《高吸水性树脂聚合生产工艺设计》15000字（论文）

高吸水性树脂聚合生产工艺设计高吸水性树脂的概述高吸水性树脂的简介高吸水性树脂（在本设计中简称SAP）是一种交联度低的水溶胀型聚合物，其包含亲水基团和松散的网络结构，具有超强的吸保水性。其中，聚丙烯酸类的高吸收性树脂的操作工艺流程不复杂、成本花费相较更低、吸水量充溢、产品耐腐败性能优异，所以更受制造商的欢迎。不同型态的高吸收性树脂的用途略有不同，粉末状主要用于卫生产品，颗粒状和球状主要用于除臭产品，而纤维状主要用于抗静电纤维等领域。如今，聚合物吸水树脂也已用于农业和园艺，它们用于节水灌溉，降低植物死亡率，改善土壤水和肥料的保留率，提高农作物的发芽率并为花卉保留水分。另外，超吸收性树脂也已应用于工程建筑、日化用品、工业材料等领域，可见其发展前景十分广阔。高吸水性树脂的结构和性能研究SAP是一种具有多孔网络结构和均匀三维骨架的笼状树脂，在它的分子链上有羧基（—COOH）、羟基（—OH）等亲水性强的官能团。图图SEQ图\*ARABIC1聚丙烯酸钠的结构示意图当接触水后先发生物理反应，然后通过基团间的综合作用，被吸附的水分子便和内部的亲水基团相解离，在此过程中，离子间产生的静电排斥扩展SAP的网络结构，这就使得SAP材料具有极佳的吸液速度和能力，并且在保液方面也有更大的优势。SAP材料的高吸水率特性受诸多因素的影响，例如材料的化学组成，交联度和水解度。此外，弹性增加和网孔变小的问题又会因为SAP材料的交联密度太大而导致，这样的话，SAP材料的吸水性能会因为水分子渗透到网格中时将受到影响。高吸水性树脂的吸水机理聚丙烯酸钠的高吸水性树脂是一种交联性适中的聚电解质，当其被溶于高介电常数的水中时，—COO—和Na+就会由—COONa基团电离出来。—COO—因为带有负电荷不能扩散到水中，所以它就被固定在主链的网络骨架上，但是三维网络结构中扩张的动力会由—COO—之间产生的静电排斥力生成。虽然Na+在一定程度是可移动的，但网络骨架上相反电荷的吸引力把它束缚在网络中，因此网络内部的Na+浓度高于外部的浓度，于是内外部形成了渗透压，外部的水因为聚电解质的强水合作用可以在用很短的时间向内部扩散。Na+随着SAP内部水的渗透，从聚合物分子链上分离并扩散，内外部之间的渗透压差随着网络内部的Na+浓度逐渐降低而趋于零。弹性收缩力随着SAP网络的扩张在增加，网络结构中负离子之间的静电排斥力也被抵消了，最后可达到吸水平衡。图SEQ图\*ARABIC2高吸水性树脂的吸水过程通过上述说明，优良的高吸收性树脂大致具有三个条件：（1）分子链上存在大量的亲水基团（2）具有适当的三维网络结构确保适宜的渗透压。（3）具有合适的交联密度。高吸水性树脂的发展高吸水性树脂是一种新型的功能聚合物，它在加压的情况下仍有强吸水性，这种优越特性使SAP的用处得到充分的发展。交联聚丙烯酸的生产技术在上世纪50年代由美国Goodrich公司发展而来，Flory吸水理论也同时由科学家Flory在大量实验研究的基础上提出，交联聚合物的溶胀平衡理论能定性描述高分子的吸水性能。1961年美国农业部北方研究所的Russell等人开始研究SGP，这种商品是由淀粉和丙烯腈共聚而成，其首先在亨克尔公司工业化。再后来，美国、日本以及德国的一些知名公司相继开发成功出了高分子吸水树脂。从那时起，欧洲等全球其他国家对聚合物吸水树脂的种类、性能和应用进行了许多研究。高吸水性树脂的研究在国内起步较晚，但随着国内生产技术水平的提高，以及国内市场的需求，不断涌现新的从事单位。目前我国的丙烯酸产业也呈现出良好的发展趋势，深入的研究也促进了生产量的增长。虽然目前国内研究和生产的高吸水性树脂有了些起色，但与国际上生产的SAP在产品性能方面还存在不小的差距。高吸水性树脂的应用高吸水性树脂的吸水和保水性非常出色，在我们生活中的方方面面都有着广泛的应用。本设计从以下几个方面介绍高吸水性树脂的应用：农林业方面的应用在地域辽阔的我国，土壤环境恶劣的地区占了绝大部分，这样的环境会影响农林业的发展。面对沙漠干旱等严酷的气候环境，吸水率高、保水力强又可重复使用的SAP便可应用于农林业。SAP可以长时间保留吸收的水，这些吸水凝胶颗粒就像无数的“小蓄水池”一样，围绕着植物根系土壤，它能够首先储存雨水或灌溉时的水，以减少水分流失和蒸发，而在干旱的时候，存储的水又会缓慢释放以供植物汲取，如此一来就能提高植物的成活率和农作物的产量，还大大地节省了劳动力。SAP无毒无害无污染、重复使用寿命长，土壤的结构被SAP形成粒状，这样不仅增加了土壤的渗透性，还减少了土壤的昼夜温差。将SAP混合在农药和肥料中能有效提高它们的作用效果。目前，在我国干旱荒漠化地区，SAP的应用在增加农业收入、提高绿化率、节水灌溉等方面发挥了重要作用，具有良好的市场前景。生物医疗方面的应用高吸水性树脂吸水后让人体能产生适应性，所以SAP在生物医药方面也能发挥广泛的用途。①用作增稠剂，增强药物释放的效果，让药物更好地吸水和保水；②制造医用绷带，帮助创口体液和伤口出血被迅速吸收，并防止伤口被感染；③外用软膏；④人工器官；⑤隐形眼镜；⑥人工肾脏过滤材料。目前，SAP技术在生物医疗方面的研究应用相对更成熟的。工业方面的应用在土建工程中，SAP主要用于：①控制湿度和祛除湿气；②工业防潮剂，高吸水性树脂在高温环境下吸水，在低温环境下释水；③止水堵漏，SAP吸收水膨胀成凝胶后能有效地防止油气和废水的泄漏；④建筑水溶性涂料；⑤水泥添加剂。