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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
14、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，；传热温差，取30，K。取搅拌釜内液体的质量:,其中混合液体密度为,物料填充系数为0.8,所以搅拌釜内液体的体积，所以：所以可得六、反应装置搅拌装置设计搅
15、拌器的型式主要有：桨式、推进式、框式、涡轮式、螺杆式和螺带式等。搅拌装置由搅拌器、搅拌轴及叶轮组成。搅拌轴的设计主要是确定危险截面处的最小尺寸，进行强度、刚度计算或校核、验算轴的临界转速和挠度，以便保证搅拌轴能安全平稳地运转。其机械设计的主要内容是：确定搅拌器直径、搅拌器与搅拌轴的连接结构，进行搅拌轴的强度设计和临界转速校核、选择轴的支撑结构。本反应釜工作介质为为乳液及有机溶剂，属于液-液混合，且要求工作转速为80r/min，由文献查的选用直叶径圆盘涡轮式搅拌器表4-1搅拌器型式选用表（摘自HG/T2056994）工艺过程类别控制因素适用搅拌器型式Di/DJH0/DJ调和（低粘度均相液体混合）
16、容积循环速率推进式、涡轮式推进式：4:13:1涡轮式：6:13:1不限分散（非均相液体混合）液滴大小（分散度）容积循环速率涡轮式3.5:13:11:11:26.1搅拌器的选型其与轴连接的结构设计各种形式搅拌器的主要尺寸与搅拌容器的内径有关，它们存在一定比例关系：框式搅拌器常取内径的0.90.98。本设计选取框式搅拌器，常取内径的0.9，所以取2700符合要求。搅拌器的潜液深度：搅拌器至容器底部距离：搅拌功率的计算： 搅拌器的搅拌功率按FMP的功率准数算法计算，取反应釜内单体及乳液混合物粘度为，液体的相对密度取。搅拌轴功率准数可查压力容器与化工设备使用手册锚式和框式搅拌器功率准数（Po）图。查得
17、Po=3.6。所以搅拌轴功率为： 搅拌功率取值。七、反应装置的传动装置设计搅拌设备传动装置系统一般包括电动机、变速器、联轴器（传动轴）、机架及凸缘法兰等。搅拌反应釜的传动装置通常设计在反应釜的顶部，一般为立式。电动机经过减速器将转速减到工艺要求的转速，再通过联轴器带动搅拌轴旋转，从而带动搅拌器旋转。7.1电动机的选择电动机是专门工厂批量生产的标准部件，设计时要根据工作机的工作特性、工作环境和工作载荷条件，选择电动机的类型、结构、容量和转速，并在产品目录中选出其具体的型号和尺寸。搅拌设备选用电机主要是考虑到它的系列，功率，转速，以及安装形式和防爆要求等几项内容。最常用的为Y系列全封闭自扇冷式三相
18、异步电动机。电机功率必须满足搅拌器运轴功率与传动系统，轴封系统功率损失的要求，还要考虑到又时在搅拌过程操造作中会出现不利条件造成功率过大。电机功率可按下式确定：式中 Pd电机功率，kW；P搅拌器功率，kW；Pm轴封系统的摩擦损失，kW；圆柱齿轮传动0.9表5-1传动机械效率类别传动形式效率圆柱齿轮传动开式传动、铸齿（考虑轴承损失）0.90.93设计采用单端面机械轴封，功率消耗小， 则：根据计算功率72.53kW以及电机标准规格选取容量为11Kw的三相异步电动机，然而容量相同的电动机，一般有3000、1500、1000及750 r/min四种同步转速。电动机同步转速愈高，磁极对数愈小，价格愈低。
19、但是电动机的转速愈高，减速机的传动比就会愈大，会是减速机外部尺寸增加，提高制造成本。因此，在确定电动机转速时，应综合考虑，对比分析。在本设计中选用Y280S-2电动机，转速为750r/min，功率为75Kw。7.2减速器的选择减速器是用于原动机和工作机之间独立的闭式传动装置，其主要功能是降低转速，并相应增大扭矩。由于搅拌轴转速大多在30600r/min范围内，小于电动机额定转速，故在电动机出口端大多需要设置减速器。在众多减速器品种中，搅拌设备应用最多的是立式结构，其结构和技术性能也与普通减速器有所不同。这是因为搅拌设备用减速机必须能够适用与各种化学工业环境的工艺要求，同时能够承担各种不同搅拌操
