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丁苯橡胶聚合工艺设计书说明书doc

丁苯橡胶聚合工艺设计书说明书

第1篇设计说明书

第1章绪论

1.1设计依据、指导思想

1.1.1设计依据

主要设计依据是吉林化工学院下发的“年产6.5万吨丁苯橡胶装置聚合工段的工艺设计”本科生毕业设计任务书。

1.1.2指导思想

本设计的指导思想是：

（1）利用传统乳液聚合生产技术，确保产品质量高，生产过程安全；

（2）生产过程尽量采用自动控制，机械化操作；

（3）对于易燃易爆场所，设计采用可靠的控制，报警消防设施；

（4）设计采用技术成熟完善的传统乳液聚合方法，达到环保的要求，对生产过程中的化学污水的排放要经过处理，以保证环保要求；

（5）厂房、车间、设备布置要严格按土建标准，以保证生产和正常进行及操作人员的安全。

1.2设计地区的自然条件

本设计的丁苯橡胶车间拟建在吉林市江北吉化有机合成厂院内。

设计地区自然条件如下：

土壤最大冻土深度：

1.8米土壤设计冻土深度：

1.7米

全年主导风向：

西南风夏季主导风向：

东南风

年平均风速：

3.4米/秒地震裂度：

7度

年平均降雨量：

668.4毫米日最大降雨量：

119.3毫米

平均气压：

745.66mmH最高气温：

36.6℃

最低气温：

-38℃平均相对温度：

71%

最大降雪量：

420毫米水温：

15℃

第2章工艺论证

2.1工艺原理

丁苯橡胶是1,3-丁二烯和苯乙烯的共聚物，是一种最通用的橡胶品种，它是按自由基反应机理于乳液中合成的。

其反应方程式为：

2.2生产方法论证

丁苯橡胶的生产包括溶聚和乳聚两种工艺。

溶聚丁苯橡胶具有低的滚动阻力，又具有很高的抗湿滑性与耐磨性，其滚动阻力比乳聚丁苯橡胶减少20%一30%，抗湿滑性优于顺丁橡胶，耐磨性能也很好，是全天候轮胎的最合适胶料。

近几年国际上溶聚丁苯橡胶的消费是一直处于上升趋势。

西欧和日本溶聚丁苯橡胶所占总丁苯橡胶消费量的比例为31%左右，一些公司正计划扩大溶聚丁苯橡胶生产能力或新建装置。

1992年以来，溶聚丁苯橡胶的产量呈递增趋势。

据有关资料报道，1992年至2000年西欧、美国、日本三地区SSBR平均年增长率为5.9%，而SBR平均年增长率约为1.2%01995年，拜耳公司决定停止其在ESBR方面的投资，Hill，的ESBR停产。

拜耳认为轮胎制备技术会有一个根本转变，欧洲的消费者将逐步接受“绿色轮胎”;另外，还应该看到以下因素[13]：

（1）在现有的溶液聚合装置上花较少的费用就能有效地扩大SR的能力。

（2）溶聚工艺优于乳液聚合和气相聚合工艺，SSBR和BR更能接受长期挑战。

（3）目前越来越趋向于采用优等填料，SSBR可在此方面降低轮胎的滚动阻力做出贡献。

（4）ESBR的生产效益长期低下。

但是，拜耳同时也指出ESBR1500,1712对不同用户需求的适应性很强[14]。

SSBR是一种相对ESBR的高性能合成橡胶，它不能等同于ESBR，也不能完全取代ESBR，二者比例的调整有一个渐进的发展过程。

开发SSBR要在确保其综合质量优良的基础上，将目标集中在节能型品种。

虽然丁苯橡胶市场已经成熟，但乳液丁苯橡胶与溶液丁苯橡胶之间的竞争正在增加。

溶液丁苯橡胶在加工上存在的问题已通过生产特制聚合物（tailoring）而得到克服。

目前存在的主要问题是价格较高，各生产者所生产的产品之间没有很好的互换性。

对于高性能轮胎，没有任何其它橡胶能够代替溶液丁苯橡胶，当然乳液丁苯橡胶也是不能满足要求的。

因此尽管溶液丁苯橡胶成本比乳液丁苯橡胶约高出17%，但轮胎生产者使用溶液丁苯橡胶的趋势已开始越来越明显，但是由于我国的现状的限制，所以我国大多数还是选用乳液丁苯橡胶。

