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1、5萬噸/年乙丙橡膠裝置聚合工段工藝設(shè)計 劉闖，張福勝* （化工與材料工程學院 化學工程與工藝0908） 摘要：乙丙橡膠，統(tǒng)稱乙丙彈性體，是僅次于丁苯橡膠和順丁橡膠的第三大合成橡膠，是以乙烯、丙烯及乙叉降冰片烯(ENB)為單體共聚而成。目前占世界合成橡膠生產(chǎn)能力總量的10%左右。它具有優(yōu)異的耐老化、耐熱、耐寒、耐化學品（非極性溶劑除外）性能、沖擊彈性、低溫性能、低密度和高填充性以及電絕緣性能，是合成橡膠中重要的一種。本文對乙丙橡膠合成裝置進行了工藝設(shè)計，首先從應(yīng)用角度出發(fā)提出了設(shè)計依據(jù)，對生產(chǎn)方法進行了論證，其中包括原料、聚合實施方法以及各種助劑的選擇。在工藝流程的設(shè)計方面，主要針對

2、聚合反應(yīng)釜，單體回收塔，單體吸收吸收塔進行了物料衡算、熱量衡算，在此基礎(chǔ)上通過分析工藝流程，選擇出了工藝設(shè)備，確定工藝控制條件、生產(chǎn)控制條件，并且對所設(shè)計工藝進行了技術(shù)經(jīng)濟評價。并且繪制了反應(yīng)器的管道布置圖、帶控制點的流程圖、編制了設(shè)計說明書等。 關(guān)鍵詞：乙丙橡膠 溶液聚合 工藝設(shè)計 引 言 乙丙橡膠是橡膠制品工業(yè)中一種極為重要的原材料。它是由乙烯、丙烯共聚而得的二元聚合物或由乙烯、丙烯和非共軛二烯烴單體共聚而得的三元共聚物的總稱。由于二元乙丙橡膠分子不含雙鍵，不能用硫磺硫化，因而限制了它的應(yīng)用。在乙丙橡膠商品牌號中，二元乙丙橡膠僅占總數(shù)的10%左右。而三元乙丙橡膠可用硫磺

3、硫化，從而獲得了廣泛的應(yīng)用并成為乙丙橡膠的主要品種，在乙丙橡膠商品牌號中占90%左右。 由于乙丙橡膠具有許多其它通用合成橡膠所不具備的優(yōu)異性能，而且單體價廉、易得，用途廣泛，因此成為20世紀80年代以來世界幾大合成橡膠品種中發(fā)展最快的一種，目前其產(chǎn)能和消費量僅次于丁苯橡膠和順丁橡膠而居世界第3位。 乙丙橡膠的工業(yè)化生產(chǎn)工藝主要有溶液聚合法、懸浮聚合法和氣相聚合法三種，其中溶液聚合工藝是當今世界上乙丙橡膠生產(chǎn)的主導工藝。目前，世界乙丙橡膠的生產(chǎn)能力總體過剩，但我國的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量卻不能滿足國內(nèi)實際生產(chǎn)的需求。目前中國唯一家乙丙橡膠生產(chǎn)廠商是中國石油吉林石化公司。2010年吉林石化新建成的2.

4、5萬噸/年的乙丙橡膠B線裝置投入試生產(chǎn)，使中國乙丙橡膠產(chǎn)能增至4.5萬噸/年，但市場供應(yīng)量僅為1.93萬噸，表觀消費量,23.4萬噸，供需矛盾不斷加劇，每年都得大量進口，開發(fā)利用前景廣闊。 1 緒論 1.1 指導思想 該設(shè)計的指導思想主要包括： （1）為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)過程的安全，采用溶液聚合生產(chǎn)技術(shù)。 （2）生產(chǎn)過程采用機械化操作，自動控制。 （3）危險易燃易爆的場所，設(shè)計采用可靠的控制，報警消防設(shè)施。 （4）生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的三廢要經(jīng)過處理之后再排放，以保證環(huán)保的要求。 （5）為了保證生產(chǎn)正常進行和操作人員的安全，廠房、車間、設(shè)備布置要嚴格按土建標準。 1.2 設(shè)

