年产10万吨年聚丙烯聚合工段工艺设计

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1、I 目目 录录第一章 文献综述.11.1 聚丙烯概述.11.2 聚丙烯的性质.11.3 聚丙烯工艺发展过程.11.4 几种主要聚丙烯工艺.31.4.1 Spheripol 工艺.31.4.2 Hypol 工艺.31.4.3 Novolen 工艺.41.4.4 Unipol 气相工艺.41.4.5 AmocoChiaso 气相法工艺.51.5 新型催化剂体系的优势.51.5.1 PP 生产工艺的优化和改善 .51.5.2 PP 产品性能的改进和提高 .61.5.3 高刚性、高结晶度的产品.61.5.4 薄膜产品性能的改善.61.5.5 纺粘纤维和熔喷纤维.61.5.6 无规共囊物.71.5.7

2、抗冲击共聚产品.71.6 中国聚丙烯工业.71.7 展望.8第二章 工艺流程设计.92.1 工艺原理.92.2 催化剂的选定.102.3 生产工艺的选定.102.4 工艺流程草图.132.5 工艺流程概述.132.5.1 聚合区工艺.14II2.5.2 造粒区.172.5.3 包装区.172.5.4 循环水场.17第三章 物料衡算.183.1 设计名称.183.2 设计条件.183.2.1 全套装置工艺参数.183.2.2 丙烯进料量 （按小时计算）.193.3 催化剂用量.193.4 R200 小环管的物料衡算 .193.5 氢气用量.203.6 R201 大环管反应器的物料衡算 .213.

3、7 D301 闪蒸罐的物料衡算.223.8 F301 布袋过滤器的物料衡算.233.9 T301 循环丙烯洗涤塔的物料衡算.243.10 D501 汽蒸罐的物料衡算.253.11 T501 水洗塔的物料衡算.263.12 D502 干燥塔的物料衡算.273.13 造粒.28第四章 热量衡算.294.1 计算依据.294.2 R200 小环管的热量衡算 .304.3 R201 大环管反应器的热量衡算 .314.4 D301 闪蒸罐的热量衡算.324.5 D501 气蒸罐的热量衡算.324.6 D502 干燥罐的热量衡算.33第五章 设备选型.355.1 R200 小环管的选型 .35III5.1

4、.1 R200 小环管的工艺参数.355.1.2 主要作用.355.1.3 选型.355.2 R201 大环管反应器的选型 .365.2.1 R201 大环管反应器的工艺参数.365.2.2 特点.365.2.3 选型及结构.365.3 设备一览表.37第六章 安全备忘录.386.1 前言.386.2 工艺中物质性质及危害.386.3 生产工艺的安全措施.416.4 生产界区内的消防设施.42第七章 环境保护与治理建议.437.1 环境保护的意义.437.2 聚丙烯生产中环境污染来源.437.3 环境治理与保护.44参考文献.46设计小结.47致 谢.48IV 武汉工程大学课程设计 1第一章第

5、一章 文献综述文献综述1.1 聚丙烯概述聚丙烯概述聚丙烯英文名称:Polypropylene分子式:C3H6n 简称:PP聚丙烯由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。有等规物、无规物和间规物三种构型，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,故熔点高达 167左右,耐热,制品可用蒸汽消毒是其突出优点。密度0.90g/cm3,是最轻的通用塑料。耐腐蚀 ,抗张强度 30MPa，强度、刚性和透明性都比聚乙烯好。缺点是耐低温冲击性差，较易老化，但可分别通过改性和添加抗氧剂予以克服。 1.2 聚丙烯的聚丙烯的性性质质 聚丙烯无

6、毒、无味，密度小， 强度、刚度、硬度耐热性均优于低压 聚乙烯，可在 100 度左右使用。具有良好电性能和高频 绝缘性不受湿度影响 ，但低温时变脆、不耐磨、易老化 .适于制作一般 的机械零件,耐腐蚀零件和绝缘零件。常见的酸、碱有机溶剂对它几乎不起作用，且可用于食具。1.3 聚丙烯工艺发展过程聚丙烯工艺发展过程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