日常用品方面的应用SAP吸水缓释快而稳定的特性在日用品中有所应用：①化妆品的添加剂，不仅能保护皮肤免受刺激还能滋润皮肤；②头发定型剂，使头发柔顺且无粘滞感；③食品的包装，能保鲜且防止食品受潮；④人工造雪，使加有SAP的人造雪摸起来的手感与天然雪极其相似；⑤电子工业品和消防制品；⑥纸尿裤、妇女卫生巾、止汗毛巾、手术棉等生理卫生用品高吸水性树脂的国家标准（GB/T22905—2008）指标名称单位要求残留单体（丙烯酸）≤mg/kg1800挥发物含量≤%10.0粒度分布<106μm%10.0<45μm1.0密度g/cm30.3~0.9PH—4.0~8.0吸水量≥g/g40.0保水量≥g/g20.0加压吸收量≥g/g10.0设计原始依据生产规模8000t/a每年的生产天数每年生产时间为300天，每天24h连续化生产，四班三倒。产品收率1.改性工序：100％2.干燥巩固：99％3.粉碎工序：99％4.筛分工序：96％5.造粒工序：99％6.破碎工序：99％聚合转化率99.8％高吸水性树脂聚合工艺的选择与原理聚合工艺 目前高吸收性树脂的工业生产方法主要有多种，而其中，目前最重要的方法是合成聚合物交联法，其原理是自由基连锁聚合。聚合方法主要包括以下几方面：本体聚合法本体聚合是指不添加任何其他反应物质，只有单体本身在一定的物理条件进行的聚合反应。本体聚合操作简单，并且能得到高纯度的聚合物，但是在聚合过程中产生热量大而难扩散，这就容易引起爆聚，聚合产物粘度大而难出料，因而目前不采用本体聚合法。溶液聚合法溶液聚合法中水为载体，加入单体、引发剂以及其他助剂在物理条件下进行聚合。溶液聚合法比本体聚合法易散热控温，局部过热的现象不常出现，引发效率高且体系更加稳定，经处理后的产物分子量均匀。溶液聚合法能制得形状多样、吸释水性好的产物，而且过程中消耗较少的能量，对环境不会造成大污染，所以此法常在实际生产中应用。由于过强的亲水性导致产品干燥难度大，较低的单体浓度导致聚合速度慢和转化率低，是该法存在的最大的缺点。反相悬浮聚合法反相悬浮聚合法的载体是油相物质，在体系中加入悬浮稳定剂后，水溶性单体在强烈搅拌的作用下被分散而形成了悬浮的水相液滴，再添加水溶性引发剂后在水相中发生自由基连锁聚合生成高吸水性树脂。反相悬浮聚合的体系粘度低且稳定，温度好控制，热量好发散，并且可直接获得颗粒状的树脂，免去繁琐的后处理工艺。但作为载体的油相物质一般是有机溶剂，需回收处理，经济效益较低。另外，反相悬浮聚合的产物容易粘结成块，产品纯度低。反相乳液聚合法反相乳液聚合法是在油相介质中加入水溶性单体和乳化剂，油包水型乳状液在强搅拌的作用下形成，然后使各反应物在油包水体系中聚合，在液滴内部进行着聚合反应的发生和终止。反相乳液聚合法操作简单、温度好控制、热量好发散、产物颗粒尺寸较小、分子量较大，这是其优点。吸水率由于粒度太小而下降、杂质含量较多、有机溶剂难于回收、成本过高，这是反相乳液聚合法存在的一些缺陷。辐射聚合法辐射聚合法主要是指微波辐射法和紫外光聚合法两种方法，属于物理引发聚合。微波辐射化学反应是一种新型聚合物的聚合技术，在生产过程中，体系中的自由基只需通过高能电子束辐射产生，由此基础上发生稳定的聚合反应。辐射聚合中反应速率和产物分子量可以通过辐射程度调控，在常温或低温下都能进行，这种方法的生产效率高，产品的质量纯净。综上所述，以上五种聚合方法各有其优缺点。在实际生产中，我们得到的为胶状高分子聚合物，溶液聚合的体系粘度第，制得的产物不但可以制成各种形状，还具有优异的吸释水性，同时能耗较低、对环境污染小，也是世界上生产SAP最主要的工艺，生产能力约占全球的80%~90%。因此在本设计中，我们选择选用溶液聚合法制备聚丙烯酸钠胶体。聚合原理水溶液聚合法大致可分为中和反应、聚合反应和交联反应三步骤，其中最主要的是丙稀酸的溶液聚合过程，它由链引发、链增长、链转移和链终止组成。链引发，引发剂分解成初级自由基。链增长，初级自由基引发单体形成单体自由基，单体自由基继续不断与单体加成形成更多大分子自由基。链终止，包括偶合终止和歧化终止。a偶合反应终止：b歧化反应终止：其聚合反应原理整体可表示为:高吸水性树脂溶液聚合工艺流程的设计工艺流程水溶液聚合法生产高吸水性树脂的工艺流程由中和反应、聚合反应、表面交联反应三部分组成，可细分为丙烯酸钠溶液的制取、脱除阻聚剂、溶液聚合反应、切条造粒、干燥粉碎、表面交联、、干燥筛分、混合包装等阶段。1.丙烯酸钠溶液的制取：称取一定量的丙烯酸，用按比例计量过的去离子水稀释成丙烯酸溶液，再将丙稀酸溶液与25%氢氧化钠溶液中和成丙烯酸钠溶液。2.脱除阻聚剂：在中和度为75%的丙烯酸钠溶液中加入质量为丙烯酸1%的细粉状活性炭，在减压蒸馏吸附处理后抽滤即得到去除阻聚剂的丙稀酸钠精制液。3.交联剂分散：加入交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA），搅拌充分使之溶于中和液。4.丙烯酸钠的聚合反应:加过交联剂的丙稀酸钠精制液中加入计量好的引发剂，放入反应器中进行聚合反应。5.切条造粒:聚合反应得到的聚合物先经切条机切成条状，条状聚合物再送到造粒机中造粒，最后将造粒过的聚合物送往干燥器中进行干燥处理。6.干燥:将绞碎后的聚合物在150°C的干燥器中干燥。7.粉碎筛分:在破碎机中将干燥后的聚丙烯酸钠颗粒粉碎成所需的粒径，再送往筛分装置进行筛分处理，获得目标粒径。8.表面处理和混合包装:将粒径符合的颗粒与表面处理剂、无机盐水在表面处理机中进行处理，以提高颗粒的表面强度，表面处理结束后将聚合物进行冷却，即为成品。检验分析合格即可对成品进行包装。生产工艺流程图中和反应中和反应NaOH溶液去离子水碱液配制去离子水溶液聚合脱阻聚剂破碎造粒干燥筛分干燥粉碎表面交联最终产品配液丙烯酸单体（液体）交联剂引发剂图3高吸水性树脂的吸水过程

