年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计第一章1.1 丙烯酰胺的介绍概述丙烯酰胺（AM）是一种有机化合物，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。丙烯酰胺属中等毒类，对眼睛 和皮肤有一定的刺激作用， 可经皮肤、 呼吸道和消化道吸收， 在体内有蓄积作用， 主要影响神经系统，急性中毒十分罕见。密切大量接触可出现亚急性中毒，中毒 者表现为嗜睡、小脑功能障碍以及感觉运动型多发性周围神经病。长期低浓度接 触可引起慢性中毒，中毒者出现头痛、头晕、疲劳、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，进一步发展可出现四肢无力、肌 肉疼痛以及小脑功能障碍等。1.2 丙烯酰胺的合成方法1.2.1 硫酸水合法 19世纪末，由丙烯酰氯与氨首次合成了丙烯酰胺。1954年，美国Cyanamid 公司采用丙烯腈硫酸水合法实现了工业化生产，并被各国广泛应用。 丙烯腈在硫酸存在下水合成丙烯酰胺的硫酸盐， 然后用液氨中和即生成丙烯 酰胺和硫酸铵。反应时，过长的停留时间和过高的反应温度都会增加副产物的收 率，特别是聚合物和丙烯酸。必须严格控制反应物的比例，以便抑制副反应。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的一步。 通常采用苯 结晶提纯法和离子交换树脂法。硫酸水合法投资大，丙烯腈等原料消耗定额高， 并产生大量含丙烯酰胺的硫酸盐或硫酸废液污染环境，从20世纪60年代开始，美 国、日本等国积极研制开发无公害的工艺路线。到目前为止，采用硫酸水合法制 备丙烯酰胺的工艺已经基本被淘汰。 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的各类催化水合法生产丙烯酰胺， 由于它合硫酸法比有很多优越性，纯度及转化率都有很大的提高，环境污染少，1安徽建筑工业学院本科生课程设计成本低，在 70 年代中期基本上取代了硫酸水合法。流程图如图 1-1丙烯腈 水水合反应 100~150 ? C 催化剂 分离未反应丙 烯腈分离催化剂产 品浓缩除 Cu脱色图 1-1 铜催化法流程方块图 1.2.3 微生物催化法 采用微生物催化法效率大大的提高了，生产工艺大为简化，除了省去丙烯腈 回收、除 Cu 等工段外，微生物催化法的其他工段的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。微生物法的核心技术在于生产高效率的微生 物催化剂。如图 1-2丙烯腈 水水合反应 10~25 ? C催化剂 分 离脱色固定化 细胞产品浓缩图 1-2 微生物催化法方块流程图目前，世界各国生产丙烯酰胺的主要厂商、生产能力和生产方法 见表一。2年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计表一 生产丙烯酰胺的主要厂商和生产能力和生产方法国别 公司名称 氰胺公司 美 道化学公司 纳尔科公司 国 西 西 德 荷兰 英国 欧 小计 司道克豪生化学公司 道化学公司 氰胺公司 同盟胶体制造公司 小计 二菱化成 日 二井东压 日东 本 小计 生产能力（万吨/年） 4．54 4．53 0．68 9．75 0．25 0．55 2．7 0．75 4．25 3．0 1．5 2．0 6．5 催化水合 催化水合 微生物 催化水合 催化水合 催化水合 生产方法 硫酸水合 硫酸水合 催化水合 催化水合催化水合1.3 丙烯酰胺聚合物的发展历史丙烯酰胺(AM)最早于 1893 年由 Moureu 首次合成成功，至今已有一百多年 的历史。PAM 在 1983 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 和阴 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出 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 有丙烯腈酶催化水合法问世。1.4 我国丙烯酰胺的发展状况我国聚丙烯酰胺产品的开发始于五十年代末期， 1962年上海天原化工厂建 成我国第一套聚丙烯酰胺生产装置， 生产水溶胶产品。目前国内生产厂家有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703安徽建筑工业学院本科生课程设计75kt/ a。其中大庆油田化学助剂厂于1995年从法国SNF公司引进的50kt/a 聚丙烯 酰胺生产装置是目前我国最大的生产厂家(分子量为1500万)，1998年产量达到 5kt。 我国聚丙烯酰胺的应用研究开始于六十年代。最早用于矿物精选，而后在制 糖、造纸、钢铁、水处理等领域的应用逐渐扩大。