年产1.1万吨顺丁橡胶生产工艺设计说明书

1、“化工设计”课程作业北京化工大学 化学工程学院设计说明书题 目：年产1.1万吨顺丁橡胶生产工艺设计学 生： 班 级： 学 号： 指导教师： 2014年12月目录1、工艺设计基础21.1、设计任务21.1.1、设计任务21.1.2、文献综述21.2、原辅材料性质及技术规格21.3、产品性质及技术规格31.3.1、顺丁橡胶的结构31.3.2、顺丁橡胶的性能41.3.3、顺丁橡胶的用途41.3.4、生产中成品胶质量指标41.4、危险性物料的主要物性51.5、原材料的消耗定额52、工艺说明652.1、生产方法、工艺技术路线及工艺特点52.1.1、生产方法52.1.2、工艺技术路线的确定62.2、生产流

2、程说明72.2.1、主要流程工艺72.2.1、主要工艺流程说明72.2.2、聚合工艺82.2.3、凝聚工艺82.2.4、橡胶的后处理92.2.5、单体及溶剂回收工艺92.2.5、三废处理93、工艺计算及主要设备设计103.1、物料衡算103.1.1 计算的基础数据103.1.2、计算基准133.2、热量衡算213.2.1、计算的基础数据213.2.2、各釜对流传热系数a和传热系数K的计算233.2.3、各釜热量衡算273.3、聚合釜的计算和选型303.3.1、基础数据313.3.2、聚合釜总容积及台数的确定313.3.3、聚合釜搅拌功率的计算314、工艺控制条件及自控设计334.1、控制指标3

3、44.2、开停车345、附图356、参考文献37 1、工艺设计基础1.1、设计任务 1.1.1、设计任务本设计为年产1.1万吨顺丁橡胶（纯度99%）生产工艺设计，顺丁橡胶生产工艺由聚合工段和后处理工段两大部分组成，本设计的主要任务是：1. 聚合釜、终止釜和凝聚釜的物料衡算2. 聚合釜的热量衡算；聚合釜的计算和选型3. 设计出聚合工段带工艺控制点的工艺流程图由于本设计为假定设计，所以设计任务中其他项目如：厂区或厂址、主要技术经济指标、原料的供应、技术规格以及燃料种类、水电汽的主要来源，与其他工业企业的关系，建厂期限、设计单位、设计进度及设计阶段的规定等均从略。1.1.2、文献综述目前世界上大部分

4、顺丁橡胶生产采用溶液聚合法1。关于顺丁橡胶生产技术的进展，主要体现在催化剂、分子量调节、生产工艺、新产品开发以及装置设备等方面。因此，对顺丁橡胶生产工艺进行研究，具有一定的积极意义。工艺展望 1. 进一步优化催化体系和工艺条件12. 积极开拓顺丁橡胶应用领域3. 聚合温度进一步提高，利于聚合、凝聚和节能2 4. 应加强新产品开发,满足市场需求3 顺丁橡胶是顺式-1,4-聚丁二烯橡胶的简称，由丁二烯聚合得到。顺丁橡胶是目前世界上第二通用合成橡胶，与天然橡胶和丁苯橡胶相比，硫化后的顺丁橡胶的耐寒性、耐磨性和弹性特别优异，动负荷下发热少，耐老化性好，易与天然橡胶、氯丁橡胶或丁腈橡胶并用，主要用于轮胎

5、加工行业，在传送带、传动带、模压制品、鞋底、胶鞋及海绵胶等方面得到广泛应用。1.2、原辅材料性质及技术规格表1.1-原材料、产品技术规格4名称规格分析方法国家标准单体丁二烯纯度:99%气相色谱法GB 6013-85丁烯:<1%水<20mg/kg卡尔费休尔法GB 6023-85醛酮总量：20mg/kg气相色谱法二聚物:50mg/kg气相色谱法GB 6013-85乙腈：检不出溶剂溶剂油组成：2.1%，57.8%，40.1%馏程：6090蒸馏法GB 255-77碘值：<0.2g/100g化学法水值：<20mg/kg卡尔费休法GB 6023-85催化剂环烷酸镍镍含量：>7

6、-8%络合滴定法水分：<0.1%蒸馏法GB 260-88不皂化物：无化学法三异丁基铝活性铝含量：50%络合滴定法外观浅黄透明，无悬浮物三氟化硼乙醚络合物BF3含量：>46%化学法沸点：124.5-126水含量:<0.5%卡尔费休法GB 6283-86终止剂乙醇纯度：95%；含水：5%；恒沸点：78.2；密度810kg/m3GB/T679-2002防老剂2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚熔点：69-71；游离甲酚：<0.04%；灰分<0.03%；油溶性：合格1.3、产品性质及技术规格顺丁橡胶的物理化学性质与其结构的直接关系。这种结构又分为分子内结构和分子间结构(聚集态结

