年产11万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：学生： 班级：化工学号：指导教师： 2015 年 1月目 录1.工艺设计基础 1.1 设计任务 1.2 原辅材料性质及技术规格 1.3 产品的性质及技术规格 1.4 危险性物料的主要物性 1.5 原辅材料的消耗定额2.工艺说明 2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点2.1.1 生产方法2.1.2 工艺技术路线的确定 2.2生产流程简述3.工艺计算与主要设备选型3.1 物料衡算3.1.1 计算的基准数据3.1.2 计算基准3.1.3 各单元物料衡算 3.2热量衡算3.2.1 计算的基准数据3.2.2 物料衡算 3.3 聚合釜的计算及选

2、型4 工艺控制条件及自控设计5.附图：带控制点的工艺流程图（PID） 1工艺设计基础1.1 设计任务 1.1.1 设计项目年产1.1万吨顺丁橡胶生产工艺设计1.1.2 产品规格 纯度为99%的顺丁橡胶1.1.3 生产能力 年产1.1万吨顺丁橡胶； 考虑到设备检修，年开工时间为8000小时； 采用五班三倒制，每班工作8小时。1.1.4 主要设计任务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，本设计的主要任务为：（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；（3）聚合釜的计算和选型；（4）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

3、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。1.1.5 产品及主要用途 顺丁橡胶，全名为顺式1,4聚丁二烯橡胶，呈白色或微黄色，简称BR，是由丁二烯聚合制得的结构规整的合成橡胶。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，耐老化性尚好，易与天然橡胶、氯丁橡胶或丁腈橡胶并用。根据顺式1,4含量的不同，顺丁橡胶又可分为低顺式（顺式1，4含量为35%40%）、中顺式（90%左右）和高顺式（96%99%）三类。顺丁橡胶主要用于轮胎加工行业。

4、另外还用于输送带、传动带、模压制品、鞋底、胶鞋及海绵胶等方面。1.1.6 顺丁橡胶的生产需求状况 我国的顺丁橡胶生产技术，不仅建厂成本低、回报高，而且与国外相比，具有催化剂用量低、反应时间短、聚合反应器生产强度高、运转周期长的优点，而且产品成本低、质量好，尤其耐屈挠性能突出。我国的顺丁橡胶投产后，市场占有率随产量的增加而提高，目前保持在97%以上，出口欧洲、亚洲、非洲等187个国家和地区。 我国的顺丁橡胶主要用于轮胎、制鞋、高抗冲聚苯乙烯和ABS树脂的改性等方面。根据中投顾问发布的2010-2015中国合成橡胶行业投资分析及前景预测报告，轮胎领域需求量约占顺丁橡胶总需求量的64.9%，制鞋约占

5、10.2%，高抗冲聚苯乙烯加工改性约占9.7%，胶管、胶带约占8.8%，其他方面约占6.4%。 顺丁橡胶是仅次于丁苯橡胶的世界第二大通用合成橡胶。近年来，由于汽车、高铁、航空航天等领域发展迅速，我国顺丁橡胶的需求量不断增加。然而，随着我国顺丁橡胶市场的需求量大幅增长，产能的增长速度却要低于需求量的增长速度，使得目前我国顺丁橡胶市场处于供不应求的状况。1.1.7 设计任务的意义 顺丁橡胶在世界七大合成橡胶品种中，产量仅次于SBR，居第二位；在通用橡胶品种中，消耗仅次于NR和SBR，居第三位。目前，全世界30多个国家和地区约有50套工业生产装置进行商品化生产。近十年来，中国橡胶工业生产持续稳定发展

6、，年递增速度在8%左右；技术进步显著，新产品、新工艺、新设备发展迅速；产品结构调整大有成效。代表轮胎发展方向的子午线轮胎产量已占总产量的13%，胶鞋的高档产品已超过胶鞋总产量25%，并开发了汽车、电子、建筑、家电等行业配套的大量精细橡胶制品，产品出口量每年大幅增长。因此，顺丁橡胶生产工艺的设计具有很大的意义。1.2 原辅材料性质及技术规格表1-1 原辅材料性质及规格表序号名称规格分析方法国家标准备注1丁二烯纯度99%；丁烯1%；水值20mg/kg；醛酮总量20mg/kg；二聚物50mg/kg组成水值杂质胺值GB/T 13291-20082溶剂油组分：C502.1%;C6057.8%;C7040

