11課程設(shè)計(jì)課程名稱高分子化學(xué)與高分子材料25000t/a丙烯酸懸浮聚合間歇操作工藝設(shè)題目名稱計(jì)專業(yè)班級(jí)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2014年1月19日《高分子化學(xué)與材料課程設(shè)計(jì)》任務(wù)書一、本課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)、任務(wù)與目的本課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)本課程是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的一門實(shí)用性和技術(shù)性很強(qiáng)的專業(yè)課程。學(xué)生在學(xué)完高分子化學(xué)與材料課程后，綜合運(yùn)用所學(xué)的高分子化學(xué)與材料及化工原理相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行初步的工藝設(shè)計(jì)。本課程任務(wù)是：撰寫簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)說明書。繪制物料流程示意圖一張。本課程設(shè)計(jì)的目的了解和掌握高分子材料基本類別、結(jié)構(gòu)與性能，高分子材料制備過程中的基本反應(yīng)類型、高分子合成材料添加劑與高分子材料成型工藝等內(nèi)容基礎(chǔ)知識(shí)；掌握檢索文獻(xiàn)的方法；通過閱讀文獻(xiàn)，了解并掌握高分子材料制備與設(shè)計(jì)的基本原理，并能獨(dú)立完成特定高分子材料的合成方案。通過專業(yè)課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握應(yīng)具備的基本高分子化工設(shè)計(jì)技能。二、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)方案選擇，對(duì)給定或選定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。工藝計(jì)算，應(yīng)完成工藝流程各過程的物料衡算，能量衡算。繪制物料流程示意圖，編寫物料平衡表及熱量平衡表。主要設(shè)備設(shè)計(jì)，在滿足工藝條件的前提下，進(jìn)行主要設(shè)備的選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。典型輔助設(shè)備設(shè)計(jì)選型，包括典型設(shè)備主要結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算和設(shè)備型號(hào)規(guī)格的選定。三、設(shè)計(jì)說明書的基本要求設(shè)計(jì)說明書應(yīng)當(dāng)包括以下幾個(gè)內(nèi)容：封面任務(wù)書目錄流程和方案的說明及論證武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書#第1章文獻(xiàn)綜述1.1丙烯酸1.1.1丙烯酸的用途丙烯酸及其酯類作為高分子化合物的單體，世界總產(chǎn)量已超過百萬噸，而由其制成的聚合物和共聚物（主要是乳液型樹脂）的產(chǎn)量將近500萬噸。這些樹脂的應(yīng)用遍及涂料，塑料、紡織、皮革、造紙、建材，以及包裝材料等眾多部門。丙烯酸及其酯類可供有機(jī)合成和高分子合成，而絕大多數(shù)是用于后者，并且更多地是與其他單體，如乙酸乙烯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等進(jìn)行共聚，制得各種性能的合成樹酯、功能高分子材料和各種助劑等［1］。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有：經(jīng)紗上漿料：由丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯腈、聚丙烯酸銨等原料配制的經(jīng)紗上漿料，比聚乙烯醇上漿料容量退漿，節(jié)省淀粉。膠粘劑：用丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸-2-乙基己酯等共聚乳膠，可作靜電植絨、植毛的膠粘劑，其堅(jiān)牢性和手感好。水稠化劑：用丙稀酸和丙烯酸乙酯共聚物制成高分子量的粉末。可作稠化劑，用于油田，每噸產(chǎn)品可增產(chǎn)500t原油，對(duì)老井采油效果較好。4.銅版紙涂飾劑：用丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯酸-2-乙基己酯、苯乙烯等四元共聚乳膠作銅版紙涂料，保色不泛黃，印刷性能好，不粘輥，比丁苯膠乳好可節(jié)省干酷素。聚丙烯酸鹽類：利用丙烯酸可生產(chǎn)各種聚丙烯酸鹽類產(chǎn)品（如銨鹽、鈉鹽、鉀鹽、鋁鹽、鎳鹽等）。用作凝集劑、水質(zhì)處理劑、分散劑、增稠劑、食品保鮮劑耐酸堿干燥劑，軟化劑等各種高分子助劑。