7、构)。1.3.1、顺丁橡胶的结构 H H C C CH2 CH2 CH2 CH2 C C H H 顺式1.4结构 0.86nm还有反式1.4结构和1.2位加成产物。利用环烷酸镍三异丁基铝三氟化硼乙醚络合物引发体系使丁二烯聚合后的产物中含9698的顺式1.4结构，含12反式1.4结构和12的1.2结构加成物。这种以顺式1.4结构为主的聚合物具有分子链长，自然状态下为无规线团状；分子内存在独立双键使大分子链的柔性大，同时易于硫化处理的特点。由于顺式1.4结构含量大，使得大分子的规整性好，同时又由于分子链无取代基，造成对称性好，但因其重复结构单元之间距离大，而使顺式1.4结构聚丁二烯比反式1.4结构

8、聚丁二烯更难于结晶。即便能结晶，其熔点也低(顺式1.4含量为98.5的产物，熔点为0)，因此，在常温下无结晶态，只以无定形形态存在。相反，反式结构产物易结晶。故此，前者是高弹性体，后者无弹性。1.3.2、顺丁橡胶的性能通过与天然橡胶相比，顺丁橡胶具有弹性高、耐低温性好、耐磨性佳、滞后损失和生热性小、耐挠曲性及动态性能好以及耐老化、而永久性好等特点。被广泛用于轮胎加工行业。但它也有加工性欠佳、强度较差、抗湿滑性不好、有冷流性倾向等不足。顺丁橡胶的性能一看生胶的性能(可塑性、加工性、外观、颜色等)好坏，影响它因素有聚合方法、引发剂系统、生胶的分子结构、门尼粘度、平均分子量、分子量分布、凝胶含量、灰

9、分、挥发份等。二看硫化后的硫化胶性能(抗张强度、300定拉伸强力、伸长率、硬度、回弹性、生成热、永久变形、磨耗量等)，影响硫化胶的因素有门尼粘度、凝胶含量、加工用的配合剂(种类、用量、配方)加工方法等。1.3.3、顺丁橡胶的用途广泛用于制造乘用车和卡车轮胎，几乎占该类橡胶消耗量的86%以上，可以改善轮胎的耐磨性，延长其寿命。也适用于制造力车胎、胶管、胶带、胶鞋以及其他橡胶制品。1.3.4、生产中成品胶质量指标表1.2-GB 8659-88标准规定性能指标5项目优级品一级品合格品挥发份, £0.751.001.30灰分, £0.300.300.30生胶门尼粘度 45±

10、;545±545±7混炼胶门尼粘度 £687373300定伸应力MPa硫化145×25min6.510.56.210.76.011.0硫化145×35min7.011.06.711.26.511.5硫化145×50min6.810.86.511.06.311.3（续表1.2）拉伸强度MPa硫化145×35min³14.2³13.7³13.2伸长率硫化145×35min³450³430³430防老剂非污染非污染非污染非污染1.4、危险性物料的主要物性表1.3

11、-危险性物料主要物性表名称分子量熔点（）沸点（）闪点（）燃点（）爆炸极限危险概述上限下限丁二烯54.09-108.9-4.5<-641516.31.4三异丁基铝198.33-5.686<0<4危险标记 9(易燃物品)溶剂油-25230-2607.01.0急性毒性LD50：无资料；LC50：16000mg/m，4小时乙醇46.07-114.378.4137518.953.28三氟化硼乙醚络合物142-48124.5-12666.744511.12本产品遇明火会发生燃烧爆炸危险。注：数据来源合成橡胶工业手册第二版，赵旭涛、刘大华主编P5031.5、原材料的消耗定额表1.4-原料消

12、耗定额数据表序号名称规格消耗量备注kg/ht/a1丁二烯纯度：99.3%1659.79913278.3902溶剂油C52.1%， C657.8%， C740.1%6369.54250956.3323环烷酸镍纯度7.5%0.4783.8224三异丁铝活性铝含量50%1.2099.6695三氟化硼乙醚络合物BF3含量46%1.88415.0756工业乙醇纯度95%0.8877.0947防老剂浓度117g/L13.021104.1652、工艺说明62.1、生产方法、工艺技术路线及工艺特点2.1.1、生产方法目前世界上顺丁橡胶生产大部分采用溶液聚合法。生产采用的催化剂主要有Ni系、Ti系、Co系、Li

