强烈推荐年产15万吨聚丙烯生产工艺设计说明书毕业论文说明书.docx

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强烈推荐年产15万吨聚丙烯生产工艺设计说明书毕业论文说明书

课程设计说明书

武汉工程大学

化工与制药学院

课程设计说明书

课题名称15万吨年聚丙烯生产工艺设计

----计算部分、用户手册

专业班级

学生学号

学生姓名

学生成绩

指导教师

课题工作时间201112

武汉工程大学化工与制药学院

摘要

本设计的内容是关于15万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，安全环保和经济技术评价。

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和生产车间图样，并在最后编写了可行性研究报告、商业规划书和用户手册。

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

Thisdesigncontentisabout150000tonsyearpolypropyleneproductiontechnologydesign,designincludingprocessflowdesign,materialcalculation,energycalculation,equipmentselection,safeenvironmentalprotectionandeconomictechnologyevaluation.Inthispaperadetailedcalculationoutofrawmaterials,productofdosageunitsunitoutput,isbytheprocessdesignoutoftheprocessflowdiagramandproductionworkshoppattern,andinthelastwrotethefeasibilitystudyreport,businessplanningbooksandusermanuals.

Throughthedesign,canHuanGuanmethodofpolypropylenesynthesisprocessandpolymerizationdesignworkshopsectioninapreliminaryunderstandingandknow,andunderstandtoHuanGuansynthesismethodofthebasicprocessofpolypropylene.

Keywords：

PolypropyleneprocessflowHuanGuanmethodmaterialcalculationenergycalculation

目录

摘要-2-

Abstract-2-

目录-3-

前言-6-

第一章文献综述-7-

1.1聚丙烯概述-7-

1.2聚丙烯的性质-7-

1.3聚丙烯工艺发展过程-7-

1.4几种主要聚丙烯工艺-9-

1.4.1Spheripol工艺……………………………………………………………………….-9-

1.4.2Hypol工艺………………………………………………………………………..….-9-

1.4.3Novolen工艺……………………………………………………………………….-10-

1.4.4Unipol气相工艺……………………………………………………………………-10-

1.4.5AmocoChiaso气相法工艺………………………………………………………-11-

1.5新型催化剂体系的优势-11-

1.5.1PP生产工艺的优化和改善………………………………………………………...-11-

1.5.2PP产品性能的改进和提高…………………………………………………….......-12-

1.5.3高刚性、高结晶度的产品………………………………………………………...-12-

1.5.4薄膜产品性能的改善……………………………………………………………...-12-

1.5.5纺粘纤维和熔喷纤维……………………………………………………………...-12-

1.5.6无规共聚物………………………………………………………………………...-13-

1.5.7抗冲击共聚产品…………………………………………………………………...-13-

1.6中国聚丙烯工业-13-

1.7展望-13-

第二章工艺流程设计-14-

2.1工艺原理-14-

2.2催化剂的选定-15-

2.3生产工艺的选定-15-

2.4工艺流程草图-17-

2.5工艺流程概述-17-

2.5.1聚合区工艺………………………………………………………………………...-17-

2.5.2造粒区……………………………………………………………………………...-20-

2.5.3包装区……………………………………………………………………………...-20-

2.5.4循环水场…………………………………………………………………………...-21-

第三章物料衡算-21-

3.1设计名称-21-

3.2设计条件-22-

3.2.1全套装置工艺参数………………………………………………………………...-22-

3.2.2丙烯进料量（按小时计算）…………………………………………………….-22-

3.3催化剂用量-22-

3.4R200小环管的物料衡算-23-

3.5氢气用量-24-

3.6R201大环管反应器的物料衡算-24-

3.7D301闪蒸罐的物料衡算-25-

3.8F301布袋过滤器的物料衡算-25-

3.9T301循环丙烯洗涤塔的物料衡算-27-

3.10D501汽蒸罐的物料衡算-28-

3.11T501水洗塔的物料衡算-28-

3.12D502干燥塔的物料衡算-29-

3.13造粒-29-

第四章热量衡算-30-

4.1计算依据-30-

4.2R200小环管的热量衡算-30-

4.3R201大环管反应器的热量衡算-32-

4.4D301闪蒸罐的热量衡算-33-

4.5D501气蒸罐的热量衡算-33-

4.6D502干燥罐的热量衡算-34-

第五章设备选型-35-

5.1R200小环管的选型-35-

5.1.1R200小环管的工艺参数…………………………………………………………..-35-

5.1.2主要作用…………………………………………………………………………...-35-

5.1.3选型………………………………………………………………………………...-35-

5.2R201大环管反应器的选型-36-

5.2.1R201大环管反应器的工艺参数…………………………………………………..-36-

5.2.2特点………………………………………………………………………………...-36-

5.2.3选型及结构………………………………………………………………………...-36-

5.3设备一览表-37-

第6章经济技术分析-38-

6.1市场分析和建设规模-38-

6.2工艺技术-40-

参考文献-41-

致谢-42-

前言

此次设计的题目：

年产15万吨环管法聚丙烯合成车间工艺及聚合工段设计，共分为五个部分：

文献综述、工艺流程设计、物料衡算、能量衡算以及设备框算。

文献综述介绍了聚丙烯的性能、生产工艺、晶型、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，使我们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。

