丁苯橡胶聚合反应釜

1、高分子材料课程设计学院：装备制造学院班级：复材1102姓名：梁笑微学号：110690208指导老师：白咏梅日期：2014.1.6目录一、有关设计的产品和原料概述 -3 -1.1 设计题目 -3 -1.2 丁苯橡胶的概述 -3 -1.3 丁苯橡胶的原料和助剂 -3 -1.4 低温乳液聚合的生产原理 -4 -1.4.1 聚合原理 -4 -1.4.2 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺条件 -5 -二、丁苯橡胶的生产工艺流程 -6 -三、设计介绍 -6 -3.1 设计题目 -6 -3.2 设计参数和技术特性指标 -7 -四、夹套式反应釜总体结构 -7 -4.1 罐体几何尺寸计算 -8 -4.1.1 确定筒

2、体内径 -8 -4.1.2 确定釜体封头尺寸 -8 -4.1.3 釜体实际容积 -8 -五、反应釜传热装置 -8 -六、搅拌装置设置 -8 -七、反应装置的传动装置设计 -13 -7.1 电动机的选择 -14 -7.2 、减速器的选择 -14-7.3 轴封的选择 -16 -八、反应装置的附件选型以及尺寸设计 -18 -8.1 管法兰尺寸的设计 -18 -8.2 釜体法兰联接结构的设计 -19 -8.2.1 法兰的设计 -19 -8.2.2 密封面形式的选型 -20 -8.2.3 垫片的设计 -20 -8.2.4 螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格 -20 -8.3 人孔的选用 -21 -结束语 -22

3、 -有关设计的产品和原料概述1.1 设计题目丁苯橡胶聚合反应釜的设计1.2 丁苯橡胶的概述丁苯橡胶是丁二烯与苯乙烯经共聚合得到的弹性体。英文缩写sbr其中丁二烯可以顺式一1, 4结构，反式一l , 4结构和1, 2结构存在于分子链中。具结构式为：ch-ch-c吨-ch=ch-c+ ic6h5按聚合方法分为乳液丁苯和溶液丁苯胶，填充改性后又分为充油、充炭黑、 充树脂丁苯胶等。丁苯胶中苯乙烯含量增加，密度与硬度增大，介电性改善，但 耐油性、弹性、塑性和耐寒性降低。耐磨性、耐老化性、耐水性和气密性优于天然橡胶，粘合性、弹性和形变发热量低于天然橡胶1 0 丁苯橡胶综合性能优良, 是合成橡胶的第一大品种

4、，产量占合 成橡胶的60%1.3 丁苯橡胶的原料和助剂丁苯橡胶由苯乙烯和丁二烯共聚合成， 苯乙烯和丁二烯的物理性质如下:表1 4苯乙烯和丁二烯的物理性质物质分子式熔点沸点密度颜色、气味、其它(c)(c)g/cm3状态（常温）苯乙烯gh-ch=ch2-331460. 9090(20/4 c )无色后芳香气味液体不溶于水，溶于乙醇和乙醛，能与其他单体聚合，有强折射性一烯ch=ch-ch=ch-108.9-4.450. 6211(20 c)无色，有特殊气味，气体性活泼，易起聚合反应，后麻醉性，特别刺激黏膜。表1 5 助剂助剂名称活性剂乳化剂防老剂硫化剂补强剂氧化剂还原剂促进剂分子量调节剂物质氧化锌歧

5、化松香酸甲皂n苯基一 3 一票胺硫磺炭黑过氧化氢对镒烷硫酸亚铁曝嚏类、叔十二碳硫醇1.4 低温乳液聚合的生产原理1.4.1 聚合原理丁二烯与苯乙烯在乳液中按自由基共聚合反应机理进行聚合反应。其反应式与产物结构式为:mch2=ch-ch=ch2+ n /mch=ch2 -ch ch2-n-ch 2-ch=ch-ch 2-m- fol在典型的低温乳液聚合共聚物大分子链中顺式约占9.5%,反式约占55%乙烯基约占12%如果采用高温乳液聚合，则其产物大分子链中顺式约占16.6%,反式约占46.3%,乙烯基约占13.7%5。乳聚丁苯橡胶属于乳液法链式自由基聚合机理。整个聚合过程分为链引发、链增长、链转移

