聚丙烯酸钠-化工课程设计-

目录目录摘要……………………………………………………………………………………IAbstract………………………………………………………………………………II第一章绪论…………………………………………………………………………11．1聚丙烯酸钠在食品工业中的应用…………………………………………11．2聚丙烯酸钠的生产与应用现状……………………………………………31．3设计依据……………………………………………………………………6第二章工艺路线的选择与论证……………………………………………………92．1工艺路线的选择……………………………………………………………92．2工艺流程……………………………………………………………………92．3生产过程与控制……………………………………………………………102．4静态反相悬浮聚合设备……………………………………………………102．5工艺条件的选择与优化……………………………………………………11第三章物料恒算与能量恒算………………………………………………………163．1计算依据…………………………………………………………………163．2各工序物料恒算…………………………………………………………163．3能量恒算…………………………………………………………………19第四章设备选型及其工艺计算……………………………………………………214．1主要设备的选型…………………………………………………………214．2主要设备的工艺计算……………………………………………………244．3设备一览表………………………………………………………………264．4设备流程图………………………………………………………………274．5原料规格与消耗定额……………………………………………………28第五章建设工程及公用和辅助工程说明…………………………………………305．1建设工程说明……………………………………………………………305．2中试车间布置……………………………………………………………305．3给水、排水系统…………………………………………………………305．4电力供应及生产控制……………………………………………………31第六章环境保护与劳动安全………………………………………………………32第1章绪论16．1环境保护…………………………………………………………………326．2劳动安全、职业卫生与消防……………………………………………32第七章概算与技术经济分析………………………………………347．1项目投资估算……………………………………………………………347．2生产成本分析……………………………………………………………347．3经济效益分析……………………………………………………………35结论…………………………………………………………………………………37参考文献……………………………………………………………………………38附录…………………………………………………………………………………41致谢…………………………………………………………………………………42第1章绪论1.1聚丙烯酸钠在食品工业中的应用1.1.1聚丙烯酸钠的结构与性质食品添加剂的使用历史悠久，尤其第二次世界大战以后，食品工业发展迅速，食品添加剂的使用范围、种类日益扩大、增多，且已成为现代食品工业必不可少的物质，已发展成独立的行业，是现代食品工业的基础工业之一[1]。食品胶是一类非常重要的食品添加剂；其研究和开发一直以来都是食品配料行业中十分活跃的领域。相当数量和种类的加工食品若要进一步提高其感官品质和质量，都离不开食品胶体在其中的有效应用；聚丙烯酸钠是水溶性高分子化合物，其化学结构如下：ONaO[]n图1-1聚丙烯酸钠的化学结构Fig.1-1Chemicalstructureofpolyacrylicacidsodium聚丙烯酸钠缓慢溶于水，形成极粘稠的透明溶液，其粘性不像羧甲基纤维素钠（CMC）和海藻酸钠那样吸水膨胀，而是由于分子内许多阴离子基的离子现象使分子链增长，表观粘度增大而形成高粘性的溶液，粘度约为CMC和海藻酸钠的15~20倍[2]，加热处理、中性盐类和有机酸类对其粘性影响很小，耐碱性好，久存粘度变化小，不易腐败变质。