年產(chǎn)3500t聚丙烯酸樹脂工藝設計報告.doc

1 中國石油大學 北京 成人教育中國石油大學 北京 成人教育 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計 論文 計 論文 聚合物合成工藝課程設計 材料科學與工程專業(yè) 題目 年產(chǎn) 3500t 聚丙烯酸 樹脂工藝流程設計 姓 名 學 號 專 業(yè) 材料科學與工程專業(yè) 班 級 指導教師 起止日期 2013 年 月 日 年產(chǎn) 3500t 聚丙烯酸樹脂工藝流程設計 2 摘要 該報告就選題目的和意義簡單的介紹 研究本課題的意義和動 機是什么 具體內(nèi)容涉及到設計背景 聚合發(fā)放介紹 聚合工藝流 程圖 聚合工藝流程 聚合物合成工藝的物料衡量 聚合物反應器 的設計以及最后的總結 關鍵詞 聚丙烯酸樹脂 工藝流程 動機 意義 設計背景 研究內(nèi)容 研究重點 難點 方法介紹 物料衡算 反應器設計 總結 目錄目錄 3 一 設計背景一 設計背景 2 2 1 聚丙烯酸樹脂的性能 3 2 聚丙烯酸樹脂的用途 3 3 聚丙烯酸樹脂的發(fā)展趨勢 4 二 聚合方法介紹二 聚合方法介紹 5 5 1 反相懸浮聚合 5 三 聚合工藝流程圖三 聚合工藝流程圖 6 6 四 聚合工藝流程四 聚合工藝流程 7 7 1 工藝流程簡介 7 2 工藝流程分析 7 反應方程式 7 收集數(shù)據(jù) 7 五 聚合物合成工藝的物料衡算五 聚合物合成工藝的物料衡算 9 9 1 主要原料 丙烯酸 投料數(shù)量 9 2 中和罐物料衡算 9 3 NaOH 調(diào)配罐物料衡算 10 4 分散介質(zhì)調(diào)配罐物料衡算 10 5 聚合反應器物料衡算 10 6 引發(fā)劑調(diào)配罐物料衡算 10 7 整理并校核計算結果 11 六 六 聚合物反應器的設計聚合物反應器的設計 1111 1 反應器的類型 11 2 反應器體積的設計 11 3 外形尺寸的設計 12 4 攪拌裝置的設計 14 七 設計總結七 設計總結 1414 八 參考文獻八 參考文獻 1515 4 第一章第一章 設計背景設計背景 1 1 聚丙烯酸樹脂的性能聚丙烯酸樹脂的性能 聚丙烯酸樹脂是一種新型功能高分子材料 它具有吸收比自身重幾百到幾 千倍水的高吸水功能 并且保水性能優(yōu)良 一旦吸水膨脹成為水凝膠時 即使 加壓也很難把水分離出來 因此 它在個人衛(wèi)生用品 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 土木建筑 等各個領域都有廣泛用途 聚丙烯酸樹脂是一類含有親水基團和交聯(lián)結構的大分子 最早由 Fanta 等 采用淀粉接枝聚丙烯腈再經(jīng)皂化制得 按原料劃分 有淀粉系 接枝物 羧甲基 化等 纖維素系 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 幾大類 其中聚丙烯酸系聚丙烯酸樹脂較淀粉系及纖維素系 相比 具有生產(chǎn)成本低 工藝簡單 生產(chǎn)效率高 吸水能力強 產(chǎn)品保質(zhì)期長 等一系列優(yōu)點 成為當前該領域的研究熱點 目前世界聚丙烯酸樹脂生產(chǎn)中 聚丙烯酸系占到 80 聚丙烯酸樹脂一般為含有親水基團和交聯(lián)結構的高分子電解質(zhì) 吸水前 5 高分子鏈相互靠攏纏在一起 彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結構 從而達到整體上的緊固 與水接觸時 水分子通過毛細作用及擴散作用滲透到樹脂中 鏈上的電離基團 在水中電離 由于鏈上同離子之間的靜電斥力而使高分子鏈伸展溶脹 由于電 中性要求 反離子不能遷移到樹脂外部 樹脂內(nèi)外部溶液間的離子濃度差形成 反滲透壓 水在反滲透壓的作用下進一步進入樹脂中 形成水凝膠 同時 樹 脂本身的交聯(lián)網(wǎng)狀結構及氫鍵作用 又限制了凝膠的無限膨脹 當水中含有少 量鹽類時 反滲透壓降低 同時由于反離子的屏蔽作用 使高分子鏈收縮 導 致樹脂的吸水能力大大下降 通常 聚丙烯酸樹脂在 0 