【年产800吨聚丙烯酰胺生产工艺设计6200字（论文）】

年产800吨聚丙烯酰胺生产工艺设计目录TOC\o"1-2"\h\u15924年产800吨聚丙烯酰胺生产工艺设计 11163引言 116193丙烯酰胺聚合方法 225311反相乳液聚合 217906反相悬浮聚合 25983水溶液聚合 3178821.物料衡算 5230621.1设计基础数据依据 5262511.4一次研磨物料衡算 7115471.5水解工段物料衡算 8325921.6二次研磨物料衡算 966461.7干燥工段物料衡算 10198151.8包装工段物料衡算 11172412.热量衡算 1285482.2工序热量衡算整理 13137083设备计算及选型 13257083.1聚合釜计算 13294923.2管道设计 1672573.3泵的选择 1726976电机功率:5.5kW 1836064环保治理措施 18224415结论 1913652参考文献 20摘要：聚丙烯酰胺在我们的生活中作用很大，在了解了它的结构性质及研究现状发展前景之后，本设计主要采用水溶液聚合的方法在引发剂的作用下通过间歇操作的方式来生产聚丙烯酰胺，并对各工序进行了物料及热量的衡算等，设计出和实际相符合的生产聚丙烯酰胺的工艺路线。关键词：聚丙烯酰胺；水溶液聚合；热量衡算；物料衡算引言聚丙烯酰胺也称为PAM，密度为1.302g/L，玻璃化转变温度为，软化点为。它是一种线性聚合物，看起来像白色粉末或细颗粒，为固体。在室温下呈现为玻璃固体，分子链容易变化，PAM水溶性强，可以很好的粘附在许多固体表面，因而PAM被广泛应用于减小阻力，阻垢以及医学等很多方面，因聚丙烯酰胺的主链上存在许多较为活泼的酰胺基团，能与大多数物质进行反应因而具有很多性能，所以后续在石油开采，水处理，造纸，纺织印染等行业也有很大贡献[1]。PAM于1893年合成，并于1954年在美国用于工业生产。从非离子型PAM的开发开始，替代性的阳离子和碱性PAM一直在逐步开发。在1970年代初期，美国和日本开发了用丙烯睛铜催化水合法以生产PAM。1985年，日本提出了由生物酶萘催化的水合反应，具有越来越大的市场开发潜力和应用前景。在1950年代后期，开始开发PAM产品，1962年，上海天元化工厂生产第一套聚丙烯酰胺生产线[2]。之后，开发了乳液聚合聚合的方法，水聚合的方法和辐射聚合的方法以得到PAM，其中聚丙烯酰胺是由聚酰胺聚合而成的。考虑聚合反应所用原料，引发剂，操作方式等对生产的影响，选择水溶液聚合方法来生产PAM为最终方案。此方法在近年来得到大规模的使用，这是一条近年来被各地研究人员认可的经济效益相对较高，技术相对成熟且污染相对较小的合成路线。丙烯酰胺聚合方法聚丙烯酰胺的聚合是自由基引发体系，有引发剂引发和辐射引发。引发剂类型主要分为过氧化物和偶氮化合物，γ射线也被用于辐射引发。聚丙烯酰胺的聚合取决于单体在介质中的分散状态，聚合方法包括：本体聚合，溶液聚合，悬浮聚合和乳液聚合[3]。具体主要是水溶液聚合，反相悬浮聚合和反相乳液聚合。反相乳液聚合主要是可溶于水的AM制得的AM水溶液，AM单体在表面活性乳化剂在分散剂作用下与有机相结合形成油包水型的乳液体系[4]，再通过引发剂作用聚合成聚合物的工艺。单体AM反相聚合代替乳液聚合，是乳液聚合新方向。乳胶颗粒通过乳液吸收膜屏障或高分子量隔板屏障来稳定。研究表明真正的乳胶产品具有出色的性能，例如立即溶解。反相悬浮聚合反相悬浮聚合是悬浮聚合，主要让反相反应物和油溶介质相接触，AM水溶液做水相粒子溶解水溶性引发剂从而产生聚合反应。分散相的粒径大小是反相悬浮法和反相乳液法的区分点。这是一种非均相聚合方式。悬浮聚合可以通过热或氧化还原系统引发而来，以作为引发剂，可以在30至40℃的范围内且浓度为50％的条件下获得分子量超过2000万的速溶聚丙烯酰胺粉末。水溶液聚合是将单体与溶剂还有引发剂一起聚合而成聚合物的方法。在合成聚丙烯酰胺的的聚合方法中，主要用水溶液聚合方法，这是制备聚合物产量最可观的一种方法。主要因素如下：①引发体系：近年来，关于研究AM聚合的引发体系只增不减，其目的是保持高转化率，高分子量和较少分支的产物，从而产生高合成率。