丁苯橡胶设计说明书

年产20万吨乳聚丁苯橡胶装置工艺设计

摘 要

本设计为年产20万吨乳聚丁苯橡胶装置工艺设计，以聚合工段为工艺设计的主要对象。对丁苯橡胶的生产方法和生产工艺进行了系统的论证。本设计以丁二烯和苯乙烯为主要聚合单体，以松香酸钾皂、硫酸亚铁、叔十二硫醇、过氧化氢对孟烷等为助剂，采用低温乳液聚合法连续生产工艺合成丁苯橡胶。并进行了聚合工段的物料衡算和主要设备的计算和选型，进行了简单的技术经济分析。用Auto-CAD绘制了工艺流程图、车间平面布置图、设备装配图以及总厂平面布置图，并编制了设计说明书和计算书。

关键词 ： 丁苯橡胶 乳液聚合 工艺设计 丁二烯 苯乙烯

ABSTRACT

The design on behalf of annual produce 200,000 emulison type styrene butadiene rubber device technological design，with polymerization aile for technological design subject.Versus SBR’s manufacturing method and technique of production undertook systematical argumentation.The design use butadiene and styrene for main polymerizing monomer，abietic acid

potash soap，ferrous sulfate tertiary DDM，hydrogen peroxide versus manganese alkane and others for accessory ingredients，adopted low temperature emulsion polymerization continuous production craft synthetize SBR.And has done polymerizing aile material balance ，heat balance and the major equipmentcount and lectotype，proceed simple engineering economy study.Use auto-CAD protracting one piece of process line cum instrument flow chart，one piece of workshop layout ，one piece of unit assembly drawing and one piece of factory layout，and establishmented design specifications and account.

Key words： butadiene-styrene rubber emulsion polymerization Technological design butadiene styrene

目 录

前 言 ............................................................................................................... -1- 第一章 总论 ................................................................................................. -2-

1. 1 丁苯橡胶的性能 .................................................................................. -2- 1. 2 丁苯橡胶的用途 .................................................................................. -2- 1. 3 丁苯橡胶的重要地位 .......................................................................... -3- 1. 4 市场需求 .............................................................................................. -3- 1. 5 工业生产方法 ...................................................................................... -3-

第二章 产品的概述 ................................................................................... -5-

2. 1 丁苯橡胶方法 ...................................................................................... -5- 2. 2 丁苯橡胶国内外研究现状 .................................................................. -6- 2.3 中国丁苯橡胶新技术的开发 ............................................................... -7- 2.4 丁苯橡胶生产现状概况 ....................................................................... -7-

2.4.1世界丁苯橡胶生产现状概况 ..................................................... -7- 2.4.2 中国丁苯橡胶生产现状概况 .................................................... -8- 2.5 生产方案和生产流程确定 ................................................................... -9-

第三章 乳聚丁苯橡胶的生产工艺 ..................................................... -10-

3.1 生产流程简述 ..................................................................................... -10-

3.1 .1 反应方程式 ............................................................................. -10- 3.1 .2 生产过程 ................................................................................. -11- 3.2 生产配方 ............................................................................................. -12- 3.3主要原料 .............................................................................................. -13- 3.4 工艺条件 ............................................................................................. -13- 3.5 生产中应该注意的问题 ..................................................................... -14- 3.6 影响聚合的因素 ................................................................................. -15-

第四章 物料衡算 ..................................................................................... -16-

4.1 聚合釜总物料衡算 ............................................................................. -16-

4.1.1 计算依据 .................................................................................. -16- 4.1.2 公式 .......................................................................................... -17- 4.1.3 聚合釜的物料衡算 .................................................................. -17- 4.1.4 非聚合釜的物料衡算 .............................................................. -19-

4.2 各釜进出料计算 ................................................................................. -20-

4.2.1 基础数据 .................................................................................. -20- 4.2.2 计算 .......................................................................................... -20- 4.2.3 各反应釜出口物料组成 .......................................................... -22-

-第五章 能量衡算 .................................................................................... -23-

5.1 反应釜物料的热量衡算 ..................................................................... -23-

5.1.1 物料的比热容计算 .................................................................. -23- 5.1.2 物料的相关参数列表 .............................................................. -25- 5.1.3 聚合釜的热量计算 .................................................................. -26- 5.2 冷胶进料冷却器的热量衡算 ............................................................. -27-

第六章 反应器和搅拌装置的选择 ..................................................... -29-

6.1 聚合釜的参数 ..................................................................................... -29- 6.2 反应釜计算 ......................................................................................... -30-

6.2.1 反应釜数量 .............................................................................. -30- 6.2.2 聚合釜筒体直径和筒体高度 .................................................. -30- 6.3 聚合釜各参数的确定 ......................................................................... -31- 6.4 传热结构，夹套结构 ......................................................................... -32- 6.5 液氨的进口管径 ................................................................................. -32- 6.6 物料进口管径 ..................................................................................... -33- 6.7 搅拌装置 ............................................................................................. -33-

6.7.1 搅拌器选择 .............................................................................. -33- 6.7.2 搅拌器转速 .............................................................................. -34- 6.7.3 搅拌功率 .................................................................................. -34- 6.7.4 搅拌轴 ...................................................................................... -34- 6.8 电动机功率 ......................................................................................... -34- 6.9 搅拌器附件 ......................................................................................... -35-

6.9.1 挡板 .......................................................................................... -35- 6.9.2 导流筒 ...................................................................................... -35- 6.10 聚合釜参数汇总 ............................................................................... -35-

第七章 管道和泵等其他设备的选择 ................................................ -37-

7.1 主要管径的计算 ................................................................................. -37- 7.2 泵的选择（以苯乙烯的输送为例） ................................................. -37- 7.3 其他设备的选择 ................................................................................. -38-

7.3.1丁二烯缓冲罐 ........................................................................... -38-

7.3.2 苯乙烯缓冲罐 .......................................................................... -38- 7.3.3 乳化剂溶液缓冲罐 .................................................................. -38- 7.3.3 其他缓冲罐 .............................................................................. -39- 7.3.4 终止釜 ...................................................................................... -40-

第八章 产房布置 ................................................................................... -42-

8.1 产房面积的估算 ................................................................................. -42- 8.2 工厂布局和选址及占地面积 ............................................................. -42-

8.2.1 厂址的选择及车间布置 .......................................................... -42- 8.2.2 工厂占地面积 .......................................................................... -43-

第九章 技术经济分析 ............................................................................ -44-

9.1 经济核算 ............................................................................................. -44- 9.2 经济计算 ............................................................................................. -44- 9.3 固定投资分配 ..................................................................................... -45-

9.3.1 土地购置费 .............................................................................. -45- 9.3.2 工程建设费 .............................................................................. -45- 9.3.3 设备购置费和安装费 .............................................................. -45-

第十章 安全生产 ..................................................................................... -46-

10.1 物料的卫生标准 ............................................................................... -46-

10.1.1 丁二烯 .................................................................................... -46- 10.1.2 苯乙烯 .................................................................................... -46- 10.1.3 其他原料的卫生标准 ............................................................ -46- 10.2 防火防爆、防毒及安全消防设施 ................................................... -46-

10.2.1防火防爆 ................................................................................. -46- 10.2.2 防毒 ........................................................................................ -47- 10.2.3 中毒后应采取急救措施，有以下四个要领： .................... -47- 10.2.4 安全防护 ................................................................................ -48-

第十一章 环境保护 ................................................................................. -49-

11.2 废水的处理 ....................................................................................... -49-

11.2.1 单体贮存和配置单元 ............................................................ -49- 11.2.2 化学品配置单元 .................................................................... -49- 11.2.3 聚合与单体回收单元 ............................................................ -49- 11.3 废渣的处理 ....................................................................................... -50-

11.3.1 来源 ........................................................................................ -50-

11.3.2 处理 ........................................................................................ -50-

参考文献 ........................................................................................................ -51- 致谢词 ............................................................................................................. -52-

前 言

丁苯橡胶是由1,3-丁二烯与苯乙烯共聚而得的高聚物[1]，简称SBR，因其综合性能较好，原料又便宜易得，因此产量很高，约占全部合成橡胶的50%以上。目前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[2]中，约90%的生产工艺为低温条件。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。其在轮胎、鞋类、胶管、汽车零部件、电线电缆以及其他多种工业橡胶制品生产中具有广泛应用。

本设计是以丁二烯和苯乙烯为原料，采用国内外生产工艺相当成熟的低温乳液聚合生产方法，对年产20万吨的SBR生产工艺的初步设计。

本设计的内容包括十一个部分：第1章：总论；简单介绍丁苯橡胶的性质、用途、地位和生产需求；第2章：概述了丁苯橡胶国内外生产情况及发展趋势；第3章：介绍该工艺的产品及原料说明，重点介绍低温乳液聚合工艺；第4章:物料衡算;第5章：能量衡算；第6章：主要设备的计算与选型；第7章：附属设备的条件确定及选型；第8章：厂房布置；第9章：经济分析；第10章：安全生产事项；第11章：环境保护。设计图纸包括生产工艺流程图、聚合釜设备图、车间平面布置图及总厂平面图。

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，对参考文献的查阅与学习等的方法。由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。

第一章 总论

1. 1丁苯橡胶的性能

丁苯橡胶是一种不饱和的烃类高聚物. 在光、热、氧和臭氧作用下将发生物理化学反应，但其被氧化的作用比天然橡胶缓慢，即使在较高温度下老化反应的速度也较缓慢。光对橡胶的老化作用不明显，但耐臭氧性比天然橡胶差。脆性温度约为零下450C，低温性能稍差。[4]

优点：(1)胶料不易焦烧和过硫，硫化平坦性好。(2)耐磨性、耐热性、耐油性和耐老化性能等均比天然橡胶好。高温耐磨性好，适用于乘用胎。(3)加工中分子量降到一定程度后不再降低，因而不易过炼，可塑度均匀。硫化胶硬度变化小。(4)提高分子量可达到高填充，充油丁苯橡胶的加工性能好。(5)很容易与其它不饱和通用橡胶并用，尤其是与天然橡胶和顺丁橡胶并用，经配方调整可以克服丁苯橡胶的缺点。

缺点：(1)纯胶强度低，需加入高活性补强剂方可使用。加入配合剂的难度比天然橡胶大，配合剂在橡胶中分散性差。(2)反式结构多，结构不规整，侧基上带有苯环，因而比天然橡胶滞后损失大、生热高、弹性低、耐寒性也稍差。但充油后能降低生热。(3)未硫化胶料收缩大、强度低、粘着性能不如天然橡胶。(4)硫化速度比天然胶慢。(5)硫化胶耐曲挠龟裂性比天然胶好，但裂纹扩展速度快。热撕裂性能差。