9 NaCl 溶液中的吸水 能力只有在去離子水中的 1 10 左右 2 聚丙烯酸樹脂的用途聚丙烯酸樹脂的用途 目前其主要用途仍然是衛(wèi)生用品 約占市場總量的 70 左右 由于聚丙烯 酸鈉聚丙烯酸樹脂吸水能力很大 并具有優(yōu)異的保水性能 所以作為土壤保水 劑在農(nóng)業(yè) 林業(yè)方面應用范圍很廣 如果在土壤中加入少量的高吸水性聚丙烯 酸鈉 就能提高某些豆類的發(fā)芽率和豆苗的抗旱能力 使土壤的透氣性能增強 另外 由于聚丙烯酸樹脂的親水性及優(yōu)良的防霧性和抗結露性能 所以又可作 為新的包裝材料 利用高吸水聚合物獨特性能制成的包裝薄膜可有效地保持食 品鮮度 在化妝品中加入少量的高吸水聚合物 還可使其乳液粘度增大 是一 種理想的增稠劑 利用高吸水聚合物只吸水不吸油或有機溶劑的特點 在工業(yè) 上又可作為脫水劑 由于高吸水聚合物具有無毒 對人體無刺激性 無副反應 不引起血液凝 固等特點 近年來 已被廣泛應用于醫(yī)藥領域 例如 用于含水量大 使用舒 適的外用軟膏 生產(chǎn)能吸收手術及外傷出血和分泌液 并可防止化膿的醫(yī)用繃 帶及棉球 制造能使水分和藥劑通過而微生物不能透過的抗感染性人造皮膚等 3 3 聚丙烯酸樹脂的發(fā)展趨勢聚丙烯酸樹脂的發(fā)展趨勢 隨著科學技術的發(fā)展 環(huán)境保護已越來越受到人們的關注 如果將高吸水 聚合物裝入到一個可溶于污水的袋中 并將此袋浸入污水中 當袋子被溶解后 高吸水聚合物就可迅速地吸收液體而使污水固體化 在電子工業(yè)中 高吸水聚 合物還可用作濕度傳感器 水分測量傳感器及漏水檢測器等 高吸水聚合物可 6 作為重金屬離子吸附劑及吸油材料等 近年來 國內(nèi)外有關交聯(lián)聚丙烯酸耐鹽性高分子吸水樹脂的制備方法有很 多報道 如于祖榮等提出采用甲醇對樹脂進行處理 任敬福 張林香等采用活 化高嶺土作為樹脂添加劑 Bailey 等采用纖維素酯或醚和丙烯酸酯接枝共聚 Rebre 小林隆俊采用了不同的懸浮穩(wěn)定劑 這些研究雖然在一定程度上提高了 所制備的聚丙烯酸樹脂的耐鹽性但是仍沒有解決吸鹽水能力不強的問題 且有 的方法后處理工藝復雜 提高了樹脂的成本 總之 高吸水聚合物是一種用途非常廣泛的高分子材料 大力開發(fā)高吸水聚合 物樹脂具有巨大的市場潛力 今年在我國北方大部分地區(qū)干旱少雨的情況下 如何進一步推廣和使用高吸水聚合物 是擺在農(nóng)業(yè)和林業(yè)科技工作者面前的一 項迫切任務 在西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施過程中 在改良土壤的工作中 大力開發(fā) 和應用高吸水聚合物的多種實用功能 具有現(xiàn)實的社會效益和潛在的經(jīng)濟效益 聚丙烯酸樹脂是一種新型功能高分子材料 在工業(yè)上具有廣泛的用途 由于其 高的吸水和保水性能 近年來在種苗培育以及困難立地造林領域正越來越受到 關注 但傳統(tǒng)的聚丙烯酸樹脂普遍存在吸收純水能力較強而吸收鹽水能力不足 的問題 限制了聚丙烯酸樹脂在農(nóng)林領域的應用 4 從組成來說 聚丙烯酸樹 脂主要有丙烯酸接枝淀粉 纖維素 類和聚丙烯酸鹽兩大類 其中 后者因為制 備工藝相對簡單 穩(wěn)定性高 不易霉變 是目前市場超強吸水樹脂的主要品種 第二章第二章 聚合方法介紹聚合方法介紹 1 1 反相懸浮聚合反相懸浮聚合 迄今已開發(fā)出來的高吸水性樹脂有淀粉類 纖維素類和合成樹脂類 合成 樹脂類 尤其是聚丙烯酸 則具有原料來源豐富 合成工藝簡單 能夠防霉防變 吸水率高等優(yōu)點 是當前市場上占絕對優(yōu)勢的品種 聚丙烯酸鹽類高吸水性樹 脂主要采用溶液聚合法和反相懸浮法合成 如果聚合物不溶于單體溶液里 液 滴中就會形成沉淀 這樣就會形成不透明且通常為非規(guī)則形狀的顆粒 而如果 形成的聚合物部分溶于單體溶液中 那最終產(chǎn)物的組成就很難預測了 聚合產(chǎn) 生的顆?？