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1、 毕业论文产1500吨双酚A型环氧树脂的工艺设计摘要：本设计采用一步法工艺生产双酚A型环氧树脂，即把环氧氯丙烷和双酚A在催化剂氢氧化钠作用下进行缩合，是在同一条件下进行开环和闭环反应的生产工艺，得到的是低分子量的液态环氧树脂。本文从合成工艺、生产技术、车间布置、环境保护等方面对年产1500吨的双酚A型环氧树脂进行了详细的设计与计算，设计内容主要包括：工艺流程设计，工艺路线选择，生产过程物料衡算与能量衡算，工艺设备的选型与计算，车间布置设计，三废处理及其综合利用等。关键词：双酚A型环氧树脂；一步法；工艺设计iiAnnual output 1,500 Tons Bisphenol A Epoxyr
2、es in Process DesignAbstract：The design uses a one-step process to produce bisphenol A epoxy resins,epichlorohydrin and bisphenol A that is under the effect of sodium hydroxide condensation catalyst,the production process is performed open-loop and closed-loop response under the same conditions,the
3、obtained low molecular weight epoxy resin is a liquid. From the aspects of the synthesis process,production technology,plant layou,and environmental protection on the annual output of 1,500 tons bisphenol A resin detail design and calculation,design should include： process design,process route selec
4、tion,production process material balance and energy balance,Selection and calculation of process equipment,plant layout design,waste treatment and comprehensive utilization.KEY WORDS： BisphenolAepoxyresins ; One-step; Workshop process designiii中文摘要英文摘要 目录1引言31.1环氧树脂发展史31.2双酚A型环氧树脂的特点和用途31.3双酚A型环氧树脂生
5、产原料31.3.1环氧树脂生产的主要原材料及规格3表1.1环氧树脂的主要原材料及规格31.3.2环氧树脂生产的主要原材料的性质31.4双酚A型环氧树脂合成方法31.4.1合成原理31.4.2合成方法32工艺流程设计32.1 工艺流程框图32.2工艺流程叙述33物料衡算33.1 计算条件与数据理33.2环氧树脂收集33.3缩合工段物料衡算：33.4回收过量环氧氯丙烷34热量衡算34.1对溶解釜进行热量衡算34.1.1溶解阶段34.1.2冷却阶段34.1.3反应阶段34.2 脱苯所需热量计算34.3 脱苯用冷凝器冷却水用量计算35 设备选型35.1反应釜的设计35.1.1选材35.1.2确定参数3
6、5.1.3计算筒体厚度35.1.4计算封头厚度35.1.5校核筒体和封头的水压试验强度35.1.6法兰的选取35.1.7夹套的设计35.1.8接管的设计35.1.9搅拌器的设计35.2 脱苯用冷凝器的设计35.2.1定性温度35.2.2平均温度下的物性数据35.2.3平均传热温差35.2.4冷却液用量35.2.5管程传热系数35.2.6壳程传热系数35.2.7传热面积35.2.8工艺结构尺寸35.2.9传热管排列和分程方法35.2.10壳体内径35.2.11接管35.3换热器核算35.3.1壳程对流传热系数核算35.3.2管程对流传热系数核算35.3.3传热系数K35.3.4传热面积35.3.
