异戊橡胶生产车间工艺设计.docx

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异戊橡胶生产车间工艺设计

摘要

本设计从异戊橡胶的发展历程和目前现状入手，参照生产厂的实际情况，根据国家的政策、法规，确定了设计原则：

遵守国家有关法律及法规，立足国内，吃透和消化国外引进的设备和工艺，力求生产技术先进，经济合理，实施可行，安全可靠，防止环境污染，保护生态平衡。

根据设计任务书确定了设计的范围为聚合，干燥工段的工艺设计（初步）；进行了物料平衡计算，得到了物料平衡图；进行了热量衡算，为设备计算奠定基础；对装置组成、生产方法、生产制度进行了合理的确定，确定了合理的工艺参数和操作规程。

聚合工段至后处理工段的物料衡算、聚合过程的热量衡算、聚合工段各种设备的选型，物料流程图、带控制点工艺流程图、聚合釜装配图、平面布置图等计算。

利用物料衡算和热量衡算的数据，进行了专题部分热水罐工艺设计计算。

根据确定的工艺流程和控制方案，绘制出带控制点的工艺流程图；编制了1.0×107千克/年异戊橡胶生产车间工艺设计说明书。

经过最后核算，1.0×107千克/年异戊橡胶生产车间工艺设计符合设计要求，各项参数均已达标。

关键词：

异戊橡胶；聚合釜；工艺设计

Abstract

Thisdesignfromisoprenerubberdeveloppmentcourseandthepresentsituation,accordingtotheactualconditionofthefactoryproduction,accordingtothenationalpolicy,lawsandregulations,determinethedesignprinciple:

abidebytherelevantstatelawsandregulations,basedondomestic,assimilateanddigestionofimportedequipmentandtechnology,andadvancedproductiontechnology,economyreasonable,feasible,safeandreliable,topreventenvironmentalpollution,protectecologicalbalance.

Accordingtothedesigntaskbookidentifiesthedesignrangeofpolymerization,dryingprocessdesign（Preliminary）;choiceofsuspensionpolymerizationpreparationofPVC;materialbalancecalculation,obtainedthematerialbalancediagram;theheatbalancecalculationforequipment,layafoundationforcomposition,device;productionmethod,productionsystemthereasonabledetermination,determinedthereasonableprocessparametersandoperationalprocedures.

Polymerizationsectiontothepost-processingsectionmaterialbalance,heatbalance,polymerizationpolymerizationprocesswithavarietyofequipmentselection,processflowdiagram,processflowmapwiththecontrolpoint,polymerizationkettleassemblydrawing,layoutandcalculation.Usingthematerialbalanceandheatbalancedata,undertookspecialsubjectispartofahotwatertankprocessdesignandcalculation.

Accordingtodeterminetheprocessflowandcontrolplan,drawtakecontroloftheprocessflowdiagram;compiledby10kT/aisoprenerubberproductionworkshopdesignspecification.Afterafinalaccounting,10kT/aisoprenerubberproductionworkshopdesignmeetsthedesignrequirements,allparametersarestandard.

Keywords:

isoprenerubber;hotwatertank;processdesign

第一章总述

1.1综述

1.1.1异戊橡胶的发展史

制约中国橡胶工业发展的重要瓶颈是橡胶，尤其是天然橡胶供应紧张，价格居高不下。

受地理条件的限制，我国天然橡胶生产增速缓慢。

据预测，我国天然橡胶年产量最多可增加70多万吨，难以满足国内橡胶工业高速发展的需求；但合成橡胶产量却随中国石油化工的发展而增加。

合成橡胶主要品种中，我国已能生产丁苯橡胶、顺丁橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等胶种，惟有异戊橡胶的生产仍是个空白；而上述合成橡胶品种均不能完全取代天然橡胶，只有异戊橡胶可以替代天然橡胶。

