产吨聚丙烯酸钠的工艺设计方案 .docx

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1、精品名师归纳总结本科毕业设计说明书年产 2000 吨聚丙烯酸钠的工艺设计THE PROCESSING TECHNIQUE DESIGN OF POLYACRYLATE SODIUM WITH 2000 TONS OUTPUT PERYEAR学院，同时仍具有耐温性强、冻融稳固性、机械稳固性、以及经长期贮存后其粘度无明显变化等特点。不同聚合度的产物亲水性、硬度、强度、附着力等性能差别很大，这些差异以及它们本身具有的很多优异的物理和化学性能使这类聚合物获得广泛应用 1。聚丙烯酸钠的分子量从几百至几千万以上，变化幅度很大，不同分子量的聚丙烯酸钠可以用作各种各样的目的和用途。超低分子量700 以下的用途

2、仍未完全开发出来。低分子量 1000-5000时，主要起分散作用。中等分子量 104- 106显示有增稠性。高分子量 106-107的聚丙烯酸钠主要做增稠剂和絮凝剂。 超高分子量 107的聚丙烯酸钠不再溶于水，在水中溶胀，生成水凝胶，主要用作吸水剂 2。水溶性聚丙烯酸钠中又包括高分子量和低分子量两大类。本论文主要涉及水溶性高分子量聚丙烯酸钠生产线的工艺设计。1.1 高分子量聚丙烯酸钠讨论现状目前国内市场上的聚丙烯酸钠主要是水溶液聚合法制备，采纳丙烯酸经氢氧化钠中和形成丙烯酸钠溶液，然后用高浓度丙烯酸钠溶液、低浓度氧化仍原引发剂在低温条件下进行水溶液聚合而成。其原理为：一般而言，水溶液聚合时，聚

3、合组分较少，工艺实施较简洁。但由于搅拌和传热的缘由，聚合水溶液中要求单体浓度很低，而且产物成块状，出料困 难。需要经过切割、粉碎、筛分、烘干等后续工艺。反相悬浮法聚合法是近年进展起来的制备水溶性高分子新方法，这方面的 讨论性文章最早由 Dimonie 等人于 1982 年发表。它是将丙烯酸钠水溶液分散在油溶性连续相中，在搅拌和分散剂的作用下，分散成微小的液滴，在水溶性引 发剂的作用下聚合反应。其生产工艺简洁、成本低，便于实现工业化，产品分子量可达千万以上， 产品溶解性能比水溶液聚合产品好，而且克服了水溶液聚合中的高粘和传热困可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结难的工艺难点，并且可以

4、得到粉状或者粒状的聚合物，产物的后处理工艺、储运和使用上也较简洁。1.2 高分子量聚丙烯酸钠的性质和应用1.2.1 聚丙烯酸钠的性质聚丙烯酸钠 3，英文名 Sodium polyacrylate，缩写 PAAS 或简称 PAA-Na，结构式为 CH 2 CHCOONan，是种水溶性高分子化合物。商品外形的聚丙烯酸钠，相对分子质量小到几百，大到几千万，外观为无色或淡黄色液体、粘稠液体、凝胶、树脂或固体粉末，易溶于水。因中和程度不同，水溶液的pH一般在 6-9。能电离，有或无腐蚀性。易溶于氢氧化钠水溶液，但在氢氧化钙、氢氧化镁等水溶液中随碱土金属离子数量增加，先溶解后沉淀。无毒。1 稳固性1热稳固

5、性：聚丙烯酸钠热稳固性好，海藻酸钠、梭甲基纤维素钠等自然粘 稠液，经热处理，其粘度降到初始的1/10 以下，但聚丙烯酸钠的水溶液仅降低3/10。聚丙烯酸钠用于分别铝厂红泥，就是基于丙烯酸钠具有优良的热稳固性。2冷冻稳固性：聚丙烯酸钠水溶液即使经过冻结，其粘度也不变。3机械稳固性：聚丙烯酸钠水溶液在室温下以10000r/min 高速搅拌 3min，粘度无显著变化。4储存稳固性：聚丙烯酸钠水溶液长期贮存，粘度变化很小。5生物分解性：聚丙烯酸钠水溶液生物稳固性极好，不腐败。2 成膜性聚丙烯酸钠水溶液属于高分子电解质，吸湿性特别强，因此水溶液成膜相当困难。但可用浸渍或涂布方法在表面上制成透亮均一的膜。

