聚丙烯合成工艺课设参考资料

15万吨/年聚丙烯生产工艺设计 ---- 计算部分、用户手册

目 录

第一章 概述 1.1 聚丙烯概述 1.2 聚丙烯的性质 1.3 聚丙烯工艺发展过程 1.4 几种主要聚丙烯工艺 1.5 中国聚丙烯工业 1.6 展望

第二章 工艺流程设计 ............................................................................................. - 2 -

2.1 工艺原理 ........................................................................................................................... - 2 - 2.2 催化剂的选定 ................................................................................................................... - 3 - 2.3 生产工艺的选定 ............................................................................................................... - 3 - 2.4 工艺流程草图 ................................................................................................................... - 5 - 2.5 工艺流程概述 ................................................................................................................... - 5 - 2.5.1 聚合区工艺………………………………………………………………………...- 5 - 2.5.2 造粒区……………………………………………………………………………...- 8 - 2.5.3 包装区……………………………………………………………………………...- 8 - 2.5.4 循环水场…………………………………………………………………………...- 9 -

第三章 物料衡算 ..................................................................................................... - 9 -

3.1 设计名称 ........................................................................................................................... - 9 - 3.2 设计条件 ........................................................................................................................... - 9 - 3.2.1 全套装置工艺参数………………………………………………………………...- 9 - 3.2.2 丙烯进料量 （按小时计算）…………………………………………………….- 10 - 3.3 催化剂用量 ..................................................................................................................... - 10 - 3.4 R200小环管的物料衡算 .................................................................................................- 11 - 3.5 氢气用量 ..........................................................................................................................- 11 -

3.6 R201大环管反应器的物料衡算..................................................................................... - 12 - 3.7 D301闪蒸罐的物料衡算 ................................................................................................ - 12 - 3.8 F301布袋过滤器的物料衡算 ......................................................................................... - 13 - 3.9 T301循环丙烯洗涤塔的物料衡算 ...................................................... 错误！未定义书签。 3.10 D501汽蒸罐的物料衡算 .............................................................................................. - 15 - 3.11 T501水洗塔的物料衡算 ............................................................................................... - 15 - 3.12 D502干燥塔的物料衡算 .............................................................................................. - 16 - 3.13 造粒 ............................................................................................................................... - 16 -

第四章 热量衡算 ................................................................................................... - 17 -

4.1 计算依据 ......................................................................................................................... - 17 - 4.2 R200小环管的热量衡算 ................................................................................................ - 17 - 4.3 R201大环管反应器的热量衡算..................................................................................... - 19 - 4.4 D301闪蒸罐的热量衡算 ................................................................................................ - 20 - 4.5 D501气蒸罐的热量衡算 ................................................................................................ - 20 - 4.6 D502干燥罐的热量衡算 ................................................................................................ - 21 -

第五章 设备选型 ....................................................................... 错误！未定义书签。

5.1 R200小环管的选型 ............................................................................. 错误！未定义书签。 5.1.1 R200小环管的工艺参数…………………………………………………………..错误！未定义书签。

5.1.2 主要作用…………………………………………………………………………...错误！未定义书签。

5.1.3 选型………………………………………………………………………………...错误！未定义书签。

5.2 R201大环管反应器的选型 ................................................................. 错误！未定义书签。 5.2.1 R201大环管反应器的工艺参数…………………………………………………..错误！未定义书签。

5.2.2 特点………………………………………………………………………………...错误！未定义书签。

5.2.3 选型及结构………………………………………………………………………...错误！未定义书签。

5.3设备一览表 ...................................................................................................................... - 22 -

第6章 经济技术分析 ............................................................. 错误！未定义书签。

6.1市场分析和建设规模 ........................................................................... 错误！未定义书签。 6.2 工艺技术 .............................................................................................. 错误！未定义书签。

参考文献 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

第二章 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3Å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

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

CH3 CH3 CH3 CH3

2.2 催化剂的选定

配合Spheripol工艺，选择超高活性的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

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； 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;

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；

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；

淤浆法工艺

溶液法工艺

气相法 液相本体法（含液相气相组合式）

2.4 工艺流程草图

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。 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D111，再分批压送到TEAL计量罐D101。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D201。

