毕业设计
题目：年产30000吨聚丙烯酸钠生产工艺设计学院：
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设计说明
本次设计任务是年产30000吨聚丙烯酸钠。是利用单体丙烯酸钠在一定条件下，采用反相悬浮聚合原理合成聚丙烯酸钠的工艺设计。其中主要简述了以丙烯酸和氢氧化钠聚合性单体为主要成分，在疏水性溶剂正庚烷中经反相悬浮聚合，制备高吸水性聚丙烯酸钠。还介绍了聚丙烯酸钠的性质、特性、用途和使用举例以及悬浮聚合的机理、体系和生产工艺，间歇操作的特点及主要原料。
设计主要成果如下：
每天的理论产值是100000kg。实际产量为101523kg。实际年产量为30457T。直径为2500mm配碱釜，直径为1600mm的中和釜，直径为2500mm 的聚合釜。体积为123
m。材
m的分散介质调配罐，分散介质储罐体积为243料为不锈钢。推进式搅拌器，标准椭圆形封头；支承式支座，釜体夹套沉降式离心机，规格为LW350×1050。配碱釜，中和釜，聚合釜，去离子水储罐。
工艺流程图、物料流程图、聚合釜的装配图。
关键词：聚丙烯酸钠物料衡算热量衡算生产工艺主要设备图工艺流程图
Design Notes
The design of the mission is to produce 30000 tons of high absorbent resin synthesized by inverse suspension polymerization principle sodium polyacrylate. This design is the use of sodium acrylate monomer under certain conditions, suspension polymerization process design intermittent operation. Mainly acrylic acid and sodium hydroxide outlined polymerizable monomer as a main component, in a hydrophobic solvent of n-heptane by reversed-phase suspension polymerization, sodium polyacrylate superabsorbent prepared. It also describes the nature of the sodium polyacrylate, characteristics, uses and examples as well as suspension polymerization mechanisms, systems and production processes, intermittent operation characteristics and main raw material.
Design of the main results are as follows：
Daily theoretical value is 100000kg. Actual production 101523kg. actual annual output of 30457t.with a base diameter of 2500mm autoclave, the diameter of 1600mm and a kettle, a diameter of 2500mm polymerization vessel. V olume of the dispersion medium to mix the pot 12, a volume of 24. Made of stainless steel.
standard elliptical head; bearing type bearings, kettle body jacket. specifications for the LW350 ×1050. Autoclave equipped with a base, neutralization reactor, the polymerization reactor, deionized water tank. Process Flow Diagram, material flow, polymerization reactor assembly drawing.
Keywords:Sodium polyacrylate material balance heat balance production process flow chart diagram of major equipment
目录
设计说明......................................................................................................................... I 1 概述. (1)
