聚合物合成工艺设计说明书

武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书

目 录

摘 要...............................................................................................................................I Abstract ......................................................................................................................... II 第一章 概述.................................................................................................................. 1

1.1聚丙烯酸钠....................................................................................................... 1 1.2悬浮聚合........................................................................................................... 2 1.3 间歇操作简介.................................................................................................. 4 第二章 工艺流程.......................................................................................................... 6 第三章 主要原料简介.................................................................................................. 8

3.1 丙烯酸.............................................................................................................. 8 3.2 氢氧化钠.......................................................................................................... 8 3.3 庚烷.................................................................................................................. 8 3.4 Span 60.............................................................................................................. 9 3.5 过硫酸钾.......................................................................................................... 9 第四章 年产5950吨聚丙烯酸钠悬浮聚合间歇操作工艺的设计.......................... 10

4.1工艺流程的分析............................................................................................. 10 4.2聚合物合成工艺的物料衡算......................................................................... 12 4.3反应器设计..................................................................................................... 18 第五章 车间设备布置设计........................................................................................ 21

5.1 车间设备布置的原则.................................................................................... 21 5.2 车间设备布置................................................................................................ 22 第六章 环境保护、劳动安全与工业卫生................................ 23

6.1环境保护......................................................................................................... 23

6.2劳动安全、工业卫生与消防......................................................................... 24 总 结............................................................................................................................ 25 致 谢............................................................................................................................ 26 参考文献...................................................................................................................... 27 附 录............................................................................................................................ 28

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摘 要

本次课程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。本次课程设计的任务是年产5950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。本次课程设计只对聚合反应的工序做物料衡算及核算各个过程物料是否守恒，同时也对聚合反应器的类型、反应器体积和外形尺寸，及搅拌器的类型做了相应的计算和设计，并简述了车间布置设计以及关于环境保护、劳动安全和工业卫生等方面的内容，最后绘制了生产工艺流程CAD图，生产布置车间图。

关键词：聚丙烯酸钠；丙烯酸；悬浮聚合；间歇操作；生产流程

I

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Abstract

The curriculum design task is an annual output of 5950 tons of sodium polyacrylate suspension polymerization intermittent operation process design with acrylic acid and sodium acrylate monomers polymerized for main ingredients, in hydrophobic solvent n-heptane we reversed phase suspension polymerization, preparation of superabsorbent sodium polyacrylate which mainly introduces the properties of sodium polyacrylate use and use for example, suspension polymerization mechanism system and production process, intermittent operation characteristics of the course design of the only to the polymerization reaction process do material balance, the checking whether each process material conservation, and draw the production process CAD drawing, production workshop layout.

Keywords: Sodium polyacrylate ；polycyclic acid ；suspension-polymerization ；intermittent

operation ；work flow

II

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第一章 概述

1.1聚丙烯酸钠

1.1.1聚丙烯酸钠简介

聚丙烯酸钠是一种新型功能高分子材料和重要化工产品，固态产品为白色(或浅黄色)块状或粉末，液态产品为无色(或淡黄色)粘稠液体。溶解于冷水、温水、甘油、丙二醇等介质中，对温度变化稳定，具有固定金属离子的作用，能阻止金属离子对产品的消极作用，是一种具有多种特殊性能的表面活性剂。其用途非常广泛，可分为工业用和食品添加剂用两大类。如工业上用作沉降絮凝剂、胶乳增稠剂、纸张增强剂、混凝土增强剂、合成纤维的改性剂等，食品加工方面可作蛋白回收剂、面食品的增弹剂、食品保鲜剂等。还用作饲料添加剂、土壤改良剂、硬水软化剂、颜料分散剂、化妆品添加剂、药品外膜、涂料等。

1.1.2聚丙烯酸钠的性质

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，因此水溶液成膜相困难。但可用浸渍或涂布方法在表面上制成透明均一的膜。

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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，而在无机盐等电解质溶液存在的情况下，吸水性能将下降。

1.1.3聚丙烯酸钠特性

由于超高分子聚丙烯酸钠表面活性剂的特性，可以应用在很多产品中，从而使产品本身效能增加和增加一些原产品不具备的性质。如在化妆品中应用，可使护肤霜膏体更加细腻和有光泽，擦拭时减少油腻感，提高膏体品质；可使香波调理性提高，改进湿梳性、干梳性，提高头发光泽性，并有滑爽感；使香皂能有效的去除人体的异味，特别是腋下的狐臭和阴部的异味。用时泡沫明显细腻和加厚，泡沫的流动性降低，易于在手上、脸上及人体各部位停留而不很快滑落，洗后皮肤滑爽等。在清洁剂（包括餐具清洁剂、多功能清洁剂、玻璃清洁剂、厨房清洁剂、厕所清洁剂、汽车清洁剂、食品清洗剂、宠物专用清洁剂等）中加入超高分子聚丙烯酸钠，可以全面提高产品质量。另外，在联碱氨母液II净化、氯碱、选矿、涂布涂料、无水硝生产、抑尘剂、食品加工等行业中，超高分子聚丙烯酸钠表面活性剂都有十分广泛的应用。