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D110A/B。为了方便计量，并根据产品性能的不同要求，再向D110A/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D201。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E102中进行加热，熔化后通过齿轮泵P105送至油脂混合罐D105，再按照油：脂为2：1的比例向D105中加入白油。通过Z110鼓泡排气后待用。使用时需将D105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D106中，主催化剂从D106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D108A/B。从催化剂计量泵P108打出的油进入D108顶部，通过对活塞的压力，将D108中的催化剂送出至D201，通过对油的计量可以精确地计量催化剂的加入量。

主催化剂、TEAL、DONOR在D201中被混合均匀，温度控制在10℃。主催化剂在D201中被活化。催化剂混合物通过D201上部的溢流管进入到催化剂在线混合器Z203中，同时由FV204控制的、流量为3300kg/h的一股丙烯也同时加入，并一起进入预聚合反应器R200。预聚合的目的在于使催化剂表面包裹上一层聚丙烯薄层，当催化剂进入环管反应器时，这个薄层起保护催化剂的作用，防止催化剂在突遇高温时发生爆裂，生成大量细粉。经过预聚的催化剂再进入到环管反应器R201中。

氢气在本装置的作用是分子量调节剂。装置内使用的氢气由制氢站供给，制氢站包括水电解制氢装置和氢气纯化装置两部分。由水电解产生的氢气经过催化脱氧、吸附干燥后得到高纯度的氢气，进入到氢气贮罐D993中。D993的压力控制在1.2-1.3MPa，当D993的压力超高时，需要将氢气放空。D993中的氢气被压缩机PK705压缩至5.0MPa，经F202过滤后进入到丙烯总管。

本装置使用的丙烯由中转罐区送来。丙烯先进入固碱塔T001和分子筛塔T002，除去其中大量的水分，精制合格后的丙烯进入丙烯球罐Q-1/2，两个球罐可以切换使用。球罐中的丙烯通过P-1送往保安精制。

保安精制主要包括汽提塔T701、脱硫塔T702、脱水塔T703、脱胂塔T704，它们分别可以脱除丙烯中的轻组分（乙烷、一氧化碳、氢气）、硫、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F701过滤后进入到丙烯进料罐D302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D202的压力控制来实现的。D202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D202顶部出来的气相丙烯，也具有一定的调节作用。

R201的出料由D202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D301。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D301中进行气、固分离，粉料从D301底部进入袋滤器F301，气相丙烯由D301顶部进入丙烯洗涤塔T301。D301顶部的动力分离器A301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，D304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。

F301内的粉料向下进入汽蒸罐D501。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。D501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D501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D506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。

D501中的物料依靠重力进入干燥罐D502。D502内有螺旋筛板，可以使物料不发生混流。热氮气从D502底部进入，对物料进行干燥后，由顶部出来进入水洗塔T502，N2在T502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D502底部进入。T502的循环液在E502中进行冷却，以稳定T502的操作温度。

从D502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D802，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。

第三章 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15万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15万吨 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：150000/8000=18.75t 需要100%丙烯：18.75*1.02=19.125t 则取19.125t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：19.125/(1-0.5%-0.5%-0.8%)=19.476t 按转化率55%，则需要100%丙烯进料量为：19.476/0.55=35.41t 原料纯度为99.5%，则原料量为：35.41/0.995=35.59t

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：19.476*1000/30=9.2g 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*9.2)/0.06=3787g

给电子体DONOR用量：(0.015*9.2)/0.06=162.3g 烃油十脂：3787g

则催化剂总量：9.2+3787+162.3+3787=8385.5g,即8.385kg

3.4 R200小环管的物料衡算

主催化剂DONORTEAL预聚合D302 丙烯原料去聚合

图3.2 R200物料平衡图

表3-2 R200物料平衡表

输入

物料名称 丙烯 催化剂

输出

丙烯 PP 催化剂

物料质量（kg）

3000 8.385 2935.08 .92 8.385

3008.385 总量（kg） 3008.385

进料：丙烯进料流量 2700~3300kg/h，取3000kg/h 主催化剂 9.2g 催化剂总量 8.385kg

主催化剂：100~150gPP/gcat，取100gPP/gcat 则预聚合生成PP：9.2*100=920g=.92kg 未反应的丙烯：3000-.92=2935.08kg 出料：PP .92kg 丙烯 2935.08kg 催化剂 8.385kg

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*19.476=3.52kg

3.6 R201大环管反应器的物料衡算

氢 气 PP.992kg PP19603.71Kg R200 R201 D301 丙烯2935.08Kg 催化剂8.385 Kg 丙烯15986.286Kg 丙烯32590Kg D302 3.3 R201物料平衡图