目前聚丙烯酰胺的主要应用领 域为石油开采、水处理、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 最有价值的性能是分子量很高，水溶性强，可以制作出亲水而水不溶 性的凝胶，可以引进各种离子基团并调节分子量以得到持定的性能，对许多固体 表面和溶解物质有良好的粘附力。 由于这些性能， 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许多方面。 PAM 的最大用途是在水处理、造纸、采油、冶矿等领域。近年来，我国应用最 多的是三次采油方面。 在水处理方面，主要利用 PAM 中酰胺基可与许多物质亲和、吸附、形成氢 键的特性。高分子分子量 PAM 在被吸附的粒子间形成“桥联”，生成絮团。达到 微粒沉降的目的。依水质的不同，可应用非离子、阴离子、阳离子型等不同类型 的聚合物。 目前我国用于水处理方面的絮凝剂 80%是聚丙烯酰胺产品。 随着水资 源保护和环境意识的增强。PAM 在工业水处理方面将拥有巨大的潜在市场。据 国外某公司预测，至 21 世纪初，我国 50 万人口以上的城市，用于水处理方面的 PAM 将达到（6-8）万吨/年。1.5 丙烯酰胺聚合物的应用国际上丙烯酰胺聚合物用量最大的领域是水处理。 由于其特有的结构和性能 特点因而在水处理领域具有极广泛的用途，主要用作：絮凝剂、污泥脱水剂、助 滤剂 。在原水处理中与活性炭配合使用，用于水的澄清，以得到符合要求的生 活水源 和工业水源；在污水达标处理中用做污泥脱水剂，以减少对环境的污染； 在工业 废水处理中用作配方剂，以提高水的重复利用率。絮凝技术是一种用来 提高水质处理效率的最常用技术。目前，絮凝技术是国内外普遍用来提高水质处 理效率的一种既经济又简便的水质处理方法，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，具有重大意4年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计义。目前，丙烯酰胺聚合物的研究开发主要有两个方向：一方面具有新型结构和 性能特点的丙烯酰胺衍生物聚合物的研究开发使聚丙烯酰胺衍生物的应用领域 不断拓展；另一方面对原有聚丙烯酰胺衍生物进行改性和进一步开发新的应用。 我国聚丙烯酰胺聚合物的应用范围正日益扩大，用量在逐步增加。目前国内 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，产品分子质 量低，一些高分子质量产品还不能生产，需要依赖进口，且价格较高。今后应重 视在技术开发上的投入，通过引进国际先进技术，研究开发具有新型结构和性能 特点的丙烯酰胺聚合物，使丙烯酰胺聚合物的应用领域不断拓展，同时对原有聚 丙烯酰胺聚合物进一步改性并开发新的应用。 在石油开采方面，聚丙烯酰胺具有增稠、絮凝和对流体变性的调节作用。可 用作钻井泥浆的增稠剂、稳定剂和沉降絮凝剂。将聚丙烯酰胺加入钻井泥浆中， 可以增加泥浆的稠度，提高悬浮力，使泥浆分散均匀，控制失水，增加稳定性， 降低摩阻，提高固井速度；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、 工业废水等的处理以及各种地下水和工业悬浮液固液分离工程中； 在纺织工业中，聚丙烯酰胺作为织物后处理的上浆剂、整理剂，可以生成柔顺、 防皱、耐霉菌的保护层。利用它的吸湿性强的特点，能减少纺细纱时的断线率； 在造纸工业中，聚丙烯酰胺用作分散剂，可以改善纸页的均匀度。用作增强剂， 能有效地提高纸张的强度。用作助留剂、滤水剂、沉降剂，能提高填料和细小纤 维的存留率，加速脱水速度，还可沉淀污水、减少污染；在电解冶金或铜、锌的 电解精炼时， 添加聚丙烯酰胺， 可改善金属在阴极沉积的质量， 并增加电流效率。 在采矿、洗煤中，采用聚丙烯酰胺作絮凝剂，可促进固体沉降，使水澄清，同时 可回收大量有用的固体颗粒，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 沉，促进过滤和提高滤液清澈度；在养殖业中，聚丙稀酰胺可改善水质，增加水 的透光性能，从而改善水的光合作用。此外，聚丙烯酰胺还可以用作隧道、水坝 等工程堵水固沙的化学灌浆和水下、 地下建筑物的防腐剂， 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。