年产万吨丁苯橡胶生产工艺设计.docx

1、年产万吨丁苯橡胶生产工艺设计年产5万吨丁苯橡胶的生产工艺设计丁苯橡胶在第二次世界大战以后，发展极为迅速，目前已成为国际上生产量最大的一种合成橡胶【儿占合成橡胶总产量的80%以上。苏联、美国、 加拿大和民主徳国丁苯橡胶产量最大，近年来英国、意大利、西德及我国等 国家也开始迅猛发展。丁苯橡胶属于普遍类型的橡胶，可以替代天然橡胶， 有些性能比天然橡胶更好。本设计为年产5万吨丁苯橡胶工艺设计，整个设 计文件山设计说明书和设讣图纸两部分组成。在设计说明书中，简单介绍了 丁苯橡胶的生产状况、发展趋势、性能和主要用途，也介绍了U前丁苯橡胶 的两种常见的工业聚合生产方法，并进行了比较，最后确定以低温乳液聚合

2、作为聚合的工艺生产方法。在设il过程中，根据设计任务书的要求，进行了 较为详细的物料衡算和能量衡算，对设备进行了工艺计算和选型，同时对聚丁苯橡胶生产过程中的安全注意事项及“三废叩】治理作了相关说明。绘制了 相应的设计图纸，设计图纸包括丄艺流程图、主要设备图及车间布置图等。关键词：丁苯橡胶，低温乳液聚合，聚合釜，苯乙烯，丁二烯PROCESS DESIGN OF STYRENE BUTADIENE RUBBERWITH ANNUAL OUTPUT OF 50,000 TONSABSTRACTAfter the Second World War SBR develops rapidly. It ha

3、s becomethelargest international preduction of synthetic rubber so far. SBR accountedformore than 80% of total preduction of Synthetic rubber. The Soviet Union,theUnited States, Canada and East Germanys preduction of the SBR are the largest.In recent years, the United Kingdom, Italy, Germany and Chi

4、na and othercountries also started the rapid developnlent of SBR. SBR is common type ofrubber and sometimes it can substitute for natural rubber. Some properties areeven better than natural rubber. This is a design for an annual out put of 50,000tons of SBR process. The documents are consisted of de

5、sign specification anddesign drawings. In the design of brochures, a brief introduction of the SBRpreduction status, trends, perfonnance and the main purpose of the current SBR.also introduced the two common industrial polymer production methods andmake a comparison. It was desided that the low-temp

6、erature emulsionpo lymerization rep laced the po lymerization technology p reduction methods. Indesign process, mass balance and energy balance was calculated according tothe request of design specification. Process calculation and model selection wasmade. At the same time, the safe matters need att

7、ention and the management ofthe three wasters in the process of SBR was stated. The relevant design paperwas drawn. The engineering flow diagram and major equipment drawing and thearrangement diagram of work shop were included in design drawing.KEY WORDS : SBR, Polymerization temperature, Polymerize

8、r. Styrene,Butadiene第1章绪论1.1 丁苯橡胶的市场分析1.1.1国外生产情况1.1.2国内生产情况1.2 丁苯橡胶合成技术进展1.2.1乳聚丁苯橡胶的合成技术进展1.2.2溶聚丁苯橡胶合成技术进展1.2.3我国丁苯橡胶新技术的开发第2章生产工艺选择第3章产品及原料说明103. 1产品的结构与性能103.1.1名称及其结构103.1.2 丁苯橡胶的性能113.1.3 丁苯橡胶用途123.2聚合原理123.2.1链引发123.2.2链增长123. 2. .3链终止133.3原料说明14 3. 3. 1 丁二烯143.3.2苯乙烯14第4章 低温乳液聚合丁苯橡胶工艺154.2转

9、化率确定154.3配料确定164.4聚合条件及原料要求164.4.24.4.34.4.44.4.5分散介质单体纯度聚合温度各种助剂聚合时间171717171819第5章 低温乳液聚合工艺流程5. 1原料准备过程195.2聚合过程195.3分离过程205.4后处理阶段20第6章工艺计算216.1计算依据216.2生产过程总物料衡算21621总进料216.2.2配方检验236.2.3PBS配方原料汇总236.2.4各釜进岀料计算2346.3热量衡算27第7章聚合釜的设计计算3107.1反应器操作体积317.2.1筒体高径比317.2.2搅拌罐的装料量317.2.3初步计算筒体直径317.3传热结构