7、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 武汉工程大学课程设计 2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。聚丙烯是世界五大通用合成树脂(聚乙

8、烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS树脂)之一1，近年来我国的产量增长很快，2000年首次突破3000 kt达到3035.1 kt，2005年又突破5000 kt增长到5229.5 kt，2006年增长到5841.5 kt，比上年增长11.7，创历史产量最高纪录。2002年至2006年连续5年增长幅度保持两位数。2007年17月全国规模以上企业聚丙烯产量已到达4041.6 kt，同比增长18.6，为历史同期最高的水平，预计全年有望超过7000 kt。我国聚丙烯原料的来源一般是催化裂化产物分离的丙烯，也有石油裂解气分离的丙烯，虽然以炼厂丙烯为原料时，气体分离精馏装置可使乙烷、乙烯、丙烷、炔烃和

9、二烯烃等杂质含量符合高效催化剂聚合时的要求，但由于其分离的丙烯中还含有一定量的硫等杂质，从而使聚丙烯催化剂中毒而活性下降，影响装置的正常生产，同时也导致聚丙烯产品一些主要性能，如结晶度、等规指数、灰分、熔体流动速率和拉伸强度等受到较大的影响，因此，原料丙烯的净化显得十分重要。90年代，聚丙烯(PP)I艺技术在提高效率、降低成本和扩大产品范围等方面都取得了很大的进步，这使得聚丙烯技术进一步向前推进，各种工艺的竞争地位发生变化。Montell公司是当今世界上最大的聚丙烯生产商和技术转让厂商。它的Spheripol工艺是其前身Himont公司于1982年创立的，目前全世界采用Spheripol工艺的

10、生产线已多达84条，产量达到12.8Mta，约占全世界PP总产能的50% ，1997年Monte|l公司对Spheripol聚丙烯工艺进行了重大改进，进一步扩展了装置的生产操作弹性，优化各生产工序的运转条件，提高了聚丙烯产品的质量和加工性能。拓宽了新产品的应用领域。使采用该工艺生产的产品具有更为广泛的应用范围和更加优越的加工性能。新一代工艺技术的改进和优化的核心内容是新型催化剂体系的开发和运用，其工艺流程的新设计和优化主要是围 武汉工程大学课程设计 3绕上述核心技术而开展的。目的是扩大产品的范围，提高产品性能。1.4 几种主要聚丙烯工艺几种主要聚丙烯工艺目前世界上常甩的先进聚丙烯工艺主要有Hi

11、mont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AmocoChisso公司的气相法工艺。1.4.1 Spheripol 工艺工艺该工艺包括助催化剂和催化荆的制备、顶聚合和聚合反应、聚合物脱气干燥、添加剂进料和遣粒以及包装运输。聚合反应在环管式反应器中进行，所有原料都以稳定的速率和适当配比输入环状反应器中 反应压力为2.9d3.5MPa(表)，温度为6070，对压力、温度和淤浆密度可以进行监测和自动控制。聚丙烯颗粒进入装袋系统，自动将产品称重、装袋和缝合，再送入传送带用金属探测器

12、用于检测产品是否含有金属粒，能把混有金属粒的袋子自动剔出。合格产品袋子被送入码垛机，最后进入仓库。这种工艺稳定可靠，产品范围宽、品种多、质量好，在世界上转让的厂家很多，占世界聚丙烯产量比例较大，有较高的信誉。1.4.2 Hypol 工艺工艺Hypol工艺采用日本三井油化公司的专利技术，它是一种液相和气相结合的本体工艺，采用HYHS-第二代高效高立体定向催化剂。金套生产线由原料提纯、催化剂进斟、聚合、干燥、造粒、包装和码垛诸工序组成。改进后的Hypol新工艺，聚合反应分两段进行。第一段液相聚合在丙烯溶剂中进行，聚合压力为2.943.92MPa(表)，温度为6575，依靠蒸发冷凝回流系统带走反应热

