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毕业论文-产年8吨聚丙烯酸钠的工艺设计.doc
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1、河南城建学院本科毕业设计 设计说明毕 业 设 计 题 目: 年产6000吨聚丙烯酸钠工艺设计 学 院: 化学与材料工程学院 专 业: 高分子材料科学与工程 设计说明本次设计是利用单体丙烯酸钠在一定条件下,采用反相悬浮聚合原理合成聚丙烯酸钠。本设计的任务是年产6000吨聚丙烯酸钠悬浮聚合间歇操作工艺的设计。其中主要简述了以丙烯酸和氢氧化钠聚合性单体为主要成分,在疏水性溶剂正庚烷中经反相悬浮聚合,制备高吸水性聚丙烯酸钠。还介绍了聚丙烯酸钠的性质、特性、用途和使用举例以及悬浮聚合的机理、体系和生产工艺,间歇操作的特点及主要原料。设计主要成果如下: 每天的理论产值是18181kg。实际产量为18552
2、kg。实际年产量为6122t。直径为2500mm配碱釜,直径为1600mm的中和釜,直径为2500mm的聚合釜。体积为12的分散介质调配罐,分散介质储罐体积为24。材料为不锈钢。 主要设备:推进式搅拌器,标准椭圆形封头;支承式支座,釜体夹套。12的分散介质调配罐,24的分散介质储罐。沉降式离心机,规格为LW3501050。配碱釜,中和釜,聚合釜,去离子水储罐。 图纸:1)工艺流程图、2)物料流程图、3)聚合釜的装配图。 关键词:聚丙烯酸钠 物料衡算 热量衡算 生产工艺 主要设备图 工艺流程图 IDesign NotesThis design is the use of sodium acryl
3、ate monomer under certain conditions, synthesized by inverse suspension polymerization principle sodium polyacrylate. The design of the mission is to produce 6000 tons of high absorbent resin suspension polymerization process design intermittent operation. Mainly acrylic acid and sodium hydroxide ou
4、tlined polymerizable monomer as a main component, in a hydrophobic solvent of n-heptane by reversed-phase suspension polymerization, sodium polyacrylate superabsorbent prepared. It also describes the nature of the sodium polyacrylate, characteristics, uses and examples as well as suspension polymeri
5、zation mechanisms, systems and production processes, intermittent operation characteristics and main raw material.Design of the main results are as follows:1) Daily theoretical value is 18181kg. Actual production 18552kg. Actual annual output of 61220t.2) With a base diameter of 2500mm autoclave, th
6、e diameter of 1600mm and a kettle, a diameter of 2500mm polymerization vessel. Volume of the dispersion medium to mix the pot 12, a volume of 24. Made of stainless steel.3) Main equipment: push-stirrer, standard elliptical head; bearing type bearings, kettle body jacket. Deployment dispersion medium
7、 tank 12, a dispersion medium tank 24. Decanters, specifications for the LW350 1050. Autoclave equipped with a base, neutralization reactor, the polymerization reactor, deionized water tank.4) Drawings: 1) Process Flow Diagram, 2) material flow, 3) polymerization reactor assembly drawing.Keywords: S
8、odium polyacrylate material balance heat balance production process flow chart diagram of major equipmentII河南城建学院本科毕业设计 目录目 录设计说明I1 概述11.1 高分子量聚丙烯酸钠研究现状11.2 高分子量聚丙烯酸钠的性质和应用21.2.1 聚丙烯酸钠的性质21.2.2 聚丙烯酸钠的应用21.3 高分子量聚丙烯酸钠的需求、生产和应用前景31.4 项目的设计依据41.5 建厂规模及产品规格51.5.1 建厂规模51.5.2 产品规格52 聚丙烯酸钠的生产工艺62.1 聚丙烯酸钠聚合
9、的实施方法62.2 反向悬浮聚合工艺条件及其影响因素1472.2.1分散剂及其助分散剂的选择及其浓度对分子量的影响72.2.2 引发体系的选择及其浓度对分子量的影响82.2.3 单体浓度对分子量的影响82.2.4 链转移剂对分子量的影响92.2.5 搅拌转速的影响92.3 后处理工序的选择102.3.1 分离方法的选择102.3.2 干燥方法的选择102.4 聚丙烯酸钠的生产工艺流程102.5 生产过程主要操作及控制113.1 物料衡算与热量衡算123.1.1 物料衡算123.1.2热量衡算153.2 主要设备工艺尺寸的计算及选型183.2.1各釜体高度与内径尺寸确定183.2.2 各釜体夹套
10、尺寸的确定213.2.3 分离设备233.2.4 干燥设备233.2.5 其他设备的选择243.3 设备一览表253.4原料主要技术规格、供应及消耗定额253.4.1原料规格及用量253.4.2 原料消耗定额264 车间设备布置设计274.1 车间设备布置的原则274.1.1 车间设备布置的原则274.1.2 车间设备平面布置的原则274.1.3 车间设立面布置的原则274.2 车间设备布置284.2.1车间设备平面布置284.2.2车间设备立面布置285 建设工程及公用、辅助工程说明295.1建设工程说明295.2给水、排水系统295.3电力供应及生产控制296.1环境保护306.1.1该项
