10万吨丁苯橡胶的反应釜设计.docx

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1、W聚合双旅工程题目：10万吨丁苯橡胶的反应釜设计院（系）名称：材料科学与工程学院目录摘要3关键词:丁苯橡胶、乳液聚合工艺、丁二烯苯乙烯31 .前言41.2丁苯橡胶合成工艺选择41.3丁苯橡胶合成原理51.4原料相关参数6表l-271.5反应器的选择71.6设计目的102,反应釜的设计102.1 技术参数1022丁苯橡胶配方102.3 计算所需常数112.4 计算反应釜过程111.1 5筒体高度计算121.6 夹套尺寸计算131.7 传热面积计算133 .反应釜的搅拌装置143.1 搅拌轴的选择143.2 搅拌器的计算164 .绘反应釜的图165 .课设总结18结束语19参考文献21摘要本设计是

2、以丁二烯和苯乙烯为原料，年产1万吨丁苯橡胶的反应釜工艺设计。通过比较目前丁苯橡胶的聚合生产方法，最后确定以低温乳液聚合法作为聚合的工艺生产方法。在设计过程中，根据设计任务书的要求，进行了较为详细对设备进行了工艺计算和选型。关键词:丁苯橡胶、乳液聚合工艺、丁二烯苯乙烯1 .前言1.1 丁苯橡胶的概述丁苯橡胶是由1,3-丁二烯与苯乙烯共聚而得的高聚物，简称SBR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。其物理结构性能，加工性能及制品的使用性能接近天然橡胶，有些性能如耐磨、耐热、耐老化及硫化速度较天然橡胶更为优良，可与天然橡胶及多种合成橡胶

3、并用”。丁苯橡胶具有适合轮胎用途的各种优异性能，溶液丁苯橡胶滚动阻力比乳液丁苯橡胶和天然橡胶低，抗湿滑性比顺丁橡胶好，耐磨性也很好，特别是第二代溶液丁苯橡胶的成功研发，其滚动阻力比乳液丁苯橡胶减少20%30%,抗湿滑性优于顺丁橡胶。1.2 丁苯橡胶合成工艺选择目前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。丁苯橡胶（SBR）是丁二烯和苯乙烯的无规共聚物，是合成橡胶中工业化最早、产耗量最大的胶种被大量用于制造各种汽车轮胎、胶管、运输带及胶鞋制品。目前，工业上丁苯橡胶的生产方法主要采用乳液聚合和溶液聚合两种方法。乳液聚合生产

4、工艺成熟生产规模大其生产能力约占SBR总生产能力的80%以上。而低温乳液聚合方法又占乳聚丁苯橡胶生产的90%以上。溶聚丁苯橡胶最早由美国Phillips公司于1964年实现工业化，Firestone公司于1969年也实现溶聚丁苯橡胶的工业化。同期Shell化学公司也成功推出锂系催化剂制备的嵌段共聚物，并实现工业生产。这一时期的溶聚丁苯橡胶产品被称为第一代溶聚丁苯橡胶。第一代溶聚丁苯橡胶分子链规整性好，产品在耐磨性、回弹性、生热与滞后损失方面均较乳聚丁苯橡胶优异，但加工性能与抗湿滑性能不佳，从根本上限制了其应用。20世纪70年代后期，通过对产品乙烯基含量和苯乙烯单体序列分布的调整，结合分子链端改

5、性技术的应用，产生了第二代溶聚丁苯橡胶。第二代溶聚丁苯橡胶兼顾了橡胶的滚动阻力和抗湿滑性，更好地满足轮胎节能和安全要求。乳液聚合丁苯橡胶的相对分子质量分布比溶液聚合丁苯橡胶宽。前者的相对分子质量分散系数为4飞，而溶液聚合丁苯橡胶的相对分子质量分散系数为1.52.O0目前国内外生产厂家紧紧围绕着提高质量、改进性能、降低成本三大宗旨，其生产技术的发展趋势主要表现在完善聚合配方、完善生产工艺、提高过程自控水平、提高聚合单体转化率、改善产品性能和开发新的品种等方面。乳液聚合丁苯橡胶支化度较高，对加工有利。从凝胶的含量看，低温乳液聚合丁苯橡胶的凝胶含量比高温乳液聚合的丁苯橡的凝胶含量低。乳液聚合丁苯橡胶