1.2.2丙烯酸的需求近10年多來,我國(guó)丙烯酸工業(yè)發(fā)展很快,但仍不能滿足迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求,1996年供需缺口為2.38萬噸，1998年上升至5.37萬噸，2001年17.84萬噸。國(guó)內(nèi)自給率呈逐年下降趨勢(shì)，由1996年的80%降至2001年的44%，對(duì)進(jìn)口依賴度相應(yīng)由20%增加到56%。但此后由于新建裝置投產(chǎn),對(duì)進(jìn)口依存度呈下降趨勢(shì)，由2002年42.3%下降至2004年40.3%、2005年19.9%、2006年9.6%和2007年8.2%。丙烯酸進(jìn)口量由1996年2080噸增加到2001年6.71萬噸、2002年10.88萬噸、2003年10.97萬噸和2004年11.40萬噸,由于產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)，2005年進(jìn)口量下降到10.11萬噸，2006和2007年進(jìn)口量分別下降到5.26萬噸和5.12萬噸。表2列出近年我國(guó)丙烯酸產(chǎn)量、進(jìn)出口量和消費(fèi)量表1-1近年我國(guó)丙烯酸進(jìn)出口量和表觀消費(fèi)量，單位：萬噸年份產(chǎn)量講口量出□量表觀消費(fèi)200114.756.710.0521.41200214.9310.880.1225.69200315.4810.970.1326.32200417.0211.400.2828.14200537.1910.110.9146.39200651.305.262.0454.52200759.305.122.2162.21據(jù)分析，建筑、紡織、包裝材料和衛(wèi)生材料領(lǐng)域?qū)⒊蔀橹袊?guó)丙烯酸酯市場(chǎng)未來發(fā)展的四大驅(qū)動(dòng)力。中國(guó)居民住房條件和人均居住面積將會(huì)進(jìn)一步改善和提高，住宅建設(shè)快速發(fā)展，對(duì)丙烯酸乳膠建筑涂料和建筑密封膠的需求量將會(huì)大幅增長(zhǎng)。建筑行業(yè)仍將是我國(guó)丙烯酸及酯的主要消費(fèi)領(lǐng)域。丙烯酸及酯在建筑涂料和膠粘劑方面的開發(fā)應(yīng)用前景非常好，其中丙烯酸2-乙基己酯主要用于生產(chǎn)膠粘劑，聚丙烯酸乙酯則主要用于生產(chǎn)涂料。丙烯酸酯類建筑乳液產(chǎn)品因性能優(yōu)異和對(duì)環(huán)境友好，可用作內(nèi)、外墻涂料，深受用戶青睞。預(yù)計(jì)2010年我國(guó)建筑涂料需求量將達(dá)280萬噸，配套的通用丙烯酸酯消費(fèi)量為30萬噸。化纖工業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和外向型產(chǎn)業(yè)。預(yù)計(jì)到2010年，中國(guó)紡織服裝出口額將達(dá)到1200億美元，約占世界紡織品出口總額的30%?；w和紡織服裝業(yè)發(fā)展及產(chǎn)品檔次提高，對(duì)丙烯酸酯類高檔紡織漿料、涂料印花漿和加工用膠粘劑等需求必將大幅增長(zhǎng)［2］。隨著中國(guó)包裝材料業(yè)迅速發(fā)展，包裝膠粘帶用丙烯酸酯類膠粘劑需求量將不斷增長(zhǎng)。2007年，中國(guó)壓敏膠粘劑制品（膠帶及標(biāo)簽）產(chǎn)量約為62億m2,共消耗丙烯酸酯類壓敏膠34萬噸。預(yù)計(jì)今后中國(guó)壓敏膠需求增速將高達(dá)20%。隨著中國(guó)居民生活水平不斷提高，衛(wèi)生材料需求量日益擴(kuò)大。預(yù)計(jì)上述衛(wèi)生用品年均需求增速為12%一13%,到2010年對(duì)高吸水性樹脂的需求量將達(dá)8萬噸，將極大地拉動(dòng)丙烯酸及酯的消費(fèi)。國(guó)家限制或禁止使用磷酸鹽類助洗劑，洗滌劑行業(yè)推行無磷化，將大大促進(jìn)聚丙烯酸鈉鹽的發(fā)展。目前我國(guó)聚丙烯酸鈉鹽類助洗劑年消費(fèi)量?jī)H約為6000噸，若全國(guó)洗滌劑實(shí)現(xiàn)無磷化，按添加量1%計(jì)，聚丙烯酸鈉鹽類年用量可達(dá)3萬噸，市場(chǎng)潛力巨大。在汽車工業(yè)，丙烯酸酯橡膠具有耐熱、耐老化、耐油、耐臭氧、抗紫外線等性能，廣泛應(yīng)用于各種高溫、耐油環(huán)境中，特別是用于汽車曲軸、閥桿、汽缸墊、液壓輸油管等。過去丁腈橡膠和氯丁橡膠制備的傳統(tǒng)汽車配件已不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車的要求，將逐漸被性能優(yōu)異的丙烯酸酯橡膠所替代［3］。2007年國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)對(duì)丙烯酸酯橡膠需求量達(dá)8700噸，2010年將達(dá)1.3萬噸。綜上所述，受建筑、紡織、包裝和衛(wèi)生材料領(lǐng)域拉動(dòng)，中國(guó)丙烯酸酯市場(chǎng)未來仍將高速發(fā)展。2005年中國(guó)丙烯酸酯需求量達(dá)到72萬噸，2006年中國(guó)丙烯酸酯需求量達(dá)84萬噸，2007年需求量達(dá)88萬噸，占世界總消費(fèi)量的26%；2010年和2015年需求量將分別達(dá)到116萬噸和170萬噸，2010年消費(fèi)量約占世界總消費(fèi)量的31.4%，屆時(shí)中國(guó)將成為名副其實(shí)的世界丙烯酸消費(fèi)大國(guó)。