年产11万吨顺丁橡胶生产工艺设计说明书

“化工设计”课程作业-1-北京化工大学化学工程学院设计说明书题目：学生：班级：化工学号：指导教师：2015年1月“化工设计”课程作业-2-目录1.工艺设计基础1.1设计任务1.2原辅材料性质及技术规格1.3产品的性质及技术规格1.4危险性物料的主要物性1.5原辅材料的消耗定额2.工艺说明2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点2.1.1生产方法2.1.2工艺技术路线的确定2.2生产流程简述3.工艺计算与主要设备选型3.1物料衡算3.1.1计算的基准数据3.1.2计算基准3.1.3各单元物料衡算3.2热量衡算3.2.1计算的基准数据3.2.2物料衡算3.3聚合釜的计算及选型4工艺控制条件及自控设计5.附图：带控制点的工艺流程图（PID）“化工设计”课程作业-3-1．工艺设计基础1.1设计任务1.1.1设计项目年产1.1万吨顺丁橡胶生产工艺设计1.1.2产品规格纯度为99%的顺丁橡胶1.1.3生产能力年产1.1万吨顺丁橡胶；考虑到设备检修，年开工时间为8000小时；采用五班三倒制，每班工作8小时。1.1.4主要设计任务顺丁橡胶生产工艺由聚合工段和后处理工段两大部分组成，本设计的主要任务为：（1）聚合釜、终止釜和凝聚釜的物料衡算；（2）聚合釜的热量衡算；（3）聚合釜的计算和选型；（4）设计出聚合工段带工艺控制点的工艺流程图。由于本设计为假定设计，所以设计任务中其他项目如：厂区或厂址、主要技术经济指标、原料的供应、技术规格以及燃料种类、水电汽的主要来源，与其他工业企业的关系，建厂期限、设计单位、设计进度及设计阶段的规定等均从略。1.1.5产品及主要用途顺丁橡胶，全名为顺式—1,4—聚丁二烯橡胶，呈白色或微黄色，简称BR，是由丁二烯聚合制得的结构规整的合成橡胶。与天然橡胶和丁苯橡胶相比，硫化后的顺丁橡胶的耐寒性、耐磨性和弹性特别优异，动负荷下发热少，耐老化性尚好，易与天然橡胶、氯丁橡“化工设计”课程作业-4-胶或丁腈橡胶并用。根据顺式1,4含量的不同，顺丁橡胶又可分为低顺式（顺式1，4含量为35%~40%）、中顺式（90%左右）和高顺式（96%~99%）三类。顺丁橡胶主要用于轮胎加工行业。另外还用于输送带、传动带、模压制品、鞋底、胶鞋及海绵胶等方面。1.1.6顺丁橡胶的生产需求状况我国的顺丁橡胶生产技术，不仅建厂成本低、回报高，而且与国外相比，具有催化剂用量低、反应时间短、聚合反应器生产强度高、运转周期长的优点，而且产品成本低、质量好，尤其耐屈挠性能突出。我国的顺丁橡胶投产后，市场占有率随产量的增加而提高，目前保持在97%以上，出口欧洲、亚洲、非洲等187个国家和地区。我国的顺丁橡胶主要用于轮胎、制鞋、高抗冲聚苯乙烯和ABS树脂的改性等方面。根据中投顾问发布的《2010-2015中国合成橡胶行业投资分析及前景预测报告》，轮胎领域需求量约占顺丁橡胶总需求量的64.9%，制鞋约占10.2%，高抗冲聚苯乙烯加工改性约占9.7%，胶管、胶带约占8.8%，其他方面约占6.4%。顺丁橡胶是仅次于丁苯橡胶的世界第二大通用合成橡胶。近年来，由于汽车、高铁、航空航天等领域发展迅速，我国顺丁橡胶的需求量不断增加。然而，随着我国顺丁橡胶市场的需求量大幅增长，产能的增长速度却要低于需求量的增长速度，使得目前我国顺丁橡胶市场处于供不应求的状况。1.1.7设计任务的意义顺丁橡胶在世界七大合成橡胶品种中，产量仅次于SBR，居第二位；在通用橡胶品种中，消耗仅次于NR和SBR，居第三位。目前，全世界30多个国家和地区约有50套工业生产装置进行商品化生产。近十年来，中国橡胶工业生产持续稳定发展，年递增速度在8%左右；技术进步显著，新产品、新工艺、新设备发展迅速；产品结构调整大有成效。代表轮胎发展方向的子午线轮胎产量已占总产量的13%，胶鞋的高档产品已超过胶鞋总产量25%，并开发了汽车、电子、建筑、家电等行业配套的大量精细橡胶制品，产品出口量每年大幅增长。