目前国内4套乳聚丁苯橡胶装置主要技术来源于日本JSR、ZEON和台湾合成橡胶公司。

工艺技术路线基本一致，都是低温乳液聚合技术，只是在工艺流程和聚合配方上有差别，技术本质上无差别。

对于聚合生产工艺而言，JSR从工艺流程上要好于ZEON，产品质量优于ZEON，缓冲能力较强；不足之处是JSR聚合转化率为62%，而ZEON为70%[15]。

吉林石化公司丁苯橡胶装置A、B两条生产线原设计双线各八台釜，五台置换塔，聚合釜容积为30

/台，聚合物料从一釜进入，依次通过串联的八台釜，在5℃的温度下，反应8-10小时，聚合转化率为60%，生产能力每条线为115t/d；经过几次技术改造，双线各拆除两台置换塔，增加一台聚合釜，变为九釜三塔反应，聚合转化率由60%提至62%，装置生产能力由115t/d提高到145t/d[15]。

兰州石化公司橡胶厂丁苯橡胶以氯化钾为电解质（PH缓冲溶液）、过氧化氢二异丙苯为氧化剂、以叔十二碳硫醇为调节剂，借液氨冷却，在5-8℃下，丁二烯和苯乙烯在聚合釜中进行聚合反应，待末釜单体转化率达64-68%时，用终止剂终止聚合反应，单体回收采用水环式压缩机，用挤压脱水机、膨胀干燥机进行脱水干燥[15]。

齐鲁石油化工公司橡胶厂采用ZEON技术，用低活性引发剂通过延长反应时间、调节剂乳化剂补加实现高转化率，通过改变氨蒸发压力对聚合温度进行控制，经过14-16小时的聚合反应，聚合达70%。

单体回收采用三台小脱水机脱水，采用带式干燥机热风干燥（两条线为随工艺包引进，第三线为哈尔滨博实公司参照其干燥箱仿制）。

其工艺路线的缺点一是反应时间较长；二是反应温度控制精度低，温度波动大；三是缓冲能力弱[15]。

南通申华化学工艺路线与吉化公司基本相当，其技术来源于台湾合成橡胶公司，聚合系统聚合温度控制在8℃左右，转化率为63%--66%，单体丁二烯回收用水环真空泵，苯乙烯回收采用两台减压蒸馏塔串联操作，脱水机为两台并联操作，每条生产线两台小干燥箱（美国WP公司生产）并联进行干燥。

虽然丁苯橡胶市场已经成熟，但乳液丁苯橡胶与溶液丁苯橡胶之间的竞争正在增加。

溶液丁苯橡胶在加工上存在的问题已通过生产控制聚合物（tailoring）而得到克服。

目前存在的主要问题是价格较高，各生产者所生产的产品之间没有很好的互换性。

对于高性能轮胎，没有任何其它橡胶能够代替溶液丁苯橡胶，当然乳液丁苯橡胶也是不能满足要求的。

一般乳液丁苯橡胶中含有23.5%的苯乙烯，其分子量随聚合情况而异，在10~150万之间。

聚合物的分子微结构，也随聚合条件的变化有很大不同。

高温共聚丁苯橡胶与低温丁苯橡胶比较，高温共聚橡胶反式结构含量较低，聚合度也较低，凝胶含量较大；低温共聚丁苯橡胶反式结构含量较高，分子量分布较窄，凝胶含量几乎没有，因此，物理性质比高温丁苯橡胶好。

第2篇设计计算说明书

第1章基础数据

1、年产量：

3.5万吨

2、年工作日：

7800小时

3、烃含量:

92%

4、转化率:

60%

5、单体回收单元损率:

0.2%

6、后处理单元损率:

