全国化工大赛-陕鼓杯-中石化镇海炼化年产1.2万吨叔丁胺和1.8万吨聚异丁烯项目 附录6 异丁烯聚合振荡流反应器说明.docx

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2018年“东华科技-陕鼓杯”

第十二届全国大学生化工设计竞赛

中石化镇海炼化分公司

年产1.2万吨叔丁胺和1.8万吨聚异丁烯项目

振荡流反应器设计

ZJUC.E.O团队

叶骐瑜陈宁洁方譽錡俞彬彬李锦秀

指导老师：胡晓萍

目录

TOC\o1-3\h\z\u1聚合反应设计要求 1

2催化体系的选择 2

3聚合反应动力学的说明 3

4振荡流反应器（OFR）说明 4

5反应器流股进出信息 5

6反应器设计条件 6

6.1反应温度 6

6.2反应压力 6

6.3催化剂的用量 6

6.4反应器停留时间 7

7管式振荡流反应器的具体设计 7

7.1机理条件的确定 7

7.2反应器物理结构的确定 10

7.3振荡泵机理参数确定 14

7.4换热结构 15

7.5反应器小结表 16

1聚合反应设计要求

聚异丁烯的产品质量控制主要体现在两个方面：一是聚合物分子量的控制，二是聚合物分子量分布的控制。异丁烯阳离子聚合的分子量强烈地依赖于反应温度，控制分子量的主要方式是精确控制反应温度进行，其次是通过调节催化剂用量以及单体浓度来进一步控制分子量；分子量分布主要由采用的催化剂以及催化剂与反应温度在反应器中的均匀性决定。

本项目所需要制取的是中分子量的聚异丁烯，在如今市场上，除了BASF几乎很难做出窄分子量分布的聚合物，主要原因还是无法精确的控制温度与催化剂的均匀性，以及在聚合釜中容易产生滞留区，尽管停留时间分布的对分子量分布的影响不大，但滞留区与旁路流区在一定程度上还是会造成分子量分布变宽。

如下，以现今工厂所用来制备聚异丁烯的反应釜的形式为例：

图1多层双功能组合式涡轮搅拌器

尽管使用涡轮式的组合式搅拌桨，并采用双层鼠笼式冷却管，具有高剪切力，可以将气相催化剂切散，将传热速率控制在一定范围内，但是可以分析看出，釜中流体在鼠笼式的冷却管间流动较差，并且与催化剂混合不是很均匀。若在冷却管间及冷却管与壁面的凹处存在一个气液平衡的气泡区，易造成局部催化剂浓度过高，降低聚合物的分子量，分子量分布变宽，且由于反应釜的径向尺寸较大，明显的会存在一个径向的温度分布，造成分子量分布的不均。

为了能更好的控制温度，并且令催化剂与反应体系更好地混合，我们考虑到使用管式振荡流反应器来控制温度，并更好地达到催化剂均匀分布的目的，从而提高产品质量，降低分子量分布。

我们希望能够生产出分子量分布窄的中分子量（数均分子量1万到4.5万，粘均分子量1万到10万）的聚异丁烯，使用选择数均分子量为3.5万左右、粘均分子量为6到7万左右的聚异丁烯为我们的产品，并且异丁烯原料的利用率要尽可能高，并以此为反应器的设计要求。

2催化体系的选择

三氟化硼引发体系

硼系复合催化体系是合成PIB最经典的催化体系，一般以BF3为主催化剂，根据其配合物不同，组成的硼系复合催化剂体系也不同，适应的原料也不同。硼系引发体系催化IB聚合的聚合方法基本相同，其区别在于溶剂和共引发剂的选择及加料方式不同。

英国石油(BP)化学品有限公司早于上世纪80年代以含有1-烯烃的原料采用阳离子液相聚合工艺，采用BF3-乙醇n(BF3)：n(乙醇)=0.5：1～1：1复合催化剂，在-100～50°C的温度下，原料烃呈气相压力下，进行聚合反应，聚合接触时间至少8min，得到聚合物的数均分子量是955，端基不饱和键含量达到75%以上。

Exxon公司早于上世纪80年代末就利用至少含10%异丁烯的C4原料，在以BF3为主催化剂，醇或羧酸或酸酐等或其混合物作催化促进剂的催化体系，采用液相阳离子聚合反应，合成了端基双键大于40%，数均分子量500～5000的PIB。该反应的聚合反应时间是15～30min，异丁烯转化率75%～99%。其原料组成一般为：1-丁烯10%～40%，2-丁烯10%～40%，异丁烷40%～60%，n-丁烯4%～10%，大于0.5%的丁二烯。

2001年北京化工大学吴一弦教授研究开发的一种用于制备反应活性PIB的引发体系，是由含有BF3和配体组成，其配体为含有羰基或酯基结构的有机化合物，配体与BF3的摩尔比为0.5～3.0。适用于聚合的原料为异丁烯、异丁烯的烃类混合物或含有异丁烯的混合轻C4馏分。研究指出，引发体系不但能提高聚合产物中末端双键含量，增加PIB的反应活性