苏ICP备112451047180号-6
年产10万吨聚丙烯酰胺生产工艺设计
用作增稠剂，絮凝剂，减阻剂，具有凝胶，沉降，补强等作用。聚丙烯酰胺最好是贮存于阴凉，通风，干燥的库房内，注意防潮、避光、防热，另外存放的时间不能过长。产品使用特性:(1)絮凝性：PAM能使悬浮物质通过电中和，产生架桥吸附，起絮凝作用。（2）粘和性：能通过机械的，物理的，化学的作用，起粘合作用。（3）降阻性：PAM能有效的降低流体的摩擦阻力，在水中加入微量PAM就能降低50-80%的阻力。（4）增稠性：PAM在中性和酸性条件下都有增稠的作用，当pH值在10以上PAM易水解，呈半网状结构时，增稠将更明显。其作用原理分别是：（1）絮凝作用原理：PAM能使被絮凝物种类表面电位降低而凝聚。（2）吸附架桥：PAM分子链固定在不同的颗粒表面上，各颗粒之间形成聚合物的桥，使颗粒形成聚集体而沉降[5]。（3）表面吸附：PAM分子上的极性基团产生吸附作用。（4）增强作用：PAM分子链与分散相通过种种机械，物理，化学等作用，将分散相牵连在一起，形成网状[6]。
表1-1 聚丙烯酰胺技术指标
2 工艺的选择
2.1 聚丙烯酰胺的工艺现状及发展趋势
2.1.1PAM的发展历程
PAM在1893年由实验室制得。1954年首先在美国实现商业化生产，初期的品种仅是单一的非离子型PAM。不久开发了碱性水解的阴离子型PAM和阳离子型PAM。PAM的优良的水溶性，增稠性，絮凝性能和化学反应活性显示了巨大的市场潜力和广阔的应用前景。丙烯酰胺单体由丙烯腈经硫酸催化水合制取。20世纪70年代初美国和日本开发了丙烯腈铜催化水合法，1985年在日本又有丙烯腈生物酶催化水合法问世[14]。
我国PAM产品的开发始于20世纪50年代末期。我国第一套PAM生产装置是1962年在上海珊瑚化工厂建成的，这套装置主要是生产水溶胶产品，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，反向乳液聚合法和水溶液聚合法生产PAM干粉[15]。由于PAM在油气田开采和三次采油中的大量应用，在污水处理、造纸等方面用量的增加，我国PAM的生产能力不断扩大。近10年来我国的PAM发展迅速，现已成为世界生产大国。产量跃居世界首位，生产规模已达到国际水平。我国现有生产厂家200多个生产能力(含AM)约为23万吨/年，产量约为20万吨/年，我国销售量约占全球的l/3。产品类型主要包括HPAM，CPAM，NPAM和梳型聚内烯酰胺等，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。在生物酶法制丙烯酰胺，梳型聚丙烯酰胺和超高分子量PAM等方面已达到了世界先进水平。
但是在总体上，我国PAM产品与国外相比仍存在大的差距，主要反应在如下方面。（1）产品系列下表是Tran Tech 统计的2004年各种类型PAM的产量从表中数据看出，国外阳离子产品约占PAM总量的一半（另有报道在60%以上），且仍以每年10%的速度增长。而我国的阳离子产品仅占10%。国外的阳离子产品的品种，类型十分齐全，大品种的分子量超过1900万，干粉占53%，乳液占34.7%，水溶液仅占2.2%。而我国的阳离子产品分子量较低，一般在500万到800万之间，产品剂型以水溶液为主。这已经制约了我国水处理和造纸工业的发展。
表2-1 各种类型聚丙烯酰胺PAM的产量 单位：万吨/年
从表2-1中的数据也可以看出，乳液类产品占32%，产品的分子量很高，可用作三次采油的驱替剂。这种剂型的特点是即投即溶即用，因此特别适用于施工场地小和恶劣气候等不良环境。而我国的这种剂型的产量有限，分子量也较低，不能满足需求，基本上依靠进口。
在品种的系列化上，国外已形成齐全的多种系列产品，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10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中尤显突出。
2.2聚丙烯酰胺的生产方法
聚丙烯酰胺的单体是丙烯酰胺，要合成聚丙烯酰胺得先了解其原料丙烯酰胺。丙烯酰胺是一种有机化合物，别名AM；纯品为白色结晶固体，易溶于水、甲醇、乙醇、丙醇，稍溶于乙酸乙酯、氯仿，微溶于苯，在酸碱环境中可水解成丙烯酸。职业性接触主要见于丙烯酰胺生产和树脂、黏合剂等的合成，在地下建筑、改良土壤、油漆、造纸及服装加工等行业也有接触机会。日常生活中，丙烯酰胺可见于吸烟、经高温加工处理的淀粉食品及饮用水中。丙烯酰胺的生产原料是以丙烯腈，丙烯腈与水发生水合反应得到丙烯酰胺，再由丙烯酰胺聚合成聚丙烯酰胺[14]。
参考文献
[1]张旭. 高分子量聚丙烯酰胺的合成及其絮凝性能评价[D]. 内蒙古工业大学, 2013.
