溶液聚合法年产2万吨聚丙烯酰胺的生产工艺设计

目录

设计总说明.............................................................. I GENERAL DESIGN DESCRIPTION ............................................. II 第一章绪论. (1)

1.1聚丙烯酰胺的综述 (1)

1.1.1 聚丙烯酰胺的简介 (1)

1.1.2 聚丙烯酰胺的性质和分类 (1)

1.1.3 聚丙烯酰胺的发展 (2)

1.1.4 聚丙烯酰胺的主要生产方法 (3)

1.1.5 聚丙烯酰胺的生产和消费情况 (5)

1.1.6 聚丙烯酰胺的应用 (11)

1.1.7 聚丙烯酰胺的前景展望 (12)

1.2设计意义 (13)

1.3设计原则 (14)

第二章原料的理化性质 (15)

2.1原料的物化性质 (15)

第三章生产流程简述 (16)

3.1工艺路线的选择和确定 (16)

3.1.1反应机理 (16)

3.1.2 聚合方法的确定 (16)

3.1.3 单体原料的合成路线 (16)

3.1.4 引发剂的选择 (16)

3.1.5 溶剂的选择 (17)

3.1.6 水解剂的选择 (17)

3.2生产流程简述 (17)

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3.3生产车间的概况 (18)

3.3.1 生产线的介绍 (18)

3.3.2 生产车间 (18)

3.3.3 生产制度 (18)

第四章工艺计算及主要设备选型 (19)

4.1物料衡算 (19)

4.1.1 计算所需基础数据 (19)

4.1.2 计算基准 (19)

4.1.3 聚合釜物料衡算 (20)

4.1.4第一次研磨物料衡算 (21)

4.1.5水解工段物料衡算 (22)

4.1.6 第二次研磨物料衡算 (23)

4.1.7 干燥工段物料衡算 (25)

4.1.8 包装工段物料衡算 (26)

4.2能量衡算 (27)

4.2.1 计算所需基础数据 (27)

4.2.2 计算基准 (28)

4.2.3 能量衡算 (28)

4.3设备选型 (28)

4.3.1 聚合釜参数计算及选型 (28)

4.3.2 管道设计 (30)

4.3.3 其他设备及零件选型 (30)

第五章厂房布置说明 (31)

总结 (32)

参考文献 (33)

致谢词 (34)

附录 (35)

设计总说明

聚丙烯酰胺（PAM）是常用的水溶性高分子聚合物，其产品外观一般为粉状颗粒或胶体。因其主链的侧基（酰胺基团）极为活泼，容易与一些化学物质发生反应（如水解反应、羟甲基化反应和氨基化反应等）生成主链上参杂有其它原子基团的聚丙烯酰胺衍生物。聚丙烯酰胺产品具有毒性，其毒性主要来自于未反应的丙烯酰胺单体及聚合过程中参杂到的产品中的重金属；根据用途需求的差异，产品中聚丙烯酰胺单体的残留量标准不同。

我国的许多油田开采已经陆续步入了三次采油阶段，将大量使用聚丙烯酰胺产品来提高出油量及油品质量。随着国民经济的高度发展，人民的生活提高的同时也更加注重了生态环境的保护，倡导绿色健康可持续发展；因此，近几年我国聚丙烯酰胺在水处理领域的应用量呈现几何增长。这些因素都将极大地刺激我国聚丙烯酰胺的生产与研发。

聚丙稀酰胺的工业生产级别的聚合方法大致为：水溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚。而本设计采用的是水溶液聚合方法，聚丙烯酰胺的水溶液聚合遵循自由基聚合机理；引发剂诱导分解生成自由基，随后进行链增长，即具有活性中心及相关的基元反应。因为是自由基聚合，丙烯酰胺在聚合时将放出大量的聚合热，如热量不及时排除，聚合体系温度将上升至90℃以上，对聚合体系有极大的影响。为此，需设置高效的排热装置系统。