1.1 高分子量聚丙烯酸钠研究现状 (1)
1.2 高分子量聚丙烯酸钠的性质和应用 (2)
1.2.1 聚丙烯酸钠的性质 (2)
1.2.2 聚丙烯酸钠的应用 (2)
1.3 高分子量聚丙烯酸钠的需求、生产和应用前景 (3)
1.4 项目的设计依据 (4)
1.5 建厂规模及产品规格 (5)
1.5.1 建厂规模 (5)
1.5.2 产品规格 (5)
2 聚丙烯酸钠的生产工艺 (6)
2.1 聚丙烯酸钠聚合的实施方法 (6)
2.2 反向悬浮聚合工艺条件及其影响因素[14] (7)
2.2.1分散剂及其助分散剂的选择及其浓度对分子量的影响 (7)
2.2.2 引发体系的选择及其浓度对分子量的影响 (8)
2.2.3 单体浓度对分子量的影响 (8)
2.2.4 链转移剂对分子量的影响 (9)
2.2.5 搅拌转速的影响 (9)
2.3 后处理工序的选择 (10)
2.3.1 分离方法的选择 (10)
2.3.2 干燥方法的选择 (10)
2.4 聚丙烯酸钠的生产工艺流程 (10)
2.5 生产过程主要操作及控制 (11)
3.1 物料衡算与热量衡算 (12)
3.1.1 物料衡算 (12)
3.1.2热量衡算 (15)
3.2 主要设备工艺尺寸的计算及选型 (18)
3.2.1各釜体高度与内径尺寸确定 (18)
3.2.2 各釜体夹套尺寸的确定 (21)
3.2.3 分离设备 (23)
3.2.4 干燥设备 (23)
3.2.5 其他设备的选择 (24)
3.3 设备一览表 (25)
3.4原料主要技术规格、供应及消耗定额 (25)
3.4.1原料规格及用量 (25)
3.4.2 原料消耗定额 (26)
4 车间设备布置设计 (27)
4.1 车间设备布置的原则 (27)
4.1.1 车间设备布置的原则 (27)
4.1.2 车间设备平面布置的原则 (27)
4.1.3 车间设立面布置的原则 (27)
4.2 车间设备布置 (28)
4.2.1车间设备平面布置 (28)
4.2.2车间设备立面布置 (28)
5 建设工程及公用、辅助工程说明 (29)
5.1建设工程说明 (29)
5.2给水、排水系统 (29)
5.3电力供应及生产控制 (29)
6.1环境保护 (30)
6.1.1该项目环保设计依据和标准 (30)
6.1.2环保治理措施 (30)
6.1.3预期效果 (30)
6.1.4环保管理及监测 (31)
6.1.5绿化概况 (31)
6.2劳动安全、工业卫生与消防 (31)
7 概算与技术经济 (32)
7.1 项目投资估算 (32)
7.2产品成本估算 (32)
7.3 财务评估 (33)
7.3.1 各项经济技术指标计算 (33)
7.3.2 盈亏平衡分析 (33)
总结 (34)
参考文献 (35)
致谢 (37)
1 概 述
随着我国丙烯酸工业的迅速发展，对丙烯酸下游产品的研究不断深入，应用范围不断扩大。聚丙烯酸钠盐是丙烯酸盐类中最重要、应用最广、最有代表性的产物，由于聚丙酸钠盐中含有大量亲水基团，它易溶于水，形成的水溶液是一种高分子电解质。
聚丙烯酸钠水溶液具有良好的离解性、较理想的润湿性、保水性和成膜性(浸渍或涂布时)，同时还具有耐温性强、冻融稳定性、机械稳定性、以及经长期贮存后其粘度无明显变化等特点。不同聚合度的产物亲水性、硬度、强度、附着力等性能差别很大，这些差异以及它们本身具有的许多优异的物理和化学性能使这类聚合物获得广泛应用[1]。
聚丙烯酸钠的分子量从几百至几千万以上，变化幅度很大，不同分子量的聚丙烯酸钠可以用作各种各样的目的和用途。超低分子量(700以下)的用途还未完全开发出来；低分子量(1000-5000)时，主要起分散作用；中等分子量(104-106)显示有增稠性；高分子量(106-107)的聚丙烯酸钠主要做增稠剂和絮凝剂；超高分子量(107)的聚丙烯酸钠不再溶于水，在水中溶胀，生成水凝胶，主要用作吸水剂[2]。水溶性聚丙烯酸钠中又包括高分子量和低分子量两大类。本论文主要涉及水溶性高分子量聚丙烯酸钠生产线的工艺设计。
1.1 高分子量聚丙烯酸钠研究现状
目前国内市场上的聚丙烯酸钠主要是水溶液聚合法制备，采用丙烯酸经氢氧化钠中和形成丙烯酸钠溶液，然后用高浓度丙烯酸钠溶液、低浓度氧化还原引发剂在低温条件下进行水溶液聚合而成。其原理为：
O H C H C O O N a CH NaOH H CHCOO CH 222+=→+=
()a C O O N
CH CH a CHCOON CH n n 22-→= 一般而言，水溶液聚合时，聚合组分较少，工艺实施较容易。但由于搅拌和传热的原因，聚合水溶液中要求单体浓度很低，而且产物成块状，出料困难。需要经过切割、粉碎、筛分、烘干等后续工艺。
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。
