【正文】 操作簡單生產(chǎn)效率高缺點(diǎn)是反應(yīng)速度快溫度不易控制但后處理需增加干燥粉碎篩分工序有過細(xì)粉末產(chǎn)生水溶液聚合法根據(jù)反應(yīng)器的形式又可分為盤式法轉(zhuǎn)鼓法盤式法具有設(shè)備簡單投資小的特點(diǎn)轉(zhuǎn)鼓法則適合于連續(xù)性生產(chǎn)但設(shè)備較復(fù)雜國內(nèi)尚沒有類似的商品設(shè)備水溶液聚合法生產(chǎn)的聚丙烯酸鈉產(chǎn)品因呈不規(guī)則粉末狀是高分子量聚丙烯酸鈉生產(chǎn)的主要方法國內(nèi)的高分子量聚丙烯酸鈉生產(chǎn)基本采用該法 [12] 反相懸浮聚合 法是以溶劑 油相 為分散介質(zhì)經(jīng)堿部分中和的水溶性單體丙烯酸鈉在懸浮分散劑和攪拌作用下分散成水相液滴引發(fā)劑和交聯(lián)劑溶解在水相液滴中在加熱的情況下進(jìn)行的聚合方法該法解決了水溶液聚合法的傳熱攪拌困難等問題且反應(yīng)條件溫和可直接獲得珠狀產(chǎn)品生產(chǎn)的聚丙烯酸鈉粒徑大小可根據(jù)用途要求調(diào)節(jié)溶劑容易與聚合物分離是一種合成聚丙烯酸鈉獨(dú)特的方法缺點(diǎn)是反應(yīng)過程較不穩(wěn)定工業(yè)放大困難主設(shè)備材質(zhì)要求高設(shè)備投資較大采用易燃的有機(jī)溶劑需要溶劑回收裝置存在消防隱患和產(chǎn)生污染只能進(jìn)行間歇生產(chǎn)設(shè)備利用率低通常產(chǎn)量為設(shè)備容量的 10∽ 15 生產(chǎn)效率低 通 常的水溶液聚合法是以單一的引發(fā)劑在加熱的情況下引發(fā)反應(yīng)即反應(yīng)要在專門的加熱室內(nèi)進(jìn)行需建一套加熱室會使投資增加同時加熱也造成能耗的增大并且由于反應(yīng)時最高溫度達(dá)到 115℃以上反應(yīng)劇烈得到的聚丙烯酸鈉分子量不大水溶性較差后處理造粒和干燥十分困難干燥能耗也增加針對以上問題我們經(jīng)過大量的試驗(yàn)開發(fā)出用復(fù)合引發(fā)劑在常溫下引發(fā)丙烯酸溶液的聚合反應(yīng)的聚合工藝聚合反應(yīng)在常溫下進(jìn)行反應(yīng)時最高溫度約 75℃反應(yīng)較緩和得到的聚丙烯酸鈉分子量較大水溶解性能較好聚合后的膠體外觀較硬粘性很小有利于后處理的造粒和干燥膠體干燥時間也明顯縮短經(jīng)過 前期試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果令人滿意 [1316]試驗(yàn)結(jié)果見表 21 表 21 不同引發(fā)劑對聚合反應(yīng)的影響 引發(fā)型式 反應(yīng)溫度℃ 開始反應(yīng)間 min 物料最高溫度℃ 反應(yīng)情況 產(chǎn)物外觀 分子量 單一引發(fā)劑 60 60 ≥ 100 劇烈 軟而粘 800 復(fù)合引發(fā)劑 常溫 30 75 緩和 硬而韌 2560 另外在聚合過程中加入少量有機(jī)胺和有機(jī)酸鹽等聚合助劑可提高產(chǎn)物的分子量增加水溶解性能縮短溶解時間聚合助劑影響的生產(chǎn)性試驗(yàn) [1718]結(jié)果見表22 表 22 聚合助劑對產(chǎn)物性能的影響 試驗(yàn) 分子量萬 水溶解情況 溶解時 間 min 不加聚合助劑 1540 有少量凝膠 約 60 加聚合助劑 1540 無凝膠 ＜ 30 由表 22 可見加人聚合助劑可使產(chǎn)物的分子量大大提高并且分析試驗(yàn)表明在采用粘度法測定分子量時不加聚合助劑的樣品在過濾時有一定量的不溶凝膠使得濾液中的物質(zhì)量減少導(dǎo)致計(jì)算的分子量降低 