本设计采用的方案是：先通过骨架铜催化水合法将丙烯腈合成丙烯酰胺水溶液，

并将其提纯至30%浓度（质量分数）；随后泵送至混合罐中，与纯水及引发剂一齐混合，形成25%溶度的混合溶液。随后输送至20℃的聚合釜中进行聚合反应，将反应完成后的聚丙烯酰胺胶体粉碎成颗粒，并进行水解处理及相关的后处理，包装成聚丙烯

酰胺产品。

在设计过程中，将对聚合体系所需的物料进行衡算,对热量衡算粗略计算，并对所得的衡算数据进行汇总与分析。根据分析所得数据，进行相关的设备选型以设计。最后，合理地安排生成线路的布置的生产工厂的整体设计。

关键词：聚丙烯酰胺；自由基反应；水溶液聚合；衡算

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General design description

Polyacrylamide (PAM) is a commonly used water-soluble polymer, and its product appearance is generally powdery particles or colloids. Because the side group (amide group) of its main chain is very active, it is easy to react with some chemical substances (such as hydrolysis, hydroxymethylation and amination, etc.) to form polyacrylamide derivatives with other atomic groups on the main chain. Polyacrylamide products are toxic, and their toxicity mainly comes from unreacted acrylamide monomers and heavy metals in the products mixed in the polymerization process; according to the differences in use requirements, the residual standards of polyacrylamide monomers in the products are different.

Many oilfields in China have entered the stage of tertiary oil recovery, and polyacrylamide products will be widely used to improve oil production and oil quality. With the high development of the national economy, the improvement of people's living standards also pay more attention to the protection of the ecological environment, advocating green, healthy and sustainable development; therefore, in recent years, the application of polyacrylamide in the field of water treatment has shown a geometric growth. All these factors will greatly stimulate the production and research and development of polyacrylamide in China.

The polymerization methods of industrial production grade of polyacrylamide are generally aqueous solution polymerization, suspension polymerization and emulsion polymerization. In this design, the aqueous solution polymerization method is used, and the aqueous solution polymerization of polyacrylamide follows the mechanism of free radical polymerization; the initiator induces decomposition to form free radicals, followed by chain growth, that is, it has active centers and related elementary reactions. Because it is free radical polymerization, a large amount of polymerization heat will be released during the polymerization of acrylamide. if the heat is not eliminated in time, the temperature of the polymerization system will rise above 90 ℃, which will have a great influence on the polymerization system. For this reason, it is necessary to set up an efficient heat removal device system.

The scheme adopted in this design is that acrylonitrile is synthesized from acrylonitrile aqueous solution by skeleton copper catalytic hydration method, and purified to 30% concentration (mass fraction), then pumped into a mixing tank and mixed with pure water and initiator to form a mixed solution of 25% solubility. Then transported to a polymerizer at

20 ℃ for polymerization, the polyacrylamide colloid after the reaction was crushed into particles, hydrolyzed and related post-treatment, and packaged into polyacrylamide products.

In the design process, the materials needed for the polymerization system will be calculated, the heat balance will be roughly calculated, and the accounting data will be summarized and analyzed. According to the data obtained from the analysis, the relevant equipment is selected for design. Finally, the overall design of the production plant is reasonably arranged to generate the layout of the line.

Key word: PAM; the mechanism of free radical polymerization ; aqueous solution polymerization; calculation

第一章绪论

1.1 聚丙烯酰胺的综述

1.1.1 聚丙烯酰胺的简介

聚丙烯酰胺(Poilacrylamide),缩写为PAM，常用的水溶性聚合物；是丙烯酰胺均聚物及共聚物（衍生物）的总称。

聚丙烯酰胺分子链的结构特点：（1）分子链具有良好的柔顺性。（2）分子链侧基是酰胺基团，酰胺基团是高极性键，易形成氢键，反应活性高，容易与其它物质反应，生成具有特殊原子基团的聚丙烯酰胺分子链。这些结构特点使聚丙烯酰胺更具可用性，其产品被广泛地应用于各行各业。在水处理领域主要充当絮凝剂，使悬浮水中的杂质离子因絮凝作用而形成较大的絮凝聚集体沉积到底部，达到水质清洁；在石油领域可充当驱油剂、钻井泥浆性能调节剂等，优化采油技术和提高出油率及油品质量；在造纸领域充当纸张增强剂、驻留剂等，对纸张性能的改善有着显著作用；因其在各行各业表现出优越的适用性，被行业人尊称为“百业助剂”。