梢詰糜诤芏嗉夹g中 比如模塑 然而它們的最大應用還是在色譜 7 分離領域中作為分離材料 比如離子交換樹脂 酶固載支撐材料 得以應用 這種應用通常需要大的比表面積 即在珠狀顆粒內(nèi)部結構中產(chǎn)生所需要尺寸大 小的孔洞 聚合物珠子怎樣才可以做到內(nèi)部有孔可以在單體相中引入一種惰性 稀釋劑 也可以叫它做致孔劑 聚合結束后將它提取出來 其它添加劑可以包 括紫外穩(wěn)定劑 芳香酮或芳香酯 熱穩(wěn)定劑 乙烯氧衍生物 無機金屬鹽 模潤滑劑以及泡沫劑 5 其中反相懸浮法具有反應熱易排除 聚合過程穩(wěn)定 能夠直接得到粒狀產(chǎn)品 無須粉碎工序 產(chǎn)品易干燥 產(chǎn)物的綜合吸水性能好 等優(yōu)點 采用反相懸浮法能夠合成醫(yī)療衛(wèi)生用品所需的高品質(zhì)吸水性樹脂 在 我國具有廣闊的應用前景 2 8 第三章第三章 聚合工藝流程圖聚合工藝流程圖 V101 V102 T101 T102 V101 P101 P102 V102 V103 P103 R101 V104 無無離離子子水水A 無無離離子子水水B 正正庚庚烷烷 分分散散穩(wěn)穩(wěn)定定劑劑 引引發(fā)發(fā)劑劑無無離離子子水水C 聚聚合合物物混混合合液液 9 第四章 聚合工藝流程 1 1 工藝流程簡介 工藝流程簡介 來自中的純丙烯酸用原料泵分批加入中 NaOH 水溶T101P102V102T102 液的濃度為 在中被稀釋成濃度為的溶液 然后按一定比例緩慢50 V10130 加入中與丙烯酸進行中和反應 得到中和度為的丙烯酸與丙烯酸鈉V10275 混合物 簡稱單體 再加入適量水 得到單體濃度為的溶液 正庚烷與45 一定量的分散穩(wěn)定劑在中進行配制得到分散液 其按比例與單體溶液共同V103 進入反應器中 然后加入在中配制好的引發(fā)劑濃度為的水溶液R101V10450 6 反應大約進行 2 5 小時 反應結束后 聚合物混合液被送至分離工序及后 處理工序進行分離 干燥 包裝等處理 得到最終產(chǎn)物 正庚烷經(jīng)蒸餾處理后 循環(huán)使用 2 2 工藝流程分析 工藝流程分析 反應方程式反應方程式 在 中是單純的物料混合配制 無相變化與化學變化 V101V103V104 在中的丙烯酸被中和 中和反應方程式如下 V10275 222 CH CH COOH NaOHCH CH COONa H O 在中引發(fā)劑引發(fā)單體進行自由基聚合 其反應方程式如下 R101 丙烯酸自由基聚合中單體相對分子質(zhì)量與聚合物結構單元相對分子質(zhì)量無 化學計量上的變化 引發(fā)劑會結合到聚合物分子鏈上 收集數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù) 生產(chǎn)規(guī)模 規(guī)定的年產(chǎn)量 生產(chǎn)能力 3500t 生產(chǎn)時間 年工作日 330d 間歇操作 每天 8 批 由于引發(fā)劑用V101V102V103R101V104 量很少 所以每天配制一批即可 質(zhì)量標準 原料 NaOH 溶液濃度為 其他原料均視為純物質(zhì) 因為只50 對聚合工序做物料衡算 所以不用考慮產(chǎn)品的其他質(zhì)量指標 化學變化參數(shù) 10 加入的 NaOH 能夠與丙烯酸完全反應 生成丙烯酸鈉 各組分相對分子質(zhì)量如表 1 所示 表 1 各組分相對分子質(zhì)量 化合物丙烯酸 NaOH 丙烯酸鈉 2 H O 單體混合物 相對分子質(zhì)量 72409418M混 其中 中和的丙烯酸單體混合物的平均相對分子質(zhì)量 75 M72 0 2594 0 7588 5 混 聚合反應過程中單體完全參加反應 轉化率可視為 單體混合物與聚100 合物之間無化學計量上的變化 但引發(fā)劑結合到聚合物分子鏈上 會使聚合物 數(shù)量略有增加 選擇計算基準與計算單位 因為是間歇操作過程 所以基準為 批 單位為 B d 大部分設備的操作 周期為 8B d 只有 引發(fā)劑調(diào)配罐 是 1B d 但引發(fā)劑向進料周期V104R101 仍與其他設備相同 所以在做物料衡算時 物料的數(shù)量仍以 8B d 計算 在M11 做設備工藝計算時 的體積大小應按 1B d 處理量進行 V104 表 