乙丙橡胶 工艺计算-物料及热量衡算部分

4.1 聚合工段生产工艺示意图

R3F1 R1 E0201D12 E0202V-0202RD11D1 E0204W1F3L1L11L12F2H11R22H12R2H13H14L2R21L3PPE0203AE0203BR41D2R42H31R0201V0201T0201H32T0202弛放点G1R4H3E0205F4L4H2H15H1

图4-1聚合工段生产工艺示意图

4.2 聚合工段工艺过程叙述

该工艺是在既可以溶解产品,又可溶解单体和催化体系的溶剂中进行的均相反应。通常以正己烷为溶剂。采用V-Al催化剂体系,聚合温度为30-60℃,聚合压力为0.4-0.8MPa 。用氢气作分子量调节剂，聚合反应热量由丙烯的蒸发而除去。首先，新鲜的单体和溶剂与回收的乙烯、丙烯及溶剂混合经预冷后，与催化剂一起进入带搅拌的聚合反应釜R0201。从聚合釜出来的反应物打入闪蒸塔T0201，经闪蒸回收，未反应的单体乙烯、丙烯从塔顶出料，再经吸收塔T0202对单体吸收循环使用；聚合物和第三单体从T0201塔釜出料并送至催化剂失活与洗涤工段。

第5章 物料及热量衡算

5.1 计算依据

本设计的基础依据为： （1）年产量： 4万吨。 （2）年工作日：7200小时。 （3）废胶损失率：1％。

（4）乙烯、丙烯、ENB的单程转化率分别为：17.35％、3.02％、83.29％。 （5）乙烯、丙烯、ENB的总转化率分别为：99.9％，98.9％，84.3％。 （6）每小时生产合格胶料量： G=（7）主要原料指标见下表：

表5-1 主要原料一览表

400000005611.67kg/h

(11%)7200原 料 乙烯纯度

丙烯纯度（含丙烷） 指 标

99.9％ 99.5％

（8）乙丙橡胶质量组成：乙烯：丙烯：ENB=52.6:38.2:9.2。 （9）进料中氢气和乙烯的比值：1：10450。

（10）各股物料计算中乙烯、丙烯、乙叉降冰片烯、丙烷、己烷、氢气、氮气、胶料组分数下标分别为1、2、3、4、5、6、7、8。

（11）安托因公式：LogPv=A–B/(t+C) 主要原料的安托因子如表5-2所示：

表5-2 安托因子一览表

安托因子 乙烯 丙烯 丙烷 己烷 氢气 氮气

A 5.87246 5.9445 5.9288 5.99519 5.04577 5.6193

B 585 785.85 803.81 1168.72 71.615 255.68

C 255 247 246.99 224.21 276.337 266.55

使用温度范围℃ -153—91 -112—-32 -108—-25 -25—92 -260—-248 -219—-183

5.2 物料衡算及热量衡算

5.2.1 加料量及去单体回收工段的量

（1）新鲜进料量

某组分进料量=每小时生产的胶料量胶料中该组分的百分含量

该组分总转化率该组分的纯度5611.6752.6%2957.65kg/h

99.9%99.9%2957.65氢气进料量0.28kg/h

104505611.6738.2%2167.50kg/h 丙烯的进料量=

98.9%2167.50199.5%10.89kg/h 丙烷的进料量=

99.5%5611.679.2%613.04kg/h ENB的进料量=

99.99%84.3%乙烯的进料量=

己烷及氮气进料量如表5-3 所示：

表5-3 己烷及氮气进料量表

序号 己烷kg/h 氮气kg/h

H11 400 -

H12 1400 -

H13 400 -

H14 400 -

H15 H2 H31 H32

800 36416.35 -

1

4000 10000 0.2

0.3

（2）去单体回收工段物料量：

各组分回收物料量=新鲜进料量-反应的物料量 乙烯回收物料量=2957.655611.6752.6%5.91kg/h 丙烯回收物料量=2167.505611.6738.25%23.84kg/h 丙烷回收物料量=10.89 kg/h 氢气回收物料量=0.28 kg/h

