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丁苯橡胶聚合工艺设计书说明书.doc

丁苯橡胶聚合工艺设计书说明书

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2013-02-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《丁苯橡胶聚合工艺设计书说明书doc》,可适用于工程科技领域

化工与材料工程学院毕业设计年产万吨丁苯橡胶装置工艺设计Annualproductioncapacityof,tonspolymerizationstyrenebutadienerubberplantprocessdesignsection学生学号学生姓名冯红专业班级材化指导教师张钰工程师联合指导教师张钰讲师完成日期吉林化工学院JilinInstituteofChemicalTechnology摘要本设计为年产万吨乳聚丁苯橡胶装置工艺设计以聚合工段为工艺设计的主要对象。对丁苯橡胶的生产方法和生产工艺进行了系统的论证。本设计以丁二烯和苯乙烯为主要聚合单体以松香酸钾皂、硫酸亚铁、叔十二碳硫醇、过氧化氢对锰烷等为助剂采用低温乳液聚合法连续生产工艺合成丁苯橡胶。并进行了聚合工段的物料衡算、热量衡算和主要设备的计算和选型进行了简单的技术经济分析。用AutoCAD绘制了工艺管道及仪表流程图两张、设备平面布置图一张和管道平面布置图一张手工绘制了管道平面布置图一张并编制了设计说明书和计算书。关键词丁苯橡胶乳液聚合工艺设计丁二烯苯乙烯第篇设计说明书第章绪论设计依据、指导思想设计依据主要设计依据是吉林化工学院下发的“年产万吨丁苯橡胶装置聚合工段的工艺设计”本科生毕业设计任务书。指导思想本设计的指导思想是:()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()生产过程尽量采用自动控制机械化操作()对于易燃易爆场所设计采用可靠的控制报警消防设施()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()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。设计地区的自然条件本设计的丁苯橡胶车间拟建在吉林市江北吉化有机合成厂院内。设计地区自然条件如下:土壤最大冻土深度:米土壤设计冻土深度:米全年主导风向:西南风夏季主导风向:东南风年平均风速:米秒地震裂度:度年平均降雨量:毫米日最大降雨量:毫米平均气压:mmH最高气温:℃最低气温:℃平均相对温度:最大降雪量:毫米水温:℃第章工艺论证工艺原理丁苯橡胶是,丁二烯和苯乙烯的共聚物是一种最通用的橡胶品种它是按自由基反应机理于乳液中合成的。其反应方程式为:生产方法论证丁苯橡胶的生产包括溶聚和乳聚两种工艺。溶聚丁苯橡胶具有低的滚动阻力又具有很高的抗湿滑性与耐磨性其滚动阻力比乳聚丁苯橡胶减少一抗湿滑性优于顺丁橡胶耐磨性能也很好是全天候轮胎的最合适胶料。近几年国际上溶聚丁苯橡胶的消费是一直处于上升趋势。西欧和日本溶聚丁苯橡胶所占总丁苯橡胶消费量的比例为左右一些公司正计划扩大溶聚丁苯橡胶生产能力或新建装置。年以来溶聚丁苯橡胶的产量呈递增趋势。据有关资料报道年至年西欧、美国、日本三地区SSBR平均年增长率为而SBR平均年增长率约为年拜耳公司决定停止其在ESBR方面的投资Hill的ESBR停产。拜耳认为轮胎制备技术会有一个根本转变欧洲的消费者将逐步接受“绿色轮胎”另外还应该看到以下因素:()在现有的溶液聚合装置上花较少的费用就能有效地扩大SR的能力。()溶聚工艺优于乳液聚合和气相聚合工艺SSBR和BR更能接受长期挑战。()目前越来越趋向于采用优等填料SSBR可在此方面降低轮胎的滚动阻力做出贡献。()ESBR的生产效益长期低下。但是拜耳同时也指出ESBR,对不同用户需求的适应性很强。SSBR是一种相对ESBR的高性能合成橡胶它不能等同于ESBR也不能完全取代ESBR二者比例的调整有一个渐进的发展过程。