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1、聚丙烯酸-丙烯酸钠的合成工艺流程设计常熟理工学院-材料科学与工程专业聚合物合成工艺课程设计 题目：聚丙烯酸-丙烯酸钠的合成工艺流程设计姓 名： 田江 学 号： Z 专 业： 材料科学与工程专业班 级： 高分子材料141班 指导教师 耿 飞 起止日期 2016.12.082016.12.28目录第1章前言11.1 聚丙烯酸简介11.2 聚丙烯酸钠简介11.3 聚丙烯酸-丙烯酸钠的应用21.4 高分子量聚丙烯酸钠的需求、生产和应用前景4第2章聚丙烯酸-丙烯酸钠合成原理62.1 合成原理62.2 合成反应方程式62.3合成原料以及各原料的性质62.4分散剂的选择72.5 反相悬浮聚合及相关高分子化学
2、及物理的原理82.6选用反向乳液聚合的原因9第3章聚合物合成工艺设计103.1聚合物生产工艺流程图103.2聚合物合成工艺流程图113.3工艺流程分析12第章聚合物合成工艺的物料衡算及效益估算144.1主要原料丙烯酸（）的投料量144.2 V102(中和罐)物料衡算144.3（NaOH溶液调配罐）物料衡算154.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算164.5 R101（聚合反应器）物料衡算174.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算174.7整理并校核计算结果18第章 聚合反应反应设备的设计205.1反应器形式的选择205.2釜式反应器的选择原因215.3反应器体积的计算215.4外形尺寸的
3、设计235.5搅拌器的设计245.6分离设备245.7干燥设备25第6章 建设工程及公用、辅助工程说明276.1建设工程说明276.2生产车间布置276.3给水、排水系统276.4电力供应及生产控制286.5车间布置图28第7章 概算与技术经济.29 7.1成本预算29 7.1.1原料成本29 7.1.2其他成本297.2利润预算307.3应用前景307.4市场前景317.5产品的销售市场31第8章 环境保护、劳动安全与工业卫生338.1丙烯酸的安全使用和储存338.2环保治理措施35第8章设计总结37设计总结：37参考文献38第1章前言1.1 聚丙烯酸简介聚丙烯酸，英文名是 Polyacry
4、lic acid，缩写为PAA，结构式为CH2CH(COOH)n；无色或淡黄色液体。能与金属离子、钙、镁等形成稳定的化合物，对水中碳酸钙和氢氧化钙有优良的分解作用。用于水处理的本品分子量一般在2000-5000，可与水互溶、溶于乙醇、异丙醇等。呈弱酸性，Pka为4.75。在300以上易分解。PAA(S)常与其他水处理剂组成配方使用，用作电厂、化工厂、化肥厂、炼油厂和空调系统等循环冷却水系统中的阻垢分散剂。具体配方及用量根据现场水质及设备材质情况由试验而定。单独使用，一般使用浓度为115mg/L。本品除具有阻垢性能外，还能对泥土、腐蚀产物等无定性物具有分散作用，是一种分散剂。单独用量在2-15m
5、g/L。常与缓蚀剂复配复合水稳剂使用，具有增效作用；还具有吸水作用。1.2 聚丙烯酸钠简介 聚丙烯酸钠，英文名Sodium polyacrylate，缩写PAAS或简称PAA-Na，结构式为CH2CH(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。 分子式：C3H3O2Nan 分子量：一般103-107数量级 图1.2水
