年产3000吨环氧树脂车间工艺设计 蔡成云2.doc

1、西北农林科技大学植保学院毕业设计说明书目 录前 言41.1产品介绍41.2、生产工艺41.2.1一步法工艺51.2.2二步法工艺51.3、主要原材料5第2章 初步工艺流程设计72.1 工艺流程框图：72.2工艺流程：8第3章 物料衡算93.1 计算条件与数据理：93.2 原料用量计算：103.3 缩合工段物料衡算：103.3.1 一次反应：103.3.3回收过量环氧氯丙烷：124.3.4 环氧树脂收集：13第4章 热量衡算144.1计算依据：144.2 常用热力学数据计：164.3缩合工段热量衡算：174.3.1溶解岗位：174.3.2 反应岗位：17第5章 设备选型205.1计算条件确定20

2、5.1.1 操作工时与生产周期的确定：205.1.2 日生产批次和反应釜个数的确定：205.2 缩合工段反应岗位的设备选型：215.2.1物料体积计算：215.2.2反应釜的选型：215.2.3校核传热面积：225.3 其它设备的选型24第6章 厂区布置和车间布置设计266.1工厂设计的内容与规范：266.2 厂址的选择：276.3 车间的布置：276.3.1 辅助生产和行政-生活布置：276.3.2 厂房的布局：276.3.3 厂房的长、宽、高和层数确定：286.3.4 厂房内布置：28第7章“三废”处理及其综合利用298.1 废水的处理：298.2 套用和回收利用：29第8章 环氧树脂安全

3、生产和环境保护308.1环氧树脂安全生产和环境保护的重要性308.2环氧树脂生产安全注意事项与劳动保护措施308.2.1环氧树脂生产原料安全毒性308.2.2环氧树脂生产中劳动保护注意事项318.2.3环境保护措施31致谢32参考文献33年产3000吨环氧树脂车间工艺设计 蔡成云摘 要：环氧树脂生产工艺一般分为一步法和二步法。目前低分子量液体环氧树脂和中分子量固体环氧树脂，一般都采用一步法工艺；高分子量环氧树脂采用二步法。二步法工艺的优点：与一步法相比，它具有生产工艺简单、设备少、工时短、无三废排放和产品质量易调节控制等优点。以双酚A（BPA）为主要原材料，合成的环氧树脂称为双酚A（BPA）型

4、环氧树脂，是目前产量最大、用途最广的环氧树脂，由于它的应用遍及国民经济的众多领域，因此又称为通用型环氧树脂。它属于缩水甘油醚型。本文介绍了年产3000吨的环氧树脂的车间设计，从技术、工程经济、生产管理等方面进行了详细的论述，内容主要包括：设计依据，工艺路线论证，工艺流程设计，全流程物料衡算，全流程能量衡算，工艺设备选型与计算，车间布置设计，三废处理及其综合利用，劳动组织，劳动保护与安全生产，工程经济，工艺细节改进设计等内容。关键词：环氧树脂；一步法；车间工艺设计Annual output of 3,000 tons of epoxy resin plant process design Cai

5、chengyunAbstract:Epoxy resin production process is generally divided into one-step and two-step. Present in low molecular weight solid epoxy resins and liquid epoxy resin, generally using one-step process; high molecular weight epoxy resin with two-step. The advantages of two-step process: with one

6、step, it has the production process was simple, small, short working hours, no waste emissions and product quality and easy to adjust control and so on. To bisphenol A (BPA) as the main raw material, known as bisphenol epoxy resin synthesized A (BPA) type epoxy resin is the output of the largest and

7、 most widely used epoxy resin, because of its application throughout the national economy many areas, so-called general epoxy resin. It is ether type. This article describes the annual output of 3,000 tons of epoxy resin of the plant design, technical, engineering economics, production management an

8、d other aspects are discussed in detail, mainly including: design basis, process line argument, process design, the whole process of material balance calculation, the whole process of energy balance, process equipment selection and calculation, workshop layout design, waste treatment and utilization

