丁苯橡膠乳液聚合的生產(chǎn)工藝

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書丁苯橡膠乳液聚合的生產(chǎn)工藝THE PRODUCTION TECHNOLOGY OF THE EMULSION POLYMERIZATION OF SBR學(xué)院（部）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 高分子材料與工程2xxx級(jí)x班 學(xué)生姓名： 某某某 指導(dǎo)教師： xxx助教 2xxx 年 x 月 x 日丁苯橡膠乳液聚合的生產(chǎn)工藝摘 要本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)5萬(wàn)噸丁苯橡膠工藝設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)文件由設(shè)計(jì)說明書和設(shè)計(jì)圖紙兩部分組成。在設(shè)計(jì)說明書中，簡(jiǎn)單介紹了丁苯橡膠的生產(chǎn)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、性能和主要用途，也介紹了目前丁苯橡膠的兩種常見的工業(yè)聚合生產(chǎn)方法，并進(jìn)行了比較，最后確定以低溫乳液聚合法作為聚

2、合的工藝生產(chǎn)方法。在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，進(jìn)行了較為詳細(xì)的物料衡算和能量衡算，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了工藝計(jì)算和選型，同時(shí)對(duì)聚丁苯橡膠生產(chǎn)過程中的安全注意事項(xiàng)及“三廢”治理作了相關(guān)說明，對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)單的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。繪制了相應(yīng)的設(shè)計(jì)圖紙，設(shè)計(jì)圖紙包括工藝流程圖、主要設(shè)備圖的裝配圖。關(guān)鍵詞：聚丁苯橡膠,低溫乳液聚合工藝,單體,生產(chǎn)工藝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 目錄摘 要IABSTRACTII1緒論11.1丁苯橡膠的發(fā)展史11.2丁苯橡膠的簡(jiǎn)介21.2.1 名稱及其結(jié)構(gòu)21.2.2丁苯橡膠的性能31.2.3丁苯橡膠的用途31.2.4單體介紹42丁苯橡膠聚合生產(chǎn)方法的選擇及工藝流程簡(jiǎn)述52.1丁苯橡膠生產(chǎn)方法的選擇52.1.1 兩種不同聚合方法生產(chǎn)的橡膠的比較52.2.2工藝方案選擇依據(jù)52.2.3乳液聚合的特點(diǎn)

7、62.2.4 丁苯橡膠的工藝原理62.2丁苯橡膠生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)述72.2.1 丁苯橡膠的生產(chǎn)工藝流程圖72.2.2原料準(zhǔn)備過程82.2.3聚合聚合過程82.2.4分離過程83. 物料衡算103.1 原料單體系統(tǒng)103.2助劑系統(tǒng)113.3 反應(yīng)后各組分系統(tǒng)134.反應(yīng)釜的物料衡算和熱量衡算144.1各反應(yīng)釜的物料衡算144.2熱量衡算154.2.1攪拌釜功率的計(jì)算154.2.2熱量恒算175.設(shè)備計(jì)算及選型195.1聚合釜計(jì)算195.1.1釜體的基礎(chǔ)計(jì)算195.1.2攪拌器的確定215.1.3內(nèi)置冷卻管的計(jì)算235.1.4開口直徑的確定245.1.5終止釜的設(shè)計(jì)255.2貯罐確定255.3汽提

8、塔276 廠址選擇及車間布置296.1 廠址選擇的依據(jù)及原則296.2 車間布置要考慮的問題296.3 廠房布置306.4設(shè)備布置的安全距離306.5 車間內(nèi)輔助室和生活室布置307 安全防火設(shè)計(jì)317.1 綜合安全防護(hù)317.1.1 防火防爆317.2 防毒337.3 安全防護(hù):338 車間照明及采暖措施349 三廢處理35總結(jié)36參考文獻(xiàn)37致謝381緒論1.1丁苯橡膠的發(fā)展史一國(guó)外發(fā)展史1912年，得過Bayer公司發(fā)表了丁二烯乳液聚合制取聚丁二烯橡膠的第一篇專利，20世紀(jì)20年代，該國(guó)為改進(jìn)乳聚丁二烯的性能，選用苯乙烯為第二單體，制的了乳聚丁苯橡膠，并將其命名為Buua-S。德國(guó)IG

9、Farben公司于1933年發(fā)表了Buna-S的第一篇專利，而且于1935年在Schkopau開始建設(shè)世界上第一個(gè)乳聚丁苯橡膠生產(chǎn)裝置，與1937年建成投產(chǎn)。1943年，得過Buna-S的產(chǎn)量112kt。乳聚丁苯橡膠的生產(chǎn)始于德國(guó)，而取得迅速發(fā)展則是在美國(guó)。20世紀(jì)30年代，美國(guó)因獲得價(jià)格低廉的天然橡膠滿足通用制品的要求，故未重視Buna-S橡膠，而是致力于特種橡膠的開發(fā)。直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，一是作為戰(zhàn)略物資的橡膠需求量急增；二是天然橡膠的來源被切斷，因而通用合成橡膠逐漸受到美國(guó)政府的高度重視和扶持。在美國(guó)Rubber Reserve公司統(tǒng)籌下，迅速開展了乳聚丁苯橡膠的生產(chǎn)，建立了5個(gè)制造

