概述I廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計)論文：乙烯淤漿聚合中試裝置工藝設(shè)計乙烯淤漿聚合中試裝置工藝設(shè)計摘要聚乙烯是石化行業(yè)非常重要的原材料，中國作為全球聚乙烯消費(fèi)最大的國家，其消費(fèi)量仍在逐年大幅上升，但由于國內(nèi)供應(yīng)嚴(yán)重不足，聚乙烯在中國還存在較大缺口。盡管我國已經(jīng)開發(fā)了聚乙烯的相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)，但在催化劑和產(chǎn)品開發(fā)上缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，國內(nèi)新建的工廠主要采用進(jìn)口技術(shù)，導(dǎo)致我國在技術(shù)談判上缺乏籌碼。由于於漿法可以在較低壓力下，通過較為容易控制的反應(yīng)操作有效地生產(chǎn)出分子量分布均勻且性能穩(wěn)定的高密度聚乙烯，現(xiàn)已成為我國HDPE生產(chǎn)的主要技術(shù)。為了加快淤漿聚乙烯催化劑的研發(fā)、生產(chǎn)工藝，為企業(yè)生產(chǎn)高端聚乙烯特種材料提供優(yōu)化參數(shù)等技術(shù)支持，因此需要設(shè)計一套淤漿聚乙烯中試裝置，加快催化劑的自主產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和推廣，有利于降低催化劑的購買成本，提高生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率。本文的主要內(nèi)容為乙烯淤漿聚合中試裝置的工藝流程設(shè)計、工物料和能量衡算、主要設(shè)備的計算以及投資估算。由于本設(shè)計采用的是釜式淤漿法工藝的中試裝置，所以在三種釜式反應(yīng)器中選擇間歇釜式反應(yīng)器。然后對于反應(yīng)釜等主要設(shè)備完成其物料衡算和能量衡算，在此基礎(chǔ)上對反應(yīng)釜等主要設(shè)備進(jìn)行尺寸計算和選型。主要工藝設(shè)計：聚合釜的選型和主要尺寸計算、閃蒸罐的選型和主要尺寸計算、熱水罐的選型和設(shè)計、換熱器的選型和設(shè)計、己烷接收罐的選型和設(shè)計。本論文從廠址選擇的原則基礎(chǔ)上，選擇合理的位置，再從安全與環(huán)保的角度出發(fā)，分析了石油化工原料的特性。并對于原料和產(chǎn)品危險性制定了安全措施。最后對于主要原料費(fèi)用、主要設(shè)備費(fèi)用、耗水耗電費(fèi)用和建筑費(fèi)用進(jìn)行合理的投資估算。關(guān)鍵詞：乙烯聚合；中試裝置；工藝設(shè)計；淤漿法第一章概述1.1聚乙烯概述作為石化行業(yè)非常重要的原材料，聚乙烯（PE）是五大合成樹脂之一，也是我國合成樹脂中產(chǎn)能最大、進(jìn)口量最多的品種[1]。聚乙烯主要分為線性低密度聚乙烯（LLDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）三大類[2]。另外，隨著聚乙烯技術(shù)不斷發(fā)展除了以上三大類常用的外，還開發(fā)生產(chǎn)出超低密度聚乙烯（VLDPE）、中密度聚乙烯（MDPE）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、改性聚乙烯等。2018年全球聚乙烯產(chǎn)能達(dá)1.1012億噸/年，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、醫(yī)療用品、食品及食品包裝、汽車、家居用品、尖端新材料等領(lǐng)域。其中，薄膜、注塑、吹塑、管材、型材需求量占88%[3]。中國作為全球聚乙烯消費(fèi)增長最大的國家，其消費(fèi)量仍在逐年大幅上升，但由于國內(nèi)供應(yīng)嚴(yán)重不足，進(jìn)口量也逐年增加。圖12018年全球PE產(chǎn)能區(qū)域分布（單位：萬噸，%）HDPELDPELLDPE圖2聚乙烯分子鏈結(jié)構(gòu)1.2中國聚乙烯市場情況中國是世界上聚乙烯消費(fèi)最大的國家之一，盡管國內(nèi)聚丙烯產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，但由于國內(nèi)聚烯烴產(chǎn)量不足，進(jìn)口依存度始終居高不下。近年來，聚乙烯進(jìn)口量逐年增加，根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，2019年，我國PＥ進(jìn)口量為1666.55萬ｔ，同比增長約18.83%，所以我國聚乙烯還存在較大的缺口[4]。隨著我國的城市化建設(shè)加快，人們在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和外賣快遞的包裝盒等方面都會進(jìn)一步增強(qiáng)對聚乙烯產(chǎn)品的需求。測算，2019年至2024年，我國PE需求將以年均4.6%左右的速度增長，到2024年消費(fèi)量將達(dá)到4300萬噸左右，其中LLDPE約1500萬噸，HDPE約1950萬噸，LDPE約850萬噸，預(yù)計未來幾年我國聚乙烯樹脂的進(jìn)口量還會繼續(xù)增加。此外，我國PE產(chǎn)業(yè)依靠技術(shù)引進(jìn)，創(chuàng)新能力不強(qiáng)。企業(yè)用于技術(shù)的資金主要用于購買技術(shù)，自身研發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)置和投入基本上僅限于消化吸收。在這種情況下，我國大多數(shù)企業(yè)在獨(dú)立創(chuàng)新的方面比較弱，暫時無法與國外先進(jìn)的技術(shù)相提并論。我國雖然已經(jīng)開發(fā)了相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)，但主要集中在催化劑和產(chǎn)品開發(fā)上，缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，新廠采用的技術(shù)仍將以進(jìn)口技術(shù)為主，控制因素多，技術(shù)談判缺乏籌碼。1.3聚乙烯催化劑情況催化劑是乙烯聚合工業(yè)中的核心技術(shù)，其研究開發(fā)通常伴隨著新型聚乙烯產(chǎn)品的發(fā)展應(yīng)用。經(jīng)過不斷的改性研究，現(xiàn)有聚乙烯工業(yè)上主要使用的催化劑Ziegler-Natta催化劑、鉻系催化劑、茂金屬催化劑三大類。1.3.1齊格勒-納塔催化劑自20世紀(jì)50年代初齊格勒和納塔開創(chuàng)了齊格勒-納塔催化劑體系以來，該催化劑體系已有70年的歷史，是工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)聚烯烴的重要催化劑。在2019年，全球使用生產(chǎn)的聚烯烴大部分都是使用了齊格勒-納塔催化劑。因?yàn)辇R格勒-納塔催化劑生產(chǎn)出來的聚合物顆粒具有優(yōu)異的形態(tài)和加工特性，所以適合于大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。齊格勒-納塔催化劑基本上可以分為一下三類：一般的、復(fù)合型的、具有其他金屬活性中心的。一般的齊格勒-納塔催化劑是把烷基鋁作為助催化劑，然后把四氯化鈦負(fù)載在氯化鎂、二氧化硅或者氧化鋁上制備的。由于給電子體對齊格勒-納塔催化劑的開發(fā)產(chǎn)生了非常重要的影響，因此近年來，關(guān)于齊格勒-納塔催化劑的研究主要集中于電子載體的改性和更新上面。美國恩格哈德公司在其電子體中使用六甲基二甲苯、乙酸甲酯和正硅酸鹽來開發(fā)可用于生產(chǎn)低密度聚乙烯或高密度聚乙烯的高活性并且對氫化敏感的催化劑。日本三井石化公司首次使用原硅酸乙酯作為電子給體開發(fā)出了高活性鈦基催化劑。這種新型催化劑在乙烯聚合反應(yīng)中具有很高的活性，并且所得的聚乙烯樹脂具有中等的堆積密度，均勻的顆粒和極少的灰分。國外科研人員在負(fù)載了四氯化鈦和氯化鎂化合物的氯化鎂載體上進(jìn)行了熱處理，以合成齊格勒-納塔催化劑。