根據(jù)上述分析試驗(yàn)結(jié)果和企業(yè)資金情況聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)選用水溶液聚合法的盤式法由于聚合反應(yīng)后聚合物膠體對通常材料的盛裝器具具有很大粘性采用常規(guī)的盤式反應(yīng)器時得到的大塊膠體后處理很困難根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)和試驗(yàn)我們設(shè)計(jì)出采用噴涂不粘涂料的 不銹鋼盤作為聚合反應(yīng)盤并且反應(yīng)盤設(shè)計(jì)成帶條形格的結(jié)構(gòu)使反應(yīng)生成的聚合物膠體可方便地整條取出不需切成條或塊狀即可直接進(jìn)人后續(xù)造粒工序的肉類絞碎機(jī)節(jié)省了人工和粗切碎裝置 22 丙烯酸鈉溶液脫除阻聚劑方法的選擇 由于丙烯酸在貯運(yùn)過程中為了避免發(fā)生聚合通常加人約 20Ppm 的酚類化合物作為阻聚劑在聚合以前要除去否則會使聚合反應(yīng)難以進(jìn)行或因要多加引發(fā)劑并加熱到較高溫度才能引發(fā)反應(yīng)除去阻聚劑常用的方法是減壓蒸餾丙烯酸此種方法需加熱減壓進(jìn)行但其丙烯酸的損失較大而且需要專門的蒸餾設(shè)備也有使用活性炭來脫除但直接加入丙烯酸內(nèi)由于酸 性較大脫除效果不明顯丙烯酸因活性炭吸附造成的損失也稍大我們采用丙烯酸先經(jīng)中和后再加人細(xì)粉狀活性炭攪拌后過濾除去阻聚劑這種方法丙烯酸的損失相對較少各種方法去除阻聚劑的試驗(yàn)效果見表 23[35] 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知采用丙烯酸先經(jīng)氫氧化鈉溶液中和后再加人細(xì)粉狀活性炭攪拌后過濾的方法對阻聚劑的脫除效果較好處理時不需加熱丙烯酸損失也較輕所以選用其作為生產(chǎn)時去除阻聚劑使用的方法 [19] 表 23 各種方法去除阻聚劑的效果比較 脫除方法 處理后阻聚劑含量 ppm 丙烯酸損失情況 減壓蒸餾 ＜1 10 活性炭直接脫除 12 1∽ 2 中和后脫除 3∽ 4 ＜ 1 23 造粒方法的選擇 丙烯酸鈉聚合后物性為高含水 6065 膠體物及彈性粘性大的特點(diǎn)由不同大小的顆粒做的干燥曲線表明同等條件下粒徑和干燥時間呈非線性關(guān)系相差幾百倍不同粒徑與干燥時間的試驗(yàn)結(jié)果見表 24 表 24 聚丙烯酸鈉膠體粒徑對干燥時間的影響 粒徑 23mm 45mm 78mm 10mm 30mm 干燥時間 40 分 60分 56 小時 23 天 12 月 要使其成為含水量約 5 的細(xì)小顆粒就必須大大提高物料的表面積在干燥前細(xì)化物料并且聚合反應(yīng)后的高吸水性樹脂膠體從反應(yīng)器上剝落后如整塊進(jìn)行干燥會使搬運(yùn)操作困難而且由于膠體厚會使干燥時受熱不均勻水分?jǐn)U散慢干燥時間大大增加對后續(xù)破碎工序也有影響 聚合物膠體經(jīng)造粒后進(jìn)入后續(xù)干燥工序由于其具有一定的粘性應(yīng)選用合適的造粒設(shè)備進(jìn)行造粒用普通切片機(jī)難以得到顆粒狀膠體并且會造成分子量的降解現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝是采用捏合機(jī)進(jìn)行初破碎但在捏合過程中分子量將顯著降低大大降低產(chǎn)品質(zhì)量據(jù)了解國內(nèi)有廠家生產(chǎn)聚丙烯酰胺解碎造粒機(jī)但其價格昂貴尚不見有聚丙烯酸鈉膠體用的解碎 造粒機(jī) 經(jīng)多種造粒試驗(yàn)比較決定選用肉類絞碎機(jī)其擠壓行程短可快速有效地解碎膠體得到顆粒粒徑≤ 5mm 