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1、年产18万吨聚丙烯生产线设计九月博客仲1岂农业工程学院毕业设计年产18万吨聚两綠生产线设计姓 名院（系） 化学化工学院专亚班级 学 号指导教师 陈循军职 称 副教授论文答辩日期 2011年05月日仲惜农业工程学院教务处制学生承诺书本人声明所呈交的学位论文年产18万吨聚丙烯生产线设计是本人在导师指导下 进行的研究T作及设计成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。勹本人一冋工作的N志对本研究设计所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。摘 要聚丙烯树脂是由丙烯聚合而成的一种热塑性塑料。聚丙烯性能优异，用途广范，是 近40年来，生产发

2、展速度最快的通用塑料品种之一。本文主要概述了国内外聚丙烯工业的研究发展，包括聚丙烯市场的供求情况，聚丙 烯的分类及其生产丁艺的简单介绍，从中选定Spheripol工艺作年产18万吨聚丙烯生产 线设计项H的参考。主要介绍了 Spheripol工艺的工艺流程、主要特征和技术指标，阐述 了聚丙烯聚合反应过程和重要的熔融指数对产物的影响。最后，用收集的工艺参数科学 地进行丁艺物料衡算、能量衡算、主要生产设备选型、制定生产安全和环境保护的规条、 绘制出带控制点的丁艺流程阁。2学生承诺书 1目丨J 1第一章设计的基础依据 21.1设计原则 21.2衡算原则 21. 2. 1能量守恒计算依据 2第二章文献综

3、述 32.1聚丙烯工业概述 32. 2国内外聚丙烯的供求现状 32.2. 1国外消费现状 32. 2. 2国外生产现状 32. 2. 3国内消费现状 42. 2. 4国内生产现状 52. 3聚丙烯的分类 52. 4聚丙烯生产工艺的研究进展 62.4. 1溶液法工艺简介 62. 4. 2淤浆法工艺简介 62. 4. 3本体法工艺简介 72. 4. 4气相法工艺简介 7气相法工艺特点 72. 4. 5本体一气相法组合工艺简介 85生产工艺的选杼 9第三章 Spheripol工艺 103.1工艺特性介绍 103. 1.1液相环管反应器 103. 1.2气相密相流化床 113. 1.3辅助工程系统 1

4、23. L 4Spheripol工艺的综合优势 123. 2工艺过程 1333. 2. 1原料精制及催化剂制备系统 143. 2. 2预聚合和液相反应系统 143. 2. 3闪蒸脱气 143. 2. 4气相共聚反应系统 153. 2. 5干燥挤压造粒系统 15第四章总体方案及工艺理论 154.1生产规模及产品要求 154. 1. 1生产规模 154. 1. 2产品牌号及指标 154. 2反应机理 164. 3熔融指数（MI)对产品质量的控制 17第五章设计计算 175. 1. 1丙烯的物化性质 175. 1.2原料规格 185. 2物料衡算 195. 2.1计算基准 195. 2. 2工艺衡算

5、 195. 2. 3均聚物物料衡算图 205. 2. 4原料消耗定额 215. 3能量衡算 215. 3.1总体思路 215. 3. 2计算基准 215. 3. 3预聚合工序的能量衡算 225. 3. 4环管I聚合工序衡算 225. 3. 5环管II聚合工序衡算 235. 3. 6闪蒸体系衡算 245. 3. 7公用工程衡算 245. 4设备选型 255. 4.1设备选型基准 255. 4. 2环管反应器设计糾 2545. 4. 3设备一览表 25第六章生产安全及环境保护 256. 1安全要求 256. 2环境保护 266. 2.1三废治理 266. 2. 2噪声控制 27第七章总结与展望 2

