年产5万吨顺丁橡胶工艺设计 毕业设计.doc

摘 要 本设计从顺丁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） ； 选择了悬浮法聚合制备聚氯乙烯；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。根据设计要求，计算出聚合釜筒体直径为 1.801m，封头容积为 0.864，m 3 筒体高度为 4.4m。 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 1.1107千克/年顺丁橡胶生产车间工艺设计说明书。经过最后核算， 1.1107千克/年顺丁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：关键词：顺丁橡胶；聚合釜；工艺设计 abstract this design from butadiene rubber develop pment course and the present situation, according to the actual condition of the factory production, according to the national policy, laws and regulations, determine the design principle: abide by the relevant state laws and regulations, based on domestic, assimilate and digestion of imported equipment and technology, and advanced production technology, economy reasonable, feasible, safe and reliable, to prevent environmental pollution, protectecological balance. according to the design task book identifies the design range of polymerization, drying process design (preliminary); choice of suspension polymerization preparation of pvc; material balance calculation, obtained the material balance diagram; the heat balance calculation for equipment, lay a foundation for composition, device; production method, production system the reasonable determination, determined the reasonable process parameters and operational procedures. polymerization section to the post-processing section material balance, heat balance, polymerization polymerization process with a variety of equipment selection, process flow diagram, process flow map with the control point, polymerization kettle assembly drawing, layout and calculation.using the material balance and heat balance data, undertook special subject is part of a hot water tank process design and calculation.according to the design requirements, to calculate the hot water tank cylinder diameter is 1.801m, head volume 0.864, cylinder height is 4.4m. according to determine the process flow and control plan, draw take control of the process flow diagram; compiled by 1.1 107 kg / year butadiene rubber production workshop design specification.after a final accounting, 1.1 107 kg / year butadiene rubber production workshop design meets the design requirements, all parameters are standard. key words: butadiene rubber; hot water tank; process design 目 录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 总论 7 1.1 概述 7 1.1.1 顺丁橡胶的发展史7 1.2 顺丁橡胶的生产工艺概况 1 1.2.1 聚合方法: .1 1.2.2.