5、計依據(jù) 本設(shè)計的依據(jù)主要包括： （1）吉林化工學院畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書。 （2）《化工工藝手冊》等。 （3）化學工業(yè)部發(fā)布的《化工工藝設(shè)計施工圖內(nèi)容和深度的統(tǒng)一規(guī)定》。 （4）吉化公司104廠乙丙橡膠車間乙丙橡膠裝置的操作法。 2 生產(chǎn)工藝過程及原理 2.1 生產(chǎn)工藝 目前，乙丙橡膠的工業(yè)化生產(chǎn)工藝主要有三種：溶液聚合法、懸浮聚合法和氣相聚合法。其中溶液聚合工藝是當今世界上乙丙橡膠生產(chǎn)的主導工藝，采用此工藝的裝置能力約占世界乙丙橡膠總生產(chǎn)能力的77.2%，懸浮聚合法約占11.4%，氣相法約占11.4%。 本設(shè)計采用的是溶液聚合工藝，因為溶液聚合工藝是相對比較傳統(tǒng)且比較穩(wěn)定的工藝

6、，具有投資低，操作穩(wěn)定，產(chǎn)品牌號多，產(chǎn)品特性能能夠按照用戶要求來調(diào)整等優(yōu)點。 2.2 生產(chǎn)原理 本工藝的生產(chǎn)原理是以Ziegler-Natta釩-鋁催化體系為催化劑，正己烷為溶劑，乙叉降冰片烯(ENB)第三單體，氫氣為分子量調(diào)節(jié)劑。原料在Ziegler-Natta催化劑的作用下進行共聚反應(yīng)。三氯氧釩與烷基鋁首先進行反應(yīng)生成活性中心，由活性中心引發(fā)單體進行聚合反應(yīng)，該活性中心是由釩、鋁化合物組成的絡(luò)合物。 3 工藝計算 3.1 物料衡算 根據(jù)乙丙橡膠工藝的生產(chǎn)能力，在掌握聚合配方、原料產(chǎn)品指標的基礎(chǔ)上，進行了聚合工段的物料衡算，繪制了物流圖，得出物料衡算一覽表。 儲罐V020

7、2的物料平衡圖如下表3-1所示： 表3-1 V0202物料平衡表 項目 R L1 D1 組分 質(zhì)量/kg 摩爾量/kmol 質(zhì)量/kg 摩爾量/kmol 質(zhì)量/kg 摩爾/kmol 乙烯 17541.15 626.47 593.31 21.19 16947.84 605.28 丙烯 83829.65 1995.94 14604.66 347.73 69224.4 1648.20 丙烷 8402.15 190.96 1718.11 39.05 6684.04 151.91 己烷 29033.89 337.60 273

8、48 318 1685.6 19.60 氫氣 117.74 58.87 0.3 0.15 117.4 58.70 氮氣 4845.22 173.04 15.69 0.56 4829.15 172.47 總量/kmol 3382.88 726.68 2656.16 總量/kg 143769.8 44280.07 99488.43 合計 143769.8 143768.5 3.2 熱量衡算 在物料衡算的基礎(chǔ)上，對聚合工段的有關(guān)換熱器、回收塔、吸收塔和聚合釜進行了熱量衡算，得出熱量

9、平衡表。聚合釜的熱量衡算在計算聚合熱、冷卻顯熱、攪拌熱、大氣傳熱的基礎(chǔ)上進行。通過熱量衡算得出熱量Q能夠滿足作為設(shè)計的富余量。 3.3 設(shè)備計算 在物料衡算和熱量衡算的基礎(chǔ)上，對典型的換熱單元設(shè)備例如泵、換熱器、儲罐、聚合釜等進行了設(shè)計計算，并且得出了設(shè)備一覽表。對聚合釜進行了選型；在此基礎(chǔ)上確定了換熱面積和換熱方式；對聚合釜的攪拌器進行了設(shè)計計算。 4. 廠址的選擇 該車間應(yīng)該建在吉林市江北的化工工業(yè)區(qū)。江北的化工工業(yè)區(qū)地處松花江畔，位于松花江的下游，水源充足，而且水質(zhì)優(yōu)良。這里是中國最早也是最大的化工生產(chǎn)基地，原料充足、便利。同時，緊鄰鐵路和公路，交通運輸方便。該區(qū)附近有動力廠、

