年产1万吨丁苯橡胶工艺设计说明书

高分子合成工艺学设计说明书年产 1 万吨低温乳液丁苯橡胶的生产工艺流程设计院 、 部： 材料与化学工程学院 学生姓名： * 指导教师： * 职称 * 专 业： 高分子材料与工程 班 级： 高本 1002 班 完成时间： 2013 年 06 月 14 日 I摘 要丁苯橡胶是丁二烯与苯乙烯的共聚物，由于其价格低廉，综合性能良好，成为现今应用的最为广泛的橡胶品种。本设计为以丁二烯和苯乙烯为原料，年产 1 万吨丁苯橡胶的工艺设计。通过比较目前丁苯橡胶的聚合生产方法，最后确定以低温乳液聚合法作为聚合的工艺生产方法。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恒算和能量恒算，对聚合釜进行了工艺计算和选型，计算得到的聚合釜釜径为 2400mm高为 8000mm 采用布鲁马金式搅拌器和内冷件直管式换热器。综合上述工艺计算和设计结果，绘制出了工艺流程图、主要设备图。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。关键词：丁苯橡胶；低温乳液聚合；工艺设计；聚合釜IIAbstractStyrene-butadiene rubber is a copolymer of butadiene and styrene. In recent years, the Styrene-butadiene rubber is wildly used in everywhere for its low price and good property. This design is process design based on butadiene and styrene as raw materials, with an annual output of 10,000tons of SBR. By comparing with the present SBR polymerization production method, we make a decision to treat emulsion polymerization at low temperature as polymerization production method at last. In the design process, in accordance with the requirements of the mission design, I finished a more detailed material balance and energy balance. Through the process calculation and selection, I finally finished my design of polymerizer. The diameter of it is 2400mm and the height of it is 8000mm. I choose Brumagin-type impeller as impeller of the polymerizer. As to heatexchanger, I finally choose straight tube-type heatexchanger as the inner cooler of it. According to the above process calculation and design results, I draw the process flow diagram and main equipment. At the same time, I explained the security considerations of the process of production and the treatment of the “three wastes“.Key words：styrene-butadiene rubber; low temperature emulsion polymerization; process design; polymerizerIII目 录摘 要 .IAbstract .II1. 概述 .11.1 丁苯橡胶的橡胶的发展历史 .11.2 未来的发展前景 .21.3 丁苯橡胶的分类 .31.4 丁苯橡胶的结构、性能和用途 .41.4.1 丁苯橡胶的结构 .41.4.2 丁苯橡胶的性能 .41.4.3 丁苯橡胶的用途 .51.5 丁苯橡胶的生产技术 .51.5.1 乳液聚合(ESBR) .51.5.2 溶液聚合(SSBR) .62. 低温乳液聚合丁苯橡胶工艺设计 .82.1 低温乳液聚合丁苯橡胶的条件 .82.1.1 分散介质 .82.1.2 单体纯度 .82.1.3 聚合温度 .82.1.4 转化率与聚合时间 .82.2 丁苯橡胶生产工艺流程简介 .82.2.1 原料准备过程 .82.2.2 聚合过程 .92.2.3 分离过程 .92.2.4 后处理工段 .92.2.5 工艺流程简图 .102.3 工艺流程图 .11IV3. 物料衡算 .123.1 基础数据 .123.2 聚合物料工段衡算 .133.2.1 进料计算 .133.2.2 出料计算 .154. 热量衡算 .174.1 聚合热 .174.2 冷却热 .174.3 搅拌热 .184.4 大气吸热 .184.5 热量统计 .194.6 所需氨的量的计算 .204.7 Cp的计算 .205. 聚合釜的选型 .225.1 聚合釜的长径比 .225.2 搅拌器的计算 .235.3 传热的计算 .245.4 进出口管径 .265.5 支座的选用 .265.6 视镜和温度计接管的选用 .275.7 人孔的选取 .275.8 聚合釜 .286. 辅助设备的选型 .296.1 管道直径的计算 .276.2 泵的选型 .277. 安全生产及环境保护 .317.1 环境保护 .317.2 安全措施 .31结 论 .33致 谢 .34V参考文献 .3511 概述1.1 丁苯橡胶的橡胶的发展历史1912 年，德国 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，制得了乳聚丁苯橡胶，并将其命名为 Buna-S。