单体原料路线的确定1 1.2.3.溶剂的选择 1 1.2.4.引发剂的选择 1 1.3.聚合反应机理及影响反应的因素2 1.3.1 聚合反应机理 2 1.3.2 影响反应的因素 2 1.4 我国顺丁橡胶工业发展情况3 1.4.1.我国镍系顺丁橡胶发展状况3 1.4.2.低顺式顺丁橡胶国外发展状况3 1.4.3.稀土顺丁橡胶的发展方向3 1.5. 我国顺丁橡胶发展趋势.4 1.5.1 世界顺丁橡胶发展动态4 1.5.2. 世界顺丁橡胶供需现状.5 1.5.3.世界顺丁橡胶消费分析6 1.5.4. 世界顺丁橡胶供需预测.6 1.6. 国内市场现状分析.6 1.6.1. 供需概况 .6 1.6.2. 进出口分析 .7 1.6.3.国内下游用户分析8 1.6.4. 近 10 年来国内供求变化的特点9 1.7. 国内市场展望10 1.7.1. 汽车业仍将拉动国内合成橡胶需求快速增长10 1.7.2. 橡胶制品出口仍将拉动国内橡胶需求增长11 1.7.3.“十二五”期间顺丁橡胶新增能力将快速增加。.11 1.7.4.顺丁橡胶的供需平衡预测。.12 1.7.5.顺丁橡胶发展方向。.12 1.8. 设计原则依据及范围13 1.8.1 设计原则 .13 1.8.2 设计依据 .13 1.8.3 设计范围及深度 .14 1.9 生产规模.14 1.9.1 本装置生产规模 .14 1.9.2 设计的开工时间 .14 1.9.3 生产方式 .14 1.10 装置组成14 1.10.1 生产工段 14 1.10.2 辅助生产设施 14 1.11 生产制度14 第 2 章 生产方法及工艺流程 .15 2.1 生产方法及工艺流程选择.15 2.2 工艺参数的选择.15 2.3 工艺流程特点.16 第 3 章 生产流程简述 .17 3.1 聚合原理.17 3.2 生产流程说明.17 3.2.1 催化剂配制 .17 3.2.2 聚合工段 .18 3.2.3 后处理工段 .19 第 4 章 工艺计算 .21 4.1 聚合釜的物料平衡计算.21 4.1.1 计算依据 .21 4.1.2 计算项目 .22 4.1.3 计算 .22 4.2 聚合釜的热量衡算.25 4.2.1 计算依据 .25 4.2.2 计算项目 .40 4.2.3 计算 .41 4.3 终止釜的物料衡算 .45 4.3.1 计算 .45 4.4 凝聚釜物料衡算 .47 4.4.1 计算依据 .47 4.4.3 计算 .48 4.5 缓冲罐、振动筛及缓冲槽物料衡算 .52 4.5.1 计算 .52 4.6 干燥脱水物料衡算.54 4.6.1 计算 .54 4.7 包装物料衡算 .56 4.7.1 计算 .56 4.8 油水分离器物料衡算.57 4.81 计算 57 4.9 溶剂回收部分物料衡算.59 4.9.1 计算 .59 第 5 章 设备计算 .63 5.1 聚合釜工艺设计计算 .63 5.1.1 基础数据 .63 5.2 胶液罐容积确定 .63 5.3 胶液罐筒体直径与筒体高度确定.63 第 6 章 原材料动力消耗定额及消耗量 .65 第 7 章 生产控制分析 .66 第 8 章 定员 .68 第 9 章 三废治理 .69 9.1 三废排放及处理方法.69 9.2 安全措施.69 第 10 章 结论 70 参考文献 71 致谢 73 附 录 74 设备一览表.74 符号说明.74 c 成品指标 .75 第 1 章 总论 1.1 概述 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 1.2 顺丁橡胶的生产工艺概况 1.2.1 聚合方法: 根据产物结构要求从自由基聚合、阴离子聚合、阳离子聚合配位聚合等 反应机理中选择出配位聚合，同时考虑配位聚合所用原料、引发剂、传热、物 料输送、产物溶解、回收、操作方式等方面综合考虑选择溶液聚合实施方法。 该工艺路线包括了如反应活性中心的形成过程；特殊引发剂组分的安全防护； 由于溶剂的存在必然要考虑的回收、循环利用；反应的终止方式；产品防老化 处理等特点。操作方式为连续操作。 1.2.2.单体原料路线的确定 通过比较乙炔法、乙醇法、丁烷一步脱 氢法、丁烯氧化脱氢法、丁烯催 化脱氢法、石油高温裂解回收法等生产方法的优缺点，结合当地情况，因地制 宜地选择合适的丁烯氧化脱氢制丁二烯原料路线。 1.2.3.溶剂的选择 各种溶剂对反应原料、产物及反应所用各种引发剂的溶解能力不同。