1、蚌埠学院课程设计 课 程 设 计 课程名称 高分子化学与高分子材料 题目名称 25000t/a 丙烯酸悬浮聚合间歇操作工艺设计 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 2014 年 1 月 19 日蚌埠学院课程设计 高分子化学与材料课程设计任务书 一、本课程设计的性质、任务与目的 1. 本课程设计的性质 本课程是应用化学专业的一门实用性和技术性很强的专业课程。学生在学完高分子化学与材料课程后，综合运用所学的高分子化学与材料及化工原理相关知识，进行初步的工艺设计。 2.本 课程任务是： 撰写简要设计说明书。 绘制物料流程示意图一张。 3.本课程设计的目的 了解和掌握 高分子材料 基本类别、 结构与
2、性能 ， 高分子材料制备过程中的基本反应类型、高分子合成材料添加剂与高分子材料成型工艺等内容 基础知识； 掌握检索文献的方法； 通过阅读文献，了解并掌握高分子材料制备与设计的基本原理，并能独立完成特定高分子材料的合成方案。 通过专业课程设计使学生掌握应具备的基本高分子化工设计技能。 二、课程设计的主要内容 1.设计方案选择，对给定或选定的设计方案进行简要论述。 2.工艺计算，应完成工 艺流程各过程的物料衡算，能量衡算。绘制物料流程示意图，编写物料平衡表及热量平衡表。 3.主要设备设计，在满足工艺条件的前提下，进行主要设备的选型及结构设计。 4.典型辅助设备设计选型，包括典型设备主要结构尺寸计算
3、和设备型号规格的选定。 三、设计说明书的基本要求 设计说明书 应当包括以下几个内容： 1.封面 2.任务书 3.目录 4.流程和方案的说明及论证 武汉工程大学邮电与信息工程学院课程设计说明书 II 5.设计物料衡算与说明 6.设备选型及设计 7.对设计的评述及结论 8.参考文献目录 四、课程设计题目 25000t/a 丙烯酸悬浮聚合间歇操作工艺设计 1、生产规模： 35000t/a 2、生产时间： 300d/a 3、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。 4、 质量标准。 原料 NaOH 溶液浓度为 50%
4、，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。 5、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。 6、技术指标 聚合后处理损失率： 1%（聚合物质量） 丙烯酸中和度： 80%（摩尔分数） 原料 NaOH 水溶液浓度： 50%（质量） 中 和用 NaOH 水溶液浓度： 30%（质量） 单体水溶液浓度： 50%（质量） 引发剂用量： 0.2%单体质量 引发剂水溶液浓度： 50%（质量） 分散稳定剂用量： 2%单体质量 分散介质（正庚烷）用量：与单体质量为 4:1 正庚烷循环用量： 80%正庚烷总用量 附： 工艺流程 武汉工程大学邮电与
5、信息工程学院课程设计说明书 III 附 图 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡关系图 说明： 1、 来自 T101 中的纯丙烯酸用原料泵 P102 分批加入 V102 中。 T102 NaOH 水溶液的浓度为 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 80%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 50%的溶液。 2、 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
6、溶液。反应大约进行 2 小时。 3、 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。 4、 正庚烷经蒸馏处理后循环使用。 蚌埠学院课程设计 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 文献综述 .1 1.1 丙烯酸 .1 1.2 高吸水树脂 .3 1.3 反相悬浮聚合 .5 第 2 章 工艺流程设计 .7 2.1 工艺流程简介 .7 2.2 工艺流程的分析 .8 第 3 章 物料衡算 .10 3.主要原料丙烯酸的投 料量 .10 3.2 中和罐物料衡算 . 11 3.3NaOH 溶液调配罐物料衡算 .12 3.4 分散介质调配罐
7、物料衡算 .13 3.5 聚合反应器物料衡算 .14 3.6 引发剂调配罐物料衡算 .16 3.7 整理并校核计算结果 .16 第 4 章 设计小结 .24 致 谢 .25 附 录 .27 参考文献 .26 蚌埠学院课程设计 I 摘 要 本次设计采用反相悬浮液法进行丙烯酸 -丙烯酸钠共聚物的工艺设计。设计过程中对丙烯酸、高吸水性树脂、反相悬浮液法的基本性能、用途、国内外发展状况、发展趋势等进行了系统的综述。然后对工艺流程进行了简单的分析及设计，聚合工艺过程按一下顺序：原料准备工序、聚合工序、分离工序、聚合物后处理工序。以丙烯酸和氢氧化钠为原料，对各个聚合工序做物料衡算并简述其工艺流程。最终，利
