河南城建学院本科毕业设计 2聚丙烯酸钠的生产工艺
反应体系并没有设想的那样稳定，甚至也出现了爆聚。这可能是由于搅拌转速太快，使单体液滴粒径过小，相对于转速小的体系，它需要更多的分散剂才能使液滴分散不聚并；同时高转速容易使发粘粒子聚并，因此，搅拌转速太快对于体系的稳定性并无益处。综合以上因素，本设计选择的最佳搅拌转速250r/min。
2.3 后处理工序的选择
2.3.1 分离方法的选择
对脱水后聚合物混合物进行分离可采用过滤离心机或沉降离心机或分离机。通常，对于含有粒度大于0.01毫米颗粒的悬浮液，可选用过滤离心机；对于悬浮液中颗粒细小或可压缩变形的，则宜选用沉降离心机；对于悬浮液含固体量低、颗粒微小和对液体澄清度要求高时，应选用分离机。根据产品的颗粒直径大小选择螺旋沉降式离心机除溶剂。
2.3.2 干燥方法的选择
对聚合后的湿物料进行干燥可采用气流干燥、回转窑、红外等干燥方式。气流干燥设备的干燥强度大，蒸发水份能力从 50kg/h－1500kg/h，而设备容积小，投资省，是其他干燥设备比不上的；回转窑设备适应于连续生产，但是投资大、占地面积大，且对具有一定粘性的聚丙烯酸钠胶粒不适应该种干燥方式；生产试验的前期采用红外线加热，但是干燥成本高，而且设备维护费用大会导致产品成本显著增加。根据企业的投资情况和生产能力，选用的气流干燥机干燥方法。
2.4 聚丙烯酸钠的生产工艺流程
工艺流程如图2-1所示：
图2-1 反相悬浮聚合制备聚丙烯酸钠流程示意图
丙烯酸 引发剂
中 和 聚合 共沸脱水
溶剂回收 除溶剂 NaOH水溶液 干燥 分散介质 分散剂 助剂 10 成品 河南城建学院本科毕业设计 2聚丙烯酸钠的生产工艺
(1)丙烯酸钠溶液的制取：将经计量的丙烯酸、适量的助剂与经溶解、冷却、计量的烧碱溶液进行部分中和，中和后的丙烯酸钠，加入适量水，得到浓度为45%单体溶液即丙烯酸钠水溶液。
(2)丙烯酸钠的聚合：将中和后的丙烯酸钠水溶液与由分散介质和分散稳定剂配制好的分散液共同放入反应釜中，并加入适量助剂，在引发剂的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)聚合物混合物的分离：反应后生成的混合物通过离心机分离分散介质与聚合物，再经热水洗涤除去聚合物表面的一些残留助剂。
(4)聚丙烯酸钠的后处理工序：将分离工序过后的聚合物进行干燥、计量包装等处理后，得到聚丙烯酸钠产品。
2.5 生产过程主要操作及控制
(1)配碱
按NaOH：H2O=l：2.33的质量比配制碱液，其浓度约为30%(w/w)。将称量好的烧碱缓慢倒入装有定量量纯水的配碱釜中，同时开动搅拌，并在夹套通冷却水冷却，控制最终碱液温度（30℃）。 (2)丙烯酸中和
按丙烯酸：NaOH=l：0.56的质量比在中和釜中加入丙烯酸，开搅拌并在夹套通冷却水，同时缓慢加入已冷却的碱液，碱液量为丙烯酸：碱液=l：1.74质量比，相当中和度100%(mol)。控制最终丙烯酸中和液温度30℃。
(3)聚合反应
将中和的45%丙烯酸钠单体水溶液、分散剂Span 60、2%单体质量的复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中搅拌，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。
(4)分离干燥工序
经共沸脱水后的聚合物混合物通过螺旋沉降式离心机脱除分散剂等，将离心后的聚合物湿物料经气流干燥机干燥至产品含水量达0.2%-0.5%时。
(5)包装
干燥后的粉末，存放于贮料斗中，先测定产品的分子量、密度等有关性能，然后按每袋25kg装袋输送到仓库以备出厂。
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河南城建学院本科毕业设计 3工艺衡算和设备选型
3 工艺衡算和设备选型
3.1 物料衡算与热量衡算
物料与能量衡算的有关计算公式、数据等参见文献[15～21]。
3.1.1 物料衡算
(1) 确定物料平衡关系
(2) 明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式
丙烯酸被中和，中和反应方程式如下：
CH2?CHCOOH?NaOH?CH2?CHCOONa?H2O
引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下：
nCH2?CHCOONa??CH2?CH?nCOONa
丙烯酸自由基聚合中单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量无化学计量上的变化，引发剂会结合到聚合物分子链上。 (3) 收集数据资料
1) 生产规模。设计任务书中规定的年产量（生产能力）：8000t?a-1 2) 生产时间。年工作日：330d?a-1?24h?d-1? 3) 相关技术指标见表3-1。
表3-1 技术指标
项目内容
聚合物后处理损失率 丙烯酸中和度
