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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目:聚丙烯酸-丙烯酸钠的合成工艺流程设计 姓名:刘海鹏 学号:150409128 专业:材料科学与工程专业 班级:09级材料( 1 )班 指导教师耿飞 起止日期2012.6.27—2012.7.6 1 1 设计背景 (1) 1.1 聚丙烯酸钠简介 (1) 1.2 聚丙烯酸钠树脂的产品性能和用途 (2) 1.3 在理论和/或实践方面的重大意义 (2) 2 聚合物合成的原理 (3) 2.1 聚合反应方程式 (3) 2.2 生产聚合方法 (3) 2.3 设计思路 (4) 2.3.1 高吸水树脂的性能 (4) 2.3.2 反相悬浮聚合 (5) 2.4 性能测定 (6) 2.4.1 吸水率 (6) 2.4.2 保水率 (6) 2.5 生产中注意的问题 (6) 3 本设计所涉及的原材料简介 (7) 3.1 丙烯酸 (7) 3.2 氢氧化钠 (7) 3.3 正庚烷 (7) 3.4 其他原材料 (8) 4 聚合物合成工艺流程图 (8) 4.1 聚丙烯酸钠树脂合成工艺过程介绍 (8) 4.2 工艺流程图 (8) 5 聚合物合成工艺的物料衡算 (10) 5.1 画出物料平衡关系示意图 (10) 5.2 物料发生的化学变化 (10) 5.3 收集数据资料 (10) 5.4 选择计算基准与计算单位 (11) 5.5 确定计算顺序 (12) 5.6 计算主要原料(丙烯酸)投料 (12) 5.7 顺流程逐个设备展开计算 (12) 5.8 整理并校核计算结果 (15) 5.9 绘制物料流程图,编写物料平衡 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf (15) 第6章聚合物反应器的设计 (17) 6.1 反应器形式的选择 (17) 6.2 反应器体积的计算 (18) 6.3 外形尺寸的设计 (19) 6.4 反应器设计结果一览表 (21) 设计总结 (22) 1 设计小结 (22) 2 聚丙烯酸钠树脂工艺前景 (22) 参考文献.............................................. I 1 设计背景 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[-CH2-CH(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:[C3H3O2Na]n 分子量:一般103-107数量级 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,其0.5%溶液的粘度约Pa?s,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。因系电解质,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、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65%~70%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。1.2 聚丙烯酸钠树脂的产品性能和用途 1食品级聚丙烯酸钠的用途 增稠剂;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;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;作糖液、盐水、饮料等的澄清剂(高分子凝聚剂); 2水处理剂 分散剂、絮凝剂 3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。 4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。 1.3 在理论和/或实践方面的重大意义 高吸水性树脂主要用于卫生和日用品、农林园艺和水土保持、医疗、化妆品、建材、电器部件、光学显示元件、通讯光缆、力学化学材料等领域。国产超强吸水剂产品尚未形成规模生产, 其原因有以下几个方面: ( 1) 产品成本较高; ( 2) 产品性能没有及时改进; ( 3) 产品的应用研究较少; ( 4) 生产装置规模一般较小, 工艺过程较复杂。对聚丙烯酸钠吸水树脂的生产, 国外主要采用反相悬浮聚合工艺, 该工艺存在油水相难分离、合成成本高、聚合工艺复杂等缺点。 