13、。聚合形成的浆液进入第二段气相反应釜，操作压力为1.671.92MPa(表)，温度为80。进入反应器的液态丙烯靠聚合反应热加热并蒸发。聚合物流化所用气体从气相反应器的下部吹进，并进行循环。聚合物干燥后送入挤压造粒工序，聚合物通过筛板筛选后被挤压，经模板进入水下切割机，把挤出的聚合物切成小颗粒。一条包装生产线的能力为17.5 th，用自动称重检查器对装袋的粒料 武汉工程大学课程设计 4进行称量、检测，将合格产品袋子送入打印机，再送入码垛机码垛。整个工厂采用集散式控制系统(即DCS系统)。同时还对异常反应如工艺流体泄漏、公用工程发生故障等情况提供保护措施。主要有全线紧急停车系统、局帮停车系统、手控

14、启动系统、易燃气体报警系统等。同时该工艺还设置有工艺联锁系统，在紧急情况下，可切断工艺物流并隔离设备。Hypol工艺的最大优点是丙烯聚合采用了最好的催化剂即HYHS一，这种催化剂的活性相当高，其收率高选lt聚丙烯g钛。由于采用了高活性的催化荆，可不脱灰不脱无规物，因而使不造粒工艺的实现成为可能。1.4.3 Novolen 工艺工艺Novolen 工艺是最早发展起来的气相聚丙烯工艺之一，早在 1969 年第一套工业化装置就开始生产。为了适应新技术的发展，BASF 对本身的丙烯聚合工艺和设备进行了不断革新和完善，同时把催化剂技术和新产品开发作为自己工作的重心。BASF 的催化剂体系是以改型的齐格勒

15、一纳塔体系为基础。由于生产各种均聚物以及抗冲击和无规共聚物只需一个反应器，因而很经济。同时，产品完全可以满足链塑、双向拉膜、纤维、单丝、热望成形、吹塑成形和挤压成形的要求。工艺流程主要由丙烯提纯进料、催化剂制备、添加剂制备及加入、聚台、挤压成形、装袋和码墚等部分组成。控制系统采取以微处理机为基础的集散式控制系统。该工艺的主要缺点是工艺流程长，如催化剂加工工序和设备既多又复杂，因而后处理和回收系统流程很长。同时，建厂投资大，操作和维修人员比其他工艺要多。目前世界上采用这种工艺厂家较少。1.4.4 Unipol 气相工艺气相工艺Unipol聚丙烯工艺是把美国联合碳化物公司的气相流化床技术与壳牌公司

16、的SHAC超高活性催化剂融为一体。这种工艺简单、灵活、安全和经济。采用这种工艺可省掉催化剂钝化、脱灰、脱无规物和后处理工序。联合生产线稳定可靠，切换产品有很大灵活性，能生产多种用途产品。由于工艺和设备简单，可靠性高，因而大大减少了维修工作量，节省操作和维护人员。该工艺能耗低，效率高，工程建设投资少，建设工期短。该工艺主要由原料供应和净化，催化 武汉工程大学课程设计 5剂制备、聚合、树脂脱气和回收、加添加剂和造粒等部分组成。丙烯经过净化和干燥后送入反应系统。反应系统由l台反应器、l台循环气体冷却器和l台循环气体风机组成。反应在压力约3.5MPa、温度6070的条件下进行。提纯后的丙烯、氢、SHA

17、C催化剂连续进入反应器，生产出自由流动的粒状树脂。含有气体反应物和惰性气体的循环气物流在风机作用下连续通过循环气路进行循环。循环气的作用是让反应器里自由流动的粒状树脂流化起来，同时把聚合热带走。经过净化达到产品质量要求的树脂进入造粒系统。添加剂加入、遣粒、包装、码垛等工艺和设备与其他工艺基本相似。Unipol聚丙烯工艺采用现代比较简单的控制系统进行监测控制。主要采用常规变量闭路对流量、温度和压力进行控制，有些控制和监测靠计算机完成。由于该工艺具有一系列独有的优点，因此是一种很有发展前途的工艺。1.4.5 AmocoChiaso 气相法工艺气相法工艺该工艺是美国Amoco公司开发的，1975年开