5安徽建筑工业学院本科生课程设计1.6 国内外丙烯酰胺生产现状及消费情况日本生产的丙烯酰胺在各行业中消耗量的比例如下： 纸张增强剂 水处理 纤维处理剂及其他 出口 48% 30% 8% 14%美国及西欧生产的丙烯酰胺在各行业中消费量的情况如下： 美国 水处理 造纸 选矿 石油工业 其他 我国丙烯酰胺在各行业中的消费情况如下： 石油工业 煤矿工业 纺织工业 造纸工业 水处理 冶金 化工 制糖 其他 66.6% 4.4% 5.2% 15% 2.0% 32% 4.5% 3.2% 9.45% 50% 20-25 10-15% 10-15% 5% 西欧 56% 17% 22% 5%6年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计第二章 工艺流程2.1 工艺流程方块图水 汽过 滤粗原料罐提浓塔冷凝器AM离心分离结晶精制干燥包装图 2-1 工艺流程方块图2.2 工艺流程说明浓度为 30%的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，为了在提浓塔中更快的提浓，在送入提浓过程中要进行预热，提浓的 热源是热空气， 热空气是由风机从外面吸入大气与蒸汽在空气加热器中进行加热 而获得的，空气与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，一次性提浓不会达到结晶所要的浓度，所以要反复的提浓，当 浓度达到 35%后送入冷凝器进行冷凝， 防止温度过高引起聚合。 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通过泵进行循环， 防止外界温度过高引起丙烯酰胺自发聚合。 再配制浓度约为 35%的盐酸溶液存入 盐酸配制槽中和配制浓度约为 35%的氢氧化钠溶液存入碱液配制槽中。 再用泵从7安徽建筑工业学院本科生课程设计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的杂质，再由粗过 滤器送入活性炭过滤罐，吸附一些小颗粒的杂质，再由活性炭过滤罐送入阳离子 交换柱，用泵送配制好的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，用泵送配制好的碱液加入阴离子交换柱 中，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 的标准，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 采用-10℃的冷冻盐水通入结晶釜的外面夹套中，控制釜中的温度，同时要慢慢 的搅拌。结晶后的物料送入离心机进行离心分离，分离的晶体由输送机送往干燥 段。离心的溶液送入原料罐重复上面的步骤。干燥主要除去晶体中的水分，干燥 的热源是用蒸汽与空气进行热交换， 用热空气干燥晶体， 再送入包装机进行包装。2.3 工艺流程控制说明2.3.1 提浓塔温度的控制 通过调节液体的流量和提浓平衡罐内的液体流量来控制塔内的温度， 提浓平 衡罐采用连锁的形式，当温度和液位超过设定数值时就自动调整阀门。 2.3.2 容器液位的控制 间歇操作时， 反应器中液位是通过每批加料量来决定的。 进料时打开进料泵， 物料达到预定夜位时，关闭进料泵。 2.3.3 泵的控制 流体输送设备为离心泵时，管路中流体流量通常有两中调节方式，直接流量 调节和旁观流量调节。本设计采用直接流量调节。 直接流量调节。流量计及调节阀安装在输出管道上，流量计在前，调节阀在 后，通过调节阀门的开启度，调节管路中流体流量的大小，该控制方案简单、易 操作。 旁路流量调节。调节阀设在循环旁路管道上，流量计设在输出管道上，泵的 流量是固定的，通过调节循环旁路中阀们的开启度来调节流量。 2.3.4 换热气的控制 通常采用调节载热体流量的方法，检测点一般放在物料出口处，也可以放在 载热体出口处通过控制凝液流量大小。8年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计2.3.5 报警、切断及连锁 为了保证安全生产， 虽然采用了各种常规的复杂的调节系统使工艺参数保持 在安全范围内，但仍不排除在特殊情况下发生意外。对于种种不正常的状态都应 考虑到，并在设计中采用充分的附加防范措施。本设计采用连锁报警装置。9安徽建筑工业学院本科生课程设计第三章 物料计算3.1 物料计算方块流程图物料计算方块流程图如图 3-1水 汽炭酸碱粗 AM 罐提浓精 制结 晶干 燥离 心图 3-13.2 物料计算年生产 330 天，每天生产 24 小时。 （1）年产 5000 吨晶体，需浓度为 30%的粗原料年用量为：W总? 1 8 0 0 0 吨/年水分总损失=原料总量 - 产品总量 - 损失总量 （2）经过提浓后损失 5 吨/年，浓度达到 35%，除去水分为：（ 1 8 0 0 0 ? 1 8 0 0?0 ? 2 5 8 5 .7 吨 年 0 ? 3） 5 . 0 0 .3 5（3） 、精制过程损失的主要是除去的杂质。如下： 浓度为 30%盐酸用量：400 吨/年 。 浓度为 30%碱用量：450 吨/年。 炭用量：100 吨/年。 其中在精制过程中年纯水用量约 2000 吨。 精制过程中碳吸附杂质约 5 吨/年、离子交换除去杂质约 5 吨/年。 废液=水 + 盐酸量 + 碱量 + 炭 + 除去的杂质。10年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计废液=+100+5+5=2960 吨/年 经提浓后总物料量为： （18000× 0.30）÷ 0.35-5=15414.3 吨/年 （4） 、结晶过程 结晶损失 2 吨/年 （5） 、离心过程 离心分离为 35%其中损失 5 吨/年。 