年产11万吨聚丙烯合成工艺设计

学号

毕 业 设 计（论 文）

年产11万吨聚丙烯合成工艺设计

教 学 系： 化学与制药系 指导教师： 专业班级： 化工 学生姓名：

二零一四年五月

毕业设计(论文)任务书

学生姓名 指导教师 设计(论文)题目 设计（论文）主要内容： 聚丙烯是丙烯单体聚合而形成的高分子聚合物，是一种通用合成树脂。它作为一种高分子塑料，在现代化工生产中占有重要的地位，本设计是关于年产11万吨聚丙烯合成工段进行初步设计，设计中包括工艺流程设计、物料衡算、能量衡算，设备选型，对于聚丙烯的生产具有一定的实践意义。 要求完成的主要任务及其时间安排: 1. 根据论文要求及教师的指导，学生查阅相关科技文献。 2. 对年产11万吨聚丙烯合成工艺进行设计。 3. 完成设备选型，绘图。 4. 在老师的指导下撰写论文，最终得到符合武汉理工大学华夏学院本科毕业设计（论文）规范的毕业论文。 进度安排： 2014年1月4日-- 1月14日：收集资料，完成开题报告。 2014年1月15日-- 3月25日：查阅文献，撰写毕业论文初稿，定期交论文指导老师审查。 2014年3月25日-- 5月14日：在指导老师指导下修改论文，完成绘图，并完善论文。 2014年5月15日-- 5月17日：准备论文答辩。 必读参考资料： [1] 洪定一.聚丙烯—原理、工艺与技术[M].中国石化出版社，2002年9月:23-24. [2] 程增越.通用树脂实用技术手册[M].北京：中国石化出版社，1999. [3] 于文秀.聚丙烯技术新进展[J].石油化工，2003，32（10）：913-917 [4] 孙涛，张森宝，刘田库.聚丙烯生产工艺进展[J].辽宁化工，2007，36（6）：409-411. [5] 中国石化集团上海工程有限公司，《化工工艺设计手册》（上、下册）[M].北京，化学工业出版社，2009. [6] 化工设备设计全书编辑委员会，《化工设备设计全书-塔设备》[M]，北京，化学工业出版社，2004. [7] 化工设备设计全书编辑委员会，《化工设备设计全书-换热器》[M].北京，化学工业出版社，2004. [8] 化工设备设计全书编辑委员会，《化工设备设计全书-管道》[M].北京，化学工业出版社，2004. 指导教师签名： 教研室主任签名： 专业班级 工作单位 化工 化学与制药工程系 年产11万吨聚丙烯合成工艺设计

毕业设计（论文）开题报告

a) 目的及意义（含国内外的研究现状分析） 1956年意大利化学家纳塔改进齐格勒催化剂，成功地合成了结晶等规聚丙烯，开创了聚丙烯技术的新时代。聚丙烯生产最初采用的是淤浆工艺，催化剂活性很低，生产规模很小，工艺冗长落后，设备复杂。由于采用己烷等溶剂作稀释剂，不仅需要脱催化剂残渣和脱无规物工序，而且还需设置溶剂回收工序和设备。因而使设备投资费用高，工厂占地的面积大，操作和维修人员多等一系列问题。随着科学技术的进步和生产的发展，出现了溶剂工艺，即以某种溶剂作稀释剂将丙烯稀释，反应过程在液态下进行。但此方法也存在缺点，如需要脱灰和脱无规物，需要溶剂回收工序和设备等，因而又研究出本体工艺。这种工艺不需要专门的溶剂作为稀释剂，而是甩液态丙烯本身作稀释剂进行聚合反应。若采用高活性催化剂，如日本三井油化公司[3]的高效高立体定向催化剂，则既可省掉脱灰脱无规物工序，又可省掉溶剂回收工序和设备。此后，本体工艺进一步演变为液相本体和气相率体两种工艺。到现在为止，气相工艺是最先进的流化床工艺 中国聚丙烯的工业生产始于20世纪70年代，经过30多年发展，已经基本上形成了溶剂法、液相本体-气相法、间歇式液相本体法、气相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。现在中国的大型聚丙烯生产装置以引进技术为主，中型和小型聚丙烯生产装置以国产化技术为主。 中国聚丙烯在以后几年里产量会有较大的增长，但生产仍然供不足需，中国已经成为全球最大的聚丙烯净进口国。但由于国内产量很快增长，进口依存度总体上呈下降趋势。中国聚丙烯未来几年内，表观消费量依然会保持较高增速，进口量将会增大，聚丙烯产业在中国的前景广阔。 本设计的内容是关于11万吨/年聚丙烯的生产工艺设计，设计中包括工艺流程设计、物料衡算、能量衡算，设备选型和安全环保。在本文中比较详细的计算出来了原料的单位用量、产品的单位产量，由算得的换热面积选择出来适合本工艺的各种设备，按照选择的工艺设计出了工艺流程图。 通过本设计，可以对环管法聚丙烯合成车间工艺及聚合工段设计有一个初步的认识和了解，了解到环管法聚丙烯合成的基本流程。

b) 基本内容和技术方案 设计的主要内容： 以下是本次课题任务书提出的任务要求 （1）根据论文要求及教师的指导，查阅相关科技文献。 （2）对年产11万吨聚丙烯合成工艺进行设计，主要内容为： a．工艺流程设计； b．物料衡算； c．热量衡算。 （3）完成设备选型，绘图。 （4）聚丙烯装置的安全生产。 （5）“三废”处理与环境保护。 （6）在老师的指导下撰写论文，最终得到符合武汉理工大学华夏学院本科毕业设计（论文）规范的毕业论文。 技术方案： 本方案选择采用Spheripol工艺，该技术自1982年首次工业化以来，是迄今为止最成功、应用最为广泛的聚丙烯生产工艺。Spheripol工艺是一种液相预聚合同液相均聚和气相共聚相结合的聚合工艺，工艺采用高效催化剂(Spheripol工艺一开始使用GF-2A、FT-4S、UCD-104等高效催化剂，催化剂活性达到40kgPP/gcat，产品等规度为90%-99%，可不脱灰、不脱无规物)，生成的PP粉料粒度呈圆球形，颗粒大而均匀，分布可以调节，既可宽又可窄，可以生产全范围、多用途的各种产品。 c) 进度安排 2014年1月4日-- 1月14日：收集资料，完成开题报告。 2014年1月15日-- 3月25日：查阅文献，撰写毕业论文初稿，定期交论文指导老师审查。 2014年3月25日-- 5月14日：在指导老师指导下修改论文，完成绘图，并完善论文。 2014年5月15日-- 5月17日：准备论文答辩。

d) 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日

郑 重 声 明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

本人签名：

日期：

目 录

摘 要 ....................................................................................................................................................... - 9 - ABSTRACT ........................................................................................................................................... - 10 - 前 言 ..................................................................................................................................................... - 11 - 1 绪论 ..................................................................................................................................................... - 12 - 1.1 聚丙烯概述 ................................................................................................................................... - 12 - 1.2 聚丙烯的性质 ............................................................................................................................... - 12 - 1.2.1物理性能 ................................................................................................................................. - 12 - 1.2.2 力学性能 ................................................................................................................................ - 12 - 1.2.3 热性能 .................................................................................................................................... - 13 - 1.2.4 化学稳定性 ............................................................................................................................ - 13 - 1.2.5 电性能 .................................................................................................................................... - 13 - 1.2.6 耐候性 .................................................................................................................................... - 13 - 1.3 聚丙烯工艺发展过程 ................................................................................................................... - 13 - 1.4 几种主要聚丙烯工艺 ................................................................................................................... - 14 - 1.4.1 Spheripol工艺 ........................................................................................................................ - 14 - 1.4.2 Hypol工艺 .............................................................................................................................. - 15 - 1.4.3 Novolen工艺 .......................................................................................................................... - 15 - 1.4.4 Unipol气相工艺 ..................................................................................................................... - 16 - 1.4.5 Amoco/Chisso工艺 ................................................................................................................ - 16 - 1.5 新型催化剂体系的优势 ............................................................................................................... - 17 - 1.5.1 PP生产工艺的优化和改善 .................................................................................................... - 17 - 1.5.2 PP产品性能的改进和提高 .................................................................................................... - 17 - 1.5.3 高刚性、高结晶度的产品 .................................................................................................... - 17 - 1.5.4 薄膜产品性能的改善 ............................................................................................................ - 18 - 1.5.5 纺粘纤维和熔喷纤维 ............................................................................................................ - 18 - 1.5.6 无规共聚物 ............................................................................................................................ - 18 - 1.5.7 抗冲击共聚产品 .................................................................................................................... - 18 -

1.6 中国聚丙烯工业 ........................................................................................................................... - 18 - 1.7 展望 ............................................................................................................................................... - 19 - 2 工艺流程设计 ..................................................................................................................................... - 20 - 2.1 工艺原理 ....................................................................................................................................... - 20 - 2.2 催化剂的选定 ............................................................................................................................... - 21 - 2.3 生产工艺的选定 ........................................................................................................................... - 21 - 2.4 工艺流程草图 ............................................................................................................................... - 23 - 2.5 工艺流程概述 ............................................................................................................................... - 23 - 2.5.1 聚合区工艺 ............................................................................................................................ - 23 - 2.5.2 造粒区 .................................................................................................................................... - 25 - 2.5.3 包装区 .................................................................................................................................... - 25 - 2.5.4 循环水场 ................................................................................................................................ - 26 - 3 物料衡算 ............................................................................................................................................. - 26 - 3.1 设计名称 ....................................................................................................................................... - 26 - 3.2 设计条件 ....................................................................................................................................... - 26 - 3.2.1 全套装置工艺参数 ................................................................................................................ - 26 - 3.2.2 丙烯进料量 （按小时计算） .............................................................................................. - 27 - 3.3 催化剂用量 ................................................................................................................................... - 27 - 3.5 氢气用量 ....................................................................................................................................... - 28 - 3.6 R201大环管反应器的物料衡算................................................................................................... - 28 - 3.7 D301闪蒸罐的物料衡算 .............................................................................................................. - 29 - 3.8 F301布袋过滤器的物料衡算 ....................................................................................................... - 30 - 3.9 T301循环丙烯洗涤塔的物料衡算 ............................................................................................... - 31 - 3.10 D501汽蒸罐的物料衡算 ............................................................................................................ - 32 - 3.11 T501水洗塔的物料衡算 ............................................................................................................. - 33 - 3.12 D502干燥塔的物料衡算 ............................................................................................................ - 33 - 3.13 造粒 ............................................................................................................................................. - 34 - 4 热量衡算 ............................................................................................................................................. - 34 - 4.1 计算依据 ....................................................................................................................................... - 34 -