10、和成橡膠所需要的單體和聚合物工廠，這些工廠在第二次世界大戰(zhàn)是和第二次世界大戰(zhàn)后相繼投入生產(chǎn)。開始階段，主要利用德國(guó)的Buna-S技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，以后改進(jìn)了聚合配方，開發(fā)了稱為GR-S乳聚丁苯橡膠的新技術(shù)。1942年，美國(guó)乳聚丁苯橡膠的生產(chǎn)能力為37kt，1943年增長(zhǎng)到182.3kt，到1944年已達(dá)673kt。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束前，德國(guó)和美國(guó)都是采用熱法（50）乳液聚合工藝生產(chǎn)丁苯橡膠。第二次世界大戰(zhàn)后，由于氧化還原引發(fā)體系聚合配方的出現(xiàn)，美國(guó)首先采用冷法（5）乳液聚合工藝，使乳聚丁苯橡膠得性能得到顯著改善，因而在大宗用途方面已逐漸為冷法乳聚丁苯橡膠所取代。但是由于熱法乳聚丁苯橡膠也具有獨(dú)特的

11、性能和一定的應(yīng)用領(lǐng)域，所以至今仍有少量生產(chǎn)。其他國(guó)家的乳聚丁苯橡膠則發(fā)展較晚，包括西歐國(guó)家和日本，都是在20世紀(jì)50年代以后才實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的，而且多數(shù)是引進(jìn)美國(guó)的生產(chǎn)技術(shù)。其中日本發(fā)展速度很快，自1996年投產(chǎn)后，到1997年乳聚丁苯橡膠產(chǎn)量已躍居世界第二位，并先后把技術(shù)出售給韓國(guó)、伊朗和中國(guó)。從過硫酸鹽引發(fā)系統(tǒng)的熱法聚合轉(zhuǎn)向氧化還原引發(fā)體系得冷法聚合，是生產(chǎn)乳聚丁苯橡膠聚合工藝的突破。 目前，聚合工藝和聚合配方基本定型，單體轉(zhuǎn)化率已從60%提高至70%，甚至更高。為加速聚合反應(yīng)，減少冷劑消耗，聚合溫度也有所提高。聚合設(shè)備趨向大型化，連續(xù)聚合已使用3045的聚合釜。在凝聚和后處理方面，以高分子

12、絮凝劑代替氯化鈉，大大減少了氯化鈉的消耗量。聚合工藝自動(dòng)化水平的提高，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。充油母煉膠、充炭黑母煉膠、充油充炭黑母煉膠的出現(xiàn)也使乳聚丁苯橡膠品種大大增加。二國(guó)內(nèi)發(fā)展史中國(guó)乳聚丁苯橡膠的生產(chǎn)始于1960年從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)在蘭州投產(chǎn)的第一套生產(chǎn)裝置（生產(chǎn)能力13.5kt）。該裝置以前聯(lián)邦德國(guó)Farben公司技術(shù)為基礎(chǔ)，采用拉開粉為乳化劑，對(duì)苯二酚-亞硫酸鈉為引發(fā)體系的熱法聚合工藝生產(chǎn)高門尼黏度丁苯橡膠。為改造落后的聚合工藝，蘭州石化公司石油化工研究院在1963-1965年間完成了松香歧化及冷法聚合配方的研究。該配方以歧化松香皂為乳化劑，過氧化二異丙苯為引發(fā)劑，鐵鹽-乙二胺四乙酸鈉-甲醛次

13、硫酸鈉為還原系統(tǒng)。蘭州石化公司合成橡膠廠采用此項(xiàng)技術(shù)完成了由熱法乳液聚合到冷法乳液聚合的轉(zhuǎn)變。此后又經(jīng)過一系列的技術(shù)改造，使生產(chǎn)能力達(dá)到50kt/a，并且既可以生產(chǎn)普通乳聚丁苯橡膠，又可生產(chǎn)充油乳聚丁苯橡膠。該公司石油化工研究所自行開發(fā)的經(jīng)（102）h聚合使單體轉(zhuǎn)化率達(dá)（702）%的技術(shù)也已投入工業(yè)應(yīng)用。蘭州石化公司還計(jì)劃將乳聚丁苯橡膠生產(chǎn)能力擴(kuò)大至160kt/a。為滿足中國(guó)對(duì)乳聚丁苯橡膠的需求，吉林石化公司和齊魯石化公司先后從日本合成橡膠公司和瑞翁公司各引進(jìn)一套80kt/a的乳聚丁苯橡膠裝置，分別于1982年和1987年建成投產(chǎn)。經(jīng)過幾年的改造，兩公司的生產(chǎn)能力已達(dá)到130kt/a。1998

14、年，中國(guó)臺(tái)灣合成橡膠公司在江蘇南通合資建成的100kt/a的乳聚丁苯橡膠裝置（申花化工公司）投產(chǎn)，經(jīng)改造，到2005年末，產(chǎn)能已達(dá)到170kt/a。中國(guó)臺(tái)灣于20世紀(jì)80年代后期引進(jìn)國(guó)外技術(shù)開始生產(chǎn)乳聚丁苯橡膠，至21世紀(jì)初其生產(chǎn)能力已達(dá)100kt/a。1.2丁苯橡膠的簡(jiǎn)介1.2.1 名稱及其結(jié)構(gòu)名稱：乳聚丁苯橡膠，簡(jiǎn)稱ESBR （styrene-butadiene rubber）分子式： 其中n為平均聚合度，一般為35010000由于乳聚丁苯橡膠中丁二烯和苯乙烯兩種單體鏈節(jié)在共聚物大分子中呈無(wú)規(guī)分布，又由于丁二烯的加成反應(yīng)約80%發(fā)生在1,4位置，約20%發(fā)生在1,2位置，而在1,4位置上的