经分离后物料总量为： （-5）× 35%=5388.3 吨/年 经离心返回提浓段为： 8.3=10006.9 吨/年 （6） 、干燥过程 干燥损失 5%其中损失 2 吨/年。 由离心过来的总量为：5388.3 吨/年。 经干燥工序后产品为： （ ）× （1-0.05）=5116.98 吨/年。11安徽建筑工业学院本科生课程设计第四章 设备计算4.1 主物料管径的计算u ? 4q AV?4q?VdV 2? d ?q?4uu流体的流速， m s ； 流体的体积流量， mV3qdh；管子内径， m 。3查表取流速： u =1.5 m s ， q =10 mVh计算得：d ?q?4Vu 10?3 6 0 0 ? 0 .7 8 5 ? 1 .5? 0 .0 5 0 m取 d = 50mm。4.2 循环水管径计算u=2 m s ， q =10 m h ，根据上面公式计算得 Vd ?3q?4Vu 10?3 6 0 0 ? 0 .7 8 5 ? 2? 0 .0 4 0 m取循环水管道直径为 40mm4.3 釜体的计算结晶釜的体积计算： ① 间歇操作12年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计a． 根据年产量确定日产量Wd， K g ?d ? 1b．确定生产周期或每天生产批数?式中：?T=?R??aT一个生产周期的时间，h； 结晶达到预期的时间，h； 辅助操作时间，h。? ?24?R?a?T?1式中： ?每天生产批数， B ? d。c． 选择反应器的装料系数? ?V VR T式中V VR液体的体积， m 3 反应器的实际体积， m 3T搅拌釜， ? 取 0.6~0.8，有起泡或沸腾时， ? 取 0.4~0.6 d．计算反应器体积及台数VVR?W ?dT?? 24m或VR?Wd??mT? V? R?1?? ? ? ? ?? 1? 2 ? ? ?1 ? 2 ?m式中：?反应液的混合密度， K g ? m 3 。m? 1 组分 1 所占的份数，%；? 2 组分 2 所占的份数，%；13安徽建筑工业学院本科生课程设计? 1 组分 1 的密度， K g ? m3； 。? 2 组分 1 的密度， K g ? m3间歇操作便于设备的设计与制造，降低设备费，取每个反应器体积相同，此时：V式中： n TTi?V nR T反应器台数，个。结晶釜日产量为：W =d=46.7 t ? d ? 1间歇操作：?R=9 h，?? 1 ?? ? ? ? ? 1?a=1.5 h? ? ? ??1?m? ?22? 0 .6 5 0 .3 5 ? = ? ? ? ? 998 1122 ? = 1 0 3 9 .5 6 k g /m?13? 取 0.7 ，H/D=1.5~2，上下封头均用标准椭圆封头。间歇操作周期：?液体体积为：T=?R??a=9.0 +1.5=10.5 hV=R?W ??dT?? 24m4 6 7 0 0 ? 1 0 .5 1 0 3 9 .5 6 ? 2 43=20 m釜的总体积为：VT=V?R=20 0 .6? 3 3 .3 3m314年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计取每个釜体积为VTi? 8 .5 m3，则需要釜的个数为： n T =43 3 .3 3 8 .5? 4个查表得标准椭圆封头的体积为： 0.131D 3 、 h 封 ? D 令：h 为釜体直边高度、H 为结晶釜总高度，则：H ? h ? 2?h封 ? h?D ? 1 .5 D 2。若取 HD? 1 .5，则有：h=D?V??4T? D ? h ? 0 .2 6 2 D2 33?4D ? 0 .2 6 2 D3 3? 1 .0 4 7 DD=3V' T?38 .5 1 .0 4 7? 2 .0 m1 .0 4 7由于釜的上下封头仍为标准封头，因为 H D 取的较小，所以此处按公称尺寸选 釜体直径D ? 2.0 m。釜体的直边高度为：V h=釜的实际高度为：' T? 2 ?V ?D2封?4?8 .5 ? 2 ? 0 .1 3 1 ? 2 0 .7 8 5 ? 223? 2mH ? h ? 2 ?V封? 2 .0 ? 1 .0 ? 3 .0 m根据表取封头的直边高度为 50mm。 釜体圆形直筒部分高度：h结晶釜的实际体积为：'? h ? 2 ? 0 . 0? 52 . 0 ?0 . 1 ? m1 .915安徽建筑工业学院本科生课程设计?42 3VT?? D ? h ? 0 .2 6 2 ? D23? 0 .7 8 5 ? 2 ? 2 ? 0 .2 6 2 ? 2 ? 6 .2 8 ? 2 .0 9 6 ? 8 .3 7 m3釜的实际长径比：H D ? 3 2 ?1 . 5取釜的体积为 8.5 m 3 。4.4 提浓循环泵的计算根据伯努力方程式得：W ? ( z 2 ? z1 ) g ?