【導(dǎo)讀】苯橡膠的世界上第二大通用合成橡膠。本文介紹了順丁橡膠的市場(chǎng)需求與生產(chǎn)現(xiàn)狀，討。論了原料路線、聚合方法、催化劑、終止劑、防老劑的優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行選擇。行了計(jì)算，包括所有設(shè)備的物料衡算，聚合釜的熱量衡算以及聚合釜的設(shè)備計(jì)算。了PID圖、PFD圖以及聚合釜的詳細(xì)設(shè)備圖。

　　

【正文】 圖 28 在 Ⅰ 衡算范圍內(nèi)對(duì)丁二烯做物料衡算列式 F＝ D2＋ W1 FXF＝ D2X D2 ＝ D2＋ W1 ＝ D2 解得 脫 水塔 提濃塔 回收塔 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 26 D2＝ kg/h W1＝ 在 Ⅱ 范圍內(nèi)對(duì)丁二烯做物料衡算： F2＝ D2＋ W2 F2X F2＝ D2XD2＋ W2XW2 F2＝ ＋ W2 F2＝ ＋ W2XW2 解得 W2＝ kg/h F2＝ kg/h 提濃塔、脫水塔物料衡算列下表 表 210 提濃塔物料衡算 組 分 進(jìn) 料 塔 頂 塔 底 kg/h w kg/h w kg/h w C4H6 % % % nC6H14 % % % H2O % 0 0% % 合計(jì) 100% 100% 100% 表 211 脫水塔物料衡算 組 分 進(jìn)料 塔頂 塔底 kg/h w kg/h w kg/h w C4H6 % % 0 0 H20 % % 0 0 nC6H14 % % % nC8H18 % 0 0 % 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 27 合計(jì) 100% 100% 100% F1＝ F＋ F1’＝ ＋ ＝ kg/h 以回收塔為物料衡算范圍，對(duì)溶劑油做物料衡算 ＝ D3＋ W3 ＝ D3＋ 解得： W3＝ kg/h D3＝ kg/h 表 212 回收塔物料衡算 組分 進(jìn)料 塔頂 塔底 kg/h w kg/h w kg/h w nC6H14 % 100% % nC8H18 % 0 0% % 合計(jì) 100% 100% % 熱量衡算 主要對(duì)聚合釜進(jìn)行熱量衡算 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) ① 聚合釜無(wú)聊衡算數(shù)據(jù)： ② 聚合時(shí)間： 3～ 5h（本次設(shè)計(jì)取 4h） ③ 聚合釜臺(tái)數(shù) ④ 聚合溫度： 94℃ ⑤ 冷卻鹽水：入口溫度 12 ℃ ，出口溫度 8 ℃ ⑥ 溶劑油組成物性數(shù)據(jù)如下表 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 28 表 213 溶劑油組成 組 成 組 分 合 計(jì) nC5H12 nC6H14 nC7H16 Wi 100% Xi 100% Mi 72 84 100 表 214 溶劑油物性數(shù)據(jù) 物性 nC5H12 nC6H14 nC7H16 溶劑油 數(shù)據(jù)來(lái)源 計(jì)算公式 密度 ?/kg/m3 549 590 620 601 《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》下P633 1? ???Wii 比熱容 Cp kJ/(kg ℃ ) 《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》下P645 Cp WCpi i?? 熱導(dǎo)率 ? W/(m ℃ ) 《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》下P680 ? ???Wi i ⑦ 表 215 丁烯、丁二烯物性數(shù)據(jù)表 定性溫度 /℃ 密度 ? /(kg/m3) 比熱容 Cp /kJ/(kg℃ ) 熱導(dǎo)率 ? W/(m℃ ) 數(shù)據(jù)來(lái)源 C4H8 94 1010 《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》下 C4H6 94 480 《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》下 ⑧ 表 217順丁橡膠物性數(shù)據(jù)表 定性溫度 ℃ 密度 ? /(kg/m3) 比熱容 Cp kJ/(kg℃ ) 熱導(dǎo)率 ? W/(m℃ ) 數(shù)據(jù)來(lái)源 順丁橡膠 94 480 《合成橡膠工業(yè)》第七卷(1984)P69 ⑨ 表 218 冷凍鹽水物性數(shù)據(jù)表 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 29 定性溫度 ℃ 密度 ? /(kg/m3) 比熱容 Cp kJ/(kg℃ ) 熱導(dǎo)率 ? W/(m℃ ) 數(shù)據(jù)來(lái)源 CaCl2 10 1245 《化工手冊(cè)》P2070 各聚合釜反應(yīng)轉(zhuǎn)化率確定 根據(jù)《合成橡膠工業(yè)》第七卷 (1984)P67“丁二烯溶液聚合的工程分析 ”知：丁二烯聚合屬于一級(jí)反應(yīng)，并且，鎳催化體系油溶劑丁二烯的表觀動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)的關(guān)聯(lián)式如下： ? ? ? ?0CkCk p???? ? ?Tk p /4 4 5 5e x p106 3 8 ??? 另根據(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)槽式反應(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： ( )N0AAN τk+1 C=C 0AANN CC1=x ? ?? ? ? ?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)； 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 30 [C0] —主催化劑的濃度； mol/L kp—鏈增長(zhǎng)速度常數(shù)； L/(molmin) [C ] —活性鏈總濃度； mol/L T—反應(yīng)溫度； K ?—催化劑利用率 (在 94℃ 下， ?＝ 27％ ) 為了便于計(jì)算，按等溫等容處理，取總轉(zhuǎn)化率 85%； 4 釜串聯(lián)；平均停留時(shí)間 60 min；反應(yīng)溫度 94℃ 。將上式進(jìn)一步整理得： 給定一個(gè)主催化劑濃度 ，分別求出 x x x x4，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)某計(jì)算實(shí)例，取 [C0]＝ 105mol/L，整理計(jì)算結(jié)果列下表： 表 219 第 一 釜 第 二 釜 第 三 釜 第 四 釜 X 噸 X 積累 X 噸 X 積累 X 噸 X 積累 X 噸 X 積累 % % % % % % % % 各釜物料組成及物性數(shù)據(jù) ＋ ＋ ＝ kg/h 含有 100%丁二烯： kg/h 丁烯： kg/h 溶劑油： kg/h 表 220 各釜的轉(zhuǎn)化率算出各釜的物料組 成 ： 物 料 第一釜 第二釜 第三釜 第四釜 kg/h w kg/h w Kg/h w kg/h w 溶劑油 % % % % 丁烯 % % % % 丁二烯 % % % % 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 31 聚丁二烯 % % % % 表 221 各釜的物性數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如下表 釜號(hào) 溫度 ℃ 組分 密度 ?/(kg/m3) 比熱 容CpkJ/(kg℃ ) 熱導(dǎo)率 ? W/(m． ℃ ) 門尼粘度 動(dòng)力粘度 ? Pa． s 一 94 膠液 50 二 94 膠液 50 三 94 膠液 45 四 94 膠液 45 注：根據(jù)各釜門尼粘度和膠液濃度查《高聚物合成工藝學(xué)》確定各釜的動(dòng)力粘度 ? 和傳熱系數(shù) K 的計(jì)算 （ 1）夾套內(nèi)冷卻鹽水對(duì)流傳熱系數(shù) ?1 的計(jì)算 基本方程式： lNλ=α u1 N u ? ??? ???0 027 0 8 0 330 14. Re Pr. ..?? μρlu=Re Pr ? Cp?? 式中 ?1— 夾套對(duì)流傳熱系數(shù)， W m C/ ( )2 0? ； Nu— 努塞爾準(zhǔn)數(shù)； Re— 雷諾準(zhǔn)數(shù)； l — 傳熱面的特征尺寸， m； ?— 流體的熱導(dǎo)率， W m C/ ( )2 0? ； 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 32 u— 流體的流速， m/s； ?— 流體的密度， kgm/ 3 ； ?