年产3万吨聚丙烯液相本体法聚合车间工艺设计

物料衡算⑴聚合时所用催化剂CS-2的用量计算催化剂CS-2外观褐色细颗粒，活性指标：≥20000Gpp/gTiCl3，查RTiCl3/PP（质量）取值为（40~60ppm），即TiCl3/PP≤50ppm，则由公式363()0.8CHTiClWcatVKR6500120.850100.8330g上式中：Wcat催化剂的用量，kg；V聚合釜容积，m3；K装料系数，0.75；36CH丙烯在30℃时的密度，kg/m3；3TiClR钛烯比，ppm；0.8催化剂中TiCl3含量⑵聚合时活化剂的用量计算//ALcatALALTiTicatALWWRCC3001140.0412/(134.50.98)124.543g上式中：WAL活化剂的用量，kg；CTi催化剂中TiCl3的含量，一般为80%的质量CAL浓的活化剂中Al（C2H5）2Cl含量，一般为98%；ALAl（C2H5）2Cl的分子量，114；catTiCl3的分子量，134.5；RAL/Ti活化剂与Ti之比，0.04。因为活化剂为25g/100ml，所以应加三乙基铝：ALV124.543/0.25498.172ml⑶聚合时氢气用量计算H2在聚合过程中作分子量调节剂，产品熔融指数为MⅠ=2.0~6.0g/10min，在这里取MⅠ=3.8g/10min。由加氢量与熔体流动速率关系知：2lg2.412.3IMgH上式中：MI熔体流动速率，g/10min；[H2]液体丙烯中H的摩尔百分率。代入数据得2lg[](lg3.82.3)/2.40.717H2[]0.19219.2%H又由于23622[]/()HCHHHnnn20.201Hnkmol则230.20122.44.5024HVm2220.402HHmnkg⑷聚合时第三组分DDS的用量密度=1.070-1.080g/ml（25℃），这里取=1.08，分子量为244.4。一般来说丙烯为8m3时，DDS为250ml，则丙烯为9-10m3时，DDS为281.5ml。故质量为1.08281.5304.02MVg⑸进入聚合釜反应丙烯的质量在30℃时，363500/CHkgm时，363698%500120.899%4752CHCHmVKkg（其中K为装料系数，V为反应釜体积）⑹聚合回收损失的丙烯气体投入丙烯的理论量为4410kg，则生成聚丙烯的量1m为1441070%3087mkg其中70%为转化率聚合回收损失的丙烯气体（损失的丙烯气体）为2m：21[2%/(91%1.6%1.8%1.8%)]mm3292.82%/96.2%68.743kg⑺进入闪蒸釜中的丙烯查《化学工艺设计手册》知：等规聚丙烯的密度：0.920.94，这里取330.92g/cm920kg/m，则聚合釜内PP的体积1V为313087/9203.355Vm而聚合釜的总体积V0为12m3，则聚合釜剩余的体积V2为3201123.3558.645VVVm采用高压回收，聚合釜中回收后，压力为1.2MPa，温度为50℃通过闪蒸釜后残压为0.3MPa，温度为40℃，由PVnRT知故进入闪蒸釜的丙烯的量n散为222111//nPVRTPVRT散4075.591843.652231.94mol进入闪蒸釜中的丙烯m3为332231.944293.741mnMkg⑻聚合高低压回收的丙烯气体的量回收的气体丙烯的质量m4为3642(170%)CHmmm4752(170%)-64.178=1361.422kg则聚合高低压回收的气体丙烯m5为5431361.422mmmkg⑼聚合过程损失的聚丙烯的量由设计任务书知，全装置总收率按91%计，聚合及回收等损失：聚丙烯1.6%；闪蒸聚丙烯1.8%；包装损失聚丙烯1.8%。故聚丙烯的实际产量m6为61(91%(91%1.6%1.8%1.8%))mm308791%96.2%2920.135kg聚合过程损失的聚丙烯的量7m为71(1.6%(91%1.6%1.8%1.8%))mm30871.6%/96.2%51.343kg⑽聚合生成的聚丙烯的量（即进入闪蒸釜的聚丙烯的量）8m为817308751.3433035.657mmmkg综上所述，聚合釜物料衡算结果如表4-1所示。表4-1聚合釜物料衡算表物料名称进料（kg）出料（kg）丙烯4752催化剂0.28150.2815活化剂0.1245430.124543DDS0.304020.30402H20.4020.402釜内生成的聚丙烯3035.657高压回收丙烯低压回收丙烯聚合回收损失丙烯68.178损失聚丙烯51.343进入闪蒸釜丙烯合计4753.1124753.1124.1.4闪蒸过程的物料平衡计算（采用14m3的闪蒸釜）图4.2闪蒸过程过程流程草图①进入聚合釜的PP；②进入聚合釜的丙烯；③损失的PP；④损失的丙烯；⑤闪蒸釜内N2；⑥损失N2；⑦损失的丙烯；⑧从闪蒸釜回收丙烯；⑨出闪蒸釜的PP；⑩回收N2⑴进入聚合釜的PP：308751.3433035.657kg⑵进入聚合釜的丙烯：⑶损失的PP：30871.8%/96.2%57.761kg⑷损失的丙烯：30870.7%/96.2%22.463kg⑸充入闪蒸釜内N2的量的计算未通入N2时，闪蒸釜压为-0.066MPa（表压），故此刻闪蒸釜内丙烯的压力为0.1-0.066=0.034MPa。