的均勻膠粒使干燥過程時間大大縮短能耗降低產(chǎn)品質(zhì)量能保持不變而且適合后續(xù)工序的連續(xù)性生產(chǎn)我們選用的肉類絞碎機(jī)還具有價格低廉的優(yōu)點(diǎn) 1 臺處理量為 200kgh 的肉類絞碎機(jī)價格僅為 3000 元 [2021] 24 干燥方法的選擇 對造粒后的聚丙烯酸鈉膠粒進(jìn)行干燥可采用箱式回轉(zhuǎn)窯紅外等干燥方式箱式干燥是化工行業(yè)廣泛使用的干燥方式具有投資小使用方便采用煙氣加熱時成本低的特點(diǎn)回轉(zhuǎn)窯設(shè)備適應(yīng)于連續(xù)生產(chǎn)但是投資大占地面積大且對具有一定粘性的聚丙烯酸鈉膠粒不適應(yīng)該種干燥方式生產(chǎn)試驗(yàn)的前期采用紅外線加熱但是干燥成本高 每噸產(chǎn)品的干燥費(fèi)用近 5000 元 而且設(shè)備維護(hù)費(fèi)用大會導(dǎo)致產(chǎn)品成本顯著增加后改為煙氣干燥用煙氣加熱的箱式干燥方法每噸產(chǎn)品干燥費(fèi)用不超過 1000 元根據(jù)企業(yè)的投資情況和生產(chǎn)能力選用煙氣加熱的箱式干燥方法[2223] 25 粉碎方法的選擇 干燥后的聚丙烯酸鈉成相對疏松顆粒間相連的塊狀物生產(chǎn)性試驗(yàn)是采用人工敲碎后粉碎考慮到設(shè)計(jì)后產(chǎn)量較大和減輕工人的勞動強(qiáng)度采用先經(jīng)鄂式破碎機(jī)壓散然后萬能粉碎機(jī)粉碎這些都為常用的工業(yè)處理手段根據(jù)以上選擇本項(xiàng)目采用的技術(shù)路線為以丙烯酸為原料經(jīng)氫氧化鈉中和用活性炭脫除其中的阻聚劑加人聚合助劑和引發(fā)劑在常溫下反應(yīng)得到聚丙烯酸鈉膠體然后將膠體造粒干燥粉碎篩分得到聚丙烯酸鈉產(chǎn)品 [2425] 26 聚丙烯酸鈉生產(chǎn)工藝流程 l 丙烯酸鈉溶液的制取將經(jīng)計(jì)量的丙烯酸與經(jīng)溶解冷卻計(jì)量的燒堿溶液進(jìn)行部分中和中和后的丙烯酸鈉水溶液經(jīng)冷卻至室溫丙烯酸鈉溶液經(jīng)活性炭脫阻聚劑然后經(jīng)抽濾缸抽濾脫除阻聚劑 2 丙烯酸鈉的聚合在中和后脫除阻聚劑的丙烯酸鈉水溶液中加入計(jì)量量的助劑和引發(fā)劑放入盤式反應(yīng)器中進(jìn)行常溫聚合 3 聚合物膠體的造粒干燥聚 合生成的聚合物膠條經(jīng)造粒機(jī)造粒置于箱式干燥器干燥 4 干膠體的粉碎篩分干燥后的聚丙烯酸鈉經(jīng)顆式破碎機(jī)壓散粉碎機(jī)細(xì)碎振動篩篩分計(jì)量包裝得到聚丙烯酸鈉產(chǎn)品 工藝流程簡圖如下 [26] 27 生產(chǎn)過程主要操作條件及控制 l 配堿 按 NaOHH20 l212 的質(zhì)量比配制堿液其濃度約為 25 ww 將稱量好的燒堿緩慢倒人裝有定量純水的配堿釜中同時開動攪拌并在夾套通冷卻水冷卻控制最終堿液溫度≤ 40℃用堿液泵泵人貯堿槽 2 丙烯酸中和 按丙烯酸 NaOH l056的質(zhì)量比在中和釜中加人丙烯酸開攪拌并在夾套通冷卻水同時緩 慢加入已冷卻的堿液堿液量為丙烯酸堿液 l174 質(zhì)量比相當(dāng)中和度 100 mol 比 控制最終丙烯酸中和液溫度≤ 35℃ 3 丙烯酸中和液脫阻聚劑 在中和釜的丙烯酸中和液中按丙烯酸質(zhì)量的 1 加人粉狀活性炭開動攪拌攪拌 3060min 視中和液溫度而定冬季中和液溫度低時需 30min 溫度高時需 60min 然后經(jīng)陶瓷過濾槽抽濾放人中和液槽 [27] 4 聚合反應(yīng) 將中和液釜中的丙烯酸中和液放 150kg 人計(jì)量攪拌釜中開動攪拌后加入助 劑加入量為丙烯酸質(zhì)量的 02 攪拌使其溶解然后加人丙烯酸量 025 的復(fù)合引發(fā)劑攪拌使其在 10min 