丙烯酰胺的生產(chǎn)工藝研究

王媛媛 萬 東 郭 雨

(1. 蚌埠醫(yī)學(xué)院公共課程部， 安徽 蚌埠 233030；2. 安徽天潤化學(xué)工業(yè)股份有限公司， 安徽 蚌埠 233010)

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丙烯酰胺的生產(chǎn)工藝研究

王媛媛1萬 東2郭 雨1

(1. 蚌埠醫(yī)學(xué)院公共課程部， 安徽 蚌埠 233030；2. 安徽天潤化學(xué)工業(yè)股份有限公司， 安徽 蚌埠 233010)

在丙烯酰胺的實際生產(chǎn)過程中，研究催化劑再生條件及使用時間、預(yù)熱器溫度、反應(yīng)壓力、原料配比、物料反應(yīng)時間等因素對丙烯酰胺收率的影響。結(jié)果表明，最佳的催化劑再生條件為氫氧化鈉溶液濃度為15%、再生36 h、催化劑使用時間為5～13 d、預(yù)熱器溫度為90 ℃、反應(yīng)壓力為0.35 MPa、反應(yīng)水腈比為7 ∶1、物料反應(yīng)時間為0.7 h。在此工藝條件下，丙烯酰胺收率可達(dá)98.00%以上，為后期聚丙烯酰胺的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

丙烯酰胺； 生產(chǎn)工藝； 收率

聚丙烯酰胺(PAM)應(yīng)用廣泛，是化工行業(yè)必不可少的助劑，有“百業(yè)助劑”之稱[1-2]。丙烯酰胺(AM)是一種水溶性不飽和單體，是合成聚丙烯酰胺的主要原料。提高其產(chǎn)品質(zhì)量、控制其生產(chǎn)成本是聚丙烯酰胺生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)[3-4]。工業(yè)生產(chǎn)丙烯酰胺的方法主要是骨架銅催化法，即丙烯腈(AN)與水在骨架銅催化劑的作用下發(fā)生水合加氫反應(yīng)生成丙烯酰胺。此反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，有很多副反應(yīng)發(fā)生，所以如何控制生產(chǎn)條件以提高丙烯酰胺的收率，減少提純工序，降低生產(chǎn)成本是實際生產(chǎn)中面臨的問題[5]。通過優(yōu)化丙烯酰胺生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)操作條件，探究最佳的催化劑再生條件及使用時間、預(yù)熱器溫度、反應(yīng)壓力、原料配比、物料反應(yīng)時間，以減少反應(yīng)中副產(chǎn)物的出現(xiàn)，提高丙烯酰胺的收率，為后續(xù)聚丙烯酰胺的生產(chǎn)提供高品質(zhì)的生產(chǎn)原料。

1 實驗方法與原理

1.1 實驗材料與設(shè)備

丙烯酰胺工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，高效液相色譜儀(LC-20AT，日本島津國際貿(mào)易有限公司生產(chǎn))，丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)品(A108468，阿拉丁試劑有限公司生產(chǎn))，其他標(biāo)準(zhǔn)品及試劑均購于阿拉丁試劑有限公司。

生產(chǎn)過程中多次取樣，利用高效液相色譜儀對丙烯酰胺收率進(jìn)行定量分析，采用Inertsil ODS-SP C18色譜柱(260 mm×4.6 mm，5 μm)，流動相為20%甲醇-水溶液，流速0.9 mLmin，檢測波長為210 nm，進(jìn)樣體積為15 μL，柱溫為40 ℃。以面積歸一化法計算丙烯酰胺的收率。

1.3 影響丙烯酰胺收率的工藝條件

(1) 催化劑再生條件及使用時間。骨架銅催化劑是銅和鋁的合金，是引發(fā)丙烯酰胺合成反應(yīng)的基礎(chǔ)，反應(yīng)中丙烯腈和水利用催化劑的微孔做反應(yīng)場所。由于原料丙烯腈帶入的阻聚劑、反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物以及丙烯酰胺的微聚物，占用一定的反應(yīng)比表面積或?qū)е挛⒖锥氯?，降低催化劑活性，因此催化劑必須定期利用氫氧化鈉溶液再生。如果再生程度不充分，則反應(yīng)不充分；如果再生程度過重，則催化劑脫落嚴(yán)重、增加反應(yīng)負(fù)荷、微聚物增多，影響收率。因此選擇最佳再生條件，控制氫氧化鈉溶液濃度、再生時間非常重要。

催化劑活性在使用前期相對較低，中期相對較高，后期會由于阻聚劑、副產(chǎn)物、微聚物的存在而降低，因此催化劑的使用時間亦是生產(chǎn)中需要控制的因素之一。

(2) 預(yù)熱器溫度及反應(yīng)壓力。丙烯酰胺的合成反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，且副反應(yīng)產(chǎn)物較多，因此反應(yīng)溫度及壓力是影響反應(yīng)發(fā)生的重要因素，控制起始原料進(jìn)入反應(yīng)塔的溫度及反應(yīng)壓力可提高反應(yīng)的選擇性。

(3) 原料配比。原料丙烯腈和水的配比影響收率，決定反應(yīng)的完全與否，丙烯腈比例過高則反應(yīng)劇烈，殘余的丙烯腈較多，水的比例過高則反應(yīng)不完全，副產(chǎn)物多。

(4) 物料反應(yīng)時間。由于此反應(yīng)是在骨架銅催化劑上的附著反應(yīng)，原料在反應(yīng)釜中的反應(yīng)時間直接影響反應(yīng)的收率。反應(yīng)時間太短則反應(yīng)不充分，反應(yīng)時間太長則反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生的微聚物影響生產(chǎn)的連續(xù)性，因此合適的物料反應(yīng)時間也是需要控制的生產(chǎn)條件之一。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 最佳催化劑再生條件及使用時間

