反相悬浮聚合生产聚丙烯酸钠树脂的合成工艺
反相悬浮聚合生产聚丙烯酸钠树脂的合成工艺[20200411153812]
摘 要
高吸水性树脂，是一种可以吸收并保留相对于其本身的质量要大得多的液体的新型功能高分子材料，其中极为重要的一类产品是聚丙烯酸盐类高吸水性树脂。
聚丙烯酸钠可溶于水,在食品行业中被广泛地用作增稠剂，在水处理过程中作分散剂也使用颇多。除此以外，聚丙烯酸钠还大量地应用于造纸、纺织、印染工业等做浆料分散剂，还有陶瓷工业的碳酸钙分散剂，涂料行业的颜料分散剂等等。
工业上合成聚丙烯酸高吸水性树脂主要采用溶液聚合法或反相悬浮法。其中，反相悬浮法有更多优势。采用反相悬浮法的工业生产中，物料配比如单体浓度、引发剂用量等，以及生产工艺如反应设备的选择、生产操作方式对产物的性质均有重要影响。因此根据给定的设计任务，要结合聚合物合成工艺的相关知识，来进行生产工艺的确定和反应设备的设计。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:聚丙烯酸钠反相悬浮聚合工艺流程设计
目 录
1. 前言 1
1.1高吸水性树脂的工业发展与应用 1
1.1.1高吸水性树脂简介 1
1.1.2高吸水性树脂的种类及特性 1
1.2 高吸水性树脂的生产和应用 1
1.2.1国外高吸水性树脂的产生过程及发展现状 1
1.2.2高吸水性树脂国内发展现状 2
1.3高吸水性树脂的吸水机理 3
1.4高吸水性树脂吸水能力的影响因素 3
1.5聚丙烯酸钠高吸水性树脂的生产工艺 4
1.6开题思路 4
2. 设计部分 5
2.1反应物和反应设备 5
2.2 反应工艺的确认和生产流程 5
2.2.1聚丙烯酸钠合成原理 5
2.2.2工艺流程简介 5
2.2.3工艺流程分析 6
2.3聚合反应设备的设计 9
2.3.1反应器的选择 9
2.3.2 反应器体积的计算 9
2.3.3外形尺寸的设计 11
3. 物料衡算部分 13
3.1聚合反应过程的物料衡算 13
3.1.1主要原料丙烯酸的投料量 13
3.1.3 NaOH溶液调配罐物料衡算 14
3.1.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算 15
3.1.5 R101（聚合反应器）物料衡算 15
3.1.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算 16
3.1.7 间歇操作物料平衡表解 17
4. 结 论 18
5. 参考文献 19
6. 致 谢 20
1. 前言
1.1高吸水性树脂的工业发展与应用
1.1.1高吸水性树脂简介
高吸水树脂是一类较新的功能性高分子材料[1]。这种新型材料可以吸收比它本身重几百甚至几千倍的水，并且具有非常优良的保水力，当它吸水膨胀成为凝胶后，通过增加压力的方法是很难把水从中分离出来的[2][4]。
高吸水性树脂性能优良，就有很高的应用价值，目前已经广泛应用到卫生类日用品、园林灌溉、土壤水分保持与恢复、日化产品、建筑材料、电器元件、通讯设备等多种领域。目前国际上主要采用反相悬浮聚合生产工艺生产聚丙烯酸钠吸水树脂，但此种方法存在较难使油水两相分离、生产成本高昂、合成工艺冗繁等不足。鉴于在农林园艺以及水土保持方面的应用对高吸水性树脂的吸水倍数并没有过高要求，因此采用溶液聚合法来合成聚丙烯酸钠是比较理想的方法，该方法不需要使用太多设备，聚合过程也较为简单，而且不像悬浮聚合那样，溶液聚合的后续处理不需对溶剂进行回收，从而降低了生产成本，工业化生产也易于实现。
