【正文】 聚合反應(yīng)工序 已知丙烯酰胺單體溶液（混有交聯(lián)劑）進(jìn)料溫度為 25℃ ，并且丙烯酰胺的聚合熱為(kg? K),水的比熱容為 (kg? K)，聚合物混合物出料溫度為 55℃ ，聚合物平均比熱容為 (kg? K)。由于只對(duì)聚合工序做物料衡算，所以不考慮產(chǎn)品的其他質(zhì)量指標(biāo)。所有電器設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中禁止用手亂動(dòng)。 ⑥ 生產(chǎn)設(shè)備超壓時(shí)應(yīng)采取緊急排空措施，必須有專(zhuān)人監(jiān)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。 全裝置采用三班倒制，每班 8 小時(shí)工作制。 溶劑的選擇 因選擇水溶液聚合法，故溶劑為水。密度為 kg/L PAM 物理及化學(xué)性質(zhì) PAM 的結(jié)構(gòu) PAM 在結(jié)構(gòu)上最基本的特點(diǎn)是：（ 1）分子鏈具有柔順性和分子形狀的易變性。這些雜質(zhì)含對(duì)引發(fā)劑活性、聚合速度等產(chǎn)生 影響，還有一定毒性，因此要控制在一定指標(biāo)以下。通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙和說(shuō)明書(shū)能對(duì)所設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行闡述和論證。我國(guó)石油資源相對(duì)較少，而三次采 油是我國(guó)保證石油供應(yīng)的重要措施，因此進(jìn)行 PAM 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的研究，使我國(guó) PAM 生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)規(guī)模均提升到一個(gè)較高水平以滿(mǎn)足三次采油對(duì) PAM 質(zhì)和量的要求就顯得很有必要了，此外 PAM 在水處理行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在市場(chǎng)，綜上所述 PAM 的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有相當(dāng)大的重要性。國(guó)內(nèi)外在使用 PAM防治土壤水土流失方面取得了一定的成果 ，但現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)階段沒(méi)有大面積的推廣應(yīng)用，相信在不久的將來(lái)它會(huì)得到 廣泛的應(yīng)用的，能夠更好的造福于我們?nèi)祟?lèi)。故在采用該方法制備粉體時(shí)應(yīng)注意安全 (4)PAM在開(kāi)采石油中的應(yīng)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、調(diào)整水油流度比、改善油藏的非均質(zhì)性、提高注人液的波及系數(shù)，因此其被廣泛用作三次采油中的聚合物驅(qū)油劑。 (2)PAM造紙行業(yè)中的應(yīng)用：近年來(lái)， PAM作為一種能在水中溶解形成溶液的高分子，具有性能優(yōu)異、使用方便、有利于環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在造紙工業(yè)中發(fā)揮了重大作用。 應(yīng)用研究現(xiàn)狀 由于 PAM結(jié)構(gòu)單元中含有酰胺基、易形成氫鍵，使其具有良好的水溶性和很高的化學(xué)活性，易通過(guò)接枝或交聯(lián)得到支鏈或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多種改性物質(zhì)， PAM及其衍生物可作為增粘劑、增稠劑、絮凝劑、油水分離劑、紙張?jiān)鰪?qiáng)劑和液體的減阻劑等，并且廣泛應(yīng)用于石油開(kāi)采、水處理、造紙、紡織、印染、選礦、洗煤、醫(yī)藥、制糖、建材、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域之中。 1995 年底 , 大慶石油管理局從法國(guó) SNF 公司引進(jìn)的 5萬(wàn) t/aPAM生產(chǎn)裝置投產(chǎn) , 生產(chǎn)高分子量產(chǎn)品 ( 分子量為 1500 萬(wàn) ) , 特別是近幾年 , 勝利油田以及法國(guó) SNF 公司在我國(guó)泰興所建企業(yè)相繼建成投產(chǎn) ,使我國(guó) PAM的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)水平 有了大幅度提高 , 產(chǎn)品質(zhì)量符合油田注入聚合物驅(qū)采技術(shù)的要求。