1 目錄目錄 前言 1 1 設計任務書 2 1 1 項目 2 1 2 設計內容 2 1 3 設計規模 2 1 4 設計依據 2 1 5 產品方案 2 2 工藝路線及流程圖設計 2 2 1 聚合車間工藝流程方框圖 2 2 2 聚合車間工藝流程簡述 3 3 工藝生產環境 3 3 1 工藝狀況 系統含氧含水量要盡量低 3 3 2 設備狀況 兩種不同壓力并存 3 4 順丁橡膠聚合釜的設計概述 3 4 1 設計原則 3 4 2 內件流程 3 5 衡算計算 4 5 1 聚合物料衡算 4 5 2 能量衡算 5 5 參考文獻 7 設計感想 7 前言前言 近年來 隨著我國汽車 輪胎和橡膠制品工業的快速發展 拉動和刺激著 我國合成橡膠工業的生產和發展 合成橡膠的產量已成為國家的經濟發展的標 志之一 合成橡膠種類繁多 一般分為丁苯橡膠 順丁橡膠 BR 聚異戊二 烯橡膠 IR 乙丙橡膠 丁腈橡膠 丁基橡膠 氟橡膠 硅橡膠和聚氨酯橡膠 等九種 1 其中的一些生產工藝已很成熟 順丁橡膠生產工藝 順丁橡膠生產工藝 CH2 CH CH CH2 n全名為順式 1 4 聚丁二烯橡膠 簡稱 BR 由丁二烯單體聚合制得的結構規整的合成橡膠 與天然橡膠和丁苯橡 膠相比 硫化后的順丁橡膠的耐寒性 耐磨性和彈性特別優異 動負荷下發熱 少 耐老化性尚好 易與天然橡膠 氯丁橡膠或丁腈橡膠并用 根據順式 1 4 含量的不同 順丁橡膠又可分為低順式 順式 1 4 含量為 35 40 中順 式 90 左右 和高順式 96 99 三類 二十多年來 我國科研工作者在 這領域里不斷探索前進 使其生產技術不斷完善 2 1 設計任務書 1 11 1 項目項目 年產 1 8 萬噸順丁橡膠聚合工段工藝設計 1 21 2 設計內容設計內容 車間工藝設計 聚合釜工藝設計 1 31 3 設計規模設計規模 年產 1 8 萬噸 生產日 300 天 日生產能力 18000 300 60 噸 天 1 41 4 設計依據設計依據 該設計說明書是依據岳陽巴陵石化股份有限公司 513 片區的生產 技術資料的基礎上 并結合設計任務書的內容年產 1 8 萬噸順丁橡膠和生產管 理規范的相關文件而設計的 1 51 5 產品方案產品方案 產品名稱 順丁橡膠 丁二烯橡膠 BR 9000 化學名稱 順式 1 4 聚丁二烯橡膠 英文名 Cis 1 4 Polybutadiene Rubber 分子式 CH2 CH CH CH2 n 分子量 一般在 20 萬以上 2 性質 順丁橡膠為白色或淺黃色彈性體 性能和天然橡膠相近 是一種優良的 通用橡膠 其結構式為 順式 1 4 結構在聚合鏈中含量 在 90 以上的聚丁二烯才具有良好的彈性 2 2 工藝路線及流程圖設計 工藝路線及流程圖設計 2 1 聚合車間工藝流程方框圖聚合車間工藝流程方框圖 從首釜側加入 硼催化劑 防老劑 催化劑混合 膠液罐反應末釜 后三釜 反應首釜 第一釜 混合 預冷器 丁二烯 油 溶劑 圖 1 聚合車間工藝方框圖 3 2 2 聚合車間工藝流程簡述聚合車間工藝流程簡述 該聚合車間工藝流程包括丁二烯原料預處理 催 化劑的配制和聚合反應兩部分 2 2 1 丁二烯原料預處理丁二烯原料預處理 丁二烯自單體車間送入丁二烯貯罐經分析合格 用丁二 烯泵送到聚合工序 不合格則用丁二烯泵送回單體車間 2 2 3 聚合反應工序聚合反應工序 預處理好的丁二烯和熔劑油分 A B 兩條生產線經丁油預冷器預冷到 一定溫度后與經文式混合器混合的 Al Ni 催化劑混合后從首釜底部進入 由油 硼系統送 來的三氟化硼乙醚絡合物催化劑從首釜的下側壁進料入釜 在攪拌和一定溫度下進行連續 聚合反應 并控制最終轉化率為 85 以上 在聚合反應的末釜后的出膠管線里加入防老劑 溶液 經靜態混合器混合送至膠液貯罐配膠 3 3 工藝生產環境 工藝生產環境 3 13 1 工藝狀況 系統含氧含水量要盡量低 工藝狀況 系統含氧含水量要盡量低 聚合反應是單體 丁二烯 在催化劑作用下聚合成高分子化合物 丁二烯 橡膠 BR 9000 的化學過程 本工藝采用鎳體系催化劑 即 環烷酸鎳 三 異丁基鋁 三氟化硼乙醚絡合物 3 23 2 設備狀況設備狀況 兩種不同壓力并存 兩種不同壓力并存 本工段有兩種操作壓力 一種是反應壓力為 0 4 MPa 即聚合首釜氮氣保壓 部分 另一種壓力 0 2 0 3 Mpa 即反應末釜的氮氣保壓部分 兩種不同且相 差不大的壓力系統同時存在又彼此緊密相連 二 