化学工程毕业论文-年产8千吨的聚丙烯工段设计.doc

江苏大学本科毕业论文 I 8kt/a 聚丙烯工段设计聚丙烯工段设计 摘要：摘要：本设计是年产 8 千吨的聚丙烯工段设计，设计中按照生产负荷和设计规范，对聚丙烯 生产的工艺流程进行了合理的设计和适当的调整；对反应釜、闪蒸釜生产流程的主要设备， 进行了工艺尺寸的设计计算，特别对结构较复杂的反应釜器内的搅拌装置、指形撤热管以及 夹套也进行了工艺尺寸的计算；选择旋风分离器进行工艺尺寸的设计计算，并对冷水泵进行 了选型。考虑到设备加工制造、安装、安全等多方面的因素，并依据任务所给的量，采用三 个反应釜并联和两个闪蒸釜并联的工艺过程，并进行了相应的物料衡算和热量衡算。 关键词：关键词：聚丙烯；聚合；闪蒸去活；丙烯 江苏大学本科毕业论文 II 目目 录录 第一章第一章 液体本体法工艺技术说明液体本体法工艺技术说明1 1.1 工艺流程.1 1.1.1 原料精制原料精制1 1.1.2 丙烯聚合.1 1.1.3 闪蒸去活.1 1.1.4 造粒包装.2 1.2 工艺说明.2 1.3 原料精制.3 1.3.1 精制的目的与要求.3 1.3.2 丙烯干燥.3 1.3.3 吸附剂的活化再生.4 1.3.4 丙烯脱氧与脱硫.5 1.3.5 流程选择.5 1.3.6 氮气精制.6 1.4 丙烯聚合.7 1.4.1 生产方法和基本原理.7 1.4.2 聚合反应影响因素.8 第二章第二章 液相本体法聚丙烯装置设计计算液相本体法聚丙烯装置设计计算.14 2.1 聚合釜的工艺设计计算.14 2.1.1 聚合釜容积的确定.14 2.1.2 聚合釜外形尺寸的设计.15 2.1.3 其他外形尺寸的确定17 2.2 内构件及搅拌轴封的设计.18 2.3 聚合釜的传热设计.22 2.3.1 反应放热计算.22 2.3.2 搅拌摩擦热 Qa计算23 2.3.3 聚合高峰期总发热量 QT计算.23 2.3.4 撤热量 QT计算 23 2.3.5 传热系数K的求取.23 2.3.6 传热方式选择及传热面积计算.24 2.4 夹套及内冷却管的设计.25 2.4.1 夹套的设计.25 2.4.2 指形内冷却管设计.26 江苏大学本科毕业论文 III 第三章第三章 聚丙烯工艺物料恒算聚丙烯工艺物料恒算.29 3.1 丙烯投料量的计算.29 3.2 催化剂用量的计算.30 3.3 活化剂用量的计算.31 3.4 氢气用量的计算.31 3.5 转化率的计算.32 3.6 催化效率的计算.33 3.7 平均活性.33 3.8 聚合釜的生产强度.34 3.9 产品中理论含钛量的计算.34 第四章第四章 旋风分离器及冷水泵的设计旋风分离器及冷水泵的设计.36 4.1 旋风分离器设计依据.36 4.2 旋风除尘器几何尺寸的确定及其对旋风除尘器性能的影响.37 4.2.1 进口面积 Fj.37 4.2.2 筒体直径 D .37 4.2.3 筒体长度 h37 4.2.4 锥体尺寸.38 4.2.5 旋风除尘器的进口.38 4.2.6 排气管.39 4.3 冷水泵的设计.39 4.3.1 已知条件.39 4.3.2 选泵计算.39 4.3.3 最大允许安装高度的计算.40 致致 谢谢.41 参考文献参考文献.42 附附 录录.43 江苏大学本科毕业论文 1 第一章第一章 液体本体法工艺技术说明液体本体法工艺技术说明 1.1 工艺流程工艺流程 间歇式液相本体法工艺流程大体上可分为四个部分：原料精制、聚合反应、闪蒸去活、 造粒与包装。 1.1.1 原料精制原料精制 丙烯精制是将储槽中液态丙烯由丙烯泵送至氧化铝干燥塔初步脱水后，进固碱塔除去微 量的酸性物质，再经镍催化剂脱氧塔除去微量氧，最后经 4A 分子筛干燥塔进一步脱除水分 后，得到合格的精丙烯送至精丙烯计量罐，以备聚合釜投料用。 粗氮气精制时是将粗氮气经氧化铝干燥塔初步脱水后，再经镍催化剂脱氧塔脱除微量氧， 最后经分子筛干燥器进一步脱除水分而制得高纯度的精氮气，精氮气的用量较小，一般可不 必设置缓冲罐。 1.1.2 丙烯聚合丙烯聚合 利用精丙烯计量罐的蒸汽加热套管将计量罐升压后，丙烯分为三路，首先经活化剂料斗 向聚合釜中投入占总量约 50%的丙烯，然后将活化剂从活化剂计量罐压入活化剂料斗，用约 40%的丙烯冲入釜内，同时按规定要求加入促进剂，然后将催化剂迅速加入催化剂料斗，用 剩余丙烯（约 10%）冲入釜内，最后按要求数量投入氢气。釜内丙烯在催化剂与活化剂的作 用下，维持在 3.43.5MPa、7075反应 36 小时。接近“干锅”时，将未反应完的丙烯回 收，回收丙烯经旋风分离器气固分离，分离下来的粉末收集在粉料罐内定期回收。丙烯经回 收冷凝器冷凝为液体流入回收丙烯储槽，可回收利用，并入新鲜原料丙烯内。 聚丙烯的温度由夹套水温控制，热水槽内的水经热水泵输送至聚合釜夹套及内冷却管再 返回热水槽。水温由泵入口管上的蒸汽量来调节。补加的水经热水槽溢流进入循环回水系统。 