1、年產500噸聚丙烯酰胺聚合工藝設計第一章 概述1 1 聚丙烯酰胺簡介1 .1 . 1 丙烯酰胺聚合物的結構和性質PAM在結構上最基本的特點是：（1）分子鏈具有柔順性和分子形狀的易變性。（2）分子鏈上有與丙烯酰胺單元數目相同的側基酰胺基，而酰胺基具有高極性、易形成氫鍵和高反應活性。這些結構特點賦予了PAM許多極有價值的應用性能。乳酰胺基的高極性使PAM具有良好的親水性和水溶性，其水凝膠親水而不溶與水；柔順的長鏈使PAM水溶液具有高粘性和良好的流變性能；酰胺基極易與水或含有-OH基團的物質（天然纖維、蛋白質、土壤和礦物等）形成氫鍵，產生很強的吸附作用；酰胺基的高反應活性可使PAM衍生出很多變性產物

2、，拓寬了他們的應用范圍。1 .1 . 2 丙烯酰胺聚合物的發展PAM在1893年由實驗室制得。1954年在美國實現產業化生產，初期得產品僅室單一得非離子型PAM。不久開發了堿性陰離子型PAM和陽離子型PAM。PAM優良的水溶性、增稠性、絮凝性能和化學反應活性的顯示出了巨大的市場潛力和廣闊的應用前景。丙烯酰胺單體由丙烯腈經硫酸催化水合制取。20世紀70年代初美國合日本開發了丙烯睛銅催化水合法，1985年在日本又有丙烯睛生物酶催化水合法問世。我PAM產品的開發始于20世紀50年代末期。1962年上海珊瑚化工廠建成我國第一套PAM生產裝置，生產PAM水溶膠產品，用于礦產品處理和石油鉆采工業。隨后又開

3、發了輻射聚合法、反相乳液聚合法和水溶液聚合法生產PAM干粉。由于在油氣田開采和三次采油中的大量應用，以及在污水處理和造紙等方面的用量增加，我國PAM的生產能力不斷增加。自1994年自主開發的生物酶法制丙烯酰胺工業化獲得成功及隨后的2.5萬噸/年丙烯酰胺示范性工業生產裝置的建成，以及1995年法國NSF公司5萬噸/年PAM生產裝置后，我國PAM的產量和質量都油了很大的提升。近10年來我國PAM發展迅速，現成為世界生產大國，產量躍居世界首位，生產規模已達國際水平。現有生產廠200多個，生產能力（含AM）約為23萬噸/年。我國的銷售量約占全球的1/3。產品主要包括HPAM、CPAM、NAM和梳型聚丙

4、烯酰胺等，以HPAM為主。產品劑型有干粉、水溶膠、油乳液和水乳液等，以干粉為主。生物酶法制丙烯酰胺、梳型聚丙烯酰胺和超高分子量PAM等方面已達到世界先進水平。但是在總體上，我國的PAM產品與國外相比還存在大的差距，主要反應在（1）產品系列：國外陽離子產品約占總產量的一半，且仍以每年10%的速度增長。而我國陽離子產品僅占10%。國外的陽離子產品的品種、類型十分齊全，大品種的分子量都超過1900萬，干粉占53%，乳液占35%，水溶液僅占2%。而我國的陽離子產品分子量較低，一般在500-800萬之間，產品劑型以水溶液為主，制約了我國水處理和造紙工業的發展。在品種系列化上，國外已形成齊全的多品種系列產

5、品，達到2000多個品種。僅法國NSF公司一家的常規產品就超過1000種，可以適應各行業不同工藝條件和不同物料性質的要求，而用于數十個行業。在我國尚缺少系列化產品，因而應用單一，這在造紙和不同水質的處理種尤為突出。（2）生產規模和技術：我國隨有近10家上萬噸級的生產廠，產量占倒90%。但這些規模大的生產廠主要以滿足石油開采所需的通用化學助劑為主，其產品單一，主要十陰離子型粉劑，尚無上規模的乳液型和陽離子型產品。其他上百家的生產廠生產規模較小，技術相對落后，產品也比較單一只能滿足污水處理等一般用途的要求，沒有能力去補充通用品種。113 丙烯酰胺聚合方法介紹丙烯酰胺聚合反應屬于自由基引發體系，引發

6、方法常用引發劑引發和輻射引發兩種。引發劑主要是過氧化物和偶氮化合物，輻射引發常用碳60源的Y射線。聚丙烯酰胺及其衍生物都是通過丙烯酰胺的自由基聚合制成的均聚物或共聚物。聚合方法按單體在介質中的分散狀態有：本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合。其中主要有水溶液聚合、反向懸浮聚合和反向乳液聚合。（1） 水溶液聚合在AM 的聚合方法中， 采用水溶液聚合的較多， 主要涉及到引發體系、介質PH、添加劑和單體濃度等。 引 發 體系:A M 聚合的引發體系近年研究甚多，其目的在于保持高合速率下能獲得高轉化率、高分子量和少支化的產物.除K2S20:與NaHS03氧化還原引發體系外，還有過硫酸錢一亞硫酸氫鈉一