假設(shè)其他生產(chǎn)條件不變，將催化劑再生所用的氫氧化鈉溶液濃度控制在5%、10%、15%、20%、25%，多次取樣分析，比較其對丙烯酰胺收率的影響；固定最佳的氫氧化鈉溶液濃度，調(diào)節(jié)催化劑再生時間為12、24、36、48、72 h，比較丙烯酰胺收率的大小(見圖1)。

圖1 催化劑再生條件對收率的影響

固定最佳的催化劑再生條件，比較催化劑使用時間在時間段1 — 4 d、5 — 13 d、14 — 18 d、19 — 23 d內(nèi)丙烯酰胺平均收率的變化(見圖2)。

圖2 催化劑使用時間對收率的影響

結(jié)果表明，最佳的催化劑再生條件為：NaOH溶液濃度為15%、再生為36 h時，多次取樣的平均收率最高。催化劑的最佳使用時間段為5 — 13 d。

2.2 最佳預(yù)熱器溫度及反應(yīng)壓力

固定其他生產(chǎn)條件，調(diào)節(jié)反應(yīng)預(yù)熱器溫度分別為75、80、85、90、95 ℃，反應(yīng)壓力分別為0.15、0.25、0.35、0.45、0.55 MPa，比較其對丙烯酰胺收率的影響(見圖3)。

圖3 反應(yīng)預(yù)熱溫度及反應(yīng)壓力對收率的影響

從圖3可知：隨著溫度的升高，收率呈上升趨勢。當(dāng)溫度為90 ℃時達(dá)到最佳收率；繼續(xù)升高后副反應(yīng)增多，影響反應(yīng)的進(jìn)行，收率呈下降趨勢。反應(yīng)的最佳壓力為0.35 MPa，低于此壓力時反應(yīng)不完全，收率不高；高于此壓力時影響反應(yīng)的收率，影響反應(yīng)的安全可靠性。

2.3 最佳原料配比及反應(yīng)時間

假設(shè)其他生產(chǎn)條件不變，調(diào)節(jié)水腈比分別為 3 ∶1、5 ∶1、7 ∶1、9 ∶1、11 ∶1，調(diào)節(jié)反應(yīng)時間為0.55、0.65、0.70、0.75、0.85 h，比較丙烯酰胺的收率大小(見圖4)。

圖4 原料配比及反應(yīng)時間對收率的影響

從圖4可知，水腈比為7 ∶1時收率最佳，高于低于此比例都不利于水合反應(yīng)，而最佳物料反應(yīng)時間為0.7 h。

3 結(jié) 語

通過實驗優(yōu)化出了丙烯酰胺的最佳生產(chǎn)工藝條件，可有效地提高丙烯酰胺的收率，提高產(chǎn)品的純度，節(jié)約生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染，為后期聚丙烯酰胺的生產(chǎn)提供高品質(zhì)的生產(chǎn)原料。此外，傳統(tǒng)的實驗均在小試、中試設(shè)備完成，研究成果向大試車間轉(zhuǎn)化時常出現(xiàn)適應(yīng)性差、收率降低等問題。本研究建立在實際生產(chǎn)過程中，避免了小試、中試研究與實際生產(chǎn)脫節(jié)的問題，對實際生產(chǎn)更有指導(dǎo)意義。

[1] 趙鵬.油田用聚丙烯酰胺的合成方法與應(yīng)用[J].化工管理，2015(26)：231.

[2] 王志科，徐敏，王剛，等.聚丙烯酰胺的改性及在廢水處理中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2016，41(4)：61-63.

[3] 丁偉.丙烯酰胺類聚合物合成及性能研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2006：20-21.

[4] 呂爽.丙烯腈水合法合成丙烯酰胺工藝研究進(jìn)展[J].中國化工貿(mào)易，2014(30)：200.

[5] 楊國琛.淺析水合法丙烯酰胺聚合及其預(yù)防措施[J].化工管理，2014(9)：49.

Study of the Production Process of Acrylamide

WANGYuanyuan1WANDong2GUOYu1

(1. Department of Public Courses, Bengbu Medical College, Bengbu Anhui 233030, China; 2. Anhui Tianrun Chemical Industry Incorprated Company, Bengbu Anhui 233010, China)

The affecting factors including regeneration conditions and pot life of the catalyst, temperature of the preheater, reaction pressure, raw materials proportioning and reaction time on the yield of acrylamide were researched based on the actual production process. The results showed that the optimum regeneration conditions of catalyst should be kept under the concentration of NaOH 15% and regenerating 36 h; the pot life of the catalyst be within 5-13 d; the optimum temperature of the preheater be 90 ℃; the optimum reaction pressure be 0.35 MPa; the ratio of H2O to acrylonitrile be 7 ∶1; the optimum reaction time be 0.7 h. The yield of acrylamide could reach to above 98.00% under this condition, and this would lay a foundation for the later production of polyacrylamide.

acrylamide; production; yield

2016-08-18

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“兩種牛膝多糖的制備及免疫活性比較”(201510367001)；蚌埠醫(yī)學(xué)院自然科學(xué)研究項目“兩種牛膝藥材多糖的制備及抗炎、免疫調(diào)節(jié)活性比較研究”(BYKY1658)

王媛媛(1988 — )，女，安徽宿州人，碩士，助教，研究方向為應(yīng)用化學(xué)。

TQ316.2

A

1673-1980(2016)05-0103-03