氮气回收物料量=1+0.2+0.3=1.5 kg/h （3）聚合工段出料量 胶料的量=5611.67kg/h

% =96.25kg/h ENB出料量=ENB进料量×（1-总转化率）=613.041-84.3（4）过程物料平衡表

表5-4 过程物料平衡表 （kg/h）

组分 乙烯 丙烯 丙烷 ENB 己烷 氢气 氮气 胶料 - -

总计 59567.21 42.42

进料 2957.65 2167.50 10.89 613.04 回收 出料

5.91 -

23.84 10.89

-

-

-

53816.35 0.28 1.5

-

0.28 1.5 -

96.25 53816.35 - 5611.67 59524.27

5.2.2 T0201物料及热量衡算 1．计算依据

（1）乙丙橡胶的年产量55000吨/年，即5611.67kg/h （2）T0201进口原料的组成为：

W10.0083，W20.1291，W30.0022，W40.0141，W50.7168，W60.00000377，W70.0002，W80.1294 （3）进料总量L2=

胶料量5611.6743366.85kg/h

胶料质量分数12.94%2．物料衡算

（1）进料中各组分的量及组分数 某组分流量=总流量L2×该组分质量分数

乙烯含量=43366.850.83%=359.94kg/h=12.86kmol/h 丙烯含量=43366.8512.91%=5598.66kg/h=133.30kmol/h ENB含量=43366.850.22%=95.41kg/h=0.80kmol/h 丙烷含量=43366.851.41%611.47kg/h=13.90kmol/h 己烷含量=43366.8571.68%31085.36kg/h=361.46kmol/h 氢气含量=43366.850.000377%0.16kg/h=0.08kmol/h 氮气含量=43366.850.02%=8.67kg/h =0.31kmol/h

己烷进料总量=31085.36+H13+H31+H2=31085.36+400+4000+36416.35

=71901.71kg/h=836.07kmol/h

胶料含量=5611.67kg/h

塔釜的温度为94.2℃,塔顶出料温度为75.4℃,按清析分割法乙烯、丙烯、丙烷、氢气、氮气等清组分全部以气体状态从塔顶出料，塔釜流出液中仅包括部分己烷、胶料和ENB。

（2）T0201塔釜出口物料中各组分的量 ENB含量=ENB进料量=95.41kg/h=0.80kmol/h

己烷含量L3=H1+H2+H3-H14=53416.35kg/h=621.12kmol/h 胶料出料量5611.67kg/h

根据过程物料衡算,进入聚合工段的己烷全部从T-0201塔釜流出。 （3）T0201塔顶出口中各组分的量及组分数 乙烯含量=乙烯进料量=359.94kg/h=12.86kmol/h 丙烯含量=丙烯进料量=5598.32kg/h=133.30kmol/h 丙烷含量=丙烷进料量=611.47kg/h=13.90kmol/h

己烷含量=总进料量-塔釜出料量=18485.36kg/h=214.95kmol/h 氢气含量=0.16 kg/h =0.08 kmol/h 氮气含量=8.67 kg/h =0.31 kmol/h

表5-5 T0201物料平衡表

项目

组分 质量/kg 乙烯 丙烯 ENB 丙烷 己烷 氢气 氮气 胶料 总量 总量 总计 F3 摩尔量/kmol

359.94 12.86 5598.66 133.30 95.41 0.80 611.47 13.90 71901.71 836.07 0.16 0.11 8.67 0.31 5611.67 -

997.32 84187.69 84187.69

D2

质量/kg 摩尔量

/kmol

359.94 12.86 5598.66 133.30

0 0 611.47 13.90 18485.36 214.95 0.22 0.11 8.67 0.31 0 0

375.40 25064.27

L3

质量/kg 摩尔量/kmol 0 0 95.41

0 53416.35

0 0 5611.67

0 0 0.80 0 621.12

0 0 -

621.92 59123.43 84187.70

3．热量衡算

1.计算依据

（1）选择温度为0℃时各组分的焓值为0kJ （2）各物质0-t℃的平均定压热容如表5-6 所示：

表5-6 物质0—t℃的平均定压热容表

物质

Cp/

乙烯

0～75.4℃(g) 44.876

丙稀 65.926 - 100.239 103.873

丙烷 76.170 - 106.335 110.127

己烷 148.06 153.927 194.735 203.255

[kJ/(kmol·K)] 0～105℃(g) -

0～45℃(l)

