年产3500t聚丙烯酸树脂工艺设计报告

1、中国石油大学（北京）成人教育中国石油大学（北京）成人教育 毕毕 业业 设设 计（论文）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 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

2、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 目录目录 一、设计背景一、设计背景 .2 2 1、 聚丙烯酸树脂的性能 .3 2、 聚丙烯酸树脂的用途 .3 3、 聚丙烯酸树脂的发展趋势 .4 二、聚合方法介绍二、聚合方法介绍 .5 5 1、 反相悬浮聚合 .5 三、聚合工艺流程图三、聚合工艺流程图 .6 6 四、聚合工艺流程四、聚合工艺流程 .7 7 1、工艺流程简介 .7 2、工艺流程分析 .7 反应方程式.7 收集数据.7 五、聚合物合成工艺的物料衡算五、聚合物合成工艺的物料衡算 .9 9 1、 主要原料（丙烯酸）投料数量 .9 2、 中和罐物料衡算 .9 3、

3、NaOH 调配罐物料衡算.10 4、 分散介质调配罐物料衡算 .10 5、 聚合反应器物料衡算 .10 6、 引发剂调配罐物料衡算 .10 7、 整理并校核计算结果 .11 六、六、 聚合物反应器的设计聚合物反应器的设计 .1111 1、反应器的类型 .11 2、反应器体积的设计 .11 3、外形尺寸的设计 .12 4、搅拌装置的设计 .14 七、设计总结七、设计总结 .1414 八、参考文献八、参考文献 .1515 第一章第一章 设计背景设计背景 1 1、 聚丙烯酸树脂的性能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

4、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

5、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

6、.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

7、，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 3、 聚丙烯酸树脂的发展趋势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

8、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。 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

9、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

10、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。 第二章第二章 聚合方法介绍聚合方法介绍 1 1、 反相悬浮聚合反相悬浮聚合 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

11、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

12、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。 第三章第三章 聚合工艺流程图聚合工艺流程图 V101 V102 T101 T102 V101 P101 P102 V102 V103 P103 R101 V104 无无离离子子水水A 无无离离子子水水B 正正庚庚烷烷 分分散散稳稳定定剂剂 引引发发剂剂无无离离子子水水C 聚聚合合物物混混合合液液 第四章 聚合工艺流程 1 1、工艺流程简介、工艺流程简介 来自中的纯丙烯酸用原料泵分批加入中。NaOH 水溶T101P102V102T102 液的浓度为，在中被稀释成浓度为的溶液，然后按一定比例缓慢50%V10130%

13、 加入中与丙烯酸进行中和反应，得到中和度为的丙烯酸与丙烯酸钠V10275% 混合物（简称单体） ，再加入适量水，得到单体浓度为的溶液。正庚烷与45% 一定量的分散稳定剂在中进行配制得到分散液，其按比例与单体溶液共同V103 进入反应器中，然后加入在中配制好的引发剂浓度为的水溶液R101V10450% 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 2、工艺流程分析、工艺流程分析 反应方程式反应方程式 在、中是单纯的物料混合配制，无相变化与化学变化。V101V103V104 在中的丙

14、烯酸被中和，中和反应方程式如下：V10275% 222 CH =CHCOOH+NaOHCH =CHCOONa+H O 在中引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下：R101 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。 收集数据收集数据 生产规模：规定的年产量（生产能力）：3500t 生产时间：年工作日：330d 间歇操作，、每天 8 批，由于引发剂用V101V102V103R101V104 量很少，所以每天配制一批即可。 质量标准：原料 NaOH 溶液浓度为，其他原料均视为纯物质。因为只50% 对聚合工序做物料衡算，

15、所以不用考虑产品的其他质量指标。 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： 表 1 各组分相对分子质量 化合物丙烯酸 NaOH 丙烯酸钠 2 H O 单体混合物 相对分子质量 72409418M混 其中：中和的丙烯酸单体混合物的平均相对分子质量：75% M72 0.2594 0.7588.5 混 聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为，单体混合物与聚100% 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。 选择计算基准与计算单位 因为是间歇操作过程，所以基准为“批” ，单位为 B/d。大

16、部分设备的操作 周期为 8B/d，只有（引发剂调配罐）是 1B/d。但引发剂向进料周期V104R101 仍与其他设备相同，所以在做物料衡算时，物料的数量仍以 8B/d 计算。在M11 做设备工艺计算时，的体积大小应按 1B/d 处理量进行。V104 表 2 技术指标 项目内容技术指标 聚合后处理损失率 3%聚合物质量 丙烯酸中和度（摩尔）75% 原料 NaOH 水溶液浓度（质量）50% 中和用 NaOH 水溶液浓度（质量）30% 单体水溶液浓度（质量）45% 引发剂用量单体质量0.2% 引发剂水溶液浓度（质量）50% 分散稳定剂用量单体质量2% 散介质（正庚烷）用量与单体质量为 4:1 正庚烷