15、鏈節(jié)又有順式和反式兩種區(qū)別，所以乳聚丁苯橡膠大分子內(nèi)存在如下的微觀結(jié)構(gòu)。 此外，亦有少量支化和交聯(lián)結(jié)構(gòu)存在，冷法聚合的乳聚丁苯橡膠中丁二烯鏈的主要微觀結(jié)構(gòu)單元70%為反式-1,4-結(jié)構(gòu)。1.2.2丁苯橡膠的性能表 11 乳聚丁苯橡膠的基本性能參數(shù)性 能參 數(shù)密度，g/cm3比熱容, J/（）線膨脹系數(shù), Tg以下Tg以上折射率nD20電導(dǎo)率50HZ106HZ介電強(qiáng)度，Kv/mm玻璃化溫度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丁苯橡膠的用

16、途乳聚丁苯橡膠具有多方面的較好特性，在物理機(jī)械性能，加工性能和制品使用性能方面十分接近于天然橡膠，尤其是耐磨、耐熱、耐老化、永久變形和硫化速度方面還優(yōu)于天然橡膠，并且還可以與天然橡膠及多種橡膠材料并用或改性，這就使其應(yīng)用范圍得以擴(kuò)廣，獲得廣泛用途。幾乎所有統(tǒng)計(jì)資料顯示乳聚丁苯橡膠的60%以上是用來生產(chǎn)制造輪胎用，其余的主要用途是制作膠管、膠帶、膠板、膠輥、膠鞋、密封件多種橡膠制品，亦有一定量的電絕緣材料，醫(yī)療用品和其他工藝制品和民用小制品。近兩年在世界丁苯橡膠消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，用于生產(chǎn)輪胎及汽車制品用橡膠零部件對(duì)丁苯橡膠的需求量約占總消費(fèi)量的54.0%，非汽車用橡膠制品約占總消費(fèi)量的12.5%，制鞋

17、等其他方面約占總消費(fèi)量的33.5%。1.2.4單體介紹丁二烯：分子式：C4H6，結(jié)構(gòu)式： 。 1，3-丁二烯是最簡(jiǎn)單的共軛雙烯烴。在常溫、常壓下為無(wú)色氣體，有特殊氣味，有麻醉性，特別刺激粘膜。容易液化，易溶于有機(jī)溶劑。相對(duì)分子質(zhì)量為 54.09，相對(duì)密度0.6211，熔點(diǎn)108.9，沸點(diǎn)4.5。性質(zhì)活潑，容易發(fā)生自聚反應(yīng)，因此在貯存、 運(yùn)輸過程中要加入叔丁鄰苯二酚阻聚劑。與空氣混合形成爆炸性混合物，爆炸極限為2.16%11.47%（體積）。是合成橡膠、合成樹脂等的原料。1，3-丁二烯主要由丁烷、丁烯脫氫，或碳四餾分分離而得。苯乙烯：分子式：C8H8，結(jié)構(gòu)式：苯乙烯是無(wú)色液體，沸點(diǎn)，難溶于水，能

18、溶于甲醇、乙醇及乙醚等溶劑中。能自聚生成聚苯乙烯（PS）樹脂，也很容易與其它含雙鍵的不飽和化合物共聚。苯乙烯蒸氣與空氣混合物的爆炸極限1.1%6.6%（體積），處理苯乙烯時(shí)應(yīng)避免明火、摩擦和靜電。2丁苯橡膠聚合生產(chǎn)方法的選擇及工藝流程簡(jiǎn)述2.1丁苯橡膠生產(chǎn)方法的選擇2.1.1 兩種不同聚合方法生產(chǎn)的橡膠的比較丁苯橡膠按聚合方法分類可分為乳液聚合丁苯橡膠和溶液聚合丁苯橡膠。一乳液聚合丁苯橡膠乳液聚合丁苯橡膠(簡(jiǎn)稱乳聚丁苯橡膠)按聚合溫度的不同可分為高溫(50)聚合丁苯橡膠和低溫(5)聚合丁苯橡膠。高溫聚合因所得產(chǎn)品丁苯橡膠約分子量較低、文化度較大，分子量分布較寬，在質(zhì)量、加工性能等方面都不如低溫

19、聚合丁苯橡膠，因此目前很少采用。 乳聚丁苯橡膠品種較多，美國(guó)在l 953年進(jìn)行了分類，日本等國(guó)的主要丁苯橡膠品種也直接使用了這種牌號(hào)，我國(guó)丁苯橡膠目前也采用了這一分類。乳液聚合膠已具有50年工業(yè)生產(chǎn)的歷史，通過長(zhǎng)期的研究和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，已成為一種具有綜合性能的合成橡膠。但因其分子結(jié)構(gòu)不同于天然橡膠，故其部分性能如耐磨、耐老化、氣密性、加工性等接近或超過天然橡膠，而抗撕裂強(qiáng)度、耐寒性和回彈性等較天然橡膠差，所以丁苯橡膠不能完全取代天然橡膠，但能彌補(bǔ)天然橡膠需用量的不足。乳液丁苯橡膠屬于無(wú)定形非結(jié)晶聚合物，分子量在范圍內(nèi)，玻璃化溫度為。二溶液聚合丁苯橡膠溶液聚合丁苯橡膠簡(jiǎn)稱溶聚丁苯橡膠，以苯乙烯