因此，顺丁橡胶生产工艺的设计具有很大的意义。1.2原辅材料性质及技术规格“化工设计”课程作业-5-表1-1原辅材料性质及规格表序号名称规格分析方法国家标准备注1丁二烯纯度≥99%；丁烯﹤1%；水值﹤20mg/kg；醛酮总量20mg/kg；二聚物﹤50mg/kg组成水值杂质胺值GB/T13291-20082溶剂油组分：C502.1%;C6057.8%;C7040.1%;馏程60-90℃；碘值﹤0.2g/100g；水份﹤20mg/kg水值胺值GB1669-963环烷酸镍镍含量﹥7~8%；水份﹤0.1%；无不皂化物浓度415394三异丁基铝无悬浮物；活性铝含量≥50%浓度420225三氟化硼·乙醚络合物BF3含量﹥46%；沸点124.5~126℃6乙醇纯度95%；含水5%；恒沸点78.2℃浓度GB/T6820-199272,6-二叔丁基-4-甲基苯酚熔点69~71℃；游离甲酚﹤0.04%；灰分﹤0.03%；油溶性：合格浓度1.3产品性质及技术规格表1-2产品性质及技术规格表项目优级品一级品合格品挥发份％0.751.001.30灰分％0.300.300.30生胶门尼粘度MC14100455455457混炼胶门尼粘度MC14100687373300％定伸应力MPa25min35min50min6.5～10.57.0～11.06.8～10.86.2～10.76.7～11.26.5～11.06.0～11.06.5～11.56.3～11.3拉伸强度MPa35min14.213.713.2伸长率％35min450430430“化工设计”课程作业-6-1.4危险性物料的主要物性表1-3危险性物料的主要物性序号物料名称相对分子质量熔点沸点闪点燃点空气中的爆炸极限国家标准备注上限下限1丁二烯54.1-109-4.5-7641416.30%1.10%GB/T13291-20082三异丁基铝198-5.686﹤0﹤4420223溶剂油8620~160-23508.70%1.10%GB1669-964乙醇46.1-117791336319%3.30%GB/T6820-19925三氯化硼乙醚络合物142142.5~12666.744511.10%2%1.5原材料的消耗定额表1-4原材料消耗定额表序号名称规格单位消耗量每小时每年1丁二烯纯度≥99%；丁烯﹤1%；水值﹤20mg/kg；醛酮总量20mg/kg；二聚物﹤50mg/kgkg1659.799132783922溶剂油组分：C502.1%;C6057.8%;C7040.1%;馏程60-90℃；碘值﹤0.2g/100g；水份﹤20mg/kgkg6347.191507775283环烷酸镍镍含量﹥7~8%；水份﹤0.1%；无不皂化物kg0.47838244三异丁基铝无悬浮物；活性铝含量≥50%kg1.20996725三氟化硼·乙醚络合物BF3含量﹥46%；沸点124.5~126℃kg1.884150726乙醇纯度95%；含水5%；恒沸点78.2℃kg0.887709672,6-二叔丁基-4-甲基苯酚熔点69~71℃；游离甲酚﹤0.04%；灰分﹤0.03%；油溶性：合格kg13.021104168“化工设计”课程作业-7-2.工艺说明2.1生产方法、工艺技术路线及工艺特点2.1.1生产方法溶液聚合生产顺丁橡胶工艺过程包括原料精制、引发剂配制、聚合、回收、凝聚、后处理等工序。图2-1总工艺流程图2.1.2工艺技术路线的确定（1）聚合方法的确定根据产物的结构，从自由基聚合，阴离子聚合，阳离子聚合，配位聚合等反应机理中确定选择出配位聚合。同时考虑配位聚合所用原料、引发剂、传热、物料输送、产物溶解、回收、操作方式等方面综合考虑选择溶液聚合实施方法。该工艺路线包括反应活性中心的形成过程，特殊引发剂组分的安全防护，由于溶剂存在而必然要考虑的回收、循环、利用，反应的终止方式，以及产品防老化处理等特点。操作方式选择连续操作。最终确定，丁二烯的采用配位聚合法（双烯烃定向聚合），生产采用连续式溶液聚合法。