本次设计虽然经过多次修改，但难免存在不妥之处，望各位老师在检查过程中给予纠正。

第一章文献综述

1.1聚丙烯概述

聚丙烯

英文名称:

Polypropylene

分子式:

[C3H6]n

简称:

PP

　　聚丙烯由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。

有等规物、无规物和间规物三种构型，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,故熔点高达167℃左右,耐热,制品可用蒸汽消毒是其突出优点。

密度0.90gcm3,是最轻的通用塑料。

耐腐蚀,抗张强度30MPa，强度、刚性和透明性都比聚乙烯好。

缺点是耐低温冲击性差，较易老化，但可分别通过改性和添加抗氧剂予以克服。

1.2聚丙烯的性质

聚丙烯无毒、无味，密度小，强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100度左右使用.具有良好电性能和高频绝缘性不受湿度影响,但低温时变脆、不耐磨、易老化。

适于制作一般的机械零件，耐腐蚀零件和绝缘零件。

常见的酸、碱有机溶剂对它几乎不起作用，且可用于食具。

由于聚丙烯制品具有重量轻，抗冲击强度高、耐环境（耐高低温、耐污染、耐潮湿、耐老化）性能好，长寿命等优点。

应用范围不断的扩大，逐渐取代金属和其他塑料、木材、化学纤维等，用于包装、运输、纺织、建材、家具、家电、日用品等诸多领域。

因此今后10年聚丙烯的需求将继续保持高速增长的态势，并且在纺织纤维、薄膜、注塑制品、管材等领域有很好的前景[1]

1.3聚丙烯工艺发展过程

1956年意大利化学家纳塔改进齐格勒催化剂[2]，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。

聚丙烯是世界五大通用合成树脂（聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS树脂）之一，近年来我国的产量增长很快，2000年首次突破3000kt达到3035．1kt，2005年又突破5000kt增长到5229．5kt，2006年增长到5841．5kt，比上年增长11．7，创历史产量最高纪录。

2002年至2006年连续5年增长幅度保持两位数。

2007年1～7月全国规模以上企业聚丙烯产量已到达4041．6kt，同比增长18．6，为历史同期最高的水平，预计全年有望超过7000kt。

我国聚丙烯原料的来源一般是催化裂化产物分离的丙烯，也有石油裂解气分离的丙烯，虽然以炼厂丙烯为原料时，气体分离精馏装置可使乙烷、乙烯、丙烷、炔烃和二烯烃等杂质含量符合高效催化剂聚合时的要求，但由于其分离的丙烯中还含有一定量的硫（尤其是COS）、CO、CO。

、H2O、As和O2等杂质，从而使聚丙烯催化剂中毒而活性下降，影响装置的正常生产，同时也导致聚丙烯产品一些主要性能，如结晶度、等规指数、灰分、熔体流动速率和拉伸强度等受到较大的影响，因此，原料丙烯的净化显得十分重要。

聚合催化剂对原料丙烯的要求和某些聚丙烯装置中原料丙烯的质量如下表1和表2所示。

可以看出，原料中总硫、COS、H2O、O2、AS大量超标。

90年代，聚丙烯（PP）I艺技术[4]在提高效率、降低成本和扩大产品范围等方面都取得了很大的进步，这使得聚丙烯技术进一步向前推进，各种工艺的竞争地位发生变化。

Montell公司是当今世界上最大的聚丙烯生产商和技术转让厂商。

它的Spheripol工艺是其前身Himont公司于1982年创立的，目前全世界采用Spheripol工艺的生产线已多达84条，产量达到12．8Mta，约占全世界PP总产能的50%，1997年Monte|l公司[5]对Spheripol聚丙烯工艺进行了重大改进，进一步扩展了装置的生产操作弹性，优化各生产工序的运转条件，提高了聚丙烯产品的质量和加工性能。

拓宽了新产品的应用领域。

使采用该工艺生产的产品具有更为广泛的应用范围和更加优越的加工性能。

新一代工艺技术的改进和优化的核心内容是新型催化剂体系的开发和运用，其工艺流程的新设计和优化主要是围绕上述核心技术而开展的。

目的是扩大产品的范围，提高产品性能。

1.4几种主要聚丙烯工艺

目前世界上常甩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AmocoChisso公司的气相法工艺[6]。

