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1、聚丙烯酸-丙烯酸钠的合成工艺流程设计常熟理工学院-材料科学与工程专业聚合物合成工艺课程设计 题目：聚丙烯酸-丙烯酸钠的合成工艺流程设计姓 名： 田江 学 号： Z15114128 专 业： 材料科学与工程专业班 级： 高分子材料141班 指导教师 耿 飞 起止日期 2016.12.082016.12.28目录第1章前言11.1 聚丙烯酸简介11.2 聚丙烯酸钠简介11.3 聚丙烯酸-丙烯酸钠的应用21.4 高分子量聚丙烯酸钠的需求、生产和应用前景4第2章聚丙烯酸-丙烯酸钠合成原理62.1 合成原理62.2 合成反应方程式62.3合成原料以及各原料的性质62.4分散剂的选择72.5 反相悬浮聚合
2、及相关高分子化学及物理的原理82.6选用反向乳液聚合的原因9第3章聚合物合成工艺设计103.1聚合物生产工艺流程图103.2聚合物合成工艺流程图113.3工艺流程分析12第章聚合物合成工艺的物料衡算及效益估算144.1主要原料丙烯酸（）的投料量144.2 V102(中和罐)物料衡算144.3（NaOH溶液调配罐）物料衡算154.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算164.5 R101（聚合反应器）物料衡算174.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算174.7整理并校核计算结果18第章 聚合反应反应设备的设计205.1反应器形式的选择205.2釜式反应器的选择原因215.3反应器体积的计算21
3、5.4外形尺寸的设计235.5搅拌器的设计245.6分离设备245.7干燥设备25第6章 建设工程及公用、辅助工程说明276.1建设工程说明276.2生产车间布置276.3给水、排水系统276.4电力供应及生产控制286.5车间布置图28第7章 概算与技术经济.29 7.1成本预算29 7.1.1原料成本29 7.1.2其他成本297.2利润预算307.3应用前景307.4市场前景317.5产品的销售市场31第8章 环境保护、劳动安全与工业卫生338.1丙烯酸的安全使用和储存338.2环保治理措施35第8章设计总结37设计总结：37参考文献38第1章前言1.1 聚丙烯酸简介聚丙烯酸，英文名是
4、Polyacrylic acid，缩写为PAA，结构式为CH2CH(COOH)n；无色或淡黄色液体。能与金属离子、钙、镁等形成稳定的化合物，对水中碳酸钙和氢氧化钙有优良的分解作用。用于水处理的本品分子量一般在2000-5000，可与水互溶、溶于乙醇、异丙醇等。呈弱酸性，Pka为4.75。在300以上易分解。PAA(S)常与其他水处理剂组成配方使用，用作电厂、化工厂、化肥厂、炼油厂和空调系统等循环冷却水系统中的阻垢分散剂。具体配方及用量根据现场水质及设备材质情况由试验而定。单独使用，一般使用浓度为115mg/L。本品除具有阻垢性能外，还能对泥土、腐蚀产物等无定性物具有分散作用，是一种分散剂。单独
5、用量在2-15mg/L。常与缓蚀剂复配复合水稳剂使用，具有增效作用；还具有吸水作用。1.2 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。 分子式：C3H3O2Nan 分子量：一般103-107数
6、量级 图1.2水溶性直链高分子聚合物。小相对分子质量的为液体，大的可为固体。固体的商品为白色粉末或颗粒，无臭无味，遇水膨胀，易溶于苛性钠水溶液。吸湿性极强。具有亲水和疏水基团的高分子化合物。缓慢溶于水形成极粘稠的透明液体，粘性并非吸水膨润（如CMC，海藻酸钠）产生，而是由于分子内许多阴离子基团的离子现象使分子链增长，表现粘度增大而形成高粘性溶液。其粘度约为CMC、海藻酸钠的15-20倍。加热处理、中性盐类、有机酸类对其粘性影响很小，碱性时则粘性增大。不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。强热至300度不分解。久存粘度变化极小，不易腐败。易受酸及金属离子的影响，粘度降低。遇足量二价以上金属离子（如铝、铅、