20、、丁二烯單體力原料，在有機(jī)溶劑(環(huán)己烷)中，以烷塞鋰作為催化劑進(jìn)行共聚而制得。乳聚丁苯橡膠的分子是苯乙烯和丁二烯的無(wú)規(guī)結(jié)構(gòu)，其丁二烯部分的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，特別是順式l，4結(jié)構(gòu)少。與乳聚丁苯橡膠不同，溶聚丁苯橡膠根據(jù)丁二烯和苯乙烯的結(jié)合方式不同又可生成嵌段共聚物和無(wú)規(guī)共聚物，且丁二烯部分的微觀結(jié)構(gòu)以順式1，4結(jié)構(gòu)較多。無(wú)規(guī)溶聚丁苯橡膠與乳聚丁苯橡膠性能相當(dāng)，主要用于制作輪胎。其耐磨性、回彈件、耐寒性能等與順丁橡膠相似，而加工性和強(qiáng)度則接近乳聚丁苯橡膠。嵌段共榮物只有一般橡膠所沒有的熱可塑性，具有優(yōu)良的擠出加工性及成型性，故可制擠出成型制品。2.2.2工藝方案選擇依據(jù)一.工藝流程方面 就四種聚合工

21、藝而言，本體法工藝流程簡(jiǎn)單，裝置占地面積小，同時(shí)基本上無(wú)廢液排放，排氣可達(dá)到最低程度，環(huán)境污染少，而且產(chǎn)品質(zhì)量好、純度高，特別使用透明包裝材料和電纜料。懸浮法是一種相對(duì)最成熟的工藝，在目前世界上聚氯乙烯生產(chǎn)中占有絕對(duì)的分額，且產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率最高，產(chǎn)品品種最多，容易適應(yīng)市場(chǎng)。乳液法是生產(chǎn)糊樹脂的方法，工藝復(fù)雜、成本較高且樹脂質(zhì)量較差。而微懸浮法也是生產(chǎn)糊樹脂的方法，但僅用于特殊用途。二.反應(yīng)速率 控制方對(duì)于本體聚合，當(dāng)自由基聚合進(jìn)行到一定轉(zhuǎn)化率后，體系黏度增大，自動(dòng)加速效應(yīng)顯著，散熱困難。大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，即使降低引發(fā)劑濃度以減慢速率，有時(shí)還是不能很好的控制。改用溶液聚合可以克服這一困難，但聚合速率和產(chǎn)

22、物分子量均有所降低；此外，脫除溶劑困難，成本較高。而懸浮聚合可以克服本體聚合和溶液聚合的上述缺點(diǎn)。三.經(jīng)濟(jì)方面 從經(jīng)濟(jì)角度分析，乳液聚合是最合理的聚合方法。乳聚丁苯橡膠由于開發(fā)、生產(chǎn)、加工、歷史悠久，其生產(chǎn)和加工工藝成熟，尤其以它良好的綜合性能，被世界各國(guó)廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用，其生產(chǎn)能力、產(chǎn)量及消耗量在合成橡膠諸膠膠種中一直居世界合成橡膠中的首位。因此，乳聚丁苯橡膠的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高。2.2.3乳液聚合的特點(diǎn) 丁二烯、苯乙烯共聚反應(yīng)制取丁苯橡膠采用乳液聚合法的優(yōu)點(diǎn)是： 1乳液聚合是游離基聚合機(jī)理，因此共聚反應(yīng)比較容易進(jìn)行。 2聚合速度快，聚合物分子量高。同時(shí)，乳液聚合可以不需要采用提高溫度和增加引發(fā)

23、劑用量來提高反應(yīng)速率，而是用提高乳化劑濃度來同時(shí)提高聚合速率和聚合分子量。 3.聚合反應(yīng)溫度低，去除反應(yīng)熱容易，反應(yīng)溫度容易控制。 4乳液聚合在由乳化劑分子保護(hù)的獨(dú)立膠乳欽子中進(jìn)行反應(yīng)，因此反應(yīng)后期乳液粘度仍很低，不同于溶液聚合和本體聚合系統(tǒng)粘度隨系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化率和分子量的增大而增大，影響反應(yīng)熱的移出和造成輸送的困難。 5乳液聚合的聚合物顆粒為膠乳狀且較穩(wěn)定，因此可使反應(yīng)連續(xù)化。 乳液聚合的缺點(diǎn)是從乳液中回收未反應(yīng)單體較因難，為制取成品橡膠需要進(jìn)行膠乳的凝聚、干燥等工序，使流程復(fù)雜化。通過以上的各種方案的對(duì)比，結(jié)合吉林化學(xué)工業(yè)公司實(shí)際生產(chǎn)中的狀況，本設(shè)計(jì)選用低溫乳聚制取丁苯橡膠。2.2.4 丁苯橡

24、膠的工藝原理乳聚丁苯橡膠的屬于乳液法鏈?zhǔn)阶杂苫酆蠙C(jī)理。整個(gè)聚合過程分為鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止四個(gè)步驟。一鏈引發(fā) 這是形成單體自由基活性種的反應(yīng)，首先由氧化還原引發(fā)體系在水相中產(chǎn)生初級(jí)自由基。第二步是初級(jí)自由基與單體加成，形成單體自由基。二鏈增長(zhǎng) 在鏈引發(fā)階段形成的單體自由基，活性很高，如無(wú)阻聚物質(zhì)與之作用，就能進(jìn)攻第二個(gè)單體分子的鍵，重新雜化結(jié)合，形成新的自由基，如此循環(huán)下去。該反應(yīng)過程放熱，鏈增長(zhǎng)速率極快（0.01 ns間），其相關(guān)的速率方程為： （21） 式中 Rp鏈增長(zhǎng)速率，L/（） I引發(fā)劑濃度,mol/l f引發(fā)劑引發(fā)效率，%； kd引發(fā)劑分解速率常數(shù)； kp鏈增長(zhǎng)速率常數(shù)

