【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)是以丁二烯和苯乙烯為原料，年產(chǎn)5萬(wàn)噸丁苯橡膠的工藝設(shè)計(jì)。前丁苯橡膠的聚合生產(chǎn)方法，最后確定以低溫乳液聚合法作為聚合的工藝生產(chǎn)方法。綜合上述工藝計(jì)算和設(shè)計(jì)結(jié)果，繪制出了主要設(shè)備圖。

　　

【正文】 化劑； 6—終止劑； 7—鉀皂； 8—堿； 9—聚合物； 10—軟水； 11—未反應(yīng)丁二烯； 12—未反應(yīng)苯乙烯； 13—蒸氣； 14—消泡劑； 15—固體； 16—堿； 進(jìn)料計(jì)算 （ 1）混合丁二烯和苯乙烯進(jìn)料： 設(shè)年產(chǎn)量為 5 萬(wàn)噸 每小時(shí)產(chǎn)量： M=5107/7800=每小時(shí)消耗的烴含量： =丁二烯和苯乙烯的總量： MST+BD=（ 1—%） /（ 1—%）=丁二烯和苯乙烯的配料比值： BD： ST=72： 28 純丁二烯的進(jìn)料量： M2=MST+BD==純苯乙烯的進(jìn)料量： M3= MST+BD==每小時(shí)丁二烯的混合進(jìn)料量： M5= M2/=每小時(shí)苯乙烯的混合進(jìn)料量： M4=M3/=單體 BD 的總損失量： （ ++） =吉林化工學(xué)院 20 單體 ST 的總損失量： （ +++） =（ 2）輔助物料計(jì)算： 單體： BD： ： 單體總量： BD+ST=乳化劑： 松香酸鉀皂 kg/h%= WT %=電解質(zhì)： WT %= 磷酸 %= 氫氧化鉀 %= 乙二胺四乙酸四鈉鹽 %= 間次甲基二萘磺酸鈉 %=保險(xiǎn)粉溶液： WT %= 連二亞硫酸鈉 %=活化劑溶液： WT %= 乙二胺四乙酸四鈉鹽 %= 硫酸亞鐵 %= 甲醛次硫酸鈉 %=調(diào)節(jié)劑溶液：叔十二碳硫醇 %=氧化劑溶液：過(guò)氧化氫對(duì)錳烷 %=終止劑溶液： WT %= 二甲基二硫代氨基甲酸鈉 %= 亞硝酸鈉 %= SDS %=稀磷酸： WT %= PHS %=吉林化工學(xué)院 21 出料計(jì)算 （ 1） 未反應(yīng)的丁二烯出料 根據(jù)結(jié)合苯乙烯的量 (%）確定反應(yīng)掉的苯乙烯的量 (即乳膠中丁二烯 /苯乙烯 =) 反應(yīng)的 MBD==MBD/MST=77/23= 反應(yīng)的 MST=23/77未反應(yīng)的 MBD=（ 2） 尾氣中丁二烯的含量 =（ 3） 氣體乳膠中殘留苯乙烯 = kg/h （ 4） 潷吸器中的殘留苯乙烯 = kg/h （ 5）膠乳總量 反應(yīng)的 MBD+反應(yīng)的 MST= 第 3 章 聚合工段熱量 衡 算 已知基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：下表 進(jìn)料密度 第一反應(yīng)器入口 869kg/m3 ℃ 第二反應(yīng)器入口 928kg/m3 ℃ 平 均 899kg/m3 —— 吉林化工學(xué)院 22 M=一共 2 條生產(chǎn)線，則每條的總物質(zhì)的量為： M=平均流量 =247。899=，則取反應(yīng)釜體積V=20m3 每釜滯留時(shí)間 t=20247。= Rt=9 小時(shí) 9/=（ 8 釜） 為達(dá)到要求轉(zhuǎn)化率，使聚合反應(yīng)充分發(fā)生，取反應(yīng)時(shí)間 Rt=9 小時(shí)，聚合釜為 8 釜串聯(lián)。 (由 8 臺(tái)聚合反應(yīng)釜組成一條生產(chǎn)線，反應(yīng)時(shí)間為 8～ 12 小時(shí)（取 9 小時(shí)） ，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為 60%。 聚合釜的操作壓力為 ～ ，溫度 T=5℃ ， PH=4～ 5，聚合帶有攪拌器，并用液氨作為冷凍介質(zhì)。 根據(jù)《基本有機(jī)化工工廠裝備》 知，對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，連續(xù)釜式反應(yīng)器的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)速度常數(shù)之間的關(guān)系如下 [17]： 01AANN CCx ?? ? ?? ? ? ?x kN N1 11 ? 