年产6万吨丁苯橡胶聚合釜及其主要附属设备设计课程设计.doc

吉 林 化 工 学 院 jilin institute of chemical technology 材材料料 科科学学与与 工工程程学学院院 课课程程 设设计计 年产 6 万吨丁苯橡胶聚合釜及其主要附属设备设计 annual production capacity of 6060,000 tons polymerization styrene-butadiene rubber plant process design section 1 摘摘 要要i abstractii 第第 1 篇篇 设计说明书设计说明书.1 第第 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 设计依据、指导思想.1 1.1.1 设计依据.1 1.1.2 指导思想.1 第第 2 章章 工艺论证工艺论证.2 2.1 工艺原理.2 2.2 生产方法论证.2 2.3 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺过程.4 2.3.1 单体及化学品溶液接受5 2.3.1.1丁二烯（bd）5 2.3.1.2苯乙烯（st）5 2.3.1.3乳化剂（em）.5 2.3.1.4活化剂（act）.6 2.3.1.5调节剂（调节剂（mod .6 2.3.1.6氧化剂（oxi）6 2.3.1.7终止剂溶液（s.s）6 2.3.2 聚合.6 第第 2 篇篇 设计计算说明书设计计算说明书.8 第第 1 章章 基础数据基础数据.8 第第 2 章章 聚合工段物料衡算聚合工段物料衡算.9 2.1 进料计算.10 2.2 出料计算.11 第第 3 章章 聚合工段热量衡算聚合工段热量衡算.12 3.1 聚合热.13 3.2 冷却显热.13 3.3 搅拌热.14 3.4 大气吸热(略).14 3.5 所需氨的量.14 第第 4 章章 反应器和搅拌桨的选择反应器和搅拌桨的选择.15 4.1 反应釜的选型.15 第第 5 章章 管道直径与贮罐的计算管道直径与贮罐的计算.16 5.1 管道与贮罐的计算.16 5.1.1 管道直径的计算.16 2 5.1.2 贮罐的计算.17 第第 6 章章 换热器的设计型计算换热器的设计型计算.17 6.1 换热器计算基本条件.17 6.2 计算壳程压降及给热系数0.19 第第 7 章章 泵的计算泵的计算.19 7.1 泵 p304 的设计 19 7.1.1 条件依据.19 7.1.2 管内流体的流速.20 7.1.3 泵的选型.20 参考文献参考文献.20 致致 谢谢.22 材料科学与工程学院课程设计 i 摘 要 本设计为年产 6 万吨乳聚丁苯橡胶装置工艺设计，以聚合工段为工艺设计的主 要对象。对丁苯橡胶的生产方法和生产工艺进行了系统的论证。 本设计以丁二烯和 苯乙烯为主要聚合单体，以松香酸钾皂、硫酸亚铁、叔十二碳硫醇、过氧化氢对锰 烷等为助剂，采用低温乳液聚合法连续生产工艺合成丁苯橡胶。并进行了聚合工段 的物料衡算、热量衡算和主要设备的计算和选型，进行了简单的技术经济分析。用 autocad 绘制了工艺管道及仪表流程图两张、设备平面布置图一张和管道平面布置 图一张，手工绘制了管道平面布置图一张，并编制了设计说明书和计算书。 关键词 丁苯橡胶 乳液聚合 工艺设计 丁二烯 苯乙烯 材料科学与工程学院课程设计 ii a abstract the design is based on butadiene and styrene as raw materials, with an annual output of 60000 tons of sbr process design. 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, a more detailed material balance and energy balance, equipment for the calculation and selection process, at the same time on styrene butadiene rubber production in the process of attention to safety issues and the “three wastes“ management should be made a note. drawing the process flow diagram, the main equipment and plant layout according to the process design and calculation results,. key words: sbr , emulsion polymerization, process design, butadiene, styrene monomer 材料科学与工程学院课程设计 1 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 9 万吨丁苯橡胶装置聚合工段的工 艺设计”本科生课程设计任务书。 