【正文】 令： h 為釜體直邊高度、H 為反應(yīng)釜體的總高度，則： D./DhhhH 5122 ?????? 封 因為所處理的物料為液 固相，其筒體高度于筒體直徑之比 D/H 為 ~1 。本設(shè)計采用圓筒形殼體和標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭作為釜體的結(jié)構(gòu)型式，盛裝物料的堿液可選用材質(zhì)為鋼的不銹鋼釜。 所以 1 46 . 03 32 80 9 15 10 19 8Q ? ? ?入 kJ 輸出的熱量 出1Q 出包括氫氧化鈉溶液由 25℃ 升到 30℃ 所需的熱量 14Q 和冷卻移走的熱量 15Q 。 每批應(yīng)生產(chǎn)的聚合物數(shù)量為： 360 00 10 30 92 .15 kg33 0 4 0. 98? ??? 1) 引發(fā)劑（ %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，且單體相對分子質(zhì)量與聚合物 結(jié)構(gòu)單元相對分子質(zhì)量相同； 3) 丙烯酸相對分子質(zhì)量：單體相對分子質(zhì)量 = ： 丙烯酸投料量為： 3 6 9 2 .1 5 7 2 .0 6 2 3 6 4 .1 9 k g1 0 .0 0 2 9 4 .0 6??? (7) 順流程設(shè)備展開計算 1) 中和釜物料衡算 已知 ： 丙烯酸中和度 100%、丙烯酸相對分子質(zhì)量 、 NaOH 相對分子質(zhì)量 單體相對分子質(zhì)量 原 料丙烯酸鈉的質(zhì)量為 反應(yīng)需純 NaOH 的質(zhì)量為： ? ?4 0 / 7 2 . 0 6 2 3 6 4 . 1 9 1 3 1 2 . 3 5 k g?? 30%NaOH 中含水的質(zhì)量為： ? ?0 .7 / 0 .3 1 3 1 2 .3 5 3 0 6 2 .1 5 k g?? 則 30%NaOH 的質(zhì)量為： 3 0 6 2 .1 5 1 3 1 2 .3 5 4 3 7 4 .5 0 k g?? 單體丙烯酸鈉的質(zhì)量： ? ?9 4 . 0 6 / 7 2 . 0 6 2 3 6 4 . 1 9 3 0 8 5 . 9 8 k g?? 45%丙烯酸鈉中含水的質(zhì)量為： ? ?0 . 5 5 / 0 . 4 5 3 0 8 5 . 9 8 3 7 7 1 . 7 5 k g?? 中和反應(yīng)生成水： 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 3 工藝衡算和設(shè)備選型 14 ? ?1 8 / 4 0 1 3 1 2 .3 5 5 9 0 .5 6 k g?? 則中和反應(yīng)過程中應(yīng)加入的水為： 3 7 7 1 . 7 5 3 0 6 2 . 1 5 5 9 0 . 5 6 1 1 9 . 0 4k g? ? ? 2) 配堿釜物料衡算 在裝有水冷裝置的配堿釜中加入一定量的水，然后在不斷攪拌下加入質(zhì)量分數(shù) 99%的氫氧化鈉。 5) 化學(xué)變化參數(shù)。 物料衡算 (1) 確定物料平衡關(guān)系 (2) 明確物料發(fā)生的化學(xué)變化，寫出主、副反應(yīng)方程式 丙烯酸被中和，中和反應(yīng)方程式如下： OHC H C O O N aCHN a O HHC H C O OCH 222 ????? 引發(fā)劑引發(fā)單體進行 自由基聚合，其反應(yīng)方程式如下： ? ? aC O O NCHCHaC H C O O NCHn n22 ??? 