7、铁、钙、镁、锌）形成其不溶性盐，引起分子交联而凝胶化沉淀。但是二价金属离子量少时仍为溶液，因此可作为洗涤助剂，起到防止污垢再沉积的作用。pH=4.0以下时可能产生沉淀。随着相对分子质量增大，聚丙烯酸钠自无色稀溶液至透明弹性胶体乃至固体。性质、用途也随相对分子质量不同而有明显区别。相对分子质量在1000-10000的，可作为分散剂，应用于水处理（分散剂或阻垢剂）、造纸、纺织印染、陶瓷等工业领域。用作造纸涂布分散剂时，相对分子质量在2000-4000，涂料浓度在6570时，仍可有良好流变性和熟化稳定性。分子量在1000-3000之间的，用作水质稳定剂和黑液浓缩时结垢控制剂。分子量在10以上的，用作
8、涂料增稠剂和保水剂，可使羧基化丁苯胶乳、丙烯酸酯乳液等合成胶乳黏度增长，避免水分析出，保持涂料体系稳定。分子量在10以上的，用作絮凝剂。还可用作高吸水性树脂，土壤改良剂，以及在食品工业中作增黏剂、乳化分散剂等。1.3 聚丙烯酸钠的应用图1.3 不同聚合度聚丙烯酸钠的功能及应用1.3.1低相对分子质量聚丙烯酸钠应用低相对分子质量的聚丙烯酸钠具有广泛的用途，特别是相对分子质量小于2104的聚丙烯酸钠应用更为迅速，在日用化工领域主要用作水溶性表面活性剂、洗涤助剂等。因为聚丙烯酸钠具有螯合多价离子、分散污垢团粒和钙皂的作用，在污垢颗粒上有很强的吸附力，能提高阴离子表面活性剂的去污力。而且它具有良好的热
9、稳定性和较强的抗冷水、硬水的能力，生物降解度高;在特种洗涤剂、清洗粉中可部分替代三聚磷酸钠以减少对环境的污染。低相对分子质量聚丙烯酸钠有良好的水溶性和较大的极性，能够结合水中的钙、镁等多价离子形成可溶的链状阴离子体，因此它在工业热交换设备中应用较广，主要用作锅炉防垢和阻垢用剂量在5005000的低相对分子质量聚丙烯酸钠主要起分散剂作用。在石油工业的油田化学领域用作降黏剂和钻井泥浆稳定剂等2;在涂料、造纸、陶瓷及纺织工业用作颜料分散剂1;此外在金属材料中用作新型的淬火剂;在橡胶工业用作增稠剂;在氯化铵等无机盐中作防结块剂;在采矿中作矿物浮选剂。它在食品工业、皮革工业、印刷业、塑料工业、医学、药学
10、及金属离子废液的金属回收等方面也见到应用。1.3.2中、 高相对分子质量聚丙烯酸钠的应用中、高相对分子质量聚丙烯酸钠易溶于水，且其COO-吸附和结构上空间效应的影响，使溶液中的少量正电荷离子以沉淀的形式沉聚出来。故中、高相对分子质量聚丙烯酸钠作为絮凝剂可用于电解食盐水精制、氧化铝生产中成赤泥的分离及工业污水的处理等方面。中、高相对分子质量聚丙烯酸钠在生物方面对动植物蛋白的絮凝有特效作用，可以用于回收食品工业废水中的大量蛋白质。高相对分子质量聚丙烯酸钠能产生宽广范围的黏度和流动性，低添加量可产生高黏度，且产品黏度受环境温度的影响较小。还能使不溶性组分永久悬浮于体系中，有助于提高产品的稳定性，延长
11、成品的储存期。因此它在日用化学工业中常用作化妆品(如面膜、护肤霜等)增稠剂，对化妆品乳液的稳定性起着相当重要的作用，配方师不必受各原料之间的兼容性限制，使疗效性化妆品更趋于功能化、多元化;利用其成膜性制成头发定型剂、喱水等。还可用作食品保鲜剂。由于中、高聚丙烯酸钠无毒又溶于水，食用前稍加洗涤即可除去。且聚丙烯酸钠在食品表层能形成一层高分子膜，可使食品隔绝空气，聚丙烯酸钠对金属离子的螯合作用也有助于防止食品的腐败。在石油工业的油田化学领域，可用作钻井液的增黏剂、降滤失剂及黏土稳定剂等;在冶金方面，用作铸造过程的砂型黏合剂，使砂型耐用铸件质量好;在纺织方面，可用于合成纤维改性，使化纤印染牢固、耐晒
12、且光泽鲜艳;将其加入到陶瓷坯体用作陶瓷料浆减水剂，且对坯体干燥强度有一定的增强作用。此外还可用于墙体材料黏结剂、农药防漂散剂;酸化液及制药等方面的增稠剂等等。1.3.3聚丙烯酸钠高吸水性树脂的应用由于聚丙烯酸钠高吸水性树脂具吸水量大、保水性强和安全无毒等特点，使其在很多领域广泛应用，其产品形态很多，不同的形态分别满足不同的用途。在日化工业中应用最为广泛，如化妆品方面，在制造护肤霜、香水和花露水等化妆品的过程中可加质量分数0.5%1.0%的高吸水性树脂，既可防止香料和酒精的挥发又可保持香味持久，还起保水增稠、滋润皮肤的作用。由于聚丙烯酸钠高吸水性树脂具有亲水性基团，使其在水、酒精中的溶解性好，因