2 技術指標 項目內(nèi)容技術指標 聚合后處理損失率 3 聚合物質(zhì)量 丙烯酸中和度 摩爾 75 原料 NaOH 水溶液濃度 質(zhì)量 50 中和用 NaOH 水溶液濃度 質(zhì)量 30 單體水溶液濃度 質(zhì)量 45 引發(fā)劑用量單體質(zhì)量0 2 引發(fā)劑水溶液濃度 質(zhì)量 50 分散穩(wěn)定劑用量單體質(zhì)量2 散介質(zhì) 正庚烷 用量與單體質(zhì)量為 4 1 正庚烷循環(huán)用量正庚烷總用量90 11 1 380 19k208 07 1078 89 1667 15 Bg 第五章第五章 聚合物合成工藝的物料衡算聚合物合成工藝的物料衡算 1 主要原料 丙烯酸 投料數(shù)量主要原料 丙烯酸 投料數(shù)量 用順流程的計算順序進行物料衡算必須先求出主要原料 丙烯酸 每批投 料量 該生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量 3500t 年開工 330d 每天生產(chǎn) 8 批 后處理中聚合 物損失率 3 每批應生產(chǎn)聚合物數(shù)量 引發(fā)劑 0 2 單體質(zhì)量 全部結合到聚合物中 單體 100 轉化成聚合物 且單體相對分子質(zhì)量與聚合物結構單元相對 分子質(zhì)量相同 丙烯酸相對分子質(zhì)量 單體平均相對分子質(zhì)量 72 88 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 丙烯酸相對分子質(zhì)量 72 NaOH 相對分子質(zhì)量 40 單體相對分子質(zhì)量 88 5 M1 原料丙烯酸 M4 30 NaOH 溶液 NaOH H2O 合計 M6 45 單體溶液 單體 H2O 合計 M5 無離子水 B 對中組分水做物料衡算有 V102 中和反應生成水 M5M6M4 水水水 中和反應生成水 無離子水 B 1 3 76 1366 0 978330 103500 Bkg 1 72 1109 5 88 72 0 002 1 1366 76 Bkg 1 72 1109 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 12 對 V102 做全物料平衡計算 進行校核 由物料守恒定律應有 M1 M4 M5 M6 1109 72 1541 27 380 19 3031 18 M6 說明物料衡算是正確的 3 3 NaOHNaOH 調(diào)配罐物料衡算調(diào)配罐物料衡算 M2 50 NaOH 濃溶液 NaOH H2O 合計 M3 無離子水 A 對 V101 做全物料平衡計算 進行校核 由物料守恒定律應有 M2 M3 M4 924 76 616 51 1541 27 M4 說明物料衡算是正確的 4 4 分散介質(zhì)調(diào)配罐物料衡算分散介質(zhì)調(diào)配罐物料衡算 已知 正庚烷 單體 4 1 分散穩(wěn)定劑 2 單體質(zhì)量 M7 正庚烷 M8 分散穩(wěn)定劑 M9 分散液 5 5 聚合反應器物料衡算聚合反應器物料衡算 M10 待聚合液 M4 M9 單體 H2O 正庚烷 分散穩(wěn)定劑 合計 M11 引發(fā)劑水溶液 已知 引發(fā)劑用量 0 2 單體質(zhì)量 引發(fā)劑水溶液濃度 50 質(zhì)量 引發(fā)劑 H2O 合計 M12 聚合物混合物 分散穩(wěn)定劑 正庚烷 H2O 聚合物 合計 對 R101 做全物料平衡計算 進行校核 由物料守恒定律應有 M10 M11 M12 8514 22 5 46 8519 68 M12 說明物料衡算是正確的 6 6 引發(fā)劑調(diào)配罐物料衡算引發(fā)劑調(diào)配罐物料衡算 已知 引發(fā)劑溶液每天配一批 供 8 批反應使用 M13 引發(fā)劑 M14 H2O 1 k Bg 1 k Bg 1 k Bg 1 k Bg 1 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 