年产1万吨丁苯橡胶工艺设计

1、 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 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

2、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Abstract Styrene-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 a

3、nd 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 pr

4、oduction 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

5、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.

6、 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; polymerizerI目 录摘 要IAbstractII1. 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

7、结构、性能和用途4 1.4.1丁苯橡胶的结构4 1.4.2丁苯橡胶的性能4 1.4.3丁苯橡胶的用途51.5丁苯橡胶的生产技术5 1.5.1乳液聚合(ESBR)5 1.5.2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8 2.1.1分散介质8 2.1.2单体纯度8 2.1.3聚合温度8 2.1.4转化率与聚合时间82.2丁苯橡胶生产工艺流程简介8 2.2.1原料准备过程8 2.2.2聚合过程9 2.2.3分离过程9 2.2.4后处理工段9 2.2.5工艺流程简图102.3工艺流程图113. 物料衡算123.1基础数据123.2聚合物料工段衡算13

8、3.2.1进料计算13 3.2.2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34参考文献35IV1 概述1.1丁苯橡胶的橡胶的发展历史19

9、12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，

10、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

11、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。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Far

12、ben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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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。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

18、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。高温乳聚丁苯橡胶一般品种低温乳聚丁苯橡胶乳液聚合丁苯橡胶橡胶特殊品种乳聚丁苯橡胶高苯乙烯丁苯橡胶羧基丁苯橡胶液体丁苯橡胶丁苯橡胶无规共聚丁苯橡胶橡胶嵌段共聚丁苯橡胶橡胶烷基锂溶聚丁苯橡胶高反-1,4-丁苯橡胶锡偶联丁苯橡胶溶液聚合丁苯橡胶橡胶图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：乳液聚合和部分溶液聚合的丁苯橡胶是丁二烯与苯乙

19、烯的无规共聚物，还有一部分溶液聚合的丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的嵌段共聚物9。乳液聚合的产品中残留有乳化剂、挥发分、灰分、有机酸等，同时还含有防老剂。溶液聚合丁苯橡胶中只含有少量的催化剂。丁二烯在丁苯橡胶分子中主要是-1,4-聚合，而-1,2-聚合较少。乳液聚合所得产物中，反-1,4-聚合居多；而溶液聚合丁苯橡胶中，则顺-1,4-聚合较多。高温、低温乳液聚合丁苯橡胶分子相比较，高温乳液聚合橡胶中顺-1,4-聚合多，反-1,4-聚合少，而-1,2-聚合在两者中相差不大。丁苯橡胶分子中苯乙烯含量多少，决定其玻璃化温度的高低。大量生产的乳液丁苯橡胶苯乙烯含量为23.5%(质量)，这种含量的丁苯橡胶有较

20、好的物理力学性能。溶液聚合丁苯橡胶苯乙烯含量为25%左右。苯乙烯含量高时，玻璃化温度高，反之则低。如含苯乙烯60%80%的高苯乙烯丁苯橡胶Tg为18，而苯乙烯含量为23.5%时，Tg为-57-52，苯乙烯含量为10%时，Tg为-75。乳液聚合丁苯橡胶的数均分子量为十万左右，溶液聚合丁苯橡胶的在二十万以上。乳液聚合丁苯橡胶分子量分布比溶液聚合丁苯橡胶宽。高温乳液聚合丁苯橡胶的分子量分布指数为7.5，低温乳液聚合丁苯橡胶为46，而溶液聚合丁苯橡胶为1.52.0。1.4.2丁苯橡胶的性能非污染型丁苯橡胶为无色至浅黄色，污染型丁苯橡胶为褐色至棕色的弹性体。丁苯橡胶的相对密度为0.920.97，随苯乙烯

21、含量增加而增大。一般苯乙烯含量为23%的丁苯橡胶相对密度为0.94。丁苯橡胶的弹性低于天然橡胶，但在合成橡胶中还是比较好的。丁苯橡胶的玻璃化温度比天然橡胶高15，耐寒性比天然橡胶稍差。丁苯橡胶是非自补强橡胶，生胶强度很差，但如果加入炭黑做补强剂，其性能会大大改善。丁苯橡胶加工时，加配合剂难度比天然橡胶大，配合剂在丁苯橡胶中分散性差。丁苯橡胶耐磨性能优于天然橡胶，溶液聚合丁苯橡胶还优于乳液聚合丁苯橡胶。耐老化、耐龟裂性能比天然橡胶好。丁苯橡胶对湿路面抓着力比顺丁苯橡胶大。溶液聚合丁苯橡胶的滚动阻力比乳液聚合丁苯橡胶的低，且对湿路面的抓着力大于低温乳聚丁苯橡胶。丁苯橡胶的耐溶剂性能及其电性能均与天