7、5管程流动阻力35.3.6壳程阻力36工厂布置设计36.1工厂设计的内容与规范36.2 厂址选择的依据和原则36.3车间的布置36.3.1车间设备布置36.3.2 车间设备平面布置36.3.3 车间设备立面布置36.4给水、排水系统36.5电力供应及生产控制36.5.1电力供应36.5.2原料及产品的贮运36.5.3分析检验室、维修室37三废处理及其综合利用37.1废水的处理37.2回收利用37.3废渣的处理37.4噪声38环氧树脂安全生产和相应的环境保护38.1环氧树脂安全生产和环境保护的重要性38.2环氧树脂生产安全注意事项与相应劳动保护措施38.2.1环氧树脂生产原料的毒性38.2.2环
8、氧树脂生产中劳动保护注意事项38.2.3环境保护措施38.2.4绿化概况38.2.5劳动安全、工业卫生与消防3v南华大学化学化工学院毕业设计 1引言1.1环氧树脂发展史分子中含有两个或更多个环氧基团的树脂即为环氧树脂，它从发明到规模化生产经历了相当长的时间。早在十九世纪后期的1891年，德国人Lindmann就曾经把环氧氯丙烷和对苯二酚反应，缩聚成树脂并用酸酐使其得到固化，但其使用价值并没有被及时发现。到了二十世纪前期，一直没有人进行进一步的研究，当瑞士人Pierre Castan和美国人S.O.Greenlee对合成环氧树脂进行进一步研究的时候已经到了1930年，在之后的1934年， Sch
9、lack把含有一个以上的环氧基团的化合物用胺类化合物聚合成高分子，并在德国公开发表专利。到了 1938年，瑞士Pierre castan和美国的S.O.Greenlee发表的专利，可以看出，他们已经发现双酚A和环氧氯丙烷经过缩聚反应可以产生环氧树脂，再加入有机胺或邻苯二甲酸盐就可以使树脂固化，并且它表现出优异的粘附性能。这些发现促使美国的De Voe-Raynolds公司在1947年首次在工业中开始了环氧树脂的生产。瑞士CIBA公司，美国的Shell公司以及De Chemical公司也开始了环氧树脂的工业化生产，并在此基础上进行进一步的开发和应用工作。环氧树脂在浇铸，防腐蚀涂料，金属粘合剂，电
10、绝缘性的应用等领域等都在1950取得了突破。环氧树脂作为一个行业蓬勃发展。我国从1958才开始对环氧树脂进行研究，但很快就投入了生产。在当前，双酚A型环氧树脂的产量占到了环氧树脂总产量的85%以上。1.2双酚A型环氧树脂的特点和用途 双酚A型环氧树脂是由双酚A和环氧氯丙烷在碱性条件下经过缩合，经水洗、脱溶剂精制成的高分子化合物。通常根据环氧树脂分子量的高低，把它分为超高分子量树脂（M10万45万），高分子量树脂（M14008000），中等分子量树脂（M400-1400）和低分子量树脂（M400）。双酚A型环氧树脂的性能，随分子量的升高也表现出一定的变化规律。规律如下：分子量上升、环氧值降低、
11、软化点上升、 固化物硬度下降、羟基含量上升、固化物柔韧性增强、固化温度上升环氧树脂的固化在不同分子量时期主要作用的基团是不同的，在低分子量时主要是通过环氧基的反应，当随着分子量的逐渐增大时，羟基的作用逐渐增大，而环氧基的作用明显减小，所以超高分子量的环氧树脂不需要借助固化剂便可以形成坚韧的涂膜。 因为环氧树脂被称为人工橡胶，其制品具有良好的物理机械性能、电气绝缘性能等、耐化学药品性，故广泛应用于涂料、玻璃钢、胶黏剂、灌封、电子浇铸、层压板、包装等领域。1.3双酚A型环氧树脂生产原料1.3.1环氧树脂生产的主要原材料及规格表1.1环氧树脂的主要原材料及规格双酚A(BPA)228.29外观：白色粒
12、状（或粉状）结晶体熔点：155.5密度：1.195g/环氧氯丙烷（ECH） 92.52外观：无色透明液体 纯度：99.5 wt密度（20）：1.1801.184 g/沸点：117.9苯 78.11纯度：99.5 wt馏程：109112密度：0.8620.868g/沸点：80氢氧化钠 NaOH40.01Fe2O3含量：0.003 wt密度：2.13g/ 1.3.2环氧树脂生产的主要原材料的性质 1.双酚A：白色片状或粒状的晶体,有毒，室温下轻微溶于苯、甲苯、二甲苯，溶解度随温度增加急剧增加,不溶于水，溶于醚、醇、丙酮和碱性溶剂。 2.环氧氯丙烷：有仿氯气味，无色，有毒，不稳定，对眼睛有强烈的刺激
