5 聚合物合成工艺的物料衡算
5.1 画出物料平衡关系示意图
如图5-1所示，对于物料数量与组成没有发生变化的设备可不做物料衡算，所以在物料平衡关系示意图中，可不划出T101、T102、P101、P102、P103等设备。
M7M8M13M14V103V104M3M1M5M9M11M2V101M4V102M6M10R101M12 图5-1丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡关系示意图
M1—原料丙烯酸；M2—原料NaOH弄溶液；M3—无离子水A；M4—中和用NaOH溶液；M5—无离子水B；M6—单体溶液；M7—正庚烷；M8—分散稳定剂；M9—分散液；M10—待聚合液；M11—引发剂溶液；M12—聚合物混合液；M13—引发剂；M14—无离子水C
5.2 物料发生的化学变化
1、在V101、V103、V104中是单纯的物料混合配制，无相变化与化学变化。 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 →CH2=CH-COONa + H2O
3、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：
nH2CCHCOOH++mH2CCHCOONaH2CHCnH2HCCmCOOHH2CHCH2HCCCOONa
H2CCHCOOHH2CCHCOONanmCOOHCOONa
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。
5.3 收集数据资料
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1、生产规模。设计任务书中规定的年产量：2000 t·a-1 2、生产时间。年工作日：300d·a-1 (24h·d-1)
间歇操作，V101、V102、V103、R101每天8批，V104由于引发剂用量很少，所以每天配制一批即可。
3、相关技术指标（表5-1）
表5-1技术指标
项目内容 聚合物后处理损失率 丙烯酸中和率 原料NaOH水溶液浓度 技术指标 2%聚合物质量 75%（摩尔） 50%（质量） 项目内容 引发剂用量 引发剂水溶液浓度 分散稳定剂用量 技术指标 0.2%单体质量 50%（质量） 2%单体质量 中和用NaOH水溶液浓度 30%（质量） 单体水溶液浓度 45%（质量） 分散介质（正庚烷）用量 与单体质量比为4：1 正庚烷循环用量 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。因为只对聚合工序做物料衡算，所以不用考虑产品的其他质量指标。 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 相对分子质量 丙烯酸 72 NaOH 40 丙烯酸钠 94 水 18 单体混合物 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。
5.4 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。大部分设备的操作周期为8B·d-1，只有V104（引发剂调配灌）是1B·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8B·d-1计算。在做设备工艺计算时，V104的体积大小应按1B·d-1处理量进行计算。
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5.5 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。
5.6 计算主要原料（丙烯酸）投料
该生产装置年产量2000t，年开工300d，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=
2000?103300?8?0.98=850.34 kg·B-1
1、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=72：88.5
丙烯酸投料量=
72??（1?0.002）88.5850.34690.42 kg·B-1
5.7 顺流程逐个设备展开计算
1、V102（中和罐）物料衡算
M1M5M4V102M6 图5-2 V102物料平衡示意图
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、单体平均相对分子质量=88.5
M1（原料丙烯酸）=690.42 kg·B-1 M4(30%NaOH溶液)：
NaOH：690.42×0.75×H2O：287.68×
0.70.34072=287.68 kg·B-1
=671.25kg·B-1
合计：287.68 + 671.25 =958.93 kg·B-1
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M6(45%单体溶液)
单体：690.42×H2O：848.64×
88.5720.550.45=848.64 kg·B-1 =1037.23 kg·B-1
合计：848.64+1037.23=1885.87 kg·B-1 M5（无离子水B）
对V102中组分水做物料衡算有：水M5=水M6 - 水中和生成的水：287.68×
1840M4 -
中和生成的水
=129.46 kg·B-1
无离子水B：1037.23-671.25-129.46=236.52 kg·B-1
对V102做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M1+M4+M5=M6
690.42+958.93+236.52=1885.87=M6(说明物料衡算正确)
2 、V101（NaOH溶液调配罐）物料衡算
M3M2V101M4 图5-3 V101物料平衡示意图
M4 (30%NaOH溶液) =958.93 kg·B-1
NaOH：287.68 kg·B-1 H2O：671.25 kg·B-1 M2(50%NaOH浓溶液)
NaOH：287.68 kg·B-1
H2O：287.68 kg·B-1
合计：287.68+287.68=575.36 kg·B-1 M3(无离子水A)=671.25-287.68=383.57 kg·B-1
对V101做全物料平衡计算，进行校核。由物料守恒定律应有：M2+M3=M4
575.36+383.57=958.93=M4(说明物料衡算正确)
3 、V103(分散介质调配罐)物料衡算
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