年產(chǎn)3萬(wàn)噸聚丙烯液相本體法聚合車(chē)間工藝設(shè)計(jì)

1、物料衡算 聚合時(shí)所用催化劑CS-2的用量計(jì)算催化劑CS-2外觀褐色細(xì)顆粒，活性指標(biāo)：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(shí)的密度，kg/m3； 鈦烯比，ppm； 0.8催化劑中TiCl3含量 聚合時(shí)活化劑的用量計(jì)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?yàn)榛罨瘎?5g/100ml，所以應(yīng)加三乙基鋁： 聚合時(shí)氫氣用量計(jì)算H2在聚合過(guò)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(dòng)速率關(guān)系知：上式中：MI熔體流動(dòng)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(shí)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(lái)說(shuō)丙烯為8m3時(shí)，DDS為250ml，則丙烯為9-10m3時(shí)，DDS為281.5ml。故 質(zhì)量為

3、 進(jìn)入聚合釜反應(yīng)丙烯的質(zhì)量在30時(shí)，時(shí)，（其中K為裝料系數(shù)，V為反應(yīng)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(jìn)入閃蒸釜中的丙烯查化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)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(guò)閃蒸釜后殘壓為0.3MPa，溫度為40，由知故進(jìn)入閃蒸釜的丙烯的量為 進(jìn)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(guò)程損失的聚丙烯的量由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)知，全裝置總收率按91%計(jì)，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(shí)際產(chǎn)量m6為 聚合過(guò)程損失的聚丙烯的量為 聚合生成的聚丙烯的量（即進(jìn)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(jìn)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(jìn)入閃蒸釜丙烯合計(jì)4753.1124753.1124.1.4 閃蒸過(guò)程的物料平衡計(jì)算（采用14m3的閃蒸釜）圖4.2 閃蒸過(guò)程過(guò)程流程草圖進(jìn)入聚合釜的PP；進(jìn)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(jìn)入聚合釜的PP： 進(jìn)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(jì)算未通入N2時(shí)，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(shí)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?xì)夂堪俜直刃箟褐?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(shí)的可燃?xì)夂堪俜直刃箟褐?0.06MPa，內(nèi)含丙烯的壓力為N2壓力為 三次充入N2 釜內(nèi)充N(xiāo)2后壓力為0.186MPa此時(shí)，的可燃?xì)夂堪俜直?，符合可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?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(shí)閃蒸釜內(nèi)的溫度為35，此時(shí)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(jìn)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(jì)4.2 工藝流程設(shè)計(jì)4.2.1 生產(chǎn)過(guò)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(gè)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(guò)程示意圖4.2.2 生產(chǎn)線數(shù)目的確定由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)知：生產(chǎn)時(shí)間：年工作時(shí)間t=8600h；聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率C=70%查化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)知：原料丙烯的純度：76，76時(shí)丙烯密度500kg/m3；流程所耗時(shí)間t1（5h，8h），取t1=5h；聚合反應(yīng)時(shí)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(yīng)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(gè)聚合釜。綜上所述，閃蒸時(shí)間為1.5小時(shí)，聚合反應(yīng)時(shí)間為3.5小時(shí)，則1個(gè)閃蒸釜可連接2個(gè)聚合釜，故閃蒸釜的數(shù)量為3個(gè)。為了提高每個(gè)釜的利用率，次設(shè)計(jì)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(jìn)口75，出口70，升溫