7、偶氮化合物、過硫酸錢一雕白粉一偶氮化合物等復合引發體系，以及H202-胺、特丁基過氧化氫-NaHS03, K2S208一三(氨基甲酞乙基)胺或疏基乙醇、尿素、硫脈等有機一無機物組成的引發體系。用高價金屬鹽與有機物組成的體系亦不少。如KMn04一乳酸、抗壞血酸或輕基乙酸，Ceo+一硫醇、硫代磷酸、檸檬酸，三(乙酸丙酮)釩一輕胺，VS+一環己酮，KBr03-琉基乙酸等.這些體系的特點是反應活性高，適于常溫聚合。對這些體系的研究工作多集中在聚合速率方面，對分子量影響討論甚少。 P H 值:AM聚合中，介質PH值可影響反應動力學及聚合物的結構和性質。在較低PH下(PH< 2)，聚合易伴生分子內和

8、分子間的亞酞胺化反應，形成支鏈或交聯型產物。在較高PH下，單體或聚合物分子中的酞胺基會發生水解反應，使均聚物變成含丙烯酸鏈節的共聚物。在 A M 與 丙 烯酸(AA)等共聚中，PH對竟聚率的影響很大。 添 加 物:在AM水溶液聚合中添加有機、無機物對Rp和分子量均有影響。許多金屬離子能與酞胺基發生絡合，從而影響反應進程。在相同溫度下，活化能小時，Rp增加。相反，聚合分子量易降低。所以在一定的條件下，某些離子能夠大幅度地調節分子量。而在 AM聚合過程中添加諸如甲醇、乙醇、異丙醇、四氫吠喃、二甲基甲酞胺等有機溶劑時，添加劑的作用可為鏈轉移、溶劑化屏蔽作用和作為沉淀劑改變聚合物結構形態。（2）反向乳

9、液聚合：水 溶 性 單體AM 的反相乳液聚合是乳液聚合研究領域中新開拓的一個分支，多采用非離子型的低分子或高分子乳化劑形成油包水型乳液體系而進行乳液聚合。乳膠粒是通過乳化劑吸附膜的阻隔或高聚物的位阻作用而穩定的，有人認為這種乳膠粒也是通過膠束成長起來的。近十年來的研究豐富了乳液聚合理論，獲得了有實際價值的膠乳型產品，其具有速溶等顯著特點。（3）反向懸浮聚合：采用 反 相懸浮法制備AM 聚合物與反相乳液聚合有許多相似之處，關鍵在于分散相粒子尺寸的控制。決定粒子尺寸的因素主要是攪拌、分散穩定劑和相比，反相懸浮聚合可采用熱引發或氧化還原體系引發，有人認為聚合物的分子量與K2S202的濃度無關，分子量

10、較水溶液聚合為低。最近的一份報告指出，采用環己烷和一種非離子表面活性劑作為乳化劑，以K2S202作為引發劑，在30-40及濃度50%條件下可得到分子量大于1000萬的速溶型粉狀聚丙烯酞胺。（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，對于水溶液聚合法制造PAM的工藝，人們研究的熱點是選擇新型聚合、造粒、干燥及粉碎技術與設備，開發更先進的連續化、自動化聚合工藝，改進和提高產品的性能和質量。具體為：提高產品分子量和溶解性能：為提高產品分子量和溶解性能，應采用高純單體。這是獲得超高分子量PAM產品的基礎。還要掌握好聚合反應規律優選聚合工藝、聚合引發體系，適當增大單體濃度、減少引發劑濃度

11、和降低聚合反應溫度，使反應平穩。提高產品的耐溫抗鹽和抗剪切性能：在聚合物分子主鏈段上引入不同的基團可以改善其性能。降低PAM產品中殘余單體的含量：高聚物PAM本身基本無毒，PAM的毒性來自殘余的AM單體。制備用于生態建設和環保產業的PAM產品。選擇適宜的技術和設備，開發更先進的連續化、自動化的聚合工藝。1 .1 . 4 生產和消費情況（1） 國外生產和消費據美國咨詢公司TranTech公司分析，2004年全球PAM能力為9l萬噸年，美國、f本、歐洲是聚丙烯酰胺主要的生產和消費地，生產能力約占世界總能力的85。其中25在西歐。表l列出世界PAM生產能力分析。表2列出2005年2月統計的世界各地區

12、PAM主要生產能)。亞太地區為最大的PAM 生產地，2005年生產照(除日本外)為23萬噸年，其次為西歐2l萬噸年。亞太地區也是最大的PAM消費地區，其次是西歐和美國。表 1 世界PAM生產能力分析（萬噸/年）乳液和分散體微 小粉 末溶 液非 離 子1.63.4陰 離 子14.02.122.91.2陽 離 子12.23.516.330.8 表 2 2005年2月統計的世界各地區PAM主要生產能力（萬噸/年）公司地點生產能力西歐汽巴精化英國布拉布拉福德6.0氰特英國布拉布拉福德2.5納爾料法國法蘭克福1.0SNF法國安德烈津克6.4斯托豪森德國克雷菲爾德2.6三F意大利2.9美國汽巴精化弗吉尼亞

