1、5 万吨/年乙丙橡胶装置聚合工段工艺设计刘闯，张福胜*（化工与材料工程学院 化学工程与工艺 0908）摘要：乙丙橡胶，统称乙丙弹性体，是仅次于丁苯橡胶和顺丁橡胶的第三大合成橡胶，是以乙烯、丙烯及乙叉降冰片烯(ENB)为单体共聚而成。目前占世界合成橡胶生产能力总量的 10%左右。它具有优异的耐老化、耐热、耐寒、耐化学品（非极性溶剂除外）性能、冲击弹性、低温性能、低密度和高填充性以及电绝缘性能，是合成橡胶中重要的一种。本文对乙丙橡胶合成装置进行了工艺设计，首先从应用角度出发提出了设计依据，对生产方法进行了论证，其中包括原料、聚合实施方法以及各种助剂的选择。在工艺流程的设计方面，主要针对聚合反应釜，
2、单体回收塔，单体吸收吸收塔进行了物料衡算、热量衡算，在此基础上通过分析工艺流程，选择出了工艺设备，确定工艺控制条件、生产控制条件，并且对所设计工艺进行了技术经济评价。并且绘制了反应器的管道布置图、带控制点的流程图、编制了设计说明书等。关键词：乙丙橡胶 溶液聚合 工艺设计引 言乙丙橡胶是橡胶制品工业中一种极为重要的原材料。它是由乙烯、丙烯共聚而得的二元聚合物或由乙烯、丙烯和非共轭二烯烃单体共聚而得的三元共聚物的总称。由于二元乙丙橡胶分子不含双键，不能用硫磺硫化，因而限制了它的应用。在乙丙橡胶商品牌号中，二元乙丙橡胶仅占总数的 10%左右。而三元乙丙橡胶可用硫磺硫化，从而获得了广泛的应用并成为乙丙
3、橡胶的主要品种，在乙丙橡胶商品牌号中占 90%左右。由于乙丙橡胶具有许多其它通用合成橡胶所不具备的优异性能，而且单体价廉、易得，用途广泛，因此成为 20 世纪 80 年代以来世界几大合成橡胶品种中发展最快的一种，目前其产能和消费量仅次于丁苯橡胶和顺丁橡胶而居世界第 3 位。乙丙橡胶的工业化生产工艺主要有溶液聚合法、悬浮聚合法和气相聚合法三种，其中溶液聚合工艺是当今世界上乙丙橡胶生产的主导工艺。目前，世界乙丙橡胶的生产能力总体过剩，但我国的生产能力和产量却不能满足国内实际生产的需求。目前中国唯一家乙丙橡胶生产厂商是中国石油吉林石化公司。2010 年吉林石化新建成的 2.5 万吨/年的乙丙橡胶B
4、线装置投入试生产，使中国乙丙橡胶产能增至 4.5 万吨 /年，但市场供应量仅为 1.93 万吨，表观消费量,23.4 万吨，供需矛盾不断加剧，每年都得大量进口，开发利用前景广阔。1 绪论1.1 指导思想该设计的指导思想主要包括：（1）为了确保产品的质量，生产过程的安全，采用溶液聚合生产技术。（2）生产过程采用机械化操作，自动控制。（3）危险易燃易爆的场所，设计采用可靠的控制，报警消防设施。（4）生产过程中产生的三废要经过处理之后再排放，以保证环保的要求。（5）为了保证生产正常进行和操作人员的安全，厂房、车间、设备布置要严格按土建标准。1.2 设计依据本设计的依据主要包括：（1）吉林化工学院毕业
5、设计任务书。（2） 化工工艺手册等。（3）化学工业部发布的化工工艺设计施工图内容和深度的统一规定 。（4）吉化公司 104 厂乙丙橡胶车间乙丙橡胶装置的操作法。2 生产工艺过程及原理2.1 生产工艺目前，乙丙橡胶的工业化生产工艺主要有三种：溶液聚合法、悬浮聚合法和气相聚合法。其中溶液聚合工艺是当今世界上乙丙橡胶生产的主导工艺，采用此工艺的装置能力约占世界乙丙橡胶总生产能力的 77.2%，悬浮聚合法约占 11.4%，气相法约占 11.4%。本设计采用的是溶液聚合工艺，因为溶液聚合工艺是相对比较传统且比较稳定的工艺，具有投资低，操作稳定，产品牌号多，产品特性能能够按照用户要求来调整等优点。2.2
6、生产原理 本工艺的生产原理是以 Ziegler-Natta 钒-铝催化体系为催化剂，正己烷为溶剂，乙叉降冰片烯(ENB)第三单体，氢气为分子量调节剂。原料在 Ziegler-Natta 催化剂的作用下进行共聚反应。三氯氧钒与烷基铝首先进行反应生成活性中心，由活性中心引发单体进行聚合反应，该活性中心是由钒、铝化合物组成的络合物。3 工艺计算3.1 物料衡算根据乙丙橡胶工艺的生产能力，在掌握聚合配方、原料产品指标的基础上，进行了聚合工段的物料衡算，绘制了物流图，得出物料衡算一览表。储罐 V0202 的物料平衡图如下表 3-1 所示：表 3-1 V0202 物料平衡表项目 R L1 D1组分 质量/
7、kg 摩尔量/kmol 质量/kg 摩尔量/kmol 质量/kg 摩尔/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 27348 318 1685.6 19.60氢气 117.74 58.87 0.3 0.15 117.4 58.70氮气 4845.22 173.04 15.69 0.56 4829.15 17