6、77丄關 277.2展望 27#想 28数_ 29隱 30麵 315mm聚丙烯(Polypropylene，PP)是一种以丙烯为主单体、乙烯为次单体，在氢气调节下聚 合而成的合成树脂，是一种无毒、无臭、无味的高结晶聚合物，它与聚乙烯(PE)、聚氯 乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)并称为目前世界上五大通 用合成树脂。聚丙烯来源丰富，强度、刚性和透明性都比聚乙烯好，勹其他通用热塑性 塑料相比，还具有比重最轻（密度约为0.90g/Cm3),易于加工，耐化学腐蚀，抗张强度 较高，抗挠曲性、电绝缘性良好等优点，而且生产工艺简单、成本低廉，近年来其发展 势头一直呈上

7、升趋势，尤其以催化剂、新工艺、新产品的开发进一步扩大了应卬领域， 在机械、化工、电力和运输等领域中新用途的开发刺激了聚丙烯需求的增长。冃前，在 我国的聚烯烃树脂中，成为仅次于聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)的第三大塑料。伴随着卅界聚丙烯丁业的勃勃生机和迅猛发展，有报道指出世界聚丙烯产业重心东 移，中印领跑，冃前国内PP的产量仍未满足国内消费，面对冃前形势，我国的聚丙烯工 业生产需不断引进国外技术，并使丁艺技术国产化以追赶国际先进技术的脚步。2010年 初，天津石化年产450kt/a聚丙稀装置顺利开车，这代表着世界顶尖水平的Spherizone聚 丙烯T艺多区循环反应器国产化的成功，国产化的聚

8、丙烯工艺技术和丁程设计极大地推 动了我国聚丙烯工业的发展，为国家节省了大量外汇，为业主赢得了最佳的经济效益。在国内外如火如荼的研究发展势态推动下，木科毕业生在毕业课程中进行聚丙烯生 产工艺设计具有特殊意义。其内容包括回顾生产实习过程，熟悉化工生产的特性，了解 先进的聚丙烯生产技术，选取适合的聚丙烯生产工艺流程，收集数据，完成物料衡算、 能量衡算，并掌握几种化工设备的性能等，最后绘制带控制点的丁艺流程图。第一章设计的基础依据1.1设计原则化工设计大体根据化工工艺设计手册进行相关的专业设计，设计过程遵循以下 设计原则：1 符合国家的经济政策和技术政策，合理运用国家的财富和资源；2 设定合理的产品数

9、量和质量指标；3 选杼先进可靠的T:艺技术，冋时兼顾经济合理性；4 保证生产安全，堤防各种明M或潜在的危险；5 符合国家和各级地方政府制定的环境保护法规，对排放的三废进行处理。1.2衡算原则本设计以物料衡算和能量衡算为设计的基础。根据设计项目的年产量，运用质量守 恒定律，通过对全过程和单元过程的物料衡算，计算出原料的消耗量、过程的损耗量及 三废的生产量；在此基础上作能量衡算，能量衡算要求遵循能量守恒原则计算出蒸汽、 水、电的消耗定额。1.2.1能量守恒计算依据：ZQ进=ZQ出Q1 +2+3=4+5+6式中：1所处理的物料带到设备屮去的热量（kJ);q2由加热剂（或冷却剂）传给设备的热量或加热与

10、冷却物料所需的热量（kJ), 符号规定：输入（加热）为“+”，输出（冷却）为；Q3过程的热效应（kJ);符号规定：放热为，吸热为“+” ；Q4反应产物由设备中带出的热量（kJ);Q5消耗在加热设备各个部件上的热量（kJ);Q6设备向四周散失的热量（kJ)。2第二章文献综述2.1聚丙烯工业概述聚丙烯(PP)是热塑性合成树脂中的后起之秀，相继1954年意大利蒙挨公司 (Mentedison)的纳塔(G-Natta)公布了齐格勒-纳塔(Ziegler-Natta)催化剂成功生产出高等规 度的聚丙烯树脂后，于1957年9月在意人利建成间歇式6000t/a聚丙烯装置，自此聚丙 烯的研究实现了工业化，直至