13、州薩福克5.4氰特阿拉伯馬州莫比爾2.2納爾料路易斯安那州加利維爾2.0SNF喬治亞州賴斯波羅7.0日本荒川化工日本大阪0.7Da-Nnx日本新瀉1.2橘磨化工日本1.1亞太中國石油大慶，恒聚3.0，3.0中國石化勝利3.2SNF泰興3.0國外聚丙烯酰胺的生產商主要有美國的陶氏化學公司、氰胺公司、聯合膠體公司、納爾科公司 日本的日東化學公司、三井東壓公司，法國SNF圣泰公司德國的斯托豪森公司、巴斯夫公司和英國的聯合膠體公司等。上個世紀90年代后期美國、西歐和日本的聚丙烯酰胺年消費量分別為l2萬噸、8,6萬噸和6，3萬噸。預計2005年這三大市場的消費量將分別增長到l9萬噸、l3萬噸和8萬噸。加

14、上亞洲市場(日本除外)及其他地區2005年25萬噸左右的需求量，預時2005年全球聚丙烯酰胺總需求量為60萬噸左右。經過2001年需求低迷期后，2002年起PAM需求又較快增長，預計到2010年全球需求年增長率為54，增長率最高的地區為：拉美(年增長率為6)、亞洲和中東(63)、亞太(91)。作為PAM市場的領先者SNF公司近期將有不少新建裝鼉投產，SNF公司新建的PAM 裝置(在澳大利亞、印度尼西亞、印度、俄羅斯、瑞典和美國)將于2005年投產，新建最大裝置建在印度(能力為2萬噸'年)。德固薩公司在印度尼西亞的PAM 新裝置也將于2O05年開工。然而，盡管2005年有一些新增電力開工

15、，如果以后尚無新增能力建設的話，預計今后5年內PAM供應仍將會感到短缺。（2） 國內生產和消費 生產我國PAM產品的開發起步較晚,1962 年上海天原化工廠建成第一套PAM生產裝置, 生產水溶膠產品。1995 年, 國內PAM生產廠家有60 多家, 其中多數為規模較小的鄉鎮企業, 技術水平低, 產品分子量低, 一般為500800 萬, 難以滿足消費者對高分子量產品的需要。1995 年底, 大慶石油管理局從法國SNF 公司引進的5萬t/aPAM生產裝置投產, 生產高分子量產品( 分子量為1500 萬) , 特別是近幾年, 勝利油田以及法國SNF 公司在我國泰興所建企業相繼建成投產,使我國PAM的

16、生產能力和生產水平有了大幅度提高, 產品質量符合油田注入聚合物驅采技術的要求。表 3 國內主要PAM生產廠家情況序號生產廠家生產能力（萬噸/年）1大慶油田化工總廠52勝利油田長安實業集團公司23SNF公司泰興分公司24廣東李壇精細化工廠25北京恒聚油田化學品有限公司16太原重工集團祁縣聚合物有限公司1 消費1998 年, 我國PAM的生產能力為6.5 萬t, 產品約為5.5 萬t, 當年實際消費量為7.39 萬t, 不足部分依靠進口解決。國內消費中, 81%用于石油開采, 是國內PAM應用的最大市場。由于我國東部油田如大慶、勝利、中原、華北、遼河、大港、河南等油田已進入開采中后期, 采油綜合含

17、水已達80%以上, 為提高原油采收率, 結合油田特殊的地質條件, 推廣以PAM為主要聚合物驅油技術的應用, 已成為東部油田穩產的重要舉措。根據石油行業的整體規劃, 2005 年國內PAM 在石油開采方面的用量已達到11 萬t。而在國外作為一種環保產品, PAM已被廣泛用于各種水處理中, PAM應用的最大領域為水處理行業, 我國水處理技術和水處理劑的應用水平與國外有很大差距, 這也說明PAM在水處理行業應用的發展潛力巨大。PAM在造紙行業的應用起步于70 年代, 主要用作助留劑、干增強劑和廢水處理的絮凝劑; 隨著大型合資造紙企業的不斷建成投產和人們對紙張質量要求的提高, PAM在造紙行業的應用必

18、將有一個大發展。1 .1 . 5 丙烯酰胺聚合物的應用領域（1） 石油開采：A.驅油劑：調節注入水的流變性，增加驅動液的黏度，改善水驅波發效率，降低地層中水相滲透率，使水與油能勻速的向前流動。B.堵水調整劑：在油田生產過程中，由于地層的非均質性常產生水浸問題，需要進行堵水，其實質是改變水在地層中的滲流狀態，以減少油田產水、保持地層能量、提高油田最終采收率的目的。聚丙烯酰胺類化學堵水劑具有對油和水的滲透能力的選擇性，對油的滲透性降低最高可超過10%，而對水的滲透性能減少可超過90%。C.鉆井液調整劑：調節鉆井液的流變性攜帶巖屑，潤滑鉆頭減少流體損失等。可減輕對油氣層的壓力和堵塞，容易發現油氣層，

