产万吨顺丁橡胶生产工艺设计说明书

1、北京化工大学化学工程学院设计说明书目：年产1万吨顺丁橡胶生产工艺设计生: 级: 号:指导教师舟2014年12月“化工设计”课程作业23.2.2.2.2.2.3.3.4.4.4.5.5.5.5.5.6.7.7.7.8.8.9.9.91010101321212327303131313334343537目录仁工艺设计基础1.1、设计任务1. 1. 1、设计任务1.1.2、文献综述1.2、原辅材料性质及技术规格,1.3、产品性质及技术规格1.3.1、顺丁橡胶的结构1.3.2、顺丁橡胶的性能1. 3. 3、顺丁橡胶的用途1.3.4、生产中成品胶质量指标1.4、危险性物料的主要物性1.5、原材料的消耗定额

2、 2、工艺说明直2.1、生产方法、工艺技术路线及工艺特点2. 1. 1、生产方法2.1.2、工艺技术路线的确定2.2、生产流程说明2.2.1、主要流程工艺2.2.1、主要工艺流程说明2.2.2、聚合工艺2.2.3、凝聚工艺2.2.4、橡胶的后处理2.2.5、单体及溶剂回收工艺2.2.5、三废处理3、工艺计算及主要设备设计3.1、物料衡算3.1.1汁算的基础数据3.1.2、讣算基准3.2、热a衡算3.2.1、讣算的基础数据3. 2. 2、各釜对流传热系数ot和传热系数K的讣算3.2.3、各釜热量衡算3.3、聚合釜的计算和选型3. 3.1、基础数据3.3.2、聚合釜总容积及台数的确定3.3.3、聚

3、合釜搅拌功率的计算4、工艺控制条件及自控设计4.1、控制指标4.2、开停车 5、附图 6、参考文献Is工艺设计基础1.1.设计任务 1丄1、设计任务本设计为年产1.1万吨顺丁橡胶（纯度99%）生产工艺设计，顺丁橡胶生产工艺山聚 合工段和后处理工段两大部分组成，本设计的主要任务是：1. 聚合釜、终止釜和凝聚釜的物料衡算2. 聚合釜的热量衡算；聚合釜的计算和选型3. 设汁出聚合工段带工艺控制点的工艺流程图山于本设计为假定设计，所以设计任务中其他项目如：厂区或厂址、主要技术经济指 标、原料的供应、技术规格以及燃料种类、水电汽的主要来源，与其他工业企业的关系， 建厂期限、设计单位、设计进度及设计阶段的

4、规定等均从略。U前世界上大部分顺丁橡胶生产采用溶液聚合法工。关于顺丁橡胶生产技术的进展， 主要体现在催化剂、分子量调节、生产丄艺、新产品开发以及装置设备等方面。因此，对 顺丁橡胶生产工艺进行研究，具有一定的积极意义。工艺展望1. 进一步优化催化体系和工艺条件I'：2. 积极开拓顺丁橡胶应用领域3. 聚合温度进一步提高，利于聚合、凝聚和节能匕：4. 应加强新产品开发,满足市场需求顺丁橡胶是顺式-1,4-聚丁二烯橡胶的简称，山丁二烯聚合得到。顺丁橡胶是U前世 界上第二通用合成橡胶，与天然橡胶和丁苯橡胶相比，硫化后的顺丁橡胶的耐寒性、耐磨 性和弹性特别优异，动负荷下发热少，耐老化性好，易与天

5、然橡胶、氯丁橡胶或丁膳橡胶 并用，主要用于轮胎加工行业，在传送带、传动带、模压制品、鞋底、胶鞋及海绵胶等方 面得到广泛应用。1.2、原辅材料性质及技术规格表1, 1-原材料、产品技术规格名称规格分析方法国家标准单体丁二烯纯度：M 99% 丁烯:1%水20mg/kg醛酮总量：20mg/kg 二聚物:V50mg/kg 乙睛：检不出气相色谱法卡尔费休尔法 气相色谱法气相色谱法GB 6013-85GB 6023-85GB 6013-85溶剂溶剂油纟11 成：C；2l% C：578%. C；40程：60"90"C碘值：0. 2g/100g水值：20mg/kg蒸懈去 化学法 卡尔费休法

6、GB 255-77GB 6023-85催化剂环烷酸银牒含量：7-8% 水分：0. 1% 不皂化物：无络合滴定法 蒸懈去 化学法GB 260-88三异丁基铝活性铝含量：50% 外观浅黄透明，无悬浮物络合滴定法三氟化硼乙 醸络合物BF3 含量；46% 沸点：124.5-126C 水含量:0. 5%化学法卡尔费休法GB 6283-86终止剂乙醇纯度：95%：含水：概：恒沸点：782°C：密度 810kg/m3GB/T679-2002防老剂2, 6-二叔丁 基-4-甲基苯酚熔点：69-7rc：游离甲酚：0. 04%：灰分0. 03%：油溶性： 合格1.3. 产品性质及技术规格顺丁橡胶的物理化

