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，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 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 组分 乙烯 丙烯 丙烷 己烷 氢气 氮气 总量/kmol
R
质量/kg 17541.15 83829.65 8402.15 29033.89 117.74 4845.22
摩尔量/kmol 626.47 1995.94 190.96 337.60 58.87 173.04
质量/kg 593.31 14604.66 1718.11 27348 0.3 15.69
L1
摩尔量/kmol 21.19 347.73 39.05 318 0.15 0.56
726.68
D1
质量/kg 16947.84 69224.4 6684.04 1685.6 117.4 4829.15
摩尔/kmol 605.28 1648.20 151.91 19.60 58.70 172.47
3382.88 2656.16
总量/kg 合计
143769.8 143769.8
44280.07
143768.5
99488.43
3.2 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、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
聚合ML控制范围L1+4100℃ 产品ML控制范围ML1+4100℃
乙烯含量（+2.5）wt%
碘值（+2） 充油量（PHR） 挥发份（wt%） 钒含量（ppm） 助催化剂
AM-Cat
主催化剂 二烯烃 HA-STB混合率 AE-STB混合率 AH-STB混合率 聚合温度（℃） 聚合压力（KPa） 主催化剂生产率 Al/V比率 AM/AQ比率 二烯烃转化率（％） T-0201顶（t/h） T-0201底（t/h） T-0202顶（t/h） C-0201循环气（m3/h） E-0203B温度（℃）
V-Cat ENB 20 10 10 45 600 340 6.0 2.0 105 2.0 22.1 7.4 4000 105
氢气容量（Nm3） CH3OH进了量（t/h） 冲洗水进料量（t/h） T-601回流/甲醇量比率 T-702回流/进料比率 E-402蒸汽压（KPa） 树脂温度（℃）
筛孔数 产品形式 包装系统 PTW温度（℃） 空气温度（℃） TK-502空气进料量（m3/h） Z-530-1受压压力（MPa） Z-530-1受压时间（秒） HA-STB混合比率
7.2 1.5 5.0 1.8 0.25-0.3 1200 ≤300 150 25kg/块 压块 60 － － 10 6 －
操作条件 47-55 45+5 56 22 － L.t0.75 L.t15 AQ-Cat
丙烯容量（T）
3.3
项 目
乙烯、丙烯进料比（wt%）
H2/C”2 C”3/C”2 乙烯浓度（％） 丙烯浓度（％） 氢气浓度（％） 乙烯容量（T）
操作条件 56 0.111 3.00 18 54 2.0 0.26
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