聚丙烯酸钠絮凝剂是众多水处理剂中用途最广泛、絮凝效果甚佳的高分子絮凝剂之一。从国外的应用进展看，此产品已用于饮用水处理，以及造纸、采油、矿业等领域。在相关领域，我国同样有广大市场。此外，在合成洗涤剂助洗剂中，使用PAANa替代洗衣粉中三聚磷酸钠和羧甲基纤维素助剂可使洗衣粉洗涤效果提高5倍，而且可减少污染。[1]

1.2悬浮聚合

1.2.1悬浮聚合定义及简介

悬浮聚合是通过强力搅拌并在分散剂的作用下，把单体分散成无数的小液珠悬浮于水中，由油溶性引发剂引发而进行聚合反应的一种实施方法。从整体上看，水为连续相，单体为分散相。聚合在每个小液滴内进行，反应机理与本体聚合相

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同，可看作小珠本体聚合。同样也可根据聚合物在单体中的溶解性有均相、非均相聚合之分。于是将水溶性单体的水溶液作为分散相悬浮于油类连续相中，在引发剂的作用下进行聚合的方法，称为反相悬浮聚合法。[2]

1.2.2悬浮聚合体系

悬浮聚合体系一般有单体、引发剂、水，分散剂四个基本组分组成。悬浮聚合体系是热力学不稳定体系，需借搅拌和分散剂维持稳定。在搅拌剪切作用下，溶有引发剂的单体分散成小液滴，悬浮于水中引发聚合。不溶于水的单体在强力搅拌作用下，被粉碎分散成小液滴，它是不稳定的，随着反应的进行，分散的液滴又可能凝结成块，为防止粘结，体系中必须加入分散剂。悬浮聚合产物的颗粒粒径一般在0.05～0.2mm。其形状、大小随搅拌强度和分散剂的性质而定。

1.2.3悬浮聚合特点

与其他聚合过程相比，悬浮聚合突出的特点是：体系以水为连续相，粘度低，容易传热和控制；聚合完成后，只需经简单的分离、洗涤、干燥等工序，即得聚合物产品，可直接用于加工成型；生产投资和费用少；产物比乳液聚合的纯度高。缺点是反应器生产能力和产物纯度不及本体聚合，不能采用连续法生产。

优点:

(1)聚合热易扩散,聚合反应温度易控制,聚合产物分子量分布窄; (2)聚合产物为固体珠状颗粒,易分离,干燥。

缺点:

(1)存在自动加速作用;

(2)必须使用分散剂,且在聚合完成后,很难从聚合产物中除去,会影响聚合产物的性能(如外观,老化性能等);

(3)聚合产物颗粒会包藏少量单体,不易彻底清除,影响聚合物性能。[3]

1.2.4悬浮聚合工艺

悬浮聚合法的典型生产工艺过程是将单体、水、引发剂、分散剂等加入反应

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釜中，加热，并采取适当的手段使之保持在一定温度下进行聚合反应，反应结束后回收未反应单体，离心脱水、干燥得产品。

悬浮聚合所使用的单体或单体混合物应为液体，要求单体纯度＞99.98%。 在工业生产中，引发剂、分子量调节剂分别加入到反应釜中。引发剂用量为单体量的0.1% ～1%。

去离子水、分散剂、助分散剂、pH调节剂等组成水相。水相与单体之比一般在

7525~5050范围内。

各种单体的悬浮聚合过程都采用间歇法操作。[4]

1.2.5悬浮聚合应用

悬浮聚合目前大都为自由基聚合，但在工业上应用很广。如聚氯乙烯的生产75％采用悬浮聚合过程，聚合釜也渐趋大型化；聚苯乙烯及苯乙烯共聚物主要也采用悬浮聚合法生产；其他还有聚醋酸乙烯、聚丙烯酸酯类、氟树脂等。 聚合在带有夹套的搪瓷釜或不锈钢釜内进行，间歇操作。大型釜除依靠夹套传热外，还配有内冷管或和釜顶冷凝器，并设法提高传热系数。悬浮聚合体系粘度不高，搅拌一般采用小尺寸、高转数的透平式、桨式、三叶后掠式搅拌桨。[5]

