年产800吨聚丙烯酰胺生产工艺设计

本科毕业设计（论文）年产800吨聚丙烯酰胺生产工艺设计学院轻工化工学院专业食品科学与工程年级班别学号学生姓名指导老师年产800吨聚丙烯酰胺生产工艺设计广东工业大学本科生毕业设计（论文）教师拟题审批表学院_轻工化工学院_专业_食品科学与工程_年级_姓名_注1本表由拟题教师填写；2在毕业设计开始前（至少提前2周）交基层教学单位（专业）供学生选题。题目名称年产800T聚丙烯酰胺生产工艺设计题目类型工程设计理论研究实验研究计算机软件研制综合经管文法学艺术题目来源科研项目请选择国家级部级省级厅级市级校级）企业项目生产实际实际应用自选课题内容介绍聚丙烯酰胺在水处理行业和石油开采等方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场，聚丙烯酰胺的生产工艺设计对我国经济发展具有相当大的重要性。本课题主要内容是对聚丙烯酰胺的生产工艺及工艺流程的设计和车间设计等。达到毕业设计质量标准的条件和措施1、必需参考国内权威文献和标准方法。2、所设计的方法必需满足企业生产要求。3、要考虑成本和环境保护，实现最佳经济效益。4、设计方案参考国内外文献。指导教师姓名职称副教授日期审核意见（题目内容是否明确、具体；题目难度、份量是否适中，能否满足综合训练要求；做本题目的条件是否满足、能否达到培养目标的要求等等）题目内容明确、具体；题目难度、份量适中，能满足综合训练要求；做本题目的条件满足、能达到培养目标的要求,同意拟题基层教学单位（专业）责任人签章主管院长签章广东工业大学本科生毕业设计（论文）任务书题目名称年产800T聚丙烯酰胺生产工艺设计学院轻工化工学院专业班级食品科学与工程4班姓名学号一、毕业设计（论文）的内容与要求1、探讨聚丙烯酰胺的生产与制备过程2、探讨聚丙烯酰胺生产工艺设备的选择3、探讨聚丙烯酰胺后处理工段的选择4、探讨环保问题以及计算设计方案的预期经济效益二、毕业设计（论文）应完成的工作1、查找国内外近期文献，收集并了解聚丙烯酰胺的生产方法，从中选出最切合实际工艺。2、查找数据，计算相关参数，如确定需要物料的量、温度、热量、转化率等数据。3、根据求得数据对生产设备进行选型4、根据原料消耗、设备耗费、员工工资福利等初步估算每年经济效益三、毕业设计（论文）进程安排四、应收集的资料及主要参考文献1陈昀聚合物合成工艺设计M北京化学工业出版社，200413642肖卫东，何本桥，何培新聚合物材料用化学助剂M北京化工出版社，20032092583杨基和，蒋培华化工工程设计概论M北京中国石化出版社，200518394赵德仁，张慰盛高聚物合成工艺学M北京化学工业出版社，19971071305方道斌，郭睿威，哈润华丙烯酰胺聚合物M北京化学工业出版社，200617196侯文顺化工设计概论M第5版北京化学工业出版社，200569787王延吉有机化工原料M第4版北京化学工业出版社，2004727728序号设计（论文）各阶段内容起止日期1查阅文献和研究方案设计2283152确定聚丙烯酰胺的制备方法3163253通过物料衡算、热量衡算初步确定设备选型及车间布置326454确定干燥、包装等后处理工段464165环保问题以及概算与技术经济的计算4175236设计结果汇总，撰写论文5245287答辩68邝生鲁化学工程师技术全书M北京化学工业出版社，2001125912789周达飞，唐颂超高分子材料成型加工M第2版北京中国轻工业出版社，20053135发出任务书日期指导教师签名预计完成日期专业负责人签章主管教学院长签章广东工业大学本科生毕业设计（论文）指导情况记录表学院_轻化学院_专业_食品科学与工程_班级_序号日期学生签名教师签名进度情况（提前、按计划、滞后及原因等）12、28王威崔亦华按计划23、1王威崔亦华按计划33、3王威崔亦华按计划43、4王威崔亦华按计划53、6王威崔亦华按计划63、9王威崔亦华按计划73、13王威崔亦华按计划83、15王威崔亦华按计划93、18王威崔亦华按计划103、21王威崔亦华按计划113、22王威崔亦华按计划123、25王威崔亦华按计划133、28王威崔亦华按计划144、2王威崔亦华按计划154、3王威崔亦华按计划164、5王威崔亦华按计划174、9王威崔亦华按计划184、11王威崔亦华按计划194、18王威崔亦华按计划204、25王威崔亦华按计划2122注本表供指导教师在每次与学生见面指导时记录使用。不够填写可附纸。