22、然橡胶相近。耐水、耐酸、耐碱性能好，不耐脂肪族、芳香族和含氯的溶剂。丁苯橡胶黏接性能不好，制品在多次变形时，生热量大。丁苯橡胶容易与其他高不饱和通用橡胶并用，尤其是与天然橡胶或顺丁橡胶并用，可以克服丁苯橡胶性能上的缺点。丁苯橡胶的化学性质与天然橡胶有类似的反应性，即可用硫磺硫化、不耐老化等。丁苯橡胶的化学反应活性比天然橡胶稍低，硫化速度慢，耐老化性比天然橡胶好，其使用温度大约可比天然橡胶高1020。丁苯橡胶对臭氧的作用比天然橡胶敏感，耐臭氧性比天然橡胶差。丁苯橡胶还能进行氧化、卤化和氢卤化等反应。1.4.3丁苯橡胶的用途丁苯橡胶是消耗量最大的一种通用合成橡胶，应用非常广泛。除要求耐油、耐热、耐

23、特殊介质外，一般场合均可使用。丁苯橡胶消耗量最大的是轮胎工业。轿车轮胎、拖拉机轮胎和摩托车轮胎应用比例较大，载重汽车轮胎及子午胎的应用比例较小。某些汽车零件也使用丁苯橡胶来制造。丁苯橡胶还用于制造无特殊要求的胶带、胶管等工业品。如皮带运输机的输送带、输送胶管、胶辊、防水橡胶制品、胶布制品等。丁苯橡胶还可以制造日常生活用品，如胶鞋、雨衣等。此外，丁苯橡胶还用于电缆加工、黏合剂、涂料、建筑等非橡胶工业部门。1.5丁苯橡胶的生产技术丁苯橡胶生产工艺目前有两种路线。1.5.1乳液聚合(ESBR)乳聚丁苯橡胶10(Emulsion Styrene Butadiene Rubber，简称ESBR)系丁二烯

24、和苯乙烯在乳液中自由基共聚而成。30年代由德国I.G.Farben公司首先实现工业化。其生产方法共有两种，一种是以拉开粉(二丁基萘磺酸钠)和脂肪酸皂为乳化剂、过硫酸钾为引发剂于50引发共聚的生产方法，俗称“热法”；另一种是以歧化松香酸钾皂(或加脂肪酸皂)为乳化剂，采用氧化-还原引发剂体系于5引发共聚的生产方法，俗称“冷法”。经过几十年的发展，“热法”乳聚工艺由于其产品凝胶含量多、质量差等因素逐步被“冷法”乳聚工艺所取代。目前，世界E-SBR的生产技术主要以“冷法”乳聚工艺为主，其生产工艺基本定型，产品约占乳聚丁苯橡胶总产量的80以上。其反应式如下：低温乳液聚合法是最常用的工艺技术，世界上约90

25、的乳聚丁苯橡胶是用此法生产。聚合体系以水为介质，油水两相在乳化剂作用下(乳化剂为歧化松香酸钾皂或与脂及酸皂混合)，部分单体浸入胶束中发生增溶溶解，其他单体成为被皂包覆着的液滴而悬浮着，在水相中由氧化-还原体系提供最初自由基，进入增溶溶解的胶束中使单体发生反应，并进行聚合物的链增长(单体液滴不断向胶束内扩散以补充单体的消耗)，并用链转移调节剂调节聚合物平均分子量，当单体转化率达到一定值时，终止聚合反应。胶乳经闪蒸、压缩、冷凝回收丁二烯；经过蒸汽真空蒸馏、冷凝、分离，回收苯乙烯。根据丁苯橡胶的门尼加合性，用加权平均的方法将不同门尼的脱气胶乳调配成要求门尼值的脱气胶乳，再加入防老剂或填充油，然后用高