13、此用它作头发定型剂，在干燥时有耐潮性，但洗发时又具有亲水性易去除。在染发剂中加入聚丙烯酸钠高吸水性树脂，可提高染发效果;此外还可作为增稠剂、杀菌剂来配制营养型药物型化妆品。在留香材料方面，利用高吸水性树脂对香料有较好的吸附作用和缓慢释放作用，制成的空气新鲜胶、飘香纸和芳香凝胶片的香味持久。在卫生用品方面，如夹到多层片当中的粉状树脂可制成儿童纸尿片和妇女卫生巾，具有质量轻、吸液量大和保水性好等优点;还可制成成人用尿袋、纸巾、毛巾和鞋垫等。此外聚丙烯酸钠高吸水性树脂还可用作食品保鲜包装材料和食品的增稠、保形添加剂(高吸水性树脂添加量一般小于0.2%)。在农林与园艺方面，可用于农作物育种。将树脂凝胶
14、涂敷在种子表面，利用其吸水保水作用，提高种子发芽率和发芽速率。可作为化肥缓释剂，如把固氮细菌或植物生长微量营养元素与树脂混合使用可提高作物产量。高吸水性树脂还可用做土壤保湿剂，改良沙土地和土壤造田，这对人多地少的我国具有深远意义。在人工造林中，用聚丙烯酸钠高吸水性树脂处理种树，可提高飞机播种出苗率;在苗圃移植之前用高吸水性树脂处理幼苗根部，可防止根部水分的遗失，提高幼苗成活率，我国在这方面的应用尚处于实验阶段。由于聚丙烯酸钠高吸水性树脂吸水后形成的凝胶比较柔软，具有人体适应性，如对人体皮肤无刺激、无副反应、不发生炎症且不引起血液凝固等，这些都为其在医药方面的应用创造了条件。近年来聚丙烯酸钠高吸
15、水性树脂已初步应用于医药的各个方面，如用于保持部分被测液的医用检验试片;制成含水量大、使用舒适的外用软膏;能吸收手术及外伤出血和分泌液、并可防止化脓的医用绷带和棉球;能使水分和药物通过而微生物不能通过的抗感染性人造皮肤、人造骨骼、人工肌肉和长效凝胶避孕药等;此外聚丙烯酸钠高吸水性树脂在隐形眼镜和缓释药物基材等制造过程中得到应用。土木建筑方面，利用高吸水性树脂的水膨润性能，可制备水溶性密封胶、密封件、管路施工润滑剂、防节露壁纸和顶板衬垫止水板等，达到以水制水的目的;还可用于制备高强度混凝土、嵌条玻璃表面防雾剂等。此外聚丙烯酸钠高吸水性树脂还可用于人工雪、电子材料、涂料及消防等各个领域。1.4高分
16、子量聚丙烯酸钠的需求、生产和应用前景高分子量聚丙烯酸钠主要用于氯碱、纯碱行业的盐水精制，铝厂的红泥沉降，味精厂的废水蛋白质回收等行业。纯碱被大量使用于玻璃、洗涤剂、金属冶炼等行业，2010年，我国纯碱生产企业数量约为全球纯碱生产厂家总和的一半，产能和产量均已达到世界纯碱总能力和总产量的1/3，超过2000万吨，在世界纯碱工业中占有重要的地位。同时2010年我国烧碱产量也达到2000万吨。 目前，在这两碱行业的生产中，盐水精制过程大多一直使用聚丙烯酰胺和苛化淀粉，小部分使用聚丙烯酸钠，主要是由于表面看聚丙烯酸钠价格贵，而忽视聚丙烯酸钠用量少，效果好的特点。由于用PAM存在盐水质量上不去的缺点，随
17、着聚丙烯酸钠应用的推广，越来越多的企业倾向于使用聚丙烯酸钠。按烧碱年产2000万吨，精制盐水全部使用聚丙烯酸钠，用于精制盐水每生产1吨烧碱用聚丙烯酸钠0.2kg计，每年需要消耗聚丙烯酸钠将达到4000吨。纯碱年产2000万吨，每生产1吨纯碱用聚丙烯酸钠0.14kg，需要用聚丙烯酸钠2800吨。 另外在味精生产过程产生的谷氨酸母液含有大量的蛋白质，目前大多数厂家没有进行回收利用，如果采用聚丙烯酸钠作絮凝处理，既可回收又有用蛋白质，又可大大降低母液中的SS和COD含量，减少后续处理的有机负荷。2010年商品味精产量为256.44万吨，按生产每吨味精消耗聚丙烯酸钠1.5kg计，每年需用的聚丙烯酸钠约
18、4000吨。 在铝厂的赤泥沉降的处理中目前大多使用麦麸或分子量低于1000万的胶体聚丙烯酸钠，高分子量的聚丙烯酸钠由于使用条件还没有彻底探讨，存在对赤泥种类的适应性问题，还不能广泛使用，随着对其使用研究的深入，聚丙烯酸钠在赤泥分离中的应用将会迅速增加5。 由以上分析可见高分子量的聚丙烯酸钠在很多领域都广泛使用，但是目前在国内企业使用的高分子量聚丙烯酸钠，国外产品还占相当大的比例。国内近年已有生产，但是生产厂家不多，生产能力较小，其中还包括胶体产品，因此可见在国内高分子量聚丙烯酸钠的生产缺口还很大，有必要增加其生产，以满足国内的需求。因此建设高质量的使用性能好的聚丙烯酸钠生产厂是非常必要的。第2
