年产11万吨聚丙烯合成工艺设计.docx
《年产11万吨聚丙烯合成工艺设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年产11万吨聚丙烯合成工艺设计.docx（53页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
年产11万吨聚丙烯合成工艺设计
学号
毕业设计（论文）
年产11万吨聚丙烯合成工艺设计
教学系：
化学与制药系
指导教师：
专业班级：
化工
学生姓名：
二零一四年五月
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
专业班级
化工
指导教师
工作单位
化学与制药工程系
设计（论文）题目
年产11万吨聚丙烯合成工艺设计
设计（论文）主要内容：
聚丙烯是丙烯单体聚合而形成的高分子聚合物，是一种通用合成树脂。
它作为一种高分子塑料，在现代化工生产中占有重要的地位，本设计是关于年产11万吨聚丙烯合成工段进行初步设计，设计中包括工艺流程设计、物料衡算、能量衡算，设备选型，对于聚丙烯的生产具有一定的实践意义。
要求完成的主要任务及其时间安排:
1.根据论文要求及教师的指导，学生查阅相关科技文献。
2.对年产11万吨聚丙烯合成工艺进行设计。
3.完成设备选型，绘图。
4.在老师的指导下撰写论文，最终得到符合武汉理工大学华夏学院本科毕业设计（论文）规范的毕业论文。
进度安排：
2014年1月4日--1月14日：
收集资料，完成开题报告。
2014年1月15日--3月25日：
查阅文献，撰写毕业论文初稿，定期交论文指导老师审查。
2014年3月25日--5月14日：
在指导老师指导下修改论文，完成绘图，并完善论文。
2014年5月15日--5月17日：
准备论文答辩。
必读参考资料：
[1]洪定一.聚丙烯—原理、工艺与技术[M].中国石化出版社，2002年9月:
23-24.
[2]程增越.通用树脂实用技术手册[M].北京：
中国石化出版社，1999.
[3]于文秀.聚丙烯技术新进展[J].石油化工，2003，32（10）：
913-917
[4]孙涛，张森宝，刘田库.聚丙烯生产工艺进展[J].辽宁化工，2007，36（6）：
409-411.
[5]中国石化集团上海工程有限公司，《化工工艺设计手册》（上、下册）[M].北京，化学工业出版社，2009.
[6]化工设备设计全书编辑委员会，《化工设备设计全书-塔设备》[M]，北京，化学工业出版社，2004.
[7]化工设备设计全书编辑委员会，《化工设备设计全书-换热器》[M].北京，化学工业出版社，2004.
[8]化工设备设计全书编辑委员会，《化工设备设计全书-管道》[M].北京，化学工业出版社，2004.
指导教师签名：
教研室主任签名：
毕业设计（论文）开题报告
a）目的及意义（含国内外的研究现状分析）
1956年意大利化学家纳塔改进齐格勒催化剂，成功地合成了结晶等规聚丙烯，开创了聚丙烯技术的新时代。
聚丙烯生产最初采用的是淤浆工艺，催化剂活性很低，生产规模很小，工艺冗长落后，设备复杂。
由于采用己烷等溶剂作稀释剂，不仅需要脱催化剂残渣和脱无规物工序，而且还需设置溶剂回收工序和设备。
因而使设备投资费用高，工厂占地的面积大，操作和维修人员多等一系列问题。
随着科学技术的进步和生产的发展，出现了溶剂工艺，即以某种溶剂作稀释剂将丙烯稀释，反应过程在液态下进行。
但此方法也存在缺点，如需要脱灰和脱无规物，需要溶剂回收工序和设备等，因而又研究出本体工艺。
这种工艺不需要专门的溶剂作为稀释剂，而是甩液态丙烯本身作稀释剂进行聚合反应。
若采用高活性催化剂，如日本三井油化公司[3]的高效高立体定向催化剂，则既可省掉脱灰脱无规物工序，又可省掉溶剂回收工序和设备。
此后，本体工艺进一步演变为液相本体和气相率体两种工艺。
到现在为止，气相工艺是最先进的流化床工艺
中国聚丙烯的工业生产始于20世纪70年代，经过30多年发展，已经基本上形成了溶剂法、液相本体-气相法、间歇式液相本体法、气相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。
现在中国的大型聚丙烯生产装置以引进技术为主，中型和小型聚丙烯生产装置以国产化技术为主。