总之，与天然橡胶比，丁苯胶具有较好的耐热、耐老化性能和较高的耐磨性能。但丁苯胶的弹性、耐寒性、耐屈挠龟裂性、耐撕裂性和粘着性能均比天然橡胶差，工艺加工性能不如天然橡胶，多次变形下的升热量大，滞后损失大。由于硫化速度较慢，所以硫化促进剂用量较大，但硫化过程中操作比较完全。[4]

产品性能

SBR－1500是通用污染型软丁苯橡胶的最典型品种，生胶的粘着性和加工性能均优，硫化胶的耐磨性能、拉伸强度、撕裂强度和耐老化性能较好。SBR－1502是通用非污染型软丁苯橡胶的最典型品种，其性能与SBR－1500相当，有良好的拉伸强度、耐磨耗和屈挠性能。SBR－1712是一种填充高芳香烃油的软丁苯橡胶的污染性品种，它具有优良的粘着性、耐磨性和可加工性以及价格便宜等优点。

1. 2丁苯橡胶的用途

SBR-1500广泛用于以炭黑为补强剂和对颜色要求不高的产品，如轮胎胎面、翻胎胎面、输送带、胶管、模制品和压出制品等。SBR-1502广泛用于颜色鲜艳和浅色的橡胶制品，如轮胎胎侧、透明胶鞋、胶布、医疗制品和其他一般彩色制品等。SBR-1712广泛用于乘用车轮胎胎面胶，轮胎胎面胶、输送带、胶管和一般黑色橡胶制品等。[6]

1. 3丁苯橡胶的重要地位

丁苯橡胶是最早工业化的合成橡胶。1933年德国采用乙炔合成路线首先研制出高温乳液聚合丁苯橡胶，并于1937年开始工业化生产。50年代初，出现了性能优异的低温(5-8℃)丁苯橡胶。目前，丁苯橡胶(包括胶乳)的产量约占整个合成橡胶生产量的55%，是合成橡胶中产量和消耗量最大的胶种；低温乳聚丁苯橡胶约占整个丁苯橡胶产量的80%。

1. 4市场需求

伴随着近几年我国丁苯橡胶生产能力的显著增长，我国丁苯橡胶市场表现出两大特征：一是出口量大幅度增加，二是进口量并没有明显降低。其内在原因是， 我国丁苯橡胶进口量的70%以上是以进料加工贸易和来料加工装配形式进口的，所以，尽管国内资源增加，进口量并没有明显降低。出口增加的主要原因一方面是为了释放国内特定阶段时期内的市场销售压力， 另一方面是为了平衡国际市场需求，美国以及东南亚地区轮胎产量的增加，吸纳了我国一定的丁苯橡胶资源。

根据中国汽车工业协会草拟的“十二五”汽车产业发展规划预测，2015年我国汽车产量达到2500 万辆，较2011 年的1842 万辆增长35.7%。据此预测，我国丁苯橡胶市场容量仍将有30%左右的增长空间，但产品消费结构会有很大变化。预计到2015年我国丁苯橡胶生产能力将增加到150万吨，新增生产能力以溶聚丁苯橡胶居多， 这种发展趋势符合了绿色高性能轮胎发展的需要， 可以引领我国丁苯橡胶市场走向健康、稳定的发展道路。[7]

我国丁苯橡胶2011 年需求量达到约105.0 万t, 其中乳聚丁苯橡胶的需求量约为90.0 万~95.0 万t, 溶聚丁苯橡胶的需求量约为10.0 万~15.0 万t, 乳聚丁苯橡胶仍是我国丁苯橡胶消费的主要产品。

1. 5工业生产方法

丁苯橡胶（SBR）：是由1，3-丁二烯与苯乙烯共聚而得的高聚物。

1.乳液聚合法（主要采用）

品种：低温丁苯橡胶、高温丁苯橡胶、低温丁苯橡胶炭黑母炼胶、低温充油丁苯橡胶、高苯乙烯丁苯橡胶、液体丁苯橡胶等。

2.溶液聚合法

品种：烷基锂引发、醇烯络合物引发、锡偶联、高反式等丁苯橡胶。

1. 6主要产品简介

主要产品牌号如下表1. 1：

表1. 1 主要产品简介

牌号

填充

产品特性

用途

SBR1500E

深色。生胶的自粘性佳；加

—

工性良好；耐磨耗性、耐老化性、耐屈挠等性能良好。

浅色。具有较佳的耐磨耗性、

轮胎、输送带、橡胶管、黑色鞋底等深色工业制品

SBR1502 — 拉伸强度、耐老化性、耐屈挠性能。

轮胎、浅色透明鞋底、橡胶布、浅色运动器材等。

SBR1712E

37.5份高芳烃油 37.5份低

深色。具有良好加工性和高的性价比。亚硝胺类化合物含量低于安全允许标准。

深色。油品中的PCA（稠环芳烃） 小于 3%“。

深色。结合苯乙烯含量高，具有较佳的抗湿滑性。

深色。结合苯乙烯含量高，具有较佳的抗湿滑性。油品中PCA含量小于3%。

轮胎、输送带、橡胶管及其它深色工业制品。

SBR1723 稠环芳烃油

轮胎、输送带、橡胶管及其它深色工业制品。

轮胎、输送带、橡胶管及其它深色工业制品。

轮胎、输送带、橡胶管及其它深色工业制品。

SBR1721

37.5份高芳烃油 37.5份低

SBR1739 稠环芳烃油

第二章 产品的概述

2. 1丁苯橡胶方法

(一)乳聚丁苯橡胶(E-SBR)

乳聚丁苯橡胶的工业生产方法有高温聚合(又称热法)和低温聚合(冷法)两种。高温聚合所得产品的分子量较低、文化度较大，分子量分布较宽，在质量上都不如低温聚合产品，目前很少采用。因此，本节只叙述低温连续法乳液聚合生产工艺。

乳聚丁苯的综合物性优良，易于塑炼加工，其耐热、耐磨、耐老化性能优于天然橡胶。与天然橡胶、顺丁橡胶的混溶性好，硫化曲线较平坦，不易焦烧和过硫化，但弹性和抗撕裂性能不如天然橡胶。充油丁苯与非充油丁苯胶相比，其可塑性好，易加工，制成轮胎与路

面抓着力高、生热低，生产成本低，且硫化胶物性无明显下降。乳聚丁苯橡胶是最通用的合成橡胶品种，可与天然橡胶、顺丁橡胶混用，适用于制作各种轮胎、胶管、胶带、胶鞋、胶板、胶辊、电线电缆和橡胶制品。[4]

（二）溶聚丁苯橡胶(S—SBR)

溶聚丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯两种单体，通过溶液聚合反应制得的共聚橡胶。商品也有纯溶聚丁苯和充油溶聚丁苯两类。本节内容仅简述目前工业生产上，应用较广的锂引发体系制备的溶聚丁苯，可生产无规共聚物和嵌段共聚物两种。它们的分子量分布一般小于2，比乳聚丁苯(＞4)窄，具有更好的耐磨性、耐寒性和生热低等性能。

溶聚丁苯橡胶具有优良的耐磨性、耐沟纹龟裂性，且对湿路面抓着力、耐热性及在高温下长时间暴露后的耐屈挠性良好。加之在密炼机混炼时生热低、压出膨胀率小、填充量高等特点，主要应用于轮胎方面，约占溶聚丁苯胶总产量的80％，如制造轿车轮胎、大型轮胎胎面、雪地轮胎胎体等。从耐磨性、拉伸强度、硫化平坦性、耐屈挠性和耐热性等考虑，特别适于制造耐热运输带。由于耐低温性、防震性与金属粘合性好，适用于制造皮带、刮水板、窗框密封及散热器软管等工业用零部件。因其耐候性、回弹性好及永久变形小等优点，在制造胶鞋、雨衣、毡布、手套、风衣及气垫床等日用品亦广泛应用。用溶聚丁苯橡胶还可制成发泡均匀、结构致密的微孔海绵材料。

通常所说的丁苯橡胶主要是指乳聚丁苯橡胶。

乳聚丁苯橡胶又包括高温乳液聚合的热丁苯与低温乳液聚合的冷丁苯。前者于1942年工业化，目前仍有少量生产，主要用于水泥、粘合剂、口香糖、以及某些织物包覆与模塑制品及机械制品。通常所说的丁苯橡胶主要是指低温乳液聚合

法生产的丁苯橡胶，1947年工业化，它有较高的耐磨性和很高的抗张强度，良好的加工性能，以及其它综合性能，是目前产量最大、用途最广的合成橡胶品种。

溶聚丁苯橡胶（SSBR）是丁二烯与苯乙烯在烃类溶剂中，在丁基锂催化剂存在下聚合制得。80年代后期生产的第二代溶聚丁苯橡胶滚动阻力优于乳聚丁苯橡胶和天然橡胶，抗湿滑性优于顺丁橡胶，耐磨性也好，可以满足轮胎高速、安全、节能、舒适的要求，用其制造轮胎比乳聚丁苯橡胶节油3%～5%。

乳液聚合(emulsion polymerization)是高分子合成过程中常用的一种合成方法，因为它以水作溶剂，对环境十分有利。在乳化剂的作用下并借助于机械搅拌,使单体在水中分散成乳状液,由引发剂引发而进行的聚合反应。

优点: (1)聚合热易扩散,聚合反应温度易控制；(2)聚合体系即使在反应后期粘度也很低,因而也适于制备高粘性的聚合物；(3)能获得高分子量的聚合产物; (4)可直接以乳液形式使用 (5)可同时实现高聚合速率和高分子量。在自由基本体聚合过程中，提高聚合速率的因素往往会导致产物分子量下降。此外，乳液体系的粘度低，易于传热和混合，生产容易控制，所得胶乳可直接使用，残余单体容易除去。

缺点:(1)聚合物含有乳化剂等杂质影响制品性能; (2)得到固体聚合物,还要经过凝聚、分离、洗涤等工序；(3)反应器的生产能力也比本体聚合时低。

2. 2丁苯橡胶国内外研究现状

丁苯橡胶的生产技术在20年代后期逐渐成熟，此后对工艺又进行了不断的改进，并朝着装置大型化方向发展，自动化控制水平有了明显的提高，并且己达到相当先进的水平。

丁苯橡胶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，优化产品性能，适应市场需求等方面也得到了突破性进展。[7]

