1、“化工設(shè)計(jì)”課程作業(yè)北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院設(shè)計(jì)說明書題目：學(xué)生： 班級(jí)：化工學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師： 2015 年 1月目 錄1.工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 1.2 原輔材料性質(zhì)及技術(shù)規(guī)格 1.3 產(chǎn)品的性質(zhì)及技術(shù)規(guī)格 1.4 危險(xiǎn)性物料的主要物性 1.5 原輔材料的消耗定額2.工藝說明 2.1生產(chǎn)方法、工藝技術(shù)路線及工藝特點(diǎn)2.1.1 生產(chǎn)方法2.1.2 工藝技術(shù)路線的確定 2.2生產(chǎn)流程簡述3.工藝計(jì)算與主要設(shè)備選型3.1 物料衡算3.1.1 計(jì)算的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)3.1.2 計(jì)算基準(zhǔn)3.1.3 各單元物料衡算 3.2熱量衡算3.2.1 計(jì)算的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)3.2.2 物料衡算 3.3 聚合釜的計(jì)算及選

2、型4 工藝控制條件及自控設(shè)計(jì)5.附圖：帶控制點(diǎn)的工藝流程圖（PID） 1工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 1.1.1 設(shè)計(jì)項(xiàng)目年產(chǎn)1.1萬噸順丁橡膠生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)1.1.2 產(chǎn)品規(guī)格 純度為99%的順丁橡膠1.1.3 生產(chǎn)能力 年產(chǎn)1.1萬噸順丁橡膠； 考慮到設(shè)備檢修，年開工時(shí)間為8000小時(shí)； 采用五班三倒制，每班工作8小時(shí)。1.1.4 主要設(shè)計(jì)任務(wù)順丁橡膠生產(chǎn)工藝由聚合工段和后處理工段兩大部分組成，本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)為：（1）聚合釜、終止釜和凝聚釜的物料衡算；（2）聚合釜的熱量衡算；（3）聚合釜的計(jì)算和選型；（4）設(shè)計(jì)出聚合工段帶工藝控制點(diǎn)的工藝流程圖。由于本設(shè)計(jì)為假定設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)任務(wù)中其他項(xiàng)目

3、如：廠區(qū)或廠址、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、原料的供應(yīng)、技術(shù)規(guī)格以及燃料種類、水電汽的主要來源，與其他工業(yè)企業(yè)的關(guān)系，建廠期限、設(shè)計(jì)單位、設(shè)計(jì)進(jìn)度及設(shè)計(jì)階段的規(guī)定等均從略。1.1.5 產(chǎn)品及主要用途 順丁橡膠，全名為順式1,4聚丁二烯橡膠，呈白色或微黃色，簡稱BR，是由丁二烯聚合制得的結(jié)構(gòu)規(guī)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(yōu)異，動(dòng)負(fù)荷下發(fā)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(jù)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。順丁橡膠主要用于輪胎加工行業(yè)。

4、另外還用于輸送帶、傳動(dòng)帶、模壓制品、鞋底、膠鞋及海綿膠等方面。1.1.6 順丁橡膠的生產(chǎn)需求狀況 我國的順丁橡膠生產(chǎn)技術(shù)，不僅建廠成本低、回報(bào)高，而且與國外相比，具有催化劑用量低、反應(yīng)時(shí)間短、聚合反應(yīng)器生產(chǎn)強(qiáng)度高、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長的優(yōu)點(diǎn)，而且產(chǎn)品成本低、質(zhì)量好，尤其耐屈撓性能突出。我國的順丁橡膠投產(chǎn)后，市場(chǎng)占有率隨產(chǎn)量的增加而提高，目前保持在97%以上，出口歐洲、亞洲、非洲等187個(gè)國家和地區(qū)。 我國的順丁橡膠主要用于輪胎、制鞋、高抗沖聚苯乙烯和ABS樹脂的改性等方面。根據(jù)中投顧問發(fā)布的2010-2015中國合成橡膠行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告，輪胎領(lǐng)域需求量約占順丁橡膠總需求量的64.9%，制鞋約占

5、10.2%，高抗沖聚苯乙烯加工改性約占9.7%，膠管、膠帶約占8.8%，其他方面約占6.4%。 順丁橡膠是僅次于丁苯橡膠的世界第二大通用合成橡膠。近年來，由于汽車、高鐵、航空航天等領(lǐng)域發(fā)展迅速，我國順丁橡膠的需求量不斷增加。然而，隨著我國順丁橡膠市場(chǎng)的需求量大幅增長，產(chǎn)能的增長速度卻要低于需求量的增長速度，使得目前我國順丁橡膠市場(chǎng)處于供不應(yīng)求的狀況。1.1.7 設(shè)計(jì)任務(wù)的意義 順丁橡膠在世界七大合成橡膠品種中，產(chǎn)量僅次于SBR，居第二位；在通用橡膠品種中，消耗僅次于NR和SBR，居第三位。目前，全世界30多個(gè)國家和地區(qū)約有50套工業(yè)生產(chǎn)裝置進(jìn)行商品化生產(chǎn)。近十年來，中國橡膠工業(yè)生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展

