塑料橡胶材料年产万吨丁苯橡胶聚合工段工艺设计.docx
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塑料橡胶材料年产万吨丁苯橡胶聚合工段工艺设计
（塑料橡胶材料）年产万吨丁苯橡胶聚合工段工艺设计
河南城建学院毕业设计
年产10万吨丁苯橡胶装置聚合工段工艺设计
Annualproductioncapacityof75,000tonspolymerizationstyrene-butadienerubberplantprocessdesignsection
学生学号
学生姓名
专业班级
指导教师
联合指导教师
完成日期
摘 要
本设计为年产7.5万吨乳聚丁苯橡胶装置聚合工段工艺设计，在文献调研和现场调研的基础上，进行了丁苯橡胶生产方法及工艺的论证，确定了以丁二烯、苯乙烯为单体，采用氧化还原体系为引发剂，歧化松香酸甲皂为乳化剂，配合其他助剂进行低温乳液共聚合的生产工艺。
在掌握各种物料的基本性质、聚合机理、聚合方法、工艺流程以及国内外的发展现状的基础上，进行聚合工段的物料衡算、热量衡算、设备选型计算，并对丁苯橡胶车间进行了技术经济分析。
在此基础上绘制出丁苯橡胶工艺流程图、设备布置图、管道布置图，编制了设计说明书.
关键词：
丁苯橡胶;乳液聚合;生产工艺
Abstract
Thedesignforthe65,000tonsannualproductioncapacityofpolystyrene-butadienerubberemulsionpolymerizationplantprocessdesignsection,intheliteratureresearchandfieldresearchonthebasisofastyrene-butadienerubberproductionmethodsandtechnologydemonstrationtodetermineabutadiene,styreneforthemonomer,theredoxinitiatorsystem,adisproportionationrosinacidsoapasemulsifier,inconjunctionwithotheradditivesforlow-temperatureemulsioncopolymerizationoftheproductionprocess.Inthegraspofthebasicpropertiesofvariousmaterials,polymerizationmechanism,polymerizationmethods,thedevelopmentprocessandthestatusquoathomeandabroadbasedonthesectionofpolymericmaterialbalance,heatbalance,calculationofequipmentselection,andstyrene-butadienerubberplanttechno-economicanalysiscarriedout.OnthisbasisSBRprocesstomapoutplans,equipmentlayout,pipinglayout,thepreparationofthedesignspecificationandcalculationofthebook.
KeyWords：
Emulsion;styrene-butadienerubber;productiontechnology
目 录
摘 要I
AbstractII
第1章第一篇绪论4
1.1设计依据、指导思想4
1.1.1设计依据4
1.1.2指导思想4
1.2厂址的选择4
1.3设计地区的自然条件4
1.4产品方案及生产规模5
1.5车间布置、岗位人员配制5
1.6节能与环境保护5
1.6.1节能5
1.6.2环境保护6
1.7厂区的安全防护6
1.7.1有毒害物质的防护6
1.7.2安全防火6
1.7.3厂房的防爆6
第2章工艺论证7
2.1工艺原理7
第3章工艺设计8
3.1工艺流程叙述8
3.1.1岗位管理范围8
3.1.2岗位操作任务8
3.2生产原理及工艺流程9
3.2.1生产原理9
3.2.2工艺流程叙述9
3.3原料产品规格及公用工程条件11
3.3.1原料的技术条件11