在研究熱處理對聚乙烯產(chǎn)品的催化劑活性和分子量分布的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理會改變催化劑活性中心的形貌，進(jìn)而調(diào)節(jié)了催化劑的活性和聚乙烯產(chǎn)物的分子量，這些調(diào)整提供聚乙烯產(chǎn)品的受控制備。被熱處理后的催化劑活性會隨著熱處理溫度和時間的增加而降低，然后產(chǎn)生較高分子量的高密度聚乙烯。還有其他研究人員在把鈦基催化劑溶解在己烷溶液中，然后添加三異丁基鋁和異戊烯基鋁的混合溶液進(jìn)行反應(yīng)中，合成了用于生產(chǎn)超高分子量聚乙烯的催化劑。用這種催化劑生產(chǎn)出來的聚乙烯具有相似的形態(tài)和孔隙率，可用于制造各種聚合物材料。把齊格勒-納塔催化劑與Zr基茂金屬催化劑相結(jié)合，創(chuàng)建了一種具有雙金屬活性中心的新型催化體系。這種催化劑體系可以通過改變里面兩個金屬活性中心的類型和比例來調(diào)節(jié)聚合物的分子量以獲得雙峰聚合物產(chǎn)物。德國巴塞爾公司開發(fā)了一種由Ti和Cr制成的復(fù)合催化劑。采用該種催化劑得到的聚乙烯樹脂具有出色的機(jī)械和加工性能，可大大減少薄膜產(chǎn)品上斑點(diǎn)的產(chǎn)生。一些前輩通過將Cr基催化劑和齊格勒-納塔催化劑負(fù)載到硅膠上來制備復(fù)合型催化劑，這種催化劑在聚合乙烯反應(yīng)中，可以通過改變反應(yīng)條件來獲取雙峰聚乙烯。除了可以把鈦?zhàn)鳛辇R格勒-納塔催化劑的活性中心，釩也可以作為金屬活性中心，而且釩在乙烯聚合反應(yīng)中也有優(yōu)秀的表現(xiàn)。美國陶氏公司在乙烯共聚反應(yīng)中使用了以鈦金屬作為活性中心的齊格勒-納塔催化劑，在聚合反應(yīng)中催化效果和活性都很好。此外，有的前輩用釩鎂催化劑進(jìn)行聚合反應(yīng)，該催化劑在反應(yīng)中的活性比鈦基催化劑的活性更高[5]。而且，這個反應(yīng)可以在一個反應(yīng)釜聚合就可以得到分子量分布寬的聚乙烯樹脂，這大大擴(kuò)展了聚乙烯的分子量分布范圍。由于釩基催化劑在乙烯的共聚與鈦基催化劑相比具有較高的活性，這避免了許多問題，例如使用鈦基催化劑需要兩個串聯(lián)的反應(yīng)釜才能夠得到分子量分布寬的聚乙烯樹脂，所以釩基催化劑在乙烯聚合方面有很大的潛力。1.3.2鉻系催化劑自上世紀(jì)五十年代鉻系催化劑被研發(fā)出來，成為一種非常重要的乙烯聚合的催化劑。按照其聚合形態(tài)可以為非均相鉻系催化劑和均相鉻系催化劑兩類。由于大量的活性位點(diǎn)和配體，催化劑的類型得以豐富，這使其更加廣泛，并能夠獲得具有獨(dú)特性能的聚乙烯產(chǎn)品，但是該催化劑的作用機(jī)理仍舊不清晰。在工業(yè)上，一般采用非均相鉻系催化劑來制備高密度聚乙烯[6]。隨著活性位點(diǎn)和配體的不斷發(fā)展進(jìn)步，非均相鉻系催化劑的種類也在不斷增加，該催化劑已經(jīng)不限于在生產(chǎn)高密度聚乙烯，還可以生產(chǎn)雙峰聚乙烯。因此，新型活性組分和載體的出現(xiàn)推動了非均相鉻系催化劑的適用范圍。非均相鉻系催化劑又可分為無機(jī)鉻系催化劑和有機(jī)鉻系催化劑兩種[7]。無機(jī)鉻系催化劑與傳統(tǒng)的齊格勒-納塔催化劑和茂金屬催化劑相比較，一是它幾乎不需要助催化劑就可以形成活性中心，這在很大程度上降低了因使用除催化劑而帶來的風(fēng)險和成本。二使用無機(jī)鉻系催化劑能合成高分子量且分子量分布寬度的HDPE產(chǎn)品，而且產(chǎn)品中還會有一些短支鏈和長支鏈的形成。具有高分子量、分子量分布寬還帶有一些長支鏈的聚乙烯樹脂特別適合用于大容積容器和管材料的加工；而具有短支鏈的聚乙烯的沖擊強(qiáng)度和耐環(huán)境應(yīng)力等方面都會有明顯提高[8]。到目前為止，采用無機(jī)鉻系催化劑在乙烯聚合的應(yīng)用中已經(jīng)生產(chǎn)出五十多種產(chǎn)品，因此該催化劑一直備受關(guān)注。在有機(jī)鉻系催化劑中負(fù)載在硅膠上的鉻茂催化劑是最早完成工業(yè)化的。在溫度較低的時候聚合，可以得到分子量分布窄的產(chǎn)品；但是溫度超過100攝氏度是就會得到與使用無機(jī)鉻系催化劑相似分子量分布的產(chǎn)品。UCCS－2的有機(jī)鉻系催化劑在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用于氣相法和淤漿法生產(chǎn)HDPE中，因?yàn)檫@種催化劑性能穩(wěn)定、制備流程短且能生產(chǎn)分子量分布寬的聚乙烯。有機(jī)鉻系催化劑有比無機(jī)鉻系催化劑的活性中心類型更多，而且還能得到分子量分布更寬的聚乙烯樹脂。均相鉻系催化劑在乙烯聚合的催化活性也很優(yōu)秀，可以通過控制活性中心的價態(tài)和配體的結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)聚乙烯的性能。聚乙烯的立構(gòu)規(guī)整度和分子量分布可以通過調(diào)節(jié)價態(tài)和鉻活性中心配體的結(jié)構(gòu)來改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)聚乙烯性能的目的。在乙烯聚合中該催化劑比均相催化劑更加常用，因?yàn)椴捎迷摯呋瘎┘瓤梢灾苽涞途畚?，也可以制備高聚物?.3.3茂金屬催化劑茂金屬催化劑是繼齊格勒-納塔催催化劑后的一種新型催化體系。茂金屬催化劑是在六十多年前被發(fā)現(xiàn)的，但是該催化劑體系在最初時發(fā)展比較緩慢。直到八十年代有研究者用甲基鋁氧烷作為助催化劑，與茂金屬組成催化劑體系，發(fā)現(xiàn)這種新催化劑體系在乙烯聚合中的活性比較高。自那時起茂金屬催化劑開始用于烯烴聚合的工業(yè)化，一般是由茂金屬化合物和助催化劑構(gòu)成茂金屬催化劑體系[9]。其中，助催化劑在該體系尤為重要，常用的主催化及時MAO。但是MAO助催化劑的的用量大而且成本特別高，隨著助催化劑的不斷發(fā)展進(jìn)步，有望能開發(fā)一些新的助催化劑來解決這一難題。茂金屬催化劑的活性很高且只有一個單獨(dú)的活性中心，只有共聚單體才能夠進(jìn)入該催化劑的活性中心，可以通過控制共聚單體的含量來調(diào)節(jié)產(chǎn)品的相對分子量分布。因此，采用該催化劑體系得到的聚乙烯樹脂有分布均勻的主鏈，這對于開發(fā)有更好性能的聚乙烯樹脂有很大的幫助。大多數(shù)單體都能在茂金屬催化劑的作用下與乙烯進(jìn)行共聚反應(yīng)，可以利用這個優(yōu)點(diǎn)得到更多新的聚乙烯樹脂。目前，已經(jīng)有50多種具有不同性能的單體參與茂金屬催化劑在烯烴聚合的研究和開發(fā)，這些單體中的許多很難或不可能與常規(guī)的齊格勒-納塔催化劑進(jìn)行聚合反應(yīng)。在常規(guī)的齊格勒-納塔催化劑中，環(huán)烯烴很難進(jìn)行聚合反應(yīng)或者只能進(jìn)行開環(huán)聚合，而茂金屬除了可以進(jìn)行加成聚合反應(yīng)以外，還可以與乙烯、丙烯聚合。所以用茂金屬來代替常規(guī)的齊格勒-納塔催化劑進(jìn)行聚合反應(yīng)可以開發(fā)出更多新材料。茂金屬催化劑的使用不同于齊格勒-納塔催化劑，使用茂金屬催化劑時需要對共聚單體進(jìn)行改造等工藝參數(shù)的調(diào)整。中國石化已開發(fā)出一種新技術(shù)來生產(chǎn)具有優(yōu)異穩(wěn)定性的茂金屬催化劑，這使得其催化劑非常易于合成，運(yùn)輸和儲存。而且這種新技術(shù)相比以往的制備方法更加簡單，不需要提出提純就可以獲得產(chǎn)率達(dá)到百分之九十的產(chǎn)率。把牌號為APE-1的茂金屬催化劑應(yīng)用于聚乙烯淤漿法和氣相法工藝的中試裝置中，可以獲得0.917~0.950g/cm3的聚乙烯樹脂。1.4聚乙烯生產(chǎn)工藝情況目前，世界上聚乙烯的生產(chǎn)工藝技術(shù)很多，按聚合壓力大小可分為：高壓法、低壓法、中壓法三種[10]。高壓法是指乙烯在高溫高壓下自由基本體聚合得到聚乙烯，高壓法又可分成高壓管式法和高壓釜式法兩種。低壓法就其聚合實(shí)施方法來說有：淤漿法、溶液法、氣相法[10]。其中，淤漿法是將脂肪烴溶劑和乙烯融合，在催化劑作用下生成聚合物，聚合物懸浮在溶劑中[]。與淤漿法相比，溶液法生成的聚合物溶解于溶劑中，整個反應(yīng)體系為均相溶液。