19、章聚丙烯酸-丙烯酸钠合成原理2.1 合成原理 未经交联的聚丙烯酸钠是一种水溶性的聚电解质类聚合物，通过交联可赋予聚丙烯酸钠高吸水性。聚丙烯酸钠的羧酸钠侧基遇水后，电离成羧酸根与Na+ ，Na+ 在水中可移动离子，主链网络骨架则均为带负电的阴离子，不能移动，其间的排斥作用产生网络扩张的动力。Na+具有一定的活动性，但由于受网络骨架相反电荷的吸引、束缚，使得Na+存在于网络中，这样网络内部Na+浓度大于外部水中Na+浓度，离子网络内外产生渗透压力，加上聚电解质本身的-COONa 基团亲水能力很强，水能在很短时间内大量进入网络。由于水的进一步渗透，部分Na+ 脱离高分子链向溶剂区扩散，导致渗透压下降
20、，又导致高分子上带净电荷，由于静电排斥，引起高分子链扩展，高分子链扩展又导致高分子网络的弹性收缩，这几种作用达到平衡时，就决定了其吸水性能。高吸水性树脂三维空间网络孔径愈大，网络结构愈大，吸水倍率就愈高。反之，孔径愈小，吸水倍率愈低。 聚丙烯酸钠高吸水性树脂能吸收大量水，并且保水性能优秀。如果环境干燥，会放水，环境潮湿会吸水。添加少量的高吸水性聚丙烯酸钠的土壤，能提高某些豆类的发芽率和豆苗的抗旱能力，并且使土壤的透气性增加。高吸水性聚丙烯酸钠可作增稠剂用，少量的加入使粘度增加很大，用于化妆品乳液等的增稠剂。2.2 合成反应方程式 2.3 合成原料以及各原料的性质 丙烯酸：化学纯 氢氧化钠 ：化
21、学纯 过硫酸钾 ：分析纯 庚烷 ：分析纯Span一60：化学纯 ，成分为单硬脂酸脱水山梨醇酯 表2.3 各原料的性质原料分子式相对分子质量性质贮存条件丙烯酸C3H4O272.06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。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。氢氧化钠NaOH40常温下是一种白色晶体，其液体是一种无色，有涩味和滑腻感的液体。密封保存，用橡胶塞或木塞，不能使用玻璃塞。庚烷CH(CH2)5CH3100.21一种无色易挥发液，有麻醉作用和刺激性。密封阴凉保存。Span一60C24H46O6430.63淡黄色粉末或块
22、状固体，微有脂肪气味。贮存于干燥通风处，保质期两年。过硫酸钾K2S2O8270.32白色结晶，无气味，有潮解性。助燃，具刺激性。主要用作漂白剂、还原剂、照相药品、分析试剂、聚合促进剂等。储存于阴凉、干燥、通风良好的库房。远离火种、热源。包装密封。2.4分散剂的选择丙烯酸钠反相悬浮聚合中，单体水溶液需借助油溶性分散剂，使之分散在非极性有机溶剂中形成“油包水”型(W/O)悬浮液，山梨糖醇脂肪酸酐(Span类)和其环氧乙烷加成物(Tween类)是两种最常用的非离子型表面活性剂。W/O型反相体系一般选择HLB为38的span类(如span60等)作为分散剂。 在实际聚合过程中，为了进一步降低表面张力，
23、改善分散能力并调节颗粒特性，选择Span类作为主分散，选用Span60，油水界面张力较小，并且浓度0.75%时聚合过程中体系稳定， 聚合物粘壁较少，产物粒子均匀。故聚合选用Span60作为分散剂。2.5 反相悬浮聚合及相关高分子化学及物理的原理反相悬浮法聚合法是近年发展起来的制备水溶性高分子新方法，这方面的研究性文章最早由Dimonie等人于1982年发表。它是将丙烯酸钠水溶液分散在油溶性连续相中，在搅拌和分散剂的作用下，分散成微小的液滴，在水溶性引发剂的作用下聚合反应。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
24、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
25、） 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。 2.6选用反向乳液聚合的原因表2.6 水溶液聚合与反相悬浮聚合的比较水溶液聚合法是以水为溶剂，将经碱部分中和后的丙烯酸，加入有关助剂、引发剂，然后在一定的温度下进行聚合、干燥粉碎而制得的方法。该法以水为溶剂，生产过程不产生污染；对主设备要求低，投资省；操作简单，生产效率高；缺点是反应速度快，温度不易控制；但后处理需增加干燥、粉碎、筛分工序，有过细粉末产生。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