广东工业大学本科生毕业设计（论文）中期检查表设计（论文）题目年产800T聚丙烯酰胺生产工艺设计指导教师姓名崔亦华单位广东工业大学学生姓名王威设计（论文）起始时间2014年2月28日学生班级10级4班教师填写部分论文（设计）进度情况提前完成正常进行延期滞后（请写出原因）工作态度情况（学生对毕业论文（设计）的认真程度、纪律及出勤情况）认真较认真一般不认真查阅文献资料的能力强较强一般差中期质量评价（学生已完成部分的工作质量情况）好中差毕业设计（论文）的内容有无调整有无指导教师对学生的指导频率12次/周对能否按期完成毕业设计（论文）的评估能否学生与指导教师有关毕业设计（论文）的原始材料是否保存齐全是否其他存在问题及解决办法1论文方向相对比较狭窄，文献查找困难；2部分设备型号不清，难以辨认；解决的方法1加大查找范围，修改检索式；2查询书籍和上网用照片对照，确认型号。指导教师签字崔亦华2014年4月26日基层教学单位（专业）审核意见负责人签字年月日摘要经过对PAM进行了研究，对其发展简史、结构和性质、聚合方法的种类介绍以及在国内外研究状况和应用现状、生产概况、市场需求情况、应用发展前景的进行了综述；在对PAM有了进一步的了解之后，结合实际情况选择以过硫酸钾作为引发剂，N，N亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，通过间歇操作的方式，以水溶液聚合法合成产物；紧接着对生产各工序的物料及热量进行了衡算，采用振动流化床的干燥方法进行后处理，最后本文还对企业的效益评估进行详细的估算。关键词聚丙烯酰胺，物料衡算，工艺流程，效益评估ABSTRACTAFTERSTUDIEDTHEPAM,ITSDEVELOPMENTHISTORY,STRUCTUREANDPROPERTIES,THEKINDSOFPOLYMERIZATIONMETHODSANDTHERESEARCHSTATUSATHOMEANDABROADANDTHESTATUSQUOOFTHEAPPLICATION,PRODUCTIONSITUATION,MARKETDEMANDANDAPPLICATIONPROSPECTAREREVIEWEDAFTERHAVEAFURTHERKNOWLEDGEOFPAM,COMBINEDWITHTHEACTUALSITUATIONTOCHOOSEWITHPOTASSIUMPERSULFATEASINITIATOR,N,NMETHYLENEBISACRYLAMIDEASCROSSLINKINGAGENT,THROUGHTHEWAYOFINTERMITTENTOPERATION,INWATERSOLUTIONPOLYMERIZATIONTOSYNTHESIZEPRODUCTSTHENEVERYPROCESSOFPRODUCTIONMATERIALANDHEATBALANCE,THEVIBRATIONFLUIDIZEDBEDDRYINGMETHODSFORPOSTPROCESSING,FINALLYTHISARTICLEALSODETAILEDESTIMATETOENTERPRISESPERFORMANCEEVALUATIONKEYWORDSPOLYACRYLAMIDE,MATERIALBALANCE,PROCESSFLOW,BENEFITEVALUATION目录1概述111聚丙烯酰胺简介1111丙烯酰胺聚合物的发展1112丙烯酰胺聚合物的结构及性质2113丙烯酰胺聚合方法介绍2114生产和消费情况4115应用研究现状7116发展方向812可行性分析913设计原则10131设计依据10132聚合反应机理及影响因素102原料、产品的物理及化学性质1221原料1222PAM物理及化学性质12221PAM的结构12222PAM的物理性质12223PAM的性能12224PAM性能指标133生产流程简述1431工艺路线确定14311聚合方法的确定14312溶剂的选择14313引发剂的选择14314自由基反应方式1432生产流程简述1433生产制度1534安全防护措施15341聚合工段15342后处理工段164工艺设计1741物料衡算17411工艺流程17412各设备、工序变化17413收集数据资料18414选择计算基准与计算单位18415确定计算顺序18416计算主要原料（丙烯酰胺）投料量18417顺流程逐个设备展开计算19418整理并核对计算结果20419整理绘制图表2042热量衡算21421聚合反应工序21422工序热量衡算整理225干燥2351工艺流程2352干燥方法2353干燥计算236原料主要规格、供应及消耗2661原料规格及用量2662原料消耗定额2663项目投资估算2764产品成本估算2765财务评估2866盈亏平衡分析287环境保护、劳动安全与工业卫生3071环境保护30711该项目环保设计依据和标准30712环保治理措施30713预期效果30714环保管理及监测31715绿化概况3172劳动安全、工业卫生与消防31总结32参考文献33致谢351概述11聚丙烯酰胺简介111丙烯酰胺聚合物的发展随着我国丙烯酰胺工业的迅速发展，对丙烯酰胺下游产品的研究不断深入，应用范围不断扩大。