84.859

0～94.5℃(l) 89.916

2．进料及液化带进热量

（1）F3进料的条件T=45℃，压力P=0.586MPa；带进的热量Q1nicpit

Q1=(12.8684.859133.3100.23913.9106.335361.46194.735)(45-0)

= 3884405.54kJ/h

（2）H2进料条件T=105℃，P=0.122MPa；带进的热量Q2:

Q2nicpit423.45153.927(105-0)6843940.76kJ/h

（3）己烷105℃时的蒸发焓HV26269kJ/kmol，液化放出的热量Q3:

Q3HV(出料液体量进料液体量)26269（423.45214.95）5477086kJ/h （4）H13，H31进料条件T=40℃，P=0.66MPa；带进的热量Q4:

Q451.16194.735400398505.70KJ 3.出料及汽化带出热量

（1）D2出料温度T=75.4℃,P=0.116MPa；带出的热量Q5：

Q5nicpit

(12.8644.876133.365.92613.976.170214.95148.06)75.4

=3185597.75kJ/h

（2）L3出料条件T=94.5℃,P=0.126MPa；从塔釜流出的物料中己烷质量百分含量达90％，带出大部分的热量。胶料和ENB质量百分含量约10％，取带出的热量为溶剂带出热量5％。塔釜出料带走的热量Q6:

Q6621.12203.255(94.5-0)1.0512526134.11kJ/h

（3）T-0201塔内平均温度T2=85℃。丙烯，丙烷，己烷在各自的正常沸点T1的摩尔汽化焓值(ΔHV)1 (kJ/kmol)： 18410，18774。根据下式：

Tr1=T1T1-T ，Tr2=2， (ΔHV)2=(ΔHV)1(r2) （TC表示临界温度）

Tc1-Tr1Tc得T2时的摩尔蒸发焓(ΔHV)2 (kJ/kmol)6036，7159。则汽化带出的热量Q7：

Q7niHv133.3603613.97159880248.2kJ/h （4）进料热量与出料及汽化带出热量之差值：

QQ1Q2Q3Q4Q5-Q6-Q711958.44kJ/h Q 100%0.07%Q进

热量损失率符合设计要求。

5.2.3 T0202物料和热量衡算

1.物料衡算

（1）T0202进口中各组分的量

乙烯、丙烯、丙烷的进料量等于T0201塔顶的出料量，即： 乙烯含量=43366.850.0083359.94kg/h12.86kmol/h 丙烯含量=5598.66kg/h=133.3kmol/h 丙烷含量=611.47kg/h=13.90kmol/h

己烷含量=D2中己烷的含量+H32=214.95+116.28=331.23kmol/h 氢气含量=0.16 kg/h =0.08kmol/h 氮气含量=8.67 kg/h =0.31kmol/h （2）进料各组分的摩尔分数： 公式：

各组分的Zi（i=1,2,3……7）

进料总摩尔量2Z10.02616，ZZ70.00063050.2711，Z30，Z40.02827，Z50.6737，Z60.0001627,由闪蒸程序(见附录)，求得 T=70.2℃，P=586kPa时，汽液分离系数Ψ=0.2449,

液相摩尔总量＝371.27kmol/h,汽相摩尔总量=120.41kmol/h。

T0202塔釜液相各组分的摩尔组成：

X10.004585,X20.1369,X30,X40.01578，XX60.0000055,X70.000020350.8427,T202塔釜汽相各组分的摩尔组成：

Y10.09269，Y20.6849，Y30，Y40.06680，Y50.1525，Y60.00000647，Y70.002512（3）液相出料中各组分的含量:

某组分流量NlXi

乙烯含量=371.270.0045851.70kmol/h=47.60kg/h 丙烯含量=371.270.136950.83kmol/h=2134.86kg/h 丙烷含量=371.270.015785.86kmol/h257.84kg/h 己烷含量=371.270.8427=312.87kmol/h=26906.82kg/h 氢气含量=371.270.00000550.002kmol/h0.004kg/h 氮气含量=371.270.00002030.007kmol/h0.20kg/h （4）气相中各组分的含量:

