年产1500吨双酚A型环氧树脂工艺设计说明书

i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 Epoxyres 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 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 selection,production process material balance and energy balance,Selection and calculation of process equipment,plant layout design,waste treatment and comprehensive utilization.KEY WORDS： Bisphenol A epoxy resins ; One-step; Workshop process designiii中文摘要英文摘要 目录1 引言 .11.1 环氧树脂发展史 .11.2 双酚 A 型环氧树脂的特点和用途 .11.3 双酚 A 型环氧树脂生产原料 .21.3.1 环氧树脂生产的主要原材料及规格 .2表 1.1 环氧树脂的主要原材料及规格 .21.3.2 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 .42 工艺流程设计 .52.1 工艺流程框图 .52.2 工艺流程叙述 .63 物料衡算 .73.1 计算条件与数据理 .73.2 环氧树脂收集 .73.3 缩合工段物料衡算： .83.4 回收过量环氧氯丙烷 .104 热量衡算 .124.1 对溶解釜进行热量衡算 .124.1.1 溶解阶段 .124.1.2 冷却阶段 .144.1.3 反应阶段 .154.2 脱苯所需热量计算 .184.3 脱苯用冷凝器冷却水用量计算 .205 设备选型 .215.1 反应釜的设计 .215.1.1 选材 .225.1.2 确定参数 .225.1.3 计算筒体厚度 .225.1.4 计算封头厚度 .235.1.5 校核筒体和封头的水压试验强度 .235.1.6 法兰的选取 .245.1.7 夹套的设计 .245.1.8 接管的设计 .265.1.9 搅拌器的设计 .265.2 脱苯用冷凝器的设计 .295.2.1 定性温度 .29iv5.2.2 平均温度下的物性数据 .305.2.3 平均传热温差 .305.2.4 冷却液用量 .305.2.5 管程传热系数 .315.2.6 壳程传热系数 .315.2.7 传热面积 .315.2.8 工艺结构尺寸 .325.2.9 传热管排列和分程方法 .325.2.10 壳体内径 .325.2.11 接管 .325.3 换热器核算 .335.3.1 壳程对流传热系数核算 .335.3.2 管程对流传热系数核算 .335.3.3 传热系数 K .345.3.4 传热面积 .345.3.5 管程流动阻力 .355.3.6 壳程阻力 .356 工厂布置设计 .386.1 工厂设计的内容与规范 .386.2 厂址选择的依据和原则 .396.3 车间的布置 .396.3.1 车间设备布置 .406.3.2 车间设备平面布置 .416.3.3 车间设备立面布置 .416.4 给水、排水系统 .426.5 电力供应及生产控制 .426.5.1 电力供应 .426.5.2 原料及产品的贮运 .426.5.3 分析检验室、维修室 .437 三废处理及其综合利用 .447.1 废水的处理 .447.2 回收利用 .457.3 废渣的处理 .457.4 噪声 .458 环氧树脂安全生产和相应的环境保护 .468.1 环氧树脂安全生产和环境保护的重要性 .468.2 环氧树脂生产安全注意事项与相应劳动保护措施 .468.2.1 环氧树脂生产原料的毒性 .468.2.2 环氧树脂生产中劳动保护注意事项 .478.2.3 环境保护措施 .478.2.4 绿化概况 .488.2.5 劳动安全、工业卫生与消防 .48南华大学化学化工学院毕业设计 第 1 页， 共 50 页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， Schlack 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（M 400-1400）和低分子量树脂（M400） 。南华大学化学化工学院毕业设计 第 2 页， 共 50 页双酚 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、 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) OH CCH3CH3 OH228.29外观：白色粒状（或粉状）结晶体熔点：155.5密度：1.195g/环氧氯丙烷（ECH）ClO92.52外观：无色透明液体 纯度：99.5 wt密度（20）：1.1801.184 g/沸点：117.9南华大学化学化工学院毕业设计 第 3 页， 共 50 页苯78.11纯度：99.5 wt馏程：109 112密度：0.8620.868g/沸点：80氢氧化钠 NaOH 40.01 Fe2O3 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，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。南华大学化学化工学院毕业设计 第 4 页， 共 50 页2.闭环反应：氯化羟基和 Na0H 发生反应，之后脱 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。南华大学化学化工学院毕业设计 第 5 页， 共 50 页2 工艺流程设计2.1 工艺流程框图 双酚 A 环氧氯丙烷循环使用 NaOH 环氧氯丙烷 苯NaOH 产品图 2.1 工艺流程框图溶 解反 应减 压溶 解反 应 冷却洗涤过 滤脱 苯南华大学化学化工学院毕业设计 第 6 页， 共 50 页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 50-5