聚丙烯酸丙烯酸钠的合成工艺流程设计模板.doc

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 1
1.1 聚丙烯酸介绍 1
1.2 聚丙烯酸钠介绍 1
1.3 聚丙烯酸-丙烯酸钠应用 2
1.4 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 6
2.1 合成原理 6
2.2 合成反应方程式 6
2.3合成原料和各原料性质 6
2.4分散剂选择 7
2.5 反相悬浮聚合及相关高分子化学及物理原理 8
2.6选择反向乳液聚合原因 9
第3章　聚合物合成工艺设计 10
3.1聚合物生产工艺步骤图 10
3.2聚合物合成工艺步骤图 11
3.3工艺步骤分析 12
第４章　聚合物合成工艺物料衡算及效益估算 14
4.1关键原料丙烯酸（）投料量 14
4.2 V102(中和罐)物料衡算 14
4.3（NaOH溶液调配罐）物料衡算 15
4.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算 16
4.5 R101（聚合反应器）物料衡算 17
4.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算 17
4.7整理并校核计算结果 18
第５章 聚合反应反应设备设计 20
5.1反应器形式选择 20
5.2釜式反应器选择原因 21
5.3反应器体积计算 21
5.4外形尺寸设计 23
5.5搅拌器设计 24
5.6分离设备 24
5.7干燥设备 25
第6章 建设工程及公用、辅助工程说明 27
6.1建设工程说明 27
6.2生产车间部署 27
6.3给水、排水系统 27
6.4电力供给及生产控制 28
6.5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 29
7.2利润预算 30
7.3应用前景 30
7.4市场前景 31
7.5产品销售市场 31
第8章 环境保护、劳动安全和工业卫生 33
8.1丙烯酸安全使用和储存 33
8.2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[－CH2－CH(COOH)]n－；无色或淡黄色液体。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1～15mg/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[－CH2－CH(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：[C3H3O2Na]n
　　分子量：通常10↑3-10↑7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65％～70％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。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2×104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，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500～5000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，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，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旱能力，而且使土壤透气性增加。高吸水性聚丙烯酸钠可作增稠剂用，少许加入使粘度增加很大，用于化妆品乳液等增稠剂。
2.2 合成反应方程式

2.3 合成原料和各原料性质
丙烯酸：化学纯 氢氧化钠 ：化学纯
过硫酸钾 ：分析纯 庚烷 ：分析纯
Span一60：化学纯 ，成份为单硬脂酸脱水山梨醇酯
表2.3 各原料性质
原料
分子式
相对分
子质量
性质
贮存条件
丙烯酸
C3H4O2
72.06
无色澄清液体，带有特征刺激性气味。它可和水、醇、醚和氯仿互溶。
在13-30℃温度范围内贮存。如发生冻结，要慢慢化冻，切忌急剧加热，熔化温度不得超出40℃。
氢氧化钠
NaOH
40
常温下是一个白色晶体，其液体是一个无色，有涩味和滑腻感液体。
密封保留，用橡胶塞或木塞，不能使用玻璃塞。
庚烷
CH(CH2)5CH3
100.21
一个无色易挥发液，有
麻醉作用和刺激性。
密封阴凉保留。
Span一60
C24H46O6
430.63
淡黄色粉末或块状固体，微有脂肪气味。
贮存于干燥通风处，保质期两年。
过硫酸钾
K2S2O8
270.32
白色结晶，无气味，有潮解性。助燃，具刺激性。关键用作漂白剂、还原剂、摄影药品、分析试剂、聚合促进剂等。
储存于阴凉、干燥、通风良好库房。远离火种、热源。包装密封。
2.4分散剂选择
丙烯酸钠反相悬浮聚合中，单体水溶液需借助油溶性分散剂，使之分散在非极性有机溶剂中形成“油包水”型(W/O)悬浮液，山梨糖醇脂肪酸酐(Span类)和其环氧乙烷加成物(Tween类)是两种最常见非离子型表面活性剂。W/O型反相体系通常选择HLB为3～8span类(如span60等)作为分散剂。
在实际聚合过程中，为了深入降低表面张力，改善分散能力并调整颗粒特征，选择Span类作为主分散，选择Span60，油水界面张力较小，而且浓度>0.75%时聚合过程中体系稳定， 聚合物粘壁较少，产物粒子均匀。故聚合选择Span60作为分散剂。
2.5 反相悬浮聚合及相关高分子化学及物理原理
反相悬浮法聚正当是多年发展起来制备水溶性高分子新方法，这方面研究性文章最早由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，在搅拌和分散剂作用下，分散成微小液滴，在水溶性引发剂作用下聚合反应。
反相悬浮聚正当是以溶剂(油相)为分散介质，经碱部分中和水溶性单体丙烯酸钠，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情况下进行聚合方法。该法处理了水溶液聚正当传热，搅拌困难等问题；且反应条件温和，可直接取得珠状产品，生产聚丙烯酸钠粒径大小可依据用途要求调整，溶剂轻易和聚合物分离，是一个合成聚丙烯酸钠独特方法。缺点是反应过程控制较不稳定；主设备材质要求高；设备投资较大；采取易燃有机溶剂，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。
本设计聚丙烯酸钠生产使用反 相悬浮聚正当，单釜间歇聚合工艺 。采取反相悬浮法合成高分子量聚丙烯酸钠，首先将丙烯酸单体经部分中和，单体溶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） 或水溶性氧化还原引发体系（如过硫酸铵、尿素）引发聚合，生成粉状或粒状沉淀，和溶剂分离后即得最终产品。

