年产1.1万吨顺丁橡胶生产工艺设计说明书

北京化工大学 化学工程学院

题目： 学生： 班级：化工 学号： 指导教师：

设计说明书

2015 年 1月

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“化工设计”课程作业

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）

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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

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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.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

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表1-1 原辅材料性质及规格表

序号 名称 规格 分析方法 组成 水值 杂质 胺值 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 GB/T 13291-2008 2 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 GB1669-96 3 环烷酸镍 镍含量﹥7~8%；水份﹤0.1%；无不皂化物 无悬浮物；活性铝含量≥50% BF3含量﹥46%；沸点124.5~126℃ 浓度 浓度 41539 42022 4 三异丁基铝 三氟化硼·乙5 醚络合物 浓度 GB/T 6820-1992 6 乙醇 纯度95%；含水5%；恒沸点78.2℃ 2,6-二叔丁基熔点69~71℃；游离甲酚﹤0.04%；灰分﹤7 -4-甲基苯酚 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 挥发份 灰分 生胶门尼粘度 混炼胶门尼粘度 300％定伸应力 拉伸强度 伸长率 ％ ％ 100C M14优级品 0.75 0.30 一级品 1.00 0.30 455 73 6.2～10.7 6.7～11.2 6.5～11.0 13.7 430 合格品 1.30 0.30 457 73 6.0～11.0 6.5～11.5 6.3～11.3 13.2 430 455 68 6.5～10.5 7.0～11.0 6.8～10.8 14.2 450 100C M14 MPa MPa ％ 25min 35min 50min 35min 35min

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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 1 3 4 丁二烯 溶剂油 乙醇 54.1 198 86 46.1 142 -109 -5.6 2 三异丁基铝 空气中的爆炸极限 沸点 -4.5 86 20~160 79 闪点 燃点 -76 ﹤0 -2 13 414 ﹤4 350 363 445 上限 下限 国家标准 42022 GB1669-96 备注 16.30% 1.10% GB/T 13291-2008 8.70% 19% 11.10% 1.10% -117 3.30% GB/T 6820-1992 2% 三氯化硼乙5 醚络合物 142.5~126 66.7

1.5 原材料的消耗定额

表1-4 原材料消耗定额表

消耗量 序号 名称 规格 单位 每小时 每年 1 丁二烯 纯度≥99%；丁烯﹤1%；水值﹤20mg/kg；kg 醛酮总量20mg/kg；二聚物﹤50mg/kg 1659.799 13278392 2 溶剂油 组分： C502.1%;C6057.8%;C7040.1%;馏程60-90℃；kg 碘值﹤0.2g/100g；水份﹤20mg/kg 6347.191 50777528 3 环烷酸镍 4 三异丁基铝 镍含量﹥7~8%；水份﹤0.1%；无不皂化物 kg 无悬浮物；活性铝含量≥50% kg kg 0.478 1.209 1.884 3824 9672 15072 5 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℃ kg 0.887 7096 熔点69~71℃；游离甲酚﹤0.04%；灰分﹤7 kg 2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚 0.03%；油溶性：合格 13.021 104168

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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。

催化剂配置 聚合 单体回收 凝聚 脱水干燥 包装 成品

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

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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

苯 甲苯 甲苯-庚烷 溶剂油

高 高 高 高

引发剂溶解能力 好 好 好 一般

胶液粘度比较 高 高 较高 低

高 高 低 无

容易 成本高 成本高 容易

— — — 广泛

毒性

回收与经济学

来源

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。

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（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。

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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 丁油浓度 镍/丁（摩尔比） 三异丁基铝/丁（摩尔比） 三氟化硼乙醚络合物/丁（摩尔比） 铝/硼（摩尔比） 铝/镍（摩尔比） 指 标 13.5g/100ml；温度：≤40℃ 2.0×10-5 1.0×10-4 2.0×10-4 ＞0.25 3-8

② 聚合釜操作参数

表3-2 聚合釜操作参数一览表

项 目 聚合系统压力 聚合温度 聚合时间 指 标 ＜0.45MPa 94℃ 4h

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③ 原辅材料规格

表3-3 聚合釜原辅材料规格一览表

项 目 丁二烯 溶剂油 环烷酸镍 三异丁基铝 三氟化硼乙醚络合物 指 标 纯度：99%，其余按丁烯计； oo组成C52.1%，Co657.8%，C740.1% 纯度：7.5% 活性铝含量：50% BF3含量：46%

（2） 终止釜工艺参数

① 终止釜进料参数

表3-4 终止釜进料参数一览表

项 目 胶 液 醇/三异丁基铝（摩尔比） 防老剂/丁（质量比） 指 标 组成同聚合釜出料 6 0.0079

② 终止釜操作参数（略）

③ 终止釜原辅材料规格

表3-5 终止釜原辅材料规格一览表

项 目 乙醇 防老剂/溶剂油（质量比） 防老剂溶液浓度 指 标 纯度：95%，其余按水计 0.179；防老剂溶液 117g/l

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（3） 凝聚釜工艺参数

① 凝聚釜进料参数

表3-6 凝聚釜进料参数规格一览表

项 目 胶 液 水/胶液（体积比） 水蒸汽/聚丁二烯（质量比） 指 标 组成同终止釜出料 7.5 5

② 凝聚釜操作参数

表3-7 凝聚釜操作参数一览表

项 目 循环水进料温度 凝聚温度 凝聚压力 胶液进料温度 指 标 90℃ 95℃ 0.2MPa（表压） 20℃

③ 凝聚釜原辅材料规格

表3-8 凝聚釜原辅材料规格一览表

项 目 水蒸汽 指 标 0.9MPa（表压）

（4） 相关设计参数

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表3-9 物料衡算相关设计参数

项 目 丁二烯总转化率 丁二烯单耗 全装置总收率 指 标 85% 1.045t/t-p 95.3%；（以1.045吨的100%丁二烯为基准计算收率和损耗） 全装置总损耗 胶粒含水量 胶粒含油量 聚合釜容积 年产量 年操作时间 4.7%，其中： 1. 聚合挂胶损失：1% 2. 聚合、凝聚的丁二烯机械泄露损失：0.5% 3. 凝聚、振动的渣末损失：0.5% 4. 油水分离器水相丁二烯溶解损失：2% 5. 包装过程中不合格品及落地损失：0.7% 0.6（凝聚所得胶粒中的水/胶粒，质量比） 0.005（凝聚所得胶粒中的溶剂油/胶粒，质量比） 12m3 11000t 8000h

