丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺

1、本科毕业设计说明书丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺THE PRODUCTION TECHNOLOGY OF THE EMULSION POLYMERIZATION OF SBR学院（部）： 材料科学与工程学院 专业班级： 高分子材料与工程2xxx级x班 学生姓名： 某某某 指导教师： xxx助教 2xxx 年 x 月 x 日丁苯橡胶乳液聚合的生产工艺摘 要本设计为年产5万吨丁苯橡胶工艺设计，整个设计文件由设计说明书和设计图纸两部分组成。在设计说明书中，简单介绍了丁苯橡胶的生产现状、发展趋势、性能和主要用途，也介绍了目前丁苯橡胶的两种常见的工业聚合生产方法，并进行了比较，最后确定以低温乳液聚合法作为聚

2、合的工艺生产方法。在设计过程中，根据设计任务书的要求，进行了较为详细的物料衡算和能量衡算，对设备进行了工艺计算和选型，同时对聚丁苯橡胶生产过程中的安全注意事项及“三废”治理作了相关说明，对整个装置进行了简单的技术经济评价。绘制了相应的设计图纸，设计图纸包括工艺流程图、主要设备图的装配图。关键词：聚丁苯橡胶,低温乳液聚合工艺,单体,生产工艺THE PRODUCTION TECHNOLOGY OF THE EMULSION POLYMERIZATION OF SBRABSTRACTThe design for an annual output of 50,000 tons of SBR proce

3、ss design, the design documents from design specification and design drawings composed of two parts. In the design of brochures, a brief introduction of the SBR production status, trends, performance and the main purpose of the current SBR, also introduced the two common industrial polymer productio

4、n methods. And a comparison, final determined to low-temperature emulsion polymerization as a polymerization technology production methods. In the design process, in accordance with the requirements of the mission design, a more detailed material balance and energy balance, the equipment was calcula

5、ted and the selection process, while the production of SBR in the process of attention to safety issues and Three wastes governance made note of the entire device to a simple technical and economic evaluation. Drawing the corresponding design drawings, design drawings, including process maps, plants

6、 of major equipment assembly, equipment layout plants.KEYWORDS: suspension polymerization, monomer, productive technology 目录摘 要IABSTRACTII1绪论11.1丁苯橡胶的发展史11.2丁苯橡胶的简介21.2.1 名称及其结构21.2.2丁苯橡胶的性能31.2.3丁苯橡胶的用途31.2.4单体介绍42丁苯橡胶聚合生产方法的选择及工艺流程简述52.1丁苯橡胶生产方法的选择52.1.1 两种不同聚合方法生产的橡胶的比较52.2.2工艺方案选择依据52.2.3乳液聚合的特点

7、62.2.4 丁苯橡胶的工艺原理62.2丁苯橡胶生产工艺流程简述72.2.1 丁苯橡胶的生产工艺流程图72.2.2原料准备过程82.2.3聚合聚合过程82.2.4分离过程83. 物料衡算103.1 原料单体系统103.2助剂系统113.3 反应后各组分系统134.反应釜的物料衡算和热量衡算144.1各反应釜的物料衡算144.2热量衡算154.2.1搅拌釜功率的计算154.2.2热量恒算175.设备计算及选型195.1聚合釜计算195.1.1釜体的基础计算195.1.2搅拌器的确定215.1.3内置冷却管的计算235.1.4开口直径的确定245.1.5终止釜的设计255.2贮罐确定255.3汽提

8、塔276 厂址选择及车间布置296.1 厂址选择的依据及原则296.2 车间布置要考虑的问题296.3 厂房布置306.4设备布置的安全距离306.5 车间内辅助室和生活室布置307 安全防火设计317.1 综合安全防护317.1.1 防火防爆317.2 防毒337.3 安全防护:338 车间照明及采暖措施349 三废处理35总结36参考文献37致谢381绪论1.1丁苯橡胶的发展史一国外发展史1912年，得过Bayer公司发表了丁二烯乳液聚合制取聚丁二烯橡胶的第一篇专利，20世纪20年代，该国为改进乳聚丁二烯的性能，选用苯乙烯为第二单体，制的了乳聚丁苯橡胶，并将其命名为Buua-S。德国IG

