聚丙烯酸丙烯酸钠的合成工艺流程设计模板.doc
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1、常熟理工学院-材料科学和工程专业聚合物合成工艺课程设计 题目:聚丙烯酸-丙烯酸钠合成工艺步骤设计姓 名: 田江 学 号: Z15114128 专 业: 材料科学和工程专业班 级: 高分子材料141班 指导老师 耿 飞 起止日期 .12.08.12.28目录第1章序言11.1 聚丙烯酸介绍11.2 聚丙烯酸钠介绍11.3 聚丙烯酸-丙烯酸钠应用21.4 高分子量聚丙烯酸钠需求、生产和应用前景4第2章聚丙烯酸-丙烯酸钠合成原理62.1 合成原理62.2 合成反应方程式62.3合成原料和各原料性质62.4分散剂选择72.5 反相悬浮聚合及相关高分子化学及物理原理82.6选择反向乳液聚合原因9第3章聚
2、合物合成工艺设计103.1聚合物生产工艺步骤图103.2聚合物合成工艺步骤图113.3工艺步骤分析12第章聚合物合成工艺物料衡算及效益估算144.1关键原料丙烯酸()投料量144.2 V102(中和罐)物料衡算144.3(NaOH溶液调配罐)物料衡算154.4 V103(分散介质调配罐)物料衡算164.5 R101(聚合反应器)物料衡算174.6 V104(引发剂调配罐)物料衡算174.7整理并校核计算结果18第章 聚合反应反应设备设计205.1反应器形式选择205.2釜式反应器选择原因215.3反应器体积计算215.4外形尺寸设计235.5搅拌器设计245.6分离设备245.7干燥设备25第
3、6章 建设工程及公用、辅助工程说明276.1建设工程说明276.2生产车间部署276.3给水、排水系统276.4电力供给及生产控制286.5车间部署图28第7章 概算和技术经济.29 7.1成本预算29 7.1.1原料成本29 7.1.2其它成本297.2利润预算307.3应用前景307.4市场前景317.5产品销售市场31第8章 环境保护、劳动安全和工业卫生338.1丙烯酸安全使用和储存338.2环境保护治理方法35第8章设计总结37设计总结:37参考文件38第1章序言1.1 聚丙烯酸介绍聚丙烯酸,英文名是 Polyacrylic acid,缩写为PAA,结构式为CH2CH(COOH)n;无
4、色或淡黄色液体。能和金属离子、钙、镁等形成稳定化合物,对水中碳酸钙和氢氧化钙有优良分解作用。用于水处理本品分子量通常在-5000,可和水互溶、溶于乙醇、异丙醇等。呈弱酸性,Pka为4.75。在300以上易分解。PAA(S)常和其它水处理剂组成配方使用,用作电厂、化工厂、化肥厂、炼油厂和空调系统等循环冷却水系统中阻垢分散剂。具体配方及用量依据现场水质及设备材质情况由试验而定。单独使用,通常使用浓度为115mg/L。本品除含有阻垢性能外,还能对泥土、腐蚀产物等无定性物含有分散作用,是一个分散剂。单独用量在2-15mg/L。常和缓蚀剂复配复合水稳剂使用,含有增效作用;还含有吸水作用。1.2 聚丙烯酸
5、钠介绍 聚丙烯酸钠,英文名Sodium polyacrylate,缩写PAAS或简称PAA-Na,结构式为CH2CH(COONa)n。是种水溶性高分子化合物。商品形态聚丙烯酸钠,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。因中和程度不一样,水溶液pH通常在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。 分子式:C3H3O2Nan 分子量:通常103-107数量级 图1.2水溶性直链高分子聚合物。小相对分子质量为液体,大可为固体。固体商品为白色粉末或颗粒,无臭