3.3.2公用工程条件13
3.4工艺过程主要控制指标14
3.4.1丁二烯（BD）净化14
3.4.2聚合14
第二篇设计计算书16
第4章设计计算说明书16
4.1物料衡算16
4.1.1进料计算17
4.1.2新鲜进料17
4.1.3出料计算18
4.1.4配方的计算19
4.1.5总物料衡算表20
第5章聚合工段热量衡算20
5.1冷却显热20
5.2聚合热21
5.3聚合釜的搅拌热23
5.4大气给热23
5.5氨用量计算25
第6章反应器和搅拌桨的选择26
6.1反应釜的选型26
6.1.1聚合釜直径和高度的计算27
6.2聚合釜搅拌装置的计算28
6.2.1计算桨叶直径28
6.2.2搅拌功率P的计算29
6.2.3聚合釜传热的计算29
第7章泵的设计30
7.1.1管内流速的计算30
7.1.2直管阻力和局部阻力的计算32
7.1.3理论压头的计算32
7.1.4泵的选型33
第8章换热器的设计33
8.1热负荷的计算34
8.2计算管程压降及给热系数αi35
8.3计算壳程压降及给热系数α035
8.4计算传热面积37
结 论38
参考文献39
致 谢40
第1章第一篇绪论
1.1设计依据、指导思想
1.1.1设计依据
吉林化工学院下发的毕业设计（论文）任务书
1.1.2指导思想
本设计的指导思想是：
由国内外丁苯橡胶生产技术的对比可知，而国内丁苯橡胶80%以上采用乳液聚合方法，所以本设计采用技术成熟完善的传统乳液聚合方法，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化控制，机械化操作。
对于易燃易爆场所，设计采用可靠的控制，要求设有报警消防设施，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，以保证生产正常进行及操作人员的安全。
1.2厂址的选择
本车间建于吉林市江北化工区，该厂地处松花江畔，水源充足，水质优良。
同时有铁路与全国各地相连，交通便利。
而且这里是全国最大的化工基地，原料充足，便利。
附近有动力厂、电厂，所需动力，蒸汽供应方便，经济合理，特别是化工区地处吉林市的东北部，而该地区的主导风向为西南、西北风，对市区居民的生活及附近的工农业生产均无影响。
该处的下游还有污水处理厂，能将工业、生活污水进行有效的处理。
因此，选择该处建厂比较适宜。
1.3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：
1.8米土壤设计冻土深度：
1.7米
全年主导风向：
西南风夏季主导风向：
东南风
年平均风速：
3.4米/秒地震裂度：
7度
年平均降雨量：
668.4毫米日最大降雨量：
119.3毫米
平均气压：
745.66mmH最高气温：
36.6℃
最低气温：
-38℃平均相对温度：
71%
最大降雪量：
420毫米水温：
15℃
1.4产品方案及生产规模
本设计项目产品名称为丁苯橡胶，年产量为6.5万吨。
其产品指标如下：
表1-1产品指标
产品（SBR1500）
指标
气提胶乳中结合苯乙烯含量
22.5~25.4%
残留苯乙烯
0.1%
最终胶乳
20.5~23.5%
尾气中的丁二烯含量
2.0%
滗析器中的残留苯乙烯
0.06%
门尼粘度
46~58
伸长率
480%
操作方式：
连续操作
产品方案：
产品名称：
丁苯橡胶
年生产量：
7.5万吨/年
年工作日：
7800小时
年生产天数：
325天
1.5车间布置、岗位人员配制
本设计的设备布置，既要满足了实际生产的需要，又要考虑设备的安装，检修方便，节约空地。
布置设备时，注意远近相结合，要尽量紧凑又要符合生产工艺和安全要求，生产装置街区根据工艺流程和安全的需要，尽可能缩短装卸物料线。
本着满足工艺条件的原则，首先确定关键设备的位置，其它设备则尽可能在主要设备的四周，以利于操作，检修和配管。
在厂房内，从一楼到三楼配有走梯。
阀门、仪表等部件的安装高度要便于操作和检修。
界区明确，工艺流程通畅，安全合理。
1.6节能与环境保护
1.6.1节能
丁苯橡胶的生产采用低温乳液聚合法合成，副反应少，收率高，尽量降低动力消耗。
生产过程中充分利用反应热，以减少冷却用水量。
合理进行设备布置，尽力按物料流向布置，减少物料往返输送次数。
适当利用位差，物料靠重力输送，而减少输送设备，节约动力。
