丁苯橡胶聚合工艺设计书说明书

错误 !文档中没有指定样式的文字。 1 丁苯橡胶聚合工艺设计书说明书 第 1 篇 设计说明书 第 1 章 绪 论 设计依据、指导思想 设计依据 主要设计依据是吉林化工学院下发的“年产 吨丁苯橡胶装置聚合工段的工艺设计”本科生毕业设计任务书。 指导思想 本设计的指导思想是： （ 1）利用传统乳液聚合生产技术，确保产品质量高，生产过程安全； （ 2）生产过程尽量采用自动控制，机械化操作； （ 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）设计采用技术成熟完善的传统乳液聚合方法，达到环保的要求，对生 产过程中的化学污水的排放要经过处理，以保证环保要求； （ 5）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。 设计地区的自然条件 本设计的丁苯橡胶车间拟建在吉林市江北吉化有机合成厂院内。 设计地区自然条件如下： 土壤最大冻土深度： 土壤设计冻土深度： 全年主导风向：西南风 夏季主导风向：东南风 年平均风速： /秒 地震裂度： 7 度 年平均降雨量： 米 日最大降雨量： 米 错误 !文档中没有指定样式的文字。 2 平均气压： 最高气温： 最低气温： 平均相对温度： 71% 最大降雪量： 420 毫米 水温： 15 第 2 章 工艺论证 工艺原理 丁苯橡胶是 1,3一种最通用的橡胶品种，它是按自由基反应机理于乳液中合成的。其反应方程式为： 生产方法论证 丁苯橡胶的生产包括溶聚和乳聚两种工艺。溶聚丁苯橡胶具有低 的滚动阻力，又具有很高的抗湿滑性与耐磨性，其滚动阻力比乳聚丁苯橡胶减少 20%一 30%，抗湿滑性优于顺丁橡胶，耐磨性能也很好，是全天候轮胎的最合适胶料。近几年国际上溶聚丁苯橡胶的消费是一直处于上升趋势。西欧和日本溶聚丁苯橡胶所占总丁苯橡胶消费量的比例为 31%左右，一些公司正计划扩大溶聚丁苯橡胶生产能力或新建装置。 1992 年以来，溶聚丁苯橡胶的产量呈递增趋势。据有关资料报道， 1992 年至 2000年西欧、美国、日本三地区 均年增长率为 而 1995 年，拜耳公司决定 停止其在 面的投资， 产。拜耳认为轮胎制备技术会有一个根本转变，欧洲的消费者将逐步接受“绿色轮胎” ;另外，还应该看到以下因素 13： (1)在现有的溶液聚合装置上花较少的费用就能有效地扩大 能力。 (2)溶聚工艺优于乳液聚合和气相聚合工艺， 能接受长期挑战。 (3)目前越来越趋向于采用优等填料， 在此方面降低轮胎的滚动阻力做出贡献。 n 误 !文档中没有指定样式的文字。 3 (4) 生产效益长期低下。 但是，拜耳同时也指出 712 对不同用户需求的适应性很强 14。 高性能合成橡胶，它不能等同于 不能完全取代 者比例的调整有一个渐进的发展过程。开发 在确保其综合质量优良的基础上，将目标集中在节能型品种。虽然丁苯橡胶市场已经成熟，但乳液丁苯橡胶与溶液丁苯橡胶之间的竞争正在增加。溶液丁苯橡胶在加工上存在的问题已通过生产特制聚合物 (得到克服。目前存在的主要问题是价格较高，各生产者所生产的产品之间没有很好的互换性。对于高性能轮胎，没有任何其它橡胶能够代替溶液丁苯橡胶，当然乳液丁苯橡胶也是不能满足 要求的。因此尽管溶液丁苯橡胶成本比乳液丁苯橡胶约高出 17%，但轮胎生产者使用溶液丁苯橡胶的趋势已开始越来越明显，但是由于我国的现状的限制，所以我国大多数还是选用乳液丁苯橡胶。 目前国内 4 套乳聚丁苯橡胶装置主要技术来源于日本 台湾合成橡胶公司。工艺技术路线基本一致，都是低温乳液聚合技术，只是在工艺流程和聚合配方上有差别，技术本质上无差别。对于聚合生产工艺而言， 工艺流程上要好于品质量优于 冲能力较强；不足之处是 合转化率为 62%，而 70%15。 