6、3 吸湿性、保水性聚丙烯酸钠的分子链中含有大量的强亲水基团COONa，因此其吸湿性极强。干燥产品在空气中可以吸湿自重的10%，而高吸水树脂就可以吸取自重1000 倍以上的蒸馏水，而在无机盐等电解质溶液存在的情形下，吸水性能将下降。1.2.2 聚丙烯酸钠的应用聚丙烯酸钠应用范畴与其产品的聚合度有关，不同聚合度的产品其功能与用途亦不同，见表 1-1。1絮凝剂可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结聚丙烯酸钠是一种线状、可溶性的高分子化合物，其分子链上的羧基由于静电相斥作用，使得曲绕的聚合物链舒展，促成具有吸附性的功能团外露到表面上来，由于这些活性点吸附在溶液中悬浮粒子上，形成粒子间的架桥，

7、从而加速了悬浮粒子的沉降。作为絮凝剂的聚丙烯酸钠其相对分子质量可达几百万，其商品外形为黄色粘稠液体，固含量或达 8%，相应特性粘数 3.40。聚丙烯酸钠絮凝剂是特殊适用于烧碱和纯碱行业盐水精制、氧化铝生产的聚合度功能用途1-50离子封闭防水垢剂、洗涤作用增效剂60-500分散、水仍原作用分散剂、石油钻井添加剂、水仍原剂分散剂、柑橘保鲜剂、增稠剂、爱护胶、铸造粘合500-10000防沉淀、分散作用剂、医药糖衣粘合剂赤泥沉降分别、味精厂废水中蛋白质回收和制糖等行业的高分子材料 4。表1-1 不同聚合度聚丙烯酸钠的功能及应用10000-100000沉积、絮凝、沉淀作用加快墙体材料粘性剂、农药防漂散剂

8、、电解盐水精制、絮凝剂100000-500000水膨胀性水凝胶2爱护胶聚丙烯酸钠中含有的大量亲水基团 -COONa，在水中产生电离，在乳液聚合中适量的加入聚丙烯酸钠与聚合体系中的阴离子乳化剂产生较强的双电子层，由于同性相斥的原理，使整个乳液聚合体系更稳固，提高产品的机械稳固性和贮存稳固性。目前内很多厂家加入0.5-1%的聚丙烯酸钠故作为爱护胶。3增稠剂在水性涂料中加入聚丙烯酸钠作为增稠剂，增稠成效明显，且能有效的防止涂料的沉降、分层现象，并可改善涂料的流平性和涂刷性能，在夏季使用不易显现发露、发臭现象，一般使用量为涂料量的1-3%为宜。但是涂料整个体系中 pH 值需在 8-9.5，聚丙烯酸钠盐

9、才能有效的发挥增稠成效5。4分散剂做分散剂使用的聚丙烯酸钠可用于水处理，在碱性和中性浓缩倍数条件下运行而不结垢。能将碳酸钙、硫酸钙等盐类的微晶或泥沙分散于水中而不沉 淀，从而达到阻垢目的。除了用于水处理仍，仍广泛大量应用于造纸、纺织、印染行业做浆料分散剂，用于陶瓷工业做碳酸钙分散剂，用于涂料行业做颜料分散剂等 6。聚丙烯酸钠除上述用途外，仍可以作为柑桔保鲜剂、干燥剂、药物糖衣粘合剂、铸造钻合剂、土壤稳固剂、土壤改良剂、食品添加剂等。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1.3 高分子量聚丙烯酸钠的需求、生产和应用前景高分子量聚丙烯酸钠主要用于氯碱、纯碱行业的盐水精制，铝厂的红泥沉降，