1.1.2高吸水性树脂的种类及特性
高吸水性树脂是这样的一类大分子化合物，其结构中含有亲水性基团及交联结构。由范塔等以淀粉接枝的聚丙烯腈为反应物经由皂化过程最先制得。按不同原料来分类，有淀粉系、纤维素系、合成聚合物系三大类[5]。淀粉类生产工艺复杂、产品不耐热、易变质腐烂、难以贮存。相较于吸水性能较差的纤维素类，以聚丙烯酸为代表的合成树脂类拥有诸多优点，它的原料来源富足、合成方法简单、可以防霉变、有较高的吸水率，因而也是市场上非常有绝对优势的树脂种类。其中聚丙烯酸类高吸水树脂与淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、合成简单、产率高、吸水力强、产品保质期长等大量优点，因而成为该领域当前的研究热门。目前全球所生产的高吸水树脂产品中，聚丙烯酸系所占份额便达80%。
1.2 高吸水性树脂的生产和应用
1.2.1国外高吸水性树脂的产生过程及发展现状
20世纪50年代以前，多糖类、纤维素、硅胶、磷酸等天然物质和无机物是人们最常使用的吸水材料。美国农业部北方研究所的Russell等人为了解决农业和园艺中植物生长及运输时如何保持土壤水分的问题，在1991年，他们从淀粉接枝丙烯腈方向入手开发具有该功能的水凝胶；此后，1966年范塔等率先报道了有关淀粉改性的物质具有优良的吸水性能的研究。此后，越来越多的科研团队开始针对高吸水性树脂的体系、类型、性能改良、应用范围、生产方法等方向开展研究，并取得许多重要的成果。
1975年，淀粉接枝的丙烯腈高吸水树脂由美国谷物制品公司成功生产出，但直到1978年，三洋化成工业公司（日本）才采用该数值进行一次性尿布的生产尝试，这便是高吸水性树脂的第一次商业化生产，此类产品随后远销至美国和欧洲，其市场潜力和应用研究也引起了人们的高度重视。
20世纪70年代后期，美国的UCC公司研发出非离子型的高吸水树脂，具体生产方法是在放射性条件下，多种氧化烯烃聚合物进行交联，他们的吸水能力得到了非常大的提升，在原有基础上最高可达2000倍，非离子型的高吸水性聚合物开始走向新的发展阶段。进入80年代后，生产高吸水性材料的原料拓展到天然化合物或其衍生物，例如藻酸盐、壳聚糖、聚氨基酸、蛋白质等，与此同时，高吸水性复合材料也诞生了，该材料在耐盐性、吸水速率、水凝胶强度上有很大提高，因而发展迅速。
转眼到了20世纪90年代，高吸水性树脂的研究迅猛发展，研究人员开发出了环境友好型的高吸水性树脂泡沫、聚氨基酸系的高吸水性树脂、生物降解型的无纺布材料等。到目前，全世界高吸水性树脂约70%的市场由德国Stockhausen、日本触媒及三洋化成三大巨头掌控着。过去20年中我们可以看到，全球对高吸水性树脂的市场需求不断增长，且势头强劲，全世界高吸水性树脂产量从1986年的不到5000t/a，提高到2001年时的125万t/a。放眼世界市场，高吸水性树脂的生产与需求几乎都呈现出直线的增长趋势。
1.2.2高吸水性树脂国内发展现状
直到20世纪80年代，我们国家才有了制备高吸水性树脂的研究。1983年，聚丙烯酸钠类的高吸水性树脂由黄美玉等中科院化学研究所的研究人员最先在国内合成制得。到80年代后期，由20多个单位与济宁化肥厂共同研制出聚丙烯酸类高吸水性树脂，建成了国内第一套产量100 t/a的生产设备。1986年，北化研究院进行了国内第一项有关吸水性树脂专利的申请。截止2006年末，国内相关专利的申请已有200多个，且以聚丙烯酸盐、合成淀粉接枝丙烯腈的皂化水解物以及聚乙烯醇衍生物等高吸水性树脂为主力军。