19、并有利于鉆進速度比常規泥漿高19%，比機械鉆速高45%左右，還可大大減少鉆井事故，減輕設備磨損防止發生井漏和坍塌。D.壓裂液添加劑：壓裂工藝是油氣田開發致密層的重要增產措施，氣作用是開通巖石的餓通過，讓油流過，亞甲基聚丙烯酰胺交聯而成的壓裂液，因具有高黏度、低摩阻、良好的餓懸砂能力以及配制方便和成本低而被廣泛應用。（2） 水處理：聚丙烯酰胺的酰胺基可與許多物質親和、吸附而形成氫鍵。高分子量聚丙烯酰胺在被吸附的粒子間形成“橋聯”，生成絮團，有利于微粒下沉。聚丙烯酰胺類絮凝劑能適應多種絮凝現象，其用量小，效率高，生成的泥渣少，后處理容易，對某些情況具有特殊的價值。我國的原水處理、城市污水處理和工業

20、廢水處理行業都在不同程度的使用聚丙烯酰胺作為絮凝劑。（3） 造紙：聚丙烯酰胺在造紙工業中的應用主要用于兩方面，一是提高填料、顏料等的存留率，以降低原材料的流失和對環境的污染；二是提高紙張的強度。另外，使用聚丙烯酰胺還可以提高紙張的抗撕性和多孔性，以改進視覺和印刷性能。（4） 礦冶行業：采礦過程中，通常使用大量水，最后需回收水中的有用固體，并將廢水凈化回收使用。應用聚丙烯酰胺，可促使團粒的下降、液體的澄清和泥餅的脫水，從而可提高生產效率，減少尾礦流失和水消耗，降低設備投資和加工成本，并避免環境污染。（5） 紡織、印染行業：聚丙烯酰胺作為織物處理的上漿劑、整理劑以及可生成柔順、防皺、防霉菌的餓保護

21、層。利用他吸濕性強的特點，能減少紡織時的斷張率。聚丙烯酰胺作后處理劑可以防止織物的靜電和阻燃。用作印染助劑時，聚丙烯酰胺可使產品附著牢度大、鮮艷度高，還可作為漂白的非礦高分子穩定劑。此外，聚丙烯酰胺還用于紡織印染污水的高效凈化。（6） 其他：聚丙烯酰胺在水敏性凝膠、食品加工、電鍍工業吸水性樹脂也用著廣泛的應用。1 .1 . 6 前景展望綜觀我國PAM歷年生產情況，90年代之前國內因技術、市場等原因產量和使用量一直相對穩定，后隨著石油行業的大量推廣使用，推動了PAM產量的不斷增加。但目前國內多數PAM生產廠家均屬低水平、小規模生產，生產技術落后，單機生產能力低，品種少，質量不穩定，產品分子量低，

22、分子量分布范圍寬，抗礦化度及耐剪切能力低，難以滿足國內及企業出口的需要。鑒于PAM具有較大的市場潛力，國內不少企業紛紛計劃新建或擴建產能。近幾年隨著國民經濟的持續健康、快速發展，政府和民眾的環保意識加強，必將促進PAM的消費。因此，國內的PAM開發利用前景廣闊。鑒于次，國內有關專家建議：在裝置方面，應走規模之路，有條件的企業，可以全套引進國外的工藝技術和設備，建設萬噸級以上規模，以適應日益激烈的市場競爭，但要防止不考慮客觀實際，一哄而上建設多套大型裝置，造成產能相對過剩。國內中小企業和相關科研院所，應加快PAM生產工藝的研究開發，改進現有工藝，提高技術水平，穩定產品質量并使之系列化；有條件的單

23、位，應加強在專用性產品和個類不同基因共聚接枝改性衍生物方面的研究。走重組兼并之路，逐步淘汰一些落后的小規模生產裝置，以提高行業的整體水平。同時還要大力開發PAM在制糖、感光材料、電鍍、船舶，陶瓷、礦冶等方面的應用，使我國的PAM生產應用盡快到達發達國家的水平。1. 2 設計意義石油工業是國民經濟的支柱產業，石油是經濟發展的重要保證之一。我國石油資源相對較少，三次采油是我國保證石油供應的重要措施。進行聚丙烯酰胺生產工藝設計的研究，可以使我國聚丙烯酰胺生產技術、產品質量以及生產規模均提升到一個較高水平，以滿足三次采油對聚丙烯酰胺質和量的要求，避免引進產品帶來的危險，保證三次采油技術的順利實施最終以

24、滿足國民經濟對石油供應的要求，并獲得最大經濟效益。 此外，聚丙烯酰胺在水處理行業具有廣闊的應用前景和巨大的潛在市場。隨著環境意識的不斷加強，聚丙烯酰胺在城市污水處理方面的應用將會越來越受到重視，聚丙烯酰胺聚合生產工藝技術的研究，也將對城市污水處理工藝技術的提高起到推動作用。1 3 設計原則131 設計依據（1）課程設計的內容年產5000噸聚聚丙烯酰胺工程：聚合工段的工藝設計。含：聚合工序、造粒工序、干燥工序。 對該項目的發展歷史、現狀及前景（產品、工藝等）進行綜述。 原料路線的選擇及工藝技術的選擇。 物料衡算。 工藝物料流程（PFD）的設計。 管道及儀表流程（PID）的工藝設計。 主要工藝設備

