物料衡算

名称及其结构

名称：乳聚丁苯橡胶，简称SBR（styrene-butadiene rubber） 分子式：

*HCCH2CH2CHCHCH2n*

其中n为平均聚合度，一般为350-10000

第6章 工艺计算

6.1 计算依据

一年产32000t丁苯橡胶，除去试车、检修等非生产时间，按8000h/a计算，一天24小时连续生产。根据典型配方，原料丁二烯70%，苯乙烯30%进料。

§6.2 生产过程总物料衡算

§6.2.1 总进料 SBR时产率：（1）需100%丁二烯： 4000?70%?2800kg/h

以2800kg/h为基准，扣除损耗3%丁二烯，则丁二烯流量为： 2800?(1?3%)?2716kg/h

按转化率60%计算，则100%丁二烯进料量为： 2716?60%?4526.667kg/h 折合摩尔流量：

4526.667?54?83.827kg/h

从原料车间来的丁二烯纯度一般达到99.5%，则需原料量： 4526.667?99.5%?4549.414kg/h 出料量：

320008000?4t/h?4000kg/h

4526.667?0.4?1810.667kg/h

查《化工工艺计算图表》，10℃时丁二烯密度:

ρ1=635 kg/m3

丁二烯进料量的体积为： V1?4549.414635?7.164m/h

3（2）苯乙烯进料量： 每小时需苯乙烯： 4000?30%?1200kg/h

以1200kg/h为基准，扣除损耗2.4%苯乙烯，则苯乙烯流量为： 1200?(1?2.4%)?1171.2kg/h

转化率按60%计算，100%苯乙烯进料为： 1171.2?60%?1952kg/h 折合摩尔流量：

kmo/lh 1952?104?18.770 从原料车间来的苯乙烯纯度为99.3%，则原料中苯乙烯进料量： 1952?99.3%?1965.760kg/h 出料量：

1965.760?40%?786.304kg/h 同上查得10℃时，苯乙烯密度为： ρ=910kg/m3

苯乙烯进料量的体积为： V2?1965.760910?2.160m/h

3（3）原料池内：

丁二烯︰苯乙烯 = 4549.414:1965.760?2.314:1

原料总量：

4549.414?1965.760?6515.174kg/h

（4）相对分子质量调节剂进料量，权十二烷基硫醇： 6515.174?0.2%?13.030kg/h

（5）介质：去离子水：

6515.174?2?13030.348kg/h 查得水的密度（10℃）为： ρ=999.7kg/m3 故水的体积流量：

3 V水?13030.348?999.7?13.034m/h

（6）乳化剂进料量： 歧化松香酸钠：

6515.174?4.5%?293.183kg/h 烷基芳基磺酸钠：

6515.174?0.15%?9.773kg/h （7）引发体系进料量： 过氧化氢对孟烷：

6515.174?0.08%?5.212kg/h 活化剂：

还原剂 ： 雕白粉：

6515.174?0.15%?9.773kg/h

硫酸亚铁：

6515.174?0.05%?3.258kg/h

螯合剂EDTA：

6515.174?0.035%?2.280kg/h （8）缓冲剂进料量： 磷酸钠：

6515.174?0.08%?5.212kg/h （9）终止剂进料量： 二硫代氨基磷酸钠： 6515.174?0.2%?13.030kg/h

（10）防老剂：

芳基化对苯二胺：

6515.174?1.5%?97.727kg/h

表1 SBR聚合配方

原料及辅助原料 单体 苯乙烯 相对分子质量调节剂 介质 乳化剂 烷基芳基磺酸钠 过氧化物 还原雕白粉 引发剂体系 活化剂 螯合剂 终止剂 防老剂 二硫代氨基甲酸钠 芳基化对苯二胺 焦磷酸钠 0.08% 0.2% 1.5% 5.212 13.030 97.727 EDTA 0.035% 2.280 剂 0.15% 11.576 过氧化氢对孟烷 硫酸亚铁 叔十二烷基硫醇 去离子水 歧化松香酸钠 丁二烯 配方（百分数） 70% 30% 0.2% 200% 4.5% 0.15% 0.08% 0.05% 进料量（kg/h） 4549.414 1965.760 13.030 13030.348 293.183 9.773 5.212 3.258