高吸水性树脂溶液聚合工艺条件的确定生产原料表SEQ表\*ARABIC1生产聚丙烯酸钠的工艺原料工艺条件表SEQ表\*ARABIC2生产聚丙烯酸钠的工艺条件项目用量试剂浓度氢氧化钠溶液25%(质量分数)丙烯酸溶液30%（质量分数）活性炭助剂0.69%（中和液）中和工艺条件中和度75%中和温度13.5～35℃中和压力0.1Mpa交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺0.04wt%引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠0.2wt%聚合工艺聚合时间2h聚合温度60～70℃聚合压力0.1Mpa破碎、造粒工艺条件破碎胶块的大小85mm造粒后颗粒的大小5mm破碎、造粒的温度25℃破碎造粒的压力0.1Mpa干燥工艺条件造粒后的干燥温度120℃造粒后的干燥时间3h造粒、干燥后产品含水量≤5%改性后的干燥温度150℃改性后的干燥时间6h改性、干燥后产品含水量≤5%干燥压力（两次）0MPa（真空）粉碎工艺条件粉碎温度25℃粉碎粒度80目粉碎压力0.1Mpa筛分工艺条件筛分温度25℃筛分粒度80目筛分压力0.1Mpa改性工艺条件季戊四醇饱和溶液的用量3：1改性温度25℃改性压力0.1Mpa工艺条件确定的论证中和反应阶段的相关工艺单体浓度的选择单体浓度会改变树脂网状结构，从而影响SAP的吸水性。丙烯酸溶解在去离子水中的浓度接近30%时，SAP的吸水性和保水性能最好，其他浓度范围内的吸水率均不如30%。因为在聚合过程中，水在树脂的三维网络形成后被树脂吸收，而水又是单体的溶剂，这就影响了单体的流动性，阻碍了聚合反应的进行，使树脂的分子量不足。如果单体浓度高于30%，水溶液中容易析出丙烯酸钠，导致聚合不充分，增加了可溶性，降低了树脂的吸液性能。因此，本设计将单体浓度选择为30%。单体中和度的选择中和度在60%~75%范围内时与吸保水量成正比，但如果超出75%时，吸保水性能则明显不足。因为低中和度的溶液呈酸性，有利于聚合速率，自身发生交联提高了交联度，降低了吸水率。在60%~75%范围内的中和度与分子链上的—COO—基团数目成正比，如若都增加电解质的电荷度也随之增加，三维网络结构就因此被打开，水逐渐被困在网络结构中，也就提高了SAP的吸液性。因此，本设计将中和度选择为75%。中和温度的确定中和反应温度在13℃以下，单体丙烯酸会结晶析出，导致反应不均匀，降低了产品的品质。中和反应温度在35℃以上，单体在体系中易发生自聚形成低聚物，影响聚合反应的继续发生及产品的性能。因此，本设计将中和温度选择在13.5℃～35℃之间。聚合反应阶段的相关工艺引发体系的确定如果使用单一的氧化引发体系，则制得的SAP产品在负压下的保水能力比氧化还原体系差，因为将氧化还原引发体系下的聚合反应相对稳定，反应引发温度相对较低（不超过100℃），而单一氧化引发体系下的聚合反应温度能达到110°C，反应剧烈，容易产生可溶性物质，从而降低了产品的吸保水能力。因此，本设计综合考虑选择了(NH4)2S2O8-NaHSO3氧化还原体系。引发剂用量的选择当引发剂用量为丙烯酸用量的0.05～0.35wt％时，引发剂用量的变化由于一定程度的三维网络结构对常压下SAP产品吸水率几乎无影响。当引发剂的量过低时，所制备的SAP的交联度小，并且树脂的自由溶胀速度相对较快。当引发剂的量过大时，聚合反应加速，并且形成的树脂具有更致密的网络结构和更多的可溶物，结果加速了树脂的自由溶胀。考虑到整体性能，本设计将引发剂的量选择为0.2wt％。交联剂的选择交联剂的分子量和亲水性基团会影响树脂的吸水性性。N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的分子链断短、分子量合适、反应活性大，因此本设计选择MBA作为交联剂。交联剂用量的选择SAP产品的吸水性随交联剂的用量（以占单体的质量百分比计）先增后减，当交联剂的质量为0.04wt％时保水性最佳。如果交联剂用量过小，形成的三维网络结构不稳定，并且聚合物的可溶部分增加，导致吸水性降低；如果交联剂的用量过多，交联密度会变大，并且聚合物的三维网状结构的吸水空间变小并且膨胀和拉伸性能差，导致吸水性降低。因此，本设计选择交联剂的用量为0.04wt％。聚合反应温度的选择聚合反应温度在60到70℃之间时SAP吸水性能好。如果聚合温度低于50℃，聚合反应速度慢，在同等时间下聚合度不够未充分形成三维网络结构，吸水性能也不好。如果聚合温度高于75℃，会增加聚合的链转移度和交联剂酯键的水解度，从而降低了SAP的分子量和交联度，还会加快聚合速率易引发爆聚现象。因此，本设计聚合反应温度选择为60～70℃之间。聚合反应时间的选择SAP的吸保水性随反应时间的增加而增加，最后趋于稳定。当聚合时间还未到2h时，SAP的吸保水性与反应时间成正比。当反应到2h时，SAP的吸水性有了明显的提升，但最后随着时间的增加趋于稳定。因为在聚合反应过程中物料逐渐由液态变为凝胶，但反应不充分尚未形成三维网络结构，所以吸水率很低。