年产8.5万吨乙丙橡胶聚合工段工艺设计 精品.doc

年产8.5万吨乙丙橡胶聚合工段工艺设计第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（）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105。 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R020114。（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FI20XX，以150L/h的流量用HPHX对P0202泵进行冲洗15。R0201的操作压力是0.400.70MPa， 操作温度是3555。 （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63.585.1，底部温度93.796.4，操作压力0.116Mpa16。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： 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+A240-316L3V0203顶部累积器1立式圆筒型A-516-60+A240-316L4E0201顶部冷凝器1BFM（卧式）865-5E0202顶部冷却器1BFM（卧式）865-6E0203己烷加热器1BEM（卧式）69.8-7E0204排放气冷凝器1BEM（立式）5-8P0201AB己烷循环泵2离心式3HFN-374壳体：SCPH2转子：SCS13A9P0202AB聚合液加料泵2离心式175/100-400ID壳体：SCS16 转子：SCS1610P0203AB聚合溶液加料泵2离心式150/80-600PD壳体：SCS16转子：SCS1611T0201单体回收塔1蒸馏筛板式里：SA516-60-316LS内件：AISI30412T0202AB单体吸收塔2立式热交换器壳程：A-516-60管程：A-516-6013C0201循环气鼓风机1透平200TCSCS1314C0202循环气压缩机1立式往复式FC3001.2.4 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ML1+4100OC47-55乙烯、丙烯进料比（wt）56产品ML控制范围ML1+4100OC45+5H2/C20.111乙烯含量（+2.5）wt56C3/C23.00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ENBCH3OH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）3480工艺蒸汽（t/h）1.0聚合温度（OC）45E-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（）105PTW温度（OC）60T0201顶（t/h）2.0空气温度（OC）T0201底（t/h）22.1TK-502空气进料量（m3/h）T0202顶（t/h）7.4Z-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）4000Z-530-1受压时间（秒）6E0203B温度（OC）105HA-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MFRC2=含量1/4h1/天1/2h1/8h2压缩机润滑油C0202粘度新油粘度+151/月1/周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）O2H2O总硫99.9vol0.1 vol5 volppm10 volppm1volppm5 volppm5 volppm1 ppm1/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O2H2O总硫99.6vol0.42 vol100volppm10 volppm5 volppm10volppm5 volppm10 volppm5 volppm5 volppm1 volppm1/月1/周3氢气界区氢气甲烷O298wt1.5 wt 5 volppm1/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/月表1-4 原料一览表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122 OCFe2+Fe3+0.3mg/LCl-13mg/L氧耗量4mg/L溶氧量5mg/L可溶固体100mg/L可溶SiO212mg/L总硬度(CaCO3)1mg/LN/L总碱度(CaCO3)0.9mg/LN/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 OCHPDEW1.0 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 OCFe2+Fe3+0.9mg/LCl-40mg/L氧耗量12mg/L可溶固体300mg/L可溶SiO236mg/L总碱度(CaCO3)3mg/LN/L总碱度(CaCO3)2.7mg/LN/L浊度10度PH78.5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+0.5Hz1.5 Hz低压380/220V+7三相五线中性点接地50+0.5Hz1.5 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 volppm5N0.5 Mpa环境温度5 volppm无20 volppm2N0.15 MPa环境温度5 volppm无20 volppm表1-10 仪表空气（无油）表压力0.50.8MPa温度环境温度露点-40 OC（0.6 MPa）油含量无表1-11 装置空气表压力0.50.8MPa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=K1N3D5=3.82612kw故总共率=3kw结 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。附 录附录1 程序：本程序使用VBA语言编程，用来计算闪蒸塔T0202的容积。程序流程图如下：开始输入F，z，p，T估计初值x,y计算Ki=Ki(T，p，x，y)由式（1）迭代由式（2）和（3）计算Xi,Yi比较X和Y的估计值和计算值重新估计X，Y不收敛收敛，输出注： （1）； （2）；（3）附录 2计算机程序：附录 3Sub T0202闪蒸() a = Array(5.87246, 5.9445, 5.99764, 5.9288, 5.99519, 5.04577, 5.6193) b = Array(585, 785.85, 1067.95, 803.81, 1168.72, 71.615, 255.68) c = Array(255, 247, 230.95, 246.99, 224.21, 276.337, 266.55) Dim k(7), p(7) t = Range(d63) Q = Range(d64) For i = 0 To 6 Step 1 p(i) = 10 (a(i) - b(i) / (c(i) + t) k(i) = p(i) / Q Next i For i =