25、的選型。 工藝平面布置。（2）課程設計的要求與依據 課程設計時高等學校培養學生的最后一個及其重要的教學環節，在課程設計中培養學生綜合應用所學知識的能力，不斷提高學生制圖、運算、計算機應用、查閱文獻資料、編寫說明書等技能。通過該途徑，使學生具有一定的發現問題、分析問題、解決問題以及工廠主要車間的初步設計能力。具體要求學生掌握本課程的工藝設計原理、步驟和方法。通過設計圖紙和說明書能對所設計內容進行闡述和論證。設計有關資料和圖紙應保證計算準確、字體端正、圖面清潔、設計合理，所有計算部分應有完整的計算過程，以達到全面訓練的目的。132 聚合反應機理及影響因素（1） 聚合機理丙烯酰胺聚合反應機理屬于自由

26、基反應，符合自由基連鎖聚合反應機理的一般機理，由鏈引發、鏈增長和鏈終止等基元反應組成。此外還常伴有鏈轉移反應。器總反應式為：nCH2=CHC(=O)NH2 CH2CH（C(=O)NH2 ）n( 2 ) 影響反應 影響聚合反應的因素主要有溶劑、引發劑、PH值、聚合溫度等因素。 單體濃度：根據釜式大塊水溶液聚合工藝要求和綜合考慮傳熱、攪拌、物料輸送等因素控制在25%。 溫度：在配料罐中配料降溫至10，輸送到聚合釜聚合，聚合溫度達100左右。 雜質：體系中雜質主要有未反應單體、水、空氣中的氧、AA等。這些雜質含對引發劑活性、聚合速度等產生影響，還有一定毒性，因此要控制在一定指標以下。133 水解機理

27、在堿性條件下，PAM在較低溫度（4060）就易于水解，反應是由氫氧根離子0H-對酰胺羰基的親核加成，及胺離子NH2-的消除，丙烯酰胺結構單元生成丙烯酸結構單元，如下圖所示。水解反應基本上是不可逆的。CH2CHCH2CH CH2CHNH2- CH2CHNH3 C=O HOCO- C=O C=ONH2 NH2 OH O-在強堿條件下，酰胺基的堿性水解反應對酰胺和氫氧根離子均呈一級反應，總的活化能為56.5kj/mol。表明PAM的水解過程是由兩個以上的水解反應組成：OH-催化的堿性水解與H2O的溶劑解過程。當堿液濃度較高時，溶劑解可以忽略，表現為與OH-成正比。第二章 原料、產品的物理及化學性質2

28、1 原料主要有丙烯酰胺、純水、引發劑。 丙烯酰胺：分子量：71.08；形態：片狀晶體；密度：1.22kg/L；熔點84.5；沸點：125；蒸汽壓：9.33×10-5Pa；蒸汽密度：2.46（空氣=1）；聚合熱：81.51kj/mol；閃點138；平衡含水量：1.7(g水/kg干PAM)。 水：密度：998.1kg/h；比焓：209.3kj/mol；比熱容：4.74×103j/(kg.K)；熱導率：64.8×102w/(m.K)；黏度：549.4×106Pa.s；表面張力：676.9×104N/m。 引發劑：白色柱狀或粉狀結晶，易燃；熔點105；

29、不溶于水，遇熱分解放出氮氣和有機氰化物。22 PAM物理及化學性質221 PAM的結構PAM在結構上最基本的特點是：（1）分子鏈具有柔順性和分子形狀的易變性。（2）分子鏈上有與聚丙烯酰胺單元數目相同的側基酰胺基，而酰胺基具有極高的極性、易形成氫鍵和高反應活性。222 PAM的物理性質密度：1.302g/cm3；臨界表面張力：3540mN/m；玻璃化溫度：188；軟化溫度：210。223 PAM的性能PAM具有良好的親水性和水溶性，其水凝膠親水而不溶于水；高黏性和良好的流變調節性；酰胺基極易與水或含有OH基團的物質形成氫鍵，產生很強的吸附作用；酰胺基的高反應活性可使PAM衍生出很多變性產物。2

30、.2 .4 PAM性能指標 表2-1項目固含量%最小顆粒%（0.15mm）不溶物%黏度mPa.S分子量水解度%濾過比篩網系數溶解時間h分布寬度數值87.90.960.1923.02×10730.21.4430.5212第三章 生產流程簡述31 工藝路線確定311 聚合方法的確定根據產物結構，從自由基聚合、陰離子聚合、陽離子聚合、配位聚合等反應機理中確定選擇出自由基聚合，同時考慮自由基聚合所用原料、引發劑、傳熱、物料輸送、產物溶解、操作方式等方面綜合考慮選擇水溶液聚合實施方法。該工藝路線包括了自由基形成和鏈增長過程；由于水溶劑存在要考慮水分的干燥。要獲得陰離子型聚合物須進行堿性NaOH

