年产4.0万吨顺丁橡胶聚合车间的设计

1、毕业设计（论文）年产 4 万吨顺丁橡胶聚合车间的设计学院：专业：姓名：学号：指导老师：职称：中国二一四年五月北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计年 产 4 万 吨 顺 丁橡 胶 聚 合 车 间 的 设 计 是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名：日期：年月日I北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计年 产 4 万 吨 顺 丁 橡 胶 聚 合 车 间 的 设 计摘要顺丁橡胶是顺式 1，4-聚丁二烯橡胶的简称，其国际通用代号为 BR，它是

2、仅次于丁苯橡胶的世界上第二大通用合成橡胶。本设计介绍了顺丁橡胶的市场需求与生产现状，制定选择了原料路线、聚合方法、催化剂、终止剂、防老剂的优缺点。确定了顺丁橡胶的生产流程，并查阅各种物质的工艺参数，对产量为 4 万吨的顺丁橡胶聚合工艺进行了计算，其中包括所有设备的物料衡算，聚合釜的热量衡算以及聚合釜的设备计算，绘制了 PID 图、车间布置图以及聚合釜的详细设备图。关键词：顺丁橡胶，丁二烯，转化率，催化剂，聚合I北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计Design of an annual output of 40000 tons of polybutadiene rubber plan

3、tABSTRACTPolybutadiene rubber is cis 1, 4- polybutadiene rubber referred to, the international code for the BR, it is second only to styrene butadiene rubber in the world second big general synthetic rubber. This design introduced the market demand and production situation of polybutadiene rubber fo

4、rmulation selection, advantages and disadvantages of the raw materials, polymerization process, catalyst, terminating agent, antioxidant. Determination of the polybutadiene rubber production process, and check the process parameters of various materials, on the yield of polymerization of butadiene r

5、ubber 40000 tons of material balance calculation, including all equipment, heat balance calculation and polymerization equipment polymerizer calculation, draw the PID chart, PFD chart and polymerization kettle with equipment drawing.Key word:Butadiene rubber, Butadiene, Conversion, Catalyst, Polymer

6、izationII北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计目录1 绪论.11.1概述.11.1.1设计依据.11.1.2生产状况.11.1.3工艺路线.11.2原料、产品的物理化学性质和主要技术指标.21.2.1原料的物理化学性质及技术指标.21.2.2生成物顺丁橡胶的物理化学性质及技术指标.21.3生产流程简述.41.3.1生产流程简述及工艺设备选择.41.3.2操作控制指标.51.4车间三废处理及安全防护.61.4.1车间三废处理.61.4.2安全防护.62 物料衡算.82.1数据.82.2.计算基准单位.82.3聚合釜物料衡算.82.3.1丁二烯系统.92.3.2溶剂油系统.92

7、.3.3引发剂系统.102.3.4聚丁二烯系统.102.3.5终止剂、防老剂系统.122.4凝聚釜物料衡算.132.5振动筛及热水罐物料衡算.162.5.1进料系统.162.5.2出料系统.162.6干燥脱水物料衡算.172.6.1去包装部分.182.7包装物料衡算.182.8油水分离器物料衡算.192.8.1出料部分：.202.9溶剂回收部分物料衡算.202.9.1基础数据.202.9.2工艺要求.212.9.3对丁二烯作物料衡算.22I北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计3 热量衡算.243.1主要对聚合釜进行热量衡算.243.1.1基础数据.243.2各聚合釜反应转化率确定.

