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1、 高分子材料课程设计学院：装备制造学院班级：复材1102姓名：梁笑微学号：110690208指导老师：白咏梅日期：2014.1.6 目录一、有关设计的产品和原料概述- 3 -1.1设计题目- 3 -1.2丁苯橡胶的概述- 3 -1.3丁苯橡胶的原料和助剂- 3 -1.4低温乳液聚合的生产原理- 4 -1.4.1 聚合原理- 4 -1.4.2低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺条件- 5 -二、丁苯橡胶的生产工艺流程- 6 -三、 设计介绍- 6 -3.1设计题目- 6 -3.2 设计参数和技术特性指标- 7 -四、夹套式反应釜总体结构- 7 -4.1 罐体几何尺寸计算- 8 -4.1.1 确定筒体内径
2、- 8 -4.1.2确定釜体封头尺寸- 8 -4.1.3 釜体实际容积- 9 -五、反应釜传热装置- 10- 六、搅拌装置设置- 12- 七、反应装置的传动装置设计- 13 -7.1电动机的选择- 14 -7.2、减速器的选择-14-7.3轴封的选择- 16 -八、 反应装置的附件选型以及尺寸设计- 18 -8.1 管法兰尺寸的设计- 18 -8.2釜体法兰联接结构的设计- 19 -8.2.1 法兰的设计- 19 -8.2.2 密封面形式的选型- 20 -8.2.3 垫片的设计- 20 -8.2.4 螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格- 20 -8.3人孔的选用- 21 -结束语- 22 -一、有关设
3、计的产品和原料概述1.1设计题目 丁苯橡胶聚合反应釜的设计1.2丁苯橡胶的概述丁苯橡胶是丁二烯与苯乙烯经共聚合得到的弹性体。英文缩写SBR。其中丁二烯可以顺式1，4结构，反式l，4结构和1，2结构存在于分子链中。其结构式为：CH-CH2-CH2-CH=CH-CH2 | C6H5按聚合方法分为乳液丁苯和溶液丁苯胶，填充改性后又分为充油、充炭黑、充树脂丁苯胶等。丁苯胶中苯乙烯含量增加，密度与硬度增大，介电性改善，但耐油性、弹性、塑性和耐寒性降低。耐磨性、 耐老化性 、耐水性和气密性优于天然橡胶，粘合性、弹性和形变发热量低于天然橡胶1。丁苯橡胶综合性能优良，是合成橡胶的第一大品种，产量占合 成橡胶的
4、60%。 1.3丁苯橡胶的原料和助剂 丁苯橡胶由苯乙烯和丁二烯共聚合成，苯乙烯和丁二烯的物理性质如下：表14 苯乙烯和丁二烯的物理性质物质分子式熔点()沸点()密度g/cm3颜色、气味、状态（常温）其它苯乙烯C6H5-CH=CH2-331460. 9090(20/4)无色有芳香气味液体不溶于水，溶于乙醇和乙醚，能与其他单体聚合，有强折射性丁二烯CH2=CH-CH=CH2-108.9-4.450. 6211(20)无色，有特殊气味，气体性活泼，易起聚合反应，有麻醉性，特别刺激黏膜。表15 助剂助剂名称活性剂乳化剂防老剂硫化剂补强剂氧化剂还原剂促进剂分子量调节剂物质氧化锌歧化松香酸甲皂苯基萘胺硫磺
5、炭黑过氧化氢对锰烷硫酸亚铁噻唑类、叔十二碳硫醇1.4低温乳液聚合的生产原理1.4.1 聚合原理 丁二烯与苯乙烯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：mCH2=CH-CH=CH2+ nCH=CH2-CHCH2-n-CH2-CH=CH-CH2-m-在典型的低温乳液聚合共聚物大分子链中顺式约占9.5%，反式约占55%，乙烯基约占12%。如果采用高温乳液聚合，则其产物大分子链中顺式约占16.6%，反式约占46.3%，乙烯基约占13.7%5。乳聚丁苯橡胶属于乳液法链式自由基聚合机理。整个聚合过程分为链引发、链增长、链转移和链终止四个步骤。1.4.2低温乳液聚合生产丁苯橡胶工
6、艺条件（1）分散介质一般以水为分散介质。要求必须采用去离子水，以保证乳液的稳定和聚合产物的质量。用量一般为单体量的60%300%，水量多少体系的稳定性和传热都有影响，水量少，乳液稳定性差，不利于传热；尤其在低温下聚合这种影响更大，因此，低温乳液聚合生产丁苯橡胶要求乳液的浓度低一些为好，一般控制单体与水的比值为11.0511.8（物质的量的比），而高温乳液聚合则为12.012.5。（2）单体纯度丁二烯的纯度99%。对于由丁烷、丁烯氧化脱氢制得的丁二烯中丁烯含量1.5%，硫化物0.01%，羰基化合物0.006%；对于石油裂解得到的丁二烯中炔烃的含量0.002%，以防止交联增加丁苯橡胶的门尼粘度。阻
7、聚剂低于0.001%时对聚合没有明显影响，当高于0.01%时，要用浓度为10%15%的NaOH溶液于30进行洗涤除去。苯乙烯的纯度99%，并且不含二乙烯基苯。（3）聚合温度与聚合采用的引发剂体系有关。低温乳液聚合生产丁苯橡胶采用氧化-还原引发体系，可以在5或更低温度下（1018）进行，同时，链转移少，产物中低聚物和支链少，反式结构可达70%左右。低温乳液聚合所得到的丁苯橡胶又称为冷丁苯橡胶。如果采用K2S2O8为引发剂，反应温度为50，反应转化率为72%75%。低温下聚合的产物比高温下聚合的产物的性能好。 （4）转化率与聚合时间为了防止高转化下发生的支化、交联反应，一般控制转化率为60%70%
