年产500吨聚丙烯酰胺聚合工艺设计方案样本.doc

第一章 概述
1． 1 聚丙烯酰胺介绍
1 .1 . 1丙烯酰胺聚合物发展
PAM在1893年由试验室制得。1954年在美国实现产业化生产，早期得产品仅室单一得非离子型PAM。很快开发了碱性阴离子型PAM和阳离子型PAM。PAM优良水溶性、增稠性、絮凝性能和化学反应活性显示出了巨大市场潜力和宽广应用前景。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正当，1985年在日本又有丙烯睛生物酶催化水正当问世。
我PAM产品开发始于20世纪50年代末期。1962年上海珊瑚化工厂建成中国第一套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。随即又开发了辐射聚正当、反相乳液聚正当和水溶液聚正当生产PAM干粉。因为在油气田开采和三次采油中大量应用，和在污水处理和造纸等方面用量增加，中国PAM生产能力不停增加。自1994年自主开发生物酶法制丙烯酰胺工业化取得成功及随即2.5万吨/年丙烯酰胺示范性工业生产装置建成，和1995年法国NSF企业5万吨/年PAM生产装置后，中国PAM产量和质量全部油了很大提升。最近中国PAM发展快速，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。中国销售量约占全球1/3。产品关键包含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等方面已达成世界优异水平。
不过在总体上，中国PAM产品和国外相比还存在大差距，关键反应在（1）产品系列：国外阳离子产品约占总产量二分之一，且仍以每十二个月10%速度增加。而中国阳离子产品仅占10%。国外阳离子产品品种、类型十分齐全，大品种分子量全部超出1900万，干粉占53%，乳液占35%，水溶液仅占2%。而中国阳离子产品分子量较低，通常在500-800万之间，产品剂型以水溶液为主，制约了中国水处理和造纸工业发展。在品种系列化上，国外已形成齐全多品种系列产品，达成多个品种。仅法国NSF企业一家常规产品就超出1000种，能够适应各行业不一样工艺条件和不一样物料性质要求，而用于数十个行业。在中国尚缺乏系列化产品，所以应用单一，这在造纸和不一样水质处理种尤为突出。（2）生产规模和技术：中国随有近10家上万吨级生产厂，产量占倒90%。但这些规模大生产厂关键以满足石油开采所需通用化学助剂为主，其产品单一，关键十阴离子型粉剂，尚无上规模乳液型和阳离子型产品。其它上百家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通常见途要求，没有能力去补充通用具种。
1 .1 . 2丙烯酰胺聚合物结构和性质
PAM在结构上最基础特点是：（1）分子链含有柔顺性和分子形状易变性。（2）分子链上有和丙烯酰胺单元数目相同侧基——酰胺基，而酰胺基含有高极性、易形成氢键和高反应活性。这些结构特点给予了PAM很多极有价值应用性能。乳酰胺基高极性使PAM含有良好亲水性和水溶性，其水凝胶亲水而不溶和水；柔顺长链使PAM水溶液含有高粘性和良好流变性能；酰胺基极易和水或含有-OH基团物质（天然纤维、蛋白质、土壤和矿物等）形成氢键，产生很强吸附作用；酰胺基高反应活性可使PAM衍生出很多变性产物，拓宽了她们应用范围。
1．1．3 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，引发方法常见引发剂引发和辐射引发两种。引发剂关键是过氧化物和偶氮化合物，辐射引发常见碳60源Y射线。聚丙烯酰胺及其衍生物全部是经过丙烯酰胺自由基聚合制成均聚物或共聚物。聚合方法按单体在介质中分散状态有：本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合。其中关键有水溶液聚合、反向悬浮聚合和反向乳液聚合。
（1） 水溶液聚合
在AM 聚合方法中， 采取水溶液聚合较多， 关键包含到引发体系、介质PH、添加剂和单体浓度等。
① 引 发 体系:A M 聚合引发体系多年研究甚多，其目标在于保持高合速率下能取得高转化率、高分子量和少支化产物.除K2S20:和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，和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引发体系。用高价金属盐和有机物组成体系亦不少。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-琉基乙酸等.这些体系特点是反应活性高，适于常温聚合。对这些体系研究工作多集中在聚合速率方面，对分子量影响讨论甚少。
② P H 值:AM聚合中，介质PH值可影响反应动力学及聚合物结构和性质。在较低PH下(PH< 2)，聚合易伴生分子内和分子间亚酞胺化反应，形成支链或交联型产物。在较高PH下，单体或聚合物分子中酞胺基会发生水解反应，使均聚物变成含丙烯酸链节共聚物。在 A M 和 丙 烯酸(AA)等共聚中，PH对竟聚率影响很大。
③ 添 加 物:在AM水溶液聚合中添加有机、无机物对Rp和分子量全部有影响。很多金属离子能和酞胺基发生络合，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。所以在一定条件下，一些离子能够大幅度地调整分子量。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 反相乳液聚合是乳液聚合研究领域中新开拓一个分支，多采取非离子型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。乳胶粒是经过乳化剂吸附膜阻隔或高聚物位阻作用而稳定，有些人认为这种乳胶粒也是经过胶束成长起来。近十年来研究丰富了乳液聚合理论，取得了有实际价值胶乳型产品，其含有速溶等显著特点。
（3）反向悬浮聚合：采取 反 相悬浮法制备AM 聚合物和反相乳液聚合有很多相同之处，关键在于分散相粒子尺寸控制。决定粒子尺寸原因关键是搅拌、分散稳定剂和相比，反相悬浮聚合可采取热引发或氧化还原体系引发，有些人认为聚合物分子量和K2S202浓度无关，分子量较水溶液聚合为低。最近一份汇报指出，采取环己烷和一个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见聚合方法，对于水溶液聚正当制造PAM工艺，大家研究热点是选择新型聚合、造粒、干燥及粉碎技术和设备，开发更优异连续化、自动化聚合工艺，改善和提升产品性能和质量。具体为：①提升产品分子量和溶解性能：为提升产品分子量和溶解性能，应采取高纯单体。这是取得超高分子量PAM产品基础。还要掌握好聚合反应规律优选聚合工艺、聚合引发体系，合适增大单体浓度、降低引发剂浓度和降低聚合反应温度，使反应平稳。②提升产品耐温抗盐和抗剪切性能：在聚合物分子主链段上引入不一样基团能够改善其性能。③降低PAM产品中残余单体含量：高聚物PAM本身基础无毒，PAM毒性来自残余AM单体。④制备用于生态建设和环境保护产业 PAM产品。⑤选择适宜技术和设备，开发更优异连续化、自动化聚合工艺。