如何改善橡胶工业重要原料-天然橡胶的"无米之炊"现状，成为业界普遍关注的问题。

我国橡胶年消耗量超过310万吨，居世界首位。

预计到2010年，将超过500万吨，年均增长5.5%以上；2015年将超过600万吨，可保持4%的增速。

为了弥补国内天然橡胶资源的不足，近两年我国每年进口天然胶100万吨以上。

预计今后我国年进口天然胶将超过200万吨，占世界天然胶总资源的20%以上。

另外，从我国轮胎行业的发展来看，国内全钢载重于午胎某些部件所需的异戊橡胶均从俄罗斯引进，进口量已超过1万吨，价格也在逐步攀升。

在初期价格较低时，斜交胎也曾使用过进口异戊橡胶，轮胎生产企业获得了较好效益。

如果异戊橡胶以20%的比例取代天然橡胶，配方工艺无需调整就可以顺利使用，仅以轮胎行业2010年消耗橡胶250万吨计，异戊橡胶消耗量可达50万吨，即可减少50万吨天然橡胶进口量，于国于民都非常有利。

俄罗斯在轮胎生产中50%使用异戊橡胶，如果国内达到这个比例，异戊橡胶的需求量更大。

因此，我国应从战略高度鼓励国内橡胶行业积极开发异戊橡胶，并形成规模化生产。

1.2异戊橡胶的生产有两种流程:

①用齐格勒-纳塔催化剂，以己烷（或丁烷）作溶剂的连续溶液聚合流程。

这一流程首先由美国固特异轮胎和橡胶公司于1963年实现工业化。

过程包括:

催化剂（四氯化钛-三烷基铝或四氯化钛－聚亚胺基铝烷）制备、聚合、脱除催化剂残渣、脱水干燥及成型包装。

在单釜容积为40～50m3的3～6台串联釜中进行聚合。

操作工艺参数为：

单体浓度12%～25%，聚合温度0～50°C，反应时间3～5h，转化率可达80%～90%，所得生胶的门尼粘度为80～90，凝胶含量<1%，异戊橡胶的顺-1,4含量>95%。

②用锂或烷基锂（RLi）为催化剂，以环己烷（或己烷）作溶剂的间歇溶液聚合流程。

该流程最早由美国壳牌公司于1962年采用固特里奇化学公司的专利首先实现工业化，所得异戊橡胶的顺-1,4含量为92%～93%。

因锂系催化剂用量少,转化率高,故流程中可省去单体回收和脱除催化剂残渣工序。

与连续溶液聚合相比，该工艺对原料纯度要求高，聚合条件更需严格控制，所得异戊橡胶的性能稍差。

1974年，中国首次发表了用环烷酸稀土－三异丁基铝-卤化物合成顺-1,4-聚异戊二烯的实验结果，之后进行了催化剂筛选、聚合物结构和性能、以及中间试验开发工作，这种稀土催化剂可在加氢汽油中制得顺-1,4含量高达94%以上的异戊橡胶，是一种有工业化前途的新型催化剂体系。

1.3我国异戊橡胶发展趋势

我国天然橡胶种植面积约为940万亩。

根据农业部有关部门的资料，预计到2010年我国天然橡胶产量最多只能在到50～70万吨之间，而消费量将会达到250万吨/年，因此进口依存度将会达到80%。

我国作为世界最大的天然橡胶和合成橡胶进口国，这样的一种局面将会保持相当长的一段时间。

2010年我国天然橡胶需求量将超过250万吨，这表示我国将在相当长期内，每年都需求进口约180～200万吨天然橡胶，才能满足橡胶工业发展的要求。

如果我国能自产异戊橡胶，就近期来分析，而且只在我国斜交胎、农业轮胎品种方面代替部分天然胶计算，仅这三类轮胎近期就总需求异戊橡胶10.4万吨，占轮胎总耗胶量的11％，也就是可取代10.4万吨天然橡胶。

如进一步扩大用量，使其达到总耗胶量的20％，则每年可有18～19万吨的异戊橡胶市场。

当我国的天然胶中的50％用异戊橡胶代替，我国每年对异戊橡胶的需求也将达到45～55万吨之多。

对国内市场，在将来很长一段时期内，无论是天然橡胶还是异戊橡胶都要靠进口维持供需平衡。

但是，由于异戊橡胶是重要的战略物资，对进口的依存度不容许过高，异戊橡胶的国产化不仅可以填补橡胶市场的空虚，同时也会直接服务于国防事业。

1.4进口市场和竞争现状

目前，占领中国异戊橡胶市场的主要是俄罗斯的异戊橡胶，近年进口量呈现跳跃式增长，2007年进口量9.3万吨；天然橡胶主要来源于东南亚地区，每年进口大约150万吨左右。