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，光敏剂，增效剂，颜料，催化剂和/或促进剂的官能化苯乙烯与含有2%-3%离子表面活性剂和平共处0%-70%增塑剂的丁二烯在0-25℃下进行乳液共聚，制得含有酰氨基的官能化ESBR。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SiO2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，制取了残余单体含量低的ESBR。日本三菱化成公司用自由基引发剂和常规乳液聚合助剂，用两步聚合工艺制成了结合苯乙烯含量分布范围宽、耐磨性和抗湿滑性比常规的ESBR好的新型ESBR。

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。日本住友橡胶工业公司将接枝有硅烷偶联剂的SBR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、高回弹率、低能耗的原位增强ESBR。

2.3中国丁苯橡胶新技术的开发

近年来中国开展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；此外还采用由正丁基锂和二乙烯基苯合成的多螯型引发剂及SnCl4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，并且采用湿法充油制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出了粉末丁苯橡胶制备技术，并实现了中试放大，经200t/a规模的中试验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，该技术应用于沥青改性方面，具有掺混工艺简单、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白。

2.4丁苯橡胶生产现状概况

2.4.1世界丁苯橡胶生产现状概况

近年来，世界丁苯橡胶的生产能力稳步增长。2003年全世界丁苯橡胶的总生产能力为451.2万t／a，2006年增加到504.6万t／a，比2005年增长约6.5%，其中乳聚丁苯橡胶的生产能力为404.9万t／a，约占世界丁苯橡胶总生产能力的80.2%：溶聚丁苯橡胶的生产能力为99.7万t／a，约占总生产能力的19.8%。北美、欧洲和亚洲地区是最主要的生产地区，生产能力分别约占世界总生产能力的22.2%、19.8%和38.6%。美国固特异轮胎橡胶公司是目前世界上最大的丁苯橡胶生产厂家，2006年生产能力达到36.3万t／a，约占世界丁苯橡胶总生产能力的7.19%；其次是中国石油化工集团公司，生产能力为29.0万t／a，约占世界总生产能力的5.75%；再次是韩国锦湖石油化工公司，生产能力为27.5万t／a，约占世界总生产能力的5.45%；第4是日本合成橡胶公司，生产能力为26.8万t／a，约占世界总生产能力的5.31%。2007-2011年期间，世界上将新增丁苯橡胶产能约120.0万t／a，新增装置主要集中在我国大陆、印度、韩国、德国以及美国等国家和地区，其中陶氏(dow)公司已开始在德国施科保建6.0万t／a溶液丁苯橡胶(ssbr)新装置，计划在2008年下半年建成。美国国际特种产品公司(isp)计划在美国新建

一套16.0万t／a丁苯橡胶生产装置，印度信赖工业公司计划在2009年新建一套10.0万t／a生产装置，印度石油天然气公司计划在2010年新建一套14.0万t／a生产装置，韩国锦湖石油化工公司拟于2008年新增加10.0万t／a生产能力。预计到2011年，世界丁苯橡胶的生产能力将超过620.0万t／a，其中亚太地区、北美地区以及西欧地区仍将是世界最主要的丁苯橡胶的3个生产地区。[7] 2.4.2中国丁苯橡胶生产现状概况

自1960年兰州石油化工公司从前苏联引进技术，建成我国第一套1.3万t／a乳聚丁苯橡胶生产装置以来，我国丁苯橡胶的生产发展较快。尤其是2003年以后，国内有多套丁苯橡胶新建或扩建装置建成投产。2004年，中石油吉林石油化工公司将其乳聚丁苯橡胶装置生产能力增加到14.0万t／a，中石油兰州石油化工公司亦于2004年末将其生产能力扩增到5.5万t／a；江苏南通申华化工公司于2005年6月将其原来的12.0万t／a生产能力扩建到17.0万t／a；2006年8月22日，中石化高桥石油化工公司采用日本旭化成公司溶液法连续生产的10.0万t／a溶液丁苯橡胶装置建成投产。2007年5月28日，南京扬子石化金浦橡胶有限公司(扬子石化股份有限公司和江苏金浦集团按照股比6：4组建的合资公司)采用国产化的低生产技术建成的10.0万t／a乳聚丁苯橡胶装置打通全流程，产出合格产品，实现一次开车成功。近年来我国丁苯橡胶产品品种牌号不断增加。齐鲁石油化工公司开发出高结合苯乙烯的非污染型丁苯胶sbr1516，具有优异的抗湿滑、耐曲挠等性能，达到国外同类产品先进水平，在压敏胶粘剂、制鞋、轮胎三角胶等领域，具有广阔的应用前景。sbr1714为高充油丁苯胶sbr1714，除具备普通充油丁苯胶加工性能好、生热低、低屈挠寿命长，用作胎面胶时牵引力大的特点外，还具有优越的耐磨耗、抗湿滑等性能，可应用于轮胎胎面、胶管、胶带等领域，具有较好的社会效益和经济效益。不含亚硝胺类物质的环保型丁苯胶sbr1721，已替代进口产品应用于轮胎生产中。[7]

随着中国加入WTO，汽车进口关税降低，国内汽车工业及轮胎业将面临着更大的挑战，尤其是受世界经济不景气的影响，中国轮胎及橡胶制造业的出口难度加大，有可能导致SBR消费量增长速度减缓，但从长远来看，国内丁苯胶市场仍将保持较大比例的增长。同时，随着外资企业在中国投资规模的加大以及中国汽车工业及高速公路的发展，高性能轮胎的需求量将会逐步增加，尤其是“费改税”政策的实施，SSBR用于轮胎的节能、安全、舒适的特点将会愈加受到人们的关注和青睐。

2.5生产方案和生产流程确定

通常所说的丁苯橡胶主要是指乳聚丁苯橡胶。

乳聚丁苯橡胶又包括高温乳液聚合的热丁苯与低温乳液聚合的冷丁苯。前者于1942年工业化，目前仍有少量生产，主要用于水泥、粘合剂、口香糖、以及某些织物包覆与模塑制品及机械制品。通常所说的丁苯橡胶主要是指低温乳液聚合法生产的丁苯橡胶，1947年工业化，它有较高的耐磨性和很高的抗张强度，良好的加工性能，以及其它综合性能，是目前产量最大、用途最广的合成橡胶品种。

溶聚丁苯橡胶（SSBR）是丁二烯与苯乙烯在烃类溶剂中，在丁基锂催化剂存在下聚合制得。80年代后期生产的第二代溶聚丁苯橡胶滚动阻力优于乳聚丁苯橡胶和天然橡胶，抗湿滑性优于顺丁橡胶，耐磨性也好，可以满足轮胎高速、安全、节能、舒适的要求，用其制造轮胎比乳聚丁苯橡胶节油3%～5%。[6]

根据本设计为20万吨丁苯橡胶，产量比较大，故选择生产方法比较成熟，需求量大的乳聚丁苯橡胶生产工艺

第三章 乳聚丁苯橡胶的生产工艺

3.1生产流程简述

3.1 .1 反应方程式

1,3-丁二烯（CH2=CH-CH=CH2）、苯乙烯（C6H5C2H3 ）在乳液中按自由基共聚合反应机理进行聚合反应。

其反应式与产物结构式为：CH2=CH-CH=CH2＋C6H5-CH=CH2 ——→ -[CH2-CH=CH-CH2-CH(C6H5)-CH2]-n [2]

1）第一步

链引发反应：如果以R?代表初级自由基，以M1代表单体丁二烯，M2代表单体苯乙烯，~M1? 、~M1?为链自由基；形成单体自由基的反应可表示如下：

R? ＋ M1 → RM1? ； R? ＋ M2 → RM2? ；

由链引发反应可知，随着引发剂氢过氧化异丙苯的分解，体系OH－含量升高，导致体系的pH值升高。而OH－与体系中的Fe2＋的反应又会生成Fe(OH)2沉淀。为了防止产生的Fe(OH)2沉淀析出，工业上采用乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA-二钠盐)作为螯合剂，与Fe2＋生成水溶液性螯合物。EDTA-二钠盐与Fe2＋生成的水溶液性螯合物，其离解度小，在碱性条件和酸性条件下都很稳定，可在较长的时间内保持Fe2＋的存在，而又不生成Fe(OH)2沉淀。

同时，Fe2＋经氧化后变成Fe3＋，Fe3＋呈棕色，如果其浓度较高将影响丁苯橡胶的色泽。为了减少Fe3＋的浓度，工业上使用雕白粉(甲醛-亚硫酸氢钠二水合CH2O.NaHSO3.2H2O)作为二级还原剂，使Fe3＋还原为Fe2＋。由于消耗了二级还原剂雕白粉，硫酸亚铁的用量显著减少。保险粉（连二亚硫酸钠二水合物Na2S2O4.2H2O）称为脱氧剂；水中的溶液氧在低温下是阻聚剂，加入雕白粉能保证聚合反应正常进行。

2）第二步 链增长反应：

~M1? ＋ M1 → ~ M1? ； ~M1? ＋ M2 → ~ M2? ； ~RM2?＋ M1 → ~M1? ； ~M2? ＋ M2 → ~ M2? ；

3）第三步 链终止反应：

~M1? ＋ ~M1? →~M1M1~ ； ~M2? ＋ ~M1? →~M1M2~ ； ~M2? ＋ ~M2? →~M2M2~ ；

当转化率（或门尼粘度）达到要求时，加入终止剂二甲基二硫代氨基甲酸钠，终止剂与链自由基发生下列反应，使链自由基活性消失。甲基二硫代氨基甲酸钠为有效的终止剂，但在单体回收过程中仍有聚合现象发生，为此，添加了多硫化物、亚硝酸钠以及多乙烯多胺。多硫化物有还原作用，可与残存的过氧化物反应，以消除回收过程中残存的过氧化物的引发作用，亚硝酸钠有防止菜化状的爆聚物生成的作用。[2] 3.1 .2生产过程

工艺流程总线----原料制备、聚合反应、分离回收、后处理工段 1）原料制备

用计量泵将规定数量的相对分子质量调节剂叔十烷基硫醇与苯乙烯在管路中混合溶解，再在管路中与处理好的丁二烯混合。然后与乳化剂混合液（乳化剂、去离子水、脱氧剂等）在管路中混合后进入冷却器，冷却至10℃。在与活化剂溶液（还原剂、螯合剂等）混合。[4]