9、, labor organizations, labor protection and safety, engineering economics, technical details of the improved design and so on. KEY WORDS: Epoxy resin; one-step; workshop process design前 言1.1产品介绍分子中含2个或2个以上环氧基的高分子化合物。最常用的双酚A型环氧树脂含2个环氧基。化学名称：双酚A二缩水甘油醚英文名称：Diglycidyl ether of bis phenol A（缩写DGEBPA）环氧树脂

10、外观：无色透明液体环氧树脂用途：可用于金属与非金属的粘合剂，常用于生产环氧涂料，增强塑料或浇铸成绝缘制件等，也用于处理纺织品，起防皱、防缩、耐水等作用。低分子量的环氧树脂可用作PVC的稳定剂。在化工及许多行业，乃至尖端科学技术领域内已获得广泛应用。环氧树脂涂料主要用于金属保护涂层，如船舶、钢铁结构等，同时还可作为阳离子型电泳涂料的调漆料，大量用于汽车车身的底漆。环氧树脂特性：可燃物。 1.2、生产工艺 环氧树脂生产工艺一般分为一步法和二步法。目前低分子量液体环氧树脂和中分子量固体环氧树脂，一般都采用一步法工艺；高分子量环氧树脂采用二步法。1.2.1一步法工艺 把双酚A(BPA)和环氧氯丙烷(E

11、CH)在氢氧化钠作用下进行缩聚，即开环和闭环在同一反应条件下进行的工艺方法。周菊兴提出的工艺是：将配方量的双酚A和环氧氯丙烷在80下搅拌溶解，然后降温至，滴加30的NaOH。碱滴加完后保温反应一段时间，然后减压回收未反应的环氧氯丙烷。接着再次降温到5O，滴加l5 的NaOH，加完后保温反应。反应完毕，加入苯，升温溶解，然后静置水洗，上层的树脂苯溶液真空吸入脱水釜，残液再加苯萃取一次，弃去下层盐水溶液，萃取液仍吸入脱水釜。最后蒸出苯，得到清澈透明的树脂。此外还有一次加碱法 ，即将碱改成一次滴加完，然后再蒸馏未反应的环氧氯丙烷。这种方法工艺成熟，目前国内的E一44树脂多是采用这种工艺生产。1.2.

12、2二步法工艺Vogel Tomas 提出的工艺是：将双酚A、环氧氯丙烷，同时加入三苯基膦卤化物或三苯基膦作催化剂，升温使体系在40120发生醚化反应，生成氯醇醚。当羟基转化率达到80 90 后，在2O9O 以下一次性加入NaOH水溶液，进行闭环反应。然后，在减压下蒸尽环氧氯丙烷。加入有机溶剂，溶解粗产物，再加入水水洗至中性，静置分去水层，最后蒸馏除去苯，得到树脂产品。二步法也可以选择铵盐、胆碱作为催化剂 ,无机盐 ，含硫有机化合物 。考虑到价格因素，国内企业选用铵盐的居多。与一步法比较，二步法反应时间短，操作稳定，温度波动小，易于控制产生的三废少，质量稳定，产率高，可生产系列环氧树脂，对于国内

13、企业来说，对现有设备稍作改动就可以上马，是很经济的方法。该法最大的优点是将开环闭环分步进行，而且可以在无水条件下进行开环，尽可能的减少了副反应的发生。而且催化剂也有一定的选择性，可使产物量子多为线型结构，不易引起聚合反应。该法的缺点是从树脂中除去催化剂困难，而催化剂有一定的乳化作用，还对树脂的固化过程有影响，能缩短树脂的使用寿命，加大固化反应的放热量，因此要严格控制它的用量，并设法减少在树脂中的残留。但本设计由于产量低所以采用一步法。1.3、主要原材料1-1环氧树脂生产的主要原材料及规格原材料名称分子量M质量指标双酚A(BPA)228外观：白色粒状（或粉状）结晶体熔点：155.5色度号（铂钴）

