年产3万吨聚丙烯液相本体法聚合车间工艺设计

1、物料衡算聚合时所用催化剂 CS-2的用量计算催化剂CS-2外观褐色细颗粒，活性指标： 20000GPP/gTiCb,查Rtcb/pp (质量)取值(4060 ppm),即 TiCl3/ PP M2x0.8x50x1070.8=330g上式中：Wcat催化剂的用量，kg; V-聚合釜容积，m3;K-装料系数，0.75;3Pc3h6 丙烯在30 C时的密度，kg/m ;RTici3 钛烯比，ppm ；0.8 催化剂中TiCl3含量聚合时活化剂的用量计算Wal = Wcat X al X Rale X C. / catCal= 300X114X0.04X12/(134.5X0.98)= 124.54

2、3g上式中：Wal-活化剂的用量，kg ；Ctl催化剂中TiCl3的含量，一般为 80%的质量Cal-浓的活化剂中 Al( C2H5) 2CI含量，一般为98% ；PalAI (C2H5) 2CI 的分子量，114 ；McaLTiCl3 的分子量，134.5 ；Rale-活化剂与Ti之比，0.04。因为活化剂为25g/100ml，所以应加三乙基铝：Val =124.543/0.25 =498.172ml聚合时氢气用量计算M I =2.06.0g/10min，在这里取H2在聚合过程中作分子量调节剂，产品熔融指数为M I =3.8g/10min。由加氢量与熔体流动速率关系知：lgM2.41g出】+

3、 2.3上式中：Ml熔体流动速率，g/10min ；H 2液体丙烯中H的摩尔百分率。 代入数据得lgH2H(lg3.8 -2.3)/2.4 = 0.717二H2 =0.192 =19.2%又由于出=nH2 /(nc3H6 +n匕)二 nH2 =0.201 kmol则 VH2 =0.201 咒 22.4= 4.5024m3m = nH2 咒2 = 0.402kg聚合时第三组分DDS的用量密度f=1.070-1.080g/ml （25C）,这里取 片1.08，分子量为244.4。一般来说丙烯为 8m3 时，DDS 为 250ml，则丙烯为 9-10m3 时，DDS 为 281.5ml。故 质量为

4、M =PxV =1.08x281.5 =304.02g进入聚合釜反应丙烯的质量在 30C时，Pc3H6 = 500kg/m3 时,mCHs = Pc3H6VKx98% =500x12x0.8x99% =4752kg（其中K为装料系数，V为反应釜体积） 聚合回收损失的丙烯气体投入丙烯的理论量为 4410kg，则生成聚丙烯的量 m,为0 =4410X70% =3087kg 其中 70%为转化率聚合回收损失的丙烯气体（损失的丙烯气体）为m2:m2 =mx2% /(91% +1.6%+1.8%+1.8%)= 3292.8X2%/96.2%=68.743kg进入闪蒸釜中的丙烯查化学工艺设计手册知：等规聚

5、丙烯的密度P: 0.92“0.94，这里取QQ0.92g/cm = 920kg /m，则聚合釜内 PP的体积y为3y =3087/920 = 3.355 m而聚合釜的总体积 V0为12m3，则聚合釜剩余的体积 V2为V2 =V0=12 -3.355 =8.645m3采用高压回收，聚合釜中回收后，压力为0.3MPa,温度为 40C，由 PV =nRT知1.2 MPa,温度为50C通过闪蒸釜后残压为故进入闪蒸釜的丙烯的量 n散为门散=P2V2 / RT2 - Ry / RT1= 4075.59-1843.65= 2231.94mol进入闪蒸釜中的丙烯 m3为m3 =nM 3 = 2231.94 x

6、 42 = 93.741kg 聚合高低压回收的丙烯气体的量回收的气体丙烯的质量 m4为m4 =mc3H6 X （1 70%）m2= 4752 咒(1-70%)-64.178= 1361.422kg则 聚合高低压回收的气体丙烯m5为m5 = m4 - m3 = 1361.422 = kg 聚合过程损失的聚丙烯的量由设计任务书知，全装置总收率按91%计，聚合及回收等损失：聚丙烯 一1.6%;闪蒸聚丙烯一 1.8% ；包装损失聚丙烯一 1.8%。故聚丙烯的实际产量 m6为m6 =091%/(91% +1.6%+1.8%+1.8%)=3087天91%/96.2%=2920.135kg聚合过程损失的聚丙