式中： Wz1 , z 2 P1， P2 u1 , u 2P2 ? P1??u 2 ? u1 222??Hf外加机械能，J/kg； 所选取两截面距离地面的高度，m； 所选取两截面的压力，Pa； 所选取两截面的液体流速，m/s； 两截面间管路中的压头损失，m?HfW ?u 2 ? u122?2已知管内物料的流速：u=1.5m/s，所以?HfRe ?du ???0 .0 5 ? 1 .5 ? 1 1 2 2 0 .0 0 1? 8 .4 1 ? 1 04经查表得 ? / d ? 0.003 ， ? ? 0.027 压头损失计算公式为：?式中：Hf? ? l ? u2 le ? ? ?? ? ? ??? ? d ? ? ?d ? 2?Huf两截面间管路中的压头损失，m 管道内流体流速，m/s16年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计设管道的总长 l=10m，管径 d=0.05m。在整个管路中，共有 4 个 90°弯头； 2 个截止阀；1 个止回阀；1 个流量计。经查表可得： 代入公式计算得：le d ? 4 9 4 0; ? ? 9 9，将数据?H所以f? ? 1 .5 ? 10 ? ? ? 0 .0 2 7 ? ? ? 4940 ? ? 99 ? ? ? 2 6 7 .5 J / kg 2 ? 0 .0 5 ? ? ?2W ?又因为u 2 ? u122?2?Hf?1 .5 ? 02?2?HfH ?入数据计算得W gH ?2 6 7 .?5 9 .81 .1 2 5 ? 2 7 .m 4在选择泵的扬程时，应放大 5%～10%，所以， 泵的扬程可以选为H ? 27.4 ? (1 ? 0.5% ) ? 28.8 m计算轴功率及电机功率 ① 有效功率单位时间内液体从泵获得的能量，W。p式中：?eQ HVe?gQH?gV体积流量， me3s ；?1扬程，m； 流体密度， K gm ；?23重力加速度， m ?s 。p?e1 0 ? 1 0 4 1 .6 6 ? 2 8 .8 ? 9 .8 1 3600=871.5W 轴功率单位时间内泵轴所提供的能量，W。17安徽建筑工业学院本科生课程设计p式中：? 取 92%得 ??ap?e泵效率。p?a8 4 1 .5 0 .9 2=888.6W② 电机功率电机转动所提供的功率，W。p ? Kpa?传式中：?K传电机传动效率； 选用电动机富裕系数，与轴功率有关，取值范围如下： &3 1.5 3~3.5 1.3传pKaKW7.5~17 1.25 =90%，K=1.5 得8 8 8 .6 0 .9 022~55 1.15&75 1.1选择皮带轮传动的电机，则 取?p ?1 . 5 ?=1481W4.5 提浓塔的计算M式中：进? ? （1M1??2M2)M M1组分 1 的摩尔质量，g/mol； 组分 2 的摩尔质量，g/mol； 组分 1 的百分含量，%； 组分 2 百分含量，%。2??12原料组分的含量为： AM 单体 水??1=30%， =70%，18M =71gmol；12M =18 gmol2年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计则；M进? ? （1M1??2M2)? 0 .3 0 ? 7 1 ? 0 .7 ? 1 8 ? 2 1 .3 ? 1 2 .6 ? 3 3 .9 g / m o l经提浓后 AM 浓度为 35%，根据上式计算 M釜得；M釜? ? （1M1??2M2)? 0 .3 5 ? 7 1 ? 0 .6 5 ? 1 8 ? 2 4 .8 5 ? 1 1 .7 ? 3 6 .5 5 g / m o l根据公式? ?? ?1 ? 2 ? ? ? ? 得； ??1 ? 2 ?组分 1 的密度， K g / m 3 ； 组分 2 的密度， K g / m 3 ； 组分 1 的百分含量，%； 组分 1 的百分含量，%。?1式中：?1?2??已知 查表得12? 1 =0.3，3? 2 =0.72? 1 =1122 K g / m， 2 0 ? C 时水得密度 ? =998.2 K g / m 3 ，则?进?? 1 ?? ? ?? ? 1? ?22? ? ? ??10 .7 ? ? 0 .3 ?? ? ? ? 1 1 2 2 9 9 8 .2 ? ? 1 0 3 2 .4 K g / m6 0 ?C3?1水的密度为 ?2=983.1 K g / m ， 经提浓后混合密度为，319安徽建筑工业学院本科生课程设计?? 1 ?? ? ?? ? 1?釜? ?22? ? ? ??10 .6 5 ? ? 0 .3 5 ?? ? ? ? 1 1 2 2 9 8 3 .1 ? ? 1 0 2 7 .6 K g / m3?1??L??进? 2?馏? ? 1 0 3 2 .4 ? 9 9 8 .2 ? 1 0 1 5 .3 K g /2m33??? ?L进? 2?釜? ? 1 0 3 2 .4 ? 1 0 2 7 .6 ? 1 0 3 0 K g /2mD ? 65.29 K g / h ? 3.6 K m ol / hW ? F ?3 8 9 .2 4 3 6 .5 5 4 5 4 .5 5 3 3 .9? 