6、，年遞增速度在8%左右；技術(shù)進(jìn)步顯著，新產(chǎn)品、新工藝、新設(shè)備發(fā)展迅速；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整大有成效。代表輪胎發(fā)展方向的子午線輪胎產(chǎn)量已占總產(chǎn)量的13%，膠鞋的高檔產(chǎn)品已超過膠鞋總產(chǎn)量25%，并開發(fā)了汽車、電子、建筑、家電等行業(yè)配套的大量精細(xì)橡膠制品，產(chǎn)品出口量每年大幅增長。因此，順丁橡膠生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)具有很大的意義。1.2 原輔材料性質(zhì)及技術(shù)規(guī)格表1-1 原輔材料性質(zhì)及規(guī)格表序號(hào)名稱規(guī)格分析方法國家標(biāo)準(zhǔn)備注1丁二烯純度99%；丁烯1%；水值20mg/kg；醛酮總量20mg/kg；二聚物50mg/kg組成水值雜質(zhì)胺值GB/T 13291-20082溶劑油組分：C502.1%;C6057.8%;C7040

7、.1%;餾程60-90；碘值0.2g/100g；水份20mg/kg水值胺值GB1669-963環(huán)烷酸鎳鎳含量78%；水份0.1%；無不皂化物濃度415394三異丁基鋁無懸浮物；活性鋁含量50%濃度420225三氟化硼·乙醚絡(luò)合物BF3含量46%；沸點(diǎn)124.51266乙醇純度95%；含水5%；恒沸點(diǎn)78.2濃度GB/T 6820-199272,6-二叔丁基-4-甲基苯酚熔點(diǎn)6971；游離甲酚0.04%；灰分0.03%；油溶性：合格濃度1.3 產(chǎn)品性質(zhì)及技術(shù)規(guī)格表1-2 產(chǎn)品性質(zhì)及技術(shù)規(guī)格表項(xiàng)目優(yōu)級(jí)品一級(jí)品合格品揮發(fā)份£0.75£1.00£1.30灰分&#

8、163;0.30£0.30£0.30生膠門尼粘度45±545±545±7混煉膠門尼粘度£68£73£73300定伸應(yīng)力MPa25min35min50min6.510.57.011.06.810.86.210.76.711.26.511.06.011.06.511.56.311.3拉伸強(qiáng)度MPa35min³14.2³13.7³13.2伸長率35min³450³430³4301.4危險(xiǎn)性物料的主要物性表1-3 危險(xiǎn)性物料的主要物性序號(hào)物料名稱相對(duì)分子質(zhì)量熔點(diǎn)沸

9、點(diǎn)閃點(diǎn)燃點(diǎn)空氣中的爆炸極限國家標(biāo)準(zhǔn)備注上限下限1丁二烯54.1-109-4.5-7641416.30%1.10%GB/T 13291-20082三異丁基鋁198-5.68604420223溶劑油8620160-23508.70%1.10%GB1669-964乙醇46.1-117791336319%3.30%GB/T 6820-19925三氯化硼乙醚絡(luò)合物142142.512666.744511.10%2%1.5 原材料的消耗定額表1-4 原材料消耗定額表序號(hào)名稱規(guī)格單位消耗量每小時(shí)每年1丁二烯純度99%；丁烯1%；水值20mg/kg；醛酮總量20mg/kg；二聚物50mg/kgkg1659.7

10、99132783922溶劑油組分：C502.1%;C6057.8%;C7040.1%;餾程60-90；碘值0.2g/100g；水份20mg/kgkg6347.191507775283環(huán)烷酸鎳鎳含量78%；水份0.1%；無不皂化物kg0.47838244三異丁基鋁無懸浮物；活性鋁含量50%kg1.20996725三氟化硼·乙醚絡(luò)合物BF3含量46%；沸點(diǎn)124.5126kg1.884150726乙醇純度95%；含水5%；恒沸點(diǎn)78.2kg0.887709672,6-二叔丁基-4-甲基苯酚熔點(diǎn)6971；游離甲酚0.04%；灰分0.03%；油溶性：合格kg13.0211041682. 工藝

11、說明2.1生產(chǎn)方法、工藝技術(shù)路線及工藝特點(diǎn)2.1.1 生產(chǎn)方法溶液聚合生產(chǎn)順丁橡膠工藝過程包括原料精制、引發(fā)劑配制、聚合、回收、凝聚、后處理等工序。催化劑配置聚合單體回收凝聚脫水干燥包裝成品圖2-1 總工藝流程圖2.1.2 工藝技術(shù)路線的確定（1） 聚合方法的確定根據(jù)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，從自由基聚合，陰離子聚合，陽離子聚合，配位聚合等反應(yīng)機(jī)理中確定選擇出配位聚合。同時(shí)考慮配位聚合所用原料、引發(fā)劑、傳熱、物料輸送、產(chǎn)物溶解、回收、操作方式等方面綜合考慮選擇溶液聚合實(shí)施方法。該工藝路線包括反應(yīng)活性中心的形成過程，特殊引發(fā)劑組分的安全防護(hù)，由于溶劑存在而必然要考慮的回收、循環(huán)、利用，反應(yīng)的終止方式，以及產(chǎn)品