20世纪90年代末，我国政府开始大力推广高吸水性树脂在农业范围的应用和普及。湖北省开展的树苗移植研究、河北省进行的种子培育研究都颇见成效，硕果累累，利用吸水性树脂进行土壤改良的试验也在西北等省进行，兰州大学、兰州物化所等有关单位也展开了高吸水性树脂的研发工作，涌现出一系列生物降解的高分子材料，新型有机和无机复合材料，以及耐盐耐热的高吸水性树脂，且在改良西北干旱、油田堵水等工作中得到了成功的应用。
在国内，尽管高吸水性树脂拥有惊人的市场潜力，但与欧美国家相比，我国在高吸水性树脂工业化生产及利用、研究等方面仍然有较大的不足和缺陷。目前，我国依然需要依靠进口高吸水性聚合物来满足国内市场需求。如何深化有关高吸水性树脂吸水理论的研究，并研发出性能优异、价格低廉的产品，这些都亟待研究人员做出更多努力。
1.3高吸水性树脂的吸水机理
高吸水性树脂的吸水机理有几种解释，其中有两种观点占主要地位。金益芬等提出，高吸水性树脂的吸水驱动力有三种：水润湿、渗透压及毛细效应[6]。一切物质要吸水必然要有水润湿，对水有亲和力的聚合物，其分子结构中必含多个亲水基团（如-OH、-COOH等）；毛细效应则可以让水较容易地扩散至聚合物中；水在渗透压的作用下从毛细管扩散、渗透进入聚合物里面，换言之，渗透压促使连续地往稀释聚合物原有的电解质浓度的方向迁移流动。而刘廷栋等则持有以下观点，水与高吸水性分子表面接触时，有三种主要的相互作用：一是水分子结合高分子内强电负性的氧原子形成氢键；二是水分子和斥水基相互排斥二；三是水分子和吸水基互相融合。这两种解释尽管有着不同的表述方式，但二者之理论皆是以高吸水聚合物的主体网络结构为基础的，因而实质相同。
摘 要
高吸水性树脂，是一种可以吸收并保留相对于其本身的质量要大得多的液体的新型功能高分子
聚丙烯酸钠可溶于水,在食品行业中被广泛地用作增稠剂，在水处理过程中作分散剂也使用颇多。除此以外，聚丙烯酸钠还大量地应用于造纸、纺织、印染工业等做浆料分散剂，还有陶瓷工业的碳酸钙分散剂，涂料行业的颜料分散剂等等。
工业上合成聚丙烯酸高吸水性树脂主要采用溶液聚合法或反相悬浮法。其中，反相悬浮法有更多优势。采用反相悬浮法的工业生产中，物料配比如单体浓度、引发剂用量等，以及生产工艺如反应设备的选择、生产操作方式对产物的性质均有重要影响。因此根据给定的设计任务，要结合聚合物合成工艺的相关知识，来进行生产工艺的确定和反应设备的设计。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:聚丙烯酸钠反相悬浮聚合工艺流程设计
目 录
1. 前言 1
1.1高吸水性树脂的工业发展与应用 1
1.1.1高吸水性树脂简介 1
1.1.2高吸水性树脂的种类及特性 1
1.2 高吸水性树脂的生产和应用 1
1.2.1国外高吸水性树脂的产生过程及发展现状 1
1.2.2高吸水性树脂国内发展现状 2
1.3高吸水性树脂的吸水机理 3
1.4高吸水性树脂吸水能力的影响因素 3
1.5聚丙烯酸钠高吸水性树脂的生产工艺 4
1.6开题思路 4
2. 设计部分 5
2.1反应物和反应设备 5
2.2 反应工艺的确认和生产流程 5
2.2.1聚丙烯酸钠合成原理 5
2.2.2工艺流程简介 5
2.2.3工艺流程分析 6
2.3聚合反应设备的设计 9
