年產(chǎn)3萬噸聚丙烯液相本體法聚合車間工藝設計

1、物料衡算 聚合時所用催化劑CS-2的用量計算催化劑CS-2外觀褐色細顆粒，活性指標：20000Gpp/gTiCl3，查RTiCl3/PP（質(zhì)量）取值為（4060ppm），即TiCl3/PP50ppm，則由公式上式中：Wcat催化劑的用量，kg； V聚合釜容積，m3； K裝料系數(shù)，0.75； 丙烯在30時的密度，kg/m3； 鈦烯比，ppm； 0.8催化劑中TiCl3含量 聚合時活化劑的用量計算上式中：WAL活化劑的用量，kg； CTi催化劑中TiCl3的含量，一般為80%的質(zhì)量 CAL濃的活化劑中Al（C2H5）2Cl含量，一般為98%； mALAl（C2H5）2Cl的分子量，114； mca

2、tTiCl3的分子量，134.5； RAL/Ti活化劑與Ti之比，0.04。因為活化劑為25g/100ml，所以應加三乙基鋁： 聚合時氫氣用量計算H2在聚合過程中作分子量調(diào)節(jié)劑，產(chǎn)品熔融指數(shù)為M=2.06.0g/10min，在這里取M=3.8g/10min。由加氫量與熔體流動速率關系知：上式中：MI熔體流動速率，g/10min； H2 液體丙烯中H的摩爾百分率。代入數(shù)據(jù)得又由于則 聚合時第三組分DDS的用量密度r=1.070-1.080g/ml（25），這里取r=1.08，分子量為244.4。一般來說丙烯為8m3時，DDS為250ml，則丙烯為9-10m3時，DDS為281.5ml。故 質(zhì)量為

3、 進入聚合釜反應丙烯的質(zhì)量在30時，時，（其中K為裝料系數(shù)，V為反應釜體積） 聚合回收損失的丙烯氣體投入丙烯的理論量為4410kg，則生成聚丙烯的量為 其中70%為轉(zhuǎn)化率聚合回收損失的丙烯氣體（損失的丙烯氣體）為： 進入閃蒸釜中的丙烯查化學工藝設計手冊知：等規(guī)聚丙烯的密度r：0.920.94，這里取，則聚合釜內(nèi)PP的體積為而聚合釜的總體積V0為12m3，則聚合釜剩余的體積V2為采用高壓回收，聚合釜中回收后，壓力為1.2MPa，溫度為50通過閃蒸釜后殘壓為0.3MPa，溫度為40，由知故進入閃蒸釜的丙烯的量為 進入閃蒸釜中的丙烯m3為 聚合高低壓回收的丙烯氣體的量回收的氣體丙烯的質(zhì)量m4為 則

4、聚合高低壓回收的氣體丙烯m5為 聚合過程損失的聚丙烯的量由設計任務書知，全裝置總收率按91%計，聚合及回收等損失：聚丙烯1.6%；閃蒸聚丙烯1.8%；包裝損失聚丙烯1.8%。故聚丙烯的實際產(chǎn)量m6為 聚合過程損失的聚丙烯的量為 聚合生成的聚丙烯的量（即進入閃蒸釜的聚丙烯的量）為綜上所述，聚合釜物料衡算結(jié)果如表4-1所示。表4-1 聚合釜物料衡算表物料名稱進料（kg）出料（kg）丙烯4752催化劑0.28150.2815活化劑0.1245430.124543DDS0.304020.30402H20.4020.402釜內(nèi)生成的聚丙烯3035.657高壓回收丙烯低壓回收丙烯聚合回收損失丙烯68.17

5、8損失聚丙烯51.343進入閃蒸釜丙烯合計4753.1124753.1124.1.4 閃蒸過程的物料平衡計算（采用14m3的閃蒸釜）圖4.2 閃蒸過程過程流程草圖進入聚合釜的PP；進入聚合釜的丙烯；損失的PP；損失的丙烯；閃蒸釜內(nèi)N2；損失N2；損失的丙烯；從閃蒸釜回收丙烯；出閃蒸釜的PP；回收N2 進入聚合釜的PP： 進入聚合釜的丙烯： 損失的PP： 損失的丙烯： 充入閃蒸釜內(nèi)N2的量的計算未通入N2時，閃蒸釜壓為-0.066MPa（表壓），故此刻閃蒸釜內(nèi)丙烯的壓力為0.1-0.066=0.034MPa。令充入N2后，表壓為 ，則實際壓力為0.22MPa 一次充入N2 則釜內(nèi)充入N2后壓力為