三 四釜的壓力控制主要是 通過反應首釜來調節 通過氮氣壓力將物料從前一釜的頂部壓出從后一釜的底 部進入 隨著壓力的分流 后一釜的壓力總比前一釜要低 0 05 0 1Mpa 這樣 用壓力降保證物料在系統管道中流動暢通 4 順丁橡膠聚合釜的設計概述 4 14 1 設計原則設計原則 1 聚合釜的生產能力高 能夠滿足高負荷生產的需要 2 盡可能使催化劑的功效達到最大 3 催化劑的溫度易于調節 能夠滿足合成動力學的要求 盡量使溫度曲線接近最 適宜溫度曲線 4 催化劑在釜內能有效地與反應物料混勻 6 換熱器的傳熱面積大 換熱效果好 7 反應熱易于通過冷卻水散到大氣中 8 結構簡單 運行可靠 進催化劑方便內件各部分的結構 設計 材質的選用 必須合理 盡量避免產生過大的熱應力和內漏 焊接件的自由脹等問題 4 24 2 內件流程內件流程 依據上述設計原則 選擇內件流程如下 丁油與 Al Ni 催化劑混合后 從聚合釜的底 部進入 在釜內停留反應 釜夾套間充有冷卻鹽水 7 及時帶走反應產生的熱量 待 釜內充滿物料時 在壓力的作用下 物料從反應釜的頂部流出 又從底部進入下一釜 如 此一直到物料從最后的反應釜末釜流出 到膠液罐 4 5 衡算計算 5 15 1 聚合物料衡算聚合物料衡算 1 順丁橡膠的日產量 60 噸 天 年產量 年生產天數 18000 300 噸 天 2 順丁橡膠的流量 M 2500kg h 順丁橡膠天產量 天生產小時數 60000kg 24h 3 單線順丁橡膠的流量 1250kg h 順丁橡膠總流量 生產線數 2500kg h 2 4 單線順丁橡膠的摩爾流量 單線順丁橡膠流量 順丁橡膠摩爾質量 1250kg h 200000 kg kmol 0 00625kmol h 為便于計算順丁橡膠分子量取 20 萬 5 催化劑 反應方程 n CH2 CH CH CH2 CH2 CH CH CH2 n 6 n 3704 順丁橡膠分子量 順丁橡膠單體分子量 200000 54 8 根據化學式計量關系可得 單線丁二烯的摩爾流量 28 94 kmol h 0 00625kmol h 3704 0 8 9 單線丁二烯的流量 丁二烯摩爾流量 丁二烯摩爾質量 28 94kmol h 54kg kmol 1562 63kg h 10 查資料有 20 的丁二烯中有 50 反應生成反式 1 4 聚丁二烯橡膠 30 的為 1 2 配位副產物 5 為其它副產物 還有 15 為未反應的丁二烯 12 參與反式配位聚合的丁二烯摩爾流量 28 94kmol h 0 2 0 5 2 89kmol h 參與反式配位聚合的丁二烯質量流量 2 89kmol h 54kg kmol 156 28kg h 13 參與 1 2 配位的丁二烯摩爾流量 28 94kmol h 0 2 0 3 1 74kmol h 參與 1 2 配位的丁二烯質量流量 1 74kmol h 54kg kmol 93 77 kg h 14 參與生成其它副產物的丁二烯摩爾流量 28 94kmol h 0 2 0 05 0 29 kmol h 參與生成其它副產物的丁二烯質量流量 0 29 kmol h 54kg kmol 15 63 kg h 5 15 根據質量守恒定律 有反式配位聚合副產物的質量流量等于參與反式配位 聚合的丁二烯質量流量 即1 2 配位聚合副產物的質量流156 28kg hm s反式聚合 量等于參與 1 2 配位的丁二烯質量流量 即其它副產物 1 2 93 77 kg h s m 配位聚合 的質量流量等于參與生成其它副產物的丁二烯質量流量 即15 63 kg h s m 其它 30 未反應的丁二烯摩爾流量 28 94kmol h 0 2 0 15 0 87kmol h 未反應的丁二烯質量流量 0 87kmol h 54kg kmol 46 88 kg h 5 25 2 能量衡算能量衡算 聚合速度表達式 0 P d M KCM dt 0 PP KKPKC 0 PC 式中 為聚合速度 為鏈增長速率常數 為的起 d M dt P K 0 C 2 Ni naph 始濃度 為活性中心濃度 為轉化成活性中心的環烷酸鎳的百分數 P 稱催化劑的有效利用率 因 K 值與活性中心數目成正比 因此可用 K 值表示催 化體系的聚合活性 由 K 值表達的聚合反應速度式為 式中 為 t 時間時的丁二烯單體濃度 值是與聚合體系中 d M K M dt MK 的活性鏈數目有關的數值 