順丁烯橡膠.doc

1 目錄目錄 前言 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 2 1 1 項(xiàng)目 2 1 2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 2 1 3 設(shè)計(jì)規(guī)模 2 1 4 設(shè)計(jì)依據(jù) 2 1 5 產(chǎn)品方案 2 2 工藝路線及流程圖設(shè)計(jì) 2 2 1 聚合車(chē)間工藝流程方框圖 2 2 2 聚合車(chē)間工藝流程簡(jiǎn)述 3 3 工藝生產(chǎn)環(huán)境 3 3 1 工藝狀況 系統(tǒng)含氧含水量要盡量低 3 3 2 設(shè)備狀況 兩種不同壓力并存 3 4 順丁橡膠聚合釜的設(shè)計(jì)概述 3 4 1 設(shè)計(jì)原則 3 4 2 內(nèi)件流程 3 5 衡算計(jì)算 4 5 1 聚合物料衡算 4 5 2 能量衡算 5 5 參考文獻(xiàn) 7 設(shè)計(jì)感想 7 前言前言 近年來(lái) 隨著我國(guó)汽車(chē) 輪胎和橡膠制品工業(yè)的快速發(fā)展 拉動(dòng)和刺激著 我國(guó)合成橡膠工業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展 合成橡膠的產(chǎn)量已成為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的標(biāo) 志之一 合成橡膠種類(lèi)繁多 一般分為丁苯橡膠 順丁橡膠 BR 聚異戊二 烯橡膠 IR 乙丙橡膠 丁腈橡膠 丁基橡膠 氟橡膠 硅橡膠和聚氨酯橡膠 等九種 1 其中的一些生產(chǎn)工藝已很成熟 順丁橡膠生產(chǎn)工藝 順丁橡膠生產(chǎn)工藝 CH2 CH CH CH2 n全名為順式 1 4 聚丁二烯橡膠 簡(jiǎn)稱(chēng) BR 由丁二烯單體聚合制得的結(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(lèi) 二十多年來(lái) 我國(guó)科研工作者在 這領(lǐng)域里不斷探索前進(jìn) 使其生產(chǎn)技術(shù)不斷完善 2 1 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 1 11 1 項(xiàng)目項(xiàng)目 年產(chǎn) 1 8 萬(wàn)噸順丁橡膠聚合工段工藝設(shè)計(jì) 1 21 2 設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容 車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 聚合釜工藝設(shè)計(jì) 1 31 3 設(shè)計(jì)規(guī)模設(shè)計(jì)規(guī)模 年產(chǎn) 1 8 萬(wàn)噸 生產(chǎn)日 300 天 日生產(chǎn)能力 18000 300 60 噸 天 1 41 4 設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù) 該設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是依據(jù)岳陽(yáng)巴陵石化股份有限公司 513 片區(qū)的生產(chǎn) 技術(shù)資料的基礎(chǔ)上 并結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的內(nèi)容年產(chǎn) 1 8 萬(wàn)噸順丁橡膠和生產(chǎn)管 理規(guī)范的相關(guān)文件而設(shè)計(jì)的 1 51 5 產(chǎn)品方案產(chǎn)品方案 產(chǎn)品名稱(chēng) 順丁橡膠 丁二烯橡膠 BR 9000 化學(xué)名稱(chēng) 順式 1 4 聚丁二烯橡膠 英文名 Cis 1 4 Polybutadiene Rubber 分子式 CH2 CH CH CH2 n 分子量 一般在 20 萬(wàn)以上 2 性質(zhì) 順丁橡膠為白色或淺黃色彈性體 性能和天然橡膠相近 是一種優(yōu)良的 通用橡膠 其結(jié)構(gòu)式為 順式 1 4 結(jié)構(gòu)在聚合鏈中含量 