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8kt/a聚丙烯工段设计

摘要：

本设计是年产8千吨的聚丙烯工段设计，设计中按照生产负荷和设计规范，对聚丙烯生产的工艺流程进行了合理的设计和适当的调整；对反应釜、闪蒸釜生产流程的主要设备，进行了工艺尺寸的设计计算，特别对结构较复杂的反应釜器内的搅拌装置、指形撤热管以及夹套也进行了工艺尺寸的计算；选择旋风分离器进行工艺尺寸的设计计算，并对冷水泵进行了选型。

考虑到设备加工制造、安装、安全等多方面的因素，并依据任务所给的量，采用三个反应釜并联和两个闪蒸釜并联的工艺过程，并进行了相应的物料衡算和热量衡算。

关键词：

聚丙烯；聚合；闪蒸去活；丙烯

目录

第一章液体本体法工艺技术说明 1

1.1工艺流程 1

1.1.1原料精制 1

1.1.2丙烯聚合 1

1.1.3闪蒸去活 1

1.1.4造粒包装 2

1.2工艺说明 2

1.3原料精制 3

1.3.1精制的目的与要求 3

1.3.2丙烯干燥 3

1.3.3吸附剂的活化再生 4

1.3.4丙烯脱氧与脱硫 5

1.3.5流程选择 5

1.3.6氮气精制 6

1.4丙烯聚合 7

1.4.1生产方法和基本原理 7

1.4.2聚合反应影响因素 8

第二章液相本体法聚丙烯装置设计计算 14

2.1聚合釜的工艺设计计算 14

2.1.1聚合釜容积的确定 14

2.1.2聚合釜外形尺寸的设计 15

2.1.3其他外形尺寸的确定 17

2.2内构件及搅拌轴封的设计 18

2.3聚合釜的传热设计 22

2.3.1反应放热计算 22

2.3.2搅拌摩擦热Qa计算 23

2.3.3聚合高峰期总发热量QT计算 23

2.3.4撤热量QT’计算 23

2.3.5传热系数的求取 23

2.3.6传热方式选择及传热面积计算 24

2.4夹套及内冷却管的设计 25

2.4.1夹套的设计 25

2.4.2指形内冷却管设计 26

第三章聚丙烯工艺物料恒算 29

3.1丙烯投料量的计算 29

3.2催化剂用量的计算 30

3.3活化剂用量的计算 31

3.4氢气用量的计算 31

3.5转化率的计算 32

3.6催化效率的计算 33

3.7平均活性 33

3.8聚合釜的生产强度 34

3.9产品中理论含钛量的计算 34

第四章旋风分离器及冷水泵的设计 36

4.1旋风分离器设计依据 36

4.2旋风除尘器几何尺寸的确定及其对旋风除尘器性能的影响 37

4.2.1进口面积Fj 37

4.2.2筒体直径D 37

4.2.3筒体长度h 37

4.2.4锥体尺寸 38

4.2.5旋风除尘器的进口 38

4.2.6排气管 39

4.3冷水泵的设计 39

4.3.1已知条件 39

4.3.2选泵计算 39

4.3.3最大允许安装高度的计算 40

致谢 41

参考文献 42

附录 43

III

江苏大学本科毕业论文

第一章液体本体法工艺技术说明

1.1工艺流程

间歇式液相本体法工艺流程大体上可分为四个部分：

原料精制、聚合反应、闪蒸去活、造粒与包装。

1.1.1原料精制

丙烯精制是将储槽中液态丙烯由丙烯泵送至氧化铝干燥塔初步脱水后，进固碱塔除去微量的酸性物质，再经镍催化剂脱氧塔除去微量氧，最后经4A分子筛干燥塔进一步脱除水分后，得到合格的精丙烯送至精丙烯计量罐，以备聚合釜投料用。

粗氮气精制时是将粗氮气经氧化铝干燥塔初步脱水后，再经镍催化剂脱氧塔脱除微量氧，最后经分子筛干燥器进一步脱除水分而制得高纯度的精氮气，精氮气的用量较小，一般可不必设置缓冲罐。

1.1.2丙烯聚合

利用精丙烯计量罐的蒸汽加热套管将计量罐升压后，丙烯分为三路，首先经活化剂料斗向聚合釜中投入占总量约50%的丙烯，然后将活化剂从活化剂计量罐压入活化剂料斗，用约40%的丙烯冲入釜内，同时按规定要求加入促进剂，然后将催化剂迅速加入催化剂料斗，用剩余丙烯（约10%）冲入釜内，最后按要求数量投入氢气。