高吸水樹脂1.2.1高吸水樹脂的性能高吸水樹脂（SuperAbsorbentPolymer,SAP）是一種新型功能高分子材料。它具有吸收比自身重幾百到幾千倍水的高吸水功能，并且保水性能優(yōu)良，一旦吸水膨脹成為水凝膠時(shí)，即使加壓也很難把水分離出來。因此，它在個(gè)人衛(wèi)生用品、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土木建筑等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛用途。高吸水樹脂是一類含有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的大分子，最早由Fanta等采用淀粉接枝聚丙烯腈再經(jīng)皂化制得。按原料劃分，有淀粉系（接枝物、羧甲基化等）、纖維素系（羧甲基化、接枝物等）、合成聚合物系（聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等）幾大類。其中聚丙烯酸系高吸水樹脂較淀粉系及纖維素系相比，具有生產(chǎn)成本低、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、吸水能力強(qiáng)、產(chǎn)品保質(zhì)期長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前世界高吸水樹脂生產(chǎn)中，聚丙烯酸系占到80%。高吸水樹脂一般為含有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子電解質(zhì)。吸水前，高分子鏈相互靠攏纏在一起，彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到整體上的緊固。與水接觸時(shí)，水分子通過毛細(xì)作用及擴(kuò)散作用滲透到樹脂中，鏈上的電離基團(tuán)在水中電離。由于鏈上同離子之間的靜電斥力而使高分子鏈伸展溶脹。由于電中性要求，反離子不能遷移到樹脂外部，樹脂內(nèi)外部溶液間的離子濃度差形成反滲透壓。水在反滲透壓的作用下進(jìn)一步進(jìn)入樹脂中，形成水凝膠。同時(shí)，樹脂本身的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及氫鍵作用，又限制了凝膠的無限膨脹。當(dāng)水中含有少量鹽類時(shí)，反滲透壓降低，同時(shí)由于反離子的屏蔽作用，使高分子鏈?zhǔn)湛s，導(dǎo)致樹脂的吸水能力大大下降。通常，高吸水樹脂在0.9%NaCl溶液中的吸水能力只有在去離子水中的1/10左右。吸水和保水是一個(gè)問題的兩個(gè)方面，林潤(rùn)雄等對(duì)此進(jìn)行了熱力學(xué)探討。在一定溫度和壓力下，高吸水樹脂能自發(fā)地吸水，水進(jìn)入樹脂中，使整個(gè)體系的自由焓降低，直到平衡。若水從樹脂中逸出，使自由焓升高，則不利于體系的穩(wěn)定。差熱分析表明，高吸水樹脂吸收的水在150°C以上仍有50%封閉在凝膠網(wǎng)絡(luò)中。因此，常溫下即使施加壓力，水也不會(huì)從高吸水樹脂中逸出，這是由高吸水樹脂的熱力學(xué)性質(zhì)決定的。高吸水聚合物是上世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的。1961年美國(guó)農(nóng)業(yè)部北方研究所首次將淀粉接枝于丙烯腈，制成一種超過傳統(tǒng)吸水材料的HSPAN淀粉丙烯腈接枝共聚物。1978年日本三洋化成株式會(huì)社率先將高吸水聚合物用于一次性尿布，從此引起了世界各國(guó)科學(xué)工作者的高度重視。上世紀(jì)70年代末，美國(guó)UCC公司提出用放射線處理交聯(lián)各種氧化烯烴聚合物，合成了非離子型高吸水聚合物，其吸水能力達(dá)到2000倍，從而打開了合成非離子型高吸水聚合物的大門。1983年，日本三洋化成又采用丙烯酸鉀在甲基二丙烯酰胺等二烯化合物存在下，進(jìn)行聚合制取高吸水聚合物。之后，該公司又連續(xù)制成了各種改性聚丙烯酸和聚丙烯酰胺組合的高吸水聚合物體系。上世紀(jì)末，各國(guó)科學(xué)家又相繼進(jìn)行開發(fā)，使高吸水聚合物在世界各國(guó)迅速發(fā)展。目前，已形成日本觸媒、三洋化成和德國(guó)Stockhausen公司三大生產(chǎn)集團(tuán)三足鼎立態(tài)勢(shì)，它們控制著當(dāng)今世界70％的市場(chǎng)，彼此之間又以技術(shù)合作方式進(jìn)行國(guó)際性聯(lián)合經(jīng)營(yíng)，壟斷世界所有國(guó)家的高吸水聚合物銷售權(quán)。1.2.2高吸水樹脂用途目前其主要用途仍然是衛(wèi)生用品，約占市場(chǎng)總量的70％左右。由于聚丙烯酸鈉高吸水樹脂吸水能力很大，并具有優(yōu)異的保水性能，所以作為土壤保水劑在農(nóng)業(yè)、林業(yè)方面應(yīng)用范圍很廣。如果在土壤中加入少量的高吸水性聚丙烯酸鈉，就能提高某些豆類的發(fā)芽率和豆苗的抗旱能力，使土壤的透氣性能增強(qiáng)。另外，由于高吸水樹脂的親水性及優(yōu)良的防霧性和抗結(jié)露性能，所以又可作為新的包裝材料。