在 90 以上的聚丁二烯才具有良好的彈性 2 2 工藝路線及流程圖設(shè)計(jì) 工藝路線及流程圖設(shè)計(jì) 2 1 聚合車(chē)間工藝流程方框圖聚合車(chē)間工藝流程方框圖 從首釜側(cè)加入 硼催化劑 防老劑 催化劑混合 膠液罐反應(yīng)末釜 后三釜 反應(yīng)首釜 第一釜 混合 預(yù)冷器 丁二烯 油 溶劑 圖 1 聚合車(chē)間工藝方框圖 3 2 2 聚合車(chē)間工藝流程簡(jiǎn)述聚合車(chē)間工藝流程簡(jiǎn)述 該聚合車(chē)間工藝流程包括丁二烯原料預(yù)處理 催 化劑的配制和聚合反應(yīng)兩部分 2 2 1 丁二烯原料預(yù)處理丁二烯原料預(yù)處理 丁二烯自單體車(chē)間送入丁二烯貯罐經(jīng)分析合格 用丁二 烯泵送到聚合工序 不合格則用丁二烯泵送回單體車(chē)間 2 2 3 聚合反應(yīng)工序聚合反應(yīng)工序 預(yù)處理好的丁二烯和熔劑油分 A B 兩條生產(chǎn)線經(jīng)丁油預(yù)冷器預(yù)冷到 一定溫度后與經(jīng)文式混合器混合的 Al Ni 催化劑混合后從首釜底部進(jìn)入 由油 硼系統(tǒng)送 來(lái)的三氟化硼乙醚絡(luò)合物催化劑從首釜的下側(cè)壁進(jìn)料入釜 在攪拌和一定溫度下進(jìn)行連續(xù) 聚合反應(yīng) 并控制最終轉(zhuǎn)化率為 85 以上 在聚合反應(yīng)的末釜后的出膠管線里加入防老劑 溶液 經(jīng)靜態(tài)混合器混合送至膠液貯罐配膠 3 3 工藝生產(chǎn)環(huán)境 工藝生產(chǎn)環(huán)境 3 13 1 工藝狀況 系統(tǒng)含氧含水量要盡量低 工藝狀況 系統(tǒng)含氧含水量要盡量低 聚合反應(yīng)是單體 丁二烯 在催化劑作用下聚合成高分子化合物 丁二烯 橡膠 BR 9000 的化學(xué)過(guò)程 本工藝采用鎳體系催化劑 即 環(huán)烷酸鎳 三 異丁基鋁 三氟化硼乙醚絡(luò)合物 3 23 2 設(shè)備狀況設(shè)備狀況 兩種不同壓力并存 兩種不同壓力并存 本工段有兩種操作壓力 一種是反應(yīng)壓力為 0 4 MPa 即聚合首釜氮?dú)獗?部分 另一種壓力 0 2 0 3 Mpa 即反應(yīng)末釜的氮?dú)獗翰糠?兩種不同且相 差不大的壓力系統(tǒng)同時(shí)存在又彼此緊密相連 二 三 四釜的壓力控制主要是 通過(guò)反應(yīng)首釜來(lái)調(diào)節(jié) 通過(guò)氮?dú)鈮毫⑽锪蠌那耙桓捻敳繅撼鰪暮笠桓牡?部進(jìn)入 隨著壓力的分流 后一釜的壓力總比前一釜要低 0 05 0 1Mpa 這樣 用壓力降保證物料在系統(tǒng)管道中流動(dòng)暢通 4 順丁橡膠聚合釜的設(shè)計(jì)概述 4 14 1 設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則 1 聚合釜的生產(chǎn)能力高 能夠滿足高負(fù)荷生產(chǎn)的需要 2 盡可能使催化劑的功效達(dá)到最大 3 催化劑的溫度易于調(diào)節(jié) 能夠滿足合成動(dòng)力學(xué)的要求 盡量使溫度曲線接近最 適宜溫度曲線 4 催化劑在釜內(nèi)能有效地與反應(yīng)物料混勻 6 換熱器的傳熱面積大 換熱效果好 7 反應(yīng)熱易于通過(guò)冷卻水散到大氣中 8 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 運(yùn)行可靠 進(jìn)催化劑方便內(nèi)件各部分的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 材質(zhì)的選用 必須合理 盡量避免產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力和內(nèi)漏 焊接件的自由脹等問(wèn)題 4 24 2 內(nèi)件流程內(nèi)件流程 依據(jù)上述設(shè)計(jì)原則 選擇內(nèi)件流程如下 丁油與 Al Ni 催化劑混合后 從聚合釜的底 部進(jìn)入 在釜內(nèi)停留反應(yīng) 釜夾套間充有冷卻鹽水 7 及時(shí)帶走反應(yīng)產(chǎn)生的熱量 待 釜內(nèi)充滿物料時(shí) 在壓力的作用下 物料從反應(yīng)釜的頂部流出 又從底部進(jìn)入下一釜 