9、Farben公司于1933年发表了Buna-S的第一篇专利，而且于1935年在Schkopau开始建设世界上第一个乳聚丁苯橡胶生产装置，与1937年建成投产。1943年，得过Buna-S的产量112kt。乳聚丁苯橡胶的生产始于德国，而取得迅速发展则是在美国。20世纪30年代，美国因获得价格低廉的天然橡胶满足通用制品的要求，故未重视Buna-S橡胶，而是致力于特种橡胶的开发。直到第二次世界大战爆发，一是作为战略物资的橡胶需求量急增；二是天然橡胶的来源被切断，因而通用合成橡胶逐渐受到美国政府的高度重视和扶持。在美国Rubber Reserve公司统筹下，迅速开展了乳聚丁苯橡胶的生产，建立了5个制造

10、和成橡胶所需要的单体和聚合物工厂，这些工厂在第二次世界大战是和第二次世界大战后相继投入生产。开始阶段，主要利用德国的Buna-S技术进行生产，以后改进了聚合配方，开发了称为GR-S乳聚丁苯橡胶的新技术。1942年，美国乳聚丁苯橡胶的生产能力为37kt，1943年增长到182.3kt，到1944年已达673kt。第二次世界大战结束前，德国和美国都是采用热法（50）乳液聚合工艺生产丁苯橡胶。第二次世界大战后，由于氧化还原引发体系聚合配方的出现，美国首先采用冷法（5）乳液聚合工艺，使乳聚丁苯橡胶得性能得到显著改善，因而在大宗用途方面已逐渐为冷法乳聚丁苯橡胶所取代。但是由于热法乳聚丁苯橡胶也具有独特的

11、性能和一定的应用领域，所以至今仍有少量生产。其他国家的乳聚丁苯橡胶则发展较晚，包括西欧国家和日本，都是在20世纪50年代以后才实现工业生产的，而且多数是引进美国的生产技术。其中日本发展速度很快，自1996年投产后，到1997年乳聚丁苯橡胶产量已跃居世界第二位，并先后把技术出售给韩国、伊朗和中国。从过硫酸盐引发系统的热法聚合转向氧化还原引发体系得冷法聚合，是生产乳聚丁苯橡胶聚合工艺的突破。 目前，聚合工艺和聚合配方基本定型，单体转化率已从60%提高至70%，甚至更高。为加速聚合反应，减少冷剂消耗，聚合温度也有所提高。聚合设备趋向大型化，连续聚合已使用3045的聚合釜。在凝聚和后处理方面，以高分子

12、絮凝剂代替氯化钠，大大减少了氯化钠的消耗量。聚合工艺自动化水平的提高，改善了产品质量。充油母炼胶、充炭黑母炼胶、充油充炭黑母炼胶的出现也使乳聚丁苯橡胶品种大大增加。二国内发展史中国乳聚丁苯橡胶的生产始于1960年从前苏联引进技术在兰州投产的第一套生产装置（生产能力13.5kt）。该装置以前联邦德国Farben公司技术为基础，采用拉开粉为乳化剂，对苯二酚-亚硫酸钠为引发体系的热法聚合工艺生产高门尼黏度丁苯橡胶。为改造落后的聚合工艺，兰州石化公司石油化工研究院在1963-1965年间完成了松香歧化及冷法聚合配方的研究。该配方以歧化松香皂为乳化剂，过氧化二异丙苯为引发剂，铁盐-乙二胺四乙酸钠-甲醛次

13、硫酸钠为还原系统。兰州石化公司合成橡胶厂采用此项技术完成了由热法乳液聚合到冷法乳液聚合的转变。此后又经过一系列的技术改造，使生产能力达到50kt/a，并且既可以生产普通乳聚丁苯橡胶，又可生产充油乳聚丁苯橡胶。该公司石油化工研究所自行开发的经（102）h聚合使单体转化率达（702）%的技术也已投入工业应用。兰州石化公司还计划将乳聚丁苯橡胶生产能力扩大至160kt/a。为满足中国对乳聚丁苯橡胶的需求，吉林石化公司和齐鲁石化公司先后从日本合成橡胶公司和瑞翁公司各引进一套80kt/a的乳聚丁苯橡胶装置，分别于1982年和1987年建成投产。经过几年的改造，两公司的生产能力已达到130kt/a。1998

14、年，中国台湾合成橡胶公司在江苏南通合资建成的100kt/a的乳聚丁苯橡胶装置（申花化工公司）投产，经改造，到2005年末，产能已达到170kt/a。中国台湾于20世纪80年代后期引进国外技术开始生产乳聚丁苯橡胶，至21世纪初其生产能力已达100kt/a。1.2丁苯橡胶的简介1.2.1 名称及其结构名称：乳聚丁苯橡胶，简称ESBR （styrene-butadiene rubber）分子式： 其中n为平均聚合度，一般为35010000由于乳聚丁苯橡胶中丁二烯和苯乙烯两种单体链节在共聚物大分子中呈无规分布，又由于丁二烯的加成反应约80%发生在1,4位置，约20%发生在1,2位置，而在1,4位置上的

