年产3500t聚丙烯酸树脂工艺设计报告

1中国石油大学（北京）成人教育毕业设计（论文）聚合物合成工艺课程设计---材料科学与工程专业题目：年产3500t聚丙烯酸树脂工艺流程设计姓名：学号：专业：材料科学与工程专业班级：指导教师起止日期2013年月日年产3500t聚丙烯酸树脂工艺流程设计2摘要该报告就选题目的和意义简单的介绍，研究本课题的意义和动机是什么，具体内容涉及到设计背景、聚合发放介绍、聚合工艺流程图、聚合工艺流程、聚合物合成工艺的物料衡量、聚合物反应器的设计以及最后的总结！关键词：聚丙烯酸树脂；工艺流程；动机；意义；设计背景；研究内容；研究重点、难点；方法介绍；物料衡算；反应器设计；总结目录3一、设计背景............................................41、聚丙烯酸树脂的性能..........................................42、聚丙烯酸树脂的用途..........................................53、聚丙烯酸树脂的发展趋势......................................5二、聚合方法介绍........................................61、反相悬浮聚合................................................6三、聚合工艺流程图......................................8四、聚合工艺流程........................................91、工艺流程简介.................................................92、工艺流程分析.................................................9反应方程式...................................................9收集数据.....................................................9五、聚合物合成工艺的物料衡算............................111、主要原料（丙烯酸）投料数量.................................112、中和罐物料衡算.............................................113、NaOH调配罐物料衡算.........................................124、分散介质调配罐物料衡算.....................................125、聚合反应器物料衡算.........................................126、引发剂调配罐物料衡算.......................................127、整理并校核计算结果.........................................13六、聚合物反应器的设计.................................131、反应器的类型................................................132、反应器体积的设计............................................133、外形尺寸的设计..............................................144、搅拌装置的设计..............................................15七、设计总结...........................................16八、参考文献...........................................164第一章设计背景1、聚丙烯酸树脂的性能聚丙烯酸树脂是一种新型功能高分子材料。它具有吸收比自身重几百到几千倍水的高吸水功能，并且保水性能优良，一旦吸水膨胀成为水凝胶时，即使加压也很难把水分离出来。因此，它在个人卫生用品、工农业生产、土木建筑等各个领域都有广泛用途。聚丙烯酸树脂是一类含有亲水基团和交联结构的大分子，最早由Fanta等采用淀粉接枝聚丙烯腈再经皂化制得。按原料划分，有淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纤维素系(羧甲基化、接枝物等)、合成聚合物系(聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等)几大类。其中聚丙烯酸系聚丙烯酸树脂较淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点，成为当前该领域的研究热点。目前世界聚丙烯酸树脂生产中，聚丙烯酸系占到80%。聚丙烯酸树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高5分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。当水中含有少量盐类时，反渗透压降低，同时由于反离子的屏蔽作用，使高分子链收缩，导致树脂的吸水能力大大下降。通常，聚丙烯酸树脂在0.9%NaCl溶液中的吸水能力只有在去离子水中的1/10左右。2、聚丙烯酸树脂的用途目前其主要用途仍然是卫生用品，约占市场总量的70％左右。由于聚丙烯酸钠聚丙烯酸树脂吸水能力很大，并具有优异的保水性能，所以作为土壤保水剂在农业、林业方面应用范围很广。