中国聚丙烯在以后几年里产量会有较大的增长，但生产仍然供不足需，中国已经成为全球最大的聚丙烯净进口国。
但由于国内产量很快增长，进口依存度总体上呈下降趋势。
中国聚丙烯未来几年内，表观消费量依然会保持较高增速，进口量将会增大，聚丙烯产业在中国的前景广阔。
本设计的内容是关于11万吨/年聚丙烯的生产工艺设计，设计中包括工艺流程设计、物料衡算、能量衡算，设备选型和安全环保。
在本文中比较详细的计算出来了原料的单位用量、产品的单位产量，由算得的换热面积选择出来适合本工艺的各种设备，按照选择的工艺设计出了工艺流程图。
通过本设计，可以对环管法聚丙烯合成车间工艺及聚合工段设计有一个初步的认识和了解，了解到环管法聚丙烯合成的基本流程。
b）基本内容和技术方案
设计的主要内容：
以下是本次课题任务书提出的任务要求
（1）根据论文要求及教师的指导，查阅相关科技文献。
（2）对年产11万吨聚丙烯合成工艺进行设计，主要内容为：
a．工艺流程设计；
b．物料衡算；
c．热量衡算。
（3）完成设备选型，绘图。
（4）聚丙烯装置的安全生产。
（5）“三废”处理与环境保护。
（6）在老师的指导下撰写论文，最终得到符合武汉理工大学华夏学院本科毕业设计（论文）规范的毕业论文。
技术方案：
本方案选择采用Spheripol工艺，该技术自1982年首次工业化以来，是迄今为止最成功、应用最为广泛的聚丙烯生产工艺。
Spheripol工艺是一种液相预聚合同液相均聚和气相共聚相结合的聚合工艺，工艺采用高效催化剂（Spheripol工艺一开始使用GF-2A、FT-4S、UCD-104等高效催化剂，催化剂活性达到40kgPP/gcat，产品等规度为90%-99%，可不脱灰、不脱无规物），生成的PP粉料粒度呈圆球形，颗粒大而均匀，分布可以调节，既可宽又可窄，可以生产全范围、多用途的各种产品。
c）进度安排
2014年1月4日--1月14日：
收集资料，完成开题报告。
2014年1月15日--3月25日：
查阅文献，撰写毕业论文初稿，定期交论文指导老师审查。
2014年3月25日--5月14日：
在指导老师指导下修改论文，完成绘图，并完善论文。
2014年5月15日--5月17日：
准备论文答辩。
d）指导教师意见
指导教师签名：
年月日
郑重声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
本人签名：
日期：
摘要
本设计的内容是关于年产11万吨聚丙烯的生产工艺设计，设计内容包括工艺流程设计、物料衡算、能量衡算，设备选型，安全生产，“三废”处理和环境保护。
在本文中比较详细的计算出来了原料的单位用量、产品的单位产量，根据算得的换热面积选择出适合本工艺的各种设备，按照选择的工艺设计出了工艺流程图和生产车间图样以及设备图。
通过本设计，可以对环管法聚丙烯合成车间工艺及聚合工段设计有一个初步的认识和了解，了解到环管法聚丙烯合成的基本流程。
关键词：
聚丙烯工艺流程环管法物料衡算能量衡算
ABSTRACT
Thisdesigncontentisabout110000tons/yearpolypropyleneproductiontechnologydesign,designincludingprocessflowdesign,materialcalculation,energycalculation,equipmentselection,Thesafetyinproduction,"threewastes"treatmentandenvironmentalprotection.Inthispaperadetailedcalculationoutofrawmaterials,productofdosageunitsunitoutput,isbytheheattransferareaselectedforthevariouskindsofequipmenttechnology,accordingtotheselectionprocessdesignoutoftheprocessflowdiagramandproductionworkshoppatternsand设备图
equipmentdrawing.
