年产30000吨聚丙烯酸钠的工艺设计

题 目：学 院：专 业：姓 名：学 号：指导老师：完成时间：

毕 业 设 计 年产30000吨聚丙烯酸钠生产工艺设计

河南城建学院本科毕业设计 设计说明

设计说明

本次设计任务是年产30000吨聚丙烯酸钠。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的工艺设计。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100000kg。实际产量为101523kg。实际年产量为30457T。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12m3的分散介质调配罐，分散介质储罐体积为24m3。材料为不锈钢。推进式搅拌器，标准椭圆形封头；支承式支座，釜体夹套沉降式离心机，规格为LW350×1050。配碱釜，中和釜，聚合釜，去离子水储罐。工艺流程图、物料流程图、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

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Design Notes

The design of the mission is to produce 30000 tons of high absorbent resin

synthesized by inverse suspension polymerization principle sodium polyacrylate. This design is the use of sodium acrylate monomer under certain conditions, suspension polymerization process design intermittent operation. Mainly acrylic acid and sodium hydroxide outlined 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 polymerization mechanisms, systems and production processes, intermittent operation characteristics and main raw material.

Design of the main results are as follows：

Daily theoretical value is 100000kg. Actual production 101523kg. actual annual output of 30457t.with a base diameter of 2500mm autoclave, the 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. standard elliptical head; bearing type bearings, kettle body jacket. specifications for the LW350 × 1050. Autoclave equipped with a base, neutralization reactor, the polymerization reactor, deionized water tank. Process Flow Diagram, material flow, polymerization reactor assembly drawing.

Keywords: Sodium polyacrylate material balance heat balance production process flow chart diagram of major equipment

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河南城建学院本科毕业设计 目录

目 录

设计说明......................................................................................................................... I 1 概述............................................................................................................................ 1 1.1 高分子量聚丙烯酸钠研究现状 ......................................................................... 1 1.2 高分子量聚丙烯酸钠的性质和应用 ................................................................. 2 1.2.1 聚丙烯酸钠的性质....................................................................................... 2 1.2.2 聚丙烯酸钠的应用....................................................................................... 2 1.3 高分子量聚丙烯酸钠的需求、生产和应用前景 ............................................. 3 1.4 项目的设计依据 ................................................................................................. 4 1.5 建厂规模及产品规格 ......................................................................................... 5 1.5.1 建厂规模....................................................................................................... 5 1.5.2 产品规格....................................................................................................... 5 2 聚丙烯酸钠的生产工艺............................................................................................ 6 2.1 聚丙烯酸钠聚合的实施方法 ............................................................................. 6 2.2 反向悬浮聚合工艺条件及其影响因素[14] ......................................................... 7 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............................ 7 2.2.2 引发体系的选择及其浓度对分子量的影响............................................... 8 2.2.3 单体浓度对分子量的影响........................................................................... 8 2.2.4 链转移剂对分子量的影响........................................................................... 9 2.2.5 搅拌转速的影响........................................................................................... 9 2.3 后处理工序的选择 ........................................................................................... 10 2.3.1 分离方法的选择......................................................................................... 10 2.3.2 干燥方法的选择......................................................................................... 10 2.4 聚丙烯酸钠的生产工艺流程 ........................................................................... 10 2.5 生产过程主要操作及控制 ............................................................................... 11 3.1 物料衡算与热量衡算 ....................................................................................... 12 3.1.1 物料衡算..................................................................................................... 12 3.1.2热量衡算...................................................................................................... 15 3.2 主要设备工艺尺寸的计算及选型 ................................................................... 18 3.2.1各釜体高度与内径尺寸确定...................................................................... 18 3.2.2 各釜体夹套尺寸的确定............................................................................. 21