1.3 间歇操作简介

1.3.1间歇操作的发展

间歇过程在化工生产和人们日常生活中占有重要的地位，是精细化工、生物化工等高技术密集和知识密集的新兴产业，广泛用于食品、聚合物、药品、分子筛、增塑剂、抗氧剂、染料和涂料等产品生产。

30年代以前，绝大多数化工过程采用间歇操作，自动化水平低，劳动强度大，而且产品质量不稳定。然后渐渐向连续化生产过渡。80年代以来，从商品化学品生产转向专用的功能化学品生产；从大规模过程转向小规模的具有弹性的过程；从连续加工转向间歇加工；从过去靠价格竞争转向现在靠质量竞争；从过去靠投资来推动发展转向靠信息来推动发展等。

间歇过程具有灵活多变的特性，即它可以用同一套多用途、多功能的设备生

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产多种类型的产品。[6]

1.3.2间歇操作的特点

间歇过程通常被定义为“将有限量的物料，按规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工，以获得有限量产品的加工过程。如果需要批次生产，必须重复该过程。其特点是：技术密集性、动态性、多样性、柔韧性、不确定性。

在间歇过程中，原料必须按配方规定的加工任务和顺序，在合适的设备中进行加工。间歇过程中的设备尺寸的设计并不是很精确的。间歇过程通常为小批量、高附加值的化学品而设计的，一个生产周期只能生产一批产品。间歇过程必须对整个生产过程，进行有效的排序或进行生产时间表安排。由于间歇过程的柔韧性和弹性，它适合于市场供求不稳定的产品的生产。对于市场需求量很大的产品，其初始阶段一般也是用间歇过程生产的。[7]

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第二章 工艺流程

丙烯酸生产方法很多，但由于本次设计的要求，故采用的是悬浮间歇操作生产。

间歇操作过程物料是一批批加入生产装置中进行处理的，操作周期是由固定的操作程序组成的，通常包括进料、处理物料、出料、设备调整、等待等操作步骤。某个设备的所有操作所需的时间加起来，作为该设备的一个操作周期。通常情况下，在确定工艺参数时，应尽量使各工序或设备的操作周期相同，特殊情况下允许不同。例如催化剂或其他特殊的添加剂加入量很少，一次配置数量可供数批反应使用，此时催化剂的配置操作周期与反应器操作周期不同。因此在间歇操作过程中要特别注意各工序或设备之间的时间平衡问题。另外若根据物料衡算，各设备处理物料量差别很大，在这种情况下，有的设备可选用单台，有的设备可选用多台，需灵活处理。选用的多台设备可串联使用，也可并联使用需在工艺流程简述中及物料衡算时加以说明。

此种方法主要步骤有：原料准备工序、聚合工序、分离工序、聚合物后处理工序。工艺流程简述如下：

工艺流程简述 来自T101中的纯丙烯酸用原料泵P102分批加入V102中。T102中NaOH水溶液的浓度为40%，他在V101中被稀释成浓度为30%的溶液，然后按一定比例缓慢加入V102中与丙烯酸进行中和反应，得到中和度为75%的丙烯酸与丙烯酸钠混合物（简称单体），再加入适量水，得到单体浓度为45%的溶液。正庚烷与一定量的分散稳定剂在V103中进行配置得到分散液，其按比例与单体溶液共同进入反应器R101中，然后加入在V104中配置好的引发剂浓度为50%的水溶液。反应大约进行2.5h。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、包装处理，得到最终产物。正庚烷经蒸馏处理后循环使用。

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-401；V罐配调质介散-分301；V 图罐系和关-中衡20平1料；V物罐作配操调歇液间溶合H聚aO浮N悬-1相01反；V酸钠罐烯贮丙液溶-12H图OaN-浓201；T罐贮酸烯-丙101T 泵送输体-液301P，201P，101；P器应反合-聚101；R罐配调剂发引

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第三章 主要原料简介

3.1 丙烯酸

丙烯酸是化学式为C3H4O2的有机化合物，相对分子量72.06。纯的丙烯酸是无色澄清液体，带有特征的刺激性气味。它可与水、醇、醚和氯仿互溶。易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。若遇高热，可发生聚合反应，放出大量热量而引起容器破裂和爆炸事故。

因此，在使用过程中，应注意：密闭操作，加强通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。储存注意事项：通常商品加有阻聚剂。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。