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 材料科学与工程学院课程设计 2 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%0 1995 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1： (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2。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 mch2=ch-ch=ch2+ nch=ch2-chch2-n-ch2-ch=ch-ch2-m- 材料科学与工程学院课程设计 3 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 3 m 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/d3。 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3。 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 材料科学与工程学院课程设计 4 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。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4。 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 10150 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。 2.3 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺过程 废水 成品 填 充 油 防 老 剂 废水 废气 废naoh 水 材料科学与工程学院课程设计 5 图 141 丁苯橡胶工艺简图 2.3.1 单体及化学品溶液接受 2.3.1.1丁二烯（bd） 丁二烯（以下简称 bd）来自单体贮存与配制岗位经 fr301 记录瞬时流量后，进 入 bd 换热器（e-301） 。在 e-301 与 whs(wcs)换热后，流入混合器（a-301） 。在 a- 301 入口，bd 与来自循环碱液加热器（e-302）的碱液混合，bd 和碱液在 a-301 中 充分混合后，流入碱滗析器（v-302-1） ，阻聚剂（tbc）在此被碱液脱除。碱洗温度， 控制 v-302-1 的入口为 302，由 trc301 控制调节 e-301 whr(wcs)的流量。bd 和碱液在 v-302-1 中分层分离，bd 中的 tbc 转入 v-302-1 下部的碱液中。v-302-1 中上部的 bd 进入 v-302-2 中，进一步分离掉碱液，再由上部流入 bd 进料换热器 （e-303） ，换热以后，流入 bd 缓冲罐（v-303） 。e-303 的出口温度由 trc304 控制， 调节 whr(wcs)流量，使温度稳定在 302。v-303 的液位，由 lica302 控制和调 节。v-302-1 中的碱液以循环碱液输送泵（p-302）连续经 e-302 循环。循环碱液的 瞬时流量，由 p-302 出口管线上的 fr-302 记录，改变碱液的循环量就改变了 tbc 的 脱除效果，e-302 碱液的出口温度由 tic-303 控制，调节 whr(wcs)的流量，使温度 稳定在 302，由于碱液在循环中与 tbc 反应而消耗，因此要定期更换，废碱液 装桶或放入地沟（排放使以 600#送入的母液中和） 。新鲜碱在氢氧化钠配制槽 v-301 中配制，配制合格后的碱液，有 p-301 送入 v-302-1 中5。 2.3.1.2 苯乙烯（st） 苯乙烯（以下简称 st）来自单体贮存与配制单元。经管线进入 st 换热器（e- 306）后，进入 st 缓冲罐（v-304） 。v-304 的液位，由 lica303 控制和调节。e-306 st 的出口温度，由 trc323 检测，调节 whr(wcs)流量，使其稳定在 242。 2.3.1.3 乳化剂（em） 来自化学品配制单元的乳化剂（以下简称 em）溶液在线混合系统，由于皂型 不同，分别经不同的管线进入 em 缓冲槽（v-306a , v-306b） 。温度由 tic-307 控制， 材料科学与工程学院课程设计 6 调节加热蒸汽流量，使其稳定在 182。