13、系等。目前，目前，国内工业上采用的是Ni系催化剂体系，该催化剂活性高；顺式含量在97%以上；产品质量均匀，产物的综合物理机械性能较好，分子量较易控制，易于加工，冷流倾向小，便于连续生产；改变条件（温度，单体浓度）对聚合物的性能无影响。该工艺主要工序包括：催化剂、终止剂和防老剂的配制和计量；丁二烯的聚合；胶液的凝聚；后处理，橡胶的脱水和干燥；单体、溶剂的回收和精制。2.1.2、工艺技术路线的确定（1）、聚合方法的确定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

14、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。（2）、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。（3）、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，对常用的四大类型引发剂Li系、Ti系、Co

15、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。该引发剂催化活性高；顺式含量在97%以上；产品质量均匀，产物的综合物理机械性能较好，分子量较易控制，易于加工，冷流倾向小，便于连续生产；改变条件（温度，单体浓度）对聚合物的性能无影响。（4）、催化剂的陈化把催化剂的各组份按一定配比，在一定条件下混合，形成催化剂的活性中心，这种方式工业上称之为陈化。Ni催化剂的陈化有三元陈化、双二元陈化和稀硼单加陈化三种方法。目前顺丁橡胶工业制备中采用的催化剂陈化方法为稀硼单加陈化，该法特点是催化剂活性最高。（5）、聚合反应机理丁二烯分

16、子中的键很活泼，在催化剂的作用下，可以打开，使丁二烯分子相互加成，形成聚丁二烯大分子，整个聚合过程由以下几个基本阶段构成：1、链的引发丁二烯在催化剂的作用下活化，这种被活化了的单体叫做活性中心，能够很快地引发单体进行聚合。一般来说，促进催化剂各组分起反应、活化单体、引起聚合、都需要能量，所以在开始聚合时通常需要从外部提供热。2、链的增长带有单体的活性中心很活泼，能很快和更多的单体分子起反应，反应后的活性链其活性并不衰减，结果在很短的时间内形成了带有成千上万单体链节的活性长链分子。在链增长阶段，由于大量的丁二烯分子进行了聚合，形成了长链大分子，在这一过程分子数急剧下降，分子量显著升高。并且在该阶

17、段，有大量的旧键破坏（键被打开）、新键形成（键），使得反应放出大量的热，所以当一旦引起聚合后，必须立即加强外部或内部冷却，取走热量，否则将无法维持恒定的聚合温度。3、链的终止在一定的聚合条件和环境中，链增长到一定长度之后，由于某种化学或物理因素的影响，活性中心从增长链上脱落，再生出活性中心而使原有的增长链终止，变为无活性的聚丁二烯分子实验证明，活性中心的寿命是很短的，大部分分子在很短时间内已经长成，所以延长聚合时间、增加串联釜数，只能提高转化率而不能增加分子量，因此无需加专门的终止剂来终止活性链。在生产中聚合完了加终止剂，除了终止一些正在增长的分子外，主要是用终止剂来破坏剩余的催化剂，是不再发

18、生聚合，以保证橡胶质量，绝不是所有的增长链都等到加终止剂时才终止。2.2、生产流程说明溶液聚合生产顺丁橡胶工艺过程包括原料精制、引发剂配制、聚合、回收、凝聚、后处理等工序。2.2.1、主要流程工艺图2.1_主要流程工艺框图2.2.1、主要工艺流程说明a) 聚合级丁二烯由泵经流量控制与由泵经流量控制送来的溶液油在文氏管中混合后，再经丁油预热（冷）器进行预热（冷）后，与分别由计量泵送出的Ni组分、Al组分经文氏管混合后的混合物混合，连续送入聚合釜首釜底入口；b) B组分由计量泵送出与稀释油在文氏管中混合后直接送入聚合釜首釜底入口；c) 聚合釜为不锈钢制并装有双螺带式搅拌器；d) 物料在首釜反应一定

19、时间后，从釜顶出来进入第二釜、第三釜等连续进行聚合反应，e) 当达到规定门尼粘度后，进入终止釜用乙醇破坏引发剂使反应终止；f) 从终止釜出来的胶液经过滤器进入胶液罐，回收部分未反应的单体送单体回收罐区，再经精制处理循环使用；胶液在胶液罐中被混配成优级品的门尼粘度，然后经胶液泵送入凝聚釜用0.9MPa水蒸汽在搅拌下於热水中进行凝聚。g) 从凝聚釜顶出来的单体和水蒸汽经冷凝器冷凝，入油水分离罐分离出溶剂油和少量单体送回收精制后循环使用；水经液面调节阀控制排出，经二次净化处理排入地沟。h) 从凝聚釜底出来的胶粒与循环热水颗粒泵送入缓冲罐，经1号经振动筛分离出胶料去洗胶罐。在洗胶罐中，用4060热水对