0.6%

7、聚合配方（质量百分含量，净含量/100份单体）

表1-1主要原料指标

原料

指标

丁二烯纯度

99.3%

苯乙烯纯度

99.6%

丁二烯/苯乙烯

72/28

混合苯乙烯纯度

94%

混合丁二烯纯度

93%

纯碱流量/BD流量

1/1

表1-2产品指标

产品

指标

气提胶乳中结合苯乙烯含量（wt%）

22.5~25.4%

残留苯乙烯（wt%）

0.1%

最终胶乳（wt%）

20.5~23.5%

单体回收单元丁二烯损率：

（wt%）

2.0%

单体回收单元苯乙烯损率（wt%）

0.06%

门尼粘度

46~58

伸长率

480%

表1-3聚合配方

名称

组分

SBR1500

单体

乳化剂

176.072

松香酸钾皂液

4.62

电解质

2.058

磷酸

0.231

氢氧化钾

0.396

乙二胺四乙酸四钠盐

0.03

间次甲基二萘磺酸钠

0.13

保险粉溶液

0.54

连二亚硫酸钠

0.04

活化剂溶液

11.253

乙二胺四乙酸四钠盐

0.025

硫酸亚铁

0.01

甲醛次硫酸钠

0.04

调节剂溶液

叔十二碳硫醇

0.158

氧化剂溶液

过氧化氢对锰烷

0.86

终止剂溶液

4.966

二甲基二硫代氨基甲酸钠

0.11

亚硝酸钠

0.036

SDS

0.15

稀磷酸

0.035

PHS

0.023

第2章聚合工段物料衡算

丁苯物料衡算图：

1—丁二烯；2—苯乙烯；3—调节剂；4—活化剂；

5—氧化剂；6—终止剂；7—钾皂；8—碱；

9—聚合物；10—软水；11—未反应丁二烯；12—未反应苯乙烯；

13—蒸气；14—消泡剂；15—固体；16—碱；

2.1进料计算

（1）混合丁二烯和苯乙烯进料：

设年产量为6.5万吨

每小时产量：

M=3.5×107/7800=4487.18kg/h

每小时消耗的烃含量：

4487.18kg/h×0.92=4128.21kg/h

丁二烯和苯乙烯的总量：

MST+BD=4128.21kg/h/60%/（1—0.2%）/（1—0.6%）=6935.75kg/h

丁二烯和苯乙烯的配料比值：

BD：

ST=72：

纯丁二烯的进料量：

M2=MST+BD×0.72=6935.75kg/h×0.72=4993.74kg/h

纯苯乙烯的进料量：

M3=MST+BD×0.28=6935.75kg/h×0.28=1942.01kg/h

每小时丁二烯的混合进料量：

M5=M2/0.93=4993.74kg/h/0.93=5369.61kg/h

每小时苯乙烯的混合进料量：

M4=M3/0.94=1942.01kg/h/0.94=2065.97kg/h

单体BD的总损失量：

4993.74×（0.002+0.006+0.02）=139.82kg/h

单体ST的总损失量：

1942.01×（0.002+0.006+0.001+0.0006）=18.64kg/h

（2）辅助物料计算：

单体：

BD：

4993.74kg/hST:

1942.01kg/h

单体总量：

BD+ST=6935.75kg/h

乳化剂：

松香酸钾皂6935.75kg/h×4.62%=320.43kg/h

WT6935.75kg/h×176.072%=12211.91kg/h

电解质：

WT6935.75kg/h×2.058%=142.74kg/h

磷酸6935.75kg/h×0.231%=16.02kg/h

氢氧化钾6935.75kg/h×0.396%=27.47kg/h

乙二胺四乙酸四钠盐6935.75kg/h×0.03%=2.08kg/h

间次甲基二萘磺酸钠6935.75kg/h×0.13%=9.02kg/h

保险粉溶液：

WT6935.75kg/h×0.54%=37.45kg/h

连二亚硫酸钠6935.75kg/h×0.04%=2.77kg/h

活化剂溶液：

WT6935.75kg/h×11.253%=780.48kg/h

乙二胺四乙酸四钠盐6935.75kg/h×0.025%=1.73kg/h

硫酸亚铁6935.75kg/h×0.01%=0.69kg/h

甲醛次硫酸钠6935.75kg/h×0.04%=2.77kg/h

调节剂溶液：

叔十二碳硫醇6935.75kg/h×0.158%=10.96kg/h

氧化剂溶液：

过氧化氢对锰烷6935.75kg/h×0.86%=59.65kg/h

终止剂溶液：

WT6935.75kg/h×4.966%=344.43kg/h

二甲基二硫代氨基甲酸钠6935.75kg/h×0.11%=7.63kg/h

亚硝酸钠6935.75kg/h×0.036%=2.5kg/h

SDS6935.75kg/h×0.15%=10.40kg/h

稀磷酸：

WT6935.75kg/h×0.035%=2.43kg/h

PHS6935.75kg/h×0.023%=1.60kg/h

2.2出料计算

（1）未反应的丁二烯出料

根据结合苯乙烯的量（22.5-23.5%）确定反应掉的苯乙烯的量（即乳胶中丁二烯/苯乙烯=76.5/23.5）

反应的MBD=4993.74kg/h×0.6=2996.24kg/h

MBD/MST=77/23=3.35

反应的MST=23/77×2996.24kg/h=894.98kg/h

未反应的MBD=4993.74kg/h-2996.24kg/h=1997.5kg/h

（2）尾气中丁二烯的含量

4993.74kg/h×0.02=99.87kg/h

（3）气体乳胶中残留苯乙烯

1942.01kg/h×0.001=1.94kg/h

（4）滗吸器中的残留苯乙烯

1942.01kg/h×0.0006=0.67kg/h

（5）胶乳总量

反应的MBD+反应的MST=3891.22kg/h

表2-1-5物料衡算表

组成

进料量Kg/h

出料量Kg/h

混合丁二烯BD

5369.61

混合苯乙烯ST

2065.97

未反应丁二烯

1997.75

乳化剂EM

12532.34

活化剂ACT

785.67

调节剂MOD

10.96

氧化剂OXI

59.65

总量

20824.2

1997.75

第3章聚合工段热量衡算

物料的平均密度

平均密度

第一反应器入口

869kg/m3

at9.7℃

第二反应器入口

928kg/m3

at5.5℃

平均

899kg/m3

平均流量=M总/899=13995.16kg/hr/899=15.74m3/h

则取反应釜体积V=16m3

滞留时间t=16/15.74=1.02hr

反应时间7～10小时

Rt=7小时7/1.1.02=6.86（6釜）

Rt=8小时8/1.02=7.84（7釜）

Rt=9小时9/1.02=8.82（8釜）

Rt=10小时10/1.02=9.80（8釜2塔）

为达到要求转化率，使聚合反应充分发生，取反应时间Rt=10小时，聚合釜为8釜2塔串联。

3.1聚合热

BD:

18.7kcal/molST:

16.68kcal/mol

一小时釜中的聚合热：

Q=（MBD/54×0.001×18.7+MST/104×0.001×16.68）kcal/h

=590563.92kcal/h

反应10小时，每釜的聚合热：

q=Q/8.5145=590563.92kcal/h/8.53=69359.79kcal/h

3.2冷却显热

第一反应釜的温度从10℃降至7℃的冷却显热如表2-2-3所示：

表2-2-3首釜冷却显热

FLOW（kg/h）

△T（℃）

Cp（kcal/kg·℃）（7℃）

q=FCp△T（kcal/h）

5369.61

0.548

8827.64

2065.97

0.396

2454.37

12532.34

0.977

36732.29

MOD

10.96

0.2

6.58

ACT

785.67

0.995

2345.22

OXI

59.65

0.2

35.79

TOTAL

20824.20

50401..89

第二反应釜温度从7℃降至5℃的冷却显热如表2-2-4所示：

表2-2-4第二反应釜冷却显热

FLOW（kg/h）

△T（℃）

Cp（kcal/kg·℃）（5℃）

q=FCp△T（kcal/h）

5369.61

0.548

5885.09

2065.97

0.396

1636.25

12532.34

0.977

24488.19

MOD

10.96

0.2

4.38

ACT

785.67

0.995

1563.48

OXI

59.65

0.2

23.86

TOTAL

20824.20

33601.07

3.3搅拌热

搅拌热为聚合热的5%计算

反应10小时每釜的搅拌热为:

q1=q×5%==3467.99Kcal/h

3.4大气吸热

反应器R3017℃反应器R302～3095.5℃

初定反应器的型号为：

φ3000×H3100（查≤化工容器及设备简明设计手册≥）P998

表面积:

A=2×S底+S侧=2×π/4×D2+πDH=32.80m2

大气吸热公式：

Q=q×A

q=（Q0-Qr）/（1/α+x/λ）

（x=0.030α=7Kcal/m2.h.℃Qr=20℃（室外常年平均温度）

Qs=15℃（表面温度）

则第一反应釜的大气吸热为：

λ=0.030+0.00012θ=0.030+0.00012×（7+15）/2

=0.03132Kcal/m.hr.deg

q=（Q0-Qr）/（1/α+x/λ）=（7-20）/（1/7+0.030/0.03132）=－11.81Kcal/m2.hr

A=32.80m2

Q=q×A=－11.81×32.80=－387.40Kcal/h

第二反应釜至最后反应釜的大气吸热为：

λ=0.030+0.00012θ=0.030+0.00012×（5.5+15）/2=0.03123Kcal/m.h.deg

q=（Q0-Qr）/（1/α+x/λ）=（5.5-20）/（1/7+0.030/0.03123）=-13.1403Kcal/m2.h

A=32.80m2

Q=q×A=－13.1403×32.80=－430.99Kcal/h

3.5所需氨的量

m：

氨的质量；Hr：

氨的汽化潜热，7℃时为295.7kcal/kg,5.5℃时为297.05kcal/kg。

则反应10小时时，

冷却第一釜所需氨的量：

冷却第二釜所需氨的量：

冷却三至末釜所需氨量：

九釜的热量平衡表如表2-4-5至2-4-7所示：

表2-4-5反应时间为10h时第一釜的热量平衡表

10釜

聚合热

kcal/hr

冷却显热

Kkal/hr

搅拌热

kcal/hr

大气吸热

kal/hr

总计

Kkal/hr

第一釜

69359.79

50401.89

3467.99

-387.40

122842.27

第二釜

69359.79

33601.07

3467.99

-430.99

105997.86

第3-10釜

69359.79

33601.07-

3467.99

-430.99

105997.86

第4章反应器和搅拌桨的选择

4.1反应釜的选型

按聚合反应的特性及过程控制的重点在于除去聚合热的场合，可选用搅拌釜式反应器（参见《聚合反应工程基础》）。

搅拌釜是乳液聚合最常用的反应器，也是应用最广的聚合反应器，釜式聚合反应器是一种形式多变的聚合装置，它广泛应用于低粘度的悬浮聚合过程，乳液聚合过程，也能用于高粘度的本体聚合和溶液聚合过程。

从操作方式来看它能进行间歇、半连续、单釜和多釜连续操作，以满足不同聚合过程的要求。

为了保证釜中物料的流动、混合与传热，液滴的分散或固体物料的均匀悬浮，釜中设有搅拌装置。

釜式反应器的除热主要采用夹套和各种内冷件，以立式最为常见。

综上所述，初选反应器为搅拌釜式反应器。

由设计压力为3×105~5×105帕，热量衡算初选的反应器为φ2400×H1800，可选封头型式为：

椭圆形底、盖，可拆盖，高度H=2200mm，公称容积为35m3，筒体内径为2400mm，壁厚为18mm，A3材质，重量为3680Kg，下轴泵为LIGUM—VIJUE（参见《化工容器及设备简明设计手册》）。

反应釜和搅拌桨示意图2—4—1：

图2—4—1反应釜和搅拌桨示意图

反应釜的型号见下表2—4—1：

表2—4—1反应釜的型号

封头型式

公称容积

计算容积

筒体直径

筒体高度

高度

壁厚

材质

下轴泵型号

椭圆底、盖

18m3

16m3

2800

3500

37400

18mm

LIGUM—VIJUE

第5章管道直径与贮罐的计算

5.1管道与贮罐的计算

5.1.1管道直径的计算

一．丁二烯苯乙烯进料管径的计算

查得工艺液体的流速范围为0.5-1m/s

1.丁二烯管径的计算

取丁二烯的流速为u=1m/s；

qm=4993.74kg/h；=621.1kg/m3

取标准的管道直径为60×3

实际的流速为u=

=0.96m/s.

2.苯乙烯管径的计算

苯乙烯的流速u=1.0m/s

qm=3837.17kg/h；=914.0kg/m3

取标准的管道直径为32×3

实际的流速为u=

=0.89m/s.

第6章换热器的设计型计算

6.1.1计算壳程压降及给热系数α0

假设直立管外径d=0.04m,壁厚2mm，长3.0m，壁温

，

，求的

圆整至标准的公称直径

曲面高度

，直边高度

，内表面积为8.22，容积为3.12

H=2.96m，圆整至标准的高度为300mm

所以设计合理

第7章泵的计算

7.1泵P—304的设计

图2—7—1泵示意图

7.1.1条件依据

以P—304苯乙烯进料泵的计算为例，已知数据如下：

管径：

D=0.05m

苯乙烯的平均密度：

苯乙烯的粘度：

压强：

P1=5×105PaP2=1×105Pa

7.1.2管内流体的流速

（1）管内流体的流速：

雷诺数：

即：

管内流动状态为湍流

取

，

由Re、e查《化工原理》上册P40，

（2）直管阻力和局部阻力的计算：

直管阻力的计算：

局部阻力的计算：

有90°的弯头19个，则

=11.25

总的阻力：

（3）理论压头的计算：

由柏氏方程可得：

=45.13

7.1.3泵的选型：

由输送温度为常温、低粘度、无腐蚀性、无固体颗粒的液体，选择扬程为48，流量为15

的旋涡泵，旋涡泵适合小流量高扬程的场合。

查《化工手册》P4-71选泵的型号为：

IS50—320—200泵的效率的计算：

7.1.4储罐的计算

丁二烯储罐的计算，

致谢

本设计是在我的导师张钰的亲切关怀和悉心指导下完成的。

她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

从设计的选择到最终完成，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。

在这一学期的时间里，王老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

同时，还要感谢材料化学

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