26、分子凝聚剂溶液和硫酸作凝聚剂，在pH值3.04.0、温度5060的条件下进行凝聚，使橡胶自胶乳中离析出来，再经洗涤、脱水、干燥、称重后，压制成产品胶块。乳聚丁苯橡胶具有较好的综合性能。它的物理机械性能、加工性能和制品使用性能都接近于天然橡胶，其中耐磨、耐热、耐老化、永久变形和硫化速度等特性还优于天然橡胶。乳聚丁苯橡胶能与天然橡胶以及多种合成橡胶并用，使其应用范围得以扩大。乳聚丁苯橡胶可用于制造轮胎、胶管、胶带、胶鞋、绝缘材料及其它多种工业橡胶制品。充油乳聚丁苯橡胶生热低、滞后损失小、低温屈挠寿命长，用于轮胎胎面胶具有优良的牵引力和耐磨性，故大量用于轻便客车、轿车的胎面和胎侧。1.5.2溶液聚合

27、(SSBR)溶聚丁苯橡胶11(Solution Styrene Butadiene Rubber简称SSBR)是由丁二烯、苯乙烯在烃类溶剂中聚合制得的共聚橡胶。60年代首先由美国菲利浦斯公司采用烷基锂作为引发剂的阴离子聚合技术实现工业化，溶聚丁苯橡胶根据引发剂体系的不同可分为锂引发剂体系溶聚丁苯橡胶、二价金属引发剂体系高反式-l,4-结构溶聚丁苯橡胶、醇烯(Alfin)引发体系溶聚丁苯橡胶、Ziegler-Natta引发剂体系溶聚丁苯橡胶。目前世界上溶聚丁苯的生产主要是锂引发剂体系溶聚丁苯橡胶。丁二烯、苯乙烯在非极性烃类溶剂的存在下经烷基锂引发共聚。由于丁二烯和苯乙烯的竞聚率相差悬殊，要制得无

28、规溶液丁苯橡胶，可通过在丁二烯和苯乙烯共聚体系中加入无规剂，提高苯乙烯的相对活性，改变它的竞聚率，提高丁二烯和苯乙烯的聚合反应速度。通过改变无规剂的种类和用量，可以调节共聚物的微观结构，获得满足各种不同性能的胶料。无规剂一般采用四氢呋喃(THF)，醇类为终止剂。此方法有有间歇法和连续法两种。具有代表性的间歇法工艺路线为Phillips法，连续法为Firestone法。1.5.3两种聚合方法的比较首先，溶液聚合丁苯橡胶虽在生成丁苯橡胶的性能方面很优越，但其造价成本都偏高，生成工艺很不成熟，有多方面需要很大在改进。其次，乳液聚合技术虽然成熟但国内丁苯橡胶主要是汽车轮胎，而且轮胎厂家90的消耗的是乳

29、聚丁苯橡胶，故研究其生产工艺仍有其实用价值。因此，本设计仍采用低温乳聚生产工艺。2 低温乳液聚合丁苯橡胶工艺设计2.1低温乳液聚合丁苯橡胶的条件2.1.1分散介质一般以水为分散介质。要求必须采用去离子水，以保证乳液的稳定和聚合产物的质量。用量一般为单体量的60%300%，水量的多少对体系的稳定性和传热都有影响，水量少，乳液稳定性差，不利于传热；尤其对于低温聚合，这种影响更大。因此，低温乳液聚合生产丁苯橡胶要求乳液的浓度低一些为好，一般控制单体与水的比值为11.0511.8(物质的量的比)，而高温乳液聚合则为12.012.5。2.1.2单体纯度丁二烯的纯度99%。对于由丁烷、丁烯氧化脱氢制得的丁

30、二烯中丁烯含量1.5%，硫化物0.01%，羰基化合物0.006%；对于石油裂解得到的丁二烯中炔烃的含量应控制0.002%，以防止交联增加丁苯橡胶的门尼粘度。阻聚剂低于0.001%时对聚合没有明显影响，当高于0.01%时，要用浓度为10%15%的NaOH溶液于30进行洗涤除去。苯乙烯的纯度99%，并且不含二乙烯基苯。2.1.3聚合温度聚合反应的温度12与聚合采用的引发剂体系有关。低温乳液聚合生产丁苯橡胶采用氧化-还原引发体系，可以在5或更低温度下(-10-18)进行，同时，链转移少，产物中低聚物和支链少，反式结构可达70%左右。低温乳液聚合所得到的丁苯橡胶又称为冷丁苯橡胶。低温下聚合的产物的性能

