毕业设计年产2万吨PE管塑料加工厂工艺设计.docx

1、毕业设计年产2万吨PE管塑料加工厂工艺设计湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目年产2万吨PE管塑料加工厂工艺设计作 者胡佳学 院化学化工专 业材料化学学 号0907010413指导教师 廖博二一四 年 五 月 三十 日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 化学化工学 院 材料 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 胡佳 学号: 0907010413 专业: 材料化学 1 设计（论文）题目及专题：年产2万吨PE管塑料加工厂工艺设计2 学生设计（论文）时间：自2014年03 月26日开始至 2014年 5 月30日止3 设计（论文）所用资源和参

2、考资料：（1）中国期刊网；（2）外文期刊网；（3）高分子加工厂设计。4 设计（论文）应完成的主要内容：（1）聚乙烯波纹管的性能。（2）生产聚乙烯波纹管的工艺设计。（3）生产聚乙烯波纹管的工厂初步设计。5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：（1）撰写论文一篇；（2）提交论文一篇；（3）要求论文格式正确，文字规范，图表清晰，正确，数据真实。6 发题时间： 2014 年 03 月 15 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）

3、规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书 共 页2 设计（论文）图 纸 共 页3 指导人、评阅人评语 共 页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质

4、量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘 要本设计是年产2万吨聚乙烯(PE)管塑料加工厂工艺设计, 本设计说明书共有七章，根据实习以及相关文献，完成了物料衡算、主要设备选型、能量衡算。此设计有说明书一份、CAD图纸六张。说明书内容：1.PE管发展历史、前景及其优越性。2.PE管生产工艺流程。3物料衡算，能量衡算。4.生产设备的选型，工厂及其车间布局。5.技术经济分析。图纸：1.工厂平面布置图；2.车间布置三视图；3.机头装配图；4. 挤出机三视图；5.生产流程图；6.物料

5、回收流程图。 关键词：聚乙烯，管材，挤出工艺，厂房平面设计。第一章 绪论1.1 聚乙烯简介从20世纪 50年代开始，管道领域发生了“以塑代钢”的革命性变化，究其原因是由于高分子材料科学技术的迅猛发展而引起的，为了满足传统管道所不能够达到的诸多要求，改善原有管道质量和结构，业内人士深化了对塑料管道的研究、开发和利用，不断提高了管道的制备技术，使得各种新型的塑料管道大量涌现，极大地提高了大众的生活水平。近10年来，塑料管道在我国也得到迅猛发展，我国2000年塑料管道总产量仅为786kt，2010年达8.4Mt，2011年超过了10Mt1塑料管道的广泛应用，使相关国际标也不断制定和更新完善。在众多的

6、塑料管道中,聚乙烯(PE)类管道以其应用温度范围宽、无毒、耐磨、耐化学腐蚀、焊接性能好、摩擦系数低、质轻、使用寿命长、对输送物无污染、制备与安装成本低等优良特征而备受市场青睐。中/高密度聚乙烯管道材料的发展经历了4代2。其中第一代聚烯管道材料始于20世纪50年代，最初制管使用低密度聚乙烯,继之是用刚性和承压能力较高的高密度聚乙烯这些材料被称为第一代聚乙烯管材料,其性能较差,相当于现在的PE-63以下等级的聚乙烯管材料。我国不少加工企业生产聚乙烯管采用的材料不是管级牌号的材料，虽然性能接近这一代。第二代,20世纪60年代为了燃气管的应用，开发了具有较高长期静液压强度和抗开裂能力的中密度聚乙烯管材

7、料,被称为第二代聚乙烯管材料（以PE-80材料）。我国七五期间齐鲁石化开发了燃气管专用料,接近PE80级的水平3。第三代，20世纪80年代出现了被称为第三代聚乙烯管材料的管材专用材料PE-100。国际上有几个大型石油化工企业已经大量生产PE-100级聚乙烯管材料(用不同的商品名)，在中国，包括齐鲁石化在内的几家大型公司的一些PE树脂在2005年后相继取得PE-100等级认证资格，发展至今，具有相当的生产规模。PE-100不仅提高了长期静液压强度,其最小必须强度MRS(minimum required strength)达到10MPa(PE-80是8MPa,PE-63是6.3MPa),而且有优异