1 .1 . 4 生产和消费情况
（1） 国外生产和消费
据美国咨询企业TranTech企业分析，全球PAM能力为9l万吨／年，美国、f本、欧洲是聚丙烯酰胺关键生产和消费地，生产能力约占世界总能力85％。其中25％在西欧。表l列出世界PAM生产能力分析。表2列出2月统计世界各地域PAM关键生产能)。亚太地域为最大PAM 生产地，生产照(除日本外)为23万吨／年，其次为西欧2l万吨／年。亚太地域也是最大PAM消费地域，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
1.6

3.4

阴 离 子
14.0
2.1
22.9
1.2
阳 离 子
12.2
3.5
16.33
0.8

表 2 2月统计世界各地域PAM关键生产能力（万吨/年）
企业
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
1.0
SNF
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
SNF
乔治亚州赖斯波罗
7.0
日

本
荒川化工
日本大阪
0.7
Da-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
3.2
SNF
泰兴
3.0
国外聚丙烯酰胺生产商关键有美国陶氏化学企业、氰胺企业、联合胶体企业、纳尔科企业． 日本日东化学企业、三井东压企业，法国SNF圣泰企业．德国斯托豪森企业、巴斯夫企业和英国联合胶体企业等。
上个世纪90年代后期．美国、西欧和日本聚丙烯酰胺年消费量分别为l2万吨、8,6万吨和6，3万吨。估计这三大市场消费量将分别增加到l9万吨、l3万吨和8万吨。加上亚洲市场(日本除外)及其它地域25万吨左右需求量，预时全球聚丙烯酰胺总需求量为60万吨左右。经过需求低迷期后，起PAM
需求又较快增加，估计到全球需求年增加率为5．4％，增加率最高地域为：拉美(年增加率为6％)、亚洲和中东(6．3％)、亚太(9．1％)。作为PAM市场领先者SNF企业近期将有不少新建装鼍投产，SNF企业新建PAM 装置(在澳大利亚、印度尼西亚、印度、俄罗斯、瑞典和美国)将于投产，新建最大装置建在印度(能力为2万吨／'年)。德固萨企业在印度尼西亚PAM 新装置也将于2O开工。
然而，尽管有部分新增电力开工，假如以后尚无新增能力建设话，估计以后5年内PAM供给仍将会感到短缺。
（2） 中国生产和消费
① 生产
中国PAM产品开提议步较晚,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, 中国PAM生产厂家有60 多家, 其中多数为规模较小乡镇企业, 技术水平低, 产品分子量低, 通常为500~800 万, 难以满足消费者对高分子量产品需要。1995 年底, 大庆石油管理局从法国SNF 企业引进5万t/aPAM生产装置投产, 生产高分子量产品( 分子量为1500 万) , 尤其是近几年, 胜利油田和法国SNF 企业在中国泰兴所建企业相继建成投产,使中国PAM生产能力和生产水平
有了大幅度提升, 产品质量符合油田注入聚合物驱采技术要求。
表 3 中国关键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
5
2
胜利油田长安实业集团企业
2
3
SNF企业泰兴分企业
2
4
广东李坛精细化工厂
2
5
北京恒聚油田化学品
1
6
太原重工集团祁县聚合物
1
② 消费
1998 年, 中国PAM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, 不足部分依靠进口处理。中国消费中, 81%用于石油开采, 是中国PAM应用最大市场。因为中国东部油田如大庆、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, 为提升原油采收率, 结合油田特殊地质条件, 推广以PAM为关键聚合物驱油技术应用, 已成为东部油田稳产关键举措。依据石油行业整体计划, 年中国PAM 在石油开采方面用量已达成11 万t。而在国外作为一个环境保护产品, PAM已被广泛用于多种水处理中, PAM应用
最大领域为水处理行业, 中国水处理技术和水处理剂应用水平和国外有很大差距, 这也说明PAM在水处理行业应用发展潜力巨大。PAM在造纸行业应用起步于70 年代, 关键用作助留剂、干增强剂和废水处理絮凝剂; 伴随大型合资造纸企业不停建成投产和大家对纸张质量要求提升, PAM在造纸行业应用必将有一个大发展。

