【聚乙烯生产车间工艺设计13000字（论文）】

聚乙烯生产车间工艺设计目录TOC\o"1-2"\h\u22692第1章总论 2219621.1概述 2240831.2设计的依据、原则及范围 4291781.3装置的组成 5276971.4生产规模 5264231.5生产制度 522226第2章生产方法及工艺流程 5196902.1生产方法的选择 5100082.2装置特点 64142.3主要工艺参数 77047第3章生产流程简诉 7254183.1聚合原理及化学反应 7219483.2聚合工段生产流程简述 917065第4章物料衡算和热量衡算 1227604.1聚合釜物料衡算 13129684.2前聚合釜热量衡算 16295714.3后聚合釜热量衡算 1871544.4缓冲罐的物料衡算 20256814.5缓冲罐的热量衡算 21322864.6离心机物料衡算 23287164.7蒸汽蒸馏釜物料衡算及热量衡算 25212626.59S=Y+29792.17a 29227764.8流化床干燥器物料衡算及热量衡算 3028282第5章离心机工艺设计 33244195.1设计依据 33170985.1设计依据 33222435.2设计项目 33321575.3计算 33180668.39小于28.8，所以粒子沉降属层流。 3416820第6章原材料、动力消耗定额及消耗量 36261046.1原材料消耗定额 36125776.2公用工程规格 36319956.3公用工程消耗定额及消耗量 3720958第7章生产控制分析 37103897.1HDPE生产中间控制 37266877.2HDPE成品分析 3920996第8章环境保护及安全措施 40322228.1环境保护 40216338.2安全措施 4116623第9章结束语 4228113(2)完成了离心机的选型计算： 43第1章总论1.1概述1.1.1聚乙烯的简介聚乙烯(PE)是乙烯最重要的一种下游产品，主要包括高密度PE(HDPE)、低密度PE(LDPE)和线性低密度PE(LLDPE)等产品类型。PE具有优异的化学稳定性和耐低温性，并且可以采用吹塑、挤出、注塑成型等多种方法进行加工，形成了采用淤浆法、溶液法、管式法、气相法、釜式法工艺齐全的生产方法体系。使其在塑料包装薄膜、电线电缆、电子电气、汽车、建筑和食品包装等领域具有用广泛的应［１］用。无臭，无毒，具有优良的耐低温性能，化学稳定性好。是五大合成树脂之一，是应用最广泛的高分子材料。1.1.2聚乙烯的工业发展状况聚乙烯1922年由英国ICI公司率先合成。自1933年人们发现乙烯可在高压条件下设工程聚乙烯以来，世界聚乙烯工业得到了突破性的进展。经过近一个世纪的发展，世界聚乙烯产品生产已形成北美、西欧、亚太三足鼎立的格局。部分发达国家和地区的产业链已经趋于成熟，以中国、越南为主的亚太国家正处于快速发展阶段。我国聚乙烯工业较其达的国家的起步较晚，但发展较为迅速，如今已经具有了一定的规模。尤其自2008年以来伴随着我国经济的飞速发展，聚乙烯产能大幅度上升，自给率也大幅提高，但由于需求量过大，进口率也维持在较高的水平。尤其其尖端领域，还过分依赖于进口。而且在环境保护与资源利用方面面仍存在着较大缺陷。总的来说，我国聚乙烯产业的发展仍处于产能和需求较高的上升期，而在创新性和环境保护性等方面存在欠缺。世界聚乙烯在上世纪90年代飞速发展，进入20世纪之后仍保持着较快的发展势头。但由于各国的经济发展水平，工业化水平及创新能力的差异，发展速度较不平衡。其中中日等国的迅速发展对于世界的聚乙烯工业起到了一定的带动作用。近年来，世界聚乙烯在高端领域的突破性进展进一步扩大了自身的应用领域，发展前景十分可观。1.1.3聚乙烯的生产状况乙烯聚合技术按聚合压力分为低压法、中压法和高压法。低压法根据其实施方法又分为淤浆法、溶液法和气相法。这三种生产方式各有优点，同时也被大部分化工企业所掌握，在当今仍被广泛使用。聚乙烯生产的核心技术就是催化剂，催化剂的发展直接关系着聚乙烯生产技术的命脉。其发展历程可分为三代。第一代催化剂是德国科学家发现的钛铝结合的催化剂，第二代催化剂是比利时研发出来载体是镁的化合物的催化剂，第三代意大利蒙特爱迪生集团公司研制成可省去造粒而直接生产球状聚乙烯。催化剂的更新变革，极大程度地推动聚乙烯产业的发展，节省了时间，大大降低了生产成本。实现了聚乙烯的量化生产，填补了随着经济发展而日益增加的产能需求。而当今世界对于聚乙烯的需求远不止步于此，新型产品的开创与研发直接影响着聚乙烯工业发展的趋势。如当今的双峰和多峰聚乙烯技术，可以说是聚乙烯发展的重大飞跃。双峰PE100的合成是国内外高档聚乙烯的研发方向。相较于之前的P80,它的优势明显，理化性能优良，又易于加工，使用寿命等方面也远远优于传统产品，目前各国仍处于开发试用阶段，能应用于尖端的敏感食品的包装，更薄涂层材料和危险品保护套等。市场趋势一片大好。1.1.4聚乙烯的发展趋势经过近百年的发展，世界普通新房聚乙烯的生产技术趋于成熟。并且在大部分国家和地区，实现了聚乙烯的工业化生产，发展方向也比较多元化，有着较为稳定的产能与需求。在此前提下，机遇与挑战共存，只有开发完善更为简洁的工艺才能实现利益最大化。另一方面，在新型及高端产品的研发上，世界各国竞争激烈，创新型产品的出现能够进一步刺激消费市场，促进聚乙烯行业的跳跃式发展。值得注意的是，生态环境问题日益受到人们的重视，在经济合理的前提下，更清洁的能源和更少的污染也是发展时着重考虑的因素。在此前提下，聚乙烯工业壁板会迎来更为稳步、健康的发展方式。1.2设计的依据、原则及范围1.2.1设计依据根据学校下发的毕业设计任务书，按初步设计深度要求设计；参照规模相近生产同类产品厂原始设计文件提供的资料及数据；参照辽阳石化分公司烯烃厂聚乙烯车间现场的工艺流程及工艺参数。