由于高吸水树脂在农林园艺和水土保持方面的应用对吸水倍数的要求并不是很高, 可以采用溶液聚合法合成聚丙烯酸钠,该方法所用设备少, 聚合流程相对简单, 且后处理不需要象悬浮聚合那样回收溶剂, 从而降低了成本, 易于实现工业化。 高分子量的聚丙烯酸钠其微观结构为聚阴离子型电解质,通过聚阴离子间的架桥使悬浮粒子相互凝聚成团,加速悬浮粒子的沉降,在食品添加剂、铝红泥的絮凝、动植物蛋白废水的处理等方面都有独特的应用。丙烯酸钠水溶液聚合具有实施方便、设备筒单、产品凝胶含量低、体系稳定等优点,但存在聚合后期黏度大、散热困难等问题,难以制得高分子量聚丙烯酸钠。本文以制备高分子量的聚丙烯酸钠为目标,探讨了单体浓度、引发剂用量、反应温度、反应时间等因素对聚丙烯酸钠分子量的影响,为高分子量聚丙烯酸钠的工业化生产提供基础。 2 聚合物合成的原理 2.1 聚合反应方程式 1、先聚合在中和 H 2C CH COOH n H 2C H C COOH H 2C H C COONa n n n NaOH 2、丙烯酸中和后再聚合 H 2C CH COOH n n NaOH H 2C CH COONa n H 2C H C COONa n 引发剂 2.2 生产聚合方法 1、水溶液聚合方法 2、反向悬浮聚合 3、反向乳液聚合 4、微波法 5、辐射聚合 2.3 设计思路 2.3.1 高吸水树脂的性能 高吸水树脂(Super Absorbent Polymer,SAP)是一种新型功能高分子材料。它具有吸收比自身重几百到几千倍水的高吸水功能,并且保水性能优良,一旦吸水膨胀成为水凝胶时,即使加压也很难把水分离出来。 高吸水树脂是一类含有亲水基团和交联结构的大分子,最早由Fanta等采用淀粉接枝聚丙烯腈再经皂化制得。按原料划分,有淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纤维素系(羧甲基化、接枝物等)、合成聚合物系(聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等)几大类。其中聚丙烯酸系高吸水树脂较淀粉系及纤维素系相比,具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点,成为当前该领域的研究热点。目前世界高吸水树脂生产中,聚丙烯酸系占到80%。 高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前,高分子链相互靠拢缠在一起,彼此交联成网状结构,从而达到整体上的紧固。与水接触时,水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中,链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求,反离子不能迁移到树脂外部,树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中,形成水凝胶。同时,树脂本身的交联网状结构及氢键作用,又限制了凝胶的无限膨胀。当水中含有少量盐类时,反渗透压降低,同时由于反离子的屏蔽作用,使高分子链收缩,导致树脂的吸水能力大大下降。通常,高吸水树脂在0.9% NaCl溶液中的吸水能力只有在去离子水中的1/10左右。 吸水和保水是一个问题的两个方面,林润雄等对此进行了热力学探讨。在一定温度和压力下,高吸水树脂能自发地吸水,水进入树脂中,使整个体系的自由焓降低,直到平衡。若水从树脂中逸出,使自由焓升高,则不利于体系的稳定。差热分析表明,高吸水树脂吸收的水在150℃以上仍有50%封闭在凝胶网络中。因此,常温下即使施加压力,水也不会从高吸水树脂中逸出,这是由高吸水树脂的热力学性质决定的。高吸水聚合物是上世纪60年代末发展起来的。1961年美国农业部北方研究所首次将淀粉接枝于丙烯腈,制成一种超过传统吸水材料的 HSPAN淀粉丙烯腈接枝共聚物。1978年日本三洋化成株式会社率先将高吸水聚合物用于一次性尿布,从此引起了世界各国科学工作者的高度重视。上世纪70年代末,美国UCC公司提出用放射线处理交联各种氧化烯烃聚合物,合成了非离子型高吸水聚合物,其吸水能力达到2000倍,从而打开了合成非离子型高吸水聚合物的大门。1983年,日本三洋化成又采用丙烯酸钾在甲基二丙烯酰胺等二烯化合物存在下,进行聚合制取高吸水聚合物。之后,该公司又连续制成了各种改性聚丙烯酸和聚丙烯酰胺组合的高吸水聚合物体系。上世纪末,各国科学家又相继进行开发,使高吸水聚合物在世界各国迅速发展。目前,已形成日本触媒、三洋化成和德Stockhausen公司三大生产集团三足鼎立态势,它们控制着当今世界70%的市场,彼此之间又以技术合作方式进行国际性联合经营,垄断世界所有国家的高吸水聚合物销售权。 