14、：40环氧氯丙烷（ECH）92.5外观：无色透明液体 纯度wt：99.5密度（20）g/cm3：1.1801.184色度（Pt-Co）:15环氧树脂生产的主要原材料的性质：（1）BPA：白色片状或粒状晶体，不溶于水，能溶于醇、 醚、丙酮及碱性溶中，室温下微溶于甲苯、二甲苯，加温下溶解度急剧增加。（2）ECH：是一种易挥发、无色透明液体，有毒！对皮肤有灼伤作用，能严重刺激眼睛，具有和氯气相似的刺激性气味，有麻醉性，能溶解于醇、醚及甲苯中，微溶于水。比重.18，纯品沸点116.2。取样化验时，要取上层。（3）液碱：淡紫色液体，无机械杂质，强碱性，腐蚀性较强。（4）甲苯：无色有芳香性气味的易燃液体，

15、有毒！不溶于水，能溶于醇、醚和丙酮。比重0.866，纯品沸点110.28，取样化验时，要取下层。第2章 初步工艺流程设计2.1 工艺流程框图： 上一章已对工艺路线进行了选择，在此基础上全面而细致地分析了整个生产过程的组成和顺序如下图所示： 700C溶解双酚A 环氧氯丙烷反应 循环使用 NaOH 减压 环氧氯丙烷 溶解 苯 萃取反应 下层盐脚 NaOH 回流冷却静置过滤脱苯成品2.2工艺流程：1. 把双酚A投入溶解釜中，然后通过环氧氯丙烷，将夹套通水蒸气的温度加热升温到70OC左右。 2. 溶解后，用泵压入带搅拌的反应釜内，开始搅拌，并滴加碱液。控制反应温度为50-55OC，维持一定时间至反应结

16、束后，再在 100减压至94.661kPa，回收过量环氧氯丙烷供循环使用。3. 回收结束后再次加入苯溶解，在 65700C下再次加碱液，反应结束后用夹套水冷却，静置，把苯溶液抽吸到回流脱水釜内，下层的盐脚可以加苯萃取一两次，抽吸后放掉。4 在回流脱水釜内回流至蒸出的苯清晰天水珠为止。然后冷却，静置. 经过滤器至贮槽，沉降后抽人脱苯釜脱除苯，先常压无液温110OC以上开始减压至140-143OC无馏出液为止，放料，即得成品。第3章 物料衡算3.1 计算条件与数据理：1. 设每年生产300天，则每天的产量为：Md= 3000t300= 10t/d一天生产两批，则每批的产量为m=10t/2=5t2.

17、设以生产1t（1000kg）环氧树脂为基准原料单耗如下： 表3-1 原料单耗表原料名称投料比例环氧氯丙烷双酚A纯苯甲苯液体烧碱 (100%)557.3Kg687.5Kg235.2Kg277.5Kg240.9Kg3. 原料规格及产品质量标准如下：表 32 原料规格及产品质量标准表名称分子量净含含水分含惰性杂质环氧氯丙烷92.5298%0.2%1.8%双酚A228.2995%3%2%纯苯78.1196%0.2%3.8%甲苯92.1498.5%0.5%0.4%硫酸98.0888%0.5%11.5%液体烧碱40.0199.5%0.2%0.3%双酚A型环氧树脂332.0599%0.8%0.2%注：以上数

18、据除直接在工厂收集到的以外，其他参照中国化工医药产品大全(卷一，卷二)和。3.2 原料用量计算： 反应过程中的反应物纯量计算： 为了较好地把握全过程，先假设理想情况进行计算，即计算各反应物的纯量。这里所说的纯量是指既不包括反应物及产品中的杂质和反应物过量的量，不包括每步反应损失掉的产品量。这是一种理想情况，在后面的计算中将恢复到实际情况，考虑所含杂质的量、反应物过量的量，以及反应的收率等具体的问题并进行详细的计算。由原料单耗可得每批原料用量如下表：表33 原料用量表名称用量(Kg)环氧氯丙烷2843.4纯苯1225.0甲苯1408.6液体烧碱1210.6双酚A3472.23.3 缩合工段物料衡

19、算：3.3.1 一次反应：98%环氧氯丙烷95%双酚ANaOH苯 5环氧氯丙烷双酚A5反应釜 5 (1)对于输入物料分四股，分别如下：98%的环氧氯丙烷中：环氧氯丙烷：2843.4 98%=Kg 水：2843.3 0.2%=5.6866Kg不溶杂质：2843.3l.8%=51.18Kg 95%的双酚A中：双酚A：3472.295%=3298.59Kg 水：3472.2 3%=104.166Kg 不溶杂质：3472.22%=69.444Kg99.50%的NaOH中：NaOH：. 1210.699.5%=1204.547Kg 水：1210.60.2%=2.4212Kg 不溶杂质：. 1210.60

