聚丙烯酸钠吸水树脂

1、设计任务

设计项目珠状聚丙烯酸钠吸水剂

生产方法以丙烯酸、氢氧化钠、交联剂为原料，用反相悬浮聚合法合成珠状聚丙烯酸钠吸水剂

产品规格：（产品形状，粒径大小）

生产能力（年生产规模）

产品用途

生产时间：年工作日330d/a (24h/d)

2、生产方式的选择

在此列出主反应方程式中和反应、聚合反应（共聚物中要把交联结构表现出来）

聚丙烯酸钠的生产方法有以下两种。

1）水溶液聚合法

反应在水相中进行，得到的凝胶状聚合体经挤出被切割成片状或经挤出机挤出成条状，待干燥后再经粉碎过筛得到粉末状产品，其特点是工艺简单，即可间歇，也可连续生产，但因粉碎易造成产品形状不规整，大小不均一，对设备要求较高。反应后期因转化率增大而使溶液粘度提高，搅拌困难，如何较好地解决反应放热是影响生产的关键。

2）反相悬浮聚合法

反相悬浮聚合工艺系以烷烃、脂肪烃或芳香烃等烃类有机物作为分散介质，在稳定剂、分散剂保护下，单体借助机械搅拌作用形成单体液滴进行聚合反应。生成颗粒状水凝胶后，进行共沸脱水以出去其中的水分，在经过滤、干燥等后处理过程，得到颗粒状树脂。此法温度控制稳定，最大的优点为可直接获得颗粒状树脂而加以应用，省去了粉碎工序，产物的后处理过程十分简便。从发表论文和专利文献中来看，除各工序的操作条件外，聚合采用的分散介质、稳定剂、分散剂的种类和用量是决定聚合过程的稳定性及最终产物结构和性能的重要影响因素。

本设计采用反相悬浮聚合的生产方法制备颗粒状聚丙烯酸钠吸水剂，间歇操作。

原料单体：丙烯酸分散介质：正庚烷引发剂：过硫酸钾

交联剂：N,N-亚甲基双丙烯酰胺（0.5%单体质量）

分散稳定剂司班-60，司班-80 用量与课本同

余与课本同

3、工艺流程和设备汇总

丙烯酸贮罐、浓NaOH溶液贮罐、NaOH溶液调配罐、中和罐、分散介质调配罐、引发剂调配罐、聚合反应器（以上课本中已给出）

连续沉降槽（需计算截面积和高度）、转鼓真空过滤机（此设备不仅滤出全部正庚烷，而且滤出部分水）、甲苯贮罐、甲苯-水凝胶悬浮液调配罐、蒸发器、冷凝器（回收蒸出甲苯及水）、甲苯-水分离器、气流干燥器

4、主要设计条件汇总

1）原料准备及聚合反应过程：

a 已知

中和罐冷却至0℃，中和时保持0℃

交联剂：N,N-亚甲基双丙烯酰胺（0.5%单体质量）

反应器热量衡算时，取热损失为总传热量的10%

反应器装料系数Ф＝0.7

反应器封头采用标准椭圆封头(注意封头尺寸有标准可循)

长径比H/D=1.5-2.0

b 未知（可查阅工具书或文献资料）

丙烯酸比热（设丙烯酸钠比热与之同）和密度，假设和水混溶后无体积缩小效应！

丙烯酸的反应热（即聚合热），257Kcal＼Kg

中和反应热

2)产物后处理过程：

a)沉降槽

沉降槽处理后的沉渣中还含有50%的液体（注意：设定反应体系中的水全部被聚合物吸收，此水质量和聚合物的质量之和计为固体质量）

进入连续沉降槽的浆料固相体积分率e f(当然需要各组分的密度！水凝胶的密度记为1.15)，底流中固相的体积分率e c，底流速度u u增浓段任一水平截面上固相体积分率，此浓度下相应的表观沉降速度u0，需要液固比-表观沉降速度对应关系表。

沉降压紧所需时间θ

b)转鼓真空过滤机

经转鼓真空过滤机处理后，正庚烷全滤出，滤饼中的水量为聚合物质量的70%。

以3倍于聚合物（干基）质量的甲苯来稀释滤饼

3）共沸除水：

完成液组成和温度（甲苯可求之，水量定为 20%（占聚合物质量的百分比））物料衡算和热量衡算

流程简述如下：计量的丙烯酸自储罐中输送至中和罐，冷却至0℃，从调配罐经泵缓慢输出计量的氢氧化钠溶液至中和罐中，与丙烯酸发生部分中和反应，摩尔中和度达75%，加入去离子水，并保持罐中溶液的温度为0℃。同时将分散剂正庚烷和分散稳定剂加入分散剂调配罐进行配制得到分散液，加热调配罐，使分散液温度升至70℃，其按比例和单体溶液共同进入反应器，然后加入配置好的引发剂浓度为50%的水溶液。反应结束后，聚合物混合液被送至

反应器设计

1）反应器体积计算（间歇操作）

τR =2.5h τa=0.5h

关于蒸发（主要是通过甲苯共沸除水）

原料从置于反应器之后的中间贮罐，再经脱正庚烷、加甲苯之后而来，经放置后温度低于共沸温度。采用连续式蒸发。

单效蒸发的计算项目：单位时间的蒸发量、加热蒸汽的消耗量（注意：加热蒸汽的绝对压强为400kPa,）、蒸发器的传热面积。

生产任务中已知的项目（条件）：为达到共沸除水之目的而加入甲苯的量，原料液流量（通过整个干燥过程的时间来确定）、组成和温度（主要甲苯和水，聚合物不管），二次蒸汽组成（含 20% 量的水和80%甲苯，共沸液的沸点自己查），完成液组成和温度（，水量定为 20% （占聚合物的百分比））

忽略浓缩热,常压蒸发，

加热蒸汽消耗量D的计算：7

（注意：加热蒸汽的绝对压强为400kPa,）

r t t Fc Wr D p )

(010'-+=

式中W 为甲苯和水的共沸液，r ’是 二次蒸汽的汽化热（综合考虑甲苯和水，按摩尔比计算），KJ/kg

F 为原料也流量，t0 是进料温度，t1 共沸点温度，还应考虑到聚合物的比热，Cpo 为液体苯和水比热

r 为加热蒸汽（水蒸气）的汽化热 （注意：加热蒸汽的绝对压强为400kPa,）

有关干燥方面的计算

《化学工程手册》1439、1522页有详细介绍

1、此处所谓干燥，是指通过加热除去吸水剂凝胶中剩余的水。

这里有几个概念：)

(2992p P p H -= 92是甲苯分子量，视含甲苯的湿空气为理想混合气体。p 为甲苯分压，P 为总压。

相对湿度百分数 s

p p =ϕ，指含甲苯空气中甲苯气分压p 与同温度下甲苯的饱和蒸汽压Ps 之比的百分数。

湿基含水（或溶剂如甲苯）量ω

干基含水（或溶剂如甲苯）量X

2、需要重要参数：湿物料的平均比热，物料离开干燥器时的温度，进出干燥器的湿基含水量

绝干空气消耗量L 蒸发量W