聚丙烯酰胺工艺设计

聚丙烯酰胺工艺设计内容摘要：

﹢ NH3 C=O HO— C— O C=O C=O NH2 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。 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。 第二章 原料、产品的物理 及 化学性质 2． 1 原料 主要有丙烯酰胺 、纯水、引发剂。 ① 丙烯酰胺：分子量： ；形态：片状晶体；密度： ；熔点 ℃；沸点： 125℃；蒸汽压： 105Pa；蒸汽密度： （空气 =1）；聚合热： ；闪点 138℃；平衡含水量： (g 水 /kg 干 PAM)。 ② 水：密度： ；比焓： ；比热容： 103j/()；热导率： 102w/()；黏度： ；表面张力： 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 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。 2． 2． 2 PAM 的物理性质 密度： ；临界表面张力： 35～ 40mN/m；玻璃化温度： 188℃；软化温度： 210℃。 2． 2． 3 PAM 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。 2 .2 .4 PAM性能指标 表 21 项目 固含量 % 最 小 颗 粒 %（＜ ） 不溶物 % 黏度 分子量 水解度 % 滤过比 筛网系数 溶解时间 h 分布宽度 数值 2107 2 12 12 第三章 生 产流程简述 3． 1 工艺路线确定 3． 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。 3． 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。 3． 1． 3 溶剂的选择 因选择水溶液聚合法，故溶剂为水。 3． 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，选择偶氮二异丁腈（ E 总 =62kJ/mol）。 3． 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（ 0— 50℃ ）引发聚合，引发速率快，对温度依赖性小。 3． 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℃ ， 预制的原料经计量泵入通有氮气的聚合釜 ；在聚合釜内加引发剂，在氮气的氛围下开始聚合反应，反应后的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分拌和，让其水解；将水解后的溶胶装进干燥器干燥到要求的含水量，然后将干燥的聚合物冷却到所需温度以例破碎；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。 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：采用水溶液均聚的方法，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，再通过研磨、水解、研磨、干燥、筛分获得最终产品。 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。 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、平面布置图等。 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。 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。 3． 6 安全防护措施 3． 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 14 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： ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 生产人员在生产过程中要即使检查，消除漏点。 ⑤ 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。 ⑥ 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。 ⑦ 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。 ⑧ 生产现场禁止存放大量易燃易爆物品。 ⑨ 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 %。 ⑩ 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，受压罐保压。 3． 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： 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。 ③ 生产工作服内禁止带东西，防止落入设备内影响生产。 ④ 设备检修要有动火 票，并有专人监护，切断电源，严禁启动。 ⑤ 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。 第四章 工艺计算及主要设备选型 4． 1 物料衡算 4． 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≥ %；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≤ ；计量罐压力≤ ，泵压≤。 设计选用配方：单体 25%；引发剂 4 105%；水约 75%。 全装置总损耗 %，总收率 %。 损耗分配如下： 包装损失： % 除尘损失： % 研磨损失： % 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 聚合釜物料衡算图如下所示： 每小时产胶量 5000 1000247。 8000=625kg/h 需 30%的 AM 溶液 625247。 30%=2084kg/h AM 溶液料衡算 纯 水 AIBN 聚合釜 聚合釜 聚合釜 聚合釜 去研磨 16 按 %转化率计算 30%的 AM溶液及纯 AM 的需求量 AM溶液： 2084247。 %=2094kg/h 纯 AM ： 625247。 %=未反应 AM 单体的量 20942084=10kg/h 随 25%的 AM 溶液带入的水量 2094（ 130%） =设引发剂在聚合时全部反应， AIBN 用量 625 4 105%= 104kg/h 配料后溶液浓度为 25%，故纯水加入量 （ 625247。 %） 247。 =聚合釜物料衡算列 下 表 41 如下： 组 分 kg/h t/d t/a 进 料 30% AM 溶液 103 104 AIBN 104 106 104 纯 水 102 103 合 计 103 104 出 料 PAM 102 103 AM 101 101 水 103 104 合 计 103 104 一次。