8、253.3各釜物料组成及物性据数.263.4各釜对流传热系数a和传热系数 K 的计算.273.4.1夹套内冷却盐水的对流传热系数a1 计算.273.4.2釜内对流传热系数 a 2i 的计算.283.4.3各釜总传热系数 K 的计算.303.4.4聚合釜搅拌功率的计算.313.5热量衡算.324 设备计算及选型.364.1聚合釜计算.364.1.1基础数据.364.1.2聚合釜容积确定.364.1.3聚合釜筒体直径与筒体高度确定.364.1.4夹套直径及高度确定.384.1.5釜壁厚的计算.394.1.6夹套筒体与封头壁厚确定.394.1.7水压试验应力校核.404.1.8釜有关数据.404.2

9、搅拌器的确定.414.3各物料进出管管径确定.414.4换热器的选择.444.5泵的选择.49参考文献.52致谢.53附录.54II北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计1 绪论1.1 概述1.1.1 设计依据本设计主要设计依据是北京理工大学珠海学院化工与材料学院下发的“年产 4 万吨顺丁橡胶聚合车间的工艺设计”本科生毕业设计任务书。1.1.2 生产状况所设计车间设计生产规模为年产量为 4 万吨顺丁橡胶。主要生产原料：单体丁二烯；主要溶剂为溶剂油；反应引发剂为环烷酸镍、三异丁基铝、三氟化硼乙醚络合物的混合物；所用终止剂为乙醇；防老剂为 2.6-二叔丁基对甲苯酚。本设计的生产原理是反应

10、原料溶液发生聚合的方法，使混合液在连续釜式反应器中进行配位反应聚合，反应制得粘稠胶液，再经过水蒸汽对反应物进行凝聚、洗胶、干燥、压块等过程获得所要产品顺丁橡胶。1.1.3 工艺路线(1)聚合方法路线的选定根据产物结构要求从自由基聚合、阳离子聚合、阴离子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、传热、引发剂、物料输送、回收、操作方式等方面考虑选择溶液聚合实施方法路线。该工艺处理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等；由于混合溶剂在连续反应过程中的存在，所以要考虑溶剂的回收、循环利用，反应的终止方式等过程。操作为连续操作方式。单体原料路线的确定通过对乙醇法、

11、乙炔法、丁烯氧化脱氢法、丁烯催化脱氢法、石油高温裂解回收法等生产方法的优缺点的对比，通过结合现实情况，正确地选择合适的丁烯氧化脱氢制丁二烯原料生产路线。溶剂的选择不同溶剂对反应原料、产物及反应所需的各种引发剂的溶解能力有所不同。从溶解度参数、体系粘度、生产能力提高、工程上传热与搅拌等几方面对苯、甲苯-庚烷、甲苯、溶剂油等，进行全面比较，对溶剂油进行选择确定。引发剂的选择1北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计首先从适合顺丁橡胶聚合生产反应的引发剂共性入手，比如稳定性好、定向能力高、高效、用量少、易分离及残存对反应产物性能无影响等等，对常用的 Ti 系、Co 系、Li系、Ni 系四种类

12、型引发剂进行综合比较，选择最适合的 Ni 系引发剂，其组份主引发剂为环烷酸镍，助引发剂为异丁基铝，三氟化硼乙醚络合物 1。引发剂活性中心的形成方式的选择 陈化方式陈化指为了提高引发剂活性，充分发挥各组分的作用，在进行聚合反应前先把引发剂各组分溶液按一定比例配比，在适当的反应条件下进行的预混合反应。国内生产对上述引发体系采用过即三元陈化、双二元陈化、稀硼单加三种反应陈化方式。综合比较后，确定稀硼单加为最佳方式。1.2 原料、产品的物理化学性质和主要技术指标1.2.1 原料的物理化学性质及技术指标顺丁橡胶生产的主要原料是单体丁二烯，溶剂，溶剂油；选用引发剂为环烷酸镍、三异丁基铝、三氟化硼乙醚络合物

13、；选用终止剂为乙醇；防老剂为 2.6-二叔丁基-4-甲基苯酚。设计所采用的各种原料质量指标数据如下所列：丁二烯：纯度：99；丁烯：1；水值： 20 mg kg ；二聚物：50 mgkg ；溶剂油(C6 油)组分：C5 2.1%、C6 57.8%、C7 40.1%；碘值： 0.2 g100g ；馏程：6090；水值：78；不皂化物： 无；水份：46；沸点：124.5126。终止剂：纯度：95；恒沸点：78.2；含水：5；密度：810 Kg m3 。防老剂：熔点：6971；灰分：0.03；游离甲酚：0.04；油溶性：合格。1.2.2 生成物顺丁橡胶的物理化学性质及技术指标顺丁橡胶的分子结构直接影响

