【正文】 2 聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝 6 2 聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝 工藝流程的選擇原則是 ： 有一定的科學(xué)先進(jìn)性和一定的科學(xué)水平，能體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益以及可操作性強(qiáng)。 反相懸浮聚合法 [12～ 13]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。 表 水溶液聚合與反相懸浮聚合的比較 比較項(xiàng) 水溶液聚合法 反相懸浮聚合法 引發(fā)體系 過(guò)氧 還原引發(fā)體系 過(guò)氧 還原引發(fā)體系 聚合場(chǎng)所 水相 分散的水相 聚合溫度 50～ 100℃ 50～ 100℃ 產(chǎn)品形態(tài) 水溶液 固體粒狀或粉末 散熱 相對(duì)困難 非常容易 產(chǎn)品分子量 較低（難達(dá) 1000 萬(wàn)） 較高（ 1000 萬(wàn)以上） 體系粘度 低固含量是較高 很低（近似于油相粘度） 產(chǎn)品后處理 烘干 不需烘干 反向懸浮聚合工藝條件及其影響因素 [14] 目前，有關(guān)反相懸浮法生產(chǎn)水溶性聚合物的研究報(bào)道較少，影響聚合產(chǎn)品性能的主要因素 與常規(guī)丙烯酸系水溶液聚合體系相似，有單體濃度、水油比、引發(fā)體系及其用量、分散劑、聚合溫度、聚合體系 pH 值、聚合體系中無(wú)機(jī)鹽類、鏈轉(zhuǎn)移劑、攪拌、緩聚劑等。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝 8 表 助分散劑對(duì)分子量的影響 編號(hào) AA（ mL） 引發(fā)劑（ w%） 助分散劑（ v%） 分子量（萬(wàn)） 顆粒形態(tài) 1 595 粒狀 2 288 粉狀 3 866 粒狀 4 520 粉狀 引發(fā)體系的選擇及其濃度對(duì)分子量的影響 引發(fā)體系的選擇及其濃度是影響分子量的一個(gè)重要因素，表 23 為引發(fā)劑對(duì)分子量的影響。 ? ? ? ?? ? 2121 //td p IMkfk2 k ??? 由丙烯酸及其鈉鹽組成的單體進(jìn)行反相懸浮聚合，在反應(yīng)過(guò)程中，可以改變水的加入量或通過(guò)改變 AA 的加入量改變聚合單體濃度。而當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速太大時(shí)，河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝 10 溶劑回收 中 和 丙烯酸 聚合 共沸脫水 除溶劑 成品 干燥 NaOH 水溶液 分散介質(zhì) 分 散劑 助劑 引發(fā)劑 反應(yīng)體系并沒有設(shè)想的那樣穩(wěn)定，甚至也出現(xiàn)了 爆聚 。根據(jù)企業(yè)的投資情況和生產(chǎn)能力，選用的 氣流干燥機(jī) 干燥方法?？刂谱罱K丙烯酸中和液溫度 30℃ 。設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的年產(chǎn)量（生產(chǎn)能力）：1at8000? 2) 生產(chǎn)時(shí)間。各組分相對(duì)分子質(zhì)量如下： 丙烯酸 =，氫氧化鈉 =40，丙烯酸鈉 =，水 =18。由物料守恒定律有：整個(gè)聚合工序的物料衡算過(guò)程是正確的。 中和工序的輸人熱量 入2Q 包括 ： 氫氧化鈉水溶液引入的熱量 21Q ，丙烯酸引入 的熱量 22Q ，丙烯酸中和熱 23Q ，其計(jì)算結(jié)果如下 ： 氫氧化鈉水溶液帶入的熱量： ? ?21 3 .3 4 8 4 3 7 4 . 