25、； kt鏈終止速率常數(shù)。三鏈終止 乳聚丁苯橡膠聚合過程的終止主要是雙基結(jié)合終止。此時(shí)的聚合體系中，除水相外，主要是表面層為乳化劑覆蓋的聚合膠乳粒子。2.2丁苯橡膠生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)述2.2.1 丁苯橡膠的生產(chǎn)工藝流程圖圖2-1 低溫乳液聚合丁苯橡膠的生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖2.2.2原料準(zhǔn)備過程用計(jì)量泵將規(guī)定數(shù)量的相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑與苯乙烯在管路中混合溶解，再在管路中與處理好的丁二烯混合。然后與乳化劑混合液（乳化劑、去離子水等）等在管路中混合后進(jìn)入冷卻器，冷卻至。在與活化劑溶液（還原劑、螯合劑等）混合，從第一個(gè)釜的底部進(jìn)入聚合系統(tǒng)，氧化劑直接從第一個(gè)釜的底部直接進(jìn)入。2.2.3聚合聚合過程系統(tǒng)由812臺(tái)聚

26、合釜組成，采用串聯(lián)操作方式。當(dāng)聚合到規(guī)定轉(zhuǎn)化率后，在終止釜前加入終止劑終止反應(yīng)。聚合反應(yīng)的終點(diǎn)主要根據(jù)門尼粘度和單體轉(zhuǎn)化率來控制，轉(zhuǎn)化率是根據(jù)取樣測(cè)定固體含量來計(jì)算，門尼粘度由取樣測(cè)定來確定。雖然生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化率控制在60%左右，但當(dāng)所測(cè)定的門尼粘度達(dá)到規(guī)定指標(biāo)要求，而轉(zhuǎn)化率未達(dá)到要求時(shí)，也就加終止齊終止反應(yīng)，以確保產(chǎn)物門粘度尼合格。2.2.4分離過程一.丁二烯分離從終止釜流出的終止后的膠乳液進(jìn)入緩沖罐。然后經(jīng)過兩個(gè)不同真空度的閃蒸器回收未反應(yīng)的丁二烯。第一個(gè)閃蒸器的操作條件是2228，壓力0.04MPa，在第一個(gè)閃蒸器中蒸出大部分丁二烯；再在第二個(gè)閃蒸器中（溫度，壓力0.01MPa）蒸出殘存的丁

27、二烯。回收的丁二烯經(jīng)壓縮液化，再冷凝除去惰性氣體后循環(huán)使用。二.苯乙烯分離脫除丁二烯的乳膠進(jìn)入苯乙烯汽提塔（高約，內(nèi)有十余塊塔盤）上部，塔底用0.1MPa的蒸汽直接加熱，塔頂壓力為12.9kPa，塔頂溫度，苯乙烯與水蒸汽由塔頂出來，經(jīng)冷凝后，水和苯乙烯分開，苯乙烯循環(huán)使用。塔底得到含膠20%左右的膠乳，苯乙烯含量0.1%。經(jīng)減壓脫出苯乙烯的塔底膠乳進(jìn)入混合槽，在此與規(guī)定數(shù)量的防老劑乳液進(jìn)行混合，必要時(shí)加入充油乳液，經(jīng)攪拌混合均勻后，送入后處理工段。3. 物料衡算3.1 原料單體系統(tǒng)（1）計(jì)算采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)年產(chǎn)量: 年開工時(shí)間：成品中聚合物含量為：聚合物在單體回收工序損失：聚合物在后處理工序損失

28、:聚合加料用混合丁二烯濃度：聚合加料用混合苯乙烯濃度：聚合轉(zhuǎn)化率：（2）聚合釜出料流量（聚合釜流出的聚合物量為（3）單體流量單體進(jìn)料配比為純單體總量 在混合丁二烯進(jìn)料中，其中丁二烯6928.14kg/h，雜質(zhì)為442.22kg/h；在混合苯乙烯進(jìn)料中，其中苯乙烯2694.28kg/h，雜質(zhì)為202.80kg/h.?；旌隙《⒒旌媳揭蚁┛傔M(jìn)料整理上述計(jì)算結(jié)果列下表表31 原料組份組分Kg/h濃度（%）純物質(zhì)量（kg/h）雜質(zhì)量（kg/h）混合丁二烯737036946928.14442.42混合苯乙烯2897.08932694.28202.80合計(jì)10267.449622.423.2助劑系統(tǒng)表3

29、2配方組份配方松香酸鉀皂FeSO4EDTA雕白塊調(diào)節(jié)劑氧化劑終止劑電解質(zhì)水%4.60.010.040.040.160.060.160.62001.乳化劑乳化劑為濃度為20%的松香皂溶液。每小時(shí)需要松香皂的量：每小時(shí)需要水的量:kg2.活化劑活化劑組成：（1）硫酸亞鐵： (2) 雕白塊： （3）EDTA: 每小時(shí)需要硫酸亞鐵的量: 每小時(shí)需要雕白塊的量: 每小時(shí)需要EDTA的量: 每小時(shí)需要水的量: 3.氧化劑氧化劑組成：過氧化氫對(duì)蓋烷 4.調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)劑的組成: 十二碳硫醇每小時(shí)需要調(diào)節(jié)劑的量：5.電解質(zhì)電解質(zhì)的組成為15%的氯化鉀溶液; 每小時(shí)需要氯化鉀的量：每小時(shí)需要水的量：6. 終止劑終止

