年产5000吨晶体丙烯酰胺工艺设计样本.doc
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1、第一章 概 述1.1丙烯酰胺介绍丙烯酰胺(AM)是一个有机化合物,纯品为结晶固体,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。职业性接触关键见于丙烯酰胺生产和树脂、黏合剂等合成,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、经高温加工处理淀粉食品及饮用水中。丙烯酰胺属中等毒类,对眼睛和皮肤有一定刺激作用,可经皮肤、呼吸道和消化道吸收,在体内有蓄积作用,关键影响神经系统,急性中毒十分罕见。亲密大量接触可出现亚急性中毒,中毒者表现为嗜睡、小脑功效障碍和感觉运动型多发性周围神经病。长久低浓度接触可引发慢性中毒
2、,中毒者出现头痛、头晕、疲惫、嗜睡、手指刺痛、麻木感,还可伴有两手掌发红、脱屑,手掌、足心多汗,深入发展可出现四肢无力、肌肉疼痛和小脑功效障碍等。1.2 丙烯酰胺合成方法1.2.1 硫酸水正当19世纪末,由丙烯酰氯和氨首次合成了丙烯酰胺。1954年,美国Cyanamid企业采取丙烯腈硫酸水正当实现了工业化生产,并被各国广泛应用。丙烯腈在硫酸存在下水合成丙烯酰胺硫酸盐,然后用液氨中和即生成丙烯酰胺和硫酸铵。反应时,过长停留时间和过高反应温度全部会增加副产物收率,尤其是聚合物和丙烯酸。必需严格控制反应物百分比,方便抑制副反应。从反应混合物中回收丙烯酰胺是整个过程中成本最高和最困难一步。通常采取苯结
3、晶提纯法和离子交换树脂法。硫酸水正当投资大,丙烯腈等原料消耗定额高,并产生大量含丙烯酰胺硫酸盐或硫酸废液污染环境,从20世纪60年代开始,美国、日本等国主动研制开发无公害工艺路线。到现在为止,采取硫酸水正当制备丙烯酰胺工艺已经基础被淘汰。1.2.2 铜催化法70年代初日本和美国同时开发了以铜为主各类催化水正当生产丙烯酰胺,因为它合硫酸法比有很多优越性,纯度及转化率全部有很大提升,环境污染少,成本低,在70年代中期基础上替换了硫酸水正当。步骤图图1-1水合反应100150丙烯腈水未反应丙烯腈分离催化剂分离催化剂脱色除Cu浓缩产 品 图1-1铜催化法步骤方块图1.2.3微生物催化法采取微生物催化法
4、效率大大提升了,生产工艺大为简化,除了省去丙烯腈回收、除Cu等工段外,微生物催化法其它工段生产工艺过程如脱色、浓缩、结晶、干燥等均合化学合成法相同。微生物法关键技术在于生产高效率微生物催化剂。图1-2丙烯腈水水合反应1025脱色催化剂分 离固定化细胞浓缩产品图1-2微生物催化法方块步骤图现在,世界各国生产丙烯酰胺关键厂商、生产能力和生产方法见表一。表一 生产丙烯酰胺关键厂商和生产能力和生产方法国别企业名称生产能力(万吨/年)生产方法美国氰胺企业454硫酸水合 催化水合道化学企业453硫酸水合 催化水合纳尔科企业068催化水合小计975西欧西德司道克豪生化学企业道化学企业025055催化水合荷兰
5、氰胺企业27催化水合英国同盟胶体制造企业075催化水合小计425日本二菱化成30催化水合二井东压15催化水合日东20微生物小计651.3丙烯酰胺聚合物发展历史丙烯酰胺(AM)最早于1893年由Moureu首次合成成功,至今已经有一百多年历史。PAM在1983年由试验室制得。1954年首先在美国实现商业化生产,早期品种仅是单一非离子型PAM。很快开发了碱性水解阴离子型PAM和阴离子型PAM。PAM优良水溶性、增稠性、絮凝性能和化学反应活性显示出了巨大市场潜力和宽广应用前景。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正当,1985年在日本又有丙烯腈酶催