8、的抵抗快速开裂裂纹增长的能力。第四代聚乙烯材料通过分子结构设计，进一步提高耐慢速裂纹，以PE100-RC、PE-112和PE-125为主。1.2 国内PE管发展1998年起建设部要求在全国范围内全面推广应用PE管等新型环保管材。至1999年3月，已有上海、贵州、大连、四川、牡丹江、厦门、长沙、广州、安徽、江苏、天津、重庆等省、市建设委员会分别规定在新建、改建、扩建工程中,禁止使用镀锌给水钢管，提倡应用化学建材的有关政策后，对推广应用新型化学塑料管材也明确了发展规划和目标，为新型管材产品进一步走入市场,应用于工程提供了政策引导和发展契机，推广使用新型环保塑料管(主要指PE系列管材等)。国家化学建

9、材产业十五计划和2010年发展规划纲要4提出：到2010年塑料管道在全国各类管道中占有率将达到70%以上，其推广应用主要以PVC(聚氯乙烯)管和PE(聚乙烯)管为主,但PVC管具有强度较高、刚度较大、价格较低等优点,且应用的历史最久，已有丰富的使用经验,目前在世界各地仍被广泛地应用.我国应用的塑料管主要是PVC管，PE管的应用还正处于起步阶段。近10年来国际上PE管的发展速度明显快于PVC管，而且在很多地区给水管网领域应用PE管的数量已超过PVC管；在输配气管领域则几乎完全使用PE管；在埋地排水管领域使用各种PE管也越来越多。国外城乡供水用的塑料室外给水管过去主要采用的是硬聚氯乙烯管，原因是U

10、PVC的强度较高,成本比较低。目前不少国家还主要采用硬聚氯乙烯管。但是值得注意的是近年来国外在逐步增加采用HDPE管做城乡供水用室外埋地给水管,统计资料表明，欧洲在城乡供水管领域应用聚乙烯管已经多于聚氯乙烯管。1997年欧洲饮水管市场总计是422715t,其中高、中密度聚乙烯管24900t(占59.1%)，低密度聚乙烯(LDPE)管10315t(占2.4%),而聚氯乙烯管是162500t(占38.5%)。分析其原因是：近年聚乙烯材料的不断进步。5国际上对应用于管材的聚乙烯材料一直不断地在研究和改进，正是因为材料性能的不断提高和改进,增强了聚乙烯管的优势，扩大了聚乙烯管的应用领域。六十年代，为了

11、燃气管的应用，国外开发了具有较高“长期静液压强度”和抗开裂能力的聚乙烯管材料，我国“七五”期间已开发了燃气管专用料，接近国际上性能得到公认的PE80级的水平。到了八十年代出现了被称为“第三代聚乙烯管材料的管材专用原料PE100。国际上有几大石油化工业企业已经大量生产PE100级聚乙烯管材料。PE100的聚乙烯管因为容许更大的应力，可以在同样使用压力下减少壁厚,增加输送截面(例如在10bar压力下输送水，用PE-100的聚乙烯管比用PE-80的聚乙烯管壁厚减少33%，输送截面增加16%，输送能力可以增加35%),或者在同样壁厚下增加所用的压力，提高输送能力。特别是在直径较大，使用环境较差(如低温

12、)的场合用PE-100才能保证安全性。换句话说PE-100的出现使聚乙烯管的应用范围扩大到了压力更高(输送天然气可达10bar，输送水可达25bar)，直径更大，环境更差的场合。1.3 PE管消费现状2010年，我国聚乙烯树脂消费量已接近17000kt，同比增长12%，其中国内聚乙烯产量约为10000kt，同比增长30%，管材分别占高密度聚乙烯(HDPE)低密度聚乙烯(LDPE)和线性低密度聚乙烯(LLDPE)消费市场的17.4%、6.3%和0.4%6。全球HDPE管道消费市场将由2008年的4010kt，增长到2013年的4990kt，在未来5年里增长率接近25%7，近年来聚乙烯管材在塑料管