8、2.47总量/kmol 3382.88 726.68 2656.16总量/kg 143769.8 44280.07 99488.43合计 143769.8 143768.53.2 热量衡算在物料衡算的基础上，对聚合工段的有关换热器、回收塔、吸收塔和聚合釜进行了热量衡算，得出热量平衡表。聚合釜的热量衡算在计算聚合热、冷却显热、搅拌热、大气传热的基础上进行。通过热量衡算得出热量 Q 能够满足作为设计的富余量。3.3 设备计算在物料衡算和热量衡算的基础上，对典型的换热单元设备例如泵、换热器、储罐、聚合釜等进行了设计计算，并且得出了设备一览表。对聚合釜进行了选型；在此基础上确定了换热面积和换热方式；对
9、聚合釜的搅拌器进行了设计计算。4. 厂址的选择该车间应该建在吉林市江北的化工工业区。江北的化工工业区地处松花江畔，位于松花江的下游，水源充足，而且水质优良。这里是中国最早也是最大的化工生产基地，原料充足、便利。同时，紧邻铁路和公路，交通运输方便。该区附近有动力厂、电厂，所需动力供应方便，经济合理。该区附近有大量的空地，日后有扩建的空间。而且，该化工区地处吉林市的东北部，该地区的主导风向为西南风和西北风，所以对市区居民的生活以及附近的工农业的生产均无影响。下游的污水处理厂能将工业污水和生活污水有效的处理，不会对松花江造成污染。所以，在该处建厂，为最佳的位置。5. 工艺设计在掌握了乙丙橡胶合成原理
10、、工艺流程，并进行聚合工段的物料衡算、热量衡算、设备选型计算的基础上，进行了年产5万吨已丙橡胶装置工艺设计，绘制了带控制点的工艺流程图、以及设备布置图和配管图，编制了设计说明书和计算说明书。工艺条件一览表见表5-1，部分设备一览表见表 5-2，部分工艺流程图和布置图见附图。5.1 工艺设备选择表 5-1 工艺条件一览表项 目 操作条件 项 目 操作条件聚合 ML 控制范围 L1+4100 47-55 乙烯、丙烯进料比（wt%） 56产品 ML 控制范围 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 乙烯浓度（
11、） 18充油量（PHR） 丙烯浓度（） 54挥发份（wt% ） L.t0.75 氢气浓度（） 2.0钒含量（ppm） L.t15 乙烯容量（T） 0.26助催化剂AQ-CatAM-Cat丙烯容量（T） 3.3主催化剂 V-Cat 氢气容量（Nm 3） 7.2二烯烃 ENB CH3OH 进了量（t/h） 1.5HA-STB 混合率 20 冲洗水进料量（t/h） 5.0AE-STB 混合率 10 T-601 回流/甲醇量比率 1.8AH-STB 混合率 10 T-702 回流/进料比率 0.25-0.3聚合温度（） 45 E-402 蒸汽压（KPa） 1200聚合压力（KPa） 600 树脂温度（
12、） 300主催化剂生产率 340 筛孔数 150Al/V 比率 6.0 产品形式 25kg/块AM/AQ 比率 2.0 包装系统 压块二烯烃转化率（） 105 PTW 温度（） 60T-0201 顶（t/h） 2.0 空气温度（） T-0201 底（t/h） 22.1 TK-502 空气进料量（m 3/h） T-0202 顶（t/h） 7.4 Z-530-1 受压压力（ MPa） 10C-0201 循环气（m 3/h） 4000 Z-530-1 受压时间（秒） 6E-0203B 温度（ ） 105 HA-STB 混合比率 5.2 生产控制条件表 5-2 牌号的标准操作条件一览表项 目 操作条件
13、 项 目 操作条件聚合 ML 控制范围 ML1+4100OC 47-55 乙烯、丙烯进料比（wt） 56产品 ML 控制范围 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 乙烯浓度（） 18充油量（ PHR） 丙烯浓度（） 54挥发份（wt） L.t0.75 氢气浓度（） 2.0钒含量（ppm） L.t15 乙烯容量（T） 0.26主催化剂 V-Cat 丙烯容量（T） 3.3二烯烃 ENB CH3OH 进了量（t/h） 1.5HA-STB 混合率 20 冲洗水进料量（t/h） 5.0聚合负荷（kg/h） 34