式中 CAN —第 N 臺(tái)釜內(nèi)反應(yīng)物的濃度； mol/L CA0 — 反應(yīng)物初始濃度； mol/L xN—第 N 臺(tái)釜內(nèi)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率； k — 聚合反應(yīng)表觀速度常數(shù)； min?1 ?—平均停留時(shí)間； min N—連續(xù)槽式反應(yīng)器的臺(tái)數(shù)； 為了便于計(jì)算，按等溫等容處理，取總轉(zhuǎn)化率 60%； 8 釜串聯(lián)；平均停留時(shí)間 60 min；反應(yīng)溫 5℃ 。將上式進(jìn)一步整理得 ? ?NAAN kCC ??? 1 0吉林化工學(xué)院 23 表 221 各釜純轉(zhuǎn)化率與累積轉(zhuǎn)化率 [18] 第一釜 第二釜 第三釜 第四釜 純 X (％ ) 累積 X (％ ) 純 X (％ ) 累積 X (％ ) 純 X (％ ) 累積 X (％ ) 純 X (％ ) 累積 X (％ ) 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 (％ ) 60 根據(jù)各釜純轉(zhuǎn)化率計(jì)算各釜的物料組成 以第一釜作為示例計(jì)算： 水相：因反應(yīng)中沒(méi)有消耗，所以流量不變，為 100%苯乙烯：進(jìn)料： 出料： ( 1－ %)=100%丁二烯：進(jìn)料： 出料： ( 1－ %)=聚合物： ＋ － (＋ )=百分比： 水相： (＋ ＋ ＋ )=% 苯乙烯： 丁二烯： 聚合物： 以下計(jì)算中，上一釜的出料量即為下一釜的進(jìn)料量，計(jì)算匯總見(jiàn)下表 吉林化工學(xué)院 24 表 222 各釜出料口物料組成 物 第一釜 第二釜 第三釜 第四釜 料 kg/h W(%) kg/h W(%) kg/h W(%) kg/h W(%) 水相 苯乙烯 丁二烯 聚合物 物 第五釜 第六釜 第七釜 第八釜 料 kg/h W(%) kg/h W(%) kg/h W(%) kg/h W(%) 水相 苯乙烯 丁二烯 聚合物 吉林化工學(xué)院 25 由于工藝程序中八個(gè)釜都要用到液氨的冷凝裝置，所以以第一釜為例計(jì)算能 量守恒。在第一釜進(jìn)料之前已將原料從 10℃ 降至 5℃ 。 聚合熱 BD::一小時(shí)第一釜中的聚合熱： Q=（ MBD /54+ MST/104） kcal/h =(54) +(104) kcal/h = 冷卻顯熱 在第一反應(yīng)釜進(jìn)料之前就已經(jīng)將進(jìn)料的溫度從 10℃ 降至 5℃ 的冷 卻顯熱如表 223所示： 表 231 首釜冷卻顯熱 FLOW(kg/h) △T(℃ ) Cp(kcal/kg℃ )(5℃ ) q=FCp△T(kcal/h) BD 5 ST 5 EM 5 MOD 5 ACT 5 OXI 5 TOTAL 吉林化工學(xué)院 26 攪拌熱 攪拌熱為聚合熱的 5%計(jì)算 反應(yīng) 8 小時(shí)，則第一反應(yīng)釜的攪拌熱為 : q1=q5%== 所需氨的量 總QHrm ?? m：氨的質(zhì)量； Hr：氨的汽化潛熱， 7℃ 時(shí)為 , 5℃ 時(shí)為 。則反應(yīng) 9 小時(shí)， 冷卻第一釜所需氨的量： hkgm / 6 7 3 8 7 . 7 4 ?? 第一釜的熱量平衡表如表 231 所示： 表 232 反應(yīng)時(shí)間為 9 h 時(shí)第一釜的熱 量平衡表 釜 聚合熱 kcal/h 冷卻顯熱 kcal/h 攪拌熱 kcal/h 總計(jì) kcal/h 第一釜 吉林化工學(xué)院 27 第 4 章 反應(yīng)器的選擇 反應(yīng)釜的選型 [7] 按聚合反應(yīng)的特性及過(guò)程控制的重點(diǎn)在于除去聚合熱的場(chǎng)合，可選用攪拌釜式反應(yīng)器（參見(jiàn)《聚合反應(yīng)工程基礎(chǔ)》）。攪拌釜是乳液聚合最常用的反應(yīng)器，也是應(yīng)用最廣的聚合反應(yīng)器，釜式聚合反應(yīng)器是一種形式多變的聚合裝置，它廣泛應(yīng)用于低粘度的懸浮聚合過(guò)程，乳液聚合 過(guò)程，也能用于高粘度的本體聚合和溶液聚合過(guò)程。