其生产工艺简单、成本低，便于实现工业化，产品分子量可达千万以上，产品溶解性能比水溶液聚合产品好，而且克服了水溶液聚合中的高粘和传热困难的
工艺难点，并且可以得到粉状或者粒状的聚合物，产物的后处理工艺、储运和使用上也较容易。
1.2 高分子量聚丙烯酸钠的性质和应用
1.2.1 聚丙烯酸钠的性质
聚丙烯酸钠[3]，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。
(1) 稳定性
1) 热稳定性：聚丙烯酸钠热稳定性好，海藻酸钠、梭甲基纤维素钠等天然粘稠液，经热处理，其粘度降到初始的1/10以下，但聚丙烯酸钠的水溶液仅降低3/10。聚丙烯酸钠用于分离铝厂红泥，就是基于丙烯酸钠具有优良的热稳定性。
2) 冷冻稳定性：聚丙烯酸钠水溶液即使经过冻结，其粘度也不变。
3) 机械稳定性：聚丙烯酸钠水溶液在室温下以10000r/min高速搅拌3min，粘度无显著变化。
4) 储存稳定性：聚丙烯酸钠水溶液长期贮存，粘度变化很小。
5) 生物分解性：聚丙烯酸钠水溶液生物稳定性极好，不腐败。
(2) 成膜性
聚丙烯酸钠水溶液属于高分子电解质，吸湿性非常强，因此水溶液成膜相当困难。但可用浸渍或涂布方法在表面上制成透明均一的膜。
(3) 吸湿性、保水性
聚丙烯酸钠的分子链中含有大量的强亲水基团(－COONa)，因此其吸湿性极强。干燥产品在空气中可以吸湿自重的10%，而高吸水树脂则可以吸收自重1000倍以上的蒸馏水，而在无机盐等电解质溶液存在的情况下，吸水性能将下降。1.2.2 聚丙烯酸钠的应用
聚丙烯酸钠应用范围与其产品的聚合度有关，不同聚合度的产品其功能与用途亦不同，见表1-1。
1) 絮凝剂
聚丙烯酸钠是一种线状、可溶性的高分子化合物，其分子链上的羧基由于静电相斥作用，使得曲绕的聚合物链伸展，促成具有吸附性的功能团外露到表面上
来，由于这些活性点吸附在溶液中悬浮粒子上，形成粒子间的架桥，从而加速了悬浮粒子的沉降。作为絮凝剂的聚丙烯酸钠其相对分子质量可达几百万，其商品形态为黄色粘稠液体，固含量或达8%，相应特性粘数η≥3.40。
聚丙烯酸钠絮凝剂是特别适用于烧碱和纯碱行业盐水精制、氧化铝生产的赤泥沉降分离、味精厂废水中蛋白质回收和制糖等行业的高分子材料[4]。
表1.1 不同聚合度聚丙烯酸钠的功能及应用
聚合度功能用途
1-50 离子封闭防水垢剂、洗涤作用增效剂
60-500 分散、水还原作用分散剂、石油钻井添加剂、水还原剂
500-10000 防沉淀、分散作用分散剂、柑橘保鲜剂、增稠剂、保护胶、铸造粘合剂、
医药糖衣粘合剂
10000-100000 沉积、絮凝、沉淀
作用
加快墙体材料粘性剂、农药防漂散剂、电解盐水精制、
絮凝剂
100000-500000 水膨胀性水凝胶
2) 保护胶
聚丙烯酸钠中含有的大量亲水基团(-COONa)，在水中产生电离，在乳液聚合中适量地加入聚丙烯酸钠与聚合体系中的阴离子乳化剂产生较强的双电子层，由于同性相斥的原理，使整个乳液聚合体系更稳定，提高产品的机械稳定性和贮存稳定性。目前内许多厂家加入0.5-1%的聚丙烯酸钠故作为保护胶。
3) 增稠剂
在水性涂料中加入聚丙烯酸钠作为增稠剂，增稠效果明显，且能有效地防止涂料的沉降、分层现象，并可改善涂料的流平性和涂刷性能，在夏季使用不易出现发露、发臭现象，一般使用量为涂料量的1-3%为宜。但是涂料整个体系中pH 值需在8-9.5，聚丙烯酸钠盐才能有效地发挥增稠效果[5]。
4) 分散剂
做分散剂使用的聚丙烯酸钠可用于水处理，在碱性和中性浓缩倍数条件下运行而不结垢。能将碳酸钙、硫酸钙等盐类的微晶或泥沙分散于水中而不沉淀，从而达到阻垢目的。除了用于水处理还，还广泛大量应用于造纸、纺织、印染行业做浆料分散剂，用于陶瓷工业做碳酸钙分散剂，用于涂料行业做颜料分散剂等[6]。
聚丙烯酸钠除上述用途外，还可以作为柑桔保鲜剂、干燥剂、药物糖衣粘合剂、铸造钻合剂、土壤稳定剂、土壤改良剂、食品添加剂等。
1.3高分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。烧碱大量用于造纸、合成洗涤剂、纺织、医药、冶金、食品等领域。
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6000万吨，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6000万吨。
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8 000万吨，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4 000吨。纯碱年产8 000万吨，每生产1吨纯碱用聚丙烯酸钠0.14kg，需要用聚丙烯酸钠2 800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[7]。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4 000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1 000万的胶体聚丙烯酸钠，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[8]。
