15万吨聚丙烯生产工艺设计说明书.docx

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15万吨聚丙烯生产工艺设计说明书

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2011/12

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

Thisdesigncontentisabout150000tons/yearpolypropyleneproductiontechnologydesign,designincludingprocessflowdesign,materialcalculation,energycalculation,equipmentselection,safeenvironmentalprotectionandeconomictechnologyevaluation.Inthispaperadetailedcalculationoutofrawmaterials,productofdosageunitsunitoutput,isbytheheattransferareaselectedforthevariouskindsofequipmenttechnology,accordingtotheselectionprocessdesignoutoftheprocessflowdiagramandproductionworkshoppattern,andinthelastwrotethefeasibilitystudyreport,businessplanningbooksandusermanuals.

Throughthedesign,canHuanGuanmethodofpolypropylenesynthesisprocessandpolymerizationdesignworkshopsectioninapreliminaryunderstandingandknow,andunderstandtoHuanGuansynthesismethodofthebasicprocessofpolypropylene.

Keywords：

PolypropyleneprocessflowHuanGuanmethodmaterialcalculationenergycalculation

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0.90g/cm3,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12．8Mt／a，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Amoco／Chisso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／h，用自动称重检查器对装袋的粒料进行称量、检测，将合格产品袋子送入打印机，再送入码垛机码垛。