17、循环用量正庚烷总用量90% 1 380.19k208.07-1078.89-1667.15 Bg 第五章第五章 聚合物合成工艺的物料衡算聚合物合成工艺的物料衡算 1、 主要原料（丙烯酸）投料数量主要原料（丙烯酸）投料数量 用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须先求出主要原料（丙烯酸）每批投 料量。该生产装置年产量 3500t，年开工 330d，每天生产 8 批，后处理中聚合 物损失率 3%。 每批应生产聚合物数量= 引发剂（0.2%单体质量）全部结合到聚合物中； 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； 丙烯酸相对分子质量：单体平均相对分子质量=72：88

18、.5 丙烯酸投料量= 2 2、 中和罐物料衡算中和罐物料衡算 已知：丙烯酸中和度=75%、丙烯酸相对分子质量=72、NaOH 相对分子质量 =40、单体相对分子质量=88.5 M1（原料丙烯酸）= M4（30%NaOH 溶液）： NaOH： H2O： 合计： M6（45%单体溶液）： 单体： H2O： 合计： M5（无离子水 B） 对中组分水做物料衡算有：V102 中和反应生成水 M5M6M4 水水水 中和反应生成水： 无离子水 B： 1 3 76.1366 0.978330 103500 Bkg 1 72.1109 5 . 88 72 0.002)(1 1366.76 Bkg 1 72.11

19、09 Bkg 1 38.462 72 40 75 . 0 72.1109 Bkg 1 89.1078 3 . 0 7 . 0 38.462 Bkg 1 27.154189.107838.462 Bkg 1 k03.1364 72 5 . 88 72.1109 Bg 1 1667.15k 45 . 0 55 . 0 03.1364 Bg 1 3031.18k1667.1503.1364 Bg 1 208.07k 40 18 462.38 Bg 对 V102 做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M1+M4+M5=M6 1109.72+1541.27+380.19=3031.18=M6（

20、说明物料衡算是正确的） 3 3、 NaOHNaOH 调配罐物料衡算调配罐物料衡算 M2 （50%NaOH 浓溶液） NaOH： H2O： 合计： M3 （无离子水 A）： 对 V101 做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M2+M3=M4 924.76+616.51=1541.27=M4（说明物料衡算是正确的） 4 4、 分散介质调配罐物料衡算分散介质调配罐物料衡算 已知：正庚烷：单体=4：1、分散稳定剂=2%单体质量 M7 （正庚烷）= M8 （分散稳定剂）= M9 （分散液）= 5 5、 聚合反应器物料衡算聚合反应器物料衡算 M10 （待聚合液）= M4+M9 单体： H2O：

21、 正庚烷： 分散稳定剂： 合计： M11 （引发剂水溶液） 已知：引发剂用量=0.2%单体质量、引发剂水溶液浓度=50%（质量） 引发剂： H2O： 合计： M12 （聚合物混合物） 分散稳定剂： 正庚烷： H2O： 聚合物： 合计： 对 R101 做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M10+M11=M12 8514.22+5.46=8519.68=M12（说明物料衡算是正确的） 6 6、 引发剂调配罐物料衡算引发剂调配罐物料衡算 已知：引发剂溶液每天配一批，供 8 批反应使用。 M13 （引发剂）： M14 （H2O）： 1 k Bg 1 k Bg 1 k Bg 1 k Bg 1

22、 5456.12k41364.03 Bg 1 26.92k0.021364.03 Bg 1 5483.04k26.9212.5456 Bg 1 k Bg 1 k Bg 1 k Bg 1 k Bg 1 k Bg 462.38 462.38 924.76462.38462.38 616.51462.38-1078.89 1364.03 1667.15 5456.12 26.92 8514.2226.925456.121667.151364.03 1 73kg . 2 002 . 0 03.1364 B 1 73kg . 2 B 1 .46kg573. 273 . 2 B 26.92 1 k Bg

23、5456.12 1 k Bg 1 1669.88kg73 . 2 1667.15 B 1 1366.76kg73. 21364.03 B 1 kg68.851992.2612.545688.16691366.76 B 1 kg84.21873. 2 B 1 kg84.21873. 2 B 7 7、 整理并校核计算结果整理并校核计算结果 对聚合工艺做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有： M1+M2+M3+M5+M7+M8+M11=M12 1109.72+924.76+616.51+380.19+5456.12+26.92+5.46=8519.68=M12 说明整个聚合工艺的物料衡算过程

