【《基于Spheripol工艺的聚丙烯树脂生产设计》6200字（论文）】

基于Spheripol工艺的聚丙烯树脂生产设计目录TOC\o"1-3"\h\u32518引言 2313751聚丙烯树脂及其生产工艺的基本论述 3158001.1聚丙烯树脂的基本概述 3266571.2聚丙烯树脂的用途 334951.3聚丙烯树脂的生产工艺 3280361.3.1几种主要的聚丙烯树脂工艺 3247171.3.2工艺原理 49631.3.3本设计拟采用的生产工艺 4185871.3.4催化剂的选定 5174962工艺计算 5126162.1工艺基准 6197622.2物料衡算 619722.2.1催化剂用量 6189762.2.2R200小环管的物料衡算 658792.2.3氢气用量 7302892.2.4R201大环管反应器的物料衡算 7164052.2.5D301闪蒸罐的物料衡算 8161322.2.7D501汽蒸罐的物料衡算 9129142.2.8造粒 10145042.2热量衡算 10125322.2.1计算依据[11] 10250752.2.2R200小环管的热量衡算 1044142.2.3大环管反应器的热量衡算 11196423工艺设备选型 12198713.1R200小环管的选型 13170453.1.1R200小环管的工艺参数 1319693.1.2主要作用 13275383.1.3选型 1322373.2R201大环管反应器的选型 13285453.2.1R201大环管反应器的工艺参数 13302953.2.2特点 1337443.2.3选型及结构 13258153.3设备一览表 14216814经济核算 14324054.1市场分析及选址 1425027下图为2009年到2020年聚丙烯价格平均价格趋势情况，2014年平均价每吨为10046.5元，2015年价格大幅度下降到每吨6858.5元，截至2020年平均 14281834.2三废处理 15241144.3劳动安全 15272764.4成本费用估算 157079结论 16335附图 18摘要：聚丙烯树脂作为多用途的一种合成树脂，国内外市场需求很大，研究出低成本、高药效的生产工艺变得尤为重要。目前已有溶液法、浆料法、液体本体法、气相法和本体-气相法五类生产聚丙烯树脂的工艺，而传统工艺的产品应用范围有限，本次工艺设计选用的Spheripol工艺为增加应用可能性，运用了环管反应器，使其可在超临界条件下操作。针对本年产10万吨聚丙烯树脂生产工艺设计的项目，尽可能贴近实际的工业化生产，优选催化剂进行物理衡算和能量衡算，并确定设备选型，最后进行环保和安全规划及经济核算。选用这种工艺方法，流程简单、投资省、成本低，希望未来可大规模投入聚丙烯工业生产，以满足市场需求，创造更大的社会和经济效益。关键词：聚丙烯树脂；液相本体聚合；Spheripol工艺；引言聚丙烯树脂具有高稳定性和较好的机械性能等特点，可适用于服装、注塑、管材、包装等广泛领域，中国聚丙烯企业的竞争日益激烈，对全球供应起着举足轻重的作用，聚丙烯树脂的生产和出口量都将大幅提高，发展的前景良好[1]。从意大利化学家纳塔合成出结晶型等规聚丙烯，为聚丙烯树脂生产提供技术可能性后，聚丙烯树脂最初采用淤浆工艺，惰性液相作为稀释剂，脱催化剂残渣、脱无规物、溶剂回收等多种复杂工序，造成设备繁多、占据工厂有效面积、浪费人力物力等现象。随着生产发展，溶剂工艺应运而生，但仍需其他溶剂用于稀释液态丙烯，也存在需脱灰、脱无规物、溶剂回收工序等缺点，继而又研究出用液态丙烯本身稀释的本体工艺，采用高活性催化剂省去复杂工序。此后，本体工艺逐渐演变为液相、气相本体工艺[2]。本次生产过程中选择Spheripol工艺，其不同于其他传统工艺，是将液相预聚合、液相均聚和气相共聚相等反应结合，可在高温或超临界条件下操作，应用范围广泛，并具有流程简单、投资省、成本低等特点，发展的前景良好。1聚丙烯树脂及其生产工艺的基本论述1.1聚丙烯树脂的基本概述聚丙烯树脂（PP）是丙烯单体的高分子量聚合物。分为等规物、无规物、间规物三种构型，化学式为(C3H6)n，密度为0.89~0.91g/cm3，通常为无色半透明的固体，易燃，熔点189℃，在155℃左右软化，使用温度范围为-30~140℃[3]。聚丙烯制品具有热塑性、比重轻、耐化学腐蚀等优点。1.2聚丙烯树脂的用途可用于薄膜制品（如流延薄膜、双向拉伸薄膜等）、挤塑制品（管材、单丝、型材等）、注塑制品（如工程配件、建筑材料、医疗卫生器材等）以及其他合成木材材料等多项用途。