1.1.2 聚丙烯酰胺的性质和分类

1.聚丙烯酰胺的性质

（1）物理性质：聚丙烯酰胺具有良好的溶解度和稳定性，可大量地溶解于水溶液，而难溶解于大多数的有机溶液，这对于水溶液作为体系介质的工业部门无疑是大有好处；当PAM分子量较高（>105）时，其水溶液粘度会随时间的延长而有所下降，且分子量越大，粘度降低约显著，即PAM水溶液粘度具有依时性。

（2）化学性质：PAM具有低毒性，但大多数产品不会刺激人体皮肤，有些产品可以用于饮用水处理。PAM可与碱（如Na0H,Na2CO3等）发生水解反应，生成含有羧基的聚合物-部分水解聚丙烯酰胺；PAM还可于甲醛发生羟甲基化反应，其生成产物为N 羟甲基聚丙烯酰胺（MPAM），N羟甲基聚丙烯酰胺（MPAM）可再与胺（如二甲胺等）发生氨基化反应【1】，其生成产物为聚丙烯酰胺的氨基衍生物（APAM）；PAM可于NaHSO3、HCHO于碱性条体系氛围发生磺甲基化反应，其生成产物为阴离子磺甲基化聚丙烯酰胺

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【2】。

2.聚丙烯酰胺的分类

（1）按外观分类：胶状PAM和粉状PAM。

（2）按离子度分类：两性离子型PAM、非离子型PAM、阳离子型PAM和阴离子型PAM。

1.1.3 聚丙烯酰胺的发展

19世纪末，实验室首次将丙烯酰氯与氨反应成功地合成了丙烯酰胺。20世纪50年代中期，美国氰胺公司首次采用了丙烯腈水解工艺进行聚丙烯酰胺的标准工业化生产，可初期的产品仅是单一的非离子型聚丙烯酰胺。1972年，日本三井东压化学公司成功建立了世界上第一套骨架铜催化丙烯腈水合法制取丙烯酰胺的工业装置。1985年，日本的日东化学工业公司首次尝试加入由实验室筛选出来的生物酶催化剂进行丙烯腈酰胺的合成工艺，其效果相当理想，之后便进行了生物酶催化丙烯酰胺合成的标准工业化生产，其生产规模大约为4000吨/年，到1991年其年产量达到了14000吨。

20世纪60年代，我国的聚丙烯酰胺研究才刚刚起步，和国外相比落后了大约10年。1962年，我国上海天原化工厂成功建设了国内的首套聚工业化聚丙烯酰胺生产装置【3】，主要生产聚丙烯酰胺水溶胶体。20世纪末，我国从泰山脚下的生物菌培养基地成功分离并提纯了用于丙烯酰胺的生物酶催化剂，催化剂活性为2857个国际单位，达到了国际领先水平，成为第三个掌握生物酶催化聚合生产丙烯酰胺单体技术的国家。之后我国加大了在此技术上的研究，现已将此技术由于工业化生产，由其生产的丙烯酰胺聚合而成的聚丙烯酰胺产品有着诸多较为优越的性能。1995年，我国大庆石油管理局与法国SNF公司签署关于聚丙烯酰胺方面的战略合作协议，将从SNF公司引进当前最先进的聚丙烯酰胺整体生产设备装置，主要是生产用于石油领域的高分子量（1500万）聚丙烯酰胺产品，其年产量为50000吨。

虽然我国对聚丙烯酰胺的研究与应用起步较为晚了些，但改革开放后，我国的经济高速发展，国民生活水平不断提高。我国的聚丙烯酰胺行业也紧跟潮流，逐步接纳外来资本和技术，并以此为跳板，优化了企业的生产模式、改善了企业的生产设备、壮大了企业聚丙烯酰胺生产规模，满足了各行各业对聚丙烯酰胺产品的需求。现有大大小小生产厂商近300个。从总体产能来看，我国的聚丙烯酰胺的年总产量从1998年的6.5万