13、材中用量增长率一直占首位，特别是对材料性能要求较高的燃气管，几乎全是聚乙烯管材，聚乙烯燃气管道在国外业已成为最成熟的塑料管道品种,被认为是输送燃气的最适合管材。上世纪80年代我国开始用聚乙烯管材输送燃气,1982年上海开始正式试用埋地聚乙烯(PE)管道输送燃气，运行10年后的各项性能测试结果令人满意。到2010年我国已形成百余家企业，拥有聚乙烯管材生产线1500条左右，生产能力超过百万吨8。在给水管和旧管线更新方面，聚乙烯管更是优选的材料。此外，聚乙烯管道还广泛用于排污农业灌溉矿山砂浆输送等工程以及油田化工和邮电通讯等领域，聚乙烯管道对原料的要求较高，尤其是燃气管和给水管要求保证50年的使用寿

14、命，随着国内对管道专用树脂的开发，并且获得了相关管材等级认证，国产聚乙烯管道树脂逐步扩大了应用市场。目前，我国聚乙烯管道生产企业虽多，产能虽高，但我国所需的高档次聚乙烯管材专用料仍然主要依赖进口，而国外大石油公司都十分重视对管材专用树脂的开发并不断推出新产品，如道达尔公司在双峰乙烯己烯共聚物FinatheneXS10等管道料基础上又推出了PE100RCXRC50材料，旨在进一步大幅度提高材料的抵抗应力开裂能力，韩国三星通用化学品公司已成功开发出具有高强度高耐压的HDPE新型树脂，并在全球首次取得PE112 的 国 际 认 证PE112级管材树脂的熔体强度超过PE100，可挤出成型口径更大的管材

15、而不出现管壁熔垂，用这种新型树脂可制成最大口径为1600mm的耐压管。扬子石化公司30kt/a聚乙烯燃气管专用料装置已于2011年5月建成投产，该公司研发生产的专用料YEM4902T获得了PE112等级认证，成为继韩国三星石化之后，国际上第2家获得PE112等级认证的产品。中国石化燕山分公司成功生产出橡胶型氯化聚乙烯专用料6600CP和过氧化物交联聚乙烯管材料8100XM新产品，填补了国内的空白8100XM可做地板采暖用管材料，国内近年来中国石化和中国石油相关企业也加大了聚乙烯管材树脂的开发和认证力度，国内HDPE管材料主要工艺及牌号见表1.16。此外，国内市场供应 PE80、PE100级管材

16、有资质的主要企业有:上海石化、齐鲁石化、燕山石化、上海金菲等，其中上海石化产量最大,年产量约15万吨，提升了我国石化企业在塑料管道领域的研发水平和市场竞争力。表1.1 国内HDPE管原料主要工艺及牌号公司产能/(kta-1）工艺技术管材树脂牌号非承压管树脂压力管树脂齐鲁石化140齐鲁石化QHE16ADGDB2480QHE16BDGDB2480H扬子石化140日本三井油化淤浆法6100MYEM5302TYEM4803TYEM4902TYEM4902TBK上海石化250北欧双峰GH051T GH071YGH041TGH121 GH201YGH051TYGM091T燕山石化140淤浆法6100M63

17、60M6380MBL7800M7600MBL8100XM上海金菲100Phillips淤浆法TR418TR480ATTR400茂名石化350美国Phillips淤浆法TR480中沙石化天津300INEOSInnoveneS工艺PN049030122独山子石化600BP气相法HD3902EXINEOSInnoveneS工艺HD4801EXTUB121N3000大庆石化220三井淤浆法6100M6200M6366M7000M盘锦乙烯125BP气相流化床工艺K4408122吉林石化300Basell HostlenJHMGC100S1.4 PE管材的应用相比传统的铸铁管和镀锌钢管，塑料管具有非常明显

