1、本科畢業設計說明書丁苯橡膠乳液聚合的生產工藝THE PRODUCTION TECHNOLOGY OF THE EMULSION POLYMERIZATION OF SBR學院（部）： 材料科學與工程學院 專業班級： 高分子材料與工程2xxx級x班 學生姓名： 某某某 指導教師： xxx助教 2xxx 年 x 月 x 日丁苯橡膠乳液聚合的生產工藝摘 要本設計為年產5萬噸丁苯橡膠工藝設計，整個設計文件由設計說明書和設計圖紙兩部分組成。在設計說明書中，簡單介紹了丁苯橡膠的生產現狀、發展趨勢、性能和主要用途，也介紹了目前丁苯橡膠的兩種常見的工業聚合生產方法，并進行了比較，最后確定以低溫乳液聚合法作為聚

2、合的工藝生產方法。在設計過程中，根據設計任務書的要求，進行了較為詳細的物料衡算和能量衡算，對設備進行了工藝計算和選型，同時對聚丁苯橡膠生產過程中的安全注意事項及“三廢”治理作了相關說明，對整個裝置進行了簡單的技術經濟評價。繪制了相應的設計圖紙，設計圖紙包括工藝流程圖、主要設備圖的裝配圖。關鍵詞：聚丁苯橡膠,低溫乳液聚合工藝,單體,生產工藝THE PRODUCTION TECHNOLOGY OF THE EMULSION POLYMERIZATION OF SBRABSTRACTThe design for an annual output of 50,000 tons of SBR proce

3、ss design, the design documents from design specification and design drawings composed of two parts. In the design of brochures, a brief introduction of the SBR production status, trends, performance and the main purpose of the current SBR, also introduced the two common industrial polymer productio

4、n methods. And a comparison, final determined to low-temperature emulsion polymerization as a polymerization technology production methods. In the design process, in accordance with the requirements of the mission design, a more detailed material balance and energy balance, the equipment was calcula

5、ted and the selection process, while the production of SBR in the process of attention to safety issues and Three wastes governance made note of the entire device to a simple technical and economic evaluation. Drawing the corresponding design drawings, design drawings, including process maps, plants

6、 of major equipment assembly, equipment layout plants.KEYWORDS: suspension polymerization, monomer, productive technology 目錄摘 要IABSTRACTII1緒論11.1丁苯橡膠的發展史11.2丁苯橡膠的簡介21.2.1 名稱及其結構21.2.2丁苯橡膠的性能31.2.3丁苯橡膠的用途31.2.4單體介紹42丁苯橡膠聚合生產方法的選擇及工藝流程簡述52.1丁苯橡膠生產方法的選擇52.1.1 兩種不同聚合方法生產的橡膠的比較52.2.2工藝方案選擇依據52.2.3乳液聚合的特點

7、62.2.4 丁苯橡膠的工藝原理62.2丁苯橡膠生產工藝流程簡述72.2.1 丁苯橡膠的生產工藝流程圖72.2.2原料準備過程82.2.3聚合聚合過程82.2.4分離過程83. 物料衡算103.1 原料單體系統103.2助劑系統113.3 反應后各組分系統134.反應釜的物料衡算和熱量衡算144.1各反應釜的物料衡算144.2熱量衡算154.2.1攪拌釜功率的計算154.2.2熱量恒算175.設備計算及選型195.1聚合釜計算195.1.1釜體的基礎計算195.1.2攪拌器的確定215.1.3內置冷卻管的計算235.1.4開口直徑的確定245.1.5終止釜的設計255.2貯罐確定255.3汽提

8、塔276 廠址選擇及車間布置296.1 廠址選擇的依據及原則296.2 車間布置要考慮的問題296.3 廠房布置306.4設備布置的安全距離306.5 車間內輔助室和生活室布置307 安全防火設計317.1 綜合安全防護317.1.1 防火防爆317.2 防毒337.3 安全防護:338 車間照明及采暖措施349 三廢處理35總結36參考文獻37致謝381緒論1.1丁苯橡膠的發展史一國外發展史1912年，得過Bayer公司發表了丁二烯乳液聚合制取聚丁二烯橡膠的第一篇專利，20世紀20年代，該國為改進乳聚丁二烯的性能，選用苯乙烯為第二單體，制的了乳聚丁苯橡膠，并將其命名為Buua-S。德國IG