1 .1 . 5 丙烯酰胺聚合物应用领域
（1） 石油开采：A.驱油剂：调整注入水流变性，增加驱动液黏度，改善水驱波发效率，降低地层中水相渗透率，使水和油能匀速向前流动。B.堵水调整剂：在油田生产过程中，因为地层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渗流状态，以降低油田产水、保持地层能量、提升油田最终采收率目标。聚丙烯酰胺类化学堵水剂含有对油和水渗透能力选择性，对油渗透性降低最高可超出10%，而对水渗透性能降低可超出90%。C.钻井液调整剂：调整钻井液流变性携带岩屑，润滑钻头降低流体损失等。可减轻对油气层压力和堵塞，轻易发觉油气层，并有利于钻进速度比常规泥浆高19%，比机械钻速高45%左右，还可大大降低钻井事故，减轻设备磨损预防发生井漏和坍塌。D.压裂液添加剂：压裂工艺是油气田开发致密层关键增产方法，气作用是开通岩石饿经过，让油流过，亚甲基聚丙烯酰胺交联而成压裂液，因含有高黏度、低摩阻、良好饿悬砂能力和配制方便和成本低而被广泛应用。
（2） 水处理：聚丙烯酰胺酰胺基可和很多物质亲和、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个絮凝现象，其用量小，效率高，生成泥渣少，后处理轻易，对一些情况含有特殊价值。中国原水处理、城市污水处理和工业废水处理行业全部在不一样程度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应用关键用于两方面，一是提升填料、颜料等存留率，以降低原材料流失和对环境污染；二是提升纸张强度。另外，使用聚丙烯酰胺还能够提升纸张抗撕性和多孔性，以改善视觉和印刷性能。
（4） 矿冶行业：采矿过程中，通常使用大量水，最终需回收水中有用固体，并将废水净化回收使用。应用聚丙烯酰胺，可促进团粒下降、液体澄清和泥饼脱水，从而可提升生产效率，降低尾矿流失和水消耗，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上浆剂、整理剂和可生成柔顺、防皱、防霉菌饿保护层。利用她吸湿性强特点，能降低纺织时断张率。聚丙烯酰胺作后处理剂能够预防织物静电和阻燃。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，还可作为漂白非矿高分子稳定剂。另外，聚丙烯酰胺还用于纺织印染污水高效净化。
（6） 其它：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应用。
1 .1 . 6 前景展望
综观中国PAM历年生产情况，90年代之前中国因技术、市场等原因产量和使用量一直相对稳定，后伴随石油行业大量推广使用，推进了PAM产量不停增加。但现在中国多数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，难以满足中国及企业出口需要。鉴于PAM含有较大市场潜力，中国不少企业纷纷计划新建或扩建产能。近几年伴随国民经济连续健康、快速发展，政府和民众环境保护意识加强，必将促进PAM消费。所以，中国PAM开发利用前景宽广。
鉴于次，中国相关教授提议：①在装置方面，应走规模之路，有条件企业，能够全套引进国外工艺技术和设备，建设万吨级以上规模，以适应日益猛烈市场竞争，但要预防不考虑客观实际，一哄而上建设多套大型装置，造成产能相对过剩。②中国中小企业和相关科研院所，应加紧PAM生产工艺研究开发，改善现有工艺，提升技术水平，稳定产品质量并使之系列化；有条件单位，应加强在专用性产品和个类不一样基因共聚接枝改性衍生物方面研究。③走重组吞并之路，逐步淘汰部分落后小规模生产装置，以提升行业整体水平。同时还要大力开发PAM在制糖、感光材料、电镀、船舶，陶瓷、矿冶等方面应用，使中国PAM生产应用立即抵达发达国家水平。