（5） 所需物性数据

表3-10 物料衡算所需物性数据

物性 丁烯的密度 丁二烯的密度 溶剂油密度 溶剂油（以正己烷计） 在95℃时的汽化热 20-95℃的平均比热 沸点 丁二烯 - 13 -

数据 596kg/m3 628kg/m3 660kg/m3 316.522kJ/kg 2.428kJ/kg·℃ 86℃ “化工设计”课程作业

续表3-10 物料衡算所需物性数据

在95℃时的汽化热 20-95℃的平均比热 丁烯（以正丁烯计） 在95℃时的汽化热 20-95℃的平均比热 0.9MPa(表压)水蒸汽焓△H汽 95℃饱和水焓△H水 131.844kJ/kg 2.554kJ/kg·℃ 254.139kJ/kg 2.679kJ/kg·℃ 2781.71kJ/kg 397.75kJ/kg

3.1.2计算基准

由于生产采用连续式溶液聚合法，因此计算过程以kg/h为基准。

3.1.3各单元的物料衡算

（1） 聚合釜总物料衡算

聚合釜物料衡算图如图所示：

图3-1 聚合釜物料衡算图

M丁二烯+M溶剂油+M镍组分+M铝组分+M硼组分=M胶液+M挂胶损失

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① 丁二烯系统

根据设计任务书，年产顺丁橡胶11000t，年操作时间8000h，可知 每小时顺丁橡胶产量：11000×1000÷8000=1375kg/h

根据丁二烯单耗可知所需纯丁二烯质量流量为：1375×1.045=1436.875kg/h 扣除机械损失以及溶解损失，应有聚丁二烯：

1436.875×(1-0.005-0.02)=1400.953kg/h

根据总转化率85%可知应需纯丁二烯质量流量为

1400.953÷0.85=18.180kg/h

本工艺采用中国石化上海石油化工股份有限公司生产的工业用丁二烯（优级品，执行企业标准Q/SH 012.01.13-1999）质量分数为99.3%，其余按正丁烯计算，可知，所需原料

.180÷0.993=1659.799kg/h 丁二烯为：18.799-18.180=11.619kg/h 随原料夹带的正丁烯为：1659

根据上述计算结果，总结于下表中

表3-11 进料丁二烯用量

组分 丁二烯 正丁烯 合计 质量分数% 99.3 0.7 100 kg/h 18.180 11.619 1659.799 t/a 13185.44 92.952 13278.392 m3/h 2.658 0.0195 2.6775

② 溶剂油系统

溶剂油质量=（原料丁二烯质量-原料丁二烯体积）×溶剂油密度

丁油浓度已知丁二烯质量流量为1659.799kg/h，体积流量2.6775m3/h，丁油浓度为13.5g/100ml，即为135kg/m3，溶剂油密度660kg/m3，因而可得所需溶剂油质量：

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1659.799(-2.6775)×660=6347.191kg/h 135

③ 引发剂系统

引发剂采用镍催化剂体系，成分为环烷酸镍—三异丁基铝—三氟化硼乙醚络合物，主要计算公式为：

引发剂质量=纯丁二烯摩尔数×（引发剂/丁）×引发剂分子量

原料纯度a) 环烷酸镍（主引发剂）

10-5，M镍=58.69，纯度为7.5%，可知 已知镍/丁（摩尔比）为2×18.18×2×10-5×58.69kg/h=0.478kg/h 环烷酸镍质量流量：

54×0.07518.18×2×10-5kmol/h=6.104×10-4kmol/h 镍组分摩尔流量：

54b) 三异丁基铝（助引发剂，Al(i-C4H9)3）

已知三异丁基铝/丁（摩尔比）为1×10-4，M三异丁基铝=198，活性铝含量50%

18.18×1×10-4×198kg/h=1.209kg/h 三异丁基铝质量流量：

54×0.518.18×1×10-4kmol/h=3.052×10-3kmol/h 摩尔流量：

54c) 三氟化硼乙醚络合物（第三组分，BF3O(C2H5)2）

10-4，M三氟化硼乙醚络合物=142，BF3含量为已知三氟化硼乙醚络合物/丁（摩尔比）为2×46%，可知：

18.18×2×10-4×142kg/h=1.884kg/h 三氟化硼乙醚络合物质量流量：

54×0.4618.18×2×10-4kmol/h=6.104×10-3kmol/h 摩尔流量：

54NAl3.052×NAl3.052×10-310-3根据上述结果可知==-3=0.5，而由文献可知，-4=5，NB6.104×NNi6.104×1010- 16 -

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当Al/Ni=3~8，Al/B=0.3~0.7（均为摩尔比），催化剂活性最高，因此可知此配方满足工艺要求。

④ 聚丁二烯系统

由总转化率85%可知生成的聚丁二烯为：18.180×0.85=1400.953kg/h 由于存在挂胶损失，损失量为：1436.875×0.01=14.369kg/h 去终止釜的聚丁二烯为：1400.953-14.369=1386.584kg/h