2）聚合反应

从第一个釜的底部进入聚合系统，氧化剂直接从第一个釜的底部直接进入。系统由8~12台聚合釜组成，采用串联操作方式。当聚合到规定转化率后，在终止釜前加入终止剂终止反应。聚合反应的终点主要根据门尼粘度和单体转化率来控制，转化率是根据取样测定固体含量来计算，门尼粘度由取样测定来确定。虽然生产中转化率控制在60%左右，但当所测定的门尼粘度达到规定指标要求，而转化率未达到要求时，也就加终止齐终止反应，以确保产物门粘度尼合格

3）分离回收 （a）苯乙烯分离

脱除丁二烯的乳胶进入苯乙烯汽提塔（高约10m，内有十余块塔盘）上部，塔底用0.1MPa的蒸汽直接加热，塔顶压力为12.9kPa，塔顶温度50℃，苯乙烯与水蒸汽由塔顶出来，经冷凝后，水和苯乙烯分开，苯乙烯循环使用。塔底得到含胶20%左右的胶乳，苯乙烯含量＜0.1%。经减压脱出苯乙烯的塔底胶乳进入混合槽，在此与规定数量的防老剂乳液进行混合，必要时加入充油乳液，经搅拌混合均匀后，送入后处理工段。[4]

（b）丁二烯分离

从终止釜流出的终止后的胶乳液进入缓冲罐。然后经过两个不同真空度的闪蒸器回收未反应的丁二烯。第一个闪蒸器的操作条件是22～28℃，压力0.04MPa，在第一个闪蒸器中蒸出大部分丁二烯；再在第二个闪蒸器中（温度27℃，压力0.01MPa）(温度27℃，压0.03MPa)蒸出残存的丁二烯。回收的丁二烯经压缩液化，再冷凝除去惰性气体后循环使用。[4]

4）后处理工段

混合好的乳胶用泵送到絮凝槽中，加入24%～26%食盐水进行破乳而形成浆状物，然后与浓度0.5%的稀硫酸混合后连续流入胶粒皂化槽，在剧烈搅拌下生成胶粒，操作温度均为55℃左右。

从胶粒皂化槽出来的胶粒和清浆液经振动筛进行过滤分离后，湿胶粒进入洗涤槽用胶清液和清水洗涤，操作温度为40~60℃。洗涤后的胶粒再经真空旋转过滤器脱除一部分水分，使胶粒含水低于20%，然后进入湿粉碎机粉碎成5～50mm的胶粒，用空气输送器送到干燥箱中进行干燥。

干燥箱为双层履带式，分为若干干燥室分别控制加热温度，最高为90℃，出口处为70℃。履带为多孔的不锈钢板制成，为防止胶粒粘结，可以在进料端喷淋硅油溶液，胶粒在上层履带的终端被刮刀刮下落入第二层履带继续通过干燥室干燥。干燥至含水＜0.1%。然后经称量、压块、检测金属后包装得成品丁苯橡胶。

[3]

3.2生产配方

配方如表3.1：

表3.1低温乳液聚合的标准配方（质量分数） 名称

单体

苯乙烯

调节剂 介质 乳化剂 烷基芳基磺酸钠 过氧化物

叔十烷基硫醇

水 歧化松香酸钠 烷基芳基磺酸钠 过氧化氢对孟烷 硫酸亚铁 雕白粉

活化剂

EDTA 磷酸钠

0.035 0.08 30 0.20 200 4.5 0.15 0.08 0.05 0.15

原料及辅助材料

丁二烯

配方 70

3.3主要原料

①1，3—丁二烯：CH2＝CH－CH＝CH2

1．3—丁二烯是最简单的共轭双烯烃。在常温、常压下为无色气体，相对分于质量为54.09。相对密度0.6211，熔点-108.9℃，沸点-4.5℃。有特殊气味，有麻醉性，特别刺激黏膜。容易液化，易溶于有机溶剂。性质活泼，容易发生自聚反应，因此在贮存、运输过程中要加人叔丁邻苯二酚阻聚剂。与空气混合形成爆炸性混合物，爆炸极限为2.16%——11.47%(体积)。是合成橡胶、合成树脂等的主要原料。[1]

1，3一丁二烯主要由丁烷、丁烯脱氢或碳四馏分分离而得。 ②苯乙烯

苯乙烯为无色或微黄色的油状液体，有特殊的气味，熔点为-306℃，密度为900kg/m3，沸点为145~146℃。苯乙烯不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、二硫化碳等有机溶剂中。聚合级苯乙烯的纯度应高于99.5%。

3.4工艺条件

1）温度与压力的控制

反应温度5~7℃；操作压力：0.25MPa；反应时间：8~10小时；转化率：60%＋2%

2）胶粒粒径的控制

为了大规模生产，必须采用连续法乳液聚合。除了其他因素外，乳液聚合中乳胶粒子的粒径与它在聚合釜中的停留时间有关。根据连续搅拌釜的停留时间分布函数的特性，若串联的聚合釜越多，则停留时间分布函数越狭窄。工业生产中常采用8—12个聚合釜串联起来，可使胶乳粒子的粒径分布狭窄，又可提高产品的质量(产品的分子量分布较狭，支联也较少)。若串联的聚合釜数目增加，而总的停留时间保持不变，则必须提高物料流动速度，也即提高了单位时间的生产能力，有利于大规模生产。[4] 3）操作点的控制

由于共聚物组成的要求(苯乙烯含量为23%左右及组成均—)，工业生产中确定转化率达到60士2%时必须停止聚合。根据商品的要求，不同牌号的产品，就有不同的门尼粘度值(即不同分子量、分子量分布的丁苯橡胶)。如果转化率还未到达60%，而门尼粘度已达到产品牌号的要求值时，也必须终止反应．以确保产物的门尼粘度值合格。

聚合反应的终点取决于共聚彻组成及产物的门尼粘度这两个要求。 实际上，在稳定的加料条件下，转化率与反应速度、反应时间有关．而门尼

粘度可由分子量调节剂用量来调整。所以在工业生产中可由协调分子量调节剂及引发剂用量的方法，能正确地控制(一定的聚合速度下)转比率达到60%而又能使产物的门尼粘度达到要求的数值。

测定转化率的新办法是利用胶乳密度随转化率上升而增加的性质来测定的。若采用γ—射线密度计则可快速测定之。 4）单体的纯度要求

单体纯度的要求较高，如丁苯橡胶合成时，丁二烯和苯乙烯的纯度各要求＞99%及＞99.6%。其中某些杂质，如烯、炔及过氧化合物等必须严格控制，故在聚合前须将单体仔细提纯。

由于丁二烯和苯乙烯中有阻聚剂，因而使用前要除去阻聚剂。阻聚剂含量低于10mg/kg对聚合反应无明显影响，当高于此值达100mg/kg时，则用浓度为10%~15%的氢氧化钠溶液于30℃进行洗涤除去，也可采用多加引发剂，消耗掉阻聚剂的方法。 5）单体的配比要求

丁二烯(M1)与苯乙烯(M2)在5℃进行自由基型乳液聚合时．相应的竞聚率为r1＝1.38。r2＝0.64〔50℃时 r1＝1.4，r2＝0.5)，由此可知丁二烯的活性比苯乙烯大。另外，共聚物的组成会随共聚转化率的提高而不断改变，所以共聚时两种单体的配比必须设法控制和调节，以制取具有—定组成的共聚物。

由于丁苯橡胶性能的研究，测知苯乙烯含量为23.5%(质量)的共聚物具有最佳的综合性能，又经实验研究确定．共聚进料中丁二烯／苯乙烯比值(质量)为72／28—70／30，而单体转比率达在60%以前，则共聚物中苯乙烯含量几乎不受转化率的影响，得到的丁苯橡胶中苯乙烯含量在23%左右。

3.5生产中应该注意的问题

① 聚合釜的传热问题

由于低温乳液聚合的温度要求在5℃左右，因此，对聚合釜的冷却效率要求很高，工业上多采用在聚合釜内安装垂直管式氨蒸发器的方法进行冷却。 ② 单体回收中的问题

在闪蒸过程中，为防止胶乳液沸腾产生大量气泡，需要加入硅油或聚乙二醇 等消泡剂。并采用卧式闪蒸槽以增大蒸发面积。在脱苯乙烯塔中容易产生凝集物而造成堵塞筛板降低蒸馏效率，因此要定期清洗黏附在器壁上聚合物。 ③ 回收系统中爆聚物的处理

在丁苯橡胶乳液聚合中因转化率只有60%，40%的单体需回收。丁二烯和苯乙烯在残存的过氧化物作用下或氧的作用下受热而生成爆聚物种子，这种爆聚物种子会逐渐长大为爆聚物，而这种爆聚物种子活性期很长，即使加热到260℃，

经20h后再接触单体仍可以增长，并且伴有体积的增大，他们会堵塞管道，甚至会撑破钢铁容器，而且很难清理。

为了防止生成爆聚物种子或者将生成的爆聚物种子消灭，需要将抑止爆聚物种子生长的抑止剂连续不断地加入到单体回收系统中。NaNO2、I2和HNO3等可以做爆聚物种子的抑止剂。

3.6影响聚合的因素

（1）单体配比

研究表明，结合苯乙烯为23.5%时，胶的综合性能好，最适合于生产轮胎。据此，单体丁二烯与苯乙烯比应为72/28～70/30。 （2）温度

温度高会加速引发剂分解，从而加快聚合反应速度，同时链终止速度也增加，其结果使橡胶的分子量降低；另外，支化、交联现象严重，凝胶增多，使聚合物性能下降。温度越低，分子量分布越窄，有利于加工。故低温乳液聚合温度取5～7℃。

[2]

（3）压力

聚合反应为液相反应，压力对反应本身影响不大。但考虑到下列因素，聚合反应还是在加压条件下进行。

①为防止空气中的氧进入系统阻住聚合，要求系统压力高于大气压。 ②加压下可以避免丁二烯蒸发，使其处于液态，维持均相反应，系统压力应大于反应温度下丁二烯的饱和蒸气压。

③聚合釜内设有氨冷却管，为防止氨渗漏进反应系统，阻止聚合反应，系统压力应与列管内氨的压力相平衡或接近。

④克服系统的阻力等。

考虑以上因素，聚合压力一般控制在0.2-0.40MPa。 （4）单体转化率

通常情况下，反应的转化率越高越好，但在丁苯橡胶聚合反应中，转化率与共聚组成有关，当丁二烯与苯乙烯配比为70/30时，聚合物苯乙烯组成在转化率为60％以前变化不大，从22.2%增加到22.8%，而转化率由60％增加到80％时，苯乙烯含量则增至23.9%。同时，高转化率下会引起较多的支链和交联，使橡胶质量变坏，一般收控制转化率为60%左右。 （5）聚合时间