自PAM在1893年由实验室制得后，于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。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PAM的生产能力不断增加。自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1/3。产品主要包括HPAM、CPAM、NAM和梳型PAM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PAM和超高分子量PAM等方面已达到世界先进水平。值得一提的是对于PAM的吸水性而言，高吸水性树脂SAP及其凝胶是一类重要的功能高分子材料，具有优异的吸水保水性、稳定的结构以及无毒无味等特性，近年来得到迅速发展。在SAP的发展过程中，人们早就发现，PAM轻度交联后即可成为吸水性树脂，且吸水后能形成透明水凝胶，但由于丙烯酰胺均聚物交联后吸水性能不是很好，所以这类材料最初并未引起人们的关注。近些年来，随着水凝胶材料在医学领域应用研究的不断发展，以及为了提高SAP的耐盐性问题，人们加强了对PAM类吸水性树脂及其凝胶材料的研究，使其种类不断增加，性能也不断提高。与同类材料相比，这类材料具有吸水速率快、耐盐性高、生物相容性好等优点，目前这类材料的研究已经成为SAP研究领域的热点之一。但是在总体上，我国的PAM产品与国外相比还存在大的差距，主要表现在（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500800万之间，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。112丙烯酰胺聚合物的结构及性质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（即构象）的易变性，如分子量710万的PAM，其分子链伸直后的长径比高达10的5次方，相当于直径1MM、长100M的细丝。可以想象，这样大长径比的柔性分子链是极易卷曲的，分子链之间也易发生缠结。2分子链上具有与丙烯酰胺单元数相同的侧基酰胺基，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，如酰胺基的高极性使PAM具有良好的亲水性和水溶性，其水凝胶亲水而不溶于水；柔顺的长链使PAM水溶液具有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（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，拓宽了它们的应用范围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。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。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）水溶液聚合在丙烯酰胺的聚合方法中，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。引发体系丙烯酰胺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。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，以及胺、特丁基过氧化氢2OH,一三氨基甲酰乙基胺或疏基乙醇、尿素、硫脉等有机一无机物组成3NAHSO82K的引发体系。用高价金属盐与有机物组成的体系亦不少。这些体系的特点是反应活性高，适于常温聚合。在此不做过多的说明，结合实际与效益，本次设计我们采用了过硫酸钾与N，N亚甲基双丙烯酰胺。