1.1.3 闪蒸去活闪蒸去活 聚合釜内的聚丙烯粉料借泄压喷入闪蒸去活釜。夹带出来的气体（如丙烯，丙烷）经旋 江苏大学本科毕业论文 2 风分离器除去粉尘后排至气柜系统。置换闪蒸釜用的氮气及去活用的空气由高空排放。闪蒸 合格的聚丙烯粉料通空气去活，然后由下料口送造粒工序或直接包装以粉料出厂。 1.1.4 造粒包装造粒包装 闪蒸去活后的聚丙烯颗粒，直接通过计量称以每袋 25 公斤包装。 1.2 工艺说明工艺说明 为了维持生产连续性，原料精制系统线应为两条：一条使用，一条再生备用。再生时精 制塔内物料采取自身压力退料。当丙烯由 20升温到 40时，因膨胀而增加压力达 10MPa， 为此各塔间装有阀门时，均应设安全阀。其余各压力容器也均按规定装设安全阀。 丙烯计量采用计量罐和仪表相结合的办法，向聚合釜内加丙烯除利用位差外，还应适当 加热提高压力。 聚合时所用分子量调节剂氢气是一次加入釜内的，一般也用计量罐计量，即加氢前后计 量罐的压力降。因氢气比较接近理想气体，故在固定容积时，压力降的大小与所加氢气的摩 尔数成正比。由于压力表读数的主观误差较大，表的精度有限，为提高计量准确性，氢气计 量罐不宜太大。 一氯二乙基铝遇空气就自然，为防止其外溢，运输罐一般不装液面计，装料卸料一般靠 称重计量。 聚合反应釜配有润滑油系统。特别是采用填料密封的聚合釜，润滑油是防止轴封的泄露， 保证填料使用寿命的关键所在。当油中含水等有害物质时，因其沿轴封润滑油入釜而影响反 应，故润滑油系统采用封闭式供油和封闭式回油系统为宜。 聚合釜夹套冷却水必须合格，否则夹套内易结水垢，影响传热。一但结垢，只有采用酸 洗除垢。 采用每台聚合釜对一个闪蒸去活釜更有利于挖掘聚合釜的生产潜力。 从阀门的耐压等级来说：常温丙烯部分，如丙烯原料罐，丙烯泵，丙烯精制线至丙烯计 量罐处可采用 4MPa 的阀门或截止阀。对聚合釜的阀门，宜选用 46MPa 的阀门。注油器系 江苏大学本科毕业论文 3 统，氢气系统采用 16MPa 以上的阀门。蒸汽系统采用 1.62.5MPa 的阀门。 凡高温氮气通过的部位采用耐高温阀门。固体物料通过的阀门用球阀，如聚合釜底阀， 闪蒸釜进料阀及放料阀，催化剂加料阀。一些需要快开快关的阀门用球阀，如丙烯加料阀， 氢气加料阀。 为了消除死角便于吹扫清洗，与活化剂接触的阀门用球阀。 该装置除水管外，所有管线均用无缝钢管。氢气等压力较大的管线选用厚壁管。为减轻 腐蚀，聚丙烯粉料及活化剂输送管道选用不锈钢管。 1.3 原料精制原料精制 1.3.1 精制的目的与要求精制的目的与要求 纯度太低（1 时，等规度高，但活性下降。故从生产实践 综合考虑，Cl/Al 比一般在 1.051.1 之间。在保证得率和等规度的前提下尽量减少催化剂用 量，以降低产品氯含量和灰分。 3、原料丙烯中杂质的影响 （1）水的影响 铝/丙烯情况下，丙烯中水含量对聚合的影响情况也不相同，当 Al/Ti 比为 10 左右时， H2O20ppm 反应正常，水含量在 20ppm 以上时，反应受到明显影响。当 H2O20ppm 基本 不聚合，由于微量水只引起部分活性中心的失活而不改变活性中心的性质，甚至是抢先使低 定向能力的活性中心失活。 （2）氧对聚合的影响 氧对聚合反应的影响比水严重，特别是当氧含量在 20ppm 以上时，随着氧含量的增加， 产品等规度明显下降。 （3）硫的影响 硫是丙烯中极其有害的杂质，不管是有机硫还是无机硫对反应都是有害的。特别是 COS、CS2能使聚合反应链终止。采用络合 II 型 TiCl3时，硫含量在 5ppm 以下，反应正常； 江苏大学本科毕业论文 10 当硫含量大约在 7ppm 以上时，反应明显受影响。催化剂活性下降，单釜产量降低，粉料中 出现塑化块。硫含量超高越严重，甚至造成堵釜无法维持正常生产。 （4）不饱和烃类杂质的影响 烃类杂质中炔烃与烯烃如丙炔丙二烯能参与反应，影响催化剂的活性和定向能力，当有 害烃类杂质总量40ppm 时，丙烯的转化率和产品的等规度明显降低。 （5）其它含氧化合物的影响 通常丙烯中含有微量的 CO 和 CO2、CO 能进入聚合链中，影响催化剂的定向能力； CO、CO2 也能使聚合链终止，降低催化剂的活性，当 COCO220ppm 时对反应有明显的 影响；当 COCO230ppm 时有比较严重的影响。催化剂得率下降很多。 4、生产反应条件的影响 除各种原料的影响外，操作条件也是影响反应的一个重要因素。温度，反应时间均对聚 合反应有较大影响。还有辅助物料对反应的影响，虽在一般情况下并不是主要因素，但在一 定的条件下它也会转化为主要因素。 （1）聚合反应温度的影响 温度对丙烯聚合反应有较大影响，在 50以下时反应速度较慢，随着温度的升高反应加 速，催化剂得率和丙烯的转化率明显提高。