继续延长反应时间，树脂的分子量也在不断增加，逐步形成较完全的三维网状结构，因此产物的水溶性降低而吸水率升高，而继续增加反应时间，产物分子量和交联度的变化不明显，吸液率增加的趋势放缓最后趋于稳定。因此，本设计的聚合反应时间选择为2h。表面处理方案的选择表面交联剂的选择粉碎后的粒状树脂与水溶液接触后，树脂的表面容易粘结而影响水分子的渗透。为了保证树脂的高吸水性和凝胶强度，需要将树脂设计成特殊的“核-壳”结构，核是指高吸水性树脂的内部，我们需要在其三维网状结构中增加网孔，使高吸水性树脂具有较强的水分吸收性能。壳是指高吸收性树脂的表面。通过与表面的交联反应，大大提高了高吸收性树脂表面的交联度，也提高了高吸收性树脂的胶凝强度。因此解决了凝胶阻塞的问题，使得SAP产品具有更高的稳定性和吸附性。由于季戊四醇基本上是无毒的，在空气中相对稳定，并且在水中具有良好的溶解性，因此本设计选择的表面交联剂为季戊四醇。表面交联剂的用量在聚丙烯酸钠树脂的改性过程中，如果季戊四醇的饱和溶液使用得太少，它将无法完全接触产品表面，而如果使用过多，部分产品将被带走，原料的投入就会加大，增加了不必要的成本。因此，有必要选择适当量的季戊四醇饱和溶液。为了可以在不降低产品损失的情况下对产品进行充分的改性，本设计选择的季戊四醇饱和溶液的量为产品用量的3倍，造粒干燥过程的相关工艺破碎胶块大小确定反应后的胶体呈巨大带状，因此我们要先对其进行破碎，应将聚合好的胶块控制在500*500*200mm的大小范围之内，然后采用破碎切割机将胶体破碎至85mm左右大小的胶块，以满足造粒机的有效供料。造粒颗粒大小的确定增加产品干燥时的表面积，可以提高干燥效率，故对产品进行干燥之前，我们需要先对产品进行造粒。本文确定造粒后颗粒大小为3～6mm之间，若颗粒大小大于6mm，则由于胶体较厚会使干燥时受热不均匀，水分蒸发速度减慢，从而使干燥所需时间加长；若颗粒大小小于3mm，则对仪器要求较高，相应经济成本投入增大；故本次设计造粒颗粒大小控制在5mm。破碎和造粒的温度、压力确定破碎、造粒工序的温度对操作没有明显影响，因此选择在常温下进行即可。破碎、造粒工序的压强对操作没有明显影响，因此选择在0.1MPa大气压下进行即可。干燥温度、时间的确定聚丙烯酸钠对温度变化稳定，热稳定性强，在200℃下几乎不分解，考虑经济因素，干燥温度可选择范围在100℃～130℃，故本文选择120℃的干燥温度。造粒后的聚丙烯酸钠颗粒粒径为5mm，大大缩短了干燥时间，第一次干燥3h即可达到≤10%的含水量，从而进行下一步改性；第二次干燥6h，可达到≤5%的含水量，得到最终产品。干燥压力的确定干燥压力的大小对干燥时间有一定的影响，所以要选择一个易控制、易操作的干燥压力。为了较好提高干燥时间和干燥效果，可以选择真空为干燥压力。粉碎粒度的确定若树脂的粒度越大其与水接触的表面积越小，影响了吸水速率；若高吸水性树脂粒度较小，则易在粉碎的过程中破坏其交联结构，从而影响吸水性能；故最终产品粒度要保持在一个合适的范围之内，综合考虑，本文选择产品粒度为80目。粉碎压力、温度的确定粉碎压力、温度对操作没有明显影响，因此选择在常温、常压下进行即可。筛分压力压力对筛分操作没有明显影响，选择常压即可。所以筛分压力可以设为0.1MPa。筛分温度温度对筛分操作没有明显的影响，所以在常温下就可以达到良好的效果。筛分粒径筛分的粒径要达到80目，产品粒度要均匀，合格率要求大于98％。物料衡算由于聚丙烯酸钠的生产要经过中和反应、溶液聚合、干燥粉碎等多个流程，在每个工艺过程中都存在一定量的物料耗损，故采用反推法来计算每个工序的物料输送。化学反应方程式1.丙烯酸中和阶段：2.丙烯酸钠的聚合阶段:n(CH2=CHCOONa)产量的计算1.车间每年生产聚丙烯酸钠高吸水性树脂总量为8000t，每年生产时间为300天，每天24h连续化生产，四班三倒。2.每天生产的聚丙烯酸钠的量为：8000t÷300=26.67t3.每小时的产量为：26.67t×1000kg/t÷24h=1111.25Kg/h参数设定1.计算时都按每小时的产量为计算标准，视原料为纯物质。2.引发剂的92％用于引发，单体的99.9％转化为聚合物。3.产品收率：改性工序：99％，干燥：99％，粉碎：99％，筛分：96％；造粒：99%，破碎：99%。4.聚合转化率：99.9％5.丙稀酸的分子量：72.06；丙稀酸钠的分子量：94.06；氢氧化钠的分子量：40；水的分子量：18干燥工序干燥过程物料变化如下图ASAP（改性后，含水量50％）ASAP（改性后，含水量50％）干燥ASAP损耗ASAP（干燥后，含水量5％）被干燥的水分图4干燥过程中各物料的变化干燥过程中产品的得率为99％，WASAP（含水量5%）=1111.25Kg/h99%WASAP（改性后，含水量50%）=WASAP（干燥后，含水量5%）+W被干燥的水分50%WASAP（改性后，含水量50%）=5%WASAP（干燥后，含水量5%）+W被干燥的水分WASAP（改性后，含水量为50%）=1−5%99%−50%×WASAP（干燥后，含水量5%）W被干燥的水分=99%WASAP（改性后，含水量50%）-WASAP（干燥后，含水量5%）=1021.67Kg/hW损耗=1%×WASAP（改性后，含水量50%）=1%×2154.46Kg/h=21.54Kg/h表SEQ表\*ARABIC3干燥过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/hASAP（改性后，含水量50％）2154.46ASAP（干燥后，含水量5％）1111.25被干燥的水分1021.6756759.44损耗21.54总计2154.46总计2154.46由表可知，干燥过程物料平衡。