8、，多控制在60%左右。未反应的单体回收循环使用。反应时间控制在712h，反应过快会造成传热困难。二、丁苯橡胶的生产工艺流程三、 设计介绍 3.1设计题目丁苯橡胶聚合反应装置的设计(VN=44)3.2 设计参数和技术特性指标表2-1 设计参数及要求容器内夹套内工作压力（MPa）10.3设计压力（MPa）1.10.33工作温度（）55介质乳液和单体传热面积，50全容积()44搅拌轴转速(r/min)80轴功率，Kw65 四、夹套式反应釜总体结构带搅拌的夹套反应釜是化学、医药及食品等工业中常用的典型反应设备之一。它是一种在一定压力和温度下，借助搅拌器将一定容积的两种（或多种）液体以及液体与固体或气体
9、物料混匀，促进其反应的设备。一台带搅拌的夹套反应釜。它主要由搅拌容器、搅拌装置、传动装置、轴封装置、支座、人孔、工艺接管和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是为带动搅拌装置设置的，主要由电机、减速器、联轴器和传动轴等组成；封头装置为动密封；它们与支座、人孔、工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。夹套式反应釜是由罐体和夹套两大部分组成。罐体和夹套的设计主要包括其结构设计，各部件几何尺寸的确定和强度的计算与校核。罐体在规定的操作温度和操作压力下，为物料完成其搅拌过程提供了一定的空
10、间。夹套传热是一种应用最普遍的外部传热方式。它是一个套在罐体外面能形成密封空间的容器，既简单又方便。4.1 罐体几何尺寸计算4.1.1 确定筒体内径通常由工艺条件给定容积V、筒体内径按式1估算： 式1式中 V工艺条件给定容积，m； i长径比，（设备容积要求44，反应物料为液液类型，由表3-1知，考虑容器不大，为使直径不致太小，在顶盖上方便布置接管和传动装置，故取。）将D1估算值圆整到公称直径系列，见附表1。表3-1 几种搅拌釜的长径比i值种 类设备内物料类型I一般搅拌釜液-固相或液-液相物料11.3气-液相物料12发酵罐类1.72.54.1.2 确定釜体封头尺寸椭圆封头选标准件，则应力增强系数
11、K=1，封头厚度（初选值）：圆整后取（钢号为16MnR所以，它的内径与筒体内径相同D1=3000mm）查表得封头直边高度ho=40mm、封头容积V封=3.817m3公称直径DN/mm直边高 ho/mm内表面积A/m2厚度/ mm容积V/m330004010.133133.8174.1.3 确定筒体高度反应釜容积V通常按下封头和筒体两部分容积之和计算。则筒体高度H1按下式计算并进行圆整。查表得釜体的容积，由下式计算得：式中 V封封头容积，m3；V1m1米高筒体容积，m3/m。当筒体高度确定后，应按圆整后的筒体高度修正实际容积，则圆整后的釜体高度=5700mm。4.1.4 釜体实际容积 式中 V封
12、封头容积，m3；V1m1米高筒体容积，m3/m。H1圆整后的筒体高度,m。图3-1 椭圆封头简图五、反应釜传热装置夹套和筒体的连接常焊接成封闭结构。夹套的结构尺寸常根据安装和工艺两方面的要求而定。夹套的内径D2可根据筒体内径D1选取D2=D1+200=3200m 表3-2夹套直径D2 mmD1500600700180020003000D2D1+50D1+100D1+200夹套下封头型式同罐体封头，其直径D2与夹套筒体相同。夹套高H2由传热面积决定，不能低于料液高。装料系数没有给定，则应合理选用装料系数的值，尽量提高设备利用率。通常取=0.60.85所以取=0.80。物料反应平稳或物料粘度较大十
13、，应取大值，=0.80.85所以取0.80。夹套高H2按下式估算。 圆整后取 式中 V封封头容积，m3；V1m1米高筒体容积，m3/m。夹套所包围的罐体的表面积（筒体表面积F筒+封头表面积F封）一定要大于工艺要求的传热面积F，=3000mm釜体下封头的内表面积；=3000mm釜体（1高）的内表面积；2夹套包围筒体的表面积: 由于釜内进行的反应是放热反应，产生的热量不仅能够维持反应的不断进行，且会引起釜内温度升高。为防止釜内温度过高，在釜体的上方设置了冷凝器进行换热，因此不需要进行传热面积的校核。如果釜内进行的反应是吸热反应，则需进行传热面积的校核，即：将与工艺需要的传热面积进行比较。若+，则不需要在釜内另设置蛇管；反之则需要蛇管。搅拌设备的传热与普通换热器的传热机理是相同的，搅拌容器内物料的热量传递到夹套的热载体上，必须通过被搅物料对传热面的对流传热、被搅物料侧壁面污垢热阻、筒体的热传导、热载体处污垢热阻、传热面对热载体的对流传热等五个环节。这个传热过程可用传热速率方程表示如下。 2-1式中 搅拌釜内液体的质量， ；搅拌釜内液体的比热,4.65，；液体主体温度，；时间，；搅拌釜内物料传热速率，；总传热系数，取0.95，;传热面积，；传热