11、现今世界聚丙烯丁业已经走过了近六十年的成长道路，在 这历程里，世界聚丙烯丁业无论是在7:艺技术、催化剂方而，还是在社会消耗需求及装 置能力等方面都取得了惊人的发展。间时，聚丙烯已成为通用热塑性塑料中历史最短、 发展和增长M快的品种12.2国内外聚丙烯的供求现状 2.2.1国外消费现状自美国化学品市场协会(CMAI)统计显示，2003年全球聚丙烯需求量达3540万吨。 有学者调查指出2006年全球PP的总消费量为4192万t，比2005年增长约5.1%，2007 年全球聚丙烯的总消费:S:约为4435.1万t，比2006年增长约5.8%，2001年2006年需求 量的年均增长率约为5.5%。其中

12、亚洲、北美和两欧地区是最主要的消费及生产国家和地 区，2007年这3个地区的消费量合计达到约3636.8万t，约占世界总消费M的82.0%，N比增长约6.3%，其中北美地区的消费量约占总消费量的21.1%,西欧地区约占16.8%， 亚洲地区约占44.1%。产品主要用于生产注塑制品、纤维以及薄膜等，其屮薄膜对聚丙 烯的需求量约占世界总消费量的17.3%，纤维约占31.9%，吹塑制品约占1.7%，注塑制 品约占38.4%,挤出制品约占7.5%，其他方面约占3.2%12%受全球经济衰退影响，2008年全球PP消费M为4486.7力_t，冋比2007年增幅仅为 0.76%;而2009年全球PP消费开始

13、出现回暖趋势，PP消费达到了 4626.9U同比2008 年增幅为3.12%。美国汤森公司(Townsend Solut)预计，在今后5年内，全球PP消费将以 年均3.7%速率增长|41。2.2.2国外生产现状2000年全球聚丙烯的产量达到了 2820万吨，超过了聚氣乙烯的2600力吨跃居第二。 27年，全球PP的总生产能力达到约4698.2万t，N比增长约1.1%,其中亚洲地区的 生产能力为1890.9万t/a，约占全球PP总生产能力的40.25%，成为主要的产销地。2009 年，全球PP产能达到了 5600万t/a。然而，受到技术人才缺乏及原料乙烷和丙烷短缺的3影响，普遍开下不顺利，全球P

14、P生产商的数量在逐渐减少，生产装置越来越集中在少数 儿家大的跨国公司手中，世界前10家PP生产企业的生产能力达到3055.8万t/a,约占世 界总生产能力的52.70% (见表1)51。其中巴塞尔公司是目前全球最大的PP生产商，2009 年生产能力达到710.4万t/a,约占全球PP总生产能力的12.25%;其次是中国石油化T 集团公司，生产能力为402.3力t/a，约占总生产能力的6.94%。预计今后几年，全球PP 的生产能力将以年均约7.3%的速度增长，到2011年总生产能力将达到约6 097.8万t。 近几年，世界PP市场的重心正在东移。屮东新增加的丙烯和PP将改变全球的供需平衡。表格1

15、全球十大PP生产商及其产能2007 年 2008 年 2009 年公司产能/ (kta-1)占全球 比例，产能/ (kta-1)占全球 比例，产能/ (kta-1)占全球 比例，莱昂德尔巴塞尔公司76016.17666912.87710412.25中国石油化工集团公司3347.1035406.8340236.94道达尔石化公司1853.9425304.8825804.45英力士石油化学公司2555.4322954.4323304.02萨比克公司1713.6422054.2528804.97埃克森美孚化学公司1873.9821254.1021253.66信任工业21054.0627804.79中

16、国心油天然气集团公司1603.4120683.9926894.64台塑集团公司1683.5719833.8321023.63北欧石油化工公司1653.5218803.6319453.35合计238550.762740052.873055852.702.2.3国内消费现状近年来，我国聚丙烯市场的需求量增长很快。2003年我国聚丙烯的表观消费量超过 美国，成为世界上S大的聚丙烯消费国家。我国PP产品广泛应用于包装、电子与家用电 器、汽车、纤维、建筑管材等领域。但部分性能好、有较高附加值的产品国内仍无法满 足需求，同时汽车产业需要的改性料在国内也无法生产，需要大量进口。中投顾问指出： 2009年前7