综合考虑质量，安全和生产能力各方面的因素， 反应温度以 7078左右为宜，最高不应超过 80，除反应温度外，升温速度对反应控制也 有较大的影响，升温过快容易造成反应失控而超温，液相丙烯满釜、压力剧增、甚至产生聚 结块。 （2）反应时间的影响 由于 TiCl3 的活性寿命较长，一般控制至“干锅”即人为地停止反应，回收后降温泄压。 “干锅”是指反应物系中液相消失，但气相丙烯仍很多。还继续进行气相聚合，因此转化率、 得率明显地受反应时间的影响，催化剂得率随反应时间的延长而提高，比活性（每克催化剂 平均每小时所得聚丙烯克数）随反应时间的延长而明显下降，即使反应没有到“干锅”时间， 江苏大学本科毕业论文 11 这种影响也依然存在，这是由于反应过程中催化剂本身的活减所致。 反应时间对装置的生产能力有较大的影响。反应时间长则单釜操作周期长，由于催化剂 本身活性衰减而使后期反应比较弱，延长时间所增加的产量赶不上多役釜数所增加的产量， 但当反应比较弱时，还必须适当延长反应时间，以保证产品质量。 （3）投料顺序与辅助物料的影响 丙烯本体聚合投料顺序对反应在一定的影响，特别是当各种原料的杂质含量较高时，这 种影响则较大，氧和水都能破坏催化剂，为了保证催化剂的活性和定向能力，在操作上先投 丙烯、活化剂，让大部分杂质先被活化剂破坏，消耗部分活化剂，而保住催化剂少遭破坏， 保证三氯化钛的活性。 聚合釜轴封润滑油漏入釜中对反应有较大影响。它虽与 N2不同，并不直接与活化剂和 催化剂接触，但当它连续注入釜内轴封中，虽大部分随即排出，但还是有一部分要进入反应 物中，如其含有害杂质小较多，随着反应的进行，也会使催化剂活性衰减较快，因为注油时 连续不断地补充了有害物质，初期这一影响也许看不出，为此油质太差时也会引起不聚合。 5、分子量的调节 氢气在聚合反应中起链转移的作用：氢气被用作聚丙烯分子量的调节剂，随着氢气/丙 烯比例增大，聚丙烯分子时相应变小，熔融指数相应增大，此时催化活性和单釜产量会提高。 影响熔融指数的因素很多，一般有以下几个方面：（1）投氢量不准确；（2）催化剂表面氢 分压不相加氢时一定，不等于氢分压就一定，氢分压越高则液相丙烯中氢浓度超高，活性链 向氢转移的机会越多，熔融指数就越高；（3）反应过程中氢损失的影响；（4） “干锅”程度的 影响；（5）聚合釜结构参数的影响。 6原辅材料规格： （1）丙烯（C3H6） 丙烯 97% 氧 10ppm 双烯烃 ppm 硫 3ppm 江苏大学本科毕业论文 12 炔烃 5ppm 一氧化碳 5ppm 乙烷乙烯 1000ppm 二氧化碳 10ppm 水 10ppm （2）催化剂（TiCl3） 外观 紫色颗粒 氯 55% 粒度直经 2040m 三氯化钛含量 80% 钛 2528% 得率 1300015000 gPP/g TiCl3 铝 0.20.3% 全等规度 97% 正丁醚 37% （3）一氯二乙基铝（Al(C2H5)2Cl） 外观 无色透明液体 纯度 98% 沸点 208 氯/铝 1.051.10（原子比） 冰点 85 相对密度 0.982 （4）氢气（H2） 氢含量 98%（体积） 氧 0.1%（体积） 硫化氢 20ppm（体积） 水 10ppm(体积) （5）粗氮气（N2） 氮 99.8%（体积）无油 水 150ppm(体积) 氧 0.2（体积） （6）精氮（N2） 氮 99.99%（体积） 水 10ppm（体积） 氧 10ppm（体积） （7）分子筛（3A 分子筛用于丙烯脱水，5A 分子筛用于氮气脱水） 外形 球形 粒形 堆积密度 0.750.8kg/L 江苏大学本科毕业论文 13 直径 46mm 吸水量 0.21g/g 圆柱形、粒径 耐磨强度 95% 46810 （8）活性氧化铝 外形 白色粒球 35mm 破碎强度 13kg/个球 堆积密度 0.7g/m3 静态吸附容量 161（相对湿度 60%） 比表面积 30020m2/g 孔容 0.320.43ml/g 江苏大学本科毕业论文 14 第二章第二章 液相本体法聚丙烯装置设计计算液相本体法聚丙烯装置设计计算 液相本体法聚丙烯装置的设计内容很多，本章主要对聚合釜工艺设计计算、阀门管道的 选用、主要设备等几个方面进行讨论，并着重对装置最主要的设备聚合釜的工艺设计计算问 题进行讨论。 2.1 聚合釜的工艺设计计算聚合釜的工艺设计计算 聚合釜是液相本体法聚丙烯生产中最关键的设备，也可以说是液相本体法聚丙烯装置的 心脏。聚合釜的设计是否先进合理对聚丙烯的生产起决定作用，它不仅关系到装置能否正常 运行，而且影响装置的生产能力、传热传质和氢调效果，进而影响产品质量和各项技术经济 指标。 本节主要对间歇式液相本体法聚丙烯装置聚合釜的有关工艺设计进行讨论，如聚合釜的 容积、外型尺寸、高径比以及壁厚的确定，聚合釜的内部构件、搅拌型式、搅拌转速、搅拌 轴封的选定，并进行了热量恒算，计算了聚合釜的传热面积、搅拌功率等。 2.1.1 聚合釜容积的确定聚合釜容积的确定 聚合釜的容积主要取决于装置单线设计能力和装料系数。 