1.2.2设计原则本设计按以下原则进行：（1）遵守国家有关法律及法规；（2）力求生产技术先进，经济合理，生产安全可靠；（3）立足国内，引进国外的先进工艺和技术；（4）满足卫生要求，做好环境保护，维护生态平衡。1.2.3设计范围本次设计的设计范围是聚乙烯生产车间工艺设计，设计过程中要完成聚合工序、分离工序、干燥工序的物料衡算和热量衡算及聚合釜的工艺设计。确定聚乙烯车间的工艺流程和操作工艺参数，完成物料平衡图和工艺流程图的绘制，编制5.25千克/年聚乙烯生产车间工艺设计说明书。1.3装置的组成本装置由下列工段组成：11.000粉末生产工段12.000粉末均化工段13.000造粒阶段14.000稀释剂蒸馏回收工段15.000废水预处理工段16.000罐区17.000原料净化阶段辅助生产设施包括化学分析室，物理技术实验室，控制室，以及办公室和休息室。1.4生产规模设计生产规模为5.25×107千克/年的高密度聚乙烯粉末本次设计的设计运转时间为8000小时/年生产的方式选择连续化生产1.5生产制度五班三运转制第2章生产方法及工艺流程2.1生产方法的选择本次设计选择用四氯化钛为主催化剂、三乙基铝为助催化剂，乙氧基镁为载体的齐格勒纳塔催化体系，生产高密度聚乙烯选用的方法为淤浆法。此方法的操作温度低于熔点，聚合条件温和，容易操作溶液法工艺的最大优越性是产品切换时间短，膜料中凝胶含量低，可生产全范围产及极低密度的聚乙烯，可与高级α-烯烃共聚，呈现出极好的强度、韧性和密封性。[16]相法具备工艺流程短、无需使用溶剂、操作压力低、能耗低、过渡料少、牌号切换容易等优点。[17]2.2装置特点2.2.1工艺流程特点本设计采用高效负载齐格勒那塔催化剂连续聚合的工艺路线，其主要技术特点如下：（1）采用齐格勒那塔催化剂，其载体为乙氧基镁，这种催化剂体系的效率高，因此催化剂的消耗大大降低，由于采用高效催化剂，聚合后残余的催化剂很少。无需催化剂的分解和水洗，从而缩短了工艺过程。（2）本设计采用两条生产线。（3）采用外部盘管式夹套、U型管以及外循环撤热的方式，传热效果好，聚合过程温度恒定。（4）分离过程采用卧式离心机，可以满足对物料的分离。因为无孔所以没有滤液堵塞的问题。（5）物料的干燥采用螺旋脱水器和流化床干燥器，可使物料得到充分干燥。2.2.2节能预热利用本装置采用了较多的节能措施，如：聚合釜采用了不锈钢添衬，大量节省昂贵的不锈钢材料。另外，在工艺流程中，蒸汽蒸馏釜的混合气体的二次利用，用R11406上方蒸汽对X11501的氮气进行预热，大大降低了能量消耗。2.2.3仪表自动化水平本装置采用仪表以气动仪表为主，自动化控制程度较高，关键参数采用串级调节，主要装置和管线采用自动连锁系统。2.3主要工艺参数(1)聚合釜聚合温度83—84℃乙烯：氢气1：0.0003冷却水进口温度30℃冷却水出口温度40℃聚合压力0.7—1.4MPa稀释剂：气体混合物3.5m3/tEE（2）蒸汽蒸馏釜一釜内温度98℃二釜内温度98℃蒸汽压力1.8×103Pa蒸汽温度117℃聚乙烯粉末停留时间17min出口粉末含稀释剂量0.3%粉末含湿量10%（3）流化床干燥器内温度68℃氮气出口温度70℃出口粉末含水量0.1%氮气入口温度104℃聚乙烯粉末停留时间18min干氮气量16627.482kg/h第3章生产流程简诉3.1聚合原理及化学反应3.1.1工艺配方和聚合反应条件产品牌号：GF7750聚合温度：80-84℃聚合压力：0.7-1.4MPa催化剂浓度：0.1-0.35mmolTi/L（EV）（釜中温度）活化剂浓度：0.6-0.9mmolTi/L（EV）（釜中温度）相比：EV（m3）EE（T）=3.5-4乙烯：丙烯：氢气=1：0.004：0.0007（质量比）3.1.2聚合反应机理采用沸程135—170℃的链烷烃做溶剂(生产上称稀释剂)，产物聚乙烯粉末悬浮液其中，不溶于稀释剂，故称之为淤浆聚合，固体粉末浓度约为30%。为将产品与溶剂分离，并得到合格的聚乙烯粉末产品，在聚合釜后设置了离心机进行固液分离，可将浆料中约80%的稀释剂脱除，因溶剂的沸点高于产物的熔点，因此应用水蒸汽蒸馏，把基本除去稀释剂含大量水量的湿物料先经螺旋脱水器，后经流化床干燥器，使产品最终湿含量达到工艺要求。乙烯及单体丙烯在催化剂的作用下，进行阴离子配位聚合反应生成聚乙烯粉末。催化剂体系：主要催化剂：TiCl4；助催化剂：Al(CH2CH3)3；载体：Mg(OCH2CH3)。反应机理如下：乙烯以及乙烯的共聚单体丙烯，通过用载体化的齐格勒纳塔催化剂体系进行阴离子配位聚合从而生成聚乙烯粉末。催化剂形成：R—LnM+R-m→LnM过度金属化合物：有机金属化合物链增长RR…CH2|配位|||LnM+CH2=CH2→LnM…CH2LnM | CH2=CH2→CH2-CH2-R→LnM…CH2配位|CH2…CH2|CH2-R →LnM-CH2-CH2-CH2-CH2-R→LnM-（CH2-CH2）n-R 插入链终止aP-消除法：H |CH2-C-（CH2-CH2）n-R→LnM-CH2-CH3+CH2=CH-（CH2-CH2）nR||CH2 LnM||CH2B氢化法LnM-（CH2-CH2）n-R+H2→LnM-H+CH3-CH2-（CH2-CH2）n-1-R3.2聚合工段生产流程简述聚合工段的任务是将来自气体混合站的原料气在催化剂的作用下，制成合格的聚乙烯粉末。为此，将聚合工段设计成由三个工序组成的高密度聚乙烯生产线，即：聚合工序：单体转化成聚合物；分离工序：聚合物和溶剂分离(离心机离心脱水、水蒸汽蒸馏)；干燥工序：湿物料干燥成合格产品(螺旋脱水和流化床干燥)。EV混合蒸汽蒸汽蒸馏离心反应聚合反应浆料滤饼↑湿物料蒸汽蒸馏离心反应聚合反应原材料→ →→ →↑ ↓ ↑↓氮气滤液 饱和蒸汽废水3.2.1聚合系统系统采用催化剂制备系统催化气体混合站出来的混合气体，来制的HDPE的粉末，并且送往蒸汽蒸馏系统。乙烯和丙烯的聚合反应在三台反应器中进行，两台反应釜K11301A、K11301B以及反应釜K11303。