各釜进出料计算

反应转化率60%，聚合釜操作压力为0.4～0.5MPa，温度T=5℃，PH=4～5，聚合带有搅拌器，并用液氨作为冷冻介质。

对于一级反应，连续釜式反应器的反应转化率与反应速率常数之间的关系如下： cAN?cANcA0cA0_

N(1?k?)xN?1?，所以 x?1?1_

N(1?k?)式中cAN—第N台釜内反应物的浓度；kmol/m3

cA0—反应物初始浓度；kmol/mX3

N—第N台釜内反应物转化率；

k—聚合反应表观速度常数；min-1

?—平均停留时间；min

_N—连续槽式反应器的台数；

根据以上公式整理各釜转化率及累计转化率列于表2

表2 各釜纯转化率与累计转化率

第一釜 累积X纯X(%) （%） 10.82 10.82 9.65 纯X(%) （%） 20.47 X(%) 8.61 （%） 29.08 第七釜 纯X(%) 5.45 累积X（%） 55.15 4.85 纯X(%) （%） 6.10 49.70 （%） 60 7.67 第二釜 累积X纯第三釜 累积X纯X(%) （%） 36.75 第八釜 累积X第四釜 累积X第五釜 累积X纯X(%) （%） 6.85 43.60 第六釜 累积X纯X(%) 根据转化率计算各釜的物料组成。 以第一釜作为示例计算：

水相：因反应中没有消耗，所以流量不变，为13030.348kg/h 100%苯乙烯：进料：1965.760kg/h

出料：1965.760?(1?10.82%)?1753.064kg/h 100%丁二烯：进料：4549.414kg/h

出料：4549.414?(1?10.82%)?4057.167kg/h 聚合物：

4549.414?1965.760?(4057.167?1753.064)?704.943kg/h

百分比： 水相：

13030.3484057.167?1753.064?704.943?13030.348?66.67%

苯乙烯：

1753.0644057.167?1753.064?704.943?13030.348?8.97%

丁二烯：

4057.1674057.167?1753.064?704.943?13030.348?20.76%

聚合物：

以下计算中，上一釜的处理量即为下一釜的进料量。计算汇总如表3。

表3 各釜出料口物料组成

第一釜

物料 水相 苯乙烯 丁二烯 聚合物 (kg/h) 13030.348 1753.064 4549.414 704.943 ?(%)

704.9434057.167?1753.064?704.943?13030.348?3.60%

第二釜 (kg/h) 13030.348 1583.893 3665.650 1265.63 续表3

?(%)

第三釜 (kg/h) 13030.348 1447.492 3350.038 1717.616 ?(%)

66.67 8.97 20.76 3.60 66.67 8.1 18.75 6.48 66.67 7.41 17.14 8.78 物料 水相 苯乙烯 丁二烯 聚合物

第四釜 (kg/h) 13030.348 1514.81 3682.75 2085.587 ?(%)

第五釜 (kg/h) 13030.348 1244.922 2881.213 2389.012 ?(%)

第六釜 (kg/h) 13030.348 1168.982 2705.459 2640.706 ?(%)

66.67 6.84 15.83 10.66 66.67 6.37 14.74 12.22 66.67 5.98 13.84 13.51 续表3

第七釜

物料 水相 苯乙烯

(kg/h) 13030.348 1105.272

?(%)

第八釜

(kg/h) 13030.348 1051.666

?(%)

66.67 5.65

66.67 5.38

丁二烯 聚合物

2558.011 2851.863

13.09 14.59

2433.947 3029.532

12.45 15.50

热量衡算[20]

设定：QT—系统内物料与外界交换热量之和（传入热量为正，传出热量为负），KJ；

Q1—由于物料温度变化，系统与外界交换的热量（升温为正，降温为负），KJ；

Q2—由于物料发生化学变化，系统与外界交换的热量（吸热为正，放热为负）KJ；

根据热量守恒定律，得：

QT?Q1?Q2

其中 Q1??WcP?T; Q2?W?H

表4 物性参数表

比热容

名称

相对分子质量

密度kg/m3

kJ/(kg??C)

汽化热kJ/kg

5℃

丁二烯 苯乙烯 水 催化剂 液氨 胶乳液

54 104 18 -- 17 10×104

635 910 1000 -- 631.7 950

2.271 1.735 4.199 2.112 -- 1.97

10℃ 2.296 1.752 4.196 2.137 -- --

1663.25

丁苯橡胶的聚合热为：9588 kJ/kg 搅拌热为：H?167280kJ/h

降温时，只需第一釜从10℃降到5℃，因此按第一釜进出料计算热量。

100%丁二烯出料：

4549.414?(1?10.82%)?4057.167kg/h

100%苯乙烯出料：

1965.760?(1?10.82%)?1753.064kg/h

总杂质为：

1965.760?(1?99.3%)?4549.414?(1?99.5%)?36.5kg/h

引发剂除终止剂以外的其他助剂之和为：

293.183＋9.773＋5.212＋3.258＋11.576＋2.280＋5.212+97.727=428.221kg/h 丁苯胶乳的量为：704.943kg 根据以上结果，整理如表5。