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3.2.3 分离设备..................................................................................................... 23 3.2.4 干燥设备..................................................................................................... 23 3.2.5 其他设备的选择......................................................................................... 24 3.3 设备一览表 ....................................................................................................... 25 3.4原料主要技术规格、供应及消耗定额 ............................................................ 25 3.4.1原料规格及用量.......................................................................................... 25 3.4.2 原料消耗定额............................................................................................. 26 4 车间设备布置设计.................................................................................................. 27 4.1 车间设备布置的原则 ....................................................................................... 27 4.1.1 车间设备布置的原则................................................................................. 27 4.1.2 车间设备平面布置的原则......................................................................... 27 4.1.3 车间设立面布置的原则............................................................................. 27 4.2 车间设备布置 ................................................................................................... 28 4.2.1车间设备平面布置...................................................................................... 28 4.2.2车间设备立面布置...................................................................................... 28 5 建设工程及公用、辅助工程说明.......................................................................... 29 5.1建设工程说明 .................................................................................................... 29 5.2给水、排水系统 ................................................................................................ 29 5.3电力供应及生产控制 ........................................................................................ 29 6.1环境保护 ............................................................................................................ 30 6.1.1该项目环保设计依据和标准...................................................................... 30 6.1.2环保治理措施.............................................................................................. 30 6.1.3预期效果...................................................................................................... 30 6.1.4环保管理及监测.......................................................................................... 31 6.1.5绿化概况...................................................................................................... 31 6.2劳动安全、工业卫生与消防 ............................................................................ 31 7 概算与技术经济...................................................................................................... 32 7.1 项目投资估算 ................................................................................................... 32 7.2产品成本估算 .................................................................................................... 32 7.3 财务评估 ......................................................................................................... 33 7.3.1 各项经济技术指标计算............................................................................. 33 7.3.2 盈亏平衡分析............................................................................................. 33

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总结.............................................................................................................................. 34 参考文献...................................................................................................................... 35 致谢.............................................................................................................................. 37

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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：

CH2?CHCOOH?NaOH?CH2?CHCOON?Ha2O

nCH2?CHCOONa??CH2?CH?nCOOa N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

1

河南城建学院本科毕业设计 1概述

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-Na，结构式为－[CH2－CH(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

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河南城建学院本科毕业设计 1概述

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η≥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 1-50 60-500 500-10000 功能 离子封闭 分散、水还原作用 防沉淀、分散作用 沉积、絮凝、沉淀作用 水膨胀性 用途 防水垢剂、洗涤作用增效剂 分散剂、石油钻井添加剂、水还原剂 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 加快墙体材料粘性剂、农药防漂散剂、电解盐水精制、絮凝剂 水凝胶 10000-100000 100000-500000 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、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，

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河南城建学院本科毕业设计 1概述

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的谷氨酸母液含有大量的蛋白质，目前大多数厂家没有进行回收利用，如果采用聚丙烯酸钠作絮凝处理，既可回收又有用蛋白质，又可大大降低母液中的SS和COD含量，减少后续处理的有机负荷[7]。2010年商品味精产量为256.44万吨，按生产每吨味精消耗聚丙烯酸钠1.5kg计，每年需用的聚丙烯酸钠约4 000吨。

在铝厂的赤泥沉降的处理中目前大多使用麦麸或分子量低于1 000万的胶体聚丙烯酸钠，高分子量的聚丙烯酸钠由于使用条件还没有彻底探讨，存在对赤泥种类的适应性问题，还不能广泛使用，随着对其使用研究的深入，聚丙烯酸钠在赤泥分离中的应用将会迅速增加[8]。

由以上分析可见高分子量的聚丙烯酸钠在很多领域都广泛使用，但是目前在国内企业使用的高分子量聚丙烯酸钠，国外产品还占相当大的比例。国内近年已有生产，但是生产厂家不多，生产能力较小，其中还包括胶体产品，因此可见在国内高分子量聚丙烯酸钠的生产缺口还很大，有必要增加其生产，以满足国内的需求。因此建设高质量的使用性能好的聚丙烯酸钠生产厂是非常必要的。 1.4 项目的设计依据 《设计任务书》

《毕业设计（论文）工作手册》 《化工设计》 化学工业出版社 《化工工艺设计手册》化学工业出版社 《聚合物合成工艺设计》化学工业出版社

《化工设备基础》天津大学出版社

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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

水： 20639.?29聚合物： 16886.?69(8) 整理并校核计算结果

对聚合工序做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律有：整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。

(9) 生产聚丙烯酸钠的各工序物料衡算整理如表3-2。

表3.2 生产聚丙烯酸钠各工序物料衡算结果

工序名称 输出 原料 质量（kg） 产品 输入 质量（kg） ?6.176.?17206 4168 9配碱 99%片碱 7181.24 纯水 9574.99 30%氢氧化钠 23937.47 30%氢氧化钠 23937.47 中和液 37525.98 其中：丙烯酸钠 16886.69 水 20639.29 聚合物 16886.69 水 20639.29 分散剂 67546.76 分散稳定剂 337.73 中和 99%丙烯酸 12937.01 纯水 651.51 中和液 37525.98 聚合 2%引发剂 6.17 分散剂 67546.76 分散稳定剂 337.73 3.1.2热量衡算