在选择相关设备时尽量选择节能设备，尽可能节能降耗。
设计中加强了对进入装置的水、电、蒸气的计算，加强能源管理，合理用电、水、汽。
装置选定使用循环水系统作为生产用冷却水，以降低了新鲜水用量。
1.6.2环境保护
该厂建于吉林市东北部的江北化工区，该地区的主导风向为西南、西北风，对市区居民的生活及附近的工农业生产均无影响。
该厂的下还有污水处理厂，能将工业，生活污水进行有效的处理，生产过程中产生的污染物废气、废渣、废水都有相应的治理措施，保证达到国家环保要求。
为了净化空气美化环境，以利用新鲜空气，降低噪声污染，应在空地处植树，种草，修筑花坛等，尽量增加绿化面积。
1.7厂区的安全防护
化工类生产中的物料大多数都是有毒、有害、易燃、易爆的物质，所以厂区的防毒害、防火、防爆显得尤为重要。
应使厂内的每一个人都要增强安全意识。
1.7.1有毒害物质的防护
本设计中的有毒害物质主要指的是气体物质，在防护方面比较困难，常用的防护方法是保持装置区的通风，定期的对空气中有害气体的检测。
做好装置的密封工作，减少有害气体的泄漏，现场工作人员应轮流值班，尽量少在此环境下长时间作业。
在特殊情况下，工作人员要穿防护服装，戴防毒面具等。
1.7.2安全防火
化工厂安全防火重于一切，防范发生火灾的责任重于泰山。
本装置介质多属易燃易爆危险品，要防止其泄漏，断绝一切可能引起火灾的隐患。
在高危区域，断绝一切明火、静电，凡是能够引起明火、静电的东西一律杜绝。
消防设施要齐全，定期对消防设施进行检查，让每一个工作人员都能熟练的使用灭火器。
在火灾发生后，要做的是控制火势避免蔓延，迅速断电并关闭所有管道阀门。
根据火势采取相应的补救措施，并报警，在火势较大的情况下，一定要做好人员的疏散。
1.7.3厂房的防爆
有爆炸危险的生产厂房，采用钢筋混凝土柱、钢结构和框架承重结构，并易于采用敞开或半敞开式的厂房；应设置必要的泄压面积；泄压设施已采用轻质屋盖作为泄压面积；地面宜采用不发生火花的地面；由于装置介质存在有爆炸危险，应设置办公室、休息室等[7]。
第2章工艺论证
2.1工艺原理
丁苯橡胶是1,3-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：
在20世纪50年代以前，丁苯橡胶的乳液聚合均是高温丁苯橡胶，50年代初，才出现了性能优异的低温丁苯橡胶。
目前所使用的乳聚丁苯橡胶基本上为低温乳聚丁苯橡胶。
当前,乳聚丁苯橡胶生产不得不面临着溶聚丁苯橡胶的挑战。
溶聚丁苯橡胶生产开始于60年代末,由于其具有耐磨、耐寒、生热低、回弹性高、收缩率低、灰分少、硫化速度快等优点,近年来备受汽车工业关注。
虽然,溶聚丁苯橡胶不可能取代乳聚丁苯橡胶,但ESBR毕竟要受到重大的冲击。
但是聚丁苯橡胶的生产工艺早已成熟定型，产品牌号及其质量指标也已在全世界范围内趋于标准化。
20世纪80年代以来，仍在继续进行某些技术开发工作，主要有以下两个方面：
（1）研究采用新型或复合型助剂，以提高生产效率，减少环境污染。
例如，采用由脂肪酸钾皂、松香酸钾皂和妥尔油组成的三元复合型乳化剂，可获得较高的聚合转化率。
使用过氧化氢蒎烷或过氧化氢异丙苯与过氧化氧异丙基环己苯复合型引发剂可加快聚合反应。
再如采用碱金属多硫化物或其与羟胺盐的复合物代替传统的终止剂，可以降低橡胶中的亚硝胺含量。
（2）改进聚合条件，优化生产工艺。
如改善相对分子质量调节方法，适当提高聚合温度，将聚合转化率提高至70％以上。
90年代中期，日本zeon公司开发了连续高效无盐凝聚工艺，实现全流程的DCS控制。
此外，循环利用了橡胶干燥系统的热风，既节约了能量，又减少了对环境的污染。
乳聚丁苯橡胶经过十几年来与溶聚丁苯橡胶的抗衡，证明仍具有较强的生命力。
尤其是近年来国外有些企业在提高乳聚丁苯橡胶的综合性能研究方面取得了突破性进展，如美国固特异公司2002~2003年在美国、欧洲、日本及我国公司公开的专利中提出，采用新的乳聚丁苯橡胶工艺制得的乳聚丁苯橡胶用于制备高性能轮胎优于溶聚丁苯橡胶。
北美地区2001年乳聚丁苯橡胶消耗量降低4.7%，但据IISRP预测，在未来几年内北美地区的乳聚丁苯橡胶消耗量有所恢复，将以年均1%的速率增长。
第3章工艺设计
3.1工艺流程叙述
合岗位工艺过程示意图见图3－1
3.1.1岗位管理范围
岗位管理范围包括：
（1）自单体贮存岗位及化学品配置岗位接受单体及其它原料，实现聚合并将胶乳送入单体回收岗位