1. 2 设计意义
石油工业是国民经济支柱产业，石油是经济发展关键确保之一。中国石油资源相对较少，三次采油是中国确保石油供给关键方法。进行聚丙烯酰胺生产工艺设计研究，能够使中国聚丙烯酰胺生产技术、产品质量和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要求，避免引进产品带来危险，确保三次采油技术顺利实施最终以满足国民经济对石油供给要求，并取得最大经济效益。
另外，聚丙烯酰胺在水处理行业含有宽广应用前景和巨大潜在市场。伴随环境意识不停加强，聚丙烯酰胺在城市污水处理方面应用将会越来越受到重视，聚丙烯酰胺聚合生产工艺技术研究，也将对城市污水处理工艺技术提升起到推进作用。
1． 3 设计标准
1．3．1 设计依据
（1）课程设计内容
年产5000吨聚聚丙烯酰胺工程：聚合工段工艺设计。含：聚合工序、造粒工序、干燥工序。
① 对该项目标发展历史、现实状况及前景（产品、工艺等）进行综述。
② 原料路线选择及工艺技术选择。
③ 物料衡算。
④ 工艺物料步骤（PFD）设计。
⑤ 管道及仪表步骤（PID）工艺设计。
⑥ 关键工艺设备选型。
⑦ 工艺平面部署。
（2）课程设计要求和依据
课程设计时高等学校培养学生最终一个及其关键教学步骤，在课程设计中培养学生综合应用所学知识能力，不停提升学生制图、运算、计算机应用、查阅文件资料、编写说明书等技能。经过该路径，使学生含有一定发觉问题、分析问题、处理问题和工厂关键车间初步设计能力。具体要求学生掌握本课程工艺设计原理、步骤和方法。经过设计图纸和说明书能对所设计内容进行叙述和论证。设计相关资料和图纸应确保计算正确、字体端正、图面清洁、设计合理，全部计算部分应有完整计算过程，以达成全方面训练目标。
1．3．2 聚合反应机理及影响原因
（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通常机理，由链引发、链增加和链终止等基元反应组成。另外还常伴有链转移反应。器总反应式为：
nCH2=CH－C(=O)－NH2 [CH2—CH（C(=O)－NH2 ）]n
( 2 ) 影响反应
影响聚合反应原因关键有溶剂、引发剂、PH值、聚合温度等原因。
① 单体浓度：依据釜式大块水溶液聚合工艺要求和综合考虑传热、搅拌、物料输送等原因控制在25%。
② 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。
③ 杂质：体系中杂质关键有未反应单体、水、空气中氧、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，所以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（40～60℃）就易于水解，反应是由氢氧根离子0H-对酰胺羰基亲核加成，及胺离子NH2-消除，丙烯酰胺结构单元生成丙烯酸结构单元，以下图所表示。水解反应基础上是不可逆。
—CH2—CH——CH2—CH— → —CH2—CH—﹢NH2- → —CH2—CH—﹢NH3
C=O HO—C—O- C=O C=O
NH2 NH2 OH O-
在强碱条件下，酰胺基碱性水解反应对酰胺和氢氧根离子均呈一级反应，总活化能为56.5kj/mol。表明PAM水解过程是由两个以上水解反应组成：OH-催化碱性水解和H2O溶剂解过程。当碱液浓度较高时，溶剂解能够忽略，表现为和[OH-]成正比。