20、胶粒进行洗涤，洗涤后的胶粒经2号振动筛分离后，含水量约为40%60%的胶粒送入挤压机挤压脱水。i) 经挤压脱水后，胶粒含水量为8%15%。将其切成细条形，并进入膨胀干燥机加热、加压，达到膨胀和内蒸，进一步除去所含的大部分水分，再送入水平红外干燥箱中干燥，使胶条的含水量降到0.75%以下。j) 干燥合格的胶条经提升机送入自动称量秤，按每块25kg进行压块，并用塑料薄膜包好，装袋封口入库。2.2.2、聚合工艺丁二烯采用配位聚合法（双烯烃定向聚合），生产采用连续式溶液聚合法。表2.1_典型生产配方项 目控制指标项 目控制指标丁油浓度12-15g/ml镍/丁2.0×10-5铝/丁1.0

21、15;10-4硼/丁2.0×10-4铝/硼0.25醇/铝6铝/镍3-8防老剂/丁0.79-1.0%聚合压力0.45MPa丁二烯单耗1.045t/t-p收率95%转化率83%聚合温度首釜95；末釜1002.2.3、凝聚工艺从聚合终止釜出来的胶液，除含有百分之十的顺丁橡胶外，还含有大量的溶剂和未反应的丁二烯以及残存的催化剂等。凝聚的任务是将顺丁橡胶从胶液中分离出来。工业上常用水析法凝聚，在机械搅拌下，使胶液呈液滴状分散于热水中，用直接蒸汽通入，靠部分蒸汽冷凝放出潜热来加热热水，热量通过热水传递给胶粒。此时，液滴状胶液中的溶剂、丁二烯等受热部分气化，这部分溶剂气体被水蒸气按一定的比例带出凝

22、聚釜，达到脱除溶剂的目的。溶剂蒸出后的橡胶呈胶粒状析出，分散于水中。凝聚的工艺设备有凝聚釜、汽相过滤器、冷凝器、油水分层罐、热水罐、丁二烯冷凝器、溶剂冷凝器、胶液泵、热水泵、颗粒泵、溶剂泵、单体泵和碱泵。2.2.4、橡胶的后处理顺丁橡胶胶液经水析凝聚脱除溶剂后，所得到的生胶中，除了含有少量剩余溶剂油和残存的催化剂外，还含有大量的水，一般含水量在40-60%范围内。在进行橡胶加工之前，必须进行干燥，将残留的溶剂和大量的水分除掉，使成品胶含水量低于1%。此外，为了便于运输、存放和防止生胶变质，橡胶的后处理还包括压块成型、包装等工序。2.2.5、单体及溶剂回收工艺从聚合得到的胶液，其中除含有顺丁橡胶

23、外，尚有部分未反应的单体、各种杂质以及大量的溶剂油。从胶液储罐顶部冷凝器冷下的丁二烯和溶剂油以及经凝聚蒸出、冷凝和分层后的溶剂油和丁二烯等一起送到回收岗位。2.2.5、三废处理顺丁橡胶生产过程中，有大量废水、废弃和废渣产生。“三废”产生的原因主要有两方面：A. 正常生产中排放的废物。B. 因管理不善造成的跑、冒、滴、漏。1) 废水处理废水处理的程度如何，直接影响着环境卫生的好坏。在顺丁橡胶废水处理中利用活性污泥法处理工业废水，处理后的废水直接排至河流或水库。2) 废气处理顺丁橡胶生产中的氮氧化物采取催化还原法，使其转化为氮和水后在通过烟囱排入大气，含有大量可燃的碳氢化物的废气需经火炬燃烧后放掉

24、，含醛废气（包括浓醛水）是通过烧醛炉后才放空的。3) 废渣处理顺丁橡胶生产中的废渣有污泥、废催化剂、脱氢催化剂粉末、铝渣、废胶和自聚物等，有许多具有回收利用的价值。例如可以从脱氢催化剂粉末中回收贵重金属钼和铋，再用于脱氢催化剂的制备。表2.2_三废治理表序号名称温度压力排放量国家排放标准处理意见备注Pa排出点单位正常最大组成及含量1废水聚合总下水B、F、N排放集中，防止漏夜在设备上强化碱洗工艺减轻酸值，充分回收溶剂油，控制油水分层罐的液位高度减少油进入废水，拍污水处理后方能排出挤压机排水B、F、N洗胶罐排水B、F、N油水分离罐B、油2废气脱水回流罐C4、C5、C5送火炬燃烧胶液罐排气C43废渣