11、目环保设计依据和标准306.1.2环保治理措施306.1.3预期效果306.1.4环保管理及监测316.1.5绿化概况316.2劳动安全、工业卫生与消防317 概算与技术经济327.1 项目投资估算327.2产品成本估算327.3 财务评估337.3.1 各项经济技术指标计算337.3.2 盈亏平衡分析33总结34参考文献35致谢37iii河南城建学院本科毕业设计 1概述1 概 述随着我国丙烯酸工业的迅速发展,对丙烯酸下游产品的研究不断深入,应用范围不断扩大。聚丙烯酸钠盐是丙烯酸盐类中最重要、应用最广、最有代表性的产物,由于聚丙酸钠盐中含有大量亲水基团,它易溶于水,形成的水溶液是一种高分子电解
12、质。聚丙烯酸钠水溶液具有良好的离解性、较理想的润湿性、保水性和成膜性(浸渍或涂布时),同时还具有耐温性强、冻融稳定性、机械稳定性、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许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)的用途还未完全开发出来;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
13、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研究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,采用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、低浓度氧化还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,聚合组分较少,工艺实施较容易。但由于搅拌和传热的原因,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
14、浮法聚合法是近年发展起来的制备水溶性高分子新方法,这方面的研究性文章最早由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。其生产工艺简单、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难的工艺难点,并且可以得到粉状或者粒状的聚合物,产物的后处理工艺、储运和使用上也较容易。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-
15、Na,结构式为CH2CH(COONa)n,是种水溶性高分子化合物。商品形态的聚丙烯酸钠,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) 稳定性 1) 热稳定性:聚丙烯酸钠热稳定性好,海藻酸钠、梭甲基纤维素钠等天然粘稠液,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。聚丙烯酸钠用于分离铝厂红泥,就是基于丙烯酸钠具有优良的热稳定性。 2) 冷冻稳定
16、性:聚丙烯酸钠水溶液即使经过冻结,其粘度也不变。 3) 机械稳定性: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) 储存稳定性: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定性极好,不腐败。(2) 成膜性聚丙烯酸钠水溶液属于高分子电解质,吸湿性非常强,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明均一的膜。(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%,而高吸水树脂则可以吸收自重1000倍以上的蒸馏水,而在无机盐等电解
17、质溶液存在的情况下,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围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伸展,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,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,其商品形态为黄色粘稠液体,固含量或达8%,相应特性粘数3.40。聚丙烯酸钠絮凝剂是特别适用于烧碱和纯碱行业盐水精制、氧化铝生产的赤泥沉降分离、味精厂废水中蛋白质回收
18、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、水还原作用分散剂、石油钻井添加剂、水还原剂500-10000防沉淀、分散作用分散剂、柑橘保鲜剂、增稠剂、保护胶、铸造粘合剂、医药糖衣粘合剂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、电解盐水精制、絮凝剂100000-500000水膨胀性水凝胶 2) 保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,在乳液聚合中适量地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
19、乳液聚合体系更稳定,提高产品的机械稳定性和贮存稳定性。目前内许多厂家加入0.5-1%的聚丙烯酸钠故作为保护胶。 3) 增稠剂在水性涂料中加入聚丙烯酸钠作为增稠剂,增稠效果明显,且能有效地防止涂料的沉降、分层现象,并可改善涂料的流平性和涂刷性能,在夏季使用不易出现发露、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,聚丙烯酸钠盐才能有效地发挥增稠效果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。除了用于水处理还,还广泛大量应用于造纸、纺织
20、、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,还可以作为柑桔保鲜剂、干燥剂、药物糖衣粘合剂、铸造钻合剂、土壤稳定剂、土壤改良剂、食品添加剂等。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,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,2010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能力和总产量的1/3,超过6000万吨,在世界纯碱
21、工业中占有重要的地位。同时2010年我国烧碱产量也达到6000万吨。目前,在这两碱行业的生产中,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,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,效果好的特点。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,越来越多的企业倾向于使用聚丙烯酸钠。按烧碱年产8 000万吨,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4 000吨。纯碱年产8 000万吨,每生产1吨纯碱用聚丙烯酸钠0.14kg,需要用聚丙烯酸钠2 800吨。另外在味精生产过程产生
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