氣相法是乙烯和共聚單體在流化床反應(yīng)器或攪拌床反應(yīng)器中，在催化劑作用下直接聚合生成固體聚乙烯。中壓法僅菲利浦公司至今仍在采用，生產(chǎn)的主要是高密度聚乙烯[11]。1.4.1高壓聚乙烯高壓法用來生產(chǎn)低密度聚乙烯，這種聚合方法是世界上最早開發(fā)生產(chǎn)聚乙烯的，但是，隨著生產(chǎn)工藝和催化劑技術(shù)的發(fā)展，其增長速度大大落后于低壓法[10]。高壓法可分成高壓管式法和高壓釜式法兩種。高壓管式法主流代表有：LupotechT、SABIC公司的CTR、ExxonMobil工藝，高壓釜式法代表有：Enichem釜式法、ExxonMobil釜式法、ICI高壓釜式、LupotechA釜式法[12]。1.4.2淤漿法聚乙烯淤漿法工藝在聚乙烯工業(yè)化中被廣泛應(yīng)用，而且相對于氣相法和溶液法而言，其工藝發(fā)展比較成熟。因?yàn)橛贊{法的開發(fā)比較早，所以該工藝經(jīng)過不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，可以在較低壓力下，通過較為容易控制的反應(yīng)操作有效地生產(chǎn)出分子量分布均勻且性能穩(wěn)定的高密度聚乙烯。但是淤漿法也有明顯的缺點(diǎn)：聚合釜反應(yīng)器存在撤熱問題而影響了單個生產(chǎn)線的生產(chǎn)率導(dǎo)致產(chǎn)量低。由于該工藝可以在生成雙峰和多峰聚乙烯等技術(shù)反面提供支持，所以淤漿法從多方面來看，都是最優(yōu)秀的生產(chǎn)工藝。另外，在利用淤漿法加工高強(qiáng)度薄膜時，該過程的能量消耗較小并且可以提高材料效率，但是需要對溶劑進(jìn)行回收，工作流程更為復(fù)雜。在淤漿法聚乙烯工藝中，為了控制產(chǎn)品的分子量分布，需要額外添加氫氣和惰性氣體，另外還應(yīng)該再添加適量的丁烯和丙烯來對聚乙烯的密度進(jìn)行調(diào)控。淤漿法按反應(yīng)器不同可分為環(huán)管淤漿法和釜式淤漿法兩種[4]。大規(guī)模裝置一般采用管式法，而生產(chǎn)專用牌號聚乙烯時則采用釜式法。環(huán)管淤漿法的主要代表有：ChevronPhillips工藝、Borealis公司的Borstar、Ineos公司的InnoveneS，而釜式淤漿法的主要代表有：LyondellBasell公司的Hostalen工藝、三井化學(xué)的CX、Equistar-Maruzen等[10]。表2主要專利商清單CX工藝日本三井油化制備HDPE的CX工藝在生產(chǎn)線上的產(chǎn)率大概是70-100千噸每年。在反應(yīng)前把原料（乙烯）、共聚單體（丙烯/丁烯）、氫氣等先從反應(yīng)器底部加入分散介質(zhì)（己烷）中，被反應(yīng)器攪拌充分混合，再把助催化劑和助催化劑送入反應(yīng)器，另外，經(jīng)過離心機(jī)分離的母液和冷凝回收的己烷也要添加到反應(yīng)器中[13]。當(dāng)連續(xù)引入催化劑時，反應(yīng)釜中的聚合物因不能再己烷中溶解而形成淤漿。反應(yīng)漿液經(jīng)過離心機(jī)把固體和液體分離后，使用滾動干燥床除去聚合粉末中殘留的己烷。主要靠原料的預(yù)熱夾套中水溫的調(diào)節(jié)以及己烷蒸發(fā)來吸收乙烯聚合的反應(yīng)熱，其中己烷的蒸發(fā)可以吸收70%的反應(yīng)熱。經(jīng)過冷卻水冷凝后的己烷需要再重新引入反應(yīng)器中。由于CX工藝的現(xiàn)代化發(fā)展比較緩慢，與Hostalen工藝相比，其生產(chǎn)能力、能量消耗和占地面積方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，因此該工藝未在新建的國內(nèi)聚乙烯工廠中使用。但是，近年來大多數(shù)設(shè)備已轉(zhuǎn)換為釜外循環(huán)技術(shù)，大大提高了生產(chǎn)能力。同時，選擇采用新型的高效催化劑可增加聚合物粉末的堆積密度，顯著減少細(xì)粉和低聚物的生成率，并降低反應(yīng)器結(jié)垢和母液管線結(jié)垢的風(fēng)險，有效提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。圖3CX工藝流程示意圖Hostalen工藝Hostalen工藝是由LyondellBasell公司在齊格勒-納塔催化劑的工業(yè)化裝置上進(jìn)行不斷的現(xiàn)代化和改進(jìn)而發(fā)展成如今生產(chǎn)聚乙烯最先進(jìn)的工藝之一。該工藝一般使用丁烯為共聚單體和己烷為溶劑，擁有兩個聚合釜反應(yīng)器，這兩個反應(yīng)器可以進(jìn)行并聯(lián)和串聯(lián)生產(chǎn)。反應(yīng)漿液在離心機(jī)中把固體和液體分出之后，再被流化床除去聚合物粉末中殘留的己烷。但在Hostalen工藝中需要增添低分子量蠟處理單元，這是因?yàn)樯a(chǎn)的低聚物和重?zé)N大部分都分散在己烷母液中，很少摻入聚合物粉末。在最近出現(xiàn)的HostalenACP工藝中有三個釜式反應(yīng)器，當(dāng)反應(yīng)釜進(jìn)行串聯(lián)生產(chǎn)時，第一反應(yīng)釜會有低分子量均聚物產(chǎn)生，第二反應(yīng)釜會有中分子量共聚物產(chǎn)生，而第三反應(yīng)釜中則會有高分子量共聚物產(chǎn)生。因?yàn)镃X工藝相對落后，國內(nèi)很多生產(chǎn)HDPE的工廠都選擇Hostalen工藝。圖4Hostalen工藝流程示意圖InnoveneS工藝InnoveneS工藝是一種雙環(huán)管淤漿工藝[14]。在這種工藝裝置中有兩個環(huán)管反應(yīng)器，可以進(jìn)行單環(huán)管或者雙環(huán)管串聯(lián)來進(jìn)行乙烯聚合反應(yīng)。串聯(lián)反應(yīng)時，將原料添加到第一個環(huán)管反應(yīng)器生成具有高結(jié)晶度和高密度的漿液。聚合的漿液經(jīng)過脫氣后進(jìn)入添加了共聚單體的第二個環(huán)管反應(yīng)器中，在這個過程一般不加入催化劑和H2。聚合漿液在第二個環(huán)管反應(yīng)器被排出，聚合粉料在分離器濃縮后直接進(jìn)行閃蒸以除去殘留的溶劑。通過干燥后的聚合物粉料就可以擠出造粒，最終獲得HDPE。由于這種工藝中的反應(yīng)熱較容易撤除，且其溶劑的回收也較方便，所以其裝置占用的空間很小。由于該工藝的流程沒有脫蠟單元，會有聚合物組分粘附在粉末表面，軸向泵和反應(yīng)器的內(nèi)壁上，所以在聚合反應(yīng)中對于催化劑的選擇提出了更高的要求。圖5InnoveneS工藝流程示意圖1.4.3氣相法聚乙烯氣相法是近年才發(fā)展起來的技術(shù)[4]。一般采用流化床進(jìn)行氣相法乙烯聚合，把乙烯、氫氣和共聚單體分別送入反應(yīng)器底部，然后再把催化劑加入反應(yīng)器中，該工藝不需要用到分散劑，靠循環(huán)乙烯帶走生成的反應(yīng)熱，生成的粉料經(jīng)過脫氣、造粒后就可以包裝出廠。該工藝的優(yōu)勢：流程短、不需要用到溶劑回收工序、運(yùn)行和投資成本較低。氣相法的主要代表有：Unipol、BP公司InnoveneG、Spherilene工藝[15]。Unipol工藝Unipol工藝把高活性催化劑與氣相法工藝相結(jié)合，乙烯、共聚單體和催化劑進(jìn)入流化床反應(yīng)器，采用干粉或漿料催化劑在90-100℃條件下進(jìn)行聚合反應(yīng)[4]。在流化床反應(yīng)器中，把形成的聚合物從反應(yīng)器排出，尚未完全反應(yīng)的循環(huán)氣體（例如乙烯）則可進(jìn)入回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個流程的高效率和高環(huán)境效益。氣相單體不需要經(jīng)過多次的分離回收等工序就可以轉(zhuǎn)化為固體顆粒，在這個過程中不會產(chǎn)生廢物，對環(huán)境的影響相對較小。循環(huán)氣體是該技術(shù)最大的特點(diǎn)，在流化床反應(yīng)器中生成的聚合反應(yīng)熱需要經(jīng)過循環(huán)氣體帶走，而且其中的氣體還能參加聚合反應(yīng)。例如循環(huán)氣體中的乙烯，除了在反應(yīng)器中使聚乙烯顆粒流化外，還參與了聚合反應(yīng)，并且轉(zhuǎn)化率大概有1%到2%。