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气相法聚乙烯超冷凝工艺的开发

作　者: 楼佳明
导　师: 蒋斌波
学　校: 浙江大学
专　业: 化学工程
关键词: 聚乙烯气相法流化床超冷凝模拟脱挥排放气回收膜分离雾化声发射
分类号: TQ325.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

气相法流化床工艺是生产聚乙烯(Polyethylene, PE)的主流工艺,具有流程简单、投资低、操作灵活、产品范围广等优点,在聚乙烯生产领域具有重要的地位。传统非冷凝态操作由于受循环气体移热能力的限制,流化床时空产率较低。采用冷凝态操作后,因循环气体中含有冷凝液,流化床反应器内的反应热通过流化气体的升温显热和冷凝液体的蒸发潜热共同移除,从而提高流化床反应器的时空收率。但是冷凝态工艺对冷凝液量存在限制,这妨碍了流化床产能的进一步提高。若要进一步增大冷凝液量同时使装置稳定运行,需采用超冷凝工艺。目前超冷凝工艺尚不成熟,提高冷凝液量对于流化床运行以及后续树脂脱挥、排放气回收等工序的影响尚无深入研究,这使得超冷凝工艺未得到推广应用。因此对气相法聚乙烯超冷凝工艺的研究具有重要的意义。本文采用ASPEN流程模拟软件和数学建模的方法,针对气相法聚乙烯工艺聚合反应单元、树脂脱挥单元和排放气回收单元进行模拟计算,并在模拟结果基础上提出工艺改进方案,期望开发一种气相法聚乙烯超冷凝工艺,为工业流程优化和工艺改造提供指导和依据。此外,采用声发射检测技术对液体雾化现象进行研究,提出一种新型的液体雾化状态检测方法。本论文的主要研究内容包括：(1)基于Polymer Plus软件建立气相法聚乙烯超冷凝工艺聚合反应单元模型。模拟研究发现,超冷凝工艺可使流化床时空产率达到干法操作的2.5倍以上,同时在模型基础上提出流化床循环管线改造方案,即通过将循环气压缩机从冷却器入口移动到气液分离器之后的气相流股,能够有效降低压缩机的负荷和功耗,达到节能减排的效果。(2)基于费克扩散定律、亨利定理、质量守恒方程等基本理论建立聚乙烯树脂脱挥单元的脱气仓数学模型,获得脱气仓操作曲线并确定优选操作条件。模拟研究发现,挥发组分出口浓度随氮气流量的增大先迅速减小后趋于稳定；延长停留时间有利于树脂脱挥；在限定组分出口浓度的前提下,停留时间与氮气流量呈反相关；降低脱气仓操作压力可提高脱挥性能；沿床层从上往下挥发组分浓度逐渐降低,床层上部浓度梯度大于下部。研究结果可为工业脱挥单元操作、工艺优化和改造提供指导。(3)基于Aspen Plus软件对气相法聚乙烯装置排放气回收单元进行模拟,并提出三种新型排放气回收单元改造方案。对传统压缩冷凝回收单元进行模拟研究,发现提高压力和降低冷凝温度可以促进排放气组分的回收；基于气体膜分离传质模型,在Aspen Plus中建立气体膜分离模块,同时提出基于气体膜分离的新型排放气回收单元,模拟发现可以提高各组分的回收率；提出基于冷凝液循环回路的新型排放气回收单元,模拟发现可提高乙烯等低沸点组分的回收率；提出基于气体膜分离和冷凝液循环回路相耦合的新型排放气回收单元,模拟发现各烃类组分回收率均达到90%以上,乙烯回收率大幅度提高,同时可将膜分离之后的排放气尾气返回至脱气仓循环使用,有效减少氮气使用量,由此确定该新型回收单元为优选改进方案。(4)采用声发射技术检测液体雾化状态,提出一种液体雾化质量的新型检测方法。实验研究发现,采用声发射技术,结合信号的功率谱分析、小波分解和R/S分析,得到雾化液滴碰撞挡板产生声信号的机理和特征,同时获得液体雾化状态的判据,即根据特征尺度J1尺度能量分率的变化规律判断液体雾化质量。声发射技术可为超冷凝工艺冷凝液雾化质量的评价、雾化喷嘴的设计选型以及工业监测控制提供指导。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-14
第一章绪论  14-16
第二章文献综述  16-50
  2.1 气相法聚乙烯工艺冷凝及超冷凝技术  16-24
    2.1.1 气相法聚乙烯生产工艺概述  16-18
    2.1.2 气相法聚乙烯工艺冷凝态技术  18-20
    2.1.3 气相法聚乙烯工艺超冷凝技术  20-24