吨增至2017年的120万吨。

但从PAM的种类和质量的总体上看，我国的PAM产品和外国相比还是有着较大的差距。主要反应在以下两个方面：

（1）生产设备：①西方等国家已经完成了第二次工业革命，开始步入第三次第二次工业革命，有着良好的工业基础，逐步形成完整的工业生产体系，其生产制造的聚丙烯酰胺设备较为先进与标准化。②而我国的聚丙烯酰胺起步较晚，整体的工业基础较差，没有严格的国家生产标准规范，生产出来的聚丙烯酰胺质量良莠不齐，使用效果不尽人意，其产品难以满足市场需求。

（2）生产技术：①一些国外的聚丙烯酰胺行业巨头，在聚丙烯酰胺研究上有着雄厚的技术基础，有着一整套的聚丙烯酰胺生产标准，走标准规模化生产，产品质量稳定；时刻紧盯市场的需求变化，不断加深聚丙烯酰胺产品的研究，其生产的聚丙烯酰胺产品五花八门，光种类就有上百种，可以适应各行各业的不同工艺要求和产品性质要求，占据了很大的市场份额。②我国的聚丙烯酰胺行业发展较晚，没有规范的行业生产技术标准，未形成高标准的聚丙烯酰胺产业化，聚丙烯酰胺种类少且产品结构单一，缺少系列品种；企业的整体生产效率低，产能低，其生产量难以市场日益增张的行业需求；在产品研发和技术水平上与国外先进水平仍有较大差距，总体发展水平较慢，高分子量性能好的阳离子聚丙烯酰胺长期依赖进口。因而其应用范围受到了限制，尤其使在造纸行业和水处理行业更为突出。

1.1.4 聚丙烯酰胺的主要生产方法

1. 丙烯酰胺单体原料的生产

丙烯酰胺的主要制取方法【4】有：

①硫酸水合法：将丙烯腈和水在硫酸存在的条件下进行水解，生成丙烯酰胺的硫酸盐，将盐置于液氨氛围下进行中和生成丙稀酰胺和硫酸铵混合物，之后将其进行提纯处理即可。该制取工艺优点为结晶单体制取难度低，易进行。

②骨架铜催化水合法：将含有丙烯腈、水和铜系催化剂的混合溶液置于在70℃～120℃、0.4MPa的反应条件下进行液相水合反应。将反应后的溶液体系进行过滤处理和丙烯腈回收处理，除去溶液中的铜系催化剂和未反应的丙烯腈，得到的溶液即为较为

纯净的丙烯酰胺水溶液；将丙烯酰胺水溶液进行提浓和结晶处理即可得到丙烯酰胺结

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晶单体。该制取工艺优点为丙烯酰胺单体收率高（可达98%）结晶单体纯度高，且生

产过程不易产生废弃物，环境污染小，易实现工业化生产，是市面上较为成熟的生产

技术。

③生物酶催化水合法：将含有丙烯腈、水和生物酶催化剂的水合溶液进行催化反应，将反应后的废催化剂从溶液中分离出来即可得到丙烯酰胺产品。该制取工艺优点

为工艺操作简单，制取的丙烯酰胺单体溶液浓度高，溶液无需进一步的提浓处理，有

利于小规模生产。

2.聚合方法的介绍

聚合反应时，根据丙烯酰胺单体在整个溶液体系中的分散状态，可分成本体聚

合、水溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合这四种主要的聚合方法【5】。

（1）水溶液聚合：是将丙烯酰胺单体、水和引发剂配置成混合溶液状态而进行的聚合反应称之为溶液反应。是较早实现聚丙烯酰胺工业化生产的聚合方法。该工艺的操作过程相对来说较为简单容易，且生成物产率高，较容易获得高分子量的聚丙烯酰胺，基本不产生三废物质，对生态环境污染小，是聚丙烯酰胺规模化生产的首选工艺。其中，在聚合过程中会对聚丙烯酰胺质量及其性能产生影响的因素为单体、引发剂、PH值、添加剂、聚合时间及温度等。