4.2 R200小环管的热量衡算 .............................................................................................................. - 35 - 4.3 R201大环管反应器的热量衡算................................................................................................... - 36 - 4.4 D301闪蒸罐的热量衡算 .............................................................................................................. - 37 - 4.5 D501气蒸罐的热量衡算 .............................................................................................................. - 37 - 4.6 D502干燥罐的热量衡算 .............................................................................................................. - 38 - 5 设备选型 ............................................................................................................................................. - 38 - 5.1 R200小环管的选型 ...................................................................................................................... - 39 - 5.1.1 R200小环管的工艺参数 ....................................................................................................... - 39 - 5.1.2 主要作用 ................................................................................................................................ - 39 - 5.1.3 选型 ........................................................................................................................................ - 39 - 5.2 R201大环管反应器的选型 .......................................................................................................... - 39 - 5.2.1 R201大环管反应器的工艺参数 ........................................................................................... - 39 - 5.2.2 特点 ........................................................................................................................................ - 39 - 5.2.3 选型及结构 ............................................................................................................................ - 40 - 5.3设备一览表 .................................................................................................................................... - 40 - 6 聚丙烯装置的安全生产 ..................................................................................................................... - 41 - 6.1静电的危害与防范 ........................................................................................................................ - 41 - 6.1.1静电危害 ................................................................................................................................. - 41 - 6.1.2 静电的防范措施 .................................................................................................................... - 41 - 6.2 其他安全措施 ............................................................................................................................... - 42 - 7 “三废”处理与环境保护 ...................................................................................................................... - 42 - 7.1废水 ................................................................................................................................................ - 42 - 7.2废气 ................................................................................................................................................ - 42 - 7.3废渣 ................................................................................................................................................ - 43 - 参 考 文 献 ........................................................................................................................................... - 43 - 致 谢 ....................................................................................................................................................... - 44 -

摘 要

本设计的内容是关于年产11万吨聚丙烯的生产工艺设计，设计内容包括工艺流程设计、物料衡算、能量衡算，设备选型，安全生产，“三废”处理和环境保护。在本文中比较详细的计算出来了原料的单位用量、产品的单位产量，根据算得的换热面积选择出适合本工艺的各种设备，按照选择的工艺设计出了工艺流程图和生产车间图样以及设备图。

通过本设计，可以对环管法聚丙烯合成车间工艺及聚合工段设计有一个初步的认识和了解，了解到环管法聚丙烯合成的基本流程。

关键词：聚丙烯 工艺流程 环管法 物料衡算 能量衡算

ABSTRACT

This design content is about 110000 tons/year polypropylene production technology design, design including process flow design, material calculation, energy calculation, equipment selection, The safety in production, \ In this paper a detailed calculation out of raw materials, product of dosage units unit output, is by the heat transfer area selected for the various kinds of equipment technology, according to the selection process design out of the process flow diagram and production workshop patterns and equipment drawing.

Through the design, can HuanGuan method of polypropylene synthesis process and polymerization design workshop section in a preliminary understanding and know, and understand to HuanGuan synthesis method of the basic process of polypropylene.

Key words：Polypropylene process flow HuanGuan method material calculation

energy calculation

前 言

此次毕业设计的题目：年产11万吨聚丙烯合成工艺设计，共分为七个部分：文献综述、工艺流程设计、物料衡算、能量衡算、设备框算、安全生产以及“三废”处理与环境保护。

文献综述主要介绍了聚丙烯的性能、生产工艺、国内外聚丙烯产业发展现状、用途以及催化剂的选择。

工艺流程设计详细介绍了聚丙烯的工艺原理、生产工艺的选择及催化剂的选用，着重叙述了聚合的工艺流程，使我对整个生产过程有了充分的认识，还对装置及一些化学介质做了说明。

在物料衡算中，根据生产流程对主要设备的进出料情况做了衡算，确定进出设备的物料和设备内部各种物料的流动状况和组成。

在能量衡算中，由物料的流量、状态及性质做出热量的衡算，以及夹套水的用量，确定需要移走或补充的能量。

在设备框算中，则包括了车间内各主要单元的化工计算过程，确定各设备的有效容积、结构尺寸、传热面积等。同时，根据设计的需要绘制了聚合工段的工艺流程图、循环丙烯洗涤塔的装配图、车间的平面布置总图、设备平面布置图和设备立面布置图。

在安全生产中，主要介绍了聚丙烯生产中易出现的安全问题，并针对这些安全问题详述相关的安全措施。

在“三废”处理与环境保护中重点介绍了“三废”的处理方法，从而达到保护环境的目的。 本次设计虽然经过多次修改，但难免存在不妥之处，望老师在检查过程中给予纠正。

1 绪论

1.1 聚丙烯概述

聚丙烯

英文名称:Polypropylene 分子式:[C3H6]n 简称:PP

聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。按甲基排列位置分为等规聚丙烯（isotactic polyprolene）、无规聚丙烯（atactic polypropylene）和间规聚丙烯（syndiotatic polypropylene）三种。甲基排列在分子主链的同一侧称等规聚丙烯， 若甲基无秩序的排列在分子主链的两侧称无规聚丙烯，当甲基交替排列在分子主链的两侧称间规聚丙烯。一般工业生产的聚丙烯树脂中，等规结构含量约为95%，其余为无规或间规聚丙烯。工业产品以等规物为主要成分。聚丙烯也包括丙烯与少量乙烯的共聚物在内。通常为半透明无色固体，无臭无毒。由于结构规整而高度结晶化，故熔点可高达167℃。耐热、耐腐蚀，制品可用蒸汽消毒是其突出优点。密度小，是最轻的通用塑料。缺点是耐低温冲击性差，较易老化，但可分别通过改性予以克服。

1.2 聚丙烯的性质

1.2.1物理性能

聚丙烯为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物，密度只有0. 90-0. 91g/cm3，是目前所有塑料中最轻的品种之一。它对水特别稳定，在水中的吸水率仅为0. 01%，分子量约8万-15万。成型性好，但因收缩率大(为1%~2.5%）.厚壁制品易凹陷，对一些尺寸精度较高零件，很难于达到要求，制品表面光泽好，易于着色。

1.2.2 力学性能

聚丙烯的结晶度高，结构规整，因而具有优良的力学性能。聚丙烯力学性能的绝对值高于聚乙烯，但在塑料材料中仍属于偏低的品种，其拉伸强度仅可达到30 MPa或稍高的水平。等规指数较大的聚丙烯具有较高的拉伸强度，但随等规指数的提高，材料的冲击强度有所下降，但下降至某一数值后不再变化。

温度和加载速率对聚丙烯的韧性影响很大。当温度高于玻璃化温度时，冲击破坏呈韧性断裂，低于玻璃化温度呈脆性断裂，且冲击强度值大幅度下降。提高加载速率，可使韧性断裂向脆性断裂转变的温度上升。聚丙烯具有优异的抗弯曲疲劳性，其制品在常温下可弯折106次而不损坏。但在室温和低温下，由于本身的分子结构规整度高，所以抗冲击强度较差。聚丙烯最突出的性能就是抗弯曲疲劳性，俗称百折胶。

1.2.3 热性能

聚丙烯具有良好的耐热性，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌，在不受外力的条件下，150℃也不变形。脆化温度为-35℃，在低于-35℃会发生脆化，耐寒性不如聚乙烯。对于聚丙烯玻璃化温度的报道值有-18qC, 0qC, 5℃等，这也是由于人们采用不同试样，其中所含晶相与无定形相的比例不同，使分子链中无定形部分链长不同所致。聚丙烯的熔融温度比聚乙烯约提高40-50%，约为164-170℃, 100%等规度聚丙烯熔点为176℃。

1.2.4 化学稳定性

聚丙烯的化学稳定性很好，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其它各种化学试剂都比较稳定，但低分子量的脂肪烃、芳香烃和氯化烃等能使聚丙烯软化和溶胀，同时它的化学稳定性随结晶度的增加还有所提高，所以聚丙烯适合制作各种化工管道和配件，防腐蚀效果良好。

1.2.5 电性能

聚丙烯有较高的介电系数，且随温度的上升，可以用来制作受热的电器绝缘制品。它的击穿电压也很高，适合用作电器配件等。抗电压、耐电弧性好，但静电度高，与铜接触易老化。

1.2.6 耐候性

聚丙烯对紫外线很敏感，加入氧化锌、硫代二丙酸二月桂酯、碳黑或类似的乳白填料等可以改善其耐老化性能。

1.3 聚丙烯工艺发展过程

自1954年纳塔教授发现等规聚丙烯以来，聚丙烯工业得到了长足的发展。据不完全统计,2000

年中期全世界聚丙烯的产量已达到33900kt/a，生产厂家多达150家。世界各地区PP生产能力的增长率显示出明显的不同，北美和亚太（不包括日本）分别达18% 和15%的高增长，而西欧仅5%。 1999年我国PP产量为2666.4kt,与1990年的377.9kt/a相比，增长了605.6%，品均年增长率高达24.9%。2000年我国PP产量达3100kt,其中中国石化集团公司生产了2200kt。导热油加热器 模温机 油加热器 电加热导热油炉 导热油电加热器

尽管我国的PP工业取得了迅猛的发展，生产能力和产量大幅度增长，但在数量和质量以及品种等方面仍不能满足国民经济的高速发展的需要，每年仍需要大量的进口，且数量逐年上升，2000年我国进口PP达1640kt，与1999年相比增长11.4%。

聚丙烯产品自问世以来，一直保持持续的消费增长，广泛应用于注塑、薄膜、单丝、纤维、中空成型、挤出成型领域，产品走向多样化、功能化和高附加值化，市场不断拓宽，遍及工农业及日常生活品各个领域。导热油加热器 模温机 油加热器 电加热导热油炉 导热油电加热器

在1957年聚丙烯浆液法工业化生产以来的40余年内，聚丙烯生产工艺不断发展。60年代出现

了本体聚合工艺，解决了无溶剂问题；70年代又成功开发了高效催化剂，在浆液法聚合装置上应用，催化剂活性达5×105gPP/gTi，实现了无脱灰的工艺流程；1980年高效载体催化剂在本体聚合装置上采用，因产品等规度高，可省去脱无规物工序，与常规浆液法工艺相比，装置投资费用可节省约1/3，每吨产品操作费用可节省110～130美元。此后，日本三井油化和意大利蒙埃公司又开发出新的高等规度（95%），高活性（可达105gPP/gTi）的催化剂，并用于本体聚合装置。

