课程设计说明书-范本

1、课程设计说明书 题目年产1万吨间歇式液相本体法聚丙烯合成车间工艺流程设计专业班级学号学生姓名学院完成日期:2016年12 月摘要关键词:35个目录摘要. I 第1章文献综述. (1第2章原料及产品介绍 (22.1产品规格 (22.2 原材料性能和规格 (2第3章工艺流程说明 (53.1 工艺设计原则 (53.2 工艺流程选择 (53.3 催化剂选择 (63.4 影响聚合反应的因素 (83.5 工艺流程的叙述 (10第4章物料平衡计算 (134.1 化学反应式 (134.2 确定计算任务 (134.3 绘制物料流程草图 (134.4 计算数据 (144.5 分布计算 (17第5章设备工艺设计计算

2、 (235.1 聚合釜的工艺设计 (235.2 闪蒸釜设计 (24第6章车间布置 (256.1 车间布置基本原则 (256.2 厂房布置的原则和要求 (256.3 车间设备布置 (26参考文献 (27第1章文献综述30004000字第2章 原料及产品介绍2.1产品规格表2.1 成品质量指标项目 指标外观 白色、无结块的微球粉粒技术指标 合格品 等规指数 92% 灰分 0.05% 氯含量 0.25% 表观密度 0.40g/cm 3 拉伸屈服强度 27.0MPa 熔融流动速率1.94.2g/10min2.2 原材料性能和规格无色透明液体,分子式C 3H 6,分子量42.078,相对密度为0.519

3、3,折光率为1.3625,沸点为-47.7,临界温度91.89,临界压力4.54MPa ,与空气混合物的爆炸极限范围(V%2.011.1%。该原料低毒、有刺激性气味、易燃、易爆,常温常压下为无色透明气体。表2.2 原料规格进装置丙烯 精制后丙烯丙烯%(V 98 硫 3ppm 乙烯%(V 0.005 水 20ppm 硫mg/kg 3 氧10ppm水ppm(V 100 其它同进装置丙烯 氧mg/kg 30 丙二烯%(V 0.001 丁二烯+丁烯%(V 0.001 烷烃%(V 余量比较均匀的规整的球形颗粒,粒径在3060m ,以MgCl 2为载体,有效成分是TiCl 3。该催化剂遇微量氧就失效,遇空

4、气和潮气则发烟,分解成二氧化钛和盐酸。可以常温保存,活性为性约1g催化剂生产聚合物25,聚合产物的灰分较少,挥发分、氯含量均较低。表2.3 催化剂规格项目指标外观褐色微球形颗粒颗粒直径3060m钛的质量分数(24%镁的质量分数1520%聚合物表观密度g/cm30.45聚合物等规度指数%(质量分数 95三乙基铝Al(C2H53,遇空气立即自燃,遇水将剧烈反应放出大量热,引起爆炸。表2.4 活化剂物性项目指标项目指标外观无色透明液体沸点186.6分子量114.2 冰点-52Si OCH3C6H5OCH3C6H5图2.1 二苯基二甲基硅烷DDS结构式表2.5 DDS物性项目指标外观无色或微黄色透明液

5、体分子量244.4含量95%折光率 1.5351.545(25密度 1.061.10(25无色透明气体,分子式为H2,分子量为2.02,蒸汽相对密度为0.069,沸点为-252.8,临界温度为-239.9,爆炸范围4.174.2%。是一种无刺激性气味、易燃、易爆气体。表2.6 氢气规格项目进装置氢气精制后氢气纯度99.5% 99.5%氧0.2% 10ppm水1500ppm 10ppm表2.7 活性氧化铝规格项目指标项目指标粒度46mm 堆比重0.70.8kg/l强度13kg/个球比表面30020m2/g 静态吸附容量(相对湿度60%161% 孔容0.320.432/kg表2.8 分子筛规格项目