除氧化还原引发系统外，还有过硫酸钠，偶氮过硫酸钠的白色粉末和其他起始体系，都有很高的反应活性，适合在室温下聚合[5]。引发剂浓度在聚合反应中很关键，这系统大多数研究都集中在聚合速率上，而分子量的影响却鲜有讨论。②PH值：在AM溶液聚合反应中，介质过低或过高的的pH值都会给聚合反应带来不小的影响。当pH值过低时，反应容易结合掉分子式中的铵根离子，生成其他旁支产物，而PH值过低时又容易与分子式中基团发生水解反应，使均聚物转化为含丙烯酸链的聚合物，此时PAM相对分子质量与PH成反比。③添加物：添加有机和无机材料于聚合AM水溶液会影响Rp和分子量分布。影响反应过程。在相同温度下，当活化能较低时，Rp会增加，而聚合物的分子量则可能会与之成反比略有降低[6]。在AM聚合过程中添加有机溶剂时，作用主要是保护聚合物的结构。④聚合时间：前期聚合速度极快，随着AM含量减少速度也减缓至聚合结束，总反应时长约为五小时，前期聚合速度快时转化率达70%。反应原理及影响因素反应所需原料为丙烯酰胺，水，偶氮二异丁腈，氢氧化钠溶液。反应原理丙烯酰胺聚合反应原理是自由基聚合，反应组成部分有链的引发，增长及终止等基元反应[7]。生产过程中，原料丙烯酰胺在引发剂偶氮二异丁腈作用下，聚合成聚丙烯酰胺，其化学反应式如下：影响因素：影响聚合反应的因素有单体浓度，引发剂，温度，杂质等。①单体浓度：参考水溶液聚合反应工艺参数，需将反应所需AM单体浓度控制在之内。②温度：将原料投入温度将为10℃的配料罐中，输送到100℃的聚合釜聚合。③杂质：体系中杂质多为没反应的水和单体及空气中的氧气等，会影响聚合反应的速度，因而需要控制住指标。水解机理在条件下，PAM在低温（40〜60℃）下很容易分解。该反应是将亲核性氢氧根离子加到酰胺羰基上并除去。水解反应是不可逆的[8]。反应如下图所示，工艺路线将丙烯酰胺单体水溶液装入混合罐中，加纯水稀释至25％的浓度，降低温度至10℃，将原料添加到充氮的聚合罐中，同时将引发剂添加到聚合罐中然后聚合反应开始，反应后得到的混合物变成块状的聚合物凝胶[9]。将聚合物凝胶送至制粒机进行粉碎和研磨，然后将一个小的凝胶块与NaOH水解剂混合以进行水解反应。然后进行第二次研磨过程，将产品在干燥机中干燥至所需的水分含量，将干燥和冷却的产品装入磨机中以研磨至一定的粒度，然后使用压碎的聚合物分离成随附的振动筛。取出聚合物，将经过筛选的聚合物存储在成品仓库中，最后将其放入包装中。图1丙烯酰胺水溶液聚合工艺流程草图1.物料衡算1.1设计基础数据依据设计任务：年产800吨聚丙烯酰胺年工作时间：6000小时单体总转化率≥99.5%原料AM溶液浓度，釜中AM浓度纯水温度；聚合釜平均温度100℃聚合系统压力，计量罐压力，泵压设计选用配方:单体；引发剂；水约。整个程序总损耗，总收率。包装损耗：0.1%；除尘损耗：2.0%；研磨损耗：0.2%1.2计算基准反应操作过程以为基准1.3聚合釜物料衡算每小时产胶量需30%的AM溶液：按转化率计算如下：30%AM溶液用量：纯AM溶液用量：未反应的AM单体的量：随30%的AM溶液带入的水量：随25%的AM溶液带入的水量：假设引发剂在聚合时全部反应，用量：配料后溶液浓度为25%,故纯水加入量：出水量：表1聚合釜物料衡算结果统计表组分kg/ht/dt/a进料30%AM溶液10.632318.96AIBN纯水2.584877.544合计13.2168396.504岀料PAM3.19295.76AM0.0481.44水10.0128300.384合计13.2528397.5841.4一次研磨物料衡算按照的损失率计算得：其中损失：PAM：AM：水：获得：PAM：AM：水：该段总损失：表2一次研磨物料衡算结果统计表组分kg/ht/dt/a进料PAM1333.19295.76AM20.0481.44水417.210.0128300.384合计552.213.2528397.584出料PAM132.8673.18995.66AM1.9980.0481.439水416.782810.003300.08合计551.647813.240397.191.5水