31、要比高温下聚合的产物的好。2.1.4转化率与聚合时间为了防止高转化下发生的支化、交联反应，一般控制转化率为60%70%，多控制在60%左右。未反应的单体回收循环使用。反应时间控制在712h，反应过快会造成传热困难。2.2丁苯橡胶生产工艺流程简介2.2.1原料准备过程将规定数量的相对分子质量调节剂与苯乙烯在管路中混合溶解，再在管路中与处理好的丁二烯混合。然后与乳化剂混合液(乳化剂、去离子水等)和活化剂在管路中混合后进入冷胶进料冷却器(E-101A)，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-101B)进一步与液氨换热，出口温度控制为812。与氧化剂混合，从聚合釜(R-101

32、)进入聚合系统13。2.2.2聚合过程系统由2台聚合釜组成，采用串联操作方式。当聚合到规定转化率后，在终止釜后加入终止剂终止反应。聚合反应的终点主要根据门尼粘度和单体转化率来控制，转化率是根据取样测定固体含量来计算，门尼粘度由取样测定来确定。虽然生产中转化率控制在60%左右，但当所测定的门尼粘度达到规定指标要求，而转化率未达到要求时，依然要加终止剂终止反应，以确保产物门尼黏度合格。2.2.3分离过程从终止釜流出的终止后的胶乳液进入缓冲罐。然后经过两个不同真空度的闪蒸器回收未反应的丁二烯。第一个闪蒸器的操作条件是2228，压力0.04MPa，在第一个闪蒸器中蒸出大部分丁二烯；再在第二个闪蒸器中(

33、温度27，压力0.01MPa)蒸出残存的丁二烯。回收的丁二烯经压缩液化，再冷凝除去惰性气体后循环使用。脱除丁二烯的乳胶进入苯乙烯汽提塔(高约10m，内有十余块塔盘)上部，塔底用0.1MPa的蒸汽直接加热，塔顶压力为12.9kPa，塔顶温度50，苯乙烯与水蒸汽由塔顶出来，经冷凝后，水和苯乙烯分开，苯乙烯循环使用。塔底得到含胶20%左右的胶乳，苯乙烯含量0.1%。经减压脱出苯乙烯的塔底胶乳进入混合槽，在此与规定数量的防老剂乳液进行混合，必要时加入充油乳液，经搅拌混合均匀后，送入后处理工段。2.2.4后处理工段混合好的乳胶用泵送到絮凝槽中，加入24%26%食盐水进行破乳而形成浆状物，然后与浓度0.5

34、%的稀硫酸混合后连续流入胶粒皂化槽，在剧烈搅拌下生成胶粒，操作温度均为55左右。从胶粒皂化槽出来的胶粒和清浆液经振动筛进行过滤分离后，湿胶粒进入洗涤槽用胶清液和清水洗涤，操作温度为4060。洗涤后的胶粒再经真空旋转过滤器脱除一部分水分，使胶粒含水低于20%，然后进入湿粉碎机粉碎成550mm的胶粒，用空气输送器送到干燥箱中进行干燥。干燥箱为双层履带式，分为若干干燥室分别控制加热温度，最高为90，出口处为70。履带为多孔的不锈钢板制成，为防止胶粒粘结，可以在进料端喷淋硅油溶液，胶粒在上层履带的终端被刮刀刮下落入第二层履带继续通过干燥室干燥。干燥至含水0.1%。然后经称量、压块、检测金属后包装得成品

35、丁苯橡胶。2.2.5工艺流程简图图2.1 低温乳液聚合丁苯橡胶流程简图2.3工艺流程图 图2.2 低温乳液聚合丁苯橡胶工艺流程图3 物料衡算3.1基础数据本设计计划产量为10kt/a，烃含量为92%，转化率为60%，单体回收单元损失率为0.2%，后处理单元损失率为0.6%，计划一年工作7800小时。原料指标、产品指标和所需配方分别见表3.1，表3.2，表3.3。表3.1 原料指标14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3.2 产品指标14产品指标气提胶乳中结合苯乙烯含量22.525.4%残留苯