PH值丙烯酰胺聚合中，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PH2，聚合易伴生分子内和分子间的亚酰胺化反应，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酰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。（2）反向乳液聚合水溶性单体丙烯酰胺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丙烯酰胺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还原体系引发，有人认为聚合物的分子量与的浓度无关，分子量较水溶液聚合为低。最近的一份报告指出，采用2OSK环己烷和一种非离子表面活性剂作为乳化剂，以作为引发剂，在3040及浓2OSK度50条件下可得到分子量大于1000万的速溶型粉状PAM。（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的毒性来自残余的丙烯酰胺单体。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。114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PAM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L1列出世界PAM生产能力分析。表12列出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11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122005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氰特纳尔料SNF斯托豪森三F英国布拉布拉福德英国布拉布拉福德法国法兰克福法国安德烈津克德国克雷菲尔德意大利602510642629美国汽巴精化氰特纳尔料SNF弗吉尼亚州萨福克阿拉伯马州莫比尔路易斯安那州加利维尔乔治亚州赖斯波罗54222070日本荒川化工DANNX橘磨化工日本大阪日本新泻日本071211亚太中国石油中国石化SNF大庆，恒聚胜利泰兴30，303230国外PAM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PAM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PAM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13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。115应用研究现状由于PAM结构单元中含有酰胺基、易形成氢键，使其具有良好的水溶性和很高的化学活性，易通过接枝或交联得到支链或网状结构的多种改性物质，PAM及其衍生物可作为增粘剂、增稠剂、絮凝剂、油水分离剂、纸张增强剂和液体的减阻剂等，并且广泛应用于石油开采、水处理、造纸、纺织、印染、选矿、洗煤、医药、制糖、建材、农业等领域之中。其主要用途已发展到约27个领域，享有“工业味精”、“酉业助剂”之美誉。国外目前主要应用在水处理、造纸、矿山、冶金等；国内目前用量最大的是采油领域，用量增长最快的是水处理领域和造纸领域。本文评述已报道的PAM研究成果较为成熟的应用情况。1PAM在防治水土流失提高土壤保肥能力的应用在土壤中添加PAM，在一定的条件下其能够很好的改良土壤的物理性能、提高土壤的导水性能和土壤表层的抗蚀能力及抗冲性，从而达到防治水土流失的目的。此法对于防治土壤流失具有见效快、成本低的特点，特别是对防止无植被或少植被覆盖裸土的水蚀和减小径流等具有重要的应用价值。目前在研究黄土高原的水土流失治理中有多个课题正研究对土壤入渗问题，有望在不久就会取得重大进展。除此之外其还有提高土壤保肥能力的作用，王辉等通过试验发现PAM处理可减少泥沙中硝态氮、速效磷和速效钾的流失量，分别为78、95和95之处后土壤侵蚀量降低，因此养分随土壤的流失量也大大降低。2PAM造纸行业中的应用近年来，PAM作为一种能在水中溶解形成溶液的高分子，具有性能优异、使用方便、有利于环保等诸多优点，已在造纸工业中发挥了重大作用。