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1、精细化工工艺课程设计题目：聚丙烯酰胺生产工艺设计姓名：学号：专业： 手机号：指导老师： 2016.1目录摘要：11. 概述11.1 聚丙烯酰胺的分类及其特性11.1.1 阴离子聚丙烯酰胺(简称APAM)11.1.2 阳离子聚丙烯酰胺(简称CPAM)21.1.3 非离子聚丙烯酰胺(简称NPAM)21.2 丙烯酰胺聚合物的结构和性质21.3 设计意义31.4 设计依据32.市场评估42.1 丙烯酰胺聚合物的发展42.2 应用领域52.3 生产和消费情况72.3.1 国外生产和消费72.3.2 国内生产和消费83. 丙烯酰胺聚合方法及机理93.1 聚合方法93.1.1 水溶液聚合103.1.2 反向
2、乳液聚合113.1.3 反向悬浮聚合113.2 聚合反应机理及影响因素113.3 水解机理124. 原料、产品的物理及化学性质124.1 原料124.2 PAM物理及化学性质134.2.1 PAM的结构134.2.2 PAM的物理性质134.2.3 PAM的性能144.2.4 PAM性能指标145. 生产流程简述145.1 工艺路线确定145.1.1 聚合方法的确定145.1.2 单体原料路线的确定145.1.3 溶剂的选择155.1.4 引发剂的选择155.1.5 自由基反应方式155.2 生产流程简述155.3 车间概况155.4 车间组成165.5 生产制度1656 安全防护措施165.
3、6.1 聚合工段165.6.2 后处理工段176. 工艺计算及主要设备选型186.1 物料衡算186.1.1 计算的基础数据186.1.2 计算基准186.1.3 聚合釜物料衡算186.1.4 一次研磨物料衡算（损失率：0.1%）206.1.5 二次研磨物料衡算（损失率：0.1%）216.1.6 干燥工段物料衡算（水分干燥：64%，除尘损失：1.6%）226.1.7 包装工段物料衡算（除尘损失：0.4%，包装损失：0.1%）236.2 设备计算及选型246.2.1 聚合釜计算246.2.2 管道计算276.2.3 泵的选择287.废气的处理307.1治理方案选择307.2 尾气治理装置工艺流程
4、318. 厂房布置说明31总 结32参 考 文 献33摘要：聚丙烯酰胺项目以节能降耗、能量系统优化为宗旨，采用国内目前同类较为先进的新工艺、新材料和自主研发的新技术，可降低吨聚丙烯酰胺成本，增加企业经济效益。该项目投资结构合理、经济效益显著，项目的实施将为企业适应国家可持续发展战略要求，充分利用有限资源奠定强有力的基础。关键词 节能降耗；新工艺，新材料1. 概述1.1 聚丙烯酰胺的分类及其特性PAM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，是一种水溶性线型高分子物质。我们在双键及酰胺基处进行一系列化学反应，工艺不同，导入的官能基团不同，就能得到带有不同电荷的聚丙烯酰胺产品，包
5、括阴离子聚丙烯酰胺、阳离子聚丙烯酰胺、非离子聚丙烯酰胺、两性离子聚丙烯酰胺四种。1.1.1 阴离子聚丙烯酰胺(简称APAM)阴离子聚丙烯酰胺是一种由高聚合度合成的水溶性线型高分子聚合物，这种聚丙烯酰胺以微颗粒的状态呈现，能迅速溶解。不同种类的聚丙烯酰胺具备不同的活性基团，便于不同的悬浮粒子絮凝和过滤分离。PAM的外观呈白色颗粒或粉末状，分子量为500万至2500万。由于它有能大量溶于水而几乎不溶于任何有机溶剂的特性，目前，APAM在许多行业中都被广泛的用作絮凝、增稠、粘结、阻垢、稳定胶体、减阻、成膜、凝胶等等方面。1.1.2 阳离子聚丙烯酰胺(简称CPAM)阳离子聚丙烯酰胺具有多种活泼基团，具
6、有去除污浊、脱色、吸附、粘合等功效，从字面看，阳离子聚丙烯酰胺主要能絮凝带负电荷的胶体，因此特别适用于处理城市污水、工业污水，因此在染色、造纸、食品、建筑、冶金、油田等等与污染有关联的行业，阳离子聚丙烯酰胺被用来处理有机胶体含量较高的废水。CPAM的外观统一呈白色颗粒或粉末状，分子量为300万到1500万，其中阳离子度占3到100不等。1.1.3 非离子聚丙烯酰胺(简称NPAM)非离子聚丙烯酰胺经过特殊加工工艺合成，同时具有高分子量和低离子量的特性。由于这种聚丙烯酰胺具有特殊的基团，对絮凝、分散、增稠、粘结、成膜、凝胶、稳定胶体等方面都有很好的功效。非离子聚丙烯酰胺又根据分子量的大小进行分类，
7、其中超高相对分子量聚丙烯酰胺主要用于油田的三次采油方面，高相对分子量聚丙烯酰胺主要作为絮凝剂使用，中相对分子量聚丙烯酰胺主要作为干强剂在纸张生产过程中被广泛使用，而低相对分子量聚丙烯酰胺则主要用来作为分散剂。非离子聚丙烯酰胺的外观同样为白色颗粒或粉末，分子量为数十至2000万不等。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
8、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。1.3 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
9、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。1.4 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
10、 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。2.市场评估2.1 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
11、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腈铜催化水合法，1985年在日本又有丙烯腈生物酶催化水合法问世。我国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面的用量增加，我国P
12、AM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的产量和质量都有了很大的提升。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1/3。产品主要包括HPAM、CPAM、NAM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
13、是在总体上，我国的PAM产品与国外相比还存在大的差距，主要反映在（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