聚合时间长短，在达到一定转化率的情况下，对产品质量有很大的影响。反应时间过短，胶粒过细，胶乳稳定性变坏。同时，由于反应初期活性高，使支化、交联反应增多，使橡胶的加工性能变坏。反之，如果聚合时间长了，胶乳稳定性

好，但时间太长了则影响设备的生产能力。综上所述，聚合反应时间一般控制在7.5～12h，最好控制在8h以上。 （6）氧化还原体系和其他助剂的影响

氧化还原体系加料量大，反应速度变快，胶乳稳定性变差；加料量小，反应速度变慢，反应时间变长，影响设备的生产能力。

第四章 物料衡算

4.1聚合釜总物料衡算

4.1.1计算依据

本设计为年产20万吨（丁苯橡胶）， 如下是物料衡算需要基础数据：

1）设定一年的开工时间（除去节假日和设备检修时间）为280天，每天24小时连续生产；

2）单体配比为70/30，聚合物中苯乙烯含量23.5%；[2]

研究表明，结合苯乙烯为23.5%时，胶的综合性能好，最适合于生产轮胎。据此，单体丁二烯与苯乙烯比应为72/28～70/30；而且单体配比70/30为典型配方。

3）丁二烯和苯乙烯纯度为94%；

由于丁二烯和苯乙烯进行乳液聚合时，转化率高了交联反应严重，凝胶含量增加，一般都控制转化率在60%左右。这样未反应单体回收后纯度有所下降，如果全部送回原生产车间精制，会造成成本升高和浪费。为此，一般生产都采用混合单体。混合单体是将回收单体按一定的比例加入新鲜原料单体中组成的单体。一般混合单体的浓度在94%左右

4）橡胶的烃含量为91.17%；

几种牌号的丁苯橡胶烃的含量：SBR-1500 92%,SBR-1502 91.39%，SBR-1712 91.17%，SBR-1778 90.54%。

5)聚合转化率60%；

当丁二烯与苯乙烯配比为70/30时，聚合物苯乙烯组成在转化率为60％以前变化不大，从22.2%增加到22.8%，而转化率由60％增加到80％时，苯乙烯含量则增至23.9%。同时，高转化率下会引起较多的支链和交联，使橡胶质量变坏，一般收控制转化率为60%左右。

6）回收单元损失率0.05%；后处理单元损失率0.55%。 7）选择单体纯度：丁二烯99%；苯乙烯99.6%。

单体要求：丁二烯的纯度大于99%，其主要杂质有丁二烯二聚物、乙醛、乙烯基乙炔、氧、丙酮、丁烯、丁炔、丙二烯、戊烯、戊烯；利用乙苯脱氢法生产的单体苯乙烯纯度很高，一般在99.6%以上。苯乙烯单体的杂质主要有乙苯、邻二甲苯、ɑ-甲基苯乙烯、苯乙酮和二乙烯基苯。

4.1.2公式

根据日产量（t/d），所需单体的质量流量可用下式计算：

1000FHc.100.100G= .2460.Cv 100-L1100-L2 （4.1）

式中 F——日产量，t/d；

G——质量加料量，kg/min; Hc——烃含量，%； Cv——转化率，%； L1——回收单元损失率，%； L2——后处理单元损失率，%。

根据单体的质量流量、配方和各种溶液的密度，各组分体积加料量可用下式计算：

V=GN/100ρ （4.2） 式中 N——组分的工业品分数，PHM；

G——单体质量流量，kg/min; V——各组分体积加料量，L/min; ρ——组分的密度，kg/L。 4.1.3聚合釜的物料衡算

（1）丁苯橡胶每日产量：F=200000t/280d=714.29t/d （2）单体的质量流量：

G =1000FHc×100×100/[24×Cv×（100- L1）×（100- L2）]

=（1000×714.29×0.9117×100×100）/[24×0.60×（100-0.05）×（100-0.55）]=45496.20 kg/h （3）总物料进料量： 1.丁二烯：

质量流量：M1=GN1/100=45496.20×70/100= 31847.44kg/h 100%进料体积流量：V1= M1/ρ=31847.44/620=51.37 m3/h， 混合单体体积流量：V11= V1/0.94=51.37 /0.94= 54.65m3/h 折算成纯度为99%的丁二烯的量为 V111=54.65/0.99=55.20 m3/h； 未反应物料量M11= M1×（1-Cv）=31847.44×0.4=12739.20 kg/h， 2.苯乙烯：

质量流量：M2=GN2/100=45496.20×30/100=13648.90kg/h，

100%进料体积流量：V2= M2/ρ=13648.90/910= 15.00m3/h， 混合单体体积流量：V22= V1/0.94=15.00/0.94=15.96 m3/h

折算成纯度为99.6%的苯乙烯量为V222=15.96/0.996=16.02 m3/h； 未反应物料量：M22= M2×（1-Cv）=13648.90×0.4=5457.60kg/h， 3.调节剂（叔十二烷基硫醇）：

质量流量：M3=GN3/100=45496.20×0.2/100=90.99kg/h 100%进料体积流量：V3= M3/ρ=45496.20/868=0.10m3/h， 4.介质（水）：

质量流量：M4=GN4/100 =45496.20×200/(100×1.000)=90992.68 kg/h 100%进料体积流量：V4= M4/ρ=90992.68/1000=90.99m3/h， 5.乳化剂： a.歧化松香酸钾皂

质量流量：M5a=GN5a/100=45496.20×4.5/100=2047.33kg/h b.十六烷基苯磺酸钠

质量流量：M5b=GN5b/100=45496.20×0.15/100=68.24 kg/h 6.引发体系： a.过氧化氢对孟烷：

质量流量：M6a=GN6a/100 =45496.20×0.08/（100×0.922）=36.40 kg/h， 100%进料体积流量：V6a= M6a/ρ=36.40 /922=0.04m3/h b.硫酸亚铁：

质量流量：M6b=GN6b/100=45496.20×0.05/100= 22.75kg/h c.雕白块：

质量流量：M6c=GN6c/100=45496.20×0.15/100= 68.24kg/h d.EDTA：

质量流量：M6d=GN6d/100=45496.20×0.07/100=31.85 kg/h 7.电解质（磷酸钠）：

质量流量：M7=GN7/100=45496.20×0.80/100= 36.40kg/h 单位时间加入的聚合物总量 M=M1＋M2＋M3＋M4＋M5＋M6

=2047.33＋68.24＋22.75＋68.24＋31.85＋36.40=2274.81kg，

Ga= V111＋ V222＋ V4＋ V3＋ V6a =55.20＋16.02＋90.99＋0.10＋0.04=162.36m3/h

由反应釜计算得，本设计采用4条生产线连续生产，故单条生产进料各物料进料量如下表4.1所示：

4.1各物料进料量

原料及辅助原料 丁二烯

单体

苯乙烯

介质

去离子水 叔十二烷基硫醇 歧化松香

乳化剂

酸钠 十六烷基苯磺酸钠

过氧化物

过氧化氢对孟烷 雕白粉

活化剂

EDTA 磷酸钠

终止剂

二硫代氨基甲酸钠 芳基化对苯二胺

30 200

13648.90 90992.68 总进料（kg/h） 31847.44

总进料（m3/h） 55.20 16.02 90.99

0. 2

90.99

0.10

4.5

2047.33

511.83

单生产线进料（kg/h） 7961.86 3412.20 22748.17

22.75

单生产线进料（m3/h） 13.80 4.01 22.75 0.03

名称 配方

70

调节剂

0.15 68.24 17.06

0.08 0.15 0.07 0.08 0.2

36.40 68.24 31.85 36.40 90.99

0.04

9.10 17.06 7.96 9.10 22.75

0.01

防老剂 1.5 682.44 170.61

4.1.4非聚合釜的物料衡算 （1）丁苯橡胶每日产量：

F=200000t/280d=714.29t/d （2）单体的质量流量：

G =1000FHc×100×100/[24×Cv×（100- L1）×（100- L2）]

=（1000×714.29×0.9117×100×100）/[24×0.60×（100-0.05）×（100-0.55）]=45496.20 kg/h

（3）总厂物料进料量：

终止剂：（二硫代氨基甲酸钠）

质量流量：M8=GN6a/100 =45496.20×0.2/100=90.99 kg/h，

防老剂：（芳基化对苯二胺）

质量流量：M9=GN6a/100 =45496.20×1.5/100＝682.44 kg/h （4）每条生产线物料进料量

终止剂：（二硫代氨基甲酸钠） 质量流量：M=90.99/4=22.75 kg/h 防老剂：（芳基化对苯二胺） 质量流量：M9= 682.44 /4=170.61 kg/h

4.2各釜进出料计算

4.2.1基础数据

反应转化率60%;

聚合釜操作压力为0.4～0.5Mp，温度T=5℃，PH=4～5； 聚合带有搅拌器，并用液氨作为冷冻介质。 4.2.2计算

由于各反应釜的体积容量，反应温度、压力等各种条件均一样，故各釜反应速率常数K也相同。因而有每个反应釜转化率相同。

设第一个反应釜初始量为A，转化率为X，总转化率为60%。 得到：

A?X＋ A?（1-X）?X＋ A?（1-X）2?X ＋ …＋ A?（1-X）9?X =0.6A (4.3) 解方程得；X=8.76%

表4.2 各釜纯转化率与累计转化率

第一釜

纯X(%) 8.76

累积X（%） 8.76

第二釜 纯X(%) 7.99

累积X（%） 16.75

第三釜 纯X 7.29

累积X（%） 24.04

第四釜 纯X(%) 6.65

累积X （%） 30.69

续表4.2 各釜纯转化率与累计转化率

第五釜

纯X(%)

累积X（%）

第六釜 纯X(%)

累积X（%）

第七釜 纯X

累积X（%）

第八釜 纯X(%)

累积X （%）

6.07 36.76 5.54 42.30 5.05 47.35 4.61 51.96

续表4.2 各釜纯转化率与累计转化率

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22748.17kg/h 100%苯乙烯：进料：3412.20 kg/h