25、铝渣溶剂油、铝污泥焚烧废胶网状结构凝胶3、工艺计算及主要设备设计3.1、物料衡算3.1.1 计算的基础数据物料衡算所需相关数据详见表3-1至3-10（1）、聚合釜工艺参数 聚合釜进料参数表3.1_聚合釜进料参数一览表项 目指 标丁油浓度13.5g/100ml；温度：40镍/丁（摩尔比）2.0×10-5三异丁基铝/丁（摩尔比）1.0×10-4三氟化硼乙醚络合物/丁（摩尔比）2.0×10-4（续表3.1）铝/硼（摩尔比）0.25铝/镍（摩尔比）3-8 聚合釜操作参数表3.2_聚合釜操作参数一览表项 目指 标聚合系统压力0.45MPa聚合温度94聚合时间4h 原辅材料规

26、格表3.3_聚合釜原辅材料规格一览表项 目指 标丁二烯纯度：99.3%，其余按丁烯计；溶剂油组成2.1%，57.8%，40.1%环烷酸镍纯度：7.5%三异丁基铝活性铝含量：50%三氟化硼乙醚络合物BF3含量：46%（2）、终止釜工艺参数 终止釜进料参数表3.4_终止釜进料参数一览表项 目指 标胶 液组成同聚合釜出料醇/三异丁基铝（摩尔比）6防老剂/丁（质量比）0.0079 终止釜操作参数（略） 终止釜原辅材料规格表3.5_终止釜原辅材料规格一览表项 目指 标乙醇纯度：95%，其余按水计防老剂/溶剂油（质量比）0.179；防老剂溶液（续表3.5）防老剂溶液浓度117g/l（3）、凝聚釜工艺参数

27、凝聚釜进料参数表3.6_凝聚釜进料参数规格一览表项 目指 标胶 液组成同终止釜出料水/胶液（体积比）7.5水蒸汽/聚丁二烯（质量比）5 凝聚釜操作参数表3.7_凝聚釜操作参数一览表项 目指 标循环水进料温度90凝聚温度95凝聚压力0.2MPa（表压）胶液进料温度20 凝聚釜原辅材料规格表3.8_凝聚釜原辅材料规格一览表项 目指 标水蒸汽0.9MPa（表压）（4）、相关设计参数表3.9_物料衡算相关设计参数项 目指 标丁二烯总转化率85%丁二烯单耗1.045t/t-p全装置总收率95.3%；（以1.045吨的100%丁二烯为基准计算收率和损耗）全装置总损耗4.7%，其中：1. 聚合挂胶损失：1%

28、2. 聚合、凝聚的丁二烯机械泄露损失：0.5%3. 凝聚、振动的渣末损失：0.5%（续表3.9）4. 油水分离器水相丁二烯溶解损失：2%5. 包装过程中不合格品及落地损失：0.7%胶粒含水量0.6（凝聚所得胶粒中的水/胶粒，质量比）（续表3.9）胶粒含油量0.005（凝聚所得胶粒中的溶剂油/胶粒，质量比）聚合釜容积12m3年产量11000t年操作时间8000h（4）、所需物性数据表3.10_物料衡算所需物性数据物性数据丁烯的密度596kg/m3丁二烯的密度628kg/m3溶剂油密度660kg/m3溶剂油（以正己烷计）在95时的汽化热316.522kJ/kg20-95的平均比热2.428kJ/k

29、g·沸点86丁二烯在95时的汽化热131.844kJ/kg20-95的平均比热2.554kJ/kg·丁烯（以正丁烯计）在95时的汽化热254.139kJ/kg20-95的平均比热2.679kJ/kg·0.9MPa(表压)水蒸汽焓H汽2781.71kJ/kg95饱和水焓H水397.75kJ/kg3.1.2、计算基准由于生产采用连续式溶液聚合法，因此计算过程以kg/h为基准。3.1.3各单元的物料衡算（1）、聚合釜总物料衡算聚合釜物料衡算图如图所示：丁二烯系统根据设计任务书，年产顺丁橡胶11000t，年操作时间8000h，可知每小时顺丁橡胶产量：根据丁二烯单耗可知所需

