聚丙烯酰胺工艺设计

1、 第一章 概述1 聚丙烯酰胺简介1 1 1 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 1 2 丙烯酰胺聚合物的发展PAM在1893年由实验室制

2、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PAMPAM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

3、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25万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23万吨年我国的销售量约占全球的13产品主要包括HPAMCPAMNAM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

4、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

5、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113 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Y射线聚丙烯酰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聚合方法按单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

6、 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 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KMn04一乳酸抗坏血酸或轻基乙酸Ceo一硫醇硫代磷酸柠檬酸三 乙酸丙酮 钒一轻胺VS一环己酮KBr03-

7、琉基乙酸等这些体系的特点是反应活性高适于常温聚合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下某些离子能够大幅

8、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

9、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

10、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 4 生产和消费情况1 国外生产和消费据美国咨询公司TranTech公司分析2004年全球PAM能力为9l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l列出世界PAM生产能力分析表2列出

11、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1634阴 离 子1402122912阳 离 子12235163308 表 2 2005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欧汽巴精化英国布拉布拉福德60氰特英国布拉布拉福德25纳尔料法国法兰克福10SNF法国安德烈津克64斯托豪森德国克雷菲尔德26三F意大利29美国汽巴精化弗吉尼亚州萨福克54氰特阿拉伯马州

12、莫比尔22纳尔料路易斯安那州加利维尔20SNF乔治亚州赖斯波罗70日本荒川化工日本大阪07Da-Nnx日本新泻12橘磨化工日本11亚太中国石油大庆恒聚3030中国石化胜利32SNF泰兴30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l2万吨86万吨和63万吨预计2005年这三大市场的消费量将分别增长到l9万吨l3万吨和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

13、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54增长率最高的地区为拉美 年增长率为6 亚洲和中东 63 亚太 91 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

14、 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taPAM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

15、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限公司1 消费1998 年 我国PAM的生产能力为65 万t 产品约为55 万t 当年实际消费量为739 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

16、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

17、中的渗流状态以减少油田产水保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90C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

18、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 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

19、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PA

20、M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

21、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

22、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3 设计原则131 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

23、一个及其重要的教学环节在课程设计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132 聚合反应机理及影响因素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有链转移反应器总反应式为nCH2 CHC O

24、 NH2 CH2CHC 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输送到聚合釜聚合聚合温度达100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133 水解机理在碱性条件下PAM在较低温度4060就易于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NH2-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CH2CHCH2CH

25、CH2CHNH2- CH2CHNH3 C O HOCO- C O C ONH2 NH2 OH O-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565kjmol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21 原料主要有丙烯酰胺纯水引发剂 丙烯酰胺分子量7108形态片状晶体密度122kgL熔点845沸点125蒸汽压933×10-5Pa蒸汽密度246空气 1聚合热8151kjmol闪点138平衡含水量17 g水kg干PAM 水密度998

26、1kgh比焓2093kjmol比热容474×103j kgK 热导率648×102w mK 黏度5494×106Pas表面张力6769×104Nm 引发剂白色柱状或粉状结晶易燃熔点105不溶于水遇热分解放出氮气和有机氰化物PAM物理及化学性质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222 PAM的物理性质密度1302gcm3临界表面张力3540mNm玻璃化温度188软化温度210223 PAM的性能PAM具有良好的亲水性和水溶性

27、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OH基团的物质形成氢键产生很强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2 2 4 PAM性能指标 表2-1项目固含量最小颗粒015mm不溶物黏度mPaS分子量水解度滤过比筛网系数溶解时间h分布宽度数值8790960192302×107302144305212第三章 生产流程简述31 工艺路线确定311 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

28、包括了自由基形成和链增长过程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312 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313 溶剂的选择因选择水溶液聚合法故溶剂为水314 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 62kJmol315 自由基反应方式引发剂在较低温度下即可产生自由基反应活化能低在较低温度050引发聚合引发速

29、率快对温度依赖性小32 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

30、包装袋33 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34 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

31、烟囱空气过滤采用露天布置其他全部采用厂房内布置35 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36 安全防护措施361 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

32、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02 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005MPa受压罐保压0

33、4MPa362 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41 物料衡算411 计算的基础数据年产量5000t年开工时间8000h单体总转化率995原料AM溶

34、液浓度30釜中AM浓度25纯水温度10聚合釜平均温度100聚合系统压力044MPa计量罐压力01MPa泵压08MPa设计选用配方单体25引发剂4×10-5水约75全装置总损耗23总收率977损耗分配如下包装损失01除尘损失20研磨损失02412 计算基准连续反应操作过程以kgh为基准413 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5000×1000÷8000 625kgh需30的AM溶液 625÷30 2084kgh按995转化率计算30的AM溶液及纯AM的需求量AM溶液2084÷995 2094kgh纯AM 625÷99