9、Farben公司于1933年發表了Buna-S的第一篇專利，而且于1935年在Schkopau開始建設世界上第一個乳聚丁苯橡膠生產裝置，與1937年建成投產。1943年，得過Buna-S的產量112kt。乳聚丁苯橡膠的生產始于德國，而取得迅速發展則是在美國。20世紀30年代，美國因獲得價格低廉的天然橡膠滿足通用制品的要求，故未重視Buna-S橡膠，而是致力于特種橡膠的開發。直到第二次世界大戰爆發，一是作為戰略物資的橡膠需求量急增；二是天然橡膠的來源被切斷，因而通用合成橡膠逐漸受到美國政府的高度重視和扶持。在美國Rubber Reserve公司統籌下，迅速開展了乳聚丁苯橡膠的生產，建立了5個制造

10、和成橡膠所需要的單體和聚合物工廠，這些工廠在第二次世界大戰是和第二次世界大戰后相繼投入生產。開始階段，主要利用德國的Buna-S技術進行生產，以后改進了聚合配方，開發了稱為GR-S乳聚丁苯橡膠的新技術。1942年，美國乳聚丁苯橡膠的生產能力為37kt，1943年增長到182.3kt，到1944年已達673kt。第二次世界大戰結束前，德國和美國都是采用熱法（50）乳液聚合工藝生產丁苯橡膠。第二次世界大戰后，由于氧化還原引發體系聚合配方的出現，美國首先采用冷法（5）乳液聚合工藝，使乳聚丁苯橡膠得性能得到顯著改善，因而在大宗用途方面已逐漸為冷法乳聚丁苯橡膠所取代。但是由于熱法乳聚丁苯橡膠也具有獨特的

11、性能和一定的應用領域，所以至今仍有少量生產。其他國家的乳聚丁苯橡膠則發展較晚，包括西歐國家和日本，都是在20世紀50年代以后才實現工業生產的，而且多數是引進美國的生產技術。其中日本發展速度很快，自1996年投產后，到1997年乳聚丁苯橡膠產量已躍居世界第二位，并先后把技術出售給韓國、伊朗和中國。從過硫酸鹽引發系統的熱法聚合轉向氧化還原引發體系得冷法聚合，是生產乳聚丁苯橡膠聚合工藝的突破。 目前，聚合工藝和聚合配方基本定型，單體轉化率已從60%提高至70%，甚至更高。為加速聚合反應，減少冷劑消耗，聚合溫度也有所提高。聚合設備趨向大型化，連續聚合已使用3045的聚合釜。在凝聚和后處理方面，以高分子

12、絮凝劑代替氯化鈉，大大減少了氯化鈉的消耗量。聚合工藝自動化水平的提高，改善了產品質量。充油母煉膠、充炭黑母煉膠、充油充炭黑母煉膠的出現也使乳聚丁苯橡膠品種大大增加。二國內發展史中國乳聚丁苯橡膠的生產始于1960年從前蘇聯引進技術在蘭州投產的第一套生產裝置（生產能力13.5kt）。該裝置以前聯邦德國Farben公司技術為基礎，采用拉開粉為乳化劑，對苯二酚-亞硫酸鈉為引發體系的熱法聚合工藝生產高門尼黏度丁苯橡膠。為改造落后的聚合工藝，蘭州石化公司石油化工研究院在1963-1965年間完成了松香歧化及冷法聚合配方的研究。該配方以歧化松香皂為乳化劑，過氧化二異丙苯為引發劑，鐵鹽-乙二胺四乙酸鈉-甲醛次

13、硫酸鈉為還原系統。蘭州石化公司合成橡膠廠采用此項技術完成了由熱法乳液聚合到冷法乳液聚合的轉變。此后又經過一系列的技術改造，使生產能力達到50kt/a，并且既可以生產普通乳聚丁苯橡膠，又可生產充油乳聚丁苯橡膠。該公司石油化工研究所自行開發的經（102）h聚合使單體轉化率達（702）%的技術也已投入工業應用。蘭州石化公司還計劃將乳聚丁苯橡膠生產能力擴大至160kt/a。為滿足中國對乳聚丁苯橡膠的需求，吉林石化公司和齊魯石化公司先后從日本合成橡膠公司和瑞翁公司各引進一套80kt/a的乳聚丁苯橡膠裝置，分別于1982年和1987年建成投產。經過幾年的改造，兩公司的生產能力已達到130kt/a。1998

14、年，中國臺灣合成橡膠公司在江蘇南通合資建成的100kt/a的乳聚丁苯橡膠裝置（申花化工公司）投產，經改造，到2005年末，產能已達到170kt/a。中國臺灣于20世紀80年代后期引進國外技術開始生產乳聚丁苯橡膠，至21世紀初其生產能力已達100kt/a。1.2丁苯橡膠的簡介1.2.1 名稱及其結構名稱：乳聚丁苯橡膠，簡稱ESBR （styrene-butadiene rubber）分子式： 其中n為平均聚合度，一般為35010000由于乳聚丁苯橡膠中丁二烯和苯乙烯兩種單體鏈節在共聚物大分子中呈無規分布，又由于丁二烯的加成反應約80%發生在1,4位置，約20%發生在1,2位置，而在1,4位置上的