7、.1%;馏程60-90；碘值0.2g/100g；水份20mg/kg水值胺值GB1669-963环烷酸镍镍含量78%；水份0.1%；无不皂化物浓度415394三异丁基铝无悬浮物；活性铝含量50%浓度420225三氟化硼·乙醚络合物BF3含量46%；沸点124.51266乙醇纯度95%；含水5%；恒沸点78.2浓度GB/T 6820-199272,6-二叔丁基-4-甲基苯酚熔点6971；游离甲酚0.04%；灰分0.03%；油溶性：合格浓度1.3 产品性质及技术规格表1-2 产品性质及技术规格表项目优级品一级品合格品挥发份£0.75£1.00£1.30灰分&#

8、163;0.30£0.30£0.30生胶门尼粘度45±545±545±7混炼胶门尼粘度£68£73£73300定伸应力MPa25min35min50min6.510.57.011.06.810.86.210.76.711.26.511.06.011.06.511.56.311.3拉伸强度MPa35min³14.2³13.7³13.2伸长率35min³450³430³4301.4危险性物料的主要物性表1-3 危险性物料的主要物性序号物料名称相对分子质量熔点沸

9、点闪点燃点空气中的爆炸极限国家标准备注上限下限1丁二烯54.1-109-4.5-7641416.30%1.10%GB/T 13291-20082三异丁基铝198-5.68604420223溶剂油8620160-23508.70%1.10%GB1669-964乙醇46.1-117791336319%3.30%GB/T 6820-19925三氯化硼乙醚络合物142142.512666.744511.10%2%1.5 原材料的消耗定额表1-4 原材料消耗定额表序号名称规格单位消耗量每小时每年1丁二烯纯度99%；丁烯1%；水值20mg/kg；醛酮总量20mg/kg；二聚物50mg/kgkg1659.7

10、99132783922溶剂油组分：C502.1%;C6057.8%;C7040.1%;馏程60-90；碘值0.2g/100g；水份20mg/kgkg6347.191507775283环烷酸镍镍含量78%；水份0.1%；无不皂化物kg0.47838244三异丁基铝无悬浮物；活性铝含量50%kg1.20996725三氟化硼·乙醚络合物BF3含量46%；沸点124.5126kg1.884150726乙醇纯度95%；含水5%；恒沸点78.2kg0.887709672,6-二叔丁基-4-甲基苯酚熔点6971；游离甲酚0.04%；灰分0.03%；油溶性：合格kg13.0211041682. 工艺

11、说明2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点2.1.1 生产方法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。催化剂配置聚合单体回收凝聚脱水干燥包装成品图2-1 总工艺流程图2.1.2 工艺技术路线的确定（1） 聚合方法的确定根据产物的结构，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确定选择出配位聚合。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，由于溶剂存在而必然要考虑的回收、循环、利用，反应的终止方式，以及产品

12、防老化处理等特点。操作方式选择连续操作。最终确定，丁二烯的采用配位聚合法（双烯烃定向聚合），生产采用连续式溶液聚合法。（2） 溶剂的选择可用溶剂有苯、甲苯、甲苯-庚烷和溶剂油等， 不同溶剂对单体、引发剂和产物等的溶解能力不同，会造成聚合体系的粘度不同，因此，对传热、搅拌、回收、生产能力等均有影响。不同的溶剂比较如下：表2-1 顺丁橡胶生产所用溶剂的比较溶剂单体溶解能力引发剂溶解能力胶液粘度比较毒性回收与经济学来源苯高好高高容易甲苯高好高高成本高甲苯-庚烷高好较高低成本高溶剂油高一般低无容易广泛由上表可以看出，选择溶剂油作为溶剂，除了对三氟化硼乙醚络合物的溶解度稍差，但是对单体丁二烯与引发剂环烷

13、酸镍和三异丁基铝的溶解度都很好，尤其是溶剂油可以大大降低胶液的粘度，有利于传热和搅拌。（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。（4） 催化剂陈化方式的选择国内对上述引发体系曾采用过三种陈化方式，即三元陈化、双二元陈化、稀硼单加。通过比较确定最佳方式为稀硼单加。这是目前顺丁橡胶工业制备中普遍采用的催化剂陈化方法 ，该法特点是催化剂活性最