6、无味,遇水膨胀,易溶于苛性钠水溶液。吸湿性极强。含有亲水和疏水基团高分子化合物。缓慢溶于水形成极粘稠透明液体,粘性并非吸水膨润(如CMC,海藻酸钠)产生,而是因为分子内很多阴离子基团离子现象使分子链增加,表现粘度增大而形成高粘性溶液。其粘度约为CMC、海藻酸钠15-20倍。加热处理、中性盐类、有机酸类对其粘性影响很小,碱性时则粘性增大。不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。强热至300度不分解。久存粘度改变极小,不易腐败。易受酸及金属离子影响,粘度降低。遇足量二价以上金属离子(如铝、铅、铁、钙、镁、锌)形成其不溶性盐,引发分子交联而凝胶化沉淀。不过二价金属离子量少时仍为溶液,所以可作为洗涤助剂,起到预防
7、污垢再沉积作用。pH=4.0以下时可能产生沉淀。伴随相对分子质量增大,聚丙烯酸钠自无色稀溶液至透明弹性胶体乃至固体。性质、用途也随相对分子质量不一样而有显著区分。相对分子质量在1000-10000,可作为分散剂,应用于水处理(分散剂或阻垢剂)、造纸、纺织印染、陶瓷等工业领域。用作造纸涂布分散剂时,相对分子质量在-4000,涂料浓度在6570时,仍可有良好流变性和熟化稳定性。分子量在1000-3000之间,用作水质稳定剂和黑液浓缩时结垢控制剂。分子量在10以上,用作涂料增稠剂和保水剂,可使羧基化丁苯胶乳、丙烯酸酯乳液等合成胶乳黏度增加,避免水分析出,保持涂料体系稳定。分子量在10以上,用作絮凝剂
8、。还可用作高吸水性树脂,土壤改良剂,和在食品工业中作增黏剂、乳化分散剂等。1.3 聚丙烯酸钠应用图1.3 不一样聚合度聚丙烯酸钠功效及应用1.3.1低相对分子质量聚丙烯酸钠应用低相对分子质量聚丙烯酸钠含有广泛用途,尤其是相对分子质量小于2104聚丙烯酸钠应用更为快速,在日用化工领域关键用作水溶性表面活性剂、洗涤助剂等。因为聚丙烯酸钠含有螯合多价离子、分散污垢团粒和钙皂作用,在污垢颗粒上有很强吸附力,能提升阴离子表面活性剂去污力。而且它含有良好热稳定性和较强抗冷水、硬水能力,生物降解度高;在特种洗涤剂、清洗粉中可部分替换三聚磷酸钠以降低对环境污染。低相对分子质量聚丙烯酸钠有良好水溶性和较大极性,
9、能够结合水中钙、镁等多价离子形成可溶链状阴离子体,所以它在工业热交换设备中应用较广,关键用作锅炉防垢和阻垢用剂量在5005000低相对分子质量聚丙烯酸钠关键起分散剂作用。在石油工业油田化学领域用作降黏剂和钻井泥浆稳定剂等2;在涂料、造纸、陶瓷及纺织工业用作颜料分散剂1;另外在金属材料中用作新型淬火剂;在橡胶工业用作增稠剂;在氯化铵等无机盐中作防结块剂;在采矿中作矿物浮选剂。它在食品工业、皮革工业、印刷业、塑料工业、医学、药学及金属离子废液金属回收等方面也见到应用。1.3.2中、 高相对分子质量聚丙烯酸钠应用中、高相对分子质量聚丙烯酸钠易溶于水,且其COO-吸附和结构上空间效应影响,使溶液中少许