1 0 .6 5 K m o l / h ? 1 3 .4 K m o l / hLS? RD；V6 5 .2 9 9 9 8 .2S?LS?D，取 R=23LS? 2?? 0 .0 0 0 0 3 7 m / S3VLS??LLS? D ? 0 .0 6 8 8 m / S? qFSS，取 q=1L气相重度S? 0 .0 0 0 0 3 7 ? 0 .0 0 0 1 2 23? 0 .0 0 0 1 5 9 m / S??釜? 2 2 .? 4 ?3 8 9 .2 4?1 . 3 3 7 g m / K6 2 7 3 6 0 ? 1 0?6 5 . 27334 5 4 .5 5 2 2 .4 ? 1 3 .4 ? 273 ? 50 273进? 1 .2 7 9 9 K g / m3?馏?6 5 .2 9 2 2 .4 ? 3 .6 ? 273 ? 40 273? 0 .7 0 6 2 K g / m3??? ?V进? 2?馏? ? 0 .9 9 3 K g / m203年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计??? ?V进? 20 .5?釜? ? 1 .3 0 8 7 K g / m3L? ? L ? ? V ? ?V ? ?0 .0 0 0 1 5 9 ? 1 0 3 0 ? ? ? ? 0 .0 6 8 8 ? 1 .3 0 8 7 ?0 .5? 0 .0 6 5C ?C ? ? ? 20 ?20? ? ?0 .2式中：C20表面张力为 20 mN/m 时的 C 值； 液体表面张力，mN/m； 表面张力为? 时的 C 值。T?C选塔板间距 H? 4 0 0 m m ，查表得 C20? 0 .0 7 3 ，查表得 ? =21.7mN/mC ?C? ? ? ? 20 ? ? 20 ?0 .2? 0 .0 7 4 2um a?C x???L? ?V?V?0 .0 7 4 2 ? ? 2 . 0m s / 81 0 3? 01 .3 0 8 71 .3 0 8 7u ? ? 0 .6 ~ 0 .8 ? u m ax u ? 0 .7 u则m ax? 0 .7 ? 2 .0 8 ? 1 .4 5 6 m / s计算塔径得D式中：T?V?4SuDT塔径，m； 塔内气相的体积流量， m 3 / S ； 气相的空塔速度，m/s。21VuS安徽建筑工业学院本科生课程设计则，DT?1 .5?4? 1 . 1 4m6?1 . 4 5 64.6 风机的计算输送 60℃的热空气，风量为 40 m 用电机，风压为 60mmH2O。 根据工况要求风量和风压，考虑加 10%的附加值，即：3m in ，出风口位置为90 度的风机，并配Q?1 . 1 ?x4m 03m in?Px?1 . 1 ? 6 0 ? 6 mmH2O 6风机的使用工况的空气密度 ? 按气体状态方程式求，即：P V? n R T? ? ??P0T00PT 2 7?3 2?7 33?1 . 2 ?? 1 0 1 .39 42 0 6 0? 0 . 9 0K g 9m风机的实测标准状态为 P 0 ? 101.3 K P a ， t 0 ? 2 0 ? C ，空气密度 ? ? 1 .2 K g / m 30将使用工况状态下的风量和风压换算为实测标准状态下的风量和风压Q =Q0=44xm3/min?P 0 ? ?P x???0? 6 6?? 8 1mmH2O 0 .9 0 91 .2查离心式风机性能表选择转速为 1450r/min，轴功率为 10.6KW 的风机。4.7 冷凝器的计算（1） 耗水量， 根据推动力 ? tm 及水消耗两两方面考虑， 选择水的出口温度 t=30℃， 则水的平均温度为：t ? 1 2 (t 1 ? t 2 ) ? 1 2 (20 ? 30) ? 25℃在 25℃时水的有关物理量为： 密度?=997Kg/m322年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计热容 导热系数 粘度 普兰特准数 热负荷：Q ? ?Cp=4.178Kg/(Kg? ℃)?=0.608W/(m? ℃) =0.866× -3Pa? 10 S?Pr=7.506q c (Tm1 p11? T 2)3? 3 .4 7 5 ? 1 0 ? (5 0 ? 3 5)? 173K W水消耗量为：W2?pQc (t2? t 1)?173 4 .1 7 8 ? (3 0 ? 2 0 )? 4 .1 4 K g / S从腐蚀性、传热面积和价格三方面综合考虑后，选用 ? 25× 2.5mm 无缝钢管， 此管内径 d0=0.02mm。 工业上水和类似的流体流速一般取 1~2.5m/s，则选 AM 的流速为 1m/s。 （2）估算传热面积和管子的根数?t m ? ?t 1 ? ?t 2 ln ?t 1 ?t 22 2??T1?T ? t ? ?T ? t ? ln ?T ? t ?1 1 2 2? t 1? ??(5 0 ? 2 0 ) ? ( 4 0 ? 3 0 ) ln 30 10? 