加上亞洲市場(chǎng) (日本除外 )及其他地區(qū) 2020年 25萬(wàn)噸左右的需求量，預(yù)時(shí) 2020年全球 PAM總需求量為 60萬(wàn)噸左右。其中 25％在西歐。具體為： ① 提高產(chǎn)品分子量和溶解性能：為提高產(chǎn)品分子量和溶解性能，應(yīng)采用高純單體。在較高 PH下，單體或聚合物分子中的酰胺基會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，使均聚物變成含丙烯酸鏈節(jié)的共聚物。 （ 1） 水溶液聚合 :在丙烯酰胺的聚合方法中，采用水溶液聚合的較多，主要涉及到引發(fā)體系、介質(zhì) PH、添加劑和單體濃度等。 丙烯酰胺聚合物的結(jié)構(gòu)及性質(zhì) PAM 在結(jié)構(gòu)上最基本的特點(diǎn)是： (1)分子鏈具有柔順性和分子形狀（即構(gòu)象）的易變性，如分子量 710 萬(wàn)的 PAM，其分子鏈伸直后的長(zhǎng)徑比高達(dá) 10 的 5 次方，相當(dāng)于直徑 1mm、長(zhǎng) 100m的細(xì)絲。而我國(guó)陽(yáng)離子產(chǎn)品僅占 10%。產(chǎn)品主要包括 HPAM、 CPAM、 NAM和梳型 PAM等，以 HPAM為主。 我國(guó) PAM產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)始于 20世紀(jì) 50年代末期。 關(guān)鍵詞 ：聚丙烯酰胺，物料衡算，工藝流程，效益評(píng)估 9Abstract After studied the PAM, its development history, structure and properties, the kinds of polymerization methods and the research status at home and abroad and the status quo of the application, production situation, market demand and application prospect are reviewed。 要考慮成本和環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)效益。 本課題主要內(nèi)容是對(duì) 聚丙烯酰胺 的生產(chǎn)工藝及工藝流程的設(shè)計(jì)和車(chē)間設(shè)計(jì)等。不夠填寫(xiě)可附紙。自 PAM在 1893年由實(shí)驗(yàn)室制得后，于 1954年在美國(guó)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè) 化生產(chǎn)，初期得產(chǎn)品僅室單一得非離子型 PAM。近 10年來(lái)我國(guó) PAM發(fā)展迅速，現(xiàn)成為世界生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量躍居世界首位，生產(chǎn)規(guī)模已達(dá)國(guó)際水平。 近些年來(lái)，隨著水凝膠材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用研究的不斷發(fā)展，以及為了提高 SAP的耐鹽性問(wèn)題，人們加強(qiáng)了對(duì) PAM類(lèi)吸水性樹(shù)脂及其凝膠材料的研究，使其種類(lèi)不斷增加，性能也不斷提高。在我國(guó)尚缺少系列化產(chǎn)品，因而應(yīng)用單一，這在造紙和不同水質(zhì)的處理種尤為突出；（ 2）生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)：我國(guó)隨有近 10家上萬(wàn)噸級(jí)的生產(chǎn)廠(chǎng)，產(chǎn)量占倒 90%。 PAM及其衍 3 生物都是通過(guò)丙烯酰胺的自由基聚合制成的均聚物或共聚物 。在此不做過(guò)多的說(shuō)明，結(jié)合實(shí)際與效益，本次設(shè)計(jì)我們采用 了過(guò)硫酸鉀與 N， N’亞甲基雙丙烯酰胺。決定粒子尺寸的因素主要是攪拌、分散穩(wěn)定劑和相比，反相懸浮聚合可采用熱引發(fā)或氧化還原體系引發(fā)，有人認(rèn)為聚合物的分子量與 222 OSK 的濃度無(wú)關(guān)，分子量較水溶液聚合為低。 ④ 制備用于生態(tài)建設(shè)和環(huán)保產(chǎn)業(yè)的 PAM產(chǎn)品。 表 世界 PAM生產(chǎn)能力分析（萬(wàn)噸 /年） 乳液和分散體 微 小 粉 末 溶 液 非 離 子 — — 陰 離 子 陽(yáng) 離 子 5 表 2020年 2月統(tǒng)計(jì)的世界各地區(qū) PAM主要生產(chǎn)能力（萬(wàn)噸 /年） 公司 地點(diǎn) 生產(chǎn)能力 西 歐 汽巴精化 氰特 納爾料 SNF 斯托豪森 三 F 英國(guó)布拉布拉福德 英國(guó)布拉布拉福德 法國(guó)法蘭克福 法國(guó)安德烈津克 德國(guó)克雷菲爾德 意大利 美 國(guó) 汽巴精化 氰特 納爾料 SNF 弗吉尼亞州薩?？? 阿拉伯馬州莫比爾 路易斯安那州加利維爾 喬治亞州賴(lài)斯波羅 日 本 荒川化工 DaNnx 橘磨化工 日本大阪 日本新瀉 日本 亞 太 中國(guó)石油 中國(guó)石化 SNF 大慶，恒聚 勝利 泰興 ， 國(guó)外 PAM的生產(chǎn)商主要有美國(guó)的陶氏化學(xué)公司、氰胺公司、聯(lián)合膠體公司、納爾科公司． 日本的日東化學(xué)公司、三井東壓公司，法國(guó) SNF圣泰公司．德國(guó)的斯托豪森公司、巴斯夫公司和英國(guó)的聯(lián)合膠體公司等。 然而，盡管 2020年有一些新增電力開(kāi)工，如果以后尚無(wú)新增能力建設(shè)的話(huà)，預(yù)計(jì)今后 5年內(nèi) PAM供應(yīng)仍將會(huì)感到短缺。而在國(guó)外作為一種環(huán)保產(chǎn)品 , PAM已被廣泛用于各種水處理中 , PAM應(yīng)用 7 的最大領(lǐng)域?yàn)樗幚硇袠I(yè) , 我國(guó)水處理技術(shù)和水處理劑的應(yīng)用水平與國(guó)外有很大差距 , 這也說(shuō)明 PAM在水處理行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿薮?。此法?duì)于防治土壤流失具有見(jiàn)效快、成本低的特點(diǎn)，特別是對(duì)防止無(wú)植被或少植被覆蓋裸土的水蝕和減小徑流等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。制備粒徑均勻可控的粉體對(duì)于納米材料的研究就顯得至關(guān)重要。此外， PAM水凝膠作為醫(yī)用軟組織填充材料，已經(jīng)獲得了臨床應(yīng)用，目前該領(lǐng)域的研究仍在發(fā)展， 等的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò) I射線(xiàn)輻照和熱處理的聚丙烯酞胺水凝膠植入動(dòng)物機(jī)體內(nèi)可長(zhǎng)時(shí)間保持自身形態(tài)，且植入這種凝膠后，組織反應(yīng)極其微小。此外，由于采油成本的制約，新型聚合物的成本還要經(jīng)濟(jì)合理，因此 PAM單體應(yīng)參與新型聚合物的共聚，以降低新型聚合物的生產(chǎn)成本，并且超高相對(duì)分子質(zhì)量 PAM的耐溫耐鹽單體共聚物和梳形 辮狀聚合物又具有良好的耐高溫抗鹽的性能，因此極有可能成為高溫、高鹽油藏的驅(qū)油劑。 ④ 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算以及相關(guān)的環(huán)保問(wèn)題 （ 2）課程設(shè)計(jì)的要求與依據(jù) 課程設(shè)計(jì)是高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生的最后一個(gè)極其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，在課程設(shè)計(jì)中培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力，不斷提高學(xué)生制圖、運(yùn)算、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、查閱文獻(xiàn)資料、編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)等技能。 ① 單體濃度：根據(jù)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，聚合時(shí)單體濃度控制在 12%以?xún)?nèi)。無(wú)氣味，吸濕性極小。S）： ，分子量： 2107， 水解度 %： ，濾過(guò)比： ，篩網(wǎng)系數(shù)： ，溶解時(shí)間 h： 2，分布寬度： 12。 