6、溶性直链高分子聚合物。小相对分子质量的为液体，大的可为固体。固体的商品为白色粉末或颗粒，无臭无味，遇水膨胀，易溶于苛性钠水溶液。吸湿性极强。具有亲水和疏水基团的高分子化合物。缓慢溶于水形成极粘稠的透明液体，粘性并非吸水膨润（如CMC，海藻酸钠）产生，而是由于分子内许多阴离子基团的离子现象使分子链增长，表现粘度增大而形成高粘性溶液。其粘度约为CMC、海藻酸钠的15-20倍。加热处理、中性盐类、有机酸类对其粘性影响很小，碱性时则粘性增大。不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。强热至300度不分解。久存粘度变化极小，不易腐败。易受酸及金属离子的影响，粘度降低。遇足量二价以上金属离子（如铝、铅、铁、钙、镁、锌）
7、形成其不溶性盐，引起分子交联而凝胶化沉淀。但是二价金属离子量少时仍为溶液，因此可作为洗涤助剂，起到防止污垢再沉积的作用。pH=4.0以下时可能产生沉淀。随着相对分子质量增大，聚丙烯酸钠自无色稀溶液至透明弹性胶体乃至固体。性质、用途也随相对分子质量不同而有明显区别。相对分子质量在1000-10000的，可作为分散剂，应用于水处理（分散剂或阻垢剂）、造纸、纺织印染、陶瓷等工业领域。用作造纸涂布分散剂时，相对分子质量在2000-4000，涂料浓度在6570时，仍可有良好流变性和熟化稳定性。分子量在1000-3000之间的，用作水质稳定剂和黑液浓缩时结垢控制剂。分子量在10以上的，用作涂料增稠剂和保水
8、剂，可使羧基化丁苯胶乳、丙烯酸酯乳液等合成胶乳黏度增长，避免水分析出，保持涂料体系稳定。分子量在10以上的，用作絮凝剂。还可用作高吸水性树脂，土壤改良剂，以及在食品工业中作增黏剂、乳化分散剂等。1.3 聚丙烯酸钠的应用图1.3 不同聚合度聚丙烯酸钠的功能及应用1.3.1低相对分子质量聚丙烯酸钠应用低相对分子质量的聚丙烯酸钠具有广泛的用途，特别是相对分子质量小于2104的聚丙烯酸钠应用更为迅速，在日用化工领域主要用作水溶性表面活性剂、洗涤助剂等。因为聚丙烯酸钠具有螯合多价离子、分散污垢团粒和钙皂的作用，在污垢颗粒上有很强的吸附力，能提高阴离子表面活性剂的去污力。而且它具有良好的热稳定性和较强的抗
9、冷水、硬水的能力，生物降解度高;在特种洗涤剂、清洗粉中可部分替代三聚磷酸钠以减少对环境的污染。低相对分子质量聚丙烯酸钠有良好的水溶性和较大的极性，能够结合水中的钙、镁等多价离子形成可溶的链状阴离子体，因此它在工业热交换设备中应用较广，主要用作锅炉防垢和阻垢用剂量在5005000的低相对分子质量聚丙烯酸钠主要起分散剂作用。在石油工业的油田化学领域用作降黏剂和钻井泥浆稳定剂等2;在涂料、造纸、陶瓷及纺织工业用作颜料分散剂1;此外在金属材料中用作新型的淬火剂;在橡胶工业用作增稠剂;在氯化铵等无机盐中作防结块剂;在采矿中作矿物浮选剂。它在食品工业、皮革工业、印刷业、塑料工业、医学、药学及金属离子废液的
10、金属回收等方面也见到应用。1.3.2中、 高相对分子质量聚丙烯酸钠的应用中、高相对分子质量聚丙烯酸钠易溶于水，且其COO-吸附和结构上空间效应的影响，使溶液中的少量正电荷离子以沉淀的形式沉聚出来。故中、高相对分子质量聚丙烯酸钠作为絮凝剂可用于电解食盐水精制、氧化铝生产中成赤泥的分离及工业污水的处理等方面。中、高相对分子质量聚丙烯酸钠在生物方面对动植物蛋白的絮凝有特效作用，可以用于回收食品工业废水中的大量蛋白质。高相对分子质量聚丙烯酸钠能产生宽广范围的黏度和流动性，低添加量可产生高黏度，且产品黏度受环境温度的影响较小。还能使不溶性组分永久悬浮于体系中，有助于提高产品的稳定性，延长成品的储存期。因
