聚丙烯酸钠课设论文设计.docx
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聚丙烯酸钠课设论文设计
2.聚丙烯酸钠合成原理4
2.1合成反应方程式4
2.2聚丙烯酸钠聚合的实施方法4
3.主要原料5
3.1丙烯酸5
3.2氢氧化钠5
3.3庚烷6
3.4Span606
3.5过硫酸钾6
4.聚合物合成工艺设计6
4.1聚合物工艺流程图6
4.2工艺流程的分析8
5.聚合物合成工艺的物料衡算及效益估算9
5.1主要原料丙烯酸的投料量10
5.2整理并校核计算结果10
6.聚丙烯酸钠的前景展望11
参考文献12
1、前言
1.1聚丙烯酸钠简介
聚丙烯酸钠，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。
聚丙烯酸钠的主要性质有：
（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，但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聚丙烯酸钠的用途
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。
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。
表1不同聚合度聚丙烯酸钠的功能及应用
聚合度
功能
用途
1-50
离子封闭
防水垢剂、洗涤作用增效剂
60-500
分散、水还原作用
分散剂、石油钻井添加剂、水还原剂
500-10000
防沉淀、分散作用
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
10000-100000
沉积、絮凝、沉淀作用
加快墙体材料粘性剂、农药防漂散剂、电解盐水精制、絮凝剂
100000-500000
水膨胀性
水凝胶
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。
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。
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制备方法及特点
高分子量的聚丙烯酸钠其微观结构为聚阴离子型电解质，通过聚阴离子间的架桥使悬浮粒子相互凝聚成团，加速悬浮粒子的沉降，所以在食品添加剂、铝红泥的絮凝、动植物蛋白废水的处理等方面都有独特的应用。
国产超强吸水剂产品尚未形成规模生产,其原因有以下几个方面:
（1）产品成本较高;
（2）产品性能没有及时改进;（3）产品的应用研究较少;（4）生产装置规模一般较小,工艺过程较复杂。
对聚丙烯酸钠吸水树脂的生产,丙烯酸钠水溶液聚合具有实施方便、设备筒单、产品凝胶含量低、体系稳定等优点，但存在聚合后期黏度大、散热困难等问题，难以制得高分子量聚丙烯酸钠。
国外主要采用反相悬浮聚合工艺,该工艺存在油水相难分离、合成成本高、聚合工艺复杂等缺点。
该法解决了水溶液聚合法的传热，搅拌困难等问题；且反应条件温和，可直接获得珠状产品，生产的聚丙烯酸钠粒径大小可根据用途要求调节，溶剂容易与聚合物分离，是一种合成聚丙烯酸钠独特的方法。
所以综合考虑各因素后，本设计的聚丙烯酸钠生产使用反相悬浮聚合法，单釜间歇聚合工艺，以Span60为分散剂、复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中，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。
由于聚合过程中，丙烯酸钠单体易自交联反应，形成不溶性凝胶，故在体系中要求加入一定量的链转移剂和缓聚剂；聚合反应后聚合物颗粒对通常材料的盛装器具具有很大粘性，所以在釜中加入抗粘釜剂，防止金属表面发生引发聚合或大分子活性链接触釜壁就被终止聚合而钝化。
本设计的特点在于：
（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）本设计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）根据本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。
2、聚丙烯酸钠合成原理
2.1合成反应方程式
丙烯酸被中和，中和反应方程式如下：
引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下：
2.2聚丙烯酸钠聚合的实施方法
高分子量聚丙烯酸盐的合成方法主要有水溶液聚合法和反相悬浮聚合法。
水溶液聚合法是以水为溶剂，将经碱部分中和后的丙烯酸，加入有关助剂、引发剂，然后在一定的温度下进行聚合、干燥粉碎而制得的方法。