2.3.2 反相悬浮聚合 迄今已开发出来的高吸水性树脂有淀粉类、纤维素类和合成树脂类。淀粉类制备工艺复杂、产品耐热性能差、易腐烂变质、不易贮存。纤维素类吸水性能相对较差,而合成树脂类(尤其是聚丙烯酸)则具有原料来源丰富、合成工艺简单、能够防霉防变、吸水率高等优点,是当前市场上占绝对优势的品种。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。如果聚合物不溶于单体溶液里,液滴中就会形成沉淀,这样就会形成不透明且通常为非规则形状的颗粒。而如果形成的聚合物部分溶于单体溶液中,那最终产物的组成就很难预测了。聚合产生的颗粒可以应用于很多技术中,比如模塑。然而它们的最大应用还是在色谱分离领域中作为分离材料(比如离子交换树脂,酶固载支撑材料)得以应用。这种应用通常需要大的比表面积,即在珠状颗粒内部结构中产生所需要尺寸大小的孔洞。聚合物珠子怎样才可以做到内部有孔可以在单体相中引入一种惰性稀释剂,也可以叫它做致孔剂。聚合结束后将它提取出来。其它添加剂可以包括紫外稳定剂(芳香酮或芳香酯),热稳定剂(乙烯氧衍生物,无机金属盐),模润滑剂以及泡沫剂[5]。其中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。 2.4 性能测定 2.4.1 吸水率 吸水率是指1 g 树脂在一定温度、时间下所吸收去离子水的量,可按式(1)计算: %10011 2?-=m m m Q (1) 式中:Q ——吸水率,%; 1m ——未吸水树脂的质量,g ; 2m ——充分吸水后树脂的质量,g 。 2.4.2 保水率 称取一定量充分吸水的树脂凝胶,放人恒温烘箱中,测定不同时间时树脂凝胶的质量,保水率可按式(2)计算: %10021 ?=m m B (2) 式中:B ——保水率,%; 1m ——定时脱水后树脂凝胶的质量,g; 2m ——充分吸水后树脂凝胶的质量,g 。 合成聚丙烯酸钠的最佳工艺条件为: 单体/引发剂/交联剂=100/0.04/0.02,水油比1/2.2,中和度75% ,反应温度70℃,反应时间1.5 h 。在该条件下合成的树脂的吸水率达606% 2.5 生产中注意的问题 1、中和过程中,氢氧化钠水溶液应滴加到丙烯酸中,时期缓慢放热,中和度用摩尔比计算。 2、搅拌太激烈时,易生成砂粒状聚合体;搅拌太慢时,易生成结块,附着在反应器内壁或搅拌棒上,不宜随意改变搅拌速度 3 本设计所涉及的原材料简介 3.1 丙烯酸 英文名:Propenoic acid 分子式:C3H4O2;CH2CHCOOH 分子量:72.06 性质:无色液体,有刺激性气味;蒸汽压1.33kPa/39.9℃;闪点50℃;熔点14℃;沸点141℃;溶解性:与水混溶,可混溶于乙醇、乙醚;密度:相对密度(水=1)1.05;相对密度(空气=1)2.45;稳定性:稳定;危险标记20(酸性腐蚀品); 主要用途:用于树脂制造 3.2 氢氧化钠 英文名:sodium hydroxide 分子式:NaOH 分子量:40.00 性质:无色透明结晶体。有块状、片状、惨状或粒状。熔点318.4℃。沸点1390℃。密度2.13g/cm3。吸湿性强,易溶于水,溶化时放出大量的热,水溶液滑腻呈强碱性。暴露空气中吸潮,最后全部溶成粘稠状液体。也溶于乙醇、甘油,不溶于丙酮和乙醚。腐蚀性极强,能破坏纤维,破坏有机组织,高温下能腐蚀碳钢。能吸收空气中二氧化碳生成碳酸氢钠和碳酸钠。与酸类起中和反应生成盐类。 用途:是制皂土业制造肥皂的主要原料。炼油工业用于除去各种油类酸洗后残留在油中的酸,并使油品的臭味、颜色得到改善。造纸工业制浆时,在高温高压下能使木浆中杂质溶解,得到纯纤维供造纸用。 3.3 正庚烷 英文名:n-Heptane 分子式:C7H16 分子量:100.21 性质:无色液体。溶点-90.7℃,沸点98.4℃,相对密度0.684(20/4℃),折光率1.3855(25℃)。闪点-1℃。溶于乙醇、氯仿、乙醚和苯,不溶于水。 用途:用作分析试剂,汽油机爆震试验 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,色谱分析参比物质,溶剂。该品能刺激呼吸道,高浓度时有麻醉作用。易燃,在空气中形成爆炸混合物的极限浓度为1.0-6.0%(体积)。 3.4 其他原材料 过硫酸钾:分析纯 N,N --亚甲基双丙烯酰胺:分析纯 Span一60:化学纯,成分为单硬脂酸脱水山梨醇酯 吐温 40:化学纯,成分为聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酯 环己烷:工业级 碳酸钙 4 聚合物合成工艺流程图 4.1 聚丙烯酸钠树脂合成工艺过程介绍 化工设计就是在建造化工生产装置之前,根据一定的任务要求,将化工装置的生产过程全部用图纸、表格、文字说明等方式概述出来的过程及结果。