.180×0.15=247.227kg/h 未反应的丁二烯质量流量：18根据上述结果可得聚合釜总物料衡算，列于表3-12

表3-12 聚合釜总物料衡算表

序号 1 2 3 进料 4 5 6 7 1 2 3 出料 4 5 6 7 组分 丁二烯 丁烯 溶剂油 环烷酸镍 三异丁基铝 三氟化硼乙醚络合物 合计 去终止釜聚丁二烯 未反应的丁二烯 丁烯 挂胶损失 溶剂油 三种引发剂 合计 kg/h 18.180 11.619 6347.191 0.478 1.209 1.884 8010.561 1386.584 247.227 11.619 14.369 6347.191 3.571 8010.561 t/a 13185.440 92.952 50777.528 3.824 9.672 15.072 084.488 11092.672 1977.816 92.952 114.952 50777.528 28.568 084.488 w%（质量分数） 20.575 0.145 79.235 0.006 0.015 0.024 100 17.309 3.086 0.145 0.179 79.235 0.045 100

（2） 聚合釜数量的确定以及各釜物料衡算

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① 聚合釜数量的确定

由聚合釜物料衡算可得丁二烯进料量M丁二烯=1659.799kg/h，丁油浓度

ρ丁油=135kg/m3，聚合时间T=4h，因而可得聚合总容积为：

V总=M丁二烯×Tρ丁油=1659.799×43m=49.18m3

135V总49.18==4.10，圆整为4台。 12123需12m聚合釜台数：n=

② 各釜转化率的确定

根据《合成橡胶工业》第七卷（1984）P67中内容知：丁二烯聚合属于一级反应，并且镍催化体系油溶剂丁二烯的表观动力学反应速度常数的关联式如下：

k=kpα[C0]

kp=3.637×108exp(-4455/T)

对于一级反应，连续槽式反应器的反应转化率与反应速率常数之间的关系如下（假设各釜停留时间相同）：

CANCANCAN=，XN=1-，xN=1- -NCCA0A(N-1)(1+kτ)1(1+kτ)-NCA0可知： XN=1-其中：

CAN—第N台釜内反应物浓度，mol/L； CA0—反应物初始浓度，mol/L；

CA(N-1)—第N-1台釜内反应物浓度，mol/L； XN—N台釜累积转化率； xN—第N台釜转化率；

k—聚合反应表观速率常数，min-1；

τ—平均停留时间，min；

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-“化工设计”课程作业

N—连续槽式反应器台数； [C0]—主催化剂的浓度，mol/L； kp—链增长速度常数，L/(mol·min)； T—反应温度，K；

α—催化剂利用率（在94℃下，取27%）

为便于计算，按等温等容处理，取总转化率为85%；各釜停留时间相同；反应温度为94℃，[C0]=1.92×10-5mol/L，则可计算得

kp=3.637×108exp(-4455/T)=3.637×108×exp(-4455/367.15)=1954.393L/(mol•min)k=kpα[C0]=1954.393×0.27×1.92×10-5=1.013×10-2min-1 由于总转化率为85%，即XN=85%，可求得平均停留时间τ为

-τ=(N-11-1)/k=(4-1)×100/1.013=59.9min

1-XN1-0.85由于各釜停留时间相同，由各釜转化率计算公式可知各釜转化率相同，现计算首釜的转化率：

x1=1-CA011=(1-)×100%=(1-)×100=37.77% --2CA11+1.013×10×59.9(1+kτ)

（3） 终止釜总物料衡算

终止釜物料衡算图如图所示：

- 19 -

“化工设计”课程作业

胶料（去凝聚釜）

聚合来的胶液 终止剂乙醇 终 止 釜 防老剂246

图3-2 终止釜物料衡算图

M聚合来的胶液+M终止剂乙醇+M防老剂246=M胶液（去凝聚釜）

M凝聚来的胶液=M聚合釜出料-M挂胶损失=8010.561-14.369=7996.192kg/h

纯丁二烯摩尔数铝丁比醇铝比乙醇分子量乙醇纯度乙醇密度18.180纯丁二烯摩尔数==30.522mol54

30.5221.0104646乙醇用量==1.08661030.95816M终止剂乙醇=1.0866103816=0.887kg/h有公式：乙醇用量=M防老剂246=防老剂/丁M丁二烯=0.007918.180=13.021kg/h

随防老剂一起带入体系的溶剂油质量=13.021=72.741kg/h

防老剂/溶剂油0.179=M防老剂246

根据上述结果可得聚合釜总物料衡算，列于表3-13。

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“化工设计”课程作业

表3-13 终止釜总物料衡算表

序号 1 进 2 3 料 4 5 6 7 出 8 9 料 10 11 12 13

（4） 凝聚釜总物料衡算

凝聚釜物料衡算图如图所示：

溶剂油、丁二烯、丁烯、水蒸气（去油水分离器） 凝 聚 釜 组分 胶液 终止剂 防老剂 带入溶剂 合计 丁烯 丁二烯 三种引发剂 溶剂油 干胶 终止剂 防老剂 合计 kg/h 7996.192 0.887 13.021 72.741 8082.841 11.619 247.227 3.571 19.932 1386.584 0.887 13.021 8082.841 t/a 63969.536 7.096 104.168 581.928 662.728 92.952 1977.816 28.568 51359.456 11092.675 7.096 104.168 662.731 w%(质量分数） 98.928 0.011 0.161 0.900 100.000 0.144 3.059 0.044 79.427 17.155 0.011 0.161 100.000 机械损失 胶液 渣末损失 热水 热水、胶粒 （去振动筛） 0.9MPa的水蒸气

图3-3 凝聚釜物料衡算图

M胶液+M热水+M0.9MPa的水蒸气=M溶剂油+M丁二烯M丁烯+M水蒸气+M机械损失+M渣末损失+M热水+M胶粒M胶液=M终止釜出料=8082.841kg/h 胶液：

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“化工设计”课程作业

V胶液=M丁烯丁烯+M丁二烯丁烯+M溶剂油溶剂油+M干胶干胶+M终止剂终止剂+M防老剂防老剂 =11.619597+247.227628+19.932660+1386.584628+0.887816+13.021117 =12.461m3/h水：