聚丙烯酸钠的生产可分为多个工序，每一个生产工序都有一定的能量变化，因此各工序分别计算。整个过程均采用25℃作为基准温度，生产1批聚丙烯酸钠产品各工序的原料需求情况按物料衡算表中计。 (1) 配碱工序

由物料衡算可知，在配碱工序中，需纯氢氧化钠7181.24g，溶解用水 6124.27kg，氢氧化钠的质量百分比浓度为30%，折算为物质的量为分别为：

7181.24?1000?179531mol 氢氧化钠： nNaOH?4016756.23?1000?930901.67mol 水： nH2O?18查表可知氢氧化钠在此浓度下的溶解热为46.03kJ/mol，此浓度下溶液的平均比热为3.348kJ/kg?K，水的比热为4.18kJ/kg?K，已知片碱和纯水的进料温度为25℃，氢氧化钠溶液的出料的温度为30℃，配碱过程最大温升65℃，冷却水出入平均温差为10℃。

输入的热量Q1入包括氢氧化钠带入的热量Q11，纯水带入的热量Q12，氢氧化

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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

钠带入的溶解热Q13，由于氢氧化钠带入的热量Q11和纯水带入的热量Q12为0。

所以 Q1入?46.0?31795?31移走的热量Q15。

其中 Q14?3.348?7181.23??30?25??120213.79kJ

由于Q1入?Q1出 Q15?Q1入?Q1?48263811.93?120213.79?8143598.14kJ 需冷却水的质量：

mH2O?8143598.14/?4.18?10??194822.92kg

(2) 中和工序

已知条件：丙烯酸的进料温度为25℃，比热为2.76kJ/kg?K，氢氧化钠水溶液的进料温度为30℃，平均比热为3.348kJ/kg?K，中和液的平均比热为

3.28kJ/kg?K，水的比热为4.18kJ/kg?K，100℃时水的蒸发热为2587kJ/kg，丙

826kJ 3811.93输出的热量Q1出出包括氢氧化钠溶液由25℃升到30℃所需的热量Q14和冷却

烯酸与氢氧化钠的中和热55.67kJ/mol，中和液输出温度为30℃，冷却水平均温差为10℃。

中和工序的输人热量Q2入包括：氢氧化钠水溶液引入的热量Q21，丙烯酸引入的热量Q22，丙烯酸中和热Q23，其计算结果如下：

氢氧化钠水溶液带入的热量：

Q21?3.348?7181.23??30?25??120213.79kJ

丙烯酸引入的热量为零：Q22?0

在中和工序中，中和度为100%，因此发生中和反应的丙烯酸为：

Q23?55.67?179531?9994490.77kJ

输入热量

Q2入?Q21?Q22?Q23?120213.79?9994490.77?10114704.56kJ

输出的热量Q2出出包括中和液移走的热量Q24，水分蒸发吸收的热量Q25，以及冷却水带走的热量Q26。其计算结果如下：

Q24?3.28?615426.07??30?25??625426.07kJ

这一工序水分蒸发很少，故水分蒸发热量可忽略不计。 所以 Q25?0

由于Q2入?Q2出 所以Q26?Q2入?Q24?10114704.56?615426.07?9499278.49kJ 冷却水用量：

mH2O?9499278/?4.18?10??227255.47kg

(3) 聚合反应工序

已知丙烯酸中和液的平均比热为3.28kJ/kg?K，中和液进料温度为30℃，丙

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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

烯酸钠的聚合热为77.7kJ/mol，水的比热为4.18kJ/kg?K，l00℃水的蒸发热为

2587kJ/kg，聚合物混合物出料温度为60℃，聚合物平均比热为2.53kJ/kg?K，

分散剂平均比热2.30kJ/kg?K

输入的热量Q3入包括：丙烯酸中和液引入的热量Q31，丙烯酸钠聚合的聚合反应放热Q32，其计算结果如下：

丙烯酸钠中和液引入的热量：

Q31?3.28?37525.98??30?25??615426.07kJ

聚合物反应放热：

Q32?77.7?179531?13949558.7kJ

则输入的热量：

Q3入?Q615426.0?731?Q32?13949?558.71kJ 4564984.77输出的热量Q3出包括生成的聚合物从25℃升温到60℃所需的热量Q33，分散介质带走的Q34和水从25℃到60℃的热量Q35及耗损的热量。其计算结果如下：