其中一个重要作用便是作为纸张的增强剂；此外，还被大量用作助留剂、助滤剂、处理造纸废水用的絮凝剂、纤维分散剂等。目前，用于造纸工业中的PAM其分子量范围一般在12000万数量级，而作为纸张增强剂的适当分子量一般在10万100万之间。这是由于PAM使用时，其结构中所带的酰胺基极易与浆料纤维素结构中的羟基之间形成大量氢键而使纸页强度得到提高。3PAM凝胶在纳米粉体制备中的应用纳米粉体材料的发展非常迅速，其应用也日渐广泛，潜在的发展能力不可估量。制备粒径均匀可控的粉体对于纳米材料的研究就显得至关重要。使用PAM凝胶法制备粉体材料可以控制粉体粒径，并可进行有选择掺杂而且原料还廉价易得。但在面对其优点的同时，我们应高度重视该方法采用原料有毒性的缺点。故在采用该方法制备粉体时应注意安全4PAM在开采石油中的应用高分子量大的部分水解的PAM可以提高油田注入液的黏度、调整水油流度比、改善油藏的非均质性、提高注人液的波及系数，因此其被广泛用作三次采油中的聚合物驱油剂。但部分水解PAM在实际应用中也存在一些问题，如耐温抗盐性能差等。5PAM类吸水树脂及其凝胶材料因具有同类材料所不具备的特性，从研究情况来看，国外对该类材料的应用研究比较全面、深人，而国内的研究工作基本处于起步阶段。姜绍通等将甘薯淀粉接枝丙烯酰胺吸水树脂用于玉米种子发芽试验，试验结果表明，用树脂包衣的玉米种子比未包衣的玉米种子的发芽率提高10以上。胡三清等以丙烯酸、丙烯腊、丙烯酞胺及乙烯基有机硅交联剂等合成了一种新型吸水性树脂，该树脂用于石油开采过程封堵高渗层大孔道水层，取得了很好的应用效果。此外，PAM水凝胶作为医用软组织填充材料，已经获得了临床应用，目前该领域的研究仍在发展，BBJIONATHH等的研究发现，经过I射线辐照和热处理的聚丙烯酞胺水凝胶植入动物机体内可长时间保持自身形态，且植入这种凝胶后，组织反应极其微小。116发展方向目前国内关于PAM及其凝胶材料的研究虽然取得了一些进展，也有大量文献报道，根据国内外材料工作者在PAM及其凝胶材料方面所做的大量工作以及研究的进一步深人，国内专家建议该类材料的研究将侧重于以下几个方向1结合现状，由于我国特别是西北地区水土流失举世瞩目，并且许多地方出现了不同程度的沙漠化。要建立山川秀美的大西北首先必须保水保土保肥，特别是在无植被条件下采取短期有效的工程措施和化学措施尤为重要。国内外在使用PAM防治土壤水土流失方面取得了一定的成果，但现在还处于实验阶段没有大面积的推广应用，相信在不久的将来它会得到广泛的应用的，能够更好的造福于我们人类。2利用PAM改良土壤也有很大的发展潜力，该技术不仅操作简单，成本收益较高，而且生态环境效益良好。但是，当前关于PAM重复利用效率，以及其与PC、麦秸等混合施用时的效益，PAM与肥料、杀虫剂等混合施用后防止农用化学肥料、杀虫剂等流失的效果，以及对不同作物质量和产量的影响等实用研究尚不全面，故对于PAM作用机理等的研究还有待进一步深入了解。我国疆域辽阔，在不同的地区其地形地貌、土质、植被、气候条件有显著的差异，这就需要在不同地区开展PAM来改良土壤的针对性实用试验，建立一套规范体系，以便为大范围推广应用PAM改良土壤提供完善的技术指导，使其潜能的到充分的利用。3PAM在石油开采中的应用也有巨大的发展潜力，针对目前我国的大部分油田开采已经进入了中后期，综合含水率高，高温和高盐油藏多，但是目前的聚合物产品还不能适用于三类以上油藏，为更好的发展，故迫切需要新型的耐温抗盐、抗剪切的聚合物驱油剂。此外，由于采油成本的制约，新型聚合物的成本还要经济合理，因此PAM单体应参与新型聚合物的共聚，以降低新型聚合物的生产成本，并且超高相对分子质量PAM的耐温耐盐单体共聚物和梳形辫状聚合物又具有良好的耐高温抗盐的性能，因此极有可能成为高温、高盐油藏的驱油剂。此外，国内关于PAM类吸水性树脂及其凝胶材料的研究虽然取得了一些进展，也有大量文献报道，虽然大部分工作都侧重于工艺的研究以及提高产品的吸水性及耐盐性上，且多为实验室成果，与国外相比，在理论研究、应用研究及工业化生产等方面还有很大差距，但这也意味着随着研究的不断深入，PAM吸水性树脂的应用很有可能将成为新的发展方向之一。12可行性分析石油工业是国民经济的支柱产业，是经济发展的重要保证之一。我国石油资源相对较少，而三次采油是我国保证石油供应的重要措施，因此进行PAM生产工艺设计的研究，使我国PAM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PAM质和量的要求就显得很有必要了，此外PAM在水处理行业具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场，综上所述PAM的生产工艺设计对我国经济发展具有相当大的重要性。