12、防老化處理等特點(diǎn)。操作方式選擇連續(xù)操作。最終確定，丁二烯的采用配位聚合法（雙烯烴定向聚合），生產(chǎn)采用連續(xù)式溶液聚合法。（2） 溶劑的選擇可用溶劑有苯、甲苯、甲苯-庚烷和溶劑油等， 不同溶劑對(duì)單體、引發(fā)劑和產(chǎn)物等的溶解能力不同，會(huì)造成聚合體系的粘度不同，因此，對(duì)傳熱、攪拌、回收、生產(chǎn)能力等均有影響。不同的溶劑比較如下：表2-1 順丁橡膠生產(chǎn)所用溶劑的比較溶劑單體溶解能力引發(fā)劑溶解能力膠液粘度比較毒性回收與經(jīng)濟(jì)學(xué)來源苯高好高高容易甲苯高好高高成本高甲苯-庚烷高好較高低成本高溶劑油高一般低無容易廣泛由上表可以看出，選擇溶劑油作為溶劑，除了對(duì)三氟化硼乙醚絡(luò)合物的溶解度稍差，但是對(duì)單體丁二烯與引發(fā)劑環(huán)烷

13、酸鎳和三異丁基鋁的溶解度都很好，尤其是溶劑油可以大大降低膠液的粘度，有利于傳熱和攪拌。（3） 引發(fā)劑的選擇從適合順丁橡膠生產(chǎn)的引發(fā)劑共性入手，如定向能力高、穩(wěn)定性好、易貯存、高效、用量少、易分離及殘存對(duì)產(chǎn)物性能無影響等，對(duì)常用的四大類型引發(fā)劑Li系、Ti系、Co系、Ni系進(jìn)行比較，選擇Ni系引發(fā)劑，其組份主引發(fā)劑為環(huán)烷酸鎳，助引發(fā)劑為以異丁基鋁，第三組分為三氟化硼·乙醚絡(luò)合物。（4） 催化劑陳化方式的選擇國內(nèi)對(duì)上述引發(fā)體系曾采用過三種陳化方式，即三元陳化、雙二元陳化、稀硼單加。通過比較確定最佳方式為稀硼單加。這是目前順丁橡膠工業(yè)制備中普遍采用的催化劑陳化方法 ，該法特點(diǎn)是催化劑活性最

14、高。（5） 終止劑的選擇工業(yè)中常采用工業(yè)乙醇作為終止劑。（6） 防老劑采用2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。（7） 工藝特點(diǎn)說明丁二烯的聚合反應(yīng)熱約為325k/kg，反應(yīng)過程中必須及時(shí)排除反應(yīng)熱。為改善傳熱效果，可采用傳熱面積大的反應(yīng)釜和特種類型的攪拌器。攪拌器常選用螺帶式，有的還帶有刮刀，以強(qiáng)化攪拌。為改善傳熱效果，采用夾套內(nèi)通冷凍鹽水、首釜冷進(jìn)料、次釜補(bǔ)充冷溶劑的方法；攪拌器選用雙螺帶式攪拌器，其徑向與軸向都有較大的攪動(dòng)。2.2生產(chǎn)流程說明溶液聚合生產(chǎn)順丁橡膠工藝過程包括原料精制、引發(fā)劑配制、聚合、回收、凝聚、后處理等工序。具體流程如下：聚合級(jí)丁二烯由泵經(jīng)流量控制與由泵經(jīng)流量控制送來的溶液油

15、在文氏管中混合后，再經(jīng)丁油預(yù)熱（冷）器進(jìn)行預(yù)熱（冷）后，與分別由計(jì)量泵送出的Ni組分、Al組分經(jīng)文氏管混合后的混合物混合，連續(xù)送入聚合釜首釜底入口。B組分由計(jì)量泵送出與稀釋油在文氏管中混合后直接送入聚合釜首釜底入口。聚合釜為不銹鋼制并裝有雙螺帶式攪拌器。物料在首釜反應(yīng)一定時(shí)間后，從釜頂出來進(jìn)入第二釜、第三釜等連續(xù)進(jìn)行聚合反應(yīng)。當(dāng)達(dá)到規(guī)定門尼粘度后，進(jìn)入終止釜用乙醇破壞引發(fā)劑使反應(yīng)終止。從終止釜出來的膠液經(jīng)過濾器進(jìn)入膠液罐，回收部分未反應(yīng)的單體送單體回收罐區(qū)，再經(jīng)精制處理循環(huán)使用；膠液在膠液罐中被混配成優(yōu)級(jí)品的門尼粘度，然后經(jīng)膠液泵送入凝聚釜用0.9MP水蒸汽在攪拌下于熱水中進(jìn)行凝聚。從凝聚釜頂

16、出來的單體和水蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝，入油水分離罐分離出溶劑油和少量單體送回收精制后循環(huán)使用；水經(jīng)液面調(diào)節(jié)閥控制排出，經(jīng)二次凈化處理排入地溝。從凝聚釜底出來的膠粒與循環(huán)熱水顆粒泵送入緩沖罐，經(jīng)1號(hào)經(jīng)振動(dòng)篩分離出膠料去洗膠罐。在洗膠罐中，用4060熱水對(duì)膠粒進(jìn)行洗滌，洗滌后的膠粒經(jīng)2號(hào)振動(dòng)篩分離后，含水量約為40%60%的膠粒送入擠壓機(jī)擠壓脫水。經(jīng)擠壓脫水后，膠粒含水量為8%15%。將其切成細(xì)條形，并進(jìn)入膨脹干燥機(jī)加熱、加壓，達(dá)到膨脹和內(nèi)蒸，進(jìn)一步除去所含的大部分水分，再送入水平紅外干燥箱中干燥，使膠條的含水量降到0.75%以下。干燥合格的膠條經(jīng)提升機(jī)送入自動(dòng)稱量秤，按每塊25kg進(jìn)行壓塊，并用塑料薄