18、的优点。它可以用于多种液体的输送管路。具有重量轻、耐腐蚀、不易结垢、阻力小和安装维修都比较方便等优点，可以广泛应用于国家建设行业，矿场行业和人民生活领域等。其主要用于生活用水的输送和污水的排放、采暖、电缆护套管、农业排灌及多种化工液体的输送等。在国民经济中，以其独特的性能，在某些领域逐渐替代金属管材。目前，塑料管的应用在各类管材市场中的占有率达到80%以上。而聚乙烯（PE）管材品种较多，产品档次与国际先进水平差距越来越小，具有宽范围应用温度、高抗压强度、无毒、质轻、 焊接性能好、使用寿命长、耐化学腐蚀、优良的耐磨性能等众多优点，所以聚乙烯（PE）塑料管在生产生活中应用比较广泛。（1）市政工程：

19、用于市政地下排水、排污、雨水收集、输水、燃气、通风等作为电力电缆、光缆、通讯信号电缆的保护管。（2）工业：由于聚乙烯材料具有优良的耐酸、碱及耐腐蚀能力，结构壁管可用于化工、医药、环保等行业的给水和排水管道。（3）道路公用工程：可用作铁路、高速公路、高尔夫球场、足球场等的渗、排水管。（4）农业、园林工程：用于农田、果园、茶园以及林带排灌，可节水70，节约用电13.9，也可用于农村灌溉。（5）生活：生活小区排水、排污。（6）矿场：用作矿井的通风、送风管、排水管。1.5 建一个年产2万吨PE管塑料加工厂的可行性以上分析了可能影响我国PE塑料行业发展的因素及其生产消费现状和发展前景，在今后的发展中，一

20、方面要严格控制无市场竞争力的项目建设，我国高度重视建设节约型社会问题，塑料管具有节能、节水、节地、节材“四节”的特点，应用市场有越来越大的空间，按国家产业政策、环保等有关规定关停和按市场运行规律自然淘汰一些能耗高、工艺路线落后、污染大、成本高的小型PE波纹管生产装置，一方面也应鼓励在资源合理配置的基础上实行跨行业和部门的合作，同时加快我国大型PE项目的建设努力提高我国现有生产装置规模和产品市场竞争力。虽然2008年受世界金融危机的影响，整个PE行业受到很大冲击，但随着国家基础设施的大力建设和住宅产业的快速发展，城市供水管网改造的步伐加快，排水和污水处理等塑料管道的应用保持着良好的增长速度，为建

21、筑塑料管道提供了广阔市场，对PE管材的需求量也与日俱增，PE整体行业会迎来一个快速发展的道路，为了更好的抓住机遇，因此建设一个2万吨年规模的PE管材生产基地既响应国家节能减排的号召，又符合市场的需要，生产能力和竞争力都非常稳定、灵活，非常具有可行性。第二章 PE管材生产原料及工艺流程及原理2.1 生产原料2.1.1 高密度聚乙烯对于高密度聚乙烯而言，密度是决定HDPE特性的主要变量。乙烯是聚乙烯主要原料，少数的其它共聚单体，如1-丁烯、l-己烯或1-辛烯，也经常用于改进聚合物性能，对HDPE，以上少数单体的含量一般不超过1%2%。共聚单体的加入轻微地减小了聚合物的结晶度。这种改变一般由密度来衡

22、量，密度与结晶率呈线性关系。按美国ASTM的D-1248-84规定，处于0.9260.940g/cm3的密度范围内的聚乙烯属中密度聚乙烯 (MDPE）,而HDPE的密度在0.9410.9708g /cm3范围内。其它分类法有时把MDPE归类于LLDPE。新一代LLDPE将其密度扩大至塑性体（0.8900.915 g/cm3）和弹性体（0.890 g/cm3）。目前LLDPE几乎渗透到所有的传统聚乙烯市场，包括薄膜、模塑、管材和电线电缆。均聚物具有最高密度、最大的刚度，良好的防渗透性和最高的熔点，但一般具有很差抗环境应力开裂（E-SCR）。ESCR是PE抗机械强度或化学应力所引起的开裂性的能力。