2.6选择反向乳液聚合原因
表2.6 水溶液聚合和反相悬浮聚合比较

水溶液聚正当是以水为溶剂，将经碱部分中和后丙烯酸，加入相关助剂、引发剂，然后在一定温度下进行聚合、干燥粉碎而制得方法。该法以水为溶剂，生产过程不产生污染；对主设备要求低，投资省；操作简单，生产效率高；缺点是反应速度快，温度不易控制；但后处理需增加干燥、粉碎、筛分工序，有过细粉末产生。
反相悬浮聚正当是以溶剂(油相)为分散介质，经碱部分中和水溶性单体丙烯酸钠，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情况下进行聚合方法。该法处理了水溶液聚正当传热，搅拌困难等问题；且反应条件温和，可直接取得珠状产品，生产聚丙烯酸钠粒径大小可依据用途要求调整，溶剂轻易和聚合物分离，是一个合成聚丙烯酸钠独特方法。缺点是反应过程控制较不稳定；主设备材质要求高，设备投资较大；采取易燃有机溶剂，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。
因为反向悬浮聚合能生产更高分子量聚丙烯酸钠，所以本试验采取反向悬浮聚合。

第3章 　聚合物合成工艺设计
3.1聚合物生产工艺步骤图
图3.1 聚合物生产工艺步骤图

(1)丙烯酸钠溶液制取：将经计量丙烯酸、适量助剂和经溶解、冷却、计量烧碱溶液进行部分中和，中和后丙烯酸钠，加入适量水，得到浓度为45%单体溶液即丙烯酸钠水溶液。
(2)丙烯酸钠聚合：将中和后丙烯酸钠水溶液和由分散介质和分散稳定剂配制好分散液共同放入反应釜中，并加入适量助剂，在引发剂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)聚合物混合物分离：反应后生成混合物经过离心机分离分散介质和聚合物，再经热水洗涤除去聚合物表面部分残留助剂。
(4)聚丙烯酸钠后处理工序：将分离工序过后聚合物进行干燥、计量包装等处理后，得到聚丙烯酸钠产品。

3.2聚合物合成工艺步骤图

来自T101中纯丙烯酸用原料泵P102分批加入V102中。T102NaOH水溶液浓度为40%，在V101中被稀释成浓度为30%溶液，然后按一定百分比缓慢加入V102中和丙烯酸进行中和反应，得到中和度为75%丙烯酸和丙烯酸钠混合物（简称单体），再加入适量水，得到单体浓度为45%溶液。正庚烷和一定量分散稳定剂在V103中进行配制得到分散液，其按百分比和单体溶液共同进入反应器R101中，然后加入在V104中配制好引发剂浓度为50%水溶液。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。
3.3工艺步骤分析
3.2.1反应方程式
① 在、、中是单纯物料混合配制，无相改变和化学改变。
② 在中丙烯酸被中和，中和反应方程式以下：