利用高吸水聚合物獨(dú)特性能制成的包裝薄膜可有效地保持食品鮮度。在化妝品中加入少量的高吸水聚合物，還可使其乳液粘度增大，是一種理想的增稠劑。利用高吸水聚合物只吸水不吸油或有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，在工業(yè)上又可作為脫水劑。由于高吸水聚合物具有無毒、對(duì)人體無刺激性、無副反應(yīng)、不引起血液凝固等特點(diǎn)，近年來，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。例如，用于含水量大、使用舒適的外用軟膏；生產(chǎn)能吸收手術(shù)及外傷出血和分泌液，并可防止化膿的醫(yī)用繃帶及棉球；制造能使水分和藥劑通過而微生物不能透過的抗感染性人造皮膚等。1.2.3高吸水樹脂發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)已越來越受到人們的關(guān)注。如果將高吸水聚合物裝入到一個(gè)可溶于污水的袋中，并將此袋浸入污水中，當(dāng)袋子被溶解后，高吸水聚合物就可迅速地吸收液體而使污水固體化。在電子工業(yè)中，高吸水聚合物還可用作濕度傳感器、水分測(cè)量傳感器及漏水檢測(cè)器等。高吸水聚合物可作為重金屬離子吸附劑及吸油材料等。近年來，國(guó)內(nèi)外有關(guān)交聯(lián)聚丙烯酸耐鹽性高分子吸水樹脂的制備方法有很多報(bào)道，如于祖榮等提出采用甲醇對(duì)樹脂進(jìn)行處理；任敬福、張林香等采用活化高嶺土作為樹脂添加劑；Bailey等采用纖維素酯或醚和丙烯酸酯接枝共聚；Rebre、小林隆俊采用了不同的懸浮穩(wěn)定劑。這些研究雖然在一定程度上提高了所制備的高吸水樹脂的耐鹽性但是仍沒有解決吸鹽水能力不強(qiáng)的問題，且有的方法后處理工藝復(fù)雜，提高了樹脂的成本?？傊呶酆衔锸且环N用途非常廣泛的高分子材料，大力開發(fā)高吸水聚合物樹脂具有巨大的市場(chǎng)潛力。今年在我國(guó)北方大部分地區(qū)干旱少雨的情況下，如何進(jìn)一步推廣和使用高吸水聚合物，是擺在農(nóng)業(yè)和林業(yè)科技工作者面前的一項(xiàng)迫切任務(wù)。在西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施過程中，在改良土壤的工作中，大力開發(fā)和應(yīng)用高吸水聚合物的多種實(shí)用功能，具有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)效益和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。高吸水樹脂是一種新型功能高分子材料，在工業(yè)上具有廣泛的用途。由于其高的吸水和保水性能，近年來在種苗培育以及困難立地造林領(lǐng)域正越來越受到關(guān)注。但傳統(tǒng)的高吸水樹脂普遍存在吸收純水能力較強(qiáng)而吸收鹽水能力不足的問題，限制了高吸水樹脂在農(nóng)林領(lǐng)域的應(yīng)用［4］。從組成來說，高吸水樹脂主要有丙烯酸接枝淀粉（纖維素）類和聚丙烯酸鹽兩大類。其中，后者因?yàn)橹苽涔に囅鄬?duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、不易霉變，是目前市場(chǎng)超強(qiáng)吸水樹脂的主要品種。反相懸浮聚合迄今已開發(fā)出來的高吸水性樹脂有淀粉類、纖維素類和合成樹脂類。淀粉類制備工藝復(fù)雜、產(chǎn)品耐熱性能差、易腐爛變質(zhì)、不易貯存。纖維素類吸水性能相對(duì)較差，而合成樹脂類（尤其是聚丙烯酸）則具有原料來源豐富、合成工藝簡(jiǎn)單、能夠防霉防變、吸水率高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前市場(chǎng)上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的品種。聚丙烯酸鹽類高吸水性樹脂主要采用溶液聚合法和反相懸浮法合成。如果聚合物不溶于單體溶液里，液滴中就會(huì)形成沉淀，這樣就會(huì)形成不透明且通常為非規(guī)則形狀的顆粒。而如果形成的聚合物部分溶于單體溶液中，那最終產(chǎn)物的組成就很難預(yù)測(cè)了。聚合產(chǎn)生的顆粒可以應(yīng)用于很多技術(shù)中，比如模塑。然而它們的最大應(yīng)用還是在色譜分離領(lǐng)域中作為分離材料（比如離子交換樹脂，酶固載支撐材料）得以應(yīng)用。這種應(yīng)用通常需要大的比表面積，即在珠狀顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生所需要尺寸大小的孔洞。聚合物珠子怎樣才可以做到內(nèi)部有孔可以在單體相中引入一種惰性稀釋劑，也可以叫它做致孔劑。聚合結(jié)束后將它提取出來。其它添加劑可以包括紫外穩(wěn)定劑（芳香酮或芳香酯），熱穩(wěn)定劑（乙烯氧衍生物，無機(jī)金屬鹽），模潤(rùn)滑劑以及泡沫劑［5］。其中反相懸浮法具有反應(yīng)熱易排除、聚合過程穩(wěn)定、能夠直接得到粒狀產(chǎn)品、無須粉碎工序、產(chǎn)品易干燥、產(chǎn)物的綜合吸水性能好等優(yōu)點(diǎn)，采用反相懸浮法能夠合成醫(yī)療衛(wèi)生用品所需的高品質(zhì)吸水性樹脂，在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景。