从溶 解度参数、体系粘度、工程上传热与搅拌、生产 能力提高、回收难易、毒性 大小、来源、输送等几方面对苯、甲苯、甲苯-庚烷，溶剂油等，进行综合比 较，确定选择溶剂油。 1.2.4.引发剂的选择 从适合顺丁橡胶生产的引发剂共性入手，如定向能力高、稳定性好、易贮 存、高效、用量少、易分离及残存对产物性能无影响等，对常用 四大类型引 发剂 li 系、ti 系、co 系、ni 系进行比较，选择 ni 系引发剂，其组份主引发 剂为环烷酸镍，助引发剂为以异丁基铝，第三组分为三氟化硼乙醚络合物。 1.3.聚合反应机理及影响反应的因素 1.3.1 聚合反应机理 丁二烯聚合反应的机理属于连锁聚合反应，遵循配位阴离子的链引发、链 增长、链终止及链转移等基元反应机理。其总反应式为： n ch2chchch2 ch2chchch2n 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 1.3.2 影响反应的因素 影响聚合反应的因素主要有引发剂的陈化方式，引发剂配制浓度，引发剂 用量、配比，通过几方面进行分析，最后得出比较合适配方为： 镍/丁 2010 5 . 铝/丁 1010 4 . 硼/丁 2010 4 . 铝/硼 0.25、 醇/铝=6 铝/镍=38 单体浓度。提高单体浓度聚合反应速度增加，有利于提高产量。从传 热、搅拌、物料输送等方面综合考虑单体浓度(丁浓)控制范围为 1015。 温度。聚合温度升高，会使反应速度加快，产物分子量下降，但过高的 温度会造成大分子产生支化，影响胶的质量。因此，要严格控制。一般首釜 不大于 95，末釜不大于 110。 杂质。体系中的杂质主要有乙腈、水分、炔烃和空气中的氧等，这些杂 质主要对引发剂的活性、诱导期的长短、体系的稳定性、聚合速度产生影响， 因此，要严格控制在一定指标以下。 设计原则中还要考虑主要设备的选型。2 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。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 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 1.1107千克/年顺丁橡胶粉末。 1.9.2 设计的开工时间 设计运转时间为 8000 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。 1.11 生产制度 开工时间每年 8000 小时，采用连续自动化生产，五班三运转。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 第 2 章 生产方法及工艺流程 2.1 生产方法及工艺流程选择 生产聚丙烯的方法有溶液法、溶剂法、液相本体法、气相本体法和液相- 气相本体法。工业生产多用 25 釜串联的淤浆聚合，单程转化率为 90%95%， 催化剂效率一般为 300900 克聚丙烯/克 ticl3，等规度95%。液相本体聚合 和气相聚合是 60 年代相继发展起来的，它们的特点是不使用汽油溶剂，工艺 流程简化，催化剂效率较高，成本降低。1975 年开始出现高效载体催化剂， 是用 mgcl2作载体并添加苯甲酸酯组分的钛铝催化体系，其效率高达 70100 千克聚丙烯/千克钛，已经用于工业生产。这样可以省去除去催化剂 残渣等后处理工序，受到普遍重视。这种高效催化剂体系又称为第二代齐格 勒纳塔催化剂12。 本设计采用的是新淤浆法，即溶剂法，以己烷为溶剂，采用高效催化剂 进行丙烯淤浆聚合，经聚合、干燥、造粒等工段生产等规聚丙烯颗粒，较传 统淤浆法而言，此方法大大简化了生产工艺流程，提高了可靠性。 2.2 工艺参数的选择 (1)反应器（d201、d202）：d201 反应器：t=70，p=1.0mpa，停留时 间：3.5 小时，装料系数：0.9，浆料浓度：36%（以聚合物计）； d201 反应器：t=70，p=0.5mpa，停留时间：2.5 小时，装料系数： 0.9，浆料浓度：36%（以聚合物计）。 (2)反应器夹套水冷却器：反应器循环用冷却水 入口温度：40 出口温 度：60。 (3)闪蒸罐（d204）：顶部温度：34 压力：0.1174mpa ，底部温度： 70 压力：0.127mpa。 (4)己烷预热器（e204）：温度：94。 (5)吸入分离罐（d206）：压力：0.017mpa。 (6)中间罐（d205）：温度：70 ， 液位：30% ， sl：36%。 (7)离心机（s301）：温度：40 ， 滤饼干基湿含量：25%。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） (8)闪蒸干燥器（md301）；热氮气进口温度：140， 出口温度：90， 停留时间：0.51s。 (9)流化床干燥器（md302）：热氮气进口温度：124 ，入口压力： 0.127mpa；热氮气出口温度：110 ，出口压力：0.109mpa。 (10)气液分离罐（d302）。 温度：10 ，压力：0.103mpa。 