8、用 Auto CAD 绘制工艺流程图和物料平衡关系图。 关键词 ： 反相悬浮液 ； 丙烯酸 -丙 烯酸钠共聚 ；物料衡算； 工艺流程 蚌埠学院课程设计 II Abstract In chemical production, Polymerization of acrylic acid mostly by suspension polymerization of multi-batch operation of the production process. This course is designed for intermittent operation of the production
9、of suspension polymerization acrylic acid process design. process mainly composed of the following processes: raw material preparation process, the polymerization process, polymer post-processing work, the design process in this major polymerization process is designed, in the design process polymer
10、ization process in which materials should also be accounted for. Draw process flow diagram and material balance diagram。 Keywords:Inverse suspension； Copolymerzation； Material balance； Initiator process 蚌埠学院课程设计 1 第 1章 文献综述 1.1 丙烯酸 1.1.1 丙烯酸的用途 丙烯酸及其 酯类作为高分子化合物的单体，世界总产量已超过百万吨，而由其制成的聚合物和共聚物 (主要是乳液型树脂
11、 )的产量将近 500 万吨。这些树脂的应用遍及涂料，塑料、纺织、皮革、造纸、建材，以及包装材料等众多部门。丙烯酸及其酯类可供有机合成和高分子合成，而绝大多数是用于后者，并且更多地是与其他单体，如乙酸乙烯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等进行共聚，制得各种性能的合成树酯、功能高分子材料和各种助剂等 1。其主要应用领域有： 1.经纱上浆料：由丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯腈、聚丙烯酸铵 等原料配制的经纱上浆料，比聚乙烯醇上浆料容量退浆，节省淀粉。 2.胶粘剂：用丙烯酸、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸 -2-乙基己酯等共聚乳胶，可作静电植绒、植毛的胶粘剂，其坚牢性和手感好。 3.水稠化剂：用丙稀酸和
12、丙烯酸乙酯共聚物制成高分子量的粉末。可作稠化剂，用于油田，每吨产品可增产 500t 原油，对老井采油效果较好。 4.铜版纸涂饰剂：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胶作 铜版纸涂料，保色不泛黄，印刷性能好，不粘辊，比丁苯胶乳好可节省干酷素。 5.聚丙烯酸盐类：利用丙烯酸可生产各种聚丙烯酸盐类产品 (如铵盐、钠盐、钾盐、铝盐、镍盐等 )。用作凝集剂、水质处理剂、分散剂、增稠剂、食品保鲜剂耐酸碱干燥剂，软化剂等各种高分子助剂。 1.2.2 丙烯酸的需求 近 10 年多来 , 我国丙烯酸工业发展很快 , 但仍不能满足迅速增长的市场需求 , 1996年供需缺口为 2.38
13、 万吨， 1998 年上升至 5.37 万吨， 2001 年 17.84 万吨。国内自给率呈逐年下降趋势，由 1996 年的 80%降至 2001 年的 44%，对进口依赖度相应由 20%增加到56%。但此后由于新建装置投产 , 对进口依存度呈下降趋势，由 2002 年 42.3%下降至 2004蚌埠学院课程设计 2 年 40.3%、 2005 年 19.9%、 2006 年 9.6%和 2007 年 8.2%。丙烯酸进口量由 1996 年 2080吨 增加到 2001 年 6.71 万吨、 2002 年 10.88 万吨、 2003 年 10.97 万吨和 2004 年 11.40万吨 ,