35、5 62814kgh 未反应AM单体的量2094-2084 10kgh 随25的AM溶液带入的水量2094×1-30 146586kgh设引发剂在聚合时全部反应AIBN用量625×4×10-5 25×10-4kgh配料后溶液浓度为25故纯水加入量625÷0995025×075-146586 41856kgh 合 计聚合釜物料衡算列下表4-1如下组 分kghtdta进料30 AM溶液209×1035026168×104AIBN250×10-4600×10-6200×10-4纯 水419&

36、#215;1021006335×103合 计251×1036024202×104出料PAM625×1021500500×103AM100×101026888×101水188×1034510151×104合 计251×1036024202×104414 一次研磨物料衡算损失率01该段总损失251×103×01 251kgh其中损失PAM 625×01 0625kghAM 11×01 0011kgh水 188×103×01 188

37、kgh获得PAM 625-0625 62438kghAM 11-0011 10989kgh水 1880-188 187812kgh一次研磨物料衡算列表4-2如下组 分kghtdta进料PAM625×1021500500×103AM110×101026888×101水188×1034520151×104合 计251×1036020202×104出料PAM624×1021498499×103AM109×101026879×101水188×1034512150×

38、104合 计250×1036010200×104总 损 失251010002×104415 水解工段物料衡算水解方程式如下CH2CHC O NH2 nNaOHCH2CHC O ONanNH3CH2 CHC O NH2NaOHCH2 CHC O ONaNH3PAM平均水解度25NaOH原料浓度50AM全部与NaOH反应NaOH全部反应则有PAM- 624×25×94087108 207kghPAM 62475 468kghAM- 1099×94087108 1455kghaOH溶液 1567108 10997108 ×40 1

39、8797kgh产生NH31567108 10997108 ×17 3994kgh产生水18797×50 9398kgh得总水188×1039398 198×103kgh水解工段物料衡算列表4-3如下组 分kghtdta进料PAM624×1021498499×103AM109×101026879×101水188×1034512150×104NaOH188×102451201×103合 计280×1036720224×104出料PAM468×1021

40、126374×103AM-150×101036120×102水198×1034752158×104PAM-207×102497166×103NH340×101096320×102合 计280×1036720224×104 二次研磨物料衡算损失率01该工段物料总损失280×103×01 28kgh其中损失PAM- 207×01 021kghPAM 468×01 047kghAM- 15×01 0015kghNH3 40×01 0

41、040kgh水 198×103×01 198kh得到物料 280×103-28 279×103kgh其中PAM- 207-021 20679kghPAM 468-047 46753kghAM- 15-0015 1499kghNH3 40-004 3996kgh水 198×103-198 198×103kh二次研磨物料衡算列表4-4如下组 分kghtdta进料PAM468×1021126374×103AM-150×101036120×102水198×1034752158×104

42、PAM-207×102497166×103NH340×101096320×102合 计280×1036720224×104出料PAM467531122374×103AM-1499036120×102水198×1034752158×104PAM-20679496165×103NH33996096320×102合 计279×1036696223×104总 损 失001×103024001×104 干燥工段物料衡算水分干燥64除尘损失16干燥

43、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198×103kgh原颗粒脱水量279×103×64 179×103kgh干燥后含水量198-179103 018×103kgh除尘损失PAM- 20679×16 331kghPAM 46753×16 748kghAM- 1499×16 024kgh水 180×16 288kgh获得PAM- 20679-331 20348kghPAM 46753-748 46005kghAM- 1499-024 1475kgh水 180-288 17712kg

44、h干燥工段物料衡算列表4-5如下组 分kghtdta进料PAM467531122374×103AM-1499036120×102水198×1034752158×104PAM-20679496165×103NH33996096320×102合 计279×1036696223×104出料PAM460051104368×103AM-1475035118×102水11712425142×103PAM-20348488163×103合 计855402053684×103总 损

45、 失1446347012×104水 分 干 #215;104 包装工段物料衡算除尘损失04包装损失01工段总损失8554×048554× 1-04 ×01 427kgh其中PAM- 20348×0420348× 1-04 ×01 102kghPAM 46005×0446005× 1-04 ×01 230kghAM- 1475×041475× 1-04 ×01 006kgh水 17712×0417712× 1-04 

46、15;01 088kgh包装工段物料衡算列表4-6如下组 分kghtdta进料PAM460051104368×103AM-1475035118×102水11712425142×103PAM-20348488163×103合 计855402053 684×103出料PAM457761099366×103AM-1469035117×102水11624423141×103PAM-20246486162×103合 计851152024 681×103总 损 失425029003×10342 设

47、备计算及选型421 聚合釜计算1 基础数据 设计温度聚合釜内50釜外100设计压力聚合釜内04MPa聚合釜外10Mpa工艺要求容积13m3装料系数 08连续操作聚合釜容积的确定按6小时聚合时间确定总容积AM 0998×25 02495tm3V总 5000 02495×30×80006 5010m3需13m3的聚合釜台数 501013 385台圆整为4台考虑12的备用系数则需4m3聚合釜5台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高径比24 聚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 D