15、鏈節又有順式和反式兩種區別，所以乳聚丁苯橡膠大分子內存在如下的微觀結構。 此外，亦有少量支化和交聯結構存在，冷法聚合的乳聚丁苯橡膠中丁二烯鏈的主要微觀結構單元70%為反式-1,4-結構。1.2.2丁苯橡膠的性能表 11 乳聚丁苯橡膠的基本性能參數性 能參 數密度，g/cm3比熱容, J/（）線膨脹系數, Tg以下Tg以上折射率nD20電導率50HZ106HZ介電強度，Kv/mm玻璃化溫度Tg(DSC法)，平均分子量 Mn0.910.96182019200.80.92.32.51.53452.6 2.65 (60)2.35 2.65 (60)2436-55(1126)1041.2.3丁苯橡膠的用

16、途乳聚丁苯橡膠具有多方面的較好特性，在物理機械性能，加工性能和制品使用性能方面十分接近于天然橡膠，尤其是耐磨、耐熱、耐老化、永久變形和硫化速度方面還優于天然橡膠，并且還可以與天然橡膠及多種橡膠材料并用或改性，這就使其應用范圍得以擴廣，獲得廣泛用途。幾乎所有統計資料顯示乳聚丁苯橡膠的60%以上是用來生產制造輪胎用，其余的主要用途是制作膠管、膠帶、膠板、膠輥、膠鞋、密封件多種橡膠制品，亦有一定量的電絕緣材料，醫療用品和其他工藝制品和民用小制品。近兩年在世界丁苯橡膠消費結構中，用于生產輪胎及汽車制品用橡膠零部件對丁苯橡膠的需求量約占總消費量的54.0%，非汽車用橡膠制品約占總消費量的12.5%，制鞋

17、等其他方面約占總消費量的33.5%。1.2.4單體介紹丁二烯：分子式：C4H6，結構式： 。 1，3-丁二烯是最簡單的共軛雙烯烴。在常溫、常壓下為無色氣體，有特殊氣味，有麻醉性，特別刺激粘膜。容易液化，易溶于有機溶劑。相對分子質量為 54.09，相對密度0.6211，熔點108.9，沸點4.5。性質活潑，容易發生自聚反應，因此在貯存、 運輸過程中要加入叔丁鄰苯二酚阻聚劑。與空氣混合形成爆炸性混合物，爆炸極限為2.16%11.47%（體積）。是合成橡膠、合成樹脂等的原料。1，3-丁二烯主要由丁烷、丁烯脫氫，或碳四餾分分離而得。苯乙烯：分子式：C8H8，結構式：苯乙烯是無色液體，沸點，難溶于水，能

18、溶于甲醇、乙醇及乙醚等溶劑中。能自聚生成聚苯乙烯（PS）樹脂，也很容易與其它含雙鍵的不飽和化合物共聚。苯乙烯蒸氣與空氣混合物的爆炸極限1.1%6.6%（體積），處理苯乙烯時應避免明火、摩擦和靜電。2丁苯橡膠聚合生產方法的選擇及工藝流程簡述2.1丁苯橡膠生產方法的選擇2.1.1 兩種不同聚合方法生產的橡膠的比較丁苯橡膠按聚合方法分類可分為乳液聚合丁苯橡膠和溶液聚合丁苯橡膠。一乳液聚合丁苯橡膠乳液聚合丁苯橡膠(簡稱乳聚丁苯橡膠)按聚合溫度的不同可分為高溫(50)聚合丁苯橡膠和低溫(5)聚合丁苯橡膠。高溫聚合因所得產品丁苯橡膠約分子量較低、文化度較大，分子量分布較寬，在質量、加工性能等方面都不如低溫

19、聚合丁苯橡膠，因此目前很少采用。 乳聚丁苯橡膠品種較多，美國在l 953年進行了分類，日本等國的主要丁苯橡膠品種也直接使用了這種牌號，我國丁苯橡膠目前也采用了這一分類。乳液聚合膠已具有50年工業生產的歷史，通過長期的研究和生產經驗的積累，已成為一種具有綜合性能的合成橡膠。但因其分子結構不同于天然橡膠，故其部分性能如耐磨、耐老化、氣密性、加工性等接近或超過天然橡膠，而抗撕裂強度、耐寒性和回彈性等較天然橡膠差，所以丁苯橡膠不能完全取代天然橡膠，但能彌補天然橡膠需用量的不足。乳液丁苯橡膠屬于無定形非結晶聚合物，分子量在范圍內，玻璃化溫度為。二溶液聚合丁苯橡膠溶液聚合丁苯橡膠簡稱溶聚丁苯橡膠，以苯乙烯