由于這項(xiàng)技術(shù)易于操作、操作環(huán)境的要求低和工作流程簡單等優(yōu)勢，是我國石化行業(yè)中氣相法制備聚乙烯的首選，當(dāng)前我國大多數(shù)生產(chǎn)低密度聚乙烯裝置都是使用Unipol工藝。圖6Unipol工藝流程示意圖InnoveneG工藝InnoveneG工藝與Unipol工藝相比，不同的是該工藝把旋風(fēng)分離器配在反應(yīng)器出口處，從而避免了壓縮機(jī)和冷卻回路發(fā)生聚合物堵塞的發(fā)生，并且在更換催化劑時無需沖洗系統(tǒng)。在脫氣系統(tǒng)中使用兩個脫氣塔，這可以大大降低了對環(huán)境的影響，并且為了保護(hù)環(huán)境和設(shè)備，采用了氮?dú)饷摎獯胬淇諝饷摎獾姆椒?。在生產(chǎn)過程中必須添加氮?dú)?，通過過循環(huán)系統(tǒng)把氮?dú)鈱?dǎo)入反應(yīng)器中，再從反應(yīng)器的側(cè)面排出。冷凝技術(shù)是主要的生產(chǎn)工藝，其冷凝率為15％，反應(yīng)溫度為72至95℃，反應(yīng)壓力約為2.3MPa[16]。該工藝具有反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)物種類多，對環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，但其不菲的資金投入和較高的設(shè)備成本等缺點(diǎn)也阻礙了該工藝的推廣和應(yīng)用。Spherilence工藝Spherilence工藝與InnoveneG工藝和Unipol工藝不同的是，使用了兩臺硫化床反應(yīng)器，使用丙烷惰性氣體，而且沒有采用冷凝技術(shù)。主要采用的催化劑是齊格勒-納塔催化劑，在把兩臺流化床反應(yīng)器串聯(lián)的操作下生產(chǎn)出雙峰聚乙烯。雙反應(yīng)器的使用可以減少聚合物在反應(yīng)器中的總停留時間并使催化劑活性最大化。相對于氮?dú)?，丙烷有比較優(yōu)越的傳熱能力和熱穩(wěn)定性，所以丙烷在兩個反應(yīng)器中均用作惰性反應(yīng)介質(zhì)，從而提高了傳熱能力，還可以解決物料結(jié)塊的問題。Spherilene氣相流化床工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在與其他氣相法工藝相比，其反應(yīng)器的體積較小，過渡料也較少，可以生產(chǎn)出強(qiáng)度較高且透明性好的產(chǎn)品。但也不能忽視該技術(shù)需要更多地設(shè)備和更大的能量消耗等問題。1.4.4溶液法聚乙烯采用聚合級為原料和共聚單體一起在固定床干燥處理后，在反應(yīng)溶劑（一般為己烷）中溶解后，溶液再經(jīng)過增壓加熱后，再反應(yīng)器中生成聚合物。該工藝最大的特點(diǎn)是產(chǎn)物是熔融狀態(tài)的，可以直接去造粒[4]。該工藝的優(yōu)勢：反應(yīng)時間短、反應(yīng)器容積小、產(chǎn)率較高。但由于其所需要的聚合溫度和壓力較高，因此反應(yīng)過程不易被控制，而且后續(xù)需要吸附劑脫出產(chǎn)品殘余的催化劑和廢渣量較大，對環(huán)境有較大的的影響等原因，導(dǎo)致該工藝的應(yīng)用越來越少。溶液法的主要代表有：NOVA公司的Sclairtech工藝、Dow公司的低壓溶液技術(shù)、Sabic公司的Compact工藝[10]。Sclairtech工藝Sclairtech工藝使用環(huán)己烷作為溶劑，丁烯-1或辛烯-1作為共聚單體在溫度高達(dá)300℃的條件下生產(chǎn)聚乙烯樹脂充分利用反應(yīng)熱可將去除揮發(fā)性物質(zhì)的能量消耗降至最低。該工藝選用齊格勒-納塔催化劑，可以生產(chǎn)出分子量分布寬或者分子量分布窄的產(chǎn)品。在300℃的反應(yīng)溫度下，充分利用反應(yīng)熱可將去除揮發(fā)性物質(zhì)的能量消耗降至最低。由于Sclairtech工藝的反應(yīng)器停留時間較短，因此可以快速切換產(chǎn)品。該工藝中的乙烯單程轉(zhuǎn)化率可高達(dá)95%，催化劑獲取途徑方便。但由于反應(yīng)溫度過高，催化劑的效率較低，后期需要進(jìn)行脫灰處理。Dowlex工藝Dowlex工藝使用了兩個串聯(lián)的攪拌釜作為反應(yīng)器，反應(yīng)器的停留時間較短，并且單程轉(zhuǎn)化率可達(dá)到90%以上。由于該工藝使用的是重溶劑，因此在溶液法聚乙烯工藝中Dowlex工藝的操作壓力較低。Dow公司對原有的Dowlex工業(yè)裝置進(jìn)行改造，改用單活性中心的催化劑體系，改造后的裝置可以在較低溫度下生產(chǎn)出雙峰聚乙烯樹脂，并且生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有更高的強(qiáng)度和更高的性能。但Dow公司允許轉(zhuǎn)讓該工藝的生產(chǎn)許可[17]。Compact工藝Sabic公司的Compact工藝最初是為了開發(fā)高密度聚乙烯生產(chǎn)而設(shè)計的，但經(jīng)過重新設(shè)計后已經(jīng)可以生產(chǎn)低密度聚乙烯了。與Sclairtech工藝和Dowlex工藝相比，Compact工藝的工作溫度較低，操作能加靈活，但是需要凍結(jié)原料。物料在反應(yīng)器的停留時間小于10分鐘，因此產(chǎn)品切換牌號比較方便，乙烯的單程轉(zhuǎn)化率可超過95%。該工藝可以通過操作反應(yīng)器的組合方式，生產(chǎn)出LLDPE和HDPE所有牌號的產(chǎn)品。Compact工藝與大多數(shù)溶液法工藝一樣：溶劑回收困難、反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力高、大部分原料具有腐蝕性，所以對于某些設(shè)備的材質(zhì)要求更高，需要大量投資。其他溶液法工藝的市場目標(biāo)在于有高產(chǎn)量的產(chǎn)品，而Compact工藝的目標(biāo)是開發(fā)高附加價值的產(chǎn)品。1.4.5工藝技術(shù)對比選取上述三種低壓法與高壓法一起比較。雖然高壓法是世界上最早用于合成聚乙烯的聚合方法，但由于生產(chǎn)工藝和催化劑技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)如今高壓法的增長速度已經(jīng)明顯落后于低壓法。綜合上述3種低壓法可見，淤漿法的工藝比較成熟。主要體現(xiàn)在該生產(chǎn)工藝采用的是雙反應(yīng)器，操作靈活，反應(yīng)器并聯(lián)操作時可生產(chǎn)出單峰HDPE產(chǎn)品，串聯(lián)時則可以生產(chǎn)雙峰HDPE。而且在使用淤漿法聚乙烯工藝的情況下，切換生產(chǎn)牌號十分方便，沒有過渡料，而且使用的催化劑穩(wěn)定性也比較好。但是該方法的工藝流程比較長，多了溶劑回收單元。另外，氣相法也是近年來比較引人注目的技術(shù)。該工藝流程短，不實(shí)用分散劑，且生成的粉料可以直接干燥脫氣，但是操作溫度較高，不易于操作。對于溶液法而言，以Sclairtech工藝為例，雖然該技術(shù)的反應(yīng)停留時間較短、單體轉(zhuǎn)化率較高，但是需要比較高的溫度條件和較多的設(shè)備臺數(shù)，導(dǎo)致運(yùn)行成本高，很難控制反應(yīng)進(jìn)行，不利于溶液法的發(fā)展。1.4.6工藝技術(shù)發(fā)展在聚乙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展中，一直都是多種工藝并存，各展所長的情況。近年來，在各種生產(chǎn)工藝不斷發(fā)展的同時，也涌現(xiàn)出很多新技術(shù)，其中冷凝及超冷凝技術(shù)、雙峰技術(shù)和不造粒技術(shù)等新技術(shù)的開發(fā)，大大地促進(jìn)了聚乙烯工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。冷凝及超冷凝技術(shù)在氣相法聚乙烯工藝中，流化床式聚乙烯產(chǎn)品合成的場所，更是該工藝的核心，因?yàn)橐蚁┑木酆鲜且粋€放熱反應(yīng)，所以產(chǎn)生的聚合熱要及時撤出反應(yīng)器，以防止發(fā)生融創(chuàng)而導(dǎo)致裝置停車等現(xiàn)象，由此可見，反應(yīng)器的測能力決定了該工藝的產(chǎn)量和產(chǎn)率。