14、高。（5） 终止剂的选择工业中常采用工业乙醇作为终止剂。（6） 防老剂采用2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。（7） 工艺特点说明丁二烯的聚合反应热约为325k/kg，反应过程中必须及时排除反应热。为改善传热效果，可采用传热面积大的反应釜和特种类型的搅拌器。搅拌器常选用螺带式，有的还带有刮刀，以强化搅拌。为改善传热效果，采用夹套内通冷冻盐水、首釜冷进料、次釜补充冷溶剂的方法；搅拌器选用双螺带式搅拌器，其径向与轴向都有较大的搅动。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。具体流程如下：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

15、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。聚合釜为不锈钢制并装有双螺带式搅拌器。物料在首釜反应一定时间后，从釜顶出来进入第二釜、第三釜等连续进行聚合反应。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。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0.9MP水蒸汽在搅拌下于热水中进行凝聚。从凝聚釜顶

16、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。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。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。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

17、膜包好，装袋封口入库。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（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%，其余按

18、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；防老剂溶液防老剂溶液浓度117g/l（3） 凝聚釜工艺参数 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（

19、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%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%4. 油水

20、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）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（5） 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/kg·沸点86丁二烯续表3-10 物料衡算所需物性数据在95时的汽化热131.844kJ/kg20-95的平均比

21、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：图3-1 聚合釜物料衡算图 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：

22、根据总转化率85%可知应需纯丁二烯质量流量为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99.31648.18013185.442.658正丁烯0.711.61992.9520.0195合计1001659.79913278.3922.6775 溶剂油系统已知丁二烯质量流量为1659.799kg/h，体积流量2.6775m3/h，丁油浓度

23、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：a) 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：b) 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：c) 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：三氟化硼乙醚络合物质量流量：摩尔流量：根据上

24、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1648.18013185.44020.5752丁烯11.61992.9520.1453溶剂油6347.19150777.52879.2354环烷酸镍0.4783.8240.0065三异丁基铝1.2099.6720.0

25、156三氟化硼乙醚络合物1.88415.0720.0247合计8010.56164084.488100出料1去终止釜聚丁二烯1386.58411092.67217.3092未反应的丁二烯247.2271977.8163.0863丁烯11.61992.9520.1454挂胶损失14.369114.9520.1795溶剂油6347.19150777.52879.2356三种引发剂3.57128.5680.0457合计8010.56164084.488100（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T=4h，因而可得聚合总容积为：需

26、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，mol/L；kp链增长速度常数，L/

27、(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：（3） 终止釜总物料衡算终止釜物料衡算图如图所示：终止釜胶料（去凝聚釜）聚合来的胶液终止剂乙醇防老剂246图3-2 终止釜物料衡算图根据上述结果可得聚合釜总物料衡算，列于表3-13。表3-13 终止釜总物料衡算表序号组分kg/ht/aw%(质量分数）1胶液7996.192 639

28、69.536 98.928 进2终止剂0.887 7.096 0.011 3防老剂13.021 104.168 0.161 料4带入溶剂72.741 581.928 0.900 5合计8082.841 64662.728 100.000 6丁烯11.619 92.952 0.144 7丁二烯247.227 1977.816 3.059 出8三种引发剂3.571 28.568 0.044 9溶剂油6419.932 51359.456 79.427 料10干胶1386.584 11092.675 17.155 11终止剂0.887 7.096 0.011 12防老剂13.021 104.168 0

29、.161 13合计8082.841 64662.731 100.000 （4） 凝聚釜总物料衡算凝聚釜物料衡算图如图所示：凝聚釜溶剂油、丁二烯、丁烯、水蒸气（去油水分离器）机械损失渣末损失热水、胶粒（去振动筛）胶液热水0.9MPa的水蒸气图3-3 凝聚釜物料衡算图胶液：热水：机械损失：所以去振动筛的胶粒量：列方程:整理并代入数据得，解得，进入凝聚釜的水蒸气总量：计算气化量：计算汽化热：水蒸气冷凝放热：水蒸气冷凝的焓：水蒸气冷凝量：去汽水分离器的水蒸气量：去振动筛的水量：表3-14 凝聚釜总物料衡算表序号组分kg/ht/aw%(质量分数）1胶液8082.84164662.7287.456进2热水