14、决定了它的性质。其结构主要为分子内结构和分子间结构。顺丁橡胶的分子结构环烷酸镍三异丁基铝三氟化硼乙醚络合物混合引发剂体系促使丁二烯聚合反2北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计应后的产物中含 9698的顺式 1.4 结构，12反式 1.4 结构和 12的 1.2 结构加成物。其中顺式 1.4 结构为主的大分子聚合物，具有分子链长，分子间排布均匀，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，同时易于硫化处理等等的特点 1。由于顺式 1.4 结构聚合物在产物中中占很大部分，从而使得聚合物大分子的规整性比较好好，而且产物分子链间无取代基，其形成的对称性好，但是其重复结构单

15、元之间的距离比较大，故造成顺式 1.4 结构聚合物比反式 1.4 结构聚合物更难于结晶。即使它能结晶，它的熔点也会比较低，所以，在常温状态下顺式 1.4 结构聚合物无结晶态，只是以无定形的形态存在。相反，反式结构产物相对易结晶。所以，前者是高弹性体，后者无弹性体。顺丁橡胶的性能通过与天然橡胶作对比，顺式顺丁橡胶具有耐低温性好、耐磨性佳、弹性高和生热性小、耐挠曲性及动态性能好以及耐老化、而永久性好等特点，它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、有冷流性倾向等缺点 2 。顺丁橡胶的性能先观察生胶的性能(外观、可塑性、加工性、颜色等)好坏，影响它因素有聚合方法、门尼粘度

16、、平均分子量、分子量分布、凝胶含量、引发剂系统、生胶的分子结构、灰分、挥发份等。其次再观察硫化后的硫化胶性能(抗张强度、伸长率、生成热、永久变形、硬度、回弹性、300定拉伸强力、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 3 。顺丁橡胶的用途产品主要用在轮胎加工行业，此外，还用于输送带、传动带、模压制品、鞋底、胶鞋及海绵胶等方面。生产中成品胶质量指标生产中成品胶质量指标如表 1.1 所示。表 1.1 成品胶质量指标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1 0 0 C455455457M 1

17、 + 4混炼胶门尼粘度1 0 0C687373M 1 + 43北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计25min6.510.56.210.76.011.0300定伸应力MPa35min7.011.06.711.26.511.550min6.810.86.511.06.311.3拉伸强度MPa35min14.213.713.2伸长率35min4504304301.3 生产流程简述1.3.1 生产流程简述及工艺设备选择聚合工段聚合工段流程主要是由罐区、计量、聚合、配制、粘度五个主要岗位所组成。罐区部分主要负责贮存、收送丁二烯溶液和溶剂油。当聚合岗开车运作，罐区连续不断的给聚合釜输送溶剂油；

18、原料单体丁二烯则由后乙腈直接输送进行聚合，聚合釜停产后，则未反应的丁二烯直接输送回罐区。计量岗主要负责为聚合反应过程输送各种各样的引发剂、终止剂。配制岗的负责主要为聚合反应配制各种引发剂和终止剂，同时还负责接收从铝剂车间配制好的三异丁基铝溶剂。粘度岗主要对生产的结果进行检测，测试产物的门尼粘度和转化率。流量控制阀对来自乙腈的丁二烯进行调控在合适的流量范围内，反应物料流进文氏管后和溶剂油溶剂进行充分混合，进而流进丁油预热器和预冷器进行热量交换，从而能够控制溶液以合适的温度入釜。镍组分，铝组分分别由镍计量泵和铝计量泵送出，通过铝镍文氏管不断混合后，与出自丁油预热器和预冷器的丁油溶液进行混合。硼引发