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 13 7 7 整理并校核計算結果整理并校核計算結果 對聚合工藝做全物料平衡計算 進行校核 由物料守恒定律應有 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 說明整個聚合工藝的物料衡算過程是正確的 第六章第六章 聚合物反應器的設計聚合物反應器的設計 1 1 反應器的類型 反應器的類型 釜式反應器 這類反應器通常設有攪拌裝置 所以又稱為攪拌釜反應器 stirred tank reactor 攪拌裝置的主要作用是強制物料流動 強化傳熱與傳質(zhì)效果 使物料 充分接觸 均勻混合 強化表面更新作用 有利于小分子組分汽化 使非均相 物料分散 因此攪拌釜反應器對各種反應體系適應性強 操作彈性大 使用溫 度和壓力范圍廣 既可用于間歇操作 又可用于連續(xù)操作 用于間歇操作時 生產(chǎn)活性大 更換品種方便 適應市場需求能力強 用于連續(xù)操作時 反應器 操作過程穩(wěn)定 產(chǎn)品質(zhì)量均一 且多釜串聯(lián)連續(xù)操作產(chǎn)量大 因此 攪拌釜反 應器在聚合物合成過程中廣泛使用 2 2 反應器體積的設計 反應器體積的設計 求 NaOH 調(diào)配罐 V101 體積 取 則7 0 求中和罐 V102 體積 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 1339 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 14 求分散介質(zhì)調(diào)配罐 V103 體積 求聚合反應器 R101 體積 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 外形尺寸的設計 外形尺寸的設計 標準橢圓封頭的體積為 令 h 為釜體直邊高度 H 為 3 131 0 D 4 D h 封 反應器釜體總高度 則 D D hhhH5 1 2 2 封 取 則有5 1 DHDh 3332 047 1 262 0 4 131 0 2 4 DDDhDVT 反應器屬于非標準設備 用于制造反應器的上下封頭仍選用標準封頭 參 照標準橢圓封頭 JB T 4737 95 此處按公稱尺寸選定釜體直徑為 1 釜體的直邊高度為 釜體實際高度 由標準橢圓封頭直邊高度與直徑關系表 取直邊高度為 50mm 釜體圓形直筒部分高度 反應器的實際體積為 反應器實際長徑比 779MMM X 3 66 676 5483 04 5456 12 680mkg 3 3 9 9 57 11 7 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 052 283 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 15 最高液面 取體積收縮系數(shù) 2 0 最低液面 聚合反應器釜體外型尺寸設計表 4 4 攪拌裝置的設計 攪拌裝置的設計 該釜為反相懸浮聚合 反應釜的容積 結構 材質(zhì)以及攪拌形式等都影響 聚合過程與產(chǎn)品質(zhì)量 為增大聚合反應的傳熱面 可在聚合釜壁附近安置若干 折流板或插入兩根 D 型擋板 其內(nèi)部可通過冷卻水以增加傳熱面積 在釜頂安 置回流冷凝器 可將單體蒸汽冷凝回流 以增加傳熱面積 在聚合釜夾套中安 裝螺旋式導流板 冷卻水不走短路時 水對釜壁的導熱系數(shù)可提高 8 倍以上 實際生產(chǎn)中所用的攪拌器必須兼具剪切作用和循環(huán)作用 適當轉速 懸浮 聚合體系達到一定的循環(huán)流動和剪切流動 使釜內(nèi)各部分達到溫度均一 濃度 反應器 工藝尺寸 R101 釜體積 m3 2 541 長徑比 H D1 50 釜體內(nèi)徑 m 1 28 直邊高度 m 1 283 最高液位 m 1 30 最低液位 m 1 06 釜體實際高度 m 1 923 m D VV hh R 30 1 28 1785 0 275 054 1 32 0 785 0 22 max 封 封 m D VV hh