2.3.1反应器的选择 9
2.3.2 反应器体积的计算 9
2.3.3外形尺寸的设计 11
3. 物料衡算部分 13
3.1聚合反应过程的物料衡算 13
3.1.1主要原料丙烯酸的投料量 13
3.1.3 NaOH溶液调配罐物料衡算 14
3.1.4 V103（分散介质调配罐）物料衡算 15
3.1.5 R101（聚合反应器）物料衡算 15
3.1.6 V104（引发剂调配罐）物料衡算 16
3.1.7 间歇操作物料平衡表解 17
4. 结 论 18
5. 参考文献 19
6. 致 谢 20
1. 前言
1.1高吸水性树脂的工业发展与应用
1.1.1高吸水性树脂简介
高吸水树脂是一类较新的功能性高分子材料[1]。这种新型材料可以吸收比它本身重几百甚至几千倍的水，并且具有非常优良的保水力，当它吸水膨胀成为凝胶后，通过增加压力的方法是很难把水从中分离出来的[2][4]。
高吸水性树脂性能优良，就有很高的应用价值，目前已经广泛应用到卫生类日用品、园林灌溉、土壤水分保持与恢复、日化产品、建筑材料、电器元件、通讯设备等多种领域。目前国际上主要采用反相悬浮聚合生产工艺生产聚丙烯酸钠吸水树脂，但此种方法存在较难使油水两相分离、生产成本高昂、合成工艺冗繁等不足。鉴于在农林园艺以及水土保持方面的应用对高吸水性树脂的吸水倍数并没有过高要求，因此采用溶液聚合法来合成聚丙烯酸钠是比较理想的方法，该方法不需要使用太多设备，聚合过程也较为简单，而且不像悬浮聚合那样，溶液聚合的后续处理不需对溶剂进行回收，从而降低了生产成本，工业化生产也易于实现。
1.1.2高吸水性树脂的种类及特性
高吸水性树脂是这样的一类大分子化合物，其结构中含有亲水性基团及交联结构。由范塔等以淀粉接枝的聚丙烯腈为反应物经由皂化过程最先制得。按不同原料来分类，有淀粉系、纤维素系、合成聚合物系三大类[5]。淀粉类生产工艺复杂、产品不耐热、易变质腐烂、难以贮存。相较于吸水性能较差的纤维素类，以聚丙烯酸为代表的合成树脂类拥有诸多优点，它的原料来源富足、合成方法简单、可以防霉变、有较高的吸水率，因而也是市场上非常有绝对优势的树脂种类。其中聚丙烯酸类高吸水树脂与淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、合成简单、产率高、吸水力强、产品保质期长等大量优点，因而成为该领域当前的研究热门。目前全球所生产的高吸水树脂产品中，聚丙烯酸系所占份额便达80%。
1.2 高吸水性树脂的生产和应用
1.2.1国外高吸水性树脂的产生过程及发展现状
20世纪50年代以前，多糖类、纤维素、硅胶、磷酸等天然物质和无机物是人们最常使用的吸水材料。美国农业部北方研究所的Russell等人为了解决农业和园艺中植物生长及运输时如何保持土壤水分的问题，在1991年，他们从淀粉接枝丙烯腈方向入手开发具有该功能的水凝胶；此后，1966年范塔等率先报道了有关淀粉改性的物质具有优良的吸水性能的研究。此后，越来越多的科研团队开始针对高吸水性树脂的体系、类型、性能改良、应用范围、生产方法等方向开展研究，并取得许多重要的成果。
1975年，淀粉接枝的丙烯腈高吸水树脂由美国谷物制品公司成功生产出，但直到1978年，三洋化成工业公司（日本）才采用该数值进行一次性尿布的生产尝试，这便是高吸水性树脂的第一次商业化生产，此类产品随后远销至美国和欧洲，其市场潜力和应用研究也引起了人们的高度重视。