20、、丁二烯單體力原料，在有機溶劑(環己烷)中，以烷塞鋰作為催化劑進行共聚而制得。乳聚丁苯橡膠的分子是苯乙烯和丁二烯的無規結構，其丁二烯部分的結構是不規則的，特別是順式l，4結構少。與乳聚丁苯橡膠不同，溶聚丁苯橡膠根據丁二烯和苯乙烯的結合方式不同又可生成嵌段共聚物和無規共聚物，且丁二烯部分的微觀結構以順式1，4結構較多。無規溶聚丁苯橡膠與乳聚丁苯橡膠性能相當，主要用于制作輪胎。其耐磨性、回彈件、耐寒性能等與順丁橡膠相似，而加工性和強度則接近乳聚丁苯橡膠。嵌段共榮物只有一般橡膠所沒有的熱可塑性，具有優良的擠出加工性及成型性，故可制擠出成型制品。2.2.2工藝方案選擇依據一.工藝流程方面 就四種聚合工

21、藝而言，本體法工藝流程簡單，裝置占地面積小，同時基本上無廢液排放，排氣可達到最低程度，環境污染少，而且產品質量好、純度高，特別使用透明包裝材料和電纜料。懸浮法是一種相對最成熟的工藝，在目前世界上聚氯乙烯生產中占有絕對的分額，且產品轉化率最高，產品品種最多，容易適應市場。乳液法是生產糊樹脂的方法，工藝復雜、成本較高且樹脂質量較差。而微懸浮法也是生產糊樹脂的方法，但僅用于特殊用途。二.反應速率 控制方對于本體聚合，當自由基聚合進行到一定轉化率后，體系黏度增大，自動加速效應顯著，散熱困難。大規模生產時，即使降低引發劑濃度以減慢速率，有時還是不能很好的控制。改用溶液聚合可以克服這一困難，但聚合速率和產

22、物分子量均有所降低；此外，脫除溶劑困難，成本較高。而懸浮聚合可以克服本體聚合和溶液聚合的上述缺點。三.經濟方面 從經濟角度分析，乳液聚合是最合理的聚合方法。乳聚丁苯橡膠由于開發、生產、加工、歷史悠久，其生產和加工工藝成熟，尤其以它良好的綜合性能，被世界各國廣泛生產和應用，其生產能力、產量及消耗量在合成橡膠諸膠膠種中一直居世界合成橡膠中的首位。因此，乳聚丁苯橡膠的生產經濟價值很高。2.2.3乳液聚合的特點 丁二烯、苯乙烯共聚反應制取丁苯橡膠采用乳液聚合法的優點是： 1乳液聚合是游離基聚合機理，因此共聚反應比較容易進行。 2聚合速度快，聚合物分子量高。同時，乳液聚合可以不需要采用提高溫度和增加引發

23、劑用量來提高反應速率，而是用提高乳化劑濃度來同時提高聚合速率和聚合分子量。 3.聚合反應溫度低，去除反應熱容易，反應溫度容易控制。 4乳液聚合在由乳化劑分子保護的獨立膠乳欽子中進行反應，因此反應后期乳液粘度仍很低，不同于溶液聚合和本體聚合系統粘度隨系統中轉化率和分子量的增大而增大，影響反應熱的移出和造成輸送的困難。 5乳液聚合的聚合物顆粒為膠乳狀且較穩定，因此可使反應連續化。 乳液聚合的缺點是從乳液中回收未反應單體較因難，為制取成品橡膠需要進行膠乳的凝聚、干燥等工序，使流程復雜化。通過以上的各種方案的對比，結合吉林化學工業公司實際生產中的狀況，本設計選用低溫乳聚制取丁苯橡膠。2.2.4 丁苯橡

24、膠的工藝原理乳聚丁苯橡膠的屬于乳液法鏈式自由基聚合機理。整個聚合過程分為鏈引發、鏈增長、鏈轉移和鏈終止四個步驟。一鏈引發 這是形成單體自由基活性種的反應，首先由氧化還原引發體系在水相中產生初級自由基。第二步是初級自由基與單體加成，形成單體自由基。二鏈增長 在鏈引發階段形成的單體自由基，活性很高，如無阻聚物質與之作用，就能進攻第二個單體分子的鍵，重新雜化結合，形成新的自由基，如此循環下去。該反應過程放熱，鏈增長速率極快（0.01 ns間），其相關的速率方程為： （21） 式中 Rp鏈增長速率，L/（） I引發劑濃度,mol/l f引發劑引發效率，%； kd引發劑分解速率常數； kp鏈增長速率常數