6、具有共聚物的共性-单体单元无规排列，不能结晶。并且橡胶主链上的丁二烯结构大部分是反式-1,4结构，加之又有苯环，因而体积效应大，分子链柔性低，从而影响硫化胶的物理机械性能。如弹性低、生热高。由于溶聚丁苯橡胶是阴离子聚合机理，在计算工程中遇到的众多困难，而乳液聚合丁苯橡胶是以自由基聚合机理，容易计算，并且在此过程中发现可以更好的运用所学知识来解决问题，所以本设计我们小组选择以乳液聚合。以更好体会学以致用感受。1.3丁苯橡胶合成原理丁二烯和苯乙烯在乳液聚合中按自由基机理进行聚合反应。其反应式：mCH2=CH-CH=CH2+nCH=CH2-(-CHCH2-n-CH2-CH=CH-CH2-m-在典型的

7、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%。早期的乳聚合成橡胶采用较高的聚合温度(50C60),所得合成橡胶俗称“热丁苯”，缺点是分子链支化度高，导致凝胶含量多，生胶黏度高，塑炼困难，流动性不理想等等。结果，不仅工艺性能不佳，而且对性能也不利。后来,改用低温(5C)聚合后所得产品被称为“低温丁苯”，上述问题均迎刃而解在低温丁苯橡胶的配方中，除了亚铁盐外作主还原剂，还加雕白粉作副还原剂，亚铁盐被硫酸盐氧化成正铁盐后，可以被雕白粉再还原亚铁离子，循环使用。这样就可

8、以减少亚铁盐的用量和橡胶的残铁量，提高耐老化性能。综上所述，我们采用乳液低温聚合丁苯橡胶方法。乳液丁苯橡胶属于乳液法链式自由基机理，整个过程分为链引发，链增长，链终止。链引发这是形成单体自由基活性种的反应，首先由氧化还原引发体系在水相中产生初级自由基。R-COOH+Fe2+-*R-CO+Fe3第二步是初级自由基与单体加成，形成单体自由基。X+R-CO一-CH2-CH链增长在链引发阶段形成的单体自由基，活性很高，如无阻聚物质与之作用，就能进攻第二个单体分子的键，重新杂化结合，形成新的自由基，如此循环下去。ZeUH2=UHXXRUH：-Uzy-UH_UHIXZeu/二-Cu-ci1-,chc,uu

9、XXX-Jzf链终止乳聚丁苯橡胶聚合过程的终止主要是双基结合终止-CH,-CHHCH-CH,-T-CH,-CH-CH-CH,-“II11llII2XXXX此时的聚合体系中，除水相外，主要是表面层为乳化剂覆盖的聚合胶乳粒子1.4原料相关参数苯乙烯，是一种有机化合物，化学式为GK,乙烯基的电子与苯环共枕，不溶于水，溶于乙爵、乙醛等多数有机溶剂，是合成树脂、离子交换树脂及合成橡胶等的重要单体。中文名苯乙烯沸点145.2eC外文名Styrene水溶性不溶ethenylbenzene密度0.902gcm,别名乙蟠基本外观无色透明油状液体化学式CaH8内点311分子也10415应用用于制聚苯乙烯、合成像胶

10、、离子交换树脂等CAS我录号1-42-5安全性描述S7;S16;S23;S26;S3637;S45日NECS登录号202-851-5危险性符号Xn熔点-30危除住描述R10：R20;R36/38UN危险货物线号2055表1-11,3一丁二烯，是一种有机化合物，化学式为C山,是一种带有轻微芳香味的无色气体，不溶于水，溶于丙酮、苯、乙酸、酯等多数有机溶剂，是制造合成橡胶、合成树脂、尼龙等的原料。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，1,3-丁二烯在一类致癌物清单中。中的1.3-TZffi沸点-44eC外文名1.3-Butadien水溶性不溶C4H6密度0