7、烯的量m7为m7 =m1x(1.6%/(91% +1.6% +1.8%+1.8%)= 3087x1.6%/ 96.2%m8为=51.343kg聚合生成的聚丙烯的量（即进入闪蒸釜的聚丙烯的量）m8 =0 -口7 =3087 -51.343 =3035.657 kg综上所述，聚合釜物料衡算结果如表表4-14-1所示。聚合釜物料衡算表物料名称进料（kg）出料（kg）丙烯4752催化剂0.28150.2815活化剂0.1245430.124543DDS0.304020.30402H20.4020.402釜内生成的聚丙烯3035.657高压回收丙烯低压回收丙烯聚合回收损失丙烯损失聚丙烯进入闪蒸釜丙烯合计

8、68.17851.3434753.1124.1.4闪蒸过程的物料平衡计算（采用14m3的闪蒸釜）4753.112图4.2闪蒸过程过程流程草图一进入聚合釜的PP;一进入聚合釜的丙烯；一损失的丙烯；一闪蒸釜内N2；一损失一从闪蒸釜回收丙烯； 一出闪蒸釜的进入聚合釜的 PP： 3087 -51.343 = 3035.657 kg进入聚合釜的丙烯:损失的 PP： 3087x1.8%/96.2% =57.761kg损失的丙烯:3087x0.7%/96.2% = 22.463kgN2；PP;一损失的PP;一损失的丙烯;回收N2N2的量的计算时，闪 蒸釜压 为-0.066MPa （表压），0.1-0.066

9、=0.034MPa。令充入N2后，表压为，则实际压力为0.22MPa一次充入N2则釜内充入N2后压力为0.22-0.034 = 0.186MPa充入闪蒸釜内未通入N2故此刻闪蒸釜内丙烯的压力为则C3H6的可燃气含量百分比Vc3h6 =(0.034 /0.22)X100% =15.5% 1.5%泄压至C3H6-0.066MPa,内含丙烯气体压力为(0.034 /0.22)x(0.1 -0.066) =0.00525M PaN2的压力为 0.034-0.00525 = 0.02875MPa次充入N2即釜内充入N2后压力0.22-0.034 = 0.186MPa则此时C3H6的可燃气含量百分比0VC

10、sHs = (0.00525/0.2)x100% =2.63% 1.5%泄压至-0.06MPa，内含丙烯的压力为0.00578X 0.00525/ 0.2 = 0.000152MPaN2压力为 0.005250.000152 = 0.005098MPa三次充入N2釜内充N2后压力为0.186MPa此时，C3H6的可燃气含量百分比%也=0.0001520.2X100% = 0.076% C1.5%，符合可燃气体体积分数要求。充入闪蒸釜内的N2的压力为0.186+0.186+0.186=0.558MPa充入闪蒸釜的N2的质量为0.558咒106天10.645咒 28/（8.314 X 308.15

11、） = 64.918kg完成置换时闪蒸釜内的温度为35C,此时PP的密度为920kg/m3。则釜内丙烯气体的体积为 14 -(3087 /920) =10.645m3损失N2的质量为m2 =P2V2M2 /RT2 =0.000152x106x10.645x28/(8.314x308.15) =17.684kg损失的丙烯的质量为m1 =PV1M1/R11 =0.000152x106x10.645x42/(8.314x308.15)=0.0265kg从闪蒸釜内回收丙烯的量22.463 -0.0265 = kg出闪蒸釜的 PP 的量为 3035.657 -57.761 =2977.896 kg回收