20、作过程产生的工作负荷和稳定问题，而且在体积上也是要求尽量小地占用空间。目前，我国釜用立式减速器通常有两级齿轮减速器、摆线针齿行星减速器、三角皮带减速器和V带减速器。本设计选用两级齿轮减速器，其主要特点是效率高，工作耐久，维护简便。由文献知，圆柱齿轮减速机的效率为0.980.995,取两级齿轮减速器的效率为96%，减速器的输出功率为：因，故符合搅拌要求。减速器型号：LC250-6该减速器的安装尺寸及外形见减速机的安装尺寸表。表5-2减速机的安装尺寸表机型号中心距a/mm轴径d/mm轴承间距GFLC250250100m630480 表5-3减速机外型尺寸表725920598290168321081
21、9732398863/883机型号外形尺寸LC25047052058012-22288190机型号外形尺寸LC2501702-M12289070125207.3轴封的选择轴封即搅拌设备传动轴的密封装置，是搅拌设备的一个重要组成部分。其功能是保证搅拌设备内处于一定的正压或真空状态。阻止和减少工作介质向外泄漏以及外界杂质进入内部工作系统。由于使用环境的特殊性，不是所有的动密封装置都适用搅拌设备。搅拌设备常用的轴封结构有液封、填料密封和机械密封等三种型式。反应釜中应用的轴封结构主要有两大类，填料箱密封和机械密封。考虑到釜内的物料具有易燃性和一定的腐蚀性，因此选用机械密封。机械轴封是一种功耗小，泄露率
22、低，密封性能可靠，使用寿命长的转轴密封。主要用于腐蚀、易燃、易爆、剧毒及带有固体颗粒的介质中工作的有压和真空设备。根据本设计的搅拌设备的参数、搅拌速度、传动轴径。查表选用HG/T2098釜用机密系列中的206，其结构特征：系列代号结构特征压力/MPa轴径/mm温度/转速/m/s206双端面、小弹簧小于1.640220小于150小于3图5-2 釜用206型机械密封结构表5-6釜用机械密封的主要尺寸 轴径dD螺柱孔封液进出口n100240210176818160280G1/2八、 反应装置的附件选型以及尺寸设计8.1 管法兰尺寸的设计化工容器及设备，往往由于工艺操作等原因，在筒体和封头上需要开一些
23、各种用途的孔以及接管口。工艺接管配用的突面板式平焊管法兰的结构如图。由文献3表12-149得并根据和接管的，由板式平焊管法兰标准（HG20592）确定法兰的尺寸。管法兰的尺寸见表6-1。 表6-1 板式平焊管法兰的尺寸（HG20592） mm接管名称公称直径接管外径连 接 尺 寸法兰厚度密封面法兰内径坡口宽度 厚度安全阀接口、蒸汽接口253210075114101458233工艺物料进口5057140110144121688259水进口5057140110144121688259温度计接口20021932028018816222542222备用口100108210170184161814421
24、10水出口5057140110144121688259物料出口45501301001241216802598.2釜体法兰联接结构的设计设计内容包括：法兰的设计、密封面形式的选型、垫片设计、螺栓和螺母的设计。8.2.1 法兰的设计 (1)根据3000mm、1.1，由文献1327页表16-9确定法兰的类型为甲型平焊法兰。标记：法兰F3000-1.1 JB/T4701材料：16MnR（2）法兰的结构和主要尺寸如图63 如表64图63 甲型平焊法兰表64 法兰结构尺寸公称直径DN/法兰/螺栓规格数量30003230319031003050301015050M30648.2.2 密封面形式的选型根据1.