2010年，天然橡胶的进口量将超过250万吨/年，每年异戊橡胶或天然橡胶需求量增长5.5%，即每年增加7万吨/年以上。

如果国内异戊橡胶工业化后，在质量相同的情况下，只能通过价格战略进入市场。

1.5价格现状及分析

1997年到2002年受化工市场低迷的影响，异戊橡胶的进口价格呈下降趋势；如图3-1所示，2002年以后异戊橡胶的价格开始回升，到2007年价格涨到2105美元/吨，年上涨率平均为20%以上；2004年到2006年，进口异戊橡胶和天然橡胶的价格总体呈上涨趋势，天然橡胶的进口价格上涨幅度略高于异戊橡胶，在2006年达到一个高峰之后，自2007年开始恢复正常，但是，异戊橡胶的进口价格却是持续上扬。

图3-1近几年来异戊橡胶和天然橡胶进口价格变化趋势图

鉴于我国石油化工发展的现状，国内关于建设异戊橡胶生产装置的呼声越来越高，我国进口天然橡胶逐年增加，进口天然橡胶与国产天然橡胶比例已超过警戒线。

市场需求的增加、天然橡胶发展受限、国际炒家的利用，使得天然橡胶价格逐步攀高。

异戊橡胶生产技术的研发以产生较大的经济效益和更广阔的发展前景为背景。

另外，天然橡胶属于战略资源，而异戊橡胶作为天然橡胶的唯一替代品，在国民经济中占有非常重要的位置，具有社会效益是它的另一个重要背景。

以稀土为催化剂的稀土系异戊橡胶的工艺研发工作在2007年已经开始在部分科研单位继续进行。

在工艺技术和市场前景双重因素下，该产品的研发和市场孕育将会顺利进行。

1.6.国内市场现状分析

1.6.1.供需概况

异戊橡胶，作为国内最后一个实现国产化的合成橡胶胶种，理所当然的成为了近年来国内投资的热点行业。

自2010年，茂名鲁华和青岛伊科思异戊橡胶装置顺利投产，到现在国内6套装置19.5万吨/年的产能，国内异戊橡胶装置平均以每年63%的速度不断扩张，其速度令人咂舌。

