【正文】 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、。釜體的直邊高度為：m釜體實(shí)際高度為：m根據(jù)表取封頭直邊高度50mm，釜體圓形直筒部分高度：m配堿釜的實(shí)際體積為：實(shí)際長(zhǎng)徑比： 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。則有：得 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、。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。其計(jì)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。其計(jì)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(jì)。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(shí)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℃。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，由于氫氧化鈉帶入的熱量和純水帶入的熱量為0。整個(gè)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(jì)。(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%：= 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：?jiǎn)误w=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：?jiǎn)误w： 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(jì)算結(jié)果對(duì)聚合工序做全物料平衡計(jì)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(jì)算順序 由于產(chǎn)物與原料之間的化學(xué)計(jì)算關(guān)系比較簡(jiǎn)單，且整個(gè)工藝過程比較簡(jiǎn)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(jì)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(wú)化學(xué)計(jì)量上的變化，但引發(fā)劑結(jié)合到聚合物分子鏈上，會(huì)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?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)。原料NaOH溶液濃度為99%。年工作日：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(jì) 3工藝衡算和設(shè)備選型 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]。(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(shí)。(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：，開攪拌并在夾套通冷卻水，同時(shí)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)。 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)。(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引發(fā)劑溶劑回收丙烯酸 中 和聚合共沸脫水除溶劑 干燥NaOH水溶液分散介質(zhì)分散劑助劑 成品 (1)丙烯酸鈉溶液的制?。簩⒔?jīng)計(jì)量的丙烯酸、適量的助劑與經(jīng)溶解、冷卻、計(jì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)高轉(zhuǎn)速容易使發(fā)粘粒子聚并，因此，攪拌轉(zhuǎn)速太快對(duì)于體系的穩(wěn)定性并無(wú)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(shí)，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(gè)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。 水量對(duì)分子量的影響編號(hào)加入水量（mL）AA（g）NaOH(g)分子量（萬(wàn)）產(chǎn)品形態(tài)1101170粒狀212363較小粒狀314240粉狀430171粉狀 單體濃度對(duì)分子量的影響編號(hào)AA（g）NaOH(g)引發(fā)劑（mL）分子量（萬(wàn)）產(chǎn)品粒狀1164較大粒狀2273顆粒狀3412粉狀4704較細(xì)粉狀 鏈轉(zhuǎn)移劑對(duì)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(shí)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(shí)可以提高聚合物的分子量。 單體濃度對(duì)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(dòng)力學(xué)鏈長(zhǎng)與單體濃度的關(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?jī)H改變了反應(yīng)速率分布。常用的無(wú)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(gè)具有引發(fā)活性的自由基，一般使用溫度為70℃。 引發(fā)劑對(duì)分子量的影響編號(hào)AA（g）NaOH（g）引發(fā)劑加入次序引發(fā)劑（w%）M（萬(wàn)）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Span60作為分散劑。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)。在實(shí)際聚合過程中，為了進(jìn)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(shí)，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。 丙烯酸鈉反相懸浮聚合中，單體水溶液需借助油溶性分散劑，使之分散在非極性有機(jī)溶劑中形成“油包水”型(W/O)懸浮液，山梨糖醇脂肪酸酐(Span類)和其環(huán)氧乙烷加成物(Tween類)是兩種最常用的非離子型表面活性劑。由于聚合過程中，丙烯酸鈉單體易自交聯(lián)反應(yīng)，形成不溶性凝膠，故在體系中要求加入一定量的鏈轉(zhuǎn)移劑和緩聚劑；聚合反應(yīng)后聚合物顆粒對(duì)通常材料的盛裝器具具有很大粘性，所以在釜中加入抗粘釜?jiǎng)?，防止金屬表面發(fā)生引發(fā)聚合或大分子活性鏈接觸釜壁就被終止聚合而鈍化。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。該法解決了水溶液聚合法的傳熱，攪拌困難等問題；且反應(yīng)條件溫和，可直接獲得珠狀產(chǎn)品，生產(chǎn)的聚丙烯酸鈉粒徑大小可根據(jù)用途要求調(diào)節(jié)，溶劑容易與聚合物分離，是一種合成聚丙烯酸鈉獨(dú)特的方法。國(guó)內(nèi)的高分子量聚丙烯酸鈉生產(chǎn)基本采用該法。該法以水為溶劑，生產(chǎn)過程不產(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，有過細(xì)粉末產(chǎn)生。 聚丙烯酸鈉聚合的實(shí)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。在兼顧企業(yè)的實(shí)際情況同時(shí)制定出工藝流程簡(jiǎn)短、技術(shù)成熟、投資少、生產(chǎn)成本低、適應(yīng)生產(chǎn)的連續(xù)化，使整個(gè)生產(chǎn)裝置達(dá)到高水平。 產(chǎn)品規(guī)格所生產(chǎn)的聚丙烯酸鈉產(chǎn)品為白色或淡黃色粉狀或粒狀固體，產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)見表12。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。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(guó)內(nèi)企業(yè)使用的高分子量聚丙烯酸鈉，國(guó)外產(chǎn)品還占相當(dāng)大的比例。每年需用的聚丙烯酸鈉約4 000噸。純堿年產(chǎn)8 000萬(wàn)噸，需要用聚丙烯酸鈉2 800噸。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，越來越多的企業(yè)傾向于使用聚丙烯酸鈉。同時(shí)2010年我國(guó)燒堿產(chǎn)量也達(dá)到6000萬(wàn)噸。燒堿大量用于造紙、合成洗滌劑、紡織、醫(yī)藥、冶金、食品等領(lǐng)域。 聚丙烯酸鈉除上述用途外，還可以作為柑桔保鮮劑、干燥劑、藥物糖衣粘合劑、鑄造鉆合劑、土壤穩(wěn)定劑、土壤改良劑、食品添加劑等。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。聚丙烯酸鈉鹽才能有效地發(fā)揮增稠效果[5]。%的聚丙烯酸鈉故作為保護(hù)膠。聚丙烯酸鈉絮凝劑是特別適用于燒堿和純堿行業(yè)鹽水精制、氧化鋁生產(chǎn)的赤泥沉降分離、味精廠廢水中蛋白質(zhì)回收和制糖等行業(yè)的高分子材料[4]。 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)外露到表面上來，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。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(wú)機(jī)鹽等電解質(zhì)溶液存在的情況下，吸水性能將下降。但可用浸漬或涂布方法在表面上制成透明均一的膜。 5) 生物分解性：聚丙烯酸鈉水溶液生物穩(wěn)定性極好，不腐敗。 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。聚丙烯酸鈉