20世纪70年代后期，美国的UCC公司研发出非离子型的高吸水树脂，具体生产方法是在放射性条件下，多种氧化烯烃聚合物进行交联，他们的吸水能力得到了非常大的提升，在原有基础上最高可达2000倍，非离子型的高吸水性聚合物开始走向新的发展阶段。进入80年代后，生产高吸水性材料的原料拓展到天然化合物或其衍生物，例如藻酸盐、壳聚糖、聚氨基酸、蛋白质等，与此同时，高吸水性复合材料也诞生了，该材料在耐盐性、吸水速率、水凝胶强度上有很大提高，因而发展迅速。
转眼到了20世纪90年代，高吸水性树脂的研究迅猛发展，研究人员开发出了环境友好型的高吸水性树脂泡沫、聚氨基酸系的高吸水性树脂、生物降解型的无纺布材料等。到目前，全世界高吸水性树脂约70%的市场由德国Stockhausen、日本触媒及三洋化成三大巨头掌控着。过去20年中我们可以看到，全球对高吸水性树脂的市场需求不断增长，且势头强劲，全世界高吸水性树脂产量从1986年的不到5000t/a，提高到2001年时的125万t/a。放眼世界市场，高吸水性树脂的生产与需求几乎都呈现出直线的增长趋势。
1.2.2高吸水性树脂国内发展现状
直到20世纪80年代，我们国家才有了制备高吸水性树脂的研究。1983年，聚丙烯酸钠类的高吸水性树脂由黄美玉等中科院化学研究所的研究人员最先在国内合成制得。到80年代后期，由20多个单位与济宁化肥厂共同研制出聚丙烯酸类高吸水性树脂，建成了国内第一套产量100 t/a的生产设备。1986年，北化研究院进行了国内第一项有关吸水性树脂专利的申请。截止2006年末，国内相关专利的申请已有200多个，且以聚丙烯酸盐、合成淀粉接枝丙烯腈的皂化水解物以及聚乙烯醇衍生物等高吸水性树脂为主力军。
20世纪90年代末，我国政府开始大力推广高吸水性树脂在农业范围的应用和普及。湖北省开展的树苗移植研究、河北省进行的种子培育研究都颇见成效，硕果累累，利用吸水性树脂进行土壤改良的试验也在西北等省进行，兰州大学、兰州物化所等有关单位也展开了高吸水性树脂的研发工作，涌现出一系列生物降解的高分子材料，新型有机和无机复合材料，以及耐盐耐热的高吸水性树脂，且在改良西北干旱、油田堵水等工作中得到了成功的应用。
在国内，尽管高吸水性树脂拥有惊人的市场潜力，但与欧美国家相比，我国在高吸水性树脂工业化生产及利用、研究等方面仍然有较大的不足和缺陷。目前，我国依然需要依靠进口高吸水性聚合物来满足国内市场需求。如何深化有关高吸水性树脂吸水理论的研究，并研发出性能优异、价格低廉的产品，这些都亟待研究人员做出更多努力。
1.3高吸水性树脂的吸水机理
高吸水性树脂的吸水机理有几种解释，其中有两种观点占主要地位。金益芬等提出，高吸水性树脂的吸水驱动力有三种：水润湿、渗透压及毛细效应[6]。一切物质要吸水必然要有水润湿，对水有亲和力的聚合物，其分子结构中必含多个亲水基团（如-OH、-COOH等）；毛细效应则可以让水较容易地扩散至聚合物中；水在渗透压的作用下从毛细管扩散、渗透进入聚合物里面，换言之，渗透压促使连续地往稀释聚合物原有的电解质浓度的方向迁移流动。而刘廷栋等则持有以下观点，水与高吸水性分子表面接触时，有三种主要的相互作用：一是水分子结合高分子内强电负性的氧原子形成氢键；二是水分子和斥水基相互排斥二；三是水分子和吸水基互相融合。这两种解释尽管有着不同的表述方式，但二者之理论皆是以高吸水聚合物的主体网络结构为基础的，因而实质相同。
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