如果在土壤中加入少量的高吸水性聚丙烯酸钠，就能提高某些豆类的发芽率和豆苗的抗旱能力，使土壤的透气性能增强。另外，由于聚丙烯酸树脂的亲水性及优良的防雾性和抗结露性能，所以又可作为新的包装材料。利用高吸水聚合物独特性能制成的包装薄膜可有效地保持食品鲜度。在化妆品中加入少量的高吸水聚合物，还可使其乳液粘度增大，是一种理想的增稠剂。利用高吸水聚合物只吸水不吸油或有机溶剂的特点，在工业上又可作为脱水剂。由于高吸水聚合物具有无毒、对人体无刺激性、无副反应、不引起血液凝固等特点，近年来，已被广泛应用于医药领域。例如，用于含水量大、使用舒适的外用软膏；生产能吸收手术及外伤出血和分泌液，并可防止化脓的医用绷带及棉球；制造能使水分和药剂通过而微生物不能透过的抗感染性人造皮肤等。3、聚丙烯酸树脂的发展趋势随着科学技术的发展，环境保护已越来越受到人们的关注。如果将高吸水聚合物装入到一个可溶于污水的袋中，并将此袋浸入污水中，当袋子被溶解后，高吸水聚合物就可迅速地吸收液体而使污水固体化。在电子工业中，高吸水聚合物还可用作湿度传感器、水分测量传感器及漏水检测器等。高吸水聚合物可作为重金属离子吸附剂及吸油材料等。6近年来，国内外有关交联聚丙烯酸耐盐性高分子吸水树脂的制备方法有很多报道，如于祖荣等提出采用甲醇对树脂进行处理；任敬福、张林香等采用活化高岭土作为树脂添加剂；Bailey等采用纤维素酯或醚和丙烯酸酯接枝共聚；Rebre、小林隆俊采用了不同的悬浮稳定剂。这些研究虽然在一定程度上提高了所制备的聚丙烯酸树脂的耐盐性但是仍没有解决吸盐水能力不强的问题，且有的方法后处理工艺复杂，提高了树脂的成本。总之，高吸水聚合物是一种用途非常广泛的高分子材料，大力开发高吸水聚合物树脂具有巨大的市场潜力。今年在我国北方大部分地区干旱少雨的情况下，如何进一步推广和使用高吸水聚合物，是摆在农业和林业科技工作者面前的一项迫切任务。在西部大开发战略实施过程中，在改良土壤的工作中，大力开发和应用高吸水聚合物的多种实用功能，具有现实的社会效益和潜在的经济效益。聚丙烯酸树脂是一种新型功能高分子材料，在工业上具有广泛的用途。由于其高的吸水和保水性能，近年来在种苗培育以及困难立地造林领域正越来越受到关注。但传统的聚丙烯酸树脂普遍存在吸收纯水能力较强而吸收盐水能力不足的问题，限制了聚丙烯酸树脂在农林领域的应用[4]。从组成来说，聚丙烯酸树脂主要有丙烯酸接枝淀粉(纤维素)类和聚丙烯酸盐两大类。其中，后者因为制备工艺相对简单、稳定性高、不易霉变，是目前市场超强吸水树脂的主要品种。第二章聚合方法介绍1、反相悬浮聚合迄今已开发出来的高吸水性树脂有淀粉类、纤维素类和合成树脂类。合成树脂类(尤其是聚丙烯酸)则具有原料来源丰富、合成工艺简单、能够防霉防变、吸水率高等优点，是当前市场上占绝对优势的品种。聚丙烯酸盐类高吸水性树脂主要采用溶液聚合法和反相悬浮法合成。如果聚合物不溶于单体溶液里，液滴中就会形成沉淀，这样就会形成不透明且通常为非规则形状的颗粒。而如果形成的聚合物部分溶于单体溶液中，那最终产物的组成就很难预测了。聚合产生的颗粒可以应用于很多技术中，比如模塑。然而它们的最大应用还是在色谱分离领域中作为分离材料（比如离子交换树脂，酶固载支撑材料）得以应用。这种应用通常需要大的比表面积，即在珠状颗粒内部结构中产生所需要尺寸大小的孔洞。聚合7物珠子怎样才可以做到内部有孔可以在单体相中引入一种惰性稀释剂，也可以叫它做致孔剂。聚合结束后将它提取出来。其它添加剂可以包括紫外稳定剂（芳香酮或芳香酯），热稳定剂（乙烯氧衍生物，无机金属盐），模润滑剂以及泡沫剂[5]。其中反相悬浮法具有反应热易排除、聚合过程稳定、能够直接得到粒状产品、无须粉碎工序、产品易干燥、产物的综合吸水性能好等优点，采用反相悬浮法能够合成医疗卫生用品所需的高品质吸水性树脂，在我国具有广阔的应用前景[2]。8第三章聚合工艺流程图V101V102T101T102V101P101P102V102V103P103R101V104无离子水A无离子水B正庚烷分散稳定剂引发剂无离子水C聚合物混合液9第四章聚合工艺流程1、工艺流程简介来自T101中的纯丙烯酸用原料泵P102分批加入V102中。T102NaOH水溶液的浓度为50%，在V101中被稀释成浓度为30%的溶液，然后按一定比例缓慢加入V102中与丙烯酸进行中和反应，得到中和度为75%的丙烯酸与丙烯酸钠混合物（简称单体），再加入适量水，得到单体浓度为45%的溶液。正庚烷与一定量的分散稳定剂在V103中进行配制得到分散液，其按比例与单体溶液共同进入反应器R101中，然后加入在V104中配制好的引发剂浓度为50%的水溶液[6]。反应大约进行2.5小时。反应结束后，聚合物混合液被送至分离工序及后处理工序进行分离、干燥、包装等处理，得到最终产物。正庚烷经蒸馏处理后循环使用。2、工艺流程分析反应方程式①在V101、V103、V104中是单纯的物料混合配制，无相变化与化学变化。②在V102中75%的丙烯酸被中和，中和反应方程式如下：222CH=CH―COOH+NaOHCH=CH―COONa+HO③在R101中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。收集数据①生产规模：规定的年产量（生产能力）：3500t②生产时间：年工作日：330d间歇操作，V101、V102、V103、R101每天8批，V104由于引发剂用量很少，所以每天配制一批即可。③质量标准：原料NaOH溶液浓度为50%，其他原料均视为纯物质。因为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。④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表1所示：10表1各组分相对分子质量化合物丙烯酸NaOH丙烯酸钠2HO单体混合物相对分子质量72409418M混其中：75%中和的丙烯酸单体混合物的平均相对分