聚合釜（K11301A/B）为并联操作，两釜同时进料:主要产品牌号:GA7260、GB7750、GC7260、GD7255、GF7750、GF7750F或GF7750M。来自气体混合站的原料气（乙烯、丙烯、氢气）通过乙烯管线I分别经流量调节系统控制进入聚合反应釜（K11301A/B）。催化剂悬浮液由催化剂进料泵送进两台聚合釜，含有活化剂的母液由泵送进K11301A/B。其量分别由各自计量调节系统控制。聚合金操作压力控制在0.7-1.4MPa之间，温度控制在83--84℃之间，反应热由聚合釜夹套、内冷管及浆料外循环冷却器取出，反应温度由夹套水流量调节控制。物料在釜内停留时间约6小时，浆料浓度约为30%，反应后的浆料由釜顶部出料管自流至后聚合釜（K11303）。聚合釜温度由夹套冷却水流量调节，在初次开车时，必须用中压蒸汽通过蒸汽喷射泵将冷却水加热，使聚合釜达到反应温度，反应开始后用冷却水冷却。混合气体和催化剂进釜量均由其管线上的流量调节仪表控制。反应压力（包括后聚合釜压力）统一由后聚合釜出料管线上的压力调节仪器控制，由过后聚合釜出料量控制，一般为1.0MPa左右。开车时，为防止分子量无限增加，通过由气体混合站来的氢气管线向每台聚合釜中分别通入一定量的氢气，量由其管线流量指示仪表指示，手动控制。为了使反应均匀，反应器底部设有搅拌器，当搅拌器停止运转时，可通过连锁控制系统通入中压氮气进行鼓泡搅拌，以防悬浮物沉降于釜底。当聚合釜压力过高时安全阀起跳，其悬浮液通过气液分离器（R11308），分离后气体排往本装置火炬去燃烧。正常工作时，安全阀用高压氮气（1.5MPa）保护以防悬浮液堵塞。聚合釜悬浮液由压差自动流入后聚合釜（K11303），在此未反应乙烯继续反应，最终使乙烯转化率98%以上，温度为70℃。悬浮液进入缓冲罐（R11305）后，为此使悬浮液温度达到后面设备（X11401）离心机的操作要求。为使悬浮液降到45℃，用泵（P11309）以80m2/h流量将浆料引入换热器（E11310）进行釜外循环。缓冲罐压力为0.02MPa（表），是通过压力表控制气液分离器（R11309）气体排放量实现的。正常操作时，缓冲罐维持20-40%液位，以保证有一定的缓冲余量。3.2.2蒸汽蒸馏系统该系统是将聚合系统来的聚合物悬浮液经离心机分离，分离所得母液送至m化剂制备系统循环利用，含有稀释剂的粉末经螺旋输送器送至水蒸气蒸馏金（R11403A），经双釜串联水蒸气蒸馏，稀释剂通过水蒸气被带出，剩下的大约含湿10%的粉末送往干燥工段。来自缓冲罐（R11305）的悬浮液由泵打入沉降离心机（X11401）中进行离心分离，温度为45℃，压力为0.01MPa。部分稀释剂（80%）被分离出来作为母波自流至催化剂制备罐（R11210）循环利用。分离后含稀释剂的物料经螺旋输送器（L11402）送入水蒸气蒸馏釜（R11403），该釜共有两台，进行串联操作。低压蒸汽通过过滤器（R11411）由压力控制阀减压至0.08MPa（表），直接加入到蒸气蒸馏釜（R11403）内。每台釜有两个蒸汽入口，流量分别由蒸汽管线上的流量控制器控制，聚合釜由釜内蒸汽温度控制为98℃。稀释剂和水的混合蒸汽由釜顶部出去，一部分到氮气预热器（E11502），对其进行第一段加热。由蒸气蒸馏釜（R11403A/B）得到含湿10%的聚乙烯粉末，经过螺旋脱水器（X11415）送至流化床干燥器（X11504）进行干燥。由蒸气蒸馏釜顶端通过颈管流出来的蒸汽冷凝液自流至水槽（R11408），通过水泵（P11410）又返回到蒸馏釜，多余部分有水槽（R11408）排至下水道。来自稀释剂蒸馏的低聚物蜡加入到第一釜内。沉降离心机（X11401）内部氮封，残留的乙烯气体和部分稀释剂蒸汽通过氮封罐（R11412）经气液分离器（R11313）后排往火炬（S11315）。3.2.3粉末干燥系统来自蒸汽蒸馏釜的湿粉末经过杓轮进入硫化床干燥器（11504X）用热氮气分三段进行干燥.干燥后的粉末通过11506X轮用鼓风机（11511X）风送至粉末均化系统。结块的粉末经振动筛（11507X）将其筛出。出干燥器的氮气带有部分粉料，进入袋滤器（11510Xa/b），分离所夹带的聚乙烯粉末，分离后的氮气进入氮气冷却塔（11509X）。分离下来的粉末经星型出料器返回干燥器（11504X）。在氮气冷却塔中，氮气和冷却水逆流接触而得到冷却并析出超出该温度下饱和部分的水分。出塔的氮气经引风机（11548）、鼓风机（11505X）增压后入第一氮气加热器（11545）和第二氮气加热器（11546），分别用副产蒸汽和低压蒸汽供热。加热后的氮气再进入流化床（11504X），从而完成闭合循环。从水蒸汽蒸馏（上一工序）来的含稀释剂的水蒸汽在本工序进行废热利用后，内凝液在分离器（11513）中进行倾析分层，分离得到的稀释剂将送到回收（1141X），水层送到（11406）。

第4章物料衡算和热量衡算4.1聚合釜物料衡算4.1.1基础数据设计产量5.25×107/年聚乙烯粉末，年运转时间8000小时,原料单耗1027千克EE/吨PE产品牌号：GF7750原料气配比：EE:PPY:H2:1：0.004：0.0007（质量比）稀释剂EV中烷烃C8:C9:C10:C11=0.117：0.508：0.334：0.041（质量比）聚合釜中Ti的浓度：0.1-0.35mmolTi/L（EV）聚合釜中Al的浓度:0.6-0.9mmolAl/L（EV）催化剂悬浮液中Ti的浓度：1.29mmolTi/L（EV）催化剂悬浮液中Al的浓度：2.01mmolAl/L（EV）催化剂悬浮液中Ti、Mg的摩尔比：1.5：1相比：EV（m3）/（EE+PPY）=3.5-4.0m3EV/t原料气总转化率：98.4﹪低聚物转化率生成量的0.75-1.5﹪（以单体转率计）釜中蜡的浓度不超过1﹪Ti的利用率为20%4.1.2计算项