1.4.1Spheripol工艺

该工艺包括助催化剂和催化剂的制备、顶聚合和聚合反应、聚合物脱气干燥、添加剂进料和造粒以及包装运输。

聚合反应在环管式反应器中进行，所有原料都以稳定的速率和适当配比输入环状反应器中反应压力为2．9～3．0MPa（表），温度为60～70℃，对压力、温度和淤浆密度可以进行监测和自动控制。

聚丙烯颗粒进入装袋系统，自动将产品称重、装袋和缝合，再送入传送带用金属探测器用于检测产品是否含有金属粒，能把混有金属粒的袋子自动剔出。

合格产品袋子被送入码垛机，最后进入仓库。

这种工艺稳定可靠，产品范围宽、品种多、质量好，在世界上转让的厂家很多，占世界聚丙烯产量比例较大，有较高的信誉。

1.4.2Hypol工艺

Hypol工艺采用日本三井油化公司的专利技术，它是一种液相和气相结合的本体工艺，采用HYHS-Ⅱ第二代高效高立体定向催化剂。

全套生产线由原料提纯、催化剂进斟、聚合、干燥、造粒、包装和码垛诸工序组成。

改进后的Hypol新工艺，聚合反应分两段进行。

第一段液相聚合在丙烯溶剂中进行，聚合压力为2.94～3.92MPa（表），温度为65～75℃，依靠蒸发冷凝回流系统带走反应热。

聚合形成的浆液进入第二段气相反应釜，操作压力为1．67～1．92MPa（表），温度为80℃。

进入反应器的液态丙烯靠聚合反应热加热并蒸发。

聚合物流化所用气体从气相反应器的下部吹进，并进行循环。

聚合物干燥后送入挤压造粒工序，聚合物通过筛板筛选后被挤压，经模板进入水下切割机，把挤出的聚合物切成小颗粒。

一条包装生产线的能力为17．5t）；

2）具有很窄的分子量分布，使纤维的加工性能大大提高（PJ：

2．2～2．5）；

3）可以不使用过氧化物降解；

4）高流动性，适用于生产高速纺丝和细旦纺丝产品（速度>4500mrain）；

5）高纯洁度。

1.5.6无规共聚物

由于使用新催化荆体系的产品分子量分布窄，使热定型和吹塑产品的透明度提高，同时也改善了抗冲击性能。

在吹膜、注膜、拉膜和热定型生产中，产品在透明度、光泽度、冲击性能、化学稳定性、水气阻隔性等方面都有了不同程度的改进，可部分替代PS、PET和PVC等等产品[8]。

