产3.5万吨丁苯橡胶预处理工序工艺设计课程设计说明书.doc
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1、课程设计说明书 年产XX万吨丁苯橡胶预处理工段工艺设计Annual output of XX tons of styrene butadiene rubber technology design of pretreatment section目录第一章 前言11.1 丁苯橡胶概述11.2 丁苯橡胶合成原理21.2.1 原料21.2.2 原料物性21.2.3 反应式和反应机理21.2.4 影响产物的因素21.3 合成工艺31.3.1 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺过程31.3.1.1 转化率确定31.3.1.2 配料确定31.3.1.3 分散介质31.3.1.4 单体纯度41.3.1.5 聚合温度
2、41.3.1.6 聚合时间41.3.1.7 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺流程41.3.2 溶聚丁苯橡胶的生产工艺过程51.4 相关符号说明5第二章 课程设计任务书72.1 技术指标72.2 设计地区自然条件8第三章 设计方案的确定及工艺流程说明93.1 设计原则93.2 设计方案的确定93.2.1 防火防爆103.2.2 节能与环境保护113.2.3 防毒123.3 工艺流程123.3.1 单体及化学品溶液接收123.3.2 聚合13第四章 设计计算154.1 聚合工段物料衡算154.1.1 进料计算154.1.2 出料计算164.2 换热器设计计算174.2.1 基本条件174.2.2 丁二
3、烯换热器E-301的设计184.2.2.1 初选184.2.2.2 计算管程压降及给热系数194.2.2.3 计算壳程压降及给热系数204.2.2.4 计算传热面积214.2.3 苯乙烯换热器E-306的设计214.2.3.1 初选214.2.3.2 计算管程压降及给热系数224.2.3.3 计算壳程压降及给热系数234.2.3.4 计算传热面积244.3 泵的计算244.3.1 泵P304的设计244.3.2 条件依据254.3.3 管内流体的流速254.3.4 泵的选型:254.3.5 储罐的计算264.4 附属设备的选型与计算264.4.1 管道直径的计算264.4.2 容器型式的选择2
4、74.4.2.1 丁二烯缓冲槽V-303的选型274.4.2.2 苯乙烯缓冲槽V-304的选型28参考文献29课程设计体会30 第一章 前言1.1 丁苯橡胶概述丁苯橡胶成白色或浅褐色,有苯乙烯的气味,密度:0.919-0.944 。丁苯橡胶综合性能优良,是合成橡胶的第一大品种,产量占合成橡胶的60%,也是最早实现工业化生产的橡胶之一。它是丁二烯与苯乙烯的无规共聚得到的弹性体。英文缩写SBR。其物理机构性能,加工性能及制品的使用性能接近于天然橡胶,耐磨性、 耐老化性 、耐水性和气密性优于天然橡胶,粘合性、弹性和形变发热量低于天然橡胶,可与天然橡胶及多种合成橡胶并用.丁苯橡胶结构式:丁苯橡胶的分为
5、乳液丁苯和溶液丁苯,其中乳液丁苯包括高温丁苯、低温丁苯、低温充油丁苯、低温充炭黑丁苯、高苯乙烯丁苯、液体丁苯、羧基丁苯。溶液丁苯包括烷基锂溶液丁苯、锡偶联溶液丁苯、高反式1,4-丁苯。发展史高温丁苯橡胶20世纪50年代生产了5摄氏度下聚合的低温丁苯橡胶,性能得以改善20世纪60年代初以烷基锂为引发剂的溶液聚合法丁苯橡胶开始工业化生产1933年德国首先用乙炔为原料制得丁苯橡胶 1942年美国以石油为料生产丁苯橡胶乳聚丁苯橡胶(ESBR)经过50多年的发展,生产工艺已经成熟。近20年来,由于受到溶聚丁苯橡胶(SSBR)及其他弹性体的冲击,SSBR具有优良的耐磨性、耐曲饶、耐低温性及优良的动态性能。
6、ESBR抗湿滑性好,但滚动阻力大,而SSBR由于兼具抗湿滑和滚动阻力低两种性能,在欧、美、日等国家和地区ESBR的产耗增长速度缓慢;但在亚太地区尤其是中国,由于汽车工业的迅速发展,ESBR的产能和产量有了很大幅度的增长,2003年我国丁苯橡胶(SBR)表观消耗量高达55.93万吨1,仅次于美国,居世界第二位。20世纪80年代末至90年代初,国外一些大的企业曾一度放弃了对ESBR的研发工作但ESBR经过数十年与SSBR的抗衡,仍显示出其较强的生命力2。尤其是近年来国外有些企业在提高ESBR的综合性能研究方面取得了突破性的进展。1.2 丁苯橡胶合成原理1.2.1 原料主要原料:1,3 丁二烯、苯乙
7、烯1.2.2 原料物性1,3 丁二烯是最简单的共轭双烯烃。在常温、常压下为无色气体,相对分子质量为54.09,相对密度0.6211,熔点-108.9,沸点-4.5 。摩尔折射率:20.03,摩尔体积:84.7,等张比容:169.2,表面张力:15.9,介电常数:2.26,极化率:7.94,有特殊气味,有麻醉性,特别刺激黏膜,容易液化,易溶于有机溶剂。性质活泼,容易发生自聚反应,因此在贮存、运输过程中要加入叔丁邻苯二酚阻聚剂。苯乙烯相对分子量:104.14,是无色或微黄色的易燃液体,熔点-30.6,沸点:146,相对密度:0.99(25)化学性质非常活泼,能进行均聚合,也能与其他单体如丁二烯、丙