3.2 氢氧化钠

氢氧化钠(NaOH)，相对分子量是40，俗称烧碱、火碱、苛性钠，常温下是一种白色晶体，其液体是一种无色，有涩味和滑腻感的液体，具有强腐蚀性。氢氧化钠在空气中可与二氧化碳反应而变质，应密闭包装，贮于阴凉干燥处；与酸类、铵类、易（可）燃物等分储分运；不可与皮肤接触，若皮肤（眼睛）接触，用流动清水冲洗，涂抹硼酸溶液；若误食，用水漱口，饮牛奶或蛋清（等酸性无害食品）且需立即就医。

3.3 庚烷

庚烷，分子式C7H16，这是烷烃类化合物，相对分子量是100.21。它是一种无色易挥发液，有麻醉作用和刺激性，易燃，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与氧化剂接触发生化学反应或引起燃烧。本设计采用正庚烷作为溶剂。

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3.4 Span 60

斯潘60，山梨醇酐单硬脂酸酯，分子式C24H46O6 ，相对分子质量430.63。淡黄色粉末或块状固体，微有脂肪气味，熔点56-58℃。能分散于热水，溶于热油类及一般有机溶剂，微有脂肪气味。该品是水、油型优良乳化剂，具有很强的乳化作用和分散。本设计使用span 60作为分散剂。

3.5 过硫酸钾

过硫酸钾，化学式：K2S2O8，相对分子质量：270.32 ，无机化合物，白色结晶，无气味，有潮解性。助燃，具刺激性。主要用作漂白剂、还原剂、照相药品、分析试剂、聚合促进剂等。操作注意事项：密闭操作，加强通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。储存注意事项：储存于阴凉、干燥、通风良好的库房。远离火种、热源。包装密封。应与还原剂、活性金属粉末、碱类、醇类等分开存放，切忌混储。储区应备有合适的材料收容泄漏物。本设计采用过硫酸钾作为引发剂。

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第四章 年产5950吨聚丙烯酸钠悬浮聚合间

歇操作工艺的设计

4.1工艺流程的分析

4.1.1明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式

① 在V101、V103、V104中是单纯的物料混合配制，无相变化与化学变化。 ② 在V102中80%的丙烯酸被中和，中和反应方程式如下：

CH2=CH―COOH+NaOH?CH2=CH―COONa+H2O

③ 在R101中引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下：

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。

4.1.2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）：5950t/a ② 生产时间。

年工作日：320d/a(24h/d)

间歇操作，V101、V102、V103、R101每天8批，V104由于引发剂用量很少，所以每天配制一批即可。 ③ 质量标准。

原料NaOH溶液浓度为 40% ，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。 ④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

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量如下：

表4-1化合物的相对分子质量

化合物 相对分子质量

丙烯酸 72

NaOH 40

丙烯酸钠

94

H2O 18

单体混合物

M混

其中：80%中和的丙烯酸单体混合物的平均相对分子质量：

M混?72?0.3?94?0.7?87.4 (4-1)

聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为100%，单体混合物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。

⑤择计算基准与计算单位

因为是间歇操作过程，所以基准为“批”，单位为B/d。大部分设备的操作周期为8B/d，只有V104（引发剂调配罐）是1B/d。但引发剂向R101进料周期仍与其他设备相同，所以在做物料衡算时，物料M11的数量仍以8B/d计算。在做设备工艺计算时，V104的体积大小应按1B/d处理量进行。

4.1.3设计所需技术参数

表4-2 原料设计参数表

项目内容 聚合后处理损失率 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 3%聚合物质量 70%（摩尔） 40%（质量） 30%（质量） 50%（质量）

项目内容 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 正庚烷循环用量

技术指标 0.2%单体质量 50%（质量） 2%单体质量 与单体质量为4：1 90%正庚烷总用量

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4.2聚合物合成工艺的物料衡算

4.2.1主要原料丙烯酸（CH2=CH-COOH）的投料量

用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须先求出主要原料（丙烯酸）每批投料量。该生产装置年产量5950t，年开工320天，每天生产8批，后处理中聚合损失率3%。

每批应生产聚合物数量??2396.1kg/B ?4?2?320?8?（1-3%）5950?103 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，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单体混合物平均相对分子质量（丙烯酸的中和度为75%）：

表4-3 原料相对分子质量表

化合物 相对分子质量

丙烯酸 72

NaOH 40

丙烯酸钠

94

H2O 18

单体混合物

M混

（1-70%）?94?0.75?88.5 可得M混?72?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?12396.10?7287.47287.4

?1?0.002??1969.96kg/B （4-3）

4.2.2 V-102 (中和罐)物料衡算

M1 M5 M4 V102 M6

图4.1 V102物料平衡示意图

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已知:丙烯酸中和度?70%、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=87.4