23、更高的密度一般改进了PE材料的机械强度，例如硬度、刚度和拉伸强度；热性能，如软化点温度和热变形温度；防渗透性，如透气性或水蒸气透过性。较低的密度改进其冲击强度和E-SCR。聚合物密度主要是受共聚单体加入的影响，尤其是含长支链的共聚单体，分子量大小对聚合物密度也有较小的影响，如高分子量百分数增大使密度略有所降低。例如，在一个较宽分子量范围内均聚物具有不同的密度。（1）高密度聚乙烯常用俗称低压乙烯，其基本特性为高密度聚乙烯是一种不透明白色腊状材料，比重比水轻，比重为0.9410.9708，柔软而且有韧性，但比LDPE略硬，也略能伸长，无毒，无味。（2）燃烧特性是易燃，离火后能继续燃烧，火焰上端呈黄

24、色，下端呈蓝色，燃烧时会熔溶，有液体滴落，无黑烟冒出，同时，发出石腊燃烧时发出的气味。（3）物理化学性能有耐酸碱，耐有机溶剂，电绝缘性优良，低温时，仍能保持一定的韧性。表面硬度，拉伸强度，刚性等机械强度都高于LDPE，接近于PP，比PP韧，但表面光洁度不如PP。然而其机械性能差，透气差，易变形，易老化，易发脆，脆性低于PP，易应力开裂，表面硬度低，易刮伤。难印刷，印刷时，需进行表面放电处理，不能电镀，表面无光泽。（4）加工性能：一般的HDPE熔点为142，分解温度为300；注塑温度的可调区间较大。注塑时，一般使用温度为180-230；因是烯烃类塑料，它不吸水，生产时，不需烘干，但为了产品质量，

25、可用60温度烘干15min，以排出吸附水；聚乙烯的熔体粘度大，流长比小，薄壁制品可能缺胶，因此，浇口和流道相对较大；制品易带静电，表面易吸埃。收缩率为16；溢边值为0.05mm。（4）主要应用有挤出包装薄膜，绳索，编织袋，渔网，水管；注塑低档日用品及外壳，非承载荷构件，胶箱，周转箱；挤出吹塑容器，中空制品，瓶子。HDPE有数不清的应用，范围从可重复使用的薄壁饮料杯到5-gsl罐，消费国内生产的HDPE的1/5。注塑品级一般熔体指数510，有具有韧性较低流动性品级和具有可加工性的较高流动性品级。用途包括日用品和食品薄壁包装物；有韧性、耐用的食品和涂料罐；高抗环境应力开裂应用，如小型发动机燃料箱和

26、90gal垃圾罐。（5）HDPE的产品性能为高密度聚乙烯为无毒，无味，无臭的白色颗粒，熔点为130，密度为0940-0976g/cm3范围内，结晶度为80%90%，软化点为125135，使用温度可达100；它具有良好的耐磨性、电绝缘性、韧性、耐热性和耐寒性，化学稳定性好，在室温条件下，不溶于任何有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类腐蚀；薄膜对水蒸气和空气的渗透性小、吸水性低；耐老化性差，耐环境应力开裂性不如低密度聚乙烯，特别是热氧化作用使其性能下降，所以，树脂需加入抗氧剂和紫外线吸收剂等来改善这方面的不足。高密度聚乙烯薄膜在受力情况下的热变形温度较低，这一点应用时需要注意。2.1.2 填充料工业上为了

27、改进材料的物化性质、提高塑料加工性能、增加容积、降低塑料制品的生产成本，赋予塑料制品某些新特性，会在成型塑料制品的树脂中加入一定比例的填充料，这种填充料即为填充剂。填料的加入一般不是简单的物理混合，可与聚合物的分子形成次价键力，这种力一般较弱，但有加和性。因此，当聚合物的分子量达到一定数值时，之间的总力显现而出了。不仅改变聚乙烯分子间的构象平衡和降低其溶解度，而且常使高密度聚乙烯粘度增大，硬度和玻璃化温度发生显著变化。此外，还可降低收缩率，改善耐热性、电绝缘性、耐腐蚀性和耐磨性，改善着色效果及阻燃性，提高刚性等。但也有一些方面的不足，如降低了熔料的流动性，给熔料成型增加难度；降低了制品的韧性和