以异戊橡胶20%替代天然橡胶计算，2015年国内异戊橡胶的潜在消费能力可达到65万吨左右。

从这个数据来看，国内异戊橡胶产能可全部消化，且可能仍需进口一部分以补充其不足的产能。

但是，通过卓创资讯近年来对异戊橡胶市场的监测数据来看，国内异戊橡胶的消费量始终维持在6-7万吨的水平，远远不及产能扩张的速度。

以2012年为例，国内异戊橡胶的表观需求量为7.2万吨，其中进口量为5.2万吨，国产产量仅为2万吨上下。

与2012年底国内异戊橡胶装置7.5万吨的产能相比，其产能闲置率高达73.3%。

2013年的情况或许更不容乐观。

根据卓创资讯数学模型推算，并进行经验修正，2013年我国异戊橡胶装置产能闲置率可能达到85%以上。

即，从目前实际需求来看，异戊橡胶行业处于一个“供大于求”的局面。

1.6.2.进出口分析

（1）进口来源分析。

我国异戊橡胶进口主要来自周边国家和地区。

2010年我国进口自韩国、日本、中国台湾省、俄罗斯、泰国的顺丁橡胶数量为20.3万吨，占总进口量的77.4%，较2000年的74.4%提高了3个百分点。

但10年内各来源地区变化有所不同。

其中来自韩国、俄罗斯和泰国的进口量快速增加，主要源于其国内产能及开工率的提高，而国内需求基本平稳，增加的产量主要用于出口。

而来自日本和中国台湾省的进口增速则相对较慢，所占比例呈下降趋势。

这主要是两地区的产能变化不大，而需求也基本平稳，开工率提高所增加的产量使得出口增加有限。

此外，来自美国的进口量快速增长。

德国和英国顺丁橡胶对我国的出口增速也在10%以上，但出口数量相对较低，均不足1万吨。

（2）进口贸易方式分析。

我国异戊橡胶进口主要以来进料加工贸易、一般贸易和保税区转储为主，2010年分别占总进口量的46.1%、31.7%和20.4%。

2000年以来，随着国内橡胶制品出口的不断增多，橡胶进口以来进料加工贸易方式的数量不断增加，由2000年的2.3万吨增加到2007年的13.2万吨，所占比例相应由44.4%提升到60.2%。

但是直到2008-2010年，受金融危机及特保案等因素影响，来进料加工方式进口比例快速下降，2009年降至41.8%，2010年又回升到46.1%。

过去10年，一般贸易进口不断增加，由2000年的2.4万吨增加到2010年的8.3万吨，但其在总进口量中所占比例由2000年的45.7%下降到2010年的31.7%。

值得注意的是，近年来保税区转储正成为一种较重要的贸易方式，但其最终流向则需要做进一步的跟踪调研。

2000年这种贸易方式的进口量仅为0.031万吨，所占比例也只有0.6%；而到2010年保税区转储则增加到5.3万吨，所占比例大幅提高到20.4%。

（3）出口趋势分析。

过去10年，我国异戊橡胶出口情况也发生了较大的变化。

从出口数量看，由2000年的3.67万吨（占我国合成橡胶出口总量的57.3%）下降到2007年的1.47万吨（占18.1%）。

近两年出口量又有所回升，2010年为3.06万吨，但占我国合成橡胶出口总量的比例继续下降到12.9%。

从出口目的地来看，我国异戊橡胶主要出口到周边国家和地区。

2010年我国出口的顺丁橡胶中有78%左右出口到香港（估计转口为主）和（16.8%）、越南（12.2%）、泰国（10.2%）、印度（9.8%）、印尼（9.5%）、马来西亚（7.1%）、韩国（6.7%）以及中国台湾省（5.8%）等。

从出口贸易方式来看，2010年主要通过保税区（43.4%）、一般贸易（30.8%）和进料加工贸易（25.6%）几种方式为主。

1.6.3.国内下游用户分析

2010年我国异戊橡胶消费量为88万吨，主要用于制造轮胎及其制品、鞋靴产品、塑料改性、力车胎等行业。

轮胎制造业是异戊橡胶的最大消费用户。

2010年我国轮胎及其制品行业约消耗异戊橡胶61.5万吨，占其总消费量的70%左右。

异戊橡胶由于具有优良的耐磨性、耐屈挠性等，在轮胎中具有其他胶种不可替代的用途，包括：

胎侧胶、载重斜交胎、导向轮胎胎面胶、冬用轮胎胎面胶、子午胎胎圈护胶等。

。

我国轮胎企业众多，生产规模不断扩大，产品结构由斜交胎向子午胎转化、有内胎向无内胎转化，高性能轮胎、绿色轮胎日益增多。

2010年我国轮胎外胎产量约4.2亿条，其中子午线轮胎为3.6亿条，子午化率85.7%。

子午化率较2000年时提高了53.6个百分点。

我国轮胎生产企业主要集中在山东、江苏、浙江、广东等省。

1.7.国内市场展望

“十二五”期间，我国仍处于城市化和重化工业化双加速发展阶段经济仍将以8%～9%的速度增长，汽车工业进入起飞期，汽车需求量及保有量将快速增加。

同时，我国橡胶加工及电子电器制造大国地位在“十二五”期间也不会发生较大的变化，出口仍将对国内异戊橡胶需求产生较大的拉动作用。

1.7.1.橡胶制品出口仍将拉动国内橡胶需求增长。

近年来，我国轮胎等橡胶制品出口量不断增加，除受金融危机影响的2008年、2009年增速较低外，其他年份的出口增速均在20%以上。

尽管2010年受到输美轮胎特保案的影响，出口美国轮胎减少，但我国轮胎总出口量同比增速仍高达21.6%。

“十二五”期间，我国轮胎等橡胶制品出口仍将继续增长，但由于主要出口市场过于集中，美国轮胎特保案、欧盟REACH法规及轮胎标签法规的相继出台及实施，已经或即将对我国轮胎等橡胶制品出口造成一定影响，因此预计未来出口增速将会减慢。