解工段物料衡算PAM水解方程式：设PAM的平均水解度为25%，NaOH溶液和AM单体完全反应，有：PAM：PAM：AM：NaOH溶液的消耗量为：的生成量：随50%NaOH溶液同时带来的水量：物料含水量：表3水解工段物料衡算组分kg/ht/dt/a进料PAM132.8673.18995.66AM1.9980.06231.8685水416.782810.003300.08NaOH溶液66.061.585447.5632合计617.707814.8250444.7496出料PAM99.652.391671.748AM2.640.06341.9008水449.812810.7955323.8652PAM43.931.054331.6296NH38.4370.20256.0746合计604.469814.5073435.21831.6二次研磨物料衡算按照的损失率计算得：其中损失：PAM：PAM：AM：NH：水：得到物料：PAM：PAM：AM：NH：水：该工段物料总损失：表4二次研磨物料衡算结果统计表组分kg/ht/dt/a进料PAMAM99.652.391671.7482.640.06341.9008水449.812810.7955323.865PAM43.931.054331.62968.4370.15454.6346合计604.469814.5073435.2183出料PAM43.88611.053331.5979AM2.63740.06331.8989水449.363010.7847323.54PAM99.55032.389271.6762合计855.4020.5296615.888总损失0.60440.01450.4352水分干燥0.44980.01080.32391.7干燥工段物料衡算干燥物料衡算图如下所示：图2干燥工段流程图按干燥率水分挥发，氨气挥发，除尘损耗为，则原颗粒含水量：原颗粒脱水量：干燥后含水量：除尘损失：PAM：PAM：AM：水：获得：PAM：PAM：AM：水：总损失：1.5928+0.7022+0.0422+7.1898=9.527kg/h表5干燥工段物料衡算结果统计表组分kg/ht/dt/a进料PAM43.88611.053331.5979AM2.63740.06331.8989水449.36310.7847323.54PAM99.55032.389271.6762NH38.42860.20236.0686合计603.865414.4928434.7831出料PAM43.18391.036431.0924AM2.59520.06231.8685水442.173210.6122318.3647PAM97.95752.350970.5294合计585.909814.0618421.8550总损失9.5270.22866.8594水分干燥7.18980.17265.17671.8包装工段物料衡算包装物料衡算图如下所示:图3包装工段物料衡算图按除尘损耗，包装损耗计算得：其中：PAM：PAM：AM：水：获得：PAM：PAM：AM：水：工段总损失：0.4894+0.2157+0.0130+2.2091=2.9274kg/h表6包装工段物料衡算结果统计表组分kg/ht/dt/a进料PAM43.18391.036431.0924AM2.59520.06231.8685水442.173210.6122318.3647PAM97.95752.350970.5294合计585.909814.0618421.8550出料PAM42.96821.031230.9371AM2.58220.06201.8591水439.964110.5591316.7742PAM97.46812.339270.1770合计582.982613.9916419.7475总损失2.92740.07032.1077水分干燥2.20910.05301.59062.热量衡算PAM生产过程包括几个程序，生产过程中仅有聚合反应有能量变化，因此仅必须计算聚合反应过程的热量衡算[10]。整个过程的控制温度设置为25℃，并根据物料平衡计算制造一批PAM产品的每个过程的原材料要求。