13设计原则131设计依据（1）课程设计的内容年产800TPAM生产工艺设计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。聚合的工艺条件和生产方法的选择。进行物料衡算、热量衡算以及后处理工序的干燥计算。经济效益计算以及相关的环保问题（2）课程设计的要求与依据课程设计是高等学校培养学生的最后一个极其重要的教学环节，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，所有计算部分都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NCH2CHCONH2CH2CH（CONH2）N引发剂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，聚合时单体浓度控制在12以内。温度输送到聚合釜聚合，聚合温度达55左右。杂质体系中杂质主要有未反应单体、水、空气中的氧等。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。2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、交联剂丙烯酰胺分子量7108；形态片状晶体；密度122KG/L；熔点845；沸点125；蒸汽压PA；蒸汽密度246（空气1）；聚合热510398151KJ/MOL；闪点138；平衡含水量17G水/KG干PAM。水密度9981KG/M；比焓2093KJ/MOL；比热容474103J/；热导KG率648102W/；黏度5494106PAS；表面张力6769104N/M。KM引发剂（过硫酸钾）无色或白色结晶，无气味，在约100时全部分解，可溶于水，不溶于乙醇，水溶液呈酸性；相对密度2477，有强氧化性，与有机物摩擦或撞击能引起燃烧，有强刺激性。交联剂（N，N亚甲基双丙烯酰胺）N,N亚甲基双丙烯酰胺，白色粉末状结晶。无气味，吸湿性极小。对光敏感。遇高温或强光则自交联，微溶于水，溶于乙醇。密度为1352KG/L22PAM物理及化学性质221PAM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PAM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。222PAM的物理性质密度1302G/CM3；临界表面张力3540MN/M；玻璃化温度188；软化温度210。223PAM的性能PAM具有良好的亲水性和水溶性，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。224PAM性能指标查阅文献可知，PAM性能指标为，固含量879，最小颗粒（015MM）096，不溶物019，黏度（MPAS）230，分子量2107，水解度302，滤过比144，筛网系数305，溶解时间H2，分布宽度12。3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、交联剂、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。该工艺路线包括了自由基形成、链增长过程和网状结构的交联，以及考虑水分的干燥，对于操作方式则定为间歇操作。312溶剂的选择因选择水溶液聚合法，故溶剂为水。313引发剂的选择工业最常采用的丙烯酰胺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，选择过硫酸钾。314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。32生产流程简述聚合工段主要由计量配料、聚合、干燥、研磨、输送包装等岗位组成。具体流程为先按照计算结果进行各原料的配置，然后进行聚合反应工序，采用间歇操作将部分溶剂先加入聚合釜中，随后将溶有交联剂的单体溶液按一定速度连续加入釜中，最后调配浓度至12；将事先调配好的引发剂溶液加入反应釜中；待溶液搅拌均匀后，控制温度在55左右，恒温反应3H；反应完全后，取出聚合产物，破碎、干燥、包装成品33生产制度考虑装置的大修，采用年工作日300D/A（24H/D）。