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。4.2 工艺流程图 T101 T102 V101 P101 P102V102V103 P103 无离子水A 无离子水B 正庚烷 分散稳定剂引发剂 聚合 图4-1 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作工艺流程图 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 5 聚合物合成工艺的物料衡算 5.1 画出物料平衡关系示意图 如图5-1所示,对于物料数量与组成没有发生变化的设备可不做物料衡算,所以在物料平衡关系示意图中,可不划出T101、T102、P101、P102、P103等设备。 M2V101M1V103M5 M3V102M4M9M10M8 M7 M6M12 M13 V104 R101M11 M14 图5-1丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡关系示意图 M1—原料丙烯酸;M2—原料NaOH 弄溶液;M3—无离子水A ;M4—中和用NaOH 溶液;M5—无离子水B ;M6—单体溶液;M7—正庚烷;M8—分散稳定剂;M9—分散液;M10—待聚合液;M11—引发剂溶液;M12—聚合物混合液;M13—引发剂;M14—无离子水C 5.2 物料发生的化学变化 1、在V101、V103、V104中是单纯的物料混合配制,无相变化与化学变化。 2、在V102 中75%的丙烯酸被中和,中和反应方程式如下: CH 2=CH-COOH + NaOH →CH 2=CH-COONa + H 2O 3、在R101中引发剂引发单体进行自由基聚合,其反应方程式如下: H 2C CH COOH H 2C CH COONa +H 2 C H C H 2C H C COONa COOH n m n m H 2C CH COOH H 2C CH COONa + H 2C H C H 2C H C COONa COOH n m 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。 5.3 收集数据资料 1、生产规模。设计任务书中规定的年产量:2000 t·a-1 2、生产时间。年工作日:300d·a-1 (24h·d-1) 间歇操作,V101、V102、V103、R101每天8批,V104由于引发剂用量很少,所以每天配制一批即可。 3、相关技术指标(表5-1) 表5-1技术指标 项目内容技术指标项目内容技术指标 聚合物后处理损失率 丙烯酸中和率 原料NaOH水溶液浓度中和用NaOH水溶液浓度单体水溶液浓度2%聚合物质量 75%(摩尔) 50%(质量) 30%(质量) 45%(质量) 引发剂用量 引发剂水溶液浓度 分散稳定剂用量 分散介质(正庚烷)用量 正庚烷循环用量 0.2%单体质量 50%(质量) 2%单体质量 与单体质量比为4:1 90%正庚烷总用量 4、质量标准。 原料NaOH溶液浓度为50%,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。 5、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下: 化合物丙烯酸NaOH 丙烯酸钠水单体混合物相对分子质量72 40 94 18 88.5 其中:75%中和的丙烯酸单体混合物的平均相对分子质量:72×0.25+94×0.75=88.5 聚合反应过程中单体完全参加反应,转化率可视为100%,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。 5.4 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。大部分设备的操作周期为8B·d-1,只有V104(引发剂调配灌)是1B·d-1。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,物料M11的数量仍以8B·d-1计算。在做设备工艺计算时,V104的体积大小应按1B·d-1处理量进行计算。 5.5 确定计算顺序 由于产物与原料之间的化学计量关系比较简单,且整个工艺过程比较简单, 容易得到产量与单体原料投料量之间的比例关系,所以采用顺流程的计算顺序。 5.6 计算主要原料(丙烯酸)投料 该生产装置年产量2000t ,年开工300d ,每天生产8批,后处理中聚合物损失率2%。 