【導(dǎo)讀】本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。年產(chǎn)800噸聚丙烯酰胺生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。學(xué)院輕工化工學(xué)院。專(zhuān)業(yè)食品科學(xué)與工程。聚丙烯酰胺在水處理行業(yè)和石油開(kāi)采等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。和巨大的潛在市場(chǎng)，聚丙烯酰胺的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有相。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。指導(dǎo)教師姓名崔亦華職稱(chēng)副教授日期2020年2月14日。責(zé)任人簽章主管院長(zhǎng)簽章。發(fā)出任務(wù)書(shū)日期：2020年2月28日指導(dǎo)教師簽名：崔亦華。預(yù)計(jì)完成日期：2020年5月31日專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人簽章：。通過(guò)物料衡算、熱量衡算初步確定設(shè)備選型。4確定干燥、包裝等后處理工段。5環(huán)保問(wèn)題以及概算與技術(shù)經(jīng)濟(jì)的計(jì)算

　　

【正文】 PAM 單元數(shù)目相同的側(cè)基 —酰胺基，而酰胺基具有極高的極性、易形成氫鍵和高反應(yīng)活性。 PAM 的物理性質(zhì) 密度： ；臨界表面張力： 35～ 40mN/m；玻璃化溫度： 188℃ ；軟化溫度：210℃ 。 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(diào)節(jié)性；酰胺基極易與水或含有 —OH 基團(tuán)的物質(zhì)形成氫鍵，產(chǎn)生很強(qiáng)的吸附作用； 13 酰胺基的高反應(yīng)活性可使 PAM 衍生出很多變性產(chǎn)物。 PAM 性能指標(biāo) 查閱文獻(xiàn)可知， PAM 性能指標(biāo)為，固含量： ，最小顆粒（ ）： ，不溶物 %： ，黏度（ mPaS）： ，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。 143 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 3． 1 工藝路線(xiàn)確定 聚合方法的確定 根據(jù)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，從自由基聚合、陰離子聚合、陽(yáng)離子聚合、配位聚合等反應(yīng)機(jī)理中確定選擇出自由基聚合，同時(shí)考慮自由基聚合所用原料、引發(fā)劑、交聯(lián)劑、傳熱、物料輸送、產(chǎn)物溶解、操作方式等方面綜合考慮選擇水溶液聚合實(shí)施方法。該工藝路線(xiàn)包括了自由基形成、鏈增長(zhǎng)過(guò)程和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)，以及考慮水分的干燥，對(duì)于操作方式則定為間歇操作。 溶劑的選擇 因選擇水溶液聚合法，故溶劑為水。 引發(fā)劑的選擇 工業(yè)最常采用的丙烯酰胺聚合引發(fā)劑使氧化還原引發(fā)體系。該體系大概有兩種：一是無(wú)機(jī)過(guò)氧化物與氧化劑組成；二是有機(jī)組成的氧化還原引發(fā)體系。因?yàn)槿軇樗途酆戏磻?yīng)活化能考慮，選擇過(guò)硫酸鉀。 自由基反應(yīng)方式 引發(fā)劑在較低溫度下即可產(chǎn)生自由基，反應(yīng)活化能低，在較低溫度（ 0—50℃ ）引發(fā)聚合，引發(fā)速率快，對(duì)溫度依賴(lài)性小。 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。 具體流程為： 先按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行各原料的配置，然后進(jìn)行聚合反應(yīng)工序，采用間歇操作： ① 將部分溶劑先加入聚合釜中，隨后將溶有交聯(lián)劑的單體溶液按一定速度連續(xù)加入釜中，最后調(diào)配濃度至 12％； ② 將事先調(diào)配好的引發(fā)劑溶液加入反應(yīng)釜中； ③ 待溶液攪拌均勻后，控制溫度在 55℃ 左右，恒溫反應(yīng) 3h； ④ 反應(yīng)完全后，取出聚合產(chǎn)物，破碎、干燥、包裝成品 15 生產(chǎn)制度 考慮裝置的大修，采用年工作日 300d/a（ 24h/d）。 全裝置主要采用間歇操作方 式，局部采用連續(xù)操作方式。 全裝置采用三班倒制，每班 8 小時(shí)工作制。 安全防護(hù)措施 3． 4． 