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1、材料科学与工程学院课程设计说明书 年产XX万吨丁苯橡胶预处理工段工艺设计Annual output of XX tons of styrene butadiene rubber technology design of pretreatment section学生学号 学生姓名 专业班级 指导教师完成日期吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology吉林化工学院课程设计目录第一章 前言11.1 丁苯橡胶概述11.2 丁苯橡胶合成原理21.2.1 原料21.2.2 原料物性21.2.3 反应式和反应机理21.2.4 影响产物的因素21.3 合成工艺31.
2、3.1 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺过程31.3.1.1 转化率确定31.3.1.2 配料确定31.3.1.3 分散介质31.3.1.4 单体纯度41.3.1.5 聚合温度41.3.1.6 聚合时间41.3.1.7 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺流程41.3.2 溶聚丁苯橡胶的生产工艺过程51.4 相关符号说明5第二章 课程设计任务书72.1 技术指标72.2 设计地区自然条件8第三章 设计方案的确定及工艺流程说明93.1 设计原则93.2 设计方案的确定93.2.1 防火防爆103.2.2 节能与环境保护113.2.3 防毒123.3 工艺流程123.3.1 单体及化学品溶液接收123.3.2
3、 聚合13第四章 设计计算154.1 聚合工段物料衡算154.1.1 进料计算154.1.2 出料计算164.2 换热器设计计算174.2.1 基本条件174.2.2 丁二烯换热器E-301的设计184.2.2.1 初选184.2.2.2 计算管程压降及给热系数194.2.2.3 计算壳程压降及给热系数204.2.2.4 计算传热面积214.2.3 苯乙烯换热器E-306的设计214.2.3.1 初选214.2.3.2 计算管程压降及给热系数224.2.3.3 计算壳程压降及给热系数234.2.3.4 计算传热面积244.3 泵的计算244.3.1 泵P304的设计244.3.2 条件依据25
4、4.3.3 管内流体的流速254.3.4 泵的选型：254.3.5 储罐的计算264.4 附属设备的选型与计算264.4.1 管道直径的计算264.4.2 容器型式的选择274.4.2.1 丁二烯缓冲槽V-303的选型274.4.2.2 苯乙烯缓冲槽V-304的选型28参考文献29课程设计体会30 II吉林化工学院课程设计第一章 前言1.1 丁苯橡胶概述丁苯橡胶成白色或浅褐色，有苯乙烯的气味，密度：0.919-0.944 。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60%，也是最早实现工业化生产的橡胶之一。它是丁二烯与苯乙烯的无规共聚得到的弹性体。英文缩写SBR。其物理机构
5、性能，加工性能及制品的使用性能接近于天然橡胶，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，可与天然橡胶及多种合成橡胶并用.丁苯橡胶结构式：丁苯橡胶的分为乳液丁苯和溶液丁苯，其中乳液丁苯包括高温丁苯、低温丁苯、低温充油丁苯、低温充炭黑丁苯、高苯乙烯丁苯、液体丁苯、羧基丁苯。溶液丁苯包括烷基锂溶液丁苯、锡偶联溶液丁苯、高反式1,4-丁苯。发展史高温丁苯橡胶20世纪50年代生产了5摄氏度下聚合的低温丁苯橡胶，性能得以改善20世纪60年代初以烷基锂为引发剂的溶液聚合法丁苯橡胶开始工业化生产1933年德国首先用乙炔为原料制得丁苯橡胶 1942年美国以石油为料生
6、产丁苯橡胶乳聚丁苯橡胶（ESBR）经过50多年的发展,生产工艺已经成熟。近20年来，由于受到溶聚丁苯橡胶（SSBR）及其他弹性体的冲击，SSBR具有优良的耐磨性、耐曲饶、耐低温性及优良的动态性能。ESBR抗湿滑性好，但滚动阻力大，而SSBR由于兼具抗湿滑和滚动阻力低两种性能，在欧、美、日等国家和地区ESBR的产耗增长速度缓慢；但在亚太地区尤其是中国，由于汽车工业的迅速发展，ESBR的产能和产量有了很大幅度的增长，2003年我国丁苯橡胶（SBR）表观消耗量高30达55.93万吨1，仅次于美国，居世界第二位。20世纪80年代末至90年代初，国外一些大的企业曾一度放弃了对ESBR的研发工作但ESBR