17、月我国聚丙烯(PP)进口量比上年同期增长60%。未来儿年，PP需求年均增长 6%，我国仍是主要的PP进n国。我国最人的PP市场是主要应用于化肥、水泥和谷物包 装的无纺布，2007年占国内消费量近50%。预计到2012年，受水泥、化肥、盐、蔬菜 和糖所需的无纺PP袋需求驱动，中国无纺PP袋的生产年增长率为5.2%。其次，预计到 2012年中国生产汽车超1250万辆，每年需要PP38.5万吨；至2012年中国生产约45504台洗衣机，每年需要PP30.1力吨;至2012年，中国线缆T业的PP消费年增长率超过6%, 但国内产品不能满足其苛刻的规格性能要求，线缆丁业用PP仍需进口。2009年以来，中国

18、宏观经济逐渐回暖，家用电器、电子、包装及建材家具等下游行业的繁荣有力推进 我国聚丙烯市场的快速增长。2.2.4国内生产现状我国聚丙烯的工业生产始于20世纪70年代，经过30多年的发展，冃前已经基本上 形成了溶剂法、液相本体-气相法、气相法以及我国自主研发的间歇式液相本体法等多种 生产工艺并举，大中小型生产规模共存的生产格局。近儿年，旺盛的市场需求催生聚丙烯产业快速发展，生产能力不断增长。截至2008 年底，我国聚丙烯（PP)的生产厂家有90多家，生产装置有近120套，总生产能力达到 765.0力吨/年，成为仅次于美国的世界第二大PP生产国。随着生产能力的不断增加，产 量也不断增加。国家发改委产

19、业协调司消总显示，2010年，聚丙烯产M达到917万吨， 间比增长13.5%,而且聚丙烯价格上升了约15%，产品销售率接近丨00%,产销基本平衡， 行业盈利水平提高。尽管国内聚丙烯的生产能力随着需求不断扩大，并且石化产品和塑料生产方面正在 提高自给率，但部分产品仍需要大量进口。我国聚丙烯近几年的供需情况见表2。表格2近几年我国PP的供需情况年份2005 年2006 年2007 年2008 年2009 年产量/万t523.0584.2712.7742.4820.5净进口童/万t302.3294.5307.0278.9416.3出口量/万t2.32.63.14.24.5表观消费M/万t823.18

20、76.11016.11012.71050.0自给率/%63.5%66.7%70.1%73.3%78.1%未来我国PP自给率再现偏低局面，由于我国PP产业的技术水平与国际水平存在一 定差距，主要体现在生产规模小，布局分散，集约化程度低，产品档次和附加值低等方 面。建议在“十二五”期间，应重点加快催化剂、生产工艺、设备等技术开发；调整产 业结构；淘汰或更新落后产能，提高行业整体规模等2_3j。2.3聚丙烯的分类聚丙烯树脂可按不同方法进行分类:51 按聚丙烯分子中甲基(-CH3)的空间排列位置分为等规聚丙烯(iwtaetic Polypropylene, iPP)、无规聚内稀(atactic Pol

21、ypropylene, aPP)和间规聚丙稀(syndiotatic Polypropylene，sPP)三类。一般生产的聚丙烯树脂中，等规结构的含量(称等规度)约为 95%，其余为无规或间规聚丙烯。2 按加工类别及用途可将聚丙烯树脂分为注塑类、挤出类、窄带类、纤维类、挤出 薄膜类叭各种类别的聚丙烯树脂有不N的技术要求，详见GBT12670-2008聚丙烯(PP) 树脂。3 按参与聚合的单体种类分为均聚聚丙烯(PP-H)和共聚聚丙烯，后者又可分为嵌段 共聚聚丙烯(PP-B)和无规共聚聚内烯(PP-R)。4 按其改性方法大致可分化学改性和物理改性两类。化学改性包括共聚改性、交联 改性和接枝改性；

