年产5500吨聚羧酸钠盐高分子分散剂的工艺设计.docx
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年产5500吨聚羧酸钠盐高分子分散剂的工艺设计.docx
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年产5500吨聚羧酸钠盐高分子分散剂的工艺设计
年产5500吨聚羧酸钠盐型高分子分散剂的生产工艺流程设计
摘要
本设计为生产5500吨聚羧酸钠盐型高分子分散剂的生产工艺流程设计,经查阅资料和文献后采用溶液聚合生成甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯单体,再与丙烯酸、苯乙烯磺酸钠共聚合成聚羧酸钠盐型分散剂,同时综述了聚羧酸钠盐分散剂的应用状况和发展前景;对工艺流程的的原料选择,生成设备,反应合成的方法及路线制定出最佳的方案;对生产所需的物料及产生和消耗的热量进行衡量计算;根据对设备选型的计算结果,选用合适的设备投入工艺生产;绘制生产工艺流程图,反应釜图和厂房平面图。
经过对聚合实际情况分析,采用溶液聚合的工艺流程路线制备甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯,并将其与单体丙烯酸、苯乙烯磺酸钠共聚,得到目标产品,根据工业最佳配比,添加的聚乙二醇甲醚:
丙烯酸=1:
1;丙烯酸:
苯乙烯磺酸钠:
甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯=4:
1:
2。
关键词:
聚羧酸钠盐;分散剂;共聚;溶液聚合
Productionprocessdesignof5500tonsperyearpolycarboxylicacidsodiumsaltpolymerdispersant
Abstract
ThisprojectismanufactureprocessofSodiumpolycarboxylatepolymerdispersant,withexpectedannualproducingupto5500tons.Astheresultofourresearch,ourteammadeoutthedecisiontoproducetheSodiumpolycarboxylatepolymerdispersant.Inthefirstplace,wewillusethemethodofsolutionpolymerizationtoprepareMPEGAA,andthenitwillparticipateinthecopolymerizationwithacrylicacidandodiumstyrenesulfonatetotheSodiumpolycarboxylatepolymerdispersant.Wealsodepictthedevelopmentstatusanddevelopmentprospectsofthisdispersant.Webelievedwemadethebestchoiceineachprocess,includingpolymerizationprocess,materials,processappliances,aswellasoperationmethod.Wecalculatedthematerialbalanceandthermalbalance;besideswehavedonecalculationonequipmentchoosing,basedonthecalculationresult,wemeanttousethesuitableequipmentonthemanufactureprocesslineanddrawproductionprocessflowchart,reactionkettlediagramandplantplan.
Basedonouranalyzingtothepracticalsituationduringpolymerization,weadoptsolutionpolymerizationasthepolymerizingmethodonthismanufactureprocesstoMPEGAAwhichreactionwithacrylicacidandodiumstyrenesulfonatetoproducetheSodiumpolycarboxylatepolymerdispersant.Accordingtothebestproportion,addingmaterialBPA:
MPEGAA:
AA=1:
1,AA:
SSS:
MPEGAA=4:
1:
2.