每批应生产聚合物数量= 98 .0830010 20003 ???=850.34 kg ·B -1 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,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; 3、丙烯酸相对分子质量:单体平均相对分子质量=72:88.5 丙烯酸投料量= = ?+5.8872 0.0021850.34 )(690.42 kg ·B -1 5.7 顺流程逐个设备展开计算 1、V102(中和罐)物料衡算 M1 M5 V102M4M6 图5-2 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=88.5 M1(原料丙烯酸)=690.42 kg ·B -1 M4(30%NaOH 溶液): NaOH :690.42×0.75×72 40=287.68 kg ·B -1 H 2O :287.68× 3 .07.0=671.25kg ·B -1 合计:287.68 + 671.25 =958.93 kg ·B -1 M6(45%单体溶液) 单体:690.42×725.88=848.64 kg ·B -1 H 2O :848.64× 45 .055.0=1037.23 kg ·B -1 合计:848.64+1037.23=1885.87 kg ·B -1 M5(无离子水B ) 对V102中组分水做物料衡算有:水M5=水M6 - 水M4 - 中和生成的水 中和生成的水:287.68× 40 18=129.46 kg ·B -1 无离子水B :1037.23-671.25-129.46=236.52 kg ·B -1 对V102做全物料平衡计算,进行校核。由物料守恒定律应有:M1+M4+M5=M6 690.42+958.93+236.52=1885.87=M6(说明物料衡算正确) 2 、V101(NaOH 溶液调配罐)物料衡算 M2V101M3 M4 图5-3 V101物料平衡示意图 M4 (30%NaOH 溶液) =958.93 kg ·B -1 NaOH :287.68 kg ·B -1 H 2O :671.25 kg ·B -1 M2(50%NaOH 浓溶液) NaOH :287.68 kg ·B -1 H 2O :287.68 kg ·B -1 合计:287.68+287.68=575.36 kg ·B -1 M3(无离子水A)=671.25-287.68=383.57 kg ·B -1 对V101做全物料平衡计算,进行校核。由物料守恒定律应有:M2+M3=M4 575.36+383.57=958.93=M4(说明物料衡算正确) 3 、V103(分散介质调配罐)物料衡算 V103 M9M8 M7 图5-4 V103物料平衡示意图已知:正庚烷:单体=4:1、分散稳定剂=2%单体量 M7(正庚烷)=848.64×4=3394.56 kg·B-1 循环正庚烷=3394.56×0.9=3055.10 kg·B-1 新鲜正庚烷=3394.56×0.1=339.46 kg·B-1 M8(分散稳定剂)=848.64×0.02=16.97 kg·B-1 M9(分散液)=3394.56+16.97=3411.53 kg·B-1 4、R101(聚合反应器)物料衡算 M10M12 R101 M11 图5-5 R101物料平衡示意图 M10(待聚合液)=M4+M9 单体:848.64 kg·B-1 水:1037.23 kg·B-1 正庚烷:3394.56 kg·B-1 分散稳定剂:16.97 kg·B-1 合计:848.64+1037.23+3394.56+16.97=5297.4 kg·B-1 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:848.64×0.002=1.70 kg·B-1 H2O:1.70 kg·B-1 合计:1.70+1.70=3.40 kg·B-1 M12(聚合物混合液) 分散稳定剂:16.97 kg·B-1 正庚烷:3394.56 kg·B-1 H2O:1037.23+1.70=1038.93 kg·B-1 聚合物:848.64+1.7=850.34(与设计任务相符合) 合计:850.34+1038.93+3394.56+16.97=5300.8 kg·B-1 对R101做全物料平衡计算,进行校核。