6、指标球形、粒半径46mm吸水量220g/kg堆比重0.60.78kg/l表2.9 氧化锌脱硫剂规格及工艺件项目指标项目指标外观灰白色柱状颗粒物压力110MPa规格5510mm 液空速25/ h-1对比重 1.11.15kg/l 入口硫含量15ppm强度50N/cm2(侧压出口硫含量80%(重量床高/直径3m温度常温使用寿命一年以上第3章工艺流程说明3.1 工艺设计原则1安全可靠,经济合理,技术先进安全可靠是对设计的起码要求。为做到经济合理,必须充分发挥设备的性能,降低原材料,燃料等的消耗,提高劳动生产率等,而如何更充分地利用与推广新技术、新工艺是衡量工厂设计先进与否的标志。2合理地选择工艺流程

7、和设计指标工艺设计中的各项指标应切合实际,不宜选得过高或过低。设计应严格执行国家的要求,为生产挖掘潜力和为发展留有余地;合理考虑机械化、自动化装备水平。机械化水平应与工厂规模和装备水平相适应;注意环境保护,减少污染;严格执行国家环境保护,工业卫生等方面有关规定;考虑土建、公用等设计的要求,并为之提供可靠依据。3.2 工艺流程选择(1保证产品质量要求;(2尽可能缩短生产周期,简化流程;(3先进、可靠、使用、合理;(4提高机械化程度,降低劳动强度;(5生产调节具有灵活性。(1原料的组成和性质;(2初试和工业性实验;(3辅助材料和燃料的供应情况;(4产品品种及质量要求;(5工厂规模及技术装备水平;(

8、6建厂地区气候条件。3.3 催化剂选择液相本体法聚丙烯是一种用新型工艺制造的聚烯烃树脂,本设计采用的催化剂TiCl3与助催化剂三乙基铝形成的络合物具有定向能力,能使丙烯分子上的甲基受催化剂作用而依一定方向在主链上有规则地排列,得到坚韧的高结晶度的高聚物,即立构规整性的聚丙烯。聚丙烯等规度的高低与使用的催化剂体系有关。主催化剂的晶体结构对催化剂性能特别是定向性有显著地影响,丙烯聚合物常用的助催化剂是金属铝的有机化合物,它主要使主催化剂还原和烷基化作用,同时与主催化剂构成络合型催化剂,还能引起聚合物的转移和净化丙烯及溶剂的作用。丙烯经精制达到聚合要求,采用CS-2型高效催化剂,用氢气作分子量调节剂

9、,在一定温度,压力下聚合反应,生成等规聚丙烯,经闪蒸达到包装要求,其尾气放至气柜回收。CS-2型高效催化剂属于一种载体催化剂,它由主体、载体和第三组分组成。主体是TiCl3,常温下为液态。载体为MgCl2,常温下为固态。第三组分一般为芳香羧酸酯。由于载体MgCl2的作用,使TiCl3表面,不饱和配位数目增多,从而提高了催化剂的活性。但是在实际生产应用中,单用这种载体催化剂还不能充分发挥其丙烯聚合的催化作用。必须与活化剂(助催化剂和第三组分一起共同组成高效催化体系,才能用于工业生产。高效催化体系中的活化剂采用三乙基铝(AlEt3,而第三组分(通常称为外酯则采用二苯基二甲氧基硅烷(DDS。TiCl

10、3是阳离子引发剂,AlEt3是阴离子引发剂,这两种引发剂互相作用后,却容易使其发生聚合反应。1活性高聚丙烯得率可达(0.61t/gTi,为络合-型催化剂的1525倍。其得率与反应温度有关,随着反应温度的升高而增加。2定向能力高其定向能力很高,等规度可达95%以上,其它定向能力受氢调影响。3产品质量好由于其高活性、高定向性、产品质量大大提高。产品中残留的催化剂与活化剂残渣少,灰分、钛、氯含量低。4氢调灵敏度高其氢调性能优于络合-型催化剂。达到同样的熔体流动速率时,采用高效载体催化剂时所需的加氢量小,增加加氢量,产品熔体流动率上升快。5载钛量低络合-型TiCl 3催化剂含TiCl 3约80%,折算