第二章 原料、产品物理及化学性质
2．1 原料
关键有丙烯酰胺、纯水、引发剂。
① 丙烯酰胺：分子量：71.08；形态：片状晶体；密度：1.22kg/L；熔点84.5℃；沸点：125℃；蒸汽压：9.33×10-5Pa；蒸汽密度：2.46（空气=1）；聚合热：81.51kj/mol；闪点138℃；平衡含水量：1.7(g水/kg干PAM)。
② 水：密度：998.1kg/h；比焓：209.3kj/mol；比热容：4.74×103j/(kg.K)；热导率：64.8×102w/(m.K)；黏度：549.4×106Pa.s；表面张力：676.9×104N/m。
③ 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。
2．2 PAM物理及化学性质
2．2．1 PAM结构
PAM在结构上最基础特点是：（1）分子链含有柔顺性和分子形状易变性。（2）分子链上有和聚丙烯酰胺单元数目相同侧基—酰胺基，而酰胺基含有极高极性、易形成氢键和高反应活性。
2．2．2 PAM物理性质
密度：1.302g/cm3；临界表面张力：35～40mN/m；玻璃化温度：188℃；软化温度：210℃。
2．2．3 PAM性能
PAM含有良好亲水性和水溶性，其水凝胶亲水而不溶于水；高黏性和良好流变调整性；酰胺基极易和水或含有—OH基团物质形成氢键，产生很强吸附作用；酰胺基高反应活性可使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%（＜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
87.9
0.96
0.19
23.0
2×107
30.2
1.44
30.5
2
12

第三章 生产步骤简述
3．1 工艺路线确定
3．1．1 聚合方法确实定
依据产物结构，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、操作方法等方面综合考虑选择水溶液聚合实施方法。该工艺路线包含了自由基形成和链增加过程；因为水溶剂存在要考虑水分干燥。要取得阴离子型聚合物须进行碱性NaOH水解；操作方法为连续操作。
3．1．2 单体原料路线确实定
经过比较丙烯腈硫酸水正当、铜催化水正当和生物酶催化水正当等生产方法优缺点，结合实际情况，选择丙烯腈铜催化水正当。
3．1．3 溶剂选择
因选择水溶液聚正当，故溶剂为水。
3．1．4 引发剂选择
工业最常采取AM聚合引发剂使氧化还原引发体系。该体系大约有两种：一是无机过氧化物和氧化剂组成；二是有机组成氧化还原引发体系。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 自由基反应方法
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（0—50℃）引发聚合，引发速率快，对温度依靠性小。
3．2 生产步骤简述
聚合工段关键由计量配料、聚合、研磨输送等岗位组成。
具体步骤为：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℃，预制原料经计量泵入通有氮气聚合釜；在聚合釜内加引发剂，在氮气气氛下开始聚合反应，反应后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足拌和，让其水解；将水解后溶胶装进干燥器干燥到要求含水量，然后将干燥聚合物冷却到所需温度以例破碎；将干燥并冷却后装进粉碎机破碎到要求颗粒尺寸，然后将粉碎后聚合物喂进振动筛，以分离除去大块聚合物；将筛选后聚合物储存进成品仓，最终将产品装进包装袋。
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：采取水溶液均聚方法，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，再经过研磨、水解、研磨、干燥、筛分取得最终产品。
3.4 车间组成
该车间关键由聚合工段、水解工段和后处理工段组成。聚合工段关键由计量配料、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。后处理工段关键由干燥、筛分、包装等岗位组成。
设计范围包含：聚合工段至后处理工段物料衡算，聚合工段、干燥工段、后处理工段多种设备选型，管路计算，物料步骤图、带控制点工艺步骤图、平面部署图等。
车间设备采取露天和厂房内部署相结合标准。其中罐区、尾气烟囱，空气过滤采取露天部署，其它全部采取厂房内部署。
3.5 生产制度
考虑装置大修，采取年开工时为8000h。
全装置关键采取连续操作方法，局部采取间歇操作方法。
全装置采取五班三倒制，每班8小时工作制。