10、電廠，所需動力供應(yīng)方便，經(jīng)濟合理。該區(qū)附近有大量的空地，日后有擴建的空間。而且，該化工區(qū)地處吉林市的東北部，該地區(qū)的主導風向為西南風和西北風，所以對市區(qū)居民的生活以及附近的工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)均無影響。下游的污水處理廠能將工業(yè)污水和生活污水有效的處理，不會對松花江造成污染。所以，在該處建廠，為最佳的位置。 5. 工藝設(shè)計 在掌握了乙丙橡膠合成原理、工藝流程，并進行聚合工段的物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型計算的基礎(chǔ)上，進行了年產(chǎn)5萬噸已丙橡膠裝置工藝設(shè)計，繪制了帶控制點的工藝流程圖、以及設(shè)備布置圖和配管圖，編制了設(shè)計說明書和計算說明書。工藝條件一覽表見表5-1，部分設(shè)備一覽表見表5-2，部分工藝流程圖

11、和布置圖見附圖。 5.1 工藝設(shè)備選擇 表5-1工藝條件一覽表 項 目 操作條件 項 目 操作條件 聚合ML控制范圍L1+4100℃ 47-55 乙烯、丙烯進料比（wt%） 56 產(chǎn)品ML控制范圍ML1+4100℃ 45+5 H2/C”2 0.111 乙烯含量（+2.5）wt% 56 C”3/C”2 3.00 碘值（+2） 22 乙烯濃度（％） 18 充油量（PHR） － 丙烯濃度（％） 54 揮發(fā)份（wt%） L.t0.75 氫氣濃度（％） 2.0 釩含量（ppm） L.t15 乙烯容量（T） 0.26 助催化劑

12、 AQ-Cat AM-Cat 丙烯容量（T） 3.3 主催化劑 V-Cat 氫氣容量（Nm3） 7.2 二烯烴 ENB CH3OH進了量（t/h） 1.5 HA-STB混合率 20 沖洗水進料量（t/h） 5.0 AE-STB混合率 10 T-601回流/甲醇量比率 1.8 AH-STB混合率 10 T-702回流/進料比率 0.25-0.3 聚合溫度（℃） 45 E-402蒸汽壓（KPa） 1200 聚合壓力（KPa） 600 樹脂溫度（℃） ≤300 主催化劑生產(chǎn)率 340 篩孔數(shù) 150 Al/V比率 6.0 產(chǎn)

13、品形式 25kg/塊 AM/AQ比率 2.0 包裝系統(tǒng) 壓塊 二烯烴轉(zhuǎn)化率（％） 105 PTW溫度（℃） 60 T-0201頂（t/h） 2.0 空氣溫度（℃） － T-0201底（t/h） 22.1 TK-502空氣進料量（m3/h） － T-0202頂（t/h） 7.4 Z-530-1受壓壓力（MPa） 10 C-0201循環(huán)氣（m3/h） 4000 Z-530-1受壓時間（秒） 6 E-0203B溫度（℃） 105 HA-STB混合比率 － 5.2 生產(chǎn)控制條件 表5-2牌號的標準操作條件一覽表 項 目 操作條件

14、 項 目 操作條件 聚合ML控制范圍ML1+4100OC 47-55 乙烯、丙烯進料比（wt％） 56 產(chǎn)品ML控制范圍ML1+4100OC 45+5 H2/C〞2 0.111 乙烯含量（+2.5）wt％ 56 C〞3/C〞2 3.00 碘值（+2） 22 乙烯濃度（％） 18 充油量（PHR） － 丙烯濃度（％） 54 揮發(fā)份（wt％） L.t0.75 氫氣濃度（％） 2.0 釩含量（ppm） L.t15 乙烯容量（T） 0.26 主催化劑 V-Cat 丙烯容量（T） 3.3 二烯烴 ENB CH3OH進了量（t/