在氣象法中，循環(huán)氣體在傳承因吸收了乙烯聚合的反應(yīng)熱而升溫，然后通過冷卻器將循環(huán)氣體的溫度降低，反應(yīng)的聚合熱就是被不斷循環(huán)流動的氣體移出系統(tǒng)。對于一般的非冷凝態(tài)工藝技術(shù)而言，系統(tǒng)的循環(huán)氣體沒有液體存在，而氣體的潛熱又較小，導(dǎo)致吸收的熱量非常有限，這一現(xiàn)象導(dǎo)致了氣相法流化床工藝中聚乙烯產(chǎn)率的收到限制，直到80年代冷凝技術(shù)的出現(xiàn)，該技術(shù)首次允許系統(tǒng)中循環(huán)氣體有液體的存在。因此，聚合熱可以通過循環(huán)氣體的升溫顯熱和液體的蒸發(fā)潛熱被撤除，從而提高了氣相法流化床工藝的產(chǎn)率，大大推動了聚乙烯氣相法工藝的發(fā)展，如今國內(nèi)外很多公司的聚乙烯氣相法裝置都使用了冷凝技術(shù)，但如果該工藝中有過多的冷凝業(yè)，會導(dǎo)致流化床的流化質(zhì)量降低。因此，在冷凝技術(shù)中，液體含量受到限制，針對這個現(xiàn)象，UCC和BP公司開發(fā)了超冷凝技術(shù)，該技術(shù)在冷凝技術(shù)的基礎(chǔ)上提高了冷凝液的含量，可使流化床反應(yīng)器產(chǎn)能得到明顯提高。雙峰技術(shù)雙峰技術(shù)的開發(fā)是為了解決高分子量樹脂的加工困難，雙峰聚乙烯是指其分子量分布個峰值的聚乙烯數(shù)值，雙峰聚乙烯由于其優(yōu)越的物理性能和化學(xué)性能，可以生成更薄薄膜制品，因此，在催塑制品和高強(qiáng)度薄膜等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?；旧嫌腥齻€法可以生產(chǎn)雙峰聚乙烯：1、熔融參混法，雖然這種方法在很早之前就使用了，但由于其缺點(diǎn)比較明顯，如成本較高，該方法已經(jīng)落后。2、串聯(lián)反應(yīng)釜法，前面的聚合反應(yīng)釜通過調(diào)節(jié)氫氣可以得到相對分子量較低的聚乙烯樹脂，而后面的聚合反應(yīng)釜也可以通過微氫調(diào)得到相對分子量較高的樹脂，目前三井油化菲利普斯等公司開發(fā)的淤漿串聯(lián)生產(chǎn)工藝和Borealis公司開發(fā)的雙峰聚乙烯技術(shù)都已完成了工業(yè)化生產(chǎn)。3、單反應(yīng)器方法，該方法使用了雙金屬催化劑或多種催化劑，開發(fā)新的催化劑體系，從而達(dá)到合成雙峰聚乙烯的目的。雖然單反應(yīng)器法的投資成本較低，但與串聯(lián)反應(yīng)釜法相比，其使用的催化劑費(fèi)用較高，所以該方法的推廣使用受到極大限制。不造粒技術(shù)隨著催化劑技術(shù)的不斷進(jìn)步，已經(jīng)出現(xiàn)了直接生產(chǎn)不需要進(jìn)行造粒的方法，該方法用聚合反應(yīng)釜質(zhì)的球形聚乙烯樹脂不需要進(jìn)行造粒，這一進(jìn)步不僅能節(jié)省大量擠出造粒所需要的大量耗能，還可以再聚合釜中得到?jīng)]有形態(tài)學(xué)變化的產(chǎn)品。例如Montell公司的Spherilene工藝，該工藝采用了負(fù)載在氯化鎂上的催化劑，直接生產(chǎn)出全密度甚至是超低密度，聚乙烯球形顆粒，因?yàn)椴恍枰M(jìn)行擠出造粒的工序，使得該裝置的投資減少了20%，該工藝將淤漿法的預(yù)聚合技術(shù)與氣相法的流化床技術(shù)相結(jié)合，先在一個小環(huán)管中進(jìn)行反應(yīng)，然后把預(yù)聚物連續(xù)通過一個或兩個氣相流化床，這兩個流化床能單獨(dú)控制其溫度壓力和其中的氣體組成，因此該工藝在產(chǎn)品設(shè)計中有更大的靈活性。1.5設(shè)計的目的與意義淤漿法可以在較低壓力下，通過較為容易控制的反應(yīng)操作有效地生產(chǎn)出分子量分布均勻且性能穩(wěn)定的高密度聚乙烯，現(xiàn)已成為我國HDPE生產(chǎn)的主要技術(shù)。為了加快淤漿聚乙烯催化劑的研發(fā)、生產(chǎn)工藝，為企業(yè)生產(chǎn)高端聚乙烯特種材料提供優(yōu)化參數(shù)等技術(shù)支持，因此需要設(shè)計一套淤漿聚乙烯中試裝置，加快催化劑的自主產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和推廣，有利于降低催化劑的購買成本，提高生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率。原料和產(chǎn)品指標(biāo)廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計)論文：乙烯淤漿聚合中試裝置工藝設(shè)計第二章原料和產(chǎn)品指標(biāo)2.1中試裝置生產(chǎn)流程本裝置以己烷為分散劑，采用的齊格勒-納塔（Z-N）催化劑包括主催化劑和助催化劑，主催化劑的主要成分為鈦的過渡金屬化合物，助催化劑的主要成分為三乙基鋁，原料包括聚合單體乙烯、共聚單體（1-丁烯），分子量調(diào)節(jié)劑為氫氣，通過改變聚合工藝條件可生產(chǎn)不同牌號的聚烯烴產(chǎn)品。分散劑己烷、催化劑和各原料以一定的量加入聚合反應(yīng)器，在壓力為0.2-1.2MPa、溫度為80℃的條件下發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)初始溫度由聚合釜夾套內(nèi)熱水提供，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量通過聚合釜夾套冷卻水撤除，根據(jù)試驗(yàn)安排反應(yīng)一定時間，大約乙烯進(jìn)料26kg，停止聚合反應(yīng)，降溫，轉(zhuǎn)移至干燥釜，蒸餾出分散劑己烷，得到聚合物產(chǎn)品。圖2.1工藝流程簡圖2.1原料組分名稱（vol）≥（vol）≤≤CO≤CO2≤≤≤≤1-丁烯化學(xué)式：CH2=CH-CH2-CH3組分名稱%（vol）≥%（vol）≤1.0≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤狀態(tài)：液態(tài)進(jìn)裝置壓力：1.2MPa進(jìn)裝置溫度：環(huán)境溫度運(yùn)輸方式：管道（或罐裝）化學(xué)式：H2組分名稱單位原料指標(biāo)氫氣%（vol）≥95水≤2氧≤2硫化物≤1甲烷%（vol）≤5CO≤10CO2狀態(tài)：氣態(tài)進(jìn)裝置壓力：0.8MPa進(jìn)裝置溫度：環(huán)境溫度運(yùn)輸方式：鋼瓶用量：3.0g/次2.2公用工程規(guī)格COCO22.3分散劑指標(biāo)（1）己烷化學(xué)式：C6H14組分名稱單位原料指標(biāo)外觀無色透明水溶性酸或堿無正己烷純度%（wt）≥60苯≤100密度（20℃）kg/m3660～680餾程（5~95%）℃實(shí)測溴值mgBr/100g≤100水≤2氧≤銅片腐蝕（50℃，3h）≤12.4催化體系指標(biāo)（1）主催化劑=1\*GB3①鈦系催化劑組分名稱%（wt）～%（wt）～28.0堆積密度g/cm3～～45（2）助催化劑=1\*GB3①三乙基鋁化學(xué)式：Al(CH2CH3)3≥≥≤≤≤≤2.4產(chǎn)品指標(biāo)物料衡算廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計)論文：乙烯淤漿聚合中試裝置工藝設(shè)計第三章物料衡算3.1物料衡算進(jìn)料量：26kg/批乙烯、0.003kg/批主催化劑、0.1kg/批助催化劑、100L/批己烷、0.74kg/批共聚單體、0.003kg/批氫氣；乙烯進(jìn)料：G乙烯=26kg/批；共聚單體進(jìn)料：G1-丁烯=0.74kg/批；氫氣進(jìn)料：G氫氣=0.003kg/批；主催化劑進(jìn)料：0.1kg/批；助催化劑進(jìn)料：0.1kg/批；己烷進(jìn)料：100L/批;聚乙烯出料量：GPE=轉(zhuǎn)化率×乙烯進(jìn)料量=93.09%×26=24kg/批設(shè)有90%己烷被回收；則己烷回收量為90L/批；設(shè)乙烯、共聚單體、主催化劑、助催化劑、氫氣等原料完全參與反應(yīng)，則乙烯出料：G’乙烯=0kg/批；共聚單體出料：G’1-丁烯=0kg/批；氫氣出料：G’氫氣=0kg/批；主催化劑出料：0kg/批；助催化劑出料：0kg/批；損失比為10.717%。