[2]刘建平,王雪芳,杨小敏. 高分子量聚丙烯酰胺的合成与应用进展[J]. 化学工程师,2010, 08:26-46.
[3]陈鸿福. PAM调控与湿润速度对土壤入渗与侵蚀的影响试验研究[D]. 内蒙古农业大学, 2009.
[4]一文, 浙江. 聚丙烯酰胺(PAM)的生产和应用. 专家论坛,精细化工原料及中间体, 2003.
[5]王玉鹏. 水分散型阴离子丙烯酰胺共聚物的研究[D]. 青岛科技大学, 2006.
[6]汪多仁. 水解聚丙烯酰胺的开发与应用进展[J]. 石油化工应用, 2010, 08:15-26.
[7]一文. 聚丙烯酰胺(PAM)的生产和应用[J]. 精细化工原料及中间体, 2003, 07:7-10.
[8]林森. 废弃聚合物溶液资源化利用的可行性[J]. 油气田地面工程, 2007, 11:49-50.
[9]单伟,张学佳,那荣喜等. 聚丙烯酰胺生产技术及其应用[J]. 安徽化工, 2010, 01:13-17.
[10]杜彦武,王秀蘅,吕炳南等. 生物垃圾机械脱水絮凝剂的筛选[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版), 2002, 06:651-654.
[11]方道斌，哈润华，郭睿威等.丙烯酰胺聚合物[M]. 化学工业出版社, 2006.
[12]刘洋. 离子型聚丙烯酰胺的制备及应用[D]. 中国地质大学（北京）, 2011.
[13]程丽鸿, 国内聚丙烯酸胺市场研究. 《产业市场》, 2009年4月6日, 第十七卷, 第7期.
[14]魏君.聚丙烯酰胺及其衍生物的生产技术与应用[M]. 石油工业出版社, 2011.
[15]王少会.聚丙烯酰胺的生产工艺设计与应用研究[D]. 安徽理工大学, 2005.
[16]周志安, 尹华杰, 魏新利. 化工设备设计基础[M]. 化学工业出版社, 2001.
[17]陈志平, 章序文, 林兴华等. 搅拌与混合设备设计选用手册[M]. 化学工业出版社, 2004.
[18]刁玉玮, 王立业. 化工设备机械基础[M].大连理工大学出版社, 2003.
[19]刘道德. 化工设备的选择与设计[M].中南大学出版社, 2002.
[20]谭天恩, 窦梅， 周明华. 化工原理第三版上册[M]. 化学工业出版社. 2012.
摘要: 本文介绍了聚丙烯酰胺的生产工艺方法，对聚丙烯酰胺进行了综合的论述。简单地介绍了聚丙烯酰胺的定义、性质、分类、特点等。重点论述了聚丙烯酰胺的聚合工艺和聚丙烯酰胺合成方法及生产流程，列举了合成聚丙烯酰胺的常用方法。与正在研究和使用的新的合成工艺的方法进行了一些对比，最后，也详细介绍了聚丙烯酰胺在石油开采、矿冶、纺织、印染工业、水处理、造纸等行业中的应用与趋势。简要分析了聚丙烯酰胺在国内外的生产及消费状况，并总结了聚丙烯酰胺之后的发展趋势及对其的展望。综合运用CAD制图软件，绘制流程图，主要设备图等。
关键词：聚丙烯酰胺；工艺设计；应用；发展展望
100000 tons of polyacrylamide production process design
Abstract: This paper introduces the production technology of polyacrylamide method, the polyacrylamide was discussed.Simply introduces the definition, nature, classification and characteristics of polyacrylamide, and so on. Polymerization technology of polyacrylamide is emphasized and polyacrylamideSynthesis methods and production processes, lists the commonly used metheod to synthesize polyacrylamide. And is now studying and using the new method of synthesis process of some comparision, finally, also introduced the polyacrylamide in oil drilling, mining and metallurgy, textile, printing and dyeing industry, water treatment, paper making industries such as the application and trend. Briefly analyzed the production and consumption status of polyacrylamide at home and abroad, and summarizes the polyacrylamide and the development trend of the outlook. The integrated use of CAD drawing software, draw flow chart , main equipment figure ,etc.