15、h） 1.5 HA-STB混合率 20 沖洗水進料量（t/h） 5.0 聚合負荷（kg/h） 3480 工藝蒸汽（t/h） 1.0 聚合溫度（OC） 45 E-402蒸汽壓（kPa） 1200 聚合壓力（kPa） 600 樹脂溫度（OC） ≤300 主催化劑生產(chǎn)率 340 篩孔數(shù) 150 二烯烴轉(zhuǎn)化率（％） 105 PTW溫度（OC） 60 T0201頂（t/h） 2.0 空氣溫度（OC） － T0201底（t/h） 22.1 TK-502空氣進料量（m3/h） － T0202頂（t/h） 7.4 Z-530-1受壓壓力（

16、MPa） 10 R0201聚合物濃度（g/L-s） 87 壓塊溫度（OC） 60-65 C0201循環(huán)氣（m3/h） 4000 Z-530-1受壓時間（秒） 6 E0203B溫度（OC） 105 HA-STB混合比率 － 6 結(jié)論 本次設(shè)計是年產(chǎn)5萬噸乙丙橡膠裝置的工藝設(shè)計，以聚合工段為工藝設(shè)計的主體。在掌握了乙丙橡膠的聚合原料、原理以及聚合工藝和工藝流程的基礎(chǔ)上，對聚合工段進行了物料衡算、熱量衡算、設(shè)備的計算和選型，繪制了帶控制點的工藝流程圖、設(shè)備布置圖和配管圖，并且撰寫了設(shè)計說明書。此次設(shè)計，運用了大量的我們在課堂上學到的知識，讓我可以提前把專業(yè)知識用到實踐

17、上來，也發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，同時，通過此次設(shè)計，我能夠更加熟悉的運用AutoCAD進行化工制圖了，并且掌握了查閱資料和文獻的技巧，拓寬了自己的知識面，這些對我以后的工作都會有很大的幫助。 參考文獻 [1] 曹勇.國內(nèi)外乙丙橡膠市場供需狀況[J].當代石油石化,2002,10(4):31-36. [2] 呂玉相.國外乙丙橡膠合成新技術(shù)進展[J].彈性體,2003,13(1):47-52. [3] 李寶蓮.世界乙丙橡膠的生產(chǎn)需求概況及其應(yīng)用[J].化工科技,1998,6(2):10-16. [4] 于力.乙丙橡膠發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].彈性體,2005,15(1):1-6. [5

18、] 包林康.乙丙橡膠基本性能和應(yīng)用[J].橡塑技術(shù)與裝備,2006,32(10):32-36. [6] 董穎,郭春紅,杜娟,張洪凱,程佳.乙丙橡膠生產(chǎn)、供需和技術(shù)概況及價格分析 50,000 tons / year ethylene-propylene rubber polymer devices section Process Design Liu Chuang Zhang Fusheng* (Class-0908, chemical engineering and technology, Chemical and Materials Engineering College)

19、EPDM, generally called ethylene-propylene elastomer, and norbornene (ENB) as the monomer copolymerized with ethylene, propylene is the third major SR after SBR and BR. At present the production capacity of EPDM accounts for about 10% of the total production capacity of SR in the world. It has excell

20、ent resistance to aging, heat, cold, resistance to chemicals (except non-polar solvent) flexibility, low temperature, low-density and high filling and electrical insulation performance, It is a kind of synthetic rubber. This article is about Ethylene-Propylene Diene Monomer Rubber plant design. It d

21、escribes the necessity to build EPDM plant from the aspect of market, discuss the selection of plant location. In process technology selection and process design part, it discuss different process from the field of raw material, solution polymerization, chemicals etc., define process flow diagram, e

22、quipment, process control scheme. To have a complete design, material balance calculation, heat balance calculation and equipment design about polymerization unit are mainly mentioned in the artice and equipment layout drawing and piping layout drawing are also prepared. Key words: Ethylene-propylene rubber; solution polymerization processin