20、.3%=3.6318Kg96%的苯中： 苯：1408.696%=1352.26 Kg 水：1408.60.2%=2.8172Kg不溶杂质：1408.63.8%=53.53Kg(2)对于输出物料的计算如下：设缩合反应的转化率等于收率，即为95%，则：隋性杂质质量不变：51.18+69.44+3.63+53.53=177.78 Kg苯质量不变：1352.26Kg反应的总方程式如下： 228 942 332 37.52 3472.2 x y z由上反应方程式： x/942=y/332=z/37.52=3472.2/ 228可得：x=2266.57kg,y=5056.01kg,z=1142.17kg所

21、以反应后的各物料质量如下:双酚A: 3472.2(1-95%)= 173.61Kg环氧氯丙烷： 2701.23-2266.57=434.66Kg HCl： 1142.17Kg环氧树脂： Kg以上计算可得到下列物料平衡表表34缩合反应物料平衡表输入物料纯物质质量(Kg)输出物料质量(Kg)98%的环氧氯丙烷环氧氯丙烷2701.23环氧氯丙烷434.66水5.6868惰性杂质51.18双酚A173.695% 的双酚A双酚A3298.59水104.16环氧树脂5056.01惰性杂质69.4499.5%的NaOHNaOH1204.54苯1352.26水2.4212惰性杂质3.6318惰性杂质177.7

22、896%的苯苯1352.26水2.8172水115.09惰性杂质53.53HCl1142.17总计8849.498452.08 收率：95.5%3.3.3回收过量环氧氯丙烷：98%环氧氯丙烷 5冷却器 5反应釜所出物料5图 35 回收框图设冷却回收率为 97%：对于输入物料为一股：环氧氯丙烷：434.66 Kg对于输出物料为一股：环氧氯丙烷：434.6697%=421.62Kg由以上计算可得下列物料平衡表：输入物料纯物质质量(Kg)输出物料质量g)98% 的环氧氯丙烷环氧氯丙烷434.66环氧氯丙烷质421.62总计434.66421.62表 3-6回收物料平衡表收率：97%4.3.4 环氧树

23、脂收集：进出料框图如下： 99%的环氧树脂 下层盐脚 回收脱水釜99%的环氧树脂96%的苯 90%HCI 96%的苯 图37环氧树脂回收进出料框图出料分三股，设馏出液为 99%环氧树脂 (含 1%的水和杂质)，则： 99%的环氧树脂：环氧树脂：5056.0199%=5005.45 Kg 水：5056.01 0.8%=40.45 Kg杂质：5056.010.2%=10.11Kg 苯：1352.2696%=1298.17Kg 水：1352.260.2%=2.70Kg残余杂质：1352.263.8%=51.38KgHCl：1142.1790%= 1027.95Kg水：1142.177%=79.95K

24、g杂质：1142.173%=34.26Kg 水：40.45+2.70+79.95=123.1kg杂质：10.11+51.38+34.26=95.75Kg回收后：环氧树脂：5005.45kg由以上计算可得下列物料平衡表输入物料质量（Kg）输出物料纯物质质量（Kg）环氧树脂5056.01成品环氧树脂5005.4苯1352.26HCl1027.95HCl1142.17苯1298.17水123.1水123.1残余杂质95.75残余杂质95.75合计7769.29合计7550.37表38 环氧树脂回收物料平衡表收率：97%第4章 热量衡算4.1计算依据：1.主要依据能量守恒定律能衡是能量衡算的结果为基础

