年产500吨聚丙烯酰胺聚合工艺的设计说明

1、第一章 概述1 1 聚丙烯酰胺简介1 .1 . 1 丙烯酰胺聚合物的发展PAM在1893年由实验室制得。1954年在美国实现产业化生产，初期得产品仅室单 一得非离子型 PAM 。不久开发了碱性阴离子型 PAM 和阳离子型 PAM 。 PAM 优良的水 溶性、增稠性、絮凝性能和化学反应活性的显示出了巨大的市场潜力和广阔的应用前 景。丙烯酰胺单体由丙烯腈经硫酸催化水合制取。20世纪70年代初美国合日本开发了丙烯睛铜催化水合法， 1985 年在日本又有丙烯睛生物酶催化水合法问世。我PAM产品的开发始于20世纪50年代末期。1962年上海珊瑚化工厂建成我国 第一套PAM生产装置，生产PAM水溶胶产品，

2、用于矿产品处理和石油钻采工业。随 后又开发了辐射聚合法、反相乳液聚合法和水溶液聚合法生产 PAM 干粉。由于在油 气田开采和三次采油中的大量应用， 以及在污水处理和造纸等方面的用量增加， 我国 PAM的生产能力不断增加。自1994年自主开发的生物酶法制丙烯酰胺工业化获得成 功及随后的2.5万吨/年丙烯酰胺示范性工业生产装置的建成，以及 1995年法国NSF 公司5万吨/年PAM生产装置后，我国PAM的产量和质量都油了很大的提升。 近10年 来我国 PAM 发展迅速，现成为世界生产大国，产量跃居世界首位，生产规模已达国 际水平。现有生产厂200多个，生产能力（含AM ）约为23万吨/年。我国的销

3、售量 约占全球的1/3。产品主要包括HPAM、CPAM、NAM和梳型聚丙烯酰胺等，以HPAM 为主。产品剂型有干粉、水溶胶、油乳液和水乳液等，以干粉为主。生物酶法制丙烯 酰胺、梳型聚丙烯酰胺和超高分子量 PAM 等方面已达到世界先进水平。但是在总体上，我国的PAM产品与国外相比还存在大的差距，主要反应在（1 ）产 品系列：国外阳离子产品约占总产量的一半，且仍以每年 10%的速度增长。而我国阳离子产品仅占 10% 。国外的阳离子产品的品种、类型十分齐全，大品种的分子量 都超过1900 万，干粉占 53% ，乳液占35% ，水溶液仅占 2% 。而我国的阳离子产品 分子量较低，一般在 500-800

4、 万之间，产品剂型以水溶液为主，制约了我国水处理 和造纸工业的发展。 在品种系列化上， 国外已形成齐全的多品种系列产品， 达到2000 多个品种。仅法国 NSF 公司一家的常规产品就超过 1000 种，可以适应各行业不同工 艺条件和不同物料性质的要求， 而用于数十个行业。 在我国尚缺少系列化产品， 因而 应用单一，这在造纸和不同水质的处理种尤为突出。（2 ）生产规模和技术：我国随有近10家上万吨级的生产厂，产量占倒 90% 。但这些规模大的生产厂主要以满足石 油开采所需的通用化学助剂为主， 其产品单一， 主要十阴离子型粉剂， 尚无上规模的 乳液型和阳离子型产品。 其他上百家的生产厂生产规模较小

5、， 技术相对落后， 产品也 比较单一只能满足污水处理等一般用途的要求，没有能力去补充通用品种。1 .1 . 2 丙烯酰胺聚合物的结构和性质PAM 在结构上最基本的特点是：（ 1）分子链具有柔顺性和分子形状的易变性。 （2 ）分子链上有与丙烯酰胺单元数目相同的侧基酰胺基， 而酰胺基具有高极性、 易形成氢键和高反应活性。这些结构特点赋予了 PAM 许多极有价值的应用性能。乳 酰胺基的高极性使 PAM 具有良好的亲水性和水溶性，其水凝胶亲水而不溶与水；柔 顺的长链使 PAM 水溶液具有高粘性和良好的流变性能；酰胺基极易与水或含有 -OH 基团的物质（天然纤维、蛋白质、土壤和矿物等）形成氢键，产生很强

6、的吸附作用； 酰胺基的高反应活性可使 PAM 衍生出很多变性产物，拓宽了他们的应用范围。1 13丙烯酰胺聚合方法介绍丙烯酰胺聚合反应属于自由基引发体系， 引发方法常用引发剂引发和辐射引发两 种。引发剂主要是过氧化物和偶氮化合物，辐射引发常用碳60源的丫射线。聚丙烯酰聚合方法按单胺及其衍生物都是通过丙烯酰胺的自由基聚合制成的均聚物或共聚物 体在介质中的分散状态有：本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合。其中主要有 水溶液聚合、反向悬浮聚合和反向乳液聚合。（1 ） 水溶液聚合在 AM 的聚合方法中， 采用水溶液聚合的较多， 主要涉及到引发体系、介质 PH 、添加剂和单体浓度等。 引发 体系:A M

7、聚合的引发体系近年研究甚多，其目的在于保持高合速率下能获得高转化率、高分子量和少支化的产物除K2S20:与NaHS03氧化还原引发 体系外， 还有过硫酸钱一亚硫酸氢钠一偶氮化合物、 过硫酸钱一雕白粉一偶氮化合物 等复合引发体系，以及 H202- 胺、特丁基过氧化氢 -NaHS03, K2S208 一三（氨基甲 酞乙基）胺或疏基乙醇、尿素、硫脉等有机一无机物组成的引发体系。用高价金属盐 与有机物组成的体系亦不少。如KMn04 乳酸、抗坏血酸或轻基乙酸，Ceo+ 硫醇、 硫代磷酸、柠檬酸，三（乙酸丙酮）钒一轻胺，VS+ 环己酮，KBr03-琉基乙酸等.这 些体系的特点是反应活性高， 适于常温聚合。

8、 对这些体系的研究工作多集中在聚合速 率方面，对分子量影响讨论甚少。 P H值:AM聚合中，介质PH值可影响反应动力学及聚合物的结构和性质。在较低PH下（PH< 2），聚合易伴生分子内和分子间的亚酞胺化反应，形成支链或交联型产物。在较高 PH 下，单体或聚合物分子中的酞胺基会发生水解反应，使均聚物变 成含丙烯酸链节的共聚物。在 A M与丙 烯酸（AA）等共聚中，PH对竟聚率的影响 很大。 添加 物:在AM水溶液聚合中添加有机、无机物对 Rp和分子量均有影响。许多金属离子能与酞胺基发生络合， 从而影响反应进程。 在相同温度下， 活化能小时，Rp增加。相反，聚合分子量易降低。所以在一定的条件

9、下，某些离子能够大幅度地调节分子量。而在 AM 聚合过程中添加诸如甲醇、乙醇、异丙醇、四氢吠喃、二甲基 甲酞胺等有机溶剂时， 添加剂的作用可为链转移、 溶剂化屏蔽作用和作为沉淀剂改变 聚合物结构形态。（2）反向乳液聚合：水 溶 性 单体AM的反相乳液聚合是乳液聚合研究领域中新 开拓的一个分支， 多采用非离子型的低分子或高分子乳化剂形成油包水型乳液体系而 进行乳液聚合。 乳胶粒是通过乳化剂吸附膜的阻隔或高聚物的位阻作用而稳定的， 有 人认为这种乳胶粒也是通过胶束成长起来的。近十年来的研究丰富了乳液聚合理论， 获得了有实际价值的胶乳型产品，其具有速溶等显著特点。（ 3）反向悬浮聚合：采用 反 相悬

10、浮法制备 AM 聚合物与反相乳液聚合有许多相似 之处，关键在于分散相粒子尺寸的控制。 决定粒子尺寸的因素主要是搅拌、 分散稳定 剂和相比， 反相悬浮聚合可采用热引发或氧化还原体系引发， 有人认为聚合物的分子 量与K2S202的浓度无关，分子量较水溶液聚合为低。最近的一份报告指出，采用环 己烷和一种非离子表面活性剂作为乳化剂，以 K2S202作为引发剂，在30-40 C及浓 度50% 条件下可得到分子量大于 1000 万的速溶型粉状聚丙烯酞胺。（4）水溶液聚合展望：水溶液聚合是丙烯酰胺最常用的聚合方法，对于水溶液聚合 法制造PAM的工艺，人们研究的热点是选择新型聚合、造粒、干燥及粉碎技术与设 备

11、，开发更先进的连续化、 自动化聚合工艺， 改进和提高产品的性能和质量。 具体为： 提高产品分子量和溶解性能： 为提高产品分子量和溶解性能， 应采用高纯单体。 这 是获得超高分子量 PAM 产品的基础。还要掌握好聚合反应规律优选聚合工艺、聚合 引发体系，适当增大单体浓度、减少引发剂浓度和降低聚合反应温度，使反应平稳。提高产品的耐温抗盐和抗剪切性能： 在聚合物分子主链段上引入不同的基团可以改善其性能。降低PAM产品中残余单体的含量：高聚物PAM本身基本无毒，PAM的毒性来自残余的AM单体。制备用于生态建设和环保产业的PAM产品。选择适宜的技术和设备，开发更先进的连续化、自动化的聚合工艺。1.1.

12、4 生产和消费情况（1）国外生产和消费据美国咨询公司Tran Tech公司分析，2004年全球PAM能力为91万吨/年，美 国、f本、欧洲是聚丙烯酰胺主要的生产和消费地， 生产能力约占世界总能力的85 %。 其中25 %在西欧。表I列出世界PAM生产能力分析。表2列出2005年2月统计的世界 各地区PAM主要生产能）。亚太地区为最大的PAM生产地，2005年生产照（除日本外） 为23万吨/年，其次为西欧2l万吨/年。亚太地区也是最大的 PAM消费地区，其次 是西欧和美国。表1世界PAM生产能力分析（万吨/年）乳液和分散体微小粉末溶液非离子1.63.4阴离子14.02.122.91.2阳离子12

13、.23.516.330.8表22005年2月统计的世界各地区PAM主要生产能力（万吨/年）公司地点生产能力西汽巴精化央国布拉布拉福德6.0氰特央国布拉布拉福德2.5纳尔料法国法兰克福1.0SNF法国安德烈津克6.4斯托豪森德国克雷菲尔德2.6欧三F意大利2.9美汽巴精化弗吉尼亚州萨福克5.4氰特阿拉伯马州莫比尔2.2纳尔料路易斯安那州加利维尔2.0国SNF乔治亚州赖斯波罗7.0日荒川化工日本大阪0.7Da-Nnx日本新泻1.2本橘磨化工日本1.1亚中国石油大庆，恒聚3.0，3.0中国石化胜利3.2太SNF泰兴3.0国外聚丙烯酰胺的生产商主要有美国的陶氏化学公司、 氰胺公司、联合胶体公司、 纳尔

14、科公司.日本的日东化学公司、三井东压公司，法国 SNF圣泰公司德国的斯 托豪森公司、巴斯夫公司和英国的联合胶体公司等。上个世纪90年代后期美国、西欧和日本的聚丙烯酰胺年消费量分别为 12万吨、 8,6万吨和6 , 3万吨。预计2005年这三大市场的消费量将分别增长到19万吨、13万 吨和8万吨。加上亚洲市场（日本除外）及其他地区2005年25万吨左右的需求量，预时 2005年全球聚丙烯酰胺总需求量为60万吨左右。经过2001年需求低迷期后，2002年起PAM 需求又较快增长，预计到2010年全球需求年增长率为5 .4 %，增长率最高的地区为: 拉美（年增长率为6 %）、亚洲和中东（6 . 3

15、%）、亚太（9 . 1 %）。作为PAM市场的领先 者SNF公司近期将有不少新建装鼍投产，SNF公司新建的PAM装置（在澳大利亚、印 度尼西亚、印度、俄罗斯、瑞典和美国）将于2005年投产，新建最大装置建在印度（能 力为2万吨/'年）。德固萨公司在印度尼西亚的PAM新装置也将于2O05年开工。 然而，尽管2005年有一些新增电力开工，如果以后尚无新增能力建设的话，预计今 后5年内PAM供应仍将会感到短缺。（2）国内生产和消费 生产我国PAM产品的开发起步较晚，1962年上海天原化工厂建成第一套PAM生产 装置，生产水溶胶产品。1995年，国内PAM生产厂家有60多家，其中多数为规模 较

16、小的乡镇企业，技术水平低，产品分子量低，一般为500800万，难以满足消费 者对高分子量产品的需要。1995年底，大庆石油管理局从法国SNF公司引进的5 万t/aPAM生产装置投产，生产高分子量产品（分子量为1500万）,特别是近几年， 胜利油田以及法国SNF公司在我国泰兴所建企业相继建成投产，使我国PAM的生产 能力和生产水平有了大幅度提高，产品质量符合油田注入聚合物驱采技术的要求。表3国内主要PAM生产厂家情况序号生产厂家生产能力（万吨/年）1大庆油田化工总厂52胜利油田长安实业集团公司23SNF公司泰兴分公司24广东李坛精细化工厂25北京恒聚油田化学品有限公司16太原重工集团祁县聚合物有

17、限公司1消费1998年,我国PAM的生产能力为6.5万t,产品约为5.5万t,当年实际消费量 为7.39万t,不足部分依靠进口解决。国内消费中,81%用于石油开采,是国内PAM 应用的最大市场。由于我国东部油田如大庆、胜利、中原、华北、辽河、大港、河南 等油田已进入开采中后期，采油综合含水已达80%以上，为提高原油采收率，结合油 田特殊的地质条件，推广以PAM为主要聚合物驱油技术的应用，已成为东部油田稳 产的重要举措。根据石油行业的整体规划,2005年国内PAM在石油开采方面的用 量已达到11万t。而在国外作为一种环保产品，PAM已被广泛用于各种水处理中， PAM应用的最大领域为水处理行业，我

18、国水处理技术和水处理剂的应用水平与国外有很大差 距，这也说明PAM在水处理行业应用的发展潜力巨大。PAM在造纸行业的应用起步于70年代，主要用作助留剂、干增强剂和废水处理的絮凝剂；随着大型合资造纸企 业的不断建成投产和人们对纸张质量要求的提高，PAM在造纸行业的应用必将有一 个大发展。1.1. 5 丙烯酰胺聚合物的应用领域（1）石油开采：A.驱油剂：调节注入水的流变性，增加驱动液的黏度，改善水驱 波发效率，降低地层中水相渗透率，使水与油能匀速的向前流动。B.堵水调整剂：在油田生产过程中，由于地层的非均质性常产生水浸问题， 需要进行堵水，其实质是改 变水在地层中的渗流状态， 以减少油田产水、 保

19、持地层能量、 提高油田最终采收率的 目的。聚丙烯酰胺类化学堵水剂具有对油和水的渗透能力的选择性， 对油的渗透性降 低最高可超过10%，而对水的渗透性能减少可超过90%。C.钻井液调整剂：调节钻 井液的流变性携带岩屑，润滑钻头减少流体损失等。可减轻对油气层的压力和堵塞， 容易发现油气层，并有利于钻进速度比常规泥浆高 19%，比机械钻速高 45%左右， 还可大大减少钻井事故，减轻设备磨损防止发生井漏和坍塌。 D. 压裂液添加剂：压 裂工艺是油气田开发致密层的重要增产措施， 气作用是开通岩石的饿通过， 让油流过， 亚甲基聚丙烯酰胺交联而成的压裂液， 因具有高黏度、 低摩阻、良好的饿悬砂能力以 及配制

20、方便和成本低而被广泛应用。（2）水处理：聚丙烯酰胺的酰胺基可与许多物质亲和、吸附而形成氢键。高分子 量聚丙烯酰胺在被吸附的粒子间形成“桥联”，生成絮团，有利于微粒下沉。聚丙烯 酰胺类絮凝剂能适应多种絮凝现象， 其用量小， 效率高，生成的泥渣少， 后处理容易， 对某些情况具有特殊的价值。 我国的原水处理、 城市污水处理和工业废水处理行业都 在不同程度的使用聚丙烯酰胺作为絮凝剂。（3）造纸：聚丙烯酰胺在造纸工业中的应用主要用于两方面，一是提高填料、颜 料等的存留率，以降低原材料的流失和对环境的污染；二是提高纸张的强度。另外， 使用聚丙烯酰胺还可以提高纸张的抗撕性和多孔性，以改进视觉和印刷性能。（4

21、）矿冶行业：采矿过程中，通常使用大量水，最后需回收水中的有用固体，并 将废水净化回收使用。 应用聚丙烯酰胺， 可促使团粒的下降、 液体的澄清和泥饼的脱 水，从而可提高生产效率，减少尾矿流失和水消耗，降低设备投资和加工成本，并避 免环境污染。5） 纺织、印染行业：聚丙烯酰胺作为织物处理的上浆剂、整理剂以及可生成柔 顺、防皱、防霉菌的饿保护层。利用他吸湿性强的特点，能减少纺织时的断张率。聚 丙烯酰胺作后处理剂可以防止织物的静电和阻燃。 用作印染助剂时， 聚丙烯酰胺可使 产品附着牢度大、鲜艳度高，还可作为漂白的非矿高分子稳定剂。此外，聚丙烯酰胺 还用于纺织印染污水的高效净化。（6 ） 其他：聚丙烯酰

22、胺在水敏性凝胶、食品加工、电镀工业吸水性树脂也用着广 泛的应用。1 .1 . 6 前景展望综观我国 PAM 历年生产情况， 90年代之前国内因技术、市场等原因产量和使用 量一直相对稳定，后随着石油行业的大量推广使用，推动了 PAM 产量的不断增加。 但目前国内多数 PAM 生产厂家均属低水平、小规模生产，生产技术落后，单机生产 能力低，品种少，质量不稳定，产品分子量低，分子量分布范围宽，抗矿化度及耐剪 切能力低，难以满足国内及企业出口的需要。鉴于 PAM 具有较大的市场潜力，国内 不少企业纷纷计划新建或扩建产能。 近几年随着国民经济的持续健康、 快速发展， 政 府和民众的环保意识加强，必将促进

23、 PAM的消费。因此，国内的PAM开发利用前景 广阔。鉴于次，国内有关专家建议：在装置方面，应走规模之路，有条件的企业，可 以全套引进国外的工艺技术和设备， 建设万吨级以上规模， 以适应日益激烈的市场竞 争，但要防止不考虑客观实际，一哄而上建设多套大型装置，造成产能相对过剩。 国内中小企业和相关科研院所，应加快 PAM生产工艺的研究开发，改进现有工艺， 提高技术水平， 稳定产品质量并使之系列化； 有条件的单位， 应加强在专用性产品和 个类不同基因共聚接枝改性衍生物方面的研究。 走重组兼并之路， 逐步淘汰一些落后的小规模生产装置，以提高行业的整体水平。同时还要大力开发PAM在制糖、感 光材料、电

24、镀、船舶，陶瓷、矿冶等方面的应用，使我国的 PAM 生产应用尽快到达 发达国家的水平。1. 2 设计意义石油工业是国民经济的支柱产业， 石油是经济发展的重要保证之一。 我国石油资 源相对较少， 三次采油是我国保证石油供应的重要措施。 进行聚丙烯酰胺生产工艺设 计的研究， 可以使我国聚丙烯酰胺生产技术、 产品质量以及生产规模均提升到一个较 高水平， 以满足三次采油对聚丙烯酰胺质和量的要求， 避免引进产品带来的危险， 保 证三次采油技术的顺利实施最终以满足国民经济对石油供应的要求， 并获得最大经济 效益。此外，聚丙烯酰胺在水处理行业具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。 随着环 境意识的不断加强，

25、聚丙烯酰胺在城市污水处理方面的应用将会越来越受到重视， 聚 丙烯酰胺聚合生产工艺技术的研究， 也将对城市污水处理工艺技术的提高起到推动作 用。1 3 设计原则1 31 设计依据（1）课程设计的内容年产 5000 吨聚聚丙烯酰胺工程：聚合工段的工艺设计。含：聚合工序、造粒工 序、干燥工序。 对该项目的发展历史、现状及前景（产品、工艺等）进行综述。 原料路线的选择及工艺技术的选择。 物料衡算。 工艺物料流程（ PFD ）的设计 管道及仪表流程( PID )的工艺设计。 主要工艺设备的选型。 工艺平面布置。(2)课程设计的要求与依据课程设计时高等学校培养学生的最后一个及其重要的教学环节， 在课程设计

26、中培养学生综合应用所学知识的能力，不断提高学生制图、运算、计算机应用、查阅文献 资料、编写说明书等技能。通过该途径，使学生具有一定的发现问题、分析问题、解 决问题以及工厂主要车间的初步设计能力。具体要求学生掌握本课程的工艺设计原 理、步骤和方法。 通过设计图纸和说明书能对所设计内容进行阐述和论证。 设计有关 资料和图纸应保证计算准确、字体端正、图面清洁、设计合理，所有计算部分应有完 整的计算过程，以达到全面训练的目的。1 32 聚合反应机理及影响因素(1 ) 聚合机理丙烯酰胺聚合反应机理属于自由基反应， 符合自由基连锁聚合反应机理的一般机 理，由链引发、链增长和链终止等基元反应组成。此外还常伴

27、有链转移反应。器总反 应式为：nCH 2=CH C(=O) NH 2 引发剂 CH 2CH(C(=O)NH2 )n( 2 ) 影响反应影响聚合反应的因素主要有溶剂、引发剂、 PH 值、聚合温度等因素。 单体浓度：根据釜式大块水溶液聚合工艺要求和综合考虑传热、搅拌、物料输送 等因素控制在 25% 。 温度：在配料罐中配料降温至10 C,输送到聚合釜聚合，聚合温度达100 C左右 杂质：体系中杂质主要有未反应单体、水、空气中的氧、AA等。这些杂质含对引发剂活性、聚合速度等产生影响，还有一定毒性，因此要控制在一定指标以下。1 . 3. 3 水解机理在碱性条件下，PAM在较低温度（4060 C）就易于

28、水解，反应是由氢氧根离子0H-对酰胺羰基的亲核加成，及胺离子 NHJ的消除，丙烯酰胺结构单元生成丙烯 酸结构单元，如下图所示。水解反应基本上是不可逆的。CH 2 CH NaOHCH2 CH T CH2 CH + NH 2 宀 CH 2 CH +NH3C=ONH2HO CO-NH2OH在强碱条件下，酰胺基的碱性水解反应对酰胺和氢氧根离子均呈一级反应， 总的活化 能为56.5kj/mol 。表明PAM的水解过程是由两个以上的水解反应组成： OH-催化 的碱性水解与H2O的溶剂解过程。当碱液浓度较高时，溶剂解可以忽略，表现为与OH-成正比。第二章 原料、产品的物理及化学性质2 1 原料主要有丙烯酰胺

29、、纯水、引发剂。 丙烯酰胺：分子量：71.08 ;形态：片状晶体；密度：1.22kg/L;熔点84.5 C；沸点：125 C；蒸汽压：9.33 X 10-5Pa ;蒸汽密度：2.46 （空气=1 ）；聚合热：81.51kj/mol;闪点 138 C；平衡含水量：1.7（g 水/kg 干 PAM）。 水：密度：998.1kg/h;比焓：209.3kj/mol ;比热容：4.74 x 103j/(kg.K);热导率：64.8 x 102w/(m.K);黏度：549.4 x 106Pa.s ;表面张力： 676.9 x 104N/m 。 引发剂：白色柱状或粉状结晶，易燃；熔点105 C；不溶于水，遇

30、热分解放出 氮气和有机氰化物。2 . 2 PAM物理及化学性质2. 2. 1 PAM的结构PAM在结构上最基本的特点是：(1 )分子链具有柔顺性和分子形状的易变性。(2)分子链上有与聚丙烯酰胺单元数目相同的侧基一酰胺基，而酰胺基具有极高的 极性、易形成氢键和高反应活性。2 . 2 . 2 PAM的物理性质密度：1.302g/cm3 ;临界表面张力：3540mN/m ;玻璃化温度：188 C；软化温度：210 C。2 . 2 . 3 PAM的性能PAM具有良好的亲水性和水溶性，其水凝胶亲水而不溶于水；高黏性和良好的 流变调节性；酰胺基极易与水或含有一 OH基团的物质形成氢键，产生很强的吸附作 用

31、；酰胺基的高反应活性可使PAM衍生出很多变性产物。2 .2 .4 PAM性能指标表2-1项固含最小颗粒%不溶黏度分子水解滤过筛网溶解分目量%( <物%mPa.S量度%比系数时间布0.15mm )h宽度数87.90.960.1923.02 X30.21.4430.5212值107第三章生产流程简述3 .1工艺路线确定3 . 1. 1聚合方法的确定根据产物结构，从自由基聚合、阴离子聚合、阳离子聚合、配位聚合等反应机理 中确定选择出自由基聚合，同时考虑自由基聚合所用原料、引发剂、传热、物料输送、 产物溶解、操作方式等方面综合考虑选择水溶液聚合实施方法。该工艺路线包括了自 由基形成和链增长过程；

32、由于水溶剂存在要考虑水分的干燥。 要获得阴离子型聚合物 须进行碱性NaOH水解；操作方式为连续操作。3 . 1 . 2 单体原料路线的确定通过比较丙烯腈的硫酸水合法、铜催化水合法和生物酶催化水合法等生产方法优 缺点，结合实际情况，选择丙烯腈铜催化水合法。3 . 1. 3溶剂的选择因选择水溶液聚合法，故溶剂为水。3 . 1 . 4引发剂的选择工业最常采用的AM聚合引发剂使氧化还原引发体系。 该体系大概有两种：一是 无机过氧化物与氧化剂组成；二是有机组成的氧化还原引发体系。因为溶剂为水和聚 合反应活化能考虑，选择偶氮二异丁腈（E总=62kJ/mol ）。3 . 1 . 5自由基反应方式引发剂在较低

33、温度下即可产生自由基，反应活化能低，在较低温度（050 °C）引发聚合，引发速率快，对温度依赖性小。3 2 生产流程简述聚合工段主要由计量配料、聚合、研磨输送等岗位组成。具体流程为：将单体 AM 水溶液装进配料槽，用纯水稀释到 25% 浓度，将温度 调整到10 C,预制的原料经计量泵入通有氮气的聚合釜；在聚合釜内加引发剂，在 氮气的氛围下开始聚合反应， 反应后的混合物在聚合釜中停留成熟后， 得到聚合物胶 块；研磨机研磨后螺杆输送到造粒器造粒； 将小胶块状进水解反应器， 用氢氧化钠水 溶液喷洒在胶块上并充分拌和， 让其水解； 将水解后的溶胶装进干燥器干燥到要求的 含水量，然后将干燥的聚

34、合物冷却到所需温度以例破碎； 将干燥并冷却后的装进粉碎 机破碎到规定的颗粒尺寸， 然后将粉碎后的聚合物喂进振动筛， 以分离除去大块聚合 物；将筛选后的聚合物储存进成品仓，最后将产品装进包装袋。3 3 车间概况该车间设计生产规模为年产 5000 吨聚丙烯酰胺。 主原料：单体聚丙烯酰胺；溶剂水；引发剂偶氮二异丁腈。 生产原理：采用水溶液均聚的方法， 使聚丙烯酰胺、 水和引发剂等在配料罐中配 料，泵至聚合釜进行水溶液聚合。制得粘稠胶液，再通过研磨、水解、研磨、干燥、 筛分获得最终产品。3.4 车间组成该车间主要由聚合工段、水解工段和后处理工段组成。 聚合工段主要由计量配料、 聚合、研磨输送等岗位组成

35、。水解工段由水解、研磨输送等岗位组成。后处理工段主 要由干燥、筛分、包装等岗位组成。设计范围包括：聚合工段至后处理工段的物料衡算，聚合工段、干燥工段、后处 理工段的各种设备选型，管路计算，物料流程图、带控制点工艺流程图、平面布置图 等。车间设备采用露天与厂房内布置相结合原则。 其中罐区、 尾气烟囱，空气过滤采 用露天布置，其他全部采用厂房内布置。3.5 生产制度考虑装置的大修，采用年开工时为 8000h 。 全装置主要采用连续操作方式，局部采用间歇操作方式。 全装置采用五班三倒制，每班 8 小时工作制。3 6安全防护措施3 61 聚合工段该工段使用的原料有丙烯酰胺、 纯水以及偶氮二异丁腈等，

36、根据这些原料的性质， 查阅化工工艺设计手册 、化工生产安全与防护 等确定车间火灾危险等级为乙级； 车间建筑属于一类工业建筑。设计中电气设备一律选用隔爆式电气设备； 各设备均有接地线、 跨接线等防静电 设施及防雷设施；各岗位设有排风系统。此外，还应注意以下问题： 车间内禁止使用明火；禁止穿带钉子鞋进入装置现场；禁止吸烟；禁止随意使用 铁器碰击设备；机动车未经许可不的进入厂区。 生产人员必须熟悉相关岗位消防设施的种类及存放位置，并能熟练正确使用，了 解现场物料的性质。 生产人员上岗必须佩带好劳动保护用品，在接触丙烯线胺等有毒化合物时必须带 好手套、面具及其他防护用品。 生产人员在生产过程中要即使检

37、查，消除漏点。 设备跑料、储罐冒顶应立即采取紧急措施，切断物料来源，控制现场，及时回收 流失物料，消除危险。 生产设备超压时应采取紧急排空措施，必须有专人监护现场。 在生产装置检修敲打设备的时候，必须使用铜制工具或在铁制工具上涂上黄油， 以免引起火花。 生产现场禁止存放大量易燃易爆物品。 设备开车前必须使用氮气置换，聚合系统内氧含量必须小于 0.2% 。 各储罐装料不得超过规定装料系数，而且要有氮气保护。常压罐保压不超过 0.05MPa ，受压罐保压 0.4MPa 。3 62 后处理工段后处理工段除了有聚合工段的物料， 还有水解产生的氨气， 是易燃易爆物品， 处 理属于易燃易爆岗位。注意事项如

38、下： 水解装置和干燥装置在清理前要切断外接管线，切断电机，有氮气置换，并分析 可燃物浓度含氧量等，合格后人员方可入内。 后处理的电器、转动设备多，生产人员上岗必须穿好工作服戴好安全冒。所有电 器设备在运转中禁止用手乱动。 生产工作服内禁止带东西，防止落入设备内影响生产。 设备检修要有动火票，并有专人监护，切断电源，严禁启动。 成品仓库禁止吸烟、使用明火，非岗位人员禁止入内，库内要经常保持卫生。第四章 工艺计算及主要设备选型4 1 物料衡算4 11 计算的基础数据年产量5000t ;年开工时间8000h ;单体总转化率99.5% ;原料AM溶液浓 度30%，釜中AM浓度25% ;纯水温度w 10

39、 C；聚合釜平均温度100 C；聚合系 统压力w 0.44MPa ;计量罐压力w 0.1MPa，泵压w 0.8MPa。设计选用配方：单体25% ;引发剂4 X 10-5% ；水约75%。全装置总损耗 2.3% ，总收率 97.7% 。损耗分配如下：包装损失： 0.1%除尘损失： 2.0%研磨损失： 0.2%41 2 计算基准连续反应操作过程以 kg/h 为基准。41 3 聚合釜物料衡算聚合釜物料衡算图如下所示：每小时产胶量5000 X 1000 十 8000=625kg/h需30%的AM溶液625 - 30%=2084kg/h按99.5%转化率计算30%的AM溶液及纯AM的需求量AM 溶液：2

40、084 - 99.5%=2094kg/h纯 AM : 625 - 99.5%=628.14kg/h未反应AM单体的量2094-2084=10kg/h随25%的AM溶液带入的水量2094 X( 1-30% ) =1465.86kg/h设引发剂在聚合时全部反应，AIBN用量625 X4 X 10-5%=2.5 X 10-4kg/h配料后溶液浓度为25%，故纯水加入量(625 - 0.995% ) - 0.25 X 0.75-1465.86=418.56kg/h聚合釜物料衡算列下表4-1如下:组分kg/ht/dt/a进30% AM 溶液2.09 X 10350.261.68 X 104AIBN2.5

41、0 X10-46.00 X10-62.00 X 10-4料纯水4.19 X 10210.063.35 X 103合计2.51 X 10360.242.02 X 104出PAM6.25 X 10215.005.00 X 103AM1.00 X 1010.268.88 X 101水1.88 X 10345.101.51 X 104料合计2.51 X 10360.242.02 X 104一次研磨物料衡算（损失率：0.1% ）该段总损失2 . 51 X 103 X 0 . 1%=2.51kg/h 其中损失：PAM 625 X 0.1%=0.625kg/hAM 11 X 0.1%=0.011kg/h水

42、1.88 X 103 X 0.1%=1.88kg/h 获得：PAM 625-0.625=624.38kg/h水 1.880-1.88=1878.12kg/h一次研磨物料衡算列表4-2如下:组分kg/ht/dt/a进PAM6.25 X 10215.005.00 X 103AM1.10 X 1010.268.88 X 101水1.88 X 10345.201.51 X 104料合计2.51 X 10360.202.02 X 104出PAM6.24 X 10214.984.99 X 103AM1.09 X 1010.268.79 X 101水1.88 X 10345.121.50 X 104料合计2

43、.50 X 10360.102.00 X 104总 损 失2.510.100.02 X 104水解工段物料衡算水解方程式如下：CH? CH (C(=0) NH2 ) n + NaOH CH 2CH (C(=0) ONa ) n + NH3TCH 2=CH C(=0) NH 2 + NaOH CH 2=CH C(=O) ONa + NH 3 TPAM平均水解度25% , NaOH原料浓度50% , AM全部与NaOH反应，NaOH全 部反应，则有：PAM- 624 X 25% x( 94.08/71.08) =207kg/hPAM 624 X 75%=468kg/hAM-10.99 X( 94.

44、08/71.08) =14.55kg/h消耗NaOH溶液产生NH3(156/71.08)+ (10.99/71.08) X 17=39.94kg/h产生水187 . 97 X 50%=93.98kg/h得总水1.88 X 103 + 93.98=1.98 X 103kg/h水解工段物料衡算列表4-3如下：组分kg/ht/dt/a进PAM6.24 X 10214.984.99 X 103AM1.09 X 1010.268.79 X 101水1.88 X 10345.121.50 X 104NaOH1.88 X 1024.512.01 X 103料合计2.80 X 10367.202.24 X 1

45、04出PAM4.68 X 10211.263.74 X 103AM-1.50 X 1010.361.20 X 102水1.98 X 10347.521.58 X 104PAM-2.07 X 1024.971.66 X 103NH34.0 X 1010.963.20 X 102料合计2.80 X 10367.202.24 X 104二次研磨物料衡算（损失率：0.1% ）该工段物料总损失其中损失:PAM-207 x 0.1%=0.21kg/hPAM468 x 0.1%=0.47kg/hAM-15 x 0.1%=0.015kg/hNH340 x 0.1%=0.040kg/h水1.98 x 103x0