令充入N2后，表压为，则实际压力为0.22MPa⑴一次充入N2则釜内充入N2后压力为0.220.0340.186MPa则36CH的可燃气含量百分比36(0.034/0.22)100%15.5%1.5%CHV泄压至-0.066MPa，内含丙烯气体压力为(0.034/0.22)(0.10.066)0.00525MPaN2的压力为0.0340.005250.02875MPa⑵二次充入N2即釜内充入N2后压力0.220.0340.186MPa则此时36CH的可燃气含量百分比36(0.00525/0.2)100%2.63%1.5%CHV¢泄压至-0.06MPa，内含丙烯的压力为0.005780.00525/0.20.000152MPaN2压力为0.005250.0001520.005098MPa⑶三次充入N2釜内充N2后压力为0.186MPa此时，36CH的可燃气含量百分比360.0001520.2100%0.076%1.5%CHVⅱ，符合可燃气体体积分数要求。⑷充入闪蒸釜内的N2的压力为0.186+0.186+0.186=0.558MPa充入闪蒸釜的N2的质量为60.5581010.64528/(8.314308.15)64.918kg⑸完成置换时闪蒸釜内的温度为35℃，此时PP的密度为920kg/m3。则釜内丙烯气体的体积为314(3087/920)10.645m⑹损失N2的质量为622222/0.0001521010.64528/(8.314308.15)17.684mPVMRTkg⑺损失的丙烯的质量为611111/0.0001521010.64542/(8.314308.15)0.0265mPVMRTkg⑻从闪蒸釜内回收丙烯的量22.4630.0265kg⑼出闪蒸釜的PP的量为3035.65757.7612977.896kg⑽回收N2的质量为64.91817.68447.234kg综上所述，闪蒸釜的物料衡算结果所表4-2所示。表4-2闪蒸釜的物料衡算表物料名称进料（kg）出料（kg）丙烯气体聚丙烯3035.6572977.896N2的质量64.91847.234损失的丙烯气体0.0265损失的PP57.761损失的N217.684合计4.2工艺流程设计4.2.1生产过程及主要工序组成⑴液相本体法聚丙烯生产的主要工序由四个部分组成：丙烯气体的精制→丙烯的聚合→闪蒸→尾气处理⑵生产过程示意图4.2.2生产线数目的确定由设计任务书知：生产时间：年工作时间t=8600h；聚合反应转化率C=70%查《化学工艺设计手册》知：原料丙烯的纯度：76℃，76℃时丙烯密度500kg/m3；流程所耗时间t1（5h，8h），取t1=5h；聚合反应时间t2（3h，6h），取t2=3.5h；装料系数K（0.7,0.86），取K=0.8；聚合釜体积V1=12m3；聚合釜压力P1=3.6MPa；闪蒸釜体积V2=14m3；闪蒸釜压力P2=0.3MPa；每年反应次数N为1/8600/51720Ntt次生产线一次生产吨数M为/30000/172017.4MmN吨次吨/次单釜装料体积V1为331120.89.6Vmm单釜装料质量m1为19.60.599%4.752mt釜每釜单程产量m2为24.75270%91%/(91%1.6%1.8%1.8%)3.147mt单釜年产量m3为33.14717205412.84mt聚合釜的数量N1为130000/5412.845.542N，取整知需要6个聚合釜。综上所述，闪蒸时间为1.5小时，聚合反应时间为3.5小时，则1个闪蒸釜可连接2个聚合釜，故闪蒸釜的数量为3个。为了提高每个釜的利用率，次设计采用3条生产线。热量衡算5.2.1升温阶段物料由（20℃，2.0MPa）→（60℃，3.5MPa）加热水进口75℃，出口70℃，升温时间38minQ1丙烯喷入的热量即丙烯20℃的显热310.6084.2441020225.22810QcmtkJQ2热水放热量2QcmtQ3搅拌热33355383.610/60125.410QptkJQ4物料在60℃时的显热340.5824.2441060646.7910QcmtkJQ5釜升温消耗的热量，Q5为Q2的2%~5%，取Q5=4%Q2Q6丙烯从t1→t2气化带走的热量当t=60℃，气化的量为nmol，则有(3.50.1)3.6MPa由PVnRT知，633.510129(4210/430)8.314333.15nn34.46610nmol3625004.24.46646.89310QcnkJQ7设备向外散热，可以忽略，即Q7=0由热平衡式得1234567QQQQQQQ代入数据得3322(225.228125.4)10(646.7935.427)104%QQ由2Qcmt知，（其中c=1.000kcal/（kg℃））3357.349104.21.000(7570)m317.01710mkg综上所述，升温阶段热量平衡结果如表5-2所示。表5-2升温阶段热量平衡表带入热量KJ×103带出热量KJ×103物料带入热量225.228物料在60℃带走热量646.79热水带入热量357.349设备升温需热量14.294搅拌热量125.4丙烯气化带走热量46.893合计707.977707.9775.2.2聚合阶段热量衡算物料从（66℃，3.5MPa）到（76℃，3.6MPa），冷却水进口温度为20℃、出口温度为30℃，反应时间3.5h。PP的聚合热q1为2175.95kg/kJQ1丙烯反应的聚合热3130872175.956717.15810QkJQ2丙烯在60℃时的显热32(0.5824.2)441060646.78810QcmtkJQ3设备在60℃时的显热33(0.114.2)1475060408.87010QcmtkJQ4搅拌热3455(3.56060)69310QptkJ