1.4 几种主要聚丙烯工艺

目前世界上常用的先进聚丙烯工艺主要有Himont公司和Tenimont公司的Spheripol工艺、日本三井油化公司的Hypol工艺、德国BASF公司的Novolen工艺、联合碳化物公司的Unipol工艺和Amoco／Chisso公司的气相法工艺[6]。

1.4.1 Spheripol工艺

Spheripol工艺由巴塞尔（Basell）聚烯烃公司开发成功。该技术自1982年首次工业化以来，是迄今为止最成功、应用最为广泛的聚丙烯生产工艺。Spheripol工艺是一种液相预聚合同液相均聚和气相共聚相结合的聚合工艺,工艺采用高效催化剂，生成的PP粉料粒度其催化剂生产的粉料呈园球形，颗粒大而均匀，分布可以调节，既可宽又可窄。可以生产全范围、多用途的各种产品。其均聚和无规共聚产品的特点是净度高，光学性能好，无异味。Spheripol工艺采用的液相环管反应器具有以下优点：（a）有很高的反应器时-空产率（可达400kgPP/h.m），反应器的容积较小，投资少；（b）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；（c）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；（d）由于反应器容积小，停留时间短，产品切换快，过渡料少；（e）聚合物颗粒悬浮于丙烯液体中，聚合物与丙烯之间有很好的热传递。采用冷却夹套撤出反应热单位体积的传热面积大，传热系数大，环管反应器的总体传热系数高达1600W/（m℃）；（f）环管反应器内的浆液用轴流泵高速循环，流体流速高达7m/s，因此可以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，不容易产生热点，不容易粘壁，轴流泵的能耗也较低；（g）反应器内聚合物浆液浓度高（质量分数大于50%），反应器的单程转化率高，均聚的丙烯单程转化率为50%-60%。以上这些特点使环管反应器很适宜生产均聚物和无规共聚物。Spheripol工艺一开始使用GF-2A、FT-4S、UCD-104等高效催化剂，催化剂活性达到40kgPP/gcat，产品等规度为90%-99%，可不脱灰、不脱无规物。

目前该技术已经发展到第二代。与采用单环管反应器的第一代技术相比，第二代技术使用双环管反应器，操作压力和温度都明显提高，可生产双峰聚丙烯。催化剂体系采用第四代或第五代Z-N高效催化剂，增加了氢气分离和回收单元，改进了聚合物的高压和低压脱气设备，汽蒸、干燥和丙烯事故排放单元也有所改进，增加了操作灵活性，提高了效率，原料单体和各项公用工程消耗也显著下降。所得产品颗粒度更加均匀，产品的熔体流动指数范围更宽（从0.3-1600.0g/10min），可生产

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高刚性、高结晶度和低热封温度的新PP牌号。

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36.8 %。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410.5万吨/年，中欧和东欧地区的生产能力为62万吨/年，中东和非洲地区的生产能力为131.5万吨/年；

1.4.2 Hypol工艺

Hypol工艺由日本三井化学公司于20世纪80年代初期开发成功，该工艺采用HY-HS-II催化剂（TK-II），是一种多级聚合工艺，它把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、不脱无规物能生产多种牌号聚丙烯产品的组合式工艺技术。该工艺与Spheripol工艺技术基本相同，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被打回到气相反应器。生产均聚物时，第一气相反应器实际上也起闪蒸作用。气相反应器是基于流化床和搅拌（刮板）容器特殊设计的。反应器在生产抗冲击性共聚物时，无污垢，不需要清洗。在生产均聚物期间，气相反应器又可用作终聚合釜，提高了生产能力，而且气相反应器操作灵活，可生产乙烯含量25%的抗冲击性聚合物。

基于二乙醚提供技术，三井公司已经生产出第5代RK-RH型催化剂，其活性高于第4代催化剂2-3倍。Hypol工艺可生产均聚、无规、抗冲全范围的PP产品，MFR范围为0.30-80kg/10min，所得产品具有很高的立体规整度和刚性，制成的薄膜具有很好的光学性能（透明度和光泽度；定向品种如单丝、条带和纤维有很好的加工性（定向性），能使成品具有很好的性能，熔体流动速率很高，用于告诉注塑的品种可直接聚合得到，而不需要热处理等措施。目前，世界上采用Hypol工艺生产的聚丙烯装置有22套，总生产能力约为251万吨/年，约占世界聚丙烯总生产能力的6.3%。

1.4.3 Novolen工艺

Novolen工艺由BASF公司开发成功。Novolen气相工艺采用带双螺带搅拌立式反应器，该反应器

能够使催化剂在气相聚合的单体中分布均匀，尽可能使每个聚合物颗粒保持一定的钛/铝/给电子体的比例，以此解决气相聚合中气固两相之间不易均匀分布的问题。聚合反应器的撤热方式是靠丙烯气的循环。液态丙烯用泵打入反应器，通过丙烯的汽化吸收一部分聚合反应热，未反应的气态丙烯用水冷凝后使其液化，再用泵打回反应器使用。Novolen工艺可生产范围广泛的各种聚丙烯产品，产品熔体指数范围为0.1-100g/10min，产品的等规指数为90%-99%，拉伸模量最高可以达到2400MPa。但由于该工艺采用搅拌混合形式，物料在聚合釜中的停留时间难以控制均匀，使产品分子量变宽，产品中Ti、Cl离子和灰分增高，催化剂活性较低，用量相对较大，聚合物中残留的挥发性成分严重影响产品质量，因而得到的PP产品可能需要经过脱臭处理。 目前，世界上采用Novolen工艺的生产装置有20多套，总生产能力约为432.0万吨/年，约占世界PP总生产能力的10.9%

1.4.4 Unipol气相工艺

Unipol工艺是联碳公司和壳牌公司在20世纪80年代中期联合开发的一种气相流化床PP工艺，是将应用在聚乙烯生产中的流化床工艺移植到PP生产中的工艺。该工艺采用高效催化 剂体系，主催化剂为高效载体催化剂，助催化剂为三乙基铝和给电子体。具有简单、灵活、经济和安全等特点，只需要用一台沸腾床主反应器就可生产均聚物和无规共聚物产品，可在较大范围内调节操作条件而使产品性能保持均一。该工艺另外一个显著特点是可以配合超冷凝态操作，即所谓的超冷凝态气相流化床工艺（SCM）。由于超冷凝操作能够最有效地移走反应热，能使反应器在体积不增加的情况下提高很大的生产能力，如通过将反应器内液相的比例提高到45%，可使现有的生产能力提高200%，这对于节省投资具有十分重要的意义。另外，该工艺路线较短，对材质没有特殊要求，主反应器及其下游设备都为普通的碳钢（除挤压造粒单元外），管材65%以上采用普通碳钢，再加上其占地面积少，装置生产潜力很大，产品成本低，性能好，因而具有较强的竞争力。该工艺只用较少的设备就能生产出包括均聚物、无规共聚物和抗冲共聚物在内的全范围产品，而且只用一台沸腾床主反应器就可生产均聚物、无规共聚物；可在较大操作范围内调节操作条件而使产品性能保持均一；由于该工艺的设备数量较少而使维修工作量较小，装置的可靠性提高。由于流化床反应动力学本身的限制，加上操作压力低使系统中物料的储量减小，使得该工艺比其它工艺操作安全，不存在事故失控时设备超压的危险。此工艺没有液体废料排出，排放到大气的烃类也很少，因此对环境的影响非常小，与其它工艺相比，更容易达到环保、健康和安全的各种严格规范。Unipol工艺采用SHAC系列催化剂，该催化剂无需预处理或预聚合，而且使用同一种催化剂可以生产任何种类的PP产品。Unipol聚丙烯工艺采用两台串联反应器系统生产的抗冲共聚产品的MFR分子量分布很宽。商业化均聚物产品的MFR为0.5-45g/10min，可以生产MFR高达100g/10min的产品；对于无规共聚产品，工业化生产的产品牌号中乙烯含量在0.5%-5.5%（质量分数），最高乙烯含量为7%（质量分数），中试装置生产的产品乙烯含量可以达到12%（质量分数）；商业化生产的抗冲击共聚物乙烯含量最高达21%（橡胶相含量为35%），中试装置可生产高达含60%（质量分数）橡胶相的产品。Unipol工艺的抗冲共聚物产品也有很好的抗冲击性和刚性的平衡。目前，世界上有15个国家的36套生产装置采用Unipol工艺进行生产，总生产能力为538.0万吨/年，约占世界聚丙烯总生产能力的13.5%。

1.4.5 Amoco/Chisso工艺

1979年12月，Amoco公司在美国得州建立了第一套气相均聚反应装臵。Chisso公司随后对此工艺进行了改进，增加了抗冲共聚物的生产。Amoco与Chisso公司于1990年联合申报了这项技术的专利，命名为Amoco/Chisso工艺。合作已于1995年终止，Amoco独自拥有此项专利。Amoco采用的高效催化剂不需预聚合，也不需脱灰和脱氯，其催化剂的典型活性为40000kg聚丙烯／kg催化剂。Amoco工艺生产过程简单，装臵投资少，生产控制容易，聚合反应的压力相对较低，安全性较高。它能稳定地生产抗冲共聚物，并能很好地保持产品低温冲击强度与刚性之间的平衡。该工艺的生产过程简述如下：原料单体和催化剂首先加入第一反应器，在71℃，2.25MPa下进行聚合反应，

生成的粉料经过气锁系统进入第二反应器，第二反应器的操作条件基本与第一反应器相同。反应产物经过滤脱气、脱活干燥、造粒筛分、贮存掺混之后包装出厂。其工艺特点为：①独特的聚合反应器设计。Amoco气相工艺的反应器是一种卧式带机械搅拌的压力容器，它具有良好的径向混合和低的轴向分散，反应器上有多个气相和液相进料点，作为催化剂、液体丙烯及气体进料线。②科学合理的反应撤热方式。搅拌床反应器的反应热是靠液体丙烯汽化带走的。③气锁系统。气锁系统用于把物料从第一反应器输送到第二反应器，使两个反应器相对独立，避免反应器相互串流。④还有一个重要特征是停止催化剂进料后，聚合反应能被很容易且平稳地停止，并且反应器中的组分能被保存很长时间，而树脂的性质不会发生变化，直到重新开始生产。⑤原料消耗一般为1.015kg/kg聚丙烯，是一种单耗较低的工艺。⑥Amoco工艺可生产均聚物、无规共聚物和抗冲共聚物的全范围产品。该工艺对生产抗冲共聚物具有突出优势，可得到综合性能良好的产品。

