年產(chǎn)3500t聚丙烯酸樹(shù)脂工藝的設(shè)計(jì)報(bào)告

中國(guó)石油大學(xué)（）成人教育畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）聚合物合成工藝課程設(shè)計(jì)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)題目：年產(chǎn)3500t聚丙烯酸樹(shù)脂工藝流程設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：專(zhuān)業(yè)：材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師起止日期2013年月日年產(chǎn)3500t聚丙烯酸樹(shù)脂工藝流程設(shè)計(jì)摘要該報(bào)告就選題目的和意義簡(jiǎn)單的介紹，研究本課題的意義和動(dòng)機(jī)是什么，具體容涉及到設(shè)計(jì)背景、聚合發(fā)放介紹、聚合工藝流程圖、聚合工藝流程、聚合物合成工藝的物料衡量、聚合物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以及最后的總結(jié)！關(guān)鍵詞：聚丙烯酸樹(shù)脂；工藝流程；動(dòng)機(jī)；意義；設(shè)計(jì)背景；研究容；研究重點(diǎn)、難點(diǎn)；方法介紹；物料衡算；反應(yīng)器設(shè)計(jì)；總結(jié)目錄TOC\o"1-3"\h\u14796一、設(shè)計(jì)背景 2147981、聚丙烯酸樹(shù)脂的性能 3203422、聚丙烯酸樹(shù)脂的用途 3107283、聚丙烯酸樹(shù)脂的發(fā)展趨勢(shì) 429440二、聚合方法介紹 51、20059反相懸浮聚合 56291三、聚合工藝流程圖 625727四、聚合工藝流程 76861、工藝流程簡(jiǎn)介 7238662、工藝流程分析 715737反應(yīng)方程式 724453收集數(shù)據(jù) 714770五、聚合物合成工藝的物料衡算 941381、主要原料（丙烯酸）投料數(shù)量 9112572、中和罐物料衡算 9205673、NaOH調(diào)配罐物料衡算 10152404、分散介質(zhì)調(diào)配罐物料衡算 10291885、聚合反應(yīng)器物料衡算 1091126、引發(fā)劑調(diào)配罐物料衡算 1061967、整理并校核計(jì)算結(jié)果 1117668六、聚合物反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 11272931、反應(yīng)器的類(lèi)型 11209652、反應(yīng)器體積的設(shè)計(jì) 11161933、外形尺寸的設(shè)計(jì) 12192674、攪拌裝置的設(shè)計(jì) 1412782七、設(shè)計(jì)總結(jié) 142314八、參考文獻(xiàn) 15第一章設(shè)計(jì)背景1、聚丙烯酸樹(shù)脂的性能聚丙烯酸樹(shù)脂是一種新型功能高分子材料。它具有吸收比自身重幾百到幾千倍水的高吸水功能，并且保水性能優(yōu)良，一旦吸水膨脹成為水凝膠時(shí)，即使加壓也很難把水分離出來(lái)。因此，它在個(gè)人衛(wèi)生用品、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土木建筑等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛用途。聚丙烯酸樹(shù)脂是一類(lèi)含有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的大分子，最早由Fanta等采用淀粉接枝聚丙烯腈再經(jīng)皂化制得。按原料劃分，有淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纖維素系(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)幾大類(lèi)。其中聚丙烯酸系聚丙烯酸樹(shù)脂較淀粉系及纖維素系相比，具有生產(chǎn)成本低、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、吸水能力強(qiáng)、產(chǎn)品保質(zhì)期長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前世界聚丙烯酸樹(shù)脂生產(chǎn)中，聚丙烯酸系占到80%。聚丙烯酸樹(shù)脂一般為含有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子電解質(zhì)。