v-306 的进料运作，由 lrs-304 的连锁接 点 ls-323 控制，调节 v-306 的液位。 2.3.1.4 活化剂（act） 来自化学品配制岗位的活化剂（以下简称 act） ，进入 act 缓冲槽（v-307）中。 v-307 的进料运作，由 lrs-305 的连锁接点 ls-215 控制。v-307 的温度为常温。 2.3.1.5 调节剂（mod） 来自调化剂（以下简称 mod）配制罐的 mod，由 mod 输送泵（p-109）送入 mod 缓冲罐（v-305）中。v-305 的进料运作，由 lis-307 的连锁接点 ls-324 控制 p-109 泵和 v-305 进口调节阀的开闭。v-305 的温度有 tic-327 控制，调节 whr 的流量， 使其稳定在 152。 2.3.1.6 氧化剂（oxi） 来自氧化剂（以下简称 oxi）配制罐的 oxi，由 oxi 输送泵（p-108）送入 oxi 缓冲罐（v-309）中。v-309 的进料运作，由 lis-308 的连锁接点 ls-325 控制 p-108 泵的开停和 v-309 进口调节阀的开闭。v-309 的温度由 tic-328 控制，调节 whr 的 流量，使其稳定在 152。 2.3.1.7 终止剂溶液（s.s） 来自化学品配制单元的终止剂（以下简称 s.s）溶液，由 s.s 输送泵（p-210） 经管线进入 s.s 缓冲罐（v-308）中。v-308 的进料运作由 l rs-306 的连锁接点 ls- 218 控制 p-210 泵和 v-308 入口调节阀的开闭。v-308 的温度为常温。 2.3.2 聚合 聚合进料是多股物料流在线混合方式。其控制为多组分混合流量控制系统主 站追踪系统。其流量检测器为椭圆流量计（氧化剂、调节剂 bdst 为质量流量计） 。 由主站、成分比率设定器、流量检测单元、显示报警单元，与调节阀或无级调速电 机组成其流量控制回路。为确保控制精度，辅设了手动校正系统。 聚合进料中的丁二烯（bd） 、苯乙烯（st） 、乳化剂（em） 、活化剂（act） 、调节剂 材料科学与工程学院课程设计 7 （mod） 、氧化剂（oxi） ，分别由聚合进料 bd 进料泵（p-303） 、st 进料泵（p-304） 、 em 进料泵（p-306） 、act 进料泵（p-307） 、mod 进料泵（p-305） 、oxi 进料泵（p- 309）输送，首先 st 与 mod 混合后再与 bd 混合，然后，bd、 st、 mod 混合料液与 em 相混合，混合后的料液在进入冷胶进料冷却器（e-304）之前与 act 混合，进入 e-304 与液氨换热，出口温度控制为 1317，然后，此混合料液流入冷胶进料冷 却器（e-305）进一步与液氨换热，出口温度控制为 812。最后，混合料液流入 聚合釜。e-304、e-305 的温度以 trc310、trc311 为主控回路，同 v-317、v-318 氨 蒸发压力调节系统 pic-304 或 pic-305 构成串级，调节液氨蒸发压力，实现对 e- 304、e-305 出口料液温度的稳定控制。物料混合后进入缓冲罐(v-312)由 p-308a 和 p-308b 分别加入良田聚合线，由 p-309 泵把 oxi 直接送到聚合首釜。 所有的物料进入第一聚合釜后，聚合反应就开始了。为获得高质量的均匀产品， 在搅拌条件下，由液氨在聚合釜氨冷管内蒸发，把聚合反应热带走。因此，每个聚 合釜温度根据生产的品种不同，控制在规定值是十分重要的。sbr 品种不同，所需 聚合釜温度亦不同，其控制方法一样，都是以 trc312-319 控制聚合釜内温度，调节 氨冷管中的液氨液位。聚合釜系统的氨蒸发设计规定为 240-260kpa(-7-3)6。 聚合反应的时间，设计取 8.51.5 小时。当转化率和门尼黏度等主要控制指标 达到规定值时，由终止剂泵（p-310）送来的 s.s 溶液，从选定的 s.s 加料点加入到 胶乳中，从而终止聚合反应。s.s 加料点可能是末釜出口，也可能是置换塔（c- 301303）的某一个出口。最终胶乳由系统压力送入单体回收岗位（400#）或胶乳 缓冲罐（v-303）中。 聚合系统设有两个压力控制点。prs303 检测进料集管的压力，设在 e-304 进口， 500 kpa 自动报警，600 kpa 时，系统自动停车。prca308 检测置换塔（c-305）出 口的系统备压，设定值为 200 kpa，450 kpa 发出报警。胶乳缓冲罐（v-330）的压力 由 prc-309 控制，其设定值为 100 kpa，超出 100 kpa 后，排入 400#。v-330 中的胶 乳，由胶乳输送泵 p-310 连续送入 400#单体回收岗位。v-330 由 lia321、lia322 指 示其液位变化。聚合所用 s.s，在停车或紧急状态情况下，由停车 s.s 输送泵、事故 s.s 输送泵送入终止点，后者都是以氨气（gn）为动力源是移动式气动泵7。 