1.5 新型催化剂体系的优势

聚丙烯的合成对催化剂的要求很高，好的催化剂可以提高聚丙烯的产率和纯度，双醚类新型催化剂体系的使用，其优势可体现在PP生产工艺和产品质量的提高两个方面。

1.5.1 PP生产工艺的优化和改善

主要表现在以下及格方面：

1)活性极高，有利于氢反应，从而降低了催化剂的消耗量；

2)使催化剂体系中的外给电子取消成为可能，降低了产品的灰分和成本； 3)预聚的PP粒型能够更好的得到控制；

4)不需要外给电子，催化剂本身就可设计成使产品具有一定的二甲苯可溶物与二甲苯不溶物之比，从而使制备工艺得到简化；

5)催化剂的残留物含量低，使得对添加剂的加入和成分调节更加方便；

6)由于新型催化剂对氢气反应更为有利，因此扩大了均聚、无规共聚、嵌段共聚的MFR，从而降低成本，避免了过氧化物降解所产生的挥发物影响健康和安全。

1.5.2 PP产品性能的改进和提高

由新的催化剂体系与新的工艺技术相结合，明显的改善了聚丙烯的分子量分布、挠曲模量、等规度、抗冲击性等性能指标。这类树脂具有很高的结晶度和刚性，光泽度好，提高了均聚物、无规共聚物和抗冲共聚物产品的各项指标。

1.5.3 高刚性、高结晶度的产品

由于应用新型催化剂并结合新双峰技术的使用，生产的产品具有更宽的分子量分布和高的等规度，可将产品挠曲模量提高了45，而单独使用新催化剂和新双峰技术只可提高l3和l0。

1.5.4 薄膜产品性能的改善

新型催化剂并结合新双峰技术[7]使产品的分子量变得更宽，改善了BOPP产品的拉伸性能，使之更适应新型BOPP高速生产线的高速拉伸要求。进一步改善了均聚PP产品刚性，同时，也大大改观了耐热性能、光学性能以及薄膜表面泄出物。新型催化剂体系的使用，也大大降低了产品的灰分，使生产电容薄膜成为可能。

1.5.5 纺粘纤维和熔喷纤维

新催化剂体系的使用在纤维领域也具有了新的优势，主要有以下几个方面： 1)使生产很高MFR的产品(1700 dglrain)成为可能；

2)分子量的分布变得更窄，从而大大提高了纤维的加工性能 (PJ：2．2～2．5)； 3)降解过程可以不使用过氧化物；

4)具有高流动性，适用于生产高速纺丝和细旦纺丝产品(速度>4500m／rain)； 5)具有高纯洁度。

1.5.6 无规共聚物

由于新催化荆体系的使用，使得产品分子量分布窄，从而提高了热定型和吹塑产品的透明度，同时也改善了抗冲击性能。在吹膜、注膜、拉膜和热定型生产中，在不同程度上改进了产品的透明度、光泽度、冲击性能、化学稳定性、水气阻隔性，可部分替代PS、PET和PVC等产品[8]。

1.5.7 抗冲击共聚产品

采用新催化剂体系也改善了抗冲击共聚产品的刚性和抗冲击性的平衡，使得新的一种抗冲击共聚产品得以产生。新技术的采用，给抗冲击共聚产品带来了以下几个明显的优点：

1)更高的坚挺度；

2)无论在室温下还是在低温下，其抗冲击性能均表现良好； 3)良好的抗变形能力； 4)更佳的尺寸稳定性；

5)在相同的刚性/抗冲击性能下可使MFR更高(更适合薄壁注塑)。

1.6 中国聚丙烯工业

中国聚丙烯的工业[9]生产始于20世纪70年代，经过30多年发展，已经基本上形成了溶

剂法、液相本体-气相法、间歇式液相本体法、气相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。现在中国的大型聚丙烯生产装置以引进技术为主，中型和小型聚丙烯生产装置以国产化技术为主。

目前，我国大型聚丙烯（PP）生产装置以引进技术为主，中型和小型PP生产装置以国产化技术为主。国内聚丙烯产量来自乙烯联合生产企业的约占40%，以炼油厂副产丙烯为原料的约占60%。引进技术主要有釜式反应器液相本体-气相本体Hypol工艺（三井化学技术）及环管式反应器液相本体-气相 本体组合法Speripol工艺（原Himont公司，现巴塞尔公司）。并在吸收、消化釜式液相本体-气相本体工艺和环管式液相本体-气相本体工艺的基础 上，自行设计建成几套4万吨/年Hypol工艺PP装置和几套7万吨/年Spheripol工艺PP装置。2002年初，上海石化公司采用中国石化自行开 发的第二代环管工艺技术，建成20万吨/年PP装置。通过引进技术和吸收改造，国内聚丙烯生产技术目前已达到比较先进的水平。尽管如此，国内PP装置仍存 在品种牌号少、通用和低档专用料多、装置规模小等问题（装置平均规模不足6万吨/年左右，最大的20万吨/年，最小的仅1万吨/年；而欧美发达国家的PP 装置大都在20-45万吨/年）。

近几年，我国聚丙烯产量增长很快，1995年产量为107.3万吨，2000年突破300万吨，2001 322.5万吨，2002年355 万吨，2003年年达到440万吨。目前我国聚丙烯生产企业有70多家，产能445万吨/年，主要大型企业：燕山石化、 上海石化、扬子石化、镇海炼化、茂 名石化、大连石化、大庆石化、抚顺石化、广石化、大连西太平洋和齐鲁石化等。

国产PP中，拉丝级产品占一半以上（其中粉料占60%左右），其它依次为共聚（丙烯与乙烯）和均聚注塑级产品、BOPP产品、纤维级产品等。无规、嵌段共聚产品前些年国内产量较低，近两年产量呈迅速增加的趋势。

目前我国正加快聚丙烯大型化建设，兰州、大庆、茂名石化在建20-30万吨/年PP装置，计划2004年底-2006年投产；中国石化、上海 石化与BP公司合资组建的上海赛科石化公司在建25万吨/年PP装置，2005年上半年投产；中海油与壳牌公司合资的惠州南海石化项目在建24万吨/年聚 丙烯装置，2005年底投产；福建炼化与埃克森美孚和沙特阿美合资的福建石化项目将建30万吨/年聚丙烯装置，预计2006-07年投产。这些项目建成后 可新增聚丙烯产能近150万吨/年。另外，武汉90万吨/年、上海100万吨/年、天津80万吨/年、兰化60万吨/年乙烯装置都有配套的PP装置。如果 2010年前这些项目建成投产，将大大缓解我国PP供需不平衡的状况。同时，再加上一些老装置改造扩能，国内市场竞争会更加激烈。今后规模较小的装置如果 没有自己的特色产品将很难生存。

中国聚丙烯在以后几年里产量会有较大的增长，但生产仍然供不足需，中国已经成为全球最大的聚丙烯净进口国。但由于国内产量很快增长，进口依存度总体上呈下降趋势。中国聚丙烯未来几年内，表观消费量依然会保持较高增速，进口量将会增大，聚丙烯产业在中国的前景广阔。

1.7 展望

未来几年是PP扩能较集中的几年，装置规模越来越大，新技术新产品不断推出，竞争将日趋激 烈。特别是茂金属PP和纳米PP的开发成功，必将对传统的PP产品产生一定冲击。国内中小规模老装置在今后的竞争中必然处于劣势，因此必须根据自身的优势 及早开发适销对路的高附加值的新产品，方能在激烈的市场竞争中占有一席之地。为此建议PP生产企业：

a.提高专用料比例，降低低档通用料的比例；

b.下大功夫提高产品质量，开辟市场潜力巨大的汽车专用料市场；

c.严格控制产品质量，缩小共聚产品的MI范围，便于下游用户使用，可按MI细分产品牌号，形成系列化，适应不同用户、不同用途的需要；

d.改进PPR管材料生产工艺，提高产品质量和档次，取代进口料； e.进一步深入开展（可降解）PP发泡材料的研究，扩大应用领域和市场份额。

2 工艺流程设计

2.1 工艺原理

从中转罐区送来的丙烯需经过预精制、保安精制后才能成为精丙烯进入反应系统。 其中T001为固碱塔，脱除大量水和无机硫 2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O 2NaOH+H2S=Na2S+2H2O NaOH+nH2O=NaOH.nH2O

T002为分子筛塔，利用分子筛的吸附原理[10]，脱除微量的水，该塔可以再生。 T701为汽提塔，利用汽提塔的操作原理脱除丙烯中的轻组分，尤其是一氧化碳。 T702为脱硫塔，主要是脱除羰基硫。 COS+H2O=H2S+CO2 ZnO+H2S=ZnS+H2O

T703为3?分子筛塔，继续脱除微量的水。该塔可以再生。 T704为脱砷塔，主要是脱除砷化氢。 2AsH3+2CuO=2CuAs+2H2O+H2 2AsH3+Al2O3=2AlAs+3H2O

丙烯聚合的过程包括链引发、链增长、链转移和链终止。 ⑴ 链引发

[Cat]＋－－R＋CH2＝CH→[Cat]＋－－CH2－CH－R ∣ ∣ CH3 CH3

⑵ 链增长

[Cat]＋-―CH2－CH－R＋nCH2＝CH→[Cat]＋-―CH2－CH(CH2－CH)nR ∣ ∣ ∣ ∣ CH3 CH3 CH3 CH3

⑶ 链转移 ① 向单体转移

[Cat]＋－CH2－CH(CH2－CH)nR＋CH2＝CH→[Cat]＋-－CH2－CH2＋CH2=C(CH2－CH)nR ∣ ∣ ∣ ∣

∣ ∣ CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3

② 向氢气转移

[Cat]＋-―CH2－CH(CH2－CH)nR＋H2→[Cat]＋-―H+CH3－CH(CH2－CH)nR ∣ ∣ ∣ ∣ CH3 CH3 CH3 CH3

③ 向烷基铝转移

[Cat]＋-－CH2－CH(CH2－CH)nR＋Al(C2H5)3→[Cat]＋-－C2H5+

∣ ∣ CH3 CH3

(C2H5)2Al－CH3－CH(CH2－CH)nR

∣ ∣ CH3 CH3

④ 链终止

[Cat]＋――CH2－CH－(CH2－CH)－nR→[Cat]＋――H＋CH2＝C－(CH2－CH)－nR ∣ ∣ ∣ ∣

CH3 CH3 CH3 CH3

2.2 催化剂的选定

为充分配合Spheripol工艺，故催化剂选择第四代超高活性的CS-Ⅱ型和DQ-型球型催化剂[3]。球型催化剂可以控制聚丙烯粒子的形态，具有反应器颗粒技术的特点，有利于生产高性能的聚丙烯。同时“反应器颗粒技术”可以免除造粒过程，所以在提高了反应效率的同时，又大大的降低了生产成本。