14、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，产量占到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。2.2 应用领域PAM最有价值的性能是分子量很高，水溶性强，可以制作出亲水而水不溶性的凝胶，可以引进各种离子基团并调节分子量以得到特定的性能，对许多固体表面和溶解物质有良好的粘附力。由于这些性能，使得PAM被广泛应用于增稠、絮凝
15、、稳定胶体、减阻、粘结，成膜、阻垢、凝胶及生物医学材料等许多方面。（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
16、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
17、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
18、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。2.3 生产和消费情况2.3.1 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2005年2月统计的
19、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12.23.516.330.8 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6.0氰特英国布拉布拉福德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2.6三F意大利2.9美国汽巴精
20、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2.0SNF乔治亚州赖斯波罗7.0日本荒川化工日本大阪0.7Da-Nnx日本新泻1.2橘磨化工日本1.1亚太中国石油大庆，恒聚3.0，3.0中国石化胜利3.2SNF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、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l9万吨、l3万吨
21、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
22、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。2.3.2 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
23、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限公司1 消费：1998 年, 我国PAM的生产能力为6.5 万吨, 产品约为5.5 万吨, 当年实际消费量为7.39 万吨, 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,
24、 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
25、行业的应用必将有一个大发展。3. 丙烯酰胺聚合方法及机理3.1 聚合方法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。3.1.1 水溶液聚合在AM 的聚合方法中， 采用水溶液聚合的较多， 主要因素如下： 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
26、产物.除K2S208与NaHS03氧化还原引发体系外，还有过硫酸钠一亚硫酸氢钠一偶氮化合物、过硫酸钠一吊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-硫基乙酸等.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
27、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
28、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。3.1.2 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。3.1.3 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
29、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酰胺。3.2 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。此外还常伴有链转移反应。器总反应式为：nCH2=CHC(=O)NH2 CH2CH（C(=O)NH2 ）n( 2 ) 影响因素： 影响聚合反应的因素主要有溶剂、引发剂、PH值、聚合温度
30、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。3.3 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 CH2CHNH2- CH2CHNH3 C=O
31、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。4. 原料、产品的物理及化学性质4.1 原料主要有丙烯腈、纯水、引发剂。丙烯腈：分子式C3H3N，结构式CH2CHCN。无色易燃液体，易挥发。有爆炸性及可燃性。略有特殊气味。有甜味。相对分子质量53.06。相对密度0.8060。熔点-83.55。沸点77.377.4、64.7(66.661103Pa)
32、、45.5 (33.331103Pa)、3.6(13.331103Pa)、8.7 (6.666103Pa)。闪点-5。燃点0。折射率 1.3911。粘度0.34mPas(25)。溶于水：0时 7.2、10时7.25、20时7.35、30时7.60、40 时7.80、50时8.3、60时9.0、70时9.8、80 时10.8，溶于丙酮、乙醇、苯、四氯化碳、乙酸乙酯、甲醇、乙醚等。与水形成恒沸混合物，本品含量88%，共沸点71；与苯形成恒沸混合物，本品含量47%，共沸点73.3；与四氯化碳形成恒沸混合物，本品含量21%，共沸点66.2；与甲醇形成恒沸混合物，本品含量39%，共沸点 61.4。蒸气与
33、空气形成爆炸混合物，25时的爆炸极限为3.05%17.0%(体积分数)。丙烯腈分子结构中含有双键及氰基，化学性活泼。双键可以进行自聚和与其他化合物共聚、双烯加成、还原、卤化及与亲核试剂的反应；氰基可以水合、水解、醇解、缩合等。本品易聚合形成白色粉末。 水：密度：998.1kg/h；比焓：209.3kj/mol；比热容：4.74103j/(kg.K)；热导率：64.8102w/(m.K)；黏度：549.4106Pa.s；表面张力：676.9104N/m。 引发剂：外观与性状： 无色单斜晶体，有时略带浅绿色，有潮解性。熔点()：120；沸点()： 分解；相对密度(水=1)： 1.982；相对蒸气密