3.2衡算表物料衡算一覽表進(jìn)料量出料量項(xiàng)目原料量項(xiàng)目產(chǎn)品及副產(chǎn)品理論實(shí)際理論實(shí)際主催化劑0.003kg/批主催化劑0kg/批助催化劑0.1kg/批助催化劑0kg/批乙烯26kg/批乙烯0kg/批己烷100L/批己烷90L/批共聚單體0.75kg/批共聚單體0kg/批氫氣0.003kg/批氫氣0kg/批聚乙烯24kg/批損失10.717%工藝設(shè)備廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計)論文：乙烯淤漿聚合中試裝置工藝設(shè)計第四章工藝設(shè)備4.1反應(yīng)器選型由于本設(shè)計采用的是釜式淤漿法工藝，因此選用釜式反應(yīng)器。釜式反應(yīng)器大致有以下三種：1間歇釜式反應(yīng)器使用間歇釜式反應(yīng)器時，需要在反應(yīng)開始前往反應(yīng)器中添加所有反應(yīng)物，并在物料達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)化率的時候出料。間歇釜的操作非常靈活，可以適應(yīng)不同的操作天劍和可以生產(chǎn)不同類型的產(chǎn)品，此外它更加適用于小批量生產(chǎn)且需要較長時間反應(yīng)的產(chǎn)品。通常，由于在由于在一些需要高質(zhì)量產(chǎn)品的工業(yè)工廠中間歇釜的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，因此不使用間歇釜。對于間歇釜而言，它的操作時間是由物料的反應(yīng)時間和輔助時間決定的，由于輔助時間主要基于人的經(jīng)驗(yàn)來決定，因此物料的反應(yīng)時間是間歇釜操作時間的關(guān)鍵，而物料的反應(yīng)時間取決于該反應(yīng)的反應(yīng)速率。2連續(xù)釜式反應(yīng)器由于使用連續(xù)釜式反應(yīng)器的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定且操作方便，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)時都會選擇連續(xù)釜。例如，在三種主要合成材料的制造中：塑料，人造纖維和合成橡膠，在其反應(yīng)容器的選擇上，連續(xù)釜的比例超過90%。連續(xù)釜和所有釜式反應(yīng)器一樣在內(nèi)有裝設(shè)攪拌器，這就會返混作用產(chǎn)生，即當(dāng)攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)時，反應(yīng)器中的反應(yīng)器中的液體向與主流相反的方向移動，導(dǎo)致物料混合，這會降低物料濃度的傳遞速度，可以采用多個反應(yīng)釜串聯(lián)的方式來解決這一困難。在連續(xù)釜中，可以看做是在等溫、等溫度的穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行操作的。這種類型的反應(yīng)器主要用于液相反應(yīng)，由于在反應(yīng)過程中不需要再添加反應(yīng)物，所以在計算時可以假設(shè)反應(yīng)是在恒定的體積條件下進(jìn)行的。3半間歇釜式反應(yīng)器半間歇式反應(yīng)器與間歇釜和連續(xù)釜相比，它的兩種反應(yīng)物是直接或者連續(xù)添加的，這意味著反應(yīng)器中的兩種試劑濃度不相同。并且隨著時間的變化，反應(yīng)物系統(tǒng)的組成會因?yàn)榉磻?yīng)物的消耗而變化。因此，可以通過使用半間歇式反應(yīng)器來改變反應(yīng)的溫度。另外，在某些可逆反應(yīng)中，可以通過不斷移除生成物來達(dá)到提高產(chǎn)率的目的。由于在半間歇式反應(yīng)器中的兩種反應(yīng)物可以分別加入，所以在需要兩種不同濃度的反應(yīng)物的情況下，也可以考慮使用半間歇式反應(yīng)器。由于本設(shè)計是中試裝置，產(chǎn)品只是小批量生產(chǎn)，故選擇反應(yīng)釜為間歇釜式反應(yīng)器。4.1.1反應(yīng)器容積的選定已知乙烯相對密度為1.25；則乙烯體積為：V乙烯=m/ρ=26kg/1.23×10-3=20.8L；則反應(yīng)釜填料為V=V乙烯+V己烷=20.8+100=128L，V=120.8/0.604=200L,所以反應(yīng)器容積選用200L罐。4.1.2主要尺寸計算取長徑比為1.8，體積為200L，則聚合釜筒體計算如下：式中，D為反應(yīng)釜直徑（米）；V為反應(yīng)釜的體積（立方米）；α為反應(yīng)釜的長徑比所以筒的高度為H=0.521×1.8=0.938m；式中，H為反應(yīng)釜的高度（米）；4.2閃蒸罐閃蒸罐是一種重要的節(jié)約能源的裝置，通常用于從過熱的冷凝物中回收廢熱。過熱的冷凝水流入擴(kuò)容器內(nèi)，當(dāng)儲罐膨脹后壓力下降時，在儲罐中會產(chǎn)生閃蒸蒸汽，閃蒸氣體加壓后，可以將其引入低壓蒸汽管線或中壓管線，然后再引入加熱系統(tǒng)以加熱物料并回收原始的熱能。4.2.1閃蒸罐容積的選定反應(yīng)器容積選用200L罐;取漿液濃度為0.951g/cm3，則漿液體積為式中，m為漿液的質(zhì)量（千克）；ρ為漿液的密度（立方厘米）；L為漿液的體積（升）；V=25.237/0.126=200L,所以反應(yīng)器容積選用200L罐。4.2.2主要尺寸計算取長徑比為1.8，體積為200L，則閃蒸罐筒體計算如下：式中，D為閃蒸罐直徑（米）；V為閃蒸罐的體積（立方米）；α為閃蒸罐的長徑比所以筒的高度為H=0.521×1.8=0.938m；式中，H為閃蒸罐的高度（米）；4.3由第五章得知熱水的用量為9.703kg，水的密度為1g/cm3；則需要熱水的體積為：取體積為1m3的熱水罐完全滿足要求。4.4換熱器的選擇換熱器需要一臺4.5己烷接收罐的選擇4.6熱水泵的選擇反應(yīng)釜316200LΦ550×1215主反應(yīng)閃蒸釜316200LΦ550×1215脫揮Φ1000×1200換熱器Q235BQ345R13.5m3臥式Φ2400×426己烷冷凝己烷接收罐304500LΦ600×1500己烷回收儲存能力衡算廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計)論文：乙烯淤漿聚合中試裝置工藝設(shè)計第五章能量衡算5.1反應(yīng)初始熱水用量按每批計算，己烷進(jìn)料溫度為20℃，反應(yīng)溫度為80℃，比熱容為2.68KJ·Kg-1·℃-1，密度為0.672g/cm3。則m己烷=ρV=0.672g/cm3×100L=67.2kg；則反應(yīng)前所需要的熱量：Q=m·Cp·ΔT=67.2kg×2.68KJ·Kg-1·℃-1×（80-20）℃=10805.76KJ；設(shè)設(shè)熱水的入口溫度為90℃，出口溫度為80℃，90℃時，水的比熱容為4.206KJ/kg·k。加熱67.2kg己烷到80℃熱水的用量5.2乙烯的聚合放熱冷卻水用量反應(yīng)時，乙烯在聚合釜內(nèi)聚合生成聚乙烯，反應(yīng)溫度維持在80℃，乙烯轉(zhuǎn)化率為93.09%，乙烯聚合反應(yīng)熱為3.48×103KJ/kg。乙烯聚合放熱為Q=26kg×93.09%×3.48×103KJ/kg=84227.832KJ；設(shè)循環(huán)水入口溫度為25℃，出口溫度為35℃，則反應(yīng)穩(wěn)定后循環(huán)水用量：5.3閃蒸罐升溫?zé)崴昧吭诰酆细獌?nèi)的反應(yīng)溫度為80℃。轉(zhuǎn)移至閃蒸罐后再升溫到90℃。設(shè)有90%己烷被蒸發(fā)回收；則在閃蒸罐的剩下的己烷為：67.2-90%×67.2=6.72kg；己烷的比熱容為2.682.3KJ·Kg-1·℃-1；則己烷升溫至90℃需要的熱量為：合成的產(chǎn)品為24kg，比熱容為2.3KJ·Kg-1·℃-1；從反應(yīng)溫度80℃升溫至90℃需要的熱量為：閃蒸罐內(nèi)升溫至90℃需要的熱量為：設(shè)設(shè)熱水的入口溫度為95℃，出口溫度為85℃；則需要的熱水量為：5.4換熱器冷卻水用量己烷的比熱容為2.68KJ·Kg-1·℃-1，己烷進(jìn)料溫度為80℃，出料溫度為40℃；冷卻水入口溫度為25℃，出口溫度為35℃。