吸水前，高分子鏈相互靠攏纏在一起，彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到整體上的緊固。與水接觸時(shí)，水分子通過(guò)毛細(xì)作用及擴(kuò)散作用滲透到樹(shù)脂中，鏈上的電離基團(tuán)在水中電離。由于鏈上同離子之間的靜電斥力而使高分子鏈伸展溶脹。由于電中性要求，反離子不能遷移到樹(shù)脂外部，樹(shù)脂外部溶液間的離子濃度差形成反滲透壓。水在反滲透壓的作用下進(jìn)一步進(jìn)入樹(shù)脂中，形成水凝膠。同時(shí)，樹(shù)脂本身的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及氫鍵作用，又限制了凝膠的無(wú)限膨脹。當(dāng)水中含有少量鹽類(lèi)時(shí)，反滲透壓降低，同時(shí)由于反離子的屏蔽作用，使高分子鏈?zhǔn)湛s，導(dǎo)致樹(shù)脂的吸水能力大大下降。通常，聚丙烯酸樹(shù)脂在0.9%NaCl溶液中的吸水能力只有在去離子水中的1/10左右。2、聚丙烯酸樹(shù)脂的用途目前其主要用途仍然是衛(wèi)生用品，約占市場(chǎng)總量的70％左右。由于聚丙烯酸鈉聚丙烯酸樹(shù)脂吸水能力很大，并具有優(yōu)異的保水性能，所以作為土壤保水劑在農(nóng)業(yè)、林業(yè)方面應(yīng)用圍很廣。如果在土壤中加入少量的高吸水性聚丙烯酸鈉，就能提高某些豆類(lèi)的發(fā)芽率和豆苗的抗旱能力，使土壤的透氣性能增強(qiáng)。另外，由于聚丙烯酸樹(shù)脂的親水性及優(yōu)良的防霧性和抗結(jié)露性能，所以又可作為新的包裝材料。利用高吸水聚合物獨(dú)特性能制成的包裝薄膜可有效地保持食品鮮度。在化妝品中加入少量的高吸水聚合物，還可使其乳液粘度增大，是一種理想的增稠劑。利用高吸水聚合物只吸水不吸油或有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，在工業(yè)上又可作為脫水劑。由于高吸水聚合物具有無(wú)毒、對(duì)人體無(wú)刺激性、無(wú)副反應(yīng)、不引起血液凝固等特點(diǎn)，近年來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。例如，用于含水量大、使用舒適的外用軟膏；生產(chǎn)能吸收手術(shù)及外傷出血和分泌液，并可防止化膿的醫(yī)用繃帶及棉球；制造能使水分和藥劑通過(guò)而微生物不能透過(guò)的抗感染性人造皮膚等。3、聚丙烯酸樹(shù)脂的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)已越來(lái)越受到人們的關(guān)注。如果將高吸水聚合物裝入到一個(gè)可溶于污水的袋中，并將此袋浸入污水中，當(dāng)袋子被溶解后，高吸水聚合物就可迅速地吸收液體而使污水固體化。在電子工業(yè)中，高吸水聚合物還可用作濕度傳感器、水分測(cè)量傳感器及漏水檢測(cè)器等。高吸水聚合物可作為重金屬離子吸附劑及吸油材料等。近年來(lái)，國(guó)外有關(guān)交聯(lián)聚丙烯酸耐鹽性高分子吸水樹(shù)脂的制備方法有很多報(bào)道，如于祖榮等提出采用甲醇對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行處理；任敬福、林香等采用活化高嶺土作為樹(shù)脂添加劑；Bailey等采用纖維素酯或醚和丙烯酸酯接枝共聚；Rebre、小林隆俊采用了不同的懸浮穩(wěn)定劑。這些研究雖然在一定程度上提高了所制備的聚丙烯酸樹(shù)脂的耐鹽性但是仍沒(méi)有解決吸鹽水能力不強(qiáng)的問(wèn)題，且有的方法后處理工藝復(fù)雜，提高了樹(shù)脂的成本?？傊?，高吸水聚合物是一種用途非常廣泛的高分子材料，大力開(kāi)發(fā)高吸水聚合物樹(shù)脂具有巨大的市場(chǎng)潛力。今年在我國(guó)北方大部分地區(qū)干旱少雨的情況下，如何進(jìn)一步推廣和使用高吸水聚合物，是擺在農(nóng)業(yè)和林業(yè)科技工作者面前的一項(xiàng)迫切任務(wù)。在西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施過(guò)程中，在改良土壤的工作中，大力開(kāi)發(fā)和應(yīng)用高吸水聚合物的多種實(shí)用功能，具有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)效益和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。聚丙烯酸樹(shù)脂是一種新型功能高分子材料，在工業(yè)上具有廣泛的用途。由于其高的吸水和保水性能，近年來(lái)在種苗培育以及困難立地造林領(lǐng)域正越來(lái)越受到關(guān)注。