18、始的中型试验。1979年Amoco公司在美国得克萨斯州建成丁一座采用气相法工艺的工业化聚丙烯工厂。由于既不脱灰，也不脱无规物，因而在低建设投资和低制造成本方面得到好处。该工艺是将超高活性催化剂和Awuoco公司的气相工艺相结合开发的丙烯共聚物工艺。采用这种工艺时，丙烯在高括性催化剂的作用下以气相状态不断进行反应，形成粒状结晶聚丙烯。经过气体分离和催化剂脱活之后，将粉料造粒并搅匀以各运输 该工艺是由催化荆涮备、聚合和成品处理三个工序组成。工艺采用卧式反应釜，主要特点是投资费用低，产品品种多，质量高，操作稳定，工艺安全而且能耗低。但由于设备较其他几种工艺复杂和使用的催化荆的活性不算太高，因而世界上

19、采用这种技术的厂家不太多。1.5 新型催化剂体系的优势新型催化剂体系的优势由于聚丙烯合成对催化剂的要求很高，好的催化剂可以使聚丙烯的产率和纯度提高，使用双醚类新型催化剂体系，其优势可体现在 PP 生产工艺和产品质量的提高两个方面。 武汉工程大学课程设计 61.5.1 PP 生产工艺的优化和改善生产工艺的优化和改善1)具有极高的活性，更有利于氢反应，使催化剂的消耗量降低；2)使催化剂体系中的外给电子取消成为可能，使产品的灰分和成本降低；3)预聚的PP粒型控制更好；4)无需外给电子，催化剂本身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，大大简化了制备工艺；5)催化剂残留物含量低，更有利

20、于添加剂的加入和成分调节；6)由于新型催化剂对氢气反应更为有利，因此，均聚、无规共聚、嵌段共聚的MFR的控制范围扩大，特别是因为它具有分子量分布窄的特点，使得以往用过氧化物进行流变控制的操作方法可以被取代，这可以降低成本，并避免由于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产品性能的改进和提高新工艺技术与新的催化剂体系相结合，使聚丙烯的分子量分布、挠曲模量、等规度，抗冲击等性能指标有了较明显的改善。这类树脂具有很高的结晶度和刚性，光泽度好，较大幅度地提高了均金山油化纤聚物、无规共聚物和抗冲共聚物产品的各项指标。1.5.3 高刚性、高结晶度的产品高刚性、高结

21、晶度的产品应用新型催化剂并结合新双峰技术生产的产品具有更宽的分子量分布和高的等规度，可提高产品挠曲模量，而单独使用新催化剂和新双峰技术则达不到其这种效果。1.5.4 薄膜产品性能的改善薄膜产品性能的改善应用新型催化剂并结合新双峰技术使产品的分子量变得更宽，生产的BOPP产品的拉伸性能得到了改善，使之更适应新型BOPP高速生产线的高速拉伸要求。均聚PP产品进一步改善了刚性，在用于芯层料时具有很大的优点，同时，耐热 武汉工程大学课程设计 7性能、光学性能以及薄膜表面泄出物也大大改观。由于使用了新型催化剂体系，产品的灰分大为降低，使生产电容薄膜成为可能。1.5.5 纺粘纤维和熔喷纤维纺粘纤维和熔喷纤

22、维采用新催化剂体系使其在纤维领域具有了新的优势，主要有以下优势：1)能够生产很高MFR的产品；2)具有很窄的分子量分布，使纤维的加工性能大大提高；3)可以不使用过氧化物降解；4)高流动性，适用于生产高速纺丝和细旦纺丝产品；5)高纯度。1.5.6 无规共囊物无规共囊物由于使用新催化荆体系的产品分子量分布窄，使热定型和吹塑产品的透明度提高，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，产品在透明度、光泽度、冲击性能、化学稳定性、水气阻隔性等方面都有了不同程度的改进，可部分替代PS、PET和PVC等等产品。1.5.7 抗冲击共聚产品抗冲击共聚产品采用新催化剂体系改善了抗冲击共聚产品的刚性