设计依据 根据试验和工业生产实践，液相本体法聚丙烯装置聚合釜有关工艺参数为： 丙烯转化率 ：70% 反应温度：75 75时液相聚丙烯密度：0.381t/m3 反应时间：46h，单釜操作周期（包括加料、出料）为 8h 年工作日按 330 天计，年操作时数 8000h 聚合釜设计容积可按下式计算： p VE T C d K 式中 V-聚合釜设计容积，m3 江苏大学本科毕业论文 15 E-装置单线年生产能力，t/a P-単釜操作周期，h T-年操作时数，h/a C-丙烯转化率，% d-最高操作温度（75）时液相丙烯的密度，t/m3 K-聚合釜最高操作温度条件下的设计装料系数，% 取最高操作温度时装料系数为 90%。聚合釜的设计容积计算如下： p VE T C d K 2700 8 8000 70% 0 381 90% 3 11.2m 可取 V ，所以装置聚合釜设计容积可取。 3 12m2700t/a 3 12m 2.1.2 聚合釜外形尺寸的设计聚合釜外形尺寸的设计 1. 聚合釜高径比的选择 聚合釜的容积确定后，还要确定高于直径的关系（高径比） ，才能确定釜的直径和其他 外形尺寸。 聚合釜高径比的选取主要考虑三个方面的需要： （1）有利于聚合釜撤热 聚合反应热主要靠釜外夹套冷却水撤除，所以要保证较大的 高径比才能保证足够的比传热面（即单位釜容积的界面面积） 。 （2）有利于氢调 为了改善氢调效果，应扩大气液界面，保证有足够的比界面（即单 位釜容积的界面面积） 。为此，聚合釜的高径比不能选取过大。 （3）考虑对搅拌功率的影响 根据后面将叙述到的可知，搅拌功率与釜内物料的高度 有密切关系。高径比越大，搅拌功率越大，消耗的动力越大，因此高径比也不宜过大。 根据对传热面积、搅拌功率的计算和氢调效果的实验以及有关设计和生产单位的经验， 江苏大学本科毕业论文 16 聚合釜的高径比选取 (即)，可以满足以上三个方面的要求。 3 12m2.152.15HD 在设计上下椭圆封头时，一般可以取短轴直径与釜直径的比为 0.6（即） 。dD0.6dD 2. 釜直径的求取 聚合釜外形尺寸示意图如上所示，根据聚合釜容积以及高、直径等尺寸的相互关系，可 以求取聚合釜的直径（指内径）D 圆形筒体容积: 2 11 4 VD H 因为 1 0.6HHD 2.15HD 故 2 1 (0.6) 4 VDHD 2(2.15 0.6 ) 4 DDD 3 1 1.217VD 两封头容积 2 2 4 () 322 d D V 2 3 2 40.6 ()0.314 324 DD VD 聚合釜容积 12 VVV 33 12 1.2170.314VVVDD 3 1.531VD 故 1/3 () 1.531 V D 式中 V-聚合釜容积，m3 D-聚合釜直径，m 江苏大学本科毕业论文 17 V1-筒体部分容积，m3 V2-椭圆封头容积，m3 H1-筒体部分高度，m H-聚合釜高，m d-椭圆封头短轴直径，m 有前面的计算可知，聚合釜的容积是，则： 3 12m 1/3 12 ()1.986 1.531 Dm 取 D=2.0m 2.1.3 其他外形尺寸的确定其他外形尺寸的确定 （1）釜高H 根据高径比，可以求得釜高。即为求取釜高的公式。例2.15HD2.15HD 如，12 m3聚合釜的釜高 H 为： 2.152.15 2.04.30HDm 圆筒体高为： 1 H 1 H0.6(2.160.6)1.55HDDD 1.55 2.03.10m （2）椭圆封头直径的求取d 根据,可求得釜的椭圆封头直径为：0.6dD 3 12m 0.6 2.01.2dm 椭圆封头的高/21.2/20.6rdm （3）筒体壁厚的确定 当时，查化工设备机械基础表 = 75 8 7，可知= 163 在压力为，焊接接头系数 3.5 = 0.85 江苏大学本科毕业论文 18 计算厚度 = 2 = 3.5 1000 2 163 0.85 3.5 = 25.58 设计厚度 1= 0.9 2= 2 = + 1+ 2= 25.88 + 0.9 + 2.0 = 28.78 圆整后设计壁厚为30 （4）根据以上数据复算釜的实际容积 33 1.531 2.012.25Vm （5）夹套比传热面 设为夹套面积，则夹套比传传热面为：F夹 F V 夹 1 4 2 1 3.14 2.0 3.04 3.14 0.65 1.0 2 18.844.08 22.9 FDhrR 夹 则夹套比传热面23/121.92 m2/ m3 F V 夹 （6）比界面 比界面 m2/ m3 F V 截 22 /4/4 2.0 0.26 1212 D 2.2 内构件及搅拌轴封的设计内构件及搅拌轴封的设计 (1)搅拌器设计 搅拌器设计主要是要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， 反应热能否顺利撤除，气液界面能否及时更新以保证氢调效果。 