年产18万吨聚丙烯生产线设计_毕业设计

仲恺农业工程学院毕业设计年产18万吨聚丙烯生产线设计学生承诺书本人声明所呈交的学位论文年产18万吨聚丙烯生产线设计是本人在导师指导下进行的研究工作及设计成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。与本人一同工作的同志对本研究设计所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。摘要聚丙烯树脂是由丙烯聚合而成的一种热塑性塑料。聚丙烯性能优异，用途广范，是近40年来，生产发展速度最快的通用塑料品种之一。本文主要概述了国内外聚丙烯工业的研究发展，包括聚丙烯市场的供求情况，聚丙烯的分类及其生产工艺的简单介绍，从中选定SPHERIPOL工艺作年产18万吨聚丙烯生产线设计项目的参考。主要介绍了SPHERIPOL工艺的工艺流程、主要特征和技术指标，阐述了聚丙烯聚合反应过程和重要的熔融指数对产物的影响。最后，用收集的工艺参数科学地进行工艺物料衡算、能量衡算、主要生产设备选型、制定生产安全和环境保护的规条、绘制出带控制点的工艺流程图。目录学生承诺书1前言1第一章设计的基础依据211设计原则212衡算原则2121能量守恒计算依据2第二章文献综述321聚丙烯工业概述322国内外聚丙烯的供求现状3221国外消费现状3222国外生产现状3223国内消费现状4224国内生产现状523聚丙烯的分类524聚丙烯生产工艺的研究进展6241溶液法工艺简介6242淤浆法工艺简介6243本体法工艺简介7244气相法工艺简介7气相法工艺特点7245本体气相法组合工艺简介825生产工艺的选择9第三章SPHERIPOL工艺1031工艺特性介绍10311液相环管反应器10312气相密相流化床11313辅助工程系统12314SPHERIPOL工艺的综合优势1232工艺过程12321原料精制及催化剂制备系统13322预聚合和液相反应系统14323闪蒸脱气14324气相共聚反应系统14325干燥挤压造粒系统14第四章总体方案及工艺理论1541生产规模及产品要求15411生产规模15412产品牌号及指标1542反应机理1543熔融指数（MI）对产品质量的控制16第五章设计计算17511丙烯的物化性质17512原料规格161752物料衡算19521计算基准19522工艺衡算19523均聚物物料衡算图20524原料消耗定额2053能量衡算21531总体思路21532计算基准21533预聚合工序的能量衡算21534环管聚合工序衡算22535环管聚合工序衡算22536闪蒸体系衡算23537公用工程衡算2354设备选型24541设备选型基准24542环管反应器设计1624543设备一览表24第六章生产安全及环境保护2561安全要求2562环境保护25621三废治理26622噪声控制26第七章总结与展望2671总结2672展望26参考文献28英文摘要29附录30致谢31前言聚丙烯POLYPROPYLENE，PP是一种以丙烯为主单体、乙烯为次单体，在氢气调节下聚合而成的合成树脂，是一种无毒、无臭、无味的高结晶聚合物，它与聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC、聚苯乙烯PS、丙烯腈苯乙烯丁二烯共聚物ABS并称为目前世界上五大通用合成树脂。聚丙烯来源丰富，强度、刚性和透明性都比聚乙烯好，与其他通用热塑性塑料相比，还具有比重最轻（密度约为090G/CM3），易于加工，耐化学腐蚀，抗张强度较高，抗挠曲性、电绝缘性良好等优点，而且生产工艺简单、成本低廉，近年来其发展势头一直呈上升趋势，尤其以催化剂、新工艺、新产品的开发进一步扩大了应用领域，在机械、化工、电力和运输等领域中新用途的开发刺激了聚丙烯需求的增长。目前，在我国的聚烯烃树脂中，成为仅次于聚乙烯PE和聚氯乙烯PVC的第三大塑料。伴随着世界聚丙烯工业的勃勃生机和迅猛发展，有报道指出世界聚丙烯产业重心东移，中印领跑，目前国内PP的产量仍未满足国内消费，面对目前形势，我国的聚丙烯工业生产需不断引进国外技术，并使工艺技术国产化以追赶国际先进技术的脚步。2010年初，天津石化年产450KT/A聚丙烯装置顺利开车，这代表着世界顶尖水平的SPHERIZONE聚丙烯工艺多区循环反应器国产化的成功，国产化的聚丙烯工艺技术和工程设计极大地推动了我国聚丙烯工业的发展，为国家节省了大量外汇，为业主赢得了最佳的经济效益。在国内外如火如荼的研究发展势态推动下，本科毕业生在毕业课程中进行聚丙烯生产工艺设计具有特殊意义。其内容包括回顾生产实习过程，熟悉化工生产的特性，了解先进的聚丙烯生产技术，选取适合的聚丙烯生产工艺流程，收集数据，完成物料衡算、能量衡算，并掌握几种化工设备的性能等，最后绘制带控制点的工艺流程图。第一章设计的基础依据11设计原则化工设计大体根据化工工艺设计手册进行相关的专业设计，设计过程遵循以下设计原则符合国家的经济政策和技术政策，合理运用国家的财富和资源；设定合理的产品数量和质量指标；选择先进可靠的工艺技术，同时兼顾经济合理性；保证生产安全，堤防各种明显或潜在的危险；符合国家和各级地方政府制定的环境保护法规，对排放的三废进行处理。12衡算原则本设计以物料衡算和能量衡算为设计的基础。