22、物理改性具体包括填充改性、填料的表面改性和增强改性等。5 按聚合1:艺，可分为淤浆法、本体法、溶液法和气相法，或根据产品开发的需要， 通过反应器串联釆用组合工艺，将本体法与气相法有机结合起来应用。2.4聚丙烯生产工艺的研究进展聚丙烯的生产丁艺主要有溶液法、淤浆法、液相本体法、气相法和本体-气相法组合 工艺5大类。近年来，气相和本体工艺的比例逐年增加，世界各地在建和新建的PP生产 装置将基本上采用气相:艺和本体工艺17。2.4.1溶液法工艺简介溶液法是M老的聚丙烯工艺之一。该法聚合温度在聚合物熔点以上，高达140-150C， 压力为78MPa，采用有机锂铅化合物催化剂，使丙烯在髙沸点的直链烃中聚

23、合，副产出 大量的无定形聚合物。此法需用高压容器，回收聚丙烯和脱除无规物流程复杂，设备投 资大，成本高，故该技术早己过时，只有美国Eastman公司由于对无定形聚丙齡的内部 需要而釆用该技术。2.4.2淤浆法工艺简介淤浆法又称溶剂法或悬浮聚合法，是最早的聚丙烯生产丁艺。从丨957年第一莪丁业 化装置一直到80年代中后期，淤浆法工艺在长达近30年的时间里一直是最主要的聚丙 烯生产工艺。其工艺成熟，产品性能优越，在R前多个老PP浆液法装置仍生产一些高质 量的聚丙烯产品。该法釆用三氯化钛和烷基铝为主要成分的催化剂体系，以对催化剂呈惰 性的QC7烃类为溶剂，在温度为5080C、压力为IMPa左右的T.

24、艺条件下进行丙烯聚合。应用该法的有意大利的蒙特埃迪生公司、日本三井公司、美国阿莫柯公司、赫格里 斯公司以及西德的赫希斯特公司的技术。2.4.3本体法工艺简介本体法聚合工艺以液态丙烯作为聚合介质，液相本体聚合反应速率远高于溶剂聚合 反应速率。在本工艺中，液态丙烯N时作聚合单体和稀释剂，减少了溶剂回收工序，聚 合压力一般为2.53.5Mpa,温度5080C,催化剂活性较高，流程短，易于操作。这类最 早于1964年美国Dart公司实现工业化，采用串联三台立式搅拌釜反应器，利用丙烯蒸 发冷凝撤出反应热。采W环管反应器的本体法丁艺由菲利浦斯石油公司(Phillips Petroleum) 开发成功并实现

25、工业化生产。本体法工艺技术在70年代发展较快，70年代后期至二十世 纪末改造、新建丁厂大多基于此法。2.4.4气相法工艺简介气相法工艺中丙烯在气相聚合，采用搅拌床或流化床反应器，用部分丙烯液体汽化 和冷却循环气撤出反应热。1969年，德国BASF公司首先开发出釆用立式搅拌床气体聚 合反应器的Novolen工艺，实现了气相法聚丙烯生产工业化，由于高效催化剂的开发， 气相法工艺自70年代后期以来发展速度很快，被认为是最有潜力的丁艺，该工艺的快速 增加正挑战居卅界第一位的Spheripol工艺（本体-气相法组合丁艺）。据NTH公司称， 1997年以来，世界范_内许可的PP新增产能的55%都是采用No

26、volen气相丁.艺，今后 气相工艺还将有逐步增加的趋势m。R前，世界上气相法PP生产工艺主要有BP公司的 Innovene工艺、联碳公司的Unipol工艺、BASF公司的NovolenTT艺、住友化学公司的 Sumitomo 丁.艺以及Basell公司开发的Spherizone T艺等。气相法工艺特点气相法生产工艺与淤浆法和本体法工艺相比，具有以下一些特点：1 可在宽范围内调节产品品种。聚合反应没有液相存在，易于控制丙烯产物的分子 量和共聚单体含量，这样就易于生产分子M分布和共聚单体含量范围比其他工艺宽的产 品；W为只要改变反应器内的气体组成，就可以改变产物的组成，所以可以缩短产品牌 号切换