Keywords: polyacrylamide; design process; application; development
1 概述
1.1 聚丙烯酰胺的功能和要求
聚丙烯酰胺简称PAM分子量100~500万。聚丙烯酰胺的工业产品剂型有水溶胶、粉剂、乳液及水分散型等四类。聚丙烯酰胺易溶于冷水，速度很慢，高分子量的聚丙烯酰胺当浓度超过10%以后，就会形成凝胶状结构，提高温度可以稍微促进溶解，但温度不得超过50℃，以防发生分子降解。难溶于有机溶剂，中性，无毒，温度超过120℃时聚丙烯酰胺会分解。1 概述
1.1 聚丙烯酰胺的功能和要求
用作增稠剂，絮凝剂，减阻剂，具有凝胶，沉降，补强等作用。聚丙烯酰胺最好是贮存于阴凉，通风，干燥的库房内，注意防潮、避光、防热，另外存放的时间不能过长。产品使用特性:(1)絮凝性：PAM能使悬浮物质通过电中和，产生架桥吸附，起絮凝作用。（2）粘和性：能通过机械的，物理的，化学的作用，起粘合作用。（3）降阻性：PAM能有效的降低流体的摩擦阻力，在水中加入微量PAM就能降低50-80%的阻力。（4）增稠性：PAM在中性和酸性条件下都有增稠的作用，当pH值在10以上PAM易水解，呈半网状结构时，增稠将更明显。其作用原理分别是：（1）絮凝作用原理：PAM能使被絮凝物种类表面电位降低而凝聚。（2）吸附架桥：PAM分子链固定在不同的颗粒表面上，各颗粒之间形成聚合物的桥，使颗粒形成聚集体而沉降[5]。（3）表面吸附：PAM分子上的极性基团产生吸附作用。（4）增强作用：PAM分子链与分散相通过种种机械，物理，化学等作用，将分散相牵连在一起，形成网状[6]。
表1-1 聚丙烯酰胺技术指标
| 项目型号 | 外观 | 分子量 | 固含量% | 离子度或水解度% | 残余单体% | 使用范围 |
| 阴离子 | 白色颗粒或粉末 | 300-2200 | ≥88 | 10-35 | ≤0.2 | 水的pH值为中性或碱性 |
| 阳离子 | 白色颗粒 | 500-1200 | ≥88 | 5-80 | ≤0.2 | 带式机离心式 |
| 非离子 | 白色颗粒 | 200-1500 | ≥88 | 0-5 | ≤0.02 | 水的pH值为中性或碱性 |
| 两性离子 | 白色颗粒 | 500-1200 | ≥88 | 5-50 | ≤0.2 | 带式机离心式压滤机 |
2 工艺的选择
2.1 聚丙烯酰胺的工艺现状及发展趋势
2.1.1PAM的发展历程
PAM在1893年由实验室制得。1954年首先在美国实现商业化生产，初期的品种仅是单一的非离子型PAM。不久开发了碱性水解的阴离子型PAM和阳离子型PAM。PAM的优良的水溶性，增稠性，絮凝性能和化学反应活性显示了巨大的市场潜力和广阔的应用前景。丙烯酰胺单体由丙烯腈经硫酸催化水合制取。20世纪70年代初美国和日本开发了丙烯腈铜催化水合法，1985年在日本又有丙烯腈生物酶催化水合法问世[14]。
我国PAM产品的开发始于20世纪50年代末期。我国第一套PAM生产装置是1962年在上海珊瑚化工厂建成的，这套装置主要是生产水溶胶产品，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，反向乳液聚合法和水溶液聚合法生产PAM干粉[15]。由于PAM在油气田开采和三次采油中的大量应用，在污水处理、造纸等方面用量的增加，我国PAM的生产能力不断扩大。近10年来我国的PAM发展迅速，现已成为世界生产大国。产量跃居世界首位，生产规模已达到国际水平。我国现有生产厂家200多个生产能力(含AM)约为23万吨/年，产量约为20万吨/年，我国销售量约占全球的l/3。产品类型主要包括HPAM，CPAM，NPAM和梳型聚内烯酰胺等，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。在生物酶法制丙烯酰胺，梳型聚丙烯酰胺和超高分子量PAM等方面已达到了世界先进水平。
但是在总体上，我国PAM产品与国外相比仍存在大的差距，主要反应在如下方面。（1）产品系列下表是Tran Tech 统计的2004年各种类型PAM的产量从表中数据看出，国外阳离子产品约占PAM总量的一半（另有报道在60%以上），且仍以每年10%的速度增长。而我国的阳离子产品仅占10%。国外的阳离子产品的品种，类型十分齐全，大品种的分子量超过1900万，干粉占53%，乳液占34.7%，水溶液仅占2.2%。而我国的阳离子产品分子量较低，一般在500万到800万之间，产品剂型以水溶液为主。这已经制约了我国水处理和造纸工业的发展。
表2-1 各种类型聚丙烯酰胺PAM的产量 单位：万吨/年
| 项目 | 乳液/分散体系 | 微珠 | 粉末 | 溶液 | 小计 |
| 非离子 | 1.6 | 3.14 | 4.74%（5.4%） | ||
| 阴离子 | 14 | 2.1 | 22.9 | 1.2 | 40.3%（46.4%） |
| 阳离子 | 12.2 | 3.5 | 18.63 | 0.8 | 35.13(40.5%) |
| Mannich 型 | 6.7 | 6.7(7.7%) | |||
| 小计 | 27.8（32%） | 5.6（6.5%） | 44.67（51.5%） | 8.7（10%） | 86.77 |
在品种的系列化上，国外已形成齐全的多种系列产品，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10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中尤显突出。
2.2聚丙烯酰胺的生产方法
聚丙烯酰胺的单体是丙烯酰胺，要合成聚丙烯酰胺得先了解其原料丙烯酰胺。丙烯酰胺是一种有机化合物，别名AM；纯品为白色结晶固体，易溶于水、甲醇、乙醇、丙醇，稍溶于乙酸乙酯、氯仿，微溶于苯，在酸碱环境中可水解成丙烯酸。职业性接触主要见于丙烯酰胺生产和树脂、黏合剂等的合成，在地下建筑、改良土壤、油漆、造纸及服装加工等行业也有接触机会。日常生活中，丙烯酰胺可见于吸烟、经高温加工处理的淀粉食品及饮用水中。丙烯酰胺的生产原料是以丙烯腈，丙烯腈与水发生水合反应得到丙烯酰胺，再由丙烯酰胺聚合成聚丙烯酰胺[14]。
参考文献
[1]张旭. 高分子量聚丙烯酰胺的合成及其絮凝性能评价[D]. 内蒙古工业大学, 2013.
[2]刘建平,王雪芳,杨小敏. 高分子量聚丙烯酰胺的合成与应用进展[J]. 化学工程师,2010, 08:26-46.
[3]陈鸿福. PAM调控与湿润速度对土壤入渗与侵蚀的影响试验研究[D]. 内蒙古农业大学, 2009.
[4]一文, 浙江. 聚丙烯酰胺(PAM)的生产和应用. 专家论坛,精细化工原料及中间体, 2003.
[5]王玉鹏. 水分散型阴离子丙烯酰胺共聚物的研究[D]. 青岛科技大学, 2006.
[6]汪多仁. 水解聚丙烯酰胺的开发与应用进展[J]. 石油化工应用, 2010, 08:15-26.
[7]一文. 聚丙烯酰胺(PAM)的生产和应用[J]. 精细化工原料及中间体, 2003, 07:7-10.
[8]林森. 废弃聚合物溶液资源化利用的可行性[J]. 油气田地面工程, 2007, 11:49-50.
[9]单伟,张学佳,那荣喜等. 聚丙烯酰胺生产技术及其应用[J]. 安徽化工, 2010, 01:13-17.
[10]杜彦武,王秀蘅,吕炳南等. 生物垃圾机械脱水絮凝剂的筛选[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版), 2002, 06:651-654.
[11]方道斌，哈润华，郭睿威等.丙烯酰胺聚合物[M]. 化学工业出版社, 2006.
[12]刘洋. 离子型聚丙烯酰胺的制备及应用[D]. 中国地质大学（北京）, 2011.
[13]程丽鸿, 国内聚丙烯酸胺市场研究. 《产业市场》, 2009年4月6日, 第十七卷, 第7期.
[14]魏君.聚丙烯酰胺及其衍生物的生产技术与应用[M]. 石油工业出版社, 2011.
[15]王少会.聚丙烯酰胺的生产工艺设计与应用研究[D]. 安徽理工大学, 2005.
[16]周志安, 尹华杰, 魏新利. 化工设备设计基础[M]. 化学工业出版社, 2001.
[17]陈志平, 章序文, 林兴华等. 搅拌与混合设备设计选用手册[M]. 化学工业出版社, 2004.
[18]刁玉玮, 王立业. 化工设备机械基础[M].大连理工大学出版社, 2003.
[19]刘道德. 化工设备的选择与设计[M].中南大学出版社, 2002.
[20]谭天恩, 窦梅， 周明华. 化工原理第三版上册[M]. 化学工业出版社. 2012.
目录
摘要 I
Abstract II
前 言 1
1 概述 2
1.1 聚丙烯酰胺的功能和要求 2
1.2 PAM的应用 2
1.2.1用于石油开采 2
1.2.2 PAM用于水处理 3
1.2.3用于造纸 3
1.2.4用于矿冶行业 3
1.3 聚丙烯酰胺的使用原则 4
2 工艺的选择 5
2.1 聚丙烯酰胺的工艺现状及发展趋势 5
2.1.1PAM的发展历程 5
2.1.2 PAM的应用情况 6
2.1.3聚丙烯酰胺生产和消费 6
2.2聚丙烯酰胺的生产方法 9
2.3丙烯酰胺的制取 9
2.3.1传统方法硫酸水合法 9
2.3.2 微生物法 9
2.4聚丙烯酰胺的聚合方法 10
2.4.1水溶液聚合法 10
2.4.2反相乳液聚合法 10
2.4.3悬浮聚合法 10
2.5生产方法的确定 11
2.5.1丙烯酰胺的合成方法 11
2.5.2聚合方法的确定 11
2.5.3溶剂的选择 11
2.5.4引发剂的选择 11
2.5.5自由基反应方式 11
2.6生产流程简述 12
3 生产工艺流程 13
3.1 丙烯酰胺的生产方法 13
3.1.1单体原料路线的确定 13
3.1.2催化剂的选择 13
3.1.3合成反应机理及影响反应的因素 13
3.1.4车间组成 13
3.1.5生产制度 13
3.2原料、产品的物理化学性质及技术指标 14
3.2.1原料的物理化学性质及技术指标 14
3.2.3丙烯酰胺的物理化学性质及技术指标 14
3.3 丙烯酰胺生产流程 14
3.4 丙烯酰胺的聚合 15
4 工艺计算 16
4.1物料衡算 16
4.1.1 丙烯酰胺部分 16
4.1.2物料发生的化学变化与物理化学变化，写出主副反应方程式 16
4.1.3收集数据资料 16
4.1.4选择计算基准 17
4.1.5确定计算顺序 17
4.2计算主要物料流量 17
4.2.1逆流程计算 17
4.3 丙烯酰胺聚合部分 20
4.3.1 聚合反应机理及影响因素 20
4.3.2 水解机理 20
4.3.3 溶剂的选择 20
4.3.4 引发剂的选择 20
4.3.5 自由基反应方式 21
4.4聚丙烯酰胺生产流程 21
4.4.1 计算的基础数据 21
4.4.2聚合釜物料衡算 21
4.4.3 一次研磨物料衡算（损失率：0.1%） 22
4.4.4 水解工段物料衡算 23
4.4.5 二次研磨物料衡算（损失率：0.1%） 24
4.4.6干燥工段物料衡算。 25
4.5热量衡算 26
4.5.1热量衡算的内容及作用 26
4.5.2传热设备的热量衡算 26
4.5.3载热体的消耗量 28
4.5.4总传热系数K的确定 28
4.5.5夹套传热装置的设计 28
4.5.6传热面积的计算 31
5 工艺设备计算 32
5.1 反应釜体的设计 32
5.1.1选型说明 32
5.2 贮罐容积及个数的计算 32
5.3聚合釜计算 33
5.4管道计算 40
5.5泵的选择 41
6 车间布置 43
6.1车间布置概况 43
6.3车间组成 45
6.4 安全防护措施 45
6.4.1聚合工段 45
7 环境保护与安全措施 46
7.1安全措施 46
7.2 环境影响 46
8 设计心得与体会 47
致谢语 48
9参考文献 49