1、 河南科技大学毕业设计（论文） 年产 10 万吨聚丙烯的工艺设计 摘 要 聚丙烯之所以是各种聚丙烯烃材料中发展最快的一种，关键在于其催化剂技术的飞速发展。本设计中就详细介绍了聚丙烯随催化剂的发展而发展的情况。 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，是五大工程塑料之一。 本设计是以中原 石化的 S-PP 工艺为设计基础，设定年产量为两万吨，然后进行物料衡算、热量衡算、设备选型等过程，最终完成的一份比较完整的设计说明书。 另外聚丙烯 来源丰富，价格便宜，易 于加工成型，产品综合性能优良，因此被广泛地应用于化工、化纤、轻
2、工、家电、建筑、包装、农业、国防、交通运输、民用塑料制品等各个领域，在聚烯烃树脂中，是仅次于聚氯乙烯、聚乙烯之后的第三大通用塑料。 河南科技大学毕业设计（论文） 目 录 前 言 . 1 第 1 章 工艺流程确定 .13 1.1 催化剂的配置和计量 . 13 1.2 丙烯预精制和丙烯保安精制及氢气压缩 . 15 1.3 预聚合与液相本体聚合 . 17 1.4 聚合物闪蒸和脱气 . 18 1.5 聚合物的汽蒸和干燥 . 19 1.6 生产原材料的规格 . 20 第 2 章 物料衡算 .26 2.1 计算基础 . 26 2.1.1 设计条件 . 26 2.1.2 丙烯进料量 . 27 2.1.3 催
3、化剂用量 . 27 2.1.4 氢气用量 . 28 2.2 原材料消耗定额 . 28 2.3 主要设备物料衡算 . 29 2.3.1 CO 汽提塔 T701 物料衡算 . 29 2.3.2 预聚合反应器 R200 物料衡算 . 30 2.3.3 聚合反应器 R201 物料衡算 . 31 2.3.4 闪蒸罐 D301 物料衡算 . 32 2.3.5 汽蒸罐 D501 物料衡算 . 34 2.3.6 干燥器 D502 物料衡算 . 35 2.3.7 挤压造粒单元物料衡算 . 36 2.3.8 总物料平衡表 . 37 第 3 章 热量衡算 .37 3.1 主要设备热量衡算 . 37 3.1.1 预聚
4、合反应器 R200 热量衡算 . 37 3.1.2 聚合反应器 R201 热量衡算 . 41 3.1.3 闪蒸罐 D301 热量衡算 . 43 河南科技大学毕业设计（论文） 3.1.4 汽蒸罐 D501 热量衡算 . 46 3.1.5 干燥器 D502 热量衡算 . 49 3.1.6 总热量平衡表 . 52 第 4 章 设备选型 .52 4.1 主要设备选型 . 52 4.1.1 预聚合反应器 R200 . 52 4.1.2 聚合反应器 R201 . 53 4.1.3 汽蒸罐 D501. 54 4.1.4 干燥器 D502. 60 第 5 章 聚丙烯装置的安全生产 .63 5.1 静电的危害与
5、防范 . 63 5.1.1 静电的危害 . 63 5.1.2 静电的 防范 措施 . 64 5.2 其他安全措施 . 64 第 6 章 “三废”处理与环境保护 .65 6.1 废水 . 66 6.2 废气 . 66 6.3 废渣 . 66 参考文献 .66 致 谢 .68 河南科技大学毕业设计（论文） 1 前 言 聚丙烯（ Polypropylene，常缩写为 PP）是丙烯（ Proplylene，缩写为 PR）单体聚合而形成的高分子聚合物，是一种通用合成树脂（或通用合成塑料）。 聚丙烯的有关性 质如下： 1、聚丙烯的物理性质 可塑性 PP 是一种典型的热塑性塑料，它受热时易熔化，冷却时固化成
6、型，且这一过程可以多次重复进行。由于这一特性，使聚丙烯加工成型十分方便，可以很容易用挤出、注塑、吹塑等方法直接加工成型。 耐热性 PP 熔点较高，为 164 170（纯等规物熔点达 176），软化点为 150以上，是通用树脂中耐热性能最好的一种。 密度小 PP 相对密度为 0.90 0.91，是所有树脂中最轻的。 良好的物理机械性能 PP 拉伸屈服强度一般可达 30 38MPa，这也 是通用合成树脂中最高的品种之一，它表面强度大，弹性较好，耐磨性良好。 介电性能优良 吸水性小 抗冲击强度较低 河南科技大学毕业设计（论文） 2 这是 PP的最大缺点，特别是在低温下其抗冲击强度急剧下降。但是可以通
