5万吨年乙丙橡胶装置聚合工段工艺设计

5万吨/年乙丙橡胶装置聚合工段工艺设计学生学号 学生姓名专业班级 指导教师 完成日期摘要乙丙橡胶，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。乙丙橡胶以其优异的性能具有广阔的应用领域。除了传统的汽车工业、防水建材、聚合物改性、油品添加剂、电线电缆、运动场地及各类机械部件等应用领域外，乙丙橡胶还可涉猎于食品包装、抗微生物、绝热阻燃等弹性体制品领域。本次设计年产5万吨乙丙橡胶装置聚合工段的工艺设计,乙丙橡胶聚合反应采用溶液聚合工艺，使用的主催化剂为三氯氧钒，辅助催化剂为烷基铝，溶剂为己烷。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、反应器等设备的相关计算；其中算得E0203己烷加热器的面积为40.27m2，换热器管长为6m，计算反应器R0201的公称直径为5658mm,高度为9053mm，确定了聚合加料泵的扬程为30.12m,以及该泵的轴功率7.5kw,V0201贮罐的总体积37 m3。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。- II -目录摘要IAbstractII第 1 章 设计说明书11.1 绪 论11.1.1 设计依据11.1.2 指导思想11.1.3 设计必要性11.1.4 车间布置21.1.5 厂址的选择21.2 生产方法及工艺设计21.2.1 生产方法的论证21.2.2 工艺流程41.2.3 开车注意事项51.2.4 工艺设备选择6本设计主要工艺设备如下表1-1所示：61.2.5 工艺控制条件71.2.6 生产控制条件71.2.7 公用工程规格81.3 技术经济评价11第 2 章 聚合工段工艺介绍122.1 聚合工段生产工艺示意图122.2 聚合工段工艺过程叙述12第 3 章 物料及热量衡算133.1 计算基础133.2 物料衡算及热量衡算143.2.1 加料量及去单体回收工段的量143.2.2 T0201物料及热量衡算153.2.3 T0202物料和热量衡算183.2.4 V0202物料衡算213.2.5 R0201物料及热量衡算23第 4 章 设备衡算274.1 R0201反应器274.1.1 计算依据274.1.2 计算反应器的公称直径及高度274.1.3 搅拌功率的计算274.2 E0205己烷加热器284.2.1 计算依据284.2.2 初选换热器284.3 聚合加料泵计算314.3.1 计算依据314.3.2 确定泵的扬程324.3.3 计算泵轴功率334.3.4 泵的选型334.4 V0201贮罐334.4.1 计算依据334.4.2 设计计算与选型33结 论34参 考 文 献35附 录36致谢39- 45 -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） 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。1.1.3 设计必要性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EPR分子主链中不含双键，所以呈现出高度的化学稳定性。与天然橡胶、丁苯橡胶等其它通用橡胶相比，乙丙橡胶具有卓越的耐候性、耐臭氧性和耐热老化性,耐化学品性和电绝缘性，因而乙丙橡胶被誉为“无裂纹橡胶”；与硅橡胶、氟橡胶等特种橡胶相比，乙丙橡胶具有较好的物理机械性能和综合性能；此外，乙丙橡胶还具有相对密度小、高充油、高填充性及与多种高聚物有良好的相容性等优点。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)；按生产工艺可分溶液法、悬浮法(简化悬浮法)和气相法。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。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，每年都得大量进口，开发利用前景广阔。中国唯一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。在巨大的市场缺口以及相应的潜在市场驱动下，中国乙丙橡胶投资热潮始终不减，一直是中国化工招商的热点项目之一。所以，现在新增1套50kt/a的乙丙橡胶装置已是当务之急。1.1.4 车间布置本设计车间设备布置，不但能够满足实际生产的需要，同时也考虑了设备的安装以及检修方便，设备布置整齐有序，而且节约空地。设备的布置既要紧凑，又要满足生产工艺和安装要求。生产装置界区，在满足生产工艺和安全生产的基础之上，要尽可能的缩短装卸物料线。依照满足工艺条件的原则，首先确定主设备的位置，其他设备要尽可能围绕在主设备的四周，以便于操作、检修和配管。在厂房的四面，一楼到二楼都应该有楼梯和安全通道，车间内配有必要的放火防爆设施，同时还应该配有简单急救的设施。阀门、仪表等部件离地面的距离应该较近，以便于手工操作和检修。设备区和人行区等应该界区明确，工艺流程安全通畅。1.1.5 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。1.2 生产方法及工艺设计1.2.1 生产方法的论证目前，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%。（1）溶液聚合工艺 溶液聚合工艺的主要优点有:投资低，工艺最佳化。反应器的优化设计可满足反应物料混合的要求，能准确控制聚合反应工艺参数和产品质量，聚合物胶液浓度高而循环溶剂量少，聚合釜体积小但生产强度高，原料和循环单体不需要精制，催化剂效率高，三废中钒含量低，生产弹性大；生产操作费用低，装置年操作时间长，原料和催化剂的消耗低，采用先进控制系统对生产进行控制，技术比较成熟，操作稳定，是工业生产的主要方法；产品质量具有极强的竞争力。工艺灵活性大，产品牌号切换灵活，切换废品量少，产品特性能够按照用户要求进行调整，产品牌号多，门尼值可在20160宽范围内调节，应用范围广泛，产品中催化剂残渣含量低，灰分含量较少，生产中次品少，质量稳定，重复性好，综合性能好，产品规格指标变化幅度窄和产品加工性能优异。不足之处是由于聚合在溶剂中进行，传质传热受到一定的限制，聚合物质量分数一般控制在6%9%，最高仅达11%14%，聚合效率低；由于使用溶剂，需要将其回收精制；后处理时需要从产品中脱出催化剂残渣；生产流程长，设备多，装置固定投资及操作成本较高。