12、N2 的质量为 64.918 -17.684 =47.234kg综上所述，闪蒸釜的物料衡算结果所表4-2所示。表4-2闪蒸釜的物料衡算表物料名称进料(kg)出料(kg)丙烯气体聚丙烯3035.6572977.896n2的质量64.91847.234损失的丙烯气体0.0265损失的PP57.761损失的N217.684合计4.2工艺流程设计4.2.1生产过程及主要工序组成 液相本体法聚丙烯生产的主要工序由四个部分组成：丙烯气体的精制 7丙烯的聚合7闪蒸7尾气处理生产过程示意图4.2.2生产线数目的确定由设计任务书知：生产时间：年工作时间t=8600h ;聚合反应转化率 C=70%查化学工艺设计手

13、册知：原料丙烯的纯度：76 C, 76 C时丙烯密度500kg/m3;流程所耗时间t (5h , 8h),取t1=5h ;聚合反应时间t (3h , 6h),取t2=3.5h;装料系数 K (0.7,0.86),取 K=0.8 ;聚合釜体积 V1=12m3 ;聚合釜压力 P1=3.6MPa ;闪蒸釜体积 V2=14m3 ;闪蒸釜压力 P2=0.3MPa ;每年反应次数 N为N N/t, =8600/5 =1720次生产线一次生产吨数 M为M =m/N =30000吨/1720次=17.4吨/次单釜装料体积单釜装料质量33V1 为y =12m x0.8 = 9.6m每釜单程产量m2为m1 为 r

14、n =9.6x0.5x99% =4.752t/釜m2=4.752 X 70% X 91% / (91% +1.6% +1.8% +1.8%) = 3.147t单釜年产量 m3为 m3 =3.147咒1720 =5412.84t聚合釜的数量N1为30000/5412.8 5.542，取整知需要6个聚合釜。综上所述，闪蒸时间为1.5小时，聚合反应时间为 3.5小时，则1个闪蒸釜可连接 2个聚合釜，故闪蒸釜的数量为3个。为了提高每个釜的利用率，次设计采用3条生产线。热量衡算5.2.1升温阶段物料由(20C, 2.0MPa)(60C, 3.5MPa)加热水进口 751，出口 70C,升温时间38mi

15、nQ1丙烯喷入的热量即丙烯20 C的显热3Q =cmt =0.608 X 4.2X4410 X 20 =225.228 x103kJQ2热水放热量 Q2 =cm也tq3_ 搅拌热 Q3 = p t =5538咒3.6103/60 =125.4x103kJ3q4_物料在 601时的显热 Q4 =cmt =0.582 咒4.2咒 4410X60 =646.79咒 10 kJQ5 釜升温消耗的热量 ，Q5为Q2的2%5%，取Q5=4%Q2Q6丙烯从t1t2气化带走的热量当 t=60C,气化的量为 n mol，则有(3.5+0.1) = 3.6MPa由 PV =nRT 知，3.5心0612-9 + (

16、门咒42勺0/ 430)= n% 8.314咒 333.15”n = 4.466 x103mol 二 Qcn =2500 咒 4.2 咒 4.466 =46.893 x103kJQ7 设备向外散热，可以忽略，即Q7=0由热平衡式得 Q +Q2 + Q3 =Q4 +Q5 +Q6 +Q7代入数据得(225.228 +125.4) x103+Q2 =(646.79 +35.427) x103 + 4%Q2由 Q2 =cm心t 知，(其中 c=1.000kcal/ (kg t)357.349 X103 = 4.2x1.000x mx (75 -70)二 m =17.017x103kg综上所述，升温阶段

17、热量平衡结果如表5-2所示。表5-2升温阶段热量平衡表带入热量KJX103带出热量KJ X103物料带入热量225.228物料在60 C带走热量646.79热水带入热量357.349设备升温需热量14.294搅拌热量125.4丙烯气化带走热量46.893合计707.977707.9775.2.2聚合阶段热量衡算物料从(66C, 3.5 MPa)至U( 76C, 3.6 MP a),冷却水进口温度为20 C、出口温度为30C，反应时间3.5h。PP的聚合热q1为2175.95kg/kJQ1 一丙烯反应的聚合热3Q1 =3087x2175.95 =6717.158x10 kJQ2丙烯在60 C时的