  2.2 聚烯烃树脂脱挥工艺  24-28
    2.2.1 聚合物脱挥基本理论  24-25
    2.2.2 气相法聚乙烯工艺树脂脱挥技术  25-27
    2.2.3 树脂脱挥效果的影响因素  27-28
  2.3 排放气回收工艺  28-36
    2.3.1 多组分气体分离技术简介  28-29
    2.3.2 气体膜分离技术机理  29-34
    2.3.3 气相法聚乙烯排放气回收工艺  34-36
  2.4 气液分离技术  36-39
    2.4.1 重力沉降分离  36-37
    2.4.2 惯性分离  37
    2.4.3 过滤分离  37
    2.4.4 离心分离  37-38
    2.4.5 气液分离技术在气相法聚乙烯工艺中的应用  38-39
  2.5 ASPEN过程模拟软件在聚乙烯工业中的应用  39-41
    2.5.1 Aspen Plus  39-40
    2.5.2 Polymer Plus  40-41
    2.5.3 ASPEN软件在聚乙烯工业中的应用  41
  2.6 课题的提出  41-43
  参考文献  43-50
第三章聚合反应单元和脱挥单元的模拟研究  50-66
  3.1 反应单元的模拟与改进  50-55
    3.1.1 模型建立  50-52
    3.1.2 循环气冷剂含量与产率的关系  52-53
    3.1.3 反应单元循环管线的改进  53-55
  3.2 脱挥单元的模拟  55-63
    3.2.1 脱挥单元传质模型的建立  55-57
    3.2.2 脱挥模型的求解  57-58
    3.2.3 模拟结果与讨论  58-63
  3.3 本章小结  63-64
  参考文献  64-66
第四章新型排放气回收单元的模拟研究  66-94
  4.1 传统压缩冷凝回收单元的模拟  67-73
    4.1.1 流程建立  67-69
    4.1.2 压力对压缩冷凝回收单元的影响  69-71
    4.1.3 温度对压缩冷凝回收单元的影响  71-73
  4.2 气体膜分离过程的模拟  73-82
    4.2.1 气体膜分离模型的建立  73-78
    4.2.2 模型参数的求取  78-80
    4.2.3 模型求解与Aspen Plus膜分离模块建立  80-81
    4.2.4 膜分离模块应用  81-82
  4.3 基于气体膜分离的新型排放气回收单元  82-86
    4.3.1 流程建立  82-83
    4.3.2 模拟结果  83-86
  4.4 基于冷凝液循环回路的新型排放气回收单元  86-89
    4.4.1 流程建立  86
    4.4.2 模拟结果  86-89
  4.5 基于气体膜分离与冷凝液循环回路的新型排放气回收单元  89-91
    4.5.1 流程建立  89-90
    4.5.2 模拟结果  90-91
  4.6 本章小结  91-92
  参考文献  92-94
第五章超冷凝工艺关键技术的冷模实验研究  94-106
  5.1 液体雾化状态检测方法  94-95
  5.2 声发射检测雾化状态原理  95
  5.3 实验装置与分析方法  95-97
    5.3.1 实验装置  95-96
    5.3.2 改进的功率谱分析方法  96
    5.3.3 小波分析方法  96-97
    5.3.4 重标极差分析方法  97
  5.4 不同操作条件下液体的雾化状态  97-98
  5.5 声信号与雾化状态的关系  98-103
    5.5.1 声信号的功率谱分析  98-101
    5.5.2 声信号的小波分析  101-103
  5.6 不同轴向距离的声信号与雾化状态  103-104
  5.7 本章小结  104
  参考文献  104-106
第六章结论与展望  106-110
  6.1 结论  106-107
  6.2 展望  107-110
硕士期间科研成果  110

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