（2）溶剂的选择可用溶剂有苯、甲苯、甲苯-庚烷和溶剂油等，不同溶剂对单体、引发剂和产物等的溶解能力不同，会造成聚合体系的粘度不同，因此，对传热、搅拌、回收、生产能力等均催化剂配置聚合单体回收凝聚脱水干燥包装成品“化工设计”课程作业-8-有影响。不同的溶剂比较如下：表2-1顺丁橡胶生产所用溶剂的比较溶剂单体溶解能力引发剂溶解能力胶液粘度比较毒性回收与经济学来源苯高好高高容易—甲苯高好高高成本高—甲苯-庚烷高好较高低成本高—溶剂油高一般低无容易广泛由上表可以看出，选择溶剂油作为溶剂，除了对三氟化硼乙醚络合物的溶解度稍差，但是对单体丁二烯与引发剂环烷酸镍和三异丁基铝的溶解度都很好，尤其是溶剂油可以大大降低胶液的粘度，有利于传热和搅拌。（3）引发剂的选择从适合顺丁橡胶生产的引发剂共性入手，如定向能力高、稳定性好、易贮存、高效、用量少、易分离及残存对产物性能无影响等，对常用的四大类型引发剂Li系、Ti系、Co系、Ni系进行比较，选择Ni系引发剂，其组份主引发剂为环烷酸镍，助引发剂为以异丁基铝，第三组分为三氟化硼·乙醚络合物。（4）催化剂陈化方式的选择国内对上述引发体系曾采用过三种陈化方式，即三元陈化、双二元陈化、稀硼单加。通过比较确定最佳方式为稀硼单加。这是目前顺丁橡胶工业制备中普遍采用的催化剂陈化方法，该法特点是催化剂活性最高。（5）终止剂的选择工业中常采用工业乙醇作为终止剂。（6）防老剂采用2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。“化工设计”课程作业-9-（7）工艺特点说明丁二烯的聚合反应热约为325k/kg，反应过程中必须及时排除反应热。为改善传热效果，可采用传热面积大的反应釜和特种类型的搅拌器。搅拌器常选用螺带式，有的还带有刮刀，以强化搅拌。为改善传热效果，采用夹套内通冷冻盐水、首釜冷进料、次釜补充冷溶剂的方法；搅拌器选用双螺带式搅拌器，其径向与轴向都有较大的搅动。2.2生产流程说明溶液聚合生产顺丁橡胶工艺过程包括原料精制、引发剂配制、聚合、回收、凝聚、后处理等工序。具体流程如下：聚合级丁二烯由泵经流量控制与由泵经流量控制送来的溶液油在文氏管中混合后，再经丁油预热（冷）器进行预热（冷）后，与分别由计量泵送出的Ni组分、Al组分经文氏管混合后的混合物混合，连续送入聚合釜首釜底入口。B组分由计量泵送出与稀释油在文氏管中混合后直接送入聚合釜首釜底入口。聚合釜为不锈钢制并装有双螺带式搅拌器。物料在首釜反应一定时间后，从釜顶出来进入第二釜、第三釜等连续进行聚合反应。当达到规定门尼粘度后，进入终止釜用乙醇破坏引发剂使反应终止。从终止釜出来的胶液经过滤器进入胶液罐，回收部分未反应的单体送单体回收罐区，再经精制处理循环使用；胶液在胶液罐中被混配成优级品的门尼粘度，然后经胶液泵送入凝聚釜用0.9MP水蒸汽在搅拌下于热水中进行凝聚。从凝聚釜顶出来的单体和水蒸汽经冷凝器冷凝，入油水分离罐分离出溶剂油和少量单体送回收精制后循环使用；水经液面调节阀控制排出，经二次净化处理排入地沟。从凝聚釜底出来的胶粒与循环热水颗粒泵送入缓冲罐，经1号经振动筛分离出胶料去洗胶罐。在洗胶罐中，用40～60℃热水对胶粒进行洗涤，洗涤后的胶粒经2号振动筛分离后，含水量约为40%～60%的胶粒送入挤压机挤压脱水。经挤压脱水后，胶粒含水量为8%～15%。将其切成细条形，并进入膨胀干燥机加热、加压，达到膨胀和内蒸，进一步除去所含的大部分水分，再送入水平红外干燥箱中干燥，使胶条的含水量降到0.75%以下。干燥合格的胶条经提升机送入自动称量秤，按每块25kg进行压块，并用塑料薄膜包好，装袋封口入库。“化工设计”课程作业-10-3．工艺计算及主要设备设计3.1.物料衡算3.1.1计算的基础数据（1）聚合釜工艺参数①聚合釜进料参数表3-1聚合釜进料参数一览表项目指标丁油浓度13.5g/100ml；温度：≤40℃镍/丁（摩尔比）2.0×10-5三异丁基铝/丁（摩尔比）1.0×10-4三氟化硼乙醚络合物/丁（摩尔比）2.0×10-4铝/硼（摩尔比）