11、含钛约25%28%,大部分TiCl 3作为自载体,只有少量的Ti 起活性作用。高效载体催化剂的载钛量一般为2%4%。6粒度均匀催化剂粒度均匀,粒径为3060um 。粒度均匀,粒径分布较窄,生产出的聚丙烯粒度径分布也较窄,同时,CS-2的粒径大小更加易于包装和运输。7聚合反应快聚合反应初始速度高,在聚合反应初期,催化剂活性高,反应速度快,放热比较集中,聚合反应时间相对比较短,一般为2.54.0小时。另外,CS-型高效载体催化剂的热稳定性比络合-型催化剂好23。其反应机理属于Ziegler-Natta(Z-N催化体系,其反应历程如下: 1链引发:钛镁两组分反应后,形成活性种-+-R cat ,引发

12、在表面进行。单体分子被形成的 桥键网形催化剂吸附或配位,单体分子插入金属碳键之间。R CH (CH CH cat CH CH CH R cat 323-=+-2链增长Natta 用红外光谱测定高聚物分子的端基证明了在链增长过程中,单体分子以不同的方 式不断插入到金属碳碱之间。R CH (CH CH CH (CH cat nCH R CH (CH CH cat n 323232-+- 3链转移活性链可能向烷基铝、丙烯转移,但转移常数较小。生产时,需加入氢作为链转移来 控制分子量。链转移按下列三种方式进行:向烷基铝转移:当使用三乙基铝时,链终止络合物Cat+-CH 2CH 3可继续与单体发生聚合反

13、应。终止过程为:R -CH(CH -(CH -CH(CH -CH H -catH R -CH(CH -(CH -CH(CH -CH -catn 32332n 3232+ 向单体转移:Natta 用红外光谱证明高聚物分子有不饱和端基存在,这也证实了单体分子插入到Cat+R -的定向作用:cat-CH 2-CH(CH 3-(-CH 2-CH(CH 3-n -R+CH 2=CH(CH 3cat-CH 2-CH 2(CH 3+CH 2=C(CH 3-(-CH 2-CH(CH 3-n -R 向氢转移:实际上,上述反应过程并不能是聚合真正终止,工业上为了调节高聚物的分子量,常常在反应体系中加入H 2。ca

14、t-CH 2-CH(CH 3-(-CH 2-CH (CH 3-n -R+H 2cat-H+CH 3-CH(CH 3-(-CH 2-CH(CH 3-n -R4链终止:配位聚合难终止,经过很长时间,也可能向分子链内的H 转移而自身终止。高效催化剂与高聚物分子通过叔碳原子上的氢阴离子向高效催化剂转移,形成氢化物而自发终止,cat+H -再与单体反应生成cat+CH 2CH 2CH 3重新形成活性中心并继续发生聚合反应。cat-CH 2-CH(CH 3-(-CH 2-CH(CH 3-n -R cat-H+CH 2=C(CH 3-(-CH 2-CH(CH 3-n -R 上述链终止过程中,活性链与催化剂脱

15、离,是活性中心再生,因此催化剂不仅不消耗,而且一个活性中心可以进行多次聚合反应,由于高效催化聚合反应没有向大分子链的链转移反应,因而得到的是密度大、结晶度高、基本上无支链的高聚物。水、醇、酸、胺等含活性氢的化合物是配位聚合的终止剂。聚会前,要除净这些活性氢物质,对单体纯度有严格的要求,因此在聚合前,需要对单体丙烯进行精制24。3.4 影响聚合反应的因素高效载体催化剂最重要的特性是高活性。因为它的高活性,所以在聚合反应中,高效催化剂加入量相当小,因此如果原来中有害杂质含量较高,则容易使高效催化剂的活性遭到破坏,达不到高活性和高得率的效果,故高效催化剂CS-2与络合-型三氯化钛催化剂相比,对丙烯原