（2）自界区内外，接受水、电、汽，将聚合过程控制在工艺指标范围内，生产出合格的最终胶乳
（3）聚合岗位是丁苯橡胶生产的核心，因此，本岗位操作必须严格按工艺规程及操作法进行操作
3.1.2岗位操作任务
本设计中聚合岗位的操作任务为：
（1）混合丁二烯（BD）、脱除阻聚剂（TBC）
（2）单体及化学品溶液的接受
（3）聚合进料的流量控制
（4）实现聚合并将过程控制在规定的工艺指标以内，生产出合格的最终胶乳
（5）将最终胶乳送至单体回收单元
3.2生产原理及工艺流程
3.2.1生产原理
聚合体系以水为介质，以歧化松香酸甲皂和脂肪酸钠皂为乳化剂，油、水两相乳化，部分单体侵入到胶束中，发生增溶溶解，其他单体成为被皂包覆着的液滴而悬浮着。
在水相中生产，并由氧化还原体系提供的最初自由基，进入增溶溶解的胶束中，引发单体聚合，用调节剂调节聚合物的平均分子量。
当单体转化率达到（62±2%）时，加入终止剂终止聚合反应。
3.2.2工艺流程叙述
1.单体及化学品溶液接受
（1）丁二烯（BD）
丁二烯（以下简称BD）来自单体贮罐后，进入BD换热器（E0301）。
在E0301与CWR（CWS）换热后，流入混合器（A0301）。
在A0301入口，BD与来自循环碱液加热器（E0302）的碱液混合，BD和碱液在A0301中充分混合后，流入碱滗析器（V0302-A），阻聚剂（TBC）在此被碱液脱除。
碱洗温度，控制V0302-A的入口温度为30±2℃。
BD和碱液在V0302-A中分层分离，BD中的TBC转入V0302-A下部的碱液中。
V0302-A中上部的BD进入V0302-B中，进一步分离掉碱液，再由上部流入BD进料换热器（E0303），换热以后，流入BD缓冲罐（V0303）。
E0303的出口温度稳定在30±2℃。
V0302-A中的碱液以循环碱液输送泵（P0302）连续经E0302循环。
改变碱液的循环量就改变了TBC的脱除效果，由于碱液在循环中与TBC反应而消耗，因此要定期更换，废碱液装桶或放入地沟（排放使以600#送入的母液中和）。
新鲜碱在氢氧化钠配制槽V0301中配制，配制合格后的碱液，有P0301送入V0302-A中。
（2）苯乙烯（ST）
苯乙烯（以下简称ST）来自单体贮存与配制单元。
经管线进入ST换热器（E0306）后，进入ST缓冲罐（V0304）。
V0304的液位，由LIC0303控制和调节。
E0306ST的出口温度，由TIC0323检测，调节CWR（CWS）流量，使其稳定在24±2℃。
（3）乳化剂（EM）
来自化学品配制单元的乳化剂（以下简称EM）溶液在线混合系统，由于皂型不同，分别经不同的管线进入EM缓冲槽（V0306）。
温度由TIC0307控制，调节加热蒸汽流量，使其稳定在18±2℃。
（4）活化剂（ACT）
来自化学品配制岗位的活化剂（以下简称ACT），进入ACT缓冲槽（V0307）中。
V-307的温度为常温。
（5）调节剂（MOD）
来自调化剂（以下简称MOD）配制罐的MOD，来自（P0109）的MOD送入MOD缓冲罐（V0305）中。
（6）氧化剂（OXI）
来自氧化剂（以下简称OXI）配制罐的OXI，来自（P0108）的OXI送入OXI缓冲罐（V0309）中。
（7）终止剂溶液（S.S）
来自化学品配制单元的终止剂（以下简称S.S）溶液，来自（P0210）的S.S经管线进入S.S缓冲罐（V0308）中。
V0308的温度为常温。
2聚合
聚合进料为多股料流在线混合方式。
其控制为多组分混合流量控制系统——主站追踪系统。
由流量检测单元与调节阀组成流量控制回路。
为确保控制精度，辅设了手动校正系统。
聚合进料中的丁二烯（BD）、苯乙烯（ST）、乳化剂（EM）、活化剂（ACT）、调节剂（MOD）、氧化剂（OXI），分别由聚合进料BD进料泵（P0303）、ST进料泵（P0304）、EM进料泵（P0306）、ACT进料泵（P0307）、MOD进料泵（P0305）、OXI进料泵（P0309）输送，首先ST与MOD混合后再与BD混合，然后，BD、ST、MOD混合料液与EM相混合，混合后的料液在进入冷胶进料冷却器（E0304）之前与ACT混合，进入E0304与液氨换热，出口温度控制为13~17℃，然后，此混合料液流入冷胶进料冷却器（E0305）进一步与液氨换热，出口温度控制为8~12℃。