转化率55%

进料：丙烯 35.59*1000-.92=35525.08kg PP .92kg

生成PP：35525.08*55%=19538.794kg 出料：PP 19538.794+.92=19603.714kg 丙烯 35.59*1000-19603.714=15986.286kg

表3-3 R201物料平衡表

物料名称 物料质量（kg）

总量（kg） 输入

丙烯（R200） 2935.08 35590

丙烯（D302） 32590 PP(R200)

.92 输出

丙烯 15986.286 35590 PP

19603.714

3.7 D301闪蒸罐的物料衡算

进料：PP 19603.714kg 丙烯 15986.286kg

图

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：15986.286*90%=14387.66kg PP：19603.714*10%=1960.37kg D301塔底出料为：

PP：19603.714*90%=173.34kg 丙烯：15986.286*10%=1598.63kg

表3-4 D301物料平衡表

输入

物料名称 丙烯 PP

输出

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

物料质量（kg） 15986.286 19603.714

总量（kg） 35590

14387.66 1960.37 1598.63 173.34

35590

3.8 F301布袋过滤器的物料衡算

D301→F301 PP粉： 173.34kg 丙烯气：1598.63kg T301→F301 丙烯： 2860kg PP粉： 1960.37kg 进料：则D301 丙烯：2860+1598.63=4458.63kg 〉→F301

T301 PP：173.34+1960.37=19603.71kg

回收T301 丙烯 丙烯+PP T301 F301 丙烯+PP D301 丙烯+PP D501 F301物料平衡图

D501损失丙烯0.8%：19.125*1000*0.8%=153kg 则从F301顶部出丙烯：4458.63-153=4305.63kg 出料：F301顶部（T301）：丙烯气4305.63kg

F301底部（D501）：PP 19603.71kg 丙烯153kg

表3-5 F301物料平衡表

物料名称 物料质量（kg）

总量（kg） 输入

丙烯（D301） 1598.63 24062.34

PP(D301) 173.34 PP(T301) 1960.37 丙烯（T301）

2860

输出

丙烯（F301底部） 153

24062.34

回收丙烯（F301

4305.63 顶部） PP(F301底)

19603.71

3.5

图

3.9 D501汽蒸罐的物料衡算

纯净T501气体S501粉末自F301来的聚合物低压蒸气D502含3%wt的冷凝水

图3.7 D501物料平衡图

进料： PP 19603.71kg，丙烯153kg，水蒸汽：27005.3kg （计算） 损失PP粉：19.125*1000*0.1%=19.125kg

则从D501→D502： PP粉 19603.71-19.125=19584.585kg PP粉夹带水分19584.585*3%=587.538kg D501→T501 PP粉：19.125kg 丙烯: 153kg

水蒸气：27005.3-587.538=217.762kg

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）

总量（kg） 19756.71

19603.71

153 27005.3 19.125

27005.3 19756.71

19584.585

153

217.762 587.538

27005.3

3.10 T501水洗塔的物料衡算

D501→T501 PP粉：19.125kg 丙烯: 153kg

水蒸汽：27005.3-703.7=26301.6kg

还有少量的油、HCl等 出料：塔底：PP粉 19.125kg 水蒸汽 26301.6kg

少量 HCl

塔顶：丙烯153kg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 19584.585+587.538=20171.123(kg) 热氮气 478.42kg 出料：

塔底：干PP粉末 19584.585kg 少量水分19584.585*0.02%=3.92 kg 氮气带走的水分为587.585-3.92=583.665kg 塔顶：湿氮气：478.42+583.665=????kg

自D501来的聚丙烯湿氮气S502干燥洗涤塔T502粉末D507氮气料仓D801A/B

图3.8 D502物料平衡图

3.13 造粒

PP粉19584.585损失0.1%为19584.585*0.1%=19.585kg 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：(19584.585+3.52+8.385)- 19.585=19577.28kg=19.58t 则年生产PP:19.58*8000=15.66t

第四章 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*℃)

℃ Kcal/kg

20 1．93

50 2750 50 1． 25 0．685 20 0.999

30 0.997

表4-2 液相丙烯比热

50 0．800

表4-3 气相丙烯比热

60 1．3 表4-4 聚丙烯比热

70 2．23

表4-5 丙烯汽化潜热

60 2350

76 1700 80 2．246

105 2．526

76 1．7

20 1．633

60 0．810

70 0．910

70 1.00

80 1.002

4.2 R200小环管的热量衡算

预聚生成PP：.92kg 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*.92=141067.914kJ 输出热量：