15、链节又有顺式和反式两种区别，所以乳聚丁苯橡胶大分子内存在如下的微观结构。 此外，亦有少量支化和交联结构存在，冷法聚合的乳聚丁苯橡胶中丁二烯链的主要微观结构单元70%为反式-1,4-结构。1.2.2丁苯橡胶的性能表 11 乳聚丁苯橡胶的基本性能参数性 能参 数密度，g/cm3比热容, J/（）线膨胀系数, Tg以下Tg以上折射率nD20电导率50HZ106HZ介电强度，Kv/mm玻璃化温度Tg(DSC法)，平均分子量 Mn0.910.96182019200.80.92.32.51.53452.6 2.65 (60)2.35 2.65 (60)2436-55(1126)1041.2.3丁苯橡胶的用

16、途乳聚丁苯橡胶具有多方面的较好特性，在物理机械性能，加工性能和制品使用性能方面十分接近于天然橡胶，尤其是耐磨、耐热、耐老化、永久变形和硫化速度方面还优于天然橡胶，并且还可以与天然橡胶及多种橡胶材料并用或改性，这就使其应用范围得以扩广，获得广泛用途。几乎所有统计资料显示乳聚丁苯橡胶的60%以上是用来生产制造轮胎用，其余的主要用途是制作胶管、胶带、胶板、胶辊、胶鞋、密封件多种橡胶制品，亦有一定量的电绝缘材料，医疗用品和其他工艺制品和民用小制品。近两年在世界丁苯橡胶消费结构中，用于生产轮胎及汽车制品用橡胶零部件对丁苯橡胶的需求量约占总消费量的54.0%，非汽车用橡胶制品约占总消费量的12.5%，制鞋

17、等其他方面约占总消费量的33.5%。1.2.4单体介绍丁二烯：分子式：C4H6，结构式： 。 1，3-丁二烯是最简单的共轭双烯烃。在常温、常压下为无色气体，有特殊气味，有麻醉性，特别刺激粘膜。容易液化，易溶于有机溶剂。相对分子质量为 54.09，相对密度0.6211，熔点108.9，沸点4.5。性质活泼，容易发生自聚反应，因此在贮存、 运输过程中要加入叔丁邻苯二酚阻聚剂。与空气混合形成爆炸性混合物，爆炸极限为2.16%11.47%（体积）。是合成橡胶、合成树脂等的原料。1，3-丁二烯主要由丁烷、丁烯脱氢，或碳四馏分分离而得。苯乙烯：分子式：C8H8，结构式：苯乙烯是无色液体，沸点，难溶于水，能

18、溶于甲醇、乙醇及乙醚等溶剂中。能自聚生成聚苯乙烯（PS）树脂，也很容易与其它含双键的不饱和化合物共聚。苯乙烯蒸气与空气混合物的爆炸极限1.1%6.6%（体积），处理苯乙烯时应避免明火、摩擦和静电。2丁苯橡胶聚合生产方法的选择及工艺流程简述2.1丁苯橡胶生产方法的选择2.1.1 两种不同聚合方法生产的橡胶的比较丁苯橡胶按聚合方法分类可分为乳液聚合丁苯橡胶和溶液聚合丁苯橡胶。一乳液聚合丁苯橡胶乳液聚合丁苯橡胶(简称乳聚丁苯橡胶)按聚合温度的不同可分为高温(50)聚合丁苯橡胶和低温(5)聚合丁苯橡胶。高温聚合因所得产品丁苯橡胶约分子量较低、文化度较大，分子量分布较宽，在质量、加工性能等方面都不如低温

19、聚合丁苯橡胶，因此目前很少采用。 乳聚丁苯橡胶品种较多，美国在l 953年进行了分类，日本等国的主要丁苯橡胶品种也直接使用了这种牌号，我国丁苯橡胶目前也采用了这一分类。乳液聚合胶已具有50年工业生产的历史，通过长期的研究和生产经验的积累，已成为一种具有综合性能的合成橡胶。但因其分子结构不同于天然橡胶，故其部分性能如耐磨、耐老化、气密性、加工性等接近或超过天然橡胶，而抗撕裂强度、耐寒性和回弹性等较天然橡胶差，所以丁苯橡胶不能完全取代天然橡胶，但能弥补天然橡胶需用量的不足。乳液丁苯橡胶属于无定形非结晶聚合物，分子量在范围内，玻璃化温度为。二溶液聚合丁苯橡胶溶液聚合丁苯橡胶简称溶聚丁苯橡胶，以苯乙烯

