【文章內(nèi)容簡介】 脫水至固含量70%是停止反應(yīng)。(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(jī)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)聚丙烯酸鈉的后處理工序：將分離工序過后的聚合物進(jìn)行干燥、計量包裝等處理后，得到聚丙烯酸鈉產(chǎn)品。 生產(chǎn)過程主要操作及控制 (1)配堿 按NaOH：H2O=l：，其濃度約為30%(w/w)。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℃）。 (2)丙烯酸中和 按丙烯酸：NaOH=l：，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=l：，相當(dāng)中和度100%(mol)。控制最終丙烯酸中和液溫度30℃。(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。脫水至粒子固含量為70%即可停止反應(yīng)。(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(jī)脫除分散劑等，%%時。(5)包裝干燥后的粉末，存放于貯料斗中，先測定產(chǎn)品的分子量、密度等有關(guān)性能，然后按每袋25kg裝袋輸送到倉庫以備出廠。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)計算公式、數(shù)據(jù)等參見文獻(xiàn)[15～21]。 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： 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。(3) 收集數(shù)據(jù)資料1) 生產(chǎn)規(guī)模。設(shè)計任務(wù)書中規(guī)定的年產(chǎn)量（生產(chǎn)能力）：2) 生產(chǎn)時間。年工作日：3) 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表31。表31 技術(shù)指標(biāo)項目內(nèi)容技術(shù)指標(biāo)項目名稱技術(shù)指標(biāo)聚合物后處理損失率丙烯酸中和度原料NaOH水溶液濃度中和用NaOH水溶液濃度單體水溶液濃度2%聚合物質(zhì)量100%（摩爾）99%（質(zhì)量）30%（質(zhì)量）45%（質(zhì)量）引發(fā)劑用量引發(fā)劑水溶液濃度分散穩(wěn)定劑用量分散介質(zhì)用量分散劑循環(huán)用量%單體質(zhì)量50%（質(zhì)量）2%單體質(zhì)量與單體質(zhì)量比4：190%分散劑總用量4) 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。原料NaOH溶液濃度為99%。其他原料均視為純物質(zhì)。因為只對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)。5) 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。各組分相對分子質(zhì)量如下：丙烯酸=，氫氧化鈉=40，丙烯酸鈉=，水=18。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。(4) 選擇計算基準(zhǔn)與計量單位因為是間歇操作過程，所以基準(zhǔn)為“批”。 (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。(6) 計算主要原料（丙烯酸）的投料數(shù)量用順流程的計算順序進(jìn)行物料衡算必須求出主要原料每批投料量。該生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量2000t，年開工330d，每天生產(chǎn)4批，后處理工序中聚合物損失率2%。每批應(yīng)生產(chǎn)的聚合物數(shù)量為：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：(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%、NaOH相對分子質(zhì)量反應(yīng)需純NaOH的質(zhì)量為： 30%NaOH中含水的質(zhì)量為： 則30%NaOH的質(zhì)量為： 單體丙烯酸鈉的質(zhì)量： 45%丙烯酸鈉中含水的質(zhì)量為： 中和反應(yīng)生成水： 則中和反應(yīng)過程中應(yīng)加入的水為：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?jǐn)?shù)99%的氫氧化鈉。