某组分流量NgYi

乙烯含量=120.410.0926911.16kmol/h=312.46kg/h 丙烯含量=120.410.6849=82.47kmol/h=3463.74kg/h 丙烷含量=120.410.066808.04kmol/h =353.76kg/h 己烷含量=120.410.152518.36kmol/h=1578.96kg/h 氢气含量=120.410.0006470.078kmol/h0.16kg/h 氮气含量=120.410.0025120.30kmol/h=8.40kg/h

表5-7 T0202物料平衡表

项目 D2 R4 L4

组分 质量/kg 摩尔量/kmol 质量/kg 摩尔量/kmol 质量/kg 摩尔量/kmol

C2H4 C3H6 C3H8 HX

359.94 5598.66 611.47 28485.7

12.86 133.3 13.90 331.23 0.08 0. 31 491.68 35064.68 35064.68

312.46 3463.74353.76 1578.96 0.16 8.40

11.16 82.47 8.04 18.36 0.0078 0.30

47.6 2134.86 257.84 26906.80.004 0.20

1.70 50.83 5.86 312.87 0.002 0.07

氢气 0.16 氮气 8.67 总量总量合计

120.34 5717.48

371.33 29347.32

35064.80

2.热量衡算

（1）计算依据

选择温度为0℃时各组分的焓值为0kJ。 （2）各物料的平均定压热容如下表5-8 所示:

表5-8 T0202各物料平均定压热容表

物质

Cp/

乙烯 丙稀 丙烷 75.611 105.976 108.212

己烷 147.014 193.954 198.894

0～70.2℃(g) 44.594 65.496

84.383 99.894

[KJ/(Kmol·K)] 0～40℃(l)

0～70.2℃(l) 87.356 102.038

（3）进料及组分溶解、液化带入的热量

D2进料温度T=75.4℃,P=0.116MPa；带入的热量Q1：

Q1nicpit

(12.8644.876133.365.92613.976.170331.23148.06)75.4

=4483715.58kJ/h

H32进料温度T=40℃,P=0.66MPa；带进的热量为Q2：

10000Q2nicpit(193.954)40902118.84kJ/h

86丙稀、丙烷、己烷在T=73℃的蒸发焓△H5(kJ/kmol)：9061,9995,28756时放出的热量Q3：

Q3niH550.8390615.869995(312.87116.28)287566119569.74 kJ/h

（4）出料带出热量

R4出料温度T=70.2℃，P=0.586MPa；则带出的热量Q5：

Q4nicpit

(11.1644.59482.4765.4968.0475.61118.36147.014)70.2646276.44kJ/h L4出料温度T=70.2℃,P=0.586MPa；则带出的热量Q6：

Q5nicpit = 、

=(1.7087.35650.83102.0385.86108.212312.87198.894)70.2

4787442.44kJ/h

（5）进料带出的热量与出料热量之差

冷凝液带走的热量：

QQ1Q2Q3Q4-Q56071685.28kJ/h 这些热量通过换热冷却循环水带走

5.2.4 V0202物料衡算

1.物料衡算

F4的流量等于L4和H15的混合流，F4又分为R2和R3两股流量，R2:R3=1.5:1；求得

表5-9 物料分配

项目 R2 R3

乙烯 28.56 19.04

丙稀 1280.92 853.94

丙烷 154.70 103.14

己烷 氢气 氮气 0.12 0.08

16624.09 0.0024 11082.73 0.0016

2.各组分进料量 进料量R=R1+R3+R4

乙烯含量=13701.2219.04312.4614032.72kg/h= 501.17kmol/h

丙烯含量=62744.641280.923463.7467062.32kg/h=1596.72kmol/h 丙烷含量=6264.77154.70353.766721.67kg/h=152.77kmol/h 己烷含量=10566.0211082.731578.9623227.71kg/h=270.09kmol/h 氢气含量=94.020.00160.1694.18kg/h=47.09kmol/h 氮气含量=3867.680.088.403876.16kg/h=138.43kmol/h 进料各组分的摩尔分数：

Z10.1852，Z20.5900，Z30，Z40.05645，Z50.09980，Z60.01740,Z70.05115 由程序求得 T=9.5℃，P=586kPa时，汽液分离系数Ψ=0.7852,