8、烯腈等发生共聚合反应。储存注意通常商品加有阻聚剂。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过37。包装要求密封,不可与空气接触。应与氧化剂、酸类分开存放,切忌混储。不宜大量储存或久存。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。1.2.3 反应式和反应机理反应式:反应机理:1,3-丁二烯和苯乙烯合成丁苯橡胶的过程是一个自由基共聚合的过程,发生的自由基聚合反应3。在典型的低温乳液聚合共聚物大分子链中顺式约占9.5%,反式约占55%,乙烯基约占12%。如果采用高温乳液聚合,则其产物大分子链中顺式约占16.6%,反式约占46.3
9、%,乙烯基约占13.7%。1.2.4 影响产物的因素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%,水量多少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;尤其在低温下聚合这种影响更大,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0.002%
10、,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。3聚合温度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(1018)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。如果采用K2S2O8为引发剂,反应温度为50,反应转化率为72%75%。低温下聚合的产物比高温下聚合的产物的性能好。 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
11、,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。1.3 合成工艺1.3.1 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺过程1.3.1.1 转化率确定经典的丁二烯苯乙烯乳液聚合的转化率为60%左右,太低,原料利用率下降,而提高转化率是可以达到的,但所得橡胶的性能变差以及聚合釜挂壁严重。未反应的单体经“脱气”工序回收,与新鲜单体混合再次进入聚合釜。图1.3.1.1 置换塔出口单体转化率随聚合釜串联个数的变化根据上图,确定使用8釜串联工艺,各釜转化率分布为10.82%、9.65%、8.61%、7.67%、6.85%、6.10%、5.45
12、%、4.85%。1.3.1.2 配料确定图1.3.1.2 苯乙烯含量与转化率的关系由以上关系图,暂确定苯乙烯22%,丁二烯78%,根据后边的物料衡算,进行检验。1.3.1.3 分散介质一般以水为分散介质,要求必须用去离子水,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,尤其在低温下聚合这种影响更大。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1:1.051:1.81(物质的量之比),而高温乳液聚合则为1:2.01:2.5.1.3.1.4 单体纯度丁二烯纯度99%。对
13、于由丁烷、丁烯氧化脱氢制得的丁二烯中丁烯含量1.5%,硫化物0.01%,羟基化合物0.006%;对于石油裂解得到的丁二烯中炔烃的含量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,苯乙烯纯度99%,并且不含二乙基苯。1.3.1.5 聚合温度聚合温度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(1018)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。如果采用K
14、2S2O8为引发剂,反应温度为50,反应转化率为72%75%。低温下聚合的产物比高温下聚合的产物的性能好。 1.3.1.6 聚合时间反应时间控制在712h,反应过快会造成传热困难。釜内平均停留时间9小时。1.3.1.7 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺流程低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺流程如图1.3.1.8所示。原料丁二烯和苯乙烯按一定比例用量配成碳氢相液,在多台串联聚合釜中于58,在有氧化还原催化体系的水乳液介质存在下,进行自由基共聚合反应4。介质中除水、乳化剂外,有引发剂、活化剂、分子量调节、电解质等助剂。当聚合反应610小时,聚合转化率达6062%时,可加入终止剂使聚合反应终止。所得胶乳经闪蒸