7、学性质与其结构的直接关系。这种结构乂分为分子内结构和分子间 结构（聚集态结构）。1.3.1、顺丁橡胶的结构HH、CH2CH2顺式14结构c=cf! Z sH 耳4086nmJ还有反式1.4结构和1. 2位加成产物。利用环烷酸银一三异丁基铝一三氟化硼乙醛络 合物引发体系使丁二烯聚合后的产物中含96%98%的顺式1.4结构，含1%2%反式 1. 4结构和1%2%的1. 2结构加成物。这种以顺式1. 4结构为主的聚合物具有分子链长, 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 的特点。山于顺式1.4结构含量大，使得大分子的规整性好，同时乂山于分子链无取代基，造 成

8、对称性好，但因其重复结构单元之间距离大，而使顺式1.4结构聚丁二烯比反式1.4结 构聚丁一烯更难于结晶。即便能结晶，其熔点也低（顺式1.4含量为98.5%的产物，熔点 为0C）,因此，在常温下无结晶态，只以无定形形态存在。相反，反式结构产物易结晶。 故此，前者是高弹性体，后者无弹性。1.3.2.顺丁橡胶的性能通过与天然橡胶相比，顺丁橡胶具有弹性高、耐低温性好、耐磨性佳、滞后损失和生 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。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、有冷流性倾向等不足。顺丁橡胶的性能一看生胶的性能（可塑性、加工性、外观、颜色等）好坏，

9、影响它因素 有聚合方法、引发剂系统、生胶的分子结构、门尼粘度、平均分子量、分子量分布、凝胶 含量、灰分、挥发份等。二看硫化后的硫化胶性能（抗张强度、300%定拉伸强力、伸长率、 硬度、回弹性、生成热、永久变形、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。133、顺丁橡胶的用途广泛用于制造乘用车和卡车轮胎，儿乎占该类橡胶消耗量的86%以上，可以改善轮胎 的耐磨性，延反其寿命。也适用于制造力车胎、胶管、胶带、胶鞋以及其他橡胶制品。1.3.4.生产中成品胶质*指标表1. 2YB 8659-88标准规定性能指标项目优级品一级品合格品挥发份,<

10、0751.00130灰分,<030030030生胶门尼粘度45±545±545±7混炼胶门尼粘度H；警<687373300%定伸应力MPa硫化 145*0 x25min65-10.56210760、110硫化 145“Cx35min70H.06711265115硫化 145°Cx50min6.8-10.86511063-113（续表12） 项目优级品一级品合格品拉伸强度MPa硫化 145*Cx35min>14,2>13.7>13.2伸长率硫化 145*Cx35min>450>430>430防老剂非污染非污染

11、非污染非污染1.4.危险性物料的主要物性表L 3-危险性物料主要物性表名称分子量熔点(°C)沸点(*C)闪点(“C)燃占(°C)爆炸极限危险概述上限下限丁二烯54. 09-10& 9-4. 5<-641516.31.4三异丁基 铝198. 33-5.686<0<4危险标记9（易燃物 品）急性毒性LD50：无资溶剂汕-25230-2607.0L0料：LC50： IGOOOmg, ni, 4 小时乙醇46. 07-114.37& 413751& 953. 28三氛化硼 乙庭络合物142-48124.5-12666.744511. 12本

12、产品遇明火会发生 燃烧爆炸危险。注：数据来源合成橡胶工业手册第二版，赵旭涛、刘大华主编P5031.5. 原材料的消耗定额表1.4 原料消耗定额数据表序号名称规格消耗量备注kg/ht/a1丁二烯纯度：993%1659. 79913278. 3902溶剂油C52J%, C657.8%, C740J%6369. 54250956. 3323环烷酸镰纯度7. 5%0.4783-8224三异丁铝活性铝含量50%L2099.6695三氟化硼乙 庭络合物BF3含量46%L88415.0756工业乙醇纯度95%0. 8877. 0947防老剂浓度117g/L13. 021104.1652、工艺说明2. 生产方

13、法.工艺技术路线及工艺特点2丄1、生产方法U前世界上顺丁橡胶生产大部分采用溶液聚合法。生产采用的催化剂主要有Ni系、 Ti系、Co系、Li系等。U前，U前，国内工业上采用的是Xi系催化剂体系，该催化剂活 性高；顺式含量在97%以上；产品质量均匀，产物的综合物理机械性能较好，分子量较易 控制，易于加工，冷流倾向小，便于连续生产；改变条件(温度，单体浓度)对聚合物的 性能无影响。该工艺主要工序包括：催化剂、终止剂和防老剂的配制和汁量；丁二烯的聚 合；胶液的凝聚；后处理，橡胶的脱水和干燥；单体、溶剂的回收和精制。2丄2、工艺技术路线的确定(1) 、聚合方法的确定根据产物结构要求从自由基聚合、阴离子聚

