【正文】 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(shí)際高度為： 。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(yīng)器的上下封頭選用標(biāo)準(zhǔn)封頭。 查表得標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的體積為 、 4/Dh ?封 。 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(shí)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(shí)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(shí)際長徑比： / 3 . 5 7 3 2 . 5 1 . 7HD ? ? ? 攪拌型式可選用為推進(jìn)式攪拌器，攪拌電機(jī)功率為 9kw，轉(zhuǎn)速為 r/min60 。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。 查表得標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的體積為 、 4/Dh ?封 。 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。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。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。 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(jìn)料溫度為 25℃ ，比熱為 Kkg/ ? ，氫氧化鈉水溶液的進(jìn)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℃ 。 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 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。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。 (9) 生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的各工序物料衡算整理如表 32。 中和用 30%NaOH 溶液 中各組分的質(zhì)量為： amNOH = 2m ? kg 原料 用 99%NaOH 中各組分的質(zhì)量為： am OH? kg 2m 13 12 .3 5 0. 01 / 0. 99 13 .2 5HO ? ? ?kg 則需純水： 3 0 6 2 .1 5 1 3 .2 5 3 0 4 8 .9 k g?? 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： 3 0 8 5 .9 8 4 1 2 3 4 3 .9 2 k g?? 循環(huán)分散劑質(zhì)量： 1 2 3 4 3 . 9 2 0 . 9 1 1 1 0 9 . 5 3??kg 新鮮分散劑質(zhì)量： 1 2 3 4 3 .9 2 0 .1 1 2 3 4 .3 9 k g?? 分散穩(wěn)定劑： 3 0 8 5 . 9 8 0 . 0 2 = 6 1 . 7 2 k g? 分散液： 1 2 3 4 3 .9 2 6 1 .7 2 1 2 4 0 5 .6 4 k g?? 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： 2 3 0 8 5 .9 8 0 .0 0 2 1 2 .3 4 k g? ? ? 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： 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 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(jìn)行校核。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%。 (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。 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。加入的 NaOH 能夠與丙烯酸完全反應(yīng)，生成丙烯酸鈉。因?yàn)橹粚酆瞎ば蜃鑫锪虾馑悖圆挥每紤]產(chǎn)品的其他質(zhì)量指標(biāo)。原料 NaOH 溶液濃度為 99%。年工作日： ? ?11 dh24ad330 ?? 3) 相關(guān)技術(shù)指標(biāo) 見表 31。 (3) 收集數(shù)據(jù)資料 1) 生產(chǎn)規(guī)模。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 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)計算公式、數(shù)據(jù)等參見文獻(xiàn) [15～ 21]。 (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，將離心后的聚合物濕物料經(jīng) 氣流 干燥機(jī)干燥至產(chǎn)品含水量達(dá) %%時。 (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。 (2)丙烯酸中和 按丙烯酸： NaOH=l： 的質(zhì)量比在中和釜中加 入 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 =l： 質(zhì)量比，相當(dāng)中和度 100%(mol)。 生產(chǎn)過程主要操作及控制 (1)配堿 按 NaOH： H2O=l： 的質(zhì)量比配制堿液，其濃度約為 30%(w/w)。 (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。 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 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 2 聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝 11 (1)丙烯酸鈉溶 液的制取 ： 將經(jīng)計量的丙烯酸、適量的助劑與經(jīng)溶解、冷卻、計量的燒堿溶液進(jìn)行部分中和，中和后的丙烯酸鈉，加入適量水，得到濃度為45%單體溶液即丙烯酸鈉水溶液。氣流干燥設(shè)備的 干燥強(qiáng)度大 ，蒸發(fā)水份能力從 50kg/h－ 1500kg/h，而設(shè)備容積小，投資省，是其他干燥設(shè)備比不上的；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，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。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。 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(jìn)行分離可采用過濾離心機(jī)或沉降離心機(jī)或分離機(jī)。 這可能是由于攪拌轉(zhuǎn)速太快，使單體液滴粒徑過小，相對于轉(zhuǎn)速小的體系，它需要更多的分散劑才能使液滴分散不聚并；同時高轉(zhuǎn)速容易使發(fā)粘粒子聚并，因此，攪拌轉(zhuǎn)速太快對于體系的穩(wěn)定性并無益處。 在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn) ： 當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速小于 200r/min 時，攪拌強(qiáng)度不夠，不足以使單體溶液均勻地分散成液滴，而且 由 于單體溶液的比重大于溶劑相，故大部分單體下沉于釜底而發(fā)生塊狀聚合，影響了反應(yīng)的正常進(jìn)行。攪拌的另一個作用是加速反應(yīng)熱的傳遞，防止溫度過高而發(fā)生爆聚，保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。 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(xì)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。加入適量的 AA 不僅能增加聚合物的絮凝效果，同時可以提高聚合物的分子量。 單體濃度對分子量的影響 丙烯酸鈉的聚合反應(yīng)本質(zhì)上屬于自由基聚合反應(yīng)，由動力學(xué)鏈長與單體濃度河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 2 聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝 9 的關(guān)系可知，單體濃度越高，聚合物分子量越高。研究發(fā)現(xiàn)，氧化劑用量主要決定聚合反應(yīng)總速率 ， 還原劑用量僅改變了反應(yīng)速率分布。常用的無機(jī)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 引發(fā)劑對分子量的影響 編號 AA（ g） NaOH（ g） 引發(fā)劑加入次序 引發(fā)劑（ w%） M（萬） 形態(tài) 1 先 1084 粒狀 2 后 679 粉狀 3 先 595 粉狀 4 先 866 細(xì)粉狀 過硫酸鹽引發(fā)劑是最常用的水溶性引發(fā)劑。故聚合選用 Spa