2.3 生产工艺的选定

在综述中对聚丙烯的生产工艺已经做了详细的比较，在这里选择Spheripol工艺。该技术自1982年首次工业化以来，是迄今为止最成功、应用最为广泛的聚丙烯生产工艺。Spheripol工艺是一种液相预聚合同液相均聚和气相共聚相结合的聚合工艺，工艺采用高效催化剂(Spheripol工艺一开始使用GF-2A、FT-4S、UCD-104等高效催化剂，催化剂活性达到40kgPP/gcat，产品等规度为90%-99%，

可不脱灰、不脱无规物)，生成的PP粉料粒度呈圆球形，颗粒大而均匀，分布可以调节，既可宽又可窄，可以生产全范围、多用途的各种产品。预聚合反应是在均聚反应之前先将催化剂组分同少量丙烯预先进行聚合反应，以保护催化剂和聚合产品的颗粒度。预聚合是液相聚合，采用一组由两根管组成的环管反应器。均聚反应也是液相聚合，一般都采用两组串连的环管反应器，每组反应器由四根管子组成。目前改进的Spheripol工艺的环管反应器由一组环管组成，通过对立管根数及其直径的不同设计来适应不同的处理能力，反应热通过环管外壁夹套内循环流动的水来撤除。嵌段共聚反应则采用气相法，反应器是一个或两个串联的密相流化床反应器。该工艺采用独特的环管式反应器，具有单位体积传热面积大，总传热系数高，单程转化率高、流速快、混合好、不会在聚合区形成塑化块、产品切换牌号的时间短等优点，而且结构简单，材质采用低温碳钢即可。环管反应器则是利用轴流泵使浆液高速循环，通过夹套冷却撤热，由于传热面积大，撤热效果好，因此其单位反应器体积产率高，能耗低。Spheripol工艺经济性好，原料和公用工程消耗低，人工费和三废处理等费用也少，生产成本较低，因此Spheripol工艺成为当今世界最为先进和流行的PP生产工艺之一。

表2-1 几种聚丙烯工艺对比

工艺名称 淤浆法工艺 工艺特点 1.丙烯单体溶解在惰性液相溶剂中（如己烷中），在催化剂作用下进行溶剂聚合，聚合物以固体颗粒状态悬浮在溶剂中，采用釜式搅拌反应器； 2.有脱灰、脱无规物和溶剂回收工序，流程长，较复杂，装置投资大，能耗高，但生产易控制，产品质量好； 3.以离心过滤方法分离聚丙烯颗粒，再经气流沸腾干燥和挤压造粒； 溶液法工艺 1.使用高沸点自链烃作溶剂，在高于聚丙烯熔点的温度下操作，所得聚合物全部融解在溶剂中呈均相分布； 2.高温气提方法蒸发脱除溶剂得熔融聚丙烯，再挤出造粒得粒料产品； 3.方法工艺流程复杂，且成本较高，聚合温度高，采用特殊的高温催化剂使产品应用范围有限; 气相法 1.系统不引入溶剂，丙烯单体以气相状态在反应器中进行气相本体聚合； 2.流程简短，设备少、生产安全、生产成本低； 3.聚合反应器有流化床、立式搅拌床及卧式搅拌床等； 1.系统中不加溶剂，丙烯在反应器中进行液相本体聚合，乙烯丙烯在流化床反应器中进行气相共聚； 体法（含液相气相组合式） 2.流程简单、设备少、投资省、动力消耗及生产成本低； 3.均聚采用釜式搅拌反应器，或环管反应器，无规共聚和嵌段共聚在搅拌式流化床中进行；

2.4 工艺流程草图

尾气进入尾气回收系统 添加丙烯单体 丙 烯 原 料 罐 底部流出物料进入布袋过滤器 丙烯气体流入洗涤塔 丙烯 单体 精制 小环 管反 应器 中顶聚 大环 管反 应器 中聚合 闪蒸管中进行气固分离 来自不同催化剂储罐 配置催化剂 废料和尾气进入回收系统 蒸汽进入水洗塔 粉料进入汽蒸罐 聚丙 烯粉 料送 去造粒 物料进入干燥罐干燥 粉料进入布袋过滤器 图2.1 工艺流程草图

2.5 工艺流程概述

全装置的工艺流程分为聚合区、造粒区、包装区和循环水场。

聚合区分为000#、100#、200#、300#、500#、600#、700#、制氢站等工段。

2.5.1 聚合区工艺

本装置使用的催化剂分为主催化剂和助催化剂三乙基铝（TEAL）、给电子体（DONOR）。TEAL

密封在钢瓶内贮存和运输。首先利用N2将TEAL从钢瓶压送到TEAL贮罐V111，再分批压送到TEAL计量罐V101。D101中的TEAL按照一定的流量控制通过计量泵P101精确地输送到催化剂混合罐V201。

DONOR对产品的等规度调节具有重要的作用。使用时先将100% DONOR溶液通过气动泵P103送至给电子体贮罐V110A/B。为了方便计量，并根据产品性能不同要求，再向V110A/B中加入一定量的白油，配成不同浓度的DONOR溶液。本装置一般使用10%和30%两种，配制好的DONOR溶液按照一定的流量控制通过P104精确地输送到V201。DONOR系统必须在N2封状态下使用和保存。

配制主催化剂膏体所需要的脂先在圆筒炉F101中进行加热，熔化后通过齿轮泵P105送至油脂混合罐V105，再按照油：脂为2：1的比例向V105中加入白油。通过Z110鼓泡排气后待用。使用时需将V105升温至70℃，按需要量通过P105将加热好的油脂混合物送到催化剂分散罐V106中，主催化剂从V106上部的HV136振动加入。通过严格的配制程序，最后将主催化剂混合在10℃的油膏中，以保证主催化剂能均匀地加入反应系统。

使用时，先用N2将主催化剂油膏压至催化剂计量罐V108A/B。从催化剂计量泵P108打出的油进入V108顶部，通过对活塞的压力，将V108中的催化剂送出至V201，通过对油的计量可以精确地计量催化剂的加入量。

保安精制主要包括汽提塔T701、脱水塔T703、脱砷塔T704，它们分别可以脱除丙烯中的轻组分（乙烷、一氧化碳、氢气）、水、胂等主催化剂“毒素”。从T701系统中的E701排出的轻组分，进入尾气回收系统。从保安精制出来的丙烯被称为“精丙烯”，经V701过滤后进入到丙烯进料罐V302中。

D302中的丙烯通过丙烯进料泵P301送往环管反应器R201。为保持P301出口压力的稳定，多余的丙烯通过FV331返回D302。

R201的丙烯主要有两个来源，一个由P301直接送入，另一个由P301经E201、Z203和R200后进入R201。

R201需要严格控制其反应条件：温度70℃，压力3.4MPa，密度560-580kg/m3。

R201带有一台轴流泵P201，用来维持物料在反应器内的循环。聚合反应放出的热量由反应器夹套水带走，夹套水通过E202与循环冷却水进行热交换来实现夹套水温度的稳定。

R201的压力控制是通过与之相连的V202的压力控制来实现的。202的压力控制主要是通过调节进入E203蒸发的液相丙烯流量来实现，另外从V202顶部出来的气相丙烯，也具有一定的调节作用。

R201的出料由V202的液位控制。

从R201中流出的浆料在闪蒸线内完全汽化后，进入闪蒸罐V301。当后续系统故障时，可以从D301前的三通阀HV301，将物料排向排放系统。

物料在V301中进行气、固分离，粉料从V301底部进入袋滤器F301，气相丙烯由D301顶部进入丙烯洗涤塔T301。V301顶部的动力分离器V301可以使粉料尽可能不被带走。丙烯在T301内经冷却和循环洗涤后，由丙烯泵P302送回D302。另有一股丙烯从T301底部排出，在小闪蒸线内汽化后，与D301底部流出的物料一起进入F301，目的是将洗涤下来的粉料排出。T301系统中的E301可将不凝气排放到尾气回收系统。

物料在F301内再次减压至0.05-0.08MPa，闪蒸出来的丙烯气经滤袋和安全过滤器F302过滤后，进入低压丙烯洗涤塔T302。T302内的循环液由白油和添加剂Atmer163按2：1混合而成。气相丙烯中夹带的粉料和TEAL被洗涤下来。当油中的TEAL含量超过8%时，T302需换油，每次更换一半。废油由齿轮泵P303送往D607，进行废油处理。

当低压闪蒸系统故障时，可由F301前的三通阀HV311将物料排放至排放系统。

从T302顶部出来的丙烯，经E304冷却，V304缓冲后，进入循环气压缩机PK301，PK301将丙烯压缩至1.6-1.8MPa后，返回到T301入口。

V301内的粉料向下进入汽蒸罐V501。汽蒸的目的是为了提高产品的质量，降低产品灰份和氯含量。V501是一个带搅拌器（A501）的流化床。蒸汽由底部进入，将粉料中的残余催化剂分解后，由V501顶部出来进入水洗塔T501。蒸汽中带有少量的丙烯、油、HCl、粉料等。粉料、HCl和蒸汽在T501中被洗涤下来，由塔底排出。少量的丙烯和油被T501顶部的E501冷却后进入尾气压缩机PK501。PK501将残余丙烯压缩至0.4MPa后进入尾气回收系统。少量的油贮存在废油罐V506中，最后排至油桶。

T501的操作温度为90-100℃，它的热水同时还作为T301底再沸器E303的热源循环使用。 V501中的物料依靠重力进入干燥罐V502。V502内有螺旋筛板，可以使物料不发生混流。热氮气从V502底部进入，对物料进行干燥后，由顶部出来进入水洗塔T501，N2在T501中被冷却，并降低湿度后，进入鼓风机C502。从C502出来的N2在E503中加热至80-100℃，又从V502底部进入。T501的循环液在E501中进行冷却，以稳定T501的操作温度。

从V502底部排出的合格粉料，由粉料输送系统PK801送至聚丙烯粉料缓冲仓V802，等待造粒。

2.5.2 造粒区

造粒系统由添加剂配制单元，计量加料单元，CMP230X-12AW连续混炼机，水下切粒机，颗粒水（PCW）系统，颗粒干燥器、分级器组成。

通过混合器M801A/B配制好的添加剂，经W802计量后，再与经W801计量后的PP粉料混合之后进入预混器M802，混合后加到混炼机腔，混炼树脂和添加剂，并通过排气口放出富余氮气及挥发物，由齿轮泵加压，树脂通过换网器，清除树脂中的杂质，送到模板。在水室中，挤压成条的树脂被切粒机旋转的切刀切成颗粒。这些颗粒由PCW系统送到脱水干燥器D805，干燥后由分级器S803进行分类，分离出不合格尺寸的颗粒。尺寸合格的颗粒送到D807，D807底部出来的颗粒通过颗粒输送系统PK802送至均化料仓D901。