①单体：分别用重结晶、活性炭、离子交换树脂等不同精制方法所得的丙烯酰胺单体，其分子量及其分子量分布有较大的差别【6】；其中，重结晶制取的单体效果较好。单体中含有的金属离子、未反应的丙烯腈单体及反应过程中产生的副产物（丙烯酸），都会对生成物的分子量大小及其分子量分布有较大的不良影响。根据自由基聚合机理，在一定的单体浓度范围内，生成物的分子量会随着单体浓度的提高而增大，并且丙烯酰胺的水溶液聚合也普遍符合这一规律；

②引发剂: 用于丙烯酰胺聚合的引发剂主要为氧化-还原引发体系。根据引发剂的性质，可将其分为过氧化氢体系、过硫酸盐体系、有机过氧化物体系、多电子转移的氧化还原体系和非过氧化物体系这五种主要的引发剂【7】。其中，过氧化氢体系(H202作氧化剂)因引发效率和结果重现性较差，现已经很少用于工业化生产。引发剂浓度为AM 单体质量溶度的0.03%～0.05%时，其聚合效果最佳。

③PH值：在丙稀酰胺的聚合体系中，PH值大小会影响聚合过程中的反应动力学及生成物的分子量结构和其性质。当体系氛围的PH值（PH<2）较低时，丙烯酰胺的聚合

过程中易发生分子内和分子间的亚酰胺化等副反应，生成支链型仍至交联型的聚丙烯酰胺产品；虽然其生成的聚丙烯酰胺胶体经研磨造粒后也能在水中溶解，但是经振动流化床加热干燥后得到的粉状聚丙烯酰胺却难溶于水溶液中，即使是在常温条件下干燥的聚丙烯酰胺颗粒，溶解于水溶液中也会有不溶物。这表明，大量的水分子的存在可以防止聚合物发生交联。当PH值为10左右，虽然生产的聚丙烯酰胺颗粒可很好地溶解在水溶液中，但聚丙烯酰胺的相对分子质量随PH值的升高而降低【8】。

④聚合时间：丙烯酰胺的整个聚合时长约为4～5个小时，但其诱导期极短，聚合速率极快，在1个小时内，其单体转化率高达65%。随着反应的进行，聚合速率会随着体系中的单体含量减少而下降，最后趋于平缓。

（2）悬浮聚合：是指单体在搅拌和分散剂的共同作用下，均匀地分散在有机连续相中，形成“油包水（W/O）型”的悬浮液聚合体系，生成物为颗粒状的一种工业化生产常用的非均相聚合方法

（3）乳液聚合：是指单体在乳化剂的作用下，分散在油的连续介质中，形成聚合体系的一种非均相聚合方法【9】。乳液聚合的优点是①可在低粘度介质的聚合条件下，采用较高的单体浓度溶液进行聚合，且便于散热，对聚合产物分子量影响较小。②乳液聚合可形成亲水性的聚合颗粒乳胶，生成的聚丙烯酰胺相对分子量高，可在较长时间内保持稳定；视情况而别，可直接作为最终产品或经进一步工艺处理形成粉状PAM。

3.生产工艺的介绍

（1）均聚共水解工艺：将水解剂(氢氧化钠)一同加入到聚合反应釜的聚合体系中，使聚合反应和聚丙烯酰胺的水解反应一同在聚合釜内进行。受水解剂(氢氧化钠)溶解度的影响，聚合反应的初始温度不易过低；聚合过程受水解剂(氢氧化钠)所含杂质的影响，无法得到高分子量的聚丙烯酰胺产品【10】。

（2）先均聚后水解工艺：将聚合后得的聚丙烯酰胺胶体加入氢氧化钠溶液进行水解，可得到超高分子量的聚丙烯酰胺产品【11】。

1.1.5 聚丙烯酰胺的生产和消费情况

1.国内的聚丙烯酰胺生产情况

国内的聚丙烯酰胺行业发展迅速，现有的大大小小的生产厂家将近300家，其产能大小不一。据不完全统计，2017年我国聚丙烯酰胺总产量达到了120万吨。表1-1是国

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内主要厂家的产能统计情况。

2.国外的聚丙烯酰胺生产情况

国外的聚丙烯酰胺行业较为发达，其中鼎鼎有名的龙头企业有法国的爱森（SNF）公司、德国的巴斯夫(BASF)公司和芬兰的凯米拉（Kemira）公司等。这些公司生产的聚丙烯酰胺产品种类较为齐全，拥有先进的生产设备、成熟的生产技术、标准的工业化生产模式以及强大的品牌效应，在全球的聚丙烯酰胺市场占据了相当大的市场份额。