M1(原料丙烯酸)?1969.96kg/B

4072?766.10kg/BM4(30%NaOH溶液)NaOH： 1969.96?0.7?H2O: 766.10?0.70.3?1787.57kg/B

合计：M4=766.10+1787.57=2553.67kg/B

?2391.31kg/B 720.50 H2O： 12391.31??2922.71kg/B

0.45M6(45%单体溶液) 单体： 1969.96?87.4合计：M6?2391.31?2922.71?5314.02kg/B

M5（无离子水B）

对V102中组分水做物料衡算有：水M?水M?水M?中和反应生成水

564中和反应生成水：766.10?1840?344.75kg/B

无离子水B：M5=2922.71-1787.57-344.75=790.39kg/B 对V102做全物料平衡计算，进行校核。

由物料守恒定律应有：M1+M4+M5=M6 (4-4) 即：1968.962?2553.67?790.39?5314.02?M6 说明物料衡算是正确的。

表4-4 V102物料衡算数据表（单位：kg/B）

物流号 M1 M4 M5 M6

丙烯酸 1969.96

2391.31

NaOH 766.10

H2O 1787.57 790.39 292.71

合计 1969.96

2553.67 790.39 5314.02

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4.2.3 V101（NaOH溶液调配罐）物料衡算

M3 M2 V101 M4

图4.2 V101物料衡算示意图

M4(30%NaOH溶液)?2553.67kg/B

NaOH：766.10kg/B H2O： 1787.57kg/B

M2（40% NaOH浓溶液）

NaOH：766.10kg/B H2O： 1149.15kg/B 合计：M2=766.10?1149.15?1915.25kg/B 对V101中组分水做物料衡算：

M3=水M4?水M2?1787.57?1149.57?638.42kg/B

对V101做全物料平衡计算，进行校核。

由物料守恒定律得：M2+M3=M4 (4-5) 即：1915.25?638.42?2553.67?M4， 说明物料衡算是正确的。

表4-5 V101物料衡算数据表（单位：kg/B）

物流号 M2 M3 M4

NaOH 766.10

766.10

H2O 1149.15 638.42 1787.57

合计 1915.25 638.42 2553.67

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4.2.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算

M7 M8 V103 M9

图4.3 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

M（正庚烷）?2391.31?4?9665.24kg/B7

循环正庚烷?5091.88?0.9=4582.692kg/B 新鲜正庚烷?5091.88?0.1=509.188kg/B

M（分散稳定剂）?2391.31?0.02?47.83kg/B9M（分散液）?9569.24?47.83?9613.07kg/B9

对V103做全物料衡算，进行校核。

由物料守恒定律得：M7+M8=M9 (3-6) 即：9569.24?47.83?9613.07kg/B?M9， 说明物料衡算是正确的。

表4-6 V101物料衡算数据表（单位：kg/B）

物流号 M7 M8 M9

正庚烷 9665.24

分散稳定剂

47.83

分散液

9565.24

合计 5091.88 25.46 5117.34

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4.2.5 R101（聚合反应器）物料衡算

M11 M10 R101 M12

图4.4 R-101物料平衡示意图

M10（待聚合液）?M6+M9

单体：2391.31kg/B

H2O：2922.71kg/B

M（分散液）?9613.07kg/B9合计：M10=2391.31+2922.71+9613.07=14927.09kg/B

M11（引发剂水溶液）

（质量）已知： 引发剂用量?0.2%单体质量 引发剂水溶液浓度?50%

引发剂：2391.31?0.002?4.78kg/B 则H2O：4.78kg/B 合计：M11?4.78?4.78?9.56kg/B

M12（聚合物混合液）

分散稳定剂：47.83kg/B 正庚烷：9565.24kg/B

H2O：4.78?2922.71?2927.49kg/B

聚合物：2391.31?4.78?2396.09kg/B（与设计任务相符合） 合计：M12=2396.09+2927.49+9656.24+47.83=14936.65kg/B 对R101做全物料平衡计算，进行校核。

由物料守恒定律应有：M10+M11=M12 (3-7)

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即： 14927.09?9056?14936.65?M12 说明物料衡算是正确的。

表4-7 R101物料衡算数据表（单位：kg/B）

物流号 M10 M11 M12

单体 2391.31

聚合物

2979.49

正庚烷 2922.71

9565.24

引发剂

4.78

分散稳定剂 9565.24

47.83

H2O 47.834.78

合计 14927.099.56

2396.0914936.62

4.2.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算

已知：引发剂溶液每天配制一批，供8批反应使用。

M13（引发剂）：4.78?8?38.24kg/B M14（H2O）：4.78?8?38.24kg/B

表4-8 V104物料衡算数据表（单位：kg/B）

物流号 M13 M14

引发剂 38.24

水 38.24

合计 38.24 38.24

整理并校核计算结果

MM2 M1 M5 M7 M8 聚合工序 M1 M3

图4.5 总物料平衡示意图

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对聚合工序做全物料平衡计算（图4.5），进行校核。由物料守恒定律有：