值為常數 表示該體系在聚合過程中活性中心數K 目基本上保持不變 查有關研究文獻 聚合反應速度與聚合溫度間的關系如下圖 3 103 153 203 253 30 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 1 2 1 3 3 logK 1 T X103 圖 2 聚合速度常數 K 聚合溫度 1 T 關系曲線 取兩點 3 1 1 25 3 3 0 72 求得該直線方程為 6 其中 以反應首釜反應為例 該聚合釜2 59YX 3 1 10X T 3lgYK 反應溫度為 70 計算有 代入方程 中得 故有343TK 2 9X 1 75Y 由于丁二烯的轉化率為80 則 1 0 056Ks C 00 1 0 2 MCMM 所以 0 0 15 2 78 54 kg L Mmol L kg kmol 00 1 0 2 0 2 2 780 56 MCMMmol L 其聚合反應速度為 0 056 0 560 031 A d M rK MmolL s dt 聚合釜內各物料反應產生熱量 3 聚丁二烯聚合熱 1398 4 kJ kg m Q 故 298K 時聚合放熱為 1250kg h 1398 4 kJ kg 1748000 298 Q msQ m kJ h 485 56 kJ s 對于氣態丁二烯的熱容 溫度關聯式為 234 01234Pm CaaTa Ta Ta T 查表 4 有 溫度范圍 50 1000 0 3 607a 31 1 5 085 10aK 52 2 8 253 10aK 83 3 12 371 10aK 114 4 5 321 10aK 代入數據計算得 方便計算忽略后幾項 3704 5 298 343 1 H Pm CdT 2288 21 298 352 343 3704 3 6075 085 108 253 10 TTdT KJ mol 對于聚丁二烯 代入數據計算得 352 9 299 789 102 456 10 Pm CTT 2282 814 343 298 2 H 343 352 298 9 299 789 102 456 10 Pm CdTTTdT kJ mol 該聚合釜的有效體積所以 3 22 2 mVR r Q RA VHr 1 298 Q RA VHr 2 molKJLsLmol 21 2288 1022 2 031 0 3 3 55sKJmolKJ 56 485 14 2282 1 kJ s 反應物系溫度 反應開始溫度 所以 343TK 0 303TK 11 00 8 04 10 805 343303 pm m cTTmol sJ molKKK 1 3 47kJ s 7 系統總傳熱系數 忽略污垢熱阻 18 K 22 211 111 m ddb Kdd 查資料有 0 57 Wm K 2 1 604 2 o W mC 2 2 492 0 o W mC 1 18001 8dmmm 2 20002dmmm 21 21 2 1 8 1 90m 2 lnln ln 1 8 m dd d dd 代入數據計算有 21 2 1 80 2bddm 22 211 111 m ddb Kdd 0 373 所以總傳熱系數 K 2 68傳熱 10 2212 4920 571 9604 21 8 2 o WmC 介質溫度由熱量守恒定律得 反應過程中傳遞出的熱量60o c TC Cpt T Tc 17 3 55 3 47 0 18 計算釜傳熱 傳 Q r Q 0 m 1 kJ s 1 kJ s 1 kJ s 面積 C m TTK Q A 傳 333343 68 2 180 2 KKKmW sJ 2 72 6 m 2 7m 衡算數據列表如下 表 1 能量衡算計算表 項目反應速率 A r 聚合放熱 r Q 體系吸熱 0Cmp TTCm 傳熱速率 傳 Q 傳熱面積 m A 單位 sLmol skJ skJ skJ 2 m 計算數據0 0313 553 470 187 6 參考文獻 1 張曉琳 李建軍 順丁橡膠生產工藝及展望 J 化學工程師 2001 5 2 15 17 2 田春云 有機化工工藝學 M 北京 中國石化出版社 1998 331 334 3 馬沛生 有機化合物試驗物性數據手冊 M 北京 化學工業出版社 2006 465 468 529 532 4 J Akers B James E Douglas Preparation of Chlori