18、显热Q2 =cmt =(0.582x4.2)x4410x60 =646.788 X103 kJQ3设备在60 C时的显热3Q3 =cmt =(0.11 X 4.2)x14750x60 = 408.870X10 kJQ4 搅拌热3Q4 = pt =55X(3.5X60X60) =693X10 kJQ5丙烯在76C时的显热3Q5 =cmt =(1.575咒 4.2)x4410x76 =2217.083x10 kJQ6 冷却水带走的热量Qe =cm 人 tQ7 设备在76 C时的显热Q7 =cmt =0.11X4.2X14750X76 =517.902X103kJQ8 聚合热反应由于体积缩小而导致丙

19、烯气化带走的热量V =m/P-mJP =4410/380-3087/910 = 8.213m3则气化的丙烯的量由 PV = nRT得n = PV /RT =3.7咒106咒 8.213/(8.314 X 349.15) =10.468kmol二 Q8 =1700X4.2X10.468 =74.742 X103kJ设备外的散热Q9可忽略由热量平衡 Q1 +Q2 +Q3 +Q4 =Q5 +Q6 +Q7 +Q8 +Q9 知33336717.158X103 + 646.788X103 + 408.870d03 + 693x103= 2217.083x103 + 517.902X103 + 74.742

20、x103 + 0 + Q6二 Q6 = 56 56.089 x103kJ则冷却水用量由 Qe =cmAt得M =Q6/c(tit2)=5656.089X 103 /1X 4.2X (30 - 20)=134.669kg带入热量3KJX10带走热量3KJX10聚合热6717.158丙烯76 C时显热2217.083丙烯60 C显热646.788冷却水带走热量5656.089设备60 C显热408.870丙烯气化带走热74.742搅拌热693设备76 C时显热517. 902合计8465.8168465.8165-3所示。综上所述，聚合阶段热量衡算结果如表表5-3聚合阶段热量平衡表5.2.3回收阶

21、段热量衡算温度60C，时间25min，压力从3.6MPa变为12MPaQ1-PP+丙烯在76 C时热量3Q1 =00上1 +c2m2t2 =1.93 咒 308776+0.91咒4410咒(1一70%)咒 76 =544.300 咒 10 kJQ2设备在76 C时热量Q2 =cmt =0.11x4.2x14750 咒 76 =517.902 M03kJQ3搅拌热3Q3 =55x25x60 =82.5x10 kJQ4 假设同一热水带入热量Q5物料PP+丙烯在60C热量3Q =1.93 咒3087咒60 +0.582 4.2天1323 60 = 551.511 x 10 kJQ6 液态丙烯气化（从

22、 76 C到60 C）降温带走热量Qs =cn =2500X4.2X1323/42 =330.750X103kJQ7设备在60 C时的热量冷却水带走热合计丙烯状态变化的放热合计290.469290.469Q7 =cmt =0.11x4.2x14750x60 =408.870x10 kJQ8_设备向外散热可忽略，即Q8=0，由热量衡算Qj +Q2 +Q3 + QQ5 +Q6 + Qd03kJQ4为丙烯回收中需要冷却水冷却，冷却水进口温度为20 C,冷却水出口温度为 25 Co冷却水用量由 Qcmit 知146.34 X103 = 4.2xmx (20 -25)/. m =6.969 x103kg

23、综上所述，回收阶段热量平衡结果如表5-4所示。表5-4回收阶段热量平衡表带入热量KJX103PP+丙烯在76C时的热量837.096设备在76 C时热量517.902搅拌热82.5冷却水带走的热量-146.34物料PP+丙烯在60C时的热量551.511丙烯气化带走热量330.750设备在60C时的热量408.870合计1144.7295.2.4冷凝阶段热量计算60C（气）7 60C（液）7 25C（液）Q1丙烯状态变化的放热Q2冷却水带走热Qj =2500X4.2X(1147.419/42) +(0.69 +0.810)/2X1147.419X4.23= 290.469 x103kJQ1 =