2.5.3 包装区

正常生产时，每一满罐（D901A/B/C/D）PP粒料为一批料，批料均化时间为6-10小时。均化操作是从同一料仓通过均化管线自料仓的不同高度取料，再通过PK901送往同一料仓顶部的操作。均化结束后，可根据生产安排停PK901或将PK901目标料仓切向D902，将D901A中粒料送至D902，进行包装。

成品包装工段共有A、B两条CZQ型全自动包装码垛生产线，该生产线由包装单元、码垛单元、电气控制及上位管理系统，辅助及公用工程系统组成。

2.5.4 循环水场

本装置还包括有一个循环水场，负责向装置内提供循环冷却水。

3 物料衡算

物料衡算是对进出生产装置、生产工序或单台设备的物料进行平衡计算。物料衡算的主要内容是根据各种物料之间的定量转化关系，计算进出整个生产装置、生产工序或单台设备的各股物料的数量及组成[11]。

物料衡算的理论依据是质量守恒定律。对于没有化学反应的生产过程来说，质量守恒定律为：进入一个装置的全部物料质量等于离开这个装置的全部物料质量再加上装置内积累起来的物料质量。写成公式为：

流入量=流出量+积累量+损失量

对于有化学反应的过程来说，要将化学反应的计量关系结合到质量守恒定律中，写成公式为： 流入量+反应生成量=流出量+反应消耗量+积累量+损失量

3.1 设计名称

年产11万吨环管法聚丙烯合成车间工艺设计

3.2 设计条件

3.2.1 全套装置工艺参数

生产规模：年产11万吨 生产时间：年工作时数8000小时

每吨聚丙烯消耗丙烯理论量：1.02吨丙烯（100%）

全装置总收率按98%计算，提耗为2%（以1.02吨100%丙烯为基准计算收率和损耗），损耗分配如下：

精制工段丙烯损失 0.5% 闪蒸工段丙烯损失 0.5% 汽蒸工段丙烯损失 0.8%

PP粉料损失 汽蒸工段 0.1%，造粒工段 0.1%

3.2.2 丙烯进料量（按小时计算）

PP每小时净生产量：110000/8000=13.75t 需要100%丙烯：13.75*1.02=14.025t 则取14.025t丙烯为基准计算收率和损耗

扣除损耗的则参加反应的丙烯：14.025/(1-0.5%-0.5%-0.8%)=13.773t 按转化率55%，则需要100%丙烯进料量为：13.773/0.55=25.04t 原料纯度为99.5%，则原料量为：25.04/0.995=25.17t

3.3 催化剂用量

①主催化剂（CS-Ⅱ型和DQ-Ⅰ型）

主催活性：25~31kgPP/gcat，取30 kgPP/gcat。 则主催用量：13.773*1000/30=459.1g ②其它

按主催：助催TEAL：给电子体DONOR：烃油十脂=0.06：0.35：0.015：0.35 助催TEAL用量:(0.35*459.1)/0.06=2678.1g 给电子体DONOR用量：(0.015*459.1)/0.06=114.8g 烃油十脂：2678.1g

则催化剂总量：459.1+2678.1+114.8+2678.1=5930.1g,即5.93kg

3.4 R200小环管的物料衡算

主催化剂 DONOR TEAL 预聚合 丙烯原料 D302 去聚合 图3.2 R200物料平衡图

表3-2 R200物料平衡表

物料名称 物料质量（kg） 总量（kg）

输入 丙烯 催化剂

3000 5.93 2954.09 45.91 5.93

3005.93

输出

丙烯 PP 催化剂

3005.93

进料：丙烯进料流量 2700~3300kg/h，取3000kg/h 主催化剂 459.1g 催化剂总量 5.93kg

主催化剂：100~150gPP/gcat，取100gPP/gcat 则预聚合生成PP：459.1*100=45910g=45.91kg 未反应的丙烯：3000-45.91=2954.09kg 出料：PP 45.91kg 丙烯 2954.09kg 催化剂 5.93kg

3.5 氢气用量

H2消耗定额：0.009~0.31kg/tpp,此处取值：0.20kg/tpp 则H2用量：0.20*13.773=2.7546kg

3.6 R201大环管反应器的物料衡算

氢 气 PP45.91kg R200 丙烯2954.09Kg 催化剂5.93Kg R201 PP13867.76Kg D301 丙烯11305.84Kg 丙烯22170Kg D302 图3.3 R201物料平衡图

转化率55%

进料：丙烯 25.1736*1000-49.51=25124.09kg

PP 45.91kg

生成PP：25124.09*55%=13818.25kg 出料：PP 13818.25+45.91=13864.16kg 丙烯 25.1736*1000-13867.76=11305.84kg

表3-3 R201物料平衡表

输入

物料名称 丙烯（R200） 丙烯（D302） PP(R200)

输出

丙烯 PP

物料质量（kg）

2954.09 22170 45.91 11305.84 13864.16

25170 总量（kg）

25170

3.7 D301闪蒸罐的物料衡算

进料：PP 13867.76kg 丙烯 11305.84kg

T301 PP+丙烯 丙烯+ PP R201 D301 PP+丙烯 F301 图3.4 D301物料平衡图

D301顶部丙烯带走粉尘为10%，底部粉尘带走丙烯10% D301塔顶出料为：

丙烯：11305.84*90%=10175.26kg PP：13867.76*10%=1386.78kg D301塔底出料为：

PP：13867.76*90%=12480.98kg 丙烯：11305.84*10%=1130.58kg

表3-4 D301物料平衡表

输入

物料名称 丙烯

物料质量（kg） 11305.84

总量（kg） 25173.6

PP

输出

丙烯（D301顶） PP(D301顶) 丙烯（D301底） PP(D301底）

13867.76 10175.26 1386.78 1130.58 12480.98

25173.6

3.8 F301布袋过滤器的物料衡算

D301→F301 PP粉： 12480.98kg 丙烯气：1130.58kg T301→F301 丙烯： 2860kg PP粉： 1386.78kg 进料：则D301

丙烯：2860+1130.58=3990.58kg

〉→F301

T301 PP：12480.98+1386.78=13867.76kg

回收T301 丙烯 丙烯+PP T301丙烯+PP D301 F301 丙烯+PP D501

图3.5 F301物料平衡图

D501损失丙烯0.8%：14.025*1000*0.8%=112.2kg 则从F301顶部出丙烯：3990.58-112.2=3878.38kg 出料：F301顶部（T301）：丙烯气3878.38kg

F301底部（D501）：PP 13867.76kg 丙烯112.2kg

表3-5 F301物料平衡表

输入

物料名称 丙烯（D301） PP(D301)

物料质量（kg）

1130.58 12480.98

总量（kg）

17858.34

PP(T301) 丙烯（T301）

输出

丙烯（F301底部） 回收丙烯（F301顶部） PP(F301底)

1386.78 2860 112.2 3878.38

17858.34

13867.76

3.9 T301循环丙烯洗涤塔的物料衡算

T301的液位50%，体积11m3 丙烯密度 0.52g/cm3 则回流的液相丙烯：11*0.5*0.52*103=2860kg 进料：D301→T301 PP粉： 1386.78kg 丙烯：10175.26kg

F301→T301 丙烯：3878.38kg

损失丙烯0.5%，损失14.025*1000*0.5%=70.125kg/h

则回收至D302的丙烯10175.26+3878.38-2860-70.125=11123.515kg 小闪线内随回流丙烯到F301的PP 1386.78kg

T301 D301丙烯 回收丙烯 损失丙烯 F301丙烯

图3.6 T301物料平衡图

表3-6 T301物料衡算表

输入

物料名称 丙烯（D301） PP(D301) 丙烯（F301）

输出

物料质量（kg） 10175.26 1386.78 3878.38 70.125 11123.515

总量（kg） 15440.42

损失丙烯 回收丙烯

15440.42

PP(F301) 回流丙烯

1386.78 2860

3.10 D501汽蒸罐的物料衡算

纯净气体 自F301来的聚合物 S501 T501 低压蒸气 D501 PP粉末 D502含3%wt的冷凝水 图3.7 D501物料平衡图

进料： PP 13867.76kg，丙烯112.2kg，水蒸汽：27005.3kg （计算） 损失PP粉：14.025*1000*0.1%=14.025kg

则从D501→D502： PP粉 13867.76-14.025=13853.735kg PP粉夹带水分13853.735*3%=415.612kg D501→T501 PP粉：14.025kg 丙烯: 112.2kg

水蒸气：27005.3-415.612=26589.688kg

表3-7 D501物料平衡表

输入

物料名称 PP 丙烯 水蒸气

输出

损失PP PP粉 损失丙烯 水蒸气 PP粉夹带水分

物料质量（kg） 13867.76 112.2 27005.3 14.025 13853.735 112.2 26589.688 415.612

总量（kg） 13979.96

27005.3 13979.96

27005.3

3.11 T501水洗塔的物料衡算

D501→T501 PP粉：14.025kg 丙烯: 112.2kg

水蒸汽：27005.3-703.7=26301.6kg 还有少量的油、HCl等 出料：塔底：PP粉 14.025kg 水蒸汽 26301.6kg

少量 HCl

塔顶：丙烯112.2kg进入尾气回收系统 油排至油桶

3.12 D502干燥塔的物料衡算

进料：湿PP粉

13853.735+415.612=14269.347(kg)

热氮气 478.42kg 出料：

塔底：干PP粉末13853.735kg 少量水分13853.735*0.02%=2.77kg 氮气带走的水分为415.612-2.77=412.842kg 塔顶：湿氮气：478.42+412.842=891.262kg

湿氮气 自D501的聚丙烯 D502 干燥洗涤塔T502 D502 PP粉末 D507 C502A/B PK801 E503 氮气 料仓D801A/B D802 图3.8 D502物料平衡图

3.13 造粒

PP粉13853.735损失0.1%为13853.735*0.1%=13.854kg 在聚合过程中催化剂和氢气全用来生产成品PP,损失的忽略不记 得成品PP粉：(13853.735+2.7546+5.93)- 13.854=13848.57kg=13.85t 则年生产PP:13.85*8000=110800t

4 热量衡算

热量衡算是指根据能量守恒定律对设备在操作过程中传入热量或传出热量的平衡计算[12]。连续操作过程热量衡算的内容主要是计算正常操作时的传热速率，为设备传热面积、传热介质流量、工艺管径等的计算及控制方案的选择提供依据。