1 8 .2 ? C由于 AM 的粘度小于 1，所以 K 取值范围在 50~350W/（m2? ，初选 K=250 W/ S） （m2? S） 估算传热面积为：S'?Q K ?t m?1 7 3 ?1 0 0 0 2 ? 9 . 7m 4 2 5 0 1 3 .9 ?23安徽建筑工业学院本科生课程设计单程管数为：n单程管长为：'? u?W42 2 0?4? 4 . 1 4 1 ? 3 .1 4 ? 0 .0 2 ? 9 9 72? 15 根d?l式中 d1 为管的外径。'?S n?''?4 9 .7 1 1 ? 3 .1 4 ? 0 .0 2 5? 58md1选定换热气的管长为 3m，则管程数为 N p ，即：'N' p? l 3'?1 9 . 0 6选换热气管程为 2，则需要换热气的个数为 N，即：N ?N2' p?20 2? 10个每个换热气管根数为：n ? 2 ?n'?3 0 根每个换热气的面积为：S ?s'102 ? 4 . 9 7m根据 S=6 m2，n=22 查表选用换热气的型号，有关数据如下： 公称直径 DN 传热面积 S 管数 管子规格 n 273mm 7/7.30 32 公称压力 管程数 Np 管长 l2.5× 6Pa 102 3m? 25× 2.5mm，管子排列方式为正三角形（3）管程压降的计算 管程雷诺准数为：Re ?d0u??24年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计其中 u 为选定换热气的实际操作流速，有下式计算u ?V n' 's 2 0?d 4式中Vs?W?32 22?4 .1 4 ? 0 . 0 0 4 1 /S m3 1030n所以''?? 16 根? 0 .8 2 m su ?0 .0 0 4 1 1 6??4? 0 .0 22故Re ?d0u??4?0 .0 2 ? 0 .8 2 ? 1 0 3 0 0 .8 6 6 ? 1 03? 1 .9 6 ? 1 0由于钢管的绝对粗糙度 ? =0.15mm，故， ? 0 .0 0 7 5 ，查 ? 与 R e 及d??d的关系图得，? =0.035，又取管程结垢系数 Ft=1.5，故的管程压降为：? ? l ?P ? ? ? ? 3? F ? ? ? d 0 ? 3 ?(0 .0 3 5 ? ? 0 .0 2tN?up22 0 .8 2 221 0 3?0 ?3 ) ? 1 ? 5 2 .=8598.76N/m2〈9.8× 3Pa 10因此压降满足要求所计算的换热气符合要求。4.8 旋风分离器的计算已知标准型旋风分离器的阻力系数 ? =8.0，允许压强 ? P=700Pa，在 60℃时 空气的物理常数为： ? =1.06Kg/m3 ， ? =2.0×10-5Pa? S，颗粒密度 ? =1160Kg/m-3 可得分 离器的最大进口速度ui?2?P???2? 7 0 0 ? 1 2 . 8m s 5 8? 1 . 0 6按照要求的分离效率，临界粒径不大于 10um，而气流回转圈数 Ne 值取为 5，求 的进管宽度。25安徽建筑工业学院本科生课程设计B ??N u (?e is? ? )d c29??6?? ? 5 ? 1 2 .8 5 ? (1 1 6 0 ? 1 .0 6 ) ? ?1 0 ? 1 09 ? 2 .0 ? 1 0?5?2? 0 .1 3 m旋风分离器的直径为： D=4B=4× 0.13=0.52m 一个旋风分离器的处理量为：V?' s? hBu i ?2D D ? ?u i 2 40 .5 2 8? 1 2 .8 53? 0 .4 3 4 mS含尘气体在工况下的总流量为：Vs?4 0 0 0 ? 3 6 0 032? 3 7 2 7 36 0?1 . 3m 5S所需分离器的台数为：n ?V Vs ' s?? .1 台 3 2 0 .4 3 41 .3 5为了便于布置，决定采用 4 态分离器并联操作。所以需要复算 （1）从分离效率和处理量求分离器直径 每个旋风分离器理量为：V' s?V4s?31 .3 5 4 S? 0 .3 3 7 m旋风分离器的临界粒径为：di?9? B?N ? ue si按分离效率 90%，其临界粒径为 10um，即：26年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计9 ? ( 2 .0 ? 1 0?510× -6= 10)B? ? 5 ? 1 1 6 0u i(a)标准式旋风分离器的入口宽度为：B ? D 4(b)旋风分离器的入口高度为：h ? D 2（c）含粒气体在旋风分离器入口的流速为：uiV ?' s?0 .3 3 7 h B（d）h B联立（a） 、(b)、(c)、(d)四式得： 10× = 10-69 ? ( 2 .0 ? 1 0?5)B? ? 5 ? 1160 ? ui?59 ? ( 2 .0 ? 1 0)D10× -6= 10? ? 5 ? 1160 ?4 0 .3 3 7 D D ? 2 4310?5?9 ? 2 ? 10?5?D3 2 ? ? ? 5 ? 