14、合、阳离子聚合、配位聚合等反应机理中 选择出配位聚合，同时考虑配位聚合所用原料、引发剂、传热、物料输送、产物溶解、回 收、操作方式等方面综合考虑选择溶液聚合实施方法。该工艺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；山于溶 剂的存在必然要考虑的回收、循环利用；反应的终止方式；产品防老化处理等特点。操作 方式为连续操作。(2) 、溶剂的选择各种溶剂对反应原料、产物及反应所用各种引发剂的溶解能力不同。从溶解度参数、 体系粘度、工程上传热与搅拌、生产能力提高、回收难易、毒性大小、来源、输送等儿方 面对苯、屮苯、甲苯-庚烷、溶剂油等，进行综合比较，确定选择溶剂油。(3) 、引发剂的选

15、择从适合顺丁橡胶生产的引发剂共性入手，如定向能力高、稳定性好、易贮存、高效、 用量少、易分离及残存对产物性能无影响等，对常用的四大类型引发剂Li系、Ti系、Co 系、Xi系进行比较，选择Xi系引发剂，其组份主引发剂为环烷酸银，助引发剂为以异丁 基铝，第三组分为三氟化硼乙醸络合物。该引发剂催化活性高；顺式禽量在97%以上； 产品质量均匀，产物的综合物理机械性能较好，分子量较易控制，易于加工，冷流倾向小, 便于连续生产；改变条件(温度，单体浓度)对聚合物的性能无影响。(4) 、催化剂的陈化把催化剂的各组份按一定配比，在一定条件下混合，形成催化剂的活性中心，这种方 式工业上称之为陈化。Xi催化剂的陈

16、化有三元陈化、双二元陈化和稀硼单加陈化三种方法。U前顺丁橡胶工 业制备中釆用的催化剂陈化方法为稀硼单加陈化，该法特点是催化剂活性最高。(5) 、聚合反应机理丁二烯分子中的兀键很活泼，在催化剂的作用下，可以打开，使丁二烯分子相互加成, 形成聚丁二烯大分子，整个聚合过程由以下儿个基本阶段构成：1、链的引发丁二烯在催化剂的作用下活化，这种被活化了的单体叫做活性中心，能够很快地引发 单体进行聚合。一般来说，促进催化剂各组分起反应、活化单体、引起聚合、都需要能量， 所以在开始聚合时通常需要从外部提供热。2、链的增长带有单体的活性中心很活泼，能很快和更多的单体分子起反应，反应后的活性链其活 性并不衰减，结

17、果在很短的时间内形成了带有成千上万单体链节的活性长链分子。在链增 反阶段，山于大量的丁二烯分子进行了聚合，形成了长链大分子，在这一过程分子数急剧 下降，分子量显著升高。并且在该阶段，有大量的旧键破坏（It键被打开）、新键形成（0 键），使得反应放出大量的热，所以当一旦引起聚合后，必须立即加强外部或内部冷却， 取走热量，否则将无法维持恒定的聚合温度。3、链的终止在一定的聚合条件和环境中，链增长到一定长度之后，山于某种化学或物理因素的影响，活性 中心从增长链±8兑落，再生出活性中心而使原有的增长链终止，变为无活性的聚丁二烯分子实验证明，活性中心的寿命是很短的，大部分分子在很短时间内已经长

18、成，所以延长 聚合时间、增加吊联釜数，只能提高转化率而不能增加分子量，因此无需加专门的终止剂 来终止活性链。在生产中聚合完了加终止剂，除了终止一些正在增长的分子外，主要是用 终止剂来破坏剩余的催化剂，是不再发生聚合，以保证橡胶质量，绝不是所有的增长链都 等到加终止剂时才终止。2.2、生产流程说明溶液聚合生产顺丁橡胶工艺过程包括原料精制、引发剂配制、聚合、回收、凝聚、后 处理等工序。221、主要流程工艺图21_主要流程工艺框图221、主要工艺流程说明a）聚合级丁二烯山泵经流量控制与山泵经流量控制送来的溶液油在文氏管中混合 后，再经丁油预热（冷）器进行预热（冷）后，与分别Ifiirfi泵送出的Ni