10、，夹套结构327.4筒体壁厚确定327.5顶盖和工艺接管337.5.1进料管337.5.2水进料管337.5.3液氨的进口管径347.6搅拌装置357.6.1搅拌器选择357.6.2搅拌器转速357.6.3搅拌功率357.7搅拌器附件367. 7. 1挡板367.7.2导流筒36第8章 车间工艺布置及厂址选择388. 1工艺布置设计388.2生产厂房的整体布置398.3厂址选择依据与原则398.4设备布置安全距离40 8. 5车间内辅助室和生活室布置4042第9章安全设计9.2防毒439.3中毒后应采取急救措施439.4安全生产要点449. 4.1重点部位449.4.2安全要点45参考文献47

11、49丁苯橡胶是IIIL3-T二烯与苯乙烯共聚而得的高聚物，简称SBR,因其 综合性能较好，原料乂便宜易得9因此产量很高，约占全部合成橡胶的50%以 上。其物理结构性能，加丄性能及制品的使用性能接近天然橡胶，有些性能 如耐磨、耐热、耐老化及硫化速度较天然橡胶更为优良，可与天然橡胶及多 种橡胶并用。丁苯橡胶具有适合轮胎用途的各种优异性能，溶液丁苯橡胶滚 动阻力比乳液丁苯橡胶和天然橡胶低，抗湿滑性比顺丁橡胶好，耐磨性也很 好，特别是第二代溶液丁苯橡胶的成功研发，其滚动阻力比乳液丁苯橡胶减20%30%,抗湿滑性优于顺丁橡胶。由于其优良的性能，也广泛用于胶管、胶带、胶鞋、耐磨、衬里以及塑料（主要是聚苯乙

12、烯和dbs）抗冲击改性剂等 用途，但轮胎和胶鞋领域占总消费量的70%以上。U前SBR的主要生产方法是乳液聚合法和溶液聚合法，乳液聚合生产工艺 已相当成熟，且乳液聚合生产工艺已占SBR生产的主导地位。乳液聚合I引中， 约90%的生产工艺为低温条件。低温乳聚生产橡胶流程大同小异，包括原料准 备、化学品制备.聚合、单体回收、胶乳贮存、凝聚、干燥和产品包装等工 序，配方也大同小异。低温乳液聚合工艺催化剂、活性剂使用效率高，聚合 反应温度低，凝胶含量少，能生产出大分子量、机械性能较好的橡胶。合成SSBR的基本技术路线通常用烷基锂作引发剂，用烷烧或环烷炷做溶剂，用四 氢咲喃作无规剂，用醇类作终止剂。该技术

13、被欧洲许多公司采用。U前国内外生产厂家紧紧囤绕着提高质量、改进性能、降低成本三大宗旨，其生产技术的发展趋势主要表现在完善聚合配方、完善生产工艺、提高 过程自控水平、提高聚合单体转化率、改善产品性能和开发新的品种等方面。本设计是以丁二烯和苯乙烯为原料，对年产5万吨的SBR生产匸艺的初步设计, 收集有关的化工设计资料作参考，按设计任务书要求进行设计。本设计的内容主要包括：1简单介绍丁苯橡胶的性质、用途、工艺方法选 择，重点介绍低温乳液聚合工艺，介绍该工艺的产品及原料说明；2整个生产 工艺流程3物料衡算和能量衡算；4上要设备的计算与选型；5附属设备的条 件确定及选型；6安全设计及生产注意事项,7环境

14、保护。设讣图纸包括物料 流程图，聚合釜设备图和车间布置图。本设计旨在理论学习的基础上，结合生产实践，熟悉工艺流程.生产方案选择、设备选型等，掌握工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备的计算、选型，对参考文献的査阅与学习等的方法。山于设计者的理论知识有限，设计经验的缺乏，在设计的过程中难免会 有一些不足和错误之处，敬请各位老师指导、更正。1.1 T苯橡胶的市场分析1.1.1国外生产情况据资料报道，2009年世界丁苯橡胶生产能力约为558万t/a,其中乳聚丁苯 橡胶约为425万t/s占总产能的76.2%.溶聚丁苯橡胶约为133万t/n,占总产能 的23.8%。2009年世界SBR主要生产企业的产能列