15、脱气工序回收未反应的丁二烯和苯乙烯单体后,再加入防老剂和高分子凝聚剂。图1.3.1.8 乳液聚合生产丁苯橡胶工艺流程1.3.2 溶聚丁苯橡胶的生产工艺过程20世纪60年代中期,由于阴离子聚合技术的发展,溶聚丁苯橡胶(SSBR)开始问世。它是采用阴离子型(丁基锂)催化剂,使丁二烯与苯乙烯进行溶液聚合的共聚物。根据聚合条件和所用催化剂的不同,可以分为无规型和无规嵌段型两种5。溶聚丁苯橡胶的聚合方法有添加无规剂法、调节单体加入速度法、恒定单体相对浓度法以及高温共聚法四种,工业生产通常采用添加无规剂和高温共聚两种方法。1、添加无规剂法。2、调节单体加入速度法。3、恒定单体相对浓度法为防止相对反应活性较
16、小的苯乙烯在反应体系中不断积累,以至生成聚苯乙烯嵌段,故采用向反应系统中不断补加丁二烯的方法,以使丁二烯和苯乙烯两者的相对浓度维持恒定。若将单体中苯乙烯浓度控制在55.570.2%,则共聚物中的苯乙烯浓度可相应保持在1525%。Firestone公司的专利报导,若按45次补加丁二烯,可得苯乙烯含量为1619%的无规共聚物。但在最后一次补加丁二烯后,如果单体全部聚合,则最终将生成聚苯乙烯嵌段,故应在苯乙烯浓度低于70.2%时停止反应。该法所得共聚物中丁二烯的1,2-结构含量可维持在较低水平。恒定单体相对浓度法要求配置能及时分析反应系统中单体浓度的精密仪器,并具有高度自动化手段,以准确调节丁二烯的
17、添加量。一般操作中,只能分几次补加单体。共聚得到的是一种其组成分布依单体补加次数呈锯齿状变化的丁苯共聚物。4、高温共聚法在130160下进行共聚反应时,可使丁二烯和苯乙烯的竞聚率相接近,制得仅含12%聚苯乙烯嵌段的无规SSBR。此法既可采用连续操作,也可采用间歇操作。高温共聚法反应速度快,单体转化率100%。无规共聚物中丁二烯单元微观结构:顺式-1,4含量3637%,反式-1,4含量5355%,1,2结构 810%。由于在高温下聚合,故聚合物分子量分布变宽,可改善橡胶的冷流性和加工性,但易引起支化过度而生成凝胶。1.4 相关符号说明符号名称单位BD丁二烯-ST苯乙烯-EM乳化剂-MOD调节剂-
18、ACT活化剂-OXI氧化剂-S.S终止剂-WT水-EDTA乙二胺四乙酸-比热容导热率粘度Q传热速率,热负荷W温差校正系数-管数个管程数个雷诺数-粗糙度mm普朗特数-垢层校正系数-管程给热系数污垢热阻Z位压头MP压强Pa有效功率KW轴功率KW效率-D管径mm第二章 课程设计任务书2.1 技术指标 1、年产量: 3.5万吨 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、主要原料指标见表211表211 主要原料指标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%
19、混合丁二烯纯度93%纯碱流量/BD流量1/18、产品指标见下表212:表212 产品指标 产品指标气提胶乳中结合苯乙烯含量22.525.4%残留苯乙烯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%9、聚合配方(质量百分含量,净含量/100份单体):表213 聚合配方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烷基芳基磺酸钠引发剂体系过氧化物过氧化氢对孟烷0.06-0.12活化剂还原剂硫酸亚铁0.01雕白粉0.04-0.10螯合剂EDTA0.01-
20、0.025缓冲剂磷酸钠0.24-0.45终止剂二甲基二硫代氨基甲酸钠0.08-0.14反应条件聚合温度,5转化率,%60聚合时间,h7-102.2 设计地区自然条件本设计的丁苯橡胶车间是拟建在吉林市的江北吉化有机合成厂院内。此车间建于吉林市的江北吉化有机合成厂院内,本厂毗邻松花江,有大量丰富的水源且水质优良。并且有着方便的铁路和公路与全国各地相连接,交通便利。然而这里还是全国最大的化工基地,原料充足,便利。附近还有动力厂和发电厂,所需的动力、电力以及蒸汽供应都很方便,经济节能,特别是化工区地处吉林市东北部,且该地区的主导风向为西南、西北风,对市区里居民的生活以及附近的工农业生产均无过大影响。而
21、且该厂的下游还设有污水处理厂,能及时有效地把工业、生活污水进行处理。因此,该厂建于此处是比较理想的选择。其设计地区自然条件如下:土壤的最大冻土深度:1.9米 土壤的设计冻土深度:1.8米全年的主导风向:西南风 夏季的主导风向:东南风年平均风速:3.6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第三章 设计方案的确定及工艺流程说明3.1 设计原则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
22、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。3.2 设计方案的确定丁苯橡胶的生产主要有溶聚和乳聚两种工艺6。其中溶聚丁苯橡胶具有低的滚动阻力,又具有很高的抗湿滑性和耐磨性,其滚动阻力较乳聚丁苯橡胶要减少20%一30%,抗湿滑性也优于顺丁橡胶,耐磨性能也较好,是全天候轮胎最合适的胶料。最近几年国际上溶聚丁苯橡胶的消费一直处于上升的趋势。其中西欧和日本溶聚丁苯
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