Throughthedesign,canHuanGuanmethodofpolypropylenesynthesisprocessandpolymerizationdesignworkshopsectioninapreliminaryunderstandingandknow,andunderstandtoHuanGuansynthesismethodofthebasicprocessofpolypropylene.
Keywords：
PolypropyleneprocessflowHuanGuanmethodmaterialcalculationenergycalculation
前言
此次毕业设计的题目：
年产11万吨聚丙烯合成工艺设计，共分为七个部分：
文献综述、工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、设备框算、安全生产以及“三废”处理与环境保护。
文献综述主要介绍了聚丙烯的性能、生产工艺、国内外聚丙烯产业发展现状、用途以及催化剂的选择。
工艺流程设计详细介绍了聚丙烯的工艺原理、生产工艺的选择及催化剂的选用，着重叙述了聚合的工艺流程，使我对整个生产过程有了充分的认识，还对装置及一些化学介质做了说明。
在物料衡算中，根据生产流程对主要设备的进出料情况做了衡算，确定进出设备的物料和设备内部各种物料的流动状况和组成。
在能量衡算中，由物料的流量、状态及性质做出热量的衡算，以及夹套水的用量，确定需要移走或补充的能量。
在设备框算中，则包括了车间内各主要单元的化工计算过程，确定各设备的有效容积、结构尺寸、传热面积等。
同时，根据设计的需要绘制了聚合工段的工艺流程图、循环丙烯洗涤塔的装配图、车间的平面布置总图、设备平面布置图和设备立面布置图。
在安全生产中，主要介绍了聚丙烯生产中易出现的安全问题，并针对这些安全问题详述相关的安全措施。
在“三废”处理与环境保护中重点介绍了“三废”的处理方法，从而达到保护环境的目的。
本次设计虽然经过多次修改，但难免存在不妥之处，望老师在检查过程中给予纠正。
1绪论
1.1聚丙烯概述
聚丙烯
英文名称:
Polypropylene
分子式:
[C3H6]n
简称:
PP
聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。
按甲基排列位置分为等规聚丙烯（isotacticpolyprolene）、无规聚丙烯（atacticpolypropylene）和间规聚丙烯（syndiotaticpolypropylene）三种。
甲基排列在分子主链的同一侧称等规聚丙烯，若甲基无秩序的排列在分子主链的两侧称无规聚丙烯，当甲基交替排列在分子主链的两侧称间规聚丙烯。
一般工业生产的聚丙烯树脂中，等规结构含量约为95%，其余为无规或间规聚丙烯。
工业产品以等规物为主要成分。
聚丙烯也包括丙烯与少量乙烯的共聚物在内。
通常为半透明无色固体，无臭无毒。
由于结构规整而高度结晶化，故熔点可高达167℃。
耐热、耐腐蚀，制品可用蒸汽消毒是其突出优点。
密度小，是最轻的通用塑料。
缺点是耐低温冲击性差，较易老化，但可分别通过改性予以克服。
1.2聚丙烯的性质
1.2.1物理性能
聚丙烯为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物，密度只有0.90-0.91g/cm3，是目前所有塑料中最轻的品种之一。
它对水特别稳定，在水中的吸水率仅为0.01%，分子量约8万-15万。
成型性好，但因收缩率大（为1%~2.5%）.厚壁制品易凹陷，对一些尺寸精度较高零件，很难于达到要求，制品表面光泽好，易于着色。
1.2.2力学性能
聚丙烯的结晶度高，结构规整，因而具有优良的力学性能。
聚丙烯力学性能的绝对值高于聚乙烯，但在塑料材料中仍属于偏低的品种，其拉伸强度仅可达到30MPa或稍高的水平。
等规指数较大的聚丙烯具有较高的拉伸强度，但随等规指数的提高，材料的冲击强度有所下降，但下降至某一数值后不再变化。
温度和加载速率对聚丙烯的韧性影响很大。
当温度高于玻璃化温度时，冲击破坏呈韧性断裂，低于玻璃化温度呈脆性断裂，且冲击强度值大幅度下降。
提高加载速率，可使韧性断裂向脆性断裂转变的温度上升。
聚丙烯具有优异的抗弯曲疲劳性，其制品在常温下可弯折106次而不损坏。