吉林石化公司丁苯橡胶装置 A、 B 两条生产线原设计双线各八台釜，五台置换塔，聚合釜容积为 30 3m /台，聚合物料从一釜进入，依次通过串联的八台釜，在 5的温度下，反应 8时，聚合转化率为 60%，生产能力每条线为 115t/d；经过几次技术改造，双线各拆除两台置换塔，增加一台聚合釜，变为九釜三塔反应，聚合转化率由 60%提至 62%，装置生产能力由 115t/d 提高到 145t/d15。 兰州石化公司橡胶厂丁苯橡胶以氯化钾为电解质（ 冲溶液）、过氧化氢二异丙苯为氧化剂、 以叔十二碳硫醇为调节剂，借液氨冷却，在 5，丁二烯和苯乙烯在聚合釜中进行聚合反应，待末釜单体转化率达 64，用终止剂终止聚合反应，单体回收采用水环式压缩机，用挤压脱水机、膨胀干燥机进行脱水干燥 15。 齐鲁石油化工公司橡胶厂采用 术，用低活性引发剂通过延长反应时间、调节剂乳化剂补加实现高转化率，通过改变氨蒸发压力对聚合温度进行控制，经过14时的聚合反应，聚合达 70%。单体回收采用三台小脱水机脱水，采用带式干燥机热风干燥（两条线为随工艺包引进，第三线为哈尔滨博实公司参照其干燥 箱仿错误 !文档中没有指定样式的文字。 4 制）。其工艺路线的缺点一是反应时间较长；二是反应温度控制精度低，温度波动大；三是缓冲能力弱 15。 南通申华化学工艺路线与吉化公司基本相当，其技术来源于台湾合成橡胶公司，聚合系统聚合温度控制在 8左右，转化率为 63%单体丁二烯回收用水环真空泵，苯乙烯回收采用两台减压蒸馏塔串联操作，脱水机为两台并联操作，每条生产线两台小干燥箱（美国 司生产）并联进行干燥。 虽然丁苯橡胶市场已经成熟，但乳液丁苯橡胶与溶液丁苯橡胶之间的竞争正在增加。溶液丁苯橡胶在加工上存在的问题已通过生产控制聚合物 (得到克服。目前存在的主要问题是价格较高，各生产者所生产的产品之间没有很好的互换性。对于高性能轮胎，没有任何其它橡胶能够代替溶液丁苯橡胶，当然乳液丁苯橡胶也是不能满足要求的。因此尽管溶液丁苯橡胶成本比乳液丁苯橡胶约高出 17%，但轮胎生产者使用溶液丁苯橡胶的趋势已开始越来越明显，但是由于我国的现状的限制，所以我国大多数还是选用乳液丁苯橡胶。 一般乳液丁苯橡胶中含有 苯乙烯，其分子量随聚合情况而异，在 10150万之间。聚合物的分子微结构，也随聚合条件的变化有很大不同。高温共聚丁苯橡胶与低温丁苯橡胶比较，高温共聚橡胶反式结构含量较低，聚合度也较低，凝胶含量较大；低温共聚丁苯橡胶反式结构含量较高，分子量分布较窄，凝胶含量几乎没有，因此，物理性质比高温丁苯橡胶好。 第 2 篇 设计计算说明书 第 1 章 基础数据 1、年产量： 吨 2、年工作日： 7800 小时 3、烃含量 : 92% 4、转化率 : 60% 5、单体回收单元损率 : 6、后处理单元损率 : 7、聚合配方（质量百分含量，净含量 /100 份单体） 错误 !文档中没有指定样式的文字。 5 表 1主要原料指标 原 料 指 标 丁二烯纯度 苯乙烯纯度 丁二烯 /苯乙烯 72/28 混合苯乙烯纯度 94% 混合丁二烯纯度 93% 纯碱流量 /量 1/1 表 1产品指标 产 品 指 标 气提胶乳中结合苯乙烯含量 （ 残留苯乙烯 （ 最终胶乳 （ 单体回收单元丁二烯损率： （ 单体回收单元苯乙烯损率 （ 门尼粘度 4658 伸长率 480% 表 1聚合配方 名 称 组 分 体 2 8 乳化剂 香酸钾皂液 解质 酸 误 !文档中没有指定样式的文字。 6 氢氧化钾 二胺四乙酸四钠盐 次甲基二萘磺酸钠 险粉溶液 二亚硫酸钠 化剂溶液 二胺四乙酸四钠盐 酸亚铁 醛次硫酸钠 节剂溶液 叔十二碳硫醇 化剂溶液 过氧化氢对锰烷 止剂溶液 甲基二硫代氨基甲酸钠 硝酸钠 磷酸 误 !文档中没有指定样式的文字。 