材料科学与工程学院课程设计 8 第 2 篇 设计计算说明书 第 1 章 基础数据 1、年产量： 6 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8 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%） 22.525.4% 残留苯乙烯（wt%） 0.1% 最终胶乳（wt%） 20.523.5% 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 4658 材料科学与工程学院课程设计 9 伸长率 480% 表 1-3 聚合配方 名 称组 分sbr1500 单体bd72 st28 乳化剂wt176.072 松香酸钾皂液4.62 电解质wt2.058 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wt0.54 连二亚硫酸钠0.04 活化剂溶液wt11.253 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wt4.966 二甲基二硫代氨基甲酸 钠 0.11 亚硝酸钠0.036 sds0.15 稀磷酸wt0.035 phs0.023 材料科学与工程学院课程设计 10 第 2 章 聚合工段物料衡算 丁苯物料衡算图： （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9） （10） （11） （12） （13） （14） （15） （16） 300# 聚 合 单 元 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 万吨 每小时产量： m=6100001000kg7800=7692.31kg/h 每小时消耗的烃含量：7692.31kg/h0.92=7076.93kg/h 丁二烯和苯乙烯的总量： mst+bd=7692.31/60%/（10.2%）/（10.6%） =11889.85kg/h 丁二烯和苯乙烯的配料比值： bd：st=72：28 纯丁二烯的进料量： m2=mst+bd0.72=11889.85kg/h0.72=8560.69kg/h 纯苯乙烯的进料量： m3= mst+bd0.28=11889.85kg/h0.28=3329.16kg/h 每小时丁二烯的混合进料量： m5= m2/0.93=8560.69kg/h/0.93=9205.04kg/h 每小时苯乙烯的混合进料量： m4=m3/0.94=3329.16kg/h/0.94=3541.66kg/h 单体 bd 的总损失量：8560.69（0.002+0.006+0.02）=239.70 kg/h 单体 st 的总损失量：3329.16（0.002+0.006+0.001+0.0006）=31.96kg/h （2）辅助物料计算： 材料科学与工程学院课程设计 11 单体： bd：8560.69kg/h st: 3329.16kg/h 单体总量： bd+st=11889.85kg/h 乳化剂： 松香酸钾皂 11889.85kg/h4.62%=549.31kg/h wt 11889.85kg/h176.072%=20934.70kg/h 电解质： wt 11889.85kg/h2.058%=244.69kg/h 磷酸 11889.85kg/h0.231%=27.47kg/h 氢氧化钾 11889.85kg/h0.396%=47.08kg/h 乙二胺四乙酸四钠盐 11889.85kg/h0.03%=3.57kg/h 间次甲基二萘磺酸钠 11889.85kg/h0.13%=15.45kg/h 保险粉溶液：wt 11889.85kg/h0.54%=64.20kg/h 连二亚硫酸钠 11889.85kg/h0.04%=4.76kg/h 活化剂溶液：wt 11889.85kg/h11.253%=1337.96kg/h 乙二胺四乙酸四钠盐 11889.85kg/h0.025%=2.97kg/h 硫酸亚铁 11889.85kg/h0.01%=1.19kg/h 甲醛次硫酸钠 11889.85kg/h0.04%=4.76kg/h 调节剂溶液：叔十二碳硫醇 11889.85kg/h0.158%=18.79kg/h 氧化剂溶液：过氧化氢对锰烷 11889.85kg/h0.86%=102.25kg/h 终止剂溶液：wt 11889.85kg/h4.966%=590.45kg/h 二甲基二硫代氨基甲酸钠 11889.85kg/h0.11%=13.08kg/h 亚硝酸钠 11889.85kg/h0.036%=4.28kg/h sds 11889.85kg/h0.15%=17.83kg/h 稀磷酸： wt 11889.85kg/h0.035%=4.16kg/h phs 