但在室温和低温下，由于本身的分子结构规整度高，所以抗冲击强度较差。
聚丙烯最突出的性能就是抗弯曲疲劳性，俗称百折胶。
1.2.3热性能
聚丙烯具有良好的耐热性，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌，在不受外力的条件下，150℃也不变形。
脆化温度为-35℃，在低于-35℃会发生脆化，耐寒性不如聚乙烯。
对于聚丙烯玻璃化温度的报道值有-18qC,0qC,5℃等，这也是由于人们采用不同试样，其中所含晶相与无定形相的比例不同，使分子链中无定形部分链长不同所致。
聚丙烯的熔融温度比聚乙烯约提高40-50%，约为164-170℃,100%等规度聚丙烯熔点为176℃。
1.2.4化学稳定性
聚丙烯的化学稳定性很好，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其它各种化学试剂都比较稳定，但低分子量的脂肪烃、芳香烃和氯化烃等能使聚丙烯软化和溶胀，同时它的化学稳定性随结晶度的增加还有所提高，所以聚丙烯适合制作各种化工管道和配件，防腐蚀效果良好。
1.2.5电性能
聚丙烯有较高的介电系数，且随温度的上升，可以用来制作受热的电器绝缘制品。
它的击穿电压也很高，适合用作电器配件等。
抗电压、耐电弧性好，但静电度高，与铜接触易老化。
1.2.6耐候性
聚丙烯对紫外线很敏感，加入氧化锌、硫代二丙酸二月桂酯、碳黑或类似的乳白填料等可以改善其耐老化性能。
1.3聚丙烯工艺发展过程
自1954年纳塔教授发现等规聚丙烯以来，聚丙烯工业得到了长足的发展。
据不完全统计,2000年中期全世界聚丙烯的产量已达到33900kt/a，生产厂家多达150家。
世界各地区PP生产能力的增长率显示出明显的不同，北美和亚太（不包括日本）分别达18%和15%的高增长，而西欧仅5%。
1999年我国PP产量为2666.4kt,与1990年的377.9kt/a相比，增长了605.6%，品均年增长率高达24.9%。
2000年我国PP产量达3100kt,其中中国石化集团公司生产了2200kt。
导热油加热器模温机油加热器电加热导热油炉导热油电加热器
尽管我国的PP工业取得了迅猛的发展，生产能力和产量大幅度增长，但在数量和质量以及品种等方面仍不能满足国民经济的高速发展的需要，每年仍需要大量的进口，且数量逐年上升，2000年我国进口PP达1640kt，与1999年相比增长11.4%。
聚丙烯产品自问世以来，一直保持持续的消费增长，广泛应用于注塑、薄膜、单丝、纤维、中空成型、挤出成型领域，产品走向多样化、功能化和高附加值化，市场不断拓宽，遍及工农业及日常生活品各个领域。
导热油加热器模温机油加热器电加热导热油炉导热油电加热器
在1957年聚丙烯浆液法工业化生产以来的40余年内，聚丙烯生产工艺不断发展。
60年代出现了本体聚合工艺，解决了无溶剂问题；70年代又成功开发了高效催化剂，在浆液法聚合装置上应用，催化剂活性达5×105gPP/gTi，实现了无脱灰的工艺流程；1980年高效载体催化剂在本体聚合装置上采用，因产品等规度高，可省去脱无规物工序，与常规浆液法工艺相比，装置投资费用可节省约1/3，每吨产品操作费用可节省110～130美元。
此后，日本三井油化和意大利蒙埃公司又开发出新的高等规度（95%），高活性（可达105gPP/gTi）的催化剂，并用于本体聚合装置。
1.4几种主要聚丙烯工艺
目前世界上常用的先进聚丙烯工艺主要有Himont公司和Tenimont公司的Spheripol工艺、日本三井油化公司的Hypol工艺、德国BASF公司的Novolen工艺、联合碳化物公司的Unipol工艺和Amoco／Chisso公司的气相法工艺[6]。
1.4.1Spheripol工艺
Spheripol工艺由巴塞尔（Basell）聚烯烃公司开发成功。
该技术自1982年首次工业化以来，是迄今为止最成功、应用最为广泛的聚丙烯生产工艺。
Spheripol工艺是一种液相预聚合同液相均聚和气相共聚相结合的聚合工艺,工艺采用高效催化剂，生成的PP粉料粒度其催化剂生产的粉料呈园球形，颗粒大而均匀，分布可以调节，既可宽又可窄。
可以生产全范围、多用途的各种产品。
其均聚和无规共聚产品的特点是净度高，光学性能好，无异味。
Spheripol工艺采用的液相环管反应器具有以下优点：
（a）有很高的反应器时-空产率（可达400kgPP/h.