预聚物带走热量Q3= CP*m*△t=.92*1.93*20=2505.912 kJ

未反应丙烯带走热量Q4= CP*m*△t=(3000-.92)*0.685*4.2*20=168884.5 kJ

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

=.92*0.685*4.2*20+2172.95*.92-.92*1.93*20 =3735.497+141067.914-2505.912 =142297.499kJ

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=142297.499/(4.2*5)=6776.07kg

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=.92/3000=0.021）

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*0.021）=5.587ω/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）

=(142297.499/3.6)/( 5.587*7.214)m=39527.083/4253.28=9.29m²

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

热量（kJ） 172620

总量（kJ） 313687.9

141067.914

2505.912

168884.5

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（㎡）

313687.9

142297.499

6776.07 9.29

4.3 R201大环管反应器的热量衡算

生成PP：19538.794kg

氢气的进料温度为20℃，量为3.52kg 进料：PP .92kg 丙烯：35525.08kg 出料：PP 19603.714kg 丙烯：15986.286kg 输入热量：

预聚物带入热量Q1=CP*m*△t=.92*2.23*70=10134.012kJ

丙烯带入的热量Q2=CP*m*△t=35525.08*0.91*70*4.2=9504379.903 kJ 氢气带入热量Q3= CP*m*△t=3.52*3.408*4.2*50=2787.717kJ 反应生成热Q4=2172.95*19603.714=365970.336kJ 输出热量：

聚合物带走热量Q5=19603.714*2.23*70=3060139.755kJ 丙烯带走热量Q6=15986.286*0.91*70*4.2=4276970.956kJ

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=38778081.26kJ 冷却水进口温度为10 ℃，出口温度为30℃

冷却水用量m水=38778081.26/4.2*(30-10)= 4613.824kg 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=（19603.714-.92）/35525.08=0.55]

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*0.55）=384.51ω/m²k

换热面积；A= Q7/（K.△t）=(38778081.26/3.6)/( 49.326*384.51)= 567.937m²

表4-8 R201热量衡算表

热量名称 预聚物带入热量Q1

输入热量

丙烯带入的热量Q2 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(㎡)

热量（kJ）

总量（kJ）

10134.012 9504379.903 287.7167 365970.3363 3060139.755 3676970.956 44778081.26

567.937

46115191.97 46115191.97

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.kJ/kgK Q=Mr=15986.286*1700*4.2=1.14*108kJ 水蒸汽进口温度为120℃，出口温度为105℃

蒸汽用量m=1.14*108 /[1.*(120+273.15)-1.84*(105+273.15)]=2.4*106kJ

4.5 D501气蒸罐的热量衡算

℃ Kcal/(kg*℃)

20 1．93

表4-4 聚丙烯比热

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=19584.585*2.526*100-19603.71*2.246*80=1.42*106kJ 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)= 1.42*106/47.25=30052.91kg/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587.585-3.92=583.665kg

19584.585kg PP粉带走水分19584.585*0.02%= 3.92kg 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)= 587.538/0.546=1076.08kg 输入热量：

湿PP粉带入热量Q1=19584.585*2.526*100+587.538*4.2*100=5193832.13kJ 热N2带入热量Q2=1076.08*0.8*383=329710.912kJ 输出热量：

出料PP粉带走热量Q3=19584.585*2.246*80=35158.23kJ 顶部湿N2带走热量Q4=Q1+Q2-Q3 =2004584.812kJ

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

热量（kJ）

总量（kJ） 5523543.04

5193832.13 329710.91 35158.23 2004584.81

输出热量

5523543.04

N2用量（kg） 1076.08

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 11 12 13 14 15 16

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 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

容器编号 R200 R201 D301 T301 F301 T302 D501 D502 T501 T502 T701 E201 E301 E303 E304 E501

容器规格V/m3

0.44 10 5.1 11 5.9 5.6 11.7 9.0

操作条件 温度℃ 20 70 70 44.5 80 70 105 90 70 45/7 41 61 61 61

设备

压力Mpa 数目 3.4 3.4 1.8 1.8 0.1 0.25 0.02 0.01 0.25 3.50/0.4 1.8 1.8 1.8 1.8

1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1