第2章工藝流程設(shè)計(jì)2.1工藝流程簡(jiǎn)介圖2.1丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作物料平衡關(guān)系圖化工設(shè)計(jì)就是在建造化工生產(chǎn)裝置之前，根據(jù)一定的任務(wù)要求，將化工裝置的生產(chǎn)過程全部用圖紙、表格、文字說明等方式概述出來的過程及結(jié)果。來自T101中的純丙烯酸用原料泵P102分批加入V102中。T102NaOH水溶液的濃度為50%,在V101中被稀釋成濃度為30%的溶液，然后按一定比例緩慢加入V102中與丙烯酸進(jìn)行中和反應(yīng)，得到中和度為80%的丙烯酸與丙烯酸鈉混合物（簡(jiǎn)稱單體），再加入適量水，得到單體濃度為50%的溶液。正庚烷與一定量的分散穩(wěn)定劑在V103中進(jìn)行配制得到分散液，其按比例與單體溶液共同進(jìn)入反應(yīng)器R101中，然后加入在V104中配制好的引發(fā)劑濃度為50%的水溶液［6］。反應(yīng)大約進(jìn)行2小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，聚合物混合液被送至分離工序及后處理工序進(jìn)行分離、干燥、包裝等處理，得到最終產(chǎn)物。正庚烷經(jīng)蒸餾處理后循環(huán)使用。2.2工藝流程的分析2.2.1反應(yīng)方程式在V101、V103、V104中是單純的物料混合配制，無相變化與化學(xué)變化。在V102中80%的丙烯酸被中和，中和反應(yīng)方程式如下：CH=CH-COOH+NaOHCH=CH-COONa+HO222在R101中引發(fā)劑引發(fā)單體進(jìn)行自由基聚合，其反應(yīng)方程式如下：:：COOHCOONaCH2=CH—CQOH-FCH2=CH—COONa—*■-^CH2一CHCH3一丙烯酸自由基聚合中單體相對(duì)分子質(zhì)量與聚合物結(jié)構(gòu)單元相對(duì)分子質(zhì)量無化學(xué)計(jì)量上的變化，引發(fā)劑會(huì)結(jié)合到聚合物分子鏈上。2.2.2收集數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)模。設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的年產(chǎn)量(生產(chǎn)能力)：25000t/a生產(chǎn)時(shí)間。年工作日：300d/a(24h/d)間歇操作，V101、V102、V103、R101每天8批，V104由于引發(fā)劑用量很少，所以每天配制一批即可。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。原料NaOH溶液濃度為50%，其他原料均視為純物質(zhì)。因?yàn)橹粚?duì)聚合工序做物料衡算，所以不用考慮產(chǎn)品的其他質(zhì)量指標(biāo)。化學(xué)變化參數(shù)。加入的NaOH能夠與丙烯酸完全反應(yīng)，生成丙烯酸鈉。各組分相對(duì)分子質(zhì)量如表2-1所示：表2-1各組分相對(duì)分子質(zhì)量化合物丙烯酸NaOH丙烯酸鈉HO單體混合物2相對(duì)分子質(zhì)量72409418m混其中：75%中和的丙烯酸單體混合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量：M二72x0.2+94x0.8二89.6混聚合反應(yīng)過程中單體完全參加反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可視為100%，單體混合物與聚合物之間無化學(xué)計(jì)量上的變化，但引發(fā)劑結(jié)合到聚合物分子鏈上，會(huì)使聚合物數(shù)量略有增加。⑤選擇計(jì)算基準(zhǔn)與計(jì)算單位因?yàn)槭情g歇操作過程，所以基準(zhǔn)為“批”，單位為B/d。大部分設(shè)備的操作周期為8B/d,只有V104（引發(fā)劑調(diào)配罐）是1B/d。但引發(fā)劑向R101進(jìn)料周期仍與其他設(shè)備相同，所以在做物料衡算時(shí)，物料M11的數(shù)量仍以8B/d計(jì)算。在做設(shè)備工藝計(jì)算時(shí)，V104的體積大小應(yīng)按1B/d處理量進(jìn)行。表2-2技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目?jī)?nèi)容技術(shù)指標(biāo)聚合后處理?yè)p失率1%聚合物質(zhì)量丙烯酸中和度80%（摩爾）原料NaOH水溶液濃度50%（質(zhì)量）中和用NaOH水溶液濃度30%（質(zhì)量）單體水溶液濃度50%（質(zhì)量）引發(fā)劑用量0.2%單體質(zhì)量引發(fā)劑水溶液濃度50%（質(zhì)量）分散穩(wěn)定劑用量2%單體質(zhì)量散介質(zhì)（正庚烷）用量與單體質(zhì)量為4:1正庚烷循環(huán)用量80%正庚烷總用量