聚合物带走的热量：

Q33?2.53?16886.69??60?25??1495316.4kJ

分散介质带走的热量：

Q34?2.3?67546.76??60?25??5437508.55kJ

水带走的热量：

Q35?4.18?6197.95??60?25??906760.09kJ

(3) 生产聚丙烯酸钠的各工序物料衡算整理如下表3-3。

表3.3 生产聚丙烯酸钠的各工序热量衡算

工序名称

输入 Q1入

配碱

kJ 8263811.93

0 0

8263811.93 10114704.56 120213.79

0 9994490.77 14564984.77 615426.07 13949558.7

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输出

kJ 8263811.93 120213.79 8143598.14

10114704.56 615426.07

0 9499278.49 14564984.77 1495316.4 5437508.55 906760.09

Q1出 Q14

Q11

Q12 Q15

Q13

Q2入

中和

Q2出

Q21 Q22

Q24

Q25 Q26 Q3出 Q33 Q34 Q35

Q23 Q3入

聚合

Q31 Q32

河南城建学院本科毕业设计 3工艺衡算和设备选型

3.2 主要设备工艺尺寸的计算及选型

3.2.1各釜体高度与内径尺寸确定

(1) 配碱釜

日产聚丙烯酸钠101.53吨，需配碱液23937.47?6?143624.82kg；溶碱时最高温度为50℃，查得30%碱液的比重为1.33gcm3；则6.06吨碱液的体积为：

143.62482/1.33=107.99m3；

按装料系数75%计，需配碱釜容积为107.990.75?143.99m3。

生产工艺条件为：所处理的为碱性溶液，釜体内为常压，温度为50℃，夹套为循环冷却水，夹套内表压为0.3MPa，温度小于50℃，故可确定该釜属于带搅拌装置的低压反应釜。本设计采用圆筒形壳体和标准椭圆形封头作为釜体的结构型式，盛装物料的碱液可选用材质为钢的不锈钢釜。

查表得标准椭圆封头的体积为0.393D3、h封?D/4。令：h为釜体直边高度、

H为反应釜体的总高度，则：

H?h?2?h封?h?D/2?1.5D

因为所处理的物料为液-固相，其筒体高度于筒体直径之比H/D为1～1.5。若选1.5，则有：h?D

??V??D2?h?0.786D3??D3?0.262?D3?1.571D3

44得 D?3V143.99?3?4.509m 1.5711.571虽然釜属于非标准设备，但用于制造反应器的上下封头仍应选用标准封头。因为H/D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径4.51m。

釜体的直边高度为：

V?2?V封143.99?2?0.393?4.513??4.502m

0.785?D20.785?4.512釜体实际高度为：

H?h?2?h封?4.502?2?1.12275?6.757m

根据表取封头直边高度50mm，釜体圆形直筒部分高度：

4.502?2?0.05?4.402m

配碱釜的实际体积为：

?V??D2h?0.786D3?0.785?4.512?4.502?0.786?40513?143.99m3

4?7实际长径比： H/D?6.754?.51

搅拌型式可选用为推进式搅拌器，搅拌电机功率为9kw，转速为60r/min。

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(2)中和釜

中和釜用于对丙烯酸的完全中和，单生产线日产聚丙烯酸钠100t，按每批需中和液：

23937.47?12937.01?651.5?37525.98kg

在中和液60℃时，测得其密度为1.36gcm3，37525.98kg的中和液的体积为

27.60m3，按装料系数0.75计算，需中和釜的体积为27.60/0.75?36.8m3。

查表得标准椭圆封头的体积为0.393D3、h封?D/4。令：h为釜体直边高度、

H为反应釜体的总高度，则：

H?h?2?h封?h?D/2?1.5D

因为所处理的物料为液-固相，其筒体高度于筒体直径之比H/D为1~1.5。若选1.5，则有：h?D

??V??D2?h?0.786D3??D3?0.786?D3?1.571D3

44得 D?3V36.8?3?2.863m 1.5711.571用于制造反应器的上下封头选用标准封头。因为H/D取得较小，所以此处按公称尺寸选定釜体直径2.87m。