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。开始反应时釜 内全部是液相丙烯，随着反应时间的延长，液相丙烯中悬浮的聚丙烯固体颗粒逐渐增多，到 江苏大学本科毕业论文 19 “干锅”反应结束特别是丙烯回收后，釜内几乎全部是聚丙烯颗粒，液相物料已消失。在固体 颗粒浓度大或全部是固体颗粒情况下选用一般的浆式，锚式或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聚丙烯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。 螺带式搅拌器的工艺设计，主要是确定螺带外径、内径，从而确定螺带宽度、 1 D 2 Db 螺距。 S 图 2-2 螺带搅拌器简图 -螺带外径 -螺带内径 1 D 2 D -螺带宽度 -螺距bS (2)螺带外径 1 D 螺带外径的设计主要考虑到搅拌效果、搅拌功率和内冷却水管设置的需要。对于搅拌效 果来说，螺带外径选大一些好，即与釜内壁的间隙适当小一些为好。但间隙过小搅拌效果也 江苏大学本科毕业论文 20 不好，物料无法返混。另外螺带外径越大，搅拌轴功率越大。螺带外径太大会给冷却水管的 布置带来困难。因此螺带外径要选取适中。一般选取螺带外径。聚 1 (0.7 0.8)DD 3 12m 合釜的釜径，螺带外径 (实际为,)，螺带与釜内 1 2.0Dm 1 1.4 1.6Dm1.5m 1 0.75D D 壁的间隙为。0.25m (3)螺带内径 2 D 螺带内径有螺带外径和螺带叶片宽度（）决定。螺带叶片宽度影响搅拌效果。一般来b 说，叶片宽度大一些，搅拌效果好些，但叶片太宽，使叶片与轴的间隙过小，也会影响物料 的返混下落。如果螺带叶片与釜内壁及轴的间隙都很小，就会变成螺带提升机，物料堆在螺 带上部下不来，显然失去了搅拌的意义。另外，螺带叶片宽度在一定范围内对搅拌功率有一 定影响，但影响不十分显著。 聚合釜搅拌螺带宽度一般选取。 3 12m0.25 0.28m (4)螺距设计 螺距对搅拌效果和搅拌功率都有一定影响。同样的搅拌转速，螺距越大，物料的上升速 度越快，搅拌效果好，但搅拌功率相应也大。搅拌功率与螺距成正比。另外，当螺距大 0.22 s 于物料高度时，功率与物料高度呈直线关系。因此，一般情况下，螺距应小于釜内物料高度。 聚合釜螺带螺距与物料高度的比为，为釜直径高度的倍。聚合釜直筒高 3 12m0.30.25 3 12m 度为，物料高度为，螺带螺距。3.1m2.34m0.72sm (5)搅拌转速的选定 搅拌转速是影响搅拌效果最重要的因素之一。搅拌转速越高，传质传热效果越好，对氢 调和产品熔体流动速率指标控制有利。但是搅拌速度高，搅拌消耗的功率大，对搅拌器的要 求也高，此外，还对聚丙烯物料有粉碎作用。因此，在选择搅拌转速时应综合考虑。 在聚合釜放大设计中，引入三项流体运动相似准数。对于两个大小不同几何形状相似的 聚合釜，存在以下关系： 江苏大学本科毕业论文 21 22 3535 22 Re ssbb r sb sb sssbbb sssbbb sb d nd n F gg NN P n dn d d nd n 式中 -费鲁特准数； -流体粘度； r F -鲍尔准数； -搅拌输入功率；PN -雷诺准数； -重力常数；Reg -聚合釜直径； -小型聚合釜（下脚注） ；ds -搅拌转速； -大型聚合釜（下脚注） ；nb -流体密度； 按照上述公式以及实践证明，的釜选用的搅拌器转速为，搅拌器 3 12m50minr 的外径为。1.5m (6)搅拌轴封的设计 聚合釜的搅拌轴封是聚合釜最关键的也是唯一的静密封点，它对聚合釜的运行和聚丙烯 生产有着重要影响。轴封泄漏不但污染环境，增加消耗，甚至有可能造成火灾爆炸事故，威 胁安全生产；而且还严重影响氢调，进而影响产品质量。液相本体法聚丙烯产品的熔体流动 速率难以控制稳定，轴封泄漏是一个重要原因。因为氢气集中在釜的顶部很容易从轴封处泄 漏，所以设计好搅拌轴封是十分重要的。 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，用的 好时可以做到基本无泄漏。但是由于间歇式液相本体法聚丙烯生产的某些特点，使得机械密 封难以发挥很好的效果。譬如，液相本体法聚丙烯生产中，聚合釜内固体物料浓度大，干锅 回收丙烯后釜内全是固体颗粒，易于进入机械密封内损坏密封端面。另外聚丙烯搅拌轴为悬 臂式，下部没有支撑点，加上轴较长，运转时摆动大，对机械密封不利。再者，聚合釜搅拌 江苏大学本科毕业论文 22 为间歇操作，经常开开停停，搅拌速度低，这些对机械密封都不利。因此液相本体法聚丙烯 生产很少采用机械密封作聚合釜的轴封。有的原设计为机械密封，但运转一段时间后也改为 填料密封。 填料密封可以适应聚合釜的以上恶劣条件，虽然它难以保证不泄漏，但可以满足生产和 安全的要求。它价格低廉、安装检修方便，使用周期长，因而被液相本体法聚丙烯生产企业 普遍采用。 填料密封分为上、下段填料。在上填料与下填料之间设有刮油环，填料底部设有油杯杯 中有导油管。当润滑油沿轴下滑落入油杯里后，凭借釜内压力使润滑油从导油管压出釜外， 使润滑油不进入聚合釜内，以防造成釜内污染。压出的油还可回收利用。 上填料箱设有注油口，在聚合釜启动搅拌前应提前启动油泵，向轴封注油。搅拌启动后 应不断注油。注油的压力应稍高于釜内压力（一般高出）。注油主要起润滑、冷却、0.1MPa 密封等三个作用。 填料箱外部设有冷却夹套，夹套内通冷却水，以对轴封进行冷却。 填料的材质选择是轴封的关键。选用柔性石墨或石棉浸渍四氟乙烯复合盘根，使用效果 较好。 2.3 聚合釜的传热设计聚合釜的传热设计 从液相丙烯本体聚合反应动力学特征可知，液相丙烯本体聚合是一个非稳态过程，即各 阶段的反应速度随时间而变化。当釜温达到正常聚合温度后，反应速度快。反应后期速度比 较缓和，几个小时后反应速度接近于零。因此，反应热的放出也是一个非稳态过程。 另一方面，随着反应时间的进行，釜内物料的形态也发生变化。随着反应时间的增长， 釜内聚合物逐渐增多，液相丙烯逐渐减少，使釜内的传热条件发生变化，传热效果变差。 反应前期反应速度快，放热多，但传热条件好；反应后期反应速度慢，放热少，但传热 条件差。通过综合分析可知，反应前期放热高峰时撤热矛盾比较突出。因此在传热设计中主 要考虑反应放热高峰期的情况。 江苏大学本科毕业论文 23 2.3.1 反应放热计算反应放热计算 已知丙烯聚合热为。根据络合型催化剂体系的动力2172.95kJ kgPP 32 TiClAlEt Cl 学特征，可知反应高峰期每小时丙烯转化率为（每转化的时间为） 。38.46%10%0.26h 对于聚合釜，每釜产量以计，则反应高峰期的反应热为： 3 12m3000 gK max Q max 2172.95 3000 38.46% 2507150h 1.0 QkJ 因为 3 10 113.6 1 3600 WJ skJ h h 所以 max 2507150 696.4 3.6 QWkW 2.3.2 搅拌摩擦热搅拌摩擦热 Qa计算计算 搅拌轴功率的消耗可近似地认为都转化为搅拌叶与物料的摩擦热，即。 a Q a QP 轴 根据计算和实测可知，釜搅拌轴功率为。 3 12m50kW 2.3.3 聚合高峰期总发热量聚合高峰期总发热量 QT计算计算 maxaT QQQ 对聚合釜： 3 12m 33 696.4 1050 10746.4 T QkW 2.3.4 撤热量撤热量 QT计算计算 考虑聚合釜本身的散热为总发热量的，则釜的总撤热量为：5% 3 12m T Q 3 (1 0.05)0.95 746.4 10709.1 TT QQkW 2.3.5 传热系数传热系数的求取的求取 K 对于丙烯聚合这一十分复杂的非稳态系统，按照传热的理论计算方法来计算聚合釜夹套 和内冷却管的传热系数，不但麻烦，且与实际相差较远。而根据实验和生产实际数据进行处 理、回归，建立数学模型得出经验公式，更具有实际意义。经实验与生产实践测定并利用电 江苏大学本科毕业论文 24 子计算机采用最小二乘法回归，可以得出液相本体法聚丙烯聚合釜夹套传热的总传热系数的 计算公式： （211） ( 0.808 ) 0 c Ke 式中 -总传热系数， ；K 2 W mK -丙烯转化率为零即釜内全是液相丙烯时的传热系数，； 0 2 W mK -丙烯转化率。c 对于碳刚材质的聚合釜，可取。 0 2 580 698W mK 由式（211）可见，当时，；当转化率增大时，值变小（因固体聚丙0c 0 KcK 烯颗粒的传热系数小）。 根据反应动力学特征，转化 10%时为反应放热高峰期，此时总传热系数（取 10 K ）： 2 0 600W mK ( 0.808 ) 100 c Ke 0.8090 0.1 600 e 600 0.092 2 553.2W mK 2.3.6 传热方式选择及传热面积计算传热方式选择及传热面积计算 1、传热方式选择 在聚丙烯生产中，聚合反应热的撤热方式很多，例如夹套式撤热、内冷却管撤热、外循 环式撤热、蒸发冷凝式撤热等。对于间歇式液相本体法聚丙烯装置的聚合釜，采用夹套式撤 热为主，辅以指形内冷却管撤热的方式，可以满足目前规模聚合釜的撤热要求。这种 3 12m 撤热方式比较简单、操作方便。目前各装置均采用此种撤热方式。 江苏大学本科毕业论文 25 2、冷却介质的选择及平均温差的求取 t 根据测算，间歇式液相本体法聚丙烯装置的聚合釜，可以使用工业水或循环冷却 3 12m 水作为冷却介质。设冷却水的进水温度为，出水温度为，则平均温差计算如下：3034t 反应温度为，以恒温反应为依据， 则有：反应温度 7575 冷却水温度 3430 1 753045t 2 753441t 12 1 2 4541 43 45 lnln 41 tt t t t 3、总传热面积计算 T F T T Q F Kt 式中 总传热面积，; T F 2 m 需撤除的总热量，; T Q W 传热系数，;K 2 W mK 平均温差，。t 对聚合釜： 3 12m 3 2 709.1 10 29.8 553.2 43 T Fm 2.4 夹套及内冷却管的设计夹套及内冷却管的设计 2.4.1 夹套的设计夹套的设计 前面已经讨论过，聚合釜的高径比一般选取，直筒部分的高为釜径的倍。 3 12m2.151.55 江苏大学本科毕业论文 26 由此可知：釜釜径，直筒部高为。 3 12m2.0m3.1m 聚合釜直筒部分夹套高取，下封头（椭圆封头半径）高为。 3 12m3.0m0.65m 对于聚合釜，夹套总传热面积等于直筒部分夹套面积与下封头夹套面积之 3 12mF 1 F 2 F 和，即 （前面已经详细计算过了）1 FFF 2 22.9m 2.4.2 指形内冷却管设计指形内冷却管设计 内冷却管是否需要，有所需总传热面积与夹套传热面积之差决定。当所需总传热面积大 于夹套传热面积时，需要设置内冷却管，反之则不必设置内冷却管。 对于聚合釜： 3 12m FFF 总夹内冷 29.822.9 2 6.9m 由于釜筒体内径（）和螺带外径（） ，可知釜内壁与螺带的间隙为 3 12m2.0m 2 1.5m 。可以选用或的内冷却管。0.25m133mm159mm 当选用的内冷却管时，内冷却管总长为：159mm 6.9 13.8 3.14 0.159 Lm 若按四根均布，则每根管子的长度为: 13.8 3.45 4 Lm 考虑到聚合釜顶部散热效果，适当减少内冷却管传热面积，如的管长适当降低159mm 或选用的内冷却管也是可行的。133mm 聚合釜的设计参数 名义容积 V, 3 12.0 实际容积 V, 3 12.14 釜高 H,m4.3 江苏大学本科毕业论文 27 筒体高,m 1 3.0 上下封头高,m 2 1.3 釜内径 D,m2.0 髙径比 H/D2.15 夹套内径,m 2.2 螺带外径,m 1 1.5 螺带内径,m 2 0.94 螺带宽度 b,m0.28 螺带螺距 s,m0.72 螺带总高 m2.7 升高斜率 s/2/1 0.24 搅拌转速 n,r/min50 电机功率 P,Kw55 比功率 P/V,Kw/3 4.58 夹套传热面积, 夹 2 23 指形内冷凝管面积， 内 25.0 总传热面积 F, 2 28 夹套比传热面/V, 夹 2/31.92 总比传热面 F/V, 2/3 2.3329.3 比界面/V, 截 2/30.262 冷却水流量 Q,/h 3100 设计压力：釜内 Mpa P 夹套内 Mpa 4.0 0.60.5 江苏大学本科毕业论文 28 T 夹套内10080 主体材质16MnR 或 18-8 设备总高 mm8141 设备总重 kg14750 江苏大学本科毕业论文 29 第三章第三章 聚丙烯工艺物料恒算聚丙烯工艺物料恒算 3.1 丙烯投料量的计算丙烯投料量的计算 投料量一般为釜容积的。依此计算，釜投丙烯。但由于丙烯密度受环70% 3 12m 3 8.4m 境温度的影响较大，应根据气温的变化适当调整投料量，以保证丙烯重量的准确。 如果采用丙烯计量罐计量，投料时计量罐气相空间扩大占用了部分丙烯，因而造成实际 投料量小于预定值。这个值按如下估算： 以 12釜为例，投丙烯，设计量罐丙烯压力为（表），温度为， 3 m 3 8.4m1.7MPa40 罐空间扩大占用丙烯； 1.70.18.4 0.0084827340 5.7 239 PV n RT kmol kg 设聚合釜喷料后残压为（表） ，温度为，则残存丙烯：0.3MPa50 0.30.112 0.00848 (27350) 1.752 73.6 PV n RT kmol kg 实际少投丙烯：23973.6165.4kg 折算为体积（密度取） 165.4 513.9 此时以转化率计，则的聚丙烯所需的原料丙烯为 3857.14 513.9 故实际单釜一次投料体积为，质量为 设可回收丙烯为投料量，即 江苏大学本科毕业论文 30 日耗量为 3.2 催化剂用量的计算催化剂用量的计算 因为反应速度与催化剂用量（或在反应物中的浓度）成正比，从兼顾生产能力、产品 中钛含量和安全生产等方面的因素考虑，催化剂有一个适宜的量。不同类型的催化剂用量是 不一样的，即使是同一类型的催化剂也受其本身质量、丙烯质量、活化剂质量、传热效果等 因素的影响。催化剂用量必需根据实际情况及时调整。对络合型催化剂而言，一般可控制 Ti/C3（质量）比为 4060PPm。催化剂用量可按下式计算： 3 3 0.7 0.8 Ti c cat cVR W 釜 即 33 0.875 catTi WcVRc 釜 式中 -催化剂用量，； cat Wkg -丙烯密度，； 3 c 3 kg m -聚合釜容积，；V釜 3 m -钛烯比，； 3Ti Rcppm -聚合釜投料系数0.7 -催化剂中含量0.8 3 TiCl 以釜为例，按温度丙烯密度，计： 3 12m30 3 g m513. 9k 3 40 Ti Rc 6 0.875 513.9 12 40 100.2158 cat Wkg 若取60R 6 0.875 513.9 12 60 100.3238 cat Wkg 在未掌握反应情况之前，催化剂浓度可适当降低些，以防止暴聚，然后逐步加大至满意 的程度。 江苏大学本科毕业论文 31 3.3 活化剂用量的计算活化剂用量的计算 活化剂一氯二乙基铝的用量随丙烯质量而定。如果丙烯的纯度高，有害杂质少，铝钛比 （一氯二乙基铝与三氯化钛的摩尔比）取 4 即可。但炼油厂丙烯一般质量较低，相当部分烷 基铝被丙烯中的杂质所消耗，因而铝钛比往往较高，一般为，最高的大以上。在7 1420 确定铝钛比以后，活化剂的用量可按下式计算： catAlAl TiTi Al catAl WMRC W MC 式中 -活化剂用量，； Al Wkg -催化剂中的含量，一般为（质量） ； Ti C 3 TiCl80% -浓活化剂中含量，一般为； Al C 252 ()Al C HCl98% -分子量，； Al M 252 ()Al C HCl120.5 -分子量，。 cat M 3 TiCl154.2 实际加料时往往不是计重量，而是量体积，一般稀释至的安全浓度。25 30100gml 对于的釜 ，如果加催化剂，一氯二乙烯基铝用量为： 3 12m210g 210 120.5 0.8 7 938 154.2 0.98 Al Wg 按浓度计，应加一氯二乙烯基铝：25100gml 938 3752 0.25 ml 3.4 氢气用量的计算氢气用量的计算 由于氢调的敏感性与催化体系的性能、釜型、搅拌转速及反应情况均有较密切的关系， 因此氢气用量受许多因素的影响。加氢量与熔体流动速率（熔融指数）或平均分子量之间的 关系式有多种，其中之一是： 2 lg2.1lg()2.3MIH 式中-熔体流动速率， ；MI -液体丙烯中氢的摩尔百分数。 2 ()H 江苏大学本科毕业论文 32 此关系式计算的结果与实际较为接近。如在釜中投丙烯，生产的聚丙烯熔体 3 12m2700Kg 流动速率为，其加氢量可由下式计算：4g/10min 2 lgMI. lg(H )=0.707475 -2. 3l g4-23 2. 42. 4 2 2 2 2 2 H H H 3 (H )=0.1961% n 0.001961 2700 n 42 n0.1263 0.1263 22.42.83 H Vm 即加氢量约为。 3 2.83m 这种计算方法未考虑其他因素的影响，要控制好熔体流动速率，最好是根据具体装置在 生产中摸索规律性，以确定加氢量。 3.5 转化率的计算转化率的计算 所得产品的重量与投入丙烯重量比称为转化率，丙烯的单程转化率可以用下式计算： 33 3 100% PP r CC W T VCC 式中-转化率； r T -聚丙烯产量； PP W -投入丙烯的体积； 3 VC -丙烯密度； 3 C -丙烯纯度； 3 C C 已知在温度为时投入原料丙烯，此时密度为，有前面章节可知，单釜生产 o 40 C 3 480/Kg m 能力为，単釜生产周期为，年生产时数为。投料一次后产出聚丙烯的2700/kt a8h8000h 量： 江苏大学本科毕业论文 33 2700 82.72700 8000 PP WtKg 单釜丙烯投入量为 3 7.83m 2700 100%72.56% 7.83 480 99% r T 这样的计算忽略了丙烯及粉料的各种消耗，但对某一釜料而言不易准确。但如果连续几 釜去平均值，则其转化率是能计算准确的。 3.6 催化效率的计算催化效率的计算 催化效率，通常也称催化剂得率，是所得聚丙烯产品与所投催化剂有效成分的重量比， 即倍数。催化剂得率主要决定于催化剂本身的活性，其次决定于所用原料的质量，另外生产 中每釜的催化剂得与操作条件及反应时间也有较大的关系。因此必须是在同样的反应时间和 同样的反应条件下的催化剂得率才有此意义。 0.8 PP cat W E W 式中 -催化效率，E 3 /gPP gTiCl -聚丙烯产量， PP Wg -催化剂投料量， cat Wg -络合型催化剂中含量。0.8 3 TiCl 已知反应釜产聚丙烯，投催化剂，则： 3 12m2700Kg270g 3 2700 1000 12500/ 270 0.8 EgPP gTiCl 3.7 平均活性平均活性 络合型催化剂的活性寿命较长，但在反应过程中其活性还是要衰弱的，后期活性比初 期低。如果反应进行到正好“干锅”，用平均活性也可比较各批催化剂活性。从实践或生产实 际不难看出，平均活性随反应时间的延长而下降。平均活性可用下式表示： 0.8 PP cat W E Wt 江苏大学本科毕业论文 34 式中E催化剂效率， 3 /gPP gTiCl； pp W聚丙烯含量，