2.1聚合反应工序

已知丙烯酰胺单体溶液进料温度为25℃，聚合热为，比热容为，PAM平均比热容为[11]。

丙烯酰胺单体进罐时带的热量与聚合成PAM时放出热量组成总热量，其计算如下：因为AM单体溶液进料温度等同于温度标准25℃，则有则输入的总热量为：其中，热损耗为总热量的4%。反应可吸收热量为2.2工序热量衡算整理由上文可知，整个生产程序中只有聚合反应这一过程有前后热量差异，所以得出PAM的聚合工序的热量衡算结果如下表所示：表7生产PAM的工序热量计算工序名称输入kJ输出kJ聚合0440.49611012.110571.9043设备计算及选型3.1聚合釜计算3.1.1基础数据设计温度：聚合釜内温度，外温度，压力：釜内，釜外；反应釜容积是；装料系数；AM溶液密度，PAM溶液密度为[12]。3.1.2聚合釜容积的确定参照为一个批次聚合时间计算出，物料体系密度：需13的聚合釜台数台取整为1台，则需13聚合釜1台。3.1.3聚合釜筒体直径与高度的确定聚合釜的高度与直径比值在1~3之间，大虽然有利于热量传递，但搅拌起来较麻烦[12]。所以取值为。聚合釜筒体直径的确定：反应器用标准封头作为上下封头[13]。，按下式计算聚合釜筒体直径：圆整取1.3m。聚合釜封头体积及直边高度的确定：根据上述数值査书籍《化工设备机械基础》得：；筒体高度的确定：有Di=l.9m查书籍《化工设备机械基础》得每米筒体的体积、面积、质量得根据公式得H=(13-0.864)/2.545=4.769m取H=4.8m,则计算得实际有效容积为。3.1.4夹热套直径及高度得确定①夹套直径得确定：查阅书籍《化工设备机械设计基础》知：在700-1800之间时，夹套直径为因得②夹套高度的确定：夹套与传热面积成正比，前者增大后者也增大，但不宜过高，不然封头不容易装拆[14]。选法兰后可查阅书籍《化工设备标准手册》得法兰总质量为。取，，则3.1.5聚合釜筒体壁厚的确定根据，，夹套=，，查阅书籍可知，壁厚应在之间，本设计选取壁厚。3.1.6聚合釜封头壁厚的确定（单位：mm）壁厚封头壁厚封头热压成型时壁厚为焊接系数，为温度设计时应力。查阅书籍后得，，，则有取与壁厚相同。3.1.6夹套筒体和封头壁厚的确定夹套温度波动在和之间。筒体壁厚度查阅资料得，，，代入公式夹套封头：3.1.7聚合釜质量计算3.2管道设计3.2.1基础数据按六小时为一批次，进料时间0.5h，25%AM溶液进料量为25%AM溶液密度为25%AM溶液流速范围为0.1～0.5m/s，取u=0.2m/s3.2.2进料管道的计算进料管道的截面是圆形，设内径是d，所以：进料体积：管道直径：现实中常用公称直径代替管内径计算流速，实际流速为：3.3泵的选择主要是对聚合釜配料罐进行计算。3.3.1基础数据：运输介质：AM水溶液（组成：单体，约水）操作温度：10℃；配料罐液面压力：0.1MPa，聚合釜压力0.11MPa；流量：（443+107.7）/998.09=0.55；进料管长（管径；2个闸阀；1个止回阀；1个三通阀；2个90°弯头）；出料管长（管径；4个闸阀；2个止回阀；2个换热器；1个出口变径；3个三通阀；9个90°弯头）；以下的AM溶液基础数据：黏度：；密度为；蒸汽压为[15]。3.3.2确定流量与扬程流量考虑1.2的安全系数V=0.55×1.2=0.66涉及到的伯努利方程为式中①，为层流。查书籍《化工原理》上册，取，则；，査第53页表5-3得：三通；闸阀全开；止回阀全开，；90°弯头：=。②，所以，Re=404.56<4000为层流。查阅书籍《化工原理》上册，取，；三通，闸阀半开，止回阀全开；90°弯头：，，则≈14m考虑1.1安全系数，取扬程为14m的液柱。3.3.3选泵结合上述计算出的物料的流量与扬程，确定选择油泵[16]。在查阅书籍后，具体型号确定为，其相关性能如下：H=22m电机功率:5.5kW其他泵的选择过程与配料泵基本相同。4环保治理措施4.1废水处理本装置正常生产过程中产生的废水主要由蒸汽水，冷凝水，循环的废水组成。处理方式：在该生产装置中，PAM产品干燥期间会产生很多冷凝水蒸气，循环的废水量约为70吨/周。蒸汽水和冷凝水很好清洁且无毒，所以在冷却后，可以将其直接加入到新创建的脱盐水站中，给该工厂用作循环给水，以代替储存在水箱中的部分原水。用于处理的水的量是大约的，并且水主要包含没完全反应的少量的悬浮物，酸碱度相等溶液大致呈中性。通过主排水管净化至废水净化器后，废水可能会恢复正常。循环水产生的废水中也不会对环境造成危害，所以可以直接排放。4.2废渣处理

本装置的废渣主要涵盖各种流程产生废弃的无毒物质试剂等，可以直接通过埋在填埋场里处理掉。

4.3噪声

本装置噪声主要为各类电机和泵的噪声。选择设备时在有低噪声的选择下选择底噪，除此之外设备上配有消音装置的也很有帮助。有隔音效果的房间也可行，为避免噪声与外界相连，最好能将机房与外界相隔开，可用隔音室配上隔音门和窗户来隔绝噪声，也需要种植大量降噪植物，尽可能大的降低装置产生的噪声。5结论本设计是聚丙烯酰胺的生产工艺设计，在可用的几种生产方法中选择了一条相对而言适合生产聚丙烯酰胺的生产工艺路线。根据自由基聚合反应机理，以丙烯酰胺单体为原料，水为溶剂，偶氮二异丁腈为引发剂，氢氧化钠溶液为水解剂，通过在水溶液和氧化还原体系中的聚合反应实现溶解性最佳的水解聚丙烯酰胺，考虑了反应温度，压力，单体浓度等因素对水解聚丙烯酰胺根离子产生的影响，合理选择水解系统。在设计过程中，对过程模型和设备进行了多次选择和修改，完成了过程设计，包括配料，聚合反应，研磨，水解，干燥，二次研磨和包装。在本次论文设计中，首先对产品进行了物料衡算及热量衡算，又得到