丙烯酸自由基聚合中單體相對分子質(zhì)量與聚合物結(jié)構(gòu)單元相對分子質(zhì)量無化學(xué)計量上的變化，引發(fā)劑會結(jié)合到聚合物分子鏈上。將稱量好的燒堿緩慢倒 入 裝有定量量純水的配堿釜中，同時開動攪拌，并在夾套通冷卻水冷卻，控制最終堿液溫度（ 30℃ ）。 干燥方法的選擇 對聚合后的濕物料 進行干燥可采用 氣流干燥 、回轉(zhuǎn)窯、紅外等干燥方式。對于聚丙烯酸鹽體系，由于單體濃度高、活性大，反應(yīng)相當(dāng)劇烈，要求攪拌強度也就更高。當(dāng)還原劑用量一定時，增加氧化劑用量，聚合反應(yīng)總速率增大；當(dāng)恒定氧化劑用量，增加還原劑用量時，聚合反應(yīng)速率基本不變，而速率分布改變。 選用 Span60，油水界面張力較小，并且濃度 %時聚合過程中體系穩(wěn)定， 聚合物粘壁較少，產(chǎn)物粒子均勻。脫水至粒子固含量為 70%即可停止反應(yīng)。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。 項目的設(shè)計依據(jù) 《設(shè)計任務(wù)書》安徽理工大學(xué)大學(xué) 《畢業(yè)設(shè)計（論文）工作手冊》安徽理工大學(xué) 《化工設(shè)計》 化學(xué)工業(yè)出版社 《化工工藝設(shè)計手冊》化學(xué)工業(yè)出版社 《聚合物合成工藝設(shè)計》化學(xué)工業(yè)出版社 《化工設(shè)備基礎(chǔ)》天津大學(xué)出版社 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 1 概述 5 建廠規(guī)模及產(chǎn)品規(guī)格 建廠規(guī)模 項目擬建立年產(chǎn) 6000 噸高分子量聚丙烯酸鈉生產(chǎn)線。按燒堿年產(chǎn) 8 000 萬噸，精制鹽水全部使用聚丙烯酸鈉，用于精制鹽水每生產(chǎn) 1 噸燒堿用聚丙烯酸鈉 計，每年需要消耗聚丙烯酸鈉將達到 4 000 噸。 除了用于水處理還，還廣泛大量應(yīng)用于造紙、紡織、印染行業(yè)做漿料分散劑，用于陶瓷工業(yè)做碳酸鈣分散劑，用于涂料行業(yè)做顏料分散劑等 [6]。作為絮凝劑的聚丙烯酸鈉其相對分子質(zhì)量可達幾百萬，其商品形態(tài)為黃色粘稠液體，固含量或達 8%，相應(yīng)特性粘數(shù)η≥ 。 4) 儲存穩(wěn)定性 ： 聚丙烯酸鈉水溶液長期貯存，粘度變化很小。它是將 丙烯酸鈉水溶液分散在油溶性連續(xù)相中，在攪拌和分散劑的作 用下，分散成微小的液滴，在水溶性引發(fā)劑的作用下聚合反應(yīng)。超低分子量 (700 以下 )的用途還未完全開發(fā)出來；低分子量 (10005000)時，主要起分散作用；中等分子量 (104106)顯示有增稠性；高分 子量 (106107)的聚丙烯酸鈉主要做增稠劑和絮凝劑；超高分子量 (107)的聚丙烯酸鈉不再溶于水，在水中溶脹，生成水凝膠，主要用作吸水劑 [2]。配堿釜，中和釜，聚合釜，去離子水儲罐。實際產(chǎn)量為 18552kg。其中主要簡述了 以丙烯酸和 氫氧化 鈉聚合性單體為主要成分，在疏水性溶劑正庚烷 中經(jīng)反相懸浮聚合 ， 制備高吸水性聚丙烯酸鈉 。 ② 主要設(shè)備 ： 推進式攪拌器 ， 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭；支承式支座，釜體夾套。 聚丙烯酸鈉水溶液具有良好的離解性、較理想的潤 濕性、保水性和成膜性 (浸漬或涂布時 )，同時還具有耐溫性強、凍融穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性、以及經(jīng)長期貯存后其粘度無明顯變化等特點。