【導讀】本設計的任務是年產(chǎn)6000噸聚丙烯酸鈉懸浮聚合間歇操作工藝的設。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。還介紹了聚丙烯酸鈉的性。特點及主要原料。①每天的理論產(chǎn)值是18181kg。實際年產(chǎn)量為6122t。直徑為2500mm配堿釜，直徑為1600mm的中和釜，直徑為2500mm的聚合釜。體積為123m的分散介質(zhì)調(diào)配罐，分散介質(zhì)儲罐體積為243m。沉降式離心機，規(guī)格為LW350. ③圖紙：1）工藝流程圖、2）物料流程圖、3）聚合釜的裝配圖。

　　

【正文】 9 2 6 1 .7 2 1 2 4 0 5 .6 4 k g?? 4) 聚合反應釜物料衡算 反應前反應釜中各組分質(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： 2 3 0 8 5 .9 8 0 .0 0 2 1 2 .3 4 k g? ? ? 反應后反應釜中聚合物混合物的各組分： 分散劑： 分散穩(wěn)定劑： 河南城建學院本科畢業(yè)設計 3 工藝衡算和設備選型 15 水： 3 7 7 1 .7 5 6 .1 7 3 7 7 7 .9 2 k g?? 聚合物： 3 0 8 5 .9 8 6 .1 7 3 0 9 2 .1 5 k g?? (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 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 中和 30%氫氧化鈉 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 熱量衡算 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，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： N a O H 1312 .35 1000n 3280 940 ???mol 水： 23 0 6 2 .1 5 1 0 0 0n 1 7 0 1 1 918HO ???mol 查表可知氫氧化鈉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 入1Q 包括氫氧化鈉帶入的熱量 11Q ，純水帶入的熱量 12Q ，氫氧化河南城建學院本科畢業(yè)設計 3 工藝衡算和設備選型 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。 所以 1 4 6 . 0 3 3 2 8 0 9 1 5 1 0 1 9 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 。 其中 ? ?14 3 .3 4 8 4 3 7 4 . 5 0 3 0 2 5 7 3 2 2 9Q ? ? ? ? ?kJ 由于 出入 11 ? 1 5 1 41 1 5 1 0 1 9 8 7 3 3 2 2 9 1 4 3 6 9 6 9Q Q Q? ? ? ? ?入 kJ 需冷卻水的質(zhì)量： ? ?2m 1 4 3 6 9 6 9 / 4 . 1 8 1 0 3 4 3 7 7HO ? ? ?kg (2) 中和工序 已知條件 ： 丙烯酸的進料溫度為 25℃ ，比熱為 Kkg/ ? ，氫氧化鈉水溶液的進料溫度為 30℃ ，平均比熱為 Kkg/ ? ，中和液的平均比熱為Kkg/ ? ，水的比熱為 Kkg/ ? ， 100℃ 時水的蒸發(fā)熱為 kg/Jk2587 ，丙烯酸與氫氧化鈉的中和熱 mol/ ，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 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)生中和反應的丙烯酸為 ： 23 5 5 .6 7 3 2 8 0 9 1 8 2 6 4 7 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 。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。 所以 025?Q 由于 出入 22 ? 所以 2 6 2 42 1 8 9 9 7 0 6 1 1 2 4 6 7 1 7 8 7 2 3 9Q Q Q? ? ? ? ?入 kJ 冷卻水用量： ? ?2m 1 7 8 7 2 3 9 / 4 . 1 8 1 0 4 2 7 5 7HO ? ? ?kg (3) 聚合反應工序 已知丙烯酸中和液的平均比熱為 Kkg/ ? ，中和液進料溫度為 30℃ ，丙河南城建學院本科畢業(yè)設計 3 工藝衡算和設備選型 17 烯酸鈉的聚合熱為 ，水的比熱為 Kkg/ ? ， l00℃ 水的蒸發(fā)熱為kg/Jk2587 ，聚合物混合物出料溫度為 60℃ ，聚合物平均比熱為 Kkg/ ? ，分散劑平均比熱 Kkg/ ? 輸入的熱量 入3Q 包括 ： 丙烯酸中和液引入的熱量 31Q ，丙烯酸鈉聚合的聚合反應放熱 32Q ，其計算結(jié)果如下 ： 丙烯酸鈉中和液引入的熱量： ? ?31 3 .2 8 6 8 5 7 . 7 3 3 0 2 5 1 1 2 4 6 7Q ? ? ? ? ?kJ 聚合物反應放熱： 32 7 7 .7 3 2 8 0 9 2 5 4 9 2 5 9Q ? ? ?kJ 則輸入的熱量： 3 1 3 23 1 1 2 4 6 7 2 5 4 9 2 5 9 2 6 6 1 7 2 6Q Q Q? ? ? ? ?入 kJ 輸出的熱量 出3Q 包 括生成的聚合物從 25℃ 升溫到 60℃ 所需的熱量 33Q ，分散介質(zhì)帶走的 34Q 和 水從 25℃ 到 60℃ 的熱量 35Q 及耗損的熱量 。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。 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 河南城建學院本科畢業(yè)設計 3 工藝衡算和設備選型 18 主要設備工藝尺寸的計算及選型 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 43 74 .5 0 6 26 24 7 kg?? ； 溶堿時最高溫度為 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，需配堿釜容積為 ? 3m 。 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釜。本設計采用圓筒形殼體和標準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。 查表得標準橢圓封頭的體積為 、 4/Dh ?封 。令： h 為釜體直邊高度、H 為反應釜體的總高度，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～ 。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 雖然釜屬于非標準設備，但用于制造反應 器的上下封頭仍應選用標準封頭。因為 D/H 取得較小，所以此處按公稱尺寸選定釜體直徑 。 釜體的直邊高度為： 3222 2 3 . 6 8 2 0 . 3 9 3 2 . 5 2 . 3 2 30 .7 8 5 0 . 7 8 5 2 . 5VV 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. 78 6 0. 78 5 2. 5 2. 32 3 0. 78 6 2. 5 23 .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 。 河南城建學院本科畢業(yè)設計 3 工藝衡算和設備選型 19 (2)中和釜 中和釜用于對丙烯酸的完全中 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，測得其密度為 3cmg ， 的中和液的體積為3m，按裝料系數(shù) 計算，需中和釜的體 積為 / ? 3m 。 查表得標準橢圓封頭的體積為 、 4/Dh ?封 。令： h 為釜體直邊高度、H 為反應釜體的總高度，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 。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 33 6 .7 2 1 .6 21 .5 7 1 1 .5 7 1VD ???m 用于制造反應器的上下封頭選用標準封頭。因為 D/H 取得較小，所以此處按公稱尺寸選定釜體直徑 。 釜體的直邊高度為： 3222 6 . 7 2 2 0 . 3 9 3 1 . 6 1 . 7 4 20 .7 8 5 0 . 7 8 5 1 . 6VV D?? ? ? ?????封m 釜體實際高度為：