己烷所帶的熱量：Q=m·Cp·ΔT=60.48kg×2.68KJ·Kg-1·℃-1×（80-40）℃=6483.456KJ；則己烷的回收用水量為:5.5閃蒸罐冷卻水用量閃蒸罐從90℃冷卻至20℃，己烷為6.72kg，比熱容為2.68KJ·Kg-1·℃-1，產(chǎn)品為24kg，比熱容為2.3KJ·Kg-1·℃-1；己烷從90℃冷卻至20℃需要帶走的熱量為：產(chǎn)品從90℃冷卻至20℃需要帶走的熱量為：一共需要帶走熱量為：則冷卻水用量為：因此按批計算用水量為9.077+71.246+0.626+5.479+4.327=90.755kg/批?？紤]到損耗量，設(shè)水用量系數(shù)為1.2；則每批消耗水量為：1.2×90.755=108.906kg;其中熱水消耗量為：9.077+0.626=9.703kg5.6電能消耗量聚合釜、閃蒸罐、換熱器和己烷接收罐等設(shè)備為主要的耗電設(shè)備，為計算方便，在設(shè)備消耗的電能上乘以一個余數(shù)1.1，計算如下：設(shè)聚合釜的利用率為0.95，功率為11kW，則耗電量=0.95×11=10.45kw；設(shè)閃蒸罐利用率為0.85，功率為15kW，則耗電量=0.85×15=12.75kw；設(shè)換熱器利用率為0.85，功率為12.8kW，則耗電量=0.85×12.8=10.88kw；己烷接收罐利用率為0.85，功率為5kW，則耗電量=0.85×5=4.25kw；設(shè)熱水罐利用率為0.85，功率5.5KW，則耗電量=0.85×5.5=4.675kw；本套裝置泵類有3個，所以設(shè)它們每個的功率為7.0kW，利用率為0.85，則它們的耗電量為：0.85×7.0×3=17.85kW按一批6小時來計算，則一批設(shè)備電能消耗量為：（10.45+12.75+10.88+4.25+4.675+17.85）×6×1.1=401.643kw·h；綜上所述，生產(chǎn)一批產(chǎn)品的能量消耗一覽表，如表5.1所示；表5.1能量消耗一覽表序號項(xiàng)目消耗量設(shè)備系數(shù)合計1水90.755kg1.2108.906kg2電365.13KW1.1401.643kw·h廠址布局與事故處理廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計)論文：乙烯淤漿聚合中試裝置工藝設(shè)計第六章廠址布局與事故處理6.1廠址的選擇（1）符合國家總體規(guī)劃布局要求，遵守國家法律法規(guī)，堅(jiān)持基本建設(shè)程序。（2）合理利用土地，既要考慮不占少耕，又要考慮后續(xù)發(fā)展空間的需求。（3）要充分利用區(qū)域有利條件，注重資源的合理開發(fā)利用，科學(xué)分析比較廠區(qū)建設(shè)的基本條件。應(yīng)有一些替代方案供比較和評價。（4）選址注意自然條件，避開洪水、地震等災(zāi)害易發(fā)地區(qū)。（5）注重環(huán)境保護(hù)，滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，盡量減少對生態(tài)和自然景觀的破壞和影響。（6）注意確定三個垃圾處理點(diǎn)，防止對周邊地區(qū)產(chǎn)生不利影響。6.1.2工廠選址的地理位置從經(jīng)濟(jì)角度看，廠址選擇在地價相對較低的地方，一般原則是在城郊；從交通和環(huán)保兩方面考慮，廠址選擇要方便交通，靠近原材料，周邊居民的居住環(huán)境不會受到影響。因此，車間地址一般選擇工業(yè)工人集中的工業(yè)開發(fā)區(qū)。綜合以上選擇原則，本設(shè)計廠址選在廣東省花都區(qū)新華鎮(zhèn)東鏡工業(yè)園。該地區(qū)是開發(fā)地區(qū)，土地資源豐富，發(fā)展空間大，地理位置優(yōu)越，基礎(chǔ)設(shè)施完善，其交通條件十分優(yōu)越，距廣州北站4.9公里，距白云國際機(jī)場12公里，具備東西貫通、南北交錯、規(guī)范發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)園內(nèi)水、電、氣設(shè)施也完備，供應(yīng)充足。6.2工廠的布置6.2.1工廠設(shè)施布置的原則布局設(shè)計的總原則是適用、經(jīng)濟(jì)、安全。車間布置必須以生產(chǎn)需要為依據(jù)，最終目的是滿足工藝生產(chǎn)的要求。在車間平面布置設(shè)計中是適用的，主要是指工藝、生產(chǎn)、操作、生產(chǎn)管理和設(shè)備安裝維護(hù)。經(jīng)濟(jì)性是指在滿足生產(chǎn)要求和生活便利的前提下，盡量減少建廠投資。安全主要是指合理解決防火、防烴、防毒、防腐蝕等問題。下面，我們將以一種簡單的方式分析這些原則。（1）綜合原則：設(shè)計時應(yīng)考慮影響設(shè)施布局的所有因素，達(dá)到最佳折衷。（2）最小移動距離原理：產(chǎn)品移動距離不僅反映了移動成本，而且反映了物料流動的平滑性。因此，在運(yùn)輸距離最小的情況下，應(yīng)選擇最佳方案。（3）流程原則：良好的設(shè)備布局應(yīng)使在制品在工藝過程中順暢流動，消除不必要的停滯，努力實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過程。（4）空間利用原則：無論生產(chǎn)區(qū)或存儲區(qū)的空間安排，都要努力充分有效地利用空間[18]。（5）柔性原則：在廠區(qū)設(shè)施布置前，應(yīng)考慮各種因素可能引起的布局變化，以便于以后的擴(kuò)建和調(diào)整[19]。（6）安全滿意原則：應(yīng)考慮讓操作人員感到安全方便。（7）變配電室應(yīng)向上布置，盡量靠近耗電量大的裝置，以減少壓降和功耗。本裝置設(shè)施主要包括：中試裝置、熱水循環(huán)加熱器、控制室和配電間。環(huán)保與安全廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)(設(shè)計)論文：乙烯淤漿聚合中試裝置工藝設(shè)計環(huán)保與安全7.1原則由于整個生產(chǎn)過程中使用的原材料和部分產(chǎn)品、副產(chǎn)品都是易燃易爆物品，所以做好車間的安全衛(wèi)生防護(hù)工作非常重要。我們將繼續(xù)貫徹“安全第一、預(yù)防為主、三個同時”的方針，嚴(yán)格遵守國家有關(guān)勞動安全衛(wèi)生的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。首先，要防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。因此，應(yīng)優(yōu)先操作容易引起火災(zāi)和爆炸事故的零件。在事故處理過程中，要盡量避免人員傷亡，盡量減少對設(shè)備的損壞，防止重大經(jīng)濟(jì)損失，保護(hù)反應(yīng)堆，防止過熱、超壓和爆炸事故的發(fā)生。事故必須迅速處理，但也要注意高溫高壓設(shè)備的溫度和壓力變化不能太快，以免設(shè)備損壞造成其他惡性事故。及時正確使用裝置保護(hù)系統(tǒng)，投入后檢查實(shí)際動作。如果失敗，可以手動執(zhí)行。事故處理方法應(yīng)符合操作規(guī)程和程序的要求。防止跑、串等事故的發(fā)生。在處理過程中，應(yīng)特別注意高低壓系統(tǒng)的連接，及時采取必要措施，防止串壓的發(fā)生。對易凍結(jié)、冷凝的管道和設(shè)備應(yīng)及時處理。發(fā)生物料泄漏事故時，應(yīng)首先防止物料進(jìn)入地下污水系統(tǒng)。如果生物物質(zhì)進(jìn)入污水系統(tǒng)，應(yīng)立即將污水與外部管網(wǎng)隔離，防止水和空氣污染。7.2石油化工原料特性概述(1)容易燃燒石油化工產(chǎn)品的燃燒特性主要通過閃點(diǎn)、燃點(diǎn)和自燃點(diǎn)來測定。對于易燃液體，由于燃點(diǎn)和閃點(diǎn)相互接近，在評估此類液體的火災(zāi)風(fēng)險時，閃點(diǎn)已經(jīng)考慮到了燃點(diǎn)因素。