25、； kt鏈終止速率常數。三鏈終止 乳聚丁苯橡膠聚合過程的終止主要是雙基結合終止。此時的聚合體系中，除水相外，主要是表面層為乳化劑覆蓋的聚合膠乳粒子。2.2丁苯橡膠生產工藝流程簡述2.2.1 丁苯橡膠的生產工藝流程圖圖2-1 低溫乳液聚合丁苯橡膠的生產工藝流程簡圖2.2.2原料準備過程用計量泵將規定數量的相對分子質量調節劑與苯乙烯在管路中混合溶解，再在管路中與處理好的丁二烯混合。然后與乳化劑混合液（乳化劑、去離子水等）等在管路中混合后進入冷卻器，冷卻至。在與活化劑溶液（還原劑、螯合劑等）混合，從第一個釜的底部進入聚合系統，氧化劑直接從第一個釜的底部直接進入。2.2.3聚合聚合過程系統由812臺聚

26、合釜組成，采用串聯操作方式。當聚合到規定轉化率后，在終止釜前加入終止劑終止反應。聚合反應的終點主要根據門尼粘度和單體轉化率來控制，轉化率是根據取樣測定固體含量來計算，門尼粘度由取樣測定來確定。雖然生產中轉化率控制在60%左右，但當所測定的門尼粘度達到規定指標要求，而轉化率未達到要求時，也就加終止齊終止反應，以確保產物門粘度尼合格。2.2.4分離過程一.丁二烯分離從終止釜流出的終止后的膠乳液進入緩沖罐。然后經過兩個不同真空度的閃蒸器回收未反應的丁二烯。第一個閃蒸器的操作條件是2228，壓力0.04MPa，在第一個閃蒸器中蒸出大部分丁二烯；再在第二個閃蒸器中（溫度，壓力0.01MPa）蒸出殘存的丁

27、二烯。回收的丁二烯經壓縮液化，再冷凝除去惰性氣體后循環使用。二.苯乙烯分離脫除丁二烯的乳膠進入苯乙烯汽提塔（高約，內有十余塊塔盤）上部，塔底用0.1MPa的蒸汽直接加熱，塔頂壓力為12.9kPa，塔頂溫度，苯乙烯與水蒸汽由塔頂出來，經冷凝后，水和苯乙烯分開，苯乙烯循環使用。塔底得到含膠20%左右的膠乳，苯乙烯含量0.1%。經減壓脫出苯乙烯的塔底膠乳進入混合槽，在此與規定數量的防老劑乳液進行混合，必要時加入充油乳液，經攪拌混合均勻后，送入后處理工段。3. 物料衡算3.1 原料單體系統（1）計算采用的基礎數據年產量: 年開工時間：成品中聚合物含量為：聚合物在單體回收工序損失：聚合物在后處理工序損失

28、:聚合加料用混合丁二烯濃度：聚合加料用混合苯乙烯濃度：聚合轉化率：（2）聚合釜出料流量（聚合釜流出的聚合物量為（3）單體流量單體進料配比為純單體總量 在混合丁二烯進料中，其中丁二烯6928.14kg/h，雜質為442.22kg/h；在混合苯乙烯進料中，其中苯乙烯2694.28kg/h，雜質為202.80kg/h.。混合丁二烯、混合苯乙烯總進料整理上述計算結果列下表表31 原料組份組分Kg/h濃度（%）純物質量（kg/h）雜質量（kg/h）混合丁二烯737036946928.14442.42混合苯乙烯2897.08932694.28202.80合計10267.449622.423.2助劑系統表3

29、2配方組份配方松香酸鉀皂FeSO4EDTA雕白塊調節劑氧化劑終止劑電解質水%4.60.010.040.040.160.060.160.62001.乳化劑乳化劑為濃度為20%的松香皂溶液。每小時需要松香皂的量：每小時需要水的量:kg2.活化劑活化劑組成：（1）硫酸亞鐵： (2) 雕白塊： （3）EDTA: 每小時需要硫酸亞鐵的量: 每小時需要雕白塊的量: 每小時需要EDTA的量: 每小時需要水的量: 3.氧化劑氧化劑組成：過氧化氫對蓋烷 4.調節劑調節劑的組成: 十二碳硫醇每小時需要調節劑的量：5.電解質電解質的組成為15%的氯化鉀溶液; 每小時需要氯化鉀的量：每小時需要水的量：6. 終止劑終止