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。
1.4 项目的设计依据
《设计任务书》
《毕业设计（论文）工作手册》
《化工设计》化学工业出版社
《化工工艺设计手册》化学工业出版社
《聚合物合成工艺设计》化学工业出版社
《化工设备基础》天津大学出版社
1.5 建厂规模及产品规格
1.5.1 建厂规模
项目拟建立年产30000吨高分子量聚丙烯酸钠生产线。
1.5.2 产品规格
所生产的聚丙烯酸钠产品为白色或淡黄色粉状或粒状固体，产品质量指标见表1-2。
表1.2聚丙烯酸钠产品质量指标
项目质量指标
外观白色粒状或粉末
纯度（%）≥95
干燥失量（%）≤5
分子量（万）600-1500
残余单体量（%）≤0.05
透明度（1%水溶液）水溶液透明
游离碱无
2 聚丙烯酸钠的生产工艺
工艺流程的选择原则是：有一定的科学先进性和一定的科学水平，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同时制定出工艺流程简短、技术成熟、投资少、生产成本低、适应生产的连续化，使整个生产装置达到高水平。工艺流程的选择和论证是在实验室和生产性试验的基础上进行的。
2.1 聚丙烯酸钠聚合的实施方法
高分子量聚丙烯酸盐的合成方法主要有水溶液聚合法和反相悬浮聚合法。
水溶液聚合法[9～11]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。水溶液聚合法生产的聚丙烯酸钠产品因呈不规则粉末状，是高分子量聚丙烯酸钠生产的主要方法。国内的高分子量聚丙烯酸钠生产基本采用该法。
反相悬浮聚合法[12～13]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。表2-1为水溶液聚合法与反相悬浮聚合法制备聚丙烯酸钠的比较。
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。
根据上述分析、试验结果和企业资金情况，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，以Span 60为分散剂、复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中，控制温度40℃恒温1h、50℃恒温1h、60℃恒温1h后升温至共沸温度。脱水至粒子固含量为70%即可停止反应。由于聚合过程中，丙烯酸钠
单体易自交联反应，形成不溶性凝胶，故在体系中要求加入一定量的链转移剂和缓聚剂；聚合反应后聚合物颗粒对通常材料的盛装器具具有很大粘性，所以在釜中加入抗粘釜剂，防止金属表面发生引发聚合或大分子活性链接触釜壁就被终止聚合而钝化。
表2.1 水溶液聚合与反相悬浮聚合的比较
比较项水溶液聚合法反相悬浮聚合法
引发体系过氧-还原引发体系过氧-还原引发体系
聚合场所水相分散的水相
聚合温度50～100℃50～100℃
产品形态水溶液固体粒状或粉末
散热相对困难非常容易
产品分子量较低（难达1000万）较高（1000万以上）
体系粘度低固含量是较高很低（近似于油相粘度）
产品后处理烘干不需烘干
2.2 反向悬浮聚合工艺条件及其影响因素[14]
目前，有关反相悬浮法生产水溶性聚合物的研究报道较少，影响聚合产品性能的主要因素与常规丙烯酸系水溶液聚合体系相似，有单体浓度、水油比、引发体系及其用量、分散剂、聚合温度、聚合体系pH值、聚合体系中无机盐类、链转移剂、搅拌、缓聚剂等。
2.2.1分散剂及其助分散剂的选择及其浓度对分子量的影响
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3～8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，改善分散能力并调节颗粒特性，在选择Span类作为主分散剂的同时，需添加一定量的助分散剂，在Span
分散剂溶解后尽快加入助分散剂的效果更好。
助分散剂的加入同时也能起到适当降低产物分子量的作用。表2-2为助分散剂对分子量的影响，发现在单体、引发剂加入量相同的情况下，随助分散剂的加入，产品的分子量降低、颗粒也变细。
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。
表2.2 助分散剂对分子量的影响
编号AA（mL）引发剂（w%）助分散剂
（v%）
分子量（万）颗粒形态
1 12.5 0.18 0.0 595 粒状
2 12.5 0.18 0.31 288 粉状
3 12.5 0.16 0.0 866 粒状
4 12.