但由于攪拌和傳熱的原因，聚合水溶液中要求單體濃度很低 ， 而且產(chǎn)物成塊狀，出料困難。聚丙烯酸鈉用于分離鋁廠紅泥 ，就是基于丙烯酸鈉具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。干燥產(chǎn)品在空氣中可以吸濕自重的 10%， 而高吸水樹脂則可以吸收自重 1000倍以上的蒸餾水，而在無機鹽等電解質(zhì)溶液存在的情況下，吸水性能將下降。但是涂料整個體系中 pH值需在 ，聚丙烯酸鈉鹽才能有效地發(fā)揮增稠效果 [5]。同時20xx 年我國燒堿產(chǎn)量也達到 6000 萬噸。 由以上分析可見高分子量的聚丙烯酸鈉在很多領(lǐng)域都廣泛使用，但是目前在國內(nèi)企業(yè)使用的高分子量聚丙烯酸鈉，國外產(chǎn)品還占相當(dāng)大的比例。 聚丙烯酸鈉聚合的實施方法 高分子量聚丙烯酸鹽的合成方法主要有水溶液聚合法和反相懸浮聚合法。 表 21 為水溶液聚合法與反相懸浮聚合法制備聚丙烯酸鈉的比較。 在實際聚合過程中，為了進一步降低表面張力，改善分散能力并調(diào)節(jié)顆粒特性，在選擇 Span 類作為主分散劑的同時，需添加一定量的助分散劑，在 Span分散劑溶解后盡快加入助分散劑的效果更好。常用的無機過氧化物引發(fā)劑如過硫酸鉀 (KPS)和過硫酸 (APS)屬于熱分解型引發(fā)劑，其受熱后可直接分解產(chǎn)生兩個具有引發(fā)活性的自由基 ，分解活化能為 ，一般使用溫度為 70℃ 。 表 水量對分子量的影響 編號 加入水量（ mL） AA（ g） NaOH(g) 分子量（萬） 產(chǎn)品形態(tài) 1 10 1170 粒狀 2 12 363 較小粒狀 3 14 240 粉狀 4 30 171 粉狀 表 單體濃度對分子量的影響 編號 AA（ g） NaOH(g) 引發(fā)劑（ mL） 分子量（萬） 產(chǎn)品粒狀 1 164 較大粒狀 2 273 顆粒狀 3 412 粉狀 4 704 較細粉狀 鏈轉(zhuǎn)移劑對分子量的影響 加入異丙醇，可降低體系表面張力 ，減小反應(yīng)過程中粘壁現(xiàn)象，改善產(chǎn)品的溶解透明度，同時還能作為反應(yīng)過程中的鏈轉(zhuǎn)移劑，調(diào)節(jié)產(chǎn)品分子量。 后處理工序的選擇 分離方法的選擇 對脫水后聚合物混合物進行分離可采用過濾離心機或沉降離心機或分離機。 (3)聚合物混合物的分離：反應(yīng)后生成的混合物通過離心機分 離分散介質(zhì)與聚合物，再經(jīng)熱水洗滌除去聚合物表面的一些殘留助劑。 (4)分離干燥工序 經(jīng)共沸脫水后的聚合物混合物通過螺旋沉降式離心機脫除分散劑等，將離心后的聚合物濕物料經(jīng) 氣流 干燥機干燥至產(chǎn) 品含水量達 %%時。原料 NaOH 溶液濃度為 99%。 (5) 確定計算順序 由于產(chǎn)物與原料之間的化學(xué)計算關(guān)系比較簡單，且 整個工藝過程比較簡單，容易得到產(chǎn)物量與單體原料投料量之間的比例關(guān)系，所以采用順流程的計算順序。整個過程均采用 25℃ 作為基準(zhǔn)溫度，生產(chǎn) 1 批聚丙烯酸鈉產(chǎn)品各工序的原料需求情況按物料衡算表中計。其計算結(jié)果如下 ： 聚合物帶走的熱量 ： ? ?33 2 .5 3 3 0 9 2 . 1 5 6 0 2 5 2 7 3 8 1 0Q ? ? ? ? ?kJ 分散介質(zhì)帶走的熱量： ? ?34 2 . 3 1 2 3 4 3 . 9 2 6 0 2 5 9 9 3 6 8 6Q ? ? ? ? ?kJ 水帶走的熱量： ? ?35 4 .1 8 3 7 7 7 . 