30、93458.000747664.00086.213料3水蒸气6862.87054902.9606.3314总计108403.711867229.688100.0001胶粒3507.67128061.3683.236振2三种引发剂3.57128.5680.003动3终止剂0.8877.0960.001出筛4水93548.763748390.10786.2975总计97060.892776487.13989.537油1溶剂油6402.39451219.1525.906水2丁二烯245.9911967.9280.227分3丁烯11.61992.9520.011离4水蒸气4667.50437340.0

31、324.306料器5总计11327.50890620.06410.449机1丁二烯损失1.2369.8880.001械2聚丁二烯损失14.010112.0800.013损3防老剂损失0.0650.5200.000失4总计15.311122.4880.014合计108403.711867229.691100.0003.2.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：94（5) 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 = -13

32、81 kJ/kg（8) 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化工工艺设计手册下633页比热容CpkJ/(kg·)3.07672.62042.48232.6168化工工艺设计手册下645页热导率lW/(m·)0.08610.09070.09890.0942化工工艺设计手册下680页（9) 丁烯、丁二烯物性数

33、据：表3-17 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化工工艺设计手册下634、645、681页C4H6944802.97210.08374化工工艺设计手册下634,、645、681页（10) 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)P69（11) 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

34、热容CpkJ/(kg·)热导率lW/(m·)数据来源CaCl2-1012452.85900.4885化工手册2070页（12) 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： 各釜转化率的计算：根据合成橡胶工业第七卷(1984)P67“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：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：式中CAN 第N台釜内反应物的浓度；mol/LCA0 反应物初始浓度； mol/L第N台釜内反应物转化率；k

35、 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；C0 主催化剂的浓度；mol/Lkp链增长速度常数；L/(mol·min)P· 活性链总浓度；mol/LT反应温度；Ka催化剂利用率(在94下，a27)为了便于计算，按等温等容处理，取总转化率85%；4釜串联；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。根据第八章第四节计算实例2，取C0 mol/L，将计算结果整理得到下表。表3-20 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

36、X()累积X()37.8137.8123.5161.3214.6275.949.185.04各釜物料组成：总进料：其中，丁二烯1648.180kg/h；丁烯11.619kg/h；溶剂油6347.191kg/h.根据各釜转化率计算各釜的物料组成如下：表3-21 各釜的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(%)溶剂油6347.19179.276347.19179.276347.19179.276347.19179.27丁 烯11.6190.1511.6190.1511.6190.1511.6190.15丁二烯1024.82312.80637

37、.3367.96396.3724.95246.3883.08聚丁二烯623.1777.781010.66412.621251.62815.631401.61217.51表3-22 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。1. 各釜对流传

38、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4-14，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册P180有关内容，取聚合釜夹套

39、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：Pr = Re = 由于0<Pr<100 Re>10000，所以：计算时取 = W/(m2·)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。W/(m2·)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

40、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，以1号釜为例计算对流传热系数 将各釜计算结果列入下表：表3-23 各釜对流给热系数a2计算结果釜号RePrNu1498.5194251.0461677.238589.082239.31192314.911666.369291.283166.12273982.091660.119492.694102.68440521.651656.673293.51 3) 各釜总传热系数K的计算聚合釜壁剖面图如图9-9所示，由于，所以按基础化学工程上册P180式3-58计

41、算各釜K值。聚合釜壁剖面图已知各釜的a1和a2，另外，计算时：挂胶厚度，；釜壁厚度，；取水垢厚度，查基础化学工程上册P180表3-9得25CaCl2盐水的垢层系数。则可以计算出各釜的K值，以1号釜为例对2号釜、3号釜、4号釜而言，取挂胶厚度为1mm，其它数据同釜1。则各釜计算结果列入下表中：表3-24 各釜K值计算结果表釜别a1d1l1d2l2ada2K1221.9430.010.13960.01617.4451395.689.0811.242221.9430.0010.13960.01617.4451395.691.2841.223221.9430.0010.13960.01617.4451

