年产2000吨聚丙烯酸钠的工艺设计

年产2000吨聚丙烯酸钠的工艺设计

摘要

本设计对聚丙烯酸钠的国内外研究状况和应用现状、生产概况、市场需求情况和应用前景的进行了综述；对工艺流程中聚合方法、分离方法、干燥方法进行选择；对生产的物料及热量进行了衡算。详细介绍了生产工艺流程及控制，对主要设备进行了选型和工艺尺寸的计算。本文还对生产车间进行了设计，对工艺流程图，厂房布置图等进行了绘制。

关键词：聚丙烯酸钠，物料衡算，生产工艺，工艺流程图，厂房布置图

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THE PROCESSING TECHNIQUE DESIGN OF POLYACRYLATE

SODIUM WITH 2000 TONS OUTPUT PER YEAR

ABSTRACT

Foreign and domestic research and application, production status, market demand and prospect polyacrylate sodium reviewed in this paper. The polymerization, separation and drying method were selected, and material and heat balance were calculated. The processing technique flow and control were introduced in detail; the main equipments were selected and their dimensions were estimated. In addition, the workshop of production was also designed; the process flow diagram and plants arrangement drawing were drafted.

Keywords: Polyacrylate sodium, material balance, processing technique , process flow digram, plants arrangement

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目录

摘要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................. II 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 ............................................................. 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 工艺衡算和设备选型 ............................................................................................. 12 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 .................................................................................................... 22 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 ....................................................................................................... 24 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 ............................................................................................ 25 4 车间设备布置设计 ................................................................................................. 26 4.1 车间设备布置的原则 ....................................................................................... 26 4.1.1 车间设备布置的原则 ................................................................................ 26 4.1.2 车间设备平面布置的原则 ........................................................................ 26 4.1.3 车间设立面布置的原则 ............................................................................ 26 4.2 车间设备布置 ................................................................................................... 27 4.2.1车间设备平面布置 ..................................................................................... 27 4.2.2车间设备立面布置 ..................................................................................... 27 5 建设工程及公用、辅助工程说明 ......................................................................... 28 5.1建设工程说明 .................................................................................................... 28 5.2给水、排水系统 ................................................................................................ 28 5.3电力供应及生产控制 ........................................................................................ 28 6 环境保护、劳动安全与工业卫生 ......................................................................... 29 6.1环境保护 ............................................................................................................ 29 6.1.1该项目环保设计依据和标准 ..................................................................... 29 6.1.2环保治理措施 ............................................................................................. 29 6.1.3预期效果 ..................................................................................................... 29 6.1.4环保管理及监测 ......................................................................................... 29 6.1.5绿化概况 ..................................................................................................... 30 6.2劳动安全、工业卫生与消防 ............................................................................ 30 7 概算与技术经济 ..................................................................................................... 31 7.1 项目投资估算 ................................................................................................... 31 7.2产品成本估算 .................................................................................................... 31 7.3 财务评估 ......................................................................................................... 32 7.3.1 各项经济技术指标计算 ............................................................................ 32 7.3.2 盈亏平衡分析 ............................................................................................ 32 总结 ............................................................................................................................. 33

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参考文献 ..................................................................................................................... 34 致谢 ............................................................................................................................. 36

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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

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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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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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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2000万吨，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2000万吨。

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2000万吨，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4000吨。纯碱年产2000万吨，每生产1吨纯碱用聚丙烯酸钠0.14kg，需要用聚丙烯酸钠2800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4000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1000万的胶体聚丙烯酸钠，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》安徽理工大学大学

《毕业设计（论文）工作手册》安徽理工大学 《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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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2000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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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/eih7.html