11889.85kg/h0.023%=2.73kg/h 2.2 出料计算 （1 1） 未反应的丁二烯出料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=8560.69kg/h0.6=5136.41kg/h 材料科学与工程学院课程设计 12 mbd/mst=77/23=3.35 反应的 mst=23/775136.41kg/h=1534.25kg/h 未反应的 mbd=8560.69kg/h-5136.41kg/h=3424.28kg/h （2 2）尾气中丁二烯的含量）尾气中丁二烯的含量 8560.69kg/h0.02=171.21 kg/h （3 3）气体乳胶中残留苯乙烯）气体乳胶中残留苯乙烯 3329.16 kg/h0.001=3.33 kg/h （4 4）滗吸器中的残留苯乙烯）滗吸器中的残留苯乙烯 3329.16kg/h0.0006=2.00 kg/h （5 5）胶乳总量）胶乳总量 反应的 mbd+反应的 mst=6670.66kg/h 表 2-1 物料衡算表 组成进料量 kg/h出料量 kg/h 混合丁二烯 bd9205.04 混合苯乙烯 st3541.66 未反应丁二烯 3424.28 乳化剂 em21484.01 活化剂 act1346.88 调节剂 mod18.79 氧化剂 oxi102.25 总量35698.633424.28 第 3 章 聚合工段热量衡算 已知基础数据：表 3-1 物料的平均密度 第一反应器入口869kg/m3 at 9.7 第二反应器入口928kg/m3 at 5.5 平均密度 平均899kg/m3- 共两条生产线，则每条的总物质的量为：m= m总2=17940.76kg /hr 材料科学与工程学院课程设计 13 平均流量=m/899=17940.76kg/hr/899=19.91m3/h 则取反应釜体积 v=20m3 滞留时间 t=20/19.91=1.004hr 反应时间 710 小时 rt=7 小时 7/1.004=6.97(6 釜) rt=8 小时 8/1.004=7.69(7 釜） rt=9 小时 9/1.004= 8.96（8 釜） rt=10 小时 10/1.004=9.96 (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/mol st:16.68kcal/mol 一小时釜中的聚合热： q=（mbd5136.41 /54100018.7+ mst1534.25/104100016.68）/2 kcal/h = 1012394.92 kcal/h 反应 10 小时，每釜的聚合热： q=q/9.96=1012394.92kcal/h/9.96=101646.08kcal/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 3-2 所示： 表 3-2 首釜冷却显热 flow(kg/h) t()cp(kcal/kg)(7)q=fcpt(kcal/h) bd9205.0430.54815133.09 st3541.6630.3964207.49 em21484.0130.97762969.63 mod18.7930.211.27 act1346.8830.9954020.44 材料科学与工程学院课程设计 14 oxi102.2530.261.35 total38398.63-86403.27 第二反应釜温度从 7降至 5的冷却显热如表 3-3 所示： 表 3-3 第二反应釜冷却显热 flow(kg/h) t()cp(kcal/kg)(5)q=fcpt(kcal/h) bd9205.0420.54810088.72 st3541.6620.3962804.99 em21484.0120.97741979.76 mod18.7920.27.52 act1346.8820.9952680.29 oxi102.2520.240.9 total38398.63-57602.18 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=q5%=5082.30 kcal/h 3.4 大气吸热(略) 3.5 所需氨的量 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 k kal/hr 搅拌热 kcal/hr 大气吸热 kal/hr 总计 k kal/hr 第一釜101646.0886403.275082.30忽略193131.65 第二釜101646.0857602.185082.30忽略164330.56 第 3-10 釜101646.0857602.185082.30忽略164330.56 总 qhrm 材料科学与工程学院课程设计 15 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： 193131.65 653.13/ 295.7 mkg hr 冷却第二釜所需氨的量： 164330.56 553.21/ 297.05 mkg hr 冷却三至末釜所需氨量： 164330.56 553.21/ 297.05 mkg hr 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9。 