7、经过数十年与SSBR的抗衡，仍显示出其较强的生命力2。尤其是近年来国外有些企业在提高ESBR的综合性能研究方面取得了突破性的进展。1.2 丁苯橡胶合成原理1.2.1 原料主要原料：1,3 丁二烯、苯乙烯1.2.2 原料物性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，相对分子质量为54.09，相对密度0.6211，熔点-108.9，沸点-4.5 。摩尔折射率：20.03，摩尔体积：84.7，等张比容：169.2，表面张力：15.9，介电常数：2.26，极化率：7.94，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
8、中要加入叔丁邻苯二酚阻聚剂。苯乙烯相对分子量：104.14，是无色或微黄色的易燃液体，熔点-30.6，沸点：146，相对密度：0.99（25）化学性质非常活泼，能进行均聚合，也能与其他单体如丁二烯、丙烯腈等发生共聚合反应。储存注意通常商品加有阻聚剂。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过37。包装要求密封，不可与空气接触。应与氧化剂、酸类分开存放，切忌混储。不宜大量储存或久存。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。1.2.3 反应式和反应机理反应式：反应机理：1,3-丁二烯和苯乙烯合成丁苯橡胶的过程是一个自由基共
9、聚合的过程，发生的自由基聚合反应3。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%。1.2.4 影响产物的因素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
10、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
11、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%，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。1.3 合成工艺1.3.1 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺过程1.3.1.1 转化率确定经典的丁二烯苯乙烯乳液聚合的转化率为60%左右，太低，原料利用率下降，而提高转化率是可以达到的，但所得橡胶的性能变差以及聚合釜挂壁严重。未反应的单体经“脱气”工序回收，与新鲜单体混合再次进
12、入聚合釜。图1.3.1.1 置换塔出口单体转化率随聚合釜串联个数的变化根据上图，确定使用8釜串联工艺，各釜转化率分布为10.82%、9.65%、8.61%、7.67%、6.85%、6.10%、5.45%、4.85%。1.3.1.2 配料确定图1.3.1.2 苯乙烯含量与转化率的关系由以上关系图，暂确定苯乙烯22%，丁二烯78%，根据后边的物料衡算，进行检验。1.3.1.3 分散介质一般以水为分散介质，要求必须用去离子水，以保证乳液的稳定和聚合产物的质量，用量一般为单体的60%300%。水量的多少对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，
13、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1:1.051:1.81（物质的量之比），而高温乳液聚合则为1:2.01:2.5.1.3.1.4 单体纯度丁二烯纯度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%，羟基化合物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，苯乙烯纯度99%，并且不含二乙基苯。1.3.1.5 聚合温度聚合温度与聚合采用的引发剂体系有关。低温
14、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。 1.3.1.6 聚合时间反应时间控制在712h，反应过快会造成传热困难。釜内平均停留时间9小时。1.3.1.7 低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺流程低温乳液聚合生产丁苯橡胶工艺流程如图1.3.1.8所示。原料丁二烯和苯乙烯按一定比例用量配成碳氢相液，在多台串联聚合釜中于58，在有氧化还原催化体系的水乳液介质存在下，进行自由基共聚合反应4。介质中除水、乳化剂外，有引发剂、活化剂、分子量调节、电解质等助剂。当聚合反应610小时，聚合转化率达6062%时，可加入终止剂使聚合反应终止。所得胶乳经闪蒸脱气工序回收未反应的丁二烯和苯乙烯单体后，再加入防老剂和高分子凝聚剂。图1.3.1.8 乳液聚合生产丁苯橡胶工艺流程1.3.2 溶聚丁苯橡胶的生产工艺过程20世纪60年代中期，由于阴离子聚合技术的