由物料守恒定律有:M10+M11=M12 5297.4+3.40=5300.8=M12(说明物料衡算是正确的) 5、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):1.70×8=13.60 kg·B-1 M14(H2O):1.70×8=13.60 kg·B-1 5.8 整理并校核计算结果 对聚合工序做全物料平衡计算(图5-6),进行校核。由物料守恒定律应有: M2 M3 M11 M1M5M7M8 M12 聚合工序 图 5-6 总物料平衡示意图 M1+M2+M3+M5+M7+M8+M11=M12 690.42+575.36+383.57+236.52+3394.56+16.97+3.40=5300.8=M12 说明整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。 5.9 绘制物料流程图,编写物料平衡表 图5-7 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料流程示意图 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—液体输送罐 表5-2丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡制表 物流号丙烯酸单体NaOH H2O 引发剂正庚烷分散稳 定剂 聚合物合计 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14 690.42 848.64 848.64 287.68 287.68 287.68 383.57 671.25 236.52 1037.23 1037.23 1.70 1038.93 13.60 1.70 13.60 3394.56 3394.56 3394.56 3394.56 16.97 16.97 16.97 16.97 850.34 690.42 575.36 383.57 958.93 236.52 1885.87 3394.56 16.97 3411.53 5297.4 3.40 5300.8 13.60 13.60 第6章聚合物反应器的设计 6.1 反应器形式的选择 由于聚合工艺的限制,反相悬浮法合成聚丙烯酸钠均采用立式搪瓷釜。我们 选用了搪玻璃反应器。 图6-1 釜式反应器 1——搅拌浆;2——加热盘;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 6.2 反应器体积的计算 1、求V101体积 3 3322400.1339958.93 671.251000958.93 287.682130-?=? +? =+=m kg x x M M M M M ρρρ 3 4 4 72.01339 958.93m W V M M R == = ρ 取7.0=?,则 3 03.17 .072.0m V V R T === ? 2、求V102体积 3 5 54411668.11901885.87 236.5210001885.87 958.9313391885.87 690.421050-?=? +? +? =++=m kg x x x M M M M M M M ρρρρ 3 6 6 58.168 .119087.1885m W V M M R == = ρ 取7.0=?,则 3 26.27 .058.1m V V R T === ? 3、求V103体积 3 77962.6763411.53 3394.56680-?=? ==m kg x M M M ρρ 3 9 9 02.562 .67656.3394m W V M M R == = ρ 取7.0=?,则 3 17.77 .002.5m V V R T === ? 4、对R101作工艺计算 3 111110101234.8595300.8 70.110005300.8 3411.5353.6765300.8 1885.8768.1190-?=? +? +? =+=m kg x x M M M M M ρρρ 33 1297.024 34.859824 30010 200024 m W V M T d R =?? ?= ??= ρτ 取7.0=?,则 3 39.17 .097.0m V V R T === ? 6.3 外形尺寸的设计 图 6-2 标准椭圆封头 表6-1各种封头的设计参数 标准椭圆封头的体积为3131.0D ,4 D h =封。令h 为釜体直边高度,H 为反应 器釜体总高度,则: D D h h h H 5.12 2=+ =?+=封 取5.1/=D H ,则有D h = 3 3 3 2047.1)262.04 ( 131.024 D D D h D V T =+=?