13、，有麻醉性有潜在致癌性，微溶于水，可溶解于醚、醇及甲苯中。取样化验时，要取上层。 3.氢氧化钠：白色半透明的晶状固态，具有强碱性，易溶于水，腐蚀性较强。 4.苯：无色有甜味的透明液体，难溶于水，但是一种良好的有机溶剂，溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强。1.4双酚A型环氧树脂合成方法1.4.1合成原理双酚A型环氧树脂是在碱性催化剂(通常用NaoH)作用下由环氧氯丙烷和双酚A经缩合而成，反应历程在学术界还没有统一的认识。但其合成反应大体如下： 1.开环反应：双酚A的羟基和环氧氯丙烷在碱的催化下，环氧基发生反应，生成端基为氯化羟基的化合物。2.闭环反应：氯化羟基和Na0H发生反应，之后脱
14、HCl形成环氧基。3.开环反应：新生成的环氧基和双酚A的羟基发生反应生成具有端羟基的化合物。 4.开环反应：端羟基化合物和环氧氯丙烷进一步反应生成具有端氯化羟基的化合物。 5.闭环反应：生成的氯化羟基再NaOH反应，然后脱HCl生成环氧基。在环氧氯丙烷过量情况下，连续进行上述开环一闭环反应，最终即可得到端基为环氧基的双酚A型环氧树脂。由于双酚A型环氧树脂的反应历程较复杂，学术界尚有争论上述反应是缩聚过程中可能的主要反应。此外还可能有一些不可避免的副反应，如酚羟基与环氧基的反常加成反应和环氧基的水解反映等。若反应条件得到严格的控制(如投料配比、NaoH用量及投料快慢、反应过程的温度、加料顺序、原
15、料纯度等等)，副反应即可受到控制，就可获得预定相对分子质量的线型双酚A型环氧树脂。投料时调节双酚A与环氧氯丙烷的用量比，就可以制得平均相对分子质量不同的环氧树脂。1.4.2合成方法 液态双酚A型环氧树脂合成方法归纳起有两种：一步法和两步法。一步法可分为一次加碱法和二次加碱法；二步法可分为间歇法和连续法。 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采用一步法工艺；高分子量环氧树脂采用两步法。二步法工艺的优点：与一步法相比，它具有设备少、生产工艺简单、无三废排放、工时短、产品质量易调控等优点。但本设计产量低仍采用一步法。2工艺流程设计2.1 工艺流程框图 溶 解 双酚A 环氧氯丙烷 反 应
16、 循环使用 NaOH 减 压 环氧氯丙烷 溶 解 苯 反 应 NaOH 冷却 洗涤过 滤脱 苯 产品 图2.1工艺流程框图2.2工艺流程叙述 1.在带有搅拌装置的反应釜内加入双酚A与环氧氯丙烷，升温到70,保温30分钟,使双酚A溶解,然后冷却降温到50,于50-55下滴加第一批NaOH溶液,约4小时加完,然后升温到55-60,并保温4小时,使之充分反应. 2.减压蒸馏回收还未反应的环氧氯丙烷,约2小时. 3.使反应物冷却到65一下,加入苯,同时滴加第二批NaOH溶液,1小时内滴加完,反应在65-70保温3小时. 4.反应物冷却到40以下时放入分离器中用热水洗涤,分出水层,直到环氧树脂的苯溶液透
17、明,环氧树脂溶液经过过滤器过滤进入储槽再去精制釜精制. 5.先常压蒸馏,然后减压蒸馏,蒸出苯,蒸出的苯经过冷凝器进入苯回收器,树脂经过过滤器过滤进入储槽,得到产品. 生产周期约16小时 3物料衡算 3.1 计算条件与数据理1）假设每年生产300天，则每天的产量为：Md=1500300= 5t/d 一天生产一批，分两釜进行，则每釜的产量为m =5/2=2.5t2） 原料单耗如下： 表3.1 工艺配方原料名称 用量 （mol） 用量（w）双酚A1 502环氧氯丙烷2.75 565苯1.20 224氢氧化钠2.42 2133.2环氧树脂收集进出料框图如下： 脱苯 过滤 分离洗涤环氧树脂苯NaCl 9
18、9%环氧树脂水少量的碱和盐 水及少量的碱和盐 杂质 回收苯 图3.1环氧树脂回收进出料框图设环氧树脂的收率为95%，最后得到的是99%的环氧树脂99%的环氧树脂产品：2500.00Kg进入分离器的纯环氧树脂质量：2500.0099%95%=2605.26Kg产品中的纯环氧树脂：250099%=2475.00Kg产品中的杂质：25001%=25.00Kg由上计算得到物料衡算表 表3.2环氧树脂回收衡算表输入物料质量（Kg）输出物料质量（Kg）纯环氧树脂2605.26环氧树脂纯物质2475.00杂质25.00未回收到105.26总计2605.26总计2605.26 3.3缩合工段物料衡算： 反应