23、抗冲击性的平衡，形成了又一种抗冲击共聚产品系列。由于新技术的采用。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)。 武汉工程大学课程设计 81.6 中国聚丙烯工业中国聚丙烯工业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

24、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。1.7 展望展望1.随着科技发展，对聚丙烯的需求量及品种将会进一步增加。因此，科研人员应开拓聚丙烯的新的应用范围，同时不断开发新品种。2由于催化剂的性能和质量是决定聚丙烯品种和质量的最关键的因素，因此，目前美、日、意和德等国家对催化剂的研究皆特别重视，并取得了很多成果。就活性而言，日本三井油化的 HYHS-高效高立体定向催化剂

25、的活性高达 1 t 聚丙烯s 钛，皆高于其他几家公司的催化剂。我国目前引进的几套大型聚丙烯装置都使用进 1l 的催化剂。所以，加快研制国产的高活性催化剂是摆在我国科研人员面前的一项急迫任务。3要增加聚丙烯品种，提高聚丙烯的质量，扩大应用范围，必须注重开发新型添加荆和改性剂。虽然在这方面已取得不少成果，但仍需继续努力。并要开发更多的新型催化剂。4寻求不造粒新工艺。就造粒工序而言，耗电多，设备昂贵。若能开发出使粉片状壤丙烯存放期延长而不变质的新工艺，省掉造粒工序，则能大大降低成本，提高经济效益，为提高聚丙烯产量，增加品种，创造有利条件。 武汉工程大学课程设计 9第二章第二章 工艺流程设计工艺流程设

26、计2.1 工艺原理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+H2O2NaOH+H2S=Na2S+2H2ONaOH+nH2O=NaOHnH2OT002 为分子筛塔，利用分子筛的吸附原理，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+H2OT703 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

27、。2AsH3+2CuO=2CuAs+2H2O+H22AsH3+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。 链引发CatRCH2CHCatCH2CHR CH3 CH3 链增长 武汉工程大学课程设计 10Cat-CH2CHRnCH2CHCat-CH2CH(CH2CH)nR CH3 CH3 CH3 CH3 链转移 向单体转移Cat-CH2CH(CH2CH)nRCH2CHCat-CH2CH2CH2=C(CH2CH)nR CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 向氢气转移Cat-CH2CH(CH2CH)nRH2Cat-H+CH3CH(CH2CH)nR CH

28、3 CH3 CH3 CH3 向烷基铝转移Cat-CH2CH(CH2CH)nRAl(C2H5)3Cat-C2H5+ CH3 CH3(C2H5)2AlCH3CH(CH2CH)nR CH3 CH3 链终止CatCH2CH(CH2CH)nRCatHCH2C(CH2CH)nR CH3 CH3 CH3 CH32.2 催化剂的选定催化剂的选定配合 Spheripol 工艺，选择第四代超高活性的 CS-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 武汉工程大学课程设计 11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

29、，又大大的降低了生产成本。2.3 生产工艺的选定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

30、、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

31、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。 武汉工程大学课程设计 12表 2-1 几种聚丙烯工艺对比工艺名称工艺特点淤浆法工艺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

32、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；液相本体法（含液相气相组合式）1.系

33、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； 武汉工程大学课程设计 132.4 工艺流程草图工艺流程草图丙烯单体精制配制催化剂小环管反应器中预聚大环管反应器中聚合添加丙烯单体来自丙烯原料罐来自不同催化剂储罐闪蒸罐中进行气固分离粉料进入布袋过滤器丙烯气体进入洗涤塔粉料进入气蒸罐蒸汽进入水洗塔尾气进入尾气回收系统物料进入干燥罐干燥聚丙烯粉料送去造粒底部流出物料进入布袋过滤器废料和尾气进入回收系统图 2-1 工艺流程草图2.5

34、工艺流程概述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1。聚合区分为 000#、100#、200#、3003、500#、600#、700#、制氢站等工段。 武汉工程大学课程设计 142.5.1 聚合区聚合区工艺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

35、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 21 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 D1

36、05 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

37、 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。 武汉工程大学课程设计 15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