30、劑的組成為2%的福美鈉的水溶液，其中每小時(shí)需要福美鈉的量：每小時(shí)需要水的量：7. 水,助劑系統(tǒng)計(jì)算整理如下：表33助劑系統(tǒng)序號(hào)溶液名稱配方加入量Kg/h溶液濃度%溶液加入量Kg/h固體、水、液體加入量Kg/h1乳化劑松香皂水442.631770.52202213.15442.631770522活化劑硫酸亞鐵雕白酸EDTA水0.963.843.8477.76101009510086.4固體8.6477.763調(diào)節(jié)劑十二碳硫醇15.4010015.4015.404氧化劑過氧化氫蓋烷5.775211.1011.105終止劑福美鈉水15.40754.60277015.40754.606電解質(zhì)氯化鉀水5

31、7.73327.1615384.8957.73327.16續(xù)表33 助劑系統(tǒng)序號(hào)溶液名稱配方加入量Kg/h溶液濃度%溶液加入量Kg/h固體、水、液體加入量Kg/h7水17069.4017069.403.3 反應(yīng)后各組分系統(tǒng)（1）反應(yīng)總進(jìn)料量表34反應(yīng)各進(jìn)料量名稱純單體（kg/h）雜質(zhì)（kg/h）總重（kg/h）苯乙烯丁二烯水固體2694.286928.14202.80442.222897.087370.3619244.84535.50 總計(jì)：30047.78(2)反應(yīng)后出料（加入終止劑前）轉(zhuǎn)化率為60%，聚合物中結(jié)合苯乙烯28%。 整理如下：表35反應(yīng)后出料量(加終止劑前)名稱純料（kg/h）

32、雜質(zhì)（kg/h）總重（kg/h）聚合物苯乙烯丁二烯水固體5773.451077.712771.26202.80442.225773.451280.513213.4819244.84535.50 總計(jì)：30047.78(3)反應(yīng)后出料（加入終止劑后）表36反應(yīng)后出料的量（加入終止劑后）名稱純料（kg/h）雜質(zhì)（kg/h）總重（kg/h）聚合物苯乙烯丁二烯水固體5773.451077.712771.26202.80442.225773.451280.513213.4819244.84550.90 總計(jì)：30063.184.反應(yīng)釜的物料衡算和熱量衡算4.1各反應(yīng)釜的物料衡算由8臺(tái)聚合反應(yīng)釜組成一條生

33、產(chǎn)線，反應(yīng)時(shí)間為812小時(shí)（取8小時(shí)），反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為60%。聚合釜的操作壓力為0.40.6Mp,溫度T=5，PH=45，聚合帶有攪拌器，并用液氨作為冷凍介質(zhì)。根據(jù)基本有機(jī)化工工廠裝備知，對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)速度常數(shù)之間的關(guān)系如下： （41） （42）式中第N臺(tái)釜內(nèi)反應(yīng)物的濃度；mol/L 反應(yīng)物初始濃度； mol/L第N臺(tái)釜內(nèi)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率；k 聚合反應(yīng)表觀速度常數(shù)； 平均停留時(shí)間；minN連續(xù)槽式反應(yīng)器的臺(tái)數(shù)；為了便于計(jì)算，按等溫等容處理，取總轉(zhuǎn)化率60%；8釜串聯(lián)；平均停留時(shí)間60 min；反應(yīng)溫。將上式進(jìn)一步整理得表41 各釜純轉(zhuǎn)化率與累積轉(zhuǎn)化率第一釜第二釜第三

34、釜第四釜純X()累積X()純X()累積X()純X()累積X()純X()累積X()10.8210.829.6520.478.6129.087.6736.75第五釜第六釜第七釜第八釜純X()累積X()純X()累積X()純X()累積X()純X()累積X()6.8543.606.1049.705.4555.154.8560根據(jù)各釜純轉(zhuǎn)化率計(jì)算各釜的物料組成如表9-12。表42 各釜出料口物料組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熱量衡算4.2.1攪拌釜功率的計(jì)算本反應(yīng)為乳液聚合其反應(yīng)過程描述為用表面活性劑將單體乳化在水中，因此攪拌的作用有混合和攪動(dòng)雙重作用，由于表面活性劑是影響顆粒大小的主因，本設(shè)計(jì)的槳葉端轉(zhuǎn)速為，取這樣一個(gè)轉(zhuǎn)速，主要是防止破壞乳液的穩(wěn)定性。在這樣的一個(gè)前提下，再根據(jù)聚合物合成工藝設(shè)計(jì)表6-4 攪拌槳葉的結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇漿式攪拌器。同時(shí)查聚合物合成工藝設(shè)計(jì)表6-4 攪拌漿葉的結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)參數(shù)知，槳式攪拌器的

37、幾何參數(shù)為：；，同時(shí)根據(jù)化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書，攪拌設(shè)備全書設(shè)計(jì)P51式（2-33）槳式攪拌器在層流區(qū)操作時(shí)，其功率準(zhǔn)數(shù)為： （43） （44）式中 d 攪拌葉輪直徑，m；n 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)，r/s；D 聚合釜內(nèi)徑，m。設(shè)計(jì)中取：D3.00m；d1/3D1.00m；n100r/min;, 處于層流 （45）查攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)P161知，電機(jī)功率為： （46）采用機(jī)械密封時(shí)：15%)式中D 聚合釜筒體內(nèi)徑，m；h 攪拌器攪拌葉總高度，m； di 攪拌葉外徑，m；b 攪拌葉寬度，m；Re 攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)；Np 攪拌功率準(zhǔn)數(shù)；P 攪拌功率，KW；r 液體密度，； n 攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；g 重力加速度，；Pa 電機(jī)功率