10、味精厂的废水蛋白质回收等行业。烧碱大量用于造纸、合成洗涤剂、纺织、医药、冶金、食品等领域。纯碱被大量使用于玻璃、洗涤剂、金属冶炼等行业， 2021 年，我国纯碱生产企业数量约为全球纯碱生产厂家总和的一半，产能和产量均已达到世界纯碱总才能和总产量的 1/3，超过 2000 万吨，在世界纯碱工业中占有重要的位置。同时 2021 年我国烧碱产量也达到 2000 万吨。目前，在这两碱行业的生产中，盐水精制过程大多始终使用聚丙烯酰胺和苛化淀粉，小部分使用聚丙烯酸钠，主要是由于表面看聚丙烯酸钠价格贵，而忽视聚丙烯酸钠用量少，成效好的特点。由于用PAM 存在盐水质量上不去的缺点，随着聚丙烯酸钠应用的推广，越

11、来越多的企业倾向于使用聚丙烯酸钠。按烧碱年产 2000 万吨，精制盐水全部使用聚丙烯酸钠，用于精制盐水每生产1 吨烧碱用聚丙烯酸钠 0.2kg 计，每年需要消耗聚丙烯酸钠将达到4000吨。纯碱年产 2000 万吨，每生产 1 吨纯碱用聚丙烯酸钠 0.14kg，需要用聚丙烯酸钠 2800 吨。另外在味精生产过程产生的谷氨酸母液含有大量的蛋白质，目前大多数厂 家没有进行回收利用，假如采纳聚丙烯酸钠作絮凝处理，既可回收又有用蛋白 质，又可大大降低母液中的 SS和 COD 含量，削减后续处理的有机负荷7。2021 年商品尝精产量为 256.44 万吨，按生产每吨味精消耗聚丙烯酸钠1.5kg 计，每年需

12、用的聚丙烯酸钠约 4000 吨。在铝厂的赤泥沉降的处理中目前大多使用麦麸或分子量低于1000 万的胶体聚丙烯酸钠，高分子量的聚丙烯酸钠由于使用条件仍没有完全探讨，存在对赤泥种类的适应性问题，仍不能广泛使用，随着对其使用讨论的深化，聚丙烯酸钠在赤泥分别中的应用将会快速增加 8。由以上分析可见高分子量的聚丙烯酸钠在很多领域都广泛使用，但是目前在国内企业使用的高分子量聚丙烯酸钠，国外产品仍占相当大的比例。国内近年已有生产，但是生产厂家不多，生产才能较小，其中仍包括胶体产品，因此可见在国内高分子量聚丙烯酸钠的生产缺口仍很大，有必要增加其生产，以满意国内的需求。因此建设高质量的使用性能好的聚丙烯酸钠生产

13、厂是特别必要的。1.4 工程的设计依据设计任务书安徽理工高校高校可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结毕业设计 论文）工作手册安徽理工高校化工设计 化学工业出版社化工工艺设计手册化学工业出版社聚合物合成工艺设计化学工业出版社化工设备基础天津高校出版社1.5 建厂规模及产品规格1.5.1 建厂规模工程拟建立年产 2000 吨高分子量聚丙烯酸钠生产线。1.5.2 产品规格所生产的聚丙烯酸钠产品为白色或淡黄色粉状或粒状固体，产品质量指标见表 1-2。表1-2 聚丙烯酸钠产品质量指标工程质量指标外观纯度 %） 干燥失量 %） 分子量 万）残余单体量 %）透亮度 为分散介质，经碱部分中和的水溶

14、性单体丙烯酸钠，在悬浮分散剂和搅拌作用下分散成水相液滴，引发剂和交联剂 溶解在水相液滴中在加热的情形下进行的聚合方法。该法解决了水溶液聚合法 的传热，搅拌困难等问题。且反应条件温顺，可直接获得珠状产品，生产的聚 丙烯酸钠粒径大小可依据用途要求调剂，溶剂简洁与聚合物分别，是一种合成 聚丙烯酸钠特殊的方法。缺点是反应过程掌握较不稳固。主设备材质要求高， 设备投资较大。采纳易燃的有机溶剂，需要溶剂回收装置，存在消防隐患和产 生污染。只能进行间歇生产，设备利用率低。表2-1 为水溶液聚合法与反相悬浮聚合法制备聚丙烯酸钠的比较。采纳反相悬浮法合成高分子量的聚丙烯酸钠，第一将丙烯酸单体经部分中 和，单体溶