閃點(diǎn)越低，發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險越大。相反，發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險較小。然而，當(dāng)具有高閃點(diǎn)的產(chǎn)品被加熱時(或在存儲容器附近有火源)，仍然存在著火的風(fēng)險。(2)容易爆炸石化產(chǎn)品的蒸汽與空氣混合到一定程度時，發(fā)生火災(zāi)時可能發(fā)生爆炸。爆炸的危險取決于該物質(zhì)的爆炸下限和爆炸上限，材料的爆炸下限越低或爆炸范圍越寬，爆炸風(fēng)險越大[20]。(3)容易蒸發(fā)石油化工產(chǎn)品，尤其是輕質(zhì)產(chǎn)品，具有易蒸發(fā)的特性。(4)易產(chǎn)生靜電石油化工產(chǎn)品中天然存在雜質(zhì)。只要含量在(10-6~10-5)范圍內(nèi)，液體介質(zhì)即可充電。(5)易受熱膨脹影響石化產(chǎn)品受熱時體積膨脹，蒸汽壓力增大。如果儲存在密封的容器中，會導(dǎo)致容器受壓甚至破裂。熱的石化產(chǎn)品注入容器時，冷卻后會因體積收縮而變成負(fù)壓，使容器在常壓下放氣。這種熱脹冷縮的現(xiàn)象，往往會使集裝箱損壞，從而增加起火的危險。(6)易于流動和擴(kuò)散它具有流動擴(kuò)散的特性。可燃和可燃液體的流動和擴(kuò)散取決于產(chǎn)品本身的粘度。低粘度產(chǎn)品，流動分散，如果有泄漏，會很快擴(kuò)散到周圍，成為火災(zāi)危險因素。雖然重質(zhì)產(chǎn)物的粘度很高，但隨著溫度的升高，流動分散性增強(qiáng)，也會引起火災(zāi)。7.3安全措施7.3.1安全注意事項(xiàng)(1)操作人員應(yīng)穿戴工作服、手套、防護(hù)口罩等必要的防護(hù)裝備，操作時輕拿輕放，防止摩擦和碰撞。(2)不能在所有作業(yè)中使用能產(chǎn)生火花的工具。操作場所應(yīng)遠(yuǎn)離熱源、火源。(3)正己烷作業(yè)時，穿防靜電工作服，不得穿帶刺鞋。7.3.2防火防爆安全措施對于原料而言，本裝置使用的乙烯、丁烯和己烷與空氣混合容易產(chǎn)生爆炸，其中己烷更是閃點(diǎn)低的可燃液體，另外三乙基鋁助催化劑遇到到空氣會發(fā)生自燃，接觸到水則會發(fā)生劇烈反應(yīng)，甚至爆炸。對于產(chǎn)品而言，聚乙烯產(chǎn)品為顆粒粉料，在運(yùn)輸過程容易發(fā)生粉塵爆炸。表7.1裝置使用原料的理化常數(shù)表7.1主要原料和溶劑火災(zāi)爆炸危險性火災(zāi)爆炸等災(zāi)害一旦發(fā)生，必須防止災(zāi)害的再次擴(kuò)大，把災(zāi)害的影響盡量控制在一定范圍內(nèi)。原料火災(zāi)爆炸的處理方式：若乙烯、丁烯和氫氣等氣體發(fā)生火災(zāi)過爆炸時，第一時間要把氣源切段，但是不能把正在燃燒的原料氣體熄滅。盡量冷卻所有設(shè)備，只能用泡沫、二氧化碳或者水霧狀的滅火材料進(jìn)行滅火；若己烷發(fā)生火災(zāi)爆炸時，不能用滅火材料為水的滅火器，只能用泡沫、干粉或者沙土等滅火材料；若三乙基鋁發(fā)生火災(zāi)爆炸時，嚴(yán)禁使用水和泡沫等材料的滅火器，只能使用干粉或者沙土等材料進(jìn)行滅火。7.3.3中毒措施乙烯：是一種能造成機(jī)體缺氧的有毒氣體。若吸入高濃度的乙烯可能會導(dǎo)致神志不清，而又不會過度興奮，但可能會在呼吸新鮮空氣后迅速清醒。若吸入中毒應(yīng)迅速離開現(xiàn)場呼吸新鮮的空氣，不能阻塞呼吸道。如呼吸困難，應(yīng)及時輸氧，如果呼吸停止，應(yīng)立即進(jìn)行人工呼吸，并且尋求醫(yī)療幫助。丁烯-1：是一種會引起輕微的麻醉和刺激并可能導(dǎo)致窒息的氣體。如果人連續(xù)接觸到25g/m3的丁烯-1，5分鐘后呼吸道會感覺帶有刺激感，2小時血壓和心跳有明顯的升高和加快，吸入高濃度則會大致昏迷。若吸入中毒應(yīng)立即撤離現(xiàn)場，并轉(zhuǎn)移到空氣新鮮且通風(fēng)良好的區(qū)域。如呼吸困難，應(yīng)及時輸氧，如果呼吸停止，應(yīng)立即進(jìn)行人工呼吸，并且尋求醫(yī)療幫助。己烷：曾經(jīng)被認(rèn)為是是一種低毒性的化學(xué)物，到后來發(fā)現(xiàn)它的揮發(fā)性和脂溶性比較高，可以在人體內(nèi)積累，會導(dǎo)致人體的神經(jīng)系統(tǒng)受到損害，現(xiàn)已被列為高毒性化學(xué)物。人體若吸入12.5g/m3，會有頭痛、惡心和呼吸感到刺激等癥狀。如果眼睛感覺到刺激，要用清水沖洗；如果有畏光、流淚、眼痛等癥狀，應(yīng)立即去看眼科醫(yī)生；若是口服中毒應(yīng)立即尋求醫(yī)療幫助。三乙基鋁：它是一種劇毒化學(xué)品，具有強(qiáng)烈的刺激性和腐蝕性。若不慎攝入，要大量喝水，注意不能催吐，立即尋求醫(yī)療幫助。7.3.4安全消防設(shè)施(1)感煙探測器:一旦檢測到有煙，立即向控制室報警板報警。(2)火災(zāi)報警:現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時，可按下按鈕，使室內(nèi)人員了解火災(zāi)情況。(3)可燃?xì)怏w報警:一旦檢測到可燃?xì)怏w超標(biāo)，應(yīng)立即到控制室報警。(4)消防栓(5)安裝區(qū)域滅火器項(xiàng)目涉及的主要危險化學(xué)品物性參數(shù)及可能造成的危害乙烯：是一種能造成機(jī)體缺氧的有毒氣體。若吸入高濃度的乙烯可能會導(dǎo)致神志不清，而又不會過度興奮，但可能會在呼吸新鮮空氣后迅速清醒。若吸入中毒應(yīng)迅速離開現(xiàn)場呼吸新鮮的空氣，不能阻塞呼吸道。丁烯：無色氣體；閃點(diǎn)：-80℃；密度：相對密度(水=1)0.67；相對密度(空氣=1)1.93。是一種會引起輕微的麻醉和刺激并可能導(dǎo)致窒息的氣體。如果人連續(xù)接觸到25g/m3的丁烯-1，5分鐘后呼吸道會感覺帶有刺激感，2小時血壓和心跳有明顯的升高和加快，吸入高濃度則會大致昏迷。無色無味氣體；閃點(diǎn)：<-50℃；盡管氫無毒，但對人體在生理上是惰性的。當(dāng)空氣中的氫含量增加時，會導(dǎo)致缺氧性窒息。己烷：揮發(fā)性和脂溶性比較高，可以在人體內(nèi)積累，會導(dǎo)致人體的神經(jīng)系統(tǒng)受到損害，體若吸入12.5g/m3，會有頭痛、惡心和呼吸感到刺激等癥狀。蒸汽壓0.53kPa/83℃；閃點(diǎn)為-52℃；熔點(diǎn)為-52.5℃；沸點(diǎn)：194℃；相對密度（水=1）0.84。一種劇毒化學(xué)品，具有強(qiáng)烈。新工藝、新產(chǎn)品開發(fā)過程存在的危險和環(huán)境因素及可能造成的危害本設(shè)計使用乙烯為單體，存在泄漏的危險，它與空氣混合能形成爆炸性混合物，如遇熱源或明火有燃燒爆炸的危險。本課題使用三乙基鋁為助催化劑，有劇毒，操作時存在泄漏與皮膚接觸的危險。本課題使用正己烷為稀釋劑，在使用過程中存在泄漏與皮膚接觸的危險。針對以上危險及環(huán)境因素本項(xiàng)目主要防范和控制措施本課題針對乙烯泄漏問題的主要防范和控制措施：工作前認(rèn)真檢查，保壓排漏，并確保放空管線暢通，同時做操作時保證室內(nèi)通風(fēng)，避免存在局部乙烯濃度過高的危險。本課題針對三乙基鋁在使用過程中的主要防范和控制措施：首先，操作員必須做好防災(zāi)準(zhǔn)備，以便在發(fā)生事故時，操作員可以應(yīng)對事故，熟悉設(shè)備的操作，并在發(fā)生事故時保持鎮(zhèn)定。建立嚴(yán)格的安全體系，禁止非操作人員接觸三乙基鋁設(shè)備。本課題針對正己烷的主要防范和控制措施：避免與氧化物接觸，裝卸需要特別注意，以免損壞包裝和容器。要在密閉的容器工作，操作人員的工作環(huán)境需充分通風(fēng)。操作員必須接受特殊培訓(xùn)并嚴(yán)格遵守操作程序。操作人員必須佩戴防毒面具、化學(xué)防護(hù)鏡，防靜的電工作服和耐油橡膠手套，嚴(yán)禁在工作場所吸煙。7.4“三廢”處理PAGEPAGE10第八章投資估算8.1主要原料費(fèi)用估算由于本設(shè)計的中試裝置是試驗(yàn)裝置，無需采購過多的庫存原料，每種原料只需采購適量，能滿足一年試驗(yàn)批次的量即可（一年大約要生產(chǎn)200次）。本設(shè)計假設(shè)采用中石化生產(chǎn)的高純度乙烯，價格為7600