5 0 3 0 2 5 7 3 2 2 9Q ? ? ? ? ?kJ 丙烯酸引入的熱量為 零 ： 022?Q 在中和工序中，中和度為 100%，因此發(fā)生中和反應(yīng)的丙烯酸為 ： 23 55 .67 32 80 9 18 26 47 7Q ? ? ?kJ 輸入 熱量 2 1 2 2 2 32 7 3 2 2 9 1 8 2 6 4 7 7 1 8 9 9 7 0 6Q Q Q Q? ? ? ? ? ?入 kJ 輸出的熱量 出2Q 出包括中和液移走的熱量 24Q ，水分蒸發(fā) 吸收的熱量 25Q ，以及冷卻水帶走的熱量 26Q 。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?yàn)樗幚淼奈锪蠟橐?固相，其筒體高度于筒體直徑之比 D/H 為 1～ 。因?yàn)?D/H 取得較小，所以此處按公稱尺寸選定釜體直徑 。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 工藝衡算和設(shè)備選型 19 (2)中和釜 中和釜用于對(duì)丙烯酸的完全中和， 單生產(chǎn)線 日產(chǎn)聚丙烯酸鈉 ，按每批需中和液： 4 3 1 4 . 5 0 2 3 6 4 . 1 9 1 1 9 . 0 4 6 8 5 7 . 7 3? ? ?kg 在中和液 60℃ 時(shí)，測(cè)得其密度為 3cmg ， 的中和液的體積為3m，按裝料系數(shù) 計(jì)算，需中和釜的體積為 / ? 3m 。 表 生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的各工序熱量衡算 工序名稱 輸入 kJ 輸出 kJ 配堿 入1Q 1510198 出1Q 1510198 11Q 0 14Q 73229 12Q 0 15Q 1436969 13Q 1510109 中和 入2Q 1899706 出2Q 1899706 21Q 73229 24Q 112467 22Q 0 25Q 0 23Q 1826477 26Q 1787239 聚合 入3Q 2661726 出3Q 2661726 31Q 112467 33Q 273810 32Q 2549259 34Q 993686 35Q 552710 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 工藝衡算和設(shè)備選型 18 主要設(shè)備工藝尺寸的計(jì)算及選型 各釜體高度與內(nèi)徑尺寸確定 (1) 配堿釜 日產(chǎn)聚丙烯酸鈉 噸，需配堿液 4 3 7 4 .5 0 6 2 6 2 4 7 k g?? ； 溶堿時(shí)最高溫度為 50℃ ，查得 30%堿液的比重為 331. 3cmg ； 則 噸 堿液的體積為： ； 按裝料系數(shù) 75%計(jì)，需配堿釜容積為 ? 3m 。 (1) 配堿工序 由物料衡算可知，在配堿工序中，需純氫氧化鈉 ，溶解用水 ，氫氧化鈉的質(zhì)量百分 比濃度為 30%，折算為物質(zhì)的量為分別為： 氫氧化鈉： NaOH 1 3 1 2 .3 5 1 0 0 0n 3 2 8 0 940 ???mol 水： 23 0 6 2 . 1 5 1 0 0 0n 1 7 0 1 1 918HO ???mol 查表可知?dú)溲趸c在此濃度下的溶解熱為 mol/ ，此濃度下溶液的平均比熱為 Kkg/ ? ，水的比熱為 Kkg/ ? ，已知片堿和純水的進(jìn)料溫度為 25℃ ，氫氧化鈉溶液的出料的溫度為 30℃ ，配堿過(guò)程最大溫升 65℃ ，冷卻水出入平均溫差為 10℃ 。 (6) 計(jì)算主要原料（丙烯酸）的投料數(shù)量 用順流程的計(jì)算順序進(jìn)行物料衡算必須求出主要原料每批投料量。其他原料均視為純物質(zhì)。 (5)包裝 干燥后的粉末，存放于貯料斗中，先測(cè)定產(chǎn)品的分子量、密度等有關(guān)性能，然后按每袋 25kg 裝袋輸送到倉(cāng)庫(kù)以備出廠。 (4)聚丙烯酸鈉的后處理工序：將分離工序過(guò)后的聚合物進(jìn)行干燥、計(jì)量包裝等處理后，得到聚丙烯酸鈉產(chǎn)品。通常，對(duì)于含有粒度大于 毫米顆粒 的懸浮液，可選用過(guò)濾離心機(jī)；對(duì)于懸浮液中顆粒細(xì)小或可壓縮變形的，則宜選用沉降離心機(jī)；對(duì)于懸浮液含固體量低、顆粒微小和對(duì)液體澄清度要求高時(shí)，應(yīng)選用分離機(jī)。 攪拌轉(zhuǎn)速的影響 反相懸浮聚合必須在攪拌下進(jìn)行，通過(guò)攪拌能使單體溶液分散成液滴，防止塊狀聚合。 在水溶液聚合中，過(guò)硫酸鹽 脂肪胺是類活性可調(diào)、易控制的氧化 — 還原引發(fā)體系。 助分散劑的加入同時(shí)也能起到適當(dāng)降低產(chǎn)物分子量的作用。 采用反相懸浮法合成高分子量的聚丙烯酸鈉，首先將丙烯酸單體經(jīng)部分中和，單體溶液分散并懸浮于連續(xù)有機(jī)相中（如環(huán)己烷等），以無(wú)機(jī)過(guò)氧類引發(fā)劑 （如過(guò)硫酸鉀） 或水溶性氧化還原引發(fā)體系（如過(guò)硫酸銨 、 尿素）引發(fā)聚合，生成粉狀或粒狀沉淀，與溶劑分離后即得最終產(chǎn)品。 水溶液聚合法 [9～ 11]是以水為溶劑，將經(jīng)堿部分中和后的丙烯酸，加 入 有關(guān)助劑、引發(fā)劑，然后在一定的溫度下進(jìn)行聚合、干燥粉碎而制得的方法。國(guó)內(nèi)近年已有生產(chǎn)，但是生產(chǎn)廠家不多，生產(chǎn)能力 較小 ，其中還包括膠體產(chǎn)品，因此可見在國(guó)內(nèi)高分子量聚丙烯 酸鈉的生產(chǎn)缺口還很大，有必要增加其生產(chǎn)，以滿足國(guó)內(nèi)的需求。 目前，在這兩堿行業(yè)的生產(chǎn)中，鹽水精制過(guò)程大多一直使用聚丙烯 酰胺 和苛化淀粉， 小 部分使用聚丙烯酸鈉，主要是由于表面 看 聚丙烯酸鈉價(jià)格貴，而忽視聚丙烯酸鈉用量少，效果好的特點(diǎn) 。 4) 分散劑 做分散劑使用的聚丙烯酸鈉可用于水處理，在堿性和中性濃縮倍數(shù)條件下運(yùn)行而不結(jié)垢。 聚丙烯酸鈉的應(yīng)用 聚丙烯酸鈉應(yīng)用范圍與其產(chǎn)品的聚合度有關(guān)，不同聚合度的產(chǎn)品其功能與用途亦不同，見表 11。 2) 冷凍穩(wěn)定性 ： 聚丙烯酸鈉水溶液即使經(jīng)過(guò)凍結(jié)，其粘度也不變。需要經(jīng)過(guò)切割、粉碎、篩分、烘干等后續(xù)工藝。不同聚合度的產(chǎn)物親水性、硬度、強(qiáng)度、附著力等性能差別很大，這些差異以及它們本身具有的許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性能使這類聚合物獲得廣泛應(yīng)用 [1]。12 3m 的分散介質(zhì)調(diào)配罐， 24 3m 的分散介質(zhì)儲(chǔ)罐。還介紹了聚丙烯酸鈉的性質(zhì)、特性、用途和使用舉例以及懸浮聚合的機(jī)理、體系和生產(chǎn)工藝，間歇操作的特點(diǎn)及主要原料。 設(shè)計(jì)主要成果如下： ① 每天的理論產(chǎn)值是 18181kg。沉降式離心機(jī)，規(guī)格為 LW350 1050。 聚丙烯酸鈉的分子量從幾百至幾千萬(wàn)以上，變化幅度很大，不同分子量的聚丙烯酸鈉可以用作各種各樣的目的和用途。 反相懸浮法聚合 法 是近年發(fā)展起來(lái)的制備水溶性高分子新方法， 這方面的研究性文章最早由 Dimonie 等人于 1982 年發(fā)表。 3) 機(jī)械穩(wěn)定性 ： 聚丙烯酸鈉水溶液在室溫下以 10000r/min 高速攪拌 3min，粘度無(wú)顯著變化。 