24、Q2 （冷却水入口温度为 20C,出口温度为30C）Q2 =cmAt即 290.46903 =4.2x(1.00 + 1.03)/2x(30 -20)xm二 m =6.814X103kg综上所述，冷凝阶段热量计算结果所表5-5所示。表5-5冷凝段热量衡算表带入热量KJX103带出热量3KJ X10290.469290.469设计6.1.1聚合釜容积的计算设计参数丙烯转化率：70%反应温度：75 C75 C时液相丙烯密度：0.381t/m3 （化学工艺设计手册，P132）反应时间：3.5h单釜操作时间：5h年操作时间：8600h聚合釜容积计算V = E (P /(TCdk)P单釜操作周期，h ；

25、T年操作时数，h/a;d一最高操作温度（75 C ）时液相;V 聚合釜设计容积， m3;E_装置单线年生产能力，t/c;J丙烯转化率，%;5040吨，最高操作温度时装料系数为90%，则P=4.7hT=8600hd=0.381K=0.9E=5040t/aC=70 CK_聚合釜最高操作温度条件下的设计装置系数 若单釜年生产能力代入数据得 V =5040%4.7/(8600x 0.7x0.381x0.9) =11.47m3故取V =12m36.1.2聚合釜的外形尺寸的设计聚合釜高径比的选择主要考虑三方面的需要： 有利于聚合釜散热。聚合釜反应热主要依靠釜外夹套，冷却水撤除，所以要保证较 大的高径比才能

26、保证足够的受热表面积。 有利于氢调。为改善氢调效果应扩大气液界面，保证有足够的比界面，为此高径比 不能选过大。 考虑搅拌消耗的影响。高径比越大，搅拌功率越大，消耗功率越大。为此高径比不 宜过大。一般来说对12m3的聚合釜的高径比选取2.15，即H =215 D ；设计上下两个椭圆形封头时，一般取其直径 d，d =0.6D。6.1.3釜直径的求取聚合釜示意图如下图 6.1 所示图6.1聚合釜示意图. 2圆筒形体积 V=3.14DHi/4，而 Hi=H-0.6D , H=2.15DZ =3.14D2(H -0.6D)/4=3.14D2(2.15D-0.6D)=1.217D3两封头容积 V2 =4/

27、3X3.14d/2( D/2)2 = 4/3咒3.14(0.6D/2) d74=0.314D3333聚合釜容积 V =V1 +V1.217D +0.314D =1.513D/. D =(V/1.531)13当 V=12m3时，D =(12/1.531)1/3 =1.986m取 D=2.0m式中，V_聚合釜的容积， Vi-筒体部分容积, V椭圆封头容积, 6.1.4其他外形尺寸的确定 3m ；3m ；3m釜高H由 H =2.15D 知，H =2.15x2.0 =4.3m圆筒体高 Hi 为 Hj =H -0.6D =(2.15 -0.6)D =3.10m椭圆封头直径dd =0.6D =0.6x2.

28、0 = 1.2m椭圆封头的高r = d/2 = 1.2/2 0.6釜的实际容积333V =1.53D =1.53X2.0 =12.25m夹套比传热面23F夹 /V =23/12 = 1.92m2/m比界面F 截/V =D24/12 =0.26m2/m36.1.5内结构及搅拌轴封的设计搅拌器设计搅拌器设计主要是保证良好的搅拌效果，搅拌效果的好坏关系到釜内反应是否均匀,应热能否顺利撤除，气液界面能否及时更新以保证氢调效果。螺带的设计如下图所示。图6.2搅拌器螺带示意图 带的外径D螺带外径设计要考虑搅拌效果、搅拌功率以及釜内冷却管设置的需要，对于搅拌效果来说，螺带外径选大点较好，釜内壁间隙小一些。但

29、间隙过小搅拌效果也不好，物料也不好返 混。另外，螺带外径越大，搅拌轴功率也越大。因此，螺带的选择一般选取螺带外径D1=(0.70.8 D)设计中选D1=0.78D=1.56m，则螺带于釜内壁的间隙为 螺带内径D2螺带内径由螺带外径和螺带叶片宽度( b)决定。一般来说，螺带叶片宽度大一些，搅 拌效果好些，但叶片太宽，是叶片与轴的间隙过小，也会影响物料的返混效果。另外，螺带 叶片宽度在一定范围内对搅拌功率有一定的影响，但影响不太明显。0.22m。12m3聚合釜的搅拌螺带叶片宽度一般选取0.250.28m。 螺距设计螺距对搅拌效果和搅拌功率都有一定的影响。越快，搅拌效果越好，但功率也会增大。例如，2