表面处理（改性）工序聚丙烯酸钠表面处理工序物料变化如图季戊四醇溶液（质量分数6.74%）、ASAP（筛分后，含水量10%）季戊四醇溶液（质量分数6.74%）、ASAP（筛分后，含水量10%）改性ASAP（改性后，含水量为50%）、多余的水图5表面处理工序中各物料的变化改性过程中无损耗，得率为100％，季戊四醇在此过程中，四个羟基均会结合到聚合物中。WASAP（改性后，含水量50%）=2154.46Kg/h，季戊四醇25℃时的溶解度为7.23g/100gH2O，质量分数为6.74%。∴=1082.32Kg/h∴表4表面处理工序中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/hASAP（筛分后，含水量10%）1082.32ASAP（改性后，含水量50%）2154.46季戊四醇溶液（质量分数6.74%）3246.95169835多余的水加生成的水2174.81120823总计4329.27总计4329.27从表中可知，改性工序过程中物料平衡。筛分工序筛分过程物料变化如下图粉碎后的ASAP（含水量10%）粉碎后的ASAP（含水量10%）筛分ASAP（筛分后，含水量10%）、ASAP细粉料、ASAP粗粉料图6筛分过程中各物料的变化筛分过程中，产品得率为92％，细粉料得率为2%，粗粉料得率为2%，WASAP（筛分后）=1082.32Kg/h，则有：∵∴∴∴表5筛分过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h组成流量Kg/hASAP（粉碎后，含水量10%）1127.42ASAP(筛分后，含水量10%)1082.32ASAP细粉料22.5484ASAP粗粉料22.5484总计1127.42总计1127.42从表中可以看出，进料的总流量和出料的总流量相等，则该筛分过程物料平衡。粉碎过程的物料衡算粉碎过程各物料变化如下图ASAP（干燥后，含水量10%）、ASAP粗粉料ASAP（干燥后，含水量10%）、ASAP粗粉料粉碎ASAP（粉碎后,含水量10%）、损耗图7粉碎过程中各物料的变化粉碎过程物料得率为99％，WASAP（粉碎后，含水量10%）=1127.42Kg/h，W（粗粉料，含水10%）=22.5484Kg/h表6粉碎过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h组成流量Kg/hASAP（干燥后，含水量10%）1116.26ASAP（粉碎后，含水量10%）1127.42ASAP（粗粉料）22.5484损耗11.39总计1138.81总计1138.81由表可知，粉碎过程物料平衡。干燥过程的各物料衡算干燥过程物料变化如下图ASAP（造粒后，含水量50％）ASAP（造粒后，含水量50％）干燥ASAP损耗ASAP（干燥后，含水量10％）被干燥的水分图8干燥过程中各物料的变化干燥过程中产品的得率为99％，WASAP（干燥后，含水量10％）=1116.26Kg/h表7干燥过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/hASAP（造粒后，含水量50％）2050.27ASAP（干燥后，含水量10％）1116.26被干燥的水分913.5150750.56损耗20.50总计2050.27总计2050.27由表可知，干燥过程物料平衡。造粒过程的各物料衡算造粒过程各物料变化如下图ASAP（破碎后，含水量50%）ASAP（破碎后，含水量50%）造粒ASAP（造粒后,含水量50%）、损耗图9粉碎过程中各物料的变化造粒过程物料得率为99％，WASAP（造粒后，含水量50%）=2050.27Kg/h∵∴表8造粒过程中物料衡算的结果输入输出组成流量Kg/h组成流量Kg/hASAP（破碎后，含水量50%）2070.98ASAP（造粒后，含水量50%）2050.27损耗20.71总计2070.98总计2070.98由表可知，造粒过程物料平衡。破碎过程的各物料衡算破碎过程各物料变化如图ASAP（溶液聚合后，含水量50%）ASAP（溶液聚合后，含水量50%）破碎ASAP（破碎后,含水量50%）、损耗图10粉碎过程中各物料的变化破碎过程物料得率为99％，WASAP（破碎后，含水量50%）=2070.98Kg/h∵∴表9造粒过程中物料衡算的结果输入输出组成流量Kg/h组成流量Kg/hASAP（溶液聚合后，含水量50%）2091.90ASAP（破碎后，含水量50%）2070.98损耗20.92总计2091.90总计2091.90由表可知，破碎过程物料平衡。配液过程中的各物料衡算丙烯酸、去离子水丙烯酸、去离子水配液丙烯酸溶液（30%）图11配液过程中各物料的变化配液过程无物料损耗，若丙烯酸质量流量为a则W去离子水=故W丙烯酸溶液=根据5.16节可知a=860.85Kg/h∴W丙烯酸=860.85Kg/h，W去离子水=W丙烯酸溶液=表10配液过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/h丙烯酸860.8511946.29丙烯酸溶液（30%）2869.21123521.85去离子水2008.36111575.56总计2869.21123521.85总计2869.21123521.85由表可知，配液过程物料平衡。