3．6 安全防护方法
3．6．1 聚合工段
该工段使用原料有丙烯酰胺、纯水和偶氮二异丁腈等，依据这些原料性质，查阅《化工工艺设计手册》、《化工生产安全和防护》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择隔爆式电气设备；各设备全部有接地线、跨接线等防静电设施及防雷设施；各岗位设有排风系统。另外，还应注意以下问题：
① 车间内严禁使用明火；严禁穿带钉子鞋进入装置现场；严禁吸烟；严禁随意使用铁器碰击设备；机动车未经许可不进入厂区。
② 生产人员必需熟悉相关岗位消防设施种类及存放位置，并能熟练正确使用，了解现场物料性质。
③ 生产人员上岗必需佩带好劳动保护用具，在接触丙烯线胺等有毒化合物时必需带好手套、面具及其它防护用具。
④ 生产人员在生产过程中要即使检验，消除漏点。
⑤ 设备跑料、储罐冒顶应立即采取紧急方法，切断物料起源，控制现场，立即回收流失物料，消除危险。
⑥ 生产设备超压时应采取紧急排空方法，必需有专员监护现场。
⑦ 在生产装置检修敲打设备时候，必需使用铜制工具或在铁制工具上涂上黄油，以免引发火花。
⑧ 生产现场严禁存放大量易燃易爆物品。
⑨ 设备开车前必需使用氮气置换，聚合系统内氧含量必需小于0.2%。
⑩ 各储罐装料不得超出要求装料系数，而且要有氮气保护。常压罐保压不超出0.05MPa，受压罐保压0.4MPa。
3．6．2 后处理工段
后处理工段除了有聚合工段物料，还有水解产生氨气，是易燃易爆物品，处理属于易燃易爆岗位。注意事项以下：
① 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。
② 后处理电器、转动设备多，生产人员上岗必需穿好工作服戴好安全冒。全部电器设备在运转中严禁用手乱动。
③ 生产工作服内严禁带东西，预防落入设备内影响生产。
④ 设备检修要有动火票，并有专员监护，切断电源，严禁开启。
⑤ 成品仓库严禁吸烟、使用明火，非岗位人员严禁入内，库内要常常保持卫生。

第四章 工艺计算及关键设备选型
4．1 物料衡算
4．1．1 计算基础数据
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。
设计选择配方：单体25%；引发剂4×10-5%；水约75%。
全装置总损耗2.3%，总收率97.7%。损耗分配以下：
包装损失：0.1%
除尘损失：2.0%
研磨损失：0.2%
4．1．2 计算基准
连续反应操作过程以kg/h为基准。
4．1．3 聚合釜物料衡算
聚合釜物料衡算图以下所表示：
AM溶液料衡算
纯 水
AIBN
聚合釜
聚合釜

聚合釜

聚合釜

去研磨

每小时产胶量
5000×1000÷8000=625kg/h
需30%AM溶液
625÷30%=2084kg/h
按99.5%转化率计算30%AM溶液及纯AM需求量
AM溶液：2084÷99.5%=2094kg/h
纯AM ：625÷99.5%=628.14kg/h
未反应AM单体量
2094-2084=10kg/h
随25%AM溶液带入水量
2094×（1-30%）=1465.86kg/h
设引发剂在聚合时全部反应，AIBN用量
625×4×10-5%=2.5×10-4kg/h
配料后溶液浓度为25%，故纯水加入量
（625÷0.995%）÷0.25×0.75-1465.86=418.56kg/h 合 计
聚合釜物料衡算列下表4-1以下：
组 分
kg/h
t/d
t/a
进

料
30% AM溶液
2.09×103
50.26
1.68×104
AIBN
2.50×10-4
6.00×10-6
2.00×10-4
纯 水
4.19×102
10.06
3.35×103
合 计
2.51×103
60.24
2.02×104
出