1 聚合工段 該工段使用的原料有丙烯酰胺、純水以及過(guò)硫酸鉀和 N， N’亞甲基雙丙烯酰胺等，根據(jù)這些原料的性質(zhì)，查閱《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《化工生產(chǎn)安全與防護(hù)》等確定車(chē)間火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)為乙級(jí)；車(chē)間建筑屬于一類(lèi)工業(yè)建筑。 設(shè)計(jì)中電氣設(shè)備一律選用隔爆式電氣設(shè)備；各設(shè)備均有接地線(xiàn)、跨接線(xiàn)等防靜電設(shè)施及防雷設(shè)施；各崗位設(shè)有排風(fēng)系統(tǒng)。此外，還應(yīng)注意以下問(wèn)題： ① 車(chē)間內(nèi)禁止使用明火；禁止穿 帶釘子鞋進(jìn)入裝置現(xiàn)場(chǎng)；禁止吸煙；禁止隨意使用鐵器碰擊設(shè)備；機(jī)動(dòng)車(chē)未經(jīng)許可不的進(jìn)入廠區(qū)。 ② 生產(chǎn)人員必須熟悉相關(guān)崗位消防設(shè)施的種類(lèi)及存放位置，并能熟練正確使用，了解現(xiàn)場(chǎng)物料的性質(zhì)。 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。 ④ 生產(chǎn)人員在生產(chǎn)過(guò)程中要即使檢查，消除漏點(diǎn)。 ⑤ 設(shè)備跑料、儲(chǔ)罐冒頂應(yīng)立即采取緊急措施，切斷物料來(lái)源，控 制現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)回收流失物料，消除危險(xiǎn)。 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)。 ⑦ 在生產(chǎn)裝置檢修敲打設(shè)備的時(shí)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。 ⑧ 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)禁止存放大量易燃易爆物品。 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 %。 ⑩ 各儲(chǔ)罐裝料不得超過(guò)規(guī)定裝料系數(shù)，而且要有氮?dú)獗Ｗo(hù)。 常壓罐保壓 不超過(guò)，受壓罐保壓 。 16 后處理工段 聚合反應(yīng)完全后，合成產(chǎn)物為 “肉片 ”類(lèi)膠裝，結(jié)合實(shí)際情況后處理工段的注意事項(xiàng)如下： ① 干燥裝置在清理前要切斷外接管線(xiàn)，切斷電機(jī)，并分析可燃物濃度含氧量等，合格后人員方可入內(nèi)。 ② 后處理的電器、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備多，生產(chǎn)人員上崗必須穿好工作服戴好安全冒。所有電器設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中禁止用手亂動(dòng)。 ③ 生產(chǎn)工作服內(nèi)禁止帶東西，防止落入設(shè)備內(nèi)影響生產(chǎn)。 ④ 設(shè)備檢修要有動(dòng)火票，并有專(zhuān)人監(jiān)護(hù)，切斷電源，嚴(yán)禁啟動(dòng)。 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。 17 4 工藝 設(shè)計(jì) 物料衡算 本 次設(shè)計(jì)為年產(chǎn)量 800t；年開(kāi)工時(shí)間 300d/a（ 24h/d） ；單體總轉(zhuǎn)化率 視為 100%；原料 在調(diào)配罐中 AM 溶液濃度 60%， 聚合反應(yīng) 釜中 AM 濃度 12%；聚合釜 反應(yīng) 溫度 為55℃ ，每批反應(yīng)時(shí)間為 3h。 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。亞甲基雙丙烯酰胺 18網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 聚合中單體相對(duì)分子質(zhì)量與聚合物結(jié)構(gòu)單元相對(duì)分子質(zhì)量無(wú)化學(xué)計(jì)量上的變化，引發(fā)劑、交聯(lián)劑會(huì)結(jié)合到聚合物分子鏈上。 