6、則的可燃氣含量百分比泄壓至-0.066MPa，內(nèi)含丙烯氣體壓力為N2的壓力為 二次充入N2 即釜內(nèi)充入N2后壓力則此時的可燃氣含量百分比泄壓至-0.06MPa，內(nèi)含丙烯的壓力為N2壓力為 三次充入N2 釜內(nèi)充N2后壓力為0.186MPa此時，的可燃氣含量百分比 ，符合可燃氣體體積分數(shù)要求。 充入閃蒸釜內(nèi)的N2的壓力為充入閃蒸釜的N2的質(zhì)量為 完成置換時閃蒸釜內(nèi)的溫度為35，此時PP的密度為920kg/m3。則釜內(nèi)丙烯氣體的體積為 損失N2的質(zhì)量為 損失的丙烯的質(zhì)量為 從閃蒸釜內(nèi)回收丙烯的量 出閃蒸釜的PP的量為 回收N2的質(zhì)量為綜上所述，閃蒸釜的物料衡算結(jié)果所表4-2所示。表4-2 閃蒸釜的物

7、料衡算表物料名稱進料（kg）出料（kg）丙烯氣體聚丙烯3035.6572977.896N2的質(zhì)量64.91847.234損失的丙烯氣體0.0265損失的PP57.761損失的N217.684合計4.2 工藝流程設計4.2.1 生產(chǎn)過程及主要工序組成 液相本體法聚丙烯生產(chǎn)的主要工序由四個部分組成：丙烯氣體的精制 丙烯的聚合 閃蒸尾氣處理 生產(chǎn)過程示意圖4.2.2 生產(chǎn)線數(shù)目的確定由設計任務書知：生產(chǎn)時間：年工作時間t=8600h；聚合反應轉(zhuǎn)化率C=70%查化學工藝設計手冊知：原料丙烯的純度：76，76時丙烯密度500kg/m3；流程所耗時間t1（5h，8h），取t1=5h；聚合反應時間t2（3h

8、，6h），取t2=3.5h；裝料系數(shù)K（0.7,0.86），取K=0.8；聚合釜體積V1=12m3；聚合釜壓力P1=3.6MPa；閃蒸釜體積V2=14m3；閃蒸釜壓力P2=0.3MPa；每年反應次數(shù)N為生產(chǎn)線一次生產(chǎn)噸數(shù)M為單釜裝料體積V1為單釜裝料質(zhì)量m1為每釜單程產(chǎn)量m2為單釜年產(chǎn)量m3為聚合釜的數(shù)量N1為，取整知需要6個聚合釜。綜上所述，閃蒸時間為1.5小時，聚合反應時間為3.5小時，則1個閃蒸釜可連接2個聚合釜，故閃蒸釜的數(shù)量為3個。為了提高每個釜的利用率，次設計采用3條生產(chǎn)線。熱量衡算5.2.1 升溫階段物料由（20，2.0MPa）（60，3.5MPa）加熱水進口75，出口70，升溫

9、時間38minQ1丙烯噴入的熱量即丙烯20的顯熱Q2熱水放熱量 Q3攪拌熱 Q4物料在60時的顯熱Q5釜升溫消耗的熱量 ，Q5為Q2的2%5%，取Q5=4%Q2Q6丙烯從t1t2氣化帶走的熱量當t=60，氣化的量為n mol，則有由知， Q7設備向外散熱，可以忽略，即Q7=0由熱平衡式得代入數(shù)據(jù)得由知，（其中c=1.000kcal/（kg）綜上所述，升溫階段熱量平衡結(jié)果如表5-2所示。表5-2 升溫階段熱量平衡表帶入熱量KJ103帶出熱量KJ103物料帶入熱量225.228物料在60帶走熱量646.79熱水帶入熱量357.349設備升溫需熱量14.294攪拌熱量125.4丙烯氣化帶走熱量46.