目原料气的流量及组成聚乙烯和蜡的生成量催化剂悬浮液流量及组成循环母液流量及新鲜稀释剂的流量活化剂的消耗量出聚合釜的物料流量及组成4.1.3聚合釜物料衡算设计计算原料气聚合釜催化剂悬浮液浆料聚合釜氢气图4-1聚合釜的物料平衡图原料气的流量及组成单线产量为5.25×107/年,计算基准为千克/小时原料气的消耗量=6739.69kg/h原料气配比：乙烯：丙烯：氢气=1：0.004:0.0007乙烯的流量（1+0.004）×6739.69=6712.84kg/h丙烯的流量6739.69-6712.84=26.85Kg/h乙烯的纯度为99.9%丙烯的纯度为99.8%纯乙烯的流量99.9%×6712.84=6706.13Kg/h纯丙烯的流量99.8%×26.85=26.80Kg/h乙烯杂质流量0.1%×6712.84=6.71Kg/h丙烯杂质流量0.2%×26.85=0.05Kg/h氢气的流量0.0007×6706.13=4.69Kg/h聚乙烯和蜡的生成量取蜡的生成量占总转化率的0.8%蜡的生成量（6706.13+26.80）×98.4%×0.8%=53.00Kg/h聚乙烯生成量（6706.13+26.80）×98.4%-52.53=6572.20Kg/h催化剂悬浮液流量及组成取聚合物中Ti的浓度为0.15mmolTi/L（EV）Al的浓度为0.9mmolAl/L（EV）相比为3.7m3EV/t原料气聚合釜中EV体积流量3.7×10-3×（6712.84+26.85）=24.94m3/h聚合釜温度为80℃时，EV的密度[9]为676Kg/m3聚合釜中EV的流量676×24.94=16859.44Kg/h聚合釜中Ti的含量0.15×24.94=3.74mol/h聚合釜中TiCl4含量3.74×190×10-3=0.71Kg/h聚合釜中Al的含量0.9×24.94=22.45mol/h聚合釜中Al（Et）3含量22.45×114×10-3=2.56Kg/h催化剂悬浮液中Ti的浓度：1.29mmolTi/L（EV）催化剂悬浮液中Al的浓度：2.01mmolAl/L（EV）催化剂悬浮液中EV体积流量=2.90m3/h催化剂悬浮液温度为40℃时，EV的密度为706Kg/m3催化剂悬浮液中EV的流量2.90×706=2047.40Kg/h催化剂悬浮液中Al的含量2.01×2.90=5.83mol/h催化剂悬浮液中Al（Et）3流量5.83×114×10-3=0.66Kg/h催化剂悬浮液中Ti、Mg的摩尔比：1.5：1催化剂悬浮液中Mg的含量=2.49mol/h催化剂悬浮液中Mg（OEt）2流量2.49×114×10-3=0.28Kg/h循环母液流量及新鲜稀释剂的流量从离心机分离出来的滤液有一部分循环回聚合釜，聚合釜中蜡的浓度是1.1﹪,由后面离心机数据得循环母液流量为11543.11g/h，循环母液中蜡的量为115.59Kg/h,循环Al（Et）3的流量1.76Kg/h新鲜稀释剂中EV的流量新鲜稀释剂量=稀释剂总量-循环母液中EV的量-催化剂悬浮液中EV的量=16859.44-11543.11-2047.40=3268.93Kg/h活化剂的消耗量新鲜稀释剂中Al（Et）3的流量2.56-0.66-1.76=0.14Kg/h出聚合釜的物料流量及组成聚乙烯的量6572.20Kg/h未反应的乙烯量1.6%×6706.13=107.30Kg/h未反应的丙烯量1.6%×26.80=0.43Kg/h氢气的量4.69Kg/h杂质的量6.71+0.05=6.76Kg/hAl（Et）3的量2.56Kg/hMg（OEt）2的量0.28Kg/hTiCl4的量0.71Kg/h出聚合釜的EV（稀释剂）16859.44Kg/h取聚合釜蜡的含量为1﹪则出聚合釜蜡量为16859.44×1﹪=168.59Kg/h聚合釜物料平衡表见表4-1表4-1聚合釜物料平衡表组分进料Kg/h出料Kg/h纯乙烯6706.13107.30纯丙烯26.800.43氢气4.694.69TiCl40.710.71Mg（OEt）20.280.28Al（Et）32.562.56聚乙烯0.006572.20蜡115.59168.59EV16859.4416859.44杂质6.766.76总计23722.9623722.964.2前聚合釜热量衡算4.2.1基础数据聚乙烯和蜡为固态，混合气、杂质和氢气为气态，催化剂悬浮液和EV为液态原料气进料温度为25℃，循环母液温度为40℃，催化剂悬浮液温度为40℃冷却水进口温度为30℃，冷却水出口温度为40℃乙烯比热[10]为1.554KJ/（Kg·℃），丙烯比热1.525KJ/（Kg·℃）EV比热为2.47KJ/（Kg·℃），聚乙烯比热为2.55KJ/（Kg·℃）物料反应热为920Kcal/（Kg·h）电机的搅拌功率为150KW操作温度为84℃，热损失为5%4.2.2聚合釜热量衡算设计计算 水40℃原料气25℃浆料84℃Cat悬浮液40℃冷却水30℃新鲜稀释剂循环母液30℃图4-2K11301A/B热量恒算图计算基准：基准单位为Kg/h，基准温度为84℃，聚乙烯和蜡为固态，催化剂悬浮液和EV为液态，氢气、乙烯、丙烯和杂质为气态进料热量Q1Q原料气=mcp（t2-t1）（4-1）=（6712.84+4.69）×1.554×（25-84）+26.08×1.525×（25-84）=-618314.79KJ/hQ 