2.3 工艺流程特点 (1)本工艺使用高活性定向的三组分催化剂，有单独的一套催化剂制备系 统； (2)生产均聚物采用两釜串联操作； (3)分离过程采用先进的卧式双鼓离心机，分离效果好，可使滤饼含湿率 达 20%； (4)采用两级干燥即气流干燥和流化床干燥器，使物料干燥充分； (5)聚合釜 d201 散热采用夹套和气相换热，散热分配为夹套 30%，气相换 热为 70%。聚合釜 d202 采用夹套和浆料釜外冷却方式散热，散热分配为夹套 40%，浆料釜外冷却换热为 60%； (6)副产品无规聚丙烯已被利用降低了生产成本； (7)聚合干燥阶段采用微机控制，减少了工人的劳动强度，提高了工业的 自动化水平，精度高。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 第 3 章 生产流程简述 3.1 聚合原理 反应原理： n c4h6 c4h6n 17600kkal/kmol 将丁二烯混合于溶剂油中聚合为顺丁橡胶，其聚合原理为为配位阴离子 聚合，原料主要有丁二烯，溶剂油，催化剂，防老剂等。 3.2 生产流程说明 3.2.1 催化剂配制 本装置采用镍系催化剂体系，镍系催化剂是一个四组份催化剂 a组份:有机酸镍，我国采用的是环烷酸镍，是主催化剂，是催化剂活性 中心，在催化聚合反应时起定向作用。 b组份:烷基铝，我国采用三异丁基铝。al(c4h9)3用作镍的还原以降低镍 的价态，并使镍烷基化口 c组份:含氟的无机化合物，我国采用三氟化硼乙醚络合物。bf3(c2h5)2用 作提供与活性中心形成配位体的氟。 （1）催化剂，al 用量对聚合的影响。al 的主要作用是使环烷酸镍还原 成低价镍，并参与活性种的生成 a1 还能破坏聚合体系的杂质促进聚合反应； 在聚合体系中过量的 al 能抑制链转移速度，使聚合物的聚合度增加，门尼粘 度升高；过剩的 al 能与 b 催化剂作用，影响聚合活性，且其产物能促进凝胶 的生成。 高催化剂相对用量和延长聚合反应时间,在顺丁橡胶生产过程,应降低al 用量，减少ai与b的接触机会,当采用al量调节聚合物门尼粘度时，al用量应 控制在alni比在2040范围以内。 （2）h20 用量对聚合的影响。在镍催化体系丁二烯溶液聚合过程中， b、h2o的作用产物参与活性种的生成过程,有促进链转移的功能。因此，在一 定的范围内增加b、h20用量能提高聚合反应活性。水用量过多，能破坏催化剂, “杀死”活性种，影响聚合反应，促进聚合过程凝胶生成量，影响产品质量。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） （3）温度。聚合反应温度控制可通过调节催化剂用量来控制聚合反应速 度，使丁二烯在规定的时间内达到一定聚合转化率，并保持聚合反应温度在 指定范围内。聚合反应速度除了与催化剂用量有关外还与单体浓度和体系温 度有关，单体浓度和体系温度高，聚合速度快。当聚合反应温度低于控制指 标时可以采用5个控制措施。 提高溶剂和丁二烯的进料温度 提高催化剂用量； 降低溶剂进料量以提高单体浓度； 保持催化剂进料量不变，降低聚合进料量以提 暂停聚合进料，实行“闷釜”，当反应温度达到温度控制指标时继续进料。 (4)配比。在聚合过程中，调节催化剂用量必须控制催化剂配比范围。目 前，al、ni、b、h2o的摩尔比一般控制在(34)：l：(8lo)：(812)，在 此范围内调节催化剂用量，可以把聚合物的门尼粘度控制在合格范围内。在 此范围内，b大量过剩，b原子不参与活性种的生成起作用的是f，活性种结构 中含有3个f，也有学者翻认为活性种结构中含有4个f，也就是说对形成活性 种而言，fni比为34即可。目前实际生产中fni比为2430，bf3“oet 大量过剩，造成设备腐蚀。如果进一步提高原材料质量，将陈化液中a1ni 降到15-35，并增加用量，h2o用量可以下降，生产中al、ni、b、h2o的 比变为(15-35)：1：(2-4)：(2-4)更合适。13 3.2.2 聚合工段 聚合工段主要由罐区、计量、聚合、配制、配制、粘度五个岗位组成。 罐区岗位负责贮存、收送丁二烯和溶剂油。聚合岗开车，罐区连续给聚 合送溶剂油；单体丁二烯由后乙腈直接送聚合，聚合停产时，丁二烯直接送 罐区。 计量岗负责为聚合输送各种引发剂、终止剂。 配制岗负责为聚合配制引发剂和终止剂，此外，还负责接收铝剂车间配 好的三异丁基铝。 粘度岗负责检测生产的结果，测试门尼粘度和转化率。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 由乙腈来的丁二烯经流量控制阀控制合适流量，入文氏管与溶剂油溶剂 进行混合，再进入丁油预热器(预冷器)进行换热，控制一定入釜温度。 镍组分和铝组分分别由镍计量泵和铝计量泵送出，经铝镍文氏管混合 后，与出丁油预热器(预冷器)的丁油溶液混合。 硼组分由硼计量泵送出与稀释油经文氏管混合后，在釜底与丁油混合进 入首釜。 丁油溶液在聚合釜中，在一定温度和压力下，受到引发剂的作用，发生 丁二烯聚合反应，生成高分子量的丁二烯聚合产物聚丁二烯。 