19、剂组分则是由硼计量泵直接送出和稀释油溶剂经文氏管进行混合后，在釜底与丁油混合后进入首釜。丁油溶液在聚合釜中，在一定温度和压力的环境下，通过引发剂的作用，原料丁二烯发生聚合反应，从而生成高分子量的丁二烯聚合产物聚丁二烯。首釜胶液自釜项出口出来，由第二釜釜底进入第二釜继续进行反应；再由第二釜的釜项出口出来，由第三釜釜底进入第三釜继续进行反应；由第三釜的釜项出口出来，进入第四釜继续进行反应；当反应物料达到一定粘度和转化率后，在第四釜的出口管线和终止剂从终止釜釜底进入终止釜进行终止反应处理；最后，胶液由终止釜项出口出来，经胶液过滤器和压力控制阀入成品工段凝聚岗的胶液罐 4 。反应过程中用于换热的冷溶剂

20、油视情况可以从不同釜的项部加入。后处理工段后处理工段包括混胶岗、凝聚岗、洗胶岗、干燥岗、压块岗、薄膜岗、纸袋岗。混胶岗接收原料反应聚合的胶液，将不一样门尼粘度的胶液混合配制为优级品指标内的胶液；由胶液罐定期回收小部分丁二烯；将检查合格的胶液送往凝聚岗。凝聚岗将4北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计终止后进入胶液罐混合的门尼粘度合格的胶液进行凝聚，胶粒送洗胶岗，溶剂油送回收工段。洗胶岗对胶粒表面杂质用水进行清洗，降低胶液的温度，并且把胶粒输送去干燥岗。干燥岗把含水 4060的胶粒物质，通过挤压脱水机、膨胀干燥机和干燥箱降到0.75以下，并呈海绵状，直径为 10mm 小胶条送至压块岗。

21、压块岗对产物进行称量压块。薄膜岗对产物用薄膜进行包装。纸袋岗则对产物封袋、入库。终止反应后的胶液则进入胶液储罐，同时将部分反应未转化的丁二烯物料经液罐罐项压控调节阀，再经过盐水冷凝冷却器，进入配置的丁二烯贮罐，最后输送去丁二烯回收罐区。罐区中的胶液依据门尼粘度值高低进行相互混配达到合格后，通过胶液泵送去凝聚岗。合格胶液经泵输送并喷射到凝聚釜内，在热水、机械搅拌和蒸汽加热的作用下，进行充分凝聚形成颗粒，并蒸出溶剂油溶剂和少量丁二烯。釜项被蒸发的气体有水蒸汽、部分丁二 烯和绝大部分溶剂油溶剂，气体经过两个并联的循环水冷凝冷却器，冷凝物进入油水分离器进行油水分离，溶剂油用油泵送往溶剂回收罐区，水经油

22、水分离罐底部由液面调节阀控制排出，经二次净化分离罐排入地沟。釜底胶粒和循环热水经颗粒泵送入洗胶岗的缓冲罐，再经 1 号振动筛分离出胶粒送至洗胶罐4。在洗胶罐中，对胶粒用5070的水进行洗涤，由 2 号振动筛对洗涤过的胶粒和水进行分离，同时将含水 4060的胶粒送往挤压干燥岗。对胶粒用挤压机进行挤压，使含水量降至 815，进而把它切成条形状，进行膨胀和内蒸，即是把它送入膨胀干燥机加热、加压，把胶粒的绝大部分水分脱去，再送入水平红外干燥箱干燥，使胶的含水量达标0.75以下。经干燥核查合格后的胶条用提升机送至自动称量秤，进行称量压块(25kg)。称重压好的胶块用薄膜包好，再装入纸袋封好入库。1.3.