液相摩尔总量581.31kmol,汽相摩尔总量＝2124.96kmol。 液相各组分的摩尔组成：

X10.02917,X20.4785，XX70.000771. 汽相各组分的摩尔组成：

30,X40.05374，X50.4376,X60.000208Y10.2279，Y20.0.6205，Y30，Y40.05719，Y50.007373,Y60.02210,Y70.064933.液相中各组分流量

乙烯含量=581.310.0291716.96kmol/h=474.88kg/h 丙烯含量=581.310.4785278.16kmol/h=11682.72kg/h 丙烷含量=581.310.0537431.24kmol/h =1374.56kg/h 己烷含量=581.310.4376254.38kmol/h=21876.68kg/h 氢气含量=581.310.0002080.12kmol/h0.24kg/h 氮气含量=581.310.0007710.45kmol/h12.60kg/h 4.气相中各组分流量

乙烯含量=2124.960.2279484.28kmol/h=13559.84kg/h 丙烯含量=2124.960.62051318.51kmol/h=55378.58kg/h 丙烷含量=2124.960.05719121.53kmol/h=5347.16kg/h 己烷含量=2124.960.00737315.67kmol/h=1347.39kg/h 氢气含量=2124.960.0221046.96kmol/h93.92kg/h

氮气含量=2124.960.06493137.97kmol/h3863.26kg/h 5.物料平衡如表5-10 所示：

表5-10 V0201物料平衡表

项目 组分

质量/kg

R

摩尔量/kmol 质量/kg

L1

摩尔量/kmol 质量/kg

D1 摩

尔

量

/kmol

乙烯 丙烯 丙烷 己烷 氢气 氮气 总

量

14032.72 501.17 67062.32 1596.72 6721.67

152.77

474.88

16.96

13559.84 484.28 55378.58 1318.54 5347.16 93.92 0.332 3863.26

121.53 46.96 0.166 137.97

11682.72 278.16 1374.56

31.24

23227.71 270.09 94.18 3876.16

47.09 138.43

21876.68 254.38 0.24 12.6

0.12 0.45 581.31

2706.27 2124.95

/kmol 总量/kg 合计

115014. 76 115014.76

35421.68

79590.15

115011.83

5.2.5 R0201物料及热量衡算 1.物料衡算

（1）计算依据

W10.0083，W20.1291，W30.0022，W40.0141，W50.7168，W60.00000377，W70.0002，W80.1294 （2）各组分液体出料量

出口物料总量：Rp5611.6743366.85Kg/h

0.1294乙烯含量43366.850.83%359.94Kg12.86Kmol/h丙烯含量5598.66Kg133.3Kmol/h

ENB含量95.41Kg0.80Kmol/h 丙烷含量611.47Kg13.90Kmol/h己烷含量31085.36Kg361.46Kmol/h 氢气的含量＝0.16Kg0.08Kmol/h 氮气的含量＝8.67Kg0.31Kmol/h （3）各组分液相出料量 求液相各组分出料量

X10.02460，XX70.0005931，20.2550，X30.00153，X40.02659，X50.6915，X60.000153， 45℃时586KPa下查得相平衡常数分别为:

K18.28，K22.44，K30，K42.23，K50.074，K6128，K797，

汽相各组分的摩尔分数：

Y10.2037，Y20.6222，Y30，Y40.05930，Y50.05117，Y60.01958,Y70.05753，MF中乙烯的含量胶料中乙烯的量5611.6752.6%17012.90Kg/h607.60Kmol/h乙烯单程转化率17.35%R1中乙烯的含量MF中乙烯含量乙烯反应消耗量塔釜出料中乙烯含量

13701.22Kg/h489.33Kmol/hR1出口物料总量乙烯的含量489.332401.03Kmol/h

乙烯的摩尔分数20.38%丙烯的含量2401.030.62221493.92Kmol/h62744.64Kg/h 丙烷的含量2401.030.05930142.38Kmol/h6264.77Kg/h

ENB的含量=0Kmol

己烷的含量2401.030.05117122.86Kmol/h10566.02Kg/h

氢气的含量=2401.030.0195847.01kmol/h=94.02kg/h 氮气的含量=2401.030.05753138.13kmol/h=3867.68kg/h （4）各组分进料量