V热水=V胶液V水V胶液=12.4617.5=93.458m3/h热

M热水=V热水水=93.4581000=93458kg/m3机械损失：

M机械损失=M丁二烯机械损失+M聚丁二烯渣末损失+M防老剂损失M丁二烯机械损失=247.2270.005=1.236kg/h

M聚丁二烯渣末损失=（18.180-247.227）0.005=7.005kg/h M聚丁二烯机械损失=（18.180-247.227）0.005=7.005kg/h M防老剂损失=13.0210.005=0.065kg/h所以M机械损失=8.2417.0050.06515.311kg/h 去振动筛的胶粒量：

M胶粒=M聚丁二烯+M防老剂+M水+M油

M聚丁二烯=1386.584-7.0057.005=1372.574kg/h M防老剂=13.021-0.065=12.956kg/h

列方程:M胶粒=M聚丁二烯+M防老剂+M胶粒0.6+M胶粒0.005 整理并代入数据得，M胶粒（1-0.6-0.005）=1372.574+12.956 解得，M胶粒=3507.671kg/h

进入凝聚釜的水蒸气总量：M水蒸气进料=5M聚丁二烯=51372.574=6862.87kg/h 计算气化量：

M溶剂油气化量=M溶剂油-M油=19.932-3507.6710.005=02.394kg/hM丁烯气化量=11.619kg/hM丁二烯气化量=247.227-247.2270.005=245.991kg/h

计算汽化热：

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“化工设计”课程作业

Q溶剂油=q溶剂油M溶剂油气化量=[316.522+2.428(95-20)]02.394=3192374.501kJ/hQ丁烯=q丁烯M丁烯气化量=[254.1392.679(9520)]11.619=5287.3kJ/hQ丁二烯=q丁二烯M丁二烯气化量=[131.8442.554(9520)]245.991=79552.013kJ/hQ水=C水M水T4.186893458（95-90）=19549.772kJ/h

水蒸气冷凝放热：

Q水蒸气冷凝=Q溶剂油+Q丁烯+Q丁二烯+Q水 =3192374.501+5287.3+79552.013+19549.772=5233663.675kJ/h

水蒸气冷凝的焓：HH汽-H水=2781.71-397.75=2383.96kJ/kg 水蒸气冷凝量：M冷凝水蒸气=Q水蒸气冷凝H=5233663.675=2195.366kg/h

2383.96去汽水分离器的水蒸气量：

M去汽水分离器的水蒸气=M水蒸气进料-M冷凝水蒸汽=6862.87-2195.366=4667.504kg/h 去振动筛的水量：

M去振动筛的水=M冷凝水蒸汽+M热水=2195.366+93458=95653.366kg/h

表3-14 凝聚釜总物料衡算表

进 料 出 料 振 动 筛 油 水 分 离 器 机 械 损 失 序号 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 组分 胶液 热水 水蒸气 总计 胶粒 三种引发剂 终止剂 水 总计 溶剂油 丁二烯 丁烯 水蒸气 总计 丁二烯损失 聚丁二烯损失 防老剂损失 总计 合计 - 23 -

kg/h 8082.841 93458.000 6862.870 108403.711 3507.671 3.571 0.887 93548.763 97060.2 02.394 245.991 11.619 4667.504 11327.508 1.236 14.010 0.065 15.311 108403.711 t/a 662.728 7476.000 54902.960 867229.688 28061.368 28.568 7.096 748390.107 7787.139 51219.152 1967.928 92.952 37340.032 90620.0 9.888 112.080 0.520 122.488 867229.691 w%(质量分数） 7.456 86.213 6.331 100.000 3.236 0.003 0.001 86.297 .537 5.906 0.227 0.011 4.306 10.449 0.001 0.013 0.000 0.014 100.000 “化工设计”课程作业

3.2.热量衡算

3.2.1 计算的基础数据 （1) （2) （3) （4) （5) （6) （7) （8)

表3-15 溶剂油组成表

Wi% Xi% Mi n-C5H12 2.1 2.59 72 n-C6H14 57.8 61.54 84

n-C7H16 40.1 35.87 100 合计 100 100 聚合釜物料衡算表； 聚合时间：4h；

实用聚合釜台数：4台（以4台为例）； 聚合温度：94℃

冷却盐水：入口温度-12℃，出口温度-8℃。 反应釜夹套换热面积A=27m2； 丁二烯聚合反应热△H反 = -1381 kJ/kg 溶剂油组成及物性数据：

表3-16 溶剂油物性数据表

物性 密度 kgM3 比热容Cp kJ/(kg·℃) 热导率 W/(m·℃) n-C5H12 549 n-C6H14 590 n-C7H16 620 溶剂油 601 数据来源 《化工工艺设计手册》下633页 计算公式 1Wii 3.0767 2.6204 2.4823 2.6168 《化工工艺设计手册》下5页 《化工工艺设计手CpWCpii 0.0861 0.0907 0.09 0.0942 册》下680页 Wii

（9)

丁烯、丁二烯物性数据：

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“化工设计”课程作业

表3-17 丁烯、丁二烯物性数据表

C4H8 C4H6 定性温度 ℃ 94 94 密度 kgm3 比热容Cp kJ/(kg·℃) 2.0001 2.9721 热导率 W/(m·℃) 0.1396 0.08374 数据来源 《化工工艺设计手册》下634、5、681页 《化工工艺设计手册》下634,、5、681页 1010 480

（10) 顺丁橡胶物性数据：

表3-18 顺丁橡胶物性数据表

顺丁橡胶

定性温度 ℃ 94 密度 kgm3 比热容Cp kJ/(kg·℃) 2.9721 热导率 W/(m·℃) 0.08374 数据来源 《合成橡胶工业》第七卷(1984)P69 480 （11) 冷冻盐水物性数据：