6、和链终止四个步骤。1.4.2低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺条件(1)分散介质一般以水为分散介质。要求必须采用去离子水，以保证乳液的稳定和聚合产 物的质量。用量一般为单体量的 60%-300%水量多少体系的稳定性和传热都有 影响，水量少，乳液稳定性差，不利于传热；尤其在低温下聚合这种影响更大， 因此，低温乳液聚合生产丁苯橡胶要求乳液的浓度低一些为好，一般控制单体与水的比值为1 ： 1.051 ： 1.8 (物质的量的比)，而高温乳液聚合则为1 ： 2.01 ： 2.5。(2)单体纯度丁二烯的纯度 99%对于由丁烷、丁烯氧化脱氢制得的丁二烯中丁烯含量1.5%,硫化物0.01%,染基化合物0.006%

7、;对于石油裂解得到的丁二烯中烘烂的含量0.002%,以防止交联增加丁苯橡胶的门尼粘度。 阻聚剂低于0.001% 时对聚合没有明显影响，当高于 0.01%寸，要用浓度为10%-15%勺naoh液于 30c进行洗涤除去。苯乙烯的纯度 99%并且不含二乙烯基苯。(3)聚合温度与聚合采用的引发剂体系有关。低温乳液聚合生产丁苯橡胶采用氧化-还原引发体系，可以在5c或更低温度下(10c-18c)进行，同时，链转移少，产物中低聚物和支链少，反式结构可达 70%右。低温乳液聚合所得到的丁苯橡胶又称为冷丁苯橡胶。如果采用 k2s2o班引发剂，反应温度为50c,反应转化率为72%- 75%低温下聚合的产物比高温下

8、聚合的产物的性能好。(4)转化率与聚合时间为了防止高转化下发生的支化、交联反应，一般控制转化率为60%-70%多控制在60流右。未反应的单体回收循环使用。反应时间控制在712h,反应 过快会造成传热困难。二、丁苯橡胶的生产工艺流程三、设计介绍3.1 设计题目丁苯橡胶聚合反应装置的设计(vn=44m3)3.2 设计参数和技术特性指标表2-1设计参数及要求容器内夹套内工作压力（mpa10.3设计压力（mpa1.10.33工作温度（c）55介质乳液和单体传热面积，m250全容积（m3）44搅拌轴转速（r/min）80轴功率，kw65四、夹套式反应釜总体结构带搅拌的夹套反应釜是化学、医药及食品等工业中

9、常用的典型反应设备之 一。它是一种在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液 体以及液体与固体或气体物料混匀， 促进其反应的设备。一台带搅拌的夹套反应 釜。它主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接 管和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力 容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成， 其形式通常由工艺设计而定；传动装置 是为带动搅拌装置设置的，主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成；封头 装置为动密封；它们与支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应 釜。夹套式反应釜是由罐体和夹套两大部分组成。罐体和夹套的

10、设计主要包括其结构 设计，各部件几何尺寸的确定和强度的计算与校核。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空间。夹套传热是一种应用最普遍的外部传热方式。它是一个套在罐体外面能形成密封空间的容器，既简单又方4.1 罐体几何尺寸计算4.1.1 确定筒体内径通常由工艺条件给定容积 v、筒体内径 d1按式1估算:di4 443.14 2.0= 3.00式中v 工艺条件给定容积，m3;i 长彳比，i =孚=2.0 （设备容积要求44 m3 ,反应物料为液一液类d1型，由表3-1知h1：di =11.3 ,考虑容器不大，为使直径不致太小，在顶盖上方便布置接管和传动装置，故取 h1

11、: di =2.0。）将d1估算值圆整到公称直径系列，见附表 1表3-1几种搅拌釜的长径比i值种 类设备内物料类型i一般搅拌釜液-固相或液-液相物料1 1.3气-液相物料12发酵罐类1.7 2.54.1.2 确定釜体封头尺寸椭圆封头选标准件，则应力增强系数 k=1,封头厚度（初选值）pdi1.1 3000=1二二 12.16mm2二:-0.5p 2 170 0.8 0.5 1.1圆整后取、,. =13mm（钢号为16mnrfiff以仃=170mpa、中=0.8、p = 1.1mpa,它的内径与筒体内径相同 d1=3000mm查表得封头直边高度ho=40mm封头容积v封=3.817m3公称直径d