釜内丙烯在催化剂与活化剂的作用下，维持在3.4～3.5MPa、70～75℃反应3～6小时。

接近“干锅”时，将未反应完的丙烯回收，回收丙烯经旋风分离器气固分离，分离下来的粉末收集在粉料罐内定期回收。

丙烯经回收冷凝器冷凝为液体流入回收丙烯储槽，可回收利用，并入新鲜原料丙烯内。

聚丙烯的温度由夹套水温控制，热水槽内的水经热水泵输送至聚合釜夹套及内冷却管再返回热水槽。

水温由泵入口管上的蒸汽量来调节。

补加的水经热水槽溢流进入循环回水系统。

1.1.3闪蒸去活

聚合釜内的聚丙烯粉料借泄压喷入闪蒸去活釜。

夹带出来的气体（如丙烯，丙烷）经旋风分离器除去粉尘后排至气柜系统。

置换闪蒸釜用的氮气及去活用的空气由高空排放。

闪蒸合格的聚丙烯粉料通空气去活，然后由下料口送造粒工序或直接包装以粉料出厂。

1.1.4造粒包装

闪蒸去活后的聚丙烯颗粒，直接通过计量称以每袋25公斤包装。

1.2工艺说明

为了维持生产连续性，原料精制系统线应为两条：

一条使用，一条再生备用。

再生时精制塔内物料采取自身压力退料。

当丙烯由20℃升温到40℃时，因膨胀而增加压力达10MPa，为此各塔间装有阀门时，均应设安全阀。

其余各压力容器也均按规定装设安全阀。

丙烯计量采用计量罐和仪表相结合的办法，向聚合釜内加丙烯除利用位差外，还应适当加热提高压力。

聚合时所用分子量调节剂氢气是一次加入釜内的，一般也用计量罐计量，即加氢前后计量罐的压力降。

因氢气比较接近理想气体，故在固定容积时，压力降的大小与所加氢气的摩尔数成正比。

由于压力表读数的主观误差较大，表的精度有限，为提高计量准确性，氢气计量罐不宜太大。

一氯二乙基铝遇空气就自然，为防止其外溢，运输罐一般不装液面计，装料卸料一般靠称重计量。

聚合反应釜配有润滑油系统。

特别是采用填料密封的聚合釜，润滑油是防止轴封的泄露，保证填料使用寿命的关键所在。

当油中含水等有害物质时，因其沿轴封润滑油入釜而影响反应，故润滑油系统采用封闭式供油和封闭式回油系统为宜。

聚合釜夹套冷却水必须合格，否则夹套内易结水垢，影响传热。

一但结垢，只有采用酸洗除垢。

采用每台聚合釜对一个闪蒸去活釜更有利于挖掘聚合釜的生产潜力。

从阀门的耐压等级来说：

常温丙烯部分，如丙烯原料罐，丙烯泵，丙烯精制线至丙烯计量罐处可采用4MPa的阀门或截止阀。

对聚合釜的阀门，宜选用4～6MPa的阀门。

注油器系统，氢气系统采用16MPa以上的阀门。

蒸汽系统采用1.6～2.5MPa的阀门。

凡高温氮气通过的部位采用耐高温阀门。

固体物料通过的阀门用球阀，如聚合釜底阀，闪蒸釜进料阀及放料阀，催化剂加料阀。

一些需要快开快关的阀门用球阀，如丙烯加料阀，氢气加料阀。

为了消除死角便于吹扫清洗，与活化剂接触的阀门用球阀。

该装置除水管外，所有管线均用无缝钢管。

氢气等压力较大的管线选用厚壁管。

为减轻腐蚀，聚丙烯粉料及活化剂输送管道选用不锈钢管。

1.3原料精制

1.3.1精制的目的与要求

纯度太低（<95%）的丙烯不宜用于液相本体法聚合，虽然纯度低的丙烯中的杂质主要是无害的丙烷，对反应无多大的影响，但随丙烷量的增高其它有害杂质也会相应增高，再则浓度太低对单釜生产能力亦有一定的影响。

当回收丙烯反复用预聚合时，由于丙烷的累积会使丙烯纯度进一步降低。

对丙烯聚合而言，水、氧、硫、丙炔、丙二烯、丁烯、丁二烯、一氧化碳、二氧化碳等均为有害杂质。

丙烷-丙烯塔分离出来的丙烯其烃类杂质及一氧化碳、二氧化碳含量一般都较低，可达到要求（<10ppm），而含水量和含氧量往往达不到聚合的要求（水一般为100～300ppm，氧气一般为10～50ppm）。