15、于表1J 2009年，金融危机引发的经济疲软进一步影响着世界各国。特别是汽车丄业处于艰难困境，通用、克莱斯勒等知名汽车企业已宣布破产。橡胶的主 要用途就是轮胎行业，因此抑制了SBR的生产与需求。加之，2009年SBR主要 原料丁二烯价格高涨，也使SBR生产企业的利润空间被挤压，这也不得不使部 分SBR生产商降低装置开工率。如韩国锦湖石化公司从2009年8月开始将SBR 装置开工率降低了20%,台湾合成橡胶公司在2009年7月至9月将开工率降低20%.30%。2010年，世界范W内的经济疲软也没有得到有效控制，SBR开工率仍很低。表12列出了世界新建、扩建SBR装置悄况。截止到2009年末，国内

16、SBR总生产能力为1015万t/a,约占国内SBR总生产能力的84.2%；国内SSBR生产能力的15.8%。国内产能增加，主要来自齐鲁 石化新建10万t/a ESBR装置，该装置于2009年6月份开车以来，装置运行平稳,实现満负荷生产。2009年，受金融危机影响，许多发达国家的SBR产量与消费量都有大幅下降，而中国逆势而上，呈现增长趋势，总产量再创历史新高。我国SBR市场供 需悄况见表14。尤其是乳聚丁苯橡胶，2009年较2008年增长16%,产量约占总橡胶产量的80% O表11 2009年世界SBR主要生产企业及产能生产公司生产能力/ (Tit/a)中国石化43.2韩国锦湖公司38.5朗盛3

17、6.9固特异公司36.3中国石汕29.7ISP27.2JSR26.0JSRC Corp2L9道化学公司21.2埃尼化学2L0Bridgestone Corp20.5日本瑞翁株式会社1&5Sibneft15.0DESC14.5Kauchuk14.0其他173.6合计55&0表12世界计划新建/扩建SBR装置情况】企业名称能力（万t/aSH）计划投产时间备注印度石汕天然气公司142010 年台湾国光石化公司152015 年il划2011年1月中旬签署止地开垦合同台橡公司将与印度石汕公司合资122012抚顺石化202012批复天腑删汕mr程有限公司102010年末2010年3月土建开工福建曲石油护工

18、翎公司102015 年合计812009年，国内SBR生产厂家及能力见表1-3。表13 2009年我国SBR生产厂家及能力品种生产厂家生产能力（万Va）ESBR江苏南通申华化工公司18吉林石化公司14齐鲁右化公司23肖n石化公司15. 5府石化与晰金臟团10普利司通（惠州）介成橡胶公司0小计85. 5燕山石化公司3SSBR茂名石化公司3高桥石化公司10小计16合计101. 5表14近年我国SBR市场供需情况刚年份产量/万吨进口量/万吨岀口量/万吨表观消费量/万吨200446.011. 50.9756.5200551.711.82.0361.5200656.91&71.8173.8200772.4

19、1&71.7689.3200874.213.51.5686. 14200984.919. 12.94101. 0国内SBR产能山2006年的65. 5万t/a增长至2009年的101. 0万t/a, 3年内产能增长了55%。此外，计划新建/扩建SBR装置能力合计约50万t/a,预计到2015 年国内SBR产能将达到151. 5万t/a,其中，ESBR产能125. 5万t/a, SSBR26万t/a. 产能的过快增长，产品竞争也将加剧。表15 2004-2009年我国ESBR装置产量）2004 年2005年2006年2007 年2008 年2009 年南通申华化工公司14.216.619.921

20、.417.519.8齐鲁石化公司12.715.615.816. 116.320. 1吉林石化公司14.015.016.516.314.016.2兰州石化公司5.04. 54.74. 89. 813.8金浦公司0006. 210.49. 1合计45.951.756.964.86&079.0L2T苯橡胶合成技术进展121乳聚丁苯橡胶的合成技术进展ESBR的生产技术在20世纪后期逐渐成熟，此后对工艺乂进行了改进，并朝着大型化方向发展9自动化水平有了明显提高9并且已达到相当先进水平。ESBR在提高聚合反应的单体转化率、节能降耗等方面取得了很大的进展，在解决ESBR滚动阻力与抗湿滑性能矛盾问题。优化产品