料
PAM
6.25×102
15.00
5.00×103
AM
1.00×101
0.26
8.88×101
水
1.88×103
45.10
1.51×104
合 计
2.51×103
60.24
2.02×104
4.1.4 一次研磨物料衡算（损失率：0.1%）
该段总损失
2．51×103×0．1%=2.51kg/h
其中损失：
PAM 625×0.1%=0.625kg/h
AM 11×0.1%=0.011kg/h
水 1.88×103×0.1%=1.88kg/h
取得：
PAM 625-0.625=624.38kg/h
AM 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以下：
组 分
kg/h
t/d
t/a
进

料
PAM
6.25×102
15.00
5.00×103
AM
1.10×101
0.26
8.88×101
水
1.88×103
45.20
1.51×104
合 计
2.51×103
60.20
2.02×104
出

料
PAM
6.24×102
14.98
4.99×103
AM
1.09×101
0.26
8.79×101
水
1.88×103
45.12
1.50×104
合 计
2.50×103
60.10
2.00×104
总 损 失
2.51
0.10
0.02×104
4.1.5 水解工段物料衡算
水解方程式以下：
[CH2—CH（C(=O)－NH2 ）]n﹢NaOH→[CH2—CH（C(=O)－ONa）]n﹢NH3↑
CH2=CH－C(=O)－NH2﹢NaOH→CH2=CH－C(=O)－ONa﹢NH3↑
PAM平均水解度25%，NaOH原料浓度50%，AM全部和NaOH反应，NaOH全部反应，则有：
PAM- 624×25%×（94.08/71.08）=207kg/h
PAM 624×75%=468kg/h
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
产生NH3
｛（156/71.08）﹢(10.99/71.08)｝×17=39.94kg/h
产生水
187．97×50%=93.98kg/h
得总水
1.88×103﹢93.98=1.98×103kg/h
水解工段物料衡算列表4-3以下：
组 分
kg/h
t/d
t/a
进

料
PAM
6.24×102
14.98
4.99×103
AM
1.09×101
0.26
8.79×101
水
1.88×103
45.12
1.50×104
NaOH
1.88×102
4.51
2.01×103
合 计
2.80×103
67.20
2.24×104
出

料
PAM
4.68×102
11.26
3.74×103
AM-
1.50×101
0.36
1.20×102
水
1.98×103
47.52
1.58×104
PAM-
2.07×102
4.97
1.66×103
NH3
4.0×101
0.96
3.20×102
合 计
2.80×103
67.20
2.24×104
4.1.6 二次研磨物料衡算（损失率：0.1%）
该工段物料总损失
2．80×103×0.1%=2.8kg/h
其中损失：
PAM- 207×0.1%=0.21kg/h
PAM 468×0.1%=0.47kg/h
AM- 15×0.1%=0.015kg/h
NH3 40×0.1%=0.040kg/h
水 1.98×103×0.1%=1.98k/h
得到物料
2．80×103-2.8=2.79×103kg/h
其中：
PAM- 207-0.21=206.79kg/h
PAM 468-0.47=467.53kg/h
AM- 15-0.015=14.99kg/h
NH3 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以下：
组 分
kg/h
t/d
t/a
进

料
PAM
4.68×102
11.26
3.74×103
AM-
1.50×101
0.36
1.20×102
水
1.98×103
47.52
1.58×104
PAM-
2.07×102
4.97
1.66×103
NH3
4.0×101
0.96
3.20×102
合 计
2.80×103
67.20
2.24×104
出

料
PAM
467.53
11.22
3.74×103
AM-
14.99
0.36
1.20×102
水
1.98×103
47.52
1.58×104
PAM-
206.79
4.96
1.65×103
NH3
39.96
0.96
3.20×102
合 计
2.79×103
66.96
2.23×104
总 损 失
0.01×103
0.24
0.01×104
4.1.7 干燥工段物料衡算（水分干燥：64%，除尘损失：1.6%）
干燥物料衡算图以下所表示：
PAM含水颗粒
振 动 流 化 床 干 燥 器
去包装
NH3水合物去回收

按指标水分挥发64%，氨气全部挥发，则
原颗粒含水量：1.98×103kg/h
原颗粒脱水量：2.79×103×64%=1.79×103kg/h
干燥后含水量：（1.98-1.79）×103=0.18×103kg/h
除尘损失：
PAM- 206.79×1.6%=3.31kg/h
PAM 467.53×1.6%=7.48kg/h
AM- 14.99×1.6%=