年产3000t聚丙烯酸树脂工艺设计-化工原理课程设计

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化工工艺课程设计报告设计题目：指导老师：设计者班级：设计者姓名：设计日期：年产 3000 吨聚丙烯酸树脂的工艺设计年月日——年月日1目录一、设计任务书..................................................................3 二、生产主要工序和工艺流程................................................4 三、聚合工序物料衡算.........................................................4 （1）出主副反应方程式...................................................3 （2）集相关数据资料......................................................4 （3）选择计算基准与计算单位.......................................... 5 （4）选择计算顺序.........................................................5 （5）计算主要原料的投料数量..........................................5 （6）顺流程逐个设备展开计算.......................................... 6 （7）整理并校核计算结果................................................8 （8）写物料平衡表.........................................................8 四、聚合反应器的工艺计算、设计、选型....................................10 五、聚合反应器设计结果一览表.............................................11 六、工艺设计总结...............................................................12 七、参考文献.....................................................................12 八、聚合反应器几何外形示意图.............................................13 九、工艺流程图 (14)2设计任务书年产 2000-8000 吨聚丙烯酸树脂的工艺设计一、设计内容： 1. 丙烯酸反相悬浮聚合制备高吸水树脂的主要工序，本设计生产方法的选择依据。

2. 对上述工艺的聚合工序做物料衡算。

3. 对聚合反应器进行工艺计算、设计和选型。

4. 绘制丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作工艺流程图二、设计要求 1. 年产2000-8000 吨，年生产时间为 330 天。

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。

聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率为 100%，单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有增加。

原料 NaOH 水溶液浓度为 50%，其他原料均视为纯物质。

其他技术指标见附表。

2. 每人绘制一张完整的合成工段的工艺流程图，选用 A3 图纸。

三、设计报告书内容 1. 任务书 2. 设计说明书： 1）目录 2）设计说明书生产方法简介对中和罐 V102，分散介质调配罐 V103,引发剂调配罐做相应的物料衡算，并编写各自的物料平衡示意图和总物料平衡示意图。

编写物料流程图，编写物料平衡表。

对聚合反应器进行工艺计算、设计和选型，包括反应器的体积，釜体外形尺寸的设计(封头选型确定封头与筒体的连接方式，选择长径比，计算并选择釜体内径，直边高度，计算最高液位、最低液位。

画出反应器的几何外形示意图。

涉及的容器等设备应有相应的设备容积的设计。

并列出设计结果一览表。

要求对设计中出现的问题列出，并列出解决的办法。

3）工艺流程图，用 A3图纸绘制。

4）参考文献。

附表技术指标项目内容聚合物后处理损失率丙烯酸中和度原料 NaOH 水溶液浓度中和用 NaOH 水溶液浓度单体水溶液浓度引发剂用量引发剂水溶液浓度分散稳定剂用量分散介质（正庚烷）用量正庚烷循环用量技术指标 2%聚合物质量75%（mol） 50%(质量) 30%(质量) 45%(质量) 0.2%单体质量 50%(质量) 2%单体质量与单体质量比为 4：1 90%正庚烷总用量3二、生产主要工序和工艺流程(1) 主要组成工序：原料准备工序，聚合工序，分离工序，聚合物后处理工序。

(2) 工艺流程简述来自 T101 中的纯丙烯酸用原料泵 P102 分批加入 V102 中。

T102 中 NaOH 水溶液的浓度为 50%，它在 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 75%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 45%的溶液。

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%的水溶液。

反应大约进行 2.5h。

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。

正庚烷经蒸馏处理后循环使用。

三、聚合工序物料衡算（1）明确物料发生的化学变化，写出主、副反应方程式①在 V101、V103、V104 中是单纯的物料混合配制，无相变与化学变化。

②在 V102 中 75%的丙烯酸被中和，中和反应方程式如下：CH2 = CH - COOH + NaOH → CH 2 = CH - COONa + H 2 O③在 R101 中引发剂引发单体进行自由基聚合，其反应方程式如下： CH 2 = CH + CH 2 = CH → ?[? CH 2 ? CH ?] n ? [?CH 2 ? CH ?]mCOOH COONa COOH COONa 丙烯酸自由基聚合中单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量无化学计量上的变化，引发剂会结合到聚合物分子链上。

