河南城建学院本科毕业设计 1概述
1.5 建厂规模及产品规格
1.5.1 建厂规模
项目拟建立年产6000吨高分子量聚丙烯酸钠生产线。
1.5.2 产品规格
所生产的聚丙烯酸钠产品为白色或淡黄色粉状或粒状固体，产品质量指标见表1-2。
表1.2 聚丙烯酸钠产品质量指标
项目 外观 纯度（%） 干燥失量（%） 分子量（万） 残余单体量（%） 透明度（1%水溶液）
游离碱
质量指标 白色粒状或粉末
≥95 ≤5 600-1500 ≤0.05 水溶液透明
无
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河南城建学院本科毕业设计 2聚丙烯酸钠的生产工艺
2 聚丙烯酸钠的生产工艺
工艺流程的选择原则是：有一定的科学先进性和一定的科学水平，能体现社会经济效益以及可操作性强。在兼顾企业的实际情况同时制定出工艺流程简短、技术成熟、投资少、生产成本低、适应生产的连续化，使整个生产装置达到高水平。工艺流程的选择和论证是在实验室和生产性试验的基础上进行的。
2.1 聚丙烯酸钠聚合的实施方法
高分子量聚丙烯酸盐的合成方法主要有水溶液聚合法和反相悬浮聚合法。 水溶液聚合法[9～11]是以水为溶剂，将经碱部分中和后的丙烯酸，加入有关助剂、引发剂，然后在一定的温度下进行聚合、干燥粉碎而制得的方法。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。水溶液聚合法生产的聚丙烯酸钠产品因呈不规则粉末状，是高分子量聚丙烯酸钠生产的主要方法。国内的高分子量聚丙烯酸钠生产基本采用该法。
反相悬浮聚合法[12～13]是以溶剂(油相)为分散介质，经碱部分中和的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的情况下进行的聚合方法。该法解决了水溶液聚合法的传热，搅拌困难等问题；且反应条件温和，可直接获得珠状产品，生产的聚丙烯酸钠粒径大小可根据用途要求调节，溶剂容易与聚合物分离，是一种合成聚丙烯酸钠独特的方法。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；采用易燃的有机溶剂，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。表2-1为水溶液聚合法与反相悬浮聚合法制备聚丙烯酸钠的比较。
采用反相悬浮法合成高分子量的聚丙烯酸钠，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，与溶剂分离后即得最终产品。
根据上述分析、试验结果和企业资金情况，本设计的聚丙烯酸钠生产使用反相悬浮聚合法，单釜间歇聚合工艺，以Span 60为分散剂、复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中，控制温度40℃恒温1h、50℃恒温1h、60℃恒温1h后升温至共沸温度。脱水至粒子固含量为70%即可停止反应。由于聚合过程中，丙烯酸钠
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单体易自交联反应，形成不溶性凝胶，故在体系中要求加入一定量的链转移剂和缓聚剂；聚合反应后聚合物颗粒对通常材料的盛装器具具有很大粘性，所以在釜中加入抗粘釜剂，防止金属表面发生引发聚合或大分子活性链接触釜壁就被终止聚合而钝化。
表2.1 水溶液聚合与反相悬浮聚合的比较
比较项 引发体系 聚合场所 聚合温度 产品形态 散热 产品分子量 体系粘度 产品后处理
水溶液聚合法 过氧-还原引发体系
水相 50～100℃ 水溶液 相对困难 较低（难达1000万） 低固含量是较高
烘干
反相悬浮聚合法 过氧-还原引发体系
分散的水相 50～100℃ 固体粒状或粉末 非常容易 较高（1000万以上） 很低（近似于油相粘度）
不需烘干
2.2 反向悬浮聚合工艺条件及其影响因素[14]
目前，有关反相悬浮法生产水溶性聚合物的研究报道较少，影响聚合产品性能的主要因素与常规丙烯酸系水溶液聚合体系相似，有单体浓度、水油比、引发体系及其用量、分散剂、聚合温度、聚合体系pH值、聚合体系中无机盐类、链转移剂、搅拌、缓聚剂等。
2.2.1分散剂及其助分散剂的选择及其浓度对分子量的影响
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)是两种最常用的非离子型表面活性剂。W/O型反相体系一般选择HLB为3～8的span类(如span60等)作为分散剂。