— 流體的粘度， Pas； Cp— 流體的比熱容， J/(kg℃ )； ?w— 流體在壁溫條件下的粘度， Pas 查《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè) P301 表 414，取冷卻鹽水在螺旋導(dǎo)流板中的流速為 m/s；根據(jù)《攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)》 P142 和《化 工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》第三冊(cè) P180 有關(guān)內(nèi)容，取聚合釜夾套內(nèi)螺旋導(dǎo)流板的幾何尺寸如圖所示。則傳熱面特尺寸為： ? ?l mm m? ? ?? ? ? ?4 500 342 500 34 63 67 0 06367. . 那么： Pr . .. .? ? ? ? ??2 859 10 6 3 100 4885 36 873 3 Re . .. .? ? ?? ??0 06367 0 8 12456 3 10 10065 9243 由于 0?Pr?100 Re?10000，所以： ? ? ??1 0 8 130 140 027? ??? ???. Re Pr..l w 計(jì)算時(shí)取 ??w?????? ?0 141 05.. ? ? ? ?? 1 0 8 130 027 0 08370 06367 10065 924 36 87 1 05 197 629? ? ? ? ? ?. .. . . . ..W m C/ ( )2 0? 因鹽水在彎曲的螺旋導(dǎo)流 板中流動(dòng)，所以要對(duì) ?1 進(jìn)行修正。查《基礎(chǔ)化學(xué)工程》上冊(cè) P172修正公式為： 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 33 ? ?1 1 1 1 7739。 .? ???? ???lR 式中 R— 曲率半徑，設(shè)計(jì)取 916mm。 ? 1 197 629 1 1 77 0 063670 916 221 94339。 . . . . .? ? ? ???? ??? ?W m C/ ( )2 0? （ 2） 釜內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù) ?2i 的計(jì)算 根據(jù)《化學(xué)工程手冊(cè)》第 5 篇《攪拌與混合》 P31 有關(guān)高粘度流體采用雙螺帶式攪拌槽的傳熱公式，即永田公式： 當(dāng) 1 Re 1000 時(shí)： Nuw? ??? ???4 2 13 13 0 14. Re Pr .?? Re 1000 時(shí)： Nuw? ??? ???0 42 23 13 0 14. Re Pr .?? 考慮葉輪與槽壁間隙大小對(duì)傳熱的影響時(shí)： Nu D dD? ??? ??? ???? ??? ?1 75 13 13 0 213. Re Pr .?? ? ?2i DNu? Re? d n2 ?? 攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù) 式中 d — 攪拌葉輪直徑， m； n — 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)， r/s； D — 聚合釜內(nèi)徑， m； 設(shè)計(jì)中?。?D＝ m； d＝ ； D＝ m； 年產(chǎn) 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合車間工藝設(shè)計(jì) 34 n＝ 59 r/min。 =μμw 以 1 號(hào)釜為例計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù) ???11 Re . .. .? ? ? ? ?d n221 71 5960 606 83 5 498 51?? Pr . .. .? ? ? ? ?C p ?? 2 5744 10 3 50 0956 94251 0463 ? ?89 08 2 0. ( )W m C 同理， 2 號(hào)、 3 號(hào)、 4 號(hào)釜計(jì)算結(jié)果如 下表 所示： 222 各釜對(duì)流給熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果 釜號(hào) Re Pr Nu ?2 1 2 3 4 （ 3） 各釜總傳熱系數(shù) K 的計(jì)算 聚合釜壁剖面圖如圖所示，由于 DD外內(nèi) ? ?102 2.，所以按《基礎(chǔ)化學(xué)工程》上冊(cè) P180 式358 計(jì)算各釜 K 值。 1 1 11112233 2K ? ? ? ? ???? ?? ?? ? 年產(chǎn)