10、893合計707.977707.9775.2.2 聚合階段熱量衡算物料從（66，3.5MPa）到（76，3.6MPa），冷卻水進口溫度為20、出口溫度為30，反應時間3.5h。PP的聚合熱q1為2175.95kg/kJQ1丙烯反應的聚合熱Q2丙烯在60時的顯熱Q3設備在60時的顯熱Q4攪拌熱Q5丙烯在76時的顯熱Q6冷卻水帶走的熱量Q7設備在76時的顯熱Q8聚合熱反應由于體積縮小而導致丙烯氣化帶走的熱量則氣化的丙烯的量由得設備外的散熱Q9可忽略由熱量平衡 知則冷卻水用量由 得綜上所述，聚合階段熱量衡算結(jié)果如表5-3所示。表5-3 聚合階段熱量平衡表帶入熱量KJ帶走熱量KJ聚合熱6717.158

11、丙烯76時顯熱2217.083丙烯60顯熱646.788冷卻水帶走熱量5656.089設備60顯熱408.870丙烯氣化帶走熱74.742攪拌熱693設備76時顯熱517902合計8465.8168465.8165.2.3 回收階段熱量衡算溫度60，時間25min，壓力從3.6MPa變?yōu)?2MPaQ1PP+丙烯在76時熱量Q2設備在76時熱量Q3攪拌熱Q4假設同一熱水帶入熱量Q5物料PP+丙烯在60熱量Q6液態(tài)丙烯氣化（從76到60）降溫帶走熱量Q7設備在60時的熱量Q8設備向外散熱可忽略，即Q8=0，由熱量衡算 得Q4為丙烯回收中需要冷卻水冷卻，冷卻水進口溫度為20，冷卻水出口溫度為25。冷

12、卻水用量由知綜上所述，回收階段熱量平衡結(jié)果如表5-4所示。表5-4 回收階段熱量平衡表帶入熱量KJ103PP+丙烯在76時的熱量837.096設備在76時熱量517.902攪拌熱82.5冷卻水帶走的熱量-146.34物料PP+丙烯在60時的熱量551.511丙烯氣化帶走熱量330.750設備在60時的熱量408.870合計1144.7295.2.4 冷凝階段熱量計算60（氣）60（液）25（液）Q1丙烯狀態(tài)變化的放熱Q2冷卻水帶走熱（冷卻水入口溫度為20，出口溫度為30）即綜上所述，冷凝階段熱量計算結(jié)果所表5-5所示。表5-5 冷凝段熱量衡算表帶入熱量KJ103帶出熱量KJ103丙烯狀態(tài)變化的

13、放熱290.469冷卻水帶走熱290.469合 計290.469合 計290.469設計6.1.1 聚合釜容積的計算 設計參數(shù)丙烯轉(zhuǎn)化率：70% 反應溫度：7575時液相丙烯密度：0.381t/m3 （化學工藝設計手冊，P132）反應時間：3.5h 單釜操作時間：5h 年操作時間：8600h 聚合釜容積計算V聚合釜設計容積，m3； P單釜操作周期，h；E裝置單線年生產(chǎn)能力，t/c； T年操作時數(shù)，h/a；C丙烯轉(zhuǎn)化率，%； d最高操作溫度（75）時液相；K聚合釜最高操作溫度條件下的設計裝置系數(shù)若單釜年生產(chǎn)能力5040噸，最高操作溫度時裝料系數(shù)為90%，則E=5040t/a P=4.7h T=8

14、600h C=70 d=0.381 K=0.9代入數(shù)據(jù)得故取6.1.2 聚合釜的外形尺寸的設計聚合釜高徑比的選擇主要考慮三方面的需要： 有利于聚合釜散熱。聚合釜反應熱主要依靠釜外夾套，冷卻水撤除，所以要保證較大的高徑比才能保證足夠的受熱表面積。 有利于氫調(diào)。為改善氫調(diào)效果應擴大氣液界面，保證有足夠的比界面，為此高徑比不能選過大。 考慮攪拌消耗的影響。高徑比越大，攪拌功率越大，消耗功率越大。為此高徑比不宜過大。一般來說對12m3的聚合釜的高徑比選取2.15，即；設計上下兩個橢圓形封頭時，一般取其直徑d，。6.1.3 釜直徑的求取聚合釜示意圖如下圖6.1所示圖6.1 聚合釜示意圖圓筒形體積 ，而，

15、兩封頭容積 聚合釜容積當V=12m3時，取D=2.0m式中，V聚合釜的容積，m3； V1筒體部分容積，m3； V2橢圓封頭容積，m36.1.4 其他外形尺寸的確定 釜高H由知，圓筒體高H1為 橢圓封頭直徑d橢圓封頭的高 釜的實際容積 夾套比傳熱面 比界面6.1.5 內(nèi)結(jié)構(gòu)及攪拌軸封的設計 攪拌器設計攪拌器設計主要是保證良好的攪拌效果，攪拌效果的好壞關系到釜內(nèi)反應是否均勻，反應熱能否順利撤除，氣液界面能否及時更新以保證氫調(diào)效果。螺帶的設計如下圖所示。圖6.2 攪拌器螺帶示意圖 帶的外徑D螺帶外徑設計要考慮攪拌效果、攪拌功率以及釜內(nèi)冷卻管設置的需要，對于攪拌效果來說，螺帶外徑選大點較好，釜內(nèi)壁間隙