30、劑的組成為2%的福美鈉的水溶液，其中每小時需要福美鈉的量：每小時需要水的量：7. 水,助劑系統計算整理如下：表33助劑系統序號溶液名稱配方加入量Kg/h溶液濃度%溶液加入量Kg/h固體、水、液體加入量Kg/h1乳化劑松香皂水442.631770.52202213.15442.631770522活化劑硫酸亞鐵雕白酸EDTA水0.963.843.8477.76101009510086.4固體8.6477.763調節劑十二碳硫醇15.4010015.4015.404氧化劑過氧化氫蓋烷5.775211.1011.105終止劑福美鈉水15.40754.60277015.40754.606電解質氯化鉀水5

31、7.73327.1615384.8957.73327.16續表33 助劑系統序號溶液名稱配方加入量Kg/h溶液濃度%溶液加入量Kg/h固體、水、液體加入量Kg/h7水17069.4017069.403.3 反應后各組分系統（1）反應總進料量表34反應各進料量名稱純單體（kg/h）雜質（kg/h）總重（kg/h）苯乙烯丁二烯水固體2694.286928.14202.80442.222897.087370.3619244.84535.50 總計：30047.78(2)反應后出料（加入終止劑前）轉化率為60%，聚合物中結合苯乙烯28%。 整理如下：表35反應后出料量(加終止劑前)名稱純料（kg/h）

32、雜質（kg/h）總重（kg/h）聚合物苯乙烯丁二烯水固體5773.451077.712771.26202.80442.225773.451280.513213.4819244.84535.50 總計：30047.78(3)反應后出料（加入終止劑后）表36反應后出料的量（加入終止劑后）名稱純料（kg/h）雜質（kg/h）總重（kg/h）聚合物苯乙烯丁二烯水固體5773.451077.712771.26202.80442.225773.451280.513213.4819244.84550.90 總計：30063.184.反應釜的物料衡算和熱量衡算4.1各反應釜的物料衡算由8臺聚合反應釜組成一條生

33、產線，反應時間為812小時（取8小時），反應的轉化率為60%。聚合釜的操作壓力為0.40.6Mp,溫度T=5，PH=45，聚合帶有攪拌器，并用液氨作為冷凍介質。根據基本有機化工工廠裝備知，對于一級反應，連續釜式反應器的反應轉化率與反應速度常數之間的關系如下： （41） （42）式中第N臺釜內反應物的濃度；mol/L 反應物初始濃度； mol/L第N臺釜內反應物轉化率；k 聚合反應表觀速度常數； 平均停留時間；minN連續槽式反應器的臺數；為了便于計算，按等溫等容處理，取總轉化率60%；8釜串聯；平均停留時間60 min；反應溫。將上式進一步整理得表41 各釜純轉化率與累積轉化率第一釜第二釜第三

34、釜第四釜純X()累積X()純X()累積X()純X()累積X()純X()累積X()10.8210.829.6520.478.6129.087.6736.75第五釜第六釜第七釜第八釜純X()累積X()純X()累積X()純X()累積X()純X()累積X()6.8543.606.1049.705.4555.154.8560根據各釜純轉化率計算各釜的物料組成如表9-12。表42 各釜出料口物料組成物第一釜第二釜第三釜第四釜料kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)水相19244.8466.6719244.84 66.6719244.8466.6719244.84 66.67苯乙烯

35、2402.758.322142.767.421910.786.621704.135.90丁二烯6178.5121.405509.9519.094913.4417.024382.0515.18聚合物1041.163.611969.746.822798.379.693536.4512.25物第五釜第六釜第七釜第八釜料kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)水相19244.8466.6719244.8466.6719244.8466.6719244.8466.67苯乙烯1519.575.261355.224.691208.384.191077.713.73丁二烯3907.47

36、13.543484.8512.073107.2710.762771.269.60聚合物4195.6314.534782.6316.575307.0818.385773.4520.004.2熱量衡算4.2.1攪拌釜功率的計算本反應為乳液聚合其反應過程描述為用表面活性劑將單體乳化在水中，因此攪拌的作用有混合和攪動雙重作用，由于表面活性劑是影響顆粒大小的主因，本設計的槳葉端轉速為，取這樣一個轉速，主要是防止破壞乳液的穩定性。在這樣的一個前提下，再根據聚合物合成工藝設計表6-4 攪拌槳葉的結構型式及設計參數，選擇漿式攪拌器。同時查聚合物合成工藝設計表6-4 攪拌漿葉的結構型式及設計參數知，槳式攪拌器的