20、、丁二烯单体力原料，在有机溶剂(环己烷)中，以烷塞锂作为催化剂进行共聚而制得。乳聚丁苯橡胶的分子是苯乙烯和丁二烯的无规结构，其丁二烯部分的结构是不规则的，特别是顺式l，4结构少。与乳聚丁苯橡胶不同，溶聚丁苯橡胶根据丁二烯和苯乙烯的结合方式不同又可生成嵌段共聚物和无规共聚物，且丁二烯部分的微观结构以顺式1，4结构较多。无规溶聚丁苯橡胶与乳聚丁苯橡胶性能相当，主要用于制作轮胎。其耐磨性、回弹件、耐寒性能等与顺丁橡胶相似，而加工性和强度则接近乳聚丁苯橡胶。嵌段共荣物只有一般橡胶所没有的热可塑性，具有优良的挤出加工性及成型性，故可制挤出成型制品。2.2.2工艺方案选择依据一.工艺流程方面 就四种聚合工

21、艺而言，本体法工艺流程简单，装置占地面积小，同时基本上无废液排放，排气可达到最低程度，环境污染少，而且产品质量好、纯度高，特别使用透明包装材料和电缆料。悬浮法是一种相对最成熟的工艺，在目前世界上聚氯乙烯生产中占有绝对的分额，且产品转化率最高，产品品种最多，容易适应市场。乳液法是生产糊树脂的方法，工艺复杂、成本较高且树脂质量较差。而微悬浮法也是生产糊树脂的方法，但仅用于特殊用途。二.反应速率 控制方对于本体聚合，当自由基聚合进行到一定转化率后，体系黏度增大，自动加速效应显著，散热困难。大规模生产时，即使降低引发剂浓度以减慢速率，有时还是不能很好的控制。改用溶液聚合可以克服这一困难，但聚合速率和产

22、物分子量均有所降低；此外，脱除溶剂困难，成本较高。而悬浮聚合可以克服本体聚合和溶液聚合的上述缺点。三.经济方面 从经济角度分析，乳液聚合是最合理的聚合方法。乳聚丁苯橡胶由于开发、生产、加工、历史悠久，其生产和加工工艺成熟，尤其以它良好的综合性能，被世界各国广泛生产和应用，其生产能力、产量及消耗量在合成橡胶诸胶胶种中一直居世界合成橡胶中的首位。因此，乳聚丁苯橡胶的生产经济价值很高。2.2.3乳液聚合的特点 丁二烯、苯乙烯共聚反应制取丁苯橡胶采用乳液聚合法的优点是： 1乳液聚合是游离基聚合机理，因此共聚反应比较容易进行。 2聚合速度快，聚合物分子量高。同时，乳液聚合可以不需要采用提高温度和增加引发

23、剂用量来提高反应速率，而是用提高乳化剂浓度来同时提高聚合速率和聚合分子量。 3.聚合反应温度低，去除反应热容易，反应温度容易控制。 4乳液聚合在由乳化剂分子保护的独立胶乳钦子中进行反应，因此反应后期乳液粘度仍很低，不同于溶液聚合和本体聚合系统粘度随系统中转化率和分子量的增大而增大，影响反应热的移出和造成输送的困难。 5乳液聚合的聚合物颗粒为胶乳状且较稳定，因此可使反应连续化。 乳液聚合的缺点是从乳液中回收未反应单体较因难，为制取成品橡胶需要进行胶乳的凝聚、干燥等工序，使流程复杂化。通过以上的各种方案的对比，结合吉林化学工业公司实际生产中的状况，本设计选用低温乳聚制取丁苯橡胶。2.2.4 丁苯橡

24、胶的工艺原理乳聚丁苯橡胶的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、链转移和链终止四个步骤。一链引发 这是形成单体自由基活性种的反应，首先由氧化还原引发体系在水相中产生初级自由基。第二步是初级自由基与单体加成，形成单体自由基。二链增长 在链引发阶段形成的单体自由基，活性很高，如无阻聚物质与之作用，就能进攻第二个单体分子的键，重新杂化结合，形成新的自由基，如此循环下去。该反应过程放热，链增长速率极快（0.01 ns间），其相关的速率方程为： （21） 式中 Rp链增长速率，L/（） I引发剂浓度,mol/l f引发剂引发效率，%； kd引发剂分解速率常数； kp链增长速率常数