23、2 操作控制指标聚合工段操作控制指标丁油浓度：1215g/100mL；首釜温度：95；未釜温度：100；压力： 0.25、醇/铝=6;铝/镍=38;防老剂/丁=0.79%1.0%; 转化率：83%;收率：95%;每吨顺丁胶消耗丁二烯：1.045 t后处理工段操作控制指标胶液罐：贮量罐容积的 80%；压力0.1MPa;胶液泵：压力0.1MPa;凝聚釜：釜顶温度：9498；压力0.08MPa ;釜底温度：96101;液面：7 视镜;蒸汽压力：0.9MPa;水胶比(体积)：58;循环水压力：0.15MPa;安全阀定压：0.1MPa;喷胶量：1025 M 3 / h ; 循环水 PH 值：810;分层

24、罐： 常压(开口) ;界面：隔板高的 40%60%;液面：隔板高的 20%80%;热水罐：液面1/2;洗胶罐： 水温：4555;洗涤水罐液面：1/4;干燥5北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计岗：挤压机出口胶含水：812%; 热风温度：80100;蒸汽压力：0.9Mpa;循环水压力：0.1Mpa;干燥五段温度：175;压块岗：高压油压：25Mpa;控制油路油压：1.5Mpa;低压油压：5Mpa1.4 车间三废处理及安全防护1.4.1 车间三废处理车间三废排量及组成如表 1.2 所示。表 1.2三废排量及组成表序号名称温度压力排放量国 家处 理备注Pa排出点组成及含量排 放意见单位正

25、常最大标准废水聚合总B、F、N生 化下水处 理挤压机B、F、N后 排排水放洗胶罐B、F、N排水油水分B、油离罐废气脱水回=C6送 火C4 C5、流罐炬 燃胶液罐C= 、烧排气4废渣铝 渣溶剂油、铝污 泥废网状结构凝焚烧胶胶1.4.2 安全防护聚合工段全车间使用不同原料有丁二烯、三异丁基铝、溶剂油、丁烯、终止剂等等。从化工工艺设计手册化工生产安全与防护等资料了解这些原料的性质。防范全车间火灾甲级危险；设定 2 区为爆炸危险场所；车间建筑物归属一类工业建筑等。设计用的电气设备必须使用用隔爆式电器设备；各设备都要通过接地线等预防静电和防雷等设施；车间的通风设备要到位。在车间的生产过程中要禁止下列行为

26、6 ：进入车间内不得明6北京理工大学珠海学院 2014 届本科生毕业设计火；禁止带电子通讯设备进入车间；禁止产生火花的的行为，如吸烟；机动车要有允许才可进入生产车间区域。车间生产工作人员必须熟悉了解相关岗位各种消防设施及存放位置，而且能正确熟练的使用，掌握了处理现场各种物料的性质安全问题。车间生产员工要做好各种防护人身安全的措施，接触腐蚀有毒等物料时要戴好手套，贩毒面具，防腐蚀衣服等。贮罐等设备泄露、冒顶后要马上采取预急措施，停止物料输送，把控现场安全，做好明火，防火等措施，及时清理现场，防止危险物料的危害。生产设备超压时应采取紧急排空措施，必须有专人监护现场。用锤子敲打生产设备时，要求使用铜

27、制工具或在铁制工具上涂上黄干油，避免引起火花。车间生产现场严禁存放易燃，易爆物品，预防产生火花。生产设备开车前必须使用氮气进行置换，聚合系统及丁二烯贮罐的氧含量必须小于 0.2，其它设备置换到氧含量小于 1方可投料。各贮罐填料不得超标，同时要在氮气的保护下进行。常压条件下储罐的压强必须保证在 0.05MPa 一下,受压罐压强保证处在 0.4MPa。用蒸汽对聚合釜蒸煮一天以上进行清胶，保持釜内可燃物含量在 0.2一下，含氧量在 18以上才可入釜治理清理。在规定的地点用槽车进行装卸物料，装卸物料过程中槽车不得发动，使用胶管车身要连接地线，要控制流量，避免产生火花，要有专人对装卸现场进行看管。后处理工段后处理部分所用物料主要有胶液、丁二烯、溶剂油等，性质与聚合所用物料相同，故后处理也属于易燃易爆岗位，其安全规定与聚合相同。胶液罐与凝聚釜在进行清理前要做好安全措施，要切断这种连接设备，有氮气置换，控制可燃物浓度含氧量等，检查合格后方可