1 1 6 0 ? 0 .3 3 7? D ? 0.48 mu校核压强降i?0 .3 3 7 D 82?0 .3 3 7 ? 8 0 .4 82? 1 1 .7 m s?P ? ???ui?22? 8?1 . 0? 6 21 1 .72=580.6Pa〈 700Pa校核压强降表明旋风分离器直径可小一点。27安徽建筑工业学院本科生课程设计第五章 厂房布置5.1 车间布置原则①从经济和压降观点出发，设备布置应顺从工艺流程，但若与安全、维修和 施工有矛盾时，允许有所调整。 ②控制室和配电室应布置在生产区域的中心部位，并在危险区之外。 ③充分考虑本装置车间与其他部门在总体布置图上位置，力求紧凑、联系方 便、缩短输送管线，达到节省管材费用及运输费用。 ④设备布置整齐，尽量使主要管架布置与管道走向一致。5.2 车间布置5.2.1 车间平面布置 厂房平面布置按其外形一般有长方形、L 形和 T 形等。长方形便于总平面图 的布置，节约用地，有利于设备排列，缩短管线，易于安排交通出入口。 厂房的柱网布置，要根据厂房结构而定，生产类别为甲、乙类生产，宜采用 的柱网间距一般为 6m，也有采用 7.5m 的。丙、丁、戊类生产可采用混合结构和 框架结构，开间采用 4m、5m 或 6m。但不论框架结构或混合结构，在一幢厂房 中不宜采用多种柱距。柱距要尽可能符合建筑模数的要求，这样可以 充分利用 建筑结构上的标准预制构件，节约设计和施工力量，加速基建进度。 厂房宽度的确定， 一般单层厂房宽度不宜超过 32m，多层厂房宽度不宜超过 24m，厂房常用宽度 9m、12m、15m、18m、21m，也有用 24m 的。一般较经济 的厂房的常用跨度，控制在 6m 左右，例如 12m、15m、18m、21m 的宽度厂房， 长常分别布置成 6-6，7.5-7.5，6-3-6，6-6-6 形式等。在进行车间布置时，要考虑 厂房安全出入口，一般不应少于 2 个。 5.2.2 车间立面布置 化工厂房的高度，主要由工艺设备布置要求所决定。厂房的垂直布置要充分 利用空间，每层高度取决于设备的高低、安装的位置、检修要求及安全卫生等条 件。一般框架结构或混合结构的多层厂房，层高多采用 5m、6m，最低不得低于 4.5m；每层高度尽量相同，不宜变化过多。28年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计5.3 本次设计的布置本设计厂房为四层，长 32m，宽 15m 的混凝土柱框架结构，宽采用 7.5-7.5 的形式，长采用 7-7-6-6-6 的形式。根据物料的流程具体每层布置如下：地面主 要布置设备如下，盐酸储罐、碱液储罐、风机、精制中间槽、粗丙烯酰胺罐、原 料罐、粗过滤罐和各自的泵和成品包装。一层距离地面 4.5m，提浓塔、提浓平 衡罐、粗过滤罐、活性炭过滤罐、阳离子交换柱、阴离子交换柱和离心机都设置 在该层。二层距离地面 8m，由于一层的设备布置高度，二层布置和一层一样。 三层距离地面 12m，旋风分离器、提浓加热器、外循环冷却器、空气换热器和结 晶釜设置在该层。四层距离地面 16m，提浓加热器、提浓冷却器和结晶釜布置在 该层。29安徽建筑工业学院本科生课程设计结论本设计是将粗丙烯酰胺单体通过提浓去杂质再用冷冻盐水降温结晶， 整个过 程无污染，废水容易回收处理，生产效率高。但本设计也存在不足的地方，温度 和单体结晶的时间和搅拌速度对晶体的晶形有很大的影响。 离心机下料速率和结 晶时间长短决定晶体中水分的多少。 要控制好晶体中的水分就要调整好结晶时间 和离心机下料速率。所以最大限度的降低晶体中的水分是本设计的核心问题，存 在不足之处，希望以后能得到改进。30年产 5000 吨晶体丙烯酰胺工艺设计致谢感谢安徽建筑工业学院材料与化学工程学院高分子材料与工程系给我提供 的设计场所。 感谢章祥林老师和任琳老师在设这次计过程中对我的细心指导。 感谢同组成员及其他同学的热心帮助。31安徽建筑工业学院本科生课程设计参考文献[1]杨小华.丙烯酰胺类聚合物的研究与应用，精细石油化，]方道斌，郭督威，哈润滑等编.《丙烯酰胺聚合物》 ，化学工业出版社第一版， ]催小明.聚丙烯酰胺的生产应用及市场前景， 四川化工与腐蚀控制， 2000， 4（3） [4]陈昀.《聚合物合成工艺设计》 ，化学工业出版社，第一版，]刘道德.《化工设备的选择与设计》 ，中南大学出版社，第一版，]叶铁林.《化工结晶过程原理及应用》 ，北京工业大学出版社，第一版，2006， 3 [7]中国石化集团上海工程有限公司编.《化工工艺设计手册》 ，化学工业出版社， ]王志魁.《化工原理》 ，化学工业出版社，第三版，]侯文顺.《化工设计概论》 ，化学工业出版社，第二版，]贾绍义，柴诚敬.《化工原理课程设计》 ，天津大学出版社，第一版，]胡小铃，管萍.《化学分离原理与技术》 ，化学工业出版社，第一版，]马沛生.《有机化合物实验物性数据手册》 ，化学工业出版社，第一版，2006， 832
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