10、正电荷离子以沉淀形式沉聚出来。故中、高相对分子质量聚丙烯酸钠作为絮凝剂可用于电解食盐水精制、氧化铝生产中成赤泥分离及工业污水处理等方面。中、高相对分子质量聚丙烯酸钠在生物方面对动植物蛋白絮凝有特效作用,能够用于回收食品工业废水中大量蛋白质。高相对分子质量聚丙烯酸钠能产生宽广范围黏度和流动性,低添加量可产生高黏度,且产品黏度受环境温度影响较小。还能使不溶性组分永久悬浮于体系中,有利于提升产品稳定性,延长成品储存期。所以它在日用化学工业中常见作化妆品(如面膜、护肤霜等)增稠剂,对化妆品乳液稳定性起着相当关键作用,配方师无须受各原料之间兼容性限制,使疗效性化妆品更趋于功效化、多元化;利用其成膜性制成
11、头发定型剂、喱水等。还可用作食品保鲜剂。因为中、高聚丙烯酸钠无毒又溶于水,食用前稍加洗涤即可除去。且聚丙烯酸钠在食品表层能形成一层高分子膜,可使食品隔绝空气,聚丙烯酸钠对金属离子螯合作用也有利于预防食品腐败。在石油工业油田化学领域,可用作钻井液增黏剂、降滤失剂及黏土稳定剂等;在冶金方面,用作铸造过程砂型黏合剂,使砂型耐用铸件质量好;在纺织方面,可用于合成纤维改性,使化纤印染牢靠、耐晒且光泽鲜艳;将其加入到陶瓷坯体用作陶瓷料浆减水剂,且对坯体干燥强度有一定增强作用。另外还可用于墙体材料黏结剂、农药防漂散剂;酸化液及制药等方面增稠剂等等。1.3.3聚丙烯酸钠高吸水性树脂应用因为聚丙烯酸钠高吸水性树
12、脂具吸水量大、保水性强和安全无毒等特点,使其在很多领域广泛应用,其产品形态很多,不一样形态分别满足不一样用途。在日化工业中应用最为广泛,如化妆品方面,在制造护肤霜、香水和花露珠等化妆品过程中可加质量分数0.5%1.0%高吸水性树脂,既可预防香料和酒精挥发又可保持香味持久,还起保水增稠、滋润皮肤作用。因为聚丙烯酸钠高吸水性树脂含有亲水性基团,使其在水、酒精中溶解性好,所以用它作头发定型剂,在干燥时有耐潮性,但洗发时又含有亲水性易去除。在染发剂中加入聚丙烯酸钠高吸水性树脂,可提升染发效果;另外还可作为增稠剂、杀菌剂来配制营养型药品型化妆品。在留香材料方面,利用高吸水性树脂对香料有很好吸附作用和缓慢
13、释放作用,制成空气新鲜胶、飘香纸和芳香凝胶片香味持久。在卫生用具方面,如夹到多层片当中粉状树脂可制成儿童纸尿片和妇女卫生巾,含有质量轻、吸液量大和保水性好等优点;还可制成成人用尿袋、纸巾、毛巾和鞋垫等。另外聚丙烯酸钠高吸水性树脂还可用作食品保鲜包装材料和食品增稠、保形添加剂(高吸水性树脂添加量通常小于0.2%)。在农林和园艺方面,可用于农作物育种。将树脂凝胶涂敷在种子表面,利用其吸水保水作用,提升种子发芽率和发芽速率。可作为化肥缓释剂,如把固氮细菌或植物生长微量营养元素和树脂混合使用可提升作物产量。高吸水性树脂还可用做土壤保湿剂,改良沙土地和土壤造田,这对人多地少中国含有深远意义。在人工造林中
14、,用聚丙烯酸钠高吸水性树脂处理种树,可提升飞机播种出苗率;在苗圃移植之前用高吸水性树脂处理幼苗根部,可预防根部水分遗失,提升幼苗成活率,中国在这方面应用尚处于试验阶段。因为聚丙烯酸钠高吸水性树脂吸水后形成凝胶比较柔软,含有些人体适应性,如对人体皮肤无刺激、无副反应、不发生炎症且不引发血液凝固等,这些全部为其在医药方面应用发明了条件。多年来聚丙烯酸钠高吸水性树脂已初步应用于医药各个方面,如用于保持部分被测液医用检验试片;制成含水量大、使用舒适外用软膏;能吸收手术及外伤出血和分泌液、并可预防化脓医用绷带和棉球;能使水分和药品经过而微生物不能经过抗感染性人造皮肤、人造骨骼、人工肌肉和长久有效凝胶避孕