根据设计项目的年产量，运用质量守恒定律，通过对全过程和单元过程的物料衡算，计算出原料的消耗量、过程的损耗量及三废的生产量；在此基础上作能量衡算，能量衡算要求遵循能量守恒原则计算出蒸汽、水、电的消耗定额。121能量守恒计算依据Q进Q出Q1Q2Q3Q4Q5Q6式中Q1所处理的物料带到设备中去的热量（KJ）；Q2由加热剂（或冷却剂）传给设备的热量或加热与冷却物料所需的热量（KJ），符号规定输入（加热）为“”，输出（冷却）为“”；Q3过程的热效应（KJ）；符号规定放热为“”，吸热为“”；Q4反应产物由设备中带出的热量（KJ）；Q5消耗在加热设备各个部件上的热量（KJ）；Q6设备向四周散失的热量（KJ）。第二章文献综述21聚丙烯工业概述聚丙烯PP是热塑性合成树脂中的后起之秀，相继1954年意大利蒙挨公司MENTEDISON的纳塔GNATTA公布了齐格勒纳塔ZIEGLERNATTA催化剂成功生产出高等规度的聚丙烯树脂后，于1957年9月在意大利建成间歇式6000T/A聚丙烯装置，自此聚丙烯的研究实现了工业化，直至现今世界聚丙烯工业已经走过了近六十年的成长道路，在这历程里，世界聚丙烯工业无论是在工艺技术、催化剂方面，还是在社会消耗需求及装置能力等方面都取得了惊人的发展。同时，聚丙烯已成为通用热塑性塑料中历史最短、发展和增长最快的品种1。22国内外聚丙烯的供求现状221国外消费现状自美国化学品市场协会CMAI统计显示，2003年全球聚丙烯需求量达3540万吨。有学者调查指出2006年全球PP的总消费量为4192万T，比2005年增长约51，2007年全球聚丙烯的总消费量约为44351万T，比2006年增长约58，2001年2006年需求量的年均增长率约为55。其中亚洲、北美和西欧地区是最主要的消费及生产国家和地区，2007年这3个地区的消费量合计达到约36368万T，约占世界总消费量的820，同比增长约63，其中北美地区的消费量约占总消费量的211，西欧地区约占168，亚洲地区约占441。产品主要用于生产注塑制品、纤维以及薄膜等，其中薄膜对聚丙烯的需求量约占世界总消费量的173，纤维约占319，吹塑制品约占17，注塑制品约占384，挤出制品约占75，其他方面约占3223。受全球经济衰退影响，2008年全球PP消费量为44867万T，同比2007年增幅仅为076；而2009年全球PP消费开始出现回暖趋势，PP消费达到了46269T，同比2008年增幅为312。美国汤森公司TOWNSENDSOLUT预计，在今后5年内，全球PP消费将以年均37速率增长4。222国外生产现状2000年全球聚丙烯的产量达到了2820万吨，超过了聚氯乙烯的2600万吨跃居第二。2007年，全球PP的总生产能力达到约46982万T，同比增长约11，其中亚洲地区的生产能力为18909万T/A，约占全球PP总生产能力的4025，成为主要的产销地。2009年，全球PP产能达到了5600万T/A。然而，受到技术人才缺乏及原料乙烷和丙烷短缺的影响，普遍开工不顺利，全球PP生产商的数量在逐渐减少，生产装置越来越集中在少数几家大的跨国公司手中，世界前10家PP生产企业的生产能力达到30558万T/A，约占世界总生产能力的5270（见表1）5。其中巴塞尔公司是目前全球最大的PP生产商，2009年生产能力达到7104万T/A，约占全球PP总生产能力的1225；其次是中国石油化工集团公司,生产能力为4023万T/A，约占总生产能力的694。预计今后几年，全球PP的生产能力将以年均约73的速度增长，到2011年总生产能力将达到约60978万T。近几年，世界PP市场的重心正在东移。中东新增加的丙烯和PP将改变全球的供需平衡。表格1全球十大PP生产商及其产能2007年2008年2009年公司产能/KTA1占全球比例，产能/KTA1占全球比例，产能/KTA1占全球比例，莱昂德尔巴塞尔公司76016176669128771041225中国石油化工集团公司33471035406834023694道达尔石化公司18539425304882580445英力士石油化学公司25554322954432330402萨比克公司17136422054252880497埃克森美孚化学公司18739821254102125366信任工业21054062780479中国石油天然气集团公司16034120683992689464台塑集团公司16835719833832102363北欧石油化工公司16535218803631945335合计23855076274005287305585270223国内消费现状近年来，我国聚丙烯市场的需求量增长很快。2003年我国聚丙烯的表观消费量超过美国，成为世界上最大的聚丙烯消费国家。我国PP产品广泛应用于包装、电子与家用电器、汽车、纤维、建筑管材等领域。但部分性能好、有较高附加值的产品国内仍无法满足需求,同时汽车产业需要的改性料在国内也无法生产,需要大量进口。中投顾问指出2009年前7月我国聚丙烯PP进口量比上年同期增长60。未来几年，PP需求年均增长6，我国仍是主要的PP进口国。我国最大的PP市场是主要应用于化肥、水泥和谷物包装的无纺布，2007年占国内消费量近50。预计到2012年，受水泥、化肥、盐、蔬菜和糖所需的无纺PP袋需求驱动，中国无纺PP袋的生产年增长率为52。