（1）国外聚丙烯酰胺生产厂家的产品种类

①爱森（SNF）

全球聚丙烯酰胺类聚合的最大的生产厂商和行业领导者，旗下涵盖了用于水处理领域、石油领域、造纸领域、日用品领域等行业约1100种聚丙烯酰胺产品，可满足各行各业的日常使用及特殊用途，年销售额超过15亿欧元，占据了约35%的全球市场份额。

爱森公司在世界各地设置了30多个子公司。2000年，爱森公司于江苏泰兴当地签署了经济发展战略合作声明，将在泰兴经济开发区成立爱森（中国）全资子公司，建设了一套年产量为20000吨的聚丙烯酰胺生产设备装置；并在北京、上海和广州设置了三个中国办事处。其主要生产用于水处理、石油开采和日化品行业的聚丙烯酰胺类产品，其PAM系列产品详细如表1-2。

表1-2 爱森（SNF）聚丙烯酰胺系列产品统计表

②巴斯夫（BASF）

世界上最大的化学品生产厂家之一，在全球40几个国家成立了约160家的子公司，2017年，其年销售额达600亿欧元。其旗下公司生产的阳离子聚丙烯酰胺产品，主要是应用于水处理领域。表1-3为巴斯夫聚丙烯酰胺部分产品的详细情况。

表1-3 巴斯夫聚丙烯酰胺部分产品参数统计表

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③凯米拉（Kemira）

全球知名的聚丙烯酰胺产品生产公司，在全球40国家设有生产基地和子公司，长期致力于造纸领域和水处理领域的聚丙烯酰胺产品的生产。2017年，其年营业收入超过25亿欧元。表1-4是其主要产品种类详细。

表1-4 凯米拉聚丙烯酰胺产品系列统计表

（2）国外的聚丙烯酰胺产能情况

国外的聚丙烯酰胺生产厂家有日东化学公司、三井化学公司、三洋化学公司、三菱化成公司、美国亚什兰公司、道化学公司、氰胺公司、马拉松石油公司、芬兰凯米拉公司、赛特公司、德国巴斯夫公司、斯托豪森公司和法国爱森公司等【12】。表1-5为国外部分主要聚丙烯酰胺生产厂家的产能详细。

3.聚丙烯酰胺的消费情况

（1）全球聚丙烯酰胺的消费调查情况：根据相关机构的调查，2010年～2017年全球聚丙烯酰胺的消费量以每年约9%的增长量在持续快速的增长。其中，2017年的全球年消耗量就高达190吨。其销量走势图如图1。

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图1-1 2010年～2017年全球聚丙烯酰胺的消费量走势图

（2）我国的聚丙烯酰胺消费情况：根据相关机构的市场调查，2011年，国内的聚丙烯酰胺年总产量方为59.93万吨，而到了2017年，我国的聚丙烯酰胺的年总产量高达94.25万吨。较之2011年相比，2017年的聚丙烯酰胺的年总产量增长了约57%，这一切都得益于近几年来相继出台的生态环境保护政策。图1-2是近年来国内聚丙烯酰胺供求情况。