19、组分、 A1组分经文氏管混合后的混合物混合，连续送入聚合釜首釜底入口；b）B组分山计量泵送出与稀释油在文氏管中混合后直接送入聚合釜首釜底入口；c)d)e)f)g)h)i)j)聚合釜为不锈钢制并装有双螺带式搅拌器；物料在首釜反应一定时间后，从釜顶出来进入第二釜、第三釜等连续进行聚合反 应，当达到规定门尼粘度后，进入终止釜用乙醇破坏引发剂使反应终止；从终止釜出来的胶液经过滤器进入胶液罐，回收部分未反应的单体送单体回收罐 区，再经精制处理循环使用；胶液在胶液罐中被混配成优级品的门尼粘度，然后 经胶液泵送入凝聚釜用0. 9MPa水蒸汽在搅拌下於热水中进行凝聚。从凝聚釜顶出来的单体和水蒸汽经冷凝器冷凝，

20、入油水分离罐分离出溶剂油和少 量单体送回收精制后循环使用；水经液面调节阀控制排出，经二次净化处理排入 地沟。从凝聚釜底出来的胶粒与循环热水颗粒泵送入缓冲罐，经1号经振动筛分离出胶 料去洗胶罐。在洗胶罐中，用406（rc热水对胶粒进行洗涤，洗涤后的胶粒经2 号振动筛分离后，含水量约为40%60%的胶粒送入挤压机挤压脱水。经挤压脱水后，胶粒含水量为8%15亂将其切成细条形，并进入膨胀干燥机加热、 加压，达到膨胀和内蒸，进一步除去所含的大部分水分，再送入水平红外干燥箱 中干燥，使胶条的含水fi降到0.75%以下。干燥合格的胶条经提升机送入自动称量秤，按每块25kg进行压块，并用塑料薄膜 包好，装袋封

21、口入库。222.聚合工艺丁二烯采用配位聚合法（双烯炷定向聚合），生产采用连续式溶液聚合法。表2. 1_典型生产配方项Ufe制指标项tl控制指标丁油浓度1215g/ml银/ 丁<2.0X10-铝/丁<1.0X10-4硼/丁<2.0X10-铝/硼>0.25醇/铝6铝/谋3-8防老剂/ 丁0.79-1.0%聚合压力<0.45MPa丁二烯单耗L045t/t-p收率>95%转化率>83%聚合温度首釜V95°c；末釜viocrc223、凝聚工艺从聚合终止釜出来的胶液，除含有百分之十的顺丁橡胶外，还含有大量的溶剂和未反 应的丁二烯以及残存的催化剂等。凝聚的

22、任务是将顺丁橡胶从胶液中分离出来。工业上常用水析法凝聚，在机械搅拌下，使胶液呈液滴状分散于热水中，用直接蒸汽 通入，鼎部分蒸汽冷凝放出潜热来加热热水，热量通过热水传递给胶粒。此时，液滴状胶 液中的溶剂、丁二烯等受热部分气化，这部分溶剂气体被水蒸气按一定的比例带出凝聚釜, 达到脱除溶剂的U的。溶剂蒸出后的橡胶呈胶粒状析出，分散于水中。凝聚的工艺设备有凝聚釜、汽相过滤器、冷凝器、油水分层罐、热水罐、丁二烯冷凝 器、溶剂冷凝器、胶液泵、热水泵、颗粒泵、溶剂泵、单体泵和碱泵。224、橡胶的后处理顺丁橡胶胶液经水析凝聚脱除溶剂后，所得到的生胶中，除了含有少量剩余溶剂油和 残存的催化剂外，还含有大量的水，

23、一般含水量在40-60%范圉内。在进行橡胶加工之前， 必须进行干燥，将残留的溶剂和大量的水分除掉，使成品胶含水量低于l%o此外，为了便 于运输、存放和防止生胶变质，橡胶的后处理还包括压块成型、包装等工序。225、单体及溶剂回收工艺从聚合得到的胶液，其中除含有顺丁橡胶外，尚有部分未反应的单体、各种杂质以及 大量的溶剂油。从胶液储罐顶部冷凝器冷下的丁二烯和溶剂油以及经凝聚蒸出、冷凝和分 层后的溶剂油和丁二烯等一起送到回收岗位。225、三废处理顺丁橡胶生产过程中，有大量废水、废弃和废渣产生。“三废”产生的原因主要有两 方面：A. 正常生产中排放的废物。B. 因管理不善造成的跑、冒、滴、漏。1）废水处

24、理废水处理的程度如何，直接影响着环境卫生的好坏。在顺丁橡胶废水处理中利用活性 污泥法处理工业废水，处理后的废水直接排至河流或水库。2）废气处理顺丁橡胶生产中的氮氧化物采取催化还原法，使其转化为氮和水后在通过烟囱排入大 气，含有大量可燃的碳氢化物的废气需经火炬燃烧后放掉，含醛废气（包括浓醛水）是通 过烧醛炉后才放空的。3）废渣处理顺丁橡胶生产中的废渣有污泥、废催化剂、脱氢催化剂粉末、铝渣、废胶和自聚物等, 有许多具有回收利用的价值。例如可以从脱氢催化剂粉末中回收贵重金属钮和钮，再用于 脱氢催化剂的制备。表22_三废治理表序 号名 称温度压 力排放量国家排放 标准处理意见备 注°CPa排