46、.1%=1.98k/h得到物料2 . 80x 103-2.8=2.79 x 103 kg/h其中：PAM-207-0.21=206.79kg/hPAM468-0.47=467.53kg/hAM-15-0.015=14.99kg/hNH340-0.04=39.96kg/h水 1.98 x 103-1.98=1.98 x 103k/h二次研磨物料衡算列表4-4如下:组分kg/ht/dt/a进PAM4.68 x 10211.263.74 x 103AM-1.50 x 1010.361.20 x 102水1.98 x 10347.521.58 x 104PAM-2.07 x 1024.971.66 x

47、 103NH34.0 x 1010.963.20 x 102料合计2.80 x 10367.202.24 x 104出PAM467.5311.223.74x 103AM-14.990.361.20x 102水1.98 x 10347.521.58x 104PAM-206.794.961.65x 103NH339.960.963.20x 102料合计2.79 x 10366.962.23x 104总 损 失0.01 x 1030.240.01x 104干燥工段物料衡算（水分干燥：64%，除尘损失：1.6% ）干燥物料衡算图如下所示:按指标水分挥发64%，氨气全部挥发，则原颗粒含水量：1.98 x

48、 103kg/h原颗粒脱水量：2.79 x 103x64%=1.79 x 103kg/h干燥后含水量：(1.98-1.79 ) x 103=0.18 x 103kg/h除尘损失:PAM-206.79 x 1.6%=3.31kg/hPAM 467.53 x 1.6%=7.48kg/h获得:PAM-206.79-3.31=203.48kg/hPAM467.53-7.48=460.05kg/hAM-14.99-0.24=14.75kg/h水180-2.88=177.12kg/h干燥工段物料衡算列表4-5如下:组分kg/ht/dt/a进PAM467.5311.223.74 X 103AM-14.990

49、.361.20 X 102水1.98 X 10347.521.58 X 104PAM-206.794.961.65 X 103NH339.960.963.20 X 102料合计2.79 X 10366.962.23 X 104出PAM460.0511.043.68 X 103AM-14.750.351.18 X 102水117.124.251 . 42 X 103PAM-203.484.881.63 X 103料合计855.4020.536 . 84 X 103总 损 失144.63.470.12 X 104水分干燥179042.961 . 43 X 104包装工段物料衡算（除尘损失：0.4%

50、，包装损失：0.1% ）包装物料衡算图如下所示:工段总损失：855.4 X 0.4% + 855.4 X (1-0.4%) X 0.1%=4.27kg/h其中：PAM-203.48 X 0.4% + 203.48 X (1-0.4%) X 0.1%=1.02kg/hPAM460.05 X 0.4% + 460.05 X (1-0.4%) X 0.1%=2.30kg/hAM-14.75 X 0.4% + 14.75 X (1-0.4%) X 0.1%=0.06kg/h水 177.12 X 0.4% + 177.12 X (1-0.4%) X 0.1%=0.88kg/h包装工段物料衡算列表4-6如

51、下:组分kg/ht/dt/a进PAM460.0511.043.68 X 103AM-14.750.351.18 X 102水117.124.251 . 42 X 103PAM-203.484.881.63 X 103料合计855.4020.536 . 84 X103出PAM457.7610.993.66 X 103AM-14.690.351.17 X 102水116.244.231 . 41 X 103PAM-202.464.861.62 X 103料合计851.1520.246 . 81 X103总 损 失4.250.290.03 X 1034 . 2设备计算及选型4 . 2 . 1聚合釜计

52、算(1 )基础数据设计温度：聚合釜内50 C,釜外100 C；设计压力：聚合釜内0.4MPa，聚合 釜外I.OMpa ;工艺要求容积13m 3;装料系数© =0.8 ;连续操作。(2)聚合釜容积的确定按6小时聚合时间确定总容积AM=0.998 X 25%=0.2495t/mV 总=5000/(0.2495X 30% X 8000/6)=50.10m需13m 3的聚合釜台数 50.10/13=3.85 台 圆整为4台，考虑1.2的备用系数，则需4m3聚合釜5台(3)聚合釜筒体直径与高度的确定一般聚合釜的长径比在1-3之间，高径比大有利于传热，但不利于搅拌。综合 考虑取咼径比2.4。 聚

53、合釜筒体直径的确定：设计中初选 V封=1m3，按下式估算聚合釜筒体直径Di=413 13.14 2.4=1.854m圆整取1.9m 封头容积及直边高度的确定：封头选用椭圆形封头。根据Di查化工设备机械基础第三册第230页及化工设备标准手册第四卷第 10页查得3V 封=0.864m; m 封=479kg 筒体高度的确定：有Di=1.9m 查化工设备机械基础附表1-1得每米筒体的 体积V1、面积A1、质量m 1，得V1=2.545mA1=5.66mA1=716kg根据公式H= (V-V 封) N1得H=(13-0.864 )/2.545=4.769m取 H=4.8m 。则V 实=4.8 X 2.545+0.864=13.08m3考虑搅拌器等所占容积，实际有效容积为 13.08( 4) 夹热套直径及高度得确定 夹套直径得确定：基化工设备机械设计基础第 180页表25-3知：Di在 700-1800 之间时，夹套直径为D j=D i+100因 Di=1900