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1、年产1100吨高效保水剂生产线设计 燕京理工学院化工与材料工程学院本科毕业设计答辩 报告人 高祯富导师 蔡靖讲师 时间 2017 05 17 1 燕京理工学院本科毕业设计答辩 燕京理工学院本科毕业设计答辩 2 燕京理工学院本科毕业设计答辩 随着国民经济建设的发展和人口的不断增加 淡水资源将日趋紧张 应用保水剂作为节约农业用水的一条新途径 今后尚有许多领域亟待开发 前景十分广阔 保水剂在农林业上的应用研究正在深入开展 保水剂将成为农林业生产上不可缺少的物质 其应用前景相当广阔 同时使用保水剂在城市园林 人工草地及观赏性花卉的维护以及在沙漠 干旱和半干旱地区发展现代化农业具有显著作用 特别是对于我
2、国西北干旱地区实现荒漠绿化 防止水土流失 发展现代化农业和林业和改善西北地区生态环境问题具有重要的社会意义 课题简介 3 燕京理工学院本科毕业设计答辩 高效保水剂 又称高吸水性树脂 Superabsorbent 简写为SAP 是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物 无毒无害 反复释水 吸水 因此农业上人们把它比喻为 微型水库 通常我们将在农林园艺领域用的SAP称为保水剂 4 时间上 应用范围 技术手段 国内外发展状况 燕京理工学院本科毕业设计答辩 5 燕京理工学院本科毕业设计答辩 6 燕京理工学院本科毕业设计答辩 原料的选择 由于拟生产的保水剂主要是用于农林园艺方面 而聚丙
3、烯酸钠中钠离子的存在对土壤有不良影响 研究出采用碳酸氢铵固体直接中和丙烯酸水溶液 本工艺以碳酸氢铵和丙烯酸 丙烯酰胺为主要原料 由于我国近年来丙烯酸工业的发展 具有丰富的原料来源 其制备工艺简单 产品具有防霉变性好 吸水综合性能好等优点 其己经成为国内外SAP生产的主要原料路线 7 聚合方法 反相乳液聚合 辐射本体聚合法 反相悬浮聚合 水溶液聚合法 微光和紫外光技术 燕京理工学院本科毕业设计答辩 采用水溶液聚合法 干燥就成为设计的重点了 SAP聚合方法的选择 8 箱式干燥 回转窑干燥 微波干燥 具有干燥速度快的特点 但是存在温度控制困难 对被干燥物的形状大小要求均匀 投资大等缺点 其应用受到限
4、制 设备占地面积大 需旧煤等燃料 存在烟气排放等环境问题 且对具有一定粘性的SAP胶粒不适宜采用这种干燥方式 其原理是在流化床的基础上 增加振动装置 大大地提高了粒状物 特别是有一定粘性的物体的干燥效率 属于改进型流化床 在此处输入标题内容 燕京理工学院本科毕业设计答辩 需用专门的胶粒盛装器 不适用于连续性生产 而且干燥过程由外而内 表层发干变硬 内在水分不易蒸发 干燥速度慢 生产效率低 会使产品分子量降低 用煤等燃料 存在烟气排放等环境问题 用电干燥则热效率低 干燥方法的选择 9 燕京理工学院本科毕业设计答辩 10 燕京理工学院本科毕业设计答辩 1 计算条件生产能力 年产1100吨SAP 年
5、工作日330天 每日三班 2 计算基准以生产1 1吨SAP产品为基准 3 计算基础数据M丙烯酸 72 06 M碳酸氢氨 114 M丙烯酸铵 89 06 M水 18 4 生产原理 由于关于共聚合的有关数据难于查到 为了衡算方便 衡算过程以产物为丙烯酸铵的共聚物进行衡算 11 燕京理工学院本科毕业设计答辩 物料衡算高效保水剂的生产过程涉及物料衡算的主要为中和 聚合 干燥 粉碎包装四个工序 由于每个工序均有一定量的物料损失 故采用反推法对四个工序进行工艺过程物料衡算 1 粉碎分级包装工序由于粉尘等原因 在该工序中 干燥树脂约有0 2 损失因此生产1 1吨成品高效保水剂 所需要烘干的干燥树脂量为 11