M1+M2+M3+M5+M7+M8+M11=M12 (3-8)

1969.96?1915.25?638.42?790.39?9565.24?47.83?9.56?14936.65kg/B

说明整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。

表4-9 丙烯酸反相聚合间歇操作物料平衡表（单位：Kg/B）

物流号 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 M13 M14

丙烯酸 1969.96

单体

NaOH 766.10 766.10

H2O 1149.15 638.42 1787.57 790.39 2922.71 4.78 2927.49

38.24

引发剂

4,78 38.24

正庚烷 9565.24

9565.24 9565.24

9565.24

分散剂

5314.02

47.83 47.83 47.83 47.83

聚合物 2396.09

合计 1969.96 638.42 2553.67 790.39 10628.04 9565.24 47.83 9613.07 14927.09 9.56 14936.65 38.24 38.24

2391.31 2922.71

1272.97

4.3反应器设计

4.3.1反应器的类型

本次课程设计采用的反应器类型为搅拌釜反应器

4.3.2反应釜体积的计算

每批中和液：M6=5314.02kg/B在中和液60℃时，测得其密度为1.36g/cm3

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由前已知 间歇操作周期：τT=1h+1h+1h=3h 中和液体积：VRi=wd?τΤρm×24=5314.02?8?31360?24=3.91m3

每批分散液：M10=14927.09Kg/B 分散液密度为1.0g/cm3

=14.93m3 中和液体积：VRⅱ=wd?8?τΤρm×24=14927.09?8?31000?24

单体水溶液和分散液的总体积：V=3.91+14.93=18.84m3 按装料系数0.75算 反应釜体积VT=18.840.75=25.12m3

4.3.3 外形尺寸计算

查表得， 椭圆封头体积0.131D3 h封=釜体的总高度，则H=h+2?h封=h+D2=1.5DD4令：h为釜体直边高度、H为反应

HD为1~1.5，若选

因为所处理的物料为液-固相，其筒体高度于筒体直径之比1.5，则有h=D

V=π4?D?h+0.262D=23π4?D+0.262?D=1.047D333

得D=3VT1.047=325.121.047=2.884m

HD用于制作反应器的上下封头选用标准封头。因为公称尺寸选定釜体直径2.8m

釜体直边高度：h=V-2?V封0.785?D2取得较小，所以此处按

=25.12-2?0.131?2.80.785?2.82.8423=3.147m

釜体实际高度：H=h+2?h封=3.147+2?=4.547m

查表得，直边高度50mm，釜体直筒高度：3.147-2?0.05=3.047m 实际长径比：

HD=4.5472.8=1.62

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4.3.4搅拌装置的设计

该釜为反相悬浮聚合，反应釜的容积、结构、材质以及搅拌形式等都影响聚合过程和产品质量。为增大聚合反应的传热面，可在聚合釜内釜壁附近安置若干折流板或插入两根D型挡板，其内部可通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型导流板，冷却水不走短路时，水对釜壁的导热系数可提高8倍以上。

实际生产中所用的搅拌器必须兼具剪切作用相循环作用，适当转速，悬浮聚合体系达到一定的循环流动和剪切流动，使釜内各部分达到温度均一、浓度均一，并使釜内单体均匀分散，悬浮成微小的液滴，加强聚合釜内壁的传热。

该釜搅拌型式采用推进式搅拌装置，转速为250的标准设备。

rmin，搅拌电机功率7.5kw

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第五章 车间设备布置设计

5.1 车间设备布置的原则

5.1.1 车间设备布置的原则

1、从经济和压降观点出发，设备布置应顺从工艺流程，但若与安全、维修2、根据地形、主导风向等条件进行设备布置，有效的利用车间建筑面积（包3、明火设备必须布置在处理可燃液体或气体设备的全年最小频率风向的下4、控制室和配电室应布置在生产区域的中心部位，并在危险区外。 5、充分考虑本装置（车间）与其他部门在总平面布置图上的位置，力求紧6、留有发展的余地

7、所采取的劳动保护、防火要求、防腐蚀措施要符合有关标准、规范的要8、有毒、有腐蚀性介质的设备应分别集中布置，并设围堰，以便集中处理。 9、设备安全通道、人流、物流方向应错开。 10、设备布置应整齐，尽量使主要管道走向一致。