25、进行的，还必须收集有关物料的热力学数据 (例如比热容、反应热、相变热等)2.重要符号： Cp定压比热容 KJ/ (Kg，OC) Cs固体的比热容KJ/ (Kg,0C) Q-热量KJ3.主要公式：(1) Q1+ Q2+ Q3=Q4+Q5+Q6 (5-1) 式中 Q1-一物料带入到设备的热量 KJ Q2加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量 KJ Q3过程热效应 KJ Q4一一物料离开设备所带走的热量 KJ Q5加热和冷却设备所消耗的热量 KJ Q6设备向环境散失的热量 KJ （2）qr =qf （5-2） qr =qc （5-3）式中 qr-标准反应热 qf-标准生成热 qc-标准燃烧热 -化

26、学计量数， 生成物为正，反应物为负（3）qr（t）= qr o-（t-25）CP （5-4）式中：qr（t）-任意温度t下的反应热KJ/molqr o -标准反应热 KJ/molt-任意温度0C(4) 化合物的比热容C=（1/M）nCa （5-5）式中：M化合物的分子量 n分子中同种元素原子数 Ca元素的原子比热容（5）有机化合物的标准燃烧热与该化合物完全燃烧所需的氧原子数成直线关系，即 q c =a+xb （5-6）式中： a、b-常数，与化合物结构有关 x化合物完全燃烧时所需的氧原子数（6）qro =-qf0KJ/mol （5-7）式中： 反应方程式中各物质的化学计量系数，反应物为负，生成

27、 物为正(7)间接蒸汽加热的蒸汽消耗量： D= Q2/ H-C (T-273) (5-8)式中: D-加热蒸汽消耗量 Kg Q2由加热蒸汽传给所处理物料及设备的热量 KJ H水蒸汽的热焓 KJ/Kg C冷凝水的比热容，可取 4.l8KJ/(KgK) T冷凝水的温度 Kg热利用率，保温设备取 0.97-0.98，不保温设备取 0.93-0.95(8)W = Q2/C (TK-TH) (5-9)式中:W冷却剂的消耗量 Kg C冷却剂的平均比热容 KJ/(Kg)K) TK -冷却剂的最终温度 K TH冷却剂的最初温度 K(9)Q2 =KAttm （5-10） 式中：Q2-加热剂或冷却剂传给设备和所处

28、理物料的热量 K总传热面积 t反应时间 tm-平均推动力4.2 常用热力学数据计：1. 比热容：液体的比热容由药厂反应设备及车间工艺设计（蒋作良） P208表6-4求液体的比热容和P209公式6-17求固体化合物的比热容。计算如下：求双酚A的比热容(M =228g/mol)： C=(1/228(67.535+49.628+ 125.953+125.953+216.74) = 0.74KJ/(Kg.0C ) CP = 16910-3KJ/ mo1.0C求NaOH的比热容 (M=39.995 g/mol)：C= (1/ 39.995)(25.953+16.74+ 9.628)= 1.308KJ/(

29、Kg.0C ) CP = 52.32110-3 KJ/mo1.0C求苯的比热容 (M=77g/mol): C= (1/77)(87.535+79.628+125.953) = 1.99KJ/Kg.0C) =153.6310-3KJ/ mo1.0C求环氧氯丙烷的比热容 (M=92.52g/mol)： C= (1/92.52)(41.7+28.3+44) = 1.23KJ/(Kg.0C ) CP = 11410-3KJ/mol .OC求水的比热容 (M=18 g/mol)： C=4.2KJ/（Kg）Cp=75.610-3KJ/mol求甲苯的比热容(M=80g/mol)C= (1/80)(125.9

30、53+17.535+125.953) = 0.743KJ/mol.OC CP=59.4410-3 KJ/ mo1.0C求硫酸的比热容：C=（137.535+89.628+25.95316.74+25.953）/229.5=1.062 KJ/(Kg.OC)CP=238.62510-3 KJ/ mo1.0C2. 汽化热：查化工原理（陈敏恒）附录可得： 苯：1gH=202Kcal/mol=845.73Kj/Kg 水：1gH=539 Kcal/mol=2256.69 Kj/Kg 甲苯：1gH=363 Kj/Kg3.溶解热和反应热：由于这两种过程热计算较为复杂，故把它放在后面根据具体需要进行计算。4.3

31、缩合工段热量衡算：4.3.1溶解岗位：投入原料以后温度从25 OC升至70 OC溶解；Q1+ Q2+ Q3=Q4+Q5+Q6 由于此处设备为搪玻璃开式搅拌器，外围夹套，反应过程中Q3、Q5、Q6忽略不计。 Q1=Mcpt=2280.7425+92.521.2325=7062.99Kj Q4=Mcpt=2280.74（70-25）+92.521.23（70-25）=15538.6Kj则Q2=Q4-Q1=15538.6-7062.99=8475.6Kj则加热所需的水蒸气量为D=Q2/（H-CpTk）其中 H=2261.425KJ/Kg Cp=4.1868 KJ/Kg 每天生产两个批次D=8475.