其次，预计到2012年中国生产汽车超1250万辆，每年需要PP385万吨；至2012年中国生产约4550台洗衣机，每年需要PP301万吨；至2012年，中国线缆工业的PP消费年增长率超过6，但国内产品不能满足其苛刻的规格性能要求，线缆工业用PP仍需进口。2009年以来，中国宏观经济逐渐回暖，家用电器、电子、包装及建材家具等下游行业的繁荣有力推进我国聚丙烯市场的快速增长。224国内生产现状我国聚丙烯的工业生产始于20世纪70年代，经过30多年的发展，目前已经基本上形成了溶剂法、液相本体气相法、气相法以及我国自主研发的间歇式液相本体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。近几年，旺盛的市场需求催生聚丙烯产业快速发展，生产能力不断增长。截至2008年底，我国聚丙烯（PP）的生产厂家有90多家，生产装置有近120套，总生产能力达到7650万吨/年，成为仅次于美国的世界第二大PP生产国。随着生产能力的不断增加，产量也不断增加。国家发改委产业协调司消息显示，2010年，聚丙烯产量达到917万吨，同比增长135，而且聚丙烯价格上升了约15，产品销售率接近100，产销基本平衡，行业盈利水平提高。尽管国内聚丙烯的生产能力随着需求不断扩大，并且石化产品和塑料生产方面正在提高自给率，但部分产品仍需要大量进口。我国聚丙烯近几年的供需情况见表2。表格2近几年我国PP的供需情况年份2005年2006年2007年2008年2009年产量/万T52305842712774248205净进口量/万T30232945307027894163出口量/万T2326314245表观消费量/万T82318761101611012710500自给率/635667701733781未来我国PP自给率再现偏低局面，由于我国PP产业的技术水平与国际水平存在一定差距，主要体现在生产规模小，布局分散，集约化程度低，产品档次和附加值低等方面。建议在“十二五”期间，应重点加快催化剂、生产工艺、设备等技术开发；调整产业结构；淘汰或更新落后产能，提高行业整体规模等23。23聚丙烯的分类聚丙烯树脂可按不同方法进行分类按聚丙烯分子中甲基CH3的空间排列位置分为等规聚丙烯ISOTAETICPOLYPROPYLENE,IPP、无规聚丙烯ATACTICPOLYPROPYLENE,APP和间规聚丙烯SYNDIOTATICPOLYPROPYLENE,SPP三类。一般生产的聚丙烯树脂中，等规结构的含量称等规度约为95，其余为无规或间规聚丙烯。按加工类别及用途可将聚丙烯树脂分为注塑类、挤出类、窄带类、纤维类、挤出薄膜类6，各种类别的聚丙烯树脂有不同的技术要求，详见GBT126702008聚丙烯PP树脂。按参与聚合的单体种类分为均聚聚丙烯PPH和共聚聚丙烯，后者又可分为嵌段共聚聚丙烯PPB和无规共聚聚丙烯PPR。按其改性方法大致可分化学改性和物理改性两类。化学改性包括共聚改性、交联改性和接枝改性；物理改性具体包括填充改性、填料的表面改性和增强改性等。按聚合工艺，可分为淤浆法、本体法、溶液法和气相法，或根据产品开发的需要，通过反应器串联采用组合工艺，将本体法与气相法有机结合起来应用。24聚丙烯生产工艺的研究进展聚丙烯的生产工艺主要有溶液法、淤浆法、液相本体法、气相法和本体气相法组合工艺5大类。近年来，气相和本体工艺的比例逐年增加，世界各地在建和新建的PP生产装置将基本上采用气相工艺和本体工艺7。241溶液法工艺简介溶液法是最老的聚丙烯工艺之一。该法聚合温度在聚合物熔点以上，高达140150，压力为78MPA，采用有机锂铅化合物催化剂，使丙烯在高沸点的直链烃中聚合，副产出大量的无定形聚合物。此法需用高压容器，回收聚丙烯和脱除无规物流程复杂，设备投资大，成本高，故该技术早已过时，只有美国EASTMAN公司由于对无定形聚丙烯的内部需要而采用该技术。242淤浆法工艺简介淤浆法又称溶剂法或悬浮聚合法，是最早的聚丙烯生产工艺。从1957年第一套工业化装置一直到80年代中后期，淤浆法工艺在长达近30年的时间里一直是最主要的聚丙烯生产工艺。其工艺成熟,产品性能优越，在目前多个老PP浆液法装置仍生产一些高质量的聚丙烯产品。该法采用三氯化钛和烷基铝为主要成分的催化剂体系,以对催化剂呈惰性的C5C7烃类为溶剂，在温度为5080、压力为1MPA左右的工艺条件下进行丙烯聚合。应用该法的有意大利的蒙特埃迪生公司、日本三井公司、美国阿莫柯公司、赫格里斯公司以及西德的赫希斯特公司的技术。243本体法工艺简介本体法聚合工艺以液态丙烯作为聚合介质，液相本体聚合反应速率远高于溶剂聚合反应速率。在本工艺中，液态丙烯同时作聚合单体和稀释剂，减少了溶剂回收工序，聚合压力一般为2535MPA，温度5080，催化剂活性较高,流程短，易于操作。这类最早于1964年美国DART公司实现工业化，采用串联三台立式搅拌釜反应器，利用丙烯蒸发冷凝撤出反应热。采用环管反应器的本体法工艺由菲利浦斯石油公司PHILLIPSPETROLEUM开发成功并实现工业化生产。本体法工艺技术在70年代发展较快，70年代后期至二十世纪末改造、新建工厂大多基于此法。244气相法工艺简介气相法工艺中丙烯在气相聚合，采用搅拌床或流化床反应器，用部分丙烯液体汽化和冷却循环气撤出反应热。