7 第 2 章 聚合工段物料衡算 丁苯物料衡算图： （ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）（ 4 ）（ 5 ）（ 6 ）（ 7 ）（ 8 ）（ 9 ）（ 1 0 ）（ 1 1 ）（ 1 2 ）（ 1 3 ）（ 1 4 ）（ 1 5 ）（ 1 6 ）300#聚合单元1 丁二烯； 2 苯乙烯； 3 调节剂； 4 活化剂； 5 氧化剂； 6 终止剂； 7 钾皂； 8 碱； 9 聚合物； 10 软水； 11 未反应丁二烯； 12 未反应苯乙烯； 13 蒸气； 14 消泡剂； 15 固体； 16 碱； 进料计算 （ 1）混合丁二烯和苯乙烯进料： 设年产量为 吨 每小时产量： M=107/7800=h 每小时消耗的烃含量： h h 丁二烯和苯乙烯的总量： D=h/60%/（ 1 /（ 1 =h 丁二烯和苯乙烯的配料比值： 2： 28 纯丁二烯的进料量： D h h 纯苯乙烯的进料量： D h h 每小时丁二烯的混合进料量： h/h 每小时苯乙烯的混合进料量： 3/h/h 错误 !文档中没有指定样式的文字。 8 单体 =kg/h 单体 =kg/h （ 2）辅助物料计算： 单体： h h 单体总量： T=h 乳化剂： 松香酸钾皂 h h h h 电解质： h h 磷酸 h h 氢氧化钾 h h 乙二胺四乙酸四钠盐 h h 间次甲基二萘磺酸钠 h h 保险粉溶液： h h 连二亚硫酸钠 h h 活化剂溶 液： h h 乙二胺四乙酸四钠盐 h h 硫酸亚铁 h h 甲醛次硫酸钠 h h 调节剂溶液：叔十二碳硫醇 h h 氧化剂溶液：过氧化氢 对锰烷 h h 终止剂溶液： h h 二甲基二硫代氨基甲酸钠 h h 亚硝酸钠 h h h h 稀磷酸： h h h h 出料计算 （ 1） 未反应的丁二烯出料 错误 !文档中没有指定样式的文字。 9 根据结合苯乙烯的量 ( 确定反应掉的苯乙烯的量 (即乳胶中丁二烯 /苯乙烯 =反应的 h h 7/23=应的 3/77 h=h 未反应的 h=h （ 2） 尾气中丁二烯的含量 h kg/h （ 3） 气体乳胶中残留苯乙烯 kg/h kg/h （ 4） 滗吸器中的残留苯乙烯 kg/h kg/h （ 5）胶乳总量 反应的 应的 h 表 2料衡算表 组成 进料量 Kg/h 出料量 Kg/h 混合丁二烯 混合苯乙烯 未反应丁二烯 化剂 活化剂 调节剂 氧化剂 总量 误 !文档中没有指定样式的文字。 10 第 3 章 聚合工段热量衡算 物料的平均密度 平均密度 第一反应器入口 869kg/m3 第二反应器入口 928kg/m3 平均 899kg/ 平均流量 =M 总 /899=99=h 则取反应釜体积 V=16留时间 t=16/应时间 7 10 小时 小时 7/ 釜 ) 小时 8/ 釜） 小时 9/8 釜） 0 小时 10/8 釜 2 塔） 为达到要求转化率，使聚合反应充分发生，取反应时间 0 小时，聚合釜为 8釜 2 塔串联。 聚合热 小时釜中的聚合热： Q=（ 54 04 h =h 反应 10 小时，每釜的聚合热： q=Q/h/h 冷却显热 第一反应釜的温度从 10降至 7的冷却显热如表 2示： 表 2釜冷却显热 kg/h) T( ) Cp( )(7 ) q=T(h) 错误 !文档中没有指定样式的文字。 11 T M - 50401.二反应釜温度从 7降至 5的冷 却显热如表 2示： 表 2二反应釜冷却显热 kg/h) T( ) Cp( )(5 ) q=T(h) T M - 搅拌热 搅拌热为聚合热的 5%计算 反应 10 小时每釜的搅拌热为 : q1=q 5%=h 大气吸热 反应器 7 反应器 309 初定反应器的型号为： 3000 （查化工容器及设备简明设计手册）面积 :A=2 S 底 +S 侧 =2 /4 误 !文档中没有指定样式的文字。 12 大气吸热公式： Q=q A q=(1/ +x/ ) （ x= =7 0 (室外常年平均温度 ) 5 (表面温度 ) 则第一反应釜的大气吸热为： = 7+15） /2 =q=(1/ +x/ )=(7(1/7+ =q A= h 第二反应釜至最后反应釜的大气吸热为： = 5） /2=q=(1/ +x/ )=(1/7+=q A= h 所需氨的量 总m：氨的质量； 的汽化潜热， 7时为 为 反应 10 小时时， 冷却第一釜所需氨的量： 12 284 2. 