安徽建筑工业学院本科生课程设计
1 2 3 4 5 6 ② 消费
大庆油田化工总厂 胜利油田长安实业集团公司 SNF公司泰兴分公司 广东李坛精细化工厂 北京恒聚油田化学品有限公司 太原重工集团祁县聚合物有限公司 5 2 2 2 1 1 1998 年, 我国PAM的生产能力为6.5 万t, 产品约为5.5 万t, 当年实际消费量为7.39 万t, 不足部分依靠进口解决。国内消费中, 81%用于石油开采, 是国内PAM应用的最大市场。由于我国东部油田如大庆、胜利、中原、华北、辽河、大港、河南等油田已进入开采中后期, 采油综合含水已达80%以上, 为提高原油采收率, 结合油田特殊的地质条件, 推广以PAM为主要聚合物驱油技术的应用, 已成为东部油田稳产的重要举措。根据石油行业的整体规划, 2005 年国内PAM 在石油开采方面的用量已达到11 万t。而在国外作为一种环保产品, PAM已被广泛用于各种水处理中, PAM应用 的最大领域为水处理行业, 我国水处理技术和水处理剂的应用水平与国外有很大差距, 这也说明PAM在水处理行业应用的发展潜力巨大。PAM在造纸行业的应用起步于70 年代, 主要用作助留剂、干增强剂和废水处理的絮凝剂; 随着大型合资造纸企业的不断建成投产和人们对纸张质量要求的提高, PAM在造纸行业的应用必将有一个大发展。
1 .1 . 5 丙烯酰胺聚合物的应用领域
（1） 石油开采：A.驱油剂：调节注入水的流变性，增加驱动液的黏度，改善水驱波发效率，降低地层中水相渗透率，使水与油能匀速的向前流动。B.堵水调整剂：在油田生产过程中，由于地层的非均质性常产生水浸问题，需要进行堵水，其实质是改变水在地层中的渗流状态，以减少油田产水、保持地层能量、提高油田最终采收率的目的。聚丙烯酰胺类化学堵水剂具有对油和水的渗透能力的选择性，对油的渗透性降低最高可超过10%，而对水的渗透性能减少可超过90%。C.钻井液调整剂：调节钻井液的流变性携带岩屑，润滑钻头减少流体损失等。可减轻对油气层的压力和堵塞，容易发现油气层，并有利于钻进速度比常规泥浆高19%，比机械钻速高45%左右，还可大大减
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年产500吨聚丙烯酰胺聚合工艺设计
少钻井事故，减轻设备磨损防止发生井漏和坍塌。D.压裂液添加剂：压裂工艺是油气田开发致密层的重要增产措施，气作用是开通岩石的饿通过，让油流过，亚甲基聚丙烯酰胺交联而成的压裂液，因具有高黏度、低摩阻、良好的饿悬砂能力以及配制方便和成本低而被广泛应用。
（2） 水处理：聚丙烯酰胺的酰胺基可与许多物质亲和、吸附而形成氢键。高分子量聚丙烯酰胺在被吸附的粒子间形成“桥联”，生成絮团，有利于微粒下沉。聚丙烯酰胺类絮凝剂能适应多种絮凝现象，其用量小，效率高，生成的泥渣少，后处理容易，对某些情况具有特殊的价值。我国的原水处理、城市污水处理和工业废水处理行业都在不同程度的使用聚丙烯酰胺作为絮凝剂。
（3） 造纸：聚丙烯酰胺在造纸工业中的应用主要用于两方面，一是提高填料、颜料等的存留率，以降低原材料的流失和对环境的污染；二是提高纸张的强度。另外，使用聚丙烯酰胺还可以提高纸张的抗撕性和多孔性，以改进视觉和印刷性能。 （4） 矿冶行业：采矿过程中，通常使用大量水，最后需回收水中的有用固体，并将废水净化回收使用。应用聚丙烯酰胺，可促使团粒的下降、液体的澄清和泥饼的脱水，从而可提高生产效率，减少尾矿流失和水消耗，降低设备投资和加工成本，并避免环境污染。
（5） 纺织、印染行业：聚丙烯酰胺作为织物处理的上浆剂、整理剂以及可生成柔顺、防皱、防霉菌的饿保护层。利用他吸湿性强的特点，能减少纺织时的断张率。聚丙烯酰胺作后处理剂可以防止织物的静电和阻燃。用作印染助剂时，聚丙烯酰胺可使产品附着牢度大、鲜艳度高，还可作为漂白的非矿高分子稳定剂。此外，聚丙烯酰胺还用于纺织印染污水的高效净化。
（6） 其他：聚丙烯酰胺在水敏性凝胶、食品加工、电镀工业吸水性树脂也用着广泛的应用。
1 .1 . 6 前景展望
综观我国PAM历年生产情况，90年代之前国内因技术、市场等原因产量和使用量一直相对稳定，后随着石油行业的大量推广使用，推动了PAM产量的不断增加。但目前国内多数PAM生产厂家均属低水平、小规模生产，生产技术落后，单机生产能力低，品种少，质量不稳定，产品分子量低，分子量分布范围宽，抗矿化度及耐剪切能力低，难以满足国内及企业出口的需要。鉴于PAM具有较大的市场潜力，国内不少企业纷纷计划新建或扩建产能。近几年随着国民经济的持续健康、快速发展，政府和民众的环
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保意识加强，必将促进PAM的消费。因此，国内的PAM开发利用前景广阔。