11、.62gcm3分子5409外观轻微芳香味无色气体CAS106-990内点-76eCElNECS频聘203-450-8安全性描述S16;S26;S33：S3637;S45;S46;S53:S61：络点-108.9eCS62危险性符号F;T;N危险性描述R12；R45表1-21.5反应器的选择按反应器的结构选择釜式反应器是化工生产中最广泛使用的一种反应器型式,适用于液相、液-液相、气-液相及液-固相反应。在多数情况下，反应釜中设有搅拌装置及传热装置，以保证反应物料在釜中的流动、混合和传热。釜式反应器既可以间歇操作，也可以连续操作或半连续操作。既可进行单釜操作又可以多釜串联操作，所以我们的课程设计反

12、应器选择釜式反应器。固定床反应器是气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置称为固定床反应器。它主要用于气-固相催化反应，具有结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和反应中应用很广泛的反应器。例如，氨合成塔、甲醇合成塔、酸及硝酸生产的一氧化碳变塔，三氧化硫转换器等。固定床反应器有三种基本形式：轴向绝热式、径向绝热式和列管式。固定床反应器的缺点是床层的温度分布均匀，由于固相粒子不动，床层导热性较差，因此对放热量大的反应，应增大换热面积，及时移走反应热，但这会减少有效空间。如果固体催化剂连续加入，反应物通过固体颗粒连续反应后连续排出，这种反应器称为移动床反应器

13、。在反应器中固体颗粒之间基本上没有相对运动，而是整个颗粒层的移动，因此可看成是移动的固定床反应器。和固定床反应器相比，移动床反应器有如下特点：固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，固体和流体的运动接近活寒流，返混较少。控制固体粒子运动的机械装置较复杂，床层的传热性能与固定床接近。流化床反应器流体（气体或液体）以较高的流速通过床层。带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流中进行反应，并具有类似流体流动的一些特性的装置称为流化床反应器。流化床反应器是工业上应用较广泛的反应装置，适用于催化或非催化的气-固、液-固和气-液一固反应。在反应器中固体颗粒被流体吹起呈悬浮状态，可做上下左右剧烈运动

14、和翻动，好像是液体沸腾一样，故流化床反应器又称沸腾床反应器，流化床反应器的结构型式很多，一般由壳体、气体分布装置、换热装置、气-固分离装置、内构件以及催化剂加入和卸出装置等组成。管式反应器它主要应用于快速的气相和液相反应，对有压力的反应尤为适用，如高压聚乙烯可采用管式反应器生产。使用管式反应器时，反应物料从一端进入管中，从另一端排出产物及未反应的物料。在反应器中反应物的组成随管长而连续变化，反应热可由套管或管外夹套传出。与其他反应器比较，管式反应器在达到相同生产能力和转化率时，所需的反应器体积最小，而单位反应器体积所具有的传热面最大。对于慢反应，则需管子很长，故压降也随之增加，此时不宜采用管式

15、反应器。乳液聚合丁苯橡胶属于气液相，根据以上优缺点对比，我们选择釜式反应器。按操作方式分类(1)间歇反应器在反应前先将反应物一次放入反应器内，当反应达到规定转化率后即取出反应物。由于在反应过程中反应物料的浓度随时间不断变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反应器通常使用釜式反应器。如氯乙烯、苯乙烯的悬浮聚合即使用间歇反应器。间歇反应器能用一釜进行多品种的生产，操作灵活性与弹性大，投资小，所以适用于小规模多品种的生产过程。但是间歇反应器操作时需要较多的辅助时间(如进料、出料、清洗、试压、升温等)，所以设备的利用率低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生产时会使聚合产物的聚合度及聚合度分布发生变化，影响产品的性能。(2)连续反应器反应器操作时，反应物料连续加入反应器内并连续引出反应产物，属稳态过程。反应器内任一