12、n/mm直边高ho/mm内表面积a/m2厚度d/mm容积v/m330004010.133133.8174.1.3 确定筒体高度曰反应釜容积v通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度h1按下式计算并进行圆整。查表得釜体的容积 v,米=7.030m3,由下式计算得:v1米7.03v -v封 44-3.817 =5.716m式中v封封头容积，m3v1m1米高筒体容积，m3/m当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正实际容积，则圆整后的釜体高度h二5700mm。4.1.4 釜体实际容积3v =v1mmh1 +v封=7.035.7 +3.817 =43.888m式中v封封头容积，m3v1m1米

13、高筒体容积，m3/mh1圆整后白筒体高度，m。图3-1 椭圆封头简图五、反应釜传热装置夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构。夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套的内径 d2可根据筒体内径d1选取d2=d1+200=3200m表3-2夹套直径d2mmd1500600700180020003000d2d1+50d1+100d1+200夹套下封头型式同罐体封头，具直径 d2与夹套筒体相同。夹套高h2由传热 面积决定，不能低于料液高。装料系数 ”没有给定，则应合理选用装料系数”的 值，尽量提高设备利用率。通常取=0.60.85所以取州=0.80。物料反应平稳 或物料粘度较大十，应取大值，=

14、0.80.85所以“取0.80。夹套高h2按下 式估算。h 2 = ( -v封)/vim =(0.8 父44-3.817) /7.03 =4.464mh 2圆整后取h 2 =4.50m式中v封封头容积，m3v1m1米高筒体容积，m3/m夹套所包围的罐体的表面积（筒体表面积f筒+封头表面积f封）一定要大于 工艺要求的传热面积f,dn =3000mrft体下封头白内表面积 fh =10.133m2;dn =3000mrft体（1m 高）的内表面积 f1 =9.43m2; 2夹套包围筒体的表面积：fs =f1 hj =9.43 4.5 = 42.435m22fh fs =10.133 42.435

15、= 52.568m2由于釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不断进行，且会引起釜内温度升高。为防止釜内温度过高，在釜体的上方设置了冷凝器 进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。如果釜内进行的反应是吸热反应， 则需进行传热面积的校核，即：将fh+fs = 52.568m2与工艺需要的传热面积a进 行比较。若fh+fs a,则不需要在釜内另设置蛇管；反之则需要蛇管。搅拌设备的传热与普通换热器的传热机理是相同的，搅拌容器内物料的热量 传递到夹套的热载体上，必须通过被搅物料对传热面的对流传热、被搅物料侧壁 面污垢热阻、筒体的热传导、热载体处污垢热阻、传热面对热载体的对流传热等 五个

16、环节。这个传热过程可用传热速率方程表示如下。q=wcp鳖=kaat错误！未找到引用源。2-1d1式中w 搅拌釜内液体的质量，错误！未找到引用源。；cp 搅拌釜内液体的比热，4.65 , kj/（kg_0c）错误！未找到引用源。；t 液体主体温度，c；错误！未找到引用源。时间，s错误！未找到引用源。；q 搅拌釜内物料传热速率，kj / s ;总传热系数，取0.95, w/(m2lk)错误！未找到引用源a错误！未找到引用源。传热面积，m2;t一传热温差，取30, ko取由b=0.008c/s错误！未找到引用源。 d搅拌釜内液体的质量：w =vp,其中混合液体密度为p=1000kg/m3错误！未 找

17、到引用源。，物料填充系数为0.8,所以搅拌釜内液体的体积 v =0.8x44 =35.2m2错误！未找到引用源。 所以：w=v：=35.2 1 000 = 3.52 1 04kg所以q =wcp鳖 =3.52父16 m 4.65 0.008 1309.4j s错误！未找到引用 di源。可得错误！未找到引用源。a= q = 1309.44 = 50m2k t 0.95 30六、反应装置搅拌装置设计搅拌器的型式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。搅拌装置由搅拌器、搅拌轴及叶轮组成。搅拌轴的设计主要是确定危险截面处的 最小尺寸，进行强度、刚度计算或校核、验算轴的临界转速和挠度，以便

18、保证搅 拌轴能安全平稳地运转。其机械设计的主要内容是：确定搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构，进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构。本反应釜工作介质为为乳液及有机溶剂，属于液-液混合，且要求工作转速为80r/min ,由文献查的选用直叶径圆盘涡轮式搅拌器表4-1搅拌器型式选用表(摘自 hg/t20569 94)工艺过程类别控制因素适用搅拌器型式di/djh0/dj调和（低粘度均相液体混合）容积循环速率推进式、涡轮式推进式：4:13:1涡轮式：6:13:1不限分散（非均相液体混合）液滴大小（分 散度）容积循 环速率涡轮式3.5:1 3:11:1 1:26.1搅拌器的选型其与轴连