31、水解；操作方式為連續操作。312 單體原料路線的確定通過比較丙烯腈的硫酸水合法、銅催化水合法和生物酶催化水合法等生產方法優缺點，結合實際情況，選擇丙烯腈銅催化水合法。313 溶劑的選擇因選擇水溶液聚合法，故溶劑為水。314 引發劑的選擇工業最常采用的AM聚合引發劑使氧化還原引發體系。該體系大概有兩種：一是無機過氧化物與氧化劑組成；二是有機組成的氧化還原引發體系。因為溶劑為水和聚合反應活化能考慮，選擇偶氮二異丁腈（E總=62kJ/mol）。315 自由基反應方式引發劑在較低溫度下即可產生自由基，反應活化能低，在較低溫度（050）引發聚合，引發速率快，對溫度依賴性小。32 生產流程簡述聚合工段主要

32、由計量配料、聚合、研磨輸送等崗位組成。具體流程為：將單體AM水溶液裝進配料槽，用純水稀釋到25%濃度，將溫度調整到10，預制的原料經計量泵入通有氮氣的聚合釜；在聚合釜內加引發劑，在氮氣的氛圍下開始聚合反應，反應后的混合物在聚合釜中停留成熟后，得到聚合物膠塊；研磨機研磨后螺桿輸送到造粒器造粒；將小膠塊狀進水解反應器，用氫氧化鈉水溶液噴灑在膠塊上并充分拌和，讓其水解；將水解后的溶膠裝進干燥器干燥到要求的含水量，然后將干燥的聚合物冷卻到所需溫度以例破碎；將干燥并冷卻后的裝進粉碎機破碎到規定的顆粒尺寸，然后將粉碎后的聚合物喂進振動篩，以分離除去大塊聚合物；將篩選后的聚合物儲存進成品倉，最后將產品裝進包

33、裝袋。33 車間概況該車間設計生產規模為年產5000噸聚丙烯酰胺。主原料：單體聚丙烯酰胺；溶劑水；引發劑偶氮二異丁腈。生產原理：采用水溶液均聚的方法，使聚丙烯酰胺、水和引發劑等在配料罐中配料，泵至聚合釜進行水溶液聚合。制得粘稠膠液，再通過研磨、水解、研磨、干燥、篩分獲得最終產品。3.4 車間組成該車間主要由聚合工段、水解工段和后處理工段組成。聚合工段主要由計量配料、聚合、研磨輸送等崗位組成。水解工段由水解、研磨輸送等崗位組成。后處理工段主要由干燥、篩分、包裝等崗位組成。設計范圍包括：聚合工段至后處理工段的物料衡算，聚合工段、干燥工段、后處理工段的各種設備選型，管路計算，物料流程圖、帶控制點工藝

34、流程圖、平面布置圖等。車間設備采用露天與廠房內布置相結合原則。其中罐區、尾氣煙囪，空氣過濾采用露天布置，其他全部采用廠房內布置。3.5 生產制度考慮裝置的大修，采用年開工時為8000h。全裝置主要采用連續操作方式，局部采用間歇操作方式。全裝置采用五班三倒制，每班8小時工作制。36 安全防護措施361 聚合工段該工段使用的原料有丙烯酰胺、純水以及偶氮二異丁腈等，根據這些原料的性質，查閱化工工藝設計手冊、化工生產安全與防護等確定車間火災危險等級為乙級；車間建筑屬于一類工業建筑。設計中電氣設備一律選用隔爆式電氣設備；各設備均有接地線、跨接線等防靜電設施及防雷設施；各崗位設有排風系統。此外，還應注意以

35、下問題： 車間內禁止使用明火；禁止穿帶釘子鞋進入裝置現場；禁止吸煙；禁止隨意使用鐵器碰擊設備；機動車未經許可不的進入廠區。 生產人員必須熟悉相關崗位消防設施的種類及存放位置，并能熟練正確使用，了解現場物料的性質。 生產人員上崗必須佩帶好勞動保護用品，在接觸丙烯線胺等有毒化合物時必須帶好手套、面具及其他防護用品。 生產人員在生產過程中要即使檢查，消除漏點。 設備跑料、儲罐冒頂應立即采取緊急措施，切斷物料來源，控制現場，及時回收流失物料，消除危險。 生產設備超壓時應采取緊急排空措施，必須有專人監護現場。 在生產裝置檢修敲打設備的時候，必須使用銅制工具或在鐵制工具上涂上黃油，以免引起火花。 生產現場

36、禁止存放大量易燃易爆物品。 設備開車前必須使用氮氣置換，聚合系統內氧含量必須小于0.2%。 各儲罐裝料不得超過規定裝料系數，而且要有氮氣保護。常壓罐保壓不超過0.05MPa，受壓罐保壓0.4MPa。362 后處理工段后處理工段除了有聚合工段的物料，還有水解產生的氨氣，是易燃易爆物品，處理屬于易燃易爆崗位。注意事項如下： 水解裝置和干燥裝置在清理前要切斷外接管線，切斷電機，有氮氣置換，并分析可燃物濃度含氧量等，合格后人員方可入內。 后處理的電器、轉動設備多，生產人員上崗必須穿好工作服戴好安全冒。所有電器設備在運轉中禁止用手亂動。 生產工作服內禁止帶東西，防止落入設備內影響生產。 設備檢修要有動火