③ 在中引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式以下：

丙烯酸自由基聚合中单体相对分子质量和聚合物结构单元相对分子质量无化学计量上改变，引发剂会结合到聚合物分子链上。
3.2.2本设计所包含要求及原材料
① 生产规模。
设计任务书中要求年产量（生产能力）：6500t/a；损失率：2%
② 生产时间。
年工作日：300d/a(24h/d)
间歇操作，、、、天天8批，因为引发剂用量极少，所以天天配制一批即可。
③ 质量标准。
原料NaOH溶液浓度为40%，其它原料均视为纯物质。因为只对聚合工序做物料衡算，所以不用考虑产品其它质量指标。
④化学改变参数。
加入NaOH能够和丙烯酸完全反应，生成丙烯酸钠。各组分相对分子质量如表2-1所表示：
表3.3.1 各组分相对分子质量
化合物
丙烯酸
NaOH
丙烯酸钠

单体混合物
相对分子质量
72
40
94
18

其中：75%中和丙烯酸单体混合物平均相对分子质量：

聚合反应过程中单体完全参与反应，转化率可视为，单体混合物和聚合物之间无化学计量上改变，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。若分子量很大，可忽略不计。
⑤选择计算基准和计算单
因为是间歇操作过程，所以基准为“批”，单位为B/d。大部分设备操作周期为8B/d，只有V104（引发剂调配罐）是1B/d。但引发剂向R101进料周期仍和其它设备相同，所以在做物料衡算时，物料M11数量仍以8B/d计算。在做设备工艺计算时，V104体积大小应按1B/d处理量进行。
表3.3.2 技术指标
项目内容
技术指标
聚合后处理损失率
2% 聚合物质量
丙烯酸中和度
75%（摩尔）
原料NaOH水溶液浓度
50%（质量）
中和用NaOH水溶液浓度
40%（质量）
单体水溶液浓度
45%（质量）
引发剂用量
0.2%单体质量
引发剂水溶液浓度
50%（质量）
分散稳定剂用量
2%单体质量
分散介质（正庚烷）用量
和单体质量为4:1
正庚烷循环用量
90%正庚烷总用量
第４章　聚合物合成工艺物料衡算及效益估算
4.1关键原料丙烯酸（）投料量
用顺步骤计算次序进行物料衡算必需先求出关键原料（丙烯酸）每批投料量。该生产装置年产量6500t，年开工300天，天天生产8批，后处理中聚合损失率2%。每批应生产聚合物数量为：

（1）引发剂（0.2%单体质量）全部结合到聚合物中；
（2）单体100%转化成聚合物，单体相对分子质量和聚合物结构单元相对分子质量相同；
（3）单体混合物平均相对分子质量（丙烯酸中和度为75%）：
可得
丙烯酸相对分子质量：单体平均相对分子质量
丙烯酸投料量
4.2 V102(中和罐)物料衡算
M4
V102
M6
M1
M5

图4.1 V102物料平衡示意图
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；单体平均相对分子质量＝88.5
M1 (原料丙烯酸)= 2243.87kg/B
M4 (40％NaOH溶液)
NaOH：
H2O：
累计：
M6(45%单体溶液)
单体：
H2O：
累计：
M5（无离子水B）
对V102中组分水做物料衡算有：
中和反应生成水
中和反应生成水：

无离子水B：

对V102做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：

即：
说明物料衡算是正确。
4.3 （NaOH溶液调配罐）物料衡算

M2
V101
M4
M3

V101物料衡算示意图
M4(40%NaOH溶液)= kg/B
NaOH： kg/B
H2O： kg/B
M2（50% NaOH浓溶液）
NaOH：kg/B
H2O：kg/B
累计：
对V101中组分水做物料衡算:
M3＝
对做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律得：
即： 说明物料衡算是正确。
4.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算
V103
M7
M8
M9

图3.3 V103物料平衡示意图
已知：正庚烷：单体＝4:1
分散稳定剂＝2%单体质量
M7（正庚烷）
循环正庚烷
新鲜正庚烷
M8(分散稳定剂）
M9(分散液）
对V103做全物料衡算，进行校核。由物料守恒定律得：

即：
说明物料衡算是正确。
4.5 R101（聚合反应器）物料衡算
M10
R101
M1222
M11

物料平衡示意图
M10（待聚合液）＝M6+M9
累计：
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：
累计：
M12（聚合物混合液）
分散稳定剂：kg/B
正庚烷： kg/B
H2O：
聚合物：（和设计任务相符合）
累计：
对做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：