在化工过程中，各种热量之间的转换关系可以用热平衡方程表示：

∑Q=∑H出 - ∑H进

其中 ∑Q------设备或系统与外界环境交换热量之和，通常包括热损失，kJ；

∑H出------离开设备或系统各股物料的焓之和，kJ； ∑H进------进入设备或系统各股物料的焓之和，kJ；

4.1 计算依据

丙烯聚合热：2172.95kJ/kgPP

表4-1 水的比热

℃ Kcal/(kg*℃)

℃ Kcal/(kg*℃)

℃ Kcal/(kg*℃)

℃ Kcal/(kg*℃)

20 0.999

30 0.997

70 1.00

80 1.002

表4-2 液相丙烯比热

25 0．685

50 0．800

60 0．810

70 0．910

表4-3 气相丙烯比热

50 1．64

60 1．643

76 1．647

20 1．633

表4-4 聚丙烯比热

20 1．93

70 2．23

80 2．246

105 2．526

表4-5 丙烯汽化潜热

℃ Kcal/kg

50 2750

60 2350

76 1700

4.2 R200小环管的热量衡算

预聚生成PP：45.91kg 丙烯聚合热：2172.95kJ/kgPP 输入热量：

20℃的丙烯带入热量Q1 =CP*m*△t=3000*0.685*4.2*20=172620kJ PR的反应热Q2=2172.95*45.91=99760.135kJ 输出热量：

预聚物带走热量Q3= CP*m*△t=45.91*1.93*20=1772.126kJ

未反应丙烯带走热量Q4= CP*m*△t=(3000-45.91)*0.685*4.2*20=169978.339kJ

通过通冷却水移走聚合反应生成热，设备向外界环境散热的热量可忽略不计，则冷却水带走的热量为Q5： Q5=Q1+Q2-Q3

=45.91*0.685*4.2*20+2172.95*45.91-45.91*1.93*20 =2641.661+99760.135-1772.126 =100629.67kJ

夹套水进口温度范围是9.5～10.5℃,本设计取10℃，出口温度取15℃ 因为 Q=m*△t*C水 得 m水=Q5/（C水*△t） 所以 m水=100629.67/(4.2*5)=4791.889kg

液相本体法聚丙烯聚合釜夹套传热的总传热系数为：K=δ*e-0.809C K—总传热系数，ω/m2k

δ—丙烯转化率为零时的传热系数，ω/m2k C—丙烯转化率（C=45.91/3000=0.0153）

对于碳钢材质的聚合釜δ可取560～698ω/m2k，取δ=600ω/m2k 则K= 600*e（-0.809*0.0153）=592.619ω/m2k 传热方式：夹套式换热为主 反应温度：20℃→ 20℃ 冷却水 ： 10℃ →15℃

平均温差[i]△tm=（△t1-△t2）/㏑（△t1/△t2） 则△t={(20-10)-(20-15)} /㏑{(20-10)-(20-15)}=7.214℃ 1ω=3.6kJ/h

传热面积[10]A=Q/（K.△tm）

则A= A=Q5/（K.△tm）=(100629.67/3.6)/( 592.619*7.214)m=27952.686/4275.153=6.54m2

表4-6 R200热量衡算表

输入热量

热量名称

20℃的丙烯带入热量Q1

PR的反应热Q2 预聚物带走热量Q3

输出热量

未反应丙烯带走热量Q4 冷却水带走的热量为Q5

冷却水用量（kg） 夹套传热面积（㎡）

热量（kJ） 172620

272380.135

99760.135

1772.126 169978.339 100629.67

4791.889 6.54 272380.135 总量（kJ）

4.3 R201大环管反应器的热量衡算

生成PP：13818.25kg

氢气的进料温度为20℃，量为2.7546kg 进料：PP 45.91kg 丙烯：25124.09kg 出料：PP 13867.76kg 丙烯：11305.84kg 输入热量：

预聚物带入热量Q1=CP*m*△t=45.91*2.23*70=7166.551kJ

丙烯带入的热量Q2=CP*m*△t=25124.09*0.91*70*4.2=6721699.039kJ 氢气带入热量Q3= CP*m*△t=2.7546*3.408*4.2*50=1971.412kJ 反应生成热Q4=2172.95*13867.76=30133949.092kJ 输出热量：

聚合物带走热量Q5=13867.76 *2.23*70=2164757.336kJ 丙烯带走热量Q6=11305.84*0.91*70*4.2=3024764.434kJ

通过通冷却水移走聚合反应生成热设备向外界环境散热的热量可忽略不计，则冷却水带走的热量为Q7：

Q7=Q1+Q2+Q3+Q4-Q5-Q6=31675264.324kJ 冷却水进口温度为10 ℃，出口温度为30℃

冷却水用量m水=31675264.324/4.2*(30-10)= 377086.48kg 平均温差△t=[(70-10)-(70-30)]/In[(70-10)-(70-30)]=49.326℃

液相本体法聚丙烯聚合釜夹套传热的总传热系数为：K=δ*e-0.809C K—总传热系数，ω/m2k

δ—丙烯转化率为零时的传热系数，ω/m2k

C—丙烯转化率[C=（13867.76-45.91）/35525.08=0.389]

对于碳钢材质的聚合釜δ可取560～698ω/m2k，取δ=600ω/m2k 则K= 600*e（ -0.809*0.389）=438.004ω/m2k

换热面积；A= Q7/（K.△t）=(31675264.324/3.6)/( 49.326*438.004)= 407.253m2

表4-8 R201热量衡算表

热量名称 预聚物带入热量Q1 丙烯带入的热量Q2

输入热量

氢气带入热量Q3 反应生成热Q4 聚合物带走热量Q5

输出热量

丙烯带走热量Q6 冷却水带走热量Q7

夹套传热面积(㎡)

1971.412 30133949.092 2164757.336 3024764.434 31675264.324

407.253

36864786.094

热量（kJ） 7166.551 6721699.039

36864786.094 总量（kJ）

4.4 D301闪蒸罐的热量衡算

大闪线内液相丙烯汽化所需要热量为：

℃ Kcal/kg

表4-5 丙烯汽化潜热

50 2750

60 2350

76 1700

查《化工原理》得水蒸汽的比热容为 105℃ 1.84kJ/kgK 120℃ 1.89kJ/kgK Q=Mr=11305.84*1700*4.2=80723697.6kJ 水蒸汽进口温度为120℃，出口温度为105℃

蒸汽用量m=80723697.6 /[1.89*(120+273.15)-1.84*(105+273.15)]=1708166.907kJ

4.5 D501气蒸罐的热量衡算

℃ Kcal/(kg*℃)

表4-4 聚丙烯比热

20 1．93

70 2．23

80 2．246

105 2．526

PP进出料温度为80℃，出口温度为 100℃

PP吸收的热量Q=13853.735*2.526*100-13867.76*2.246*80=1007694.344kJ 水蒸汽出口温度为105℃ ，进口温度为120℃

则水蒸汽的用量为：m=Q/(c1t1-c2t2)= 1007694.344/47.25=21326.864 kg/h

4.6 D502干燥罐的热量衡算

PP进料温度为100℃，出口温度为80℃ 进入N2温度为110℃，出口温度为 80℃ 热N2带走水分415.612-2.77=412.842kg

13853.735kg PP粉带走水分13853.735*0.02%= 3.37kg 已知：

101.325Kpa下 80℃ P水汽=47.379Kpa 110℃ P水汽=143.31Kpa 则在0.01Kpa下 80℃ P水汽=4.676Kpa

110℃ P水汽=14.149Kpa

则在80℃N2的湿度A1=0.622* P水汽/（P- P水汽）=0.546水/kg干气 110℃ N2的湿度A2=0

所以氮气用量mN2=w/(A1-A2)= 415.612/0.546=761.194kg 输入热量：

湿PP粉带入热量Q1=13853.735*2.526*100+415.612*4.2*100=3674010.501kJ 热N2带入热量Q2=761.194*0.8*383=233229.842kJ 输出热量：

出料PP粉带走热量Q3=13853.735*2.246*80=2489239.105kJ 顶部湿N2带走热量Q4=Q1+Q2-Q3=1418001.238kJ

表4-9 D502热量衡算表

输入热量

热量名称 湿PP粉带入热量Q1 热N2带入热量Q2 PP粉带走热量Q3 湿N2带走热量Q4

N2用量（kg）

热量（kJ） 3674010.501 233229.842 2489239.105 1418001.238

761.194

总量（kJ） 3907240.343

输出热量 3907240.343

5 设备选型

本次设计的设备工艺计算是在确定了设备的操作工艺参数及进行了物料衡算、热量衡算的基础上进行的[13]。其内容主要是确定设备的类型、规格、主要工艺尺寸、设备台数等，其目的是为设备机械设计、车间平面布置、配管设计等提供设计依据。

5.1 R200小环管的选型

5.1.1 R200小环管的工艺参数

操作/设计温度：20℃ / -45℃～150℃（夹套 170℃ ） 操作/设计压力：3.4 / 4.7 Mpa 介质：丙烯、催化剂、聚丙烯 浆液浓度：420~430 kg(pp)/ m3 (SL)

5.1.2 主要作用

为丙烯和活化后的催化剂提供预聚合的场所，并使之在3.4Mpa，20℃的环境下停留一定时间。

5.1.3 选型

R200容积为0.44 m3，反应停留时间为4min，由能量衡算知需要的换热面积为6.54m2。 R200与R201基本类似，采用S.S材料，有2根直管，通过一个180°的弯管连接起来。环管内径152.44mm，设备高11.4m，壁厚7.1mm，容积0.44 m3，每根直管长度7m，反应器的直管部分带有夹套，夹套材质为C.S直径 10″，为防止介质粘壁，内表面需要抛光处理，粗糙度Ea=1.0。

R200表面积π*d*h=3.14*0.1524*7*2=6.7m2，而所需换热面积为：6.54m2，则设备选取合适。

5.2 R201大环管反应器的选型

5.2.1 R201大环管反应器的工艺参数

操作/设计温度：70℃/ -45℃～150℃（夹套150℃） 操作/设计压力：3.4/4.7 Mpa (夹套0.8Mpa) 介质：丙烯、聚丙烯、催化剂 浆液浓度：560kg(pp)/ m3（SL）

5.2.2 特点

1）R201内的物料流动速度高，传热好，壁面速度高，滞流层薄； 2）聚合速率高，单体体积产率高（>400kgPP/h.m3）； 3）R201内各点催化剂分布均匀； 4）循环能量少，设备简单；

5）结构简单，占地少，在地面支撑容易，布置紧凑，操作平台由环管本身支撑，不需要另外的设施。

5.2.3 选型及结构

进料22170丙烯体积：22170/(0.52*103) =42.635m3 进料45.91聚丙烯体积： 45.91/(0.9*103 )=0.051m3 进料总体积：42.635+0.051=42.686m3 取45m3 反应停留时间为1.5h，则累积量为45*1.5=67.5 m3 故选择R201的总容积为67.5m3 选取环管直径25''，即635mm