全装置主要采用间歇操作方式，局部采用连续操作方式。全装置采用三班倒制，每班8小时工作制。34安全防护措施341聚合工段该工段使用的原料有丙烯酰胺、纯水以及过硫酸钾和N，N亚甲基双丙烯酰胺等，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04MPA。342后处理工段聚合反应完全后，合成产物为“肉片”类胶装，结合实际情况后处理工段的注意事项如下干燥装置在清理前要切断外接管线，切断电机，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。4工艺设计41物料衡算本次设计为年产量800T；年开工时间300D/A（24H/D）；单体总转化率视为100；原料在调配罐中AM溶液浓度60，聚合反应釜中AM浓度12；聚合釜反应温度为55，每批反应时间为3H。411工艺流程经过查阅文献和结合实际，最终得出了此次设计的工艺流程草图如图41图41丙烯酰胺水溶液聚合间歇操作工艺流程草图T101丙烯酰胺调配罐V101交联剂调配罐V102引发剂调配罐R101聚合反应箱P101、P102液体输送泵412各设备、工序变化1）V101、V102中为物料混合配制，无相变化和化学变化2）R101中单体在引发剂、交联剂作用下发生反应NCH2CHCONH2CH2CHCONH2N过硫酸钾N,N亚甲基双丙烯酰胺网状结构聚合中单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量无化学计量上的变化，引发剂、交联剂会结合到聚合物分子链上。413收集数据资料（1）结合实际情况，我们采用间歇操作，T101、V101、R101每天3批，V102由于引发剂用量很少，故每天配制一批即可，其原料的技术指标如表42表42原料技术指标项目内容技术指标单体水溶液浓度60（质量）引发剂用量025单体质量引发剂水溶液浓度50（质量）交联剂用量02单体质量聚合物后处理损失率2聚合质量（2）质量标准原料均视为纯物质。由于只对聚合工序做物料衡算，所以不考虑产品的其他质量指标。414选择计算基准与计算单位由于所选取的是间歇操作过程，所以基准为“批”，单位为B/D，绝大部分设备的操作周期为3B/D，只有V102（引发剂调配罐）是1B/D。由于引发剂向R101进料周期仍与其他设备相同，故物料衡算时，物料的数量仍以3B/D计算。在设备工艺计算时，4MV102的体积大小应按1B/D处理量进行计算。415确定计算顺序由于产物与原料间的化学计量关系，整个工艺过程都比较简单，容易得到产量与单体原料投料量间比例关系，故采用顺流程的计算顺序。416计算主要原料（丙烯酰胺）投料量该生产装置年产量800T，年开工300D，每天三批，后处理聚合物损失率为2，每批应生产聚合物量90703KG/B38091（1）引发剂（025单体质量）、交联剂（02单体质量）全部聚合到聚合物中（2）单体转化率可视为100，且单体相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同（3）丙烯酰胺的投料量90297KG/B9073125417顺流程逐个设备展开计算（1）T101丙烯酰胺溶液调配罐物料衡算M360单体溶液M1M2单体90297KG/BH2O9029760198KG/B046合计9029760198150495KG/B（2）V101交联剂调配罐物料衡算M5待聚合液M3M4单体90297KG/BH2O60198KG/B交联剂9029702181/B合计9029760198181150676/B（3）R101（聚合反应器）物料衡算M5待聚合液M3M4150676KG/BM6H2O已知60AMAQ最终需稀释成12AMAQ才释放引发剂反应，则需水B9029760198181452601347KG/B0812M7引发剂水溶液已知引发剂用量025单体质量、引发剂水溶液浓度50（质量）引发剂90297025226KG/BH2O226KG/B合计226225452KG/BM8聚合物混合液H2O60134760198226661771KG/B聚合物9029718122690704KG/B与任务90703KG/B相符合计90704661771752475KG/B对R101做全物料平衡计算，进行校核，由物料守恒定律有M5M6M7M8即150676601347452752475KG/BM8符合物料衡算（4）V102（引发剂调配罐）物料衡算已知引发剂溶液每天配置一批，供三批反应使用。