出料：3412.20×（1-8.76%）= 3113.29kg/h 100%丁二烯：进料：7961.86 kg/h

出料：7961.86×（1-8.76%）=7264.40 kg/h 聚合物：

3412.20 ＋7961.86 -（3113.29＋7264.40）=996.37kg/h 百分比： 水相：

22748.17?66.68%

22748.17?3113.29?7264.40?996.37苯乙烯：

3113.29?9.12%

22748.17?3113.29?7264.40?996.37丁二烯：

7264.40?21.28%

22748.17?3113.29?7264.40?996.37聚合物：

996.37?2.92%

22748.17?3113.29?7264.40?996.37以下计算中，上一釜的厨料理即为下一釜的进料量。计算汇总如表。

第九釜

纯X(%) 4.21

累积X（%） 56.17

(%)

第十釜 纯X

累积X（%） 60

3.83

4.2.3各反应釜出口物料组成

计算汇总如下表4.3 。

表4.3 各反应釜出口物料组成

第一釜

第二釜

W(%) 66.68 9.12 21.28 2.92

kg/h 22748.17 2864.36 6683.54 1826.16

W(%) 66.68 8.39 19.58 5.35

kg/h 22748.17 2655.55 6196.31 2522.20

第三釜

W(%) 66.68 7.78 18.16 7.38

物料

kg/h

水相 苯乙烯 丁二烯 聚合物

22748.17 3113.29 7264.40 996.37

续表4.3 各反应釜出口物料组成

第四釜

物料

kg/h

水相 苯乙烯 丁二烯 聚合物

22748.17 2478.96 5784.25 3110.85

W(%) 66.68 7.26 16.95 9.11

kg/h 22748.17 2328.48 5433.15 3612.43

W(%) 66.68 6.82 15.92 10.58

kg/h 22748.17 2199.49 5132.15 4042.42

W(%) 66.68 6.44 15.04 11.84

第五釜

第六釜

续表4.3 各反应釜出口物料组成

第七釜

物料

kg/h

水相 苯乙烯 丁二烯 聚合物

22748.17 2088.41 4872.97 4412.68

W(%) 66.68 6.12 14.28 12.96

kg/h 22748.17 1992.13 4648.33 4733.60

W(%) 66.68 5.84 13.62 13.86

第八釜

续表4.3 各反应釜出口物料组成

第九釜

物料

kg/h

水相 苯乙烯 丁二烯

第十釜

W(%) 66.68 5.59 13.05

kg/h 22748.17 1835.17 4282.10

W(%) 66.68 5.38 12.55

22748.17 1908.26 4452.63

聚合物 5013.17 14.68 5256.79 15.39

第五章 能量衡算

5.1反应釜物料的热量衡算

5.1.1物料的比热容计算

1）查《合成橡胶生产工艺》得到：如表5.1

表5.1 物性参数表

名称

丁二烯 苯乙烯 水 液氨

相对分子质量

54 104 18 17

密度kg/m3

635 910 1000 631.7

比热容KJ/(kg℃)

2.28 1.74 4.20 --

汽化热KJ/kg

1663.25

由上表得，比热容：

1. 丁二烯 C1=2.280 KJ/(kg℃) 2. 苯乙烯 C2=1.740KJ/(kg℃) 3. 水 C3=1.740KJ/(kg℃)

2）查《实用化学手册》知，有些物料的比热容数据难于查找，采用柯普法计算：

Cp = 4.184 ∑（ n Cp / Ｍ ） (5.1)

Cp——原子的比热容，kJ/(kg·℃)； M——化合物的分子量，kg/kmol； n——分子中同一元素的原子数。 元素原子比热容如表5.2

表5.2 各种元素原子比热容Cp

元素

C H O S P C

Cp（固）

1.8 2.3 4.0 5.4 5.4 1.8

Cp（液）

2.8 4.8 6.0 7.4 7.4 2.8

元素 Si F B N 其他 Si

Cp（固）

3.8 5.0 2.7 6.2 6.2 3.8

Cp（液）

5.8 7.0 4.7 8.0 8.0 5.8

注：其他是指除去C、H、O、S、P、Si、F、B、N之外的所有元素。 （固态物料）比热容：

4.十六烷基苯磺酸钠（C18H29NaO3S）

C4=4.184（18×1.8＋29×2.3＋6.2×1＋4.0×3＋5.4×1）/348=1.475 kJ/(kg·℃) 5.硫酸亚铁（FeSO4）

C5=4.184（5.4×1＋6.2×1＋4.0×4）/152=0.760 kJ/(kg·℃) 6.雕白块（NaHSO2·CH2O）

C6 =4.184（6.2×1＋2.3×3＋4.0×3＋5.4×1＋1.8）/118=1.145 kJ/(kg·℃) 7.EDTA（ C10H16N2O8）

C7 =4.184（1.8×10＋2.3×16＋6.2×2＋4.0×8）/292=1.421 kJ/(kg·℃) 8.磷酸钠（Na3PO4）

C8=4.184（6.2×3＋5.4×1＋4.0×4）/164=1.020 kJ/(kg·℃) （液态物料）比热容：

9.叔十二烷基硫醇（C12H25SH）

C9=4.184（2.8×12＋4.8×26＋7.4×1）/202.4=3.427 kJ/(kg·℃) 10.歧化松香酸钾皂(C20H27OOK )

C10=4.184（2.8×20＋4.8×27＋6.0×2＋8.0×1）/338=2.545 kJ/(kg·℃) 11.过氧化氢对孟烷（C10H19OOH）

Ｃ11=4.184（2.8×10＋4.8×20＋6.0×2）/172=3.308 kJ/(kg·℃) 12.连二亚硫酸钠（Na2S2O4 ）

C12=4.184（6.2×2＋5.4×2＋4.0×4）/174=0.943 kJ/(kg·℃) 5.1.2物料的相关参数列表

计算整理如下表5.3；

表5.3 物料的相关参数列表

原料及辅助原料

丁二烯

单体

苯乙烯

介质 调节剂

去离子水 叔十二烷基硫醇 歧化松香酸钠

20 200 0. 2

910 1000 845

104 18 202

1.740 4.200 3.427

配方 70

密度（kg/m） 620

3

相对分子量

54

比热容KJ/(kg℃)

2.280

乳化剂 4.5 338 2.545

续表5.3 物料的相关参数列表

过氧化物 还

引发剂体系

活活化剂

还原剂 螯合剂

磷酸钠

0.08

1620

164

1.020

EDTA

0.07

292

1.421

雕白粉

0.15

1750

118

1.145

十六烷基苯磺酸钠 过氧化氢对孟烷 硫酸亚铁

0.15

348

1.475

0.08 0.05

922 1897

172 152

3.308 0.760

5.1.3聚合釜的热量计算

（1）基础数据

聚合温度5～7℃（设计取5℃）?；

?查《合成橡胶生产工艺》得到，温度高会加速引发剂分解，从而加快聚合反应速度，同时链终止速度也增加，其结果使橡胶的分子量降低；另外，支化、交联现象严重，凝胶增多，使聚合物性能下降。温度越低，分子量分布越窄，有利于加工。故低温乳液聚合温度取5～7℃。

物料进釜温度为8～12℃（设计取10℃）； 聚合反应焓变 ΔH=1255.2kJ/kg；

聚合釜数量为44台（含8台备用聚合釜）（见聚合釜的工艺计算）。 （2）计算基准

基准温度0℃，把串联的聚合釜作为一个系统

（3）计算公式

Q1 ＋ Q2 ＋ Q3= Q4 ＋ Q5 ＋ Q6 （5.2）

Q1 ——所处理的物料带到设备中去的热量（kJ）;

Q2 ——由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量（kJ）； Q3——过程的热效应（kJ）；

Q4 ——反应产物由设备带出的热量（kJ）；

Q5 ——消耗在加热设备上的热量（kJ）； Q6 ——设备向四周散失的热量（kJ）。

对过程进行分析可知，因系连续操作Q5不计，计算基准取kJ/min。需要计算的数据是Q2 ，将上式转换得

Q2 = Q1 - Q4 ＋ H ＋ Q3 ＋ Q6

反应产物由设备带出的热量 Q4=0；

所处理的物料带到设备中去的热量

Q1 =Cp×M×(T1-T4)=（7961.86×2.28＋3412.20×1.74）×（10-5）＋22748×4.2×（10-5）＋（511.83×2.545＋17.06×1.475＋9.10×3.308＋5.68×0.760＋17.06×1.145＋7.96×1.421＋9.10×1.020＋22.75×3.427）×（10-5）

=6.056×105 kJ/h

过程的热效应 Q3 =1255.2×5256.79=6.598×106kJ/h 设备向四周散失的热量：

Q6=∑FαT（t-t0）t’ ×10-3 （5.3） F——设备吸热表面积m2;

αT——吸热表面向四周介质的联合给热系数，W/ m2·℃； t0——吸热表面的温度，℃； t——周围介质温度，℃； t’——吸热持续时间，S。

联合给热系数αT是对流和辐射两种给热系数的综合，可有经验公式求取。一般绝热层外表温度取50℃。

则 αT=8.1-0.045（t0-t）=8.1-0.045（5-25）=9 估计聚合釜的传热表面积为154m2，实际使用10个釜 设备向四周散失的热量

Q6=154×10×9×（25-5）×10-3×3600=0.998×106kJ/h 电动机H的计算

H=55×90%×3600×10=1.782×106 kJ/h 从而，计算得：

由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量 Q2 = Q1 - Q4 ＋ H ＋ Q3 ＋ Q6

=6.056×105 -0＋1.782×106＋6.598×106＋0.998×106 =9.984×106 kJ/h

5.2冷胶进料冷却器的热量衡算

本设计总共有四个生产车间，构成四条生产线， 每条生产线热量计算如下： （1）基础数据

各物料在进入第一个冷胶进料冷却器之前的温度见下表，出口温度则控制在13-17℃；第二个冷胶进料冷却器的出口温度控制在8-12℃；

各物料的比热容及单位时间的流量见上面的计算结果。

表5.4 聚合物料的温度

单位：℃

物料 温度

丁二烯 28-32

苯乙烯 22-26

乳化剂 16-20

活化剂 常温

调节剂 13-17

终止剂 常温

注：计算中，各温度值取区间的中间值

（2）计算公式：

Q=∑（ M× Cp×ΔT ） (5.4)

Q：冷却过程中产生的热量 Cp：物料的比热容 ΔT：温度前后变化 （3）计算

第一个冷胶进料冷却器时氨需要带走的热量

Q1=∑（ M× Cp×ΔT ）=7961.86×2.28×（30-15）＋3412.20×1.74×（24-15） ＋22748×4.2×（20-15）＋（511.83×2.545＋17.06×1.475）×（18-15）

＋（9.10×3.308＋5.68×0.760＋17.06×1.145＋7.96×1.421＋9.10×1.020）×（25-15） ＋22.75×3.427×（15-15） =8.081×105kJ