如 此一直到物料從最后的反應(yīng)釜末釜流出 到膠液罐 4 5 衡算計(jì)算 5 15 1 聚合物料衡算聚合物料衡算 1 順丁橡膠的日產(chǎn)量 60 噸 天 年產(chǎn)量 年生產(chǎn)天數(shù) 18000 300 噸 天 2 順丁橡膠的流量 M 2500kg h 順丁橡膠天產(chǎn)量 天生產(chǎn)小時(shí)數(shù) 60000kg 24h 3 單線順丁橡膠的流量 1250kg h 順丁橡膠總流量 生產(chǎn)線數(shù) 2500kg h 2 4 單線順丁橡膠的摩爾流量 單線順丁橡膠流量 順丁橡膠摩爾質(zhì)量 1250kg h 200000 kg kmol 0 00625kmol h 為便于計(jì)算順丁橡膠分子量取 20 萬(wàn) 5 催化劑 反應(yīng)方程 n CH2 CH CH CH2 CH2 CH CH CH2 n 6 n 3704 順丁橡膠分子量 順丁橡膠單體分子量 200000 54 8 根據(jù)化學(xué)式計(jì)量關(guān)系可得 單線丁二烯的摩爾流量 28 94 kmol h 0 00625kmol h 3704 0 8 9 單線丁二烯的流量 丁二烯摩爾流量 丁二烯摩爾質(zhì)量 28 94kmol h 54kg kmol 1562 63kg h 10 查資料有 20 的丁二烯中有 50 反應(yīng)生成反式 1 4 聚丁二烯橡膠 30 的為 1 2 配位副產(chǎn)物 5 為其它副產(chǎn)物 還有 15 為未反應(yīng)的丁二烯 12 參與反式配位聚合的丁二烯摩爾流量 28 94kmol h 0 2 0 5 2 89kmol h 參與反式配位聚合的丁二烯質(zhì)量流量 2 89kmol h 54kg kmol 156 28kg h 13 參與 1 2 配位的丁二烯摩爾流量 28 94kmol h 0 2 0 3 1 74kmol h 參與 1 2 配位的丁二烯質(zhì)量流量 1 74kmol h 54kg kmol 93 77 kg h 14 參與生成其它副產(chǎn)物的丁二烯摩爾流量 28 94kmol h 0 2 0 05 0 29 kmol h 參與生成其它副產(chǎn)物的丁二烯質(zhì)量流量 0 29 kmol h 54kg kmol 15 63 kg h 5 15 根據(jù)質(zhì)量守恒定律 有反式配位聚合副產(chǎn)物的質(zhì)量流量等于參與反式配位 聚合的丁二烯質(zhì)量流量 即1 2 配位聚合副產(chǎn)物的質(zhì)量流156 28kg hm s反式聚合 量等于參與 1 2 配位的丁二烯質(zhì)量流量 即其它副產(chǎn)物 1 2 93 77 kg h s m 配位聚合 的質(zhì)量流量等于參與生成其它副產(chǎn)物的丁二烯質(zhì)量流量 即15 63 kg h s m 其它 30 未反應(yīng)的丁二烯摩爾流量 28 94kmol h 0 2 0 15 0 87kmol h 未反應(yīng)的丁二烯質(zhì)量流量 0 87kmol h 54kg kmol 46 88 kg h 5 25 2 能量衡算能量衡算 聚合速度表達(dá)式 0 P d M KCM dt 0 PP KKPKC 0 PC 式中 為聚合速度 為鏈增長(zhǎng)速率常數(shù) 為的起 d M dt P K 0 C 2 Ni naph 始濃度 為活性中心濃度 為轉(zhuǎn)化成活性中心的環(huán)烷酸鎳的百分?jǐn)?shù) P 稱(chēng)催化劑的有效利用率 因 K 值與活性中心數(shù)目成正比 因此可用 K 值表示催 化體系的聚合活性 由 K 值表達(dá)的聚合反應(yīng)速度式為 式中 為 t 時(shí)間時(shí)的丁二烯單體濃度 值是與聚合體系中 d M K M dt MK 的活性鏈數(shù)目有關(guān)的數(shù)值 值為常數(shù) 表示該體系在聚合過(guò)程中活性中心數(shù)K 目基本上保持不變 查有關(guān)研究文獻(xiàn) 聚合反應(yīng)速度與聚合溫度間的關(guān)系如下圖 3 103 153 203 253 30 0 7 0 8 0 9 1 0 1 1 1 2 1 3 3 logK 1 T X103 圖 2 聚合速度常數(shù) K 聚合溫度 1 T 關(guān)系曲線 取兩點(diǎn) 3 1 1 25 3 3 0 72 求得該直線方程為 6 其中 以反應(yīng)首釜反應(yīng)為例 