表3-19 冷冻盐水物性数据表

CaCl2

定性温度 ℃ -10 密度 kgm3 比热容Cp kJ/(kg·℃) 2.8590 热导率 W/(m·℃) 0.4885 数据来源 《化工手册》2070页 1245 （12) 根据各釜纯转化率计算的各釜的物料组成，然后求得各釜的物性数据：

各釜转化率的计算：

根据《合成橡胶工业》第七卷(1984)P67“丁二烯溶液聚合的工程分析”知：丁二烯聚合属于一级反应，并且，镍催化体系油溶剂丁二烯的表观动力学反应速度常数的关联式如下：

kPkpC0

kp3637.108exp4455/T另根据《基本有机化工工厂装备》知，对于一级反应，连续槽式反应器的反应转化率与反应速度常数之间的关系如下：

CANCA01kN

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“化工设计”课程作业

CANxN1CA0

xN111kN

式中CAN —第N台釜内反应物的浓度；mol/L CA0 — 反应物初始浓度； mol/L

xN—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； [C0] —主催化剂的浓度；mol/L kp—链增长速度常数；L/(mol·min) [P·] —活性链总浓度；mol/L T—反应温度；K

—催化剂利用率(在94℃下，＝27％)

为了便于计算，按等温等容处理，取总转化率85%；4釜串联；平均停留时间60 min；反应温度94℃。将上式进一步整理得：

给定一个主催化剂浓度，分别求出x1、x2、x3、x4，直至达到设计要求。

.105 mol/L，将计算结果整理得到根据第八章第四节计算实例2，取[C0]＝192下表。

表3-20 各釜纯转化率与累积转化率

第一釜 纯X (％) 37.81

累积X (％) 37.81 第二釜 纯X (％) 23.51 累积X (％) 61.32 第三釜 纯X (％) 14.62 累积X (％) 75.94 第四釜 纯X (％) 9.1 累积X (％) 85.04 各釜物料组成：

总进料：G18.18011.6196347.1918006.99kg/h

其中，丁二烯18.180kg/h；丁烯11.619kg/h；溶剂油6347.191kg/h. 根据各釜转化率计算各釜的物料组成如下：

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表3-21 各釜的物料组成

物 料 溶剂油 丁 烯 丁二烯 聚丁二烯 第一釜 kg/h 6347.191 11.619 1024.823 623.177 W(%) 79.27 0.15 12.80 7.78 第二釜 kg/h 6347.191 11.619 637.336 1010.6 W(%) 79.27 0.15 7.96 12.62 第三釜 kg/h 6347.191 11.619 396.372 1251.628 W(%) 79.27 0.15 4.95 15.63 第四釜 kg/h 6347.191 11.619 246.388 1401.612 W(%) 79.27 0.15 3.08 17.51

表3-22 各釜物性数据计算结果表

釜号 一 二 三 四 温度 ℃ 94 94 94 94 组分 胶液 胶液 胶液 胶液 密度 kgm3 606.8 624.2 635.5 2.8 比热容Cp kJ/(kg·℃) 2.5744 2.5283 2.5032 2.4865 热导率 W/(m．℃) 0.0956 0.0986 0.1005 0.1016 门尼粘度 50 50 45 45 动力粘度 Pa．s 3.5 7.5 11.0 18.0 注：根据各釜门尼粘度和胶液浓度查《高聚物合成工艺学》确定各釜动力粘度。

1. 各釜对流传热系数和传热系数K的计算

1) 夹套内冷却盐水的对流传热系数1计算

基本方程式：

ReluCp

Pr式中1— 夹套对流传热系数，W/(m20C)；

Nu— 努塞尔准数； Re— 雷诺准数；

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

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l— 传热面的特征尺寸，m；

— 流体的热导率，W/(m20C)； u— 流体的流速，m/s； — 流体的密度，kg/m3； — 流体的粘度，Pa·s； Cp— 流体的比热容，J/(kg·℃)； w— 流体在壁温条件下的粘度，Pa·s

图 螺旋导流板

查《化工工艺设计手册》上册P301表4-14，取冷却盐水在螺旋导流板中的流速为1.5 m/s；根据《搅拌设备设计》P142和《化工设备机械基础》第三册P180有关内容，取聚合釜夹套内螺旋导流板的几何尺寸上图所示。则传热面特征尺寸为：

l4500346367.mm0.06367m

250034那么：

2.8591036.310336.87 Pr =

0.4885Re =

0.063670.8124510065.924 36.310由于0Pr100 Re10000，所以：

10.027lRe0.8Prw130.14

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计算时取w 10.14105.

10.08370.8(10065.924)(36.87)31.05197.629W/(m2·℃)  = 0.0270.06367因盐水在弯曲的螺旋导流板中流动，所以要对1进行修正。查《基础化学工程》上册P172修正公式为：

l111.77R 1

式中R— 曲率半径，设计取916mm。

1'197.6291177.

2) 釜内对流传热系数2的计算

0.06367.221943W/(m2·℃)

0.916根据《化学工程手册》第5篇《搅拌与混合》P31有关高粘度流体采用双螺带式搅拌槽的传热公式，即永田公式：

1 < Re < 1000时：

Nu4.2RePrwNu0.42RePrw231313130.14

0.14Re > 1000时：

考虑叶轮与槽壁间隙大小对传热的影响时：

DdNu1.75RePrDw13130.213

2Nu DRe式中d — 搅拌叶轮直径，m；

n — 搅拌转数，r/s； D — 聚合釜内径，m。

d2n 搅拌雷诺准数

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“化工设计”课程作业

设计中取：D＝1.8m；d＝0.95D＝1.71m；n＝59r/min。

0.9 w根据以上公式计算各釜的2， 以1号釜为例计算对流传热系数

dn211

171.2Re59606.860498.5135.