第二个冷胶进料冷却器时氨需要带走的热量 Q2=∑（ M× Cp×ΔT ）

=（7961.86×2.28＋3412.20×1.74）×（10-5）＋22748×4.2×（10-5）＋（511.83×2.545＋17.06×1.475＋9.10×3.308＋5.68×0.760＋17.06×1.145＋7.96×1.421＋9.10×1.020＋22.75×3.427）×（10-5）

=6.056×105kJ

第六章 反应器和搅拌装置的选择

6.1聚合釜的参数

1.设计温度：取釜内60℃；低温乳液聚合温度取5～7℃；

2.设计压力，取P=0.6 Mpa；因为操作压力0.2～0.45MPa，按最大压力计算，安全系数1.4，Pc=0.6MPa；取装料系数υ=0.82?。

?查《合成橡胶生产工艺》得到,釜式反应器的装料系数υ一般为0.70-0.85之间；聚合压力一般为0.2～0.45MPa，

3.设计反应时间9h②；

②查《合成橡胶生产工艺》得到,反应时间过短，胶粒过细，胶乳稳定性变坏。同时，由于反应初期活性高，使支化、交联反应增多，使橡胶的加工性能变坏。反之，如果聚合时间长了，胶乳稳定性好，但时间太长了则影响设备的生产能力。综上所述，聚合反应时间一般控制在7.5～12h，最好控制在8h以上。

4.设计聚合釜的体积为45m3③；

③查《聚合物乳液合成原理性能及应用》得到,目前国内采用的聚合釜体积有12、20、30、45m3等多种，每条聚合生产线在4.0～4.5万吨/年，需配备聚合釜8～12台。

5.设计每条生产线的反应釜数目取8 ～12个④。

④查《高聚物合成工艺学》得到,生产中乳胶胶粒粒径与在聚合釜内的停留时间有关，串联的聚合釜越多，停留时间分布函数越窄，使乳胶粒径分布狭窄。因此生产上用8～12 个釜串联。这样。既可使胶乳粒子的粒径分布狭窄，又可提高产品的质量(产品的分子量分布较狭，支联也较少)。综合各因素考虑，现在取9个聚合釜串联为一组.

6.反应釜长径比取1.5-4.0之间⑤；

⑤查《聚合物乳液合成原理性能及应用》得到，因聚合反应温度要低，故解决传热问题很重要。高径比越大，传热面积越大，有利于传热，但不利于搅拌。乳液聚合釜的长径比一般为1.5-4.0。

6．设计串联连续连续釜式反应器⑥；

⑥连续釜式反应器，与间歇釜式相比，具有生产效率高，劳动强度低，操作费用小，产品质量稳定，易实现自控等优点。

6.2反应釜计算

6.2.1 反应釜数量

由设计反应时间9h，则9h内物料的累计量V=162.36×9=1461.24m3。 则需要的聚合釜数

N=V/（45υ）=39.59，取整为40台。

另外，需考虑1.2的备用系数，则实际聚合釜数为 N实际 =40×1.2=48，取整为48台。 综合各种因素考虑;

丁苯橡胶生产采用4条生产线，每条生产线10个反应釜串联。 6.2.2 聚合釜筒体直径（D）和筒体高度（H）[10]

参考《聚合物合成工艺设计》,得到如下表6.1：

表6.1 各种封头的标准

封头名称 封头高度（h） 半球封头 标准椭圆 封 头 碟封头 球面封头 平封头

0.225D

1.063 D2 0.842 D2 0.785 D2

0.5D 0.25D

封头侧面积封头体积

(s) 1.571 D2 1.083 D2

(V) 0.2618 D3

特 点

0.131 D3 应力分布均匀，封头与筒体的强度相等，

应用最广

0.122 D3 曲面连接处存在弯曲应力，强度不如标准

椭圆封头

0.0539 D3 0 D3

0.134D 0D

一般用于卧式容器的两端封头

查《聚合物乳液合成原理性能及应用》得到,45 m2釜径一般为2500～3100mm、径/高为1/1.0～1.8。

计算如下：

查表，标准椭圆封头的体积为0.131D3、h封＝D/4。 令：h为釜体直边高度、H为反应器釜体总高度，则： 若取H/D＝2.4，则有：则有：h＝1.9D 解：

H＝h＋2×h封＝h＋D/2=2.4D

VT??D2?h?0.262D3??1.9?D3?0.262?D3?1.754D344

??

D?3

VT45?3?2.949m1.7541.754取整，直径为3.0m

45.0?2?0.131?3.03h?＝＝5.368m 0.785?D20.785?3.02VT?2?V封取整，h为5.4m

H＝h＋2×h封＝h＋D/2=5.4＋3/2=6.9m 综上计算： 实际长径比为：2.3

6.3聚合釜各参数的确定

1）材料的选择：[12]

反应釜操作条件并不苛刻，操作压力、温度并不高，根据经济原则， 选用 碳钢（20R）材料。 2）聚合釜壁厚确定 壁厚的计算公式

δ= P c Di/(2[σ]tυ- P c ) ＋ C (6.1)

δ——筒壁厚度，mm; Di——筒体直径，mm；

[σ]t——设计温度下材料的许用应力，Mpa；υ——焊缝系数； C——壁厚附加量，mm。

查《化工设备设计基础》得到数据， Pc=0.6MPa ，Di =3.0m，

[σ]t=133Mpa，υ=0.90（采用带垫板的单面焊接接头，100%无损检测）， C=3mm，代入公式，

δ= P c Di/(2[σ]tυ- P c ) ＋ C (6.2)

=0.6×3000/(2×133×0.90-0.6)＋3=10.54mm 圆整取：δ=11mm 3）封头厚度确定

计算公式 δ=K P c Di /(2[σ]tυ-0.5 P c) ＋ C K-为系数，标准椭圆封头， K=1。 代入数据得，

δ=K P c Di /(2[σ]tυ-0.5 P c) ＋ C=10.528mm, 与筒体厚度相差无几，均取10.54mm。 圆整取：δ=11mm

6.4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。

查《化工机械设计制图》得，当Di=2000mm～3000mm；夹套内径Dj为： Dj=Di＋200=3200mm 夹套高度

∴Hj=（υ.V- Vh）/ V1 (6.3)

式中：V1- 1m高的桶体的容积；Vh-是封头体积；υ-装填系数；V-反应釜的设计体积。

Hj=（υ.V- Vh）/ V1=(0.82×45-2×0.131×3.03)/（3.141×1.52×1）=4.22m

6.5液氨的进口管径

估算夹套面积，按Di=3m计算

S = S1 ＋ S2 (6.4)

S1为夹套聚合釜外表面圆柱体部分 S2为封头表面积

∴S = πDjHj＋S2 = 3.141×3.2×4.42＋1.083×3.2×3.2= 55.49㎡ 液氨传热系数 K=12800W/㎡

9984000?1000?216.67㎡

3600?400?32∴釜内冷却面积:

A = Q/ K△T =

A1=A－S=209.47－55.49=153.98㎡ ①釜内冷却剂液氨的进口管直径 釜内冷却剂移走的热量： Q2=A1K△T

=153.98×3600×400×[2－（-30）]=7.0963×109J=7.0963×106KJ -30℃时，液氨的物性数据Cp=4.4747KJ/kg℃

ρ=650kg/m3 ∴W1=

Q27.0963?10e6??4.956?10e4kg/h Cp?T4.4747?32体积流量:

V=W1/ρ=4.956×104÷650=76.244m3/h 流速为6m/s ∴d3=

4?76.244?0.06705m?67.05mm

3.141?6?3600圆整为：67mm 故选用:70×4mm ②釜内冷却管长 设冷却管直径为0.05m L=A1/πD=153.98÷3.141÷0.05=980.76m 每根管子长度设为3.0m

则共需980.76÷3=326.92即327根，三角形排列 ③夹套进口管径 夹套移走热量： Q1=Q－Q2

=9.984×106－7.0963×106=2.888×106KJ/h ∴体积流量:

2.888?10e6V???31.026m3/h

4.4747?32?650取液氨流速为6m/s ∴d4=

6?31.026?0.04408m?64.15mm

3600?3.141?4圆整为:65mm

6.6物料进口管径

低粘度液体在管中的流速范围为1.5m/s-3.0m/s，这里选用2.5m/s； D =（qv/0.785u）1/2=55.2/（3600×0.785×2.5）1/2

=0.152m

圆整取160mm

6.7搅拌装置

6.7.1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，因此可采用直径选择一般在容器（Di=3000mm）的1/3～1/2,即1～1.5m，

可选择1.2m，即Dj=1200mm,转速100r/min(100～120 r/min) 6.7.2搅拌器转速

转速：Vt=πDjn/60=3.141×1200×100÷60÷1000=6.28m/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 搅拌器安装位置：H=Dj=1200mm 6.7.3搅拌功率

计算式：

P=Npρn3d5 (6.5)

Np：功率准数； ρ：反应物密度； n：电机转速； d：搅拌叶片的直径； 已知：ρ=950kg/m3 d=1.2m 现求Np。查得:μ=0.725

Re = d2nρ/μ = 1.2×1.2×（100/60）×950/0.725=3144.82 又 D/d=3/1.2=2.5

查功率曲线（《化学工程师手册》）得： Np = 4.04

∴ P=Npρn3d5=4.04×950×（100/60）3×1.25=4.42×104W=44.2KW 6.7.4搅拌轴

计算公式： 搅拌轴直径：

d=36.5×[Nd/ (nm×[τ] k)]1/3 (6.6)

Nd——电机的功率；nm——搅拌器的转速；[τ] k——搅拌轴材料扭转许用剪应力； 搅拌器选用碳钢材料。

查《化工机械设计制图》得，其[τ] k=12～20 搅拌轴直径

d=36.5×[Nd/ (nm×[τ] k)]1/3=36.5×[55000/ (100×12)]1/3=130.6mm

考虑到开链键、钻孔，轴径要适当加大。取搅拌轴径d=140mm。

6.8电动机功率

计算公式：

Pa=(P＋Pm)/η (6.7)

P-搅拌器功率（KW）；Pm-轴密封系统的功率损失（KW） η-传动系统的机械效率

一般来说，轴密封系统的功率损失为搅拌功率的10% 所以，Pa=(P＋Pm)/η=（44.2＋44.2×10%）/0.90=54.02（KW）

故取电动机最大功率：55KW

6.9搅拌器附件

6.9.1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。[6]