1.3聚丙烯树脂的生产工艺1.3.1几种主要的聚丙烯树脂工艺查阅资料得知，聚丙烯树脂生产工艺主要有溶液法、淤浆法、气相法、液相本体法和本体-气相法五大类[4]。表1几种聚丙烯树脂工艺对比工艺名称工艺特点淤浆法工艺在惰性液相溶剂中，催化剂促进丙烯聚合。聚合物为悬浮的固体颗粒；采用离心分离过滤PP颗粒，经过气流沸腾干燥后挤出；有脱灰、脱无规物、溶剂回收等过程。溶液法工艺在高沸点自链烃溶剂，在高温下操作，所得全部聚合物均匀分布在溶剂中；采用高温气提法，蒸发去除溶剂后，得到熔融状聚丙烯，再经挤出造粒；方法成本高，温度高，工艺流程复杂，应用范围有限；气相法不引入溶剂，使用流化床等反应器，丙烯为气相进行相关反应;流程简单、设备少、成本低。液相本体法（含液相气相组合式）系统不引入溶剂，丙烯为液相进行系列反应，在流化床反应器中进行共聚反应；均聚采用釜式搅拌或环管反应器，共聚反应用搅拌式流化床反应器。设备少、成本低、流程简单，有效减少动力消耗，应用更广泛；1.3.2工艺原理（1）丙烯精制的原理[5]：丙烯先在固碱塔预精制和保安精制成精丙烯，涉及反应有：2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O2NaOH+H2S=Na2S+2H2ONaOH+nH2O=NaOH·nH2O分子筛塔吸附脱除微量的水，汽提塔脱除CO，脱硫塔脱除羰基硫：COS+H2O=H2S+COZnO+H2S=ZnS+H2O脱砷塔中脱除砷化氢：2AsH3+2CuO=2CuAs+2H2O+H22AsHg+Al2O3=2A1As+3H2O（2）丙烯聚合原理：丙烯聚合反应机理复杂[6]，主要过程如下：链引发：C*+M→P*1……链增长：P*1+M→P*……P*i+M→P*i+1链转移：向单体转移P*i+M→Pi+C*向氢转移P*i+H2→Pi+C*链终止：自发终止P*i→Pi+C*给电子体与给电子体作用P*iPi+C*给电子体1.3.3本设计拟采用的生产工艺据以上简单的工艺比较，本生产过程选择Spheripol工艺。该工艺结合了液相预聚、液相均聚、气相共聚，较高效且应用范围广。图1工艺流程草图如上图所示，在均聚前需要将催化剂和少量丙烯预聚，以确保催化剂和初产物的颗粒度；均聚反应时所采用的环管反应器可按照自己所需，通过对直径或立管根数等来设计。反应过程中氢气作为分子量调节器，环管外壁夹套内通循环流动水进行反应器散热；在流化床反应器中进行气相法嵌段共聚；通过闪蒸罐进行气固分离，气相丙烯进洗涤塔，设置专门的的系统回收尾气，塔底与闪蒸罐底流出的粉料进入布袋过滤器；流出的粉料进入汽蒸罐，经水洗塔处理，回收废料与尾气，而过滤器流出的物料进入干燥罐干燥后，造粒制聚丙烯树脂成品。1.3.4催化剂的选定查阅资料[8-9]，选CS-II型和DQ-I球形催化剂。该催化剂具有超高活性，能控制聚丙烯的形态，可免除造粒过程，减少工序，以生产出高效且低成本的PP。2工艺计算2.1工艺基准本设计为10万吨/年聚丙烯树脂生产工艺设计，设聚丙烯树脂的收率为98%，剩余的2%为杂质或未反应的物料：原料精制时损失0.5%，闪蒸损失0.8%，汽蒸罐过程中分别损失0.5%原料、0.1%的粉料，物料在造粒过程损失0.1%，按每年工作日为250天算。反应：则每吨聚丙烯树脂消耗丙烯（100%）：1.02吨丙烯。聚丙烯树脂每小时的净生产量：100000/6000=16.667t需要丙烯：16.667×1.02=17.000t，将17.000t丙烯设为基准：扣除损耗，丙烯有：17.000t/(1-0.5%-0.5%-0.8%)=17.312t设转化率55%，进料量为：17.312/0.55=31.476t设原料纯度99.5%，则物料为：31.476/0.995=31.634t2.2物料衡算2.2.1催化剂用量（1）主催化剂（CS-II型和DQ-I型）主催活性：每1g催化剂可促进30kg丙烯反应[9]。则主催用量：17.312×1000/30=577.067g（2）设主催:助催:给电子体:烃油十脂=0.06:0.35:0.015:0.35，得：助催（TEAL）用量：(0.35×577.067)/0.06=3366.224g给电子体（DONOR）用量：(0.015×577.067)/0.06=144.267g烃油十脂：3366.224g则催化剂总量：577.067+3366.224+144.267+3366.224=7453.782g=7.454kg2.2.2R200小环管的物料衡算图2R200物料平衡图（1）进料：丙烯进料流量2700~3300kg/h，取3000kg/h由以上计算得主催577.067g；催化剂总量7.454kg；主催化剂活性：每1g催化剂可促进100g聚丙烯生成。