36、乙烯0.1%最终胶乳20.523.5%尾气中的丁二烯含量2.0%滗析器中的残留苯乙烯0.06%门尼粘度4658伸长率480%表3.3 聚合配方14原料及辅助材料配方单体丁二烯72苯乙烯28相对分子质量调节剂叔十烷基硫醇0.16介质水195乳化剂歧化松香酸钾皂4.62水引发剂体系过氧化物0.060.120.060.12活化剂还原剂硫酸亚铁0.01雕白粉0.040.10螯合剂EDTA0.010.025缓冲剂磷酸钠0.240.45终止剂二甲基二硫代氨基甲酸钠0.080.14反应条件聚合温度，5转化率，%60聚合时间，h93.2聚合物料工段衡算物料衡算是衡算的基础，分为进料计算和出料计算两个步骤。3.

37、2.1进料计算每小时产量：11000010007800 =1282.05(kg/h)每小时消耗的烃含量：1282.050.92=1179.486(kg/h)丁二烯与苯乙烯的总量：1179.4860.6(10.6%)(10.2%)=1981.64(kg/h)由丁二烯和苯乙烯的配料比为72:28则有纯丁二烯的进料量为：1981.640.72=1426.78(kg/h)纯苯乙烯的进料量为：1981.640.28=554.86(kg/h)每小时丁二烯的混合进料量为：1426.780.94=1517.85(kg/h)每小时苯乙烯的混合进料量为：554.860.93=596.62(kg/h)单体BD的总损

38、失量：1426.78(0.2%+0.6%+2%)=39.95(kg/h)单体ST的总损失量：554.86(0.2%+0.6%+0.1%+0.06%)=5.33(kg/h)新鲜BD的进料量：1426.78(570.7139.95)90%96%=988.64(kg/h)新鲜ST的进料量：554.86(299.155.33)90%96.5%=300.96(kg/h)新鲜BD中阻聚剂含量小于25ppm，回收BD中阻聚剂的含量约为100ppm，混合后取为60ppm，则纯碱的耗量为(6010-61010-6)1426.781%=7.1334(kg/h)去离子水经交换树脂净化后可循环使用，设损率为5%15，

39、则去离子水的用量为：3864.205%=193.21(kg/h)纯碱循环使用，且纯碱的循环流量等于丁二烯的进料量，则M碱=1426.78(kg/h)表3.4显示了配方中所有物质的流量。表3.4 配方的中物质流量计算原料流量(kg/h)单体BD1517.85ST596.62乳化剂松香酸钾皂1981.644.62%=91.55介质WT1981.64195%=3864.20活化剂硫酸亚铁1981.640.01%=0.1982雕白粉1981.640.2%=3.96EDTA1981.640.01%=0.1982调节剂叔十二碳硫醇1981.640.16%=3.17氧化剂过氧化氢对锰烷1981.640.1%

40、=1.98终止剂二甲基二硫代氨基甲酸钠1981.640.1%=1.98缓冲剂磷酸钠1981.640.3%=5.94固体物质1981.64(0.16+4.62+0.1+0.01+0.2+0.01+0.3+0.1)%=108.99(kg/h)进料主物料见表3.5：查阅相关资料我们得到原料单体的摩尔质量和密度1617BD的摩尔质量为54(kg/kmol) ST摩尔质量为104(kg/kmol)BD密度为621.1(kg/m3) ST密度为909.82(kg/m3)表3.5 进料主物料的流量流量BDST质量流量(kg/h)1426.78554.86摩尔流量(kmol/h)26.425.34体积流量(m

41、3/h)2.300.6099各种进料见表3.6：表3.6 各种进料的流量组分物料质量流量(kg/h)单体BD1426.78ST554.86乳化剂岐化松香酸钾皂91.55介质WT3864.20活化剂溶液雕白粉3.96EDTA0.1982硫酸亚铁0.1982调节剂溶液叔十二碳硫醇3.17氧化剂溶液过氧化氢对锰烷1.98终止剂溶液二甲基二硫代氨基甲酸钠1.98缓冲剂磷酸钠5.94总进料量5954.823.2.2出料计算反应的丁二烯的量：1426.780.6=856.07(kg/h)反应的BD:ST=77:23反应的苯乙烯的量：2377856.07=255.71(kg/h)丁二烯剩余的量：1426.7