首釜胶液自釜顶出口出来，由第二釜的釜底进入第二釜继续进行反应； 再由第二釜的釜顶出口出来，由第三釜的釜底进入第三釜继续进行反应；由 第三釜的釜顶出口出来，进入第四釜继续进行反应；当达到一定粘度和转化 率后，在第四釜的出口管线(终止釜的入口管线)与终止剂一起由终止釜釜底 进入终止釜进行终止处理；最后，胶液由终止釜顶出口出来，经胶液过滤器 和压力控制阀入成品工段凝聚岗的胶液罐。反应中换热用的冷溶剂油视情况 从不同釜的项部加入。d207，循环使用。 3.2.3 后处理工段 后处理工段包括混胶岗、凝聚岗、洗胶岗、干燥岗、压块岗、薄膜岗、 纸袋岗。 混胶岗负责接收聚合来的胶液，并将门尼粘度不同的胶液混配成优级品 指标内的胶液；在胶液罐定期回收一部分丁二烯；合格胶液送往凝聚岗。 凝聚岗负责将终止后进入胶液罐混合的门尼粘度合格的胶液进行凝聚， 胶粒送洗胶岗，溶剂油送回收工段。 洗胶岗负责用水洗掉胶粒表面的杂质，降低胶的温度，并胶粒送往干燥 岗。 干燥岗负责将含水 4060的胶粒，通过挤压脱水机、膨胀干燥机和干 燥箱降到 0.75以下，并呈海绵状，直径为 10mm 小胶条送至压块岗。压块岗 负责称量压块。薄膜岗负责薄膜包装。纸袋岗负责封袋、入库。被终止后的 胶液进入胶液罐后，将部分未转化的丁二烯经罐项压控调节阀，盐水冷凝冷 却器，进入丁二烯贮罐，再送至丁二烯回收罐区。胶液在罐中根据门尼粘度 值高低进行相互混配合格后，经过胶液泵送往凝聚岗。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 合格胶液被喷到凝聚釜内，在热水、机械搅拌和蒸汽加热的作用下，进 行充分凝聚形成颗粒，并蒸出溶剂油溶剂和少量丁二烯。釜项被蒸发的气体 有水蒸汽、部分丁二 烯和绝大部分溶剂油溶剂，气体经过两个并联的循环水 冷凝冷却器，冷凝物进入油水分离器进行油水分离，溶剂油用油泵送往溶剂 回收罐区，水经油水分离罐底部由液面调节阀控制排出，经二次净化分离罐 排入地沟。釜底胶粒和循环热水经颗粒泵送入洗胶岗的缓冲罐，再经 1 号振 动筛分离出胶粒送至洗胶罐。 在洗胶罐中，用 4060的水对胶粒进行洗涤，经洗涤的胶粒和水由 2 号振动筛进行分离，并将含水 4060的胶粒送往挤压干燥岗。 通过挤压机挤压将胶粒含水量降到 815，然后，切成条状进入膨胀干燥机 加热、加压，达到膨胀和内蒸的目的，除去胶粒中的绝大部分水分，再送入 水平红外干燥箱干燥，使胶的含水量达到 0.75以下。干燥合格后的胶条经 提升机送入自动称量秤进行称量压块(25kg)。压好的胶块用薄膜包好装入纸 袋封好入库14 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 第 4 章 工艺计算 4.1 聚合釜的物料平衡计算 4.1.1 计算依据 (1)计算采用的基础数据 年产量：11000 t 年开工时间：8000 h 每吨顺丁橡胶消耗丁二烯：1.045 t 总转化率：85% 丁浓：丁1215gml/100 丁油入釜温度：40 首釜温度：95 末釜温度：110 聚合系统压力：0.44mpa 计量罐压力：0.1mpa 计量泵压力：0.8mpa 设计选用配方： 镍/丁2 0 10 5 . 铝/丁1 0 10 4 . 硼/丁 2 0 10 4 . 铝/镍38 铝/硼 0.25 醇/铝6 防老剂/丁二烯0.79（质量比） 全装置总收率为 95.3；总损耗 4.7（包括工艺损耗和机械损耗）。其 分配如下（以 1.045 吨 100丁二烯为基准计算收率和损耗）： 聚合挂胶等损失1 聚合、凝聚的丁二烯机械泄漏损失 0.5 凝聚、振动筛聚丁二烯渣沫损失0.5 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 油水分离器水相丁二烯溶解损失2 包装过程中不合格品和落地料损失 0.7 4.1.2 计算项目 （1）溶剂油的进料量； （2）丁烯及丁二烯的进料量； （3）催化剂及各组分量； （4）水蒸气进料量； （5）水进料量； （6）聚合釜的出料量及组成。 4.1.3 计算 聚合釜物料衡算图 整理上述计算结果如4-1所示； 4-1 丁烯、丁二烯相关数据 组分质量分数wkg ht/dt/amh 3 丁烯116.6480.399133.1860.028 丁二 烯 991648.18039.55613185.4412.658 合计1001664.82839.95613318.6272.686 注：丁烯的密度：596kg m 3 聚 合 釜 聚 合 釜 溶剂油 丁二烯 镍组分 铝组分 硼组分 去终止釜 挂胶损失失 聚 合 釜 聚 合 釜 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 丁二烯密度：628kg m 3 溶剂油密度：660kg m 3 166482813512332 3 m 溶剂油系统： 取 丁二烯13.5gml/100 则有：丁二烯135kg m/ 3 每小时进入聚合釜的丁油量（丁二烯 99%）： 166482813512332 3 m 每小时进入聚合釜的丁二烯原料量：2686 3 .m 每小时进入聚合釜的溶剂油量： kg m 36.6366660646 . 