德国 IG Farben 公司 1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。最早生产乳聚丁苯橡胶是德国人，而美国人却让它得到了迅速发展。二战之前，美国因为有价格低廉的天然橡胶，故而就不怎么重视丁苯橡胶的生产。第二次世界大战爆发后，由于橡胶需求量增加，天然橡胶来源被切断。美国在 Rubber Reserve 公司统筹下，迅速开展了乳聚丁苯橡胶的生产。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。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，使乳聚丁苯橡胶的性能得到显著改善，因而在大宗用途方面热法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性能和一定的应用领域，所以至今仍有少量生产。1948 年，前苏联在沃龙尼什建立了乳聚丁苯橡胶生产装置，采用热法间歇聚合生产丁苯橡胶，后来又开发了冷法连续聚合的生产技术。从过硫酸盐引发系统的热法聚合转向氧化还原引发体系的冷法聚合，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%2，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 3045m3 的聚合釜。在凝聚和后处理方面，以高分子絮凝剂代替氯化钠，大大减少了氯化钠的消耗量 3。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。2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 4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 5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 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/a6。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 未来的发展前景近年来，我国橡胶制品业发展迅速，各种橡胶制品产量都有大幅度增长，自行车胎、胶鞋和再生胶产量均居世界首位，使得我国丁苯橡胶的需求量不断增加。1995 年我国丁苯橡胶的表观消费量只 30.60 万吨/年，2000 年增加到 42.32 万吨/ 年，1995-2000 年表观消费量的年均增长率为 6.70%；2003 年我国丁苯橡胶的表观消费量为 60.46 万吨/ 年；2004年进一步增加到 62.51 万吨/年，同比增长 3.39，产品自给率为 75.0；2005 年增加到65.32 万吨/年，同比增长 8.04，产品自给率为 78.7，2000-2005 年表观消费量的年均增长率为 9.07。目前，我国丁苯橡胶主要用于生产轮胎、胶鞋、胶管胶带以及车胎等，其中轮胎工业是我国丁苯橡胶最主要的消费领域，消费量约占总消费量的 54.4，产品主要用作轮胎的胎面胶、胎侧胶、胎体帘布层胶、胎圈护胶、胶芯胶及钢丝夹胶等；胶鞋行业是我国丁苯橡胶的第二大消费领域，消费量约占总消费量的 16.5，产品主要是布面胶鞋和全胶鞋，其中使用丁苯橡胶以牌号 1502 居多；胶管胶带的消费量约占总消费量的11.2，其中大型胶管胶带企业所用丁苯橡胶产品以 1500、1502 居多，原料来源除国产3外，主要来自韩国和我国台湾省，小型胶管胶带企业更多使用价格较低的俄罗斯产品；车胎主要包括自行车胎、摩托车胎和手推车胎，消费量约占总消费量的 9.3。除此之外，丁苯橡胶还可用于生产汽车橡胶制品等，其消费量约占总消费量的 8.6。我国丁苯橡胶的消费区域主要集中在山东、江苏、浙江、上海、福建和广东等地，竞争也主要在该区域展开。其中山东地区年消费量在 14.0 万-15.0 万吨/ 年左右，约占国内总消费量的 25；江苏、浙江和上海地区年消费量约为 15.0 万吨/年，福建、广东地区的年消费量分别约为 10.0 万吨/年。其中山东地区主要以轮胎、输送带、胶管和胶鞋为主，江苏、浙江和上海地区主要以轮胎、车胎、胶鞋为主，广东、福建地区主要以胶鞋、轮胎为其传统的橡胶加工行业。在今后几年，我国汽车工业仍将持续快速发展 7，由此将继续推动轮胎行业的快速发展。另外，随着国家一系列基础项目进一步实施，将会给工程轮胎以及各种胶管、胶带等行业带来巨大的潜在市场。另外，制鞋及其它橡胶制品应用领域对丁苯橡胶的需求量也将有较大的增长。1.3 丁苯橡胶的分类自 1937 年开始生产丁苯橡胶以来，经过不断改进和发展，生产方法出现了低温乳液聚合和溶液聚合，产品品种也出现了充油、充炭黑、液体丁苯、高苯乙烯、羧基丁苯等。目前，世界上三十多个国家和地区，生产着数百种丁苯橡胶。丁苯橡胶按聚合方法、聚合温度、辅助单体含量及充填剂等的不同，可简单分为几类 8。图 1.1 展示了丁苯橡胶的分类，图中数字是国际合成橡胶生产者协会统一的分类，每个数字代表一个系列，每个系列后两位数字不同，还有若干品种。丁苯橡胶乳液聚合丁苯橡胶橡胶溶液聚合丁苯橡胶橡胶一般品种低温乳聚丁苯橡胶高温乳聚丁苯橡胶高反-1,4-丁苯橡胶无规共聚丁苯橡胶橡胶嵌段共聚丁苯橡胶橡胶高苯乙烯丁苯橡胶羧基丁苯橡胶液体丁苯橡胶烷基锂溶聚丁苯橡胶特殊品种乳聚丁苯橡胶1000 高温丁苯橡胶1100 高温充炭黑用炼胶1200 高温充油丁苯橡胶1300 高温充油充炭黑用炼胶2000 高温丁苯胶乳1500 低温丁苯橡胶1600 低温充炭黑用炼胶1700 低温充油用炼胶1800 低温充油充炭黑用炼胶2100 低温丁苯胶乳锡偶联丁苯橡胶4图 1.1 丁苯橡胶的分类1.4 丁苯橡胶的结构、性能和用途丁苯橡胶作为通用橡胶其结构性能用途都有它自身的特点。1.4.1 丁苯橡胶的结构丁苯橡胶的主链结构如下：CH2 CHCHCH2 CH2 CHCHCH2CH2 CHx y z乳液