和施工有矛盾时，允许有所调整。

括空间）和土地（尽量采用露天布置及建筑物能合并者尽量合并）。 侧，并集中布置在装置（车间）边缘。

凑、联系方便，缩短输送管线，达到节省管材费用及运行费用的目的。

求。

5.1.2 车间设备平面布置的原则

车间平面布置首先必须适合全厂总平面布置的要求，应尽可能使个车间的

平面布置在总体上达到协调、整齐、紧凑、美观，相互融合，浑成一体。其次，必须从生产需要出发，最大限度的满足生产包括设备维修的要求。即要符合流程、满足生产、便于管理、便于运输、利于设备安装和维修。第三，生产要安全。即要全面妥善的解决防火、防爆、防毒、防腐、卫生等方面的问题，符合国家的各项有关规定。第四，要考虑将来扩建及增建的余地，为今后生产发展、品种改革、技术改造提供方便。但这些一定要最有效的利用车间的建筑面积（包括空间）和土地（设备装置能露天布置的尽量露天布置，建筑物能合并的应尽量合并）。

5.1.3 车间设立面布置的原则

厂房的立面形式有单层、多层和单层与多层相结合的形式。多层厂房占地

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少但造价高，而单层厂房占地多但造价低。采用单层还是多层主要应根据工艺生产的需要。例如制碱车间的碳化塔，根据工艺要求须放在厂房内，但塔有比较高，且操作岗位安排在塔的中部以便观察塔内情况，这样就需要设计多层厂房；另一种情况是：设备大部分露天布置，厂房内只需要安置泵或风机，这种情况可设计成单层厂房。

对于为新产品工业化生产而设计的厂房，由于生产过程中对工艺流程和设备需要不断改进和完善，一般都设计一个较高的单层厂房，利用便于移动、拆装、改建的钢制操作平台代替钢筋混凝土操作台，以适应工艺流程和设备变化的需要。

5.2 车间设备布置

5.2.1车间设备平面布置

车间平面布置按其外形一般分为长方形、L形、T形和Ⅱ形等。长方形便于

总平面图的布置，节约用地，有利于设备排列，缩短管线，易于安排交通出入口，有较多可供自然采光和通风的墙面；但有时由于厂房总长度较长，在总图布置有困难时，为了适应地形的要求或者生产的需要，也有采用L形、T形和Ⅱ形的，此时应充分考虑采光、通风和立面等各方面的因素。

5.2.2车间设备立面布置

化工厂厂房可根据工艺流程的需要设计成单层、多层或单层与多层相结合的

形式。一般来说单层厂房建设费用较低，因此除了由于工艺流程的需要必须设计成多层外，工程设计中一般多采用单层。有时因受建设场地的限制或者为了节约用地，也有设计成多层的。对于为新产品工业化生产而设计的厂房，由于在生产过程中对于工艺路线还需不断改进和完善，所以一般都设计成一个高单层厂房，利用便于移动、拆装、改建的钢操作台代替钢筋混凝土操作台或多层厂房的楼板，以适应工艺流程改变的需要。

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第六章 环境保护、劳动安全与工业卫生

6.1环境保护

6.1.1该项目环保设计依据和标准

A.《化工建设项目环境保护设计规定》EGJ6一86 B.《化工企业环境保护检测站设计规定》EGZO501一91 C.《工业企业噪声控制设计标准》GBJ87一85 D.《污水综合排放标准》GB8978一88

6.1.2环保治理措施

(1)废水处理

本装置正常生产时废水主要有蒸汽冷凝水、清洗水、循环水排污等。分别采用以下治理措施：

本项目工艺中在产品干燥工序中有大量的水蒸气凝出，废水量约8t/d，蒸汽冷凝水属无污染水十分干净，可经冷却后送新建脱盐水站作进水以代替部分原水集中在贮水池。

生产性清洗水排放量为10t/d，水中主要含有少量悬浮物、和酸、碱，pH值接近中性。由总排水管送至废水澄清池澄清后，可达标排放。

循环水排污废水中污染物含量极少，可直接排放。 (2)废渣处理

本装置废渣主要为各种废助剂等，可送当地填埋场填埋处理。 (3)噪声

本装置噪声主要为各类电机和各类泵噪声。各类机泵应优先选用低噪声电机，加消声器，将主要噪声源集中在隔音房内。在操作中只设流动岗位，不固定值班，需要固定值班的，可将机房和操作间用隔声门窗分开布置。并在厂区种植降噪植物。