30、纯丁二烯质量流量为：扣除机械损失以及溶解损失，应有聚丁二烯：根据总转化率85%可知应需M纯丁二烯质量流量=本工艺采用中国石化上海石油化工股份有限公司生产的工业用丁二烯（优级品，执行企业标准Q/SH 012.01.13-1999）质量分数为99.3%，其余按正丁烯计算，可知，所需原料丁二烯为：随原料夹带的正丁烯为：根据上述计算结果，总结于下表中表3.11_进料丁二烯用量组分质量分数%kg/ht/am3/h丁二烯99.31648.18013185.4412.624正丁烯0.711.61992.9490.019合计1001659.79913278.3902.644溶剂油系统已知丁二烯质量流量为165

31、9.799kg/h，体积流量2.644m3/h，丁油浓度为13.5g/100ml，即为135kg/m3，溶剂油密度660kg/m3，因而可得所需溶剂油质量：引发剂系统引发剂采用镍催化剂体系，成分为环烷酸镍三异丁基铝三氟化硼乙醚络合物，主要计算公式为：环烷酸镍（主引发剂）已知镍/丁（摩尔比）为，纯度为7.5%，可知环烷酸镍质量流量：镍组分摩尔流量：三异丁基铝（助引发剂，Al(i-C4H9)3）已知三异丁基铝/丁（摩尔比）为，活性铝含量50%三异丁基铝质量流量：摩尔流量：三氟化硼乙醚络合物（第三组分，BF3O(C2H5)2）已知三氟化硼乙醚络合物/丁（摩尔比）为，BF3含量为46%，可知：三氟化硼

32、乙醚络合物质量流量：摩尔流量：根据上述结果可知，而由文献可知，当Al/Ni=38，Al/B=0.30.7（均为摩尔比），催化剂活性最高，因此可知此配方满足工艺要求。聚丁二烯系统由总转化率85%可知生成的聚丁二烯为：由于存在挂胶损失，损失量为：去终止釜的聚丁二烯为：未反应的丁二烯质量流量：根据上述结果可得聚合釜总物料衡算，列于表3-12表3.12_聚合釜总物料衡算表序号组分kg/ht/aw%（质量分数）进料1丁二烯1648.18013185.44120.5182丁烯11.61992.9490.1453溶剂油6369.542507956.33279.2934环烷酸镍0.4783.8220.0065

33、三异丁基铝1.2099.6690.0156三氟化硼乙醚络合物1.88415.0750.0237合计8032.91164263.289100出料1去终止釜聚丁二烯1386.58411092.67517.2612未反应的丁二烯247.2271977.8163.0783丁烯11.61992.9490.1454挂胶损失14.369114.9500.1795溶剂油6369.54250956.33279.2936三种引发剂3.57128.5670.0447合计8032.91164263.289100（2）、聚合釜数量的确定以及各釜物料衡算聚合釜数量的确定由聚合釜物料衡算可得丁二烯进料量，丁油浓度，聚合时间

34、T=4h，因而可得聚合总容积为：需12聚合釜台数：，圆整为4台。各釜转化率的确定根据合成橡胶工业第七卷（1984）P67中内容知：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：对于一级反应，连续槽式反应器的反应转化率与反应速率常数之间的关系如下（假设各釜停留时间相同）：，可知： 其中：CAN第N台釜内反应物浓度，mol/L；CA0反应物初始浓度，mol/L；CA(N-1)第N-1台釜内反应物浓度，mol/L；XNN台釜累积转化率；xN第N台釜转化率；k聚合反应表观速率常数，min-1；平均停留时间，min；N连续槽式反应器台数；C0主催化剂的浓度，mo

35、l/L；kp链增长速度常数，L/(mol·min)；T反应温度，K；催化剂利用率（在94下，取27%）为便于计算，按等温等容处理，取总转化率为85%；各釜停留时间相同；反应温度为94，C0=，则可计算得 由于总转化率为85%，即XN=85%，可求得平均停留时间为由于各釜停留时间相同，由各釜转化率计算公式可知各釜转化率相同，现计算首釜的转化率：（4）、终止釜总物料衡算聚合釜物料衡算图如图所示：注：胶液组分同聚合釜出料组分乙醇用量计算已知纯丁二烯质量流量M纯丁二烯=1648.180kg/h, 三异丁基铝/丁（摩尔比）为1.0×10-4,醇/三异丁基铝（摩尔比）为6，乙醇分子量为