11、此它在日用化学工业中常用作化妆品(如面膜、护肤霜等)增稠剂，对化妆品乳液的稳定性起着相当重要的作用，配方师不必受各原料之间的兼容性限制，使疗效性化妆品更趋于功能化、多元化;利用其成膜性制成头发定型剂、喱水等。还可用作食品保鲜剂。由于中、高聚丙烯酸钠无毒又溶于水，食用前稍加洗涤即可除去。且聚丙烯酸钠在食品表层能形成一层高分子膜，可使食品隔绝空气，聚丙烯酸钠对金属离子的螯合作用也有助于防止食品的腐败。在石油工业的油田化学领域，可用作钻井液的增黏剂、降滤失剂及黏土稳定剂等;在冶金方面，用作铸造过程的砂型黏合剂，使砂型耐用铸件质量好;在纺织方面，可用于合成纤维改性，使化纤印染牢固、耐晒且光泽鲜艳;将其
12、加入到陶瓷坯体用作陶瓷料浆减水剂，且对坯体干燥强度有一定的增强作用。此外还可用于墙体材料黏结剂、农药防漂散剂;酸化液及制药等方面的增稠剂等等。1.3.3聚丙烯酸钠高吸水性树脂的应用由于聚丙烯酸钠高吸水性树脂具吸水量大、保水性强和安全无毒等特点，使其在很多领域广泛应用，其产品形态很多，不同的形态分别满足不同的用途。在日化工业中应用最为广泛，如化妆品方面，在制造护肤霜、香水和花露水等化妆品的过程中可加质量分数0.5%1.0%的高吸水性树脂，既可防止香料和酒精的挥发又可保持香味持久，还起保水增稠、滋润皮肤的作用。由于聚丙烯酸钠高吸水性树脂具有亲水性基团，使其在水、酒精中的溶解性好，因此用它作头发定型
13、剂，在干燥时有耐潮性，但洗发时又具有亲水性易去除。在染发剂中加入聚丙烯酸钠高吸水性树脂，可提高染发效果;此外还可作为增稠剂、杀菌剂来配制营养型药物型化妆品。在留香材料方面，利用高吸水性树脂对香料有较好的吸附作用和缓慢释放作用，制成的空气新鲜胶、飘香纸和芳香凝胶片的香味持久。在卫生用品方面，如夹到多层片当中的粉状树脂可制成儿童纸尿片和妇女卫生巾，具有质量轻、吸液量大和保水性好等优点;还可制成成人用尿袋、纸巾、毛巾和鞋垫等。此外聚丙烯酸钠高吸水性树脂还可用作食品保鲜包装材料和食品的增稠、保形添加剂(高吸水性树脂添加量一般小于0.2%)。在农林与园艺方面，可用于农作物育种。将树脂凝胶涂敷在种子表面，
14、利用其吸水保水作用，提高种子发芽率和发芽速率。可作为化肥缓释剂，如把固氮细菌或植物生长微量营养元素与树脂混合使用可提高作物产量。高吸水性树脂还可用做土壤保湿剂，改良沙土地和土壤造田，这对人多地少的我国具有深远意义。在人工造林中，用聚丙烯酸钠高吸水性树脂处理种树，可提高飞机播种出苗率;在苗圃移植之前用高吸水性树脂处理幼苗根部，可防止根部水分的遗失，提高幼苗成活率，我国在这方面的应用尚处于实验阶段。由于聚丙烯酸钠高吸水性树脂吸水后形成的凝胶比较柔软，具有人体适应性，如对人体皮肤无刺激、无副反应、不发生炎症且不引起血液凝固等，这些都为其在医药方面的应用创造了条件。近年来聚丙烯酸钠高吸水性树脂已初步应用于医药的各个方面，如用于保持部分被测液的医用检验试片;制成含水量大、使用舒适的外用软膏;能吸收手术及外伤出血和分泌液、并可防止化脓的医用绷带和棉球;能使水分和药物通过而微生物不能通过的抗感染性人造皮肤、人造骨骼、人工肌肉和长效凝胶避孕药等;此外聚丙烯酸钠高吸水性树脂在隐形眼镜和缓释药物基材等制造过程中得到应用。土木建筑方面，利用高吸水性树脂的水膨润性能，可制备水溶性密封胶、密封件、管