该法以水为溶剂，生产过程不产生污染；对主设备要求低，投资省；操作简单，生产效率高；缺点是反应速度快，温度不易控制；但后处理需增加干燥、粉碎、筛分工序，有过细粉末产生。
水溶液聚合法生产的聚丙烯酸钠产品因呈不规则粉末状，国内的高分子量聚丙烯酸钠生产基本采用该法。
反相悬浮聚合法是以溶剂（油相）为分散介质，经碱部分中和的水溶性单体丙烯酸钠，在悬浮分散剂和搅拌作用下分散成水相液滴，引发剂和交联剂溶解在水相液滴中在加热的情况下进行的聚合方法。
该法解决了水溶液聚合法的传热，搅拌困难等问题；且反应条件温和，可直接获得珠状产品，生产的聚丙烯酸钠粒径大小可根据用途要求调节，溶剂容易与聚合物分离，是一种合成聚丙烯酸钠独特的方法。
缺点是反应过程控制较不稳定；主设备材质要求高，设备投资较大；采用易燃的有机溶剂，需要溶剂回收装置，存在消防隐患和产生污染；只能进行间歇生产，设备利用率低。
采用反相悬浮法合成高分子量的聚丙烯酸钠，首先将丙烯酸单体经部分中和，单体溶液分散并悬浮于连续有机相中（如正庚烷等），以无机过氧类引发剂（如过硫酸钾）或水溶性氧化还原引发体系（如过硫酸铵、尿素）引发聚合，生成粉状或粒状沉淀，与溶剂分离后即得最终产品。
根据上述分析、试验结果和企业资金情况，本设计的聚丙烯酸钠生产使用反相悬浮聚合法，单釜间歇聚合工艺，以Span60为分散剂、复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中，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。
由于聚合过程中，丙烯酸钠单体易自交联反应，形成不溶性凝胶，故在体系中要求加入一定量的链转移剂和缓聚剂；聚合反应后聚合物颗粒对通常材料的盛装器具具有很大粘性，所以在釜中加入抗粘釜剂，防止金属表面发生引发聚合或大分子活性链接触釜壁就被终止聚合而钝化。
2.3反向悬浮聚合工艺条件及其影响因素
目前，有关反相悬浮法生产水溶性聚合物的研究报道较少，影响聚合产品性能的主要因素与常规丙烯酸系水溶液聚合体系相似，有单体浓度、水油比、引发体系及其用量、分散剂、聚合温度、聚合体系pH值、聚合体系中无机盐类、链转移剂、搅拌、缓聚剂等。
3.主要原料
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。
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：
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），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CH（CH2）5CH3，相对分子量100.21。
是一种无色易挥发液，有麻醉作用和刺激性。
常用作辛烷值测定的标准、溶剂，以及用于有机合成，实验试剂的制备。
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。
3.4Span60
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span60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。
4.聚合物合成工艺设计
4.1聚合物工艺流程图
图1丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡关系图
T101-丙烯酸贮罐；T102-浓NaOH溶液贮罐；V101-NaOH溶液调配罐；V102-中和罐；V103-分散介质调配罐；V104-引发剂调配罐；R101-聚合反应器；P101，P102，P103-液体输送泵
来自T101中的纯丙烯酸用原料泵P102分批加入V102中。
NaOH水T102溶液的浓度为50%，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中进行配制得到分散液，其按比例与单体溶液共同进入反应器R101中，然后加入在V104中配制好的引发剂浓度为50%的水溶液。
反应大约进行2.5小时。
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、包装等处理，得到最终产物。
正庚烷经蒸馏处理后循环使用。
工艺流程的分析
4.2.1反应方程式
在V101、V103、V104中是单纯的物料混合配制，无相变化与化学变化。
在V102中75%的丙烯酸被中和，中和反应方程式如下：
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。
4.2.2收集数据
年产量t/a
年工作日d/a
生产批次B/d
损失率
2500
320
8
1%
生产规模。
设计任务书中规定的年产量（生产能力）：
2500t/a
生产时间。
年工作日：
320d/a（24h/d）
间歇操作，V101、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。