催化剂=（2047.40+0.66+0.28+0.71）×2.47×（40-80）=-222690.75kg/hQ循环液=（11543.11+115.59+1.76+0.14+3268.93）×2.47×（40-84）=-1622541.32KJ/hQ1=Q原料气+Q催化剂+Q循环液=-618314.79-222690.75-1622541.32=-2463546.86KJ/h反应热Q2Q2=m×I（4-2）=98.4%×（6706.13+26.80）×920×4.18=25477881.12KJ/h搅拌产热Q3Q3=150×3600=540000KJ/h出料热Q4Q4=0热损失Q6Q6=5%×（Q1+Q2+Q3）=5%×（-2463546.86+25477881.12+540000）=1177716.71KJ/h热负荷Q5Q5=Q1+Q2+Q3-Q6=-2463546.86+25477881.12+540000-1177716.71=22376617.55J/h聚合釜热量平衡表见表4-2表4-2聚合釜热量平衡表项目Q进KJ/hQ出KJ/hQ1-2463546.86——Q225477881.12——Q3540000——Q4————Q5——22376617.55Q6——1177716.71总计23554334.2623554334.264.3后聚合釜热量衡算4.3.1基础数据电机的搅拌功率为37KW操作温度为70℃，热损失为5%4.3.2后聚合釜热量衡算计算基准基准单位为KJ/h，基准温度为70℃，聚乙烯和蜡为固态，催化剂悬浮液和EV为液态，氢气、乙烯、丙烯和杂质为气态4.3.3后聚合釜热量衡算设计计算 水40℃来自K11301浆料70℃ 浆料84℃冷却水30℃图4-3K11303热量衡算图进料热量Q1QPE=6572.20×2.55×（84-70）=234627.54KJ/hQ乙烯=（107.30+0.43+6.71+0.05+4.69）×1.554×（84-70）=2592.88KJ/hQEV=（168.59+16859.44）×2.47×（84-70）=588829.28KJ/hQ催化剂=（0.71+2.56+0.28）×2.47×（84-70）=122.76KJ/hQ1=QPE+Q乙烯+QEV+Q催化剂=234627.54+2592.88+588829.28+122.76=826172.46KJ/h搅拌产热Q2Q2=37×3600=133200KJ/h热损失Q3Q3=5%×（Q1+Q2）=5%×（826172.46+133200）=47968.62KJ/h热负荷Q4Q4=Q1+Q2-Q3=826172.46+133200-447968.62=911403.84KJ/h后聚合釜热量平衡表见表4-3表4-3后聚合釜热量平衡表项目Q进KJ/hQ出KJ/hQ1826172.46——Q2133200——Q3——47968.62Q4——11403.84总结959372.46959372.464.4缓冲罐的物料衡算4.4.1基础数据乙烯和丙烯占尾气总量的44.16%EV占尾气总量的9.78%其他不凝气（H2、N2、杂质）占尾气总量的46.06%4.4.2计算项目去冷凝罐的气体流量及组成去离心机的流量及组成4.4.3缓冲罐物料衡算设计计算废气（EE+EV+不凝气）缓冲罐来自聚合釜浆料浆料缓冲罐图4-4K11305物料衡算图去冷凝罐的气体流量及组成尾气总量=243.95kg/h尾气中EV的量9.78%×243.95=23.86Kg/h尾气中不凝气（H2、N2、杂质）的量46.06%×243.95=112.36Kg/h去离心机的流量及组成聚乙烯的量6572.20Kg/h蜡的量168.59Kg/hTiCl4的量0.71Kg/hMg（OEt）2的量0.28Kg/hAl（Et）3的量2.56Kg/hEV的量16859.44-23.86=16835.58Kg/h缓冲罐物料平衡表见表4-4表4-4缓冲罐物料平衡表组分进料Kg/h出料Kg/h去离心机去冷凝罐聚乙烯6572.206572.20——EV16859.4416835.5823.86蜡168.59168.59——TiCl40.710.71——Mg（OEt）20.280.28——Al（Et）32.562.56——乙烯107.30——107.30总计23711.0823711.084.5缓冲罐的热量衡算4.5.1基础数据电机的搅拌功率为37KW操作温度为45℃，热损失为5%4.5.2缓冲罐热量衡算计算基准基准单位为KJ/h，基准温度为45℃，聚乙烯和蜡为固态，催化剂悬浮液和EV为液态，氢气、乙烯、丙烯和杂质为气态4.5.3缓冲罐热量衡算设计计算气体45℃来自聚合釜浆料浆料45℃70℃图4-5K11305热量衡算图进料热量Q1QPE=6572.20×2.55×（70-45）=418977.75KJ/hQEV=（16859.44+168.59）×2.47×（70-45）=1051480.85KJ/hQ催化剂=（2.56+0.71+0.28）×2.47×（70-45）=219.21KJ/hQ乙烯=（107.30+0.43+4.69+6.76+0.05）×1.554×（70-45）=4632.09KJ/hQ1=QPE+QEV+Q催化剂+Q乙烯=418977.75+1051480.85+219.21+4632.09=1475309.91KJ/h搅拌产热Q2Q2=37×3600=133200KJ/h排气带出热Q3EV的汽化热85.15×0.117+84.98×0.508+81.70×（0.334+0.041）=83.77J/gQ3=23.86×83.77=1998.75KJ/h热损失Q4Q4=5%×（Q1+Q2）=5%×（1475309.91+133200）=80425.50KJ/h热负荷Q5Q5=Q1+Q2-Q3-Q4=1475309.91+133200-1998.75-80425.50=1526085.66KJ/h缓冲罐热量平衡表见表4-5表4-5缓冲罐热平衡表项目Q进KJ/hQ出KJ/hQ11475309.91——Q2133200——Q3——1998.75Q4——80425.50Q5——1526085.66总结1608509.911608509.914.6离心机物料衡算4.6.1基础数据离心机的分离效率为80%操作条件：操作温度为45℃，操作压力为0.01MPaPE粉末进入滤液的量约为滤液总量的0