9 646. 9686 . 2 332.12 3 引发剂系统： 计算公式： 引发剂用量丁二烯进料摩尔数(引发剂/丁)引发剂分子量 a、环烷酸镍：m 镍=58.7 m丁二烯=54 /h （镍含量为 100%） 164818054201058700358 5 kg 原料中的丁二烯 /h0 035858 70 00061.kmol 商品中环烷酸镍的含量为 7.5，故环烷酸镍的量为： 0 03580 0750 477.kg/h b、三异丁基铝： al ic h 49 3 m al i c h 493 198 mal 27 /hkg604 . 0 198100 . 154180.1648 4 折合成铝的量：0 604271980 0824kg/h /h0 0824270 00305kmol c、三氟化硼乙醚络合物 bf c ho 3252 () mbf c h o 3252 142mb10 811. /hkg867 . 0 142100 . 254180.1648 4 折合成硼的量：0 86710 811 1420 066.kg/h /h0 06610 8110 0061.kmol 聚丁二烯系统： 聚丁二烯：（原料中纯丁二烯）/hkg953.140085 . 0 180.1648 （100丁二烯为基准计算收率和损耗） 100纯度丁二烯量：1436.875kg/h 挂胶损失：/h1436 8750 0114 369.kg 去终止釜干胶量：/h1400 953 14 3691386 584.kg 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 验证配方： 合格5 00067 . 0 00333 . 0 ni al 合格 5 . 0 0067 . 0 00333. 0 b al 聚合釜物料衡算列总表如4-2所示； 4-2 聚合釜物料衡算 序 号 组 分kg/ht/dt/aw 1丁 烯16.6480.399133.1860.207 进2丁 二 烯1648.18039.55613185.44120.517 3溶 剂 油6366.36152.79250930.8879.251 4环烷酸镍0.4770.01143.8160.006 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 续表 序 号 组 分kg/ht/dt/aw 料5三异丁基铝0.6040.001454.8350.008 6三氟硼乙醚0.8670.02086.9340.011 7进料合计8033.136192.78164265.092100 8丁 烯16.6480.399133.1860.207 出9丁 二 烯247.2275.9331977.8163.078 10溶 剂 油6366.36152.79250930.8879.251 11原料中纯的丁 二烯 1386.58433.27811092.67517.261 料12三种引发剂1.9480.047615.5850.025 13挂胶损失14.3690.345114.9520.178 14出料合计8033.136192.78164265.092100 4.2 聚合釜的热量衡算 4.2.1 计算依据 (1)基础数据。 聚合釜物料衡算表； 聚合时间：35h(设计取 4h)； 实用聚合釜台数：4 台（确定方法见设备设计）； 聚合温度：94 冷却盐水：入口温度-12，出口温度-8。 （2）溶剂油组成及物性数据。 溶剂油组成见表 4-3； 表 4-3 溶剂油组成 n-c5h12n-c6h14n-c7h16合计 wi%2.157.840.1100 xi%2.5961.5435.87100 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 续表 n-c5h12n-c6h14n-c7h16合计 mi7284100 溶剂油物性见表 4-4； 表 4-4 溶剂油物性数据 物性n- c5h12 n- c6h14 n- c7h16 溶剂油数据来源计算公式 密度 kg m3 549590620601化工工 艺设计手 册下 p633 1 wi i 比热容 cp kj/(kg) 3.07672.62042.48232.6168化工工 艺设计手 册下 p645 cpwcp ii 热导率 w/(m) 0.08610.09070.09890.0942化工工 艺设计手 册下 p680 wi i （3）丁烯、丁二烯物性数据见表 4-5； 表 4-5 丁烯、丁二烯物性数据 定性温 度 密度 kg m3 比热容 cp kj/(kg) 热导率 w/(m) 数据来源 c4h89410102.00010.1396化工工艺设计手册下 p634.p645.p681 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 续表 定性温 度 密度 kg m3 比热容 cp kj/(kg) 热导率 w/(m) 数据来源 c4h6944802.97210.08374化工工艺设计手册下 p634.p645.p681 （4）顺丁橡胶物性数据见表 4-6； 表 4-6 顺丁橡胶物性数据 定性温 度 密度 kg m3 比热容 cp kj/(kg) 热导率 w/(m) 数据来源 顺丁橡胶944802.97210.08374合成橡胶工业第七 卷(1984)p69 （4）冷冻盐水物性数据见表 4-7； 表 4-7 冷冻盐水物性数据 定性温 度 密度 kg m3 比热容 cp kj/(kg) 热导率 w/(m) 数据来源 cacl2-1012452.85900.4885化工手册p2070 （2）各聚合釜反应转化率确定。 