30、.34m,螺带螺距 s=0.72m。 釜底小搅拌的设置聚合釜釜底下料管上球阀不管安装得与聚合釜如何接近，总会有一段短管搅拌不到，形成死角，故而要设计小搅拌，为防止釜底下料管的堵塞起到了很好的效果。本设计没有设置小搅拌。搅拌转速的选定搅拌转速是影响见表效果最重要的因素之一，搅拌转速越高，传热传质效果越好，对氢调和产品熔体流动速度指标有利。但是，搅拌速度高，消耗功率大，对搅拌器的要求也搞。此外，还对聚丙烯物料有粉碎作用。因此，在选择搅拌速度时应综合考虑，对于12m3的聚合釜取转速50r/min，相当的线速度为 3.9m/s。搅拌轴封的设计液相本体聚合法的产品的熔体流动速率难以控制稳定， 计好搅拌轴

31、封是十分重要的。聚合釜的轴封有两种形式，即机械式密封和填料式密封。机械式密封的密封性好， 好时可基本无泄漏，但由于间歇式液相本体法聚丙烯生产的某些特点，同样的搅拌转速，螺距越大，物料上升得12m3聚合釜直筒高度为3.1m3，物料高度为轴封泄漏是一个重要原因,故设用得使得机械式密封难以易于发挥很好的效果，且生产中，固体物料浓度大，干锅回收丙烯后聚合釜内是固体颗粒， 进入机械密封内损坏密封端面。另外，聚合釜搅拌轴封为悬臂长，下部设支撑点，轴较长， 运转时摆动大，对机械密封不利。还有，聚合搅拌为间歇操作，搅拌速率低，这些对机械密 封不利，因此本设计搅拌轴封选用填料式密封，填料材质选用石棉浸渍聚四氟乙

32、烯。聚合釜搅拌功率的计算液相本体法聚丙烯聚合釜内物料相态随时间变化， 料已确定时，搅拌功率主要取决于设备的几个因素， 比例、搅拌转速、床层高度等，与操作因素无关。搅拌功率也随时间变化。 聚合釜内物 如聚合釜的高径比、 搅拌器型长及尺寸搅拌功率计算公式 斥由=1.71 P g0.95 H1.34i1.D12本次设计取n= 55r / min即0.917r/s，表观密度 P =0.42t/m3物料高度（H）的计算物料体积V=400空0%竺=6.667m30.42化 0.6咒1.02 = 1.257m32 2物料在直筒部分高度 H 4 = 6.667T.256 = 1.72m-X 兀 X r X r

33、2下封头容积V,=-2.024H =比+d / 2 =1.72 +0.6 = 2.32m搅拌轴功率的计算P由=1.71x0.42x(9.81)0.96 x(2.32)1.34x(55/ 6O)1.1(1.5)2 =40.61kw故选用55kw的电机即可。电机的选用本聚合岗位是属于甲类防火，1级防爆岗位，所以选用防爆电机。YB280S-4 ;额因为同步转速 m =1500rLpm，额定功率75kw，所以选用电机型号为定电流为139.7A ;电压为380V。6.1.6聚合釜的传热设计传热方式的选择 根据间歇式液相本体法聚丙烯的生产工艺特点，管散热的方式。传热的计算反应放热计算 丙烯聚合热2172.95 kJ / kg ,反应高峰期每小时丙烯转化率为反应的丙烯为2881.2kg。 则反应高峰期C 2172.95x2881.2x38.46%Qmax 采用夹套式散热为主,辅以指形内冷却38.46%,12m3聚合釜参加1.0X3.6=668.852kw搅拌摩擦热Qa =卩轴=55kw聚合高峰期总发热量 QtQt =Q