42、8856.07=570.71(kg/h)苯乙烯剩余的量：554.86255.71=299.15(kg/h)尾气中丁二烯的含量：1426.780.02=28.54(kg/h)气提胶乳中残留苯乙烯：554.860.1%=0.5549(kg/h)滗析器中的残留苯乙烯：554.860.06%=0.3329 (kg/h)总结上述计算结果汇总成表3.7出料流量：表3.7 出料流量流量胶乳总量BDST固性物水质量流量(kg/h)4843.05570.71299.15108.993864.20摩尔流量(kmol/h)10.572.88体积流量(m3/h)0.91890.32884 热量衡算进行热量衡算，可以确

43、定为达到一定的物理或化学变化须向设备传入或从设备传出的热量；根据热量衡算可确定冷却剂的用量以及设备的换热面积。故我们要进行较为详尽的热量衡算。进行热量衡算的第一步就是进行所需聚合釜数量的计算，由表3.4得出M总=1981.64+3.17+3864.20+91.55+1.98+1.98+3.96+0.1982+0.1982=5948.88(kg/h)又因为物料的平均密度为899kg/m3故平均流量=M总899=6.62(m3/h)取反应釜体积V=30(m3)则每釜滞留时间t=306.62=4.53总反应时间为t=9h则94.53=1.99(2釜)故本设计采用两釜串联的流程。确定了两釜串联的流程后

44、开始进行热量衡算。聚合反应釜需要计算以下热量：聚合热，各反应器的冷却热，搅拌热，大气吸热。4.1聚合热根据该工艺的转化率时间函数曲线可知，聚合反应转化率与反应时间成正比，基本呈直线关系，反应过程放热比较均匀，因此单釜的聚合热按照总聚合热按照反应时间取平均计算。丁二烯和苯乙烯的摩尔热容为：BD：18.7(kcal/mol) ST：16.68(kcal/mol)每小时釜中的聚合热Q=856.0710005418.7+255.71100010416.68=296453.87+41011.95=337465.82(kcal)反应9小时，每釜的聚合热337465.821.99=169580.81(kca

45、l/h)表4.1显示了各反应器的冷却显热表4.1 各反应器的冷却显热首釜107次釜754.2冷却热第一反应釜温度从10降至7的冷却热见表4.2：表4.2 第一反应釜温度从10降至7的冷却热Flow(kg/h)Cp(7)BD1517.8530.5482495.35ST596.6230.396708.78EMF3580.6630.97710494.91MOD16.0730.29.642ACT224.4830.995670.07OXT17.0430.210.22TOTAL14388.972第二反应釜从7降至5的冷却显热见表4.3：表4.3 第二反应釜从7降至5的冷却显热Flow(kg/h)Cp(7)

46、BD1517.8520.5481663.56ST596.6220.396472.52EMF3580.6620.9776996.61MOD16.0720.26.43ACT224.4820.995446.72OXT17.0420.26.82TOTAL9592.664.3搅拌热搅拌热按聚合热的5%计算：反应9小时的搅拌热为：q=169580.815%=8479.04(kcal/h)4.4大气吸热反应器首釜7；次釜5初选反应器为24008000H大气吸热公式：(4-1)(4-2)则第一反应釜的大气吸热为：与A表一起带入(4-1)得则第二反应釜至最后反应釜的大气吸热为：与A表一起带入(4-1)得4.5热

47、量统计通过以上的计算我们得到了聚合反应釜的所有热量衡算结果，现列表4.4作为两釜的热量统计。表4.4 两釜热量两釜聚合热(kcal/h)冷却显热(kcal/h)搅拌热(kcal/h)大气吸热(kcal/h)总计(kcal/h)第一釜169580.8114388.9728479.04-796.614191652.21第二釜169580.819592.668479.04-926.465186726.054.6所需氨的量的计算通过以上热量衡算，我们可以进一步算出聚合釜列管式换热器中氨的用量。(4-3)则反应9小时冷却第一釜所需氨的量：冷却第二釜所需氨的量：4.7 Cp的计算聚合釜中的混合原料的Cp计

48、算如下：表4.5 物料的组成流量(kg/h)占总流量的比例BD1517.850.255ST596.620.1EMF3580.660.602MOD16.070.002ACT224.480.038OXT17.040.003TOTAL5952.7215 聚合釜的选型5.1聚合釜的长径比由物料衡算可知，聚合釜操作时物料容积为V0=30m3。.在确定聚合釜的容积的时候，应考虑物料在聚合釜中充装的比例即装料系数，其值通常可取0.60.85。又若物料在反应中比较平稳，可取0.80.8518，故取0.8。(5-1)带入V0=30(m3)得由于聚合釜筒体的高径比由所装的物料类型确定。若装的是乳化液则高径比在2.