38、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、砷等主催化剂“毒素” 。从 T701 系统中的 E701 排出的轻

39、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

40、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 武汉工程大学课程设计 16丙烯由 D301 顶部进入丙

41、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 21 混合而成。气相丙烯中夹带的粉料和 TEAL

42、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

43、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

44、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 武汉工程大学课程设计 17仓 D802，等待造粒。2.5.2 造粒区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

45、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

46、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。 武汉工程大学课程设计 18第三章第三章 物料衡算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

47、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2。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 设计名称设计名称10 万吨/年聚丙烯聚合工段工艺设计3.2 设计条件设计条件3.2.1 全套装置工艺参数全套装置工艺参数生产规模：年产 10 万吨生产时间：年工作时数 7200 小

48、时每吨聚丙烯消耗全额：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% 武汉工程大学课程设计 193.2.2 丙烯进料量丙烯进料量 （按小时计算）（按小时计算）PP 每小时净生产量：100000/7200=13.98t需要 100%丙烯：13.981.02=14.17t则取 14.17t 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：14.17(1-0.5%-0.5

49、%-0.8%)=13.91t按转化率 53%，则需要 100%丙烯进料量为：13.91/0.53=26.25t原料纯度为 99.5%，则原料量为：26.25/0.995=26.38t3.3 催化剂用量催化剂用量.主催化剂（CS-型和 DQ-型）主催活性：2531kgPP/gcat，取 30 kgPP/gcat。则主催用量：13.911000/30=463.67g其它按主催助催 TEAL给电子体 DONOR烃油十脂=0.060.350.0150.35助催 TEAL 用量：(0.35463.67)/0.06=2704.72g给电子体 DONOR 用量：(0.015463.67)/0.06=115.

50、92g烃油十脂：2704.72g则催化剂总量：463.67+2704.72+115.92+2704.72=5989.03g，即 6.00kg3.4 R200 小环管的物料衡算小环管的物料衡算主催化剂去聚合TEAL预聚合DONORD302 丙烯原料图 3-1 R200 物料平衡图 武汉工程大学课程设计 20进料：丙烯进料流量 27003300kg/h，取 3000kg/h主催 463.67g催化剂总量 6.00kg主催化剂：100150gPP/gcat，取 100gPP/gcat则预聚合生成 PP：463.67100=46367g=46.37kg未反应的丙烯：3000-46.37=2953.63

51、kg出料：PP 46.73kg丙烯 2953.63kg催化剂 6.0kg表 3-1 R200 物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量（kg）丙烯3000输入催化剂6.003006.00丙烯2953.63PP46.37输出催化剂6.003006.003.5 氢气用量氢气用量H2消耗定额：0.0090.31kg/tpp,此处取值：0.20kg/tpp则 H2用量：0.2013.91=2.78kg 武汉工程大学课程设计 213.6 R201 大环管反应器的物料衡算大环管反应器的物料衡算R201R200PP46.37kg丙烯 2953.63kg催化剂 6.0kgD302丙烯 23472.74kgPP1

52、4003.19kg丙烯 12376.81kgD301氢气图 3-2 R201 物料平衡图转化率 53%进料：丙烯 26.381000-46.37=25333.63kgPP 46.37kg生成 PP：26333.6353%=13956.82kg出料：PP 13956.82+46.37=14003.19kg丙烯 26.381000-14003.19=12376.81kg表 3-2 R201 物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量（kg）丙烯（R200）2953.63丙烯（D302）23472.74输入PP(R200)46.3726426.37丙烯12376.81输出PP14003.1926426.