1.5.7抗冲击共聚产品

采用新催化剂体系改善了抗冲击共聚产品的刚性抗冲击性的平衡，形成了又一种抗冲击共聚产品系列。

由于新技术的采用给抗冲击共聚产品带来了以下几个明显的优点：

1）更高的坚挺度；

2）无论在室温下还是在低温下，其抗冲击性能均表现良好；

3）良好的抗变形能力；

4）更佳的尺寸稳定性；

5）在相同的刚性抗冲击性能下可使MFR更高（更适合薄壁注塑）。

1.6中国聚丙烯工业

　　中国聚丙烯的工业[9]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。

1.7展望

为了进一步发展聚丙烯生产技术，必须解决以下几个问题：

1．随着科技发展，对聚丙烯的需求量及品种将会进一步增加。

因此，科研人员应开拓聚丙烯的新的应用范围，同时不断开发新品种。

2．由于催化剂的性能和质量是决定聚丙烯品种和质量的最关键的因素，因此，目前美、日、意和德等国家对催化剂的研究特别重视，并取得了很多成果。

就活性而言，日本三井油化的HYHS-Ⅱ高效高立体定向催化剂的活性高达1t聚丙烯s钦，皆高于其他几家公司的催化剂。

我国目前引进的几套大型聚丙烯装置都使用进1：

l的催化剂。

所以，加快研制国产的高活性催化剂是摆在我国科研人员面前的一项紧迫任务。

3．要增加聚丙烯品种，提高聚丙烯的质量，扩大应用范围，必须注重开发新型添加荆和改性剂。

虽然在这方面已取得不少成果，但仍需继续努力。

并要开发更多的新型艟化剂。

4．寻求不造粒新工艺。

就造粒工序而言，耗电多，设备昂贵。

若能开发出使粉片状聚丙烯存放期延长而不变质的新工艺，省掉造粒工序，则能大大降低成本，提高经济效益，为提高聚丙烯产量，增加品种，创造有利条件。

第二章工艺流程设计

2.1工艺原理

从中转罐区送来的丙烯需经过预精制、保安精制后才能成为精丙烯进入反应系统。

其中T001为固碱塔，脱除大量水和无机硫

2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O

2NaOH+H2S=Na2S+2H2O

NaOH+nH2O=NaOH.nH2O

T002为分子筛塔，利用分子筛的吸附原理[10]，脱除微量的水，该塔可以再生。

T701为汽提塔，利用汽提塔的操作原理脱除丙烯中的轻组分，尤其是一氧化碳。

T702为脱硫塔，主要是脱除羰基硫。

COS+H2O=H2S+CO2

ZnO+H2S=ZnS+H2O

T703为3Å分子筛塔，继续脱除微量的水。

该塔可以再生。

T704为脱砷塔，主要是脱除砷化氢。

2AsH3+2CuO=2CuAs+2H2O+H2

2AsH3+Al2O3=2AlAs+3H2O

丙烯聚合的过程包括链引发、链增长、链转移和链终止。

⑴链引发

[Cat]＋－－R＋CH2＝CH→[Cat]＋－－CH2－CH－R

∣∣

CH3CH3

⑵链增长

[Cat]＋-―CH2－CH－R＋nCH2＝CH→[Cat]＋-―CH2－CH（CH2－CH）nR

∣∣∣∣

CH3CH3CH3CH3

⑶链转移

①向单体转移

[Cat]＋－CH2－CH（CH2－CH）nR＋CH2＝CH→[Cat]＋-－CH2－CH2＋CH2=C（CH2－CH）nR∣∣∣∣

∣∣CH3CH3CH3CH3

CH3CH3

②向氢气转移

[Cat]＋-―CH2－CH（CH2－CH）nR＋H2→[Cat]＋-―H+CH3－CH（CH2－CH）nR

∣∣∣∣

CH3CH3CH3CH3

③向烷基铝转移

[Cat]＋-－CH2－CH（CH2－CH）nR＋Al（C2H5）3→[Cat]＋-－C2H5+

∣∣

CH3CH3

（C2H5）2Al－CH3－CH（CH2－CH）nR

∣∣

CH3CH3

④链终止

[Cat]＋――CH2－CH－（CH2－CH）－nR→[Cat]＋――H＋CH2＝C－（CH2－CH）－nR∣∣∣∣

CH3CH3CH3CH3

2.2催化剂的选定

配合Spheripol工艺，选择第四代超高活性的CS-Ⅱ型和DQ-型球型催化剂[3]。

球型催化剂可以控制聚丙烯粒子的形态，具有反应器颗粒技术的特点，有利于生产高性能的聚丙烯。

同时“反应器颗粒技术”可以免除造粒过程，所以在提高了反应效率的同时，又大大的降低了生产成本。

2.3生产工艺的选定

在综述中对聚丙烯的生产工艺已经做了详细的比较，在这里选择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40kgPPgcat，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。

预聚合反应是在均聚反应之前先将催化剂组分同少量丙烯预先进行聚合反应，以保护催化剂和聚合产品的颗粒度。

预聚合是液相聚合，采用一组由两根管组成的环管反应器。

均聚反应也是液相聚合，一般都采用两组串连的环管反应器，每组反应器由四根管子组成。

目前改进的Spheripol工艺的环管反应器由一组环管组成，通过对立管根数及其直径的不同设计来适应不同的处理能力，反应热通过环管外壁夹套内循环流动的水来撤除。

嵌段共聚反应则采用气相法，反应器是一个或两个串联的密相流化床反应器。

该工艺采用独特的环管式反应器，具有单位体积传热面积大，总传热系数高，单程转化率高、流速快、混合好、不会在聚合区形成塑化块、产品切换牌号的时间短等优点，而且结构简单，材质采用低温碳钢即可。

环管反应器则是利用轴流泵使浆液高速循环，通过夹套冷却撤热，由于传热面积大，撤热效果好，因此其单位反应器体积产率高，能耗低。

Spheripol工艺经济性好，原料和公用工程消耗低，人工费和三废处理等费用也少，生产成本较低，因此Spheripol工艺成为当今世界最为先进和流行的PP生产工艺之一。

表2-1几种聚丙烯工艺对比

工艺名称

工艺特点

淤浆法工艺

1.丙烯单体溶解在惰性液相溶剂中（如己烷中），在催化剂作用下进行溶剂聚合，聚合物以固体颗粒状态悬浮在溶剂中，采用釜式搅拌反应器；

2.有脱灰、脱无规物和溶剂回收工序，流程长，较复杂，装置投资大，能耗高，但生产易控制，产品质量好；

3.以离心过滤方法分离聚