2.574410335.Pr94251046.0.0956

Cp21175.0.0956.171.0.21849851.94251046.0.91818..131313.08W(m20C)

将各釜计算结果列入下表：

表3-23 各釜对流给热系数2计算结果

釜号 1 2 3 4

Re 498.51 239.31 166.12 102.68 Pr 94251.046 192314.91 273982.09 440521.65 Nu 1677.2385 1666.3692 1660.1194 1656.6732 2 .08 91.28 92.69 93.51 3) 各釜总传热系数K的计算

聚合釜壁剖面图如图9-9所示，由于式3-58计算各釜K值。

D外D内102.2，所以按《基础化学工程》上册P180

111231K11232

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“化工设计”课程作业

聚合釜壁剖面图

已知各釜的1和2，另外，计算时：

挂胶厚度110mm0.01m，101396.W(m0C)； 釜壁厚度216mm0.016m，217.445W(m0C)；

.mm0.0005m，查《基础化学工程》上册P180表3-9得25％CaCl2取水垢厚度305盐水的垢层系数d13956.W(m20C)。

则可以计算出各釜的K值， 以1号釜为例

1366.946W(m20C)

2.08W(m20C)

110.010.01611K1221943.01396.17.44513956..08

.0.0(m20C)/W

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K11124.W(m20C)

对2号釜、3号釜、4号釜而言，取挂胶厚度为1mm，其它数据同釜1。 则各釜计算结果列入下表中：

表3-24 各釜K值计算结果表

釜别 1 2 3 4

1 221.943 221.943 221.943 221.943 1 0.01 0.001 0.001 0.001 1 0.1396 0.1396 0.1396 0.1396 2 0.016 0.016 0.016 0.016 2 17.445 17.445 17.445 17.445 d 1395.6 1395.6 1395.6 1395.6 2 .08 91.28 92.69 93.51 K 11.24 41.22 41.50 41.67 2. 各釜热量衡算

1) 计算基准

数量基准：kJ/h；基准温度：0℃；反应釜夹套换热面积取A=27m2

2) 总热量衡算图如下：

总热量衡算图

3) 各釜热量衡算关系式：

1号釜 Q1入＋Q1反＋Q1搅＋Q1冲入＝Q1出＋Q1冲出＋Q1夹 2号釜 Q2入＋Q2反＋Q2搅＋Q2冲入＝Q2出＋Q2冲出＋Q2夹 3号釜 Q3入＋Q3反＋Q3搅＋Q3冲入＝Q3出＋Q3冲出＋Q3夹

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4号釜 Q4入＋Q4反＋Q4搅＋Q4冲入＝Q4出＋Q4冲出＋Q4夹

4) 搅拌热

根据资料介绍，搅拌热与胶液粘度大小有关。粘度大，搅拌热就大。设计中取1号釜电机功率的70％、2釜电机功率的75％、3号釜电机功率的80％及4号釜电机功率的85％用于形成搅拌热。

各釜搅拌功率计算如下：

搅拌器型式的确定，丁二烯溶液聚合生产顺丁橡胶中，随着单体转化率的提高，体系的动力粘度逐渐增加，一般从几十厘泊增加到几万厘泊，为此要从适合高粘度液体的锚式、框式、螺杆式及双螺带式等搅拌器中进行选择。目前，国内有的生产厂家主要采用首釜为框式，其余为双螺带式，本设计中根据1998年第1期《合成橡胶工业》“顺丁橡胶技术开发中的几个工程放大问题”中所分析的框式搅拌器，在使用中存在因湍流程度不够而造成釜内温度上下不均及混合分散程度差的缺点，决定全部采用双螺带式搅拌器，搅拌转速为59 r/min，其它几何参数如下图所示。

查《搅拌设备设计》P59知，当双螺带式搅拌器的几何参数为：diD0.92～0.98；

.；HD0.9～2.5；bdi010.时，同时，其功率准数： hdi=0.8～5.5；sD10Np340(在层流区操作时，

h)(Re)1.0di

当Re > 100时：

hNp7.0()(Re)0.33di

很据各釜的Re值选取合适的Np计算公式，然后，再按下式求出搅拌功率。

PNp102gn3di5

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“化工设计”课程作业

查《搅拌设备设计》P161知，电机功率为： 采用机械密封时：

PaNNm

PmP填(10%～15%)

式中H— 聚合釜筒体高度，m；

D— 聚合釜筒体内径，m； h — 搅拌器搅拌叶总高度，m； di— 搅拌叶外径，m； s — 搅拌叶螺距，m； b — 搅拌叶宽度，m； Re— 搅拌雷诺准数； Np— 搅拌功率准数； P — 搅拌功率，KW；  — 液体密度，kgM3； n — 搅拌转速，r/s； g — 重力加速度，ms2； Pa— 电机功率，KW；

Pm— 轴密封系统摩擦损失功率，KW； — 机械传动效率，KW；(一般＝0.95～0.98) P填— 填料密封系统摩擦损失功率，KW；

根据以上公式计算各釜Pa和P并将结果列入下表，计算中取：

h2.3； P填＝0.1P；Pm＝0.15P填；＝0.95 di

表3-25 各釜的P和Pa表

釜号 1号 2号 3号 4号 Re 4981.51 239.31 166.12 112.68 Np 2.073 2.1 2.979 3.492 P/KW 17.480 22.904 26.303 31.186 Pa/KW 18.68 24.47 28.10 33.32 各釜所配电机应该一样，因此取上表中最大的电机功率，同时考虑1.65的备用系数，

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“化工设计”课程作业

由此确定实际电机功率55。

5) 各釜热量衡算

A. 1号釜热量衡算（目的确定进料温度T1）

Q1入＝G·Cp·T1=8010.5612.2604T118107.072T1kJ/h Q1反＝x·G丁二烯·H反0.378118.1801381860607.241kJ/h Q1搅＝搅拌功率0.703600550.703600138600kJ/h Q1冲入＝0 （首釜不冲冷油）