开发SSBR要在确保其综合质量优良的基础上将目标集中在节能型品种。虽然丁苯橡胶市场已经成熟但乳液丁苯橡胶与溶液丁苯橡胶之间的竞争正在增加。溶液丁苯橡胶在加工上存在的问题已通过生产特制聚合物(tailoring)而得到克服。目前存在的主要问题是价格较高各生产者所生产的产品之间没有很好的互换性。对于高性能轮胎没有任何其它橡胶能够代替溶液丁苯橡胶当然乳液丁苯橡胶也是不能满足要求的。因此尽管溶液丁苯橡胶成本比乳液丁苯橡胶约高出但轮胎生产者使用溶液丁苯橡胶的趋势已开始越来越明显但是由于我国的现状的限制所以我国大多数还是选用乳液丁苯橡胶。目前国内套乳聚丁苯橡胶装置主要技术来源于日本JSR、ZEON和台湾合成橡胶公司。工艺技术路线基本一致都是低温乳液聚合技术只是在工艺流程和聚合配方上有差别技术本质上无差别。对于聚合生产工艺而言JSR从工艺流程上要好于ZEON产品质量优于ZEON缓冲能力较强不足之处是JSR聚合转化率为而ZEON为。吉林石化公司丁苯橡胶装置A、B两条生产线原设计双线各八台釜五台置换塔聚合釜容积为台聚合物料从一釜进入依次通过串联的八台釜在℃的温度下反应小时聚合转化率为生产能力每条线为td经过几次技术改造双线各拆除两台置换塔增加一台聚合釜变为九釜三塔反应聚合转化率由提至装置生产能力由td提高到td。兰州石化公司橡胶厂丁苯橡胶以氯化钾为电解质(PH缓冲溶液)、过氧化氢二异丙苯为氧化剂、以叔十二碳硫醇为调节剂借液氨冷却在℃下丁二烯和苯乙烯在聚合釜中进行聚合反应待末釜单体转化率达时用终止剂终止聚合反应单体回收采用水环式压缩机用挤压脱水机、膨胀干燥机进行脱水干燥。齐鲁石油化工公司橡胶厂采用ZEON技术用低活性引发剂通过延长反应时间、调节剂乳化剂补加实现高转化率通过改变氨蒸发压力对聚合温度进行控制经过小时的聚合反应聚合达。单体回收采用三台小脱水机脱水采用带式干燥机热风干燥(两条线为随工艺包引进第三线为哈尔滨博实公司参照其干燥箱仿制)。其工艺路线的缺点一是反应时间较长二是反应温度控制精度低温度波动大三是缓冲能力弱。南通申华化学工艺路线与吉化公司基本相当其技术来源于台湾合成橡胶公司聚合系统聚合温度控制在℃左右转化率为单体丁二烯回收用水环真空泵苯乙烯回收采用两台减压蒸馏塔串联操作脱水机为两台并联操作每条生产线两台小干燥箱(美国WP公司生产)并联进行干燥。虽然丁苯橡胶市场已经成熟但乳液丁苯橡胶与溶液丁苯橡胶之间的竞争正在增加。溶液丁苯橡胶在加工上存在的问题已通过生产控制聚合物(tailoring)而得到克服。目前存在的主要问题是价格较高各生产者所生产的产品之间没有很好的互换性。对于高性能轮胎没有任何其它橡胶能够代替溶液丁苯橡胶当然乳液丁苯橡胶也是不能满足要求的。因此尽管溶液丁苯橡胶成本比乳液丁苯橡胶约高出但轮胎生产者使用溶液丁苯橡胶的趋势已开始越来越明显但是由于我国的现状的限制所以我国大多数还是选用乳液丁苯橡胶。一般乳液丁苯橡胶中含有的苯乙烯其分子量随聚合情况而异在~万之间。聚合物的分子微结构也随聚合条件的变化有很大不同。高温共聚丁苯橡胶与低温丁苯橡胶比较高温共聚橡胶反式结构含量较低聚合度也较低凝胶含量较大低温共聚丁苯橡胶反式结构含量较高分子量分布较窄凝胶含量几乎没有因此物理性质比高温丁苯橡胶好。第篇设计计算说明书第章基础数据、年产量:万吨、年工作日:小时、烃含量:、转化率:、单体回收单元损率:、后处理单元损率:、聚合配方(质量百分含量净含量份单体)表主要原料指标原料指标丁二烯纯度苯乙烯纯度丁二烯苯乙烯混合苯乙烯纯度混合丁二烯纯度纯碱流量BD流量表产品指标产品指标气提胶乳中结合苯乙烯含量(wt)~残留苯乙烯(wt)最终胶乳(wt)~单体回收单元丁二烯损率:(wt)单体回收单元苯乙烯损率(wt)门尼粘度~伸长率表聚合配方名称组分SBR单体BDST乳化剂WT松香酸钾皂液电解质WT磷酸氢氧化钾乙二胺四乙酸四钠盐间次甲基二萘磺酸钠保险粉溶液WT连二亚硫酸钠活化剂溶液WT乙二胺四乙酸四钠盐硫酸亚铁甲醛次硫酸钠调节剂溶液叔十二碳硫醇氧化剂溶液过氧化氢对锰烷终止剂溶液WT二甲基二硫代氨基甲酸钠亚硝酸钠SDS稀磷酸WTPHS第章聚合工段物料衡算丁苯物料衡算图:丁二烯苯乙烯调节剂活化剂氧化剂终止剂钾皂碱