25、出点单 位正常最 大组成及含 量1废 水聚合总下水 挤压机排水 洗胶罐排水油水分离罐B、F、XB、F、XB、F、XB、油排放集中，防 止漏夜在设备 上强化碱洗工 艺减轻酸值， 充分回收溶剂 油，控制油水 分层罐的液位 高度减少油进 入废水，拍污 水处理后方能 排出2废气脱水回 流罐胶液罐排气Ci、C5、C5C.,送火炬燃烧3废 渣铝渣废胶溶剂油、 铝网状结构 凝胶污泥焚烧3、工艺计算及主要设备设计3. 仁物料衡算3丄1计算的基础数据物料衡算所需相关数据详见表3-1至3-10（1）、聚合釜工艺参数聚合釜进料参数表3.1 聚合釜进料参数一览表项目指标丁汕浓度13.5g/100ml：温度：W4(rC

26、蝶/丁（摩尔比）2.0X2三异丁基铝/丁（摩尔比）1.0X1Z三氟化硼乙庭络合物/丁（摩尔比）2.0X1Z（续表3.1）项目指标铝/硼（摩尔比）>0.25铝/镰（裁尔比）3-8聚合釜操作参数表32_聚合釜操作参数一览表项目指标聚合系统圧力V045MPa聚合温度94C聚合时间4h原辅材料规格表3.3_聚合釜原辅材料规格一览表项目指标丁二烯纯度：99.3%,其余按丁烯计：溶剂汕组成C；2洛 C：578%, C；40J%环烷酸镣纯度：7.5%三异丁基铝活性铝含量：50%三氟化硼乙陋络合物BFs 含量：46%（2）、终止釜工艺参数终止釜进料参数表3_终止釜进料参数一览表项目指标胶液组成同聚合釜出

27、料醇/三异丁基铝（摩尔比）6防老剂/丁（质量比）0.0079 终止釜操作参数（略） 终止釜原辅材料规格表35 终止釜原辅材料规格一览表项目指标乙醇纯度：95%,其余按水计防老剂/溶剂汕（质量比）0.179：防老剂溶液项目（续表3.5）指标防老剂溶液浓度117g（3）.凝聚釜工艺参数凝聚釜进料参数表36_凝聚釜进料参数规格一览表项目指标胶液组成同终上釜出料水/胶液（体枳比7.5水蒸汽/聚丁二烯（质量比）5凝聚釜操作参数表3；7_凝聚釜操作参数一览表项目指标循环水进料温度90C凝聚温度95 r凝聚压力02MPa （表压）胶液进料温度2or;疑聚釜原辅材料规格表38 凝聚釜原辅材料规格一览表项目指标

28、水蒸汽0.9MPa （表压）（4）、相关设计参数表39_物料衡算相关设计参数项目指标丁二烯总转化率85%丁二烯单耗L045t/t-p全装总收率953%：（以1.045吨的100%丁二烯为基准讣算收率和损耗）全装置总损耗4.7%,其中：1. 聚合挂胶损失：1%2. 聚合、凝聚的丁二烯机械ittt臨损失：0.5%3. 凝聚、振动的渣末损失：0.5%项目（续表3.9）指标胶粒含水最续表3. 9）4. 汕水分离器水相丁二烯溶解损失：2%5. 包装过程中不合格品及落地损失：0.7%0.6 （凝聚所得胶粒中的水/胶粒，质量比胶粒含油量0.005 （凝聚所得胶粒中的溶剂汕/胶粒，质量比）聚合釜容积12n?年

29、产量llOOOt年操作时间SOOOh（4）、所需物性数据表310 物料衡算所需物性数据物性数据丁烯的密度596kg/n?丁二烯的密度628kg/nP溶剂汕密度660kg/nP溶剂油（以正己烷讣）在95°C时的汽化热316522kJ/kg20-95 r的平均比热2428kJ/kgC沸点86 “C丁二烯在95°C时的汽化热13L844kJ/kg20-959的平均比热2554kJ/kgC烯（以正丁烯计）在95°C时的汽化热25439kJ/kg20-95°C的平均比热2679kJ/kgC0.9MPa（表压）水蒸汽熔H «278L71kJ/kg95“C饱