25、11.6、介质温度55和介质的性质，由压力容器与化工设备实用手册知密封面形式为光滑面。8.2.3 垫片的设计查表得垫片选用耐油橡胶石棉垫片，材料为耐油橡胶石棉板（GB/T539），结构及尺寸见图64 。图6-4 垫片的结构8.2.4 螺栓、螺母和垫圈的尺寸规格本设计选用六角头螺栓（C级、GB/T5780-2000）、型六角螺母（C级、GB/T41-2000）平垫圈（100HV、GB/T95-2002）螺栓长度的计算：螺栓的长度由法兰的厚度（）、垫片的厚度（）、螺母的厚度（）、垫圈厚度（）、螺栓伸出长度确定。其中=60、=2、=30、=34、螺栓伸出长度取=0.327.7螺栓的长度为：=169（
26、）取170螺栓标记： GB/T5780-2000 螺母标记： GB/T41-2000 垫圈标记： GB/T95-2002 24-100HV 8.3人孔的选用人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。根据容器使用条件不同，人孔盖开启的频率也不一样，因此人孔又可分为快开式和非快开式两类结构需要经常启闭的人孔，采用快开式机构。这类人孔开启虽然快捷，但有的承压能力较低（如旋柄式快开人孔只用于常压或0.25MPa），有的加工复杂（如采用活节螺栓的快开人孔），因此，不经常开启的人孔，不宜用快开式结构。在飞快开式人孔中，根据容器的形状（球形或圆柱形）、形式（卧式或立式）人孔安装位置的不同，从方便
27、检查考虑，设计了3种不同德人孔盖开启方式，即回转盖人孔，垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔。设备的直径大于900mm，应开设人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两种。圆形人孔制造方便。应用较为广泛。人孔的大小及位置应以人进出设备方便为原则，对于反应釜，还要考虑搅拌器的尺寸，一便搅拌轴及搅拌器能通过人孔放入罐体内。本设备公称直径，故应开设人孔，根据工作压力、操作温度等要求，选用最高工作压力为1MPa的水平吊盖板式平焊法兰人孔，公称直径DN=400mm,并设在上封头上。该人孔的标记：HG21522-95 人孔 RF400-0.6水平吊盖板式平焊法兰人孔结构简图见下图：图6-5 水平吊盖板式平焊法兰人孔结构简图结
28、束语在本次的课程设计中，我更加熟悉了聚合物反应釜设计的基本内容，对聚合物有了更进一步的了解，对以后的学习和工作都有很大的帮助。在设计的过程中，我们不断的发现问题，解决问题，才明白原来自己所学的知识是如此的肤浅。这次设计中，我更加的认真查阅资料，锻炼了自己对资料的查阅能力，通过查资料丰富了自己的知识面，掌握了更好的知识。设计中对资料查阅的需求，更大程度上拓宽了自己的知识领域。通过设计，使所学的理论知识和实际工业生产有了对比和联系，也为自己未来的工作和学习打下了良好的基础。 在老师的悉心教导和同学的合作帮助下，我顺利的完成了设计，通过本次设计，我收获了很多，对所学内容有了更深刻的了解和认识。参考文献 1贺匡国.化工容器及设备简明设计手册.化学工业出版社，20022史子瑾聚合反应工程基础.化学工业出版社，20083 陈呁.聚合物合成工艺设计. 北京：化学工业出版社，20044 杨祖荣，刘丽英，刘伟.化工原理.北京：化学工业出版社，20045 魏崇光、郑晓梅，化工工程制图M，北京：化学工业出版社，1994，36 巨勇智、勒士兰，过程设备机械基础M，北京：国防工业出版社，2005，47 朱有庭、曲文海、于浦义，化工设备设计手册M，北京：化学工业出版社，2006，58 汤善甫、朱思明,化工设备机械基础M，上海：华东理工大学出版社，2004，12