聚合物软水未反应丁二烯未反应苯乙烯蒸气消泡剂固体碱进料计算()混合丁二烯和苯乙烯进料:设年产量为万吨每小时产量:M=×=kgh每小时消耗的烃含量:kgh×=kgh丁二烯和苯乙烯的总量:MSTBD=kgh()()=kgh丁二烯和苯乙烯的配料比值:BD:ST=:纯丁二烯的进料量:M=MSTBD×=kgh×=kgh纯苯乙烯的进料量:M=MSTBD×=kgh×=kgh每小时丁二烯的混合进料量:M=M=kgh=kgh每小时苯乙烯的混合进料量:M=M=kgh=kgh单体BD的总损失量:×()=kgh单体ST的总损失量:×()=kgh()辅助物料计算:单体:BD:kghST:kgh单体总量:BDST=kgh乳化剂:松香酸钾皂kgh×=kghWTkgh×=kgh电解质:WTkgh×=kgh磷酸kgh×=kgh氢氧化钾kgh×=kgh乙二胺四乙酸四钠盐kgh×=kgh间次甲基二萘磺酸钠kgh×=kgh保险粉溶液:WTkgh×=kgh连二亚硫酸钠kgh×=kgh活化剂溶液:WTkgh×=kgh乙二胺四乙酸四钠盐kgh×=kgh硫酸亚铁kgh×=kgh甲醛次硫酸钠kgh×=kgh调节剂溶液:叔十二碳硫醇kgh×=kgh氧化剂溶液:过氧化氢对锰烷kgh×=kgh终止剂溶液:WTkgh×=kgh二甲基二硫代氨基甲酸钠kgh×=kgh亚硝酸钠kgh×=kghSDSkgh×=kgh稀磷酸:WTkgh×=kghPHSkgh×=kgh出料计算()未反应的丁二烯出料根据结合苯乙烯的量()确定反应掉的苯乙烯的量(即乳胶中丁二烯苯乙烯=)反应的MBD=kgh×=kghMBDMST==反应的MST=×kgh=kgh未反应的MBD=kghkgh=kgh()尾气中丁二烯的含量kgh×=kgh()气体乳胶中残留苯乙烯kgh×=kgh()滗吸器中的残留苯乙烯kgh×=kgh()胶乳总量反应的MBD反应的MST=kgh表物料衡算表组成进料量Kgh出料量Kgh混合丁二烯BD混合苯乙烯ST未反应丁二烯乳化剂EM活化剂ACT调节剂MOD氧化剂OXI总量第章聚合工段热量衡算物料的平均密度平均密度第一反应器入口kgmat℃第二反应器入口kgmat℃平均kgm平均流量=M总=kghr=mh则取反应釜体积V=m滞留时间t==hr反应时间~小时Rt=小时=(釜)Rt=小时=(釜)Rt=小时=(釜)Rt=小时=(釜塔)为达到要求转化率使聚合反应充分发生取反应时间Rt=小时聚合釜为釜塔串联。聚合热BD:kcalmolST:kcalmol一小时釜中的聚合热:Q=(MBD××MST××)kcalh=kcalh反应小时每釜的聚合热:q=Q=kcalh=kcalh冷却显热第一反应釜的温度从℃降至℃的冷却显热如表所示:表首釜冷却显热FLOW(kgh)△T(℃)Cp(kcalkg·℃)(℃)q=FCp△T(kcalh)BDSTEMMODACTOXITOTAL第二反应釜温度从℃降至℃的冷却显热如表所示:表第二反应釜冷却显热FLOW(kgh)△T(℃)Cp(kcalkg·℃)(℃)q=FCp△T(kcalh)BDSTEMMODACTOXITOTAL搅拌热搅拌热为聚合热的计算反应小时每釜的搅拌热为:q=q×==Kcalh大气吸热反应器R℃反应器R~℃初定反应器的型号为:φ×H(查≤化工容器及设备简明设计手册≥)P表面积:A=×S底S侧=×π×DπDH=m大气吸热公式:Q=q×Aq=(QQr)(αxλ)(x=α=Kcalmh℃Qr=℃(室外常年平均温度)Qs=℃(表面温度)则第一反应釜的大气吸热为:λ=θ=×()=Kcalmhrdegq=(QQr)(αxλ)=()()=-KcalmhrA=mQ=q×A=-×=-Kcalh第二反应釜至最后反应釜的大气吸热为:λ=θ=×()=Kcalmhdegq=(QQr)(αxλ)=()()=KcalmhA=mQ=q×A=-×=-Kcalh所需氨的量m:氨的质量Hr:氨的汽化潜热℃时为kcalkg,℃时为kcalkg。