配碱过程的各物料衡算氢氧化钠（固体）、去离子水氢氧化钠（固体）、去离子水配碱氢氧化钠溶液（25%）图12配碱过程中各物料的变化溶解过程无物料损耗。根据5.16节可知a=860.85Kg/h∴表11配碱过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/h氢氧化钠（固体）358.118952.75氢氧化钠溶液（25%）1432.4568638.23去离子水1074.3459685.56总计1432.4568638.31总计1432.4568638.23由表可知，配碱过程物料平衡。中和过程的各物料衡算丙烯酸溶液（3丙烯酸溶液（30%）、氢氧化钠溶液（25%）中和反应丙烯酸钠、过量的丙烯酸、去离子水图13中和过程中各物料的变化中和过程无物料损耗。W丙烯酸溶液=3.333aKg/h，W氢氧化钠溶液=1.664aKg/h根据5.16节可知a=860.85Kg/h∴W丙烯酸溶液=3.333a=2869.21Kg/h，W氢氧化钠溶液=1.664a=1432.45Kg/h表12中和过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/h丙烯酸溶液（30%）2869.21123525.48丙烯酸钠842.778959.92氢氧化钠溶液（25%）1432.4568638.23过量的丙烯酸215.212986.54去离子水3243.68180204.44总计4301.66192163.71总计4301.66192163.90由表可知，中和过程物料平衡。脱阻聚剂过程的各物料衡算丙烯酸钠、丙烯酸、去离子水、活性炭丙烯酸钠、丙烯酸、去离子水、活性炭脱阻聚剂单体（丙烯酸、丙烯酸钠）去离子水滤渣及损耗图14脱阻聚剂过程中各物料的变化已知活性炭、滤渣及损耗分别为中和液的0.7%、1%。W中和液（丙烯酸钠、丙烯酸、丙酮、去离子水）=0.979a+0.25a+3.768a=4.997aKg/h根据5.16节可知a=860.85Kg/h∴W中和液（丙烯酸钠、丙烯酸、、去离子水）=4.997a=4301.67Kg/h，，表13脱阻聚剂过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/h丙烯酸钠842.778959.92单体（丙烯酸、丙烯酸钠）1045.0711829.15丙烯酸215.212986.54去离子水3243.68180204.44去离子水3243.68180204.44活性炭30.132152.14滤渣及损耗43.04总计4331.79194303.04总计4331.79混合过程的各物料衡算混合反应物料变化如图单体（丙烯酸、丙烯酸钠）、去离子水、交联剂单体（丙烯酸、丙烯酸钠）、去离子水、交联剂混合交联后的单体（交联后的丙烯酸、交联后的丙烯酸钠）、去离子水图15混合过程中各物料的变化混合过程中无物料损耗W单体=1.214aKg/h，W去离子水=3.768aKg/h，W交联剂=0.0004aKg/h根据5.16节可知a=860.85Kg/h∴，，W交联剂=0.0004a=0.34Kg/h表14混合过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/h单体（丙烯酸、丙烯酸钠）1045.0711829.15交联后的单体（交联后的丙烯酸、交联后的丙烯酸钠）、1045.42去离子水3243.68180204.44去离子水3243.68180204.44交联剂0.342.21总计4289.09192035.80总计4289.10由表可知，混合过程物料平衡。溶液聚合过程的各物料衡算溶液聚合反应物料变化如图交联后的单体（交联后的丙烯酸、交联后的丙烯酸钠）、去离子水、引发剂交联后的单体（交联后的丙烯酸、交联后的丙烯酸钠）、去离子水、引发剂溶液聚合ASAP（溶液聚合后，含水50%）去离子水（蒸发的水、剩余的水）未反应的引发剂及其他物质图16溶液聚合过程中各物料的变化在聚合过程中有92％的引发剂结合到聚合物中，单体转化率为99.9％。WASAP（溶液聚合后，含水量50%）=2091.90Kg/h，W引发剂=0.002aKg/h，W交联后的单体=1.2144aKg/h，W去离子水=3.768aKg/h∵∴，解得a=860.85kg/h∴W交联后的单体=1.2144a=1045.42Kg/h，W去离子水=3.768a=3243.68Kg/h，W引发剂=0.002a=1.72Kg/hW剩余去离子水=W去离子水-50%WASAP（溶液聚合后，含水量50%）=2197.73Kg/hW未反应的引发剂及其他物质=8%W引发剂+0.1%W交联后单体=1.18Kg/h由6.3溶液聚合过程的热量衡算章节可知，W蒸发的水=W2=175.26kg/h∴W未蒸发水分=W剩余去离子水-W蒸发的水=2197.73-175.26=2022.47kg/h表15溶液聚合过程中物料衡算的结果进料出料组成流量Kg/h流量mol/h组成流量Kg/h流量mol/h交联后的单体1045.42ASAP（溶液聚合后，含水50%）2091.90去离子水3243.68180204.44蒸发的水分175.269736.67未蒸发水分2022.47112359.44引发剂1.7210.35未反应的引发剂及杂质1.18合计4290.82合计4290.81由表中可以看出，进料过程和出料过程的总质量流量相等，既符合物料平衡。