生成PP：577.067×100=57706.7g=57.707kg丙烯剩余：3000-57.707=2942.293kg（2）出料：PP：57.707kg；丙烯：2942.293kg；催化剂：7.454kg表2R200物料衡算表物料名称物料质量（kg）总量（kg）输入丙烯30003007.454催化剂7.454输出丙烯2942.2933007.454PP57.707催化剂7.4542.2.3氢气用量每生成1吨聚丙烯树脂，H2将消耗0.009~0.31kg[10]，此处取值：0.20kg/t，H2用量：17.312×0.20=3.4624kg2.2.4R201大环管反应器的物料衡算设转化率为55%。图3R201物料平衡图（1）进料：丙烯：31.634×1000-57.707=31576.293kgPP：57.707kg生成PP：31576.293×55%=17366.9612kg（2）出料：PP：17366.961+57.707=17424.668kg丙烯：31.634×1000-17424.668=14209.332kg表3R201物料衡算表物料名称物料质量（kg）总量（kg）输入丙烯（R200）2942.29331691.707丙烯（D302）28749.414输出PP(R200)57.70731691.707丙烯14209.332PP17424.6682.2.5D301闪蒸罐的物料衡算图4D301物料平衡图设闪蒸罐顶部可损失PP粉料10%，而底部将损失10%的原料。则塔顶出料为：丙烯：14209.332×90%=12788.399kgPP：17424.668×10%=1742.467kg塔底出料为：PP：17424.668×90%=15682.201kg丙烯：14209.332×10%=1420.933kg2.2.6F301布袋过滤器的物料衡算图5F301物料平衡图D301→F301：PP粉15682.201kg；丙烯气1420.933kgT301→F301：丙烯2860.000kg；PP1742.467kg则进料：丙烯：1420.933+2860.000=4280.933kgPP：15682.201+1742.467=17424.668kg汽蒸罐损失0.8%丙烯：0.8%×17.000×1000=136kg；过滤器顶部回收原料量为：4280.933-136=4144.933kg出料：T301：丙烯气4144.933kgD501：PP17424.668kg；丙烯136kg2.2.7D501汽蒸罐的物料衡算进料：PP17424.668kg；丙烯136kg；水蒸汽24003.5kg损失PP粉：17.000×1000×0.1%=17.000kgD501→D502：PP粉17424.668-17=17407.668kg；PP粉夹带水份17407.668×3%=522.230kgD501→T501：PP粉17.000kg；丙烯136kg；水蒸汽24003.5-522.230=23481.27kg2.2.8造粒PP粉质量为17407.668kg，损失0.1%：17407.668×0.1%=17.408kg（催化剂、H2损失可忽略不计）。每小时成品产量：(17407.668+3.4624+7.454)-17.408=17401.176kg=17.401t，则年生产聚丙烯树脂：17.401×6000=104406t2.2热量衡算2.2.1计算依据[11]丙烯聚合热：-ΔH=2093kJ/kgPP[12]表4几种物质的比热物质名称温度(℃)20255070比热kJ/(kg·℃)水4.1824.19液相丙烯2.8673.3483.81气相丙烯6.8646.89聚丙烯R200小环管的热量衡算预聚生成PP57.707kg；丙烯聚合热：2093kJ/kgPP输入热量：20℃的丙烯热量Q1=CpmΔt=2.867×3000×20=172020kJPP的反应热Q2=57.707×2093=120780.751kJ输出热量：预聚散失热量Q3=CpmΔt=1.93×57.707×20=2227.490kJ未反应丙烯带走热量Q4=CpmΔt=(3000-57.707)×2.867×20=168711.081kJ冷却水