根据合成橡胶工业第七卷(1984)“丁二烯溶液聚合的工程分析”知：丁 二烯聚合属于一级反应，并且，镍催化体系油溶剂丁二烯的表观动力学反应 速度常数的关联式如下： kpkc p 0 kt p 3637104455 8 .exp/ 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 另根据基本有机化工工厂装备知，对于一级反应，连续槽式反应器的 反应转化率与反应速度常数之间的关系如下： kpkc p 0 kt p 3637104455 8 .exp/ 式中 can 第 n 台釜内反应物的浓度；mol/l ca0 反应物初始浓度； mol/l 第 n 台釜内反应物转化率；xn k 聚合反应表观速度常数； min1 平均停留时间；min n连续槽式反应器的台数； c0 主催化剂的浓度；mol/l kp链增长速度常数；l/(molmin) p 活性链总浓度；mol/l t反应温度； k 催化剂利用率(在 94下，27) 为了便于计算，按等温等容处理，取总转化率 85%；4 釜串联；每釜平均 停留时间 60 min；反应温度 94。将上式进一步整理得： 给定一个主催化剂浓度，分别求出、，直至达到设计要求。x1x2x3x4 取c0 mol/l，将计算结果整理得表 4-8；19210 5 . 表 4-8 各釜纯转化率与累积转化率 第一釜第二釜第三釜第四釜 纯 x () 累积 x () 纯 x () 累积 x () 纯 x () 累积 x () 纯 x () 累积 x () 37.8137.8123.5161.3214.6275.949.185.04 （3）各釜物料组成及物性据数。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 总进料量：12.322mh 3 / 1648.1816.6486366.368031.188 kg/h 其中 100%丁二烯：1648.18 kg/h 丁烯：16.648 kg/h 溶剂油：6366.36 kg/h 根据各釜纯转化率计算各釜的物料组成如表 4-9； 表 4-9 各釜的物料组成 物料第一釜第二釜第三釜第四釜 kg/hw(% ) kg/hw(%)kg/hw(% ) kg/hw(%) 溶剂 油 6366.3679.276366.3679.276366.3679.2 7 6366.3679.27 丁 烯 16.6480.2116.6480.2116.6480.2116.6480.21 丁二 烯 1025.0012.67637.5167.94396.5524.94246.5673.07 聚丁 二烯 623.1777.761010.66 4 12.581251.62815.5 8 1401.61 2 17.45 各釜物性数据计算结果如表 4-10； 表 4-10 各釜物性数据计算结果 釜 号 温度 组分密度 kg m3 比热容 cp kj/(kg) 热导率 w/(m) 门尼粘度动力粘度 pas 一94胶液606.82.57440.0956503.5 二94胶液624.22.52830.0986507.5 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 续表 釜 号 温度 组分密度 kg m3 比热容 cp kj/(kg) 热导率 w/(m) 门尼粘度动力粘度 pas 三94胶液635.52.50320.10054511.0 四94胶液642.82.48650.10164518.0 注：根据各釜门尼粘度和胶液浓度查高聚物合成工艺学确定各釜动力 粘度。 （4）各釜对流传热系数和传热系数 k 的计算。 夹套内冷却盐水的对流传热系数1 计算； 基本方程式： 1 n l u nu 0027 0 80 33 0 14 .repr . re lu pr cp 式中1 夹套对流传热系数，；wmc/ () 20 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） nu 努塞尔准数； re 雷诺准数； 传热面的特征尺寸（当量直径），m；l 流体的热导率，；wmc/ () 20 u 流体的流速，m/s； 流体的密度，；kg m/ 3 流体的粘度，pas； cp 流体的比热容，j/(kg)； w 流体在壁温条件下的粘度，pas 查化工工艺设计手册上册 p301 表 4-14，取冷却盐水在螺旋导流板中 的流速为 1.5 m/s；根据搅拌设备设计p142 和化工设备机械基础第三 di=1800，dj=1900，h=500，s=16，=6 图 4-1 夹套螺旋导流板几何尺寸 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 册 p180 有关内容，取聚合釜夹套内螺旋导流板的几何尺寸如图 9-8 所示。