25、； kt链终止速率常数。三链终止 乳聚丁苯橡胶聚合过程的终止主要是双基结合终止。此时的聚合体系中，除水相外，主要是表面层为乳化剂覆盖的聚合胶乳粒子。2.2丁苯橡胶生产工艺流程简述2.2.1 丁苯橡胶的生产工艺流程图图2-1 低温乳液聚合丁苯橡胶的生产工艺流程简图2.2.2原料准备过程用计量泵将规定数量的相对分子质量调节剂与苯乙烯在管路中混合溶解，再在管路中与处理好的丁二烯混合。然后与乳化剂混合液（乳化剂、去离子水等）等在管路中混合后进入冷却器，冷却至。在与活化剂溶液（还原剂、螯合剂等）混合，从第一个釜的底部进入聚合系统，氧化剂直接从第一个釜的底部直接进入。2.2.3聚合聚合过程系统由812台聚

26、合釜组成，采用串联操作方式。当聚合到规定转化率后，在终止釜前加入终止剂终止反应。聚合反应的终点主要根据门尼粘度和单体转化率来控制，转化率是根据取样测定固体含量来计算，门尼粘度由取样测定来确定。虽然生产中转化率控制在60%左右，但当所测定的门尼粘度达到规定指标要求，而转化率未达到要求时，也就加终止齐终止反应，以确保产物门粘度尼合格。2.2.4分离过程一.丁二烯分离从终止釜流出的终止后的胶乳液进入缓冲罐。然后经过两个不同真空度的闪蒸器回收未反应的丁二烯。第一个闪蒸器的操作条件是2228，压力0.04MPa，在第一个闪蒸器中蒸出大部分丁二烯；再在第二个闪蒸器中（温度，压力0.01MPa）蒸出残存的丁

27、二烯。回收的丁二烯经压缩液化，再冷凝除去惰性气体后循环使用。二.苯乙烯分离脱除丁二烯的乳胶进入苯乙烯汽提塔（高约，内有十余块塔盘）上部，塔底用0.1MPa的蒸汽直接加热，塔顶压力为12.9kPa，塔顶温度，苯乙烯与水蒸汽由塔顶出来，经冷凝后，水和苯乙烯分开，苯乙烯循环使用。塔底得到含胶20%左右的胶乳，苯乙烯含量0.1%。经减压脱出苯乙烯的塔底胶乳进入混合槽，在此与规定数量的防老剂乳液进行混合，必要时加入充油乳液，经搅拌混合均匀后，送入后处理工段。3. 物料衡算3.1 原料单体系统（1）计算采用的基础数据年产量: 年开工时间：成品中聚合物含量为：聚合物在单体回收工序损失：聚合物在后处理工序损失

28、:聚合加料用混合丁二烯浓度：聚合加料用混合苯乙烯浓度：聚合转化率：（2）聚合釜出料流量（聚合釜流出的聚合物量为（3）单体流量单体进料配比为纯单体总量 在混合丁二烯进料中，其中丁二烯6928.14kg/h，杂质为442.22kg/h；在混合苯乙烯进料中，其中苯乙烯2694.28kg/h，杂质为202.80kg/h.。混合丁二烯、混合苯乙烯总进料整理上述计算结果列下表表31 原料组份组分Kg/h浓度（%）纯物质量（kg/h）杂质量（kg/h）混合丁二烯737036946928.14442.42混合苯乙烯2897.08932694.28202.80合计10267.449622.423.2助剂系统表3

29、2配方组份配方松香酸钾皂FeSO4EDTA雕白块调节剂氧化剂终止剂电解质水%4.60.010.040.040.160.060.160.62001.乳化剂乳化剂为浓度为20%的松香皂溶液。每小时需要松香皂的量：每小时需要水的量:kg2.活化剂活化剂组成：（1）硫酸亚铁： (2) 雕白块： （3）EDTA: 每小时需要硫酸亚铁的量: 每小时需要雕白块的量: 每小时需要EDTA的量: 每小时需要水的量: 3.氧化剂氧化剂组成：过氧化氢对盖烷 4.调节剂调节剂的组成: 十二碳硫醇每小时需要调节剂的量：5.电解质电解质的组成为15%的氯化钾溶液; 每小时需要氯化钾的量：每小时需要水的量：6. 终止剂终止