26、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。因为反向悬浮聚合能生产更高分子量的聚丙烯酸钠，所以本实验采用反向悬浮聚合。第3章 聚合物合成工艺设计3.1聚合物生产工艺流程图图3.1 聚合物生产工艺流程图 (1)丙烯酸钠溶液的制取：将经计量的丙烯酸、适量的助剂与经溶解、冷却
27、、计量的烧碱溶液进行部分中和，中和后的丙烯酸钠，加入适量水，得到浓度为45%单体溶液即丙烯酸钠水溶液。 (2)丙烯酸钠的聚合：将中和后的丙烯酸钠水溶液与由分散介质和分散稳定剂配制好的分散液共同放入反应釜中，并加入适量助剂，在引发剂的作用下进行聚合反应至共沸脱水至固含量70%是停止反应。 (3)聚合物混合物的分离：反应后生成的混合物通过离心机分离分散介质与聚合物，再经热水洗涤除去聚合物表面的一些残留助剂。 (4)聚丙烯酸钠的后处理工序：将分离工序过后的聚合物进行干燥、计量包装等处理后，得到聚丙烯酸钠产品。3.2聚合物合成工艺流程图来自T101中的纯丙烯酸用原料泵P102分批加入V102中。T10
28、2NaOH水溶液的浓度为40%，在V101中被稀释成浓度为30%的溶液，然后按一定比例缓慢加入V102中与丙烯酸进行中和反应，得到中和度为75%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45%的溶液。正庚烷与一定量的分散稳定剂在V103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R101中，然后加入在V104中配制好的引发剂浓度为50%的水溶液。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。3.3工艺流程分析3.2.1反应方程式 在、中是单纯的物料混合配制，无相变
29、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）：6500t/a；损失率：2% 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40%，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
30、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3.3.1 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：75%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。若分子量很大，可忽略不计。选择计算基准与计算单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V104（引发剂调配罐）是1B/d。但引发剂向R101进料周期仍与其他设备相同，所以在做物料衡算时，物
31、料M11的数量仍以8B/d计算。在做设备工艺计算时，V104的体积大小应按1B/d处理量进行。表3.3.2 技术指标项目内容技术指标聚合后处理损失率2% 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40%（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%单体质量分散介质（正庚烷）用量与单体质量为4:1正庚烷循环用量90%正庚烷总用量第章聚合物合成工艺的物料衡算及效益估算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
32、产量6500t，年开工300天，每天生产8批，后处理中聚合损失率2%。每批应生产聚合物数量为：（1）引发剂（0.2%单体质量）全部结合到聚合物中；（2）单体100%转化成聚合物，单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同；（3）单体混合物平均相对分子质量（丙烯酸的中和度为75%）： 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 4.2 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75%；丙烯酸相对分子质量72；NaOH相对分子质量40；单体平均相对分子质量88.5M1 (原料丙烯酸)= 2243.87kg/BM4 (4