（2）悬浮聚合工艺悬浮聚合法生产工艺的特点是生成的聚合物不溶于反应介质丙烯，体系黏度较低，转化率比较高，聚合物的质量分数高达30% 35%，因而同样的设备生产能力却是溶液法的45倍；无溶剂回收精制和凝聚等工序，工艺流程简化，基建投资少；可生产相对分子质量较高的产品品种，产品成本比溶液法低。不足之处是由于不用溶剂，残留催化剂分离比较困难，产品品种牌号少，质量均匀性较差，灰分含量较高，其用途有一定的局限性，主要用于聚烯烃改性；聚合物为不溶于液态丙烯的悬浮粒子，使其保持悬浮状态较困难，尤其当聚合物浓度较高和出现少量凝胶时，反应釜易于挂胶，甚至发生设备管道堵塞现象，产品的电绝缘性能较差。（3）气相聚合工艺与溶液聚合法和悬浮聚合法技术相比，气相聚合法具有工艺流程短、不需要溶剂或稀释剂、几乎无三废排放，有利于生态环境保护，并且可以大幅度降低装置总投资和总生产成本等优点。不足之处是产品中含有大量的炭黑，产品通用性较差，橡胶性能不适应某些用途需要，限制了它的使用范围。目前世界上虽然只有美国联碳公司一家企业采用该方法进行生产，但从长远观点来看，随着其技术的不断完善和优化，该工艺技术发展前景将十分广阔。本设计采用的生产方法是溶液聚合工艺，该生产工艺以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为第三单体，氢气为分子量调节剂。为了提高催化剂的聚合活性及降低其用量，在催化体系中还可以加入促进剂。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。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。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。当生产EPT时，根据二烯烃单体的种类，用P0111或P0112将之送入R0201。（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。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中的聚合溶液的量，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0.116Mpa。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。T0201塔底的聚合物溶液，进入Z0201（过滤器），使凝胶等杂志得以过滤，过滤后的聚合物溶液，根据T0201的液位（LRCA0201设定为50）控制P0203（聚合物进料泵）出口阀LRCV0203的开度，将聚合物溶液送入R0301（失活器）中,（当LRCV0221两侧的压差PDRS0223被启动，说明使用的Z0201过滤器堵塞，需要重新更换）。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。（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 开车注意事项1.检查（1）对所有设备、管道、阀门、管件等进行全面检查、核对。（2）对各种仪表、仪器、调节阀、电动阀进行全面检查、调校、试用。（3）对电器设备、照明等具体送电条件的，送电试运行并进行检查。（4）配备消防器材，并对消防设备进行试用检查。（5）检查所有设备的气密性。2.生产准备情况，落实有关事项（1）确认已完成对设备和管线的吹扫和清洗。（2）确认通信联络系统：调度电话、对讲电话、火警电话及行政电话灵活好用。（3）确认安全设施：泄漏报警系统、火灾报警系统及消防系统、电器防爆系统、静电接地系统等状况良好，处于可操作和可使用状态。（4）确认工艺系统、设备、机器、管路等符合运转要求 。 （5）确认密封油系统已开始运转处于可使用状态。1.2.4 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2V0202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）865-6E0204己烷加热器1BEM（卧式）69.8-7E0203排放气冷凝器1BFM（卧式）865-8P0201AB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200TCSCS131.2.5 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1.2.6 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MFR1/4h1/2h2压缩机润滑油C0202粘度新油粘度15%1/月1/周表1-4 原料一览表样品名称取样地点分析项目控制指标分析频率1乙烯界区乙烯1/月1/周甲烷、乙烷、丙烷、丙烯乙炔氢气氧化有机物（甲醇）氧气水2丙烯界区总硫1/月1/周丙烷甲烷、乙烷、丙烷乙烯丁烷和丁烯甲基乙炔丙二烯1,3-丁二烯3氢气界区氢气1/月1/周甲醇氧气水总硫氢气甲烷4反应气氧气按需要1/月氢气氮气甲烷乙烷乙烯丙烯1.2.7 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,所以故总功率4.2 E0205己烷加热器4.2.1 计算依据(1) 己烷在管内加热，压力0.122MPa，进口温度，出口温度；流量为46500kg/h，则平均温度下的物性为：， (2) 管外用7S加热给己烷逆流加热，进料温度，出口温度为，7S流量32550kg/h，则平均温度下查的物性如下： 4.2.2 初选换热器（1）蒸汽出口温度：逆流平均温差为： 初定采用单壳程，偶数管程的浮头式换热器。由陈敏恒华东理工出版社的化工原理（上册）（第二版）查得修正系数为=0.98初步估计传热系数换热器面积为：由换热器的标准初选BEM400-1.6-43-6/25-2.5型换热器主要参数如下表： 外壳直径：500P/mm管子尺寸 ：公称压强：1.6mPa管长：3m公称面积：44.3m2管数：256管程数：2管心距：25mm管子排列方式：正三角形（2）计算管程压降及给热系数为充分利用水蒸气的热量，取己烷走管程，水蒸气走壳程。管程流通面积：管内己烷流速为：取管壁粗糙度=0.15mm, /d=0.01查图=0.05管程压降：管程给热系数：（3）计算壳程压降及给热系数取折流挡板间距B=0.2m因系正三角形排列，管束中心线的管数壳程流动面积A1为Re500故可以用