），反应器的容积较小，投资少；（b）反应器结构简单，材质要求低，可用低温碳钢，设计制造简单，由于管径小（DN500或DN600），即使压力较高，管壁也较薄；（c）带夹套的反应器直腿部分可作为反应器框架的支柱，这种结构设计降低了投资；（d）由于反应器容积小，停留时间短，产品切换快，过渡料少；（e）聚合物颗粒悬浮于丙烯液体中，聚合物与丙烯之间有很好的热传递。
采用冷却夹套撤出反应热单位体积的传热面积大，传热系数大，环管反应器的总体传热系数高达1600W/（
℃）；（f）环管反应器内的浆液用轴流泵高速循环，流体流速高达7m/s，因此可以使聚合物淤浆搅拌均匀，催化剂体系分布均匀，聚合反应条件容易控制而且可以控制得很精确，产品质量均一，不容易产生热点，不容易粘壁，轴流泵的能耗也较低；（g）反应器内聚合物浆液浓度高（质量分数大于50%），反应器的单程转化率高，均聚的丙烯单程转化率为50%-60%。
以上这些特点使环管反应器很适宜生产均聚物和无规共聚物。
Spheripol工艺一开始使用GF-2A、FT-4S、UCD-104等高效催化剂，催化剂活性达到40kgPP/gcat，产品等规度为90%-99%，可不脱灰、不脱无规物。
目前该技术已经发展到第二代。
与采用单环管反应器的第一代技术相比，第二代技术使用双环管反应器，操作压力和温度都明显提高，可生产双峰聚丙烯。
催化剂体系采用第四代或第五代Z-N高效催化剂，增加了氢气分离和回收单元，改进了聚合物的高压和低压脱气设备，汽蒸、干燥和丙烯事故排放单元也有所改进，增加了操作灵活性，提高了效率，原料单体和各项公用工程消耗也显著下降。
所得产品颗粒度更加均匀，产品的熔体流动指数范围更宽（从0.3-1600.0g/10min），可生产高刚性、高结晶度和低热封温度的新PP牌号。
目前，世界上采用Spheripol工艺生产的聚丙烯装置有近百套，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403万吨/年，亚洲地区合计为419万吨/年，西欧地区的生产能力为410.5万吨/年，中欧和东欧地区的生产能力为62万吨/年，中东和非洲地区的生产能力为131.5万吨/年；
1.4.2Hypol工艺
Hypol工艺由日本三井化学公司于20世纪80年代初期开发成功，该工艺采用HY-HS-II催化剂（TK-II），是一种多级聚合工艺，它把本体法丙烯聚合工艺的优点同气相法聚合工艺的优点融为一体，是一种不脱灰、不脱无规物能生产多种牌号聚丙烯产品的组合式工艺技术。
该工艺与Spheripol工艺技术基本相同，主要区别在于Hypol工艺中均聚物不能从气相反应器旁路排出，部分从高压脱气罐来的闪蒸气被打回到气相反应器。
生产均聚物时，第一气相反应器实际上也起闪蒸作用。
气相反应器是基于流化床和搅拌（刮板）容器特殊设计的。
反应器在生产抗冲击性共聚物时，无污垢，不需要清洗。
在生产均聚物期间，气相反应器又可用作终聚合釜，提高了生产能力，而且气相反应器操作灵活，可生产乙烯含量25%的抗冲击性聚合物。
基于二乙醚提供技术，三井公司已经生产出第5代RK-RH型催化剂，其活性高于第4代催化剂2-3倍。