鉴于次，国内有关专家建议：①在装置方面，应走规模之路，有条件的企业，可以全套引进国外的工艺技术和设备，建设万吨级以上规模，以适应日益激烈的市场竞争，但要防止不考虑客观实际，一哄而上建设多套大型装置，造成产能相对过剩。②国内中小企业和相关科研院所，应加快PAM生产工艺的研究开发，改进现有工艺，提高技术水平，稳定产品质量并使之系列化；有条件的单位，应加强在专用性产品和个类不同基因共聚接枝改性衍生物方面的研究。③走重组兼并之路，逐步淘汰一些落后的小规模生产装置，以提高行业的整体水平。同时还要大力开发PAM在制糖、感光材料、电镀、船舶，陶瓷、矿冶等方面的应用，使我国的PAM生产应用尽快到达发达国家的水平。
1. 2 设计意义
石油工业是国民经济的支柱产业，石油是经济发展的重要保证之一。我国石油资源相对较少，三次采油是我国保证石油供应的重要措施。进行聚丙烯酰胺生产工艺设计的研究，可以使我国聚丙烯酰胺生产技术、产品质量以及生产规模均提升到一个较高水平，以满足三次采油对聚丙烯酰胺质和量的要求，避免引进产品带来的危险，保证三次采油技术的顺利实施最终以满足国民经济对石油供应的要求，并获得最大经济效益。
此外，聚丙烯酰胺在水处理行业具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。随着环境意识的不断加强，聚丙烯酰胺在城市污水处理方面的应用将会越来越受到重视，聚丙烯酰胺聚合生产工艺技术的研究，也将对城市污水处理工艺技术的提高起到推动作用。
1． 3 设计原则
1．3．1 设计依据 （1）课程设计的内容
年产5000吨聚聚丙烯酰胺工程：聚合工段的工艺设计。含：聚合工序、造粒工序、干燥工序。
① 对该项目的发展历史、现状及前景（产品、工艺等）进行综述。 ② 原料路线的选择及工艺技术的选择。 ③ 物料衡算。
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年产500吨聚丙烯酰胺聚合工艺设计
④ 工艺物料流程（PFD）的设计。 ⑤ 管道及仪表流程（PID）的工艺设计。 ⑥ 主要工艺设备的选型。 ⑦ 工艺平面布置。 （2）课程设计的要求与依据
课程设计时高等学校培养学生的最后一个及其重要的教学环节，在课程设计中培养学生综合应用所学知识的能力，不断提高学生制图、运算、计算机应用、查阅文献资料、编写说明书等技能。通过该途径，使学生具有一定的发现问题、分析问题、解决问题以及工厂主要车间的初步设计能力。具体要求学生掌握本课程的工艺设计原理、步骤和方法。通过设计图纸和说明书能对所设计内容进行阐述和论证。设计有关资料和图纸应保证计算准确、字体端正、图面清洁、设计合理，所有计算部分应有完整的计算过程，以达到全面训练的目的。 1．3．2 聚合反应机理及影响因素 （1） 聚合机理
丙烯酰胺聚合反应机理属于自由基反应，符合自由基连锁聚合反应机理的一般机理，由链引发、链增长和链终止等基元反应组成。此外还常伴有链转移反应。器总反应式为：
引发剂nCH2=CH－C(=O)－NH2 ????[CH2—CH（C(=O)－NH2 ）]n
( 2 ) 影响反应
影响聚合反应的因素主要有溶剂、引发剂、PH值、聚合温度等因素。 ① 单体浓度：根据釜式大块水溶液聚合工艺要求和综合考虑传热、搅拌、物料输送等因素控制在25%。
② 温度：在配料罐中配料降温至10℃，输送到聚合釜聚合，聚合温度达100℃左右。 ③ 杂质：体系中杂质主要有未反应单体、水、空气中的氧、AA等。这些杂质含对引发剂活性、聚合速度等产生影响，还有一定毒性，因此要控制在一定指标以下。 1．3．3 水解机理
在碱性条件下，PAM在较低温度（40～60℃）就易于水解，反应是由氢氧根离子0H-对酰胺羰基的亲核加成，及胺离子NH2-的消除，丙烯酰胺结构单元生成丙烯酸结构单元，如下图所示。水解反应基本上是不可逆的。
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NaOH?—CH2—CH— → —CH2—CH—﹢NH2 → —CH2—CH—﹢NH3 —CH2—CH—???-
C=O HO—C—O- C=O C=O NH2 NH2 OH O-
在强碱条件下，酰胺基的碱性水解反应对酰胺和氢氧根离子均呈一级反应，总的活化能为56.5kj/mol。表明PAM的水解过程是由两个以上的水解反应组成：OH-催化的碱性水解与H2O的溶剂解过程。当碱液浓度较高时，溶剂解可以忽略，表现为与[OH-]成正比。
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