即：
说明物料衡算是正确。
4.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算
已知：引发剂溶液天天配制一批，供8批反应使用。
M13（引发剂）：
M14（H2O）：
4.7整理并校核计算结果

图4.5 总物料平衡示意图
对聚合工序做全物料平衡计算（图3-5），进行校核。由物料守恒定律有：

即：
说明整个聚合工序物料衡算过程是正确。
丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡表 单位：kg/B

物流号
丙烯酸
单体
NaOH

引发剂
正庚烷
分散稳定剂
聚合物
累计

1547.84

第５章　聚合反应反应设备设计
5.1反应器形式选择
釜式反应器：
釜式反应器基础结构图5-1所表示。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）。搅拌装置关键作用是强制物料流动，强化传热和传质效果；使物料充足接触，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。所以搅拌釜反应器对多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，且多釜串联连续操作产量大，所以，搅拌釜反应器在聚合物合成过程中广泛使用。据统计搅拌釜反应器在聚合反应器中占80%-90%，如乙烯、丙烯、氯乙烯、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等聚合釜，聚酯合成中聚合釜，和丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶合成中聚合釜全部采取搅拌釜式反应器。在聚合物生产过程中，除聚合反应器外，还有部分带搅拌装置容器，如原料配制槽、溶解槽等。伴随化学反应技术理论发展，为增大产量、降低成本，搅拌釜反应器日趋大型化。如悬浮法生产聚氯乙烯聚合釜已发展到200m。大大提升了产品和产量均一性，同时降低了生产成本。
图5.1 釜式反应器 1-搅拌桨；2-加热盘管；3-釜体；4-进料口；5-传动装置；6-电机；7-轴封；8-入孔；9-搅拌轴；10-夹套；11-出料口
图5.1
5.2釜式反应器选择原因
釜式反应器，适应性强，操作弹性大，连续操作时温度、浓度轻易控制，产品质量均一，反应体积大。
5.3反应器体积计算
求V101体积

取，则
求V102体积

取，则
求V103体积

取，则
对R101作工艺计算

取，则
5.4外形尺寸设计

标准椭圆封头
多种封头设计参数
封头
名称
封头高度（h）
封头侧面积（s）
封头体积（v）
封头
名称
封头高度（h）
封头侧面积（s）
封头体积（v）
半球
封头
0.5D

标准椭圆封头
0.25D

60º锥
封头
0.866D

碟封头
0.225D

120º标准锥封头
0.3754D

球面
封头
0.134D

90º锥
封头
0.5D

平封头
0

0

标准椭圆封头体积（表6-1）为，。令h为釜体直边高度，H为反应器釜体总高度，则：
取，则有

遂然反应器属于非标准设备，但用于制造反应器上下封头仍选择标准封头。参考标准椭圆封头（JB/T 4737-95），此处按公称尺寸选定釜体直径为2.231m。
釜体直边高度为：
釜体实际高度：
由标准椭圆封头直边高度和直径关系表，取直边高度为50mm，
釜体圆形直筒部分高度：
反应器实际体积为：

反应器实际长径比：
最高液面：
取体积收缩系数，最低液面： 反应器几何外形示意图及设计尺寸见附图
聚合反应器釜体外型尺寸设计表
反应器
工艺尺寸
R101
釜体积（m3）
3.57
长径比H/D
0.88
釜体内径（m）
1.85
直边高度（m）
0.71
最高液位（m）
1.08
最低液位（m）
0.90
釜体实际高度（m）
1.635

5.5搅拌器设计
该釜为反相悬浮聚合，反应釜容积、结构、材质和搅拌形式等全部影响聚合过程和产品质量。为增大聚合反应传热面，可在聚合釜壁周围安置若干折流板或插入两根D型挡板，其内部可经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，水对釜壁导热系数可提升8倍以上。
选择时除满足工艺要求外，还用考虑功耗、操作费用，和制造、维护和检修等原因。
考虑到丙烯酸单体及其中和剂NaOH腐蚀性及酸碱性，选择搪瓷聚合釜，同时考虑到聚合产品易在反应器壁粘结，采取三叶后掠式搅拌器，使聚合反应无死区，能够有效地处理产物粘釜问题，并能达成很好传热效果。