进料MF＝R＋R2＋H11+H12+新鲜进料F1-去单体回收单元

乙烯含量=14032.72+28.56+2957.65-5.91=17013.02kg/h=607.61kmol/h 丙烯含量=67062.32+1280.92+2167.50-23.84=70486.91kg/h

=1678.26kmol/h

ENB含量=613.04kg/h=5.11kmol/h

丙烷含量=6721.67+154.70+10.89-10.89=6876.37kg/h=156.28kmol/h 己烷含量=23227.71+16624.09+1800=41651.8kg/h=484.32kmol/h 氢气含量=94.18kg/h=47.09kmol/h

氮气含量=3876.16+0.12=3876.28kg/h=138.44kmol/h 物料平衡如表5-11所示:

表5-11 R0201物料平衡表

项目 MF Rp R1

组分 质量/kg 摩尔量/kmol 质量/kg 摩尔量/kmol 质量/kg 摩尔量/kmol 乙烯 17013.02 丙烯 70486.91 ENB

613.04

607.61 1678.26 5.11

359.94 5598.66 95.41 611.47

12.86 133.3 0.80 13.90

13701.22 62744.64 0

489.33 1493.92 0

丙烷 6876.37 156.28 己烷 41651.80 484.32 氢气 94.18

47.09

6264.77 142.38 10566.02 122.86 94.02

47.01

31085.36 361.46 0.16 8.67

0.08 0.31 5611.67 522.68 43371.34

氮气 3876.28 138.44 胶料 总量 总量 总计

- 3117.11 140611.60 140611.60

3867.68 138.13 -

2433.63 97238.36

140609.7

2.热量衡算

（1）计算依据

选择温度为0℃时各组分的焓值为0 kJ。 （2）各物料的平均定压热容如表5-12所示：

表5-12 物料平均定压热容表

物质 Cp/ [kJ/(km

乙烯

0～9.5℃(g) 41.219 0～42℃(g)

43.155

丙稀 60.357 63.294 97.884 97.563 98.559 100.239

丙烷 68.906 72.720 103.876 103.541 104.591 106.335

己烷 134.473 141.622 189.506 188.815 190.976 194.735

ol·K)] 0～9.5℃(l) 81.614

0～4.4℃(l) 81.174 0～20℃(l) 0～45℃(l)

82.541 84.859

（3）各组分进料带入的热量

新鲜物料进料温度T=20℃，P=0.586Mpa，乙烯、丙稀分别以气体、液体状态进料；带入的热量Q1： Q1nicpit(2957.652167.5043.15598.559)20192896.57kJ/h 2842D12进料温度T=9.5℃,P=0.586MPa；带入的热量Q2：

Q2nicpit

(484.2841.2191318.5460.357121.5368.90615.67134.473)9.5283714.96 kJ/h

H11、H12进料温度T=40℃,P=0.66MPa；带进的热量为Q3：

Q3nicpit(4001400193.954)40162380.09 kJ/h 86L1进料温度T=9.5℃，P=0.586Mpa,带进的热量

Q4(16.9681.64278.1697.88431.24103.876254.38189.506)9.5760604.64KJ（4）各组分出料及汽化带出的热量

丙烯、丙烷、己烷在43℃的蒸发焓分别为12156,12895,30357kJ/kmol。各物质的蒸发量等于R1的出料量与D1进料量及放空量之差。

Q5niH(1493.921318.540.57)12156(142.38121.530.25)12895 (122.86-15.67)303575644594.19 kJ/hR1出料温度T=42.1℃，P=0.586MPa；则带出的热量Q6：

Q6nicpit(489.3343.1551493.9263.294142.3872.720122.86141.622)42.16038266.55kJ/hL2出料温度T=45℃,P=0.586MPa；则带出的热量Q7：

Q7nicpit(12.8684.859133.3100.23913.9106.335361.46194.735)45 741933.23 kJ/h乙烯、丙烯、ENB的聚合热分别为kJ/kmol:95，86，73

Q8niHv

2957.652167.50613.04950008600073000 284212014846030.89kJ/h设搅拌桨脚板过程产生的热量为聚合热的8%；则搅拌热Q9为：

Q91187682.47kJ/h

出料热量与进料热量之差△Q：

QQ1Q2Q3Q4Q8Q9-Q5-Q6-Q75008515.65kJ/h 热量损失能够满足作为设计的富裕量。