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 31055105帕， 热量衡算初选的反应器为 2800h 3500，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 ligumvijue（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 41： 材料科学与工程学院课程设计 16 反应釜和搅拌桨示意图 反应釜的型号见下表:表 4-2 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 22m320m3 2800 mm 3500 mm 3740 mm 18 mm a3 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=8560.69kg/h；=621.1kg/m3 d= 44 8560.69 0.0698 3.14 621.1 1 3600 m q m u 材料科学与工程学院课程设计 17 取标准的管道直径为 703 所以实际的流速为 u=0.995m/s. 2 4 d qm 2.苯乙烯管径的计算 苯乙烯的流速 u=1.0m/s qm=3541.66kg/h；=914.0kg/m3 d= 4 0.037 m q m u 取标准的管道直径为423 所以实际的流速为 u=0.78m/s. 2 4 d qm 5.1.2 贮罐的计算 贮罐体积的计算：贮罐是用来储存一定量的进料，以保证一定时间内工艺程序按时 按量的进行，每 8 小时一倒班加一次料。 贮罐（丁二烯）：每小时丁二烯的进料为 8560.69kg，v= 10 8560.69621.1137.83 m3 贮罐（苯乙烯）：每小时苯乙烯的进料为 3329.16kg，v= 10 3329.16914.036.42 m3 其他贮罐均按以上方法计算，一些助化剂本身的损耗很小甚至不损失，就按照 一小时的计算量来计算。 第 6 章 换热器的设计型计算 6.1 换热器计算基本条件 表 61 贮罐温度和压力 设备名称温度（）压力（kpa） 混合 bd 贮罐 54050400 混合 st 贮罐常温常压 氧化剂15常压 调节剂15常压 材料科学与工程学院课程设计 18 活化剂常温常压 bd 缓冲槽30350 st 缓冲槽24常压 终止剂常温常压 乳化剂18常压 表 62 进出口温度 设备名称入口温度（）出口温度（） e301540 30 e302540 30 e303 1530 e304 常温30 e305 1530 e306 1530 苯乙烯的一些物理参数： 当 t=15时 当 t=24时 丁二烯的一些物理参数： 700kpa 的条件下， 当 t=15时 当 t=30时 o o o o 205 c -5 c 31 c 41 c 液态氨温度 气态氨温度 循环冷却上水温度 循环冷却下水温度 3 154.8 / 137.2/ 0.914/ 0.824 p cjmolk mwm k g cm mpa s 3 171.4/ 135.9/ 0.900/ 0.774 p cjmolk mwm k g cm mpa s 3 76.43 / 0.014/ 15.92/ 14.3 p cjmolk wm k kg m upa s 3 88.53 / 0.012/ 16.88/ 15 p cjmolk wm k kg m upa s 材料科学与工程学院课程设计 19 bem4001.617.33/254i 型号换热器主要参数 项目指标项目指标 外壳直径 d/mm400管子尺寸/mm 252.5 公称压强 p/mpa1.6管长 l /m3 公称面积/m 217.3管数 nt76 管程数 np4管中心距 t /mm32 管子排列方式正三角形 6.2 计算壳程压降及给热系数 0 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 0 2 w tc 0 6tc 液氮0 2.74dm 0 2800mdm 曲面高度， 直边高度， 内表面积为 8.22， 容积为 3.12 h =700mm i0 h =40mm 3 m 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 p304 的设计 图 71 泵示意图 0 1.15(1,1.3) h d 0.80.4 0 0.023()() p c du d 材料科学与工程学院课程设计 20 7