原料NaOH水溶液浓度 中和用NaOH水溶液浓度 单体水溶液浓度
技术指标 2%聚合物质量 100%（摩尔） 99%（质量） 30%（质量） 45%（质量）
项目名称 引发剂用量 引发剂水溶液浓度 分散稳定剂用量 分散介质用量 分散剂循环用量
技术指标 0.2%单体质量 50%（质量） 2%单体质量 与单体质量比4：1 90%分散剂总用量
4) 质量标准。原料NaOH溶液浓度为99%。其他原料均视为纯物质。因为只对聚合工序做物料衡算，所以不用考虑产品的其他质量指标。
5) 化学变化参数。加入的NaOH能够与丙烯酸完全反应，生成丙烯酸钠。各组分相对分子质量如下：
丙烯酸=72.06，氢氧化钠=40，丙烯酸钠=94.06，水=18。
聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为100%，单体与聚合物之间无化学计量上的变化，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。
(4) 选择计算基准与计量单位
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河南城建学院本科毕业设计 3工艺衡算和设备选型
因为是间歇操作过程，所以基准为“批”。 (5) 确定计算顺序
由于产物与原料之间的化学计算关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产物量与单体原料投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。
(6) 计算主要原料（丙烯酸）的投料数量
用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须求出主要原料每批投料量。该生产装置年产量6000t，年开工330d，每天生产6批，后处理工序中聚合物损失率2%。
每批应生产的聚合物数量为：
6000?103?3092.15kg
330?4?0.981) 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，且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同；
3) 丙烯酸相对分子质量：单体相对分子质量=72.06：94.06 丙烯酸投料量为：
3692.1572.06??2364.19kg
1?0.00294.06(7) 顺流程设备展开计算
1) 中和釜物料衡算
已知：丙烯酸中和度100%、丙烯酸相对分子质量72.06、NaOH相对分子质量40、单体相对分子质量94.06
原料丙烯酸钠的质量为2364.19kg 反应需纯NaOH的质量为：
?40/72.06??30%NaOH中含水的质量为：
23?64.191 312.35kg?0.7/0.3??1312.35?3062.15kg
则30%NaOH的质量为：
3062.15?1312.35?4374.50kg
单体丙烯酸钠的质量：
?94.06/72.??0645%丙烯酸钠中含水的质量为：
?0.55/0.45??中和反应生成水：
2?364.1930?85.98 3085.98kg3 771.75kg
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?18/40??1312.35?590.56kg
则中和反应过程中应加入的水为：
3771.75?3062.15?590.56?119.04kg
2) 配碱釜物料衡算
在装有水冷装置的配碱釜中加入一定量的水，然后在不断搅拌下加入质量分数99%的氢氧化钠。
中和用30%NaOH溶液4374.50kg中各组分的质量为：
mNaOH=1312.35kg mH2O?3062.15kg
原料用99%NaOH中各组分的质量为： mNaOH?1312.35mH2O?1312.35?0.01/0.99?13.25kg
则需纯水： 3062.?151?3.2530 43) 分散介质调配罐物料衡算
已知：分散剂：单体=4：1、分散稳定剂=2%单体质量，则 分散剂质量：
3085.98?4?12343.92kg
循环分散剂质量：
12343.?92?0.911kg 1新鲜分散剂质量：
12343.92?0.1?1234.39kg
分散稳定剂：
3085.?980.02=6 1分散液：
12343.92?61.72?12405.64kg
4) 聚合反应釜物料衡算 反应前反应釜中各组分质量：
单体： 3085.98kg 水： 3771.75kg 分散剂： 12343.92kg 分散稳定剂：61.72kg 引发剂用量=0.2%单体质量、引发剂水溶液浓度=50%（质量）引发剂水溶液的质量：
2?3085.98?0.002?12.34kg
反应后反应釜中聚合物混合物的各组分：
分散剂： 12343.92kg 分散稳定剂：61.72kg
14
kg