33、0NaOH溶液)NaOH： H2O： 合计：M6(45%单体溶液)单体： H2O：合计：M5（无离子水B）对V102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V102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。4.3 （NaOH溶液调配罐）物料衡算M2V101M4M3 V101物料衡算示意图M4(40%NaOH溶液)= kg/B NaOH： kg/B H2O： kg/BM2（50% NaOH浓溶液）NaOH：kg/B H2O：kg/B 合计：对V101中组分水做物料衡算:M3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
34、是正确的。4.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算V103M7M8M9图3.3 V103物料平衡示意图已知：正庚烷：单体4:1 分散稳定剂2%单体质量 M7（正庚烷） 循环正庚烷 新鲜正庚烷 M8(分散稳定剂） M9(分散液） 对V103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。4.5 R101（聚合反应器）物料衡算M10R101M1222M11 物料平衡示意图M10（待聚合液）M6+M9合计：M11（引发剂水溶液）已知：引发剂用量0.2%单体质量 引发剂水溶液浓度50%（质量） 引发剂： 合计：M12（聚合物混合液） 分散稳定剂：kg/B 正庚烷： kg/B H2
35、O：聚合物：（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。4.6 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。M13（引发剂）：M14（H2O）：4.7整理并校核计算结果 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。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1547.84第章聚合反应反应设备的设计5.1反应器形式的选择釜式反应器： 釜式反应器的基
36、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%，
37、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 图5.15.2釜式反应器选择的原因釜式反应器，
38、适应性强，操作弹性大，连续操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一，反应体积大。5.3反应器体积的计算求V101体积取，则求V102体积取，则求V103体积取，则对R101作工艺计算取，则5.4外形尺寸的设计标准椭圆封头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6-1）为，。令h为釜体直边高度，H为反应器釜体总高度，则：取，则有遂然反应器属于
39、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2.231m。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： 反应器的几何外形示意图及设计尺寸见附图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）3.57长径比H/D0.88釜体内径（m）1.85直边高度（m）0.71最高液位（m）1.08最低液位（m）0.90釜体实际高度（m）1.635 5.5搅拌器的设计该
40、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。