21、性能，适应市场需求等 方面也得到了突破性进展。美国Goodyear轮胎与橡胶公司不使用溶剂，用含有抗降解剂、金属失活剂、光敬剂、增效剂、颜料、催化剂和促进剂的官能化苯乙烯与含有离 子表面活性剂和10%-70%增塑剂的丁一烯在0-259下进行乳液共聚，制得含有 酰氨基的官能化ESBRo日本Zeon公司通过引入第三单体，开发出一种生热低 且耐磨、可填充SiO：或炭黑、门尼粘度为10-200的ESBR。日本JSR公司发明了一种用两步法聚合工艺生产中苯乙烯含量的ESBR新 方法。美国Xerox公司通过将单体加入聚合釜，引发聚合，反应放热后用惰性 气体净化反应器，并将聚合温度升到规定值的方法，制取了残余

22、单体含量低 的ESBRo日本三菱化成公司用自山基引发剂和常规乳液聚合制剂，用两步聚 合工艺制成了结合苯乙烯含量分布范宽、耐磨性和抗湿滑性比常规的ESBR 好的新型ESBRo日本Lion公司用二元酸双酯作ESBR的软化剂，以改善胶料的 低温抓着性。日本住友橡胶丄业公司将接枝有硅烷偶联剂的ESBR胶乳与一种化合物（如四乙氧基硅烷）混合，通过溶胶凝胶化反应而制成一种高强度、 面回弹率.低能耗的原位增强ESBR。122溶聚丁苯橡胶合成技术进展】20世纪50年代末期，美国Philips公司采用锂引发阴离子聚合成功地开发7SSBR并于1964年实现了工业化生产。SSBR的工业化生产通常使用烷基锂，主要是以

23、丁基锂作为引发剂，使用烷烧或环烷烧为溶剂，醇类为终止剂 四 氢咲喃为无规剂。但由于SSBR的加工性能较差，其应用并没有得到较快的发 展。70年代末期，对轮胎的要求越来越高，对橡胶的结构和性能也提出了更 高的要求，加之聚合技术的进步，使SSBR得到较快的发展。20世纪80年代初期，英国的Duniop公司和荷兰的Shell公司通过高分子设 计技术共同开发了新的低滚动阻力型SSBR产品，日本合成橡胶公司与普利斯 通公司共同开发了新型锡偶联SSBR等第二代SSBR产品，这标志着SSBR的生产 技术已进入了新的阶段。我国SSBR的开发较晚，1982年北京燕山石化公司研 究院对正丁基锂-四氢咲喃-环己烷体

24、系的苯乙烯和丁二烯共聚进行了小试研 究，1984年进行了放大实验，1989年研制了一种新型节能SSBR, IKt级的工业装置开发成功，1996年北京燕山石化公司开发成功lOKt级的SSBR生产线，并 与有关单位合作，在汽车轮胎、自行车胎.胶鞋、杂品和改性沥青等方面相 继进行了应用研究。北京橡胶工业研究设计院对SSBR是基本物性、加工性能 评价和轮胎胎面配方等方面进行了研究。U前，SSBR已经发展到了第三代，发达国家已经开发研究第四代乃至第 五代SSBR。而我国的SSBR生产还停留在第一、二代之间，还有待于进一步的 深入研究，开发新品种，增加技术含量。123我国丁苯橡胶新技术的开发近年来我国开展

25、了许多丁苯橡胶科研开发与技术改革，大连理工大学化工学院与燕山石化公司研究院以正丁基锂为引发剂合成了丁二烯-苯乙烯二 嵌段共聚物，该共聚物与普通溶聚丁苯橡胶相比，不仅具有良好的物理机械 性能，同时具有低滚动阻力和高抗湿滑性能，此外还釆用山正丁基锂和二乙 烯基苯合成的多螯型引发剂及SnCl偶联剂等合成了具有宽相对分子质量分 布、高门尼粘度的溶聚丁苯橡胶，并且采用湿法充油值得了物理机械性能优 异的充油丁苯橡胶。兰州石化公司石化研究院自行研制开发了粉末丁苯橡胶 制备技术，并实现了中式放大，经200t/a规模的中试证明该技术凝聚工艺平 稳，过程易于控制，产品性能稳定，重复性好，属国内首创技术，该技术应