Keyword:
Sodiumpolycarboxylate;dispersant;copolymerization;solutionpolymerization
1绪论
1.1分散剂
分散剂(Dispersant)是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂[1]。
分散剂活性基的一端吸附在微粒表面上,而另一端进入溶剂层形成吸附层使得微粒稳定悬浮在溶剂中,保证分散系统的稳定。
加入分散剂后,颗粒表面附着带电的微粒而产生静电稳定作用,带相同电荷的微粒相互排斥且颗粒的位阻作用使得颗粒不能相互接触,从而颗粒不易凝聚和沉淀,保持微粒的稳定性。
1.2分散剂分类
分散剂可以分类成四大类:
无机型分散剂、阴离子型分散剂、阳离子型分散剂和非离子型分散剂、高分子分散剂[2]。
(1)无机型分散剂
无机分散剂吸附在微粒表面使其带相同电荷,依靠微粒之间相互排斥来实现分散的效果,其中常用的无机分散剂如下所示:
图1-1硅酸盐
图1-2六磷酸钠
图1-3焦磷酸钠
(2)阴离子型分散剂
微粒表面附着负离子,带相同电荷的微粒相互排斥并存在空间位阻效应来稳定分散系统。
阴离子分散剂主要有磺酸盐分散剂、羧酸盐类分散剂。
磺酸盐分散剂含有亲水性很强的磺酸基团,稳定存在酸碱体系中,不易与体系中钙、镁离子结合形成沉淀,具有很强的抗硬水能力。
磺酸盐分散剂可与其他分散剂配合使用,应用比较广泛。
聚羧酸盐类分散剂通常由不饱和羧酸单体、马来酸钠盐和其他不饱和单体共聚合成,此类分散剂水溶性良好,性能高。
(3)阳离子型分散剂
阳离子型分散剂是非极性带正电荷的化合物,分别有胺类、季胺盐型等。
阳离子分散剂吸附在颗粒表面形成双电层结构,使表面电荷密度提高,通过同种电荷斥力达到分散效果,其吸附力强,分散效果较好,但注意别与阴离子分散剂同时使用。
(4)非离子型分散剂
非离子型分散剂(聚氧乙烯型、多元醇型、聚醚型、氧化胺型等)结构分为亲水基和亲油基。
在溶剂中不会电离,而是保持中性状态,即在很多条件下非离子型分散剂都能保持稳定状态,它依靠着色散力吸附在微粒表面上,附着在微粒表面后将微粒与溶剂隔离从而保持分散系统稳定,与其他分散剂配合使用,且不会发生沉淀现象。
(5)高分子分散剂
高分子分散剂的分散性能更加出色,由于其能够紧密地结合在微粒表面上,在众多的分散剂中出类拔萃,与小分子分散剂相比,高分子分散剂可有效地吸附于分散粒子的表面,吸附量也更大。
由于空间位阻效应和静电斥力作用,微粒带有相同电荷而相互排斥从而使分散系统稳定。
其中最优秀的性质之一是能够保护分散体系的立体稳定性,也是其最主要的应用之一。
高分子分散剂不仅能稳定空间,而且其能通过静电作用力稳定分散系统,所以高分子分散剂往往效果更佳。
1.2.1聚丙烯酸钠
聚丙烯酸钠(PAANa)属于高分子电解质的丙烯酸类分散剂,是固态产品为白色(或浅黄色)块状或粉末,液态产品为无色(或淡黄色)粘稠液体[3]。
溶解于冷水、温水、甘油、丙二醇等介质中,对温度变化稳定,具有固定金属离子的作用,能阻止金属离子的消极作用,是一种具有多种特殊性能的表面活性剂[4]。
聚丙烯酸类分散剂是丙烯酸类聚合物中得到广泛使用的,但其用量和生产的规模角质其他分散剂都比较小,直至20世纪80年代初,全球年总产量大约为6万吨。
1983年,美国的产量为3020吨,日本为5020t。
而20世纪80年代中期以来,聚丙烯酸的应用在高吸水吸剂、絮凝剂和洗涤助洗剂方面的应用取得了重大的突破,在全球范围内引发了聚合级丙烯酸扩张的热潮。
我国对丙烯酸类聚合物的研究也有30多年的历史,但在20世纪80年代前的生产规模较小,受到国际热潮的影响,我国也在扩大聚丙烯酸及其盐类的生产规模。