聚丙烯酸钠属于无毒物质，其半致死量（小鼠，经口）LD5010g/kg，亚急性试验（大鼠）为0.5g/kg/d以下，6个月无异常，小鼠骨髓微核试验、精子畸形试验和Ames试验均为阴性，表明聚丙烯酸钠对哺乳动物的体细胞、生殖细胞无致突变作用，对细菌检测系统无遗传毒性。另外，由于聚丙烯酸钠不能被人体消化道消化及吸收，因而成为一种良好的食品加工助剂[3]。1.1.2聚丙烯酸钠在食品工业中的应用聚丙烯酸钠的上述特性使它具有多种用途，其增稠特性作为食品胶的应第1章绪论3用就是其中之一。国外从二十世纪六十年代开始将聚丙烯酸钠用于多种食品的增稠、增筋和保鲜等，是美国FDA、日本厚生省等批准使用的食品添加剂，2000年中国卫生部也正式批准为食品级增稠剂（种类代码20.0），近几年才在我国大规模推广应用。（1）聚丙烯酸钠在食品中的功效聚丙烯酸钠在食品中有如下功效[4-10]：（1）在原料面粉的蛋白质分子之间架桥形成网状结构，增强原料面粉中的蛋白质粘结力。增强食品的粘弹性，改善组织；（2）使淀粉粒子相互结合，分散渗透至蛋白质的网状结构中；（3）形成质地致密、表面光滑且具有光泽的面团；（4）形成稳定的面团胶体，防止可溶性淀粉渗出；（5）具有很强的保水性，使水分均匀保持于面团中，防止干燥；（6）提高面团的延展性；（7）使原料中的油脂成分稳定地分散至面团中。（2）聚丙烯酸钠在食品中的应用以上述功效为基础，聚丙烯酸钠作为食品添加剂的主要用途有[11-14]：（1）用于面包、蛋糕、面条类、拉面、饺子粉等面粉制品，以及米粉等大米制品，增强原料面粉或者米粉中的蛋白质的粘结力，防止可溶性淀粉和营养成分渗出，提高面团的延展性和原材料利用率，抑制面包等食品因自然干燥引起的老化现象，改善口感和风味，用量约0.05wt.%。程晓梅等[15]在面条加工中添加聚丙烯酸钠，发现面条感官评分随着聚丙烯酸钠添加量的增加呈上升趋势，之后又随着添加量的继续增加急剧降低，其原因主要是聚丙烯酸钠通过主链间氢键等非共价作用力形成具有一定粘弹性的连续三维凝胶网络结构，这种网络结构起着类似面筋网络结构的功能，从而改良面团的流变特性，使面条的硬度增加，面条的抗拉强度提高，粘着性降低，煮熟后断条减少，固形物溶出率和面汤的混浊度下降，面条透亮、滑爽、不粘牙。（2）方便面等油炸食品加工中，使原料中的油脂成分稳定地分散至面团中，降低吸油率，节约用油；（3）红薯、玉米、燕麦和马铃薯等粉丝粉条制品，提高产品的筋力，增加耐煮性；（4）水产糜状制品、罐头食品和紫菜干等，强化组织，保持新鲜味，增强味感；（5）冰淇淋等冷冻食品、糖果等改善味感及稳定性。齐凤生等[16]将聚丙烯酸钠应用于冷食品加工中，发现其粘度随酸、食盐、加热时间的增加而降低；在水的硬度较高时产生沉淀。聚丙烯酸钠可用于非酸、低盐、低硬度水冷食品夹心中，并对夹心料的口感质量起着重要的作用。在主要原料一定的情况下增加聚丙烯酸钠的添加量可以提高夹心料的品质。这主要是因为聚丙烯酸钠的水溶液具有良好的拉丝效果，常应用于冷冻食品芯料中及拉丝类冷饮制品，一般用量0.1~0.2wt.%；（6）果酱、番茄沙司、调味酱、酱油等调味品及稀奶油、果汁等的增稠和稳定；（7）冷冻食品、水产加工品的保鲜“冰衣”；（8）糖液、盐水、饮料、酒类的除浊澄清剂；（9）用于制造人造肉，提高蛋白质纤维的粘弹性和伸长度。1.2聚丙烯酸钠的生产与应用现状1.2.1聚丙烯酸钠的市场概况随我国食品工业的发展，我国聚丙烯酸钠的市场容量越来越大。