釜体的直边高度为：

V?2?V封36.8?2?0.393?2.8633??2.853m 220.785?D0.785?2.863釜体实际高度为：

H?h?2?h封?2.853?2?2.853/4?4.285m

根据表取封头直边高度50mm，釜体圆形直筒部分高度：

2.853?2?0.05?2.753m

中和釜的实际体积为：

?V??D2h?0.786D3?0.785?2.8532?2.853?0.786?2.8633?36.80m3

4.863 实际长径比： H/D?4.285/2?按每批量计，可选用材质为带夹套的直径1600mm为搪瓷釜，配用60r/min的减速箱，三相搅拌电机3kw的标准设备。 (3)分散介质调配罐

分散介质调配罐用于对分散液的配置，每批反应需分散液：

67546.76?337.73?67884.49kg

测得分散液密度为1.0g/cm3，67884.49kg的介质液的体积为67.89m3，

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3.3 设备一览表

设备情况见表3-4

表3-4 设备情况一览表

设备名称 配碱釜 中和釜 聚合釜 分散液调配罐 分散液贮罐 沉降式离心机

碱泵 酸泵 输送机 真空系统 操作平台 包装机组 冷凝器 无离子水贮罐 气流干燥机 鼓风机 管路系统 构架耗材 保温材料

规格 Φ3 000 Φ2 500 Φ3 800 12m3 82m3 LW350×1050 2 700×1 100×1 100 250r/min 7.5kw 250r/min9kw

10L/s，3kw 10000×6000×4000

数量 6 6 6 8 2 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 2

备注 非标准设备 非标准设备 非标准设备 非标准设备 非标准设备 标准设备 标准设备 标准设备 标准设备 标准设备 非标准设备 标准设备 非标准设备 非标准设备 标准设备

3.4原料主要技术规格、供应及消耗定额

3.4.1原料规格及用量

(1)丙烯酸：工业级，含量99%；年需求量9455.58t； (2)氢氧化钠：工业级，含量大于99%；年需求量5248.8t； (3)复合引发剂：工业级，含量大于99%；年需求量24.48t； (4)分散剂：工业级，含量大于99%；年需求量4887.6t；

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3.4.2 原料消耗定额

(1) 批产品原料消耗额见表3-5。

表3-5 原料消耗定额（以吨产品计）

名称 丙烯酸 氢氧化钠 引发剂 分散剂 纯水 合计

单耗（kg） 16920.47 7181.24 18.54 3702.72 9503.88

单价（元/吨）

9 500 2 200 4 600 4 800 20

金额（元） 160775 15799 85 11778 190

188627

(2) 单位产品能源消耗费用

生产用电：按用电0.8元/度，单位产品耗电450度，电耗450?0.8=3600元 生产用水：水按2元/吨，单位产品耗水900吨，水耗900?2=1800元

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河南城建学院本科毕业设计 4车间设备布置设计

4 车间设备布置设计

4.1 车间设备布置的原则

4.1.1 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、维修和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，力求紧凑、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、规范的要求。 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。 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。

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。

4.1.2 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）。

4.1.3 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

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河南城建学院本科毕业设计 4车间设备布置设计

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。

4.2 车间设备布置

4.2.1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。

4.2.2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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河南城建学院本科毕业设计 5 建设工程及公用、辅助工程说明

5 建设工程及公用、辅助工程说明

5.1建设工程说明 5.2给水、排水系统

生产用水主要为配碱和中和工序的冷却用水、配碱水和少量的生产冲洗用水。生产线日用水量200吨。其中循环水量为180吨(进水温度30℃，回水温度37℃)。新鲜水进水温度31℃。本生产线水源由自来水厂供应，水的用量不大，满足该项目的要求。

水系统包括新鲜水输水管、管网、输水管道的两条分支，一分支专门为循环水池，和生产清洗供水。另一支为纯水装置供水，消防用水管网另设。室内给水系统由人户管、主管、支管配水头(或用水设备)等组成。给水的水平干管敷设在建筑物的下部，由下至上供水。

生产用配碱水为纯水，由生产线装备的纯水装置供应。纯水最小用量6吨/日平均用量8吨/日，最大用量10吨/日。

生产用水中的冷却水经贮水池自然冷却或用冷却塔冷却后循环使用，少量的生产冲洗用水属基本无污染水，可经澄清后排放。

生产线的排水系统由排水管网组成，排水管道把废水从产生地点收集和输送到总排水管，最后由总排水管输送到污水澄清池。 5.3电力供应及生产控制 (1)电力供应

本项目耗电不大电力由企业原电网提供，本生产线耗电不足 ，企业电网能满足生产用电要求。

(2)贮运

根据本项目原料、产品特点按不同要求进行贮运，以满足生产需要。需原料库房面积，产品库房面积。库房应阴凉、通风、防水、防潮、远离火种、热源，原料中易燃、易爆物品，原料、产品应隔离存放。