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 聚合工段主要由計(jì)量配料、聚合、干燥、研磨、輸送包裝等崗位組成。 ③ 生產(chǎn)人員上崗必須佩帶好勞動(dòng)保護(hù)用品，在接觸丙烯線(xiàn)胺等有毒化合物時(shí)必須帶好手套、面具及其他防護(hù)用品。 常壓罐保壓 不超過(guò)，受壓罐保壓 。 工藝流程 經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)和結(jié)合實(shí)際，最終得出了此次設(shè)計(jì)的工藝流程 草圖如圖 ： 圖 丙烯酰胺水溶液聚合間歇操作工藝流程草圖 T101丙烯酰胺調(diào)配罐 V101交聯(lián)劑調(diào)配罐 V102引發(fā)劑調(diào)配罐 R101聚合反應(yīng)箱 P10 P102液體輸送泵 各設(shè)備、工序變化 (1） V10 V102 中為物料混合配制，無(wú)相變化和化學(xué)變化 (2） R101 中單體在引發(fā)劑、交聯(lián)劑作用下發(fā)生反應(yīng)： nCH2=CHCONH2 [－ CH2－ CH(CONH2)]n 過(guò)硫酸鉀 N,N39。 計(jì)算主要原 料 （丙烯酰胺）投料量 該生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量 800t，年開(kāi)工 300d，每天三批，后處理聚合物損失率為 2%，每 19 批應(yīng)生產(chǎn)聚合物量 = 10300 3???=（ 1）引發(fā)劑（ %單體質(zhì)量）、交聯(lián)劑（ %單體質(zhì)量）全部聚合到聚合物中 （ 2）單體轉(zhuǎn)化率可視為 100%，且單體相對(duì)分子質(zhì)量與聚合物結(jié)構(gòu)單元相對(duì)分子質(zhì)量相同 （ 3）丙烯酰胺的投料量 = 1 ??= kg/B 順流程逐個(gè)設(shè)備展開(kāi)計(jì)算 （ 1） T101 (丙烯酰胺溶液調(diào)配罐 )物料衡算： M3(60%單體溶液 )=M1＋ M2 單體： ： =合計(jì)： ＋ =（ 2） V101(交聯(lián)劑調(diào)配罐 )物料衡算： M5(待聚合液 )=M3＋ M4 單體： ： 交聯(lián)劑： %=合計(jì)： ＋ ＋ =（ 3） R101（聚合反應(yīng)器）物料衡算： M5(待聚合液 )=M3＋ M4=M6(H2O)：已知 60%AM(aq)最終需稀釋成 12%AM(aq)才釋放引發(fā)劑反應(yīng)， 則需水 B： － － － =M7(引發(fā)劑水溶液 )： 已知引發(fā)劑用量 =%單體質(zhì)量、引發(fā)劑水溶液濃度 =50%（質(zhì)量） 引發(fā)劑： %=H2O： 合計(jì)： ＋ =M8(聚合物混合液 ): 20H2O： ＋ ＋ =聚合物： ＋ ＋ =(與任務(wù) ) 合計(jì)： ＋ =對(duì) R101 做全物料平衡計(jì)算，進(jìn)行校核，由物料守恒定律有： M5＋ M6＋ M7=M8 即： ＋ ＋ =(符合物料衡算 ) （ 4） V102（引發(fā)劑調(diào)配罐）物料衡算： 已知：引發(fā)劑溶液每天配置一批，供三批反應(yīng)使用。 干燥計(jì)算 初始含水量為 80%，且兩段干燥過(guò)程均視為等焓過(guò)程 ，詳細(xì)干燥過(guò)程如表 ： 表 兩段干燥過(guò)程含水量變化 蒸發(fā)水量 產(chǎn)量 備注 一段干燥 3239 1??Bkg 1296 1??Bkg （其中含 30%水） 二段干燥 288 1??Bkg 1008 1??Bkg （其中含 10%水） 一段干燥：產(chǎn)品進(jìn)料溫度： 25℃ 汽化每千克水所需絕干空氣量 l ，即 l = 201HH? 由 IB=(＋ )t1＋ 2490H0 預(yù)熱器 干燥器 24=(+)120+=(kJ/kg 絕干氣 ) IC=(＋ )t2＋ 2490H2 等焓過(guò)程， IB= IC，聯(lián)立上面兩式得： H2= 水 /kg 絕干氣 t2=℃ l = 201HH? = ? = 絕干氣 /kg 水 所以每批需要的 絕干氣總 kgll 2 3 9 ???? 空氣流速 skg1206025 。在 設(shè)備工藝計(jì)算時(shí)，V102 的體積大小應(yīng)按 1B/d 處理量進(jìn)行計(jì)算。 ⑤ 成品倉(cāng)庫(kù)禁止吸煙、使用明火，非崗位人員禁止入內(nèi)，庫(kù)內(nèi)要經(jīng)常保持衛(wèi)生。 ⑨ 設(shè)備開(kāi)車(chē)前必須使用氮?dú)庵脫Q，聚合系統(tǒng)內(nèi)氧含量必須小于 %。此外，還應(yīng)注意以下問(wèn)題： ① 車(chē)間內(nèi)禁止使用明火