30、和水焰aH木39775kJ/kg3丄2、计算基准由于生产釆用连续式溶液聚合法，因此计算过程以kg/h为基准。3.13各单元的物料衡算（O、聚合釜总物料衡算聚合釜物料衡算图如图所示:胶料（去终止釜）挂胶损失M 丁二烯+ Mm油+ M妣分+分+ M啊彷=M胶液+ M桂胶损罠丁二烯系统根据设讣任务书，年产顺丁橡胶liooot,年操作时间8000h,可知每小时顺 丁橡胶产量：11000x1000 8000 = 1375kg / h根据丁二烯单耗可知所需纯丁二烯质量流量为：1375xl.045 = M36.875kg/h 扣除机械损失以及溶解损失，应有聚丁二烯：1436.875x（1-0.005-0.0

31、2） = 1400953kg/h根据总转化率85%可知应需M纯丁二烯质量流量=1400.953-0.85 = 1648.I80kg/h本工艺采用中国石化上海石油化工股份有限公司生产的工业用丁二烯（优级品，执行 企业标旌Q./SH 012.01.13-1999）质量分数为99.3%,其余按正丁烯计算，可知，所需原 料丁二烯为 1648. 180 + 0. 993 = 1659. 799&g / h随原料夹带的正丁烯为：1659.799-164&180= 1 l619kg/h根据上述讣算结果，总结于下表中表311_进料丁二烯用量组分质量分数kg/hi/am/li丁二烯993164&

32、amp;180131854412.624正丁烯071L61992.9490.019合计1001659.7991327&3902.644溶剂油系统洛剂油质量=（原料曲;:仔量-原料丁二烯体积）X溶剂油密度已知丁二烯质量流量为1659. 799kg/h,体积流量2. 644m3/h, 丁油浓度为13. 5g/100mb 即为135kg/m3,溶剂油密度660kg/m3,因而可得所需溶剂油质量s1fiCQ 7QQ- 2 6询 X 660 = 6369. 542A. / h引发剂系统引发剂采用银催化剂体系，成分为环烷酸银一三异丁基铝一三氟化硼乙醴络合物，主 要讣算公式为：引发剂质量=纯丁二烯摩

33、尔数引发剂/丁）X引发剂分子量原料纯度环烷酸银（主引发剂）已知谋/丁（摩尔比）为2x10= M傑=5&69,纯度为7.5%,可知环烷酸银质量流量： 空更里尖Akg/h = （M78kg/h54x0.075银组分摩尔流量： glp2xl0m /h 二 6.104x10-'kiiiol/h54三异丁基铝（助引发剂，AI（1-C4H9）3）已知三异丁基铝/丁（摩尔比）为lxl0- M异丁基宦= 198,活性铝含量50%三异丁基铝质量流量： 空吏学宾型kg/h = 1.209kg/h54x0.5摩尔流量：1 疏弋1x10= 3.052 xlOYkniol/h54三氟化硼乙髓络合物（第三

34、组分，BF3O（C2H5）2）己知三氟化硼乙醴络合物/丁（摩尔比）为2xf（rS M 隈化毗磴合物= 142，BF3含量为46%,可知:lAJQ 12 y 9 yV 149三氟化硼乙醴络合物质量流量： U kg/h = 1,884 kg/h54x0.46“化工设计”课程作业54摩尔流量：1 疏 18空2x107 对血/h = 6.104x10-581/hsg (亠ra-rd Nai 3052xl(f' Nai 3.052x10"h ,亠iTA.根据上述结果可知_=6gxio"5'瓦=6.104x10”°$而山文献可知,当Al/Ni=38, Al/B

35、=0307 （均为摩尔比人催化剂活性最高，因此可知此配方满足工艺要求。聚丁二烯系统山总转化率85%可知生成的聚丁二烯为：164& 180x0.85 = 1400,953kg/h山于存在挂胶损失，损失量为：1436-875x0.01 = 14.369kg/h去终止釜的聚丁 1 烯为：1400.953-14.369 =1386584kg/h未反应的丁二烯质量流量：1648380x0,15 = 247227kg/h根据上述结果可得聚合釜总物料衡算，列于表3J2表312_聚合釜总物料衡算表序号组分kg/ht/aW% （质量分数）1丁二烯1648J8013185.44120.5182丁烯11.6

36、1992.9490.1453溶剂油6369.542507956.33279.293进料4环烷酸镇0.4783.8220.0065三异丁基铝L2099.6690.0156三氟化硼乙醸络合物1.88415.0750.0237合计8032.911642632891001去终止釜聚丁二烯1386.58411092.67517.2612未反应的丁二烯247.2271977.8163.0783丁烯11.61992.9490.145出料4挂胶损失14.369114.9500J795溶剂汕6369.54250956.33279.2936三种引发剂3.57128.5670,0447合计8032.91164263