2 7 冷却第二釜所需氨的量： 5 9 9 7 . 8 6 冷却三至末釜所需氨量： 5 9 9 7 . 8 6 九釜的热量平衡表如表 2 2示： 表 2应时间为 1010 釜 聚合热 却显热 K 拌热 气吸热 计 K 误 !文档中没有指定样式的文字。 13 第一釜 二釜 3 误 !文档中没有指定样式的文字。 14 第 4 章 反应器和搅拌桨的选择 反应釜的选型 按聚合反应的特性及过程控制的重点在于除去聚合热的场合，可选用搅拌釜式反应器（参见聚合反应工程基础）。搅拌釜是乳液聚合最常用的反应器，也是应用最广的聚合反应器，釜式聚合反应器是一种形式多变 的聚合装置，它广泛应用于低粘度的悬浮聚合过程，乳液聚合过程，也能用于高粘度的本体聚合和溶液聚合过程。从操作方式来看它能进行间歇、半连续、单釜和多釜连续操作，以满足不同聚合过程的要求。为了保证釜中物料的流动、混合与传热，液滴的分散或固体物料的均匀悬浮，釜中设有搅拌装置。 釜式反应器的除热主要采用夹套和各种内冷件，以立式最为常见。 综上所述，初选反应器为搅拌釜式反应器。由设计压力为 3 1055 105 帕，热量衡算初选的反应器为 2400 H 1800，可选封头型式为：椭圆形底、盖，可拆盖，高度 H=2200称容积为 35体内径为 2400厚为 18质，重量为 3680轴泵为 见化工容器及设备简明设计手册）。 反应釜和搅拌桨示意图 2 4 1： 图 2 4 1 反应釜和搅拌桨示意图 反应釜的型号见下表 2 4 1： 错误 !文档中没有指定样式的文字。 15 表 2 4 1 反应釜的型号 封头型式 公称容积 计算容积 筒体直径 筒体高度 高度 壁厚 材质 下轴泵型号 椭圆底、盖 186800 500 7400 8 3 5 章 管道直径与贮罐的计算 管道与贮罐的计算 管道直径的计算 一丁二烯苯乙烯进料管径的计算 查得工艺液体的流速范围为 s 取丁二烯的流速为 u=1m/s； h； =m3 d= m 取标准的管道直径为 603 实际的流速为 u=24=s. 苯 乙烯的流速 u=s h； =m3 d= m 取标准的管道直径为 323 错误 !文档中没有指定样式的文字。 16 实际的流速为 u=24=s. 第 6 章 换热器的设计型计算 计算壳程压降及给热系数 0 0 . 8 0 . 40 0 . 0 2 3 ( ) ( ) 假设直立管外径 d=壁厚 2 长 壁温 02 ， 06液 氮 ，求的 0 圆整至标准的公称直径 0 2 8 0 0 曲面高度 h =700 直边高度 0h =40 内表面积为 容积为 m H=整至标准的高度为 300 1 . 1 5 (1 , 1 . 3 )H D 所以设计合理 错误 !文档中没有指定样式的文字。 17 第 7 章 泵的计算 泵 P 304 的设计 图 2 7 1 泵示意图 条件依据 以 P 304 苯乙烯进料泵的计算为例，已知数据如下： 管径： D=苯乙烯的平均密度： 30 . 9 0 9 g / c m 苯乙烯的粘度： 0 . 7 7 4 m P a s 压强： 105 105 管内流体的流速 （ 1）管内流体的流速： s/ 0 00 5 4 2A 雷诺数： 21400u R 即：管内流动状态为湍流 错误 !文档中没有指定样式的文字。 18 取 ， e 由 、 e 查化工原理上册 （ 2）直管阻力和局部阻力的计算： 直管阻力的计算： 局部阻力的计算：有 90的弯头 19 个，则 =2h = = 0 . 5 2 总的阻力： 12f = f f Jh h + h = 2 . 2 6 3）理论压头的计算： 由柏氏方程可得：gh p z = 泵的选型： 由输送温度为常温、低粘度、