6、化水正当问世。1.4 中国丙烯酰胺发展情况 中国聚丙烯酰胺产品开发始于五十年代末期, 1962年上海天原化工厂建成中国第一套聚丙烯酰胺生产装置, 生产水溶胶产品。现在中国生产厂家有70多家,总生产能力约为65kt/a(折合为100%) ,产量约为55kt/a ,消费量约为70- 75kt/ a。其中大庆油田化学助剂厂于1995年从法国SNF企业引进50kt/a 聚丙烯酰胺生产装置是现在中国最大生产厂家(分子量为1500万),1998年产量达成5kt。中国聚丙烯酰胺应用研究开始于六十年代。最早用于矿物精选,以后在制糖、造纸、钢铁、水处理等领域应用逐步扩大。现在聚丙烯酰胺关键应用领域为石油开采、水
7、处理、造纸、高吸水树脂、冶金和洗煤等。其消费结构为: 油田开采占81%、水处理占9%、造纸占5%、矿山占2%、其它占3%。PAM最有价值性能是分子量很高,水溶性强,能够制作出亲水而水不溶性凝胶,能够引进多种离子基团并调整分子量以得到持定性能,对很多固体表面和溶解物质有良好粘附力。因为这些性能,使得PAM被广泛应用于增稠、絮凝、稳定胶体、减阻、粘结、成膜、阻垢、凝胶及生物医学材料等很多方面。PAM最大用途是在水处理、造纸、采油、冶矿等领域。多年来,中国应用最多是三次采油方面。 在水处理方面,关键利用PAM中酰胺基可和很多物质亲和、吸附、形成氢键特征。高分子分子量PAM在被吸附粒子间形成“桥联”,
8、生成絮团。达成微粒沉降目标。依水质不一样,可应用非离子、阴离子、阳离子型等不一样类型聚合物。现在中国用于水处理方面絮凝剂80%是聚丙烯酰胺产品。伴随水资源保护和环境意识增强。PAM在工业水处理方面将拥有巨大潜在市场。据国外某企业估计,至二十一世纪初,中国50万人口以上城市,用于水处理方面PAM将达成(6-8)万吨/年。1.5丙烯酰胺聚合物应用国际上丙烯酰胺聚合物用量最大领域是水处理。因为其特有结构和性能特点所以在水处理领域含有极广泛用途,关键用作:絮凝剂、污泥脱水剂、助滤剂 。在原水处理中和活性炭配合使用,用于水澄清,以得到符合要求生活水源 和工业水源;在污水达标处理中用做污泥脱水剂,以降低对
9、环境污染;在工业 废水处理中用作配方剂,以提升水反复利用率。絮凝技术是一个用来提升水质处理效率最常见技术。现在,絮凝技术是中国外普遍用来提升水质处理效率一个既经济又简便水质处理方法,广泛地被用来处理工业废水、生活污水、循环冷却水等,对于加强全球环境保护和促进人类身体健康,含有重大意义。现在,丙烯酰胺聚合物研究开发关键有两个方向:首先含有新型结构和性能特点丙烯酰胺衍生物聚合物研究开发使聚丙烯酰胺衍生物应用领域不停拓展;其次对原有聚丙烯酰胺衍生物进行改性和深入开发新应用。中国聚丙烯酰胺聚合物应用范围正日益扩大,用量在逐步增加。现在中国丙烯酰胺聚合物生产企业多数规模较小,技术水平低,产品牌号少,产品
10、分子质量低,部分高分子质量产品还不能生产,需要依靠进口,且价格较高。以后应重视在技术开发上投入,经过引进国际优异技术,研究开发含有新型结构和性能特点丙烯酰胺聚合物,使丙烯酰胺聚合物应用领域不停拓展,同时对原有聚丙烯酰胺聚合物深入改性并开发新应用。在石油开采方面,聚丙烯酰胺含有增稠、絮凝和对流体变性调整作用。可用作钻井泥浆增稠剂、稳定剂和沉降絮凝剂。将聚丙烯酰胺加入钻井泥浆中, 能够增加泥浆稠度,提升悬浮力,使泥浆分散均匀,控制失水,增加稳定性,降低摩阻,提升固井速度;在水处理中,聚丙烯酰胺用作絮凝剂,可用于城市污水、生活污水、工业废水等处理和多种地下水和工业悬浮液固液分离工程中;在纺织工业中,
11、聚丙烯酰胺作为织物后处理上浆剂、整理剂,能够生成柔顺、防皱、耐霉菌保护层。利用它吸湿性强特点,能降低纺细纱时断线率;在造纸工业中,聚丙烯酰胺用作分散剂,能够改善纸页均匀度。用作增强剂, 能有效地提升纸张强度。用作助留剂、滤水剂、沉降剂,能提升填料和细小纤维存留率,加速脱水速度,还可沉淀污水、降低污染;在电解冶金或铜、锌电解精炼时,添加聚丙烯酰胺,可改善金属在阴极沉积质量,并增加电流效率。在采矿、洗煤中,采取聚丙烯酰胺作絮凝剂,可促进固体沉降,使水澄清,同时可回收大量有用固体颗粒,避免对环境造成污染。聚丙烯酰胺作印染助剂时, 可使产品附着牢度大,鲜艳度高。在制糖业,聚丙烯酰胺可加速蔗汁中细粒子下