38、，KW； Pm 軸密封系統(tǒng)摩擦損失功率，KW；h 機(jī)械傳動(dòng)效率，KW；(一般h0.950.98)P填 填料密封系統(tǒng)摩擦損失功率，KW；設(shè)計(jì)中取； P填0.1P；Pm0.15P填；h0.95。則：考慮1.19的備用系數(shù)，則實(shí)際電機(jī)功率為50KW。4.2.2熱量恒算 （47）其中 所處理的物料帶到設(shè)備中去的熱量(KJ)；由加熱劑(或冷卻劑)傳給設(shè)備和所處理的物料之熱量(kJ)過程的熱效應(yīng)(kJ)；反應(yīng)產(chǎn)物由設(shè)備中帶出的熱量(kJ)；消耗在加熱設(shè)備各個(gè)部件上的熱量(KJ)；設(shè)備向四周散失的熱量(kJ)。攪拌中產(chǎn)生的熱量經(jīng)查有關(guān)資料可知：表43相關(guān)物質(zhì)具體數(shù)據(jù)名稱相對(duì)分子質(zhì)量密度kg/m3比熱容kj/

39、(kg)汽化熱kj/kg丁二烯54621.11.597苯乙烯104919.81.636水1810004.191液氨17631.7-1663.25膠乳液Mn101049501.97注：丁苯橡膠的聚合熱為：以1小時(shí)的產(chǎn)量為基準(zhǔn)，設(shè)進(jìn)料溫度為15，反應(yīng)溫度為恒溫5，則物料帶入聚合釜的熱量為： ，（3）加液氨的量液氨進(jìn)口溫度為-4,出口溫度為5，冷凝劑只進(jìn)行氣化，從而達(dá)到降溫的目的。5.設(shè)備計(jì)算及選型5.1聚合釜計(jì)算5.1.1釜體的基礎(chǔ)計(jì)算設(shè)計(jì)溫度：釜內(nèi)，釜外；設(shè)計(jì)壓力：釜內(nèi)0.6MPa，釜外0.1MPa；工藝要求容積：4560操作形式：滿釜連續(xù)操作；材質(zhì)：0Cr18Ni9其它數(shù)據(jù)同前。根據(jù)年產(chǎn)量確定

40、每小時(shí)進(jìn)料量：W=30047.78kg/h由于反應(yīng)物和介質(zhì)水的量很大，因此，一些添加的溶劑和反應(yīng)過程的體積變化不加考慮。同時(shí)由于該反應(yīng)是多釜串聯(lián)進(jìn)行，在此主要是對(duì)第一個(gè)反應(yīng)釜的計(jì)算。(1)反應(yīng)器的體積計(jì)算苯乙烯密度1=0.912103kg/m3丁二烯的密度2=0.6211103kg/m3聚丁苯橡膠的密度3=0.95103kg/m3水的密度m=1.00103 kg/m3通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)算得m=0.8715103kg/m3 其中m反應(yīng)液混合密度，kg/m3根據(jù)年產(chǎn)量確定每小時(shí)處理物料量，物料停留的時(shí)間，反應(yīng)液體積（反應(yīng)液體積變化時(shí)，按反應(yīng)液最大體積計(jì)算），反應(yīng)器實(shí)際體積，裝料系數(shù)（攪拌釜反應(yīng)器，取0.

41、70.8，有氣泡或沸騰，取0.40.6）(2)反應(yīng)釜的筒體計(jì)算因反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以解決好傳熱問題非常重要。查聚合物合成設(shè)計(jì)基礎(chǔ)P78知，一般釜的高徑比在13之間，高徑比大有利于傳熱，但不利于攪拌。設(shè)計(jì)中綜合考慮取高徑比為2.4，高徑比。(3)聚合釜筒體直徑確定設(shè)計(jì)中初選V封2，按下式估算聚合釜的筒體直徑： （51）式中Di 聚合釜直徑，m；V 聚合釜容積，；V封 聚合釜封頭容積，； 圓周率； 高徑比；園整取3.00m。（4）封頭容積及直邊高度確定封頭選用橢園形封頭，根據(jù)筒體直徑查化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)附表5得有關(guān)數(shù)據(jù)如下：曲面高度h1750mm；直邊高度h040mm；容積VA=3.82，內(nèi)表面積A

42、=10.15（5）筒體高度確定由Di3000mm查化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)附表4得：V1米7.030；A1米9.43；當(dāng)時(shí)，G1米742 kg。根據(jù)公式得取，則：實(shí)(6)聚合釜壁厚的計(jì)算計(jì)算厚度：由公式： （52）式中S 聚合釜的壁厚，mm；Di 封頭內(nèi)直徑，mm；C 封頭壁厚附加量，mm；C1 鋼板負(fù)偏差，mm；C2 腐蝕余量，mm；S0 計(jì)算壁厚，mm； 設(shè)計(jì)溫度時(shí)的許用應(yīng)力，MPa； 焊縫系數(shù)；取Pc=0.6MPa；Di=3000mm；=0.95；設(shè)計(jì)溫度為5,查得0Cr18Ni9在5的t=122MPa, C1取0.8mm, C2取2mm。,圓整取S=12mm表51反應(yīng)釜各主要項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)設(shè)