则 传热面特尺寸为： 传热面的特征尺寸（当量直径）=4 流通面积/传热周边 lmmm 450034 250034 6367006367 那么： pr . . 2859106310 04885 3687 33 re . . 006367081245 6310 10065924 3 由于 0pr100 re10000，所以： 1 0 8 1 3 0 14 0027 .repr . . l w 计算时取 w 0 14 105 . . 1 0 8 1 3 0027 00837 006367 100659243687105197629. . . . wmc/ () 20 因盐水在弯曲的螺旋导流板中流动，所以要对1 进行修正。查基础化 学工程上册 p172 修正公式为： 11 1177 . l r 式中 r 曲率半径，设计取 916mm。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 11976291 177 006367 0916 221943 . . . wmc/ () 20 釜内对流传热系数的计算；2i 根据化学工程手册第 5 篇搅拌与混合p31 有关高粘度流体采用双 螺带式搅拌槽的传热公式，即永田公式： 当 1 1000 时：nu w 042 2 3 1 3 0 14 .re pr . 考虑叶轮与槽壁间隙大小对传热的影响时： nu dd d 175 1 3 1 3 0 2 1 3 .re pr . 2i d nu 搅拌雷诺准数re d n 2 式中 d 搅拌叶轮直径，m； n 搅拌转速，r/s； d 聚合釜内径，m。 设计中取：d1.8m；d0.95d1.71m；n59r/min。 w 09 . 以 1 号釜为例计算对流传热系数 1 1 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） re . . d n 2 2 171 59 60 6068 35 49851 pr . . cp 257441035 00956 94251046 3 2 1 1 3 1 3 0 2 1 3 175 00956 18 498519425104609 18171 18 . . . . . . 8908 20 .()wmc 同理，2 号、3 号、4 号釜计算结果如表 4-11 所示； 表 4-11 各釜对流给热系数计算结果 釜号reprnu2 1498.5194251.0461677.238589.08 2239.31192314.911666.369291.28 3166.12273982.091660.119492.69 4102.68440521.651656.673293.51 各釜总传热系数 k 的计算； 图 4-2 聚合釜剖面 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 聚合釜壁剖面图如图 9-9 所示，由于，所以按基础化学工 d d 外 内 1022. 程上册 p180 式 3-58 计算各釜 k 值。 111 1 1 1 2 2 3 32 k 以 1 号釜为例 已知： 1 20 366946.()wmc 2 20 8908.()wmc 挂胶厚度，；110001mmm.1 0 01396.()wmc 釜壁厚度，（白钢导热系数）； 2 160016mmm.2 0 17445.()wmc 取水垢厚度，查基础化学工程上册 p180 表 3-930500005mmm 得 25cacl2 盐水的垢层系数。dwmc13956 20 .() 11 221943 001 01396 0016 17445 1 13956 1 8908 1 k . . . . . () /0089 20 mcw 对 2 号釜、3 号釜、4 号釜而言，取挂胶厚度为 1mm，其它数据同上，各 釜 k 值计算结果如表 4-12 所示： 表 4-12 各釜 k 值计算结果 釜 号 11122d2k 1221.940.010.13960.01617.4451395.689.0811.24 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 3 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 续表 釜 号 11122d2k 2221.94 3 0.0010.13960.01617.4451395.691.2841.22 3221.94 3 0.0010.13960.01617.4451395.692.6941.50 4221.94 3 0.0010.13960.01617.4451395.693.5141.67 （5）聚合