37、幾何參數為：；，同時根據化工設備設計全書，攪拌設備全書設計P51式（2-33）槳式攪拌器在層流區操作時，其功率準數為： （43） （44）式中 d 攪拌葉輪直徑，m；n 攪拌轉數，r/s；D 聚合釜內徑，m。設計中取：D3.00m；d1/3D1.00m；n100r/min;, 處于層流 （45）查攪拌設備設計P161知，電機功率為： （46）采用機械密封時：15%)式中D 聚合釜筒體內徑，m；h 攪拌器攪拌葉總高度，m； di 攪拌葉外徑，m；b 攪拌葉寬度，m；Re 攪拌雷諾準數；Np 攪拌功率準數；P 攪拌功率，KW；r 液體密度，； n 攪拌轉速，r/s；g 重力加速度，；Pa 電機功率

38、，KW； Pm 軸密封系統摩擦損失功率，KW；h 機械傳動效率，KW；(一般h0.950.98)P填 填料密封系統摩擦損失功率，KW；設計中取； P填0.1P；Pm0.15P填；h0.95。則：考慮1.19的備用系數，則實際電機功率為50KW。4.2.2熱量恒算 （47）其中 所處理的物料帶到設備中去的熱量(KJ)；由加熱劑(或冷卻劑)傳給設備和所處理的物料之熱量(kJ)過程的熱效應(kJ)；反應產物由設備中帶出的熱量(kJ)；消耗在加熱設備各個部件上的熱量(KJ)；設備向四周散失的熱量(kJ)。攪拌中產生的熱量經查有關資料可知：表43相關物質具體數據名稱相對分子質量密度kg/m3比熱容kj/

39、(kg)汽化熱kj/kg丁二烯54621.11.597苯乙烯104919.81.636水1810004.191液氨17631.7-1663.25膠乳液Mn101049501.97注：丁苯橡膠的聚合熱為：以1小時的產量為基準，設進料溫度為15，反應溫度為恒溫5，則物料帶入聚合釜的熱量為： ，（3）加液氨的量液氨進口溫度為-4,出口溫度為5，冷凝劑只進行氣化，從而達到降溫的目的。5.設備計算及選型5.1聚合釜計算5.1.1釜體的基礎計算設計溫度：釜內，釜外；設計壓力：釜內0.6MPa，釜外0.1MPa；工藝要求容積：4560操作形式：滿釜連續操作；材質：0Cr18Ni9其它數據同前。根據年產量確定

40、每小時進料量：W=30047.78kg/h由于反應物和介質水的量很大，因此，一些添加的溶劑和反應過程的體積變化不加考慮。同時由于該反應是多釜串聯進行，在此主要是對第一個反應釜的計算。(1)反應器的體積計算苯乙烯密度1=0.912103kg/m3丁二烯的密度2=0.6211103kg/m3聚丁苯橡膠的密度3=0.95103kg/m3水的密度m=1.00103 kg/m3通過質量分數算得m=0.8715103kg/m3 其中m反應液混合密度，kg/m3根據年產量確定每小時處理物料量，物料停留的時間，反應液體積（反應液體積變化時，按反應液最大體積計算），反應器實際體積，裝料系數（攪拌釜反應器，取0.

41、70.8，有氣泡或沸騰，取0.40.6）(2)反應釜的筒體計算因反應為放熱反應，所以解決好傳熱問題非常重要。查聚合物合成設計基礎P78知，一般釜的高徑比在13之間，高徑比大有利于傳熱，但不利于攪拌。設計中綜合考慮取高徑比為2.4，高徑比。(3)聚合釜筒體直徑確定設計中初選V封2，按下式估算聚合釜的筒體直徑： （51）式中Di 聚合釜直徑，m；V 聚合釜容積，；V封 聚合釜封頭容積，； 圓周率； 高徑比；園整取3.00m。（4）封頭容積及直邊高度確定封頭選用橢園形封頭，根據筒體直徑查化工設備設計基礎附表5得有關數據如下：曲面高度h1750mm；直邊高度h040mm；容積VA=3.82，內表面積A

42、=10.15（5）筒體高度確定由Di3000mm查化工設備設計基礎附表4得：V1米7.030；A1米9.43；當時，G1米742 kg。根據公式得取，則：實(6)聚合釜壁厚的計算計算厚度：由公式： （52）式中S 聚合釜的壁厚，mm；Di 封頭內直徑，mm；C 封頭壁厚附加量，mm；C1 鋼板負偏差，mm；C2 腐蝕余量，mm；S0 計算壁厚，mm； 設計溫度時的許用應力，MPa； 焊縫系數；取Pc=0.6MPa；Di=3000mm；=0.95；設計溫度為5,查得0Cr18Ni9在5的t=122MPa, C1取0.8mm, C2取2mm。,圓整取S=12mm表51反應釜各主要項目參數項目參數設