15、液分散并悬浮于连续有机相中如环己烷等），以无机过氧类引发剂如过硫酸钾） 或水溶性氧化仍原引发体系 如过硫酸铵、尿素）引发聚合，生成粉状或粒状沉淀，与溶剂分别后即得最终产品。依据上述分析、试验结果和企业资金情形，本设计的聚丙烯酸钠生产使用 反相悬浮聚合法，单釜间歇聚合工艺，以Span 60为分散剂、复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中，掌握温度40恒温 1h、50恒温 1h、60恒温 1h 后升温至共沸温度。脱水至粒子固含量为70%即可停止反应。由于聚合过程中， 丙烯酸钠单体易自交联反应，形成不溶性凝胶，故在体系中要求加入肯定量的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结链转移剂和缓聚剂。聚

16、合反应后聚合物颗粒对通常材料的盛装器具具有很大粘性，所以在釜中加入抗粘釜剂，防止金属表面发生引发聚合或大分子活性链接触釜壁就被终止聚合而钝化。表2-1 水溶液聚合与反相悬浮聚合的比较比较项引发体系聚合场所水溶液聚合法过氧 -仍原引发体系水相反相悬浮聚合法过氧 -仍原引发体系分散的水相聚合温度50 10050 100产品外形水溶液固体粒状或粉末散热相对困难特别简洁产品分子量较低 难达 1000 万）较高 1000 万以上）体系粘度低固含量是较高很低 悬浮液，山梨糖醇脂肪酸酐 Span类 和其环氧乙烷加成物 Tween类是两种最常用的非离子型表面活性剂。 W/O 型反相体系一般挑选 HLB 为 3

17、 8 的 span类如 span60等作为分散剂。在实际聚合过程中，为了进一步降低表面张力，改善分散才能并调剂颗粒特性，在挑选 Span类作为主分散剂的同时，需添加肯定量的助分散剂，在Span分散剂溶解后尽快加入助分散剂的成效更好。助分散剂的加入同时也能起到适当降低产物分子量的作用。表2-2 为助分散剂对分子量的影响，发觉在单体、引发剂加入量相同的情形下，随助分散剂的加入，产品的分子量降低、颗粒也变细。选用 Span60，油水界面张力较小，并且浓度0.75%时聚合过程中体系稳定，聚合物粘壁较少，产物粒子匀称。故聚合选用Span60作为分散剂。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结表2

18、-2 助分散剂对分子量的影响编号AAmL）w% ）v% ）分子量 万）颗粒外形112.50.180.0595粒状212.50.180.31288粉状312.50.160.0866粒状412.50.160.31520粉状编号AAg ）M 万）外形）入次序w% ）12.56.8先0.161084粒状22.56.8后0.18679粉状31.256.6先0.18595粉状41.256.6先0.16866细粉状引发剂助分散剂2.2.2引发体系的挑选及其浓度对分子量的影响引发体系的挑选及其浓度是影响分子量的一个重要因素，表对分子量的影响。表2-3 引发剂对分子量的影响2-3 为引发剂NaOH和过硫酸 AP

19、S属于热分解型引发剂，其受热后可直接分解产生两个具有引发活性的自由基，分解活化能为140.3kJ/mol，一般使用温度为 70。在水溶液聚合中，过硫酸盐 -脂肪胺是类活性可调、易掌握的氧化仍原引发体系。讨论发觉，氧化剂用量主要打算聚合反应总速率，仍原剂用量仅转变了反应速率分布。当仍原剂用量肯定时，增加氧化剂用量，聚合反应总速率增大。当恒定氧化剂用量，增加仍原剂用量时，聚合反应速率基本不变，而速率分布转变。2.2.3 单体浓度对分子量的影响丙烯酸钠的聚合反应本质上属于自由基聚合反应，由动力学链长与单体浓度的关系可知，单体浓度越高，聚合物分子量越高。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结

20、编号加入水量 mL ）AA分子量 万）产品外形11012.56.81170粒状21212.56.8363较小粒状31412.56.8240粉状43012.56.8171粉状编号AA引发剂 mL ）分子量 丙烯酸钠溶液的制取：将经计量的丙烯酸、适量的助剂与经溶解、冷却、计量的烧碱溶液进行部分中和，中和后的丙烯酸钠，加入适量水，得到浓度为 45%单体溶液即丙烯酸钠水溶液。2丙烯酸钠的聚合：将中和后的丙烯酸钠水溶液与由分散介质和分散稳固剂配制好的分散液共同放入反应釜中，并加入适量助剂，在引发剂的作用下进行聚合反应至共沸脱水至固含量70%是停止反应。3聚合物混合物的分别：反应后生成的混合物通过离心机分