第3章物料衡算3.1主要原料丙烯酸（CH=CH-COOH）的投料量2用順流程的計(jì)算順序進(jìn)行物料衡算必須先求出主要原料（丙烯酸）每批投料量。該生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量25000t，年開工300天，每天生產(chǎn)8批，后處理中聚合損失率1%。每批應(yīng)生產(chǎn)聚合物數(shù)量為：=10521.89kg/B25000x103=10521.89kg/B300x8x0.99引發(fā)劑（0.2%單體質(zhì)量）全部結(jié)合到聚合物中；單體100%轉(zhuǎn)化成聚合物，且單體相對(duì)分子質(zhì)量與聚合物結(jié)構(gòu)單元相對(duì)分子質(zhì)量相同;單體混合物平均相對(duì)分子質(zhì)量（丙烯酸的中和度為80%）：可得M=72x0.2+94x0.8=896混丙烯酸相對(duì)分子質(zhì)量：?jiǎn)误w平均相對(duì)分子質(zhì)量=72:89.6丙烯酸投料量10521.8972丙烯酸投料量10521.8972x1+0.00289.6=8438.21kg/B表3-1數(shù)據(jù)匯總表（1）項(xiàng)目?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)每批應(yīng)生產(chǎn)聚合物數(shù)量10521.89kg/B丙烯酸投料量8438.21kg/B單體混合物相對(duì)分子質(zhì)量89.63.2V102（中和罐）物料衡算圖3.1圖3.1V102物料平衡示意圖已知：丙烯酸中和度=80%、丙烯酸相對(duì)分子質(zhì)量=72、NaOH相對(duì)分子質(zhì)量=40、單體平均相對(duì)分子質(zhì)量=89.6Ml（原料丙烯酸）=8438.21kg/BM4（30%NaOH溶液）NaOH：8438.21NaOH：8438.21x0.8x4072=3750.32kg/BHO：20.73750.32x-8750.75kg/B0.3合計(jì)：M4-3750.32+8750.75-12501.07kg/BM6（50%單體溶液）單體：8438.21x89.6-10500.88kg/BHO：210500.88x0.5-10500.88kg/B0.5合計(jì)：M6-10500.88+10500.88-21001.76kg/BM5（無離子水B）對(duì)V102中組分水做物料衡算有：水二水-水-中和反應(yīng)生成水M5M6M4中和反應(yīng)生成水：3750.32x=1687.64kg/B40無離子水B：M5=10500.88-8750.75-1687.64=62.49kg/B對(duì)V102做全物料平衡計(jì)算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律應(yīng)有:M1+M4+M5=M6即：8438.21+12501.07+62.49二21001.8kg/B二M6說明物料衡算是正確的。表3-3數(shù)據(jù)匯總表（2）項(xiàng)目?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)Ml（原料丙烯酸）8438.21kg/BM4（30%NaOH溶液）12501.07kg/BM6（45%單體溶液）21001.76kg/BM5（無離子水B）62.49kg/B3.3V101（NaOH溶液調(diào)配罐）物料衡算圖3.2V101物料衡算示意圖M4（30%NaOH溶液）=12501.07kg/BNaOH：3750.32kg/BHO：8750.75kg/B2M2（50%NaOH濃溶液）NaOH：3750.32kg/BHO：3750.32kg/B2合計(jì)：M2=3750.32+3750.32=7500.64kg/B對(duì)V101中組分水做物料衡算：M3=水-水二8750.75-3750.32二5000.43kg/BM4M2對(duì)V101做全物料平衡計(jì)算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律得:M2+M3=M4即：7500.64+5000.43=12501.07kg/B說明物料衡算是正確的。表3-4數(shù)據(jù)匯總表（3）項(xiàng)目?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)M2（50%NaOH濃溶液）3750.32kg/BM3（V101中組分水）5000.43kg/BM4（30%NaOH溶液）3750.32kg/BV103（分散介質(zhì)調(diào)配罐）物料衡算已知：正庚烷：?jiǎn)误w=4:1分散穩(wěn)定劑=2%單體質(zhì)量M7（正庚烷）=10500.88x4=42°°3.52kg/B循環(huán)正庚烷=42003.52x0.8=33602.82kg/B新鮮正庚烷=42003.52x°.2=8400,7kg/BM8（分散穩(wěn)定劑）=10500-88xO.02=210-02kg/BM9（分散液）=42003.52+210.02=42213.54kg/B對(duì)V103做全物料衡算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律得：M7+M8=M9即：42003.52+210.02=42213?54kg/B說明物料衡算是正確的。表3-5數(shù)據(jù)匯總表（4）項(xiàng)目?