43、計(jì)壓力，MPa釜內(nèi)釜外0.60.1設(shè)計(jì)溫度,55焊接系數(shù)0.95腐蝕余量,mm2容積,57.47筒體直徑,mm3000封頭高度,mm750直邊高度,mm40筒體高度,m7.6釜壁厚度,mm125.1.2攪拌器的確定攪拌器形式采用槳式攪拌器，依據(jù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)見熱量衡算部分。依據(jù)聚合物合成工藝設(shè)計(jì)表6-4 攪拌槳葉的結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)參數(shù)，取，。槳的直徑：槳葉的寬度：攪拌葉距釜底的距離：本設(shè)計(jì)中槳葉的層數(shù)為3層，那么每層槳葉間的距離為：設(shè)計(jì)中槳葉的轉(zhuǎn)速為：100r/min其中D釜體直徑，mm；d攪拌槳葉直徑，mm;b攪拌槳葉寬度，mm;Z攪拌槳葉的葉數(shù)；C攪拌葉距釜底距離，mm;攪拌器軸徑確定攪拌軸的材

44、料常用45鋼，本設(shè)計(jì)中的攪拌軸也是這個(gè)材料。1.攪拌軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件： （53）式中軸橫截面上的最大剪應(yīng)力，MPa;軸所傳遞的扭矩，；軸的抗扭截面模量，；降低后的材料的許用應(yīng)力， 45鋼取3040MPa, MPa； （54）對(duì)于實(shí)心軸 （55） 得，式中：d攪拌軸直徑，mm; P攪拌軸傳遞的功率，KW； n攪拌軸的轉(zhuǎn)速，r/min；2.攪拌軸的剛度計(jì)算為了防止攪拌軸產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形，從而在運(yùn)轉(zhuǎn)中引起震動(dòng)，影響正常工作，應(yīng)把軸的扭轉(zhuǎn)變形限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。工程上以單位長(zhǎng)度的扭轉(zhuǎn)角不得超過許用扭轉(zhuǎn)角作為的剛度條件，即 （56）式中：軸扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角，； G攪拌軸材料的剪切彈性模

45、量，MPa,對(duì)于碳鋼及合金鋼為 軸截面的極慣性距，對(duì)于實(shí)心軸； 許用扭轉(zhuǎn)角，對(duì)于一般傳動(dòng)，如攪拌軸，取0.51.0。由上式可導(dǎo)出實(shí)心軸的直徑 則 d取84.7mm, 圓整取表52攪拌器各主要項(xiàng)目參數(shù)攪拌項(xiàng)目參數(shù)攪拌葉葉數(shù)2槳葉直徑，mm1000槳葉寬度，mm200槳葉間的距離，mm2490槳葉層數(shù)3槳葉距釜底距離，mm1800攪拌轉(zhuǎn)速，r/min100攪拌軸徑，mm865.1.3內(nèi)置冷卻管的計(jì)算此過程為冷卻過程，故熱負(fù)荷應(yīng)取熱流體的放熱量。又因?yàn)閷?duì)該工程而言，熱損失越大越有利于冷卻，所以在確定冷卻液氨用量時(shí)可不考慮熱損失。由前面計(jì)算，得需要液氨的量為平均溫度差的計(jì)算：計(jì)算R和P由R和P查化工原

46、理上冊(cè)圖4-9，本設(shè)計(jì)中冷卻管的材料為無(wú)縫鋼管（），傳熱壁內(nèi)側(cè)液氨流體的傳熱膜系數(shù)為，傳熱壁外側(cè)原料流體的傳熱膜系數(shù)為。傳熱面積的計(jì)算：管子根數(shù)的確定：圓整為110根反應(yīng)釜內(nèi)共設(shè)10組，每組11根換熱管。這11個(gè)管子倆頭與倆個(gè)封頭似的管箱焊接，管箱與管子采用焊接連接。5.1.4開口直徑的確定 1.釜底、釜頂進(jìn)出料管直徑確定根據(jù)5-1式進(jìn)行計(jì)算，由物料衡算知V34.50；參照化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版P3-38表15-17，并綜合考慮系統(tǒng)粘度情況，取u0.2。則： 圓整取250mm，材質(zhì) 1Cr18Ni9Ti。2.氨氣進(jìn)出口直徑取100mm ，材質(zhì)1Cr18Ni9Ti。3.人孔、視鏡、溫度計(jì)口等直徑

47、的確定參照有關(guān)資料分別確定為：人孔：350500mm視鏡：150mm溫度計(jì)口：125mm表53 各開口直徑一覽表名稱直徑大小進(jìn)料口，mm250出料口，mm250人孔，mm500視鏡，mm150進(jìn)氣口，mm100出氣口，mm100溫度計(jì)口，mm1255.1.5終止釜的設(shè)計(jì)按停留時(shí)間1小時(shí)考慮，選用與聚合釜相同結(jié)構(gòu)、相同尺寸的釜1臺(tái)。5.2貯罐確定（1）原料用罐 丁二烯原料貯罐 （57） 其中 貯罐中物料的質(zhì)量，kg;物料流量，kg/h；停留時(shí)間，取一個(gè)班次的時(shí)間8h，h;貯罐體積計(jì)算：其中 貯罐中物料的體積，裝料系數(shù)，0.750.85；物料的密度，選3000610016；封頭厚度為18mm,V63.0臥式橢圓型封頭貯罐2個(gè)苯乙烯原料貯罐選2400620012；封頭厚度為14mm,V32.03臥式橢圓型封頭貯罐1個(gè)乳化劑貯罐選280017854000；壁厚8mm,V20.0，平頂平底貯罐1個(gè)?；罨瘎┵A罐選8008251600；壁厚5mm, V0.8，平頂平底貯罐1個(gè)。調(diào)節(jié)劑貯罐選500525700；壁厚5mm ,V0.14，平頂平底貯罐1個(gè)。電解質(zhì)貯罐選160016402200；壁厚6mm, V4，平頂平底貯罐1個(gè)。氧化劑貯罐選