37、289100（2）、聚合釜数量的确定以及各釜物料衡算23“化工设计”课程作业需聚合釜台数:n二菩二斗导= 4.10,圆整为4台。聚合釜数量的确定山聚合釜物料衡算可得丁二烯进料量M 1加=1659 599kg/h , 丁油浓度 Pj- = 135kg/m聚合时间T=4h,因而可得聚合总容积为：M 厂 xT 1659.799x4P油V总=23各釜转化率的确定根据合成橡胶工业第七卷(1984) P67中内容知.丁二烯聚合属于一级反应，并 且银催化体系油溶剂丁二烯的表观动力学反应速度常数的关联式如下：k = kpaCokp =3.637x10" ex p(-4455/T)对于一级反应，连续槽

38、式反应器的反应转化率与反应速率常数之间的关系如下(假设 各釜停®时间相同):可知:广 C A07 -Can = ' Xn =(l + kT)NCan p' XnJo=I-CanXn = 1(l + kT)h其中:Can第N台釜内反应物浓度，mol/L；Cao反应物初始浓度，moI/L；Ca(NJ)第N1台釜内反应物浓度，mol/L：XnN台釜累积转化率;XN第N台釜转化率;k-聚合反应表观速率常数，minfT平均停留时间，min；N-连续槽式反应器台数;Co主催化剂的浓度，mol/L： kp链增长速度常数，L/(moI min)；T反应温度，K：a催化剂利用率（在94

39、°C下，取27%）为便于计算，按等温等容处理，取总转化率为85%；各釜停留时间相同；反应温度为 94°C, C0J92xl(r$mol/L,则可计算得kp =3637xl0" exp(-4455/T) = 3637xl0"xex p(-4455/36715) = 1954393L/(molmin) k = kpOlCol = 1954393x027xl92xl(r' = 1.013x10" min"*山于总转化率为85%,即XN=85%,可求得平均停留时间T为T =(丄l)/k = (t- - 1)x100/1.013 = 5

40、9.9miny 1 - AnV I - 0.85山于各釜停®时间相同，山各釜转化率计算公式可知各釜转化率相同，现计算首釜的 转化率：51X, =1=（1）x100% = （1-5（1 + kT）（4）、终止釜总物料衡算 聚合釜物料衡算图如图所示：A胶料（去凝聚釜）聚合来的胶液终止剂乙醇防老剂264注：胶液组分同聚合釜出料组分乙醇用*计算乙醇用量=纯丁 1烯摩尔数X铝丁比X醇铝比X乙醇分子量乙醇纯度X乙醇密度已知纯丁 1烯质量流量M纯丁二烯=1648.180kg/h.三异丁基铝/丁（摩尔比）为1.0X10-4.醇/三异丁基铝（摩尔比）为6,乙醇分子量为=46,纯度为95%乙醇密度P =

41、810kg/m3g = 16伦 180x1. O x E x 6x46 沁 / - .9 %,54 X 95% X 810则乙醇质量流量 M 乙醇=1.09X 10-3X810kg/h=0.887kgZh乙醇含水量 M 水二M 乙醇 X (1-95%) =0.887X0.05kg/h=0.044kgZh 防老剂用量计算已知胶液组成同聚合釜出料，防老剂/丁（质量比）为0.0079,防老剂溶液浓度为117g/L 则防老剂总用量为 1648.180 X0.0079kg/h 二! 3.021 kg/h防老剂溶液体积量为13.021/117=01 lm3/h防老剂带入体系的溶剂油用量计算已知防老剂/溶剂

42、油（质量比）为0.179则防老剂带入体系的溶剂油用量=13.02/0.179kg=72.741 kg/h 根据上述结果可得聚合釜总物料衡算，列于表3-13表33 终止釜釜总物料衡算表序号组分kg/ht/aw% （质量分数）1胶液801&54264148.33998.9302终止剂0.8877.0940.011进料3水0.0440.3550.0014防老剂13.021104.1650.1615带入溶剂油72.741581.9270.8976总计8105.23564841.8801001丁烯11.61992.9490.1432丁二烯247.2271977.8163.0503引发剂3.571

43、28.5670.0444溶剂油6442.28251538.26079.483出料5干胶1386.58411092.67517.1076终止剂0.8877.0940.0117水0.0440.3550.0018防老剂13.021104.1650.1619总计8105.23564841.880100（5）、凝聚釜总物料衡算凝聚釜物料衡算图如图所示:凝1聚!釜!-溶剂油、丁二烯、丁烯、 水蒸汽(去油水分离器)A机械损失A渣末损失热水一A热水、胶粒(去振动筛)0.9MPa的水蒸汽亠注：胶液组分和量同终止釜出口物料循环热水量计算已知水/胶液(体积比)为7.5, 丁油量=原料/丁油浓度=1659.799/1