+= π π m V D T 10.1047 .139.1047 .13 3 == = 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m 1.1 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 2 571.1D 3 2618.0D 标准椭圆封头 0.25D 2 083.1D 3 131.0D 60o锥 封头 0.866D 2 571.1D 3 2267.0D 碟封头 0.225D 2 063.1D 3 122.0D 120o标准锥封头 0.3754D 2 123.1D 3 1397.0D 球面 封头 0.134D 2 842.0D 3 0539.0D 90o锥 封头 0.5D 2 111.1D 3 1309.0D 平封头 0 2 785.0D 釜体的直边高度为:m D V V h T 02.11 .1785.01 .1131.0239.14/22 3 2 =???-= ??-= π封 釜体实际高度:m h h H 57.11.14 1202.12=?? +=+=封 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:m 92.005.0202.1=?- 反应器的实际体积为: 3 323232.11.1262.002.11.1785.0262.04 m D h D V T =?+??=?+?= π 反应器实际长径比: 43.11 .157.1== D H 最高液面:m D V V h h R 14.11 .1785.01 .1131.097.03.0785.02 3 2 max =??-+ =?-+ =封封 取体积收缩系数2.0=ε,最低液面: m D V V h h R 683.01 .1785.01 .1131.097.0)2.01(3.0785.0)1(2 3 2 min =??-?-+ =?-?++ =封 封ε 6.4 反应器设计结果一览表 表6-2 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(m 3) 1.39 长径比H/D 1.50 釜体内径(m ) 1.10 直边高度(m ) 1.02 最高液位(m ) 1.14 最低液位(m ) 0.68 釜体实际高度(m ) 1.57 设计总结 1 设计小结 在设计之前,我们比较全面地学习里化工及相关知识,对化工产品研发,生产及诸多性能有一些认识。但涉及到化工工艺生产过程进行具体自主设计尚有困难。我开始查阅资料并整理自己以前的知识体系,搜集会设计到的专业及非专业知识,在老师的指导下及小组讨论结果初步确定这个设计过程。完成一系列工艺设计及书写设计 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 后,回顾整个过程,倍感轻松。本次课程设计,为下学期的毕业设计打好基础,而这也为以后走上工作岗位进行工程项目设计做了准备。的确,理论用于实际需要尝试,接下来的日子,我将努力史自己收益于理论,贡献于实际,正所谓学有所用。其中许多工艺流程的工艺单元都具有代表性。掌握这些典型单元的设计,能够更好的理解其他化工产品的单元设计,好将设计具体的化工过程打下良好的基础。 2 聚丙烯酸钠树脂工艺前景 高吸水性树脂是一类新型功能高分子材料,具有高吸水性和高保水性,干燥后还可重复使用,同时又具有良好的加工性能和使用性能,可广泛应用于工业、农业、建筑、园艺、卫生等领域。 我国对高吸水性树脂的研究起步晚,在粒度、吸水速率和吸水率等方面与国外有明显差距,且不能连续化生产,一直停留在实验室阶段。大庆华科股份有限公司引进率先通过部级鉴定的成果,投人大量人力、物力、财力进行生产性开发,顺利通过中试,研制成功“分项控制合成法”新工艺,解决了以上难题,进行了扩大生产,并申报了国家专利,现已达到年产1.5万t的能力。高吸水性树脂的制备方法主要有水溶液聚合法和反相悬浮聚合法。 参考文献 [1] 陈昀. 聚合物合成工艺设计[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009 [2] 赵德仁,张慰盛. 高聚物合成工艺学[M]. 北京: 化学工业出版社,2009 [3] 潘祖仁. 高分子化学[M]. 北京: 化学工业出版社,2003 [4] 陈敏恒,丛德滋,方图南. 化工原理[M].北京: 化学工业出版社,2002 [5] 王久芬. 高聚物合成工艺[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008 [6] 张洋. 高聚物合成工艺设计基础[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002 I