带走热量：Q5=Q1+Q2-Q3-Q4=172020+120780.751-2227.490-168711.08=121862.179kJ（忽略设备向外界环境散热量）夹套水进口温度9.5~10.5℃，此处取10℃，出口温度15℃由Q=C水mΔt，可得m水=Q5/(C水Δt)=121862.179/(4.2×5)=5802.961kg查资料得，聚合釜夹套中总传热系数为：K=δ℮-0.809C（K—总传热系数，ω/m2k；δ—丙烯零转化时的传热系数，ω/m2k；C—丙烯转化率）选用的碳钢材质聚合釜，δ取560~698ω/m2k，此处取δ=600ω/m2k则C=57.707/3000=0.01924，K=600×e-0.809×0.01924=590.734ω/m2k反应温度：20℃→20℃，冷却水:10℃→15℃平均温差：则Δt=[(20-10)-(20-15)]/ln[(20-10)-(20-15)]=7.214℃1ω=3.6kJ/h，传热面积A=Q/(KΔt)则A=Q5/(KΔt)=(121862.179/3.6)/(590.734×7.214)=7.943m2表5R200热量衡算表热量名称热量（kJ）总量（kJ）输入热量20℃丙烯带入热量Q1172020 292800.75 PP的反应热Q2120780.751输出热量预聚物带走热量Q32227.490292800.75未反应丙烯带走热量Q4168711.081冷却水带走热量Q5121862.179冷却水用量（kg）5802.961夹套传热面积(m2)7.9432.2.3大环管反应器的热量衡算生成PP：17366.9612kg；氢气进料温度20℃，量为3.4624kg。进料：PP57.707kg；丙烯31576.293kg出料：PP17424.668kg；丙烯14209.332kg输入热量：预聚带入的热量Q1=CPmΔt=57.707×2.23×70=9008.063kJ丙烯带入的热量Q2=CPmΔt=31576.293×3.81×70=8421397.343kJ氢气带入热量Q3=CPmΔt=3.4624×14.300×50=2475.616kJ反应生成热Q4=2093×17424.668=36469830.124kJ输出热量：聚合带走热量Q5=17424.668×2.23×70=2719990.675kJ丙烯带走的热量Q6=14209.332×3.81×70=3789628.844kJ冷却水带走热量Q7=Q1+Q2+Q3+Q4-Q5-Q6=38393091.627kJ冷却水温度：10℃→30℃冷却水用量m水=38393091.627/4.2×(30-10)=457060.615kg平均温差Δt=[(70-10)-(70-30)]/ln[(70-10)-(70-30)]=49.326℃总传热系数K=600×e-0.809×0.55=424.358ω/m2k换热面积A=Q/(KΔt)，则A=Q7/(KΔt)=(38393091.627/3.6)/(424.358×49.326)=509.498m2表6R201热量衡算表热量名称热量（kJ）总量（kJ）输入热量预聚物带入热量Q19008.06344902711.146丙烯带入的热量Q28421397.343氢气带入热量Q32475.616反应生成热Q436469830.124输出热量聚合物带走热量Q52719990.67544902711.146丙烯带走热量Q63789628.844冷却水带走热量Q738393091.627夹套传热面积(m2)509.4983工艺设备选型设备要符合国家标准要求和本部门的生产加工工艺以及质量规范，在满足生产需要的前提下，为了提高产品质量、延长其技术寿命，选用技术成熟的工艺设备。3.1R200小环管的选型3.1.1R200小环管的工艺参数温度：20℃/-45℃~150℃(夹套170℃)压力：3.4~4.7Mpa介质：丙烯、催化剂、聚丙烯浆液浓度：420~430kg(pp)/m33.1.2主要作用丙烯预聚合时，将其反应条件保持在3.4Mpa和20℃。3.1.3选型根据能量平衡计算，该环管体积0.44m3，反应停留4min，所需的换热面积7.943m2。不锈钢材质，有两根9m直管穿过管道连接。环管内径152.44mm，设备高11.4m，壁厚7.1mm，反应器的直管部分装有一个直径为254mm的碳钢夹套。环管表面积为h×π×d=3.14×0.1524×9×2=8.63m2，而所需换热面积为7.943m2，故设计合理。