在我国正式批准聚丙烯酸钠作为食品添加剂使用之前，我国东南沿海的广东、福建、江苏、浙江的一些食品生产企业（主要是外资和合资企业）已经在使用日本进口的聚丙烯酸钠，目前进人中国市场的主要是日本化药株式会社和日本触媒株式会社的产品，国内市场规模大约1500t/a，并以年均8%以上的速度增长，其中仅广东省的市场规模就达到800t/a[17]。1.2.2聚丙烯酸钠的生产工艺近年来，我国科研人员也开展了食品添加剂聚丙烯酸钠的合成研究，主要是河南省精细化工重点实验室开展的水溶液聚合法合成食品级聚丙烯酸钠，以及湖南省原子能农业应用研究所开展的辐射法合成食品级聚丙烯酸钠，第1章绪论5国内全部生产能力远远不能满足市场需求。（1）水溶液聚合法[18-27]水溶液聚合法是工业生产中最常用的聚丙烯酸钠合成方法。该方法是将原料丙烯酸溶解在水溶液中，用氢氧化钠溶液中和得到丙烯酸钠水溶液，再采用引发剂在一定条件下引发丙烯酸钠的聚合反应，得到聚丙烯酸钠与水的胶状混合物。干燥分离除去混合物中的水，粉碎为粉末，即可得到优质的聚丙烯酸钠固体粉末。由于在合成过程中，原料丙烯酸和氢氧化钠中可能带入一些诸如阻聚剂、丙烯醛、丙酸等有机杂质以及铁、铜、钙、镁、铝、铅、砷等无机及重金属杂质，这些杂质的存在一方面会引起阻聚、交联等副反应，致使无法得到分子量高、溶解性好的产品。另一方面也使产品不能满足食品添加剂的卫生指标。因此，一般通过减压蒸馏、活性炭吸附、离子交换树脂处理等方法，除去聚合反应原料中的有害杂质。水溶液聚合法合成食品级聚丙烯酸钠的工艺路线如下：丙烯酸树脂助剂中和精制聚合造粒干燥粉碎包装烧碱活性炭氮气图1-2水溶液聚合法工艺流程图Fig.1-2Flowchartofwatersolutionpolymerization由于该工艺在聚合过程中，生成的含有大量水的聚丙烯酸钠胶体难以粉碎和干燥，因此，造粒困难和干燥工序能耗过高已经成为制约聚丙烯酸钠成本降低和生产能力提高的关键因素。近年来特别是能源价格高涨，导致采用水溶液聚合法或者辐射法合成的聚丙烯酸钠的干燥能耗成本占其全部生产成本的一半左右，并且该生产工艺严重制约了生产能力的提高。（2）辐射聚合法丙烯酸单体可通过辐照直接引发自由基进行聚合反应，然后用氢氧化钠中和得到聚丙烯酸钠，其合成原理如下：OHO**OHOn60Co辐射**OHOn**ONaOn+NaOH图1-3辐射聚合法原理Fig.1-3Principlesofirradiationpolymerization湖南原子能农业应用研究所的王克勤等[28]以60Co为辐射源，采用辐射聚合法合成食品级聚丙烯酸钠，其工艺流程如下：辐照聚合氢氧化钠原料提纯原料配比中和包装密封调配浓度图1-3辐射聚合法工艺流程图Fig.1-3Flowchartofirradiationpolymerization辐射聚合法的缺点是不能得到固体粉末状的聚丙烯酸钠产品，只能得到聚丙烯酸钠溶液。由于聚丙烯酸钠溶液的储存、运输以及使用不方便，因而其应用市场受到限制。但是，采用这种方法得到的聚丙烯酸钠溶液也可以通过干燥和粉碎等工序得到固体粉末状的产品，但仍然存在干燥能耗大、生产能力低等缺陷。（3）反相悬浮聚合法反相悬浮聚合法是在搅拌条件下，将含有引发剂的丙烯酸钠水溶液滴加到含有表面活性剂的有机溶剂中，并加热到一定温度引发聚合反应。反应完成后，共沸脱水，得到粒状或粉状聚丙烯酸钠产品的合成方法。邹胜林等[29]采用反相悬浮聚合发合成了高分子量的聚丙烯酸钠，克服了水溶液聚合后期第1章绪论7粘度大、搅拌传热困难等缺点，并制得粒径在50~200m，分子量大于1000104的透明粒状聚合物。他们发现乳化剂和中和度是影响聚合稳定性的重要因素，选用亲水亲油平衡值（HLB值）为4.7的Span-60，丙烯酸的中和度为93%时，聚合稳定性较好。（4）反相乳液聚合法与反相悬浮聚合法不同，反相乳液聚合法是在搅拌条件下，将含有表面活性剂的丙烯酸钠水溶液滴加到含有引发剂的有机溶剂中，加热到一定温度引发聚合反应，反应完成后，过滤、干燥脱水，得到粒状或粉状聚丙烯酸钠产品的合成方法。陈双玲等[30]采用反相乳液聚合法合成了高分子量的聚丙烯酸