36、=46，纯度为95%,乙醇密度=810kg/m3则乙醇质量流量M乙醇=1.09×10-3×810kg/h=0.887kg/h乙醇含水量M水=M乙醇×（1-95%）=0.887×0.05kg/h=0.044kg/h防老剂用量计算已知胶液组成同聚合釜出料，防老剂/丁（质量比）为0.0079,防老剂溶液浓度为117g/L则防老剂总用量为1648.180×0.0079kg/h=13.021kg/h防老剂溶液体积量为13.021/117=0.111m3/h防老剂带入体系的溶剂油用量计算已知防老剂/溶剂油（质量比）为0.179则防老剂带入体系的溶剂油用量=

37、13.02/0.179kg/h=72.741kg/h根据上述结果可得聚合釜总物料衡算，列于表3-13表3.13_终止釜釜总物料衡算表序号组分kg/ht/aw%（质量分数）进料123456胶液终止剂水防老剂带入溶剂油总计8018.5420.8870.04413.02172.7418105.23564148.3397.0940.355104.165581.92764841.88098.9300.0110.0010.1610.897100出料123456789丁烯丁二烯引发剂溶剂油干胶终止剂水防老剂总计11.619247.2273.5716442.2821386.5840.8870.04413.02

38、18105.23592.9491977.81628.56751538.26011092.6757.0940.355104.16564841.8800.1433.0500.04479.48317.1070.0110.0010.161100（5）、凝聚釜总物料衡算凝聚釜物料衡算图如图所示：注：胶液组分和量同终止釜出口物料循环热水量计算已知水/胶液（体积比）为7.5，丁油量=原料/丁油浓度=1659.799/135=12.295m3/h,防老剂溶液体积流量为0.111m3/h则胶液体积流量为12.295+0.111=12.306m3/h热水循环量=7.5×12.306m3/h=93.05m

39、3/h损失量计算M丁二烯机械损失量=M纯丁二烯×0.5%=1648.180kg/h×0.5%=8.241kg/hM聚丁二烯损失量=M干胶×0.5%=1386.584kg/h×0.5%=6.933kg/h去振动筛的聚丁二烯胶粒量计算M聚丁二烯量=M干胶-M聚丁二烯损失量=(1386.584-6.933)kg/h=1379.651kg/hM胶粒含水量=M干胶×0.6=1386.584kg/h×0.6=831.951kg/hM胶粒含油量=M干胶×0.005=1386.584kg/h×0.005=6.933kg/h水蒸气冷

40、凝量M溶剂油气化量=M溶剂油- M胶粒含油量=6442.282-6.933=6435.349kg/hM丁烯气化量=M丁烯=11.619kg/hM丁二烯气化量= M未反应丁二烯- M丁二烯机械损失量=247.227-8.241=238.986kg/h已知0.9MPa(表压)水蒸汽焓H汽=2781.71kJ/kg，95饱和水焓H水= 397.75 kJ/kg则焓差H=H汽-H水=2781.71-397.75=238.96kJ/kg利用公式 计算水蒸气冷凝量M溶剂油气化所需冷凝量=6435.349×316.522+2.428×（95-20）/238.96kg/h=1345.999

41、kg/h同理可知M丁烯气化所需冷凝量=2.218kg/h，M丁二烯气化所需冷凝量=32.419kg/hM循环水从90上升至95所需冷凝量=M循环水×水平均比热容×温差/焓差=93.05×1000×4.1868×（95-90）/238.96kg/h=817.052kg/h则M总冷凝量= M溶剂油气化所需冷凝量+M丁烯气化所需冷凝量+ M丁二烯气化所需冷凝量+ M循环水从90上升至95所需冷凝量=2197.688kg/h进入凝聚釜的蒸气总量计算已知水蒸气/聚丁二烯（质量比）为5，则M蒸气总量=M聚丁二烯×5=1375kg/h×5

42、=6875kg/hM去油水分离器的水蒸气量=M蒸气总量-M总冷凝量=6875-2197.688=4677.312kg/h根据上述结果可得凝聚釜总物料衡算，列于表3-14表3.14_凝聚釜总物料衡算表序号组分kg/ht/aW%(质量分数）进料1防老剂13.021104.1650.0121%2终止剂0.8877.0940.0008%3胶液8091.32864730.6217.5485%4循环水92211.041737688.32886.0248%5水蒸气6875.00055000.0006.4138%6进料总计107191.276857530.208100.0000%出料去振动筛1聚丁二烯1379