7、过共聚或共混攻性来改善它的耐低温冲击性能。 2、聚丙烯的化学性质 PP 具有优良的化学稳定性，它与绝大多数化学品接触几乎不发生作用，其热化学稳定性也好，在 100下，无机酸、碱、盐溶液除具有强氧化性者外，其余对PP 几乎都无破坏作用。 PP 是非极性有机化合物，对极性有机溶剂都很稳定，醇类、酚类、醛类、酮类和 大多数羧酸都不易使其发生溶胀。只有芳烃和氯代烃（如苯、四氯化碳、氯仿等）在 80以下时对聚丙烯有溶解作用。 由于聚丙烯结构中存在叔碳原子，因此易被氧化性介质侵蚀。 PP 在光、紫外线、热、氧存在的条件下会发生老化现象，使其变质，失去原有的性质。要是 PP不老化是不可能的，只有通过添加抗氧
8、剂、紫外线吸收剂、防老剂等来减缓 PP 的老化速度，改善其抗老化性能。 下面简要为大家介绍一下国内外聚丙烯的生产发展状况。 1、国外聚丙烯生产工艺发展史。 1953 年，德国 Zigle（齐格勒）发明用 TiCl4金属烷基化合物作催化剂，以乙烯为原料进行聚合得到聚乙烯。 1954 年，意大利 Natta (纳塔 )教授在 Zigle 发明的催化剂基础上，发展了烯烃聚合催化剂，用具有定向能力的 TiCl3为催化剂，以丙烯为原料进行聚合，成功制得了高结晶性高立构规整性（等规）的聚丙烯 2，并创立了定向聚合理论。 河南科技大学毕业设计（论文） 3 1957 年，根据 Natta 教授的研究成果，意大
9、利 Montecatini(蒙特卡蒂尼 )公司在 Frara 首建世界上第一套间歇式 PP 工业生产装置（ 6Kt/a）。同年，美国Hercules(大力神 )公司也 建成了一套 9Kt /aPP 装置 3。 1958 1962 年，德、美、法、日等国先后都实现了 PP 工业化生产。 1964 年，美国 Dart（达特）公司的 Rexall（雷克萨尔分公司）首用第一代催化剂及釜式反应器开创了液相本体法 PP 生产工艺。 1969 年， Bsaf（巴斯夫公司）开发了立式搅拌床气相聚合 Novolen 工艺。 1971 年，以 Solvay（索尔维）公司开发的 TiCl3-R2O（异戊醚） -Ti
10、Cl4-Al(C2H5)2Cl络合型催化剂为典型代表的第二代催化剂（络合 型催化剂）使液相本体法 PP 有了很大发展。 70 年代后， Phillips（菲利浦）石油公司首用环管式反应器实现了液相本体法PP 生产工业化。 1980 年，美国 Amoco（阿莫科）公司采用自己的高效催化剂，选用卧式搅拌床，开发了新的气相聚合工艺，并建成世界上最大的气相法 PP生产装置（ 135kt/a）。 1983 年，美国 UCC（联合碳化物）公司借鉴流化床聚乙烯工程放大生产经验，和成功开发超高活性 PP 催化剂 (Shac)的 Shell（壳牌）公司合作共同开发了“ Unipol” PP 气相流化床聚合工艺
11、，于 1985 年在 Texas（德克萨斯）建立了 80kt/a装置，这是世界上第一个把高效催化剂与气相流化床相结合的新工艺。同年，意大利的 Montecatini 公司（即现在的蒙埃公司）也开发了“ Spheripol”本体聚合新工艺，在意大利 Brindise（希林迪西）建成投产 80kt/aPP 装置。该公司于 1983河南科技大学毕业设计（论文） 4 年 11 月与美国 Hercules 公司合营，改称 Himont（海蒙特）公司。 Himont 公司均聚反应采用液相法环管反应器，而嵌段共聚反应采用气相法密相流化床反应器 8。 2、国内聚丙烯生产发展状况 六十年代末，兰州化学工业公司石
12、油化工厂从英国引进了采用Vickers-Zimmer（维克吉玛）工艺技术及常规催化剂体系的 5kt/a 溶剂法 PP 生产装置。 1973 年，北京燕山石化公司向阳化工厂利用国内研制的催化剂和溶剂法工艺，建成投产了一套 5kt/a 国产溶剂法 PP 生产装置。 1979 年，北京化工研究院等单位在络合型催化剂的基础上研制成活性定向能力更好的络合型催化剂即 TiCl3-R2O(正丁醚 )-Al(C2H5)2Cl催化剂。络合型催化剂不但可以用于溶剂法聚丙烯工艺，而且由于它的高活性合高 定向能力，也为用于液相本体法 PP工艺打下了良好基础。 1975 年，辽宁瓦房店纺织厂与大连物化所协作，建立了一套