17、膜包好，裝袋封口入庫。3工藝計(jì)算及主要設(shè)備設(shè)計(jì)3.1.物料衡算3.1.1 計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1） 聚合釜工藝參數(shù) 聚合釜進(jìn)料參數(shù)表3-1 聚合釜進(jìn)料參數(shù)一覽表項(xiàng) 目指 標(biāo)丁油濃度13.5g/100ml；溫度：40鎳/?。柋龋?.0×10-5三異丁基鋁/丁（摩爾比）1.0×10-4三氟化硼乙醚絡(luò)合物/?。柋龋?.0×10-4鋁/硼（摩爾比）0.25鋁/鎳（摩爾比）3-8 聚合釜操作參數(shù)表3-2 聚合釜操作參數(shù)一覽表項(xiàng) 目指 標(biāo)聚合系統(tǒng)壓力0.45MPa聚合溫度94聚合時(shí)間4h 原輔材料規(guī)格表3-3 聚合釜原輔材料規(guī)格一覽表項(xiàng) 目指 標(biāo)丁二烯純度：99%，其余按

18、丁烯計(jì)；溶劑油組成2.1%，57.8%，40.1%環(huán)烷酸鎳純度：7.5%三異丁基鋁活性鋁含量：50%三氟化硼乙醚絡(luò)合物BF3含量：46%（2） 終止釜工藝參數(shù) 終止釜進(jìn)料參數(shù)表3-4 終止釜進(jìn)料參數(shù)一覽表項(xiàng) 目指 標(biāo)膠 液組成同聚合釜出料醇/三異丁基鋁（摩爾比）6防老劑/?。ㄙ|(zhì)量比）0.0079 終止釜操作參數(shù)（略） 終止釜原輔材料規(guī)格表3-5 終止釜原輔材料規(guī)格一覽表項(xiàng) 目指 標(biāo)乙醇純度：95%，其余按水計(jì)防老劑/溶劑油（質(zhì)量比）0.179；防老劑溶液防老劑溶液濃度117g/l（3） 凝聚釜工藝參數(shù) 凝聚釜進(jìn)料參數(shù)表3-6 凝聚釜進(jìn)料參數(shù)規(guī)格一覽表項(xiàng) 目指 標(biāo)膠 液組成同終止釜出料水/膠液（

19、體積比）7.5水蒸汽/聚丁二烯（質(zhì)量比）5 凝聚釜操作參數(shù)表3-7 凝聚釜操作參數(shù)一覽表項(xiàng) 目指 標(biāo)循環(huán)水進(jìn)料溫度90凝聚溫度95凝聚壓力0.2MPa（表壓）膠液進(jìn)料溫度20 凝聚釜原輔材料規(guī)格表3-8 凝聚釜原輔材料規(guī)格一覽表項(xiàng) 目指 標(biāo)水蒸汽0.9MPa（表壓）（4） 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)表3-9 物料衡算相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng) 目指 標(biāo)丁二烯總轉(zhuǎn)化率85%丁二烯單耗1.045t/t-p全裝置總收率95.3%；（以1.045噸的100%丁二烯為基準(zhǔn)計(jì)算收率和損耗）全裝置總損耗4.7%，其中：1. 聚合掛膠損失：1%2. 聚合、凝聚的丁二烯機(jī)械泄露損失：0.5%3. 凝聚、振動(dòng)的渣末損失：0.5%4. 油水

20、分離器水相丁二烯溶解損失：2%5. 包裝過程中不合格品及落地?fù)p失：0.7%膠粒含水量0.6（凝聚所得膠粒中的水/膠粒，質(zhì)量比）膠粒含油量0.005（凝聚所得膠粒中的溶劑油/膠粒，質(zhì)量比）聚合釜容積12m3年產(chǎn)量11000t年操作時(shí)間8000h（5） 所需物性數(shù)據(jù)表3-10 物料衡算所需物性數(shù)據(jù)物性數(shù)據(jù)丁烯的密度596kg/m3丁二烯的密度628kg/m3溶劑油密度660kg/m3溶劑油（以正己烷計(jì)）在95時(shí)的汽化熱316.522kJ/kg20-95的平均比熱2.428kJ/kg·沸點(diǎn)86丁二烯續(xù)表3-10 物料衡算所需物性數(shù)據(jù)在95時(shí)的汽化熱131.844kJ/kg20-95的平均比

21、熱2.554kJ/kg·丁烯（以正丁烯計(jì)）在95時(shí)的汽化熱254.139kJ/kg20-95的平均比熱2.679kJ/kg·0.9MPa(表壓)水蒸汽焓H汽2781.71kJ/kg95飽和水焓H水397.75kJ/kg3.1.2計(jì)算基準(zhǔn)由于生產(chǎn)采用連續(xù)式溶液聚合法，因此計(jì)算過程以kg/h為基準(zhǔn)。3.1.3各單元的物料衡算（1） 聚合釜總物料衡算聚合釜物料衡算圖如圖所示：圖3-1 聚合釜物料衡算圖 丁二烯系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，年產(chǎn)順丁橡膠11000t，年操作時(shí)間8000h，可知每小時(shí)順丁橡膠產(chǎn)量：根據(jù)丁二烯單耗可知所需純丁二烯質(zhì)量流量為：扣除機(jī)械損失以及溶解損失，應(yīng)有聚丁二烯：