图1-2 2011～2017年国内的聚丙烯酰胺生产总量和需求总量图

我国的聚丙烯酰胺产品主要应用于石油开采、水处理、造纸、生物制药、纺织、日化品生产和农业生产等行业。2017年，我国的聚丙烯酰胺产品消耗来源于石油及选矿领域，其占比高达44.9%，水处理领域占比为29.8%，造纸领域占比为12.9%，其他领域，如洗煤、冶金等行业占比为12.39%。相比2017年全球的聚丙烯酰胺消费结构有着巨大的差异，53%的全球聚丙烯酰胺产品消耗主要用于水处理领域，27%的消耗用于造纸领域。之所以会造成国内外聚丙烯酰胺消费结构迥异的原因是:①国外的大部分国家的油田开采还为进入三次采油阶段；且一些国家的油田并不适合用聚丙烯酰胺（如美国、欧洲等地的油田）。②西方等国家较早形成工业化体系，聚丙烯酰胺在水处理领域用量较为广泛，且在生态环境保护意识较高；早期我国重视工业发展为谋求高效率的企业利润，而忽视了生态环境的保护。图1-3是2017年我国聚丙烯酰胺产品在各个领域的消耗占比详细。

图1-3 2017年中国聚丙烯酰胺消费结构（按销量）

1.1.6 聚丙烯酰胺的应用

由于聚丙烯酰胺主链上含有大量的活泼酰胺基团，能与大多数物质进行反应而具有多项优越的应用性能，广泛地应用于石油领域、水处理领域及造纸领域等【13】。其中，我国在石油领域的用量最大，在造纸及水处理领域的应用量因近几年的生态环境保护力度

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加强而呈现快速增长趋势。

1.石油领域的应用：（1）在我国的三次采油技术中可充当驱油剂应用【14】，提高总体的石油开采收获率。通过注入聚丙烯酰胺水溶液来调节油水混合物的整体流动性，提高原油采收率，现已在我国的大庆、胜利等油田得到工业化推广并大量应用。（2）在油田的生产过程中，充当堵水调节剂来解决由于地层的非均匀性而引起的水浸问题，且对油、水具有高度的选择性渗透作用，这是其它堵水调节剂所没有的性能。（3）作为钻井液调整剂，可通过调节石油开采过程中钻井液的流变性能和粘度，以此提高钻井液携带岩屑能、减少流体损失和起到润滑钻头减轻设备磨损的作用。（4）在页岩水力压裂技术中充当添加剂，因其具有高粘度、低摩阻、良好的悬沙能力而被广泛应用。

2.水处理领域的应用：（1）在原水处理中充当具有良好絮凝效果的有机絮凝剂，可与活性炭等吸附剂共同使用，以起到高度的净水效果。（2）在污水方面，可出去污水所含有的污泥等杂质，改善工业用水的可循环使用情况。

3.造纸领域的应用：（1）用作驻留剂、助滤剂、均度剂等，提高造纸过程中填料留存率和颜料的附着率，提高原材料的使用率，减少了废水中的纤维含量，减小对生态环境的污染。（2）用作分散剂，改善纸的均匀度，提高纸制品的产品质量。

4.在其他领域的应用：(1)在建筑行业中，可用作水泥添加剂，提高混泥土整体质量。（2）在食品加工行业中，可应用于制糖厂的糖浆提取技术。（3）在医用、电镀加工、农产品生产和纺织等行业也有着广泛的应用。

1.1.7 聚丙烯酰胺的前景展望

21世纪前，因我国的生产技术及设备较为落后和国内市场萎靡等一系列原因，我国的聚丙烯酰胺的生产量和使用量无较大增幅，相对趋于稳定。

从我国目前的油田开发情况而言，我国的大多数大型油田开发程度已经到了开采的中后期，随之开采出来的石油含水率日益提高。为解决这一情况，发展了三次采油技术，以保证开采出来的石油质量达标，其中聚丙烯酰胺的用量将大幅度的持续增长。随着近年来我国提出的可持续发展观和生态保护理念等一系列环境友好政策，为更进一步地保护环境，建立绿色环保的健康生态大自然，控制好各行各业的污染处理与排污标准；可知聚丙烯酰胺在水处理领域的应用量将持续走高，其发展潜力巨大。