43、.65111037.2121.2871%2防老剂12.956103.6440.0121%3溶剂油6.93355.4630.0065%（续表3.14）4三种引发剂3.57128.5670.0033%5终止剂0.8877.0940.0008%6水94401.399755211.19588.0682%7去振动筛合计95805.397766443.17589.3780%去油水分离器8丁烯11.61992.9490.0108%9丁二烯238.9861911.8890.2230%10溶剂油6435.35051482.7966.0036%11水蒸气4684.64237477.1334.3704%12去油水分

44、离器合计11370.59690964.76710.6078%损失13损失防老剂0.0650.5210.0001%14损失丁二烯8.24165.9270.0077%15损失聚丁二烯6.93355.4630.0065%16损失合计15.239121.9110.0142%17出料总计107191.232857529.853100.0000%3.2、热量衡算3.2.1、计算的基础数据1) 聚合釜物料衡算表；2) 聚合时间：4h；3) 实用聚合釜台数：4台（以4台为例）；4) 聚合温度：945) 冷却盐水：入口温度-12，出口温度-8。6) 反应釜夹套换热面积A=27m2；7) 丁二烯聚合反应热H反 =

45、 -1381 kJ/kg8) 溶剂油组成及物性数据：表3.15_溶剂油组成表n-C5H12n-C6H14n-C7H16合计Wi%2.157.840.1100Xi%2.5961.5435.87100Mi7284100表3.16_溶剂油物性数据表物性n-C5H12n-C6H14n-C7H16溶剂油数据来源计算公式密度r549590620601化工工艺设计手册第二版上册P2-312、P2-322、P2-354比热容CpkJ/(kg·)3.07672.62042.48232.6168热导率lW/(m·)0.08610.09070.09890.09429) 丁烯、丁二烯物性数据：表3

46、.17_丁烯、丁二烯物性数据表定性温度密度r比热容CpkJ/(kg·)热导率lW/(m·)数据来源C4H89410102.00010.1396化工工艺设计手册第二版上册P2-312，P2-277,P2-354C4H6944802.97210.0837410) 顺丁橡胶物性数据：表3.18_顺丁橡胶物性数据表定性温度密度r比热容CpkJ/(kg·)热导率lW/(m·)数据来源顺丁橡胶944802.97210.08374合成橡胶工业第七卷(1984)P6911) 冷冻盐水物性数据：表3.19_冷冻盐水物性数据表定性温度密度r比热容CpkJ/(kg·

47、)热导率lW/(m·)动力粘度mPasCaCl2-1012452.85900.48856.3cp数据来源：化工工艺设计手册（国家医药管理局上海医药设计院编）P2-319、P2-327、P2-357、P2-33812) 根据各釜纯转化率计算的各釜的物料组成，然后求得各釜的物性数据： 表3.20_各釜物性数据计算结果表釜号温度组分密度r比热容CpkJ/(kg·)热导率lW/(m)门尼粘度动力粘度mPas一94胶液606.82.57440.0956503.5二94胶液624.22.52830.0986507.5三94胶液635.52.50320.10054511.0四94胶液64

48、2.82.48650.10164518.0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。3.2.2、各釜对流传热系数a和传热系数K的计算1) 夹套内冷却盐水的对流传热系数a1计算基本方程式：1=NulNu=0.027Re0.8Pr0.33w0.14式中a1 夹套对流传热系数，；Nu 努塞尔准数；Re 雷诺准数； 传热面的特征尺寸，m；l 流体的热导率，；u 流体的流速，m/s；r 流体的密度，；m 流体的粘度，Pa·s；Cp 流体的比热容，J/(kg·)；mw 流体在壁温条件下的粘度，Pa·s图 螺旋导流板查化工工艺设计手册上册P301表4-1

49、4，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册P180有关内容，取聚合釜夹套内螺旋导流板的几何尺寸上图所示。则传热面特征尺寸为：那么：由于0<Pr<100 Re>10000，所以： 其中则因盐水在弯曲的螺旋导流板中流动，所以要对a1进行修正。查基础化学工程上册P172修正公式为：式中R 曲率半径，设计取916mm。2) 釜内对流传热系数a2的计算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：1 < Re < 1000时：Re > 1000时： 考虑叶轮与槽壁间隙大小对传热的影响时： 搅拌雷诺准数式中d 搅拌叶轮直径，m；n 搅拌转数，r/s；D 聚合釜内径，m。设计中取：D1.8m；d0.95D1.71m；n59r/min；根据以上公式计算各釜的a2，将计算结果列入下表：表3.21_各釜对流给热系数a2计算结果釜号RePrNua2（W/m2.）1498.5194251.051493.35