5 0.1
6 0.31 520 粉状2.2.2 引发体系的选择及其浓度对分子量的影响
引发体系的选择及其浓度是影响分子量的一个重要因素，表2-3为引发剂对分子量的影响。
表2.3 引发剂对分子量的影响
编号AA（g）NaOH（g）引发剂加
入次序
引发剂
（w%）
M（万）形态
1 2.5 6.8 先0.16 1084 粒状
2 2.5 6.8 后0.18 679 粉状
3 1.25 6.6 先0.18 595 粉状
4 1.2
5 6.
6 先0.16 866 细粉状
过硫酸盐引发剂是最常用的水溶性引发剂。根据自由基生成的机理，可将引发剂分为两大类：一类是热分解型引发剂，另一类是氧化—还原引发剂。常用的无机过氧化物引发剂如过硫酸钾(KPS)和过硫酸(APS)属于热分解型引发剂，其受热后可直接分解产生两个具有引发活性的自由基，分解活化能为140.3kJ/mol，一般使用温度为70℃。
在水溶液聚合中，过硫酸盐-脂肪胺是类活性可调、易控制的氧化—还原引发体系。研究发现，氧化剂用量主要决定聚合反应总速率，还原剂用量仅改变了反应速率分布。当还原剂用量一定时，增加氧化剂用量，聚合反应总速率增大；当恒定氧化剂用量，增加还原剂用量时，聚合反应速率基本不变，而速率分布改变。
2.2.3 单体浓度对分子量的影响
丙烯酸钠的聚合反应本质上属于自由基聚合反应，由动力学链长与单体浓度
的关系可知，单体浓度越高，聚合物分子量越高。
()
[][]2
12
1//t d p I M k fk 2k ?
=
ν
由丙烯酸及其钠盐组成的单体进行反相悬浮聚合，在反应过程中，可以改变水的加入量或通过改变AA 的加入量改变聚合单体浓度。加入适量的AA 不仅能增加聚合物的絮凝效果，同时可以提高聚合物的分子量。表2-4、2-5分别为水量和单体量对分子量的影响，增加水的量或减少单体量，即降低丙烯酸单体的浓度，聚合物分子量降低。
表2.4 水量对分子量的影响
编号 加入水量（mL ）
AA （g ） NaOH(g) 分子量（万）
产品形态 1 10 12.5 6.8 1170 粒状 2 12 12.5 6.8 363 较小粒状 3 14 12.5 6.8 240 粉状 4
30
12.5
6.8
171
粉状
表2.5 单体浓度对分子量的影响
编号 AA （g ） NaOH(g) 引发剂（mL ）
分子量（万）
产品粒状 1 1.25 7.0 2.0 164 较大粒状 2 2.5 7.0 2.0 273 颗粒状 3 3.0 7.0 2.0 412 粉状 4
3.5
7.0
2.0
704
较细粉状
2.2.4 链转移剂对分子量的影响
加入异丙醇，可降低体系表面张力，减小反应过程中粘壁现象，改善产品的溶解透明度，同时还能作为反应过程中的链转移剂，调节产品分子量。
2.2.5 搅拌转速的影响
反相悬浮聚合必须在搅拌下进行，通过搅拌能使单体溶液分散成液滴，防止块状聚合。搅拌的另一个作用是加速反应热的传递，防止温度过高而发生爆聚，保证反应的正常进行。对于聚丙烯酸盐体系，由于单体浓度高、活性大，反应相当剧烈，要求搅拌强度也就更高。
在实验过程中发现：当搅拌转速小于200r/min 时，搅拌强度不够，不足以使单体溶液均匀地分散成液滴，而且由于单体溶液的比重大于溶剂相，故大部分单体下沉于釜底而发生块状聚合，影响了反应的正常进行。而当搅拌转速太大时，
溶剂回收
中 和 丙烯酸 聚合 共沸脱水 除溶剂
干燥
NaOH 水溶液
分散介质 分散剂 引发剂 反应体系并没有设想的那样稳定，甚至也出现了爆聚。这可能是由于搅拌转速太快，使单体液滴粒径过小，相对于转速小的体系，它需要更多的分散剂才能使液滴分散不聚并；同时高转速容易使发粘粒子聚并，因此，搅拌转速太快对于体系的稳定性并无益处。综合以上因素，本设计选择的最佳搅拌转速250r/min 。
2.3 后处理工序的选择
2.3.1 分离方法的选择
对脱水后聚合物混合物进行分离可采用过滤离心机或沉降离心机或分离机。通常，对于含有粒度大于0.01毫米颗粒的悬浮液，可选用过滤离心机；对于悬浮液中颗粒细小或可压缩变形的，则宜选用沉降离心机；对于悬浮液含固体量低、颗粒微小和对液体澄清度要求高时，应选用分离机。根据产品的颗粒直径大小选择螺旋沉降式离心机除溶剂。
2.3.2 干燥方法的选择
对聚合后的湿物料进行干燥可采用气流干燥、回转窑、红外等干燥方式。气流干燥设备的干燥强度大，蒸发水份能力从 50kg/h －1500kg/h ，而设备容积小，投资省，是其他干燥设备比不上的；回转窑设备适应于连续生产，但是投资大、占地面积大，且对具有一定粘性的聚丙烯酸钠胶粒不适应该种干燥方式；生产试验的前期采用红外线加热，但是干燥成本高，而且设备维护费用大会导致产品成本显著增加。根据企业的投资情况和生产能力，选用的气流干燥机干燥方法。
2.4 聚丙烯酸钠的生产工艺流程
工艺流程如图2-1所示：
图2-1 反相悬浮聚合制备聚丙烯酸钠流程示意图
(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、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。
2.5 生产过程主要操作及控制
(1)配碱
按NaOH：H2O=l：2.33的质量比配制碱液，其浓度约为30%(w/w)。将称量好的烧碱缓慢倒入装有定量量纯水的配碱釜中，同时开动搅拌，并在夹套通冷却水冷却，控制最终碱液温度（30℃）。
(2)丙烯酸中和
按丙烯酸：NaOH=l：0.56的质量比在中和釜中加入丙烯酸，开搅拌并在夹套通冷却水，同时缓慢加入已冷却的碱液，碱液量为丙烯酸：碱液=l：1.74质量比，相当中和度100%(mol)。控制最终丙烯酸中和液温度30℃。
(3)聚合反应
将中和的45%丙烯酸钠单体水溶液、分散剂Span 60、2%单体质量的复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中搅拌，控制温度40℃恒温1h、50℃恒温1h、60℃恒温1h后升温至共沸温度。脱水至粒子固含量为70%即可停止反应。
(4)分离干燥工序
经共沸脱水后的聚合物混合物通过螺旋沉降式离心机脱除分散剂等，将离心后的聚合物湿物料经气流干燥机干燥至产品含水量达0.2%-0.5%时。
(5)包装
干燥后的粉末，存放于贮料斗中，先测定产品的分子量、密度等有关性能，然后按每袋25kg装袋输送到仓库以备出厂。
3 工艺衡算和设备选型
3.1 物料衡算与热量衡算
物料与能量衡算的有关计算公式、数据等参见文献[15～21]。
3.1.1 物料衡算
(1) 确定物料平衡关系
(2) 明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式
丙烯酸被中和，中和反应方程式如下：
O H CHCOONa CH NaOH H CHCOO CH 222+=→+=
引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下：
()a COON CH CH a CHCOON CH n n 22-→=
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) 收集数据资料
1) 生产规模。设计任务书中规定的年产量（生产能力）:30000-1a ?
2) 生产时间。年工作日：()-1-1300d a 24h d ?? 3) 相关技术指标见表3-1。
表3-1 技术指标
项目内容
技术指标 项目名称 技术指标 聚合物后处理损失率 丙烯酸中和度
原料NaOH 水溶液浓度 中和用NaOH 水溶液浓度 单体水溶液浓度
1.5%聚合物质量 100%（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 分散介质用量 分散剂循环用量
0.2%单体质量 50%（质量） 2%单体质量 与单体质量比4：1 90%分散剂总用量
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：
丙烯酸=72.06，氢氧化钠=40，丙烯酸钠=94.06，水=18。
聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为100%，单体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。
(4) 选择计算基准与计量单位
因为是间歇操作过程，所以基准为“批”。 (5) 确定计算顺序
由于产物与原料之间的化学计算关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产物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。
(6) 计算主要原料（丙烯酸）的投料数量
用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须求出主要原料每批投料量。该生产装置年产量6000t ，年开工330d ，每天生产6批，后处理工序中聚合物损失率2%。
每批应生产的聚合物数量为：
3
300001016920.47kg 30060.98
?=??
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：单体相对分子质量=06.72：06.94 丙烯酸投料量为：
16920.4772.06
12937.01kg 10.00294.06
?=+
(7) 顺流程设备展开计算
1) 中和釜物料衡算
已知：丙烯酸中和度100%、丙烯酸相对分子质量72.06、NaOH 相对分子质量40、单体相对分子质量94.06
原料丙烯酸钠的质量为12937.01kg 反应需纯NaOH 的质量为：
()40/72.0612937.017181.24k g
?
= 30%NaOH 中含水的质量为：
()0.7/0.37181.2416756.23kg ?=
则30%NaOH 的质量为：
7181.2416756.2323937.47kg +=
单体丙烯酸钠的质量：
()94.06/72.06
12937.011
6886.69k g ?= 45%丙烯酸钠中含水的质量为：
()0.55/0.4516886.69
20
639.29k g ?
= 中和反应生成水：
()18/407181.243231.56kg ?=
则中和反应过程中应加入的水为：
20639.2916756.233231.56651.5kg --=
2) 配碱釜物料衡算
在装有水冷装置的配碱釜中加入一定量的水，然后在不断搅拌下加入质量分数99%的氢氧化钠。
中和用30%NaOH 溶液23937.47kg 中各组分的质量为：
a m N OH =7181.24kg 2m 16756.23H O =kg
原料用50%NaOH 中各组分的质量为： a m 7181.24
N O H =㎏ 2m 7181.240.5/0.57181.24
H O =?=kg 则需纯水： 16756.237181.24
957
-
= 3) 分散介质调配罐物料衡算
已知：分散剂：单体=4：1、分散稳定剂=2%单体质量，则 分散剂质量：
16886.69467546.76kg ?=
循环分散剂质量：
67546.760.9607
?=kg 新鲜分散剂质量：
67546.760.167546.8kg ?=
分散稳定剂：
16886.760.02=337?
分散液：
67546.76337.7367924.49kg +=
4) 聚合反应釜物料衡算 反应前反应釜中各组分质量：
单体： 16886.69kg 水： 20639.29kg 分散剂： 67546.76kg 分散稳定剂：337.73kg 引发剂用量=0.2%单体质量、引发剂水溶液浓度=50%（质量） 引发剂水溶液的质量：
216886.690.00267.55kg ??=
反应后反应釜中聚合物混合物的各组分：
分散剂： 67546.76kg 分散稳定剂：337.73kg