1969年，德国BASF公司首先开发出采用立式搅拌床气体聚合反应器的NOVOLEN工艺，实现了气相法聚丙烯生产工业化，由于高效催化剂的开发，气相法工艺自70年代后期以来发展速度很快，被认为是最有潜力的工艺，该工艺的快速增加正挑战居世界第一位的SPHERIPOL工艺（本体气相法组合工艺）。据NTH公司称，1997年以来，世界范围内许可的PP新增产能的55都是采用NOVOLEN气相工艺，今后气相工艺还将有逐步增加的趋势8。目前，世界上气相法PP生产工艺主要有BP公司的INNOVENE工艺、联碳公司的UNIPOL工艺、BASF公司的NOVOLEN工艺、住友化学公司的SUMITOMO工艺以及BASELL公司开发的SPHERIZONE工艺等。气相法工艺特点气相法生产工艺与淤浆法和本体法工艺相比，具有以下一些特点可在宽范围内调节产品品种。聚合反应没有液相存在，易于控制丙烯产物的分子量和共聚单体含量，这样就易于生产分子量分布和共聚单体含量范围比其他工艺宽的产品；因为只要改变反应器内的气体组成，就可以改变产物的组成，所以可以缩短产品牌号切换的过渡时间，且减少过渡产品。适宜抗冲聚丙烯的生产。在浆液法工艺中，溶剂会溶解在反应过程中生成的无规物，因而使反应器内物料黏度增加，以致影响搅拌、混合，特别是生产高抗冲共聚物时，橡胶相会部分溶解在溶剂中。因而气相法是最适宜生产抗冲聚丙烯的生产工艺。安全性好，开停车方便。在气相聚丙烯中，包括丙烯在内的所有可燃性物质在反应器中都处于气相，每单位反应器容积中的物料数量远小于非气相法工艺。所以当出现突然事故（如供电事故）时，只需安全排出反应体系中的气体使反应器泄压，反应就可在短时间内停止，不会引起任何异常反应。只要恢复催化剂进料，升压反应系统就可以方便地恢复生产。反应器是气固想出料，没有液相单体需要气化，蒸汽消耗量少，反应器出口可直接得到干燥的产品，而不需干燥工序。气相法工艺流程较短，设备台数少，固定投资费用低。但气相聚合工艺中也有其他工艺中没有的技术困难和问题。如流化床反应器中气体的分布、床层的均匀流化、控制露点是气体在反应器中不致液化，聚合热的移出及反应温度的控制、如何防止聚合物结块、适宜气相聚合的催化剂的开发等，不同的气相法工艺都有各自的专利或专有技术。245本体气相法组合工艺简介本体气相法组合工艺是80年代初，随着第三、四代载体HYHS高活性/高立体选择性TI系聚丙烯催化剂（日本三井油化商品名TK，海蒙特公司的为FT4S/GF2A）的研制成功后，海蒙特公司开发出采用环管反应器生产均聚物具有划时代意义的本体法新工艺SPHERIPOL工艺，三井油化公司开发出采用釜式反应器的本体法工艺HYPOL工艺。这两种工艺都通过采用串联气相反应器生产抗冲共聚物，结合了本体法和气相法的优点，产品牌号多。继后BOREALIS公司北欧化工于1998年开发出新型的BORSTAR工艺北星双峰PP工艺，该工艺源于北星双峰聚乙烯工艺，工艺采用与北星双峰聚乙烯工艺相同的环管和气相反应器，该工艺的环管反应器可在高温或超临界条件下操作，是世界上唯一能在超临界条件下操作的工艺。HYPOL工艺将本体法丙烯聚合工艺的优点同气相法聚合工艺的优点融为一体，是一种不脱灰、不脱无规物的多级聚合工艺技术，能生产多种牌号聚丙烯产品（其熔体流动指数范围为01600）。在聚合釜中进行均聚或无规共聚时，反应釜中的聚合温度为6575，压力为34MPA；生产嵌段共聚时，浆液进入流化床反应器进行气相聚合，聚合温度为80，压力为1720MPA。该工艺具有催化预处理和进料设备简单，可靠性高；多级反应系统可降低催化剂的短路现象；大量丙烯依靠第三气相反应器的反应热进行气化，这种聚合/蒸发系统无故障且便于使用；聚合物具有很高的立体规整度和刚性。SPHERIPOL是目前全球最广泛应用的聚丙烯工艺技术。它采用高效，高选择性催化剂，在聚合反应过程中直接得到15MM的性能接近造粒料的球形聚丙烯颗粒由于高效催化剂和SPHERIPOL工艺的结合基本上实现了聚丙烯“三高、四无”，即催化剂高效、高选择性、产品高等规度；无脱灰、无脱无规、无溶剂、无造粒。从而使SPHERIPOL工艺在世界上具有很强的竞争力。自1982年首次工业化以来，其公司几经更并，由原HIMONT、继MONTELL公司至今BASELL公司均不断进行技术更新及推广，目前，世界上采用SPHERIPOL工艺生产的聚丙烯装置有近百套，总生产能力约为1460万吨/年，约占世界聚丙烯总生产能力的368。其中北美地区的生产能力为403万吨/年，亚洲地区合计为419万吨/年，西欧地区的生产能力为4105万吨/年9。该技术该工艺操作参数与HYPOL工艺基本相同，主要区别在于HYPOL工艺中均聚物不能从气相反应器旁路排出，部分从高压脱气罐来的闪蒸气返回气相反应器。25生产工艺的选择前面介绍了几类聚丙烯的工艺技术，至今仍具有竞争力和生命力的工艺技术主要是气相法、本体法和本体气相法组合工艺，包括SPHERIPOL工艺、UNIPOL工艺、NOVOLEN工艺、INNOVOLEN工艺、BOREALIS工艺以及SPHERIZONE工艺（简单工艺技术比较见下表）。所有这些工艺都采用气相法生产抗冲共聚物，差别在于均聚物的生产工艺，本体法工艺主要采用环管反应器，采用釜式液相反应器的工艺（HYPOL工艺）已不能适应装置大型化的要求。本体法工艺都有催化剂的预聚合过程，而气相法工艺一般直接将催化剂加入聚合反应器，流程较简单，设备台数相对较少。对于大规模生产装置，各种工艺技术的水平趋于渐进，有数据显示，投资单条装置规模为20万T/A的聚合生产线及造粒生产线，SPHERIPOL工艺在上述工艺中的总现金成本最低，较前四种主要工艺技术界区内投资最大相差66，而生产成本仅相差15，这也表明主流聚丙烯工艺技术的经济性非常接近，无论再投资、消耗定额和主要产品的性能等方面的区别并不显著。而BORSTAR工艺由于在超临界条件聚合，流程较复杂，界区内投资和生产成本较高；SPHERIZONE工艺与SPHERIPOL工艺相比，投资与运行成本相近，但专利技术转让费较高，后利润高7,10。对于工艺技术的选择，要根据设计规模，综合考虑工艺技术的先进性、经济性、产品质量和将来生产的灵活性以及专利商的技术开发实力等因素。表格3简要工艺技术比较表项目SPHERIPOL工艺BORSTAR工艺UNIPOL工艺NOVOLEN工艺INNOVENE工艺专利商/公司BASELLBOREALISUNIVATIONABB/EQUISTARBP催化剂MC系列催化剂BC催化剂SHACPIX催化剂CD催化剂预聚合小环管反应器小环管反应器无无无均聚反应器双环管反应器1个环管反应器1个气相流化床反应器1个气相流化床反应器1个立式搅拌床反应器1个卧式搅拌床反应器共聚反应器流化床反应器（1个或2个）流化床反应器（1个或2个）1个气相流化床反应器1个立式搅拌床反应器1个卧式搅拌床反应器产品类型HP,RCP,ICP,三元共聚物HP,RCP,ICPICP,丙烯丁烯共聚物HP,RCP,ICPHP,RCP,ICPMFR范围宽宽较窄较窄较窄PI范围宽宽较窄较窄较窄HP均聚物；RCP无规共聚物；ICP抗冲共聚物。第三章SPHERIPOL工艺31工艺特性介绍SPHERIPOL工艺是当今最先进可靠的聚丙烯工艺之一，采用一组或两组串联的环管反应器生产聚丙烯均聚物和无规共聚物，再串联一个或两个气相法密相流化床反应器生产抗冲共聚物。与其他技术不同的是，其催化剂生产的粉料呈圆球形，颗粒大而均匀，一些工业化装置产品已实现不经造粒直接出厂，尤其是对于高MFR不能挤压造粒的产品。311液相环管反应器SPHERIPOL工艺采用的液相环管反应器具有以下特点，因而特别适合生产均聚物和无规共聚物11。反应器内聚合物浆液浓度高50（质量分数），反应器的单程转化率高，均聚的丙烯单程转化率为5065。具有很高的时空产率（可达400KSPP/HM3），因而反应器的容积较小，投资小；停留时间短，产品牌号切换快，过渡料少，损耗低；反应体系传热性能好，其一，以丙烯液体作聚合物悬浮颗粒的稀释剂及传热介质，使聚合物与丙烯之间有很好的热传递。其二，采用冷却夹套从管壁撤出反应热，单位体积的传热面积大，传热系数大，据称环管反应器的总体传热系数高达1600W/M2；反应器结构简单，材质要求低，可用低温碳钢，设计制造简单。由于管径小（DN500或DN600），即使压力较高，管壁也较薄；带夹套的反应器直腿部分可作为反应器框架的支柱，这种结构设计降低了投资；环管反应器内的浆液用轴流泵高速循环，流体流速大于7M/S，因此可使聚合物淤浆搅拌均匀，催化剂体系分布均匀，聚合反应条件容易控制而且可以控制得很精确，产品质量均一，而且不容易产生热点，不容易粘壁，轴流泵的能耗也较低。为了利用双峰来拓宽分子量分布，也由于装置建设大规模的需要，SPHERIPOL工艺一般采用两个串联的环管反应器。虽然这种设计投资较高，但在产率和催化剂的收率相同时，两个反应器的总容积要小于单个反应器的容积。312气相密相流化床SPHERIPOL工艺的抗冲共聚反应采用气相法生产，反应器是一个或两个串联的密相流化床反应器。多相（抗冲）共聚物采用气相法生产是各个工艺技术普遍的选择多相共聚反应是在均聚反应后进行，聚合物颗粒来自均聚反应器，在多相共聚反应器中不再有催化剂组分的分布问题。在多相共聚反应时要加入乙烯，而乙烯的反应速率很快，动力学常数大，因此反应所需的停留时间短，而反应的压力可以低。气相反应系统不存在液相单体或溶剂，而使聚合物具有抗冲击性能的无定形橡胶相EPR是高度可溶于液相烃类单体的。这样，唯一经济可行的方法是将均聚物和橡胶相的生产分成两步进行，将橡胶相添加到均聚物母体上，流化床反应器是生产橡胶相最经济可靠的方法，气相反应中生产的橡胶相不会被溶解出来。这不但对保证共聚物的质量有利，而且所生成的共聚物的表面不易发粘。这对减轻共聚物挂壁或结块堵塞都有好处。以上三个原因，为多相共聚采用气相工艺创造了非常有利的条件，而且采用气相反应器生产橡胶相还有以下一些优点颗粒的流动性好，不发粘；可设计较高的流化速率使气体和颗粒之间的传热系数较高，可采用循环气体冷却撤热；流化床内温度和气体组成分布均匀；当颗粒粒度分布PSD窄时可以有很好的流化和分离；选择合适的操作条件可以使催化剂的活性得到较好的保持。至于SPHERIPOL工艺的多相共聚反应器为什么采用气相法密相流化床，这是基于其催化剂的粒径大而且圆，因此所生成的聚合物颗粒大（粒径2MM左右），且粒径分布窄，颗粒呈球形，流动性好，堆积密度高（450KS/M3），不像细粉那样容易被气流吹走。这样就为采用密相流化床反应器创造了极有利的条件，从而可以缩小反应器的体积，不需要在稀相流化床反应器上留有很大的气固分离空间，因而不但降低造价，节省能耗，同时也减少了挂壁的机会。这种形式的反应器时空产率可达80KGEPR/HM3（总反应器容积），容积利用率接近50，因而反应器容积远小于其他类型的流化床反应器。采用一个气相反应器系统可以生产乙烯含量在812（质量分数）的抗冲共聚物。如需生产橡胶相含量更高且可能具有一个以上分散相的特殊抗冲共聚物（如低应力发白产品），则需要设计两个气相反应器系统，保持两个气相反应器系统中的气相组成和操作条件独立，可以获得两种不同的共聚物添加到均聚物中。313辅助工程系统采用汽蒸和干燥两步法处理聚合物，先向聚合物吹入蒸汽，将夹带的微量单体吹脱出来，并分解残余催化剂，聚合物随后用闭路循环的热氮气进行干燥。这种两步法与向脱气仓中通入氮气和蒸汽混合气的一步处理方法相比虽然增加了一些设备，但可以很容易将蒸汽尾气中的蒸汽冷凝而分离出纯烃类单体，能够完全回收利用尾气中的烃类，降低单体的消耗。闭路氮气干燥系统还降低了装置的氮气消耗量。如要将脱气仓排放的低压尾气中的烃类分离回收，需要采用复杂的膜分离技术，且不能完全分离，而送火炬烧掉则增加单体的消耗。314SPHERIPOL工艺的综合优势SPHERIPOL工艺有严格完善的安全系统设计，使装置有很高的操作稳定性和安全性。新一代SPHERIPOL工艺采用纯的添加剂加入系统，使产品质量更加均一稳定，而且方便产品切换。SPHERIPOL工艺技术能提供全方位的产品，包括均聚物、无规共聚物、抗冲共聚物、三元共聚物（乙烯丙烯丁烯共聚物）。其均聚物产品的MFR范围为012000G/10MIN，工业化产品的MFR达到1860G/10MIN（特殊的不造粒产品），高刚性产品的弯曲模量达到2300MPA，使SPHERIPOL工艺具有极强的竞争力。SPHERIPOL工艺拥有先进的催化剂技术。BASELL公司有多种催化剂体系可用于SPHERIPOL工艺生产不同类型的产品，如MCGF2A催化剂用于生产均聚物，MCMI用于生产大球形的抗冲共聚物及均聚物和无规共聚物等。SPHERIPOL工艺采用模块化设计方式可以满足不同用户的要求，易于分步建设（如先上均聚物生产系统，再适时增加气相反应系统），装置的生产能力也容易扩大1213。32工艺过程SPHERIPOL工艺过程分多个工序，包括原料精制及催化剂制备系统、预聚合及液相本体反应系统、气相共聚反应系统、聚合物闪蒸脱气及单体回收、聚合物汽蒸干燥、挤压造粒等工序14。一般地，能力小于100KT/A的装置可以设计成单环管反应器系统。随着新一代SPHERIPOL工艺开发，设计成两个环管反应器，以利用双峰来拓宽分子量分布。图1为两个环管反应器加两个抗冲共聚反应器工艺流程示意图。图表1SPHERIPOL工艺流程图321原料精制及催化剂制备系统丙烯中主要含有水、硫、氧、一氧化碳、二氧化碳、乙炔、砷化物等杂质，会降低催化剂活性，不但影响聚合反应的正常进行，而且还对聚丙烯的质量产生很大的影响。所以设计原料精制系统以除去这些杂质，一般流程为水解、脱硫、脱氧、脱砷。桶装的固体催化剂在装置内要用烃油和脂配制成混合均匀的催化剂膏，然后用液压催化剂注入器加入预聚合反应器系统。助催化剂和给电子体分别用计量泵加入预聚合反应器，3种催化剂颗粒内部具有相同的催化活性，然后用低温丙烯将催化剂混合物带入预聚合反应器。322预聚合和液相反应系统预聚合反应器是一个小的环管反应器，配制好的催化剂络合物与丙烯液体混合进入预聚合环管反应器，在聚合温度20、压力33MPA下，停留约4MIN，催化剂被生成的少量聚丙烯包裹，以提高催化剂颗粒的机械强度，避免在主反应阶段因高强度聚合反应而使催化剂颗粒破碎。在预聚合过程中催化活性有所提高，达50150GPP/GCAT。预聚合后的催化剂淤浆、丙烯单体和调节分子量的氢气依次进入两组环管反应器，丙烯在此进行液相均聚和无规共聚反应。在聚合温度约70，压力约3334MPA条件下，一部分丙烯进行了聚合，余下的丙烯仍为液态而作为固体聚合物的稀释剂。第一环管反应器催化剂停留时间约115H，第二环管反应器约为085H，合约2H。催化剂活性达2030KGPP/GCAT，浆液浓度约为50，其密度为560G/L。反应的压力，温度和淤浆浓度都是自动监测和自动控制的。每组反应器有4或6（取决于装置的生产能力）根管组成2或3个环，反应器底部配有一台轴流循环泵以保证浆液高速循环，反应热靠夹套冷却水撤除。323闪蒸脱气从第二环管反应器底部连续排出浆液进入闪蒸加热管线，用蒸汽加热以保证随浆液排出的液相单体全部气化，然后将气态和固态的物料送到旋风分离器式闪蒸罐，在约18MPA压力下将未反应的丙烯闪蒸出去而与聚合物分离。气相单体进入丙烯洗涤塔回收循环使用，固相聚合物粉料进入低压闪蒸塔进行闪蒸或去共聚气相流化床反应器。324气相共聚反应系统生产多相共聚物时，来自脱气塔的聚合物粉末需进入一个或两个气相流化床反应器中进行共聚，同时加入新鲜气相丙烯、乙烯、氢气，以聚合单体为流化介质，反应器内气体流速高达07M/S，反应温度7580，压力1014MPA。反应热用大量循环气导出。共聚物粉料进入低压闪蒸塔，进一步脱除残余丙烯。325干燥挤压造粒系统汽蒸后的粉料进入干燥器，在此停留约510MIN，用闭路循环的热氮气吹除粉料表面的水分。干燥后的粉料通过氮气气流输送系统风送至粉料料仓。粉料料仓的纯聚合物粉料经计量后连续送入挤压机，在此与添加剂混合、熔融、塑化，再经水下切粒，并经干燥、筛分后，送到掺混料仓。第四章总体方案及工艺理论41生产规模及产品要求411生产规模根据国内聚丙烯市场的供需情况，考虑省内现有的丙烯原料情况，本项目拟先建设规模为均聚聚丙烯180000吨/年的聚丙烯项目，气相共聚工程有待后期扩能扩产。412产品牌号及指标本项目选定的部分有代表性的产品的质量指标详见表。表格4均聚树脂产品牌号及性能产品牌号单位测试方法Q30PS28FT50GZ30S熔融指数DG/10MINASTMD12380718325表观比重G/CM3ASTMD150509090909挠曲弹性模量N/MM2ASTMD7901450145015001700抗拉屈服强度N/MM2ASTMD63835363637拉伸屈服伸长率ASTMD638131212101ZOD冲击强度23J/MASTMD25690604530洛氏硬度RSCALEASTMD78590909097维卡软化点，10NASTMD1525152152153155热变形温度，046N/MM2ASTMD64892949597空气加速老化150电炉OREASTMD3012360360150036042反应机理PP是丙烯由ZIEGLERNATTA催化剂作用在较低温度和压力下聚合而得到的一种聚合物，可以是丙烯单体均聚物或者与乙烯及其他烯烃的共聚物。其聚合机理是按配位阴离子聚合机理进行，多年来不同的研究者提出了许多机理和对应的模型，其中较有代表性的是NATTA的双金属模型和COSSEEARLMAN的单金属模型，但由于聚合反应十分复杂，至今仍没有完全研究清楚，也没有形成统一的认识，故具体的机理模型在此不作解释15。丙烯聚合的催化剂主要有三氯化钛（TICL3）和烷基铝（ET3AL）组成，在TICL3ALET3催化剂存在下发生聚合反应，与离子聚合类似，同样经历链引发、链增长、链终止、和链转移几个聚合阶段。链引发链增长链转移向单体转移222222CATHCHRCHCRATCHNN333333向烷基铝转移223222ALTRLRNN3C33C322RALHHRLCHN3向氢转移22232CTCATCHRNN3H33AATCH3链终止自动链终止2222CATHCHRCATHCRNN3333杂质链终止（包括水、醇、酸、胺等配位聚合终止剂）22232HOCATHCRCATOHCHRNN33343熔融指数（MI）对产品质量的控制熔融指数亦称熔体流动速率，是指热塑性树脂在熔体流动速率测定议上，在一定温度和压力下，熔体每10MIN通过标准毛细管的重量值，以G/10MIN为单位表示。熔融指数是衡量热塑性树脂在熔融的状态下流动性能好坏的指标，其值大体上反映着树脂的分子量的大小。当树脂的分子量越小时，MI值越大，一般认为热塑性树脂的熔融流动性能越好；反之亦然。所以，熔融指数是每批聚丙烯产品生产过程中必测的项目指数，也是聚丙烯加工工艺的重要参考指标。因此，控制聚丙烯产品质量就要从控制产品的熔融指数着手。由于熔融指数从根本上取决于分子量，即需要通过控制分子链的长度。从反应机理可知，在聚合反应中活性链可向单体、烷基铝、氢、熔解基铝转移，其中氢气的量可在过程中调节，故在聚丙烯生产中，采用调节聚合反应期间加入氢气的浓度的方法来控制熔融指数，此操作称“氢调”。随着H2/C3的比例增大，聚丙烯分子量相应变小，熔融指数相应增大。第五章设计计算511丙烯的物化性质外观与性状无色、有烃类气味的气体。分子式相对密度1937G/L20；0609547沸点470熔点1852黏度液044CP110；气834P160汽化潜热1040CAL/G熔化潜热167CAL/G闪点108自燃点497爆炸范围（在空气中）2001110（体积分数）512原料规格16表格5丙烯原料规格分析项目规格丙烯,摩尔分数995丙烯乙烯丙烷,摩尔分数05乙烯,ML/M3100丁烯丁烷,ML/M310乙烷,ML/M35丙烷,ML/M35丙二烯,ML/M351,3丁二烯,ML/M35甲醇,ML/M35O2,ML/M32CO,ML/M30102CO2,ML/M34总硫,G/G1水,ML/M35羰基硫,G/G003005表格6乙烯原料规格分析项目规格乙烯，（摩尔分数）9985乙烷，（摩尔分数）005H2,ML/M35O2,ML/M31水,ML/M35总硫,G/G1丙烷丁烷,ML/M310甲醇,ML/M31CO,ML/M30105CO2,ML/M33乙炔，ML/M35总羰基化合物，ML/M31氮化物,G/G1表格7氢气原料规格分析项目规格H2，摩尔分数）95总羰基化合物，（摩尔分数）01甲烷平衡CO,ML/M35CO2,ML/M35水,ML/M35硫化氢,G/G1O2,ML/M31压力5MPA表压温度环境温度H2进料条件状态气态52物料衡算521计算基准以年产18万吨均聚聚丙烯。按开工因子约为09，全年330天、24小时连续开工计算，单位衡算量以生产均聚聚丙烯227273KG/H。522工艺衡算干燥造粒工序产物损耗002227273KG/H/10022272275KG/H经过汽蒸工序产物带出水32272775KG/H36818325KG/H闪蒸脱气工序过程产物增量0022272275KG/H/1002227273KG/H闪蒸工序产物带出丙烯2227273KG/H24545KG/H预聚合物约075227273KG/H07517045KG/H主反应器生产均聚聚丙烯227273KG/H17045KG/H2255685KG/H假设两环管反应器的聚合反应速率相等时，生产能力之比（环管环管）最高可达618双环管反应器生产能力影响因素分析及措施2005CAJ，考虑实际情况，本衡算设定两环管生产能力之比（环管环管）约为58；环管中生成的均聚聚丙烯2255685KG/H058/158828036KG/H环管中生成的均聚聚丙烯2255685KG/H828036KG/H1427649KG/H丙烯的单程转化率为5565，本衡算设定55，预聚合反应器的浆液浓度为19，主反应器浆液浓度55（质量分数）丙烯循环量227273KG/H155/551859506KG/H由主反应器浆液浓度MPP/MPPMC355（忽略氢气和杂质的影响）得输出环管的浆液中含丙烯单体的量227273KG/H155/551859506KG/H输出环管的浆液中含丙烯单体的量1444694KG/H155/551182022KG/H输出预聚合反应器的浆液中含丙烯单体的量17045KG/H119/19880060KG/H523均聚物物料衡算图已知各反应环节中氢气消耗量与丙烯的添加量成一定的正比关系，由质量守恒得均聚物聚合工段物料衡算图催化剂1398氢气0135丙烯89569氢气0266丙烯172962氢气0230丙烯153649丙烯880060聚丙烯17045杂质1丙烯1182022聚丙烯1444694杂质1丙烯1859506聚丙烯227273杂质1预聚合环管环管单位KG/H图表2物料衡算图524原料消耗定额原料消耗定额以生产1T聚丙烯粉料计，见下表表格8原料消耗定额原料消耗质量比消耗量KG/H催化剂/KG0030061398氢气/M30520631丙烯单体/T1010231363953能量衡算531总体思路综合考虑产品的生产阶段，按照能量衡算的整体思路与方法，把整个聚丙烯生产项目分为多个独立衡算的子系统。衡算过程利用能量守恒的原理，先对子系统进行运算，最后得出动力消耗一览表。532计算基准以每小时能量转化计算，对于反应过程，均采用绝压25为计算基准。衡算过程中，以主要反应物及其反应能量衡算为主，在不影响产品生产指标的前提下作出了一些合理的假设，数据来源自化工工艺设计手册第三版。能量守恒Q进Q出由于本工艺为连续稳定操作过程，可忽略设备加热所需热量Q5的计算；533预聚合工序的能量衡算进出物料的显热变化可用比热容进行计算，预聚合产物较少，只算进料显热，已知反应物比热容CP丙烯2853KJ/KG，则Q1预MCP丙烯T2T189569KG2853KJ/KG20251277702KJ预聚合工序温度控制在20左右，为保证温度恒定，冷却水的温度变化范围为10，查表得CP水42KJ/KG，设所需冷却水的质量为M水预，按10的损失计算，则Q2预M水预CP水T110反应生成热Q3预网络数据显示聚丙烯的反应生成热为490KCAL/KGPP，为验证其正误，通过验证化学键能差求证。参考数据CC键能为8287KCAL/MOL，CC为1462KCAL/MOL由反应式22NCHCHCATT,PN33HEMSR可知，每摩尔丙烯生成聚丙烯需断裂一摩尔碳碳双键，生成两摩尔碳碳单键，即HFM1462KCAL/MOL8287KCAL/MOL21954KCAL/MOLHFPPHFMMPP1954KCAL/MOL2381MOL/KGPP46525KCAL/KGPP计算丙烯的聚合反应热除了计算键能差还要计算构型和晶体排布的热量，故HFPP490KCAL/KGPP合理。由1CAL4184J得HFPP490KCAL/KGPP205016KJ/KGPP预聚合工序丙烯聚合热Q3预MHFPP205016KJ/KG17045KG3494498KJ预聚合过程聚合温度与外界温度接近，故设备向四周散失的热量Q6忽略不计，则Q2预Q1预Q3预1277702KJ3494498KJ477220KJ预聚合工序所需冷却水的质量M水预Q1预Q3预/09CP水T477220KJ/0942KJ/KG10126249KG534环管聚合工序衡算显热变化，查文献得CP聚丙烯1801KJ/KG17，则Q1MCP聚丙烯T2T1CP丙烯MT2T1MT2T11801KJ/KG170KG70202853KJ/KG880060KG7020172962KG702534912867KJ环管温度控制在70左右，按10的损失计算，设所需冷却水的质量为M水，则Q209M水CP水T聚合反应热Q3MHFPP205016KJ/KG1427649KG292690887KJ设备向四周散失的热量Q6FTTWT103当TW150是，管壁隔热层外有公式T810045TWT，则设定隔热套外表温度为65时，T810045652563W/M2设直管长60M，夹套外径609M，忽略弯管散热情况Q6314609M60M463W/M265253600S10341635255KJ能量守恒得Q2Q1Q3Q6292690887KJ34912867KJ41635255KJ216142765KJ，所需补足10冷却水的质量M水Q2Q/09CP水T216142765KJ/0942KJ/KG105718063KG535环管聚合工序衡