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)M7（正庚烷）42003.52kg/B循環(huán)正庚烷33602.82kg/B新鮮正庚烷8400.7kg/BM8（分散穩(wěn)定劑）210.02kg/BM9（分散液）42213.54kg/BR101（聚合反應(yīng)器）物料衡算圖3.4R101物料平衡示意圖M10（待聚合液）=M6+M9單體：10500.88kg/BHO：10500.88kg/B2M9（分散液）=42213.54kg/B合計(jì)：M10=10500.88+10500.88+42213.54=63215.3kg/BM11（引發(fā)劑水溶液）已知：引發(fā)劑用量=0.2%單體質(zhì)量引發(fā)劑水溶液濃度=50%（質(zhì)量）引發(fā)劑：10500.88x0.002二21.00kg/B則HO:21.00kg/B2合計(jì)：M11二21.00+21.00二42.00kg/BM12（聚合物混合液）分散穩(wěn)定劑：210.02kg/B正庚烷：42003.52kg/Bho:21.00+10500.88=10521.88kg/B2聚合物：21.00+10500.88=10521.88kg/B（與設(shè)計(jì)任務(wù)相符合）合計(jì)：M12=210.02+4200352+1052188+1052188=632573kg/B對(duì)R101做全物料平衡計(jì)算，進(jìn)行校核。由物料守恒定律應(yīng)有：M10+M11=M12即：63215.3+42.00=63257.30kg/B=M12說明物料衡算是正確的。表3-6數(shù)據(jù)匯總表（5）項(xiàng)目?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)M10（待聚合液）63215.3kg/BM11（引發(fā)劑水溶液）42kg/BM12（聚合物混合液）63257.30kg/B3.6V104（引發(fā)劑調(diào)配罐）物料衡算已知：引發(fā)劑溶液每天配制一批，供8批反應(yīng)使用。M13（引發(fā)劑）：21.00x8=168kg/BM14（HO）：21.00x8=6B2表3-7數(shù)據(jù)匯總表（6）項(xiàng)目?jī)?nèi)容數(shù)據(jù)M13（引發(fā)劑）168kg/BM14(HO)2168kg/B3.7整理并校核計(jì)算結(jié)果圖3.5總物料平衡示意圖對(duì)聚合工序做全物料平衡計(jì)算（圖3-5），進(jìn)行校核。由物料守恒定律有M1+M2+M3+M5+M7+M8+M11=M12即：8438.21+7500.64+5000.43+62.49+42003.52+210.02+42=63257.31kg/B說明整個(gè)聚合工序的物料衡算過程是正確的。

物流號(hào)丙烯酸單體NaOHHO2引發(fā)劑正庚烷分散穩(wěn)定劑聚合物合計(jì)M18038.218038.21M23750.323750.327500.64M35000.435000.43M43750.328750.7512501.07M562.4962.49M610500.8810500.8821001.76M742003.5242003.52M8210.02210.02M942003.52210.0242213.54M1010500.8810500.8842213.54210.0263215.3M1121.021.042.0M1210521.8842003.52210.0214730.6363257.3M13168168M14168168表3-2丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作物料平衡表單位：kg/B第4章聚合物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)反應(yīng)器的類型：釜式反應(yīng)器：釜式反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。這類反應(yīng)器通常設(shè)有攪拌裝置，所以又稱為攪拌釜反應(yīng)器(stirred-tankreactor)。攪拌裝置的主要作用是強(qiáng)制物料流動(dòng)，強(qiáng)化傳熱與傳質(zhì)效果；使物料充分接觸，均勻混合；強(qiáng)化表面更新作用，有利于小分子組分汽化；

使非均相物料分散。因此攪拌釜反應(yīng)器對(duì)各種反應(yīng)體系適應(yīng)性強(qiáng)，操作彈性大，使用溫度和壓力范圍廣，既可用于間歇操作，又可用于連續(xù)操作。用于間歇操作時(shí)，生產(chǎn)活性大，更換品種方便，適應(yīng)市場(chǎng)需求能力強(qiáng)。用于連續(xù)操作時(shí)，反應(yīng)器操作過程穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量均一，且多釜串聯(lián)連續(xù)操作產(chǎn)量大，因此，攪拌釜反應(yīng)器在聚合物合成過程中廣泛使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)攪拌釜反應(yīng)器在聚合反應(yīng)器中占80%-90%，如乙烯、丙烯、氯乙烯、苯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈等的聚合釜，聚酯合成中的聚合釜，以及丁苯橡膠、氯丁橡膠、順丁橡膠合成中的聚合釜都采用攪拌釜式反應(yīng)器。