9、時(shí)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(shí)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(dāng)t=60，氣化的量為n mol，則有由知， Q7設(shè)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(shè)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(jì)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(jìn)口溫度為20、出口溫度為30，反應(yīng)時(shí)間3.5h。PP的聚合熱q1為2175.95kg/kJQ1丙烯反應(yīng)的聚合熱Q2丙烯在60時(shí)的顯熱Q3設(shè)備在60時(shí)的顯熱Q4攪拌熱Q5丙烯在76時(shí)的顯熱Q6冷卻水帶走的熱量Q7設(shè)備在76時(shí)的顯熱Q8聚合熱反應(yīng)由于體積縮小而導(dǎo)致丙烯氣化帶走的熱量則氣化的丙烯的量由得設(shè)備外的散熱Q9可忽略由熱量平衡 知?jiǎng)t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(shí)顯熱2217.083丙烯60顯熱646.788冷卻水帶走熱量5656.089設(shè)備60顯熱408.870丙烯氣化帶走熱74.742攪拌熱693設(shè)備76時(shí)顯熱517902合計(jì)8465.8168465.8165.2.3 回收階段熱量衡算溫度60，時(shí)間25min，壓力從3.6MPa變?yōu)?2MPaQ1PP+丙烯在76時(shí)熱量Q2設(shè)備在76時(shí)熱量Q3攪拌熱Q4假設(shè)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(shè)備在60時(shí)的熱量Q8設(shè)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(jìn)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(shí)的熱量837.096設(shè)備在76時(shí)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(shí)的熱量551.511丙烯氣化帶走熱量330.750設(shè)備在60時(shí)的熱量408.870合計(jì)1144.7295.2.4 冷凝階段熱量計(jì)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(jì)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(jì)290.469合 計(jì)290.469設(shè)計(jì)6.1.1 聚合釜容積的計(jì)算 設(shè)計(jì)參數(shù)丙烯轉(zhuǎn)化率：70% 反應(yīng)溫度：7575時(shí)液相丙烯密度：0.381t/m3 （化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)，P132）反應(yīng)時(shí)間：3.5h 單釜操作時(shí)間：5h 年操作時(shí)間：8600h 聚合釜容積計(jì)算V聚合釜設(shè)計(jì)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(shí)數(shù)，h/a；C丙烯轉(zhuǎn)化率，%； d最高操作溫度（75）時(shí)液相；K聚合釜最高操作溫度條件下的設(shè)計(jì)裝置系數(shù)若單釜年生產(chǎn)能力5040噸，最高操作溫度時(shí)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(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)擴(kuò)大氣液界面，保證有足夠的比界面，為此高徑比不能選過(guò)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(guò)大。一般來(lái)說(shuō)對(duì)12m3的聚合釜的高徑比選取2.15，即；設(shè)計(jì)上下兩個(gè)橢圓形封頭時(shí)，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(dāng)V=12m3時(shí)，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(shí)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(shè)計(jì) 攪拌器設(shè)計(jì)攪拌器設(shè)計(jì)主要是保證良好的攪拌效果，攪拌效果的好壞關(guān)系到釜內(nèi)反應(yīng)是否均勻，反應(yīng)熱能否順利撤除，氣液界面能否及時(shí)更新以保證氫調(diào)效果。螺帶的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要考慮攪拌效果、攪拌功率以及釜內(nèi)冷卻管設(shè)置的需要，對(duì)于攪拌效果來(lái)說(shuō)，螺帶外徑選大點(diǎn)較好，釜內(nèi)壁間隙

16、小一些。但間隙過(guò)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(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，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(guò)小，也會(huì)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(duì)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(shè)計(jì)螺距對(duì)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(huì)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(shè)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(huì)有一段短管攪拌不到，形成死角，故而要設(shè)計(jì)小攪拌，為防止釜底下料管的堵塞起到了很好的效果。本設(shè)計(jì)沒(méi)有設(shè)置小攪拌。 攪拌轉(zhuǎn)速的選定攪拌轉(zhuǎn)速是影響見(jiàn)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(duì)氫調(diào)和產(chǎn)品熔體流動(dòng)速度指標(biāo)有利。但是，攪拌速度高，消耗功率大，對(duì)攪拌器的要求也搞。此外，還對(duì)聚丙烯物料有粉碎作用。因此，在選擇攪拌速度時(shí)應(yīng)綜合考慮，對(duì)于12m3的聚合釜取轉(zhuǎn)速50r/min，相當(dāng)?shù)木€速度為3.9

18、m/s。 攪拌軸封的設(shè)計(jì)液相本體聚合法的產(chǎn)品的熔體流動(dòng)速率難以控制穩(wěn)定，軸封泄漏是一個(gè)重要原因，故設(shè)計(jì)好攪拌軸封是十分重要的。聚合釜的軸封有兩種形式，即機(jī)械式密封和填料式密封。機(jī)械式密封的密封性好，用得好時(shí)可基本無(wú)泄漏，但由于間歇式液相本體法聚丙烯生產(chǎn)的某些特點(diǎn)，使得機(jī)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(jìn)入機(jī)械密封內(nèi)損壞密封端面。另外，聚合釜攪拌軸封為懸臂長(zhǎng)，下部設(shè)支撐點(diǎn)，軸較長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)擺動(dòng)大，對(duì)機(jī)械密封不利。還有，聚合攪拌為間歇操作，攪拌速率低，這些對(duì)機(jī)械密封不利，因此本設(shè)計(jì)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(jì)算液相本體法聚丙烯聚合釜內(nèi)物料相態(tài)隨時(shí)間變化，攪拌功率也隨時(shí)間變化。聚合釜內(nèi)物料已確定時(shí)，攪拌功率主要取決于設(shè)備的幾個(gè)因素，如聚合釜的高徑比、攪拌器型長(zhǎng)及尺寸比例、攪拌轉(zhuǎn)速、床層高度等，與操作因素?zé)o關(guān)。攪拌功率計(jì)算公式本次設(shè)計(jì)取 即0.917r/s ，表觀密度 物料高度（H）的計(jì)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(jì)算故選用55kw的電機(jī)即可。 電機(jī)的選用本聚合崗位是屬于甲類防火，級(jí)防爆崗位，所以選用防爆電機(jī)。因?yàn)橥睫D(zhuǎn)速，額定功率75kw，所以選用電機(jī)型號(hào)為YB280S-4；額定電流為139.7A；電壓為380V。6.1.6 聚合釜的傳熱設(shè)計(jì) 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(diǎn)，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(jì)算 反應(yīng)放熱計(jì)算丙烯聚合熱21