6.1.3预期效果

本装置建成投产后，正常生产时“三废”均通过治理，且都能达到国家的有关环境标准，预计本装置的建设对周围环境影响不大。

本项目建成后，生产中几乎不产生废物，生产环境较为洁净。

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6.1.4环保管理及监测

本项目对环境管理和监测将设置专人负责，并由中心化验室统一管理控制，以保证环境友好生产。

6.1.5绿化概况

厂区应在道路两侧、空地上、房间旁进行绿化，种植各类乔木、灌木和绿篱等，以达到降噪除尘的目的。全厂绿化系数应不低于30%。

6.2劳动安全、工业卫生与消防

(1) 编制依据

A.《建筑设计防火规范》GBJ16一87 B.《工业企业设计卫生标准》TJ36一79 (2) 不安全因素及职业危害

主要原料：助剂、活性炭为无毒物品，过硫酸钠为易燃易爆危险品，丙烯酸 为腐蚀品。

产品为无毒、无害、无危险品。粉碎、筛分操作岗位有少量产品粉尘产生。 (3) 安全及措施

A.工艺设计、建筑设计要执行国家防火规范及其有关规定。 B.易燃、易爆岗位采用防爆型电机和仪表。 C.腐蚀性物品操作时应戴橡胶手套，小合操作。

D.过硫酸钠、亚硫酸盐、丙烯酸、氢氧化钠等应当分开存放。 E.产生粉尘的岗位，工人操作时应戴口罩，电源开关应采用防爆型。 E所有设备、管道应密封好，防止跑、冒、滴、漏现象产生。 G.车间要通风，有足够的防护用品。

H.消防设施要齐全(配备消防栓和足够的泡沫消防装置，灭火器等)。

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总 结

聚丙烯酸钠是一种新型功能高分子材料和重要化工产品，固态产品为白色（或浅黄色）块状或粉末，液态产品为无色（或淡黄色）粘稠液体。溶解于冷水、温水、甘油、丙二醇等介质中，对温度变化稳定，具有固定金属离子的作用，能阻止金属离子对产品的消极作用，是一种具有多种特殊性能的表面活性剂。

本次专业课程设计历时两周，聚合物合成工艺设计是培养学生专业设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握专业设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程图、车间布置图等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。

在短短的两周里，从开始的一头雾水，到小组讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论知识去解决实际中各种问题的不易。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。在一些应用问题上，我直接套用了书上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有时并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细地追究下去，因而可能存在一定的误差，影响后面具体设备的选型。如果有更充分的时间，我想可以进一步再完善一下的。

通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。我还要感谢我的指导老师薛老师对我们的教导与帮助，感谢张姣、陈志鹏和李贝的帮助。在整个设计过程中每个人都尽心尽力的做好，遇到困难时就互相帮助，把一个一个的问题都解决掉。

限于我们的水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。

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致 谢

本课题在选题及进行过程中得到薛老师的悉心指导。课程设计过程中，我们组员之间互相帮助，帮助我分析思路，开拓视角，在我遇到困难的时候给予我最大的支持和鼓励。还要感谢薛老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向薛老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

感谢这两周以来，化工与材料学部教研室所有老师对我们这个小组学习上的帮助和生活上的关怀，正是您们的辛勤工作，才使我得以顺利地完成本次课程设计。

感谢陈志鹏同学不辞辛苦的计算，感谢张姣同学与我一起编辑文本，每个人不仅把分内的事做好了，也在其他人遇到困难时给予帮助。正是因为这样，我们组的课程设计任务才会完成得比较顺利，当然也离不开陶老师的帮助。

感谢张姣、陈志鹏和李贝同学，是你们的陪伴让我度过了最难过的时光；是你们教会了我如何简单地快乐，是你们让我懂得温暖。

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参考文献

[1] 赵德仁 张慰盛.高聚物合成工艺学[M]（第二版），化学工业出版社，

1996.38-45

[2] 金日光 华幼卿.高分子物理[M]（第三版），化学工业出版社，2006. [3] 李玉贵 液相本体法聚丙烯生产及应用[M]，北京:中国石化出版社，

1992.

[4] 潘祖仁 翁志学 黄志明.悬浮聚合 [M]，化学工业出版社，1997. [5] 周达飞 唐颂超.高分子材料成型加工[M]（第二版），中国轻工业出版社，

2007.

[6] 杨志才 化工生产中的间歇过程[M]，北京:化学工业出版社，2001.13-18.

[7] 潘祖仁 高分子化学[M]（第四版），化学工业出版社，2007.70-75

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附 录

[1] 聚丙烯酸悬浮聚合间歇操作工艺流程图； [2] 聚丙烯酸悬浮聚合间歇操作车间平面布置图；

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0hww.html