22、根據(jù)總轉(zhuǎn)化率85%可知應(yīng)需純丁二烯質(zhì)量流量為本工藝采用中國石化上海石油化工股份有限公司生產(chǎn)的工業(yè)用丁二烯（優(yōu)級(jí)品，執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 012.01.13-1999）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.3%，其余按正丁烯計(jì)算，可知，所需原料丁二烯為：隨原料夾帶的正丁烯為：根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，總結(jié)于下表中表3-11 進(jìn)料丁二烯用量組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%kg/ht/am3/h丁二烯99.31648.18013185.442.658正丁烯0.711.61992.9520.0195合計(jì)1001659.79913278.3922.6775 溶劑油系統(tǒng)已知丁二烯質(zhì)量流量為1659.799kg/h，體積流量2.6775m3/h，丁油濃度

23、為13.5g/100ml，即為135kg/m3，溶劑油密度660kg/m3，因而可得所需溶劑油質(zhì)量： 引發(fā)劑系統(tǒng)引發(fā)劑采用鎳催化劑體系，成分為環(huán)烷酸鎳三異丁基鋁三氟化硼乙醚絡(luò)合物，主要計(jì)算公式為：a) 環(huán)烷酸鎳（主引發(fā)劑）已知鎳/?。柋龋?，純度為7.5%，可知環(huán)烷酸鎳質(zhì)量流量：鎳組分摩爾流量：b) 三異丁基鋁（助引發(fā)劑，Al(i-C4H9)3）已知三異丁基鋁/?。柋龋?，活性鋁含量50%三異丁基鋁質(zhì)量流量：摩爾流量：c) 三氟化硼乙醚絡(luò)合物（第三組分，BF3O(C2H5)2）已知三氟化硼乙醚絡(luò)合物/?。柋龋椋珺F3含量為46%，可知：三氟化硼乙醚絡(luò)合物質(zhì)量流量：摩爾流量：根據(jù)上

24、述結(jié)果可知，而由文獻(xiàn)可知，當(dāng)Al/Ni=38，Al/B=0.30.7（均為摩爾比），催化劑活性最高，因此可知此配方滿足工藝要求。 聚丁二烯系統(tǒng)由總轉(zhuǎn)化率85%可知生成的聚丁二烯為：由于存在掛膠損失，損失量為：去終止釜的聚丁二烯為：未反應(yīng)的丁二烯質(zhì)量流量：根據(jù)上述結(jié)果可得聚合釜總物料衡算，列于表3-12表3-12 聚合釜總物料衡算表序號(hào)組分kg/ht/aw%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）進(jìn)料1丁二烯1648.18013185.44020.5752丁烯11.61992.9520.1453溶劑油6347.19150777.52879.2354環(huán)烷酸鎳0.4783.8240.0065三異丁基鋁1.2099.6720.0

25、156三氟化硼乙醚絡(luò)合物1.88415.0720.0247合計(jì)8010.56164084.488100出料1去終止釜聚丁二烯1386.58411092.67217.3092未反應(yīng)的丁二烯247.2271977.8163.0863丁烯11.61992.9520.1454掛膠損失14.369114.9520.1795溶劑油6347.19150777.52879.2356三種引發(fā)劑3.57128.5680.0457合計(jì)8010.56164084.488100（2） 聚合釜數(shù)量的確定以及各釜物料衡算 聚合釜數(shù)量的確定由聚合釜物料衡算可得丁二烯進(jìn)料量，丁油濃度，聚合時(shí)間T=4h，因而可得聚合總?cè)莘e為：需

26、12聚合釜臺(tái)數(shù)：，圓整為4臺(tái)。 各釜轉(zhuǎn)化率的確定根據(jù)合成橡膠工業(yè)第七卷（1984）P67中內(nèi)容知：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：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)速率常數(shù)之間的關(guān)系如下（假設(shè)各釜停留時(shí)間相同）：，可知： 其中：CAN第N臺(tái)釜內(nèi)反應(yīng)物濃度，mol/L；CA0反應(yīng)物初始濃度，mol/L；CA(N-1)第N-1臺(tái)釜內(nèi)反應(yīng)物濃度，mol/L；XNN臺(tái)釜累積轉(zhuǎn)化率；xN第N臺(tái)釜轉(zhuǎn)化率；k聚合反應(yīng)表觀速率常數(shù)，min-1；平均停留時(shí)間，min；N連續(xù)槽式反應(yīng)器臺(tái)數(shù)；C0主催化劑的濃度，mol/L；kp鏈增長速度常數(shù)，L/

27、(mol·min)；T反應(yīng)溫度，K；催化劑利用率（在94下，取27%）為便于計(jì)算，按等溫等容處理，取總轉(zhuǎn)化率為85%；各釜停留時(shí)間相同；反應(yīng)溫度為94，C0=，則可計(jì)算得由于總轉(zhuǎn)化率為85%，即XN=85%，可求得平均停留時(shí)間為由于各釜停留時(shí)間相同，由各釜轉(zhuǎn)化率計(jì)算公式可知各釜轉(zhuǎn)化率相同，現(xiàn)計(jì)算首釜的轉(zhuǎn)化率：（3） 終止釜總物料衡算終止釜物料衡算圖如圖所示：終止釜膠料（去凝聚釜）聚合來的膠液終止劑乙醇防老劑246圖3-2 終止釜物料衡算圖根據(jù)上述結(jié)果可得聚合釜總物料衡算，列于表3-13。表3-13 終止釜總物料衡算表序號(hào)組分kg/ht/aw%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）1膠液7996.192 639