34、度(空气=1)： 7.9溶解性： 易溶于水，发生水解，所以过硫酸铵溶液中除了大量的铵根离子和过二硫酸根离子外，还存在少量的硫酸氢根离子和硫酸根离子，溶液水解显酸性，加入硝酸可以抑制反应正向进行。4.2 PAM物理及化学性质4.2.1 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。4.2.2 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；软化温度：210。4.2.3 PAM的性能PAM具有良好的亲水性和水溶性
35、，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。4.2.4 PAM性能指标 表4项目固含量%最小颗粒%（0.15mm）不溶物%黏度mPa.S分子量水解度%滤过比筛网系数溶解时间h分布宽度数值87.90.960.1923.0210730.21.4430.52125. 生产流程简述5.1 工艺路线确定5.1.1 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
36、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；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。5.1.2 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。5.1.3 溶剂的选择因选择水溶液聚合法，故溶剂为水。5.1.4 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，选择过硫酸钠（E总=62kJ/mol）
37、。5.1.5 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，引发速率快，对温度依赖性小。5.2 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：将去离子水加入水解釜R101内，并在搅拌下加入丙烯腈，氢氧化铝-氢氧化铜复合催化剂，在85-125C下进行水解反应。反应结束后将物料压入蒸馏塔T101内进行蒸馏，蒸馏未反应单体丙烯腈，收集在储罐F103。将上述所得物料配成7%-8%的水溶液，加入聚合釜R102内，在过硫酸铵引发下进行聚合反应，将产品在过滤器L101内进行过滤，将滤后产品装进干燥器干燥到要求的含水量，然后将干燥的聚合
38、物冷却到所需温度以便破碎；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。5.3 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：单体丙烯腈还原而成的丙烯酰胺；溶剂水；引发剂过硫酸铵。生产原理：采用水溶液均聚的方法，使丙烯酰胺、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，再通过干燥、粉碎、筛分获得最终产品。5.4 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。水解工段由水解、研磨输送等岗位组成
39、。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。5.5 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。56 安全防护措施5.6.1 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
40、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
41、，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。5.6.2 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。
42、 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。6. 工艺计算及主要设备选型6.1 物料衡算6.1.1 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10；聚合釜平均温度100；聚合系统压力0.44MPa；计量罐压力0.1MPa，泵压0.8MPa。设计选用配方：单体25%；引发剂410-
43、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%6.1.2 计算基准连续反应操作过程以kg/h为基准。6.1.3 聚合釜物料衡算 聚合釜物料衡算图如下所示：AM溶液料衡算纯 水SPS聚合釜聚合釜聚合釜聚合釜去研磨每小时产胶量500010008000=625kg/h需30%的AM溶液 62530%=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：208499.5%=2094kg/h纯AM ：62599.5%=628.14kg/h 未反应AM单体的量2094-2084=10kg/h 随25
44、%的AM溶液带入的水量2094（1-30%）=1465.86kg/h设引发剂在聚合时全部反应，用量625410-5%=2.510-4kg/h配料后溶液浓度为25%，故纯水加入量（6250.995%）0.250.75-1465.86=418.56kg/h 合 计聚合釜物料衡算列下表4-1如下：组 分kg/ht/dt/a进料30% AM溶液2.0910350.261.68104AIBN2.5010-46.0010-62.0010-4纯 水4.1910210.063.35103合 计2.5110360.242.02104出料PAM6.2510215.005.00103AM1.001010.268.88101水1.8810345.101.51104合 计2.5110360.242.021046.1.4 一次研磨物料衡算（损失率：0.1%）该段总损失25110301%=2.51kg/h其中损失：PAM 6250.1%=0.625kg/hAM 110.1%=0.011kg/h水 1.881030.1%=1.88kg/h获得：PAM 625-0.625=624.38kg/hAM 11-0.011=10.989kg/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进料PAM6.2510215.005.0010