53、37 武汉工程大学课程设计 223.7 D301 闪蒸罐的物料衡算闪蒸罐的物料衡算进料：PP 14003.19kg丙烯 12376.81kg D301PP+丙烯丙烯+ PPPP+丙烯R201T301F301图 3-3 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：12376.8190%=11139.13kgPP：14003.1910%=1400.32kgD301 塔底出料为：PP：14003.1990%=12602.87kg丙烯：12376.8110%=1237.68kg表 3-3 D301 物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量

54、（kg）丙烯12376.81输入PP14003.1926380丙烯（D301顶）11139.13PP(D301 顶)1400.32输出丙烯（D3011237.6826380 武汉工程大学课程设计 23底）PP(D301 底）12602.873.8 F301 布袋过滤器的物料衡算布袋过滤器的物料衡算 F301T301D301丙烯+PP丙烯+PP回收T301丙烯D501丙烯+PP图 3-4 F301 物料平衡图D301F301 PP 粉： 12376.81kg 丙烯气：1237.68kgT301F301 丙烯：2860 kg PP 粉：877.456kg进料：则 D301 丙烯：2860+1237

55、.68=4097.68kg F301 T301 PP：12602.87+1400.32=14003.19kgD501 损失丙烯 0.8%：14.1710000.8%=113.36kg则从 F301 顶部出丙烯：4097.68-113.36=3564.494kg出料：F301 顶部（T301）：丙烯气 3984.32kg F301 底部（D501）：PP14003.19kg 丙烯 113.36kg 武汉工程大学课程设计 24表 3-4 F301 物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量（kg）丙烯（D301）1237.68PP(D301)12602.87PP(T301)1400.32输入 丙烯（T

56、301）286018100.87丙烯（F301 底部）113.36回收丙烯（F301 顶部）3984.32输出PP(F301 底)14003.1918100.873.9 T301 循环丙烯洗涤塔的物料衡算循环丙烯洗涤塔的物料衡算T301 的液位 50%，体积 11m3则回流的液相丙烯：110.50.52103=2860kg进料：D301T301 PP 粉：1400.32kg丙烯：11139.13kgF301T301 丙烯：3984.32kg损失丙烯 0.5%，损失 14.1710000.5%=70.85kg/h则回收至 D302 的丙烯 11139.13+3984.32-2860-70.85=

57、12192.6kg小闪线内随回流丙烯到 F301 的 PP 有 1400.32kg 武汉工程大学课程设计 25 T301回收丙烯F301丙烯损失丙烯D301 丙烯图 3-5 T301 物料平衡图表 3-5 T301 物料衡算表物料名称物料质量（kg）总量（kg）丙烯（D301）11139.13PP(D301)1400.32输入丙烯（F301）3984.3216452.92损失丙烯70.85回收丙烯12192.6PP(F301)1400.32输出回流丙烯286016452.923.10 D501 汽蒸罐的物料衡算汽蒸罐的物料衡算S501T501自F301来的聚合物低压蒸气纯净气体D502含3%w

58、t的冷凝水粉末图 3-6 D501 物料平衡图 武汉工程大学课程设计 26进料： PP 14003.19kg，丙烯 113.36kg，水蒸汽：13502.65kg 损失 PP 粉：14.1710000.1%=14.17kg则从 D501D502： PP 粉 14003.19-14.17=13989.02kgPP 粉夹带水分 13989.023%=419.67kgD501T501 PP 粉：14.17kg 丙烯: 113.36kg 水蒸气：13502.6455-419.67=13082.98kg 表 3-6 D501 物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量（kg）PP14003.19丙烯113.

59、3614116.55输入水蒸气13502.6513502.65损失 PP14.17PP 粉13989.02损失丙烯113.3614116.55水蒸气13082.98输出PP 粉夹带水分419.6713502.653.11 T501 水洗塔的物料衡算水洗塔的物料衡算D501T501 PP 粉：14.17kg 丙烯： 113.36kg 水蒸汽：13085.98kg 还有少量的油、HCl 等出料：塔底：PP 粉 14.17kg 武汉工程大学课程设计 27 水蒸汽 13085.98kg 少量 HCl 塔顶：丙烯 113.36kg 进入尾气回收系统 油排至油桶表 3-7 T501 物料平衡表物料名称物料

60、质量（kg）总量（kg）PP 粉14.17丙烯113.36 127.53输入水蒸气13085.9813085.98PP 粉14.17丙烯113.36 127.53输出水蒸气13085.9813085.983.12 D502 干燥塔干燥塔的物料衡算的物料衡算进料：湿 PP 粉 13989.02+419.67=14408.69kg 热氮气 478.42kg出料：塔底：干 PP 粉末 13989.02kg 少量水分 13989.020.02%=2.80kg氮气带走的水分为 419.67-2.80=416.87kg塔顶：湿氮气：478.42+416.87=895.29kg干燥洗涤塔T502粉末D507