但傳統(tǒng)的聚丙烯酸樹(shù)脂普遍存在吸收純水能力較強(qiáng)而吸收鹽水能力不足的問(wèn)題，限制了聚丙烯酸樹(shù)脂在農(nóng)林領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。從組成來(lái)說(shuō)，聚丙烯酸樹(shù)脂主要有丙烯酸接枝淀粉(纖維素)類(lèi)和聚丙烯酸鹽兩大類(lèi)。其中，后者因?yàn)橹苽涔に囅鄬?duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、不易霉變，是目前市場(chǎng)超強(qiáng)吸水樹(shù)脂的主要品種。第二章聚合方法介紹1、反相懸浮聚合迄今已開(kāi)發(fā)出來(lái)的高吸水性樹(shù)脂有淀粉類(lèi)、纖維素類(lèi)和合成樹(shù)脂類(lèi)。合成樹(shù)脂類(lèi)(尤其是聚丙烯酸)則具有原料來(lái)源豐富、合成工藝簡(jiǎn)單、能夠防霉防變、吸水率高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前市場(chǎng)上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的品種。聚丙烯酸鹽類(lèi)高吸水性樹(shù)脂主要采用溶液聚合法和反相懸浮法合成。如果聚合物不溶于單體溶液里，液滴中就會(huì)形成沉淀，這樣就會(huì)形成不透明且通常為非規(guī)則形狀的顆粒。而如果形成的聚合物部分溶于單體溶液中，那最終產(chǎn)物的組成就很難預(yù)測(cè)了。聚合產(chǎn)生的顆?？梢詰?yīng)用于很多技術(shù)中，比如模塑。然而它們的最大應(yīng)用還是在色譜分離領(lǐng)域中作為分離材料（比如離子交換樹(shù)脂，酶固載支撐材料）得以應(yīng)用。這種應(yīng)用通常需要大的比表面積，即在珠狀顆粒部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生所需要尺寸大小的孔洞。聚合物珠子怎樣才可以做到部有孔可以在單體相中引入一種惰性稀釋劑，也可以叫它做致孔劑。聚合結(jié)束后將它提取出來(lái)。其它添加劑可以包括紫外穩(wěn)定劑（芳香酮或芳香酯），熱穩(wěn)定劑（乙烯氧衍生物，無(wú)機(jī)金屬鹽），模潤(rùn)滑劑以及泡沫劑[5]。其中反相懸浮法具有反應(yīng)熱易排除、聚合過(guò)程穩(wěn)定、能夠直接得到粒狀產(chǎn)品、無(wú)須粉碎工序、產(chǎn)品易干燥、產(chǎn)物的綜合吸水性能好等優(yōu)點(diǎn)，采用反相懸浮法能夠合成醫(yī)療衛(wèi)生用品所需的高品質(zhì)吸水性樹(shù)脂，在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。第三章聚合工藝流程圖第四章聚合工藝流程1、工藝流程簡(jiǎn)介來(lái)自中的純丙烯酸用原料泵分批加入中。NaOH水溶液的濃度為，在中被稀釋成濃度為的溶液，然后按一定比例緩慢加入中與丙烯酸進(jìn)行中和反應(yīng)，得到中和度為的丙烯酸與丙烯酸鈉混合物（簡(jiǎn)稱單體），再加入適量水，得到單體濃度為的溶液。正庚烷與一定量的分散穩(wěn)定劑在中進(jìn)行配制得到分散液，其按比例與單體溶液共同進(jìn)入反應(yīng)器中，然后加入在中配制好的引發(fā)劑濃度為的水溶液[6]。反應(yīng)大約進(jìn)行2.5小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，聚合物混合液被送至分離工序及后處理工序進(jìn)行分離、干燥、包裝等處理，得到最終產(chǎn)物。正庚烷經(jīng)蒸餾處理后循環(huán)使用。2、工藝流程分析反應(yīng)方程式=1\*GB3①在、、中是單純的物料混合配制，無(wú)相變化與化學(xué)變化。=2\*GB3②在中的丙烯酸被中和，中和反應(yīng)方程式如下：=3\*GB3③在中引發(fā)劑引發(fā)單體進(jìn)行自由基聚合，其反應(yīng)方程式如下：丙烯酸自由基聚合中單體相對(duì)分子質(zhì)量與聚合物結(jié)構(gòu)單元相對(duì)分子質(zhì)量無(wú)化學(xué)計(jì)量上的變化，引發(fā)劑會(huì)結(jié)合到聚合物分子鏈上。收集數(shù)據(jù)=1\*GB3①生產(chǎn)規(guī)模：規(guī)定的年產(chǎn)量（生產(chǎn)能力）：3500t=2\*GB3②生產(chǎn)時(shí)間：年工作日：330d間歇操作，、、、每天8批，由于引發(fā)劑用量很少，所以每天配制一批即可。=3\*GB3③質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：原料NaOH溶液濃度為，其他原料均視為純物質(zhì)。因?yàn)橹粚?duì)聚合工序做物料衡算，所以不用考慮產(chǎn)品的其他質(zhì)量指標(biāo)。