14、由于产量大幅增长， 2005 年进口量下降到 10.11 万吨， 2006 和 2007 年进口量分别下降到 5.26 万吨和 5.12 万吨。表 2 列出近年我国丙烯酸产量、进出口量和消费量。 表 1-1 近年我国丙烯酸进出口量和表观消费 量 ，单位： 万 吨 年 份 产 量 进口 量 出口 量 表观消费量 2001 14.75 6.71 0.05 21.41 2002 14.93 10.88 0.12 25.69 2003 15.48 10.97 0.13 26.32 2004 17.02 11.40 0.28 28.14 2005 37.19 10.11 0.91 46.39 2006
15、51.30 5.26 2.04 54.52 2007 59.30 5.12 2.21 62.21 据分析，建筑、纺织、包装材料和卫生材料领域将成为中国丙烯酸酯市场未来发展的四大驱动力。中国居民住房条件和人均居住面积将会进一步改善和提高，住宅建设快速发展，对丙烯酸乳胶建筑涂料和建筑密封胶的需求量将会大幅增长。建筑行业仍将是我国丙烯酸及酯的主要消费领域。丙烯酸及酯在建筑涂料和胶粘剂方面的开发应用前景非常好，其中丙烯酸 2-乙基己酯主要用于生产胶粘剂，聚丙烯酸乙酯则主要用于生产涂料。丙烯酸酯类建筑乳液产品因性能优异和对环境友好，可用作内、外墙涂料，深受用户青睐。预计 2010 年我国 建筑涂料需求量
16、将达 280 万吨，配套的通用丙烯酸酯消费量为 30 万吨。化纤工业已成为国民经济主导产业和外向型产业。预计到 2010 年，中国纺织服装出口额将达到 1200 亿美元，约占世界纺织品出口总额的 30%。化纤和纺织服装业发展及产品档次提高，对丙烯酸酯类高档纺织浆料、涂料印花浆和加工用胶粘剂等需求必将大幅增长 2。 随着中国包装材料业迅速发展，包装胶粘带用丙烯酸酯类胶粘剂需求量将不断增长。 2007 年，中国压敏胶粘剂制品（胶带及标签 )产量约为 62 亿 m2，共消耗丙烯酸酯类压敏胶 34 万吨。预计今后中国压敏胶需求增速 将高达 20%。随着中国居民生活水平不断提高，卫生材料需求量日益扩大。
17、预计上述卫生用品年均需求增速为 12% 13%，到 2010 年对高吸水性树脂的需求量将达 8 万吨，将极大地拉动丙烯酸及酯的消费。国家限制或禁止使用磷酸盐类助洗剂，洗涤剂行业推行无磷化，将大大促进聚丙烯酸钠盐的发展。目前我国聚丙烯酸钠盐类助洗剂年消费量仅约为 6000 吨，若全国洗涤剂实现无磷化，按添加量 1%计，聚丙烯酸钠盐类年用量可达 3 万吨，市场潜力巨大。在汽车蚌埠学院课程设计 3 工业，丙烯酸酯橡胶具有耐热、耐老化、耐油、耐臭氧、抗紫外线等性能，广泛应用于各种高温、耐 油环境中，特别是用于汽车曲轴、阀杆、汽缸垫、液压输油管等。过去丁腈橡胶和氯丁橡胶制备的传统汽车配件已不能适应现代汽
18、车的要求，将逐渐被性能优异的丙烯酸酯橡胶所替代 3。 2007 年国内汽车工业对丙烯酸酯橡胶需求量达 8700 吨， 2010年将达 1.3 万吨。综上所述，受建筑、纺织、包装和卫生材料领域拉动，中国丙烯酸酯市场未来仍将高速发展。 2005 年中国丙烯酸酯需求量达到 72 万吨， 2006 年中国丙烯酸酯需求量达 84 万吨， 2007 年需求量达 88 万吨，占世界总消费量的 26%； 2010 年和 2015年需求量将分别达到 116 万 吨和 170 万吨， 2010 年消费量约占世界总消费量的 31.4%，届时中国将成为名副其实的世界丙烯酸消费大国。 1.2 高吸水树脂 1.2.1 高
19、吸水树脂的性能 高吸水树脂 (Super Absorbent Polymer， SAP)是一种新型功能高分子材料。它具有吸收比自身重几百到几千倍水的高吸水功能，并且保水性能优良，一旦吸水膨胀成为水凝胶时，即使加压也很难把水分离出来。因此，它在个人卫生用品、工农业生产、土木建筑等各个领域都有广泛用途。 高吸水树脂是一类 含有亲水基团和交联结构的大分子，最早由 Fanta 等采用淀粉接枝聚丙烯腈再经皂化制得。按原料划分，有淀粉系 (接枝物、羧甲基化等 )、纤维素系 (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 )几大类。其中聚丙烯酸系高吸水树脂较淀粉系及纤维素系相
20、比，具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点，成为当前该领域的研究热点。目前世界高吸水树脂生产中，聚丙烯酸系占到 80%。 高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此 交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨
