年产8.5万吨乙丙橡胶聚合工段工艺设计.doc

材料化学专业课程设计材料化学专业课程设计 年产年产 8 5 万吨乙丙橡胶聚合工段工艺设计万吨乙丙橡胶聚合工段工艺设计 With an annual output of 85 000 tons of high strength composite Portland cement process design 学 生 学 号09150216 学 生 姓 名 专 业 班 级材化 0902 指 导 教 师 耿树东 完 成 日 期2012 年 12 月 7 日 吉 林 化 工 学 院 Jilin Institute of Chemical Technology 吉林化工学院课程设计 I 摘 要 乙丙橡胶是橡胶制品工业中一项极为重要的原料 以乙烯 丙烯及乙叉降冰 片烯 ENB 为单体共聚而成 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 乙丙橡胶可分为二元乙丙橡胶 三元乙丙橡胶及各种 改性乙丙橡胶 本次设计年产 8 5 万吨乙丙橡胶装置聚合工段的工艺设计 在掌 握生产原理 聚合方法 工艺流程等工作的基础上 进行了物料衡算 热量衡算 设备计算 并且绘制了带控制点的流程图 主要设备的配管图 设备布置图 编 制了设计说明书等工作 关键词 关键词 乙丙橡胶 溶液聚合 工艺设计 吉林化工学院课程设计 II Abstract It was synthetic rubber middle extend prestissi adhesion strain among into that both it was rubber item industry middle one term of great importance raw material with Ethylene propylene cum ethidene norbornylene ENB for monomer copolymer ization whereas succeed that ethylene propylene rubber it possess excellent weatrher resistance heat resisting hardiness be able to bear or endure chemicals non polar sol vent exclusion performance shock elasticity low temperature property low density and high fill gender as well as electrical insulation properties ethylene propylene rub ber separable in two Yuan ethylene propylene rubber ethylene propylene diene copo lymer cum different kinds of modify ethylene propylene rubber This design is a proc essing of producing 85 000 tons of ethylene propylene rubber on the basis of maste ring the works of producing theory the method polymerization and the processing pr ocess etc to conduct material balance heat balance and equipment count meanwhile protract the flow chart with control point tubing chart of major equipments and design the specification and so on Key words Ethylene propylene rubber solution polymerization processing 吉林化工学院课程设计 I 目 录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 第第 1 1 章章 设计说明书设计说明书 1 1 1 1 绪 论 1 1 1 1 设计依据 1 1 1 2 指导思想 1 1 1 3 设计依据及其必要性 1 1 2 生产方法及工艺设计 2 1 2 1 生产方法的论证 2 1 2 2 工艺流程 3 1 2 3 工艺设备选择 5 1 2 4 工艺控制条件 6 1 2 5 生产控制条件 8 1 2 6 公用工程规格 10 第第 2 2 章章 工艺计算工艺计算 1313 2 1 设计基础 13 2 2 物料衡算框图 14 2 3 物料衡算及热量衡算 14 2 3 1 加料量及去单体回收工段的量 14 2 3 2 T0201 物料及热量衡算 16 2 3 3 T0202 物料衡算和热量衡算 19 2 3 4 V0201 物料衡算 22 2 3 5 R0201 物料及热量衡算 24 第第 3 3 章章 设备衡算设备衡算 2929 3 2 R0201 反应器 29 3 2 1 计算依据 29 吉林化工学院课程设计 II 3 2 2 计算反应器的公称直径及高度 29 3 2 3 搅拌功率 29 结结 论论 3131 参考文献参考文献 3232 附附 录录 3333 吉林化工学院课程设计 1 第 1 章 设计说明书 1 1 绪 论 1 1 1 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 论文 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 1 1 2 指导思想 本设计的指导思想主要包括 1 生产过程采用自动控制 机械化操作 2 采用溶液聚合生产技术 确保产品质量高 生产过程安全 3 对于易燃易爆场所 设计采用可靠的控制 报警消防设施 4 厂房 车间 设备布置要严格按土建标准 以保证生产和正常进行及操 作人员的安全 5 设计中按规定达到环保的要求 对生产过程中的化学污水的排放要进行 处理 以保证环保要求 1 1 3 设计依据及其必要性 乙丙橡胶是由乙烯和丙烯作为基础单体聚合形成的无规弹性体共聚物 乙丙 橡胶包括二元乙丙橡胶 EPM 三元乙丙橡胶 EPDM 及各种改性乙丙橡胶 1 乙丙 橡胶因其主链是由化学稳定的饱和烃组成 只在侧链中含有不饱和双键 故其耐 臭氧 耐热 耐候等耐老化性能优异 具有良好的耐化学品 电绝缘性能 冲击 吉林化工学院课程设计 2 弹性 低温性能 低密度和高填充性 耐热水性和耐水蒸汽性等 可广泛用于汽 车部件 建材用防水材料 电线电缆护套 耐热胶管 胶带 汽车密封件及其它 制品等 乙丙橡胶是合成橡胶中发展最快的胶种之一 其生产能力和产耗量已经 居七大合成胶种中的第 3 位 仅次于丁苯橡胶 顺丁橡胶 2 乙丙橡胶主要品种牌号有百余种 根据共聚单体来分 有二元乙丙橡胶 EPM 和三元乙丙橡胶 EPDM 其中 EPDM 第三单体多为乙叉降冰片烯 ENB 双环戊二 烯 DCPD 和 1 4 2 己二烯 1 4 2HD 3 按生产工艺可分溶液法 悬浮法 简化 悬浮法 和气相法 223 从采用的催化体系可分钒系 钛系 铝系和茂系 目前 乙丙橡胶工业化产品仍以钒系 铝系和钛系为主 茂金属乙丙橡胶虽然研究进展 较快 已进入工业化 但产品仍处在应用开发阶段 4 预计今后几年世界对 EPDM 的需求量将以年均 3 4 的速度增加 其中亚太 地区 不包括日本 是需求增长最快的地区 其需求量的年均增长率约是其他地 区的 2 倍 中国需求量的年均增长率将达到 10 5 国内制品市场已逐步规范 对各种牌号的需求大幅度增加 仅吉化公司乙丙 橡胶装置生产能力和品种还不能满足市场需要 新增 1 套 40kt a 的乙丙橡胶装 置已是当务之急 1 2 生产方法及工艺设计 1 2 1 生产方法的论证 1 目前国内外的各种生产方法 1 溶液聚合法 目前溶液聚合法仍是乙丙橡胶的主要工业生产方法 世界绝大数工艺生产仍 在采用 在乙丙橡胶的各种技术路线中 以溶液聚合法的投资和成本最高 9 1 万吨 年的乙丙橡胶装置总投资为 1 882 亿美元 产品成本为 1335 美元 吨 但 溶液法产品综合性能好 硫化速度快 产品应用范围广 是目前国外使用最广泛 的方法 6 2 悬浮聚合法 吉林化工学院课程设计 3 悬浮聚合法投资与成本略低于溶液聚合法 4 5 万吨 年的乙丙橡胶装置总投 资为 0 725 亿美元 产品成本 1196 美元 吨 7 但该工艺产品性能没有突出特点 故目前悬浮聚合法并未使用广泛 3 气相聚合法 气相聚合法的乙丙橡胶装置投资与产品生产成本最低 9 1 万吨 年的乙丙橡 胶装置总投资只有 0 79 亿美元 产品成本为 926 美元 吨 8 其装置投资和产品 成本分别相当于溶液聚合法的 42 和 69 但目前使用气相聚合法制备的乙丙 橡胶通用性较差 产品中含有大量炭黑 橡胶性能尚不能适应所有用途的要求 9 2 本设计采用的生产方法及基本原理 乙丙橡胶聚合反应采用溶液聚合工艺 溶剂为己烷 乙烯 丙稀和二烯烃在齐格勒 纳塔型催化剂作用下 按配位聚合机理进行 共聚合反应 10 使用的主催化剂为三氯氧钒 辅助催化剂为烷基铝 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 可溶于己烷中 11 1 2 2 工艺流程 本设计的主要工艺流程为 1 原料 催化剂和溶剂 乙烯由界区外通过管道送入装置 由 PRC0201 控制压力为 1200KPa 用 FRCQ0203 控制流量后送入乙烯气集管 12 丙烯由界区外由管道送入装置 用 FRCQ0202 控制流量后送入乙烯气集管 氢气由界区外由管道送入装置用 C0201 氢气压缩机 进行压缩 用 PRC0202 控制 C0203 的出口压力为 1200KPa 并用 FRCQ0201 控制流量后送入乙烯 气集管 通过调节计量泵 P0102 P0103 P0104 的冲程 将所需的助催化剂按规定的比例 送入 R0201 中 13 当生产 EPT 时 根据二烯烃单体的种类 用 P0111 或 P0112 将之送入 吉林化工学院课程设计 4 R0201 14 2 聚合反应 当原料 催化剂 溶剂在 R0201 中经充分搅拌后 由 P0101 将主催化剂 V VX Cat 送入 R0201 中 并用 HPHX 以 1 0t h 的流量对 V VX Cat 进行稀释 用 E0205 来的 RHX 提供聚合反应发生所需要的热量 聚合反应开始连续进行 当 R0201 釜中的聚合物溶液符合控制指标时 将聚合液由溢流管线送入 R0202 溢流釜 中 通常将 R0202 的液位 LRCS 202 设定在 40 R0202 种的地方聚合物溶液由聚合流加料泵 P0202 送到 T0201 单体回收塔 中部 为便于 P0202 泵的输送 防止聚合物的粘附 通过 FI2001 以 150L h 的 流量用 HPHX 对 P0202 泵进行冲洗 15 R0201 的操作压力是 0 40 0 70MPa 操作温度是 35 55 3 未反应单体的回收 根据 R0202 的液位 LRC0202 控制进入 T0201 种的聚合溶液的量 在 T0201 塔 中 未反应的单体经闪蒸而从塔的顶部进入 T0202 单体吸收塔 中 为防止闪 蒸气体中夹带有聚合物胶粒 在 T0201 塔的顶部以 2t h 流量的 LPHX 进行喷淋 使夹带的胶粒重又回到塔底 T0201 塔的操作条件是 顶部温度 63 5 85 1 底部温度 93 7 96 4 操作压力 0 116Mpa 16 来自 E0706 的 HX 经 PRCA0204 控制压力为 500KPa 后 进入 E0204B 己烷加 热器 用 PRC0203 控制 7S 的压力为 600KPa E0204A 己烷蒸发器 使己烷汽化 通过 TRC0202 控制蒸汽流量以使己烷蒸汽的温度为 105 EPT 和 160 EPR 汽化后的己烷进入 T0201 底部 作为单体闪蒸的热源 从 T0201 顶部闪蒸出来的未反应单体进入 T0202 单体吸收塔 顶部 在 T0202 塔的顶部同样加入了 LPHX 以 FRC0205 控制其流量 对反应得单体进行吸 收 为了提高 LPHX 中吸收的未反应单体数量使用 250t h 流量的 CCW 对经过 T0202 塔上部的闪蒸气体进行冷却 之后在 T0202 塔的下部再用 ABR 流量通过 TRC0223 控制 对闪蒸气体冷凝 在 T0202 塔的底部 吸收了大量未反应单体的 己烷 用泵 P0204 己烷循环泵 经 E0205 循环己烷加热器 仅开车时用 且 出口温度 TRC0202 不宜超过 60 送往 R0201 的底部 其流量由 T0202 的液位 控制 通常 T0202 的液位 LRC0202 设定为 30 另有一部分循环己烷则与由 P0206 来的含有微量水的己烷一起从 R0201 顶部流入 其作用有两个 吉林化工学院课程设计 5 一是消泡 二是利用己烷中含有的微量水分杀死 R0201 挥发出来气体中含有 的催化剂 避免可能发生的对反应热去除系统的影响 17 4 反应热的去除 聚合反应热通过循环气体和己烷蒸汽的显热和潜热得以去除 来自 R0201 的循环气体 经 E0201 高位冷却器 冷却介质 CCW 和 E0202 高位冷凝器 冷凝介质 ABR 的冷却和冷凝后 进入 V0201 顶部累积器 经冷却和冷凝后的循环气体温度大大下降 而有一部分液化 在 V0201 中的冷 凝液体经过滤后进入 P0201 冷凝液循环泵 通过 FRC0203 将流量控制在 3t h 把冷凝液送入反应釜 R0201 种 V0201 的液位 LRC0201 通常设定在 30 一旦超 高 就启动阀门 加大送往 R0201 的冷凝液体量 V0201 中的不凝气体 使用 C0202 循环气体鼓风机 循环送入 R0201 种 其流量通过 FRC0201 来控制 如果 R0201 的聚合压力超高 就将不凝气体送往火 炬系统烧掉以维持聚合压力的稳定 1 2 3 工艺设备选择 本设计主要工艺设备如下表 1 1 所示 表 1 1 设备一览表 序 号 工艺 位号 设备名称 台 数 型 式材 质 备 注 1R0201 反应器 1 立式圆筒型SA516 70 SB162 衬 2R0202 溢流罐 1 立式圆筒型 A 516 60 A240 316L 3V0203 顶部累积器 1 立式圆筒型 A 516 60 A240 316L 4E0201 顶部冷凝器 1 BFM 卧式 865 5E0202 顶部冷却器 1 BFM 卧式 865 6E0203 己烷加热器 1 BEM 卧式 69 8 吉林化工学院课程设计 6 7E0204 排放气冷凝 器 1 BEM 立式 5 8P0201AB 己烷循环泵 2 离心式 3HFN 374 壳体 SCPH2 转子 SCS13A 9P0202AB 聚合液加料 泵 2 离心式 175 100 400ID 壳体 SCS16 转子 SCS16 10P0203AB 聚合溶液加 料泵 2 离心式 150 80 600PD 壳体 SCS16 转子 SCS16 11T0201 单体回收塔 1 蒸馏筛板式 里 SA516 60 316LS 内件 AISI304 12T0202AB 单体吸收塔 2 立式热交换器 壳程 A 516 60 管程 A 516 60 13C0201 循环气鼓风 机 1 透平 200TC SCS13 14C0202 循环气压缩 机 1 立式往复式 FC300 1 2 4 工艺控制条件 本设计主要工艺控制条件如下表 1 2 所示 表 1 2 4045 牌号的标准操作条件一览表 项 目操作条件项 目操作条件 聚合 ML 控制范围 47 55 乙烯 丙烯进料比 wt 56 吉林化工学院课程设计 7 ML1 4100OC 产品 ML 控制范围 ML1 4100OC 45 5H2 C 20 111 乙烯含量 2 5 wt 56C 3 C 23 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 5 HA STB 混合率 20 冲洗水进料量 t h 5 0 聚合负荷 kg h 3480 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 60 T0201 顶 t h 2 0 空气温度 OC T0201 底 t h 22 1 TK 502 空气进料量 m3 h T0202 顶 t h 7 4 Z 530 1 受压压力 MPa 10 R0201 聚合物浓度 g L s 87 压块温度 OC 60 65 吉林化工学院课程设计 8 C0201 循环气 m3 h 4000 Z 530 1 受压时间 秒 6 E0203B 温度 OC 105 HA STB 混合比率 1 2 5 生产控制条件 本设计主要生产条件及原料如下表 1 3 表 1 4 所示 表 1 3 分析项目一览表 序号样品名称取样地点分析项目控制目标分析频率 1干聚合物T0201 底MFR C2 含量 1 4h 1 天 1 2h 1 8h 2压缩机润滑油C0202粘度新油粘度 15 1 月1 周 吉林化工学院课程设计 9 表 1 4 原料一览表 样品 名称 取样 地点 分析项目控制目标分析频率 1 乙烯界区乙烯 甲烷 乙烷 丙烷 丙 烯 乙炔 氢气 氧化有机物 甲醇 O2 H2O 总硫 99 9vol 0 1 vol 5 volppm 10 volppm 1volppm 5 volppm 5 volppm 1 ppm 1 月1 周 2 丙烯界区丙烷 甲烷 乙烷 丙烷 乙烯 丁烷和丁烯 甲基乙炔 丙二烯 1 3 丁二烯 氢气 甲醇 O2 H2O 总硫 99 6vol 0 42 vol 100volppm 10 volppm 5 volppm 10volppm 5 volppm 10 volppm 5 volppm 5 volppm 1 volppm 1 月1 周 3 氢气界区氢气 甲烷 O2 98wt 1 5 wt 5 volppm 1 月1 周 4 反应 气 R0201 氢气 氮气 甲烷 乙烷 乙烯 丙烷 丙烯 按需 要 1 月 吉林化工学院课程设计 10 1 2 6 公用工程规格 主要公用工程规格如下列表所示 表 1 5 工艺水 过滤水 表 压 力 0 5 0 1MPa 温 度1 22 OC Fe2 Fe3 0 3mg LCl 13mg L 氧耗量 4mg L 溶氧量 5mg L 可溶固体 100mg L 可溶 SiO2 12mg L 总硬度 CaCO3 1mg L N L总碱度 CaCO3 0 9mg L N L 浊度3 度 PH6 5 8 0 表 1 6 脱盐水表 压 力温 度 DEW0 45 0 05MPa20 10 OC HPDEW1 0 MPa20 10 OC 表 1 7 循环冷却水表 压 力 上水 0 45 0 05MPa 下水 0 25 0 05MPa 温 度 上水 31 OC 下水 41 OC Fe2 Fe3 0 9mg LCl 40mg L 吉林化工学院课程设计 11 氧耗量 12mg L 可溶固体 300mg L 可溶 SiO2 36mg L 总碱度 CaCO3 3mg L N L 总碱度 CaCO3 2 7mg L N L浊度10 度 PH 7 8 5污垢热阻 0 0000956m2h OC KJ 表 1 8 电力表 电 压型 式频 率 高压6KV 7 三相三线中性点不接地50 0 5Hz 1 5 Hz 低压380 220V 7 三相五线中性点接地50 0 5Hz 1 5 Hz 表 1 9 氮气表 压 力温 度水含量油含量氧含量 13N1 2 MPa 环境温度 5 volppm 无 20 volppm 5N0 5 Mpa 环境温度 5 volppm 无 20 volppm 2N0 15 MPa 环境温度 5 volppm 无 20 volppm 表 1 10 仪表空气 无油 表 压力0 5 0 8MPa温度环境温度 吉林化工学院课程设计 12 露点 40 OC 0 6 MPa 油含量无 表 1 11 装置空气表 压力0 5 0 8MPa温度环境温度 表 1 12 蒸汽凝液表 压力 0 65 0 05MPa 温度 100 OC 油含量无硬度 2 5mmol L 铁 103时为湍流区 功率曲线呈一水平直线 在全挡板釜时液体不形成漏 斗状旋涡 看不考虑重力影响 此时功率准数为常数 所以 P K1 N3D5 3 82 612 kw 46 1225 260 75 48 53 故总共率 3kw 总 P38 36746 122 吉林化工学院课程设计 31 结结 论论 1 本次设计乙丙橡胶聚合反应采用溶液聚合工艺 溶剂为己烷 乙烯 丙稀和二 烯烃在齐格勒 纳塔型催化剂作用下 按配位聚合机理进行共聚合反应 2 乙丙橡胶各原料消耗量 乙烯 29280 6 t 年 丙稀 21378 8 t 年 ENB 6054 70 t 年 催化剂 12 5 t 年 3 所选设备 1 单体回收塔 T0201 蒸馏筛板式 3 顶部累积器 V0201 立式圆筒型 4 顶部累积器 V0203 立式圆筒型 5 反应器 R0201 立式圆筒型 反应器公称容积应为 387 m3 高 7000mm 半 径 11000mm 吉林化工学院课程设计 32 参考文献参考文献 1 欣然 近两年来我国合成橡胶产量 中国橡胶 J 2004 20 10 5 8 2 杨清芝 现代橡胶工艺学 中国石化出版社 1997 11 4 11 32 3 梁星宇 周木英 橡胶工业手册 第三分册 配方与基社 1992 11 1 26 129 4 贾秀峰 郑梅梅等 塑料加工应用 化学工业出版社 1996 18 2 52 56 5 欣然 近两年来我国合成橡胶产量 中国橡胶 J 2004 20 10 5 8 6 杜颖 三元乙丙橡胶的生产技术现状及发展前景 石化技术 J 2002 9 2 111 114 7 梁诚 新型乙丙橡胶的生产与应用进展 J 化工新型材料 2005 33 2 1 4 8 刘良炎 高分子材料性能与分析 高分子材料科学与工程 1991 11 6 17 9 包林康 乙丙橡胶的基本性能和应用 J 中国橡胶 2005 21 3 24 27 10 孙玉琴 三元乙丙橡胶技术新进展 J 石化技术 1999 6 1 50 53 11 吕玉相 国外乙丙橡胶合成新技术进展 J 弹性体 2003 5 2 30 40 12 君轩 喷霜 世界橡胶工业 2004 31 1 58 60 13 黄文枢 娄诚玉等 合成橡胶工业 1981 30 6 45 52 14 Sanechez I C1Polymer Blends 1New York AcademicPress 1978 11 71 15 Swapan K Bhattacharya A K Anil KB1Morphology and me2chanical properties of silicone2EPDM blends 1Plastics Rub2ber and Composites Processing and Applications 1993 19 2 1171 16 Swapan K Rabin S Anil KB1Study of in2situ compatibilizedblend of silicone and EPDM rubber 1Rubber Chemistryand Technology 1994 67 1 11 91 17 江学良 路国红 蒋涛等 弹性体 中国轻工业出版社 2000 10 4 31 34 吉林化工学院课程设计 33 附附 录录 附录 1 程序 本程序使用 VBA 语言编程 用来计算闪蒸塔 T0202