乙丙橡胶生产工艺及其技术经济分析

来源:用户上传      作者: 邓立鹏

　　摘要：乙丙橡胶是一种应用非常广泛的弹性体，它的优异的物理和化学特性使得它被广泛地应用于汽车、建筑、农业等诸多领域。本文介绍了乙丙橡胶的生产工艺、过程控制几个方面。生产工艺重点讨论了齐格勒-纳塔和茂金属两种催化剂以及生产乙丙橡胶的三种工艺流程。过程控制重点讨论模型预估控制(MPC)和在乙丙橡胶生产过程中的应用以及发展趋势。
　　关键词：乙丙橡胶生产工艺反应机理过程控制
　　
　　乙丙橡胶(EPM)和乙丙三元橡胶(EPDM)(以下统称为乙丙橡胶)是利用齐格勒-纳塔(Ziegler-Natta)或茂金属(Metallocente)配位催化剂生产的乙烯和丙烯或乙烯、丙烯和非共轭双烯聚合生成的共聚物。由于具有其他橡胶不具备的非常好的伸展性和很强的耐严寒、耐臭氧、耐油、耐化学腐蚀能力，乙丙橡胶被广泛应用在汽车工业、建筑、农业等诸多领域作为汽车轮胎、散热器水管、保险杠、密封件以及屋顶防水涂层、农用水管、电缆、橡胶改性的添加剂等等。
　　一、乙丙橡胶的生产工艺
　　乙丙橡胶生产的原料除乙烯和丙烯外还有双烯单体。双烯单体随只占不到乙丙橡胶重量的5%，但能够很大地改进乙丙橡胶的物理性质和硫化交联性能。目前使用的双烯单体主要有亚乙基降冰片烯(ENB)、乙烯基降冰片烯(VNB)、己二烯(HD)和双环戊二烯(DCPD)。ENB是最广泛应用的双烯单体。
　　乙丙橡胶的生产工艺主要有三种：溶液、悬浮和气相聚合法。其中溶液法占主要地位。如DSM，ExxonMobil，Uniroyal和DuPont-Dow等都采用溶液聚合法。该工艺一般用己烷作溶剂和冷却剂。催化剂和单体溶于溶剂，反应在溶剂中进行，反应生成的热量被溶剂带走。通过调节溶剂的流量或温度来控制反应器保持恒温。由于生成的高分子只占溶剂量的不到10%，本工艺效率不高，投资和操作成本较高。但由于该工艺生产的产品性能指标好，生产易于控制，因而比较通用。悬浮聚合法工艺中气态的乙烯溶于液态的丙烯中，反应生成的热量使丙烯气化而使反应器降温。生成的高分子颗粒不溶于丙烯，呈悬浮状态。该方法可使乙丙橡胶含量达30%左右，因而反应器效率较高，投资和操作费用低于溶液聚合法。但该方法也有缺陷：生产较难控制，牌号较少。用悬浮聚合法的有Enichem和拜耳。这两种方法的后续过程类似，都是先用水等极性液体终止反应。然后分离产物和未反应的单体。溶液法还要将循环使用的己烷溶剂分离出来。第三个工艺气相聚合法使用流化床反应器，反应生成的产品颗粒非常容易从反应物分中分离，经过净化后既可直接作为最终产品。未反应的单体要经过冷却压缩后循环使用。该方法投资最低，但生产出的产品性能有限。
　　图1.三元乙丙橡胶的分子结构
　　二、乙丙橡胶的生产控制
　　乙丙橡胶的生产质量指标包括乙烯、双烯的含量和平均分子量这三个指标目前都不能在线测量，只能在化验室内测量。测量要花费30-40分钟的时间。由于不能在线测量，测量又有很长时间的延迟，取样不能很频繁。这就给操作人员带来很大的困难，操作控制还属于开环控制。当取样化验结果显示产品不在质量指标内，操作人员根据事先定好的经验性的操作规程来改变特定物料的流量来力图改变不合格的指标，但这些改变的作用只能到下次化验室测量结果出来后才能知道，操作人员再根据新的测量结果来决定是否进一步采取行动。由于反应过程中很多不明的干扰的存在，使得质量指标控制的好坏很大程度上决定于操作工的经验和判断能力。这给现代控制理论的应用提供了很大的空间。模型预估控制（或称预测控制，Model Predictive Control, MPC）已经被应用于多种高分子反应器的控制的理论分析上。模型预估控制是一种最优控制，它通过过程的模型来估计将来的状态和输出变量，通过优化来计算当前和将来的控制步骤使得特定的优化函数最优。模型预估控制首先需要一个高分子反应器的数学模型。模型可以是经验模型或理论模型，模型的形式可以是状态方程或传递函数，模型可以是线性或非线性。模拟结果显示DMC的表现比传统的控制器要好，但是他们假设三个质量指标是在线测量并且没有延迟，实际上没有解决乙丙橡胶反应器控制面临的问题。现在研究人员倾向于在MPC中使用理论模型，利用理论模型把测量值作为模型的输出，对状态变量进行估计。
　　三、乙丙橡胶生产工艺技术经济比较
　　在FPR的各种生产工艺路线中，溶液聚合工艺投资和成本最高。投资高是因为流程长，高粘度散热难，设备生产强度低，反应后聚合物流浓度太稀（仅为6％～14％，悬浮聚合工艺为33%），单体、溶剂回收需较高的费用；成本高主要是因为公用工程费、折旧费、固定成本费用高。这是由于生产过程中消耗较高的电和蒸汽所致。
　　悬浮聚合工艺的投资与成本工艺分别相当于相同规模溶液聚合工艺的77％和88％，具有投资少、原料消耗和能耗低、生产成本低、三废处理费用少等特点。
　　气相聚合工艺的投资和产品成本最低，分别相当于同等规模溶液聚合工艺的42％和68％。
　　四、结论
　　综上所述， EPR溶液聚合工艺的投资和成本最高，但其产品综合性能好，硫化速度快，产品应用范围广，是目前国外最广泛使用的方法；其次悬浮聚合工艺生产流程短，投资和成本较低，然而产品性能没有突出优点，应用范围相对较窄，故目前不及溶液聚合工艺使用广泛；气相聚合工艺产品中含有大量炭黑，通用性较差，限制了它的使用范围，但其工艺流程短。因此，随着生产高效和清洁生产工艺的要求，有利于降低生产成本和保护生态环境，对长期沿用的溶液聚合工艺具有根本变革性意义，从长远来看，其发展前景是乐观的。
　　
　　参考文献：
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