27、的过渡时间，且减少过渡产品。2 适宜抗冲聚丙烯的生产。在浆液法工艺中，溶剂会溶解在反应过程中生成的无规 物，W而使反应器内物料黏度增加，以致影响搅拌、混合，特别是生产高抗冲共聚物时， 橡胶相会部分溶解在溶剂中。W而气相法是最适宜生产抗冲聚丙烯的生产工艺。73 安全性好，开停车方便。在气相聚丙烯中，包括丙烯在内的所有可燃性物质在反 应器中都处于气相，每单位反应器容积中的物料数量远小于非气相法工艺。所以连出现 突然事故（如供电事故）时，只需安全排出反应体系中的气体使反应器泄压，反应就可 在短时间内停止，不会引起任何异常反应。只要恢复催化剂进料，升压反应系统就可以 方便地恢复生产。4 反应器是气一固

28、想出料，没有液相单体需要气化，蒸汽消耗量少，反应器出U可 直接得到干燥的产品，而不需干燥工序。5 气相法工艺流程较短，设备台数少，冏定投资费用低。但气相聚合工艺中也有其他T:艺中没有的技术困难和问题。如流化床反应器中气体 的分布、床层的均匀流化、控制露点是气体在反应器中不致液化，聚合热的移出及反应 温度的控制、如何防止聚合物结块、适宜气相聚合的催化剂的开发等，不同的气相法丁. 艺都有各自的专利或专有技术。2.4.5本体一气相法组合工艺简介本体一气相法组合丁艺是80年代初，随着第三、四代载体(HY-HS)高活性/高立体选 择性TI系聚丙烯催化剂（日木三井油化商品名TK，海蒙特公司的为FT-4S/

29、GF-2A)的 研制成功后，海蒙特公司幵发出釆用环管反应器生产均聚物具有划时代意义的本体法新工艺 Spheripol 丁艺，三井油化公司开发出采叫蒸式反应器的本体法丁.艺 Hypol工艺。这两种丁艺都通过釆用串联气相反应器生产抗冲共聚物，结合了本体法和气相法 的优点，产品牌号多。继后Borealis公司(北欧化工)于1998年开发出新型的Borstar工艺 (北星双峰)PP工艺，该工艺源于北星双峰聚乙烯工艺，工艺釆用与北星双峰聚乙烯工艺 相间的环管和气相反应器，该工艺的环管反应器可在高温或超临界条件下操作，是世界 上唯一能在超临界条件下操作的工艺。Hypol工艺将本体法丙烯聚合工艺的优点冋气相

30、法聚合丁艺的优点融为一体，是一种 不脱灰、不脱无规物的多级聚合丁艺技术，能生产多种牌号聚丙烯产品（其熔体流动指 数范围为0.1-600)。在聚合釜中进行均聚或无规共聚时，反应釜中的聚合温度为65-75C， 压力为3-4MPa;生产嵌段共聚时，浆液进入流化床反应器进行气相聚合，聚合温度为 80C，压力为l.7-2.0MPa。该工艺具有催化预处理和进料设备简单，可靠性高；多级反 应系统可降低催化剂的短路现象；大量丙烯依靠第三气相反应器的反应热进行气化，这 种聚合/蒸发系统无故障且便于使用；聚合物具有很高的立体规整度和刚性。8Spheripol是F1前全球S广泛成/的聚丙烯下艺技术。它釆用高效，高选

31、择性催化剂, 在聚合反应过程中直接得到015mni的性能接近造粒料的球形聚丙烯颗粒由于高效催化 剂和Spheripo丨工艺的结合基本上实现了聚丙烯“三高、四无”，即:催化剂高效、高选择 性、产品高等规度；无脱灰、无脱无规、无溶剂、无造粒。从而使Spheripol T.艺在世界 上具有很强的竞争力。自1982年首次工业化以來，其公司几经更并，由原Himont、继 Momell公司至今Basell公司均不断进行技术更新及推广，冃前，世界上釆用Spheripol 工艺生产的聚丙烯装置有近百銮，总生产能力约为1460万吨/年，约占世界聚丙烯总生 产能力的36.8%。其中北美地区的生产能力为403力吨/年，亚洲地区合计为419万吨/年， 西欧地区的生产能力为