图5-1所示。这类反应器通常设有搅拌装置，所以又称为搅拌釜反应器（stirred-tank reactor）。搅拌装置的主要作用是强制物料流动，强化传热与传质效果；使物料充分接触，均匀混合；强化表面更新作用，有利于小分子组分汽化；使非均相物料分散。因此搅拌釜反应器对各种反应体系适应性强，操作弹性大，使用温度和压力范围广，既可用于间歇操作，又可用于连续操作。用于间歇操作时，生产活性大，更换品种方便，适应市场需求能力强。用于连续操作时，反应器操作过程稳定，产品质量均一，且多釜串联连续操作产量大，因此，搅拌釜反应器在聚合物合成过程中广泛使用。据统计搅拌釜反应器在聚合反应器中占80%-90%，如乙烯、丙烯、氯乙烯、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等的聚合釜，聚酯合成中的聚合釜，以及丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶合成中的聚合釜都采用搅拌釜式反应器。在聚合物生产过程中，除聚合反应器外，还有一些带搅拌装置的容器，如原料配制槽、溶解槽等。随着化学反应技术理论的发展，为增大产量、降低成本，搅拌釜反应器日趋大型化。如悬浮法生产聚氯乙烯的聚合釜已发展到200m。大大提高了产品与产量的均一性，同时降低了生产成本。图5.1 釜式反应器 1-搅拌桨；2-加热盘管；3-釜体；4-进料口；5-传动装置；6-电机；7-轴封；8-入孔；9-搅拌轴；10-夹套；11-出料口5.2反应器体积的计算5.1.1求V101体积:取，则:5.2.2求V102体积:取，则:5.2.3求V103体积:取，则:5.2.4对R101作工艺计算:取，则:5.3外形尺寸的设计表5-1各种封头的设计参数封头名称封头高度（h）封头侧面积（s）封头体积（v）封头名称封头高度（h）封头侧面积（s）封头体积（v）半球封头0.5D标准椭圆封头0.25D60锥封头0.866D碟封头0.225D120标准锥封头0.3754D球面封头0.134D90锥封头0.5D平封头00标准椭圆封头的体积（表5-1）为，。令h为釜体直边高度，H为反应器釜体总高度，则：取，则有虽然反应器属于非标准设备，但用于制造反应器的上下封头仍选用标准封头。参照标准椭圆封头（JB/T 4737-95），此处按公称尺寸选定釜体直径为1.48m。釜体的直边高度为：釜体实际高度：由标准椭圆封头直边高度与直径关系表，取直边高度为50mm，釜体圆形直筒部分高度：反应器的实际体积为：反应器实际长径比：最高液面：取体积收缩系数，最低液面： 聚合反应器釜体外型尺寸设计表反应器工艺尺寸R101釜体积（m3）3.1长径比H/D1.381釜体内径（m）1.482直边高度（m）1.308最高液位（m）1.667最低液位（m）0.77釜体实际高度（m）2.048 5.4搅拌器的设计该釜为反相悬浮聚合，反应釜的容积、结构、材质以及搅拌形式等都影响聚合过程与产品质量。为增大聚合反应的传热面，可在聚合釜壁附近安置若干折流板或插入两根D型挡板，其内部可通过冷却水以增加传热面积；在釜顶安置回流冷凝器，可将单体蒸汽冷凝回流，以增加传热面积；在聚合釜夹套中安装螺旋式导流板，冷却水不走短路时，水对釜壁的导热系数可提高8倍以上。 选用时除满足工艺要求外，还用考虑功耗、操作费用，以及制造、维护和检修等因素。考虑到丙烯酸单体及其中和剂NaOH的腐蚀性及酸碱性，选择搪瓷聚合釜，同时考虑到聚合产品易在反应器壁粘结，采用三叶后掠式搅拌器，使聚合反应无死区，可以有效地解决产物粘釜问题，并能达到较好的传热效果。图5.2 三叶后掠式桨叶 -上饶度，一般推荐用15；-后掠角，指桨叶外表面端点与中心线连线和通过该点切线方向的夹角，一般推荐用50-桨叶中心线与搅拌中心线的夹角，一般推荐为10桨叶直径与宽度的关系： 。三叶后掠式搅拌器是一种径流型搅拌器，一共有三个叶片，