此外，人民币升值、劳动力成本不断上升、产业转移、反倾销等贸易保护主义等因素也将使我国轮胎等橡胶制品出口增速降。

1.7.2.异戊橡胶的供需平衡预测

汽车的轻量化、轮胎的绿色、节能、高性能化发展趋势，对橡胶材料提出了新的要求。

欧盟REACH法规及轮胎标签法规等也将加快橡胶材料的发展。

此外，我国天然橡胶的短缺，也会使得相关合成橡胶替代产品的需求量快速增加。

未来SSBR、稀土顺丁胶、异戊橡胶、卤化丁基胶、热塑性弹性体等产品的应用将不断增加，所占比例将有所提高。

预计“十二五”末，我国异戊橡胶需求量将达130万吨右.2010-2015年年均增速在7%～8%，增速较前10年有所降低。

而到2015年末，我国异戊橡胶产能将达150万吨/年左右，年均增速高达18.6%。

从总量上来看，国内异戊橡胶产能将大于需求，同时由于国内以加工贸易方式进口的异戊橡胶较多，以及高档次产品仍需进口，将导致某些部分国际海域，船用燃料油的硫含量要从目前的4.5%降到3.5%，从2020年起硫含量降至0.5%。

1.7.3异戊橡胶发展方向

鉴于我国石油化工发展的现状，国内关于建设异戊橡胶生产装置的呼声越来越高，我国进口天然橡胶逐年增加，进口天然橡胶与国产天然橡胶比例已超过警戒线。

市场需求的增加、天然橡胶发展受限、国际炒家的利用，使得天然橡胶价格逐步攀高。

异戊橡胶生产技术的研发以产生较大的经济效益和更广阔的发展前景为背景。

另外，天然橡胶属于战略资源，而异戊橡胶作为天然橡胶的唯一替代品，在国民经济中占有非常重要的位置，具有社会效益是它的另一个重要背景。

以稀土为催化剂的稀土系异戊橡胶的工艺研发工作在2007年已经开始在部分科研单位继续进行。

在工艺技术和市场前景双重因素下，该产品的研发和市场孕育将会顺利进行。

1.8.设计原则依据及范围

1.8.1设计原则

本设计按以下原则进行：

（1）遵守国家有关法律及法规；

（2）立足国内，吃透和消化国外引进的设备和工艺；

（3）力求生产技术先进，经济合理，实施可行，安全可靠；

（4）防止环境污染，保护生态平衡。

1.8.2设计依据

（1）依据校发的毕业设计任务书；

（2）参考辽化聚丙烯生产装置技术资料；

（3）原材料，半成品，成品规格，质量指标参照辽化企业标准执行；

（4）设备设计，PI图绘制规范按辽化设计院规范执行。

1.8.3设计范围及深度

（1）设计范围：

本设计包括聚合，分离和干燥工段的设计。

（2）设计深度：

本设计深度为初步设计。

1.9生产规模

1.9.1本装置生产规模

本装置生产规模为1.0×107千克/年异戊橡胶粉末。

1.9.2设计的开工时间

设计运转时间7200小时/年。

1.9.3生产方式

生产方式为连续自动化生产。

1.10装置组成

1.10.1生产工段

该车间主要由聚合工段和后处理工段组成。

聚合工段主要由罐区、计量、聚合、配制、粘度等岗位组成。

后处理主要由混胶、凝聚、干燥、压块、薄膜、纸袋等岗位组成

1.10.2辅助生产设施

包括控制室，配电室，实验室及办公室。

本装置所需的乙烯，丙烯，水，电，蒸汽均由厂区系统管网提供。

第二章生产方法及工艺流程

2.1生产方法及工艺流程选择