14、80 工艺蒸汽（t/h） 1.0聚合温度（ OC） 45 E-402 蒸汽压（kPa） 1200聚合压力（kPa） 600 树脂温度（ OC） 300主催化剂生产率 340 筛孔数 150二烯烃转化率（） 105 PTW 温度（ OC） 60T0201 顶（t/h ） 2.0 空气温度（ OC） T0201 底（t/h ） 22.1 TK-502 空气进料量（m 3/h） T0202 顶（t/h ） 7.4 Z-530-1 受压压力（MPa） 10R0201 聚合物浓度（g/L-s） 87 压块温度（ OC） 60-65C0201 循环气（ m3/h） 4000 Z-530-1 受压时间（秒）
15、 6E0203B 温度（ OC） 105 HA-STB 混合比率 6 结论本次设计是年产 5 万吨乙丙橡胶装置的工艺设计，以聚合工段为工艺设计的主体。在掌握了乙丙橡胶的聚合原料、原理以及聚合工艺和工艺流程的基础上，对聚合工段进行了物料衡算、热量衡算、设备的计算和选型，绘制了带控制点的工艺流程图、设备布置图和配管图，并且撰写了设计说明书。此次设计，运用了大量的我们在课堂上学到的知识，让我可以提前把专业知识用到实践上来，也发现了自己的不足之处，同时，通过此次设计，我能够更加熟悉的运用 AutoCAD 进行化工制图了，并且掌握了查阅资料和文献的技巧，拓宽了自己的知识面，这些对我以后的工作都会有很大的
16、帮助。参考文献1 曹勇.国内外乙丙橡胶市场供需状况J.当代石油石化,2002,10(4):31-36.2 吕玉相.国外乙丙橡胶合成新技术进展J.弹性体,2003,13(1):47-52.3 李宝莲.世界乙丙橡胶的生产需求概况及其应用J.化工科技,1998,6(2):10-16.4 于力.乙丙橡胶发展战略研究J.弹性体,2005,15(1):1-6.5 包林康.乙丙橡胶基本性能和应用J.橡塑技术与装备,2006,32(10):32-36.6 董颖,郭春红 ,杜娟,张洪凯,程佳.乙丙橡胶生产、供需和技术概况及价格分析50,000 tons / year ethylene-propylene rub
17、ber polymer devices section Process DesignLiu Chuang Zhang Fusheng*(Class-0908, chemical engineering and technology, Chemical and Materials Engineering College)EPDM, generally called ethylene-propylene elastomer, and norbornene (ENB) as the monomer copolymerized with ethylene, propylene is the third
18、 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 excellent resistance to aging, heat, cold, resistance to chemicals (except non-polar solvent) flexibility, low temperature, low-density and high f
19、illing and electrical insulation performance, It is a kind of synthetic rubber. This article is about Ethylene-Propylene Diene Monomer Rubber plant design. It describes the necessity to build EPDM plant from the aspect of market, discuss the selection of plant location. In process technology selecti
20、on and process design part, it discuss different process from the field of raw material, solution polymerization, chemicals etc., define process flow diagram, equipment, 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