(3)分析检验室、维修室

本项目进出工厂的原料、产品由化验室提供分析，包括丙烯酸、氢氧化钠、引发剂、助剂等原料和聚丙烯酸钠产品。

生产过程检验由生产线配备的分析检验工进行。共设分析检验工2人。 厂内配有维修工，可负责日常设备的维护和维修。

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河南城建学院本科毕业设计 6环境保护、劳动安全与工业卫生

6 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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河南城建学院本科毕业设计 6环境保护、劳动安全与工业卫生

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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河南城建学院本科毕业设计 7概述与技术经济

7 概算与技术经济

7.1 项目投资估算

投资估算见表

表7-1 投资估算表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 合计

项目名称 厂房建设 设备 配套及公用设施 电力设备 工业卫生 环保消防 流动资金 不可预见

金额（万元）

3000 1800 20 10 5 10 400 20 5265

备注

7.2产品成本估算

成本估算说明如下：

(1)生产所需原料、动力价格参照现行价格确定。

(2)工资及福利费：本项目生产人员23人，人均工资、福利按2.4万元计算。 (3)根据工艺设计确定的各项单号指标计算产品的单位成本。 (4)其他管理费用：按销售收入的1%计算。 (5)销售及其他费用：按销售收入的1.8%计算。

表7-2单位成本构成表（按批产品计）

项目 原料消耗 能耗 工资 包装 管理及维修折旧

销售 合计

金额（元） 188627 4400 3000 150 400 700 197277

备注

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河南城建学院本科毕业设计 7概述与技术经济

7.3 财务评估

7.3.1 各项经济技术指标计算

产品按每年生产聚丙烯酸钠30000吨，产品价格按26000元/吨（含税价）计算。

(1)年产值：按售价计30000?26000=78000(万元) (2)年销售收入：

含税销售收入30000?2600=7800(万元) (已经包含增殖税) (3)年总成本：188627（单批成本额）?6?300=33953（万元） (4)年利润总额：78000(总销售额)－33953(总成本)=44047(万元) (5)所得税税率按33%计取，年均所得税为：44047?33%=14535.51(万元) (6)税后净利润：44047－14535.51=29511.49(万元)

7.3.2 盈亏平衡分析

设备综合折旧按10年采用直线法计提； 年均固定成本=5265/10=526.5（万元）

盈亏临界产量=年均固定成本/(单位销售收入－单位变动成本) (l)盈亏平衡量=526.5/（26 000－21338）=1129.34(吨) (2)盈亏平衡点时的产值=1129.34?2.6=2936.25(万元) 即年产量达144.8吨，销售收入达376.48万元时可保不亏本。

由以上分析可见，建设3000t/a聚丙烯酸钠生产线具有投资小，达产后利润高，上缴税收大，投资回收期短，可以为企业带来很大的经济效益。而且聚丙烯酸钠产品属环保产品，还会为社会带来巨大的经济、社会和环境效益。

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河南城建学院本科毕业设计 总结

总 结

聚丙烯酸钠是近年来在各个领域广泛使用的一类功能性高分子材料，高分子量聚丙烯酸钠在氯碱行业盐水精制、氧化铝冶炼赤泥沉降和味精废水回收蛋白质等行业越来越受到重视。但是在我国其研究还不深入，生产规模还小，性能尚不如人意。对其生产过程进行研究，提高产品的应用性能，扩大产品的应用领域是我们当前的重要任务。本论文设计的特点在于：

(1)根据国内外文献资料及实际考查，选择了丙烯酸钠原料的合成路线。 (2)本论文在聚丙烯酸钠生产线工艺设计中的特点为：在工业生产的聚合反应中采用复合引发剂结合助剂；反应过程中溶液可回收循环使用；产品为粉状或粒状，包装运输方便。

(3)论文还对生产工艺过程的物料及能量进行了衡算；详细说明了生产工艺流程及控制；对主要设备的选型和工艺尺寸的计算；对车间的设备布置，原料的消耗和定额，建设工程进行了简要说明，对技术经济指标分析。

(4)根据本论文设计建厂能生产出的聚丙烯酸钠具有分子量高、水溶解性能好、溶解时间短，在使用上具有用量少、沉降速度快的特点。生产线还具有投资少、建设周期短、操作可靠等特点。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2ib7.html