13、 300t/a(1.5m3)聚合釜间歇式液相本体 PP 中间试验装置。随后，江苏省丹阳化肥厂于 1978 年首先建成一套 4m3聚合釜千吨液相本体法 PP 装置，同年试车成功，在我国首先实现了液相本体法 PP 生产工业化。 国内液相本体法（习惯称之为小本体法） PP 工艺是间歇式单釜操作工艺，该工艺以液相丙稀为原料，采用络合型三氯化钛为催化剂，以一氯二乙基铝为活化剂，以 H2为聚合物分子量调节剂。到 1995 年，全国已在约 50 个厂中建立近七十套国内液相本体法聚丙烯生产装置。 河南科技大学毕业设计（论文） 5 80 年代末，我国开始引进国外液相气相组合式本体法聚丙烯工艺，使我国的聚丙烯生产
14、技术达到了比较先进的水平。 1989 年扬子石化公司引进日本三井油化 Hypol 工艺建成 140kt/aPP 装置， 1990 年和 1991 年齐鲁石化公司和上海石化总厂先后采用 Himont 公司 S-PP 工艺建成 70kt/aPP 装置。其后， 92 96 年，抚顺石化公司乙烯化工厂，洛阳石化总厂，广州石化总厂，独山子乙烯工程，中原乙烯工程，茂名石化公司，大连西太平洋石化公司先后 建成了这两种工艺的大型装置。与此同时，国内不断消化吸收世界先进工艺、设备技术，加紧实现催化剂、工艺技术设计与设备制造的国产化。 随着聚丙烯产品应用开发及 PP 后加工生产的迅速发展。国内市场对 PP 的需求
15、量越来越大。 94 年我国 PP 产量接近 86 万吨，进口 81 万吨， 95 年国产和进口都超高 100 万吨。在这种形势下，原中国石化总公司决定在“九五”期间利用炼厂气丙稀资源建设一批大型 PP生产装置，包括九江石化总厂、长岭炼化总厂、武汉石化厂、福建炼化股份公司、济南炼油厂及荆门石化总厂等 6 家企业的 70kt/aPP装置，这 6 套装置均由中国石化北京石油化工工程公司 (简称 BPEC)承担设计采用国产化 S-PP工艺建设而成 8。 聚丙烯的合成工艺可以概括为以下几种 9 ： 1、溶剂聚合法 工艺特点：丙稀单体溶解在惰性液相溶剂中（如乙烷中），在催化剂的作用下进行溶剂聚合，聚合物以
16、固体颗粒状态悬浮在溶剂中，采用釜式搅拌反应器。 有脱灰，脱无规物和溶剂回收工序，流程长，较复杂，装置投河南科技大学毕业设计（论文） 6 资大，能耗高，但生产易控制，产品质量好。 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。 工艺条件： T=70 75 P=1.0MPa 2、溶液聚合法 工艺特点：使用高沸点直链烃作溶剂，在高于聚丙烯熔点的温度下操作，所得聚合物全部溶解在溶剂中呈均相分布。 高温气提方法蒸发脱除溶剂得熔融聚丙烯，再挤压造粒得粒料产品。 生产厂家只有美国 Eastman Kodak 公司一家。 工艺条件： T=160 250 3、气相本体法 工艺特点：系统不引入溶剂，丙
17、稀单 体以气相状态在反应器中进行气相本体聚合。 流程简短，设备少，生产安全，生产成本低。 聚合反应器有流化床（联碳 /壳牌 Unipol 工艺）、立式搅拌床（巴斯夫 Novolen 工艺）及卧式搅拌床（阿莫科 /埃尔帕索工艺）。 工艺条件： T=40 70 P=2.0 3.5MPa 4、液相本体法（含液相气相组合式） 工艺特点：系统中不加溶剂，丙稀单体以液相状态在釜式反应器中进行液河南科技大学毕业设计（论文） 7 相本体聚合，乙烯丙稀在流化床反应器中进行气相共聚。 流程简单，设备少，投资省，动力消耗及生产成本低。 均聚采用釜式搅拌器（ Hypol 工艺），活环管反应器（ Spheripol工艺
18、），无规共聚和嵌段共聚均搅拌式流化床中进行。 工艺条件： T=65 75 P=3.0 4.0MPa 聚丙烯是合成树脂中发展最快的一个品种，随着丙稀聚合及催化剂技术的快速发展，聚丙烯的品种，牌号不断增加，应用范围不断扩展，聚丙烯已经成为一种十分重要的合成材料。 近年来，世界聚丙烯生产能力不断增加，聚丙烯催 化剂经历几代的发展不仅活性呈几百倍甚至上千倍的提高，其等规度也达 98%以上；聚丙烯生产工艺更加简单，无需脱灰和脱无规物等；聚丙烯产品的表征手段进一步提高，牌号开发中微观设计已可达分子水平，聚丙烯产品品种不断增加；随着聚丙烯改性研究的深入，聚丙烯的应用范围更加广泛 1。 目前， PP 已被广泛应用到化工、化纤、轻工、家电、建筑、包装、农业、国防、交通运输、民用塑料制品等各个领域，在聚丙烯树脂中，是仅次于聚氯乙稀、聚乙烯之后的第三大塑料。 由于 PP良好的机械性能，可以用来制造各种机械设备的零附件， 经改性后可制造工业管道、农用管道、电机风扇、基建模板等。 在汽车制造业方面，改性 PP 可以制造汽车上的许多内外部件，如汽车方向盘、仪表盘等。