则大环管的总高度：67.5/(0.25* D2*π)= 213.27m≈220m 选择六根直管，选用10个大环管，则每根直管高度：3.7m 每个环管容积为9.75 m3，约10 m3

直管部分表面积：π*d*h=3.14*0.635*6*37=442.646m3，而所需换热面积为：407.253 m2 故设计合理，选择的大环管合适。

R201采用独特的环管结构形式，它有6根直管，通过5个1800的弯管把他们连接起来，环管直径635mm，每跟直管高3.7m，外部夹套直径720mm；环管总容积145m3，环管采用低温碳钢。为了防止粘壁，内表面需抛光处理，表面粗糙度Ea=2.5。

环管反应器的直管部分装有夹套，夹套材质为C.S。在夹套的上下两处有夹套水出入口，根据配管要求，这两部分的直径被加大。由于环管与夹套温差较大，因此在夹套上还装有膨胀节。

在R201下部装有轴流泵P201，它的作用就是使物料高速循环起来。使加入的催化剂分布均匀，并提高传热系数，反应热通过夹套中的循环冷却水撤走。

5.3设备一览表

表5-1 设备一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

容器名称 小环管 大环管 闪蒸罐 循环丙烯洗涤塔 袋式过滤器 油洗塔 气蒸罐 干燥器 水洗塔 冷凝器

容器编号 R200 R201 D301 T301 F301 T302 D501 D502 T501 T502

容器规格V/m3 0.44 10 5.1 11 5.9 5.6 11.7

操作条件 温度℃ 20 70 70 44.5 80 70 105 90

设备

压力Mpa 数目 3.4 3.4 1.8 1.8 0.1 0.25 0.02 0.01

1 10 1 1 1 1 1 1 1 1

11 12 13 14 15 16

CO气提塔 预聚反应加料冷却器 R201夹套水加热器

T301再沸器 T302再沸器 T501再沸器

T701 E201 E301 E303 E304 E501

9.0

70 45/7 41 61 61 61

0.25 3.50/0.4 1.8 1.8 1.8 1.8

1 1 1 1 1

6 聚丙烯装置的安全生产

聚丙烯的生产过程是丙烯和氢气等在催化剂、活化剂的作用下，聚合成聚丙烯粉料。在整个生产过程中，由于所用的原料及产品均属易燃易爆品，因此掌握与聚丙烯生产有关的安全生产技术，并且提高安全生产意识，做好安全防护工作是十分重要的。

6.1静电的危害与防范

6.1.1静电危害

静电产生的原因是由于物质表面所产生的电荷形成的。具有很高电阻的液体和固体颗粒在机械运动时都会产生静电，如聚合釜、闪蒸釜进料搅拌，闪蒸釜向接料斗喷料等都能产生静电。另外丙烯泄漏向外喷出时也会产生静电。

在聚丙烯的生产过程中，在聚丙烯成品粉料的流动输送过程中是最容易产生静电并造成火灾爆炸事故的。主要原因是输送时速度很快，摩擦激烈，因而会产生大量的静电荷。聚丙烯在闪蒸釜喷料时，其速度约为12～15m/s，并且在闪蒸釜内受到搅拌的摩擦，使聚丙烯粉料带有极高的静电荷，测其电压可达3．0～3．5万伏。

在干燥季节，包装粉料时员工有受到电击的感觉，此时如果闪蒸效果不好，有残留的丙烯释放或厂房周围有较高浓度的可燃性气体时，必将引起恶性火灾爆炸事故。

6.1.2 静电的防范措施

(1)使丙烯及聚丙烯粉料的输送管线很好的接地，法兰、阀门之间要有符合安全要求的跨线连接。地上管网系统每隔一段距离(50—100m)应与接地干线或专设的接地体相连接，防爆区的设备、储罐及防爆区的关键设备都要有静电接地保护。

(2)增加空气湿度，有利于静电的导出。

(3)加强相关安全操作技术的培训，提高操作水平，尽量降低物料流动速度，从而降低静电产生。 (4)接出料系统安装防静电布袋，包装人员禁止穿戴易产生静电服装上封。

6.2 其他安全措施

（1）定期检查原料系统、氢气系统是否有泄漏，同时对包装过程进行检查。

（2）聚合釜丙烯进料量必须准确，严禁超量，如超量．升温时液相丙烯随温度上升而密度下降很快，体积增大较多造成满釜憋压事故。

（3）闪蒸去活是可燃物与空气交替通入设备内进行的操作，置换效果不好容易形成爆炸性混合物。闪蒸收料完毕后，进行泄压抽真空(50mmHg以上)，充氮气(O.2MPa)反复抽排3～4次，分析釜内丙烯含量小于0.5％后，泄压通工业风反复2～3次至常压方可出料。

（4）液相本体法聚丙烯装置大多采用人工包装，难免有粉尘外泄。为防止聚丙烯粉尘爆炸，一方面尽量减少粉尘外泄；另一方面要杜绝火种。

（5）强化员工安全技术培训，熟练掌握操作技术，严格执行各项规章制度。 （6）进行有效的安全生产动态调查，及时消除各类隐患。

（7）进行经常性的事故演练，提高员工安全意识．增强员工事故应变能力。

7 “三废”处理与环境保护

聚丙烯装置中的污染源主要有：汽蒸罐尾气、压缩机排放的含烃蒸汽、各贮罐排放的不密封氮气、事故状态及开停工期间排放的工艺物料、汽蒸罐洗涤塔排放的含油污水、废油处理罐排放的矿物油、切粒水罐排放的PP颗粒水、丙烯干燥塔排放3A分子筛及测量用仪表的放射源Cs137等。

7.1废水

聚丙烯装置内由设备排出的废水有两种： ① 需要经过处理的含油污水；

②不经过处理可以直接排放的无油废水。其他的废水如雨水、卫生用水和一般清洁用水等废水不经过处理即可直接排入车间外的排水管道。

需要处理的含油污水和其他废水一道排入油水分离沉淀池进行除油处理。油水分离沉淀池的总停留时间为3.7小时。油水分离沉淀池出来的废水，还未达到污水排放的要求，必须经排水管线排入污水处理场，采用隔油、浮选、生物化学处理等方法进行最后的处理。

7.2废气

① 装置内各排放点的含氮废气，可就近排入大气中。含有粉尘的废气通过过滤器回收粉尘，使排

放到大气的粉尘量降低到符合有关排放标准的要求。

② 装置区排放的含烃废气，其成分主要为丙烯、丙烷，可作为燃料直接送往瓦斯管网，达到回收

利用资源。

③开停工及事故状态时，含烃气体密封排入全厂火炬系统，通过火炬燃烧减少了有机物对大气的污染。

7.3废渣

根据废渣的不同性质采用不同的处理方法，使之达到无害化。对可利用的聚丙烯降级出售。其他废渣如分子筛等送工业废渣填埋场作堆埋处理。废放射源Cs137块，按?放射环境管理办法?规定，送该单位所在地区省级环境保护行政主管部门指定的城市放射性废物库贮存。

聚丙烯装置虽然是属于“清洁生产”装置，但仍不可避免排出“三废”。为了减少对环境的污染，通过采取所述设计措施，并严格生产过程中的管理，聚丙烯装置的环境保护可以满足国家、地方及主管部门的规定。这对改善工作环境，保护员工的身心健康，具有非常重要的意义。

参 考 文 献

[1] 宋冠秦．聚丙烯产需快速增长[N]．中国化工报，2007—9— 21(3) [2] 孙涛 张宝森 刘田艺库. 聚丙烯生产工艺进展. 辽宁化工, 2007(6): 409-411 [3] 日本东邦钦公司，Jp2002249507 [4] 意大利Basell公司，WO200二;002-617 [5] 荷兰Motell公司，WO99ll677

[6] 于文秀，聚丙烯技术新进展，石油化工，2003，32(10):913一917 [7] 聚丙烯一原理、工艺与技术，2002，338一346 [8] 国外聚丙烯工艺及其发展前景 [9] 百度百科

[10] 陈敏恒，方国南等主编. 化工原理[M]，上册. 化学工业出版社

[11] 陈敏恒，方国南等主编. 化工原理[M]，下册. 化学工业出版社

[12] 马连湘，刘光启，王文中主编.化工设备计算手册[M].北京：化学工业出版社，2003. [13] 聚丙烯生产技术培训教材.中石化荆门石化总厂七万吨PP/年

[14] 师树才，乔学福.杨盛启等编.化工过程设计手册[M].北京：中国石油化工出版社，2004 [15] 华东理工大学机械制图教研组编.化工制图,第二版.上海：高等教育出版社，2007 [16] 余国琮主编.化工机械工程手册（上、中、下）.北京：化学工业出版社，2003 [17] 魏崇光，郑晓梅主编.化工工程制图.北京：化学工业出版社，2008 [18] 余国琮主编.化学工程辞典.第二版.北京：化学工业出版社，2008

致 谢

通过一段时间对环管法聚丙烯合成的设计，我对环管法聚丙烯合成的设计方法与流程有了一个比较全面的了解。在这个不断设计、学习、再设计的反复操作过程中，我们潜移默化地学习到了一种科学的设计思路和方法，这对我们以后的工作态度和方法将产生积极的影响。特别是在利用现代化的设计上，我有了很多的自己的设计思想。

本次设计是我们在毕业实习的基础上，根据毕业设计任务所做的连续本体法年产11万吨聚丙烯车间工艺设计。

本次设计离不开老师们在设计前的准备，到设计过程中指导，再到设计后的检查，都不厌其烦的给了我们好的建议。正是由于她们耐心指导，我的设计才得以顺利完成。在此向他们表示由衷的感谢！

在这里我还要感谢在设计期间指导老师和班级同学给予我的各方面的支持。在环管法聚丙烯合

成的设计过程中，很多时候都是依靠同学们的帮助和老师的指导，才能顺利地继续往下设计，在这里要感谢同学的帮助，也向指导老师表示衷心的感谢！

大学生活即将结束了，我们在毕业设计中成长，我们在其中收获，再一次感谢大学四年中给予我关心和帮助的老师和同学们，祝愿武汉理工大学华夏学院明天更好！

成的设计过程中，很多时候都是依靠同学们的帮助和老师的指导，才能顺利地继续往下设计，在这里要感谢同学的帮助，也向指导老师表示衷心的感谢！

大学生活即将结束了，我们在毕业设计中成长，我们在其中收获，再一次感谢大学四年中给予我关心和帮助的老师和同学们，祝愿武汉理工大学华夏学院明天更好！

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