48、i 1854m圆整取19m 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 V封 0864m3m封 479kg 筒体高度的确定有Di 19m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m1得 V1 2545m A1 566m2 A1 716kg根据公式 H V-V封V1得H 13-0864 2545 4769m取H 48m则 V实 48×25450864 1308m3考虑搅拌器等所占容积实际有效容积为1308 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

49、在700-1800之间时夹套直径为 Dj Di100 因Di 1900mm得 Dj 1900100 2000mm 夹套高度得确定夹套越高传热面积越大但过高会影响封头得装卸选用乙型平焊法兰其基本尺寸可由化工设备标准手册第四卷第358页查得法兰总质量为11846kg取h 150mms 16mm则 H夹 48- 0150016 4634m 5 聚合釜筒体壁厚的确定根据 1900mmP 10MPaP夹套 04MPar 24查化工设备机械基础第三册第181页知壁厚应在16-18mm之间本设计取壁厚S 16mm聚合釜封头壁厚的确定设计中选用标准椭圆封头其壁厚计算公式 S C C C1C2C3C3 011&

50、#215; S0 C2 式中 S标准椭圆封头的壁厚mm Di封头内直径mm C封头壁厚附加量mm C1钢板负偏差mm C2腐蚀余量mm C3封头热加压成型时壁厚减薄量mm S0计算壁厚mm P设计压力MPa设计温度时的许用应力MPa 焊缝系数若为整块钢板制造则 1查化工机械基础第362页表23-6取C1 08mm C2 2mm再查表23-5取 07查表361页表23-3取 133MPa壁厚计算结果 S 1356mm取与筒体相同的壁厚即16mm夹套筒体与封头壁厚的确定夹套选用钢材为16MnR其温度使用范围为-20至475筒体壁厚计算公式S C查化工机械基础第360页表23-2得 173MPa查第

51、362页表23-6取C1 08mmC2 2mm查表23-5取 07代入上式计算得 S 594mm夹套封头计算 C3 011× S0S2 011× 3142 057mm S 651mm取夹套壁厚为8mm聚合釜质量估算 m筒 44×716 31504kg m封 2×479 58kg m法兰 11846kg m夹 4182×558 233356kg m夹封 397kg釜质量 m釜 m筒m封m法兰m夹 802356kg422 管道计算配料管道 基础数据30AM溶液进料量为2094kgh纯水进料量为4185656kgh30AM溶液的密度为 0997890

52、0008×30 099813×103kgcm3纯水密度为09981×103kgcm330AM溶液流速范围为01-05ms取u 03ms纯水流速范围为02-03ms取u 024ms 计算管道的截面积为圆形以dAM表示30AM水溶液管道内径以d水表示纯水管道内径则由 VS d 得 VSAM 20493600×99813 58310-4m3h dAM 00467m50mm VS水 41856 3600×9981 116×10-4m3h d水 00248m25mm 2 聚合管道以及研磨水解干燥管道 基础数据因研磨水解干燥主物料管道与聚合釜主物

53、料管道性质及流量相同故由聚合釜管道计算作代表物料流量为209441856 251256kgh25AM溶液密度为 09978900008×25 099809×103kgcm3流速范围为11-03取u 02ms故VS 2512563600×99809669×10-4m3hd 00797m80mm其他管道参照化工工艺设计手册的有关管道计算具体管径见工艺流程图423 泵的选择主要对聚合釜配料泵进行计算基础数据运输介质AM水溶液组成25单体约75水 操作温度10 配料罐液面压力01MPa聚合釜压力044MPa流量20944185699809 252m3hm管径87

54、mm×35mm闸阀1个止回阀1个三通阀2个90O弯头2个排出管管长20m管径87mm×35mm闸阀5个止回阀1个换热器2个出口变径1个三通阀2个90O弯头10个输送条件10以下的25AM溶液的物性数据黏度15×10-3PaS密度99808 kgcm3蒸汽压00198MPa确定流量与扬程流量考虑12的安全系数 V 252×12 3024 m3h以泵中心线为基准在配料罐液面与聚合釜液面的伯努利方程为 H Z2-Z1式中 U入 4×252 360000802×314 133ms Re 0080×133×99809 15×10-3 70800 4000为湍流查化工原理上册第45页表1-1取 025mm则d 02580 0003再查第46页图1-3得 0028查第53页表5-3得三通 13闸阀全开 017止回阀全开 2入 0590O弯头 075×5 375 0028×140172375 0966m 因d出 d入故u出 u入 133msRe 70800 4000为湍流查化工原理上册第45页表1-1取 025mm则d 02580 0003再查第46页图1-3得 0028查第53页表5-3得