中和用30%NaOH溶液2187kg中各組分的質(zhì)量為：kg kg原料用99%NaOH中各組分的質(zhì)量為： kg kg則需純水： 3) 分散介質(zhì)調(diào)配罐物料衡算已知：分散劑：單體=4：分散穩(wěn)定劑=2%單體質(zhì)量，則分散劑質(zhì)量： 循環(huán)分散劑質(zhì)量： kg新鮮分散劑質(zhì)量： 分散穩(wěn)定劑： 分散液： 4) 聚合反應(yīng)釜物料衡算反應(yīng)前反應(yīng)釜中各組分質(zhì)量：單體： 水： 分散劑： 分散穩(wěn)定劑：引發(fā)劑用量=%單體質(zhì)量、引發(fā)劑水溶液濃度=50%（質(zhì)量）引發(fā)劑水溶液的質(zhì)量： 反應(yīng)后反應(yīng)釜中聚合物混合物的各組分：分散劑： 分散穩(wěn)定劑：水： 聚合物： (8) 整理并校核計算結(jié)果對聚合工序做全物料平衡計算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律有：整個聚合工序的物料衡算過程是正確的。(9) 生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的各工序物料衡算整理如表32。表32 生產(chǎn)聚丙烯酸鈉各工序物料衡算結(jié)果工序名稱輸出輸入原料質(zhì)量（kg）產(chǎn)品質(zhì)量（kg）配堿 99%片堿 純水 30%氫氧化鈉 2187中和 30%氫氧化鈉 2187 99%丙烯酸 純水 中和液 其中：丙烯酸鈉 水 聚合 中和液 2%引發(fā)劑 分散劑 分散穩(wěn)定劑 聚合物 水 分散劑 分散穩(wěn)定劑 聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)可分為多個工序，每一個生產(chǎn)工序都有一定的能量變化，因此各工序分別計算。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。(1) 配堿工序由物料衡算可知，在配堿工序中，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： mol水： mol查表可知?dú)溲趸c在此濃度下的溶解熱為，此濃度下溶液的平均比熱為，水的比熱為，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℃，配堿過程最大溫升65℃，冷卻水出入平均溫差為10℃。輸入的熱量包括氫氧化鈉帶入的熱量，純水帶入的熱量，氫氧化鈉帶入的溶解熱，由于氫氧化鈉帶人的熱量和純水帶入的熱量為0。所以 kJ輸出的熱量出包括氫氧化鈉溶液由25℃升到30℃所需的熱量和冷卻移走的熱量。其中 kJ由于 kJ需冷卻水的質(zhì)量： kg(2) 中和工序已知條件：丙烯酸的進(jìn)料溫度為25℃，比熱為，氫氧化鈉水溶液的進(jìn)料溫度為30℃，平均比熱為，中和液的平均比熱為，水的比熱為，100℃時水的蒸發(fā)熱為，丙烯酸與氫氧化鈉的中和熱，中和液輸出溫度為30℃，冷卻水平均溫差為10℃。中和工序的輸人熱量包括：氫氧化鈉水溶液引入的熱量，丙烯酸引人的熱量，丙烯酸中和熱，其計算結(jié)果如下：氫氧化鈉水溶液帶入的熱量： kJ丙烯酸引入的熱量為零：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：kJ輸入熱量 kJ輸出的熱量出包括中和液移走的熱量，水分蒸發(fā)吸收的熱量，以及冷卻水帶走的熱量。其計算結(jié)果如下：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。所以 由于 所以kJ冷卻水用量： kg(3) 聚合反應(yīng)工序已知丙烯酸中和液的平均比熱為，中和液進(jìn)料溫度為30℃，水的比熱為，l00℃水的蒸發(fā)熱為，聚合物混合物出料溫度為60℃，聚合物平均比熱為，分散劑平均比熱輸入的熱量包括：丙烯酸中和液引入的熱量，丙烯酸鈉聚合的聚合反應(yīng)放熱，其計算結(jié)果如下：丙烯酸鈉中和液引入的熱量： kJ聚合物反應(yīng)放熱：kJ則輸入的熱量： kJ輸出的熱量包括生成的聚合物從25℃升溫到60℃所需的熱量，分散介質(zhì)帶走的和水從25℃到60℃的熱量及耗損的熱量。其計算結(jié)果如下：聚合物帶走的熱量： kJ分散介質(zhì)帶走的熱量： kJ水帶走的熱量： kJ(3) 生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的各工序物料衡算整理如下表33。表33 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 7554997554990366100718889755499中和 949765949765366105622700913155893538聚合13307011330701562271368891224474496785276325 主要設(shè)備工藝尺寸的計算及選型(1) 配堿釜，需配堿液；溶堿時最高溫度為50℃，查得30%堿液的比重為；：；按裝料系數(shù)75%計，需配堿釜容積為。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，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。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。查表得標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的體積為、。令：為釜體直邊高度、為反應(yīng)釜體的總高度，則：因為所處理的物料為液固相，其筒體高度于