16、料纯度的要求更高。CO 2和CO 等这类有害杂质容易使高效催化剂中毒,要求均小于1ppm ,丙烯中其他杂质质量控制在:CO 210ppm 、C 3H 45ppm 、H 2O 20ppm 、O 210ppm 、总S 70%,以70%计算2聚合基本配方表4.1 聚合配方基本配方参数丙烯8.0m3催化剂TiCl3100g240g催化剂CS2 60g90gAl/Ti(摩尔比1015活化剂350mlH2/丙烯(Wt50250ppm 100g1000g二苯基二甲氧基硅烷(DDS250ml由于采用CS-2型催化剂,故聚合釜中 加料 约为2530min ,取30min 升温 约为3045min ,取35min

17、 聚合 约为120180min ,取150min 回收 约为2025min ,取 25min 出料 约为1015min ,取15min以上时间可得,操作周期约为4.5hr ,取周期为5hr ,而闪蒸去活时间约为12hr 。1年周期数次160058000= 2每得1吨PP 所需纯丙烯:t 1.50470%11.8%1.5%(1.5%1.099=+3每得1吨PP 所需98%的丙烯:t 535.198%1.504=4基本投料为:则每釜所得PP 为:4= 5每年生产1万吨PP 所需釜数:个34.21600607.210000=聚合压力: 3.6 MPa 聚合温度: 763 出料压力: 1.21.6 M

18、Pa回收压力: 1.21.7 MPa 回收温度: 6076 喷料后釜内残压: 0.3 MPa 温度: 50 闪蒸釜内用氮气置换压强:0.10.2 MPa 温度: 35 表4.2 原料规格原料 标准 丙烯(%V 98 硫(ppm 3 水(ppm 100 乙烯(%V 0.005 丁二烯+丁烯(%V0.001 烷烃(%V余量巴陵石化总厂化工厂企业标准: Q/SH004 1.2791(94表4.3 物化常数名称 分子量 密度 沸点 折光率 临界温度 丙烯 42.078 0.5793 -47.7 1.3625 91.89 氢气 2.02 0.069 -252.8 -239.9 三乙基铝 114.6 0.

19、832 194 -45.5 DDS244.41.081.545根据设计任务书中的条件,选用催化剂CS-2,活化剂Al(C 2H 53,第三组分DDS 和分子量调节剂H 2。本设计为年产1万吨生产装置设计工艺,采用间歇本体釜式工艺,需要考虑主要设备,综合考虑传热,混均匀性,年产量及经济效益及场地等实际条件的影响进行计算。1确定聚合釜是个数及生产线数目: 每釜每次产量: 2.607 t 则每釜年产量:8000= 要达到年产1万吨则需要2.4个釜,但是如果有些设备出现意外故障,则不能保障年产1万吨,故本处设计3个釜,1条生产线,安全系数K 取1.05。2确定闪蒸釜数目由于聚合釜采用12m 3,因工艺

20、要求,采用14m 3的闪蒸釜较为合适,聚合周期为5hr ,而闪蒸去活时间约为12hr ,因此只要将两聚合釜投料时间错开就可以适宜2台聚合釜共用1台闪蒸釜,即3台聚合釜,只需2台闪蒸釜。 4.5 分布计算间歇过程以公斤/釜为基准,已知:液态丙烯的密度:3m /kg 500=丙烯 PP 的密度:3PP m /kg 900=损失丙烯:kg 78.4511.6%98%1.122607=聚合损失丙烯回收丙烯精制丙烯去闪蒸釜的PP+丙烯损失丙烯图4.2聚合阶段物料平衡草图进料丙烯: 850098%=3920 kg 生产聚丙烯: 392070%=2744 kg损失聚丙烯: 26071.1298%1.5%/1