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 6.9.2导流筒

搅拌混合中起倒流作用，提高了混合效率，同时限定了循环路径，减少了短路机会。

导流筒直径D=0.7Di=2100mm

安装位置：套在浆叶外面或略高于桨叶，上端略低于静液面。

6.10聚合釜参数汇总

聚合釜的参数如下表6.2。

表6.2 聚合釜汇总表

名称

尺寸mm Di =3000

釜体

H=5400 δ=11 H=725

封头

S=9.747m2 V=3.537m3

夹套 物料进料管

H=4220 Dj =3200 Φ160×3.5 管长3000

釜内冷却管

管径50 数目327根 轴直径140mm

搅拌器

转速100r/min 叶宽度240 叶长度300

挡板

宽度280

均布于釜内 套在浆叶外面或

导流筒

D=2100

略高于桨叶，上端略低于静液面

采用六块挡板

H=1200

盘式排列

10组；每组30-50根

釜体外侧偏下

釜底

20R碳素钢

安装位置

备注

第七章 管道和泵等其他设备的选择

7.1主要管径的计算

总共四个生产车间，每个生产车间数据计算： （1)计算数据

低粘度液体在管中的流速范围为1.5m/s-3.0m/s，这里选用2.5m/s； （2)计算公式

u=qv/A=4qv/πd2=qv/0.785d2 (7.1) 则可以推出 d=（qv/0.785u）1/2 （3）计算过程

丁二烯：

管径d1=（qv/0.785u）1/2 =（13.8/（3600×0.785×2.5）1/2=0.0442m 苯乙烯:

管径d2=（qv/0.785u）1/2=（4.01/（3600×0.785×2.5）0.0238m 水：

管径d3=（qv/0.785u）1/2=（22.75/（3600×0.785×2.5）=0.0567m

由于调节剂和氧化剂的流量太小，故其管径的数据取比较小的值，查《化学工程基础》中低压流体输送用焊接钢管规格的其管径可为10mm.

7.2泵的选择（以苯乙烯的输送为例）

（1）计算所需数据

温度T=24℃，贮槽压力P1为常压，冷胶进料冷却器压力P2也为常压 ，输送管道直径d=24mm，单位时间的流量qv=55.2m3/h=0.0038m3/s，流体速度u2=2.5m/s，苯乙烯粘度μ=0.725Pa·s，密度ρ=903kg/ m3，输送管线长l=10m，90o标准弯头6个（le/d=35），单向阀门一个（le/d=80），泵的效率η=0.65，电机效率ηm=0.95，冷却器的液面与泵的高度差取（z2-z1）=2m 。

（2）计算过程 ①泵的扬程He计算：

He=（z2-z1）＋（p2-p1）/ρg＋（u2-u1）/2g＋∑hf (7.2)

其中，（z2-z1）=2m，（u2-u1）/2g=0.2m。

∑hf的计算需要用到雷诺数Re和λ，且 Re=duρ/μ=0.024×2.5×903/0.725=74.73<2000，

即流体的流动形式为层流，此时λ=64/Re=64/74.73=0.856

所以，∑hf=λu22（l＋le）/2gd=0.856×2.5 2×（10＋35×6＋80）/（2×9.81） =81.888m。

He=2＋81.888＋0.2=84.088m。 ②泵的功率计算：

Ne=Heqvρg/1000=84.088×0.0038×903×9.81/1000=2.828kw N=Ne/η=2.828/0.65=4.351kw ③电动机的功率： Nm=N/ηm=4.35/0.95=4.580kw

需选配的电动机的功率： N=βNm=1.2×4.580=5.496kw（1.2是电动机的安全系数）。

7.3其他设备的选择

7.3.1丁二烯缓冲罐

丁二烯的流量为7961.86Kg/h，去缓冲时间为一小时，则一小时内液体的积累量为：

V1=（Q×t）/ρ=（7961.86×1）/608=13.10m 3

取缓冲槽的利用率Φ=0.75，则所需缓冲槽的容积为： V= V1/Φ=13.10//.75/0.75=17.46 m 3 所选缓冲槽尺寸为Φ3000×H2000 7.3.2 苯乙烯缓冲罐

丁二烯的流量为3412.20Kg/h，去缓冲时间为2小时，则2小时内液体的积累量为：

V1=（Q×t）/ρ=（3412.20×2）/914=7.47m 3

取缓冲槽的利用率Φ=0.80，则所需缓冲槽的容积为： V= V1/Φ=7.47/0.8=9.33 m 3

查《化工设备》得，选缓冲罐尺寸为Φ2500×H1500 7.3.3乳化剂溶液缓冲罐

乳化剂溶液的流量为23098.70Kg/h，去缓冲时间为2小时，则2小时内

液体的积累量为：V1=（Q×t）/ρ=（23098.70×2）/1008=40m 3

取缓冲槽的利用率Φ=0.80，则所需缓冲槽的容积为： V= V1/Φ=40/0.8=50 m 3

查《化工设备》得，选缓冲罐尺寸为Φ5000×H3000 7.3.3其他缓冲罐

氧化剂的流量为22.03Kg/h，去缓冲时间为2小时，则2小时内液体的积累量为：

V1=（Q×t）/ρ=（22.03×2）/932=0.04m 3

取缓冲槽的利用率Φ=0.80，则所需缓冲槽的容积为： V= V1/Φ=0.04/0.8=0.05 m 3

查《化工设备》得，选缓冲罐尺寸为Φ200×H150

活化剂的流量为702.13Kg/h，去缓冲时间为2小时，则2小时内液体的积累量为：

V1=（Q×t）/ρ=（702.13×2）/1005=1.10m 3

取缓冲槽的利用率Φ=0.80，则所需缓冲槽的容积为： V= V1/Φ=1.10/0.8=1.20 m 3

查《化工设备》得，选缓冲罐尺寸为Φ1500×H1000

调节剂的流量为69.23Kg/h，去缓冲时间为2小时，则2小时内液体的积累量为：

V1=（Q×t）/ρ=（69.23×2）/868=0.12m 3

取缓冲槽的利用率Φ=0.80，则所需缓冲槽的容积为： V= V1/Φ=0.12/0.8=1.40 m 3

查《化工设备》得，选缓冲罐尺寸为Φ300×H200

终止剂的流量为725.21Kg/h，去缓冲时间为2小时，则2小时内液体的积累量为：V1=（Q×t）/ρ=（725.21×2）/1.017=1.13m 3

取缓冲槽的利用率ф=0.80，则所需缓冲槽的容积为： V= V1/Φ=1.13/0.8=1.25 m 3

查《化工设备》得，选缓冲罐尺寸为Φ1500×H1000 7.3.4终止釜

查《化工设备》一书得，终止釜高度一般在3-5m范围内。 终止釜计算按加料缓冲罐的最大缓冲容积进行计算： 由上述各缓冲罐的容积，得出：

V总= V1＋ V2＋V3 ＋V4 ＋V5＋ V6 ＋V7

=17.46＋9.33＋50＋0.05＋1.20＋1.40＋1.25=80.69 m 3 查《化工设备》一书得，终止釜选尺寸为Φ5000×H3500

除了上述聚合釜和泵的选择之外，其他过程的设备的归纳成表格以供参考。

表7.1 设备的选择参考依据

项目

液体输送机械

设备 旋涡泵 计量泵 齿轮泵 离心泵

气体输送机械

压缩机 通风机 真空泵

使用地方

消泡剂、阻聚剂、活化剂、终止剂、电解质等进料；

调节剂与氧化剂的进料； 填充油、润滑油、密封油等泵；

其他地方的用泵。 输送丁二烯气体； 强制通风的地方； 丁二烯尾气回收和苯乙烯的气提。

固体输送机械

带式输送机 滚筒输送机

换热器

固定管板式换热器

浮头式换热器

U型管式换热器

湿胶粒和成品胶袋输送； 橡胶胶块的输送。 丁二烯进料加热冷却器、碱加热器；

压缩后的回收单体丁二烯冷却器；

冷胶进料冷却器、回收单元排气冷凝器和燃油冷却器。

续表7.1 设备的选择参考依据

塔器

去湿干燥和成型设备

板式塔 填料塔 脱水机 干燥箱 压块机

苯乙烯脱气塔； 丁二烯尾气吸收塔。 胶粒的去湿过程； 后处理的干燥过程； 橡胶的压缩成型过程。

第八章 产房布置

8.1产房面积的估算

由前面第五章的计算可以知道：聚合釜的直径为D=3.000m，高度H=5.4000m，聚合釜的数量为10台。根据各种反应设备的摆放，初步估算每个车间面积为4000m2。

8.2工厂布局和选址及占地面积

8.2.1 厂址的选择及车间布置

（1）车间布置是设计工作中很重要的一环，车间布置的好坏直接关系到车间建成后是否符合工艺要求，能否有良好的操作条件，使生产正常安全地进行，设备的维修检修方便可行，以及对建设投资、经济效益等都有着极大的影响。所以在进行车间布置时必须充分掌握有关生产、安全、卫生等资料，在布置时做到深思熟虑，仔细推敲，以取得一个最佳方案。

车间布置设计是以工艺为主导，并在其他专业、流程图、土建、自控、设备、安装、电力、冷冻、暖风、外管等密切配合之下完成的。因此，在进行车间布置设计时，要集中各方面的意见，最后由工艺人员汇总完成。车间有大有小，但基本上由生产、辅助、生活设施三部分组成。精细化工及一般中小型化工生产布置在一栋厂房内，就是一个车间布置。

（2）厂址选择的依据及原则

生产能力：本设计为年产丁苯橡胶20万吨。

交通运输：该厂属于丁苯橡胶生产的大型企业，需要有便利的交通运输条件，因而选择水陆运输比较方便的地方建厂，且原料供应充足。

地形地貌：地势较平缓、地带平阔的丘陵地，保证建厂的土石运用量不大。厂区的面积、形式和其他流程合乎需要，厂区要留有发展的余地。

气候条件：主导风向要求较稳定，场地应选择在城镇常年空气下风侧，河流下游，尽量远离居民区。

水文地质：装置需水量大，故厂址应靠近水源充足和水质良好的地域，以满足装置生产和生活用水及排水，靠近河流但避开洪水地段。

能源：保证电网供电充足，燃料油供应方便充足。 （3）车间布置要考虑的问题

…最大限度地满足工艺生产包括维修的要求。

…有效地利用车间建筑面积（包括空间）和土地（设备能露天布置的尽量露

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