.005%4.6.2离心机物料衡算的计算项目去滤饼的物料流量及组成去回收工段的物料及组成去聚合釜循环母液的流量及组成4.6.3离心机物料衡算设计计算离心机自缓冲罐物料滤饼20％离心机回聚合釜滤液80％去回收工段图4-6X11401物料衡算图去滤饼的物料流量及组成PE的量6572.20-80%×16835.58×0.005%=6571.53Kg/h蜡的量20%×168.59=33.72Kg/hAl（Et）3的量20%×2.56=0.51Kg/hEV的量20%×16835.58=3367.12Kg/hTiCl4的量0.71Kg/hMg（OEt）2的量0.28Kg/h去回收工段的物料及组成PE的量6572.20-6571.53=0.67Kg/h回收蜡的量51.49-33.72=19.28Kg/h循环蜡的量80%×168.59-19.28=115.59Kg/h滤液中EV的量80%×16835.58=133468.46Kg/h=回收EV的量=1925.35kg/h循环EV的量133468.46-1925.35=11543.11kg/h滤液中Al（Et）3的量80%×2.56=2.05Kg/h=回收Al（Et）3的量=0.29kg/h循环Al（Et）3的量2.05-0.99=1.76Kg/h去聚合釜循环母液的流量及组成循环EV的量11543.11Kg/h循环蜡的量115.59Kg/h循环Al（Et）3的量1.76Kg/h离心机物料平衡表见表4-6表4-6离心机物料平衡表组分进料Kg/h出料kg/h去蒸馏釜去循环母液去回收工段PE6572.206571.53——0.67蜡168.5933.72115.5919.28AI（Et）32.560.511.760.29Mg（OEt）30.280.28————TiCl40.710.71————EV16835.583367.1211543.111925.35总计23579.9223579.924.7蒸汽蒸馏釜物料衡算及热量衡算4.7.1设计依据低压水蒸气规格1.8×105Pa（绝压）工艺水（8个计量点）每个计量点50L/h，95℃回流蜡含蜡20%（占去回收工段蜡量95%），20℃工艺要求出蒸汽蒸馏釜物物料含湿率≤10%，含EV≤0.3%釜内搅拌器（8台）每台P=11kw热损失为总热量的5%操作条件T=98℃P=0.01MPa（表压）4.7.2计算项目出蒸汽蒸馏釜的物料量及组成出蒸汽蒸馏釜的混合气的物料量及组成出蒸汽蒸馏釜的废水量进蒸汽蒸馏釜的低压水蒸气量4.7.3计算混合气98℃回流蜡120℃工艺水95℃蒸汽蒸馏釜来自离心机物料45℃去流化床物料98℃蒸汽蒸馏釜低压水蒸汽废水98℃117℃图4-7蒸汽蒸馏釜物料和热量平衡图计算基准：物料流量以kg/h计。出蒸汽蒸馏釜的物料量及组成进蒸汽蒸馏釜的PE流量，为6571.53kg/h因为回流蜡为回收工段蜡的95%，则出釜后的蜡量：19.28×95％+33.72=52.04kg/hTiCl4=0.71kg/hMg（OEt）2=0.28kg/hAl（Et）3=0.51kg/h合并在一起，为出蒸汽蒸馏釜的PE总量出釜后PE的物料量=6571.53+52.04+0.71+0.51+0.28=6625.07kg/h取物料含湿率为10%，则出蒸汽蒸馏釜总物料量：=7361.19kg/h取物料中含EV率为0.3%，则总出物料EV的量：7361.19×0.3%=22.08kg/h总出物料中含水量：7361.19×10%–22.08=714.04kg/h出蒸汽蒸馏釜混合气的物料量及组成混合气中EV的量回流蜡中EV的量：19.28×95%/20%×80%=73.26kg/h混合气中EV的量=滤饼带入EV+回流蜡带EV–出釜物料带出EV=3367.12+73.26-22.08=3418.30kg/h混合气中水蒸汽的量依据理想气体分压定律[14]，可得混合汽中水蒸汽质量流量与两组份饱和蒸汽压间关系如下：GEV=（P操-P饱和水）·MEV因为操作压力为0.01MPa（表压）=0.01×106Pa绝对压力=表压+大气压=（0.01×10+1.013）×105=1.113×105Pa即釜内总操作压力为P操=1.113×105Pa查表得98℃时，水的饱和蒸汽压P饱和水=0.943×105PaEV的摩尔质量MEV=132.186g/mol水的摩尔质量M水=18g/mol （4-3）以上按饱和蒸汽计算，实际为非饱和值，其不饱和度在60%-80%之间，取不饱和度为70%，则混合气中水蒸汽的量为出蒸汽蒸馏釜的废水量和低压水蒸气量计算基准：基准温度为0℃，物料流量以kg/h计，PE和蜡以固态，EV、废水和工艺水以液态。根据（4-4）即Q1+Q2+Q3+Q4+W=Q5+Q6+Q7式中，Q1滤饼进料带入的热量，kJ/hQ2低压水蒸汽带入的热量，kJ/hQ3工艺水带入的热量，kJ/hQ4回流蜡带入的热量，kJ/hW搅拌功，kJ/hQ5混合汽带出的热量，kJ/hQ6废水带出的热量，kJ/hQ7出蒸馏釜物料量带出的热量，kJ/hQ1的计算查表得PE的比热cp=2.55kJ/kg·℃，EV的比热为CP=2.208kJ/kg·℃聚乙烯PE的质量=6751.53+33.72=6758.25kg/hEV的质量=3367.12+0.71+0.28+0.51=3368.62kg/hQ1=mPE·cPE（t2-t1）+mEV·cEV（t2-t1）=6758.25×2.55×45+3368.62×2.208×45=1113311.52kJ/hQ2的计算设低压水蒸汽流量为Skg/h，1.8×105Pa（绝压）下，低压水蒸汽对应的温度为117℃。