整个工厂采用集散式控制系统（即DCS系统）。

同时还对异常反应如工艺流体泄漏、公用工程发生故障等情况提供保护措施。

主要有全线紧急停车系统、局帮停车系统、手控启动系统、易燃气体报警系统等。

同时该工艺还设置有工艺联锁系统，在紧急情况下，可切断工艺物流并隔离设备

Hypol工艺的最大优点是丙烯聚合采用了最好的催化剂即HYHS一Ⅱ，这种催化剂的活性相当高，其效率高达lt聚丙烯／g钛。

由于采用了高活性的催化剂，可不脱灰不脱无规物，因而使不造粒工艺的实现成为可能。

1.4.3Novolen工艺

Novolen工艺是最早发展起来的气相聚丙烯工艺之一，早在1969年第一套工业化装置就开始生产。

为了适应新技术的发展，BASF对本身的丙烯聚合工艺和设备进行了不断革新和完善，同时把催化剂技术和新产品开发作为自己工作的重心。

BASF的催化剂体系是以改型的齐格勒——纳塔体系为基础。

由于生产各种均聚物以及抗冲击和无规共聚物只需一个反应器，因而很经济。

同时，产品完全可以满足链塑、双向拉膜、纤维、单丝、热望成形、吹塑成形和挤压成形的要求。

工艺流程主要由丙烯提纯进料、催化剂制备、添加剂制备及加入、聚台、挤压成形、装袋和码垛等部分组成。

控制系统采取以微处理机为基础的集散式控制系统。

该工艺的主要缺点是工艺流程长，如催化剂加工工序和设备既多又复杂，因而后处理和回收系统流程很长。

同时，建厂投资大，操作和维修人员比其他工艺要多。

目前世界上采用这种工艺厂家较少。

1.4.4Unipol气相工艺

Unipol聚丙烯工艺是把美国联合碳化物公司的气相流化床技术与壳牌公司的SHAC超高活性催化剂融为一体。

这种工艺简单、灵活、安全和经济。

采用这种工艺可省掉催化剂钝化、脱灰、脱无规物和后处理工序。

联合生产线稳定可靠，切换产品有很大灵活性，能生产多种用途产品。

由于工艺和设备简单，可靠性高，因而大大减少了维修工作量，节省操作和维护人员。

该工艺能耗低，效率高，工程建设投资少，建设工期短。

谤工艺主要由原料供应和净化，催化剂制备、聚合、树脂脱气和回收、加添加剂和造粒等部分组成。

丙烯经过净化和干燥后送入反应系统。

反应系统由1台反应器、1台循环气体冷却器和1台循环气体风机组成。

反应在压力约3．5MPa、温度60～70℃的条件下进行。

提纯后的丙烯、氢、SHAC催化剂连续进入反应器，生产出自由流动的粒状树脂。

含有气体反应物和惰性气体的循环气物流在风机作用下连续通过循环气路进行循环。

循环气的作用是让反应器里自由流动的粒状树脂流化起来，同时把聚合热带走。

经过净化达到产品质量要求的树脂进入造粒系统。

添加剂加入、遣粒、包装、码垛等工艺和设备与其他工艺基本相似。

Unipol聚丙烯工艺采用现代比较简单的控制系统进行监测控制。

主要采用常规变量闭路对流量、温度和压力进行控制，有些控制和监测靠计算机完成。

由于该工艺具有一系列独有的优点，因此是一种很有发展前途的工艺。

1.4.5Amoco／Chiaso气相法工艺

该工艺是美国Amoco公司开发的，1975年开始的中型试验。

1979年Amoco公司在美国得克萨斯州建成丁一座采用气相法工艺的工业化聚丙烯工厂。

由于既不脱灰，也不脱无规物，因而在低建设投资和低制造成本方面得到好处。

该工艺是将超高活性催化剂和Awuoco公司的气相工艺相结合开发的丙烯共聚物工艺。

采用这种工艺时，丙烯在高活性催化剂的作用下以气相状态不断进行反应，形成粒状结晶聚丙烯。

经过气体分离和催化剂脱活之后，将粉料造粒并搅匀以各运输。

该工艺是由催化剂设备、聚合和成品处理三个工序组成。

工艺采用卧式反应釜，主要特点是投资费用低，产品品种多，质量高，操作稳定，工艺安全而且能耗低。

但由于设备较其他几种工艺复杂和使用的催化剂的活性不算太高，因而世界上采用这种技术的厂家不太多。

1.5新型催化剂体系的优势

由于聚丙烯合成对催化剂的要求很高，好的催化剂可以使聚丙烯的产率和纯度提高，使用双醚类新型催化剂体系，其优势可体现在PP生产工艺和产品质量的提高两个方面。

1.5.1PP生产工艺的优化和改善

1）具有极高的活性，更有利于氢反应，使催化剂的消耗量降低；

2）使催化剂体系中的外给电子取消成为可能，使产品的灰分和成本降低；

3）预聚的PP粒型控制更好；

4）无需外给电子，催化剂本身可设计成使产品具有一定的二甲苯可溶物与二甲苯不溶物之比，大大简化了制备工艺；

5）催化剂残留物含量低，更有利于添加剂的加入和成分调节；

6）由于新型催化剂对氢气反应更为有利，因此，均聚、无规共聚、嵌段共聚的MFR的控制范围扩大，特别是因为它具有分子量分布窄的特点，使得以往用过氧化物进行流变控制的操作方法可以被取代，这可以降低成本，并避免由于过氧化物降解所产生的挥发物影响健康和安全。

1.5.2PP产品性能的改进和提高

新工艺技术与新的催化剂体系相结合，使聚丙烯的分子量分布、挠曲模量、等规度，抗冲击等性能指标有了较明显的改善。

这类树脂具有很高的结晶度和刚性，光泽度好，较大幅度地提高了均金山油化纤聚物、无规共聚物和抗冲共聚物产品的各项指标。

1.5.3高刚性、高结晶度的产品

应用新型催化剂并结合新双峰技术生产的产品具有更宽的分子量分布和高的等规度，可将产品挠曲模量提高了45，而单独使用新催化剂和新双峰技术则可提高l3和l0。

1.5.4薄膜产品性能的改善

应用新型催化剂并结合新双峰技术[7]使产品的分子量变得更宽，生产的BOPP产品的拉伸性能得到了改善，使之更适应新型BOPP高速生产线的高速拉伸要求。

均聚PP产品进一步改善了刚性，在用于芯层料时具有很大的优点，同时，耐热性能、光学性能以及薄膜表面泄出物也大大改观。

由于使用了新型催化剂体系，产品的灰分大为降低，使生产电容薄膜成为可能。

1.5.5纺粘纤维和熔喷纤维

采用新催化剂体系使其在纤维领域具有了新的优势，主要有以下优势：

1）能够生产很高MFR的产品（1700dglrain）；

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>4500m／rain）；

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。

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