Hypol工艺可生产均聚、无规、抗冲全范围的PP产品，MFR范围为0.30-80kg/10min，所得产品具有很高的立体规整度和刚性，制成的薄膜具有很好的光学性能（透明度和光泽度；定向品种如单丝、条带和纤维有很好的加工性（定向性），能使成品具有很好的性能，熔体流动速率很高，用于告诉注塑的品种可直接聚合得到，而不需要热处理等措施。
目前，世界上采用Hypol工艺生产的聚丙烯装置有22套，总生产能力约为251万吨/年，约占世界聚丙烯总生产能力的6.3%。
1.4.3Novolen工艺
Novolen工艺由BASF公司开发成功。
Novolen气相工艺采用带双螺带搅拌立式反应器，该反应器能够使催化剂在气相聚合的单体中分布均匀，尽可能使每个聚合物颗粒保持一定的钛/铝/给电子体的比例，以此解决气相聚合中气固两相之间不易均匀分布的问题。
聚合反应器的撤热方式是靠丙烯气的循环。
液态丙烯用泵打入反应器，通过丙烯的汽化吸收一部分聚合反应热，未反应的气态丙烯用水冷凝后使其液化，再用泵打回反应器使用。
Novolen工艺可生产范围广泛的各种聚丙烯产品，产品熔体指数范围为0.1-100g/10min，产品的等规指数为90%-99%，拉伸模量最高可以达到2400MPa。
但由于该工艺采用搅拌混合形式，物料在聚合釜中的停留时间难以控制均匀，使产品分子量变宽，产品中Ti、Cl离子和灰分增高，催化剂活性较低，用量相对较大，聚合物中残留的挥发性成分严重影响产品质量，因而得到的PP产品可能需要经过脱臭处理。
目前，世界上采用Novolen工艺的生产装置有20多套，总生产能力约为432.0万吨/年，约占世界PP总生产能力的10.9%
1.4.4Unipol气相工艺
Unipol工艺是联碳公司和壳牌公司在20世纪80年代中期联合开发的一种气相流化床PP工艺，是将应用在聚乙烯生产中的流化床工艺移植到PP生产中的工艺。
该工艺采用高效催化剂体系，主催化剂为高效载体催化剂，助催化剂为三乙基铝和给电子体。
具有简单、灵活、经济和安全等特点，只需要用一台沸腾床主反应器就可生产均聚物和无规共聚物产品，可在较大范围内调节操作条件而使产品性能保持均一。
该工艺另外一个显著特点是可以配合超冷凝态操作，即所谓的超冷凝态气相流化床工艺（SCM）。
由于超冷凝操作能够最有效地移走反应热，能使反应器在体积不增加的情况下提高很大的生产能力，如通过将反应器内液相的比例提高到45%，可使现有的生产能力提高200%，这对于节省投资具有十分重要的意义。
另外，该工艺路线较短，对材质没有特殊要求，主反应器及其下游设备都为普通的碳钢（除挤压造粒单元外），管材65%以上采用普通碳钢，再加上其占地面积少，装置生产潜力很大，产品成本低，性能好，因而具有较强的竞争力。
该工艺只用较少的设备就能生产出包括均聚物、无规共聚物和抗冲共聚物在内的全范围产品，而且只用一台沸腾床主反应器就可生产均聚物、无规共聚物；可在较大操作范围内调节操作条件而使产品性能保持均一；由于该工艺的设备数量较少而使维修工作量较小，装置的可靠性提高。
由于流化床反应动力学本身的限制，加上操作压力低使系统中物料的储量减小，使得该工艺比其它工艺操作安全，不存在事故失控时设备超压的危险。
此工艺没有
升级会员 