6、00 1 0 2 1102kg 树脂损失1102 0 2 2 2kg 2 干燥工序在该工序过程中 聚合反应生成高效保水剂树脂凝胶 通过干燥脱除其中水分 经分析树脂凝胶固含量为56 47 工序过程树脂损失量为干树脂0 2 损失树脂量为 1102X0 2 2 204kg 要得出1104 2kg干燥树脂需固含量为56 47 的树脂凝胶为 1102 2 2 56 47 1955kg 干燥过程需要脱除的水分量为 1955x 1 56 47 851 01kg 12 燕京理工学院本科毕业设计答辩 3 聚合反应工序在聚合反应过程中 中和液加入引发剂和交联剂 在一定条件下反应聚合 在整个工序中树脂损失占树脂凝胶
7、的0 4 聚合反应所添加的引发剂占树脂凝胶的0 15 交联剂占干树脂凝胶的0 02 中和液中丙烯酸和丙烯酸铵的含量为53 30 可推算出 生成树脂凝胶的总量 1955kg 1 0 4 1962 9kg损失的树脂凝胶的质量 1962 9kg 1955kg 7 9kg添加的引发剂 1962 9kgX0 15 2 94kg添加的交联剂 1962 9kgX0 02 0 39kg聚合过程水分蒸发量 2073 4 1962 9 110 5kg需丙烯酸中和液量 1962 9X56 47 2 94 0 39 53 3 2073 4kg4 中和工序中和是采用NH4HCO3直接中和 中和度为80 设1 1吨产品需
8、内烯酸的质量为M 由下列方程式 CH2 CHCOOH NH4HCO3 CH2 CHCOONH4 H2O CO2 72 067989 061844 13 燕京理工学院本科毕业设计答辩 推算如下 反应所需丙烯酸的质量 0 8M需碳铵 79X0 8w 72 06生成的丙烯酸铵 89 06 0 8M 72 06生成水的质量 18X0 8M 72 06生成C02 44X0 8M 72 06根据上面生成量可以计算得到M 1 0 8M 89 06X0 8M 72 06 2073 4X53 3 1 189M 1105 1 M 929 4kg中和液中未中和的丙烯酸质量 929 4kgX 1 80 185 88k
9、g中和液中丙烯酸铵的质量 89 06X0 8X929 4 72 06 918 9kg需碳铵质量 158X0 8X929 4 72 06 1630 3吨生成水的质量 18X0 8X929 4 72 06 185 7kg生成CO2 的质量 44X0 8X929 4 72 06 454kg中和过程加入的水按丙烯酸 水 1 1加入 即929 4kg水 185 7kg 生成水 743 7kg 14 燕京理工学院本科毕业设计答辩 表3 1生产SAP各工序物料衡算结果表 以每吨产品计 15 燕京理工学院本科毕业设计答辩 热量衡算高效保水剂的生产主要有四个工序 每个工序均有一定的能量变化 粉碎工序只需要一定的
10、动力能耗 因此不计算这个工序的热量衡算 而中和工序采用碳铵作中和剂 碳铵的溶解过程中是吸热的 在试验实践中事实证明吸热和中和热大体可以平衡 对系统的温度影响可忽略 而聚合过程 是一个反应放热过程 但在盘式敞开系统反应中 反应热主要用于系统温度的升高和本身水份的蒸发 由于聚合反应在敞开体系进行 对操作和产品质量并无影响 在设备布置时 适当考虑环境的通风和具有一定高度的空间即可 故在此不做热量衡算 而干燥工序涉及到能量的消耗和加热功率的配置 故只对干燥工序作热量衡算 16 燕京理工学院本科毕业设计答辩 干燥过程热量衡算 从盘式反应器中出来的树脂凝胶经解碎后加入干燥机进行干燥 树脂凝胶的温度为40o
11、C 树脂凝胶的平均吸热为2 53kJ kgoC 干燥物料出口温度为120oC 聚丙烯酸铵树脂的平均比热为1 47kJ kgoC 水的比热为4 18kJ kgoC 100oC水的汽化热为2587kJ kg 流态化干燥的热效率10 煤 如用油约15 输入的热量Q入包括树脂凝胶带入的热量Q1入 以及干燥器需提供的热量Q2入 其中树脂凝胶带入的热量 Q1入 2 53kJ kgoC 1995kg 40 25 75710 3kJ输出的热量Q出包括干树脂带走的热量Q1出 水份从25 到变成水蒸汽带走的热量Q2出 干燥体系的热损失Q3出 其中干树脂带走的热量Q1出为Q1出 1 47kJ kgoC 1104 1