21、=42.92 kg 损失丙烯: 26071.1298%2.0%/1=57.23kg 等规PP 的密度为0.920.94,取0.92g/cm 3 聚合釜中聚丙烯的体积:3m 983.29202744V =丙烯气体的体积: V=122.983=9.017m 3利用高压回收,聚合釜中回收后压力(表压:P 1=1.2 MPa 温度:T 1=50 ; 通入闪蒸釜后残压(表压:P 2=0.3 MPa ,温度:T 2=40; 则放出丙烯气体的摩尔数n ,由PV=nRT : 进入闪蒸的丙烯:222111RT V P RT V P n -=公式(4.1 mol 4.251915丙烯气体的流量: Q 0=2519

22、.44210-3=105.8 kg 即进入闪蒸的丙烯气体为105.8kg回收的丙烯气体: 3920(1-70%-57.23=1118.77 kg 则聚合回收的丙烯气体的量:1118.77-105.8=1012.97kg闪蒸损失丙烯回收丙烯PP+丙烯成品PP损失PP图4.3 闪蒸阶段物料平衡草图进入闪蒸釜聚丙烯: 2744-42.92=2701.08kg损失丙烯(气体: (26071.1298%0.6%/95.8%=17.16kg 损失聚丙烯: (26071.1298%1.5%/1=42.92kg包装及扫地损失丙烯:26071.1298%1.8%/1=51.51kg1催化剂的用量活性指标30kg

23、PP/g CS-2 取40kg/gW CS-2=M PP /40=2744/40=68.6g 公式(4.2根据配方要求,W CS-2(6090g,满足设计要求。 2活化剂的用量活化剂AlEt 3:mol /g 114M 3A lEt =,%98C 3AlEt =催化剂TiCl 3:g 6.68W 3TiCl =,mol /g 2.154M 3TiCl =,其中Ti 的含量为2%4%,取4%,即 TiTiCl TiCl M %4M C 33=公式(4.3%93.127.47%42.154=1510R Ti /Al =,取12333333TiCl TiCl TiCl AlEt AlEt AlEt

24、Al/Ti M /C W M /C W R =公式(4.4g 3.802.154%98114而一般活性剂稀释为0.25g/ml 溶液,所以ml 2.32125.03.80V 2H =根据配方要求,2H V (300350ml,满足设计要求。 3H 2的用量:lgMI=2.4lg 2H C +2.3 公式(4.5MI=1.94.2g/10min 取MI=4.0g/10minlg4.0=2.4lg 2H C +2.31961.0C 2H = 636363H C H C H C M W n =公式(4.6mol 33.93423920=所以26322H H C H H C %100n n n =+

25、公式(4.7mol 77.22n 2H =密度:1.061.10 (25 ,取=1.07 g/cm 3;分子量:M DDS =244.2 g/mol ; 已知配方中8.0 m 3,取250 ml则 M=1.07250=267.5 g 5冲入N 2量的计算:在未通N 2时,闪蒸罐的压力(表压:-0.066 MPa, 即闪蒸釜内丙烯的压力: 0.1-0.066=0.034 MPa后来通入N 2至表压0.10.2 MPa ,取表压为0.1 MPa ,则实际压力为0.2 MPa 第一次充N 2釜内N 2压力: 0.2-0.034=0.166 MPa此时丙烯含量: (0.034/0.2100%=17%1

26、.5% 随后泄压至-0.066MPa ,内含丙烯的压力: (0.034/0.20.034=0.00578 MPa 内含N 2的压力: 0.034-0.00578=0.02822 MPa 第二次充N 2釜内N 2压力: 0.2-0.034=0.166 MPa ,此时丙烯含量: (0.00578/0.2100%=2.89%1.5% 随后泄压至-0.066MPa ,内含丙烯的压力: (0.005780.00578/0.2=0.000167 MPa 内含N 2的压力: 0.00578-0.000167=0.00561 MPa 第三次充N 2釜内N 2压力: 0.2-0.034=0.166 MPa ,此