Q1夹＝0（因为首釜挂胶严重，传热系数较小，故不用夹套移热） Q1出＝G·Cp·(T2－T1)

8010.5612.5744（94-0）=1938504.494kJ/h

Q1冲出＝0

由1号釜热量平衡关系式知： Q1入＝Q1出－(Q1反＋Q1搅) 根据上式可解得T1=52℃

B. 2号釜热量衡算（目的确定冲冷油量）

Q2入＝Q1出 =1938504.494kJ/h

Q2反＝x·G丁二烯·H反 0.235118.1801381535119.71kJ/h Q2搅＝搅拌功率0.753600=550.753600=148500kJ/h Q2冲入＝0 (T2冲＝0)

Q2出＝Q2入=1938504.494kJ/h Q2夹＝K2·A2·tm2

已知：冷却盐水 t进＝-12℃，t出＝-8℃，可求得tm2和Q2夹 t1＝T－t进＝94－(－12)＝106℃ t2＝T－t出＝94－(－8)＝102℃

t1106104.2102

℃

20W(mC) K2＝41.22

取A2＝27m

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2“化工设计”课程作业

则Q2夹＝41.22271043.6＝416684.74 kJ/h 由热量平衡关系式知：

Q2冲出＝Q2反＋Q2搅－Q2夹

根据Q2冲出和Q2夹求出冷抽余油用量和冷却盐水用量:

Q2冲出=535119.71+148500-416684.74=266934.97kJ/h

冷抽余油用量：

G2冲266934.971103.07kg/h

2.5744(940)冷却盐水用量：

G2盐416684.74336.23kg/h2.859(812)

C. 3号釜热量衡算（目的确定冲冷油量）

Q3入＝Q2出＋Q2冲出＝Q3出

1938504.494266934.972205439.4kJ/h

Q3反＝x·G丁二烯·H反0.146218.1801381332771.168kJ/h Q3搅＝搅拌功率0.803600550.803600158400kJ/h Q3夹＝K3·A3·tm3＝419515.2 kJ/h Q3冲入＝0（T3冲＝0） 由热量平衡关系式知：

Q3冲出＝Q3反＋Q3搅－Q3夹

332771.168158400419515.271655.968kJ/h

根据2号釜热量衡算过程求出3号釜的冷抽余油用量和冷却盐水用量。

冷抽余油用量：

G3冲71655.968296.11kg/h

2.5744(940)419515.236683.74kg/h

2.859(812)冷却盐水用量：

D. 4号釜热量衡算

G3盐Q4入＝Q3出＋Q3冲出＝Q4出

2195539.471655.9682267195.432kJ/h

Q4反＝x·G丁二烯·H反0.09118.1801381207128.43kJ/h Q4搅＝搅拌功率0.853600550.853600168300kJ/h Q4夹＝K4·A4·tm4＝421233.7kJ/h Q4冲入＝0（T3冲＝0）

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“化工设计”课程作业

由热量平衡关系式知：

Q4冲出＝Q4反＋Q4搅－Q4夹

207128.43168300421233.745805.27kJ/h

负值表示4号釜不用冲冷油只用夹套就可以满足传热要求。因此，要重新确定夹套的传热负荷与冷却盐水的用量。

Q4夹＝Q4反＋Q4搅

＝207128.43＋168300＝375428.43 kJ/h 冷却盐水用量：

6) 1～4号釜热量衡算总结果列入下表

G4盐375428.4332828.65kg/h

2.859(812)表3-26 总热量衡算表

序号 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 项 目 VR m3 T ℃ 1号釜 12 94 60 37.81 7.78 7.78 11.24 27 104 2号釜 12 94 60 23.51 12.62 11.09 41.22 27 104 3号釜 12 94 60 14.62 15.63 13.31 41.50 27 104 4号釜 12 94 60 9.01 17.51 14.90 41.67 27 104  min 纯x(%) 冲油后聚丁二烯W% K W(m20C) A m 25 冲油前聚丁二烯 W% tm ℃ Q入 kJ/h Q搅 kJ/h Q反 kJ/h Q出 kJ/h Q冲出 kJ/h Q夹 kJ/h G冲 kg/h G盐 kg/h 941567.744 1938504.492205439.4 2267195.432 4 138600 148500 158400 168300 207128.43 860607.241 535119.710 332771.168 1938504.491938504.492205439.4 2267195.432 4 4 0 0 0 0 266934.970 71655.978 416684.74 1103.07 336.23 419515.2 296.11 36683.74 -45805.27 375428.43 0 32828.65

2.3 聚合釜的计算和选型

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2.3.1 基础数据

设计温度：釜内120℃，釜外(夹套)-12℃； 设计压力：釜内1.0MPa，釜外(夹套)0.4MPa； 工艺要求容积：12m 操作形式：满釜连续操作； 材质：1Cr18Ni9Ti 其它数据同前。

2.3.2 聚合釜总容积及台数的确定

按4小时聚合时间和产量指标确定聚合总容积V总

由聚合釜物料衡算可得丁二烯进料量M丁二烯=1659.80kg/h，丁油浓度

3ρ丁油=135kg/m3，聚合时间T=4h，因而可得聚合总容积为

V总=M丁二烯×Tρ丁油1659.80×43=m=49.18m3

135V总49.18==4.10 12123需12m聚合釜台数：n=圆整为4台，并按1.2的备用系数来确定聚合釜的总数量为5台。

2.3.3 聚合釜搅拌功率的计算

搅拌器型式的确定，丁二烯溶液聚合生产顺丁橡胶中，随着单体转化率的提高，体系的动力粘度逐渐增加，一般从几十厘泊增加到几万厘泊，为此要从适合高粘度液体的锚式、框式、螺杆式及双螺带式等搅拌器中进行选择。目前，国内有的生产厂家主要采用首釜为框式，其余为双螺带式，本设计中根据1998年第1期《合成橡胶工业》“顺丁橡胶技术开发中的几个工程放大问题”中所分析的框式搅拌器，在使用中存在因湍流程度不够而造成釜内温度上下不均及混合分散程度差的缺点，决定全部采用双螺带式搅拌器，搅拌转速为59 r/min，其它几何参数如下图所示。