（2）收集数据资料①生产规模②生产时间设计任务书中规定的年产量：3000 t ?a ?1 年工作日：330 d ? a ?1间歇操作，V101、V102、V103、R101 每天 8 批，V104 由于引发剂用量很少，所以每天制备一批即可。

③相关技术指标项目内容技术指标聚合物后处理损失率 2%聚合物质量丙烯酸中和度 75%（mol）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 45%(质量) 引发剂用量 0.2%单体质量4项目内容引发剂水溶液浓度分散稳定剂用量分散介质（正庚烷）用量正庚烷循环用量技术指标 50%(质量) 2%单体质量与单体质量比为 4：1 90%正庚烷总用量④质量标准原料 NaOH 溶液浓度为 50%，其他原料均视为纯物质，因为只对聚合工艺做物料衡算，所以不用考虑产品的其它质量指标。

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。

各组分相对分子质量如下：化合物丙烯酸 NaOH 丙烯酸钠水单体混合物相对分子质量 72 40 94 18 88.5 其中： 75% 中和的丙烯酸单体混合物的平均相对分子质量： 72 × 0.25 + 94 × 0.75 = 88.5 聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为 100%，单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有增加。

（3）选择计算基准与计算单位因为是间歇操作过程，所以基准为“批”，单位为 B ? d ?1 。

大部分设备的操作周期为 8 B ? d ?1 ，只有 V104（引发剂调配罐）是 1 B ? d ?1 。

但引发剂向 R101 进料周期仍与其他设备相同，所以在做物料衡算时，物料 M11 的数量仍以8 B ? d ?1 计算。

在做设备工艺计算时，V104 的体积大小应按 1 B ? d ?1 处理量进行计算。

（4）确定计算顺序由于产物与原料之间的化学计量关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产量与单体原料投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。

（5）计算主要原料（丙烯酸）投料数量用顺流程的计算顺序进行物料衡算必须先求出主要原料（丙烯酸）每批投料量。

该生产装置年产量 3000t，年开工 330d，每天生产 8 批，后处理中聚合物损失率 2%。

每批应生产聚合物数量=3000 × 10 3 = 1159.55kg ? B ?1 330 × 8 × 0.98①引发剂（0.2%单体质量）全部结合到聚合物中；②单体 100%转化成聚合物，且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同；③丙烯酸相对分子质量：单体平均相对分子质量=72：88.55丙烯酸投料量=1159.55 72 × = 941.48kg ? B ?1 (1 + 0.002) 88.5（6）顺流程逐个设备展开计算① V102（中和罐）物料衡算已知：丙烯酸中和度=75%、丙烯酸相对分子质量=72、NaOH 相对分子质量 =40、单体相对分子质量=88.5 M1（原料丙烯酸）=941.48 kg ? B ?1 M4（30%NaOH 溶液）： NaOH： 941.48 × 0.75 ×H2O： 392.28 × 40 = 392.28kg ? B ?1 720 .7 = 915.32kg ? B ?1 0 .3合计： 392.28 + 915.32 = 1307.6kg ? B ?1 ： M6（45%单体溶液） 88.5 单体： 941.48 × = 1157.23kg ? B ?1 72 0.55 H2O： 1157.23 × = 1414.39kg ? B ?1 0.45 合计： 1157.23 + 1414.39 = 2571.62kg ? B ?1M5（无离子水 B）对 V102 中组分水做物料衡算有：水 M5=水 M6-水 M4-中和反应生成水中和反应生成水：392.28 ×18 = 176.526kg ? B ?1 40无离子水 B： 1414.39 ? 915.32 ? 176.526 = 322.54kg ? B ?1 对 V102 做全物料平衡计算，进行校核。