28、影响了制品的透明性等。作为填充母料必须满足以下要求：（1）本身化学性质稳定，相对纯度高，杂质含量低。（2）颜色尽量为白色或浅色，不含铁等易加热变黄的杂质。（3）不对塑料制品的理化性能指标产生严重损害。（4）容易分散和混合，粒度适当。（5）吸油值相对较低，对加工性无大影响。（6）有合适的晶型结构。（7）有较低的莫氏硬度。（8）与树脂相比有相对便宜的价格。常用填充料性能与用途如下： （1）碳酸钙（CaCO3），白色粉末，粒径为1.0-16微米，比表面积为5-25m2/g， PH值9.5-10.5，折光率1.49，不溶于水和醇，遇酸分解放出CO2，无毒。主要应用于聚氯乙烯树脂中，成型板、管、人造革和

29、电线绝缘保护层。碳酸钙可分为轻质和重质两种，是PE成型塑料制品应用最多的一种填充料。（2）白炭黑 (水合二氧化硅、胶体二氧化硅、气相二氧化硅)，白色粉末，无定形态，粒径及含水量随制法不同而异，粒径一般为0.71.0m，折光率1.46，不溶于水和酸、溶于苛性碱及氢氟酸，受高温不分解，吸水性强，公空气中易潮解，性能与炭黑类似，但呈白色，在空气中吸收水分后成为聚集的细粒子。用于聚乙烯树脂中，可防止制品粘连，提高透明度；在PE中加入一些白炭黑，可改善熔融料的流动性和耐热性，提高制品的拉伸强度和硬度。（3）二氧化钛（TiO2）虽然在塑料，特别是在聚氯乙烯配方中，二氧化钛的应用在百份树脂中可达50份，但严

30、格地况，它一般不作为填充剂用而把它看成是一种万用的白色颜料。可见，此处工艺所用填充料主要是白炭黑。2.1.3 色母料色母料是由树脂和大量颜料（高达50%）或染料配制成高浓度颜色的混合物。加工时用少量的色母料和未着色树脂掺混，就可达到设计颜料浓度的着色树脂或制品。塑料中使用色母料的优点是：无环境污染、着色简单、计量准确、分散容易等。适用的树脂有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，加工方法有挤出、压延等，制品有管材、片材、电线电缆、纤维、人造革、薄膜等。在塑料成形中的一种母料产品，可复配配方，做开口用。色母料和功能色母料相关简介：色母料是以着色剂、载体树脂、分散剂、偶联剂、表面活性剂、增塑剂制得的高浓度有

31、色粒料；功能色母料除上述原料外，根据功能的要求须添加光稳定剂、抗静电剂、阻燃剂、发泡剂、抗氧化剂等助剂。功能色母料是既具有普通色母料的功能，同时赋予塑料制品其他功能的母料。这些功能包括耐候功能、抗静电功能、阻燃功能、发泡功能、抗氧化功能等。功能色母料的生产工艺过程是在通用色母料的着色剂、表面活性剂进行表面处理之后配合以功能助剂、分散助剂再进行捏合、塑炼、粉碎、造粒而生产出的产品。功能色母料是色母料行业技术发展的趋势之一。使用色母料或功能色母料生产塑料制品，着色剂在制品中的分散性好、颜色鲜艳、制品表面无色点或色差、调换颜色方便、成本较低、对环境友好、劳动强度小，是应用广泛、发展前景好的塑料着色方法。目前色母料及功能色母料广泛用于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS、尼龙、PC、PMMA、PET等树脂中，生产出了五颜六色的纤维、服装、日用塑料、电线及电缆、家用电器、农用薄膜、汽车配件、保健器械等制