热量衡算聚丙烯酸钠的生产可分为多个过程，但粉碎、破碎等过程只需要一定的动力损耗，因此不予以计算。本章主要计算了配碱工序、中和工序、聚合反应工序、干燥工序（造粒后）、干燥工序（改性后）这5个工序的热量衡算。整个计算过程均采用25℃作为基准温度，相关的物料数据以第五章物料衡算结果为基础。配碱过程的热量衡算表16配碱过程中的相关数据项目名称数据氢氧化钠的溶解热Q146.92kJ/molNaOH氢氧化钠溶液（25%）的平均比热容Cp13.587kJ/（kg·℃）去离子水的比热容Cp24.183kJ/（kg·℃）去离子水的进料温度t125℃氢氧化钠的进料温度t225℃氢氧化钠溶液的出料温度t330℃配碱过程中的最大升温t465℃冷却水出入的平均温差t510℃纯氢氧化钠质量流量W1，摩尔流量W2358.11kg/h，8952.75mol/h溶解用水的质量流量W3，摩尔流量W41074.34kg/h，59685.56mol/h氢氧化钠溶液的质量分数25%表17配碱过程中部分热量衡算的符号定义项目名称符号氢氧化钠带入的热量Q11去离子水带入的热量Q12氢氧化钠的熔解热Q13输入的总热量Q1入氢氧化钠溶液从25℃升温到30℃所需的热量Q14冷却水带走的热量Q15输出的总热量Q1出配碱过程热量变化示意图如下：输入热量Q1入输出热量Q1出输入热量Q1入输出热量Q1出热水去离子水Q12氢氧化钠（25℃）Q11配碱釜熔解热Q13氢氧化钠（30℃）Q14冷却水移走Q15冷水图17配碱过程中的热量变化∵Q11=Q12=0∴∵Q1入=Q1出∵Q15=Q1入-Q14=420063.03-25690.99=394372.04KJ/h表18配碱过程中热量衡算的结果进料出料组成热量kJ/h组成热量kJ/h熔解热420063.03氢氧化钠溶液吸收热量25690.99冷却水吸收的热量394372.04总计420063.03总计420063.03由上表可知，配碱过程中进出料热量相等，则此过程热量平衡。中和过程的热量衡算表19中和过程中相关数据项目名称数据丙烯酸的进料温度t125℃丙烯酸溶液（35%）的平均比热容Cp12.76kJ/（kg·℃）氢氧化钠溶液（25%）的平均比热容Cp23.587kJ/（kg·℃）中和液的平均比热容Cp43.28kJ/（kg·℃）水的比热容Cp54.18kJ/（kg·℃）丙烯酸与氢氧化钠的中和热Q155.67kJ/molH20中和液的输出温度t230℃冷却水的平均温差t310℃中和反应产生的水W18952.75mol/h中和液W2430.166kg/h表20中和过程中部分热量衡算的符号定义项目名称符号氢氧化钠溶液带入的热量Q21丙烯酸带入的热量Q22丙烯酸的中和热Q23输入的总热量Q2入中和液带走的热量Q24水分蒸发吸收的热量Q25冷却水带走的热量Q26输出的总热量Q2出中和过程热量变化示意图如下： 中和热Q中和热Q23丙烯酸溶液Q22输入的热量Q2入氢氧化钠溶液Q21中和釜釜中和液移走热量Q25冷却水移走Q27热水冷水输出的热量Q2出水分蒸发Q26图18中和配碱过程中的热量变化Q21=Q14=25690.99KJ/h，Q22=0该过程几乎没有水分蒸发，故Q25=0∵Q2出=Q24+Q25+Q26=Q24+Q26Q2入=Q2出∴Q26=Q2入-Q24=524090.58-70547.22=453543.36KJ/h表21中和过程中热量衡算的结果进料出料组成热量kJ/h组成热量kJ/h氢氧化钠溶液带入热25690.99中和液移走热70547.22丙烯酸溶液带入热0水分蒸发热0中和热498399.59冷却水移走热453543.36总计524090.58总计524090.58由上表可知，中和过程中进出料热量相等，则此过程热量平衡。溶液聚合过程的热量衡算表22溶液聚合过程中的相关数据项目名称数据交联后单体溶液的进料温度t130℃树脂的平均比热容Cp12.53kJ/（kg·℃）交联后单体溶液的平均比热容Cp23.28kJ/（kg·℃）100℃水的蒸发热Q12587kJ/kg水的比热容Cp34.18kJ/（kg·℃）丙烯酸钠的聚合热Q277.7kJ/mol树脂凝胶的出料温度t260℃单体物质的量n111829.15mol胶体的质量流量W12091.90kg/h单体溶液的质量流量W34289.09kg/h溶液聚合后去离子总质量流量W42197.73kg/h由于引发剂的用量很少，在恒算时可以忽略其引入的热量。表23溶液聚合过程中部分热量衡算的符号定义项目名称符号交联后单体溶液带入的热量Q31聚合反应放处的热量Q32输入的总热量Q3入胶体从25℃升温到60℃吸收的热量Q33水吸收的总热量Q34水分由25℃至蒸发吸收的热量Q35水分由25℃升至60℃吸收的热量Q36输出的总热量Q3出蒸发的水的质量流量W2溶液聚合过程热量变化示意图：水分蒸发Q水分蒸发Q35胶体从25℃升至60℃吸热Q33水从25℃升至60℃吸热Q36输入热量Q3入交联后单体溶液引入热量Q31引入热量Q31聚合釜交联后单体聚合反应放热Q32输出热量Q3出图19溶液聚合过程中的热量变化∵Q3入=Q3出∴Q34=Q3入-Q33=804228.29KJ/h∵∴∴W2=175.26Kg/h表24溶液聚合过程中热量衡算的结果进料出料组成热量kJ/h组成热量kJ/h交联后单体溶液引入热量Q3170341.08胶体从25℃升至60℃吸热Q33185237.75交联后单体聚合反应放热Q32919124.96水分蒸发Q35508341.55水分升温Q36295886.74总计989466.04总计989466.04由表可得，溶液聚合过程中进出料热量相等，则此过程热量平衡。