12、20 25 154201 5kJ水汽带走的热量Q2出 851 01kg 4 18 100 25 851 01 2587 2468354 5kJQ出 Q1出 Q2出 154201 5 2468354 5 2622556kJ因为Q入 Q出 0 所以提供给于燥系统的热量为 又因为Q入 Q出 154201 5kJ 2622556 03k 2468354 5kJ干燥体系的热损失为10 Q3出 2468354 5 10 246835 5kJQ入外供 2468354 5 246835 5 154201 5 2869391 5kJ 17 燕京理工学院本科毕业设计答辩 表3 2干燥工序热量衡算数据表 按每吨产品
13、计 18 燕京理工学院本科毕业设计答辩 中和釜 1 釜体容积 型式及材料日产高效保水剂3 33吨 需中和液 837 69 1134 17 3 33 6566 3kg 在中和液60 时 测得其比重为1 33g cm3 6566 3kg中和液的体积为5m3 按装料系数0 75计算 需中和釜的容积为5m3 0 75 6 67时 产品主要是以销定产 为了适应不同的销售情况 可采用2个3 5m3的中和釜 以增加生产操作的灵活性 本设计采用圆筒形壳体和标准椭圆形封头作为釜体的结构型式口盛装物料是含盐溶液可选用材质为A3钢夹套的不锈钢釜 材料采用1Cr18Ni9Ti或316L 进口牌号 不锈钢 2 釜体主要
14、尺寸的确定 筒体直径所处理的物料为液一固相 其筒体高度Ht 与筒体直径D之比 Ht D为1 1 3暂选1 1 装料系数 0 8 则釜体内径Di可按下式估算 Di 4V Ht D 1 3 4 2 17 3 14Xl 1 l 3 1 36m式中V为操作容积m3V 2 17m3 取D 1 3m 封头尺寸标准椭圆形封头与筒体匹配 其内径应与筒体相同 若假定封头壁厚为8mm 可得公称直径DN 1300mm的标准椭圆封头直边高度ho 40mm 19 燕京理工学院本科毕业设计答辩 筒体高度当DN 1300mm ho 40mm时 可得标准椭圆封头容积Vt 0 46m3 筒体每一米高的容积Vm 1 33m3 可
15、按下式计算筒高Ht V Vt Vm 2 17 0 46 1 33 1 39m取Ht 1 40m 则Ht D 1 40 1 30 1 06 与初选值Ht D 1 1相符 筒体容积釜体总容积为1 33x1 40 0 46x2 2 80m3 釜体有效容积为2 80 x0 8 2 24 2 17m3 符合要求 配用60r min减速箱3kw的二相搅拌电机 聚合反应盘聚合反应是采用盘式聚合方式 即把加入交联剂 引发剂后经混合的丙烯酸盐溶液放入一个个盘内 使其聚介反应 聚合反应盘设计为1000X700X60 0 042m3 装料高度为40 45m 有效容积为0 028m3 一班操作一次 要聚合反应盘68个
16、 聚合反应盘采用聚丙烯塑料或普通不锈钢1Crl3制作 为使SAP凝胶易取出并易于下二工序的切粒 可设计成盘内间隔100mm的条型 即一个盘有10格 盘内喷涂不粘涂料 内衬聚内烯或内置聚丙烯薄膜 防止聚合物与反应盘粘连 20 燕京理工学院本科毕业设计答辩 表4 1主要设备一览表 21 燕京理工学院本科毕业设计答辩 22 燕京理工学院本科毕业设计答辩 直接采用碳酸氢铵固体代替氢氧化钠溶液中和部分丙烯酸 中和过程平稳 中和过程无大量溶解热和反应热产生 反应液温度可保持在20 以下 丙烯酸损失少 并省去了冷却设备和冷却用水 产品中含有作物必需的营养元素N 不含钠离子 不造成土壤盐碱化和土壤板结 丙烯酸铵比丙烯酸钠溶解度大得多 聚合液中固含量可大大提高 残留的部分二氧化碳在聚合时起发泡作用 使疏松多孔 产品干燥容易 使生产的聚合物凝胶脆而不粘 切粒后分散性好 可采用振动流化床干燥机干燥 利用振动流化床干燥机干燥 干燥时间只需2小时 干燥速度比窑式热风干燥快8 10倍 大大提高于燥效率 并可进行连续生产 经济和社会效益显著 项目投资小 采用本工艺建成1100吨 年的生产装置 每年可新增产值2000