12、沉,促进过滤和提升滤液清澈度;在养殖业中,聚丙稀酰胺可改善水质,增加水透光性能,从而改善水光合作用。另外,聚丙烯酰胺还能够用作隧道、水坝等工程堵水固沙化学灌浆和水下、地下建筑物防腐剂,还可用作土壤改良剂、纤维改性剂、粘结剂、光敏树脂交联剂等。1.6 中国外丙烯酰胺生产现实状况及消费情况日本生产丙烯酰胺在各行业中消耗量百分比以下:纸张增强剂 48%水处理 30%纤维处理剂及其它 8%出口 14%美国及西欧生产丙烯酰胺在各行业中消费量情况以下: 美国 西欧水处理 50% 56%造纸 20-25 17%选矿 10-15% 22%石油工业 10-15% 5%其它 5% 中国丙烯酰胺在各行业中消费情况以
13、下:石油工业 66.6%煤矿工业 4.4%纺织工业 5.2%造纸工业 15%水处理 2.0%冶金 32%化工 4.5%制糖 3.2%其它 9.45%第二章 工艺步骤2.1工艺步骤方块图水 汽过 滤粗原料罐提浓塔冷凝器AM精 制离心分离结 晶干 燥包 装图2-1工艺步骤方块图2.2工艺步骤说明 浓度为30%丙烯酰胺经粗过滤后进入原料储罐中,由离心泵送入提浓塔中进行提浓,为了在提浓塔中愈加快提浓,在送入提浓过程中要进行预热,提浓热源是热空气,热空气是由风机从外面吸入大气和蒸汽在空气加热器中进行加热而取得,空气和蒸汽进行热交换后进入提浓塔中从下而上进行加热提浓,提浓是一个间歇过程,一次性提浓不会达成
14、结晶所要浓度,所以要反复提浓,当浓度达成35%后送入冷凝器进行冷凝,预防温度过高引发聚合。经过冷凝后温度降到35度左右,送入粗丙烯酰胺罐,在储罐外面要接冷凝套管经过泵进行循环,预防外界温度过高引发丙烯酰胺自发聚合。再配制浓度约为35%盐酸溶液存入盐酸配制槽中和配制浓度约为35%氢氧化钠溶液存入碱液配制槽中。再用泵从粗丙烯酰胺罐中输送原料进入粗过滤器,除去粗原料中大颗粒杂质,再由粗过滤器送入活性炭过滤罐,吸附部分小颗粒杂质,再由活性炭过滤罐送入阳离子交换柱,用泵送配制好盐酸溶液进入阳离子交换柱中除去金属离子如Ca2+、Mg2+和Cu2+等,再送入阴离子交换柱,用泵送配制好碱液加入阴离子交换柱中,
15、除去酸根离子如SO42-和NO3-等。经过这些过滤后,丙烯酰胺溶液符合结晶标准,送入精制储罐中。再由泵从储罐送入结晶釜中进行结晶,在结晶过程中采取-10冷冻盐水通入结晶釜外面夹套中,控制釜中温度,同时要慢慢搅拌。结晶后物料送入离心机进行离心分离,分离晶体由输送机送往干燥段。离心溶液送入原料罐反复上面步骤。干燥关键除去晶体中水分,干燥热源是用蒸汽和空气进行热交换,用热空气干燥晶体,再送入包装机进行包装。2.3工艺步骤控制说明2.3.1提浓塔温度控制 经过调整液体流量和提浓平衡罐内液体流量来控制塔内温度,提浓平衡罐采取连锁形式,当温度和液位超出设定数值时就自动调整阀门。2.3.2容器液位控制 间歇
16、操作时,反应器中液位是经过每批加料量来决定。进料时打开进料泵,物料达成预定夜位时,关闭进料泵。2.3.3泵控制流体输送设备为离心泵时,管路中流体流量通常有两中调整方法,直接流量调整和旁观流量调整。本设计采取直接流量调整。 直接流量调整。流量计及调整阀安装在输出管道上,流量计在前,调整阀在后,经过调整阀门开启度,调整管路中流体流量大小,该控制方案简单、易操作。 旁路流量调整。调整阀设在循环旁路管道上,流量计设在输出管道上,泵流量是固定,经过调整循环旁路中阀们开启度来调整流量。2.3.4换热气控制 通常采取调整载热体流量方法,检测点通常放在物料出口处,也能够放在载热体出口处经过控制凝液流量大小。2
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