61、S502湿氮气自D501来的聚丙烯料仓D801A/B氮气 武汉工程大学课程设计 28图 3-8 D502 物料平衡图表 3-8 D502 物料平衡表物料名称物料质量（kg）总量（kg）湿 PP 粉14408.69输入热氮气478.4214887.11干 PP 粉13989.02水分2.80输出湿氮气895.2914887.113.13 造粒造粒PP 粉 13989.02 损失 0.1%为 13989.020.1%=13.99kg在聚合过程中催化剂和氢气全用来生产成品 PP，损失的忽略不计。得成品 PP 粉：13989.02+2.78+6.0-14.17=13983.81g=13.98t则年生产

62、 PP:13983.637200=kg=100656t故能得到所需的年产量，设计合理。 武汉工程大学课程设计 29第四章第四章 热量衡算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2。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； 武汉工程大学课程设计 30 H进-进入设备或系统各股物料的

63、焓之和，kJ；4.1 计算依据计算依据丙烯聚合热：2172.95kJ/kgPP 表 4-1 水的比热20307080kcal/(kg)0.9990.9971.001.002 表 4-2 液相丙烯比热25506070kcal/(kg)0.6850.8000.8100.910表 4-3 气相丙烯比热50607620kcal/(kg)1.641.6431.6471.633表 4-4 聚丙烯比热207080105kcal/(kg)1.932.232.2462.526表 4-5 丙烯汽化潜热506076kcal/kg2750235017004.2 R200 小环管的热量衡算小环管的热量衡算预聚生成 PP

64、：46.37kg丙烯聚合热：2172.95kJ/kgPP输入热量：20的丙烯带入热量 Q1 =CPmt=30000.6854.220=172620kJPR 的反应热 Q2=2172.9546.37=100759.69kJ输出热量：预聚物带走热量 Q3= CP mt=46.371.9320=1789.88 kJ 武汉工程大学课程设计 31未反应丙烯带走热量 Q4= CPmt=(3000-46.37)0.6854.220=169951.87 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 =2668.20+101541.9

65、5-1789.88=102420.27kJ夹套水进口温度范围是 9.510.5,本设计取 10，出口温度取 15因为 Q=mtC水m水=Q5/（C水t）所以 m水=102420.27/(4.25)=4877.16kg液相本体法聚丙烯聚合釜夹套传热的总传热系数为：K=e-0.809C K总传热系数，W/mk丙烯转化率为零时的传热系数，W/mkC丙烯转化率（C=46.37/3000=0.015）对于碳钢材质的聚合釜 可取 560698W/mk，取 =600/mk 则 K= 600e-0.8090.015）=592.76W/mk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

66、3tm=（t1-t2）/（t1/t2）则t=(20-10)-(20-15) /(20-10)-(20-15)=7.2141W=3.6kJ/h传热面积5A=Q/（Ktm）则 A=Q5/（Ktm）=(102420.27/3.6)/(592.767.21)=6.66m 表 4-6 R200 热量衡算表热量名称热量（kJ）总量（kJ）输入热量20的丙烯带入热量 Q1172620275169.57 武汉工程大学课程设计 32PR 的反应热 Q2100759.69预聚物带走热量 Q31789.88未反应丙烯带走热量 Q4169951.87输出热量冷却水带走的热量为 Q5102420.27275169.57冷却水用量（kg）4877.16夹套传热面积(m)6.664.3 R201 大环管反应器的热量衡算大环管反应器的热量衡算生成 PP：13956.82kg氢气的进料温度为 20，量为 2.78kg进料：PP 46.37kg 丙烯：26333.63kg出料：PP 14003.19kg 丙烯：12376.81kg输入热量：预聚物带入热量 Q1=CPmt=46.372.2370=7238.36kJ丙烯带入