3.2R201大环管反应器的选型3.2.1R201大环管反应器的工艺参数温度：70℃/-45℃~150℃(夹套150℃)压力：3.4/4.7Mpa(夹套0.8Mpa)介质：丙烯、聚丙烯、催化剂浆液浓度：560kg(PP)/m33.2.2特点材料流速高，传热好，无大量滞留；聚合速率高，单体体积收率高；环管内催化剂分布均匀；循环能量少，设备简单、占地少；3.2.3选型及结构进料丙烯（31634kg）的体积：31634/(0.52×103)=60.835m3；进料聚丙烯（57.707kg）的体积：57.707/(0.9×103)=0.064m3；总体积：60.835+0.064=60.899m3，取65m3。反应停留时间为1.5h，则累积量65×1.5=97.5m3，故设备总容积为97.5m3。选取环管直径635mm，总高度为：97.5/(0.25×D2×π)=308.03m≈310m选择6根长5.2m直管，10个大环管。每个环管容积为9.75m3，约10m3，则直管表面积：h×π×d=52×3.14×0.635×6=622.1m3，而所需换热面积为509.498m2，则设计合理。设备采用环管结构，有六条直管，由五个弯管连接。内径635mm，直管高5.2m，环管外径720mm，总容积145m3。直管处设有夹套，碳钢材料，夹套上、下分别设有可用于散热的循环水的进、出口。夹套上部装有膨胀节，可防止夹套与环管温差大，下部还装有可使物料高速循环的轴流泵。3.3设备一览表表7设备一览表序号容器名称容器编号容器规格V/m3操作条件设备数目温度压力MPa1小环管R2000.44203.412大环管R20110703.4103闪蒸罐D3015.1701.814循环丙烯洗涤塔T3011144.51.815过滤器F3015.9800.117气蒸罐D50111.71050.0218干燥器D502900.0119水洗塔T50114经济核算4.1市场分析及选址下图为2009年到2020年聚丙烯价格平均价格趋势情况，2014年平均价每吨为10046.5元，2015年价格大幅度下降到每吨6858.5元，截至2020年平均价格为每吨8976元。期末增长率为4.8%，增速乐观。图62014年到2020年聚丙烯价格及增长率我国主要在华北、华南以及华东市场需求大，且消费区也偏重于此。而人们对于品牌地域认知专一，导致产品供不应求，这也是遵循产品所处的地理位置原因之一，为聚丙烯树脂的市场开发提前布局[13]。为了抢占先机，建议厂房应建在西北[14]。由于本项目为10万吨聚丙烯树脂生产工艺，预计需要150亩土地。4.2三废处理本工艺生产中，都有一定量的环境污染，针对废水、废气、废渣的处理[15]有：调小真空泵供水量，重复利用回收轴封冷却水，保持热水罐水位稳定等措施来进行废水治理；闪蒸时，释放的无害气体现场高空排放，釜内高浓度丙烯尾气排入气柜，丙烯干燥器内含有的大量丙烯气体置换尾气排至气柜；废渣可用溶剂油稀释运至安全地带，与专门的废渣处理公司合作处理。4.3劳动安全在工人上岗前进行必要的安全培训，为员工购买保险，防止意外发生。工厂还将配备良好的医务室，并定期对员工进行体检等，确保工人的工作环境安全。4.4成本费用估算按原材料的实时市场价和耗量指标计算；电价0.40元/kWh，耗量按生产指标算；建厂费用为成本的20%；6%经营成本为管理费用；定员25人，人均工资24000元/人年，福利费率为15%；销售收入的6%为销售费用；三废处理等安全费用按经营成本2%算。据以上数值估算，汇总得下表：表8项目各项费用及利润序号项目数目（万元）1项目总投资750002年销售金额900003生产总成本费用560004经营成本和人工费236005三废处理及安全管理费4725税前利润99286税后利润7446结论聚丙烯作为一种常见的高分子树脂，国内外市场需求很大，研究出低成本、高药效的生产工艺变得尤为重要。本设计通过对不同聚丙烯树脂工艺的分析，选用了可在高温或超临界条件下操作的Spheripol工艺进行生产设计。本次设计在本体法的基础上，选用具有物料混合好、转化率高、传热面积大等优点的环管反应器进行生产，该工艺生产成本低，经济性好，完全符合高效环保的生产工艺要求。为了完成本次工艺设计，我从网络、参考书等渠道，查阅了很多相关的文献资料，也研究了相关的工艺流程，让本次设计可以最大限度符合实际的工业化生产。不过本设计所选用的催化剂催化活性和物料反应温度实时控制还不是很完善，此外，催化剂类型繁多，如何控制