30、剂的组成为2%的福美钠的水溶液，其中每小时需要福美钠的量：每小时需要水的量：7. 水,助剂系统计算整理如下：表33助剂系统序号溶液名称配方加入量Kg/h溶液浓度%溶液加入量Kg/h固体、水、液体加入量Kg/h1乳化剂松香皂水442.631770.52202213.15442.631770522活化剂硫酸亚铁雕白酸EDTA水0.963.843.8477.76101009510086.4固体8.6477.763调节剂十二碳硫醇15.4010015.4015.404氧化剂过氧化氢盖烷5.775211.1011.105终止剂福美钠水15.40754.60277015.40754.606电解质氯化钾水5

31、7.73327.1615384.8957.73327.16续表33 助剂系统序号溶液名称配方加入量Kg/h溶液浓度%溶液加入量Kg/h固体、水、液体加入量Kg/h7水17069.4017069.403.3 反应后各组分系统（1）反应总进料量表34反应各进料量名称纯单体（kg/h）杂质（kg/h）总重（kg/h）苯乙烯丁二烯水固体2694.286928.14202.80442.222897.087370.3619244.84535.50 总计：30047.78(2)反应后出料（加入终止剂前）转化率为60%，聚合物中结合苯乙烯28%。 整理如下：表35反应后出料量(加终止剂前)名称纯料（kg/h）

32、杂质（kg/h）总重（kg/h）聚合物苯乙烯丁二烯水固体5773.451077.712771.26202.80442.225773.451280.513213.4819244.84535.50 总计：30047.78(3)反应后出料（加入终止剂后）表36反应后出料的量（加入终止剂后）名称纯料（kg/h）杂质（kg/h）总重（kg/h）聚合物苯乙烯丁二烯水固体5773.451077.712771.26202.80442.225773.451280.513213.4819244.84550.90 总计：30063.184.反应釜的物料衡算和热量衡算4.1各反应釜的物料衡算由8台聚合反应釜组成一条生

33、产线，反应时间为812小时（取8小时），反应的转化率为60%。聚合釜的操作压力为0.40.6Mp,温度T=5，PH=45，聚合带有搅拌器，并用液氨作为冷冻介质。根据基本有机化工工厂装备知，对于一级反应，连续釜式反应器的反应转化率与反应速度常数之间的关系如下： （41） （42）式中第N台釜内反应物的浓度；mol/L 反应物初始浓度； mol/L第N台釜内反应物转化率；k 聚合反应表观速度常数； 平均停留时间；minN连续槽式反应器的台数；为了便于计算，按等温等容处理，取总转化率60%；8釜串联；平均停留时间60 min；反应温。将上式进一步整理得表41 各釜纯转化率与累积转化率第一釜第二釜第三

34、釜第四釜纯X()累积X()纯X()累积X()纯X()累积X()纯X()累积X()10.8210.829.6520.478.6129.087.6736.75第五釜第六釜第七釜第八釜纯X()累积X()纯X()累积X()纯X()累积X()纯X()累积X()6.8543.606.1049.705.4555.154.8560根据各釜纯转化率计算各釜的物料组成如表9-12。表42 各釜出料口物料组成物第一釜第二釜第三釜第四釜料kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)水相19244.8466.6719244.84 66.6719244.8466.6719244.84 66.67苯乙烯

35、2402.758.322142.767.421910.786.621704.135.90丁二烯6178.5121.405509.9519.094913.4417.024382.0515.18聚合物1041.163.611969.746.822798.379.693536.4512.25物第五釜第六釜第七釜第八釜料kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)水相19244.8466.6719244.8466.6719244.8466.6719244.8466.67苯乙烯1519.575.261355.224.691208.384.191077.713.73丁二烯3907.47

36、13.543484.8512.073107.2710.762771.269.60聚合物4195.6314.534782.6316.575307.0818.385773.4520.004.2热量衡算4.2.1搅拌釜功率的计算本反应为乳液聚合其反应过程描述为用表面活性剂将单体乳化在水中，因此搅拌的作用有混合和搅动双重作用，由于表面活性剂是影响颗粒大小的主因，本设计的桨叶端转速为，取这样一个转速，主要是防止破坏乳液的稳定性。在这样的一个前提下，再根据聚合物合成工艺设计表6-4 搅拌桨叶的结构型式及设计参数，选择浆式搅拌器。同时查聚合物合成工艺设计表6-4 搅拌浆叶的结构型式及设计参数知，桨式搅拌器的