21、别分散介质与聚合物，再经热水洗涤除去聚合物表面的一些残留助剂。4聚丙烯酸钠的后处理工序：将分别工序过后的聚合物进行干燥、计量包装等处理后，得到聚丙烯酸钠产品。2.5 生产过程主要操作及掌握1配碱按 NaOH：H2O=l： 2.33 的质量比配制碱液，其浓度约为30%w/w 。将称量好的烧碱缓慢倒入装有定量量纯水的配碱釜中，同时开动搅拌，并在夹套通冷却水冷却，掌握最终碱液温度 丙烯酸中和按丙烯酸： NaOH=l ：0.56 的质量比在中和釜中加入丙烯酸，开搅拌并在夹套通冷却水，同时缓慢加入已冷却的碱液，碱液量为丙烯酸：碱液=l：1.74 质量比，相当中和度 100%mol。掌握最终丙烯酸中和液温

22、度 30。3聚合反应将中和的 45%丙烯酸钠单体水溶液、分散剂 Span 60、2%单体质量的复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中搅拌，掌握温度40恒温 1h、50恒温1h、60恒温 1h 后升温至共沸温度。脱水至粒子固含量为70%即可停止反应。4分别干燥工序经共沸脱水后的聚合物混合物通过螺旋沉降式离心机脱除分散剂等，将离心后的聚合物湿物料经气流干燥机干燥至产品含水量达0.2%-0.5%时。5包装干燥后的粉末，存放于贮料斗中，先测定产品的分子量、密度等有关性能，然后按每袋 25kg 装袋输送到仓库以备出厂。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3 工艺衡算和设备选型3.1 物料衡算与热

23、量衡算物料与能量衡算的有关运算公式、数据等参见文献15 21。3.1.1 物料衡算1 确定物料平稳关系2 明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式丙烯酸被中和，中和反应方程式如下：引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下：丙烯酸自由基聚合中单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量无化学计量上的变化，引发剂会结合到聚合物分子链上。3 收集数据资料1 生产规模。设计任务书中规定的年产量2 生产时间。年工作日： 相关技术指标见表 3-1。表3-1 技术指标工程内容技术指标工程名称技术指标聚合物后处理缺失率丙烯酸中和度原料 NaOH 水溶液浓度 中和用 NaOH 水溶液浓度单体水溶液浓度

24、2%聚合物质量100% 摩尔）99%质量）30%质量）45%质量）引发剂用量引发剂水溶液浓度分散稳固剂用量分散介质用量0.2%单体质量50% 质量标准。原料 NaOH 溶液浓度为 99%。其他原料均视为纯物质。由于只对聚合工序做物料衡算，所以不用考虑产品的其他质量指标。5 化学变化参数。加入的NaOH 能够与丙烯酸完全反应，生成丙烯酸钠。各组分相对分子质量如下：丙烯酸=72.06，氢氧化钠 =40，丙烯酸钠 =94.06，水=18。聚合反应过程中单体完全参与反应，转化率可视为100%，单体与聚合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有增加。可编辑资料 - -

25、- 欢迎下载精品名师归纳总结(4) 挑选运算基准与计量单位由于是间歇操作过程，所以基准为“批”。(5) 确定运算次序由于产物与原料之间的化学运算关系比较简洁，且整个工艺过程比较简洁， 简洁得到产物量与单体原料投料量之间的比例关系，所以采纳顺流程的运算次序。6 运算主要原料 引发剂 单体 100%转化成聚合物，且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同。3 丙烯酸相对分子质量：单体相对分子质量=： 丙烯酸投料量为：7 顺流程设备绽开运算1 中和釜物料衡算已知：丙烯酸中和度 100%、丙烯酸相对分子质量 72.06、NaOH 相对分子质量 40、单体相对分子质量 94.06原料丙烯酸钠的质量为 17731.4kg反应需纯 NaOH 的质量为： 30%NaOH 中含水的质量为： 就 30%NaOH 的质量为： 单体丙烯酸钠的质量：45