异戊橡胶的生产目前存在的工艺主要区别在于催化剂的选择。

钛系异戊橡胶（以钛为基础的催化剂）是目前世界上技术上最成熟的异戊橡胶生产技术，也是生产能力最大的异戊橡胶，国外技术已经很成熟。

传统的锂系异戊橡胶（以锂为基础的催化剂）虽有成本低的优点，但因不能用于轮胎，不适用于我国国情。

稀土异戊橡胶性能和国外钛系异戊橡胶相比已基本接近，并且稀土异戊橡胶是在70年代由中国首先开发的，但是由于多种原因，始终没有实现工业化。

因此，根据中国国情，在原有技术基础之上进行再开发，异戊橡胶的规模生产将会在不久的将来实现。

跟其他合成橡胶的生产工艺相仿，稀土系异戊橡胶的生产工艺主要有以下几部分构成，如图1-1所示。

图1-1稀土异戊橡胶工艺示意图

因此，对异戊橡胶生产工艺的研发重点在于催化剂的研制和聚合条件的摸索，以及合理的配方。

2.1.1单体的供应

作为异戊橡胶单体的异戊二烯，2007年国内产量仅为5～6万吨/年。

如果规模生产异戊橡胶，显然不满足需要。

因此，根据异戊橡胶生产大国俄罗斯的经验，可以采取甲醛和异丁烯合成的办法进行异戊二烯的生产，但是该技术也是对我国实行技术封锁，原料的

不足在一定程度上造成了异戊橡胶发展的缓慢。

但是近几年，随着中国石油、中国石化和中国海洋石油公司在南部沿海以及华东、西南的大型炼油项目的建设，原料在一定时间内可以满足国内10～20万吨/年异戊橡胶的规模生产。

有关科研单位在原料供给基本平衡的

时期内，力争突破异戊二烯单体的生产技术研究屏障，为异戊橡胶的生产做好保障。

2.1.2聚合热的引出

聚合物料经冷却后与引发剂按工艺要求混合后，送入聚合装置（一般由3～6台聚合釜串联组成）进行连续聚合操作。

为了使异戊二烯的转化率达到85％以上，应在聚合过程中逐步提高聚合温度。

聚合釜装有螺带桨叶和刮板式的搅拌器，以保证聚合釜内的全部空间都能得到强烈而均匀的搅拌，并使换热面也得到连续的清理。

刮板式搅拌器与框式和涡轮式搅拌器相比，传热系数可提高1～2倍，并能防止聚合物在换热面上沉积。

聚合反应热一般用低温盐水或丙烷、丙烯通过聚合釜的冷却夹套和内冷却装置导出，也可靠部分溶剂（含单体）蒸发导出。

但在高粘度聚合物溶液中，溶剂蒸发会引起发泡问题。

因此，蒸发的溶剂经冷凝后须再从聚合釜上喷入，以防止发泡。

2.1.3胶液凝聚

工业上采用热水凝聚法，从胶液中分离出橡胶。

为降低蒸汽消耗量及胶粒中残留溶剂和单体含量，常采用双釜或多釜凝聚工艺。

并向温度达到溶剂沸点（或与水的共沸点）以上的热水中导入胶液，这时未反应的单体与溶剂急剧蒸发汽化，而橡胶呈小片颗粒分散在热水里成为淤浆。

含有水蒸汽的蒸发气体，由上部引出进入回收系统。

成为淤浆的颗粒进到另一个凝聚釜中，用蒸汽进一步脱除残留的溶剂。

2.1.4单体及溶剂回收

由于沸点差异明显，使用常压精馏的工艺即可分离异戊二烯和溶剂。

2.1.5后处理

与其他合成橡胶后处理工段基本一致，凝聚的胶粒经振动筛分离出水后，送入螺杆挤压机脱水。

脱水胶粒接着可在膨胀干燥机或多程（或单程）输送式热风干燥机中干燥。

干燥胶粒压块、成型、包装即得成品。

2.2工艺参数的选择

（1）反应器（D201、D202）：

D201反应器：

T=70℃，P=1.0Mp