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查《搅拌设备设计》P59知，当双螺带式搅拌器的几何参数为：diD0.92～0.98；

.；HD0.9～2.5；bdi010.时，同时，其功率准数： hdi=0.8～5.5；sD10在层流区操作时，Np340(h)(Re)1.0 di当Re > 100时：

hNp7.0()(Re)0.33

diNp102g很据各釜的Re值选取合适的Np计算公式，然后，再按下式求出搅拌功率。

Pn3di5

PaNNm查《搅拌设备设计》P161知，电机功率为： 采用机械密封时：



PmP填(10%～15%)

式中H— 聚合釜筒体高度，m；

D— 聚合釜筒体内径，m； h — 搅拌器搅拌叶总高度，m； di— 搅拌叶外径，m； s — 搅拌叶螺距，m； b — 搅拌叶宽度，m； Re— 搅拌雷诺准数； Np— 搅拌功率准数； P — 搅拌功率，KW；  — 液体密度，kgM3；

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n — 搅拌转速，r/s； g — 重力加速度，ms2； Pa— 电机功率，KW；

Pm— 轴密封系统摩擦损失功率，KW； — 机械传动效率，KW；(一般＝0.95～0.98) P填— 填料密封系统摩擦损失功率，KW；

根据以上公式计算各釜Pa和P并将结果列入下表，计算中取：

h2.3； P填＝0.1P；Pm＝0.15P填；＝0.95 di表3-27 各釜的P和Pa表

釜号 1号 2号 3号 4号

Re 4981.51 239.31 166.12 112.68 Np 2.073 2.1 2.979 3.492 P/KW 17.480 22.904 26.303 31.186 Pa/KW 18.68 24.47 28.10 33.32 各釜所配电机应该一样，因此取上表中最大的电机功率，同时考虑1.65的备用系数，由此确定实际电机功率为55KW。

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4．工艺控制条件及自控设计

4.1工艺中主要操作参数（如温度、压力、流量等）的检测条件的说明、控制条件及相应的自控回路设计方案的说明。

表4-1 聚合釜进料参数

项目 丁油浓度 镍/丁（摩尔比） 三异丁基铝/丁（摩尔比） 三氟化硼乙醚络合物/丁（摩尔比） 铝/硼（摩尔比） 铝/镍（摩尔比）

表4-2 聚合釜操作参数

项目 聚合系统压力 聚合温度 聚合时间

表4-3 主要分析控制指标

物料名称 丁二烯 采样地点 分析项目 控制指标 >99% <20mg/kg 乙腈检不出 <1mg/kg <20mg/kg <0.2mg/kg (1.0+0.05)g/L指标 13.5g/100ml；温度≤40℃ 2.0×10-5 1.0×10-4 2.0×10-4 ＞0.25 3—8 指标 ＜0.45MPa 首釜＜95℃；末釜＞100℃ 4h 分析时间 每班一次 每班一次 丁二烯总管线 组成 水值 杂质 胺值 溶剂油 溶剂油总管 水值 胺值 浓镍 稀镍 稀铝 浓镍高位槽 镍配制槽 浓度 浓度 浓度 - 41 -

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续表4-3 主要分析控制指标

防老剂 丁油 配制釜 丁线 浓度 水置 丁浓 胶液 末釜出口 胶含量 转化率 胶液 首釜出口 末釜出口

自动控制回路设计方案：

由于反应为放热反应，温度过高会导致产品产率降低，因此应设计控制温度的自控方案。在聚合釜设置温度检测点，在冷却盐水和冷溶剂线设置流量调节装置。当温度过高时，聚合釜上的温度监测点将温度检测信号反馈给冷却盐水和冷溶剂线的流量调节阀，将流量减小。

4.2 安全自控设计（聚合工段）

<20mg/kg 12~/L ≥100g/L ≥83% 50 45 门尼黏度 门尼黏度 由于反应为放热反应，温度过高会导致产品产率降低，因此应设计聚合釜高温报警系统和高温关闭系统来保证安全。当温度过高时高温报警系统发出警报通知操作人员，同时高温关闭系统将聚合釜关闭，保证安全。

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5．附图

带控制点的流程图（PID）（必须有）

（画到聚合反应结束，图纸采用1号图幅，计算机绘制。）

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参考文献

1. 期刊 作者．题名[J]．刊名，出版年，卷（期）：起止页码 2 专著 作者．书名[M]．版本（第一版不著录）．出版地：出版者，出版年．起止页码

3 论文集 作者．题名[C]．//编者．论文集名．出版地：出版者，出版年．起止页码 4 学位论文 作者．题名[D]．保存地点：保存单位，年份

5 专利文献 题名[P]．国别，专利文献种类，专利号．出版日期 6 标准 标准编号，标准名称[S]

7 报纸 作者．题名[N]．报纸名，出版日期（版次） 8 报告 作者．题名[R]．保存地点：年份

9 电子文献 作者．题名[电子文献及载体类型标识]．文献出处，日期 文献类型及其标识

1．根据GB3469规定 ①期刊[J] ②专著[M] ③论文集[C] ④学位论文[D] ⑤专利[P] ⑥标准[S] ⑦报纸[N] ⑧技术报告[R] 2．电子文献载体类型用双字母标识，例如 ①磁带[MT] ②磁盘[DK] ③光盘[CD] ④联机网络[OL]

3．电子文献载体类型的参考文献类型标识方法为：[文献类型标识/载体类型标识]。例如：

①联机网上数据库[DB/OL] ②磁带数据库[DB/MT] ③光盘图书[M/CD] ④磁盘软件[CP/DK] ⑤网上期刊[J/OL]

⑥网上电子公告[EB/OL]

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