從操作方式來(lái)看它能進(jìn)行間歇、半連續(xù)、單釜和多釜連續(xù)操作，以滿(mǎn)足不同聚合過(guò)程的要求。為了保證釜中物料的流動(dòng)、混合與傳熱，液滴的分散或固體物料的均勻懸浮，釜中設(shè)有攪拌裝置 [19]。 釜式反應(yīng)器的除熱主要采用夾套和各種內(nèi)冷件，以立式最為常見(jiàn)。 綜上所述，初選反應(yīng)器為攪拌釜式反應(yīng)器。由設(shè)計(jì)壓力為 3105~5105帕，熱量衡算初選的反應(yīng)器為 φ2200H 4950，可選封頭型式為：橢圓形底、蓋，可拆蓋，高度H=4950mm，公稱(chēng)容積為 20m3，筒體內(nèi)徑為 2200mm，壁 厚為 12mm， A3 材質(zhì)，重量為3680Kg，下軸泵為 LIGUM—VIJUE（參見(jiàn)《化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)》） [7]。 反應(yīng)釜和攪拌槳示意圖 2 圖 2 反應(yīng)釜和攪拌槳示意圖 反應(yīng)釜的型號(hào)見(jiàn)下表 241： 吉林化工學(xué)院 28 表 241 反應(yīng)釜的型號(hào) 封頭型式 公稱(chēng)容積 計(jì)算容積 筒體直徑 筒體高度 壁厚 材質(zhì) 下軸泵型號(hào) 橢圓底、蓋 20m3 m3 2200 mm 4950 mm 12 mm A3 LIGUM—VIJUE 反應(yīng)器的體積計(jì)算 苯乙烯密度 ρ1=103kg/m3 丁二烯的密度 ρ2=103kg/m3 聚丁苯橡膠的密度 ρ3=103kg/m3 水的密度 ρ=103kg/m3 通過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)算得 ρm=（ 72/295） +（ 28/295） +（ 195/295） 1= 103kg/m3 ρm——反應(yīng)液混合密度， kgm3 VR=W/ρm=103= 取聚合釜 VT=32m3， 為提高釜的利用率，裝料系數(shù) η一 般取在 ～ ，可取 ，即 η=， 則V=32/= m3， 所以釜的體積應(yīng)該取 38 m3。 罐體尺寸確定 筒體高徑比 因此設(shè)計(jì)條件為低溫、乳聚，可選擇高徑比為 ，即： H/Di= 初步計(jì)算筒體直徑 立式攪拌器的容積通常是筒體和下封頭容積之和。已知高徑比和 η值后，仍不能確定筒體直徑和高度，因?yàn)楫?dāng) Di不知時(shí)，封頭體積也不知。因此選用粗估法計(jì)算，即先忽略封頭體積，然后再精確計(jì)算。 吉林化工學(xué)院 29 V≈（ π/4） Di2H=（ π/4） Di3(H/Di) ∴ Di= m7 . 384)i/( 4 33 ????DH V? 圓整 Di= 當(dāng) Di=，封頭體積 V=179。，直邊高度 40mm，內(nèi)表面積 ㎡ 筒體高度 H=2)4/( / DivV? ? ?= / 0 . 8 53 ???? 驗(yàn)證： H/Di=,在 ～ ，以上假設(shè)成立。 聚合釜壁厚的計(jì)算 由公式： ? ?CtiC PDPS ?? ??2 式中： Pc—計(jì)算壓力 取 Pc=1MPa； Di=2200mm； ? =；設(shè)計(jì)溫度為 5℃ 查得 1Cr18Ni9Ti 在 5℃ 的 [σ]t=205MPa ? ? ??????S 取腐蝕余量 C2=，鋼板厚度負(fù)偏差 C2=， 則 Sn=S+C1+C2=++= 圓整后取 Sn=8mm。復(fù)驗(yàn) Sn6%=8= mm＜ ，故不能取 C1=，取C1= 重新計(jì)算： Sn=S+C1+C2=++=，圓整后取 Sn=8mm。復(fù)驗(yàn)，Sn6%=8= mm＞ ，故最后取 C1= mm。該聚合釜體可用 8mm 厚的16MnR 鋼板制造。 因?yàn)閮?nèi)壓要比外壓大，所以按強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)筒的壁厚一定能滿(mǎn)足外壓穩(wěn)定的要求。因此，本設(shè)計(jì)中未做外壓的設(shè)計(jì)。 吉林化工學(xué)院 30 第 5 章 管道