16、小一些。但間隙過小攪拌效果也不好，物料也不好返混。另外，螺帶外徑越大，攪拌軸功率也越大。因此，螺帶的選擇一般選取螺帶外徑D1=（0.70.8 D）設計中選D1=0.78D=1.56m，則螺帶于釜內(nèi)壁的間隙為0.22m。 螺帶內(nèi)徑D2螺帶內(nèi)徑由螺帶外徑和螺帶葉片寬度（b）決定。一般來說，螺帶葉片寬度大一些，攪拌效果好些，但葉片太寬，是葉片與軸的間隙過小，也會影響物料的返混效果。另外，螺帶葉片寬度在一定范圍內(nèi)對攪拌功率有一定的影響，但影響不太明顯。12m3聚合釜的攪拌螺帶葉片寬度一般選取0.250.28m。 螺距設計螺距對攪拌效果和攪拌功率都有一定的影響。同樣的攪拌轉(zhuǎn)速，螺距越大，物料上升得越快，

17、攪拌效果越好，但功率也會增大。例如，12m3聚合釜直筒高度為3.1m3，物料高度為2.34m，螺帶螺距s=0.72m。 釜底小攪拌的設置聚合釜釜底下料管上球閥不管安裝得與聚合釜如何接近，總會有一段短管攪拌不到，形成死角，故而要設計小攪拌，為防止釜底下料管的堵塞起到了很好的效果。本設計沒有設置小攪拌。 攪拌轉(zhuǎn)速的選定攪拌轉(zhuǎn)速是影響見表效果最重要的因素之一，攪拌轉(zhuǎn)速越高，傳熱傳質(zhì)效果越好，對氫調(diào)和產(chǎn)品熔體流動速度指標有利。但是，攪拌速度高，消耗功率大，對攪拌器的要求也搞。此外，還對聚丙烯物料有粉碎作用。因此，在選擇攪拌速度時應綜合考慮，對于12m3的聚合釜取轉(zhuǎn)速50r/min，相當?shù)木€速度為3.9

18、m/s。 攪拌軸封的設計液相本體聚合法的產(chǎn)品的熔體流動速率難以控制穩(wěn)定，軸封泄漏是一個重要原因，故設計好攪拌軸封是十分重要的。聚合釜的軸封有兩種形式，即機械式密封和填料式密封。機械式密封的密封性好，用得好時可基本無泄漏，但由于間歇式液相本體法聚丙烯生產(chǎn)的某些特點，使得機械式密封難以發(fā)揮很好的效果，且生產(chǎn)中，固體物料濃度大，干鍋回收丙烯后聚合釜內(nèi)是固體顆粒，易于進入機械密封內(nèi)損壞密封端面。另外，聚合釜攪拌軸封為懸臂長，下部設支撐點，軸較長，運轉(zhuǎn)時擺動大，對機械密封不利。還有，聚合攪拌為間歇操作，攪拌速率低，這些對機械密封不利，因此本設計攪拌軸封選用填料式密封，填料材質(zhì)選用石棉浸漬聚四氟乙烯。 聚

19、合釜攪拌功率的計算液相本體法聚丙烯聚合釜內(nèi)物料相態(tài)隨時間變化，攪拌功率也隨時間變化。聚合釜內(nèi)物料已確定時，攪拌功率主要取決于設備的幾個因素，如聚合釜的高徑比、攪拌器型長及尺寸比例、攪拌轉(zhuǎn)速、床層高度等，與操作因素無關。攪拌功率計算公式本次設計取 即0.917r/s ，表觀密度 物料高度（H）的計算物料體積下封頭容積物料在直筒部分高度 攪拌軸功率的計算故選用55kw的電機即可。 電機的選用本聚合崗位是屬于甲類防火，級防爆崗位，所以選用防爆電機。因為同步轉(zhuǎn)速，額定功率75kw，所以選用電機型號為YB280S-4；額定電流為139.7A；電壓為380V。6.1.6 聚合釜的傳熱設計 傳熱方式的選擇根據(jù)間歇式液相本體法聚丙烯的生產(chǎn)工藝特點，采用夾套式散熱為主，輔以指形內(nèi)冷卻管散熱的方式。 傳熱的計算 反應放熱計算丙烯聚合熱21