1) 絮凝劑 聚丙烯酸鈉是一種線狀、可溶性的高分子化合物，其分子鏈上的羧基由于靜電相斥作用，使得曲繞的聚合物鏈伸展，促成具有吸附性的功能團(tuán)外露到表面上河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 概述 3 來(lái)，由于這些 活性點(diǎn)吸附在溶液中懸浮粒子上，形成粒子間的架橋，從而加速了懸浮粒子的沉降。能將碳酸鈣、硫酸鈣等鹽類的微晶或泥沙分散于水中而不沉淀，從而達(dá)到阻垢目的。 由于 用 PAM 存在鹽水質(zhì)量上不去的缺點(diǎn)，隨著聚丙烯酸鈉應(yīng)用的推廣，越來(lái)越多的企業(yè)傾向于使用聚丙烯酸鈉。因此建設(shè)高質(zhì)量的使用性能好的聚丙烯酸鈉生產(chǎn)廠是非常必要的。該法以水為溶劑，生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生污染；對(duì)主設(shè)備要求低，投資省；操作簡(jiǎn)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(guò)細(xì)粉 末產(chǎn)生。 根據(jù)上述分析、試驗(yàn)結(jié)果和企業(yè)資金情況，本設(shè)計(jì)的 聚丙烯酸鈉生產(chǎn)使用反相懸浮聚合法，單釜間歇聚合工藝，以 Span 60 為分散劑、復(fù)合引發(fā)劑和相應(yīng)的助劑加入反應(yīng)釜中，控制溫度 40℃ 恒溫 1h、 50℃ 恒溫 1h、 60℃ 恒溫 1h 后升溫至共沸溫度。表 22 為助分散劑對(duì)分子量的影響，發(fā)現(xiàn)在單體、引發(fā)劑加入量相同的情況下，隨助分散劑的加入，產(chǎn)品的分子量降低、顆粒也變細(xì)。研究發(fā)現(xiàn)，氧化劑用量主要決定聚合反應(yīng)總速率 ， 還原劑用量?jī)H改變了反應(yīng)速率分布。攪拌的另一個(gè)作用是加速反應(yīng)熱的傳遞，防止溫度過(guò)高而發(fā)生爆聚，保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。根據(jù)產(chǎn)品的顆粒直徑大小選擇螺旋沉降式離心機(jī)除溶劑。 生產(chǎn)過(guò)程主要操作及控制 (1)配堿 按 NaOH： H2O=l： 的質(zhì)量比配制堿液，其濃度約為 30%(w/w)。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 工藝衡算和設(shè)備選型 12 3 工藝衡算和設(shè)備選型 物料衡算與熱量衡算 物料與能量衡算的有關(guān)計(jì)算公式、數(shù)據(jù)等參見文獻(xiàn) [15～ 21]。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)。該生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量 6000t，年開工 330d，每天生產(chǎn) 6 批，后處理工序中聚合物損失率 2%。 輸入的熱量 入1Q 包括氫氧化鈉帶入的熱量 11Q ，純水帶入的熱量 12Q ，氫氧化河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 工藝衡算和設(shè)備選型 16 鈉帶 入 的溶解熱 13Q ，由于氫氧化鈉帶 入 的熱量 11Q 和純水帶入的熱量 12Q 為 0。 生產(chǎn)工藝條件為 ： 所處理的為堿性溶液，釜體內(nèi)為常壓，溫度為 50℃ ，夾套為循環(huán)冷卻水，夾套內(nèi)表壓為 ，溫度小于 50℃ ，故可確定該釜屬于帶攪拌裝置的低壓反應(yīng)釜。 查表得標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的體積為 、 4/Dh ?封 。若選 ，則有： Dh? 2 3 3 3 3h 0 . 7 8 6 0 . 7 8 6 1 . 5 7 144V D D D D D??? ? ? ? ? ? ? ? ? 得