27、时丙烯含量: (0.000167/0.2100%=0.0835%1.5% 符合要求,完成置换。此时闪蒸釜温度为35 则闪蒸釜内丙烯气体体积:3H C m 95.10900274414V 63=-= 质量: kg 030.0153=N 2的质量: kg 91.2315=-=-回收的丙烯: 105.8-17.16-0.030=88.61 kg 出闪蒸的聚丙烯: 2701.08-42.92=2658.16 kg 充入闪蒸釜的N 2量:总压力: 0.1663=0.498 MPa总质量:kg 60.59156= 充入N 2的量: 59.60-23.91=35.69 kg表4.4 聚合釜物料平衡表物料名称

28、 进料 出料 丙烯气体 3920kg 1118.77kg PP 2744kg (催CS-2 68.6g 68.6g (活TiCl 3 80.3g 80.3g 去闪蒸的丙烯 105.8kg DDS 267.5g 267.5g H 2 366.8g 366.8g 损失丙烯气 57.23kg 损失PP42.92kg表4.5 闪蒸釜物料平衡表物料名称进料出料丙烯气体105.8kg 0.03kg PP 2701.08kg 2658.16kg 回收丙烯气88.61kg N259.60kg 35.69kg 损失丙烯气17.16kg 损失PP 42.92kg 闪蒸残留丙烯气0.030kg 闪蒸残留N2 23.

29、91kg 合计2866.48kg 2866.48kg第5章设备工艺设计计算在物料衡算基础上进行设备设计,以确定车间内工艺设备的类型、规格、尺寸和台数,并为施工图设计提供条件。其目的是为了设备的机械设计、车间平面布置、配管设计等提供设计依据。液相本体法聚丙烯生产工艺的聚合釜属于中压容器,同时考虑挂胶问题,据此进行主要设备的选择和工艺尺寸的计算。5.1 聚合釜的工艺设计目前,国内间歇法本体聚合PP生产技术中,生产装置中所用的聚合釜主要有4m3、12m3和15m3 3种。聚合釜在3.5MPa的压力条件下进行操作。随着反应的进行,釜内物料的相态也发生变化。开始反应时,釜内全是液相丙烯,随着反应时间的延

30、长,液相丙烯中悬浮的聚丙烯固体颗粒逐渐增多,反应后期几乎全是聚丙烯颗粒。聚合釜采用螺带式搅拌器,聚合热以夹套散热为主,辅以釜内冷却管散热的方式。聚合釜作为液相本体法聚丙烯生产中最关键的设备,对聚丙烯的生产起了决定性的作用。它不但关系到装置能否正常运行,而且影响装置的生产能力、传热传质能力和氢调效果,影响产品质量和装置的各项技术经济指标。此外,反应在3.6Mpa下进行,反应较为激烈,还应考虑生产操作的安全性。根据实验和工业生产实践,液相本体法,聚丙烯装置聚合有关工艺参数如下:表5.1 聚丙烯聚合装置相关工艺参数项目数据丙烯转化率70%反应温度7676时液相丙烯密度0.381t/m3反应时间 2.

31、5h单釜操作周期(包括出料、加料5h年操作时间8000h根据设计任务书的要求,聚合釜生产的操作压力为3.50.1Mpa,反应温度为763;因为催化剂有腐蚀作用,聚合会有挂胶作用现象,故聚合釜的材质选用不锈钢,这样产品的清洁度也较高。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的反应是否均匀,反映热能否顺利除去,气液界面能否及时更新以保证氢调效果。间歇式液相本体法聚丙烯装置的聚合釜内物料的相态是随时间而变化的,固体颗粒浓度增大或全部是固体颗粒情况下,选用一般的浆式、锚式、框式搅拌器是不适宜的。经过大量的试验研究和生产实践的摸索表明,螺带式搅拌器对于聚丙烯固体颗粒物料的搅拌效果较好,而且所消耗的功率也比较小。国内所有液相本体法PP 装置的聚合釜全部都采用螺带式搅拌器,且基本上都采用单螺带。5.2 闪蒸釜设计闪蒸去活操作的压力是不断变化的,聚合釜向闪蒸釜喷料时压力最高,闪蒸釜的操作最高温度约70,闪蒸时聚丙烯粉料会放出少量腐蚀性气体HCl ,