37、票，并有專人監護，切斷電源，嚴禁啟動。 成品倉庫禁止吸煙、使用明火，非崗位人員禁止入內，庫內要經常保持衛生。第四章 工藝計算及主要設備選型41 物料衡算411 計算的基礎數據年產量5000t；年開工時間8000h；單體總轉化率99.5%；原料AM溶液濃度30%，釜中AM濃度25%；純水溫度10；聚合釜平均溫度100；聚合系統壓力0.44MPa；計量罐壓力0.1MPa，泵壓0.8MPa。設計選用配方：單體25%；引發劑4×10-5%；水約75%。全裝置總損耗2.3%，總收率97.7%。損耗分配如下：包裝損失：0.1%除塵損失：2.0%研磨損失：0.2%412 計算基準連續反應操作過程以

38、kg/h為基準。413 聚合釜物料衡算 聚合釜物料衡算圖如下所示：AM溶液料衡算純 水AIBN聚合釜聚合釜聚合釜聚合釜去研磨每小時產膠量5000×1000÷8000=625kg/h需30%的AM溶液 625÷30%=2084kg/h按99.5%轉化率計算30%的AM溶液及純AM的需求量AM溶液：2084÷99.5%=2094kg/h純AM ：625÷99.5%=628.14kg/h 未反應AM單體的量2094-2084=10kg/h 隨25%的AM溶液帶入的水量2094×（1-30%）=1465.86kg/h設引發劑在聚合時全部反應，

39、AIBN用量625×4×10-5%=2.5×10-4kg/h配料后溶液濃度為25%，故純水加入量（625÷0.995%）÷0.25×0.75-1465.86=418.56kg/h 合 計聚合釜物料衡算列下表4-1如下：組 分kg/ht/dt/a進料30% AM溶液2.09×10350.261.68×104AIBN2.50×10-46.00×10-62.00×10-4純 水4.19×10210.063.35×103合 計2.51×10360.242.02&#

40、215;104出料PAM6.25×10215.005.00×103AM1.00×1010.268.88×101水1.88×10345.101.51×104合 計2.51×10360.242.02×1044.1.4 一次研磨物料衡算（損失率：0.1%）該段總損失251×103×01%=2.51kg/h其中損失：PAM 625×0.1%=0.625kg/hAM 11×0.1%=0.011kg/h水 1.88×103×0.1%=1.88kg/h獲得：PAM 62

41、5-0.625=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：組 分kg/ht/dt/a進料PAM6.25×10215.005.00×103AM1.10×1010.268.88×101水1.88×10345.201.51×104合 計2.51×10360.202.02×104出料PAM6.24×10214.984.99×103AM1.09×1010.268.79×101水1.88

42、×10345.121.50×104合 計2.50×10360.102.00×104總 損 失2.510.100.02×1044.1.5 水解工段物料衡算水解方程式如下：CH2CH（C(=O)NH2 ）nNaOHCH2CH（C(=O)ONa）nNH3CH2=CHC(=O)NH2NaOHCH2=CHC(=O)ONaNH3PAM平均水解度25%，NaOH原料濃度50%，AM全部與NaOH反應，NaOH全部反應，則有：PAM- 624×25%×（94.08/71.08）=207kg/hPAM 624×75%=468kg/h

43、AM- 10.99×（94.08/71.08）=14.55kg/h消耗NaOH溶液 （156/71.08）(10.99/71.08)×40=187.97kg/h產生NH3（156/71.08）(10.99/71.08)×17=39.94kg/h產生水18797×50%=93.98kg/h得總水1.88×10393.98=1.98×103kg/h水解工段物料衡算列表4-3如下：組 分kg/ht/dt/a進料PAM6.24×10214.984.99×103AM1.09×1010.268.79×101

44、水1.88×10345.121.50×104NaOH1.88×1024.512.01×103合 計2.80×10367.202.24×104出料PAM4.68×10211.263.74×103AM-1.50×1010.361.20×102水1.98×10347.521.58×104PAM-2.07×1024.971.66×103NH34.0×1010.963.20×102合 計2.80×10367.202.24×10

45、44.1.6 二次研磨物料衡算（損失率：0.1%）該工段物料總損失280×103×0.1%=2.8kg/h其中損失：PAM- 207×0.1%=0.21kg/hPAM 468×0.1%=0.47kg/hAM- 15×0.1%=0.015kg/hNH3 40×0.1%=0.040kg/h水 1.98×103×0.1%=1.98k/h得到物料 280×103-2.8=2.79×103kg/h其中：PAM- 207-0.21=206.79kg/hPAM 468-0.47=467.53kg/hAM- 1

46、5-0.015=14.99kg/hNH3 40-0.04=39.96kg/h水 1.98×103-1.98=1.98×103k/h二次研磨物料衡算列表4-4如下：組 分kg/ht/dt/a進料PAM4.68×10211.263.74×103AM-1.50×1010.361.20×102水1.98×10347.521.58×104PAM-2.07×1024.971.66×103NH34.0×1010.963.20×102合 計2.80×10367.202.24