43、計壓力，MPa釜內釜外0.60.1設計溫度,55焊接系數0.95腐蝕余量,mm2容積,57.47筒體直徑,mm3000封頭高度,mm750直邊高度,mm40筒體高度,m7.6釜壁厚度,mm125.1.2攪拌器的確定攪拌器形式采用槳式攪拌器，依據與結構參數見熱量衡算部分。依據聚合物合成工藝設計表6-4 攪拌槳葉的結構型式及設計參數，取，。槳的直徑：槳葉的寬度：攪拌葉距釜底的距離：本設計中槳葉的層數為3層，那么每層槳葉間的距離為：設計中槳葉的轉速為：100r/min其中D釜體直徑，mm；d攪拌槳葉直徑，mm;b攪拌槳葉寬度，mm;Z攪拌槳葉的葉數；C攪拌葉距釜底距離，mm;攪拌器軸徑確定攪拌軸的材

44、料常用45鋼，本設計中的攪拌軸也是這個材料。1.攪拌軸的強度計算軸的扭轉強度條件： （53）式中軸橫截面上的最大剪應力，MPa;軸所傳遞的扭矩，；軸的抗扭截面模量，；降低后的材料的許用應力， 45鋼取3040MPa, MPa； （54）對于實心軸 （55） 得，式中：d攪拌軸直徑，mm; P攪拌軸傳遞的功率，KW； n攪拌軸的轉速，r/min；2.攪拌軸的剛度計算為了防止攪拌軸產生過大的扭轉變形，從而在運轉中引起震動，影響正常工作，應把軸的扭轉變形限制在一個允許的范圍內。工程上以單位長度的扭轉角不得超過許用扭轉角作為的剛度條件，即 （56）式中：軸扭轉變形的扭轉角，； G攪拌軸材料的剪切彈性模

45、量，MPa,對于碳鋼及合金鋼為 軸截面的極慣性距，對于實心軸； 許用扭轉角，對于一般傳動，如攪拌軸，取0.51.0。由上式可導出實心軸的直徑 則 d取84.7mm, 圓整取表52攪拌器各主要項目參數攪拌項目參數攪拌葉葉數2槳葉直徑，mm1000槳葉寬度，mm200槳葉間的距離，mm2490槳葉層數3槳葉距釜底距離，mm1800攪拌轉速，r/min100攪拌軸徑，mm865.1.3內置冷卻管的計算此過程為冷卻過程，故熱負荷應取熱流體的放熱量。又因為對該工程而言，熱損失越大越有利于冷卻，所以在確定冷卻液氨用量時可不考慮熱損失。由前面計算，得需要液氨的量為平均溫度差的計算：計算R和P由R和P查化工原

46、理上冊圖4-9，本設計中冷卻管的材料為無縫鋼管（），傳熱壁內側液氨流體的傳熱膜系數為，傳熱壁外側原料流體的傳熱膜系數為。傳熱面積的計算：管子根數的確定：圓整為110根反應釜內共設10組，每組11根換熱管。這11個管子倆頭與倆個封頭似的管箱焊接，管箱與管子采用焊接連接。5.1.4開口直徑的確定 1.釜底、釜頂進出料管直徑確定根據5-1式進行計算，由物料衡算知V34.50；參照化工工藝設計手冊第二版P3-38表15-17，并綜合考慮系統粘度情況，取u0.2。則： 圓整取250mm，材質 1Cr18Ni9Ti。2.氨氣進出口直徑取100mm ，材質1Cr18Ni9Ti。3.人孔、視鏡、溫度計口等直徑

47、的確定參照有關資料分別確定為：人孔：350500mm視鏡：150mm溫度計口：125mm表53 各開口直徑一覽表名稱直徑大小進料口，mm250出料口，mm250人孔，mm500視鏡，mm150進氣口，mm100出氣口，mm100溫度計口，mm1255.1.5終止釜的設計按停留時間1小時考慮，選用與聚合釜相同結構、相同尺寸的釜1臺。5.2貯罐確定（1）原料用罐 丁二烯原料貯罐 （57） 其中 貯罐中物料的質量，kg;物料流量，kg/h；停留時間，取一個班次的時間8h，h;貯罐體積計算：其中 貯罐中物料的體積，裝料系數，0.750.85；物料的密度，選3000610016；封頭厚度為18mm,V63.0臥式橢圓型封頭貯罐2個苯乙烯原料貯罐選2400620012；封頭厚度為14mm,V32.03臥式橢圓型封頭貯罐1個乳化劑貯罐選280017854000；壁厚8mm,V20.0，平頂平底貯罐1個。活化劑貯罐選8008251600；壁厚5mm, V0.8，平頂平底貯罐1個。調節劑貯罐選500525700；壁厚5mm ,V0.14，平頂平底貯罐1個。電解質貯罐選160016402200；壁厚6mm, V4，平頂平底貯罐1個。氧化劑貯罐選