19、接的结构设计各种形式搅拌器的主要尺寸与搅拌容器的内径有关，它们存在一定比例关系：框式搅拌器dj常取内径di的0.90.98。本设计选取框式搅拌器，dj常取内径di的0.9, dj = 0.9父3000 = 2700mm,所以dj取2700符合要求。搅拌器的潜液深度:2di 2 3000s = -1 = = 2000mm33搅拌器至容器底部距离：30003=1000mm搅拌功率的计算:搅拌器的搅拌功率按fmp的功率准数算法计算，取反应釜内单体及乳液混 合物粘度为n = 100pa.s,液体的相对密度取p = 1000kg/m3。搅拌轴功率准数可 查压力容器与化工设备使用手册锚式和框式搅拌器功率准

20、数（po）图。查得po=3.6。所以搅拌轴功率为：”/3町=3.6父1000父1.33晨1.55=64.我错误！未找到引用源。搅拌功率取值ps = 65kwo七、反应装置的传动装置设计搅拌设备传动装置系统一般包括电动机、变速器、联轴器（传动轴） 、机架 及凸缘法兰等。搅拌反应釜的传动装置通常设计在反应釜的顶部，一般为立式。 电动机经过减速器将转速减到工艺要求的转速，再通过联轴器带动搅拌轴旋转，从而带动搅拌器旋转。7.1 电动机的选择电动机是专门工厂批量生产的标准部件，设计时要根据工作机的工作特性、 工作环境和工作载荷条件，选择电动机的类型、结构、容量和转速，并在产品目 录中选出其具体的型号和尺

21、寸。搅拌设备选用电机主要是考虑到它的系列，功率，转速，以及安装形式和防爆要求等几项内容。最常用的为 y系列全封闭自扇冷式三相异步电动机。电机功率必须满足搅拌器运轴功率与传动系统，轴封系统功率损失的要求，还要考虑到又时在搅拌过程操造作中会出现不利条件造成功率过大。 p p电机功率可按下式确定：pd =m式中 pd 电机功率，kwp搅拌器功率,kwpm-一轴封系统白摩擦损失，kvv圆柱齿轮传动0.9则：pd =p pm65 0.280.90=72.53kw表5-1传动机械效率类别传动形式效率圆柱齿轮传动开式传动、铸齿（考虑轴承损失）0.9 0.93设计采用单端面机械轴封，功率消耗小，pm =2父1

22、0” = 1101.2 m 10* = 0.28kw根据计算功率72.53kw以及电机标准规格选取容量为 11kw的三相异步电动机，然而容量相同的电动机，一般有 3000、1500、1000及750 r/min四种同步转速。电动机同步转速愈高，磁极对数愈小，价格愈低。但是电动机的转速愈高，减速机的传动比就会愈大，会是减速机外部尺寸增加，提高制造成本。因此，在确定电动机转速时，应综合考虑，对比分析。在本设计中选用y280s-2电动机，转速为 750r/min ,功率为 75kw7.2 减速器的选择减速器是用于原动机和工作机之间独立的闭式传动装置，其主要功能是降低 转速，并相应增大扭矩。由于搅拌轴

23、转速大多在30600r/min范围内，小于电动 机额定转速，故在电动机出口端大多需要设置减速器。在众多减速器品种中，搅拌设备应用最多的是立式结构，具结构和技术性能也与 普通减速器有所不同。这是因为搅拌设备用减速机必须能够适用与各种化学工业 环境的工艺要求，同时能够承担各种不同搅拌操作过程产生的工作负荷和稳定问 题，而且在体积上也是要求尽量小地占用空间。目前，我国釜用立式减速器通常有两级齿轮减速器、摆线针齿行星减速器、三角皮带减速器和v带减速器。本设计选用两级齿轮减速器，其主要特点是效率高， 工作耐久，维护简便。由文献知，圆柱齿轮减速机的效率为0.980.995,取两级齿轮减速器的效率为96%减