则反应小时时冷却第一釜所需氨的量:冷却第二釜所需氨的量:冷却三至末釜所需氨量:九釜的热量平衡表如表至所示:表反应时间为h时第一釜的热量平衡表釜聚合热kcalhr冷却显热Kkalhr搅拌热kcalhr大气吸热kalhr总计Kkalhr第一釜第二釜第釜第章反应器和搅拌桨的选择反应釜的选型按聚合反应的特性及过程控制的重点在于除去聚合热的场合可选用搅拌釜式反应器(参见《聚合反应工程基础》)。搅拌釜是乳液聚合最常用的反应器也是应用最广的聚合反应器釜式聚合反应器是一种形式多变的聚合装置它广泛应用于低粘度的悬浮聚合过程乳液聚合过程也能用于高粘度的本体聚合和溶液聚合过程。从操作方式来看它能进行间歇、半连续、单釜和多釜连续操作以满足不同聚合过程的要求。为了保证釜中物料的流动、混合与传热液滴的分散或固体物料的均匀悬浮釜中设有搅拌装置。釜式反应器的除热主要采用夹套和各种内冷件以立式最为常见。综上所述初选反应器为搅拌釜式反应器。由设计压力为×~×帕热量衡算初选的反应器为φ×H可选封头型式为:椭圆形底、盖可拆盖高度H=mm公称容积为m筒体内径为mm壁厚为mmA材质重量为Kg下轴泵为LIGUMVIJUE(参见《化工容器及设备简明设计手册》)。反应釜和搅拌桨示意图:图反应釜和搅拌桨示意图反应釜的型号见下表:表反应釜的型号封头型式公称容积计算容积筒体直径筒体高度高度壁厚材质下轴泵型号椭圆底、盖mmmmmmmmmmALIGUMVIJUE第章管道直径与贮罐的计算管道与贮罐的计算管道直径的计算一.丁二烯苯乙烯进料管径的计算查得工艺液体的流速范围为ms丁二烯管径的计算取丁二烯的流速为u=msqm=kgh(=kgmd=取标准的管道直径为(×实际的流速为u==ms苯乙烯管径的计算苯乙烯的流速u=msqm=kgh(=kgmd=取标准的管道直径为(×实际的流速为u==ms第章换热器的设计型计算计算壳程压降及给热系数α假设直立管外径d=m,壁厚mm长m壁温求的圆整至标准的公称直径曲面高度直边高度内表面积为容积为H=m圆整至标准的高度为mm所以设计合理第章泵的计算泵P的设计图泵示意图条件依据以P苯乙烯进料泵的计算为例已知数据如下:管径:D=m苯乙烯的平均密度:苯乙烯的粘度:压强:P=×PaP=×Pa管内流体的流速()管内流体的流速:EMBEDEquation雷诺数:即:管内流动状态为湍流取由Re、e查《化工原理》上册P()直管阻力和局部阻力的计算:直管阻力的计算:局部阻力的计算:有°的弯头个则=总的阻力:()理论压头的计算:由柏氏方程可得:=泵的选型:由输送温度为常温、低粘度、无腐蚀性、无固体颗粒的液体选择扬程为流量为的旋涡泵旋涡泵适合小流量高扬程的场合。查《化工手册》P选泵的型号为:IS泵的效率的计算:储罐的计算丁二烯储罐的计算致谢本设计是在我的导师张钰的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度严谨的治学精神精益求精的工作作风深深地感染和激励着我。从设计的选择到最终完成王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在这一学期的时间里王老师不仅在学业上给我以精心指导同时还在思想给我以无微不至的关怀在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时还要感谢材料化学教研室的各位老师在毕业设计中给予我的各种帮助和支持使我的设计能够顺利完成。在此我还要感谢在一起做设计、学习和生活的各位同学正是由于你们的协助和支持我才能克服一个又一个困难和疑惑直至本设计的顺利完成。特别感谢我得同组同学他们为本设计做了不少工作给予了我很多的帮助。在设计即将完成之际我的心情无法平静从开始进入实习到设计的顺利完成有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助在这里请接受我诚挚的谢意!谢谢你们!mCH=CHCH=CHnCH=CHCHCHnCHCH=CHCHmunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknownunknowndwgunknownunknowndwgunknownunknown

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