故丙烯-丙烷塔产出的丙烯还不能直接用于聚合，必须除去一些有害的微量杂质。

原则上丙烯中的有害杂质越低越好，一般应达到H2O<10ppm，O2<10ppm,S<3ppm。

1.3.2丙烯干燥

丙烯中的微量水分一般采用吸附法脱除。

这种方法有许多有点，主要以下几个方面：

（1）干燥度高；

（2）流程简单操作方便；（3）物耗和能耗低；（4）收率很高，浪费物料极少；（5）吸附剂的使用寿命长。

吸附剂一般选用具有较大吸附表面、具有微孔或毛细孔的固体物质，每克这样的物质比表面积可达数百平方米。

用于丙烯干燥的吸附剂通常为活性氧化铝和分子筛。

活性氧化铝使氧化铝的水合物（主要为三水合物）加热脱水而制得。

它是多孔和具有吸附性的物质，而且吸附具有一定的选择性。

其选择性吸附不仅由其微孔直径的大小确定，同时也由被吸附物质的极性所决定。

因为水具有较强的极性，因此活性氧化铝对水有较强的亲和力。

活性氧化铝对微量水的干燥深度可达露点-70℃以下。

分子筛又叫人工合成沸石，属硅酸盐类，可用通式（M2+·M+）OAl2O3·mSiO2·nH2O来表示，M2+一般为Ca2+,M+则一般为Na+,K+。

分子筛的特点是具有均匀的孔径，如3A、4A、5A型分子筛孔径分别为3.2～3.3×10-10m、4.2～4.7×10-10m、4.9～5.5×10-10m。

分子筛的吸附有较强的选择性，其选择性与分子直径有关，也与被吸附物质的分子极性有关，还与被吸附分子的不饱和程度或沸点有关。

分子筛进行干燥时，加热到一定温度脱出其中的水分后，其晶体结构仍保持不变，同时形成一些与外部相通的微孔，小于微孔的分子可以被吸入孔的内部空穴，从而使分子大小不同的物质分开，起到筛分分子的作用。

水分子比丙烯分子小且具有极性，所以水分子能进入分子筛的微孔被吸附而截留下来，达到分离效果。

1.3.3吸附剂的活化再生

当干燥塔达到穿透点后，吸附剂就需要再生。

再生是一个解吸或脱附的过程，再生过程往往采用减压的办法或升温的办法。

再生升温用的热载体是氮气或空气，再生气体有如下几种：

（1）具有比干燥作业时更低或相同压力的干气体；

（2）具有比干燥作业时更高或相同温度的干气体；

（3）升温后的湿气体；

（4）减压后的湿气体。

用于丙烯干燥的氧化铝与分子筛的活化与再生一般采取升温的办法或升温、减压二者并用的方法。

由于丙烯的干燥度要求高，所以再生条件是很重要的。

再生条件不会直接影响干燥作业的吸附容量和干燥度。

提高干燥度的方法有降低再生气湿度、提高再生气温度和降低压力三种手段。

实验证明使再生气的湿度很低是没有意义的，一般可以适当提高再生气温度和减压两方面来提高干燥度。

吸附剂经活化再生后，吸附容量下降，称为劣化。

产生劣化的现象是：

（1）吸附剂表面积炭或为聚合物覆盖；

（2）再生温度高使吸附剂变成半熔融状态导致部分细孔消失。

硅铝类吸附剂在320℃时就有某些半熔融状态产生；（3）由于化学反应而使细孔的结晶受到破坏。

一般认为3A分子筛劣化的主要原因是由于细孔内钾离子的出入口被堵塞。

随着再生次数的增加，劣化度增加，但以初期最快，慢慢趋向定值。

当劣化比较严重时，则需更换新吸附剂。

1.3.4丙烯脱氧与脱硫

常用脱氧剂有：

镍催化剂0501或BH型催化剂。

由镍和载体组成。

镍催化剂除氧原理：

2Ni+O2→2NiOΔH=-36kg/mol

镍催化剂的再生是在高温下加氢还原：

NiO+H2→Ni+H2OΔH=+3.5kg/mol

脱氧剂也能吸收部分硫化物或氯化物，使催化剂中毒。

脱氧操作在固定床上进行，丙烯下进上出，再生还原时，再生气的流向则相反，这样便于排出还原时产生的水。

再生气体为氮气和氢气。

先用氮气升温，达到温度后用氢气还原或在热氮气中加部分氢气。

不宜让带水的丙烯通过脱氧剂，因为当带水的丙烯通过镍催化剂，会生成对聚合物有害的杂质CO、CO2等，对反应不利。

硫对丙烯聚合的影响很大，对于络合Ⅱ型TiCl3催化剂，精丙烯中的硫含量应小于5ppm。

硫含量越低聚合反应效果越好。

如