质量标准。
原料NaOH溶液浓度为50%，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。
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表所示：
表2-2各组分相对分子质量
化合物
丙烯酸
NaOH
丙烯酸钠
单体混合物
相对分子质量
72
40
94
18
其中：
75%中和的丙烯酸单体混合物的平均相对分子质量：
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。
选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。
表2-3技术指标
项目内容
技术指标
聚合后处理损失率
1%聚合物质量
丙烯酸中和度
（摩尔）
原料NaOH水溶液浓度
（质量）
中和用NaOH水溶液浓度
（质量）
单体水溶液浓度
（质量）
引发剂用量
单体质量
引发剂水溶液浓度
（质量）
分散稳定剂用量
单体质量
散介质（正庚烷）用量
与单体质量为4:
1
正庚烷循环用量
正庚烷总用量
5.聚合物合成工艺的物料衡算
5.1主要原料丙烯酸的投料量
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2500t，年开工320天，每天生产8批，后处理中聚合损失率1%。
每批应生产聚合物数量为：
引发剂（0.2%单体质量）全部结合到聚合物中；
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；
单体混合物平均相对分子质量（丙烯酸的中和度为75%）：
可得
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
5.2整理并校核计算结果
图2.5总物料平衡示意图
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：
即：
861.58+667.98+445.32+274.62+3941.12+19.71+3.94=6154.28kg/B
说明整个聚合工序的物料衡算过程是正确的。
表3.丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡表单位：
物流号
丙烯酸
单体
NaOH
引发剂
正庚烷
分散剂
聚合物
合计
801.58
801.58
333.99
333.99
667.98
445.32
445.32
333.99
779.31
1113.30
274.62
274.62
985.28
1204.23
2189.51
3941.12
3941.12
19.71
19.71
3941.12
19.71
3960.83
985.28
1204.23
3941.12
19.71
6150.34
1.97
1.97
3.94
1206.2
3941.12
19.71
987.25
6154.28
15.76
15.76
15.76
15.76
成本估价0.75元/100g，市场价格3.5元/100g（35元/kg）。
6、聚丙烯酸钠的前景展望
聚丙烯酸钠高吸水性树脂是一类新型功能高分子材料，具有高吸水性和高保水性，干燥后还可重复使用，同时又具有良好的加工性能和使用性能，可广泛应用于工业、农业、建筑、园艺、卫生等领域。
我国对聚丙烯酸钠树脂的研究起步晚，在粒度、吸水速率和吸水率等方面与国外有明显差距，且不能连续化生产，一直停留在实验室阶段。
反相悬浮法具有反应热易排除、聚合过程稳定、能够直接得到粒状产品、无须粉碎工序、产品易干燥、产物的综合吸水性能好等优点，采用反相悬浮法能够合成医疗卫生用品所需的高品质吸水性树脂，在我国具有广阔的应用前景。
大庆华科股份有限公司引进率先通过部级鉴定的成果，投人大量人力、物力、财力进行生产性开发，顺利通过中试，研制成功“分项控制合成法”新工艺，解决了以上难题，进行了扩大生产，并申报了国家专利，相信不久的将来，我国将打破日本触媒、三洋化成和德国Stockhausen公司三大生产集团垄断高吸水聚合物销售权的神话。
参考文献
[1]占平珍.聚丙烯酸钠絮凝剂的开发和应用[J].企业家天地，2010，（12）：
96.
[2]康正，崔英德，郭建维等.年产120吨聚丙烯酸钠絮凝剂的工艺设计与投产[J].广州化工，2000，18（4）：
151～153.
[3]戚银城，刘宝龙.高分子量聚丙烯酸钠的合成及应用研究[J].北京化工学院学报（自然科学版），2006，17
（1）：
19～24.
[4]韩淑珍.反相悬浮聚合法新工艺合成聚丙烯酸钠高分子絮凝剂工业化开发研究[J].精细与专用化学品，2000，（17）：
15～17.
[5]XX文库
[6]维普中文科技期刊全文数据库
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