該聚合釜2 59YX 3 1 10X T 3lgYK 反應(yīng)溫度為 70 計(jì)算有 代入方程 中得 故有343TK 2 9X 1 75Y 由于丁二烯的轉(zhuǎn)化率為80 則 1 0 056Ks C 00 1 0 2 MCMM 所以 0 0 15 2 78 54 kg L Mmol L kg kmol 00 1 0 2 0 2 2 780 56 MCMMmol L 其聚合反應(yīng)速度為 0 056 0 560 031 A d M rK MmolL s dt 聚合釜內(nèi)各物料反應(yīng)產(chǎn)生熱量 3 聚丁二烯聚合熱 1398 4 kJ kg m Q 故 298K 時(shí)聚合放熱為 1250kg h 1398 4 kJ kg 1748000 298 Q msQ m kJ h 485 56 kJ s 對(duì)于氣態(tài)丁二烯的熱容 溫度關(guān)聯(lián)式為 234 01234Pm CaaTa Ta Ta T 查表 4 有 溫度范圍 50 1000 0 3 607a 31 1 5 085 10aK 52 2 8 253 10aK 83 3 12 371 10aK 114 4 5 321 10aK 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得 方便計(jì)算忽略后幾項(xiàng) 3704 5 298 343 1 H Pm CdT 2288 21 298 352 343 3704 3 6075 085 108 253 10 TTdT KJ mol 對(duì)于聚丁二烯 代入數(shù)據(jù)計(jì)算得 352 9 299 789 102 456 10 Pm CTT 2282 814 343 298 2 H 343 352 298 9 299 789 102 456 10 Pm CdTTTdT kJ mol 該聚合釜的有效體積所以 3 22 2 mVR r Q RA VHr 1 298 Q RA VHr 2 molKJLsLmol 21 2288 1022 2 031 0 3 3 55sKJmolKJ 56 485 14 2282 1 kJ s 反應(yīng)物系溫度 反應(yīng)開(kāi)始溫度 所以 343TK 0 303TK 11 00 8 04 10 805 343303 pm m cTTmol sJ molKKK 1 3 47kJ s 7 系統(tǒng)總傳熱系數(shù) 忽略污垢熱阻 18 K 22 211 111 m ddb Kdd 查資料有 0 57 Wm K 2 1 604 2 o W mC 2 2 492 0 o W mC 1 18001 8dmmm 2 20002dmmm 21 21 2 1 8 1 90m 2 lnln ln 1 8 m dd d dd 代入數(shù)據(jù)計(jì)算有 21 2 1 80 2bddm 22 211 111 m ddb Kdd 0 373 所以總傳熱系數(shù) K 2 68傳熱 10 2212 4920 571 9604 21 8 2 o WmC 介質(zhì)溫度由熱量守恒定律得 反應(yīng)過(guò)程中傳遞出的熱量60o c TC Cpt T Tc 17 3 55 3 47 0 18 計(jì)算釜傳熱 傳 Q r Q 0 m 1 kJ s 1 kJ s 1 kJ s 面積 C m TTK Q A 傳 333343 68 2 180 2 KKKmW sJ 2 72 6 m 2 7m 衡算數(shù)據(jù)列表如下 表 1 能量衡算計(jì)算表 項(xiàng)目反應(yīng)速率 A r 聚合放熱 r Q 體系吸熱 0Cmp TTCm 傳熱速率 傳 Q 傳熱面積 m A 單位 sLmol skJ skJ skJ 2 m 計(jì)算數(shù)據(jù)0 0313 553 470 187 6 參考文獻(xiàn) 1 張曉琳 李建軍 順丁橡膠生產(chǎn)工藝及展望 J 化學(xué)工程師 2001 5 2 15 17 2 田春云 有機(jī)化工工藝學(xué) M 北京 中國(guó)石化出版社 1998 331 334 3 馬沛生 有機(jī)化合物試驗(yàn)物性數(shù)據(jù)手冊(cè) M 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2006 465 468 529 532 4 J Akers B James E Douglas Preparation of Chlori