19、5环氧氯丙烷环氧氯丙烷双酚A双酚A树脂及双酚A30%的氢氧化钠杂质、水、盐脚苯苯图3.2缩合工段物料衡算图反应的总方程式为：由表3.1中双酚A和环氧氯丙烷的比值可知n=0设环氧氯丙烷的质量为x，氢氧化钠为y，双酚A为z，氯化钠为t，水为r则x=1415.92Kg z=1746.86Kg y=612.31Kg t=894.36Kg r=275.47Kg双酚A的转化率为95%则输入物质双酚A的：1746.8695%=1838.80kg环氧氯丙烷：1838.80502565=2069.57kg氢氧化钠：1838.80502213=780.21kg输出物质：双酚A：1838.80-1746.86=91
20、.94kg环氧氯丙烷：2069.57-1415.92=653.65kg氢氧化钠：780.21-612.31=169.90kg氯化钠：894.36kg水：275.47kg以上计算可得到下列物料平衡表 表3.3缩合工段物料衡算表输入物质质量（kg）输出物质质量（kg）双酚A1838.80双酚A91.94环氧氯丙烷2069.57环氧氯丙烷653.65氢氧化钠780.21氢氧化钠169.90苯507.00苯507.00环氧树脂2605.26（其中有105.26未回收到）水275.47氯化钠894.36总计5195.58总计5195.583.4回收过量环氧氯丙烷冷凝器 5 环氧氯丙烷（g）环氧氯丙烷（l
21、）图3.3环氧氯丙烷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：653.65kg对于输出物料为一股：环氧氯丙烷：653.6597%=634.04kg由以上计算可得下列物料平衡表：表3.4回收物料平衡表输入物料质量（kg）输出物料质量（kg）环氧氯丙烷653.65回收环氧氯丙烷634.04未回收19.61总计653.65653.65收率：97% 4热量衡算4.1对溶解釜进行热量衡算4.1.1溶解阶段根据化学工程手册可知双酚A的溶解热可由下式估算： = = TmK1/M在式中 - 熔融热，kcal/kg Tm - 熔点（K）K1 - 系数 M - 分子量 则计算结果为：= =
22、= （157+273）13.5/228 = 25.46 kcal/kg = 106.6 kJ/kg则单釜双酚A溶解时吸热量为： Q1 = m1 = 106.61838.80= 1.96105kJ 釜向四周散失的热量计算公式为： Q3 = 10-3 其中 F 设备散热表面积，m2 散热表面向四周围介质的传热系数，W/（m2） 散热表面的温度， 周围介质温度， 散热持续的时间，s若取反应釜的R = 0.7 m，有效高度h = 1.95 m，则 F = 23.140.71.95 = 8.57 m2 = 25， = 70 = 8.100.045（） = 8.100.045（70-25） = 6.08W
23、/（m2） = 1800 s 则计算结果为：= 10-3 = 8.576.08（70-25）180010-3 = 2.74103 kJ原料升温所需热量计算公式为： = 其中： = T1 = 298.15 K T2 = 343.15 K定性温度：T =（T1+ T2）/2 = 320.5 K查得氢氧化钠在定性温度下的定压热容为：= 0.81 kJ/(kgK)由化学工程手册可知：定性温度下的定压热容由Kopp规则估算，其估算式为双酚A ： = （）/M = （157.53 + 169.62 + 216.74）/228.29 = 1.32 kJ/(kgK)环氧氯丙烷： = （）/M =（29.7+
24、228.3 + 24.9+29.7）/92.52 =1.52 kJ/(kgK)单釜原料中环氧氯丙烷、氢氧化钠和双酚A的质量百分含量分别为： Xw，环氧氯丙烷 =2069.57/4688.58 = 0.44 =780.21/4688.58 = 0.17 = 1838.80/4688.58 = 0.39则 = 0.441.52 + 0.170.81+ 0.391.32 = 1.32kJ/(kgK) 原料升温所需热量为： = = 4688.581.3250 = 3.09105 kJ则溶解阶段所需热量为： = + + = 1.96105+ 2.743103 + 3.09105 = 7.80105 kJ