M9引发剂2263678KG/BM10H2O2263678KG/B418整理并核对计算结果对聚合工序做全物料平衡计算进行校核，由物料守恒有M1M2M4M6M7M89029760198601347181452752475KG/B由计算结果知聚合工序的物料衡算过程正确419整理绘制图表结合工艺流程草图和物料衡算过程可得出物料流程示意图如图43图43丙烯酰胺水溶液聚合间歇操作物料流程示意图经过物料衡算后，可将衡算结果整理如表44表44丙烯酰胺水溶液聚合间歇操作物料平衡表物流号单体H2O引发剂交联剂聚合物合计M19029790297M26019860198M39029760198150495M4181181M59029760198181150676M6601347601341M7226226452M866177190704752475M9226226M1022622642、热量衡算PAM的生产可分为多个工序，只有聚合反应这一生产工序有一定的能量变化，因此只需计算聚合反应工序。整个过程均采用25作为基准温度，生产1批PAM产品各工序的原料需求情况按物料衡算表中计算。421聚合反应工序已知丙烯酰胺单体溶液（混有交联剂）进料温度为25，并且丙烯酰胺的聚合热为8151KJ/KGK,水的比热容为418KJ/KGK，聚合物混合物出料温度为55，聚合物平均比热容为345KJ/KGK。输入的热量包括丙烯酰胺单体引入的热量，丙烯酰胺聚合的聚合反应入总Q1入Q放热，其计算结果如下2入由于温度基准等于单体进料温度都为25，所以0TMC1入KJQ27103546887905182入则输入的总热量为JQK27103546821入入入总输出的热量包括聚合物带走的热量，水带走的热量为，计算结果出总Q出2出Q如下JK40935725970431）（出861682）（出其中，热损耗为总热量的4422工序热量衡算整理综合上述可知，在各生产工序中只有聚合反应这一工序有热量的变化，经过热量衡算后可整理出PAM的生产工序的热量衡算结果如表45表45生产PAM的工序热量衡算工序名称输入KJ输出KJ聚合1入Q01出Q93457402入1035468272出829860835干燥在聚合反应完全的产物即聚丙烯酰胺呈“肉片状”胶体，为确保产品质量，将依序进入后处理工段，最后包装成品。51工艺流程聚合粉碎（颗粒小于3MM）干燥包装成品52干燥方法干燥采用振动流化床干燥，分两级干燥，首先固含量由于低于70，为节约时间采用120热风预干燥25MIN；随后由于固含量高于70，为保证产品品质，采用78热风干燥30MIN，最后干燥后的产品固含量高达90。53干燥计算初始含水量为80，且两段干燥过程均视为等焓过程，详细干燥过程如表51表51两段干燥过程含水量变化蒸发水量产量备注一段干燥32391BKG12961BKG（其中含30水）二段干燥288110081（其中含10水）一段干燥产品进料温度25预热器干燥器汽化每千克水所需绝干空气量，即L201H由IB101188H0T12490H010118800061202490000613749KJ/KG绝干气IC101188H2T22490H2等焓过程，IBIC，联立上面两式得H200241KG水/KG绝干气T2735552KG绝干气/KG水L2011406所以每批需要的绝干气总KGL518329空气流速S1605总U汽化每千克水所需供热量Q为QIBIALDLQ其中，IA101188H0T12490H0101188000625249000064047KJ/KG绝干气QIBIA552（137494047）5355（KJ/KG水）L故一段干燥所需热量Q20Q329KG/B1710KJ/85BKJ710一段干燥完后进入二段干燥区，其中一段干燥的废弃经旋风分离器净化后由排气机排至大气，进入第二赶早去的热空气温度为78，最后以50离开干燥器。预热器干燥器汽化每千克水所需绝干空气量，即L201HIB101188H0T12490H0101188000678249000069450KJ/KG绝干气IC101188H2T22490H2等焓过程，IBIC，联立上面两式得H200171KG水/KG绝干气901KG绝干气/KG水L201H1706所以每批需要绝干气总KG12894L空气流速为S603总U汽化每千克水所需供热量Q为QIBIAL其中，IA101188H0T02490H0101188000625249000064047KJ/KG绝干气QIBIA90