28、69.536 98.928 進(jìn)2終止劑0.887 7.096 0.011 3防老劑13.021 104.168 0.161 料4帶入溶劑72.741 581.928 0.900 5合計(jì)8082.841 64662.728 100.000 6丁烯11.619 92.952 0.144 7丁二烯247.227 1977.816 3.059 出8三種引發(fā)劑3.571 28.568 0.044 9溶劑油6419.932 51359.456 79.427 料10干膠1386.584 11092.675 17.155 11終止劑0.887 7.096 0.011 12防老劑13.021 104.168 0

29、.161 13合計(jì)8082.841 64662.731 100.000 （4） 凝聚釜總物料衡算凝聚釜物料衡算圖如圖所示：凝聚釜溶劑油、丁二烯、丁烯、水蒸氣（去油水分離器）機(jī)械損失渣末損失熱水、膠粒（去振動(dòng)篩）膠液熱水0.9MPa的水蒸氣圖3-3 凝聚釜物料衡算圖膠液：熱水：機(jī)械損失：所以去振動(dòng)篩的膠粒量：列方程:整理并代入數(shù)據(jù)得，解得，進(jìn)入凝聚釜的水蒸氣總量：計(jì)算氣化量：計(jì)算汽化熱：水蒸氣冷凝放熱：水蒸氣冷凝的焓：水蒸氣冷凝量：去汽水分離器的水蒸氣量：去振動(dòng)篩的水量：表3-14 凝聚釜總物料衡算表序號(hào)組分kg/ht/aw%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）1膠液8082.84164662.7287.456進(jìn)2熱水

30、93458.000747664.00086.213料3水蒸氣6862.87054902.9606.3314總計(jì)108403.711867229.688100.0001膠粒3507.67128061.3683.236振2三種引發(fā)劑3.57128.5680.003動(dòng)3終止劑0.8877.0960.001出篩4水93548.763748390.10786.2975總計(jì)97060.892776487.13989.537油1溶劑油6402.39451219.1525.906水2丁二烯245.9911967.9280.227分3丁烯11.61992.9520.011離4水蒸氣4667.50437340.0

31、324.306料器5總計(jì)11327.50890620.06410.449機(jī)1丁二烯損失1.2369.8880.001械2聚丁二烯損失14.010112.0800.013損3防老劑損失0.0650.5200.000失4總計(jì)15.311122.4880.014合計(jì)108403.711867229.691100.0003.2.熱量衡算3.2.1 計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1) 聚合釜物料衡算表；（2) 聚合時(shí)間：4h；（3) 實(shí)用聚合釜臺(tái)數(shù)：4臺(tái)（以4臺(tái)為例）；（4) 聚合溫度：94（5) 冷卻鹽水：入口溫度-12，出口溫度-8。（6) 反應(yīng)釜夾套換熱面積A=27m2；（7) 丁二烯聚合反應(yīng)熱H反 = -13

32、81 kJ/kg（8) 溶劑油組成及物性數(shù)據(jù)：表3-15 溶劑油組成表n-C5H12n-C6H14n-C7H16合計(jì)Wi%2.157.840.1100Xi%2.5961.5435.87100Mi7284100表3-16 溶劑油物性數(shù)據(jù)表物性n-C5H12n-C6H14n-C7H16溶劑油數(shù)據(jù)來源計(jì)算公式密度r549590620601化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)下633頁比熱容CpkJ/(kg·)3.07672.62042.48232.6168化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)下645頁熱導(dǎo)率lW/(m·)0.08610.09070.09890.0942化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)下680頁（9) 丁烯、丁二烯物性數(shù)

33、據(jù)：表3-17 丁烯、丁二烯物性數(shù)據(jù)表定性溫度密度r比熱容CpkJ/(kg·)熱導(dǎo)率lW/(m·)數(shù)據(jù)來源C4H89410102.00010.1396化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)下634、645、681頁C4H6944802.97210.08374化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)下634,、645、681頁（10) 順丁橡膠物性數(shù)據(jù)：表3-18 順丁橡膠物性數(shù)據(jù)表定性溫度密度r比熱容CpkJ/(kg·)熱導(dǎo)率lW/(m·)數(shù)據(jù)來源順丁橡膠944802.97210.08374合成橡膠工業(yè)第七卷(1984)P69（11) 冷凍鹽水物性數(shù)據(jù)：表3-19 冷凍鹽水物性數(shù)據(jù)表定性溫度密度r比

34、熱容CpkJ/(kg·)熱導(dǎo)率lW/(m·)數(shù)據(jù)來源CaCl2-1012452.85900.4885化工手冊(cè)2070頁（12) 根據(jù)各釜純轉(zhuǎn)化率計(jì)算的各釜的物料組成，然后求得各釜的物性數(shù)據(jù)： 各釜轉(zhuǎn)化率的計(jì)算：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：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：式中CAN 第N臺(tái)釜內(nèi)反應(yīng)物的濃度；mol/LCA0 反應(yīng)物初始濃度； mol/L第N臺(tái)釜內(nèi)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率；k

35、 聚合反應(yīng)表觀速度常數(shù)； 平均停留時(shí)間；minN連續(xù)槽式反應(yīng)器的臺(tái)數(shù)；C0 主催化劑的濃度；mol/Lkp鏈增長速度常數(shù)；L/(mol·min)P· 活性鏈總濃度；mol/LT反應(yīng)溫度；Ka催化劑利用率(在94下，a27)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、，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)第八章第四節(jié)計(jì)算實(shí)例2，取C0 mol/L，將計(jì)算結(jié)果整理得到下表。表3-20 各釜純轉(zhuǎn)化率與累積轉(zhuǎn)化率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