24、速器的输出功率为：p o 0.96p = 0.96 75 = 72kw因巳8kw,故符合搅拌要求。减速器型号：lc250-6该减速器的安装尺寸及外形见减速机的安装尺寸表。表5-2减速机的安装尺寸表机型号中心距a/mm 轴径d/mm轴承间距gflc250250100m630480表5-3减速机外型尺寸表dbhih2hhh725920598290168321081973-2398863/883机型号外形尺寸d1(h9)d2d3n-d0hclllc25047052058012-（）22288190机型号外形尺寸lnm0btd (h6)lblc2501702-m12289070125207.3 轴封的

25、选择轴封即搅拌设备传动轴的密封装置，是搅拌设备的一个重要组成部分。其功能是保证搅拌设备内处于一定的正压或真空状态。阻止和减少工作介质向外泄漏以及外界杂质进入内部工作系统。由于使用环境的特殊性，不是所有的动密封 装置都适用搅拌设备。搅拌设备常用的轴封结构有液封、填料密封和机械密封等 三种型式。反应釜中应用的轴封结构主要有两大类， 填料箱密封和机械密封。考虑到釜内的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，因此选用机械密封。机械轴封是一种功耗小，泄露率低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀、易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。根据本设计的搅拌设备的参数 pw=1mpa、t

26、=550c、搅拌速度n=80r/min、传动轴径d =100mm。查表选用hg/t2098釜用机密系列中的206,其结构特征：系列代号结构特征压力/mpa轴径/mm温度/c转速/m/s206双端面、小弹簧小于1.640220小于150小于3图5-2 釜用206型机械密封结构表5-6釜用机械密封的主要尺寸mm轴径dddid2螺柱孔lil2封液进出n口100240210176818160280g1/2八、反应装置的附件选型以及尺寸设计8.1 管法兰尺寸的设计化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些各种用途的孔以及接管口。工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的结构如图。由文献3表

27、12-149得并根据pn =1.1mpa和接管的dn ,由板式平焊管法兰标准 (hg20592确定法兰的尺寸。管法兰的尺寸见表6-1。表6-1板式平焊管法兰的尺寸(hg20592mm接管名称公称 直径dn接 管 外 径a连接尺寸法兰厚度c密封面法 兰 内 径b坡 口 宽 度 bdklnthd厚度f安全阀接口、蒸汽接口253210075114m101458233一工艺物料进口5057140110144m121688259一水进口5057140110144m121688259一温度计接口200219320280188m16222542222一备用口100108210170184m161814421

28、10一水出口5057140110144m121688259一物料出口4550130100124m121680259一-23 -8.2 釜体法兰联接结构的设计设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的 设计。8.2.1 法兰的设计(1)根据dn =3000mm pn =1.1 mpa ,由文献1327页表16-9确定法兰的类型为甲型平焊法兰。标记：法兰一f3000-1.1 jb/t4701材料：16mnr(2)法兰的结构和主要尺寸如图 6-3如表6-4图63甲型平焊法兰表6 4法兰结构尺寸公称直径dn/mm法兰/ mm螺栓ddid2d3d46d规格数量3000323031

29、9031003050301015050m30648.2.2 密封面形式的选型根据pn =1.1 mpa 1.6 mpa、介质温度55c和介质的性质，由压力容器与化工设备实用手册知密封面形式为光滑面。8.2.3 垫片的设计查表得垫片选用耐油橡胶石棉垫片，材料为耐油橡胶石棉板（gb/t539 ,结构及尺寸见图64 o口口 4 |4 r图6-4垫片的结构8.2.4 螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格本设计选用六角头螺栓（c级、gb/t5780-2000）、i型六角螺母（c级、gb/t41-2000）平垫圈（100hv gb/t95-2002）螺栓长度l的计算：螺栓的长度由法兰的厚度（6）、垫片的厚度（s）、

30、螺母的厚度（h）、垫圈厚度（h）、螺栓伸出长度（0.3t 0.5）d确定。其中6 =60 mm、s =2 mm、h =30 mm、h =34 mm、螺栓伸出 长度取0.3d =0.3 x 27.7 mm螺栓的长度l为：l =26+s + h +2h+0.4d =2 60 2 30 2 3 0.3 27.7=169 （ mm）取 l = 170mm螺栓标记： gb/t5780-2000m 20 130螺母标记：gb/t41-2000m20垫圈标记： gb/t95-2002 24-100hv8.3 人孔的选用人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。根据容器使用 条件不同，人孔盖开启的频率也不一样，因此人孔又可分为快开式和非快开式两 类结构需要经常启闭的人孔，采用快开式机构。这类人孔开启虽然快捷，但有的 承压能力较低（如旋柄式