32、6/（2261.425-1004.1868）2=2.99Kg4.3.2 反应岗位： 温度 70 oCoC 保持50 oC 2h 水降温 25 oC 保持温度反应2h 20 oC 时间 h 解 51 络合反应温度变化图如上图所示反应中温度的变化分为4个阶段，其中在50oC-25 oC这一段要用冰盐水降温，由于冰盐水的制迨成本较高，所以应回收利用，这里把其用量作为计算重点，所以进行计算。 初始温度为 50oC，末态温度为 25 oC，故Q3=0 (1)求Q1： 对于环氧氯丙烷：Q1A =92.521.23(-25+50)=2844.99KJ 对于氢氧化钠：QlB =40l.308(-25+50)=

33、1308 KJ 对于双酚 A：QlC =2280.74(-25+50)= 4218KJ 对于苯：Q1D =77l.99(-25+50)= 3830.75KJ 对于水：Q1E= 184.2(-25+50)=1890Kj = 59782.04 KJ Q1=- Q1A +Q1B+Q1C +Q1D +Q1E =14091.74KJ (2)求Q4.,Q5，Q6： 因为末态温度与基准温度相同 所以Q4=0，Q5=Q6=0(与环境温度相差不大)(3)求Q2： Q2=-Q1=-14091.74KJ(4)求冰盐水的用量： 取 Q2的绝对值，则： W=Q2/ C (Tk-Th)取冰盐水的平均比热容:C=4.0 K

34、J/(Kg.OC), Tk =0 , Th -10则每天消耗的冰盐水：W=14091.74KJ/4.00-(-10)= 352.3Kg1. 保温反应 2h阶段： 基准温度为 25，初态温度和末态温度均为 25又因为 Q5+Q6=5%(Q4+Q5+Q6)，所以Q5=0，Q6=0(1)标准燃烧热与生成热的换算：qf0+qc0 =nqc0求qf 0（标准生成热KJ/mol）A.求双酚A的qc X=11.5a=390.2 b=215.37q c=390.2+11.5215.37=2866.96KJ/molB.环氧氯丙烷的qc X=19.5q c=20.51+19.5218.3=4277.36KJ/mo

35、l（2）求Q3：反应方程式如下：Cp 169 114 52.32 238.6258 59.4441 75.6单位：10-3 KJ/ mo1.0Cqr0 =77.53-（-169-114-52.32+238.625+59.441+75.60）510-3 =77.526KJ/molQ3=77.526126.63100095%/157.5=59214.36KJ（3）求Q2:Q2=Q4+Q5+Q6+Q1-Q3=-59214.36KJ(4)球冰盐水的用量：取Q2的绝对值，则：W=Q2/C(Tk-Th) (4-14)取冰盐水的平均比热容：C=4.0 KJ/ （Kg.0C），Tk=00C ，Th=100C

36、则每天消耗的盐水：W=59214.36KJ/4.00-(-10)=1480.36Kg 第5章 设备选型 5.1计算条件确定5.1.1 操作工时与生产周期的确定：工 段工序操作工时（h）缩合备料投料（环氧氯丙烷、双酚A1.00自然升温1.00保温2.00回收过量环氧氯丙烷1.00处理降温0.75苯回收2.00环氧树脂回收1.00处理产品1.005.1.2 日生产批次和反应釜个数的确定：根据所给年产量确定每天生产的吨数，由于日产量较大应采用一日多批量生产，若采用多个反应釜进行生产，设备成本将大大提高，在节省开支及时间等因素的考虑下，应采用连续式操作，每天生产4批共两套设备。5.2 缩合工段反应岗位的设备选型：5.2.1