干燥过程（造粒后）的热量衡算表25干燥过程中相关数据项目名称数据湿胶体的进入温度t150℃胶体的平均比热容Cp12.53kJ/（kg·℃）干燥物料的出口温度t2150℃聚丙烯酸钠的平均比热容Cp21.47kJ/（kg·℃）水的比热容Cp34.18kJ/（kg·℃）100℃水的蒸发热Q12587kJ/kg干燥效率Ψ85%湿胶体的质量流量W12050.27kg/h干胶体的质量流量W21116.26kg/h损耗的干胶体质量流量W320.50kg/h被干燥的水分物质流量W4913.51kg/h表26干燥过程中部分热量衡算的符号定义项目名称符号湿胶体带入的热量Q41干燥器提供的热量Q42输入的总热量Q4入干胶体带走的热量Q43水分由25℃至蒸发吸收的热量Q44干燥系统的热量损耗Q45输出的总热量Q4出干燥过程（造粒后）热量变化示意图如下： 输入热量Q输入热量Q4入湿胶体带入热量Q41干燥器干燥器提供热量Q42干胶体带走热量Q43输出热量Q4出水分蒸发Q44干燥系统损耗Q45图20干燥过程（造粒后）中的热量变化∵Q4出=Q4入且Q45=（1-85%）Q42=0.15Q42∴Q41+Q42=Q43+Q44+Q45∴Q45=（1-85%）×Q42=474187.04kg/h表27干燥（造粒后）过程中热量衡算的结果进料出料组成热量kJ/h组成热量kJ/h湿胶体带入热量Q41129679.58干胶体带走热量Q43167103.72干燥器提供热量Q423161246.94水分蒸发吸热Q442649635.76干燥系统损耗Q45474187.04总计3290926.52总计3290926.52由上表可知，干燥（造粒后）过程进出料热量相等，则此过程热量平衡。干燥过程（改性后）的热量衡算表28干燥过程中相关数据项目名称数据湿胶体进入温度t150℃湿胶体平均比热Cp12.53kJ/（kg·℃）干燥物料出口温度t2150℃聚丙烯酸钠的平均比热Cp21.47kJ/（kg·℃）水的比热Cp34.18kJ/（kg·℃）100℃水的蒸发热Q12587kJ/kg干燥效率Ψ85%湿胶体的质量流量W12154.46kg/h干胶体的质量流量W21111.25kg/h损耗的干胶体质量流量W321.54kg/h被干燥的水分物质流量W41021.67kg/h表29干燥过程中部分热量衡算的符号定义项目名称符号湿胶体带入的热量Q51干燥器提供的热量Q52输入的总热量Q5入干胶体带走的热量Q53水分由25℃至蒸发吸收的热量Q54干燥系统的热量损耗Q55输出的总热量Q5出干燥过程（改性后）热量变化示意图如下： 输入热量Q输入热量Q5入湿胶体带入热量Q51干燥系统损耗Q55干燥器干燥器提供热量Q52干胶体带走热量Q53输出热量Q5出水分蒸发Q54图21干燥过程（改性后）中的热量变化∵Q5出=Q5入且Q55=（1-85%）Q52=0.15Q52∴Q51+Q52=Q53+Q54+Q55∴Q55=（1-85%）Q52=552330.70kg/h表30干燥（造粒后）过程中热量衡算的结果进料出料组成热量kJ/h组成热量kJ/h湿胶体带入热量Q510干胶体带走热量Q53166520.13干燥器提供热量Q523682204.67水分蒸发吸热Q542963353.84干燥系统损耗Q55552330.70总计3682204.67总计3682204.67由上表可知，干燥（改性后）过程进出料热量相等，则此过程热量平衡。

主要设备的选型与相关工艺计算配碱釜年产8000t聚丙烯酸钠高吸水性树脂，据第五章物料衡算中得出每日每时所需氢氧化钠溶液（25%）的量为1432.45kg，则每日需34378.8kg,因整体生产量过大，所以配置配碱釜24个，以下计算为单个配碱釜的规格。已知25%的氢氧化钠的密度ρ0=1.275g/cm3则氢氧化钠溶液的体积为V0=M0ρ0=1432.451.275=1.12m3,按装料系数为85%计算中和釜据第五章物料衡算得出每时生产所需的中和液为4301.66kg，可得中和液的体积为3.18m3，按装料系数80%计算，则中和釜的体积为3.975m3，选用4m3的中和釜，材质选用带夹套的搪瓷釜。聚合反应器本设计中生产的高吸水性树脂为流动性差的凝胶状，在聚合过程中热量难以扩散，所以选用带式反应器进行聚合反应，方便聚合反应器内物料之间的流动与传热。聚合反应发生时，每时生产加入引发剂后的丙烯酸溶液的总质量为2091.90kg，总聚合时间为2h，m总=2091.90×2=4183.8kg，已知ρ水=1000kg/m3=1Kg/L则ρ总=50%×1+50%×1.32=1.16Kg/L按装料系数80%计算，则聚合反应器的体积为：V依据带式反应器的设计规格，将装料厚度设计为10cm，则其反应面积为：S根据上述计算本设计选择常州海涵干燥设备科技有限公司型号为DW-2.0-10B的带式反应器。干燥工序通过溶液聚合生产出的高吸水性树脂内还残留大量的水和溶剂，所以要对产物进行干燥处理，降低树脂的含水量。据第五章物料衡算结果可知，湿胶体的流量为2154.46kg/h，干燥6小时。已知∅ASAP=50%，∅水=50%，则系统的热效率：蒸发水分所需要的热量