42、395.692.6941.504221.9430.0010.13960.01617.4451395.693.5141.672. 各釜热量衡算1) 计算基准 数量基准：kJ/h；基准温度：0；反应釜夹套换热面积取A=27m22) 总热量衡算图如下：总热量衡算图3) 各釜热量衡算关系式：1号釜 Q1入Q1反Q1搅Q1冲入Q1出Q1冲出Q1夹2号釜 Q2入Q2反Q2搅Q2冲入Q2出Q2冲出Q2夹3号釜 Q3入Q3反Q3搅Q3冲入Q3出Q3冲出Q3夹4号釜 Q4入Q4反Q4搅Q4冲入Q4出Q4冲出Q4夹4) 搅拌热根据资料介绍，搅拌热与胶液粘度大小有关。粘度大，搅拌热就大。设计中取1号釜电机功率的70

43、、2釜电机功率的75、3号釜电机功率的80及4号釜电机功率的85用于形成搅拌热。各釜搅拌功率计算如下：搅拌器型式的确定，丁二烯溶液聚合生产顺丁橡胶中，随着单体转化率的提高，体系的动力粘度逐渐增加，一般从几十厘泊增加到几万厘泊，为此要从适合高粘度液体的锚式、框式、螺杆式及双螺带式等搅拌器中进行选择。目前，国内有的生产厂家主要采用首釜为框式，其余为双螺带式，本设计中根据1998年第1期合成橡胶工业“顺丁橡胶技术开发中的几个工程放大问题”中所分析的框式搅拌器，在使用中存在因湍流程度不够而造成釜内温度上下不均及混合分散程度差的缺点，决定全部采用双螺带式搅拌器，搅拌转速为59 r/min，其它几何参数如

44、下图所示。查搅拌设备设计P59知，当双螺带式搅拌器的几何参数为：0.98；5.5；2.5；时，同时，其功率准数：在层流区操作时，当Re > 100时： 很据各釜的Re值选取合适的Np计算公式，然后，再按下式求出搅拌功率。查搅拌设备设计P161知，电机功率为：采用机械密封时： 15%)式中H 聚合釜筒体高度，m；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；s 搅拌叶螺距，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，KW；Pm 轴密封系统摩擦损失功

45、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；根据以上公式计算各釜Pa和P并将结果列入下表，计算中取：； P填0.1P；Pm0.15P填；h0.95表3-25 各釜的P和Pa表釜号ReNpP/KWPa/KW1号4981.512.07317.48018.682号239.312.64122.90424.473号166.122.97926.30328.104号112.683.49231.18633.32 各釜所配电机应该一样，因此取上表中最大的电机功率，同时考虑1.65的备用系数，由此确定实际电机功率55。5) 各釜热量衡算A. 1号釜热量衡算（目

46、的确定进料温度T1） Q1入G·Cp·T1= Q1反x·G丁二烯·DH反 Q1搅搅拌功率´0.70´3600 Q1冲入0 （首釜不冲冷油） Q1夹0（因为首釜挂胶严重，传热系数较小，故不用夹套移热） Q1出G·Cp·(T2T1) Q1冲出0由1号釜热量平衡关系式知：Q1入Q1出(Q1反Q1搅)根据上式可解得T1=52B. 2号釜热量衡算（目的确定冲冷油量） Q2入Q1出 =1938504.494kJ/h Q2反x·G丁二烯·DH反 Q2搅搅拌功率´0.75´3600 Q2冲入

47、0 (T2冲0) Q2出Q2入=1938504.494kJ/h Q2夹K2·A2·Dtm2已知：冷却盐水 t进-12，t出-8，可求得Dtm2和Q2夹Dt1Tt进94(12)106Dt2Tt出94(8)102K241.22 取A227则Q2夹41.22´27´104´3.6416684.74 kJ/h由热量平衡关系式知：Q2冲出Q2反Q2搅Q2夹根据Q2冲出和Q2夹求出冷抽余油用量和冷却盐水用量:冷抽余油用量：冷却盐水用量：C. 3号釜热量衡算（目的确定冲冷油量） Q3入Q2出Q2冲出Q3出 Q3反x·G丁二烯·DH反 Q3搅搅拌功率´0.80´3600 Q3夹K3·A3·Dtm3419515.2 kJ/h Q3冲入0（T3冲0）由热量平衡关系式知：Q3冲出Q3反Q3搅Q3夹