最后，混合料液流入聚合釜，通过调节液氨蒸发压力，实现对E0304、E0305出口料液温度的稳定控制。
由P0309泵把OXI直接送到聚合首釜。
所有的物料进入第一聚合釜后，聚合反应就开始了。
为获得高质量的均匀产品，在搅拌条件下，由液氨在聚合釜氨冷管内蒸发，把聚合反应热带走。
因此，每个聚合釜温度根据生产的品种不同，控制在规定值是十分重要的。
SBR品种不同，所需聚合釜温度亦不同，，调节氨冷管中的液氨液位以控制聚合釜内温度，聚合釜系统的氨蒸发设计规定为240-260kPa。
聚合反应的时间，设计取8.5小时。
当转化率和门尼黏度等主要控制指标达到规定值时，由终止剂泵（P0308）送来的S.S溶液，从选定的S.S加料点加入到胶乳中，从而终止聚合反应。
S.S加料点可以是末釜出口，也可以是胶乳储罐的入口。
最终胶乳由系统压力送入单体回收岗位（400#）或胶乳缓冲罐（V0303）中。
聚合所用S.S，在停车或紧急状态情况下，由停车S.S输送泵、事故S.S输送泵送入终止点。
3.丁苯橡胶聚合工段物料流程
丁苯橡胶聚合工段物料流程简图如图3-2所示：
3.3原料产品规格及公用工程条件
3.3.1原料的技术条件
原料的基本技术条件见表3-3~3-12所示：
表3-3丁二烯净化前纯度
丁二烯纯度
93.7%~97.3%
阻聚剂（TBC）含量
＜25ppm
表3-4丁二烯净化后纯度
丁二烯纯度
93.7%~97.3%
阻聚剂（TBC）含量
＜10ppm
表3-5苯乙烯纯度
ST纯度
93.7%~97.3%
阻聚剂（TBC）含量
5~15ppm
表3-6乳化剂纯度
TSC
2.98±0.14%
PH
11.1±0.3
SHS
0.013±0.005%
目检
澄清
表3-7活化剂纯度
PH
10±0.5
TSC
0.59±0.07%
FES含量
阳性
EDTA含量
阳性
目检
澄清
还原力
＞15
表3-8调节剂纯度
外观
透明油状液体
硫醇中硫含量
＞15.6
比重（15.5℃/4℃）
0.855~0.870
分子量
196~204
折光指数（25℃）
1.456~1.466
沸程（0.66KPa绝压）
60~105℃
Cu和Mn的含量
＜5ppm
在ST溶解度
全溶
表3-9氧化剂纯度
外观
半透明或透明
颜色
无色或淡黄色
物理状态
流体
活化氧
4.65~5.12%
纯度
50.0~55.0%
PMH萃取液
PH≥4.05
折光指数（20℃）
1.460~1.470
Cu和Mn的含量
≤ppm
表3-10终止剂纯度
TSC2.60~3.06%
表3-11碱液（NaOH）纯度
外观
澄清，无色液体
夹杂物
无
纯度
19.0~21.0%
Na2CO3
≤1.00%
金属氧化物
≤0.05%
氯化钠
＜1.0%
Cu和Mn的含量
≤5ppm
3.3.2公用工程条件
公用工程条件见表3-12~3-16所示：
表3-12氨公用工程条件
名称
来源
压力
温度
液氨
835冷冻站
900±100KPa
20±5℃
气氨
835冷冻站
260±100KPa
-5℃
表3-13水公用工程条件
名称
来源
压力
温度
生产新鲜水
2a#
循环冷却上水
7#
≥0.45KPa
≤31℃
循环冷却下水
8#
≥0.25KPa
≤41℃
软水
化学品配置单元
表3-14蒸汽公用工程条件
名称
来源
压力
温度
低压蒸汽
单体回收单元
350±50KPa
147~157℃
采暖蒸汽
水气车间
250±50KPa
147~157℃
表3-15空气公用工程条件
名称
来源
压力
杂质
露点
其他
压缩空气
空压站
490±50KPa
仪表空气
空压站
490±50KPa
无尘无油
-40℃
氨气
102厂
400±50KPa
-40℃
纯度99.9%
表3-16电公用工程条件
名称
来源
参数
动力电
2#变电所
交流380V
照明电
2#变电所
交流220V
保安电源
2#变电所
直流220V
仪表电源
2#变电所
交流100V
计算机电源
2#变电所
交流120V
3.4工艺过程主要控制指标
3.4.1丁二烯（BD）净化
工艺过程主要控制指标见表3-17所示：
表3-17丁二烯（BD）净化前
项目
指标
V—303BD中TBC
＜10ppm
V—303中氧含量
＜0.3%（v/v）
碱液浓
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