24、是正确的。 第六章第六章 聚合物反应器的设计聚合物反应器的设计 1 1、反应器的类型：、反应器的类型：釜式反应器。 这类反应器通常设有搅拌装置，所以又称为搅拌釜反应器（stirred-tank reactor） 。搅拌装置的主要作用是强制物料流动，强化传热与传质效果；使物料 充分接触，均匀混合；强化表面更新作用，有利于小分子组分汽化；使非均相 物料分散。因此搅拌釜反应器对各种反应体系适应性强，操作弹性大，使用温 度和压力范围广，既可用于间歇操作，又可用于连续操作。用于间歇操作时， 生产活性大，更换品种方便，适应市场需求能力强。用于连续操作时，反应器 操作过程稳定，产品质量均一，且多釜串联连续操

25、作产量大，因此，搅拌釜反 应器在聚合物合成过程中广泛使用。 2 2、反应器体积的设计：、反应器体积的设计： 求 NaOH 调配罐（V101）体积 取，则7 . 0 求中和罐（V102）体积 33224MMMMM XX 3- 1339 27.1541 89.1078 1000 1541.27 462.38 2130mkg 3 4 4 15 . 1 1339 27.1541 m W V M M R 3 64 . 1 7 . 0 15 . 1 m V V R T 5544116MMMMMMM XXX 3- 68.1190 18.3031 19.380 1000 3031.18 27.1541 133

26、9 3031.18 1109.72 1050mkg 3 3 6 6 64 . 3 7 . 0 55. 2 55m . 2 68.1190 18.3031 m V V W V R T M M R 求分散介质调配罐（V103）体积 求聚合反应器（R101）体积 3- 1111101012 43.859 68.8519 73. 2 1000 68.8519 02.5483 676.66 68.8519 18.3031 1190.68mkg XX MMMMM 3 3、外形尺寸的设计、外形尺寸的设计 标准椭圆封头的体积为，。令 h 为釜体直边高度，H 为 3 131 . 0 D 4 D h 封 反应器釜

27、体总高度，则： D D hhhH5 . 1 2 2 封 取，则有5 . 1/DHDh 3332 047 . 1 )262. 0 4 (131 . 0 2 4 DDDhDVT 反应器属于非标准设备，用于制造反应器的上下封头仍选用标准封头。参 照标准椭圆封头（JB/T 4737-95） ，此处按公称尺寸选定釜体直径为 1。 釜体的直边高度为： 釜体实际高度： 由标准椭圆封头直边高度与直径关系表，取直边高度为 50mm， 釜体圆形直筒部分高度： 反应器的实际体积为： 反应器实际长径比： 779MMM X 3- 66.676 5483.04 5456.12 680mkg 3 3 9 9 57.11 7

28、 . 0 10. 8 10 . 8 66.676 04.5483 m V V m W V R T M M R 3 3 3 12 2 . 2 7 . 0 54 . 1 54 . 1 2443.859 8 24 330 103500 24 m V V m W V R T M Td R m V D T 28 . 1 047. 1 2 . 2 047 . 1 33 m28 . 1 m D VV h T 283 . 1 28 . 1 785 . 0 28 . 1 131 . 0 22 . 2 4 2 2 3 2 封 mhhH923. 128 . 1 4 1 2283. 12 封 m1.1830.052-

29、283 . 1 33232 541. 228 . 1 262 . 0 283 . 1 28 . 1 785 . 0 262 . 0 4 mDhDVT 50 . 1 28 . 1 923 . 1 D H 最高液面： 取体积收缩系数 2 . 0- ，最低液面： 聚合反应器釜体外型尺寸设计表 4 4、搅拌装置的设计、搅拌装置的设计 该釜为反相悬浮聚合，反应釜的容积、结构、材质以及搅拌形式等都影响 聚合过程与产品质量。为增大聚合反应的传热面，可在聚合釜壁附近安置若干 折流板或插入两根 D 型挡板，其内部可通过冷却水以增加传热面积；在釜顶安 置回流冷凝器，可将单体蒸汽冷凝回流，以增加传热面积；在聚合釜夹套中安 装螺旋式导流板，冷却水不走短路时，水对釜壁的导热系数可提高 8 倍以上。 实际生产中所用的搅拌器必须兼具剪切作用和循环作用，适当转速，悬浮 聚合体系达到一定的循环流动和剪切流动，使釜内各部分达到温度均一、浓度 反应器 工艺尺寸 R101 釜体积（m3）2.541 长径比 H/D1.50 釜体内径（m）1.28 直边高度（m）1.283 最高液位（m）1.30 最低液位（m）1.06 釜体实际高度（m）1.923 m D VV hh R 30. 1 28. 1785 . 0 275. 054. 1 32 . 0 785 . 0 22 ma