25、 若采用100饱和水蒸气供热，冷凝为100的饱和水，已知常压下水汽化热为2258 kJ/kg，假设热量利用率为80%。则溶解阶段单釜加热水蒸气用量为： m =7.80105 22580.8 =431.41kg4.1.2冷却阶段物料溶解后在反应釜中可采用夹套通冷水的方法，由70冷却至55，若冷却水的进口温度为25，出口时的温度为40。由 得冷却水用量为： = = 4792.67kg4.1.3反应阶段(1) 对反应热的衡算： 根据化工数据环氧树脂()标准生成焓的估算式为： = - 由Joback 法估算如下： = 68.29 + = 68.29 + （- 1212.59） = - 1144.30
26、kJ/mol由CG法估算如下： = 6.83 + + = 6.83 + 527.12 11.43 = 522.52 kJ/mol则 = - = - 1144.30 522.52 = - 1666.82 kJ/mol环氧氯丙烷()标准生成焓的估算式为： = - 由Joback 法估算如下： = 68.29 + = 68.29 + （- 207.20） = - 138.91 kJ/mol由CG法估算如下： = 6.83 + + = 6.83 + 24.03 + 0 = 30.86 kJ/mol则 = - = - 138.91 30.86 = - 169.77 kJ/mol双酚A(c)标准生成焓的估
27、算式为： = - = - - 由Joback 法估算如下： = 68.29 + = 68.29 + (- 311.53) = - 243.24 kJ/mol由CG法估算如下： = 6.83 + + = 6.83+ 135.34 + 0 = 142.17 kJ/mol由JobackReid 法估算如下： = - 0.88 + = - 0.880 + 27.72 = 26.84 kJ/mol则 = - - = - 243.240 142.17 26.84 = - 412.25 kJ/mol查出或计算出了产物与反应物的标准生成焓如下：表4.1相关物质标准生成焓产物kJ/mol物料名称反应物kJ/mo
28、lNaCl- 411.12NaOH- 425.60H2O()- 285.83环氧氯丙烷()- 169.77环氧树脂()- 1666.82双酚A(c)- 412.25 由此可计算出反应热为： = - = （-1666.82 411.122 285.832）- （- 425.602 169.772 412.25） = - 1457.73kJ/mol双酚A和环氧氯丙烷的进料温度为55 系统反应温度也为55。计算输入焓如下：双酚A和环氧氯丙烷输入焓为： （环氧氯丙烷，双酚A 入）= = 0氢氧化钠的输入焓为： （NaOH，入）= = 780.210.81（55 - 25） = 1.90kJ （输入）=
29、 （环氧氯丙烷，双酚A入）+ （NaOH水溶液，入） = 0 +1.90 =1.90 kJ计算输出焓如下： （输出）= =（2605.261.495+894.360.413+275.474.2 +653.651.523+91.94 1.317（55 - 25） = 1.96105 kJ则反应阶段放热量为： =（输出）-（输入） = 1.96105 1.90 = 1.77105 kJ 反应放出的热通过夹套通冷水带出，如若冷却水进口温度为25，之后出口温度为45。由 = 计算得反应阶段冷却水的用量为： = = 2120.26Kg4.2 脱苯所需热量计算假设双酚A环氧树脂与苯的混合物经过滤送入蒸发器
30、后，升温到110物料由于升温所需的热量可由下式计算： = 其中的 = 查出计算出或查出环氧树脂和苯的平均定压比热容分别为：1.254 kJ/(kgK)和1.868 kJ/(kgK)，分别在系统中的质量百分数为： = 2605.26/（2605.26 + 507.00）= 0.84 = 507.00/（2605.26 + 507.00）= 0.16则 = = 1.2540.84 + 1.8680.16 = 1.35kJ/(kgK)物料升温所需热量为： = = （2605.26 + 507.00）1.350（110 - 80） =1.26105 kJ苯汽化所需的热量计算：苯在常压下汽化热为393.
31、9 kJ/kg苯汽化所需的热量为： = 507.00393.9 = 1.99105 kJ则脱苯时蒸发器所需的热量为： = + =1.26105 + 1.99105 = 3.25105 kJ单釜进料中脱苯所需的总热量为： = 3.251052 = 6.50105 kJ采用100饱和水蒸气供热，冷凝后为100饱和水。已知常压下的水的汽化热为2258 kJ/kg，假设热量利用率为80%。则脱苯时蒸发器加热水蒸气的用量为： = = 359.83 kg4.3脱苯用冷凝器冷却水用量计算若冷却水进口时的温度为25，出口时的温度为65则由 = 计算得脱苯时冷凝器中冷却水用量为： = =3893.15 kg5
32、设备选型5.1反应釜的设计物料体积计算：脱环氧氯丙烷前 表5.1釜内物料体积表物质质量 m (kg)密度(kg/l)体积v （l)双酚A1838.801.201532.33环氧氯丙烷2069.571.181753.87氢氧化钠780.212.13366.30Vd =1532.33+1753.87+366.30=3652.5L考虑到双酚A加釜后体积增大，所以取装料系数=0.75则过V=Vd/=3652.5/0.75=4870.00L脱环氧氯丙烷后表5.2 釜内物料体积表物质质量 m (kg)密度(kg/l)体积v （l)双酚A1838.801.201532.33环氧氯丙烷2069.571.181
33、753.87苯507.000.88576.14氢氧化钠780.212.13366.30脱除的环氧氯丙烷634.041.18537.32因为溶解时体积变化较小可忽略不计，则每釜物料体积为：Vd =1532.33+1753.87+576.14+366.30-357032=3691.32L考虑到实际溶解时双酚A和氢氧化钠都是固体，反应起泡或沸腾的通常装料系数可取0.60.7，反应较平稳的应取值0.60.85。所以取装料系数=0.8V=Vd/=3691.320.8=4614.15L 由上计算根据化工容器及设备简明设计手册，选公称容积为5 m3的钢制机械搅拌容器，椭圆形底、盖，筒体内径 = 1600 m
34、m，高度H = 2410 mm。5.1.1选材由于物料对钢材腐蚀性不强，工作的温度为200C1000C，不高于常压工作，则可选用Q235A。5.1.2确定参数 = 1.10.1 = 0.11 MPa， = 1600 mm， = 113 MPa， = 0.85 (双面焊对接接头，局部无损检测)，取C2 = 4 mm5.1.3计算筒体厚度 = = 0.92 mm= S C2= 0.92 + 4= 4.92 mm经查得： C1 = 0.25 mm + C1 = 4.92 + 0.25 = 5.17 mm取整后厚度为Sn = 6 mm，复验Sn6% = 66% = 0.36 0.25故最后取C1 = 0.25 mm,该筒体可用6 mm厚Q235A钢板制作。5.1.4计算封头厚度采用标准椭圆形封头，其厚度可按下式计算： 式中 = 0.11