步入21世纪后，随着我国科学技术的快速发展，我国的聚丙烯酰胺行业蓬勃发展，

年产量持续稳定增长；自主生产聚丙烯酰胺的种类逐渐完善，其质量品质也有所提高。但从整体情况而言,我国的聚丙烯酰胺行业与国外相比还是有较大的短板。我国的聚丙烯酰胺行业存在两极分化情况，我国前几个大型生产厂家所生产的聚丙烯酰胺占据了国内生产份额的90%以上，其余的将近300的小型生产厂家的年生产总量占据不到10%的份额。这表明我国的聚丙烯酰胺行业的生产情况有所失衡。且目前我国大多数的聚丙烯酰胺生产厂家其生产水平属于较为落后，总体生产能力低，产品种类不齐全且产品质量不稳定，跟不上国际上的发展速度，满足不了各行各业的应用需求。

鉴于聚丙烯酰胺在21世纪具有较大的发展潜力，有关专家提出将我国的聚丙烯酰胺行业进行规范生产标准，为此建议：①对我国的聚丙烯酰胺行业进行合并重组，取缔那些低产率高消耗的生产厂家，以提高聚丙烯酰胺行业的整体生产水平。②在生产设备方面，应走标准化路线，跟上国际的发展速度，有条件的厂家可以加紧和国外聚丙烯酰胺行业尖端厂家的合作，引进国外先进的生产设备，加快我国聚丙烯酰胺的标准规模化建设；③我国各个高校、研究所以及生产厂家应积极加快聚丙烯酰胺的相关的生产工艺和生产设备研究，改善现有的较为落后的生产工艺和生产设备，以提高我国聚丙烯酰胺行业的整体生产水平；④国内的各级科研单位应加强对聚丙烯酰胺的研究，设计出含有不同基团共聚接枝改性的聚丙烯酰胺及其衍生物，逐步完善我国的聚丙烯酰胺种类系列化，以满足各行各业的特殊需求。

1.2 设计意义

石油是工业的血液，而工业化是我国坚持的发展道路，若缺少石油的有效供应需求，我国的经济发展将停滞甚至是倒退。目前我国探明的石油储备量相对较少，大多数油田的开采已经进入了中后期的阶段，现已采用了三次采油技术来提高采油率，以保证我国的石油需求。而为保证三次采油技术的顺利实施，在具体操作过程中将大量的使用聚丙烯酰胺，若使用的聚丙烯酰胺产品质量合乎标准，将有助于开采出品质优良的石油，促进我国经济的发展。为此，进行聚丙烯酰胺的生产工艺研究以及其产品系列的完善已经迫不急待。

随着我国经济的快速发展，国民素质教育的整体提高，注重经济发展与自然环境的平衡，有“既要金山银山，也要青山绿水”的发展理念。为此，聚丙烯酰胺在水处理领域将有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

溶液聚合法年产2万吨聚丙烯酰胺的生产工艺设计

1.3 设计原则

（1）毕业设计内容

①查阅相关的聚丙烯酰胺文献资料，了解其聚合原料和产品的理化性质；

②确定年产2万吨聚丙烯酰胺生产工艺流程；

③进行相关的工艺计算，包括物料衡算和能量衡算等；

④对反应釜等生产设备进行参数设计及选型：

⑤绘图：生产工艺流程图、生产车间平面布置图、主要的设备零部件图（如反应釜）等。

（2）毕业设计考察及要求

毕业设计是高等院校培养学生的最后一个重要教学环节，也是对学生大学四年来学习成果的一个验收环节。对于毕业设计这个任务来说，综合地考察了学生的综合应用知识能力，在这个过程中，学生进一步的学会了怎么发现问题、分析问题、整理问题的解决方法；不断提高学生的学习能力，促进了学生更进一步地学会如何高效地查找文献资料及整理相关文献；对生产环节中的各种物料核算及能量衡算等有进一步地了解；更深一步了解了设备在整个生产环节的重要作用；学会了如何快速便捷地设计并绘制相关地流程图、设备图及厂区布置图等，对生产有一个大概地整体了解。通过这一系列的准备工作，对整个生产进行设计并对设计内容进行阐述和论证。

设计资料内容应齐全且简洁明了，工艺流程合理有依据，数据计算准确且规范。有关的设计图纸布局合理、正确清晰、符合制图标准。

第二章原料的理化性质

2.1 原料的物化性质

主要原料为：丙烯酰胺、纯水、偶氮二异丁腈引发剂和氢氧化钠。其物化性质如表2-1。