44、35=12.295n?/h,K 老剂溶液体积流量为0.1 IlnrVh则胶液体积流量为12.295+0.111 = 12.3O6n?/h热水循环量二7.5 X 12.306n?/h=93.05mVh损失量计算M 丁 1 烯机械损失量二M 纯丁二烯 X 0.5%= 1648.180kg/h X 0.5%=8.241 kg/hM 聚丁 1 烯损失量二M 干胶 X 0.5%= 1386.584kg/h X 0.5%=6.933kg/h去振动筛的聚丁二烯胶粒量计算M 聚丁二烯量二M 干胶聚丁 1 烯损失量=(1386.584-6.933)kg/h= 1379.651 kgAiM 胶粒含水量二M 干胶

45、X0.6= 1386.584kg/hX0.6=831.951 kg/hM 胶粒含油量二M 干胶X0.005= 1386.584kg/hx0.005=6.933kg/h水蒸气冷凝量M溶剂油气化量二M溶剂油-M胶粒含油量=6442.282-6.933=6435.349kgZhM 丁烯气化量二M 丁烯二H.619kg/hM 丁二烯气化量=M未反应丁二烯-M 丁二烯机械损失量=247.227-8.24 !=238.986kg/h已知0.9MPa(表压)水蒸汽熔H汽=2781.7ikJ/kg, 95°C饱和水焙H忒二397.75 kJ/kg 则焙差二H 汽-H t=27S1.71 -397.7

46、5=238.96kJ/kg利用公式览=质量4汽化热951? +平均汽化热(95°C - 20°C) /熔差 计算水蒸气冷凝量M溶剂油气化所需冷凝量=6435.349X316.522+2.428X (95-20) /238.96kg/h=1345.999kg4i同理可知M 丁烯气化所需冷凝量=2.218kg/h, M 丁二烯气化所需冷凝量=32.419kg/hM循环水从9(rC上升至95°C所需冷凝量二M循环水X水平均比热容X温差/焰差=93.05 X 1000 X 4.1868 X (95-90) /23&96kg/h=817.052kg/h则M总冷凝量二

47、M溶剂油气化所需冷凝量+M 丁烯气化所需冷凝量+ M 丁二烯气化 所需冷凝量+ M循环水从9(rC上升至95°C所需冷凝量=2197.688kg/h进入凝聚釜的蒸气总量计算已知水蒸气/聚丁二烯（质量比）为5,则M蒸气总量=M聚丁二烯X5=1375kg/hX 5=6875kgZhM去油乐分离器的水蒸气量二M蒸气总量-M总冷凝量=6875-2197.688=4677.312kgZh 根据上述结果可得凝聚釜总物料衡算，列于表3J4表3. 14 凝聚釜总物料衡算表序号组分kg/ht/aW%（质量分数）1防老剂13.021104. 1650. 0121%2终止剂0. 8877.0940. 00

48、08%进料3胶液8091. 32864730. 6217. 5485%4循环水92211. 041737688. 32886. 0248%5水蒸气6875. 00055000. 0006. 4138%6进料总计10719L276857530. 208100. 0000%1聚丁二烯1379. 65111037. 212L 2871%2防老剂12. 956103. 6440. 0121%(续表3.14)3溶剂油6. 93355. 4630. 0065%去振动筛4三种引发剂3. 57128.5670. 0033%0终止剂0. 8877. 0940. 0008%6水94401. 399755211.1

49、9588.0682%7去振动筛合计95805. 397766443. 17589.3780%8丁烯11.61992.9490. 0108%出料9丁二烯238.9861911. 8890. 2230%去油水分离器10溶剂油6435. 35051482.7966. 0036%11水蒸气4684.64237477. 1334. 3704%12去油水分离器合计11370. 59690964. 76710. 6078%13损失防老剂0. 0650. 5210. 0001%损失14损失丁二烯8.24165, 9270.0077%15损失聚丁二烯6. 93355. 4630.0065%16损失合计15. 2

50、39121,9110. 0142%17出料总计107191.232857529. 853100. 0000%3. 2、热量衡算321、计算的基础数据1)聚合釜物料衡算表;2)聚合时间：4h；3)实用聚合釜台数：4台（以4台为例）；4)聚合温度：94C5)冷却盐水：入口温度12°C,出口温度8°C。6)反应釜夹套换热面积A=27nr：7)丁二烯聚合反应热H反=-1381 kJ/kg8)溶剂油组成及物性数据:表315_溶剂油组成表n-CsHi?n-CbHun-C7Hi6合计Wi%2157.840100Xi%2.5961.5435,87100Mi7284100表316_溶剂油物性数据表物性n-C5HI2n-C6H14n-C7H16溶剂油数据來源计算公