26、用于沥青改性方面，具有掺混丄艺简单、易于分散、改善沥青低温性能的特 点，并填补了国内粉末丁苯橡胶改性沥青领域的空0。另外，山东齐鲁石化 公司橡胶厂开发成功新一代环保型丁苯橡胶，这项产品已经达到欧洲同类产 品的环保标准。其日试产能力为360吨，试生产完成之后的日生产能力将达到500吨，专家认为，环保型丁苯橡胶的问世对于推进橡胶产品行业的环境保护 具有重要意:义。第2章生产工艺选择生产工艺比较:U前，丁苯橡胶主要有两种聚合方法：乳液聚合和溶液聚合。溶聚法是把单体溶解在侨性溶剂（即不与单体发生反应，只是溶解单体）中形成均匀 溶液，单体在此溶液中进行聚合。这种聚合还有两种方式：所用溶剂能溶 解聚合产物

27、则形成聚合物溶液；所用溶剂只能溶解单体不能溶解（或很少 量溶解）聚合物，便从溶液中析出。后一种方式，山于分子量低的聚合物溶 于溶液中，因此所得聚合物均匀性较好、分子量较高。溶液聚合的优点是： 反应热可借溶剂蒸发而带走，有效地控制反应温度；溶液均匀乂有利于聚合 热的导出；反应速度缓慢而便于操作；还可借溶剂性质和用量来改进合成橡 胶性能（当溶剂用量为零时，即为本体聚合）。其缺点是：所得聚合物分子 量不其高，朵质较多（尤其催化剂不易脱除而影响聚合物性能）；所用溶剂 价格较面，要求苛刻，乂易燃烧。溶液聚合是最通用的聚合方法。反应产物最初得到的是浆状橡胶，外观 和性质很像天然橡胶树汁，人们把它称为胶浆。

28、使用乳聚方法生产的合成橡 胶有：丁苯橡胶、丁晴橡胶、氯丁橡胶等等。该法是在水里聚合，而单体一 般是在水中不溶解或很少溶解，只有在加乳化剂和搅拌下才把单体分散在水 里去。乳聚法的有优点是：反应易于控制，聚合热容易导出；可制得分 子量较高的合成橡胶；可调节合成橡胶的性能；用水为介质，廉价而乂 安全；中间产品可直接应用。缺点是：山于直接与间接参与反应的组份过 多，存留于橡胶中的杂质颇难除尽，便影响橡胶制品的介电性能及其他性能。 我国基本釆用溶聚工艺，U前国内有4套大型设备，技术较成熟。综合以上, 本工艺采用低温乳液聚合丄艺，年产5万吨。第3章产品及原料说明3.1产品的结构与性能3.1.1名称及其结构

29、名称：乳聚丁苯橡胶，简称ESBR ( styrene-butadiene rubber)分子式：CHg-cHgCHCH其中n为平均聚合度，一般为350-10000山于乳聚丁苯橡胶中丁一烯和苯乙烯两种单体链节在共聚物大分子中呈无规分布，乂山于丁二烯的加成反应约80%发生在1,4位置，约20%发生在1,2 位置，而在1,4位置上的链节乂有顺式和反式两种区别，所以乳聚丁苯橡胶大 分子内存在如下的微观结构。H CH2XCH2 H顺式14 结构反式-1,4 结构CHIICHg12 结构苯乙烯链节此外，也有少量支化和交联结构存在，冷法聚合的乳聚丁苯橡胶中丁二 烯链的主要微观结构单元70%为反式。3-1.2 丁苯橡胶的性能表31 丁苯橡胶基本性能性能参数密度.g/cn?0.91 0. 96比热容，J/ (kg*C)18201920线膨胀系数，T名以下0.879T名以上2. 32. 5折射率1. 5345电导率50Hz