收集數(shù)據(jù)資料 （ 1）結(jié)合實(shí)際情況，我們采用 間歇操作， T10 V10 R101 每天 3 批， V102 由于引發(fā)劑用量很少，故每天配制一批即可 ，其原料的技術(shù)指標(biāo)如表 ： 表 原料技術(shù)指標(biāo) 項(xiàng)目?jī)?nèi)容 技術(shù)指標(biāo) 單體水溶液濃度 60%（質(zhì)量） 引發(fā)劑用量 %單體質(zhì)量 引發(fā)劑水溶液濃度 50%（質(zhì)量） 交聯(lián)劑用量 %單體質(zhì)量 聚合物后處理?yè)p失率 2%聚合質(zhì)量 （ 2）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：原料均視為純物質(zhì)。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)。 選擇計(jì)算基準(zhǔn)與計(jì)算單位 由于所選取的是間歇操作過(guò)程，所以基準(zhǔn)為 “批 ”，單位為 B/d，絕大部分設(shè)備的操作周期為 3B/d，只有 V102（引發(fā)劑調(diào)配罐）是 1B/d。由于引發(fā)劑向 R101 進(jìn)料周期仍與其他設(shè)備相同，故物料衡算時(shí)，物料 4M 的數(shù)量仍以 3B/d 計(jì)算。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。 確定計(jì)算順序 由于產(chǎn)物與原料間的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，整個(gè)工藝過(guò)程都比較簡(jiǎn)單，容易得到產(chǎn)量與單體原料投料量間比例關(guān)系，故采用順流程的計(jì)算順序。 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。 M9 (引發(fā)劑 )： 3=M10(H2O)： 3= 整理并核對(duì)計(jì)算結(jié)果 對(duì)聚合工序做全物料平衡計(jì)算進(jìn)行校核，由物料守恒有： M1＋ M2＋ M4＋ M6＋ M7=M8 ＋ ＋ ＋ ＋ =由計(jì)算結(jié)果知聚合工序的物料衡算過(guò)程正確 整理繪制圖表 結(jié)合工藝流程草圖和物料衡算過(guò)程可得出物料流程示意圖如圖 ： 圖 丙烯酰胺水溶液聚合間歇操作物料流程示意圖 21 經(jīng)過(guò)物料衡算后，可將衡算結(jié)果整理如表 ： 表 丙烯酰胺水溶液聚合間歇操作物料平衡表 物流號(hào) 單體 H2O 引發(fā)劑 交聯(lián)劑 聚合物 合計(jì) M1 — — — — M2 — — — — M3 — — — M4 — — — — M5 — — M6 — — — — M7 — — — M8 — — — M9 — — — — M10 — — — — 、熱量衡算 PAM 的生產(chǎn)可分為多個(gè)工序，只有聚合反應(yīng)這一生產(chǎn)工序有一定的能量 變化，因此只需計(jì)算聚合反應(yīng)工序。整個(gè)過(guò)程均采用 25℃ 作為基準(zhǔn)溫度，生產(chǎn) 1 批 PAM 產(chǎn)品各工序的原料需求情況按物料衡算表中計(jì)算。 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)。 輸入的熱量 入總Q 包括：丙烯酰胺單體引入的熱量 1入Q ，丙烯酰胺聚合的聚合反應(yīng)放熱 2入Q ，其計(jì)算結(jié)果如下： 由于溫度基準(zhǔn)等于單體進(jìn)料溫度都為 25℃ ，所以 T MC1 ??入Q =0 kJQ 32 ????入 22則輸入的總熱量為： JQ 0 3 5 4 6 821 ??? 入入入總 輸出的熱量 出總Q 包括：聚合物帶走的熱量 1出Q ，水帶走的熱量為 2出Q ，計(jì)算結(jié)果如下： JQ 3 4 5 ???? ）（出 JQ 2 9 8 6 6 1 ???? ）（出 其中，熱損耗為總熱量的 4% 工序熱量衡算整理 綜合上述可知，在各生產(chǎn)工序中只有聚合反應(yīng)這一工序有熱量的變化，經(jīng)過(guò)熱量衡算后可整理出 PAM 的生產(chǎn)工序的熱量衡算結(jié)果如表 ： 表 生產(chǎn) PAM 的工序熱量 衡算 工序名稱(chēng) 輸入 kJ 輸出 kJ 聚合 1入Q 0 1出Q 2入Q 1035468.27 2出Q 3 23 5 干燥 在聚合反應(yīng)完全的產(chǎn)物即聚丙烯酰胺呈“肉片狀”膠體，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，將依序進(jìn)入后處理工段，最后包裝成品。 工藝流程 聚合 → 粉碎（顆粒小于 3mm） → 干燥 → 包裝成品 干燥方法 干燥采用振動(dòng)流化床干燥，分兩級(jí)干燥，首先固含量由于低于 70%，為節(jié)約時(shí)間采用 120℃ 熱風(fēng)預(yù)干燥 25min；隨后由于固含量高于 70%，為保證產(chǎn)品品質(zhì)，采用 78℃ 熱風(fēng)干燥 30min，最后干燥后的產(chǎn)品固含量高達(dá) 90%。 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 skg12060