37、几何参数为：；，同时根据化工设备设计全书，搅拌设备全书设计P51式（2-33）桨式搅拌器在层流区操作时，其功率准数为： （43） （44）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：D3.00m；d1/3D1.00m；n100r/min;, 处于层流 （45）查搅拌设备设计P161知，电机功率为： （46）采用机械密封时：15%)式中D 聚合釜筒体内径，m；h 搅拌器搅拌叶总高度，m； di 搅拌叶外径，m；b 搅拌叶宽度，m；Re 搅拌雷诺准数；Np 搅拌功率准数；P 搅拌功率，KW；r 液体密度，； n 搅拌转速，r/s；g 重力加速度，；Pa 电机功率

38、，KW； Pm 轴密封系统摩擦损失功率，KW；h 机械传动效率，KW；(一般h0.950.98)P填 填料密封系统摩擦损失功率，KW；设计中取； P填0.1P；Pm0.15P填；h0.95。则：考虑1.19的备用系数，则实际电机功率为50KW。4.2.2热量恒算 （47）其中 所处理的物料带到设备中去的热量(KJ)；由加热剂(或冷却剂)传给设备和所处理的物料之热量(kJ)过程的热效应(kJ)；反应产物由设备中带出的热量(kJ)；消耗在加热设备各个部件上的热量(KJ)；设备向四周散失的热量(kJ)。搅拌中产生的热量经查有关资料可知：表43相关物质具体数据名称相对分子质量密度kg/m3比热容kj/

39、(kg)汽化热kj/kg丁二烯54621.11.597苯乙烯104919.81.636水1810004.191液氨17631.7-1663.25胶乳液Mn101049501.97注：丁苯橡胶的聚合热为：以1小时的产量为基准，设进料温度为15，反应温度为恒温5，则物料带入聚合釜的热量为： ，（3）加液氨的量液氨进口温度为-4,出口温度为5，冷凝剂只进行气化，从而达到降温的目的。5.设备计算及选型5.1聚合釜计算5.1.1釜体的基础计算设计温度：釜内，釜外；设计压力：釜内0.6MPa，釜外0.1MPa；工艺要求容积：4560操作形式：满釜连续操作；材质：0Cr18Ni9其它数据同前。根据年产量确定

40、每小时进料量：W=30047.78kg/h由于反应物和介质水的量很大，因此，一些添加的溶剂和反应过程的体积变化不加考虑。同时由于该反应是多釜串联进行，在此主要是对第一个反应釜的计算。(1)反应器的体积计算苯乙烯密度1=0.912103kg/m3丁二烯的密度2=0.6211103kg/m3聚丁苯橡胶的密度3=0.95103kg/m3水的密度m=1.00103 kg/m3通过质量分数算得m=0.8715103kg/m3 其中m反应液混合密度，kg/m3根据年产量确定每小时处理物料量，物料停留的时间，反应液体积（反应液体积变化时，按反应液最大体积计算），反应器实际体积，装料系数（搅拌釜反应器，取0.

41、70.8，有气泡或沸腾，取0.40.6）(2)反应釜的筒体计算因反应为放热反应，所以解决好传热问题非常重要。查聚合物合成设计基础P78知，一般釜的高径比在13之间，高径比大有利于传热，但不利于搅拌。设计中综合考虑取高径比为2.4，高径比。(3)聚合釜筒体直径确定设计中初选V封2，按下式估算聚合釜的筒体直径： （51）式中Di 聚合釜直径，m；V 聚合釜容积，；V封 聚合釜封头容积，； 圆周率； 高径比；园整取3.00m。（4）封头容积及直边高度确定封头选用椭园形封头，根据筒体直径查化工设备设计基础附表5得有关数据如下：曲面高度h1750mm；直边高度h040mm；容积VA=3.82，内表面积A

42、=10.15（5）筒体高度确定由Di3000mm查化工设备设计基础附表4得：V1米7.030；A1米9.43；当时，G1米742 kg。根据公式得取，则：实(6)聚合釜壁厚的计算计算厚度：由公式： （52）式中S 聚合釜的壁厚，mm；Di 封头内直径，mm；C 封头壁厚附加量，mm；C1 钢板负偏差，mm；C2 腐蚀余量，mm；S0 计算壁厚，mm； 设计温度时的许用应力，MPa； 焊缝系数；取Pc=0.6MPa；Di=3000mm；=0.95；设计温度为5,查得0Cr18Ni9在5的t=122MPa, C1取0.8mm, C2取2mm。,圆整取S=12mm表51反应釜各主要项目参数项目参数设