在聚合物生產(chǎn)過程中，除聚合反應(yīng)器外，還有一些帶攪拌裝置的容器，如原料配制槽、溶解槽等。隨著化學(xué)反應(yīng)技術(shù)理論的發(fā)展，為增大產(chǎn)量、降低成本，攪拌釜反應(yīng)器日趨大型化。如懸浮法生產(chǎn)聚氯乙烯的聚合釜已發(fā)展到200m3。大大提高了產(chǎn)品與產(chǎn)量的均一性，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。圖4.1釜式反應(yīng)器1-攪拌槳；2-加熱盤管；3-釜體；4-進(jìn)料口；5-傳動(dòng)裝置；6-電機(jī)；7-軸封；8-入孔；9-攪拌軸；10-夾套；11-出料口反應(yīng)器體積的計(jì)算求V101體積:p=pX+pX=1525X750°64+1000X500.43=955.03kg/m3M4M2M2M3M312501.0712501.07V二一M4RpV二一M4Rp12501.07955.03二13.09m3M4取甲二0.7，貝比V=Yr=取甲二0.7，貝比V=Yr=13.09=18.7m3T申0.7求V102體積:p=pX+pX+pXM6M1M1M4M4M5M58038.2112501.0762.49=1050x+955.03x+1000x21001.7621001.7621001.76二401.88+568.47+2.98二973.33kg/m3WV=M6=RpM621001-76=21.58m3973.33取甲二0.7,貝:=2158=30.83m30.7求V103體積:p=pX=680x42003.52=676.62kg/m3M9M7M742213.5442003.52V==62.08m3R676.62取甲二0.7，貝比V=Vr=62.08=88.68m3tp0.7對(duì)R101作工藝計(jì)算:p=pX+pXM12M10M10M11M11=pX+pX+pX4288560.2=773.09kg/4288560.2=773.09kg/m321001.7642003.52=973.33X+676.62X+1000x63257.363257.325000x10324xV=_W^V=300/=13.47m3Rpx24773.09x24M12取甲二0.7，貝比V=Vr=1347=19.24m3T申0.7外形尺寸的設(shè)計(jì)表5-1各種封頭的設(shè)計(jì)參數(shù)封頭高度封頭側(cè)面封頭體積封頭封頭高度封頭側(cè)面封頭體積封頭名稱（h）積（s）（v）名稱（h）積（s）（v）0.2618D3標(biāo)準(zhǔn)橢圓半球封頭0.5D1.571D2封頭0.25D1.083D20.131D360°錐封0.866D1.571D20.2267D3碟封頭0.225D1.063D20.122D3頭120°標(biāo)準(zhǔn)0.3754D1.123D20.1397D3球面0.134D0.842D20.0539D3錐封頭封頭90°錐封0.5D1.111D20.1309D3平封頭00.785D20頭標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的體積（表5-1）為0.131D3，件寸二彳。令h為釜體直邊高度，H為反應(yīng)器釜體總高度，則：H=h+2xh二h+—=1.5D

封2取H/D=1.5，貝U有h=D兀兀V二D2h+2x0.131D3二（—+0.262）D3二1.047D3T44D珂-31924=2.639m31.047\1.047雖然反應(yīng)器屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，但用于制造反應(yīng)器的上下封頭仍選用標(biāo)準(zhǔn)封頭。參照標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（JB/T4737-95）,此處按公稱尺寸選定釜體直徑為2.8m。釜體的直邊高度為：h=S—2U=19?24—2x°131x28=3143m0.785xD20.785x2.63922.8釜體實(shí)際高度：H=h+2xh~=3.143+2x=4.543m封4由標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭直邊高度與直徑關(guān)系表，取直邊高度為50mm，釜體圓形直筒部分高度：3.143-2x0.05=3.043m反應(yīng)器的實(shí)際體積為：兀V二一xD2h+2x0.131XD3=0.785x2.82x3.143+0.262x2.83=25.09m3T4反應(yīng)器實(shí)際長(zhǎng)徑比：最高液面：h二反應(yīng)器實(shí)際長(zhǎng)徑比：最高液面：h二hmaxH4.543]6”==1.623D2.8V-V117.14-0.131x2.83+r曠=2.8x_+1=3.018m封沢4xD240.785x2.&取體積收縮系數(shù)s=-0.2，最低液面：（1+s）xV-Vcc16-0.2）x13.47-0.131x2.83…°h=h+r封=2.8x—+=1.158mmin封?！眡D240.785x2.82聚合反應(yīng)器釜體外型尺寸設(shè)計(jì)表一反應(yīng)器工藝尺寸R101釜體積（