15、药等;另外聚丙烯酸钠高吸水性树脂在隐形眼镜和缓释药品基材等制造过程中得到应用。土木建筑方面,利用高吸水性树脂水膨润性能,可制备水溶性密封胶、密封件、管路施工润滑剂、防节露壁纸和顶板衬垫止水板等,达成以水制水目标;还可用于制备高强度混凝土、嵌条玻璃表面防雾剂等。另外聚丙烯酸钠高吸水性树脂还可用于人工雪、电子材料、涂料及消防等各个领域。1.4高分子量聚丙烯酸钠需求、生产和应用前景高分子量聚丙烯酸钠关键用于氯碱、纯碱行业盐水精制,铝厂红泥沉降,味精厂废水蛋白质回收等行业。纯碱被大量使用于玻璃、洗涤剂、金属冶炼等行业,中国纯碱生产企业数量约为全球纯碱生产厂家总和二分之一,产能和产量均已达成世界纯碱总能
16、力和总产量1/3,超出万吨,在世界纯碱工业中占相关键地位。同时中国烧碱产量也达成万吨。 现在,在这两碱行业生产中,盐水精制过程大多一直使用聚丙烯酰胺和苛化淀粉,小部分使用聚丙烯酸钠,关键是因为表面看聚丙烯酸钠价格贵,而忽略聚丙烯酸钠用量少,效果好特点。因为用PAM存在盐水质量上不去缺点,伴随聚丙烯酸钠应用推广,越来越多企业倾向于使用聚丙烯酸钠。按烧碱年产万吨,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,每十二个月需要消耗聚丙烯酸钠将达成4000吨。纯碱年产万吨,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谷氨酸
17、母液含有大量蛋白质,现在大多数厂家没有进行回收利用,假如采取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SS和COD含量,降低后续处理有机负荷。商品味精产量为256.44万吨,按生产每吨味精消耗聚丙烯酸钠1.5kg计,每十二个月需用聚丙烯酸钠约4000吨。 在铝厂赤泥沉降处理中现在大多使用麦麸或分子量低于1000万胶体聚丙烯酸钠,高分子量聚丙烯酸钠因为使用条件还没有根本探讨,存在对赤泥种类适应性问题,还不能广泛使用,伴随对其使用研究深入,聚丙烯酸钠在赤泥分离中应用将会快速增加5。 由以上分析可见高分子量聚丙烯酸钠在很多领域全部广泛使用,不过现在在中国企业使用高分子量聚丙烯酸钠
18、,国外产品还占相当大百分比。中国多年已经有生产,不过生产厂家不多,生产能力较小,其中还包含胶体产品,所以可见在中国高分子量聚丙烯酸钠生产缺口还很大,有必需增加其生产,以满足中国需求。所以建设高质量使用性能好聚丙烯酸钠生产厂是很必需。第2章聚丙烯酸-丙烯酸钠合成原理2.1 合成原理 未经交联聚丙烯酸钠是一个水溶性聚电解质类聚合物,经过交联可给予聚丙烯酸钠高吸水性。聚丙烯酸钠羧酸钠侧基遇水后,电离成羧酸根和Na+ ,Na+ 在水中可移动离子,主链网络骨架则均为带负电阴离子,不能移动,其间排斥作用产生网络扩张动力。Na+含有一定活动性,但因为受网络骨架相反电荷吸引、束缚,使得Na+存在于网络中,这么
19、网络内部Na+浓度大于外部水中Na+浓度,离子网络内外产生渗透压力,加上聚电解质本身-COONa 基团亲水能力很强,水能在很短时间内大量进入网络。因为水深入渗透,部分Na+ 脱离高分子链向溶剂区扩散,造成渗透压下降,又造成高分子上带净电荷,因为静电排斥,引发高分子链扩展,高分子链扩展又造成高分子网络弹性收缩,这多个作用达成平衡时,就决定了其吸水性能。高吸水性树脂三维空间网络孔径愈大,网络结构愈大,吸水倍率就愈高。反之,孔径愈小,吸水倍率愈低。 聚丙烯酸钠高吸水性树脂能吸收大量水,而且保水性能优异。假如环境干燥,会放水,环境潮湿会吸水。添加少许高吸水性聚丙烯酸钠土壤,能提升一些豆类发芽率和豆苗抗
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