聚丙烯酸钠是丙烯酸聚合物中应用最为广泛的水性聚合物,也是近年来国内外广泛开始研究的典型精细化工产品之一,据文献报道,聚丙烯酸钠的用途随着相对分子质量大小的不同而各异,其亲水性、强度、力学性能等性能差别很大[5]:
表1-1不同分子量聚丙烯酸钠的用途
聚丙烯酸钠种类
相对分子量范围
用途
低分子量聚丙烯酸钠
500-5000
分散剂
中分子量聚丙烯酸钠
104-106
增稠剂、保水剂
高分子量聚丙烯酸钠
106-107
絮凝剂
低分子量聚丙烯酸钠是阴离子型分散剂中的一类,具有良好的分散性和水溶性,有着不非常广泛的应用,且聚丙烯酸钠易溶于水,不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂,可与环氧化合物、醇类等反应,生成对应的聚丙烯酸酯[6]。
低分子量聚丙烯酸钠能更有效提高颗粒的分散程度,使得分散体系更加稳定。
低分子量聚丙烯酸钠能够形成具有许多解离基团的链。
在水中电离成高分子阴离子及许许多多阳离子。
高分子链上存在着许多羧酸盐负离子,在链附近附加了静电作用力,大大提高了链上羧酸盐负离子与水中阳离子之间的静电力,并高于对应的单体羧酸根与同样阳离子之间的静电力。
随着电离程度增大、阳离子半径减小和阳离子价数增加,羧酸盐负离子对水中阳离子的束缚作用加强,因此这类聚合物对多价金属阳离子的束缚作用明显比对一价金属阳离子强。
由于低分子量聚丙烯酸钠的这种特有性质,使其得到广泛应用[7]。
1.2.2聚苯乙烯磺酸钠
聚苯乙烯磺酸钠为淡琥珀色液体,无臭味、易溶于水,是一种具有独特作用的水溶性聚合物,应用于反应乳化剂、水溶性高分子等等,也是聚烯烃类的一种高效分散剂,其分散性和稳定性都优于传统分散剂[8]。
聚苯乙烯磺酸钠具有良好的亲水性从而能够降低水的表面张力,而不会在水中形成胶束。
1.3聚羧酸盐分散剂
聚羧酸盐分散剂是新型的高分子分散剂,可选择单体种类很广,如下表所示:
表1-2单体种类
单体种类
单体名称
羧酸盐类
丙烯酸、马来酸盐、衣康酸等
磺酸盐类
烯丙基磺酸钠、苯乙烯磺酸钠等
聚醚盐类
烯丙醇聚氧乙烯醚、异丁烯醇聚氧乙烯醚、聚乙二醇单甲醚和甲基烯基聚氧乙烯醚等
聚羧酸盐分散剂与传统类的分散剂相比具有如下特点[9]:
(1)聚羧酸盐分散剂依靠离子键作用力、氢键或范德华力吸附在颗粒表面从而形成双电层,是改变颗粒表面的亲水性改性的前提。
(2)其含有羧基、磺酸基、羟基、醚键。
它能很好地溶于分散介质中,在颗粒表面形成足够厚度的水化层,由于磺酸基的亲水性远超过其他基团,所以磺酸基单体的是提高分散剂特性的重要基团。
聚羧酸盐分散剂在结构上与普通分散剂有着明显不同,它一般是由一条疏水性的骨架长链和多个亲水性侧链组成,具有多分枝结构或“梳型”结构[10]。
其结构如图1-4所示。
大分子链链长和基团的种类都会改变其分散作用效果,因此,调整和改变分子链链长和链结构能使得合成的聚合物分散剂达到更好的分散效果。
图1-4聚羧酸盐结构
聚羧酸盐分散剂比之小分子分散剂在分子结构上具有十分明显的优势,与其他高分子分散剂相比,聚羧酸盐分散剂的分子量可控性、官能团分布可调性及环境相容性都更为突出。
研究表明,具有聚氧乙烯长侧链的聚羧酸盐具有良好的分散性能,而为了得到分散性能更好的聚羧酸盐分散剂,因此引入含芳香基团和磺酸盐结构的单体[11]。
1.4聚羧酸盐分散剂研究进展
20世纪80年代以来,国内外在聚羧酸盐分散剂方面做了大量研究工作,国内目前有许多学者从事聚羧酸盐分散剂的研究,应用于化学工
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- 年产 5500 羧酸 钠盐 高分子 分散剂 工艺 设计