在实际聚合过程中，为了进一步降低表面张力，改善分散能力并调节颗粒特性，在选择Span类作为主分散剂的同时，需添加一定量的助分散剂，在Span分散剂溶解后尽快加入助分散剂的效果更好。
助分散剂的加入同时也能起到适当降低产物分子量的作用。表2-2为助分散剂对分子量的影响，发现在单体、引发剂加入量相同的情况下，随助分散剂的加入，产品的分子量降低、颗粒也变细。
选用Span60，油水界面张力较小，并且浓度>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。故聚合选用Span60作为分散剂。
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表2.2 助分散剂对分子量的影响
编号 1 2 3 4
AA（mL）
12.5 12.5 12.5 12.5
引发剂（w%）
0.18 0.18 0.16 0.16
助分散剂（v%） 0.0 0.31 0.0 0.31
分子量（万）
595 288 866 520
颗粒形态 粒状 粉状 粒状 粉状
2.2.2 引发体系的选择及其浓度对分子量的影响
引发体系的选择及其浓度是影响分子量的一个重要因素，表2-3为引发剂对分子量的影响。
表2.3 引发剂对分子量的影响
编号 1 2 3 4
AA（g） 2.5 2.5 1.25 1.25
NaOH（g）
6.8 6.8 6.6 6.6
引发剂加入次序 先 后 先 先
引发剂（w%） 0.16 0.18 0.18 0.16
M（万） 1084 679 595 866
形态 粒状 粉状 粉状 细粉状
过硫酸盐引发剂是最常用的水溶性引发剂。根据自由基生成的机理，可将引发剂分为两大类：一类是热分解型引发剂，另一类是氧化—还原引发剂。常用的无机过氧化物引发剂如过硫酸钾(KPS)和过硫酸(APS)属于热分解型引发剂，其受热后可直接分解产生两个具有引发活性的自由基，分解活化能为140.3kJ/mol，一般使用温度为70℃。
在水溶液聚合中，过硫酸盐-脂肪胺是类活性可调、易控制的氧化—还原引发体系。研究发现，氧化剂用量主要决定聚合反应总速率，还原剂用量仅改变了反应速率分布。当还原剂用量一定时，增加氧化剂用量，聚合反应总速率增大；当恒定氧化剂用量，增加还原剂用量时，聚合反应速率基本不变，而速率分布改变。
2.2.3 单体浓度对分子量的影响
丙烯酸钠的聚合反应本质上属于自由基聚合反应，由动力学链长与单体浓度
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的关系可知，单体浓度越高，聚合物分子量越高。
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由丙烯酸及其钠盐组成的单体进行反相悬浮聚合，在反应过程中，可以改变水的加入量或通过改变AA的加入量改变聚合单体浓度。加入适量的AA不仅能增加聚合物的絮凝效果，同时可以提高聚合物的分子量。表2-4、2-5分别为水量和单体量对分子量的影响，增加水的量或减少单体量，即降低丙烯酸单体的浓度，聚合物分子量降低。
表2.4 水量对分子量的影响
编号 1 2 3 4
加入水量（mL）
10 12 14 30
AA（g） 12.5 12.5 12.5 12.5
NaOH(g) 6.8 6.8 6.8 6.8
分子量（万）
1170 363 240 171
产品形态 粒状 较小粒状 粉状 粉状
表2.5 单体浓度对分子量的影响
编号 1 2 3 4
AA（g） 1.25 2.5 3.0 3.5
NaOH(g) 7.0 7.0 7.0 7.0
引发剂（mL）
2.0 2.0 2.0 2.0
分子量（万）
164 273 412 704
产品粒状 较大粒状 颗粒状 粉状 较细粉状
2.2.4 链转移剂对分子量的影响
加入异丙醇，可降低体系表面张力，减小反应过程中粘壁现象，改善产品的溶解透明度，同时还能作为反应过程中的链转移剂，调节产品分子量。
2.2.5 搅拌转速的影响
反相悬浮聚合必须在搅拌下进行，通过搅拌能使单体溶液分散成液滴，防止块状聚合。搅拌的另一个作用是加速反应热的传递，防止温度过高而发生爆聚，保证反应的正常进行。对于聚丙烯酸盐体系，由于单体浓度高、活性大，反应相当剧烈，要求搅拌强度也就更高。
在实验过程中发现：当搅拌转速小于200r/min时，搅拌强度不够，不足以使单体溶液均匀地分散成液滴，而且由于单体溶液的比重大于溶剂相，故大部分单体下沉于釜底而发生块状聚合，影响了反应的正常进行。而当搅拌转速太大时，
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