36、X()累積X()37.8137.8123.5161.3214.6275.949.185.04各釜物料組成：總進(jìn)料：其中，丁二烯1648.180kg/h；丁烯11.619kg/h；溶劑油6347.191kg/h.根據(jù)各釜轉(zhuǎn)化率計(jì)算各釜的物料組成如下：表3-21 各釜的物料組成物第一釜第二釜第三釜第四釜料kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)kg/hW(%)溶劑油6347.19179.276347.19179.276347.19179.276347.19179.27丁 烯11.6190.1511.6190.1511.6190.1511.6190.15丁二烯1024.82312.80637

37、.3367.96396.3724.95246.3883.08聚丁二烯623.1777.781010.66412.621251.62815.631401.61217.51表3-22 各釜物性數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果表釜號(hào)溫度組分密度r比熱容CpkJ/(kg·)熱導(dǎo)率lW/(m)門尼粘度動(dòng)力粘度mPas一94膠液606.82.57440.0956503.5二94膠液624.22.52830.0986507.5三94膠液635.52.50320.10054511.0四94膠液642.82.48650.10164518.0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?jiǎng)恿φ扯取?. 各釜對(duì)流傳

38、熱系數(shù)a和傳熱系數(shù)K的計(jì)算1) 夾套內(nèi)冷卻鹽水的對(duì)流傳熱系數(shù)a1計(jì)算基本方程式：1=NulNu=0.027Re0.8Pr0.33w0.14式中a1 夾套對(duì)流傳熱系數(shù)，；Nu 努塞爾準(zhǔn)數(shù)；Re 雷諾準(zhǔn)數(shù)； 傳熱面的特征尺寸，m；l 流體的熱導(dǎo)率，；u 流體的流速，m/s；r 流體的密度，；m 流體的粘度，Pa·s；Cp 流體的比熱容，J/(kg·)；mw 流體在壁溫條件下的粘度，Pa·s圖 螺旋導(dǎo)流板查化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)上冊(cè)P301表4-14，取冷卻鹽水在螺旋導(dǎo)流板中的流速為1.5 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

39、內(nèi)螺旋導(dǎo)流板的幾何尺寸上圖所示。則傳熱面特征尺寸為：那么：Pr = Re = 由于0<Pr<100 Re>10000，所以：計(jì)算時(shí)取 = W/(m2·)因鹽水在彎曲的螺旋導(dǎo)流板中流動(dòng)，所以要對(duì)a1進(jìn)行修正。查基礎(chǔ)化學(xué)工程上冊(cè)P172修正公式為：式中R 曲率半徑，設(shè)計(jì)取916mm。W/(m2·)2) 釜內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)a2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：1 < Re < 1000時(shí)：Re > 1000時(shí)： 考慮葉輪與槽壁間隙大小對(duì)傳熱的影響時(shí)： 攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)式中d 攪拌葉輪直

40、徑，m；n 攪拌轉(zhuǎn)數(shù)，r/s；D 聚合釜內(nèi)徑，m。設(shè)計(jì)中?。篋1.8m；d0.95D1.71m；n59r/min。根據(jù)以上公式計(jì)算各釜的a2，以1號(hào)釜為例計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù) 將各釜計(jì)算結(jié)果列入下表：表3-23 各釜對(duì)流給熱系數(shù)a2計(jì)算結(jié)果釜號(hào)RePrNu1498.5194251.0461677.238589.082239.31192314.911666.369291.283166.12273982.091660.119492.694102.68440521.651656.673293.51 3) 各釜總傳熱系數(shù)K的計(jì)算聚合釜壁剖面圖如圖9-9所示，由于，所以按基礎(chǔ)化學(xué)工程上冊(cè)P180式3-58計(jì)

41、算各釜K值。聚合釜壁剖面圖已知各釜的a1和a2，另外，計(jì)算時(shí)：掛膠厚度，；釜壁厚度，；取水垢厚度，查基礎(chǔ)化學(xué)工程上冊(cè)P180表3-9得25CaCl2鹽水的垢層系數(shù)。則可以計(jì)算出各釜的K值，以1號(hào)釜為例對(duì)2號(hào)釜、3號(hào)釜、4號(hào)釜而言，取掛膠厚度為1mm，其它數(shù)據(jù)同釜1。則各釜計(jì)算結(jié)果列入下表中：表3-24 各釜K值計(jì)算結(jié)果表釜?jiǎng)ea1d1l1d2l2ada2K1221.9430.010.13960.01617.4451395.689.0811.242221.9430.0010.13960.01617.4451395.691.2841.223221.9430.0010.13960.01617.4451

42、395.692.6941.504221.9430.0010.13960.01617.4451395.693.5141.672. 各釜熱量衡算1) 計(jì)算基準(zhǔn) 數(shù)量基準(zhǔn)：kJ/h；基準(zhǔn)溫度：0；反應(yīng)釜夾套換熱面積取A=27m22) 總熱量衡算圖如下：總熱量衡算圖3) 各釜熱量衡算關(guān)系式：1號(hào)釜 Q1入Q1反Q1攪Q1沖入Q1出Q1沖出Q1夾2號(hào)釜 Q2入Q2反Q2攪Q2沖入Q2出Q2沖出Q2夾3號(hào)釜 Q3入Q3反Q3攪Q3沖入Q3出Q3沖出Q3夾4號(hào)釜 Q4入Q4反Q4攪Q4沖入Q4出Q4沖出Q4夾4) 攪拌熱根據(jù)資料介紹，攪拌熱與膠液粘度大小有關(guān)。粘度大，攪拌熱就大。設(shè)計(jì)中取1號(hào)釜電機(jī)功率的70