9 2 6 0 2 5 5 5 2 7 1 0Q ? ? ? ? ?kJ (3) 生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的各工序物料衡算整理如下表 33。 釜體的直邊高度為： 3222 2 . 785 D?? ? ? ?????封m 釜體實際高度為： h 2 h 2 . 3 2 3 2 0 . 5 3 . 5 7 3H ? ? ? ? ? ? ?封 m 根據(jù)表取封頭 直邊高度 50mm，釜體圓形直筒部分高度： 2 .3 2 3 2 0 .0 5 2 .0 2? ? ?m 配堿釜的實際體積為： 2 3 2 3h 0 . 7 8 6 0 . 7 8 5 2 . 5 2 . 3 2 3 0 . 7 8 6 2 . 5 2 3 . 6 84V D D?? ? ? ? ? ? ? ? ?3m 實際長徑比： / 3 . 5 7 3 2 . 5 1 . 7HD ? ? ? 攪拌型式可選用為推進式攪拌器，攪拌電機功率為 9kw，轉(zhuǎn)速為 r/min60 。 釜體的直邊高度為： 3222 2 . 785 D?? ? ? ?????封m 釜體實際高度為： h 2 h 1 . 7 4 2 2 1 . 6 / 4 2 . 5 4 2H ? ? ? ? ? ? ?封 m 根據(jù)表取封頭直邊高度 50mm，釜體圓形直筒部分高度： 1 .7 3 2 2 0 .0 5 1 .6 4 2? ? ?m 中和釜的實際體積為： 2 3 2 3h 0 . 7 8 6 0 . 7 8 5 1 . 6 1 . 7 4 2 0 . 7 8 6 1 . 6 5 . 5 14V D D?? ? ? ? ? ? ? ? ?3m 實際長徑比： / 2 . 5 4 2 / 1 . 6 1 . 5 8HD ?? 按。若選 ，則有： Dh? 2 3 3 3 3h 0 . 7 8 6 0 . 2 6 2 1 . 5 7 144V D D D D D??? ? ? ? ? ? ? ? ? 得 33 2 3 .6 8 2 .4 7 01 .5 7 1 1 .5 7 1VD ? ? ?m 雖然釜屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但用于制造反應(yīng)器的上下封頭仍應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)封頭。其計算結(jié)果如下 ： ? ?24 3 .2 8 6 8 5 7 . 1 3 3 0 2 5 1 1 2 4 6 7Q ? ? ? ? ?kJ 這一工序水分蒸發(fā)很少，故水分蒸發(fā)熱量可忽略不計。 (9) 生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的各工序物料衡算整理如表 32。 聚合反應(yīng)過程中單體完全參加反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可視為 100%，單體與聚合物之間無化學(xué)計量上的變化，但引發(fā)劑結(jié)合到聚合物分子鏈上，會使聚合物數(shù)量略有增加。年工作日： ? ?11 dh24ad330 ?? 3) 相關(guān)技術(shù) 指標(biāo) 見表 31。 (3)聚合反應(yīng) 將中和的 45%丙烯酸鈉單體水溶液、分散劑 Span 60、 2%單體質(zhì)量的復(fù)合引發(fā)劑和相應(yīng)的助劑加入反應(yīng)釜中攪拌，控制溫度 40℃ 恒溫 1h、 50℃ 恒溫 1h、 60℃恒溫 1h 后升溫至共沸溫度。 聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝流程 工藝流程如圖 21 所示： 圖 21 反相懸浮聚合制備聚丙烯酸鈉流程示意圖