43、计压力，MPa釜内釜外0.60.1设计温度,55焊接系数0.95腐蚀余量,mm2容积,57.47筒体直径,mm3000封头高度,mm750直边高度,mm40筒体高度,m7.6釜壁厚度,mm125.1.2搅拌器的确定搅拌器形式采用桨式搅拌器，依据与结构参数见热量衡算部分。依据聚合物合成工艺设计表6-4 搅拌桨叶的结构型式及设计参数，取，。桨的直径：桨叶的宽度：搅拌叶距釜底的距离：本设计中桨叶的层数为3层，那么每层桨叶间的距离为：设计中桨叶的转速为：100r/min其中D釜体直径，mm；d搅拌桨叶直径，mm;b搅拌桨叶宽度，mm;Z搅拌桨叶的叶数；C搅拌叶距釜底距离，mm;搅拌器轴径确定搅拌轴的材

44、料常用45钢，本设计中的搅拌轴也是这个材料。1.搅拌轴的强度计算轴的扭转强度条件： （53）式中轴横截面上的最大剪应力，MPa;轴所传递的扭矩，；轴的抗扭截面模量，；降低后的材料的许用应力， 45钢取3040MPa, MPa； （54）对于实心轴 （55） 得，式中：d搅拌轴直径，mm; P搅拌轴传递的功率，KW； n搅拌轴的转速，r/min；2.搅拌轴的刚度计算为了防止搅拌轴产生过大的扭转变形，从而在运转中引起震动，影响正常工作，应把轴的扭转变形限制在一个允许的范围内。工程上以单位长度的扭转角不得超过许用扭转角作为的刚度条件，即 （56）式中：轴扭转变形的扭转角，； G搅拌轴材料的剪切弹性模

45、量，MPa,对于碳钢及合金钢为 轴截面的极惯性距，对于实心轴； 许用扭转角，对于一般传动，如搅拌轴，取0.51.0。由上式可导出实心轴的直径 则 d取84.7mm, 圆整取表52搅拌器各主要项目参数搅拌项目参数搅拌叶叶数2桨叶直径，mm1000桨叶宽度，mm200桨叶间的距离，mm2490桨叶层数3桨叶距釜底距离，mm1800搅拌转速，r/min100搅拌轴径，mm865.1.3内置冷却管的计算此过程为冷却过程，故热负荷应取热流体的放热量。又因为对该工程而言，热损失越大越有利于冷却，所以在确定冷却液氨用量时可不考虑热损失。由前面计算，得需要液氨的量为平均温度差的计算：计算R和P由R和P查化工原

46、理上册图4-9，本设计中冷却管的材料为无缝钢管（），传热壁内侧液氨流体的传热膜系数为，传热壁外侧原料流体的传热膜系数为。传热面积的计算：管子根数的确定：圆整为110根反应釜内共设10组，每组11根换热管。这11个管子俩头与俩个封头似的管箱焊接，管箱与管子采用焊接连接。5.1.4开口直径的确定 1.釜底、釜顶进出料管直径确定根据5-1式进行计算，由物料衡算知V34.50；参照化工工艺设计手册第二版P3-38表15-17，并综合考虑系统粘度情况，取u0.2。则： 圆整取250mm，材质 1Cr18Ni9Ti。2.氨气进出口直径取100mm ，材质1Cr18Ni9Ti。3.人孔、视镜、温度计口等直径

47、的确定参照有关资料分别确定为：人孔：350500mm视镜：150mm温度计口：125mm表53 各开口直径一览表名称直径大小进料口，mm250出料口，mm250人孔，mm500视镜，mm150进气口，mm100出气口，mm100温度计口，mm1255.1.5终止釜的设计按停留时间1小时考虑，选用与聚合釜相同结构、相同尺寸的釜1台。5.2贮罐确定（1）原料用罐 丁二烯原料贮罐 （57） 其中 贮罐中物料的质量，kg;物料流量，kg/h；停留时间，取一个班次的时间8h，h;贮罐体积计算：其中 贮罐中物料的体积，装料系数，0.750.85；物料的密度，选3000610016；封头厚度为18mm,V63.0卧式椭圆型封头贮罐2个苯乙烯原料贮罐选2400620012；封头厚度为14mm,V32.03卧式椭圆型封头贮罐1个乳化剂贮罐选280017854000；壁厚8mm,V20.0，平顶平底贮罐1个。活化剂贮罐选8008251600；壁厚5mm, V0.8，平顶平底贮罐1个。调节剂贮罐选500525700；壁厚5mm ,V0.14，平顶平底贮罐1个。电解质贮罐选160016402200；壁厚6mm, V4，平顶平底贮罐1个。氧化剂贮罐选