表5 第一釜计算结果整理如下

物料名称 100%丁二烯 100%苯乙烯 总杂质 水

催化剂除终止剂外

丁苯胶乳 合计 温度 进料（kg/h） 4549.414 1965.760 36.5 13030.348 428.221 -- 20010.243

5℃ 出料（kg/h） 4057.167 1753.064 36.5 13030.348 428.221 704.943 20010.243 10℃

则：（1）进料的热量（10℃）：

Q入?W丁cp1T1?W苯cp2T1?W水cp3T1?W催cp4T1

= 4549.414×2.296×10＋1965.760×1.752×10＋

13030.348×4.186×10＋428.221×2.137×10 = 693496.111kJ/h （2）胶乳的热量：

Q胶?W胶?聚合热?704.943?9588?6758993.484kJ/h （3）出料时的热量：

Q出?W丁cp1T2?W苯cp2T2?W水cp3T2?W催cp4T2

=4057.167×2.271×5＋1753.064×1.735×5＋13030.348×

4.199×5＋428.221×2.112×5

=339371.132 kJ/h （4）冷却热量：

Q冷?Q入?Q胶?H?Q出

= 693496.111＋6758993.484+167280－339371.132 = 7280398.463 kJ/h

液氨进出口温度均为5℃，只进行气化，从而达到降温目的。 由 Q?M?H得： M?Q?H=7280398.463÷1663.25 =4377.212 kg

则需要液氨的量为：4377.212 kg/h

第7章 反应釜的设计计算

§7.1 反应器操作体积

Vg：因只有第一釜转化率要求较高，所以按第一釜设计

Vg?V丁?V苯?V水=7.164+2.160+13.034=22.358m3/h 釜台数: mp?8 反应时间：??9h

每台设备中物料所占体积：VVg?g?m?22.358?9?25.153m3

p8为提高釜的利用率，装料系数η一般取在0.6～0.85，可取0.65，即每台设备的总体积VVga???38.697m3

η=0.65 §7.2 罐体尺寸确定

§7.2.1 筒体高径比

HDi因此设计条件为低温、乳聚，可选择高径比为2，即： §7.2.3 初步计算筒体直径

?2

立式搅拌器的容积通常是筒体和下封头容积之和。已知高径比和η值后，仍不能确定筒体直径和高度，因为当Di不知时，封头体积也不知。因此选用粗估法计算，即先忽略封头体积，然后再精确计算。

Vg??43DiH?2?H4DiDi3

∴Di?4Vg3?(H/Di)??4?25.1533.141?2.4?0.7?2.67m

圆整Di=2.8m

当Di=2.8时，封头体积V封?(Va?筒体高度H?2D?5.6m

?4Di3HDi)?12?4.153m3，

§7.3 传热结构，夹套结构

夹套是用焊接或法兰连接的方式在容器的外侧设各种形状的结构，使其与容器外壁形成密闭空间。在此空间充入冷、热流体，以维持物料温度在预定范围内。本反应釜采用折边蜂窝夹套。

根据标准，夹套直径为：

D夹?Di?0.2?3m

夹套高度应高于反应液高度：

∴Hi＞

Vg(?/4)Di2?25.1533.141?4?2.82?4.08m

§7.4 筒体壁厚确定

内压力0.4～0.5MPa，按最大压力计算，pc?0.5MPa 筒体设计壁厚：

??pcDi2?????pt (p用pc代替)

Di=2800mm

[σ]t : 圆筒材料在设计温度下的许用应力，本釜采用20R碳素钢

[σ]t=113 MPa

φ焊接接头系数，用来弥补焊接时可能出现的强度削弱，φ＜1.0

可取φ=0.85 ∴δ=

0.5?28002?113?0.85-0.5?7.307mm

考虑到介质及大气对筒壁的腐蚀作用，计算壁厚时应加上腐蚀裕量，对碳素钢，

?min?1.51000Di?4.2mm,不妨取4.2mm

∴设计厚度: ?d???C2=7.307＋4.2=11.507mm

考虑到钢板供货的厚度偏差，在设计中，还应加上负偏差C1 C1=0.8mm

则名义厚度：?n??d?C1??=10.829＋1+0.171=12mm 牌号：Q215 供货状态：热轧

由此可计算出最大允许工作压力:

[p]=

?e?pc

因为?min??, C2?2mm,故

釜有效厚度：?e??n?C1?C2?12?0.8?2?9.2mm

最大允许压力[p]?9.27.305?0.5?0.630MPa

§7.6 搅拌装置

§7.6.1 搅拌器选择

乳液聚合搅拌时，将单体分散在乳化剂水溶液中，聚合时聚合物粉须保持稳定的聚合状态，因而不能过度搅拌，同时还要使釜内混合器均匀并除去反应热，因此可采用圆盘直叶涡轮式搅拌器，选择六叶叶片，直径选择一般在容器的1/3～1/2,即0.93m～1.4m，可选择1.2m，即Dj=1200mm,转速50r/min(30～60 r/min) 弯叶指叶片朝着流动方向弯曲。 §7.6.2 搅拌器转速

转速：uj??Djn60?3.14?1.2?5060?3.14m/s

一般切线速度在3～80m/s，因此符合生产要求。 搅拌叶宽度：b?0.2Dj?0.2?1200?240mm 长度： L?0.25Dj?0.25?1200?300mm

工业装置中总是将叶轮安装在釜的中心线上，叶轮到釜低的距离Hj一般为一个叶轮直径，则Hj?Dj?1200mm §7.6.3 搅拌功率

混合物密度ρ=950kg/m3 ，Dj=1.2m，μ=180mpa·s

?ND?2j950??50060180?1.22搅拌雷诺数：Re? 查表知Np=4

?63.3

则P?Np?N3D5?5530W

§7.7 搅拌器附件

§7.7.1 挡板

采用竖挡板，其作用是：①将切向流动转变为轴向和径向流动，对罐体内液体的主体对流扩散，轴向和径向流动都是有效的。

②增大被搅动液体的湍流程度，从而改善搅拌效果。

挡板宽度（D/12～D/10）：采用280mm 因容器直径较大，采用六块挡板

第8章 列管式换热器及泵的选型设计

8.1 列管式换热器的选型

名称 丁二烯 苯乙烯 水 催化剂

相对分子质量

54 104 18 --

密度kg/m3

635 910 1000 --

比热kJ/(kg℃) 10℃

25℃

流量（kg/h） 4549.414 1965.760 13030.348 428.221

2.334 1.778 4.194 2.193

冷却水进出口温度分别为：t1?2oC,t2?8oC （1）总换热量

Q总?（W1c1?W2c2?W3c3?W4c4）?T?(4549.414?2.334?1965.76?1.778?13030.348?4.194?428.221?2.193)?15?1022578.174kJ/h

（2）冷却水消耗量W冷?c冷??（t2-t1）Q总1022578.1744.192?6?40656kg/h

t2?t1T1?t1（3）相关参数?tm逆??t2??t1ln?t2?t1 =11.9℃ R?T1?T2t2?t1?2.5 p??0.26

温差修正系数??0.825 ?tm????tm逆?9.82℃

传热系数K=800W/(m2?K) A?QK?tm?107m1252

（4）换热器类型应选BEM1400—0.5—110——4?

8.2泵的选型设计

（1）管内流体的流速：u?QA?1965.76?9093.144?0.05?36002?0.306m/s

雷诺数：Re?du???21400

?即：管内流动状态为湍流 取??0.15mm ，e表 知： e??0.0075 由Re 、

d??0.036

（2）直管阻力和局部阻力的计算： 直管阻力的计算：hf??1lu2d2?1.74J/kg

局部阻力的计算：有90°的弯头15个，则??15?0.75?11.25

hf2??u22?0.52J/kg

总的阻力：hf?hf?hf?2.26J/kg

12理论压头的计算：由柏氏方程可得：z?p1?p2?g?u22g?hfg?45.13

由输送温度为常温、低粘度、无腐蚀性、无固体颗粒的液体，选择扬程为48，流

3量为15 m的旋涡泵，旋涡泵适合小流量高扬程的场合。查《化工手册》P4-71

选泵的型号为：IS50—320—200

设备一览表名称 换热器 R101 R102 R103 R104 R105 R106 R107 R108 R109 泵 搅拌器

型号

BEM1400—0.5—110—

125—4?

夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）夹套反应釜（H?5.6m,Di?2.8m,D?3m）IS50—320—200

六叶圆盘直叶涡轮式搅拌器（P?5530W）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3ahr.html