查表得117℃时水蒸汽的焓值I=2704.34kJ/kgQ2=S×I=2704.34SkJ/hQ3的计算查表得水的比热cp=4.213kJ/kg·℃水的密度ρ=961.85kg/m3Q3=m·cp（t2-t1）=（50×8×961.85×10-3）×4.213×（95–0）=153986.41kJ/hQ4的计算查表得蜡的比热cp=2.55kJ/kg·℃EV的比热cp=2.356kJ/kg·℃Q4=m1c1（t2-t1）+m2c2（t2-t1）=（19.28×95%）×2.55×（120–0）+73.26×2.356×（120–0）=26316.76kJ/hW的计算W=8×11×3600=316800kJ/hQ5的计算查表得水的比热cp=4.213kJ/kg·℃EV的比热cp=2.323kJ/kg·℃98℃时EV的汽化热γEV=326.558kJ/kg水的汽化热γ水=2265.9kJ/kg水蒸汽带出的热量=3669.89×4.213×（98–0）+3669.89×2265.9=9706943.72kJ/hEV蒸汽带出的热量=3418.30×2.323×（98–0）+3418.30×326.558=1897578.32kJ/hQ5=Q水+QEV=11604522.14kJ/hQ6的计算设废水流量为Ykg/h，查表得98℃时水的焓值I=410.676kJ/kgQ6=Y×I=410.676YkJ/hQ7的计算=（6625.07+22.08）×2.55×（98–0）+714.0764×4.213×（98–0）=1955943.72kJ/h因为Q1+Q2+Q3+Q4+W=Q5+Q6+Q7，代入数据整理得：6.59S=Y+29792.17a根据进、出蒸汽蒸馏釜的水量相等，有以下等式：S+50×8×961.85×10-3=Y+3669.89+714.04整理得S=Y+3999.19ba与b联立方程组，解得低压蒸汽量S=4614.13kg/h废水量W=614.94kg/h考虑加热过程中有5%的热损失，则实际低压水蒸汽用量：S实=S（1+5%）=4844.84kg/h工艺水的计算根据进水量等于出水量S+G工艺水=W物料中的水+W废水+W混合气的水G工艺水=693.64+542.83+3625.43-4477.16=384.74kg/h蒸汽蒸馏釜物料平衡见表4-7。表4-7蒸汽蒸馏釜物料平衡表物料名称进口流量（kg/h）出口流量（kg/h）去向PE6571.536571.53流化床蜡52.0452.04流化床EV3440.383418.30回收工段22.08流化床TiCl40.710.71流化床Al（Et）30.510.51流化床Mg（OEt）20.280.28流化床低压水蒸汽4614.130工艺水384.740废水0614.94回收工段水蒸汽03669.89回收工段物料中含水0714.04流化床合计15064.3215064.324.8流化床干燥器物料衡算及热量衡算4.8.1设计依据4.8.2计算项目出口物料及组成；干燥介质氮气流量；出口干燥介质温度和露点温度。4.8.3计算 出去干燥气流化床干燥器来自蒸汽蒸馏釜物料PE粉末流化床干燥器干燥气（N2）图4-8流化床干燥器物料平衡图计算基准：基准温度为0℃，物料流量以kg/h计，物料以固态、水以液态、氮气以气态为基准。出口流量及组成计算PE=6625.07kg/h进口物料量含湿率为7%，则进口物料量的干基含湿率为进口湿物料总量G1=Gc（1+X1）=6625.07（1+7.53%）=7123.94kg/h出口物料量干基含湿率为则出口物料总量G2=Gc（1+X2）=6625.07×（1+0.1%）=6631.70kg/h其中含水量=G2－Gc=6631.70－6625.07=6.63kg/h脱除水量=G1－G2=7123.94-6631.70=492.24kg/h干燥介质氮气流量的计算因氮气作干燥介质，它既是载湿体，又是载热体，为湿分气体提供热能，因此氮气消耗量可由干燥器的热量平衡求得。列平衡算式[14]：GcCm1θ1+LCH1t1+GN2CH1θ1=GcCm2θ2+（L+GN2）CH1t2+W（γ0+Cvt2）（4-5）式中：GN2输送湿物料所用氮气量582.00kg/hGc绝干物料量6625.07kg/hCm1，Cm2分别为进、出物料混合比热kJ/kg绝干料·℃Cs绝干物料比热2.55kJ/kg绝干料·℃W被脱出水分量770.810kg/hγ00℃时水的汽化热2493.65kJ/kgCv水蒸汽的比热1.86kJ/kg水·℃CL液态水97℃时的比热4.212kJ/kg·℃L绝干氮气流量kg绝干氮气/hCH1氮气的进口湿比热kJ/kg绝干料·℃Cg绝干氮气的比热1.04kJ/kg绝干料·℃Cm1=Cs+CL·X1=2.55+4.212×7%=2.84kJ/kg绝干料·℃（4-6）Cm2=Cs+CL·X2=2.55+4.212×0.1%=2.55kJ/kg绝干料·℃CH1=Cg+Cv·H1（4-7）式中，H1进口氮气的含湿率0.0278kg水汽/kg绝干氮气CH1=1.04+1.86×0.0278=1.09kJ/kg绝干料·℃将以上各数据代入衡算式中：6625.07×2.84×97+L×1.09×113+582×1.09×97=6625.07×2.55×70+（L+582）×1.09×70+614.94×（2493.65+1.86×70）解得L=19417.6kg绝干氮气/h，考虑有5%的热损失，实际需氮气量：L实=L×（1+5%）=20388.65kg绝干氮气/h出口干燥介质温度和露点温度td的计算H2=H1+W/L实（4-8）式中，H2氮气出口的含湿率kg水汽/kg绝干氮气W脱除水量478.17kg/hH2=0.0278+64.94/20388.65=0.058kg水汽/kg绝干氮气查湿焓图，当H2=0.058kg水汽/kg绝干氮气，露点温度td=39℃，故废气出口温度高于露点温度30℃，所以物料不会反潮。流化床干燥器的物料平衡见表4-8。