43、、2釜電機(jī)功率的75、3號(hào)釜電機(jī)功率的80及4號(hào)釜電機(jī)功率的85用于形成攪拌熱。各釜攪拌功率計(jì)算如下：攪拌器型式的確定，丁二烯溶液聚合生產(chǎn)順丁橡膠中，隨著單體轉(zhuǎn)化率的提高，體系的動(dòng)力粘度逐漸增加，一般從幾十厘泊增加到幾萬厘泊，為此要從適合高粘度液體的錨式、框式、螺桿式及雙螺帶式等攪拌器中進(jìn)行選擇。目前，國內(nèi)有的生產(chǎn)廠家主要采用首釜為框式，其余為雙螺帶式，本設(shè)計(jì)中根據(jù)1998年第1期合成橡膠工業(yè)“順丁橡膠技術(shù)開發(fā)中的幾個(gè)工程放大問題”中所分析的框式攪拌器，在使用中存在因湍流程度不夠而造成釜內(nèi)溫度上下不均及混合分散程度差的缺點(diǎn)，決定全部采用雙螺帶式攪拌器，攪拌轉(zhuǎn)速為59 r/min，其它幾何參數(shù)如

44、下圖所示。查攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)P59知，當(dāng)雙螺帶式攪拌器的幾何參數(shù)為：0.98；5.5；2.5；時(shí)，同時(shí)，其功率準(zhǔn)數(shù)：在層流區(qū)操作時(shí)，當(dāng)Re > 100時(shí)： 很據(jù)各釜的Re值選取合適的Np計(jì)算公式，然后，再按下式求出攪拌功率。查攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)P161知，電機(jī)功率為：采用機(jī)械密封時(shí)： 15%)式中H 聚合釜筒體高度，m；D 聚合釜筒體內(nèi)徑，m；h 攪拌器攪拌葉總高度，m； di 攪拌葉外徑，m；s 攪拌葉螺距，m； b 攪拌葉寬度，m；Re 攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)；Np 攪拌功率準(zhǔn)數(shù)；P 攪拌功率，KW；r 液體密度，；n 攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；g 重力加速度，；Pa 電機(jī)功率，KW；Pm 軸密封系統(tǒng)摩擦損失功

45、率，KW；h 機(jī)械傳動(dòng)效率，KW；(一般h0.950.98)P填 填料密封系統(tǒng)摩擦損失功率，KW；根據(jù)以上公式計(jì)算各釜Pa和P并將結(jié)果列入下表，計(jì)算中?。海?P填0.1P；Pm0.15P填；h0.95表3-25 各釜的P和Pa表釜號(hào)ReNpP/KWPa/KW1號(hào)4981.512.07317.48018.682號(hào)239.312.64122.90424.473號(hào)166.122.97926.30328.104號(hào)112.683.49231.18633.32 各釜所配電機(jī)應(yīng)該一樣，因此取上表中最大的電機(jī)功率，同時(shí)考慮1.65的備用系數(shù)，由此確定實(shí)際電機(jī)功率55。5) 各釜熱量衡算A. 1號(hào)釜熱量衡算（目

46、的確定進(jìn)料溫度T1） Q1入G·Cp·T1= Q1反x·G丁二烯·DH反 Q1攪攪拌功率´0.70´3600 Q1沖入0 （首釜不沖冷油） Q1夾0（因?yàn)槭赘獟炷z嚴(yán)重，傳熱系數(shù)較小，故不用夾套移熱） Q1出G·Cp·(T2T1) Q1沖出0由1號(hào)釜熱量平衡關(guān)系式知：Q1入Q1出(Q1反Q1攪)根據(jù)上式可解得T1=52B. 2號(hào)釜熱量衡算（目的確定沖冷油量） Q2入Q1出 =1938504.494kJ/h Q2反x·G丁二烯·DH反 Q2攪攪拌功率´0.75´3600 Q2沖入

47、0 (T2沖0) Q2出Q2入=1938504.494kJ/h Q2夾K2·A2·Dtm2已知：冷卻鹽水 t進(jìn)-12，t出-8，可求得Dtm2和Q2夾Dt1Tt進(jìn)94(12)106Dt2Tt出94(8)102K241.22 取A227則Q2夾41.22´27´104´3.6416684.74 kJ/h由熱量平衡關(guān)系式知：Q2沖出Q2反Q2攪Q2夾根據(jù)Q2沖出和Q2夾求出冷抽余油用量和冷卻鹽水用量:冷抽余油用量：冷卻鹽水用量：C. 3號(hào)釜熱量衡算（目的確定沖冷油量） Q3入Q2出Q2沖出Q3出 Q3反x·G丁二烯·DH反 Q3攪攪拌功率´0.80´3600 Q3夾K3·A3·Dtm3419515.2 kJ/h Q3沖入0（T3沖0）由熱量平衡關(guān)系式知：Q3沖出Q3反Q3攪Q3夾