47、5;104出料PAM467.5311.223.74×103AM-14.990.361.20×102水1.98×10347.521.58×104PAM-206.794.961.65×103NH339.960.963.20×102合 計2.79×10366.962.23×104總 損 失0.01×1030.240.01×1044.1.7 干燥工段物料衡算（水分干燥：64%，除塵損失：1.6%）干燥物料衡算圖如下所示：PAM含水顆粒振 動 流 化 床 干 燥 器去包裝NH3水合物去回收按指標水分揮發6

48、4%，氨氣全部揮發，則原顆粒含水量：1.98×103kg/h原顆粒脫水量：2.79×103×64%=1.79×103kg/h干燥后含水量：（1.98-1.79）×103=0.18×103kg/h除塵損失：PAM- 206.79×1.6%=3.31kg/hPAM 467.53×1.6%=7.48kg/hAM- 14.99×1.6%=0.24kg/h水 180×1.6%=2.88kg/h獲得：PAM- 206.79-3.31=203.48kg/hPAM 467.53-7.48=460.05kg/hA

49、M- 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：組 分kg/ht/dt/a進料PAM467.5311.223.74×103AM-14.990.361.20×102水1.98×10347.521.58×104PAM-206.794.961.65×103NH339.960.963.20×102合 計2.79×10366.962.23×104出料PAM460.0511.043.68×103AM-14.750.351.18×102水

50、117.124.25142×103PAM-203.484.881.63×103合 計855.4020.53684×103總 損 失144.63.470.12×104水 分 干 燥179042.96143×1044.1.8 包裝工段物料衡算（除塵損失：0.4%，包裝損失：0.1%）包裝物料衡算圖如下所示：自干燥工段包 裝產 品旋風除塵工段總損失：855.4×0.4%855.4×(1-0.4%)×0.1%=4.27kg/h其中：PAM- 203.48×0.4%203.48×(1-0.4%)×

51、;0.1%=1.02kg/hPAM 460.05×0.4%460.05×(1-0.4%)×0.1%=2.30kg/hAM- 14.75×0.4%14.75×(1-0.4%)×0.1%=0.06kg/h水 177.12×0.4%177.12×(1-0.4%)×0.1%=0.88kg/h包裝工段物料衡算列表4-6如下：組 分kg/ht/dt/a進料PAM460.0511.043.68×103AM-14.750.351.18×102水117.124.25142×103PAM-203

52、.484.881.63×103合 計855.4020.53 684×103出料PAM457.7610.993.66×103AM-14.690.351.17×102水116.244.23141×103PAM-202.464.861.62×103合 計851.1520.24 681×103總 損 失4.250.290.03×10342 設備計算及選型421 聚合釜計算（1） 基礎數據 設計溫度：聚合釜內50，釜外100；設計壓力：聚合釜內0.4MPa，聚合釜外1.0Mpa；工藝要求容積13m3；裝料系數=0.8；連續操

53、作。（2） 聚合釜容積的確定按6小時聚合時間確定總容積AM=0.998×25%=0.2495t/m3V總=5000/(0.2495×30%×8000/6)=50.10m3需13m3的聚合釜臺數 50.10/13=3.85臺圓整為4臺，考慮1.2的備用系數，則需4m3聚合釜5臺。（3） 聚合釜筒體直徑與高度的確定一般聚合釜的長徑比在1-3之間，高徑比大有利于傳熱，但不利于攪拌。綜合考慮取高徑比2.4。 聚合釜筒體直徑的確定：設計中初選V封=1m3，按下式估算聚合釜筒體直徑 Di=1.854m圓整取1.9m。 封頭容積及直邊高度的確定：封頭選用橢圓形封頭。根據Di查化

54、工設備機械基礎第三冊第230頁及化工設備標準手冊第四卷第10頁查得 V封=0.864m3；m封=479kg 筒體高度的確定：有Di=1.9m查化工設備機械基礎附表1-1得每米筒體的體積V1、面積A1、質量m1，得 V1=2.545m A1=5.66m2 A1=716kg根據公式 H=（V-V封）/V1得H=(13-0.864)/2.545=4.769m取H=4.8m。則 V實=4.8×2.545+0.864=13.08m3考慮攪拌器等所占容積，實際有效容積為13.08 （4） 夾熱套直徑及高度得確定 夾套直徑得確定：基化工設備機械設計基礎第180頁表25-3知：Di在700-1800之間時，夾套直徑為 Dj=Di+100 因Di=1900mm，得 Dj=1900+100=2000mm 夾套高度得確定：夾套越高，傳熱面積越大，但過高會影響封頭得裝卸。選用乙型平焊法蘭，其基本尺寸可由化工設備標準手冊第四卷第358頁查得法蘭總質量為1184.6kg。取h=150mm,s=16mm，則 H夾=4.8-(0.15+0.016)=4.634m （5） 聚合釜筒體壁厚的確定根據=1900mm,P