49、083.851之间，又因为高径比大了有助于传热减小搅拌功率等，故暂且取为3.3。19(5-2)将高径比与V=37.5(m3)带入(5-2)中可得Di=2.437(m)元整为Di=2400(mm)由元整出的直径按下式得罐体的高度(5-3)为封头的体积，故需要计算封头的体积。综合考虑本聚合釜采用椭圆型标准封头，因为封头底圆直径椭圆型封头容积计算公式为(5-4)又因为选用的是标准型故进一步化简为20(5-5)带入数据得封头体积为同时椭圆形封头的内表面积为(5-6)校核长径比将带入到(5-3)中得H=7.9(m)，圆整为H=8(m)=8000(mm)。校核：与设计值比较大致相等故满足设计要求。5.2搅

50、拌器的计算根据反应釜内液体容积及粘度和流体性质选择布鲁马金式搅拌器，D/T的范围为0.330.40，取D/T=0.35，则D=0.84(m)，圆整为D=0.8(m)。V=37.5(m3)，胶乳粘度=1(Pas)21取搅拌级数为7级，=12.8(m/min)假设为湍流操作，NRe=1.5103由文献21中的排出流量数与搅拌雷诺数的关系可得(5-7)搅拌器的功率此时功率准数Np为常数(5-8)又有参考文献22可得，3层四叶的布耳马金的K1选K1=4.5查资料22可选择，Y型异步电动机，机型号为XL10，功率为30KW5.3传热的计算设计的反应器除热主要采用内冷件，根据反应釜内液体容积及粘度和流体性

51、质，传热量选用直管式换热器，直管为不锈钢(5-9)(5-10)的计算(5-11)由资料23可查相关数据得可设d0=0.036(m)，nb=170则a=0.09 b=0.65 c=0.33 d=0.4与雷诺数、Cp、D/T=0.35带入设的d=0.036(m)，L=6.0(m)，tw=-2，t氨=-3，P=250(kPa)假定流体为层流，当T=-10，Pr=1.27时(5-12)当t=-4时，氨气的有关物理性质：(5-13)反应9小时，第一釜氨的温度为-3，物料的温度为107，平均为8.5可得A=71.05(m2)第二釜氨蒸汽，氨的温度为-3，物料的温度为5可得A=99.51(m2)第一釜：换热

52、面积满足设计要求第二釜：换热面积也满足设计要求取反应时间为9小时，首釜R-101的换热面积为70.11(m2)，次釜R-102的换热面积为98.19(m2)据此选择换热器的冷却列管数为10组，每组管子17根。换热器的安装见图5.1。图5.1 内冷件安装简图5.4进出口管径本设计进料口24开在上封头上，聚合釜中混合物料的平均密度为=899(kg/m3)则混合物料的体积为根据流体在管道中常用的流速范围选取u为0.8(m/s)，则管径d为根据输送流体用无缝钢管规格(GB8163-87)选择65mm4mm的无缝钢管，其内径为65(mm)，即0.065(m)。重新核算流速即5.5支座的选用选择耳式支座，

53、耳式支座分为B和BN型，本设计选择4个B型耳式支座，支座本体允许的载荷为150(kN)，高度为400(mm)，垫板的尺寸：长500(mm)，宽400(mm)，厚度为12(mm)。制造要求：(1)焊接采用电焊，焊条牌号应根据制作个部件的材料参照有关标准用。焊接接头的型号和尺寸按GB985中的规定。(2)耳式支座本体的焊接，采用双面连续角焊。支座与容器壳体的焊接采用连续焊。焊缝要高约等于0.7倍的较薄板厚度，且不小于4mm。焊后焊缝金属表面不得有裂纹、加渣、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷。焊接区不应有飞溅物。(3)支座螺栓空的加工极限偏差与其他部分的制造公差分别按GB1804的第IT14级与IT16级精度。(4)支