內(nèi)溶解隨即放入反應(yīng)盤中時間控制在 15min 內(nèi)約3040min 開始反應(yīng) 3h 后反應(yīng)結(jié)束 5 造粒干燥 將聚合物膠條從反應(yīng)盤中取出逐條喂入造粒機(jī)絞切成 5mm 粒徑的聚合物膠粒均勻堆放干燥器推車網(wǎng)架上送人箱式干燥器內(nèi)進(jìn)行干燥干燥時間約 48h 干燥溫度以干燥機(jī)內(nèi)物料溫度≤ 130℃為宜干燥后產(chǎn)物的含水量≤ 5[28] 6 粉碎分級包裝 將干燥后的產(chǎn)物喂人顆式破碎機(jī)壓散經(jīng)傳送帶輸送到粉碎機(jī)粉碎將不同粒徑分別包裝包裝袋為內(nèi)套塑料薄膜的塑料編織袋每袋重量 25kg 同時抽取樣品送化驗(yàn)室檢驗(yàn) 第三章 物料衡算與能量衡算 31 物 料衡算 l 計(jì)算條件 生產(chǎn)能力年產(chǎn) 800 噸聚丙烯酸鈉年工作日 330 天 242td 每日三班 2 計(jì)算基準(zhǔn) 以生產(chǎn) 1 噸聚丙烯酸鈉為基準(zhǔn) 3 分子量丙烯酸 7206 氫氧化鈉＝ 40 丙烯酸鈉＝ 9406 水＝ 18 4 生產(chǎn)原理 丙烯酸中和 CH CHCOOHNaOH→ CH HCOONaH2O 丙烯酸鈉的聚合 n CHCOOCNa → CHCHnCOONa 5 各工序物料衡算 由于聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)要經(jīng)過配堿中和脫阻聚劑抽濾反應(yīng)干燥粉碎包裝等多個工序同時在每個工序中都有一定量的物料耗損故采用反推法來計(jì)算每個工序的物料輸送 l 破碎分級包裝工序 由于粉塵等因素在該工序中干燥膠體約有 11 的損耗因此要生產(chǎn) 1 噸聚丙烯酸鈉 輸人的干燥膠體的質(zhì)量為 1000 111 101112 kg 膠體損失 101112 11 1112 kg 2 干燥工序 在該工序中經(jīng)聚合反應(yīng)生成聚丙烯酸鈉濕膠體再通過干燥器脫除其中水分經(jīng)分析濕膠體固含量為 4461 整個工序樹脂損失為 06 損失的濕膠體質(zhì)量為 101112 06 607 kg 要得到 101112 公斤的干燥膠體需固含量為 4461 的濕膠體為 101112607 4461 228018 kg 干燥過程須除掉的水分 228018 l 一 4461 126299 kg 3 聚合反應(yīng)工序 在聚合反應(yīng)過程中脫除阻聚劑的中和液與引發(fā)劑助劑在一定條件下發(fā)生聚合反應(yīng)而生成絮凝劑濕膠體在整個工序中濕膠體損失約占膠體的 08 反應(yīng)前添加的引發(fā)劑占干膠體的 00072助劑約占干膠體的 00005中和液中丙烯酸鈉的含量約為 4010[29]可以推算出 生成的濕膠體的總量 228018 l08 229857 kg 損失的濕膠體的質(zhì)量 229857228018 1839 kg 添加的引發(fā)劑 229857 00072 016 kg 添加的助劑 229857 00005 001 kg 丙烯酸鈉中和液量 229857 4461016001 14110 249446 kg 聚合過程中水分蒸發(fā) 249446229857 19589 kg 4 脫阻聚劑抽濾工序 采用活性炭脫除丙烯酸鈉中和液中的微量阻聚劑在此工序中當(dāng)活性炭添加量為中和液的 069 時有較好的效果在此工序中過濾損耗及濾渣約占中和液總量的 11 設(shè)輸入的中和液為 X 則 X069X 24944611X 解得 X 250473 kg 添加的活性炭為 250473 069 1728 kg 過濾損耗為及濾渣 250473 11 2755 kg 中和液中丙烯酸鈉的總量為 250473 4110 102944 kg 5 中和