年产6000吨聚丙烯酸钠的工艺设计(编辑修改稿)

年产6000吨聚丙烯酸钠的工艺设计(编辑修改稿)内容摘要：

： 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。 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 11。 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河南城建学院本科毕业设计 1 概述 3 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≥。 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 不同聚合度聚丙烯酸钠的功能及应用 聚合度 功能 用途 150 离子封闭 防水垢剂、洗涤作用增效剂 60500 分散、水还原作用 分散剂、石油钻井添加剂、水还原剂 50010000 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 10000100000 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 100000500000 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 %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 13%为宜。 但是涂料整个体系中 pH值需在 ，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。 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，河南城建学院本科毕业设计 1 概述 4 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， 2020 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 6000 万吨，在世界纯碱工业中占有重要的地位。 同时2020 年我国烧碱产量也达到 6000 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 8 000 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 计，每年需要消耗聚丙烯酸钠将达到 4 000 吨。 纯碱年产 8 000万吨，每生产 1 吨纯碱用聚丙烯酸钠 ，需要用聚丙烯酸钠 2 800 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]。 2020 年商品味精产量为 万吨，按生产每吨味精消耗聚丙烯酸钠 计，每年需用的聚丙烯酸钠 约 4 000 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 1 000 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。 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 河南城建学院本科毕业设计 1 概述 5 建厂规模及产品规格 建厂规模 项目拟建立年产 6000 吨高分子量聚丙烯酸钠生产线。 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 12。 表 聚丙烯酸钠产品质量指标 项目 质量指标 外观 白色粒状或粉末 纯度（ %） ≥95 干燥失量（ %） ≤5 分子量（万） 6001500 残余单体量（ %） ≤ 透明度（ 1%水溶液） 水溶液透明 游离碱 无 河南城建学院本科毕业设计 2 聚丙烯酸钠的生产工艺 6 2 聚丙烯酸钠的生产工艺 工艺流程的选择原则是 ： 有一定的科学先进性和一定的科学水平，能体现社会经济效益以及可操作性强。 在兼顾企业的实际情况同时制定出工艺流程简短、技术成熟、投资少、生产成本低、适应生产的连续化，使整个生产装置达到高水平。 工艺流程的选择和论证是在实验室和生产性试验的基础上进行的。 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 [9～ 11]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，是高分子量聚丙烯酸钠生产的主要方法。 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 [12～ 13]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。 表 21 为水溶液聚合法与反相悬浮聚合法制备聚丙烯酸钠的比较。 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（如环己烷等），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 Span 60 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，丙烯酸河南城建学院本科毕业设计 2 聚丙烯酸钠的生产工艺 7 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。 表 水溶液聚合与反相悬浮聚合的比较 比较项 水溶液聚合法 反相悬浮聚合法 引发体系 过氧 还原引发体系 过氧 还原引发体系 聚合场所 水相 分散的 水相 聚合温度 50～ 100℃ 50～ 100℃ 产品形态 水溶液 固体粒状或粉末 散热 相对困难 非常容易 产品分子量 较低（难达 1000 万） 较高（ 1000 万以上） 体系粘度 低固含量是较高 很低（近似于油相粘度） 产品后处理 烘干 不需烘干 反向悬浮聚合工艺条件及其影响因素 [14] 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。 分散剂及其助分散剂的选择及其浓度对分子量的影响 丙烯酸钠反相悬浮聚合中，单体水溶液需借助油溶性分散剂，使之分散在非极性有机溶剂中形成 “ 油包水 ” 型 (W/O)悬浮液，山梨糖醇脂肪 酸酐 (Span 类 )和其环氧乙烷加成物 (Tween 类 )是两种最常用的非离子型表面活性剂。 W/O 型反相体系一般选择 HLB 为 3～ 8 的 span 类 (如 span60 等 )作为分散剂。 在实际聚合过程中，为了进一步降低表面张力，改善分散能力并调节颗粒特性，在选择 Span 类作为主分散剂的同时，需添加 一定量的助分散剂，在 Span分散剂溶解后尽快加入助分散剂的效果更好。 助分散剂的加入同时也能起到适当降低产物分子量的作用。 表 22 为助分散剂对分子量的影响，发现在单体、引发剂加入量相同的情况下，随助分散剂的加入，产品的分子量降低、颗粒也变细。 选用 Span60，油水界面张力较小，并且浓度 %时聚合过程中体系稳定， 聚合物粘壁较少，产物粒子均匀。 故聚合选用 Span60 作为分散剂。 河南城建学院本科毕业设计 2 聚丙烯酸钠的生产工艺 8 表 助分散剂对分子量的影响 编号 AA（ mL） 引发剂（ w%） 助分散剂（ v%） 分子量（万） 颗粒形态 1 595 粒状 2 288 粉状 3 866 粒状 4 520 粉状 引发体系的选择及其浓度对分子量的影响 引发体系的选择及其浓度是影响分子量的一个重要因素，表 23 为引发剂对分子量的影响。 表 引发剂对分子量的影响 编号 AA（ g） NaOH（ g） 引发剂加入次序 引发剂（ w%） M（万） 形态 1 先 1084 粒状 2 后 679 粉状 3 先 595 粉状 4 先 866 细粉状 过硫酸盐引发剂是最常用的水溶性引发剂。 根据自由基生成的机理，可将引发剂分为两大类 ： 一类是热分解型引发剂，另一类是氧化 — 还原引发剂。 常用的无机过氧化物引发剂如过硫酸钾 (KPS)和过硫酸 (APS)属于热分解型引发剂，其受热后可直接分解产生两个具有引发活性的自由基，分解活化能为 ，一般使用温度为 70℃。 在水溶液聚合中，过硫酸盐 脂肪胺是类活性可调、易控制的 氧化 — 还原引发体系。 研究发现，氧化剂用量主要决定聚合反应总速率 ， 还原剂用量仅改变了。