表4-8流化床干燥器的物料平衡表物料名称进口流量（kg/h）出口流量（kg/h）PE6625.076625.07水614.94614.94氮气20388.6520388.65合计27628.6627628.66第5章离心机工艺设计5.1设计依据5.1设计依据离心机的进料组成：PE=6572.20，EV=16835.58（2）进料温度为45℃（3）液体密度ρ1=750kg/m3（4）固体密度ρ2=961kg/m3（5）液体粘度μ=0.563x10-3Pa·s5.2设计项目固相粒子的沉降速度u（2）极限粒子直径dmin（3）最小分离因数Frmin（4）生产能力Q（5）离心机的台数N5.3计算离心机的主要参数离心机转鼓圆柱部分直径D=600mm、长730mm,圆锥部分的锥角16度、长666mm、螺旋与转鼓间的间隙为0.5mm。转鼓转速2300r/min，，螺旋转速2342r/min,差转速42r/min,在离心机中稀释剂脱除80%，操作温度为45℃，操作压力为1MPa。当悬浮液与原料气的比为3.0时，聚乙烯悬浮液螺旋沉降离心机的物料平衡见表5-1表5-1离心机设计数据表项目进料出料固体母液聚乙烯6572.206572.200蜡168.5953.00115.59续项目进料出料固体母液稀释剂16835.585292.4711543.11小计23576.3723576.37（2）固相粒子沉降速度u粒子运动所处的区域在45℃时，μ=0.563×10-3Pa.s,密度等于749Kg/m3,，△ρ=211Kg/m3,并且知道d=10-5m,所以j=ω2r=（2πn/60）2×D/2j=(2×3.14×2300/60)2×0.6/2=17385.76j-离心加速度；ω-转鼓回转角速度；D-转鼓直径Ar=Ar=d3ρ1∆ρj/μ2（5-1）Ar=（10-5）3×749×211×16835.58/（0.563×10-3）2=8.39d-粒子直径；ρ1-液相密度；μ-液相动力粘度。8.39小于28.8，所以粒子沉降属层流。所以固相粒子沉降速度为：u=（10-5)2×211×9.81/(18×0.563×10-3)=2.04×10-5m/s=0.0734(m/h)（3)极限粒子直径ω=2×3.14×2300/60=240.73T=273.15+45=318.15Kdmin=1.734（T/Δρω2r）1/4（5-2）=1.734×（318.15/0.211×240.732×30)1/4=0.3μm设计上，要求离心机分离出粒径在1μm以上颗粒的聚乙烯。由计算结果可以看出，离心机满足设计要求（4）最小分离因数Frmin=1.7344T/d4gΔρ （5-3）=1.7344×318.15/（14×9.81×0.211）=1390Fr=（2×3.14×2300/30）2×0.6/2/9.81=1773Fr>Frmin说明该离心机的Fr符合工艺要求。（5）生产能力根据离心机的结构，D=0.6m、L=0.730+0.666=1.396（m)、h=0.666tg16=0.19(m).λ=0.19/0.30=0.63，则S=2340.88m2ζ=16.64（∆ρ/ρ1）0.3359(D/L)0.3607（5-4）螺旋沉降离心机的修正系数=16.64（211/749)0.3359(110-5/1.396)0.3674=0.1401离心机处理悬浮液的最大体积流量Q=0.1401×0.0734×2340.88=24.05m3/h由表5-1通过计算可以得到聚乙烯悬浮液中各组分的浓度：聚乙烯固相浓度：6672.20/23576.37=0.2788t/m3稀释剂的浓度：16835.58/23576.37=0.7141t/m3聚乙烯蜡的浓度：168.59/23576.37=0.0072t/m30.2788W/ρ2+0.7141W/ρ1+0.0072W/ρ2=24.05其中ρ1=749Kg/m3，ρ2=960Kg/mW=19219.6855Kg/h聚乙烯的最大生产力P=4.375×19219.6855/23576.37=3.567t/h离心机的台数离心机所进浆料量F1=23576.37㎏/h。已知40℃时浆料的密度ρ浆料=640kg/m3，故有计算得：V浆料/ρ浆料=23576.37/640=36.8240m3/h因为离心机的最大体积流量为24.05m3/h，所以所需离心机的台数为：N=V浆料/Q=24.05/36.8240=0.653＜1所以，所需离心机的台数为1台第6章原材料、动力消耗定额及消耗量6.1原材料消耗定额原材料消耗定额见表6-1。表6-1原材料消耗定额表材料消耗定额乙烯和共聚单体1027Kg∕tHDPE稀释剂3.7Kg∕tHDPE氢气0.7Kg∕tHDPE四氯化钛0.2Kg∕tHDPE烷基铝0.68Kg∕tHDPE乙氧基镁0.41Kg∕tHDPE聚合物添加剂3.0Kg∕tHDPE6.2公用工程规格公用工程规格见表6-2。表6-2公用工程规格表名称单位最大流量正常流量最大压力最小压力正常压力温度℃IAm3∕h3502010.90.50.6环境PAm3∕h397.80.90.50.6环境WSKg∕h21.50.90.30.8环境MNm3∕h21.51.81.51.5环境HSkg∕h6004291268300-520MSkg∕h280035003.93.23.3380-420LSkg∕h450035000.60.20.4230-2706.3公用工程消耗定额及消耗量公用工程消耗定额及消耗量见表6-3.表6-3公用工程消耗定额及消耗量名称消耗定额电600kWh∕tHDPE高压蒸汽（HS）97kg∕tHDPE低压蒸汽（LS）820kg∕tHDPE中压蒸汽（MS）300kg∕tHDPE脱险水（SM）697kg∕tHDPE冷却水（CW）220m3∕tHDPE压缩空气（AIP）50m3∕tHDPE仪表风（IA）350m3∕tHDPE氮气27.74m3∕tHDPE第7章生产控制分析7.1HDPE生产中间控制中间控制分析见表7-1。表7-1HDPE生产中间控制分析表序号分析项目单位频率Gc7260GD7255L