=4\*GB3④化學(xué)變化參數(shù)：加入的NaOH能夠與丙烯酸完全反應(yīng)，生成丙烯酸鈉。各組分相對(duì)分子質(zhì)量如表1所示：表1各組分相對(duì)分子質(zhì)量化合物丙烯酸NaOH丙烯酸鈉單體混合物相對(duì)分子質(zhì)量72409418其中：中和的丙烯酸單體混合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量：聚合反應(yīng)過(guò)程中單體完全參加反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可視為，單體混合物與聚合物之間無(wú)化學(xué)計(jì)量上的變化，但引發(fā)劑結(jié)合到聚合物分子鏈上，會(huì)使聚合物數(shù)量略有增加。=5\*GB3⑤選擇計(jì)算基準(zhǔn)與計(jì)算單位因?yàn)槭情g歇操作過(guò)程，所以基準(zhǔn)為“批”，單位為B/d。大部分設(shè)備的操作周期為8B/d，只有（引發(fā)劑調(diào)配罐）是1B/d。但引發(fā)劑向進(jìn)料周期仍與其他設(shè)備相同，所以在做物料衡算時(shí)，物料的數(shù)量仍以8B/d計(jì)算。在做設(shè)備工藝計(jì)算時(shí)，的體積大小應(yīng)按1B/d處理量進(jìn)行。表2技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目容技術(shù)指標(biāo)聚合后處理?yè)p失率3%聚合物質(zhì)量丙烯酸中和度（摩爾）原料NaOH水溶液濃度（質(zhì)量）中和用NaOH水溶液濃度（質(zhì)量）單體水溶液濃度（質(zhì)量）引發(fā)劑用量單體質(zhì)量引發(fā)劑水溶液濃度（質(zhì)量）分散穩(wěn)定劑用量單體質(zhì)量散介質(zhì)（正庚烷）用量與單體質(zhì)量為4:1正庚烷循環(huán)用量正庚烷總用量 第五章聚合物合成工藝的物料衡算1、主要原料（丙烯酸）投料數(shù)量用順流程的計(jì)算順序進(jìn)行物料衡算必須先求出主要原料（丙烯酸）每批投料量。該生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量3500t，年開(kāi)工330d，每天生產(chǎn)8批，后處理中聚合物損失率3%。每批應(yīng)生產(chǎn)聚合物數(shù)量=①引發(fā)劑（0.2%單體質(zhì)量）全部結(jié)合到聚合物中；②單體100%轉(zhuǎn)化成聚合物，且單體相對(duì)分子質(zhì)量與聚合物結(jié)構(gòu)單元相對(duì)分子質(zhì)量相同；③丙烯酸相對(duì)分子質(zhì)量：?jiǎn)误w平均相對(duì)分子質(zhì)量=72：88.5丙烯酸投料量=2、中和罐物料衡算已知：丙烯酸中和度=75%、丙烯酸相對(duì)分子質(zhì)量=72、NaOH相對(duì)分子質(zhì)量=40、單體相對(duì)分子質(zhì)量=88.5M1（原料丙烯酸）=M4（30%NaOH溶液）：NaOH： H2O：合計(jì)：M6（45%單體溶液）： 單體： H2O：合計(jì)：M5（無(wú)離子水B）對(duì)中組分水做物料衡算有：中和反應(yīng)生成水中和反應(yīng)生成水：無(wú)離子水B：對(duì)V102做全物料平衡計(jì)算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律應(yīng)有：M1+M4+M5=M61109.72+1541.27+380.19=3031.18=M6（說(shuō)明物料衡算是正確的）3、NaOH調(diào)配罐物料衡算M2（50%NaOH濃溶液）NaOH： H2O： 合計(jì)： M3（無(wú)離子水A）：對(duì)V101做全物料平衡計(jì)算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律應(yīng)有：M2+M3=M4924.76+616.51=1541.27=M4（說(shuō)明物料衡算是正確的）4、分散介質(zhì)調(diào)配罐物料衡算已知：正庚烷：?jiǎn)误w=4：1、分散穩(wěn)定劑=2%單體質(zhì)量M7（正庚烷）=M8（分散穩(wěn)定劑）=M9（分散液）=5、聚合反應(yīng)器物料衡算M10（待聚合液）=M4+M9 單體：H2O：正庚烷： 分散穩(wěn)定劑：合計(jì)：M11（引發(fā)劑水溶液）已知：引發(fā)劑用量=0.2%單體質(zhì)量、引發(fā)劑水溶液濃度=50%（質(zhì)量）引發(fā)劑：H2O：合計(jì)：M12（聚合物混合物） 分散穩(wěn)定劑：正庚烷：H2O：聚合物：合計(jì)：對(duì)R101做全物料平衡計(jì)算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律應(yīng)有：M10+M11=M128514.22+5.46=8519.68=M12（說(shuō)明物料衡算是正確的）6、引發(fā)劑調(diào)配罐物料衡算已知：引發(fā)劑溶液每天配一批，供8批反應(yīng)使用。M13（引發(fā)劑）：M14（H2O）：7、整理并校核計(jì)算結(jié)果對(duì)聚合工藝做全物料平衡計(jì)算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律應(yīng)有：M1+M2+M3+M5+M7+M8+M11=M121109.72+924.76+616.51+380.19+5456.12+26.92+5.46=8519.68=M12說(shuō)明整個(gè)聚合工藝的物料衡算過(guò)程是正確的。第六章聚合物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)1、反應(yīng)器的類(lèi)型：釜式反應(yīng)器。這類(lèi)反應(yīng)器通常設(shè)有攪拌裝置，所以又稱為攪拌釜反應(yīng)器（stirred-tankreactor）。攪拌裝置的主要作用是強(qiáng)制物料流動(dòng)，強(qiáng)化傳熱與傳質(zhì)效果；使物料充分接觸，均勻混合；強(qiáng)化表面更新作用，有利于小分子組分汽化；使非均相物料分散。因此攪拌釜反應(yīng)器對(duì)各種反應(yīng)體系適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，使用溫度和壓力圍廣，既可用于間歇操作，又可用于連續(xù)操作。用于間歇操作時(shí)，生產(chǎn)活性大，更換品種方便，適應(yīng)市場(chǎng)需求能力強(qiáng)。用于連續(xù)操作時(shí)，反應(yīng)器操作過(guò)程穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量均一，且多釜串聯(lián)連續(xù)操作產(chǎn)量大，因此，攪拌釜反應(yīng)器在聚合物合成過(guò)程中廣泛使用。2、反應(yīng)器體積的設(shè)計(jì)：求NaOH調(diào)配罐（V101）體積 取，則求中和罐（V102）體積 求分散介質(zhì)調(diào)配罐（V103）體積 求聚合反應(yīng)器（R101）體積3、外形尺寸的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的體積為，。令h為釜體直邊高度，H為反應(yīng)器釜體總高度，則：取，則有反應(yīng)器屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，用于制造反應(yīng)器的上下封頭仍選用標(biāo)準(zhǔn)封頭。參照標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（/T4737-95），此處按公稱尺寸選定釜體直徑為[1]。釜體的直邊高度為：釜體實(shí)際高度：由標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭直邊高度與直徑關(guān)系表，取直邊高度為50mm，釜體圓形直筒部分高度：反應(yīng)器的實(shí)際體積為：反應(yīng)器實(shí)際長(zhǎng)徑比：最高液面：取體積收縮系數(shù)，最低液面：聚合反應(yīng)器釜體外型尺寸設(shè)計(jì)表反應(yīng)器工藝尺寸R101釜體積（m3）2.541長(zhǎng)徑比H/D1.50釜體徑（m）1.28直邊高度（m）1.283最高液位（m）1.30最低液位（m）1.06釜體實(shí)際高度（m）1.9234、攪拌裝置的設(shè)計(jì)該釜為反相懸浮聚合，反應(yīng)釜的容積、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及攪拌形式等都影響聚合過(guò)程與產(chǎn)品質(zhì)量。為增大聚合反應(yīng)的傳熱面，可在聚合釜壁附近安置若干折流板或插入兩根D型擋板，其部可通過(guò)冷卻水以增加傳熱面積；在釜頂安置回流冷凝器，可將單體蒸汽冷凝回流，以增加傳熱面積；在聚合釜夾套中安裝螺旋式導(dǎo)流板，冷卻水不走短路時(shí)，水對(duì)釜壁的導(dǎo)熱系數(shù)可提高8倍以上。實(shí)際生產(chǎn)中所用的攪拌器必須兼具剪切作用和循環(huán)作用，適當(dāng)轉